摘要：微反應(yīng)器在傳質(zhì)、傳熱、恒溫等性能方面的表現(xiàn)都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)反應(yīng)器，小尺寸、較大的面積體積比、規(guī)整的微通道使它便于運輸又安全快捷。本文就微反應(yīng)器的設(shè)計、制造、原理和放大等一系列問題的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)和概括，并對它的應(yīng)用前景進行了展望。

1微反應(yīng)器的設(shè)計

微反應(yīng)器是一個復雜的微系統(tǒng)，其設(shè)計涵蓋了微動力學、微摩擦學、微流體力學、微傳熱學、微電子學、化學等多門學科，所以微反應(yīng)器的各部件和微通道都要進行精密的設(shè)計和研究。微通道的當量直徑數(shù)量級為微米，其間流體流動的雷諾準數(shù)通常在幾十到幾百之間，黏滯力比慣性力大，流體為層流流動。流量∮的定義式：

  ∮=A²△p/CRnL

式中A為微通道截面積，△p為微通道上的壓降，CR為微通道的幾何系數(shù)，n和L分別為流體的粘度和微通道的長度。由公式可看出，微通道截面、長度和流體粘度一定的情況下，幾何系數(shù)CR的值越小流體流量越大，CR的定義式：

CR=U²P₀／8A

式中U為微管道濕潤周長，P₀為泊肅數(shù)。圓形的幾何系數(shù)最小，但是存在刻蝕困難的問題，所以微通道通常是矩形或梯形的。

微反應(yīng)器狹窄的通道，最大的表面和體積比，既加強了傳熱能力，同時也縮短了質(zhì)量傳遞的距離和時間。由公式3可見，傳熱系數(shù)h和管徑d成反比，當通道尺寸在100 um～1.0mm范圍內(nèi)時，層流傳熱系數(shù)高達2000～20000W／(m²·K)。如此高的傳熱系數(shù)，即使對于反應(yīng)速度非常快，熱效應(yīng)非常大的化學反應(yīng)也能在近乎恒溫的條件下進行。

Nu=hd/k

在公式4中Kc是傳質(zhì)系數(shù)，S是比表面積，D是擴散系數(shù)。傳質(zhì)系數(shù)與管徑成反比，微小的通道不僅提高了傳熱面積，也加強了傳質(zhì)能力，縮短了擴散時間。在毫秒時間間隔內(nèi)反應(yīng)物就可徑向完全混合。

 Sh=kcd/D

2微反應(yīng)器的制造

微反應(yīng)器的外形尺寸通常只有幾厘米，內(nèi)部的通道特征尺寸在微米級，圖1是用于水煤氣變換的型反應(yīng)器，內(nèi)部裝有25片帶有微通道的金屬薄片。微通道的形狀是多種多樣的，有矩形的、梯形的、雙梯形的以及不規(guī)則尺寸的。到目前為止，制造微通道可應(yīng)用的微加工技術(shù)包括：精密機械加工、濕法刻蝕、干法刻蝕、電化學刻蝕、表面硅工藝技術(shù)、LIGA(光刻、電鑄成模和塑注成型)技術(shù)、電火花加工、表面活化鍵合技術(shù)、激光加工等。制備微通道的材料一般有不銹鋼，F(xiàn)eCrAJ，陶瓷和硅晶片。

圖2是使用深度離子刻蝕法在硅晶片上制備微通道的過程示意圖。硅晶片被選做載體是因為它易確定處理技術(shù)，優(yōu)良的熱傳導性和易負載催化劑。微反應(yīng)器的尺寸是6cm×6cm，有帶進口和出口的耐熱玻璃蓋，刻蝕深度是200um。

3微反應(yīng)器的分類

微反應(yīng)器有多種分類方式，按操作模式可分為間歇式微反應(yīng)器和連續(xù)微反應(yīng)器，按用途可分為試驗用微反應(yīng)器和生產(chǎn)用微反應(yīng)器，按反應(yīng)物的相態(tài)可分為液液微反應(yīng)器、氣液微反應(yīng)器和氣液固三相微反應(yīng)器等。相當數(shù)量的微反應(yīng)系統(tǒng)中反應(yīng)物是互不相溶的，在這樣的系統(tǒng)中就必須使用流體動力學、臨界混合以及促進相間接觸的方法使一種物相同另一種物相充分混合、擴散到發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)特性不僅受反應(yīng)物濃度控制，也受反應(yīng)器傳熱和傳質(zhì)能力影響。

3.1水一有機溶液微反應(yīng)系統(tǒng)

在水一有機溶液微反應(yīng)系統(tǒng)中兩種液體的混合是至關(guān)重要的因素，在層流流動的微通道中為了增大液體的接觸面積減少擴散距離，通常采用以下兩種構(gòu)造形式，一種是由泵輸送的兩種液體分別進入各自的輸送通道，然后在平行的縱向接觸面上混合、擴散到發(fā)生化學反應(yīng)，如圖4.a。由于大表面接觸和短的分子擴散距離，使主反應(yīng)產(chǎn)物及時被運走，阻止了副反應(yīng)發(fā)生。提高了反應(yīng)的收率和選擇性。另一種是將一種液體用多次脈沖的方法注射到另一種液體流中，擴散和反應(yīng)發(fā)生在多個橫向接觸面上，如圖4-b所示。為了混合不相融的液體系統(tǒng)，需要添加離子對(銨鹽)、形成膠束或使用恰當?shù)谋砻婊钚詣┬纬捎驮谒械娜闋钜海蟊砻婊钚詣┎荒苡绊懟瘜W反應(yīng)，任何一種方法都會促進兩種液體間的擴散和傳質(zhì)。

3.2氣液微反應(yīng)系統(tǒng)

氣液微反應(yīng)系統(tǒng)需要有效的方法將氣體擴散到液體中，增大接觸面同時在整個微通道中保持擴散范圍心。一種接觸方式是液體脈沖注人連續(xù)的氣體流中，如圖5a所示。另一種接觸方式是氣體和液體被高速注入‘T’形混合器中，氣體和液體頭對頭接觸并一起進入側(cè)面的垂直通道中，如圖5b所示。氣液兩相的接觸面積是決定反應(yīng)速率轉(zhuǎn)化率的關(guān)鍵因素，上述兩種接觸方式都有效促進了氣液的接觸面積，內(nèi)表面積約20000m²/m³，顯然優(yōu)于傳統(tǒng)的氣液反應(yīng)器。

4微反應(yīng)器的應(yīng)用

微反應(yīng)器獨特的結(jié)構(gòu)給它帶來了一系列優(yōu)質(zhì)的性能，故它被應(yīng)用到許多領(lǐng)域中。例如對于小規(guī)模的光化學過程，采用透明的微反應(yīng)器可有利于薄流體層靠近輻射源。德國美因茲微技術(shù)研究所開發(fā)了一種平行盤片結(jié)構(gòu)的電化學微反應(yīng)器。使用這個裝置，提高了由4一甲氧基甲苯合成對甲氧基苯甲醛反應(yīng)的選擇性。

由于微反應(yīng)器高的傳熱效率，使反應(yīng)床層幾近恒溫，有利于各種化學反應(yīng)的進行。Wan等在微反應(yīng)器中將苯胺氧化成氧化偶氮苯，DelSman等在微系統(tǒng)中研究了一氧化碳的選擇氧化，同時微反應(yīng)器也被應(yīng)用到加氫反應(yīng)、氨的氧化、甲醇氧化制甲醛、水煤氣變換以及光催化等一系列反應(yīng)。另外，微反應(yīng)器還可用于某些有毒害物質(zhì)的現(xiàn)場生產(chǎn)，進行強放熱反應(yīng)的本征動力學研究以及組合化學如催化劑、材料、藥物等的高通量篩選。

5前景與展望

迄今為止國內(nèi)外學術(shù)界對微反應(yīng)器已進行了廣泛的研究，對它的原理和特性有了較好的認識，且在微反應(yīng)器的設(shè)計、制造、集成和放大等方面都取得了可喜的成績。但是對它的研究還不夠成熟，傳統(tǒng)的“三傳一反”理論必須進行修正、補充和創(chuàng)新，反應(yīng)的一些原理還沒有探討清楚，還需要大量的工作。另外在它的制造、催化劑的壁載和系統(tǒng)的自動控制方面還存在許多技術(shù)難點，有必要進行微反應(yīng)系統(tǒng)中表面和界面現(xiàn)象、傳遞規(guī)律、反應(yīng)特性和放大集成的深人研究。21世紀由于環(huán)境惡化以及能源枯竭等一系列問題，使化學工業(yè)面臨前所未有的機遇和挑戰(zhàn)，由于微反應(yīng)器表現(xiàn)出的諸多優(yōu)點，科學界致力于探索新的反應(yīng)途徑使化工生產(chǎn)更加經(jīng)濟和環(huán)保。所以我們有必要相信微反應(yīng)器將在化學工業(yè)中發(fā)揮出巨大的作用。

摘自《世界科技研究與發(fā)展》