眾所周知，化工行業(yè)是國民經濟中不可或缺的重要組成部分，但傳統(tǒng)化工行業(yè)依然存在一系列的問題，例如：運行過程能耗高、反應轉化率/選擇性低、安全性差、成本高、不易控制、污染問題嚴重等。解決這些問題不但是實現(xiàn)化學工業(yè)結構調整和產業(yè)升級的重要一步，也是實現(xiàn)化工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經過程。因此，科學界致力于探索新的、更加經濟和環(huán)保的反應途徑和反應器結構形式，微反應器技術也因此應運而生。

圖1 微反應器中的一種

如圖1所示，微反應器是指利用微加工或精密加工技術制造的特征尺寸在10到300微米（或者1000微米）之間、比表面積達到10000-50000 m²/m³的反應器。與常規(guī)反應器相比，微反應器具有比表面積大、熱/質傳遞速率高（比傳統(tǒng)反應器高2-3個數量級）、停留時間短、安全性高、副產物少、操作性好、開發(fā)和推廣周期短等突出優(yōu)勢。

圖2 化工過程中各種反應器的傳質速率和傳質速率對比^[1]

從宏觀的角度講，微反應器最吸引人的優(yōu)勢在于以下三點^[2]：（1）快速放大與柔性生產放大效應是一項技術或者工藝在實現(xiàn)工業(yè)化的過程中必須要考慮的因素，實驗室研究結果必須通過小試、中試逐級放大，費時費力，而且風險很高。而微反應器中每一個通道相當于一個獨立的反應器，因此放大過程即是以通道數目以及設備單元的疊加實現(xiàn)，節(jié)約時間和成本，使實驗成果快速轉化。另外，由于微反應系統(tǒng)是基于模塊結構并行分布系統(tǒng)，具有便攜式的特點，可實現(xiàn)原料或產品的就地轉化與生產，省去了原料及產品的運輸過程帶來的成本及危險。這種多模塊疊加特性使生產過程彈性很大，靈活根據時長情況增刪單元調節(jié)生產。（2）過程連續(xù)許多精細化工品和醫(yī)藥的生產采用間歇操作，效率低下，而采用微反應器可實現(xiàn)連續(xù)操作，降低成本，還會因為傳質速率高，停留時間短而抑制副反應，提高目的產物選擇性。（3）等溫操作和過程安全微反應器有很強的傳熱性能，即使是強放熱反應也容易控制，實現(xiàn)等溫操作。微反應器溫度易控制這種特點能夠有效避免飛溫問題，使反應過程安全性大幅提高。從另一方面講，即使發(fā)生問題，由于體積小、物料持有量低的特性，也不會造成嚴重的危害。

根據反應過程和參與反應的物質相態(tài)，微反應器主要可分為如下幾種類型：氣-液、氣-固、液-液、液-固等兩相微反應器以及氣-液-固、液-液-固三相微反應器等。其中的“固”一般指的是催化劑。微反應器擁有如此多的優(yōu)勢，那么內部的流動特性、反應過程究竟是怎樣的？不難推測，體積的縮小勢必使通道內的表面張力作用顯著增強，而且內部流動雷諾數極小，所以層流為主，慣性力作用減弱，因此流動特性理應和大型反應器有很大區(qū)別，傳質及反應過程自然也有不同。下面我們將重點放在微反應器內的流動特性方面，不涉及冗長復雜的公式，以簡單易懂的方式讓你對微反應器有一個直觀的認識。

No.1氣液兩相微反應器

圖3 微通道內常見的流型分布圖^[3]

微通道反應器內氣-液兩相流動的流型一般有泡狀流、彈狀流、彈狀-環(huán)狀流、環(huán)狀流、攪拌流等，如圖3所示。其中氣-液彈狀流以操作范圍寬、氣泡/液彈尺寸均一、流動易調控、徑向混合程度高，軸向返混低等優(yōu)勢受到廣泛關注。氣-液彈狀流又稱泰勒流（Taylor flow），其基本特征為：氣相作為分散相以氣泡形式存在，其長度通常大于通道寬度；液相作為連續(xù)相以液彈形式存在，相鄰液彈通過氣泡與通道壁面間的液膜連接；氣泡和液彈交替出現(xiàn)。彈狀流的兩個突出特征是內循環(huán)和泄露流^[4]，如圖4所示。

圖4 泄漏流和內循環(huán)示意圖

氣泡之間的液彈內部不是靜止的，每個液彈內部都存在循環(huán)渦流（內循環(huán)）。在矩形或方形通道中，由于表面張力作用，氣泡與壁面間的角落中存在較大空間，部分液體經此空間繞流過氣泡，形成泄漏流。泄漏流與內循環(huán)之間的傳遞機制對于調控傳質傳熱有重要的影響。泄漏流的驅動力源自氣泡兩端的Laplace壓差，氣泡尾端附近液體被卷吸入氣泡與通道間液膜內，然后從氣泡前端噴出。此過程中，液體速度可高達氣泡速度的數倍。液體從氣泡前端噴出后與內循環(huán)流匯合，在循環(huán)流作用下向通道中心運動。經此，相鄰液彈間發(fā)生物質交換，增強軸向混合。國內外學者關于氣液兩相微反應器開展了大量研究，如Li等^[5]以離子液體吸收CO₂作為目標反應，對微通道內氣-液兩相反應進行了研究，如圖5所示。證明了微反應技術可顯著提升反應效率，并基于該技術提出了快速測定反應速率和轉化率的新策略。

No.2液液兩相微反應器

與氣液兩相體系類似，液液兩相流動也有很多流型，但由于兩相性質變化大，所以種類更多，并根據體系不同可能出現(xiàn)不同的流型，因此更加復雜。圖6是Zhao等^[6]采用煤油-水為工作體系，在T型入口微通道中觀察到的6種流型。

圖6 煤油-水體系在T形入口微通道中的流型

在眾多流型中，液滴流和彈狀流因其良好分散性和可控性得到廣泛關注。在這種流型中，分散相液滴可視為獨立的“微反應器“，是化學反應、動力學測定、乳液制備和納微材料合成等過程的理想流型。彈狀流中連續(xù)相液彈和分散相內部均存在可控循環(huán)流，如圖7所示。內循環(huán)增強了徑向混合，也使相間邊界層厚度減小，有利于混合和傳質。

圖7 液液兩相微反應器內液彈和分散相內循環(huán)示意圖^[7]

No.3三相微反應器

三相微反應器包括氣-液-固三相和氣-液-液三相兩種情況。在氣-液-固三相微反應器中，根據固相催化劑在微反應器內處于流動狀態(tài)或固定狀態(tài)可將其分為催化劑懸浮式和催化劑固定式兩種。當氣、液兩相反應物通入微反應器內并形成穩(wěn)定的兩相流型后，氣、液兩相反應物由反應器主流區(qū)域傳輸至催化劑表面，并在催化劑活性位點處吸附并發(fā)生反應；隨后，反應后得到的產物在活性位點處脫附，并由催化劑表面向反應器主流區(qū)域傳輸。氣-液-固三相微反應器是研究催化劑性能的良好手段， Kataoka等^[8]為了探究催化劑長時間運行后失活的原因，在毛細管微反應器內固定了鉑催化劑，在Taylor流流型下對反應器內硝基苯加氫制苯胺的反應過程進行了分析，如圖8所示。

圖8 氣-液-固微通道反應器內Taylor反應流

氣-液-液三相流型更為特殊。可用于隔絕液滴融合，以實現(xiàn)生物篩選和納微材料的均勻合成等。通過引入惰性氣體進行攪拌，液-液兩相并行流較容易轉變?yōu)榉稚⑾嗔餍停嗥屏殉梢旱危退畠上啾缺砻娣e和表面更新速率增加，液-液傳質和反應得到強化。隨著微流控技術的發(fā)展，氣-液-液三相微流體也常用來合成中空包囊材料、微氣泡/微乳液等材料，常用的應用如圖9所示^[2]。

圖9 微反應器內氣-液-液三相微流體的應用

經過二十多年的發(fā)展，微反應技術已經被證實在過程強化領域有廣闊的應用前景，目前微化工技術已處于大規(guī)模應用的前夜。作為一個多學科交叉的新興研究領域，針對微尺度內的傳遞與反應規(guī)律以及它們間的協(xié)調控制機制等重要學科問題，還有待深入研究。微化工技術將是現(xiàn)有化工技術和設備制造的一項重大突破，也會對整個化學化工領域乃至國民經濟產生重大影響。

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