易春輝，王進(jìn)，宋士龍，沈祖東，姜雯雯，代婷婷

（西安石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710300）

隨著現(xiàn)代科技的迅速進(jìn)步和各行業(yè)的迅猛發(fā)展，在20世紀(jì)90年代，微化工技術(shù)這一多學(xué)科交叉的科技前沿領(lǐng)域開始萌芽，并在這幾十年中迅速發(fā)展。時(shí)至今日，這一技術(shù)在國內(nèi)外化工領(lǐng)域有很大的發(fā)展，對比傳統(tǒng)工藝，微反應(yīng)器技術(shù)在多個(gè)學(xué)科中都體現(xiàn)出它特有的優(yōu)勢[1-5]。

21世紀(jì)的化學(xué)工程技術(shù)始終圍繞著安全、綠色、高效這類方向發(fā)展，正因如此，微化工技術(shù)領(lǐng)域吸引了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，而在微化工技術(shù)中，微反應(yīng)器是其中的核心之一。微化工工程主要通過微結(jié)構(gòu)單元使反應(yīng)空間限制在微尺度的范圍（10～500 μm）[6]，從而使得整個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程的安全性、高效性有明顯的提高，也更加的綠色環(huán)保。

1 比較傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器與微通道反應(yīng)器

1.1 傳統(tǒng)的釜式反應(yīng)器

目前，傳統(tǒng)的釜式反應(yīng)器作為常見的反應(yīng)器，廣泛應(yīng)用在化工工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。其具有溫度和壓力的適用范圍大、適應(yīng)能力強(qiáng)、易于控制和操作等特點(diǎn)[7]。但相對地，它也具有在裝、填料等輔助操作時(shí)的耗時(shí)較長、輔助操作過程會造成過程不連續(xù)、產(chǎn)品質(zhì)量難以穩(wěn)定[2]、換熱面積小從而導(dǎo)致對強(qiáng)放熱反應(yīng)的控制能力較低等特點(diǎn)，通常用于操作條件比較緩和的反應(yīng)。

1.2 微通道反應(yīng)器

微反應(yīng)器、微混合器、微換熱器、微控制器等微通道化工設(shè)備通稱為“微通道反應(yīng)器”，也可以簡稱它為“微反應(yīng)器”[5]。作為微化工技術(shù)的核心，微反應(yīng)器則是一類“超高效”的化工設(shè)備[8]，它是將傳統(tǒng)的反應(yīng)器縮小，以微單元為核心，使用微加工技術(shù)等技術(shù)集成[9]，使得其內(nèi)部的流體的流動狀態(tài)發(fā)生改變，有效地減少了流體的分散尺度，稱這種特殊的流體為“微流體”[1,3]。

微通道反應(yīng)器具有傳質(zhì)及傳熱的速率快、反應(yīng)時(shí)間較短且連續(xù)性較強(qiáng)、安全性能有保障、集成度較高、可控性較強(qiáng)、占用體積較小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2-3,10-12]，且更加綠色環(huán)保。因此，相對于傳統(tǒng)的釜式反應(yīng)器，微通道反應(yīng)器具有其特有的優(yōu)勢。

2 微通道反應(yīng)器的應(yīng)用進(jìn)展

2.1 對反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和物料的精準(zhǔn)把控

2.1.1 精準(zhǔn)控制反應(yīng)溫度

由于大多數(shù)的化工生產(chǎn)過程都有強(qiáng)放熱情況的發(fā)生，比起傳統(tǒng)的釜式反應(yīng)器對于強(qiáng)放熱反應(yīng)的控制能力較低的不足，微反應(yīng)器可以很好地彌補(bǔ)這一點(diǎn)。由于其反應(yīng)器通道的反應(yīng)尺寸很小，比表面積就變得很大了[15-16]，使得在熱量傳遞的過程中，溫度梯度變大，推動力變大，使得傳熱效率變大[5,8-9,13-14]，使得它在瞬間大量放熱的反應(yīng)過程中也能很快地將熱量傳遞出去，從而精準(zhǔn)地控制了反應(yīng)溫度。利用微通道反應(yīng)器可以很大程度地對傳遞過程產(chǎn)生強(qiáng)化作用，極大地避免了局部過熱、濃度差異大等異常情況，有效地抑制了不利狀況的發(fā)生[18]。

2.1.2 精準(zhǔn)控制反應(yīng)時(shí)間

得益于微通道反應(yīng)器內(nèi)流體的流動狀態(tài)，層流流動大量地減少了流動阻力，能更容易地描述反應(yīng)的狀態(tài)并進(jìn)行模擬[3-4]。由于比表面積很大，大大減少了反應(yīng)時(shí)間。并且微通道反應(yīng)器采用的是連續(xù)流動的物料參與反應(yīng)的方式[5]，這樣做的好處在于避免了傳統(tǒng)的釜式反應(yīng)器在裝、填料等輔助操作時(shí)耗時(shí)較長、反應(yīng)過程不連續(xù)使得產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，大大節(jié)省了時(shí)間，精準(zhǔn)地控制了物料的停留和反應(yīng)的時(shí)間[8]，同時(shí)還能有效地減少由于反應(yīng)時(shí)間過長造成生成副反應(yīng)的量增多從而降低產(chǎn)品的質(zhì)量[5,11,13-14]。

2.1.3 精準(zhǔn)把控物料的配比

相較于傳統(tǒng)的釜式反應(yīng)器無法避免地在快速反應(yīng)中配比物料時(shí)出現(xiàn)局部過量、攪拌不均勻、產(chǎn)生副產(chǎn)物等問題[5]，微通道反應(yīng)器由于其自身管道尺寸極小（微尺度范圍內(nèi)），從而大大提高了物料的混合程度，且降低了混合所消耗的時(shí)間，極大程度上提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

2.2 微反應(yīng)器的并行放大

傳統(tǒng)的反應(yīng)器由于“三傳”的影響，通常需要經(jīng)過“小試→中試→放大生產(chǎn)”[8,18]這一系列過程，從而使生產(chǎn)工藝達(dá)到原有的反應(yīng)條件。而與之相比，微反應(yīng)器的并行放大過程具有優(yōu)良的單一通道在“三傳”狀態(tài)下的重現(xiàn)性和在多個(gè)通道并行狀態(tài)下的魯棒性[10,18]，因此，在放大過程中可以跳過中試，直接放大生產(chǎn)，不改變小試的實(shí)驗(yàn)條件，僅需要增加并行管數(shù)，即可達(dá)到工業(yè)放大要求[1-2,4,10-11,18]，過程中省去了大量的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本，極大地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期。

2.3 微反應(yīng)器的高度集成特性

微反應(yīng)器結(jié)合了多種趨于成熟的微化工技術(shù)集合在一塊反應(yīng)芯片中，依靠這一單一的芯片進(jìn)行多種操作，這樣做的好處是不僅將復(fù)雜的操作集中在同一芯片中，使得多種操作在同一區(qū)域完成，方便監(jiān)測和操作，并且在提高反應(yīng)速度的同時(shí)還節(jié)約了成本[18-20,24]。

2.4 具有良好的安全性和可控性

在化工過程中，最重要的一個(gè)指標(biāo)就是安全性。微通道反應(yīng)器很好地滿足了這一要求。由于其采用連續(xù)流動的方式進(jìn)行反應(yīng)，因此可以很大程度地減少反應(yīng)器中停留大量化學(xué)品造成危險(xiǎn)，降低了危害程度[11]。

由于微反應(yīng)器的反應(yīng)尺度都是微米級或亞微米級的，其混合過程在微結(jié)構(gòu)中完成，避免了傳統(tǒng)反應(yīng)器的攪拌過程，因此反應(yīng)過程更加溫和可控，也更為均一[3-5]。

2.5 反應(yīng)過程清潔、綠色、環(huán)保

結(jié)合我國國情和政策要求，如“雙碳”等政策的出臺，對于化工過程的清潔、綠色、環(huán)保要求越來越高，微反應(yīng)器技術(shù)對化工過程綠色化和可持續(xù)化的貢獻(xiàn)越來越明顯。相較傳統(tǒng)的化工過程，微反應(yīng)器有著副產(chǎn)物少、產(chǎn)能高、耗能小的優(yōu)勢。微尺度使得反應(yīng)過程對物料的消耗量是微量級的，與之對應(yīng)的產(chǎn)物也是微量的，其對環(huán)境和操作人員的危害程度也非常的低[21-23]。因此，微反應(yīng)器技術(shù)必將在化工行業(yè)中大放異彩。

3 微通道反應(yīng)器發(fā)展過程中存在的問題

3.1 微通道反應(yīng)器適用范圍具有一定的局限性

3.1.1 對物料的流動性有一定的要求

微反應(yīng)器對物料的流動性有一定的要求，如果流體的黏度較大或者固體的顆粒過大，很可能造成微通道堵塞，并且清理殘留物料時(shí)難度相比傳統(tǒng)反應(yīng)器提高了很多。所以在選用的物料中存在此類物質(zhì)的時(shí)候，需要謹(jǐn)慎使用微反應(yīng)器進(jìn)行化工過程[24-26]。

3.1.2 對于物料反應(yīng)的速度有一定的要求

微通道反應(yīng)器的優(yōu)勢就是在于對于需要嚴(yán)格配比的快速反應(yīng)過程有很好的控制作用，它能夠快速的將物料混合均勻促使其反應(yīng)均勻且穩(wěn)定，但同樣地，對于反應(yīng)較慢的化工過程來說，在微通道反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間要比傳統(tǒng)的反應(yīng)器時(shí)長短很多，就很可能造成反應(yīng)不充分的情況，所以對于較慢的化學(xué)反應(yīng)在選擇微通道反應(yīng)器時(shí)也需要謹(jǐn)慎[24]。

3.1.3 微反應(yīng)器設(shè)備復(fù)雜且價(jià)格比較昂貴

比較傳統(tǒng)的反應(yīng)器，微反應(yīng)器高度集成，這樣就導(dǎo)致了它在增強(qiáng)監(jiān)測能力的同時(shí)增加了其操作難度，控制變得更為復(fù)雜。且由于尺度小，就導(dǎo)致了處理能力比傳統(tǒng)反應(yīng)器小很多，而原本的微反應(yīng)器設(shè)備的價(jià)格和維護(hù)成本就較為高昂，所以就目前而言，微反應(yīng)器所需要的生產(chǎn)成本相對較高[25]。

3.1.4 國內(nèi)人才缺乏及政策不完善

由于微化工技術(shù)相較于傳統(tǒng)意義上的化工技術(shù)來說屬于新技術(shù)，微化工技術(shù)普及程度低，相關(guān)產(chǎn)品政策不完善，使得產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，缺乏相關(guān)專業(yè)人才，新技術(shù)理論儲備不夠完善，這些均亟待解決[27]。

4 微通道反應(yīng)器的發(fā)展前景及未來展望

4.1 國內(nèi)外微反應(yīng)器應(yīng)用實(shí)例

BLAUTH 等以Sabatier 反應(yīng)為例，利用PDE 約束優(yōu)化技術(shù)對一個(gè)化學(xué)微通道反應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化。模擬微通道內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)流動，引入三維和一維模型，解決了參數(shù)識別問題，最后提出了兩個(gè)對微反應(yīng)器收率優(yōu)化的問題，考慮用壁溫和入口氣速作為優(yōu)化變量，使用目標(biāo)函數(shù)來最大化反應(yīng)器中的流速，并通過狀態(tài)約束來保證產(chǎn)品的質(zhì)量[28]。

LI 等采用兩種具有鉑箔催化劑的（深度200 μm，寬度5.0 mm，長度40.0 mm）微型反應(yīng)器，采用小波變換方法，在時(shí)域和頻域分析了反應(yīng)物流量和針翅結(jié)構(gòu)對流動不穩(wěn)定性的影響，使得在5 mL·h-1反應(yīng)物流速下，H2O2分解達(dá)到了59.0 %的轉(zhuǎn)化率。這一轉(zhuǎn)化率比氫氣分解的轉(zhuǎn)化率高出了300%[29]。

王曉東等通過使用碳化硅材質(zhì)的微反應(yīng)器，以2,4-二甲基苯酚、硝酸、二氯乙烷為原料，研究了硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)等多種參數(shù)對化學(xué)反應(yīng)的影響，找到了在此材質(zhì)的反應(yīng)器中生成2,4-二甲基-6-硝基苯酚最佳的工藝條件，使其在生產(chǎn)過程中的傳熱效率、生產(chǎn)能力均大幅提高[30]。

徐一鳴等以直鏈烷基苯為原料，通過考察磺化溫度、原料摩爾比以及磺化劑濃度等工藝參數(shù)對產(chǎn)物的影響與純十六烷基苯磺化規(guī)律進(jìn)行對比，找到了最佳的工藝參數(shù)條件。同時(shí)，設(shè)計(jì)并搭建了微反應(yīng)器小試平臺，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)合成混合烷基苯磺酸鹽，大大提高了產(chǎn)品收率，為該工藝的工業(yè)應(yīng)用提供了技術(shù)支持[31]。

4.2 未來展望

雖然相較于國外，國內(nèi)微化工技術(shù)起步較晚，但是通過近年來的專利文獻(xiàn)等可以看到，我國的微化工技術(shù)正在迅猛發(fā)展[32]。相信在不久的將來，國內(nèi)微化工技術(shù)不斷優(yōu)化升級，一定可以在國內(nèi)的化工生產(chǎn)過程中占據(jù)一席之地。