微通道反应器概述

微通道反应器原理

微反应器或微结构反应器或微通道反应器是一种在典型结构尺寸小于1mm的密闭环境中发生化学反应的装置; 这种限制的最典型形式是微通道。微反应器通常是连续流反应器（与间歇式反应器相比）。与传统规模的反应器相比，微反应器具有许多优势，包括提高能源效率、反应速度和产量、安全性、可靠性、可扩展性、现场/按需生产以及更精细的过程控制。微通道反应器 (MCR) 由于发生反应的通道较小，因此具有高热性能和快速传质。 微通道提供的场比传统混合型反应器更具反应性。 然而，MCR 的应用仅限于高价值且小批量生产的药品等产品，这是由于MCR的流通能力的限制。

微化工技术思想源自于常规尺度的传热机理。对于圆管内层流流动，管壁温度维持恒定时，由公式(1)可见，传热系数h与管径d成反比，即管径越小，传热系数越大；对于圆管内层流流动，组分A在管壁处的浓度维持恒定时，传质系数kc与管径成反比(公式(2))，即管径越小，传质系数越大。由于微通道内流动多属层流流动，主要依靠分子扩散实现流体间混合，由公式(3)可知，混合时间t与通道尺度平方成正比。通道特征尺寸减小不仅能大大提高比表面积，而且能大大强化过程的传递特性。

Nu=hd/k=3.66(1)

Sh=kc/DAB=3.66(2)

t=d 2/DAB(3)

其中Nu为努塞尔数、Sh为谢伍德数、D为扩散系数。化工过程中进行的化学反应受传递速率或本征反应动力学控制或两者共同控制。就瞬时和快速反应而论，在传统尺度反应设备内进行时，受传递速辛控制，而微尺度反应系统内由干传递速率呈数量级提高，因此这类反应过程速率将会大幅度提高；如氧碘化学激光器中的激发态氧发生器(氯气用双氧水碱溶液反应)、烃类直接氟化。慢反应主要受本征反应动力学控制，其实现过程强化的关键手段之一在于如何提高本征反应速率，通常可采用提高反应温度、改变工艺操作条件等措施；而中速反应则由传递和反应速率共同作用，也可采取与慢反应过程类似的措施。目前工业应用的烃类硝化反应大多属于中慢速反应过程，反应时间在数十分钟至数小时，在微反应器内可采用绝热硝化并同时改变工艺条件可使反应时间缩短至数秒。因此，从理论上分析几乎所有反应现状过程皆可实现过程强化。

微通道反应器应用范围

微通道反应器可用于液-液、气-液之间的反应，反应类型包含微通道电催化反应器、微通道光催化反应器等。当固体颗粒粒径不足以对微通道造成负面效应时，固-液反应也可进行。

微通道反应器材质

微通道反应器材质有304、316L；哈B、哈C、钛等金属材质，以及PTFE、FEP、PFA、石英、高硼硅、碳化硅等。微通道反应器材质的选择很大程度上取决于其应用需要，主要包括操作条件(压力和温度等)、混合物的物理性质(pH、粘度等)、成本、批量生产能力和制造难易程度等 。目前应用较为广泛的主要有玻璃、硅、金属、钢材和聚合物等。

微通道反应器特点

微通道反应器是具有特定微观结构的反应设备，微结构是反应器的核心，按照微结构种类的不同形成了不同形式的微反应器。微通道的形状多种多样，有矩形、梯形、双梯形以及其他不规则形状，不仅具有换热、传质性能高效，过程连续，工艺绿色化等特点，还具有独特的优点：反应器材质为透明特种玻璃，易观察、捕获化学反应中的变化，同时还可以实现传统反应器难以放大的光催化反应；反应器模块化、集成化程度高，使用灵活方便。微反应器因其独特的微结构，在混合效率和换热效率、放大过程、集成化和连续化、反应时间控制以及安全性方面表现出优异的性能，这些都是提高目标产物的收率、选择性和质量的关键因素。微流控技术明显特点是尺寸小、比表面积大，流动行为以层流为主，停留时间能精准控制；传热传质特快，没有放大效应。