微反應器

微反應器是一種藉助於特殊微加工技術以固體基質製造的可用於進行化學反應的三維結構元件。微反應器通常含有小的通道尺寸（當量直徑小於500 µm）和通道多樣性，流體在這些通道中流動，並要求在這些通道中發生所要求的反應。這樣就導致了在微構造的化學設備中具有非常大的表面積/體積比率。

基本介紹

• 中文名：微反應器
• 外文名：Micro-reactor
• 又稱：微通道反應器
• 分類：微混合器，微換熱器和微反應器

定義

微反應器，即微通道反應器，利用精密加工技術製造的特徵尺寸在10到300微米（或者1000微米）之間的微型反應器，微反應器的“微”表示工藝流體的通道在微米級別，而不是指微反應設備的外形尺寸小或產品的產量小。微反應器中可以包含有成百萬上千萬的微型通道，因此也實現很高的產量。

發展歷史

美國Dupont公司於上個世紀90年代初率先開展了微化工系統在危險化學品生產中的套用基礎研究，成功開發出合成異氰酸甲酯的微型化工裝置。美國PNNL(Pacific Northwest National Lbaoratory)主要開展燃料電池氫源系統微型化研究，反應器主體結構是一個錯流式微通道換熱器，與傳統相比，相同的處理能力，反應器體積可減小l～2個數量級。微反應器在傳質、傳熱、恆溫等方面表現出的巨大優勢，自面世以來迅速引起相關領域專家的濃厚興趣和關注。

拜耳-埃爾費爾德微技術公司（Ehrfeld Mikrotechnik BTS，簡稱EMB)是全球領先的微反應器技術的供應商。在化工和精細化工產品生產領域，EMB開發的Miprowa系列微反應器已經被世界各大化工公司套用於工藝開發與生產中；在藥物生產領域，2010年EMB與龍沙公司（Lonza）合作向市場推出了符合GMP認證要求的Flowplate系列微反應器。

用途

微反應器設備根據其主要用途或功能可以細分為微混合器，微換熱器和微反應器。由於其內部的微結構使得微反應器設備具有極大的比表面積，可達攪拌釜比表面積的幾百倍甚至上千倍。微反應器有著極好的傳熱和傳質能力，可以實現物料的瞬間均勻混合和高效的傳熱，因此許多在常規反應器中無法實現的反應都可以微反應器中實現。

目前微反應器在化工工藝過程的研究與開發中已經得到廣泛的套用，商業化生產中的套用正日益增多。其主要套用領域包括有機合成過程，微米和納米材料的製備和日用化學品的生產。在化工生產中，最新的Miprowa技術已經可以實現每小時上萬升的流量。

缺點

微反應器的微結構最大的缺點是固體物料無法通過微通道，如果反應中有大量固體產生，微通道極易堵塞，導致生產無法連續進行。

目前這一問題主要是通過改進反應器的設計來解決。例如拜耳-埃爾費爾德微技術公司開發的閥式混合器（反應器）可以用於快速沉澱反應，基於這一技術，拜耳公司成功開發了商業化生產工藝，用於生產高性能的微米材料和納米材料。

中國相關

在國內，微反應技術處於研究與開發階段。雖然有很多高校從事微反應技術研究，尚沒有成熟的國產設備面世。

套用

微反應器獨特的結構給它帶來了一系列優質的性能，故它被套用到許多領域中。例如對於小規模的光化學過程，採用透明的微反應器可有利於薄流體層靠近輻射源。德國美因茲微技術研究所開發了一種平行碟片結構的電化學微反應器。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的選擇性。
由於微反應器高的傳熱效率，使反應床層幾近恆溫，有利於各種化學反應的進行。Wan等在微反應器中將苯胺氧化成氧化偶氮苯，DelSman等在微系統中研究了一氧化碳的選擇氧化，同時微反應器也被套用到加氫反應、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。另外，微反應器還可用於某些有毒害物質的現場生產，進行強放熱反應的本徵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。

前景與展望

迄今為止國內外學術界對微反應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，且在微反應器的設計、製造、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，傳統的“三傳一反”理論必須進行修正、補充和創新，反應的一些原理還沒有探討清楚，還需要大量的工作。另外在它的製造、催化劑的壁載和系統的自動控制方面還存在許多技術難點，有必要進行微反應系統中表面和界面現象、傳遞規律、反應特性和放大集成的深人研究。
21世紀由於環境惡化以及能源枯竭等一系列問題，使化學工業面臨前所未有的機遇和挑戰，由於微反應器表現出的諸多優點，科學界致力於探索新的反應途徑使化工生產更加經濟和環保。所以我們有必要相信微反應器將在化學工業中發揮出巨大的作用。