眾所周知，化工行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)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(yùn)行過程能耗高、反應(yīng)轉(zhuǎn)化率/選擇性低、安全性差、成本高、不易控制、污染問題嚴(yán)重等。解決這些問題不但是實(shí)現(xiàn)化學(xué)工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級的重要一步，也是實(shí)現(xiàn)化工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)過程。因此，科學(xué)界致力于探索新的、更加經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的反應(yīng)途徑和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式，微反應(yīng)器技術(shù)也因此應(yīng)運(yùn)而生。

圖1 微反應(yīng)器中的一種

如圖1所示，微反應(yīng)器是指利用微加工或精密加工技術(shù)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(dá)到10000-50000 m²/m³的反應(yīng)器。與常規(guī)反應(yīng)器相比，微反應(yīng)器具有比表面積大、熱/質(zhì)傳遞速率高（比傳統(tǒng)反應(yīng)器高2-3個數(shù)量級）、停留時間短、安全性高、副產(chǎn)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(yīng)器的傳質(zhì)速率和傳質(zhì)速率對比^[1]

從宏觀的角度講，微反應(yīng)器最吸引人的優(yōu)勢在于以下三點(diǎn)^[2]：（1）快速放大與柔性生產(chǎn)放大效應(yīng)是一項(xiàng)技術(shù)或者工藝在實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的過程中必須要考慮的因素，實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果必須通過小試、中試逐級放大，費(fèi)時費(fèi)力，而且風(fēng)險很高。而微反應(yīng)器中每一個通道相當(dāng)于一個獨(dú)立的反應(yīng)器，因此放大過程即是以通道數(shù)目以及設(shè)備單元的疊加實(shí)現(xiàn)，節(jié)約時間和成本，使實(shí)驗(yàn)成果快速轉(zhuǎn)化。另外，由于微反應(yīng)系統(tǒng)是基于模塊結(jié)構(gòu)并行分布系統(tǒng)，具有便攜式的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)原料或產(chǎn)品的就地轉(zhuǎn)化與生產(chǎn)，省去了原料及產(chǎn)品的運(yùn)輸過程帶來的成本及危險。這種多模塊疊加特性使生產(chǎn)過程彈性很大，靈活根據(jù)時長情況增刪單元調(diào)節(jié)生產(chǎn)。（2）過程連續(xù)許多精細(xì)化工品和醫(yī)藥的生產(chǎn)采用間歇操作，效率低下，而采用微反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作，降低成本，還會因?yàn)閭髻|(zhì)速率高，停留時間短而抑制副反應(yīng)，提高目的產(chǎn)物選擇性。（3）等溫操作和過程安全微反應(yīng)器有很強(qiáng)的傳熱性能，即使是強(qiáng)放熱反應(yīng)也容易控制，實(shí)現(xiàn)等溫操作。微反應(yīng)器溫度易控制這種特點(diǎn)能夠有效避免飛溫問題，使反應(yīng)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(yán)重的危害。

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

No.1氣液兩相微反應(yīng)器

圖3 微通道內(nèi)常見的流型分布圖^[3]

微通道反應(yīng)器內(nèi)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(diào)控、徑向混合程度高，軸向返混低等優(yōu)勢受到廣泛關(guān)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(nèi)循環(huán)和泄露流^[4]，如圖4所示。

圖4 泄漏流和內(nèi)循環(huán)示意圖

氣泡之間的液彈內(nèi)部不是靜止的，每個液彈內(nèi)部都存在循環(huán)渦流（內(nèi)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(jīng)此空間繞流過氣泡，形成泄漏流。泄漏流與內(nèi)循環(huán)之間的傳遞機(jī)制對于調(diào)控傳質(zhì)傳熱有重要的影響。泄漏流的驅(qū)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(nèi)，然后從氣泡前端噴出。此過程中，液體速度可高達(dá)氣泡速度的數(shù)倍。液體從氣泡前端噴出后與內(nèi)循環(huán)流匯合，在循環(huán)流作用下向通道中心運(yùn)動。經(jīng)此，相鄰液彈間發(fā)生物質(zhì)交換，增強(qiáng)軸向混合。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于氣液兩相微反應(yīng)器開展了大量研究，如Li等^[5]以離子液體吸收CO₂作為目標(biāo)反應(yīng)，對微通道內(nèi)氣-液兩相反應(yīng)進(jìn)行了研究，如圖5所示。證明了微反應(yīng)技術(shù)可顯著提升反應(yīng)效率，并基于該技術(shù)提出了快速測定反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率的新策略。

No.2液液兩相微反應(yīng)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(zhì)變化大，所以種類更多，并根據(jù)體系不同可能出現(xiàn)不同的流型，因此更加復(fù)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(guān)注。在這種流型中，分散相液滴可視為獨(dú)立的“微反應(yīng)器“，是化學(xué)反應(yīng)、動力學(xué)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(nèi)部均存在可控循環(huán)流，如圖7所示。內(nèi)循環(huán)增強(qiáng)了徑向混合，也使相間邊界層厚度減小，有利于混合和傳質(zhì)。

圖7 液液兩相微反應(yīng)器內(nèi)液彈和分散相內(nèi)循環(huán)示意圖^[7]

No.3三相微反應(yīng)器

三相微反應(yīng)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(yīng)器中，根據(jù)固相催化劑在微反應(yīng)器內(nèi)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(dāng)氣、液兩相反應(yīng)物通入微反應(yīng)器內(nèi)并形成穩(wěn)定的兩相流型后，氣、液兩相反應(yīng)物由反應(yīng)器主流區(qū)域傳輸至催化劑表面，并在催化劑活性位點(diǎn)處吸附并發(fā)生反應(yīng)；隨后，反應(yīng)后得到的產(chǎn)物在活性位點(diǎn)處脫附，并由催化劑表面向反應(yīng)器主流區(qū)域傳輸。氣-液-固三相微反應(yīng)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(yùn)行后失活的原因，在毛細(xì)管微反應(yīng)器內(nèi)固定了鉑催化劑，在Taylor流流型下對反應(yīng)器內(nèi)硝基苯加氫制苯胺的反應(yīng)過程進(jìn)行了分析，如圖8所示。

圖8 氣-液-固微通道反應(yīng)器內(nèi)Taylor反應(yīng)流

氣-液-液三相流型更為特殊。可用于隔絕液滴融合，以實(shí)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(jìn)行攪拌，液-液兩相并行流較容易轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑾嗔餍停嗥屏殉梢旱?，油水兩相比表面積和表面更新速率增加，液-液傳質(zhì)和反應(yīng)得到強(qiáng)化。隨著微流控技術(shù)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(yīng)用如圖9所示^[2]。

圖9 微反應(yīng)器內(nèi)氣-液-液三相微流體的應(yīng)用

經(jīng)過二十多年的發(fā)展，微反應(yīng)技術(shù)已經(jīng)被證實(shí)在過程強(qiáng)化領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，目前微化工技術(shù)已處于大規(guī)模應(yīng)用的前夜。作為一個多學(xué)科交叉的新興研究領(lǐng)域，針對微尺度內(nèi)的傳遞與反應(yīng)規(guī)律以及它們間的協(xié)調(diào)控制機(jī)制等重要學(xué)科問題，還有待深入研究。微化工技術(shù)將是現(xiàn)有化工技術(shù)和設(shè)備制造的一項(xiàng)重大突破，也會對整個化學(xué)化工領(lǐng)域乃至國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大影響。

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