微通道反應器原理

微反應器或微結構反應器或微通道反應器是一種在典型結構尺寸小于1mm的密閉環(huán)境中發(fā)生化學反應的裝置; 這種限制的最典型形式是微通道。微反應器通常是連續(xù)流反應器（與間歇式反應器相比）。與傳統(tǒng)規(guī)模的反應器相比，微反應器具有許多優(yōu)勢，包括提高能源效率、反應速度和產(chǎn)量、安全性、可靠性、可擴展性、現(xiàn)場/按需生產(chǎn)以及更精細的過程控制。微通道反應器 (MCR) 由于發(fā)生反應的通道較小，因此具有高熱性能和快速傳質。 微通道提供的場比傳統(tǒng)混合型反應器更具反應性。 然而，MCR 的應用僅限于高價值且小批量生產(chǎn)的藥品等產(chǎn)品，這是由于MCR的流通能力的限制。

微化工技術思想源自于常規(guī)尺度的傳熱機理。對于圓管內(nèi)層流流動，管壁溫度維持恒定時，由公式(1)可見，傳熱系數(shù)h與管徑d成反比，即管徑越小，傳熱系數(shù)越大；對于圓管內(nèi)層流流動，組分A在管壁處的濃度維持恒定時，傳質系數(shù)kc與管徑成反比(公式(2))，即管徑越小，傳質系數(shù)越大。由于微通道內(nèi)流動多屬層流流動，主要依靠分子擴散實現(xiàn)流體間混合，由公式(3)可知，混合時間t與通道尺度平方成正比。通道特征尺寸減小不僅能大大提高比表面積，而且能大大強化過程的傳遞特性。

Nu=hd/k=3.66(1)

Sh=kc/DAB=3.66(2)

t=d 2/DAB(3)

其中Nu為努塞爾數(shù)、Sh為謝伍德數(shù)、D為擴散系數(shù)?；み^程中進行的化學反應受傳遞速率或本征反應動力學控制或兩者共同控制。就瞬時和快速反應而論，在傳統(tǒng)尺度反應設備內(nèi)進行時，受傳遞速辛控制，而微尺度反應系統(tǒng)內(nèi)由干傳遞速率呈數(shù)量級提高，因此這類反應過程速率將會大幅度提高；如氧碘化學激光器中的激發(fā)態(tài)氧發(fā)生器(氯氣用雙氧水堿溶液反應)、烴類直接氟化。慢反應主要受本征反應動力學控制，其實現(xiàn)過程強化的關鍵手段之一在于如何提高本征反應速率，通?？刹捎锰岣叻磻獪囟?、改變工藝操作條件等措施；而中速反應則由傳遞和反應速率共同作用，也可采取與慢反應過程類似的措施。目前工業(yè)應用的烴類硝化反應大多屬于中慢速反應過程，反應時間在數(shù)十分鐘至數(shù)小時，在微反應器內(nèi)可采用絕熱硝化并同時改變工藝條件可使反應時間縮短至數(shù)秒。因此，從理論上分析幾乎所有反應現(xiàn)狀過程皆可實現(xiàn)過程強化。

微通道反應器應用范圍

微通道反應器可用于液-液、氣-液之間的反應，反應類型包含微通道電催化反應器、微通道光催化反應器等。當固體顆粒粒徑不足以對微通道造成負面效應時，固-液反應也可進行。

微通道反應器材質

微通道反應器材質有304、316L；哈B、哈C、鈦等金屬材質，以及PTFE、FEP、PFA、石英、高硼硅、碳化硅等。微通道反應器材質的選擇很大程度上取決于其應用需要，主要包括操作條件(壓力和溫度等)、混合物的物理性質(pH、粘度等)、成本、批量生產(chǎn)能力和制造難易程度等 。目前應用較為廣泛的主要有玻璃、硅、金屬、鋼材和聚合物等。

微通道反應器特點

微通道反應器是具有特定微觀結構的反應設備，微結構是反應器的核心，按照微結構種類的不同形成了不同形式的微反應器。微通道的形狀多種多樣，有矩形、梯形、雙梯形以及其他不規(guī)則形狀，不僅具有換熱、傳質性能高效，過程連續(xù)，工藝綠色化等特點，還具有獨特的優(yōu)點：反應器材質為透明特種玻璃，易觀察、捕獲化學反應中的變化，同時還可以實現(xiàn)傳統(tǒng)反應器難以放大的光催化反應；反應器模塊化、集成化程度高，使用靈活方便。微反應器因其獨特的微結構，在混合效率和換熱效率、放大過程、集成化和連續(xù)化、反應時間控制以及安全性方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，這些都是提高目標產(chǎn)物的收率、選擇性和質量的關鍵因素。微流控技術明顯特點是尺寸小、比表面積大，流動行為以層流為主，停留時間能精準控制；傳熱傳質特快，沒有放大效應。