試述微反應(yīng)器在化學(xué)化工領(lǐng)域中的應(yīng)用

李 鈦

身份證號(hào)：210102198512144715

試述微反應(yīng)器在化學(xué)化工領(lǐng)域中的應(yīng)用

李 鈦

身份證號(hào)：210102198512144715

微反應(yīng)器是微型化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，具有換熱和傳質(zhì)效率高、嚴(yán)格控制反應(yīng)時(shí)間、易于擴(kuò)大、安全性能好等特點(diǎn)。和傳統(tǒng)拌和反應(yīng)器相比，這些特點(diǎn)使得微反應(yīng)器在縮短反應(yīng)時(shí)間、大幅度提高化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)品收率等方面展現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。但微反應(yīng)器也存在易阻塞，催化劑負(fù)載、微通道的規(guī)劃與制造難度大等問題。本文介紹了這些年迅速發(fā)展的微反應(yīng)器技術(shù)，回顧了微反應(yīng)器的特點(diǎn)，重點(diǎn)探討微反應(yīng)器在化學(xué)化工范疇的使用以及微反應(yīng)器在精細(xì)化工和制藥工業(yè)、生物化工范疇的使用實(shí)例，討論了微反應(yīng)器現(xiàn)在存在的很多挑戰(zhàn)。

微反應(yīng)器；微通道；微尺度；層流；安全

1 微反應(yīng)器的概述

微反應(yīng)器也被稱作是微通道反應(yīng)器，是微反應(yīng)器、微混合器、微換熱器、微控制器、微萃取器、微化學(xué)分析等一系列的微型化工設(shè)備的總稱。依照不同的分類辦法，微反應(yīng)器有多種類型。按照操作模式進(jìn)行分類，能夠分為連續(xù)微反應(yīng)器、半連續(xù)微反應(yīng)器和間歇微反應(yīng)器；依照反應(yīng)相態(tài)能夠分為氣固相催化微反應(yīng)器、氣液相微反應(yīng)器、液液相微反應(yīng)器和氣液固相微反應(yīng)器；依照用處能夠分為生產(chǎn)用微反應(yīng)器和實(shí)驗(yàn)用微反應(yīng)器；依照分析應(yīng)用能夠分為化學(xué)和生物中使用的微反應(yīng)器以及化學(xué)工程和化學(xué)中使用的微反應(yīng)器。微反應(yīng)器有多種幾何構(gòu)造，最簡略的是管式構(gòu)造，還有板式構(gòu)造、微通道構(gòu)造以及集成試劑注射、混合、換熱、溶劑交換、相別離等多種功能為一體的復(fù)合式構(gòu)造。對(duì)于化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)，比如溫度、壓力、腐蝕性、比熱容和電特性等，要挑選適宜的微反應(yīng)器制作材料。制造材料有玻璃、硅、陶瓷、金屬和聚合物等。其間使用最廣泛的材料是玻璃，這是由于玻璃材料是化學(xué)惰性的，允許在很多溶劑中使用電滲流(EOF)，允許可見光檢查設(shè)備而且易于制造。現(xiàn)在微反應(yīng)器的制造技術(shù)主要有LIGA(光刻、電鑄和塑模結(jié)合的技術(shù))、機(jī)械加工、微模塑技術(shù)等。

2 微反應(yīng)器技術(shù)的特點(diǎn)

2.1 精確控制反應(yīng)時(shí)間

微反應(yīng)器對(duì)反應(yīng)時(shí)間的控制主要是通過改變微反應(yīng)器通道的長度以及流率實(shí)現(xiàn)的，反應(yīng)產(chǎn)生的中間體，將在分解前轉(zhuǎn)到下一個(gè)反應(yīng)區(qū)。由此可見，該技術(shù)對(duì)反應(yīng)中有不穩(wěn)定中間體的反應(yīng)而言非常適用。但遇到的是多相系統(tǒng)，如果通過控制流速來實(shí)現(xiàn)改變停留時(shí)間，后果是改變了流體流型，對(duì)整體反應(yīng)非常不利，如果此時(shí)應(yīng)用微反應(yīng)器，通過反應(yīng)器長度控制停留時(shí)間，效果會(huì)明顯，但與此同時(shí)應(yīng)該注意的是保持恒定流速。

2.2 高度集成化

利用目前國內(nèi)相對(duì)成熟的微加工技術(shù)，基本能實(shí)現(xiàn)將微反應(yīng)、微分離等多單元操作與一些相關(guān)的器件集成到一個(gè)反應(yīng)芯片上，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)微反應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)制的目的，且這樣的成果不僅能提高反應(yīng)速度，還能有效節(jié)省生產(chǎn)成本。比如，可以把材料的混合與反應(yīng)停留時(shí)間，以及反應(yīng)換熱放在同一區(qū)域，通過這種形式產(chǎn)生額外反應(yīng)性能。另外，此系統(tǒng)還有很好的重復(fù)性，這對(duì)一些平行實(shí)驗(yàn)是非常有利的。

2.3 換熱效率和混合效率高

微反應(yīng)器的換熱效率高主要是通過其通道實(shí)現(xiàn)的，因通道尺寸僅為十到幾百微米，通道的雷諾數(shù)較低，因?yàn)閷恿鲾U(kuò)散有時(shí)也會(huì)對(duì)反應(yīng)混合物造成影響，具體表現(xiàn)是會(huì)出現(xiàn)局部二次流混合。微反應(yīng)器的微尺度使得反應(yīng)的擴(kuò)散時(shí)間變得很短，且還混合得很快。在這種優(yōu)勢(shì)條件下，反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)和傳熱能力增強(qiáng)，進(jìn)一步擴(kuò)大了擴(kuò)散通量，這正是提高化學(xué)反應(yīng)速度的有利條件?？倐鳠嵯禂?shù)與通道尺寸成反比例關(guān)系，微反應(yīng)器內(nèi)傳熱系數(shù)能達(dá)到一萬瓦每平米每開，尺寸縮小使其比表面積能達(dá)到一萬到五萬，傳統(tǒng)攪拌設(shè)備最多只能達(dá)到一千。

3 微反應(yīng)器在化學(xué)化工領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 縮短反應(yīng)時(shí)間

微反應(yīng)器能夠非常高效率地完成反應(yīng)，并且大大縮短其反應(yīng)的時(shí)間，其最主要的原因就是憑借傳質(zhì)以及傳熱系數(shù)的值比較大。而這種高效率的反應(yīng)其實(shí)在MASON等就有過明確的相關(guān)報(bào)道，介紹的是關(guān)于醇醛縮合的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。這種反應(yīng)是由兩種化學(xué)物質(zhì)在四丁基氟化銨(TBAB)的相互配合下完成了反應(yīng)，并且達(dá)到完全百分百的化學(xué)轉(zhuǎn)化，而這兩種化學(xué)物質(zhì)分別是對(duì)溴苯甲醛和甲硅烷基烯醇。當(dāng)然，最終的結(jié)果就是在微反應(yīng)器中反應(yīng)的時(shí)間得到了大大的壓縮，只用二十分鐘就完成了反應(yīng)，這2微反應(yīng)器在化學(xué)化工領(lǐng)域的應(yīng)用

3.2 縮短反應(yīng)時(shí)間

微反應(yīng)器能夠非常高效率地完成反應(yīng)，并且大大縮短其反應(yīng)的時(shí)間，其最主要的原因就是憑借傳質(zhì)以及傳熱系數(shù)的值比較大。而這種高效率的反應(yīng)其實(shí)在MASON等就有過明確的相關(guān)報(bào)道，介紹的是關(guān)于醇醛縮合的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。這種反應(yīng)是由兩種化學(xué)物質(zhì)在四丁基氟化銨(TBAB)的相互配合下完成了反應(yīng)，并且達(dá)到完全百分百的化學(xué)轉(zhuǎn)化，而這兩種化學(xué)物質(zhì)分別是對(duì)溴苯甲醛和甲硅烷基烯醇。當(dāng)然，最終的結(jié)果就是在微反應(yīng)器中反應(yīng)的時(shí)間得到了大大的壓縮，只用二十分鐘就完成了反應(yīng)，這2.3高溫高壓的反應(yīng)相關(guān)研究人員還研究了Claisen重排反應(yīng)。傳統(tǒng)反應(yīng)器的反應(yīng)溫度一般是控制在250℃，壓強(qiáng)是控制在1.3MPa，反應(yīng)時(shí)間控制在一到兩小時(shí)。應(yīng)用微反應(yīng)器時(shí)，通常用甲苯做溶劑，經(jīng)過優(yōu)化條件，在240℃、10MPa的條件下進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所得產(chǎn)物不僅純度高，而且回收率也很高，而且副產(chǎn)物僅僅只有5%。由此也能得出這樣的結(jié)論，溫度變化對(duì)Claisen重排反應(yīng)的影響很大。一般在小于230℃時(shí)，轉(zhuǎn)化不完全，所以就會(huì)影響整體收率；但如果將其換成高溫反應(yīng)，又會(huì)導(dǎo)致在反應(yīng)中生成更多的副產(chǎn)物。所以說，盡量不要用改善溫度的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)時(shí)間的有效控制。

結(jié)束語

相比于傳統(tǒng)的反應(yīng)器工藝，微反應(yīng)器技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)：極高的傳質(zhì)和傳熱效率、反應(yīng)時(shí)間短、無放大效應(yīng)、安全性高、集成化程度高、生產(chǎn)過程綠色化等。微反應(yīng)器技術(shù)能夠顯著強(qiáng)化反應(yīng)過程，成為化工領(lǐng)域的一次革新，為化學(xué)化工領(lǐng)域提供了一個(gè)非常高效和便捷的平臺(tái)。顯然，微反應(yīng)技術(shù)是21世紀(jì)化學(xué)化工技術(shù)發(fā)展的重要分支之一。

[1]王曉峰.微反應(yīng)器在化學(xué)化工領(lǐng)域的應(yīng)用[J].石化技術(shù).2016(06)

[2]錢伯章.微反應(yīng)器開啟高效精細(xì)化工時(shí)代[J].化工裝備技術(shù).2014(04)

[3]龐啟雄.淺談微反應(yīng)器的特點(diǎn)及應(yīng)用[J].科技資訊.2014(24)