微通道反應(yīng)器的發(fā)展研究進展

凌芳 顧小焱 柯德宏 王濤

1國藥集團化學(xué)試劑有限公司（上海 200002）2上海沃凱生物技術(shù)有限公司（上海 201507）

綜述

微通道反應(yīng)器的發(fā)展研究進展

凌芳1顧小焱1柯德宏2王濤2

1國藥集團化學(xué)試劑有限公司（上海 200002）2上海沃凱生物技術(shù)有限公司（上海 201507）

綜合概括了微通道反應(yīng)器的基本概念及主要優(yōu)點，概述了微通道反應(yīng)器的發(fā)展，詳細介紹了微通道反應(yīng)器的特點及工業(yè)應(yīng)用實例，最后總結(jié)了微通道反應(yīng)器的的研究現(xiàn)狀，并展望了其應(yīng)用前景。

微通道反應(yīng)器 化工 應(yīng)用

化工行業(yè)作為我國的傳統(tǒng)行業(yè)，在國民經(jīng)濟中占有極為重要的地位。隨著生活水平的不斷提升，人們對新產(chǎn)品的需求不斷增加，國家對環(huán)境保護和安全生產(chǎn)也越來越重視，清潔、環(huán)保、安全的化工工藝研發(fā)顯得十分重要。好的工藝、好的產(chǎn)品需要有合適的工具和設(shè)備來實現(xiàn)。微通道反應(yīng)器技術(shù)就是近年發(fā)展起來的一項用于化學(xué)合成，特別是用于制備醫(yī)藥中間體、醫(yī)藥產(chǎn)品等的具有一定危險性的新技術(shù)。

1 微通道反應(yīng)器的概念

微反應(yīng)器（microreactor），最初是指用于催化劑評價和動力學(xué)研究的小型管式反應(yīng)器，其尺寸約為10 mm。隨著微制造技術(shù)的逐漸推廣（應(yīng)用于各種化學(xué)領(lǐng)域），前綴micro的含義發(fā)生變化，專門修飾用微加工技術(shù)制造的化學(xué)系統(tǒng)。之后微反應(yīng)器由小型化發(fā)展到微型化，不僅尺寸上發(fā)生變化，還具有了一系列新特性，并隨著在化學(xué)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用而為人們所重視。根據(jù)廣泛接受的微系統(tǒng)（microsystem）的定義，微反應(yīng)器一般是指通過微加工和精密加工技術(shù)制造的、特征尺寸在10～1000 μm之間的微型反應(yīng)器，也稱微通道反應(yīng)器[1]。

微通道反應(yīng)器中的“微”表示工藝流體的通道尺寸在微米級別，而不是指微反應(yīng)設(shè)備的外形尺寸小或產(chǎn)品的產(chǎn)量小。微通道反應(yīng)器是一個復(fù)雜的微系統(tǒng)，其內(nèi)容涵蓋了微動力學(xué)、微摩擦學(xué)、微流體力學(xué)、微傳熱學(xué)、微電子學(xué)、化學(xué)等多門學(xué)科，所以微反應(yīng)器的各部件和微通道都要進行精密的設(shè)計和研究[2]。

微通道反應(yīng)器從本質(zhì)上來講是一種連續(xù)流動型的管道式反應(yīng)器，通過蝕刻、光刻和機械加工等較為方便的方法在玻璃片、硅片、聚甲基丙烯酸甲酯和聚二甲基硅氧烷等材料上加工而得[3]，其內(nèi)部通道尺寸遠遠小于傳統(tǒng)的常規(guī)反應(yīng)器。

微通道反應(yīng)器是具有特定微結(jié)構(gòu)的反應(yīng)設(shè)備,微結(jié)構(gòu)是微反應(yīng)器的核心,按照微結(jié)構(gòu)種類的不同形成了不同形式的微反應(yīng)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[4]。例如康寧高通量-微通道反應(yīng)器G1由特種玻璃制造，具有優(yōu)良的抗腐蝕、耐高溫（200℃）、耐高壓（1.8 MPa）性能，適用于多種化學(xué)反應(yīng)，其獨特的心形通道和整體設(shè)計的多層結(jié)構(gòu)，使其具有卓越的換熱和傳質(zhì)性能?？祵幏磻?yīng)器不僅具有換熱、傳質(zhì)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(yīng)器材質(zhì)為透明特種玻璃，易觀察、捕獲化學(xué)反應(yīng)中的變化，同時還可以實現(xiàn)傳統(tǒng)反應(yīng)器難以放大的光催化反應(yīng)；專利心形結(jié)構(gòu)的通道設(shè)計保證了優(yōu)良的傳質(zhì)效果；反應(yīng)器模塊化、集成化程度高，使用靈活方便。

2 微通道反應(yīng)器的特點

2.1 混合快

反應(yīng)器中微通道的寬度和深度比較?。ㄒ话銥閹资綆装傥⒚祝?，使反應(yīng)物間的擴散距離大大縮短，因而傳質(zhì)速度加快，反應(yīng)物在流動過程中短時間內(nèi)即可混合充分[5]。

2.2 比表面積大

微通道的比表面積一般為5 000～50 000 m2，常規(guī)反應(yīng)容器的比表面積約為100 m2，少數(shù)為1 000 m2。微通道的比表面積大，具有很大的熱交換效率，即使是激烈的放熱反應(yīng)中瞬間釋放出的大量反應(yīng)熱也能被及時移出，維持反應(yīng)溫度在安全范圍內(nèi)[6]。因此，微通道反應(yīng)器特別適用于研究反應(yīng)物總量少、反應(yīng)異常激烈的合成反應(yīng)。

2.3 綠色安全

在微通道反應(yīng)器中進行合成反應(yīng)時，需要反應(yīng)物用量甚微，因此能減少昂貴、有毒、有害反應(yīng)物的用量，反應(yīng)過程中產(chǎn)生的環(huán)境污染物也極少。因此，微通道反應(yīng)器是一種環(huán)境友好、合成并研究新物質(zhì)的技術(shù)平臺。

2.4 體積小

尺寸上的減小直接導(dǎo)致微通道反應(yīng)器的反應(yīng)體積顯著下降，用非常小的占地面積實現(xiàn)高效的合成工藝，同時具有安全性、經(jīng)濟性和生態(tài)效益。

2.5 副反應(yīng)少

在微通道反應(yīng)器中進行合成反應(yīng)時，反應(yīng)物配比、溫度、壓力、反應(yīng)時間和流速等反應(yīng)條件較為容易控制。反應(yīng)物在流動過程中發(fā)生反應(yīng)，其濃度不斷降低，生成物濃度不斷提高，副反應(yīng)較少[7]。

2.6 連續(xù)反應(yīng)

在微通道反應(yīng)器中采用連續(xù)流動的方式進行反應(yīng)。對于反應(yīng)速率較大的化學(xué)反應(yīng)，可以通過調(diào)節(jié)反應(yīng)物流速和微通道的長度，精確控制物料在微通道反應(yīng)器中的反應(yīng)時間[8]。

2.7 數(shù)增放大

利用微通道反應(yīng)器技術(shù)進行生產(chǎn)時,工藝放大不是通過增大微通道的特征尺寸,而是通過增加微通道的數(shù)量來實現(xiàn)的。所以不需要對小試得到的最佳反應(yīng)條件作任何改變就可以直接進行生產(chǎn),不存在小試反應(yīng)器放大的難題。這樣可大幅度縮短產(chǎn)品由實驗室到市場的時間,對于化工行業(yè)來說意義極其重大[9]。

2.8 柔性生產(chǎn)

理論上，可以通過改變各個微通道反應(yīng)器的連接管線從而直接將其應(yīng)用于其他反應(yīng)進程，因此微通道反應(yīng)器具有極高的操作彈性，工業(yè)上可根據(jù)相關(guān)產(chǎn)品的市場供需情況，實時增減部分反應(yīng)器來調(diào)節(jié)生產(chǎn)[10]。

2.9 固體物料無法反應(yīng)

微通道反應(yīng)器最大的缺點是固體物料無法通過微通道，如果反應(yīng)中有大量固體產(chǎn)生，則微通道極易被堵塞，導(dǎo)致生產(chǎn)無法連續(xù)進行。

3 微通道反應(yīng)器的應(yīng)用

微通道反應(yīng)器獨特的結(jié)構(gòu)賦予其一系列優(yōu)質(zhì)的性能，故被應(yīng)用于許多領(lǐng)域。微反應(yīng)技術(shù)用于有機合成和催化反應(yīng)的重要優(yōu)勢之一是可以進行連續(xù)性生產(chǎn)，這在傳統(tǒng)的宏觀規(guī)模反應(yīng)器或批次生產(chǎn)中通常是難以實現(xiàn)的。例如，氨基甲酸酯的多步化學(xué)合成可以通過連續(xù)性工藝來實現(xiàn)，其中包括分步反應(yīng)工序和反應(yīng)步驟間的兩步分離工序。通過使用一系列串聯(lián)的由三個微通道反應(yīng)器和兩個相分離器組成的反應(yīng)裝置，可以在一個緊湊型芯片基的工藝系統(tǒng)中實現(xiàn)溶劑轉(zhuǎn)換、危險中間產(chǎn)物原位生產(chǎn)和消耗、高能量化學(xué)品的安全處理以及化學(xué)品的小批量生產(chǎn)。因此，可以用于快速及放熱反應(yīng)、精密顆粒制備、工業(yè)環(huán)境拓展等方面。另外，微通道反應(yīng)器還可用于某些有毒害物質(zhì)的現(xiàn)場生產(chǎn)，進行強放熱反應(yīng)的本征動力學(xué)研究及組合化學(xué)（催化劑、材料、藥物等）的高通量篩選。其在商業(yè)領(lǐng)域中的主要應(yīng)用包括有機合成過程、微米和納米材料的制備以及日用化學(xué)品的生產(chǎn)。

能夠通過微通道反應(yīng)器實現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)類型很多，目前已成功反應(yīng)的類型有：硝化反應(yīng)（芳環(huán)硝化、硝酸酯制備）；催化氫化反應(yīng)（亞氨基還原、雙鍵加成、催化脫保護等）；低溫反應(yīng)；加成反應(yīng)；氧化反應(yīng)（氧氣氧化、雙氧水氧化、過氧酸的制備等）；溴化和氯化反應(yīng)（氯氣氯化、氯氣光催化氯化）；氟化反應(yīng)；環(huán)合反應(yīng)；重氮化反應(yīng)（重氮化還原、重氮化取代、重氮化偶聯(lián)等）等。

3.1 硝化反應(yīng)

Ducry等[12]研究了微通道反應(yīng)器中苯酚的自催化硝化反應(yīng)，該反應(yīng)的最佳反應(yīng)溫度為20℃。反應(yīng)在體積為l L的常規(guī)反應(yīng)器中進行時，劇烈放熱，使溫度飛升至55℃；而在微反應(yīng)器中進行時，溫度變化不大于5℃，并且收率從55%上升到75%，同時產(chǎn)品純度增加，副產(chǎn)物含量明顯降低。

3.2 催化氫化反應(yīng)

曹彬等[13]在微通道反應(yīng)器中使處于爆炸極限內(nèi)的氫氧催化燃燒反應(yīng)在高空速、低壓降、等溫及動力學(xué)控制區(qū)內(nèi)安全地進行，H2入口物質(zhì)的量濃度為8%、反應(yīng)溫度為150℃、轉(zhuǎn)化率高達90%。

3.3 低溫反應(yīng)

Kawaguehi等[14]在微通道反應(yīng)器中對環(huán)己醇的Swerm氧化反應(yīng)進行了研究。在常規(guī)反應(yīng)器中，在-70℃反應(yīng)時環(huán)己酮的產(chǎn)率為83%，當溫度升高到-20℃，由于局部過熱，產(chǎn)率急劇降低到19%。而在微通道反應(yīng)器中，-20℃條件下反應(yīng)2.4 s，環(huán)己酮的產(chǎn)率即可達到88%；當溫度升高到0～20℃時，通過精確控制反應(yīng)物在微通道中的停留時間，使反應(yīng)時間縮短到0.01 s，環(huán)己酮的產(chǎn)率可達到89%。

3.4 氧化反應(yīng)

Kraut等[15]在微反應(yīng)器中以雙氧水為氧化劑、硝酸鐵為催化劑將乙醇氧化成乙酸，在反應(yīng)溫度為70～115℃、停留時間為3 s、壓力為0.3～0.5 kPa的條件下，轉(zhuǎn)化率高達99%，是常規(guī)反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化率的700倍，并且乙酸純度高達99%。

3.5 加成反應(yīng)

Nagaki等[16]在微反應(yīng)器中探究了草酸二烷基與芳基鋰及其衍生物的反應(yīng)，在反應(yīng)物物質(zhì)的量比為1∶1的條件下快速反應(yīng)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率增大至98%。3.6溴化和氯化反應(yīng)

張躍等[17]在微通道反應(yīng)器中通過叔丁醇的溴化反應(yīng)來制備溴代叔丁烷，叔丁醇的轉(zhuǎn)化率為92.3%，溴代叔丁烷的選擇性為99.1%；傳統(tǒng)間歇攪拌反應(yīng)器中叔丁醇的轉(zhuǎn)化率為88.3%，溴代叔丁烷的選擇性為86.5%。相較于傳統(tǒng)工藝，微通道技術(shù)提高了反應(yīng)效率，降低了對反應(yīng)條件的要求，減少了廢酸的產(chǎn)生，大大提高了生產(chǎn)效率。

3.7 氟化反應(yīng)

Chambers等[18]在單通道鎳基反應(yīng)器中進行了二酮和酮酯等的選擇性氟化和全氟化反應(yīng)。以甲酸作溶劑，注射泵進樣，同時通入混有10%氟的氮氣。氣體從通道中間流過，液體在通道表面形成一層液膜，使得氣液之間的相接觸面積較大，反應(yīng)快速進行。在實驗時發(fā)現(xiàn)，鎳制成的通道有利于中間體生成，起到一定的催化作用。

3.8 環(huán)合反應(yīng)

嚴生虎等[19]使二氯丙醇連續(xù)合成環(huán)氧丙烷的反應(yīng)在微通道反應(yīng)器中進行，二氯丙醇的轉(zhuǎn)化率達到99.6%，環(huán)氧氯丙烷的收率達到98.5%。

3.9 重氮化反應(yīng)

Hartung等[20]使用各種不同的溶劑采用多步法合成重氮甲烷的前驅(qū)體，重氮化反應(yīng)收率達到90%以上，明顯高于常規(guī)反應(yīng)器中產(chǎn)物的收率。

3.10 酯化反應(yīng)

牛柏林等[21]使用內(nèi)徑為0.6 mm的不銹鋼毛細管反應(yīng)器，在適宜的工藝條件下，僅需14.3 min的反應(yīng)時間，巰基乙酸甲酯的收率即可達94%以上，與常規(guī)間歇釜式反應(yīng)器相比，反應(yīng)時間大幅縮短，產(chǎn)品酯的收率明顯提高。

4 前景與展望

迄今為止，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對微通道反應(yīng)器已進行了廣泛的研究，對其原理和特性有了較好的認識，且在微通道反應(yīng)器的設(shè)計、制造、集成和放大等方面都取得了可喜的成績。目前微通道反應(yīng)器在化工工藝過程的研究與開發(fā)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，商業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用也日益增多。

微通道反應(yīng)器內(nèi)復(fù)雜的多相流行為和調(diào)控規(guī)律還需要深入研究，而新型的微通道反應(yīng)器還有待開發(fā)，其放大規(guī)律研究和工業(yè)化研究也需要大力加強。微通道反應(yīng)器對化工行業(yè)的發(fā)展具有重要的推動作用，特別是在精細化工產(chǎn)品制備中的應(yīng)用，將給化工產(chǎn)業(yè)帶來高效的發(fā)展。

5 結(jié)語

綜上所述，微通道反應(yīng)器具有高效的換熱、傳質(zhì)性能，過程連續(xù)，可用于綠色化工藝開發(fā)等特點。相對傳統(tǒng)化工裝置而言，微通道反應(yīng)器是一項革命性的技術(shù)，將為行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提升創(chuàng)新能力，實現(xiàn)綠色發(fā)展提供有效的技術(shù)手段。

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Development of Micro-channel Reactor

Ling Fang Gu Xiaoyan Ke Dehong Wang Tao

The basic concepts and main advantages of micro-channel reactor are summarized,and the development of micro-channel reactor is summarized.The characteristics of micro-channel reactor and several application examples are introduced in detail.Finally,the research status of micro-channel reactor is summarized and its application foreground is prospected.

Micro-channel reactor;Chemical industry;Application

TQ03

2017年2月

國家科技支撐項目（2015BAK44B00）

凌芳女1984年生本科工程師主要從事精細化學(xué)品、化學(xué)試劑的研發(fā)、合成和純化工作