微混合器構(gòu)建設(shè)計方法及操作流程研究

微反應(yīng)器是一種微控制反應(yīng)裝置，主要應(yīng)用在化工過程用于強化設(shè)備的工作環(huán)境。當(dāng)在較小的尺寸內(nèi)進行反應(yīng)時，采用微反應(yīng)器可以充分地提高工作效率，極大地促進轉(zhuǎn)化過程。通過提高轉(zhuǎn)化率，可以根據(jù)工業(yè)的實際需要減少反應(yīng)器的體積，從而可對反應(yīng)器進行高集成度的設(shè)計，提高反應(yīng)器的使用安全性，對于工業(yè)化的節(jié)能降耗也是一種改進措施。

微反應(yīng)器的研究歷史較短，距今也僅有30年的歷史，但是由于其能夠有效地提高工業(yè)反應(yīng)中的工作效率和換藥能力，從而引起了廣大研究者的關(guān)注，并進行了大量的研究工作。由于微反應(yīng)器具有強放熱能力，學(xué)者們設(shè)計開辟出了一種新型的化學(xué)反應(yīng)模式。這些新設(shè)計模式下生產(chǎn)出來的微反應(yīng)器，可以在多個新領(lǐng)域內(nèi)進行應(yīng)用，比如可以應(yīng)用于人體抑制腫瘤細胞的擴散，也可以實現(xiàn)快速無疤痕的傷口愈合，還可以用于藥物研究工作中人體生長環(huán)境的模擬實驗，從而為醫(yī)學(xué)發(fā)展的新方向提供基礎(chǔ)。綜上所述，微反應(yīng)器的一個新反應(yīng)體系正在不斷發(fā)展。

《微反應(yīng)器的設(shè)計與應(yīng)用》一書通過微反應(yīng)器反應(yīng)動力的原理分析，對傳遞現(xiàn)象進行了描述。首先對微反應(yīng)器的設(shè)計和應(yīng)用特征進行了描述，并重點針對微反應(yīng)器中設(shè)計的結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、設(shè)備等問題進行了詳細的說明。隨后強調(diào)了微反應(yīng)過程中對于反應(yīng)溫度的控制和檢測，通過對反應(yīng)物質(zhì)量的控制，實現(xiàn)了提高產(chǎn)量、降低能耗的目的。

在該書的理論知識章節(jié)中，作者介紹了微反應(yīng)器的基礎(chǔ)知識，并重點分析了微流體的移動現(xiàn)象。首先對于無量綱數(shù)及相似準則進行了描述，該物理量是描述流體動力狀態(tài)時常用的參數(shù)。若兩種流體有著同樣的無量綱，那么可以認為它們的運動方程是一樣的，進而可以認為兩者流體的流動形態(tài)一樣，符合相似性準則。從物理意義層面說明，在微化工中可以忽略液體流速的干擾只對流動的形態(tài)進行研究。其次使用量綱分析法，對于流體的相關(guān)特征進行分析，并對微通道內(nèi)的流體特點進行了分析。在微通道內(nèi)流體的流動形態(tài)一般屬于層流，符合牛頓黏性定律，可以通過該定律進行流體的相關(guān)分析。由于微反應(yīng)器主要是實現(xiàn)傳熱的作用，所以作者在內(nèi)容上對微通道內(nèi)的流體溫度分布進行了詳細的介紹。微反應(yīng)器主要是通過對傳熱過程精確的控制，實現(xiàn)微通道內(nèi)的熱交換，以利于控制反應(yīng)溫度。在這個過程中依據(jù)傅里葉定理，建立了整個過程的熵平衡方程。在微通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，還增強了傳熱效果，通過表面方法、流體方法和混合方法優(yōu)化了熱交換表面設(shè)計，擴展了換熱的面積，增加了表面的粗糙度，從而強化了介質(zhì)流體本身的傳輸效率。

對于微混合器的設(shè)計，作者詳細介紹了微流體的混合現(xiàn)象。流體可以在宏觀層面和微觀層面進行混合，主要區(qū)別在于反應(yīng)器的尺寸不同。宏觀混合主要利用機械攪動的方法實現(xiàn)流體的混合，在混合過程中可以通過物料的分布特征，表現(xiàn)出混合的理想化情況，具有很寬的計算范圍。而微觀混合更多的是涉及分子層面的混合，涉及到兩個問題：①在反應(yīng)過程中，聚合物的最終狀態(tài)；②通過反應(yīng)速度，對反應(yīng)的預(yù)混和問題進行研究。為了保證兩種不同流體達到均勻的最終狀態(tài)，通過劇烈的攪拌，連續(xù)向發(fā)生宏觀的狀態(tài)混合，從而達到最終的均勻狀態(tài)。在這個過程中，需要兩者進行合并分裂再合并。而在微觀混合領(lǐng)域，由于其反應(yīng)過程較為復(fù)雜，所以需要提供分子互相接觸的機會，才能夠進行后續(xù)的混合，也就是說，微觀混合到達均勻前，混合反應(yīng)已經(jīng)進行了很大一部分。但是在混合的邊界容易出現(xiàn)非均勻反應(yīng)體系特征，不過對于這種極端情況，無論從反應(yīng)轉(zhuǎn)化率還是影響性分析，后期計算都可以進行忽略。通過攪拌混合操作，可以實現(xiàn)兩種或多種液體的均勻混合，使不相容的液體混合物，在液體中懸浮，促進液體與容器壁之間的傳熱作用，防止液體在混合過程中局部過熱影響整個反應(yīng)過程。而微通道中由于流體的尺寸較小，所以流體之間層流狀態(tài)較為明顯，此時黏性力在整個流動過程中占主導(dǎo)地位。微通道的流體混合中，主要依靠分子間的擴散完成。按照不同的分類方法可以對微混合器進行分類，主要的分類方法有是否有外界動力源、混合器的彎曲通道形式、混合器的工作原理。

微團尺度對于微混合器的設(shè)計有著一定影響作用，是微團混合物中存在的液體、氣體、固體的統(tǒng)稱。微團尺度也是體現(xiàn)混合程度的指標，當(dāng)其尺寸越小時，說明兩者混合得越均勻，從而能夠成為在一定時間段內(nèi)對于反應(yīng)產(chǎn)物的期望濃度、分布質(zhì)量指標。而尺寸均一性也可以反映不同濃度混合物的微團在混合過程中由于濃度存在差別而產(chǎn)生的混合不均勻的現(xiàn)象，差別越小，證明兩者混合得越均勻。T型混合器以及Y型混合器是兩種典型的微混合器，通過混合性能評價方法的設(shè)定，對于兩種混合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設(shè)計。通過實驗可以對混合器的混合效果進行強化。使用流體驅(qū)動混合技術(shù)，對于混合器中的流體進行輸送和分配，可實現(xiàn)對流體的控制。

對于微反應(yīng)器的設(shè)計，根據(jù)不同的反應(yīng)物狀態(tài)，可以進行微反應(yīng)器類型的確定。通過快速反應(yīng)和瞬間反應(yīng)，強化物質(zhì)間的傳遞效率，從而加快微反應(yīng)器的反應(yīng)速率。流體的速度在管道中分布并不均勻，所以會在反應(yīng)器中存在著反混現(xiàn)象。微反應(yīng)器內(nèi)的混合物，通過分子擴散的方式完成傳輸，該特性決定了微反應(yīng)器的使用優(yōu)勢：①通過傳熱及傳質(zhì)效率的差別，可以將實驗室的工藝條件直接運行在工業(yè)生產(chǎn)中，減少了工藝開發(fā)過程中的實驗及研制設(shè)備的費用；②可以精確地控制反應(yīng)時間，避免過度劇烈的反應(yīng)或者不完全的反應(yīng)，從而減少副產(chǎn)品的產(chǎn)生；③可以精準地實現(xiàn)混合物的配比，從而控制瞬間快速的反應(yīng)過程，避免副產(chǎn)物的產(chǎn)生；④通過提高微反應(yīng)器的制作技術(shù)，使制作微反應(yīng)器的材料更加寬泛，從而保證低溫高壓下微反應(yīng)器能夠?qū)崿F(xiàn)自身的功能，具有良好的操作性。

微反應(yīng)器存在一定的局限性，雖然對于整個系統(tǒng)的放大較為容易，但是后期處理能力不足。由于整個控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，所以生產(chǎn)成本較高。微反應(yīng)器對于傳統(tǒng)工藝下的反應(yīng)適應(yīng)程度較差，而且由于其通道尺寸較小，所以可能會被大顆粒的沉淀物堵塞管道，需要及時清洗和更換。可通過工藝流程的設(shè)計，在產(chǎn)品開發(fā)過程中不斷地改進試驗，通過分析及設(shè)計對開發(fā)流程進行量化，同時在不斷的實驗中修正流程參數(shù)，完成微反應(yīng)器系統(tǒng)的設(shè)計，從而保證其具有強大的處理功能，能夠在工業(yè)系統(tǒng)上得以順利的運用。

書評人簡介：

尹茂源，男，研究方向為機械電子工程。