微通道反应器简介
存档日期：存档编号:
北京化工大学
研究生课程论文
课程名称：化学反应器理论
课程代号：ChE540
任课教师：文利雄
完成日期：2013 年04 月13 日
专业：化学工程与技术
学号：
姓名：
成绩：
摘要
近年来，微化工技术已成为化学工程学科中一个新的发展方向和研究热点。微化工设备的主要组成部分是特征尺度为纳米到微米级的微通道，因此，微通道内的流体流动和传递行为就成为微化工系统设计和实际应用的基础，对其进行系统深入的研究具有重要意义。
本文综合概括了微通道反应器的基本概念及主要优点，讲述了微通道反应器的发展历程，详细介绍了微通道反应器的分类及结构，重点讲述微通道反应器的流体力学性能，接着介绍了微通道反应器所使用的体系，最后介绍了目前微通道反应器的工业应用实例。
关键词：微通道反应器
Abstract
In recent years, micro-chemical technology has become a new developing direction and research focus for chemical engineering. Microchannels with diameter ranging from nanometer to micron are main sections of the micro-chemical equipments, therefore, the characteristics of fluid flow and mass and heat transfer in microchannels are of key importance for the design and application of micro-chemical processes.
The article firstly summarizes the basic conception and major advantages of Microchannel Reactor, as well as its development history. Meanwhile, it introduces the classification and structure of Microchannel Reactor in deatails, which forcusing on its hydrodynamics performance. Then the text explains the system that applied to Microchannel Reactor. And lastly, it describes the application examples of Microchannel Reactor in industry.
Keywords：Microchannel Reactor
前言
20世纪90年代初，可持续与高新技术发展的需要促进了微化工技术的研究，其主要研究对象为特征尺度在微米级的微通道，由于尺度的微细化使得微通道中化工流体的传热、传质性能与常规系统相比有较大程度的提高，即系统微型化可实现化工过程强化这一目标。自微通道反应器面世以来，微通道反应技术的概念就迅速引起相关领域专家的浓厚兴趣和关注，欧美、日本、韩国和中国等都非常重视这一技术的研究与开发。由于特征尺度的微型化，微化工技术的发展不仅在技术领域中构成了重大挑战，也为科学领域带来许多全新的问题，在微尺度的化工系统中，传统的“三传一反”理论需要修正、补充和创新，系统的表面和界面性质将会起重要作用，从宏观向微观世界过渡时存在的许多科学问题有待于发现、探索和开拓。
特征尺度为微米和纳米级的微通道是微化工设备系统的主要组成部分，微通道内的单相、气液和液液两相流是微流体学的主要研究内容，目前的研究还主要停留在实验阶段，微尺度下的流动和传质传热机理还有待进一步研究。
目录
第一章反应器概念 (1)
第二章反应器起源与演变 (4)
第三章反应器的分类及结构 (5)
3. 1 气固相催化微反应器 (5)
3. 2 液液相微反应器 (7)
3. 3 气液相微反应器 (9)
3. 4 气液固三相催化微反应器 (9)
3. 5 电化学和光化学微反应器 (10)
第四章微通道反应器流体力学性能 (12)
4.1微通道内两相流的研究 (12)
4.2 微通道内两相流传质的研究 (21)
第五章所适用的反应体系 (23)
5.1 催化剂制备技术 (23)
5.2 气相反应 (23)
5.3 气-液反应 (24)
5.4 液-液反应 (25)
第六章工业应用实例 (26)
参考文献 (29)
第一章反应器概念
近年来，微化工技术已成为化学工程学科中一个新的发展方向和研究热点。微化工系统中各类基本单元的特征尺度在微米级，其表面积与体积的比值远大于常规系统。在微尺度下，宏观领域作用微小的力和现象可能起着重要的作用，此时许多宏观的规律不再适用。但由于微细尺度领域研究条件的限制，微观尺度下的理论体系尚未建立，阻碍了微化工技术的进一步发展。因此微尺度下的传递、分离和反应规律，系统的集成等方面的基础性理论研究显得尤为重要，有关的研究必将促进许多相关基础学科的发展。微化工设备的主要组成部分是特征尺度为纳米到微米级的微通道，因此，微通道内的流体流动和传递行为就成为微化工系统设计和实际应用的基础，对其进行系统深入的研究具有重要意义。
微反应器是一个比较广泛的概念，且有很多种形式，既包括传统的微量反应器(积分反应器)，也包括反相胶束微反应器、聚合物微反应器、固体模板微反应器、微条纹反应器和微聚合反应器等。这些微反应器都有一个根本特点，那就是把化学反应控制在尽量微小的空间内，化学反应空间的尺寸数量级一般为微米甚至纳米。而本文所指的微反应器具有上述反应器的共同特点，但又有所区别，主要是指用微加工技术制造的用于进行化学反应的三维结构元件(见图1-1)或包括换热、混合、分离、分析和控制等各种功能的高度集成的微反应系统(见图1-2)，通常含有当量直径数量级介于微米和毫米之间的流体流动通道,化学反应发生在这些通道中，因此微反应器又称作微通道(microchannel)反应器。严格来讲微反应器不同于微混合器、微换热器和微分离器等其他微通道设备，但由于它们的结构类似，在微混合器、微换热器和微分离器等微通道设备中可以进行非催化反应，且当把催化剂固定在微通道壁时，微混合器、微换热器和微分离器等微通道设备就成为微反应器，因而国外有的学者将这一类型的微通道设备统称为微反应器[1,2]。微反应器还应与微全分析设备相区别，虽然它们的结构可以相同，但它们的功能和目的完全不同[2]。
图1-1 简单的微反应器结构
图1-2 复杂的微反应器系统
与常规反应器相比，微反应器有以下特点[3-6]：
（1）比表面积增加。微通道内的比表面积能达到10,000~50,000m2/m3，而常规反应器内的比表面积只能达到100~1000 m2/m3。
（2）传热过程得到强化。首先，比表面积的增大使反应器内能够提供的对流传热的场所增加；其次反应器内部体积减小使使温度分布能够在很短的时间内实现均一化。（3）传质过程得到强化。在微通道内，流体流动形式为层流，传质过程主要是分子间扩散。根据菲克定律，分子扩散距离和时间的关系如下：
(1-1)
其中D 为扩散系数。尺寸的减小能够实现快速混合，如室温下，一个水分子扩散通过1mm 的距离需要大约200s 的时间，但是通过50μm 的距离只需要大约500ms 的时间。另外，比表面积的增大为传质过程提供了更大的场所。
（4）反应需要的试剂量小。微反应器的内部体积一般在μL 数量级，既避免了反应物的浪费，也防止了产物对环境的污染。
（5）反应更加安全。传递过程的强化使反应器内的反应过程更容易控制，即使硝化反应[7]等强放热过程也可以安全的进行。
（6）“数量放大”。与常规工艺不同，微反应器的工业放大采用并行操作的“数量放大”方式，如图1-3。这种方式缩短了工业放大的时间，使实际生产更加灵活。
图1-3 常规体积放大和微反应器“数量放大”的区别
第二章反应器起源与演变
“微反应器(microreactor)”最初是指一种用于催化剂评价和动力学研究的小型管式反应器,其尺寸约为10 mm。随着本来发展用于电路集成的微制造技术逐渐推广应用于各种化学领域，前缀“micro”含义发生变化, 专门修饰用微加工技术制造的化学系统。此时的“微反应器”是指用微加工技术制造的一种新型的微型化的化学反应器，但由小型化到微型化并不仅仅是尺寸上的变化，更重要的是它具有一系列新特性，随着微加工技术在化学领域的推广应用而发展并为人所重视。
微加工技术起源于航天技术的发展，曾推动了微电子技术和数字技术的迅速发展。这给科学技术各个分支的研究带来新的视点，尤其是在化学、分子生物学和分子医学领域。较早引入微加工技术的是生物和化学分析领域。自从1993 年Richar Mathies 首先在微加工技术制造的生物芯片上分离测定了DNA 片段[8]后，生物芯片技术与计算
机的结合，促成了基因排序这一伟大的科学成就；而化学分析方面，差不多同时发展了在组合化学、催化剂筛选和手提分析设备等方面有着诱人应用前景的微全分析系统(μTAS) [9]。而把微加工技术应用于化学反应的研究始于1996年前后, Lerous[10]和Ehrfeld 等[11]各自撰文系统阐述了微反应器在化学工程领域的应用原理及其独特优势。现在微反应技术吸引了众多学者在各个领域展开深入的研究，形式多样的新型微反应器层出不穷，成为化学工程学科发展的一个新突破点。尽管如此，国外对微反应器的研究尚不成熟，对微反应器的原理及应用前景的看法也不尽一致，而国内对微反应器的研究还刚刚开始。
第三章反应器的分类及结构
由于微反应器的研究正在深入发展中，现在对微反应器进行分类难免有失偏颇。不妨借鉴传统反应器的分类标准，对微反应器进行分类归纳。按照不同的分类方法，微反应器有多种类型。首先，按微反应器的操作模式可分为连续微反应器、半连续微反应器和间歇微反应器。本文所涉及的微反应器均为连续微反应器，间歇微反应器的报道较少[12-14]，而半连续微反应器未见有报道。其次按微反应器的用途又可分为生产用微反应器和实验用微反应器两大类，其中实验用微反应器的用途主要有药物筛选、催化剂性能测试及工艺开发和优化等。若从化学反应工程的角度看，微反应器的类型与反应过程密不可分，不同相态的反应过程对微反应器结构的要求不同，因此对应于不同相态的反应过程，微反应器又可分为气固相催化微反应器、液液相微反应器、气液相微反应器和气液固三相催化微反应器等。下面对上述几种类型的微反应器予以简略的介绍。
3. 1 气固相催化微反应器
由于微反应器的特点适合于气固相催化反应，迄今为止微反应器的研究主要集中于气固相催化反应，因而气固相催化微反应器的种类最多。最简单的气固相催化微反应器莫过于壁面固定有催化剂的微通道。复杂的气固相催化微反应器一般都耦合了混合、换热、传感和分离等某一功能或多项功能。图3-1所示的微反应器耦合了反应、加热和冷却3 种功能，由反应器、加热和冷却器3 部分组成[15]。更具代表性的气相微反应器是麻省理工学院Ravi Srinivason等设计制作的T 形薄壁微反应器(图3-2)。该反应器用于氨的氧化反应，氨气和氧气分别从T 形反应器的两侧通道进入，分别经过流量传感器，在正下方通道进口处混合，正下方通道壁外侧装有温度传感器和加热器，而T形反应器的薄壁本身就是一个换热器，通过变化薄壁的制作材料改变热导率和调整壁厚度，可以控制反应热量的移出，从而适合放热量不同的各种化学反应[16]。
此外，Franz 等还设计制作了一种用于脱氢/ 加氢反应的微膜反应器(见图3-3)，因为耦合了膜分离功能，反应物和产物在反应的同时进行分离，使平衡转化率不断提高，同时产物的收率也有所增加[17]。
图3-1 耦合反应、加热和冷却3 种功能的微反应器
图3-2 T形薄壁微反应器
图3-3 微膜反应器及其制作流程
3. 2 液液相微反应器
到目前为止，与气固相催化微反应器相比较，液相微反应器的种类非常少。液液相反应的一个关键影响因素是充分混合，因而液液相微反应器或者与微混合器耦合在一起，或者本身就是一个微混合器。专为液液相反应而设计的与微混合器等其他功能单元耦合在一起的微反应器案例为数不多。主要有BASF 设计的维生素前体合成微反应器[18,19]和麻省理工学院设计的用于完成Dushman化学反应的微反应器[20]。两者分别代表了两种典型的液相混合方式，前者采用静态混合方式，即将流体反复分割合并以缩短扩散路径，而后者采用流体动力学集中方法(见图3-4)，即多个进料微通道呈扇形分布，集中汇入一个狭窄的微通道，通过液体的扩散作用迅速混合。而英国Hull
大学则设计了一种T 形液液相微反应器[21]，该微反应器最大的特点是用电渗析(electro – osmotic flow) 法输送流体，如图3-5所示：它由底板和盖板两部分组成，两部分用退火法焊接在一起。底板上蚀刻的微通道呈T 形状，其中一条微通道装有金属催化剂。盖板上有A、B和C共3个直径为2mm的圆柱形容器与微孔道连通，用于贮存反应物和产物。盖板上的容器内装有铂电极，用于加载电流。气液相微反应器的研究较之液液相微反应器更少，所报道的微反应器按照气液接触的方式可分为两类。
图3-4 采用流体动力学集中混合方法的Dushan 化学反应器
图3-5 T 形液液相微反应器
3. 3 气液相微反应器
一类是气液分别从两根微通道汇流进一根微通道，整个结构呈T 字形。由于在气液两相液中，流体的流动状态与泡罩塔类似，随着气体和液体的流速变化出现了气泡流、节涌流、环状流和喷射流等典型的流型，这一类气液相微反应器被称做微泡罩塔[22]。另一类是沉降膜式微反应器，液相自上而下呈膜状流动，气液两相在膜表面充分接触[23]。气液反应的速率和转化率等往往取决于气液两相的接触面积。这两类气液相反应器气液相接触面积都非常大，其内表面积均接近20 000m2/ m3，比传统的气液相反应器大一个数量级[22,23]。
3. 4 气液固三相催化微反应器
气液固三相反应在化学反应中也比较常见，种类较多，在大多数情况下固体为催化剂，气体和液体为反应物或产物，美国麻省理工学院发展了一种用于气液固三相催化反应的微填充床反应器(图3-6a)，其结构类似于固定床反应器，在反应室(微通道)中填充了催化剂固定颗粒，气相和液相被分成若干流股，再经管汇到反应室中混合进行催化反应[24,25]。麻省理工学院还尝试对该微反应器进行“放大”，将10个微填充床反应器并联在一起(图3-6b)，在维持产量不变的情况下，大大减小了微填充床反应器
的压力降[25]。
a.充填活性炭催化剂的微填充床反应器
b.并联微填充床反应器系统
图3-6 气液固三相催化微反应器
3. 5 电化学和光化学微反应器
电化学微反应器属于液相微反应器，而光化学微反应器其反应物既有液相也有气相的，由于它们都有其特殊性，故不能简单的划为液相微反应器或气相微反应器，而应单独列为一类。德国美因兹学院率先研制了一种用于从对甲氧基苯甲烷合成对甲氧基苯甲醛的电化学微反应器[26]。而美国麻省理工学院的研究者则在配备微型紫外灯的
耐热玻璃/ 硅光化学微反应器中用苯甲酮成功地合成了醇[27,28]。
第四章微通道反应器流体力学性能
4.1微通道内两相流的研究
相比大尺寸管道，微通道内两相流动具有其自身特点：出现一些特有的流型；微通道内的两相分布更加规则；重力影响减弱，通道的放置位置对管内两相分布不再起作用；表面张力作用明显等。
4.1.1 微通道内两相流的研究方法
微通道内两相流的研究方法主要有高速照相技术、微粒子图像测速技术(micro Particle Image Velocimetry，或称micro-PIV、μ-PIV)、空间频谱分析方法以及数值模拟等。前几种实验方法能够得到实际情况下的相关流动信息，但是要求构造微通道的材料具有透光性，这使得这些方法的使用范围受到限制；数值模拟是在一定假设下进行的，与实际可能有一些偏差，但是能够任意调整过程中的各种参数且不受通道材料等客观因素的限制。高速照相技术[29,30]采用高速CD（1,000~10,000 帧）照相机和显微镜对微通道内的两相流进行观察，能够得到流型、气泡或液柱长度和气泡或液柱速度等方面的信息。
micro-PIV（图4-1）是近年来发展起来的一种微尺度流动测速技术，是传统PIV 测量与光学显微技术相结合的一种整场、瞬态、定量测量方法，采用跟踪示踪粒子的方法得到流场信息。其基本原理[31]是在流场中播撒流动跟随性很好的示踪粒子，对粒子进行激光照明，由CCD 相机记录连续两次曝光时间间隔内粒子的位移情况，最后通过计算机图像分析技术给出瞬时速度场。mirco-PIV 技术要求合理的选择示踪粒子的粒径和浓度[32]：示踪粒子不应对流场有大的干扰，也不能堵塞通道，这就要求粒子的直径很小；但是随着粒径减小，粒子的布朗运动变得突出，其结果会减弱相关函数的信号强度，使得信号峰值与噪声峰值不容易被区分开来[33]。
图4-1 Micro-PIV 系统基本组成及原理示意图
图4-2 入射光在通道内的反射折射光路图
空间频谱分析方法[34]是基于光学干涉和快速傅立叶变换的一种实验方法，适用于光学透明的材料。如图4-2所示，光以一定角度入射到通道后，在气-液界面和通道内壁-液界面上发生全反射，利用CCD将干涉条纹拍摄并放大，通过分析有无液膜时接收到的干涉条纹即可确定液膜的厚度。相比高速摄像技术和微粒子图像测速技术，空
间频谱分析方法还不是很成熟，在实际应用中如果液膜厚度不均匀，或者液膜内存在小颗粒时，实验数据的有效性和可靠性会大打折扣，因此该方法还需要进一步改进。
数值模拟一般采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）[35-38]及格子-玻尔兹曼模拟（Lattice-Boltzmann simulation，简称LBM）[39-41]等方法。其中CFD 是以Navier-Stokes 方程为基础，把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场（如速度场、温度场、浓度场等），用一系列有限个离散点上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间关系的代数方程，求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似解；LBM 是从微观角度出发，基于分子运动论发展起来的一种全新的、完全离散的数值计算方法，在网格节点上分布微观的粒子，让粒子在节点上发生碰撞，并迁移运动到相邻节点上。在各个时刻，微观粒子会有一个确定的分布，基于此分布，采用统计的方法，可以得到物质的宏观物理量的分布，如密度场和速度场，从而实现了对流体流动的模拟[42,43]。
4.1.2 微通道内气液两相流的流型及流型图
文献中报道过的微通道内两相流型有：泡状流(bubbly flow，对气液两相流)、液滴流（droplet flow，对液液两相流）、子弹流(slug flow，或称Taylor flow，segmented flow 等)、子弹-环状流（slug-annular flow）、环状流（annular flow）、紊乱流(churn flow)等。由于对流型的判断没有统一的标准，因此有时候相同的流型被不同的研究者赋予不同的名称。
文献中报道的流型图主要分为两类：一种是针对某一两相流体系、以两相的速度为坐标的流型图，如图4-3所示；一种是考察多种两相流体系，将的物理性质考加以考虑给出的流型图，如图4-4所示。
图4-3以两相表观速度给出的流型图
图4-4考虑到两相物性的流型图
总体来说，流型图的普适性不好，原因是一方面，不同研究者对流型的判断标准不同，另一方面，微通道内部两相分布与进料方法、入口结构、通道壁面状况等密切相关，而研究者所使用微通道各不相同，缺少一种规范。目前还没有出现普遍适用的流型图。
4.1.3 微通道内子弹流的研究
微通道内两相流中，子弹流存在的流速范围很宽；表面张力的作用使分散相几乎占据了通道的整个横截面，一方面分散相和壁面之间的薄液膜提供了很短的传质距离，另一方面分散相将前后两个连续相液柱隔开，减小了返混，而且分散相的存在和壁面粘性阻力的共同作用使液相内出现循环，这些都对传质过程非常有利，因此子弹流成为研究重点，其中考察对象主要是气泡和液柱的长度、气泡和液柱的形状以及液柱内的循环状况。
Fries 等[44]在水力学直径为200μm 的矩形微通道内观测气液两相流。实验得到，气泡和液柱长度分布相当均匀，平均偏差分别低于5%和10%；气泡和液柱长度主要受到气液两相流速的影响。
Ide 等[45,46]在内径是100μm 的圆形微通道中进行气液两相流实验，通过调整气相支路上的可压缩体积发现，当可压缩体积较小时，给定气液两相流速，气泡和液柱的长度分布比较均匀；当可压缩体积较大时，气泡和液柱长度变得比较分散。Qian[47]用数值模拟的方法考察了二维T 型入口微通道内的子弹流，发现当气液入口尺寸大
于主通道时，生成的气泡和液柱长度较大，如图4-5所示：
图4-5 入口尺寸对气泡液柱长度的影响
微通道反应器的特点
微通道反应器是微化工技术发展过程中研发的新型反应器产品，依据微化工技术着重研究的时空特征尺度的特点，该类型反应器具有微米级尺寸的反应通道。 相比于传统化工设备，微通道反应器内部通道尺寸小，流体薄层间距离极短，通过流体微团的介观粘性变形和分子扩散可实现反应物料间的快速微观混合；微通道反应器具有极大的比表面积，流体与器壁间有充分的接触面积，故而使换热效率显著提高，可实现反应过程中的原位高效换热；再者，微通道反应器通道内微小的持液量使得微通道反应器具有明显的安全性能；综上特点，该类反应器可应用于快速混合、强放热及易燃易爆的化工反应过程，并且能显著提高过程安全性以及实现连续化操作的过程。 一、微通道反应器有很多特点： (1)比表面积大，传递率高，接触时间短，副产物少:微反应通道特征尺度小，微通道比一般为5000 ~50000m2.m,单位体面积上传热、传质能力显著增强。(2)快速、直接放大：传统放大过程存在着放大效应，通过增大生产设备体积和规模达到放大目的，过程耗时费力，不能根据市场需求立即作出相应的反应，具有滞后性。而微反应系统呈多通道结构,每一通道相当于一独立反应器，在扩大生产时不再需要对反应器进行尺度放大，只需并行增加微反应器的数量，即所谓的“数增放大”。(3)安全性高：大量热量也可以及时移走，从而保证反应温度维持在设定范围以内，最大程度上减少了发生事故可能性。(4)操作性好：微反应系统是呈模块结构的并行系统，具有便携
性好特点，可实现在产品使用地分散建设并就地生产、供货,真正实现将化工厂便携化，并可根据市场情况增减通道数和更换模块来调节生产具有很高的操作弹性。 目前在大多数含能材料的合成过程中常伴有剧烈的放热反应，在这些反应过程中一旦温度控制不好，就会在短时间释放大量的热量和气体，从而引起冒料等一系列严重后果。在强放热反应过程中，一般很难控制反应温度，也很难实现高效快速混合。对强放热反应过程，常规反应器一般采用逐渐滴加的方式加料，即使这样，在滴加的瞬时局部也会因过热而产生一定量的副产物。 相对常规反应器，微反应器因有较高的比表面积而能缩短反应时间，从而实现快速传热并保持恒温；而且微反应器能提供快速混合，能及时导出热量，反应温度可实现精确控制，因此消除了局部过热，显著提高反应的收率和选择性。所以将微反应器和强放热反应结合起来，可以减小生产危险性、减少副产物并提高生产效率。 上海惠和化德生物科技有限公司，是一家专注于微反应器连续工艺开发及工业化的创新性高科技公司。公司于2015年6月在中国（上海）自由贸易试验区内成立，随着业务的发展，公司于2019年10月整体搬迁至上海化学工业园内。公司上海本部实验室配备十余套微反应器，并与梅特勒托利多共建化学过程联合实验室、与沈阳化工研究院和上海化工研究院共建过程安全联合体、与南大淮安高新技术研究院共建特殊反应实验室等。公司主要服务于国内外精细化工企业，帮助客户进行微反应器连续流工艺咨询与评估、工艺开发、工业化项
微通道反应器系统技术要求
微通道反应器系统技术要求 一、技术要求 1、★整体要求：合成反应系统包含可相互独立的反应物通道，独立的反应物通道不小于6个。 2、★反应器支架可灵活配置反应模块的数量（不少于4个），含不少于8个入料与收集接口，4个换热流体接口。 3、★反应器可通过两个恒温循环器与密封隔热板分隔实现两个温区，两个温区各自的控制区域可灵活设置。 4、★反应模块为三层结构，上层为底板，中间层为混合或反应通道，下层为换热通道。模块均采用碳化硅材质，成型工艺采用扩散焊接技术，整体成型，保证气密性和耐高压性能，为了避免金属溶出性污染，模块中间不得安装金属连接件。 5、★反应器包含多组碳化硅模块，包含混合模块及反应模块，可执行A+B→P或A+B→P’+C→P，混合模块也可用作猝灭模块，用于反应停止或降温。 6、★反应通道结构设计能够在强化传质的同时减少返混，保证物料在反应器内停留时间的一致性，要求提供内部结构图。 7、热传导率：≥100W/mK（温度200℃范围内）。 8、耐腐蚀性：反应器的触液材质能够耐反应器操作温度下的硫酸、氢氟酸、氢溴酸、强碱等物质。 9、年损失率：≤0.1mm/年(120℃1:1 HF/HNO3条件下测试)。 10、工艺侧工作温度范围：-20-150℃，换热测温度范围：-20-150℃。 11、工艺侧压力范围：0-25bar，测试压力75bar，提供压力检测证书；换热侧压力范围0-5bar。 12、通量：0.2-20mL/min。 13、★反应器内体积：0.95-13.5ml，单板的最小持液量不大于1ml，单板的最大持液量不大于4.8ml。 14、★反应通道尺寸不大于1.4×1.4mm，预热通道尺寸不大于1×1mm。 15、停留时间：2.7sec-60min。 16、反应器配件要求：进、出料管路及背压系统均采用抗腐蚀、耐压材质，保证气液反应、液液反应的进行。 二、配置要求 1、主反应器（含阳极氧化铝支架） 2、A+B型碳化硅预热混合模块 3、P’+C型碳化硅预热混合模块 4、碳化硅反应模块 5、背压系统（16bar） 三、技术支持及售后服务 1、技术支持： 生产厂家技术工程师进行仪器的安装调试和免费培训3名以上操作人员，培训时间根据用户实际情况来定，内容包括仪器的基本原理、结构、基本操作、维护知识及实验的应用与开发。前期使用供应方派专业技术人员陪用户技术人员共同操作仪器，直到用户使用人员可独立进行操作为止。供应商应提供仪器应用的详细应用资料，用户能够在此基础上开展新的实验研究。 2、售后服务：
微通道反应器的适用范围
我们都知道微反应器有很多的优点，比如说优秀的传质传热能力，很大程度上减少了发生事故的可能性；快速直接的放大能力，节省成本时间等等。当然对于它也是有一定的局限性的，而正是因为有这样一些原因有很多实验不能使用微反应器进行实验。所以对于化工企业来说了解微通道反应器的适用的范围是很有必要的。 首先严格来说，目前很难界定哪些反应适用于微通道反应器，因为每个反应的特性不同，同时微通道反应器装置的种类也非常多。但一般认为，现有的合成反应有20-30%可以通过微通道反应器进行技改。同时利用微通道反应器，我们可以将大约20%-30%过去认为是危险的工艺流程进行实现。也就是说目前来看有接近30-50%的化工工艺可以通过微通道反应器进行技改。 从结构特点上来说，目前微通道反应器可以用于以下几种类型反应 1. 反应本身速度很快，但受制于传递过程的，整体反应速度偏低的反应这类反应主要为液液多相反应，也包括液液萃取等物理过程。这种过程的特点就在于：反应本身速度快，但是由于底物要在液相间扩散导致反应整体速率偏低。在传统的反应釜内部一般采用搅拌器进行反应，效率较低，无法充分实现两个液相间的混合，因此反应效率低下。而在微通道反应器内由于通道尺寸小带来的扩散尺度减小，导致这类反应可以快速进行。
2.反应本身速度快，但反应剧烈，强放热，产物容易破坏的反应这类反应主要有硝化，重氮化以及部分水解与烷基化反应。硝化以及重氮化反应本身是非常快速而剧烈的，但是实际工厂操作的时候往往反应时间是以小时计的。这是因为反应釜传热能力有限，为了防止体系内温度过高不可控制，需要一点一点的滴加试剂。可以说反应速度完全由移热能力确定。如果使用移热能力强的微通道反应器就可以快速通入试剂并维持反应平稳进行。可以说这一类反应最具有工业化前景，是应当优先考虑的过程。 3.需要严格控制反应器内部流型的反应。 这种反应主要为纳米颗粒的合成等，这类过程在之前已经介绍过了，主要利用微通道内部的流动规律性制备颗粒分布窄的材料，提高产品附加值。这类反应一般产品产量低，附加值很大，有的时候几块实验装置结合就能成为生产装置，应用前景也较为广阔。 4.部分气液反应从机理上可以采用微通道反应器，但是目前尚未出现好的气液反应器结构最明显的就是加氢，加氢当然有很多种类，部分加氢反应反应速率高，但受到氢气向液相扩散的限制，导致整体反应速率较低。在这种状况下，当然可以利用微通道的反应器的混合特性进行反应，类似于第一类反应，不过这里加强的是气液传质过程。但是气液过程有其特殊性，主要是在流体分配与控制方面，这导致适宜放大的气液微通道反应器还不存在。因此这方面实验研究非常活跃，工业应用上除非产量小可以直接使用实验装置否则没有可行性。
微反应器应用领域
微反应器，即“微通道反应器”的简称。顾名思义，微反应器是一种反应物质在微小通道内连续流动、发生反应、同时实现换热的装备。然而，随着精细化工行业对微反应器用于化学品一定规模工业化生产的需求，微反应器通道的不断优化与改进，微反应通道尺寸早已达到毫米级。而我们可以使用它进行很多复杂且危险的实验了，并且成功解决了很多之前使用传统反应器所造成的弊端。而在医药制造领域这个成效是非常显而易见的。下面我们就为大家详细介绍一下。 一、在化工产品生产中的应用 由于香精挥发性高、留香时间短影响终产品的品质，所以香精香料的缓释和控释技术是目前国内外研究的热点和难点。微胶囊香精技术是香精香料的缓释和控释技术中非常重要的一种，主要是指制造固体香精的技术。它是指选择某些特殊材料以物理结合或化学结合与香精分子之间形成一定的包覆关系，从而减缓或控制香精香料在应用中的挥发性，延长香精香料的留香时间。目前商品化的微胶囊香精基本上由三聚氰胺-甲醛的界面聚合反应制得，但是该工艺中存在不少问题——使用了大型反应器、反应时间长、以环境不友好的化合物为原料，而且微胶囊强度不理想导致其储存稳定性不高。 二、微反应技术在化工安全中的应用 特别地，在精细化工领域，微反应技术所具有的优势能极大地提高精细化工过程的本质安全性: 极大的传热系数，能让反应接近等温条件下进行，没有热点的聚集，对于放热量巨大的快速化学反应，控制过程失控具有重大意义; 通过控制通道尺寸小于易燃易爆物质的
临界直径，能有效地阻断自由基的链式反应，从而使爆炸无从发生; 多反应单元线性组合可以保证即使有毒有害物质发生泄漏，泄漏量也非常小，对周围环境和人体健康造成的危害有限，且能在其他单元继续生产的同时予以更换。有研究统计，现阶段微反应技术可应用在20% ～30%的精细化工反应中，提升反应安全性，由于精细化工面宽量多，这已经是一个相当大的应用规模。另外随着基础研究和设备制造的进步，该应用比例还会进一步提高。 微反应技术提高了产品的收率，减少了副产物的产生，降低了能耗，并且微反应器因其微小的反应体积特性，而对试剂消耗量减少。从环保角度来说它可以有效减少化工产业中污染物的排放实现可持续发展。目前，微反应器技术广泛涉猎于精细化研发和生产的各个领域，比如在农药中间体、医药中间体、染料中间体、纳米材料、环保处理、萃取、乳化等等，等多个工业化项目中有较为成功的使用。 上海惠和化德生物科技有限公司，是一家专注于微反应器连续工艺开发及工业化的创新性高科技公司。公司于2015年6月在中国（上海）自由贸易试验区内成立，随着业务的发展，公司于2019年10月整体搬迁至上海化学工业园内。公司上海本部实验室配备十余套微反应器，并与梅特勒托利多共建化学过程联合实验室、与沈阳化工研究院和上海化工研究院共建过程安全联合体、与南大淮安高新技术研究院共建特殊反应实验室等。公司主要服务于国内外精细化工企业，帮助客户进行微反应器连续流工艺咨询与评估、工艺开发、工业化项目投资和管理等。公司立足于客户具体项目，以“以终为始”的项目
高密度和微涡反应器的原理、功能、优劣、特点和应用
1. 高密度反应器 1.1高密度反应器简介 高密度澄清技术是采用泥渣循环的高密度沉淀处理技术，适用于饮用水生产、污水处理、工业废水处理和污泥处理等领域。每座高密度沉淀池工艺区域包括凝聚反应区、絮凝反应区、沉淀区、集水区、污泥循环设备、污泥排放设备等，各区域功能如下： (1) 反应区 反应区分为两个部分：快速混凝搅拌反应池和慢速混凝搅拌反应池。前者可以使反应池内水流均匀混合，并为絮凝和聚合电解质的分配提供所需的动能；后者可以产生扫粒絮凝以获得较大的絮状物，达到沉淀区内的快速沉淀。 (2) 预沉区/浓缩区 为避免冲碎已形成的较大絮状物，已形成的絮状物通过一个较宽的进水口流到沉淀区。为取得更好的沉淀效果，可在沉淀区内设置异向流斜管，并在集水区内的每个集水槽底部设隔板，把斜管部分分成几个单独的水力区，保证斜管下面的水力平衡。 (3) 斜管分离区 在逆流式斜管沉淀区沉淀剩余的矶花。通过固定在清水收集槽下侧的纵向板进行水力分 布。澄清水由一个集水槽系统回收。絮凝物堆积在澄清池的下部，形成的污泥也在这部分区域浓缩，通过刮泥机将污泥收集起来，循环至反应池入口处，剩余污泥排放。 1.2高密度混凝机理 (1) 内筒循环和污泥回流产生均质的絮凝体和高密度的矶花 水流在内筒和外筒之间循环的独特设计，加大了絮体的水力停留时间；浓缩区上部的污 泥回流，增大了反应区中絮体颗粒的碰撞几率。由此形成的高密度矶花具有优良的絮凝沉降 性能和良好的抗冲击性能。 (2) 推流式反应池至沉淀池之间的慢速传输 絮凝区和沉降区的平稳结合过渡，使絮凝后的水平稳慢速地进入沉降区，大部分絮体在 进入斜管前就已经沉降，通过斜管后可进一步降低浊度。 1.3高密度反应器工艺特点 (1) 独特的一体化反应区和水流内筒循环设计，提高了混凝效率。⑵增加了污泥回流装置，提高了反
微反应器技术的应用
过程强化技术 结业论文 论文题目：微反应器技术及其在有机反应中的应用姓名：姜炜 学号：10110494 学院：化工学院 班级：循环110
摘要 近年来，微反应器技术已逐渐成为国际化工技术领域的研究热点。该文介绍了微反应技术的研究进展；阐明了微反应器的特殊优势；分析了微反应器适合的化学反应；列举了大量微反应器在有机化学中应用的成功案例。 关键词：微反应器，有机氧化，有机合成
Abstract As an emerging technology,micro-reaction technology is becoming an increasing hot spot in the global chemical industry.The advances of this technology are introduced. This paper demonstrates the superior advantage of micro-reactor,types of chemical reactions that could benefit from the micro-reactor are discussed.In the major part of this paper,many successful applications of micro-reaction technology are presented. Keywords: micro-reactor,oxidation of organic,organic synthesis
目录 1 微反应器的分类............................. 错误！未定义书签。 1.1 气固相催化反应器 (2) 1.2 液液相微反应器................................... 错误！未定义书签。 1.3 气液相微反应器................................... 错误！未定义书签。 1.4 气液固三相微反应器 (3) 1.5 电化学和光化学微反应器 (3) 2 微反应器的反应特征 (4) 2.1 反应温度能够精确控制 (4) 2.2 物料能够精确比例................................. 错误！未定义书签。 2.3 反应时间的精确控制 (4) 2.4 小试工艺能力可以直接放大 (4) 2.5 有着良好的操作性 (4) 2.6 结构安全性 (5) 3 微反应器适合的反应类型 (6) 3.1 放热剧烈的反应 (6) 3.2 反应物或产物不稳定的反应 (6) 3.3 对反应物配比要求很严的快速反应 (6) 3.4 危险化学反应以及高温高压反应 (6) 3.5 纳米材料及需要产物均匀分布的颗粒形成反应或聚合反应 (7) 4 反应器的优点总结 (8) 4.1 温度控制 (8) 4.2 反应器体积 (8) 4.3 转化率和收率 (8) 4.4 安全性能 (8) 4.5 放大问题 (9) 5 微反应器在有机氧化反应中的应用 (10) 5.1 低温Swern氧化反应 (10) 5.2 高温硝化反应 (11) 6 微反应器在有机合成方面的应用 (14) 7 结语 (18) 8 参考文献 (19)
微反应工艺开发介绍
微反应技术是目前化工过程实现强化的主要方式之一，它帮助化工企业实现高效、安全、环保生产的新兴技术。它也是未来化工技术发展的方向，而微反应器是企业化工研究和生产所依赖的主要手段。本文主要对微反应工艺中的重氮化反应工艺开发进行详细介绍. 一、实验方法 称定量的红色基ＫＤ、水及盐酸在烧杯中，搅拌，打浆成均匀乳状液；称取定量的亚硝酸钠配成水溶液；调整两者体积达到一定比例；利用计量泵将ＫＤ乳液与亚硝酸钠溶液以摩尔化学反应量准确注入到微通道反应器中反应。记录入口温度、出口温度、流速、出口物料状态。 二、实验装置 将微通道反应器做成微预混器和微混合器两个部件，将进、出料系统与微通反应器相连，建立连续重氮化反应装置。（下图） 三、结果和讨论
影响重氮化反应的因素包括温度、酸用量、流速、停留时间、微通道尺寸、加料方式等，经过反应装置和合成工艺条件的优化，对各种不同的芳胺进行重氮化反应，实验结果见表1所示。 微通道反应器可实现溶液、乳化液、悬浮液等状态芳胺的连续重氮化反应。大多数的重氮化反应温度一般在０～５℃进行，温度稍高就会产生很多杂质，影响重氮液的品质和偶合反应的收率。但是表
1中温度条件下的实验结果说明，在微通道反应器中大部分氨基物的重氮化反应温度可在１０～２０℃或更高的室温下进行，这样可大大减少冰的使用，节能效果明显。所得重氮盐溶液外观清澈透明、无分解物，可直接进入下一步，与对应的化合物进行偶合反应，以重氮盐计偶合收率可达９８％～１００％。 与传统釜式方法生产的产品相比，采用微通道反应器合成有机颜料，产品收率较传统方法均有所提高；色光、近似，着色力略高。颜料产品的透明度可根据要求通过改变设备参数进行调整，且更适合生产透明性颜料。另外，从所得粗品的粒径分布看，微通道反应装置合成的颜料化合物，其粒径分布更集中，总体粒径更小。 采用微通道反应器连续化合成分散染料，产品收率较传统方法均有所提高；产品纯度略有提高，着色力等与传统釜式方法生产的产品近似或略优；部分产品因纯度提高造成色光有微差；发现部分分散染料的分散研磨普遍得到改善，扩散性及分散性均优于现有产品。 上海惠和化德生物科技有限公司，是一家专注于微反应器连续工艺开发及工业化的创新性高科技公司。公司于2015年6月在中国（上海）自由贸易试验区内成立，随着业务的发展，公司于2019年10月整体搬迁至上海化学工业园内。公司上海本部实验室配备十余套微反应器，并与梅特勒托利多共建化学过程联合实验室、与沈阳化工研究院和上海化工研究院共建过程安全联合体、与南大淮安高新技术研究院共建特殊反应实验室等。公司主要服务于国内外精细化工企业，帮助客户进行微反应器连续流工艺咨询与评估、工艺开发、工业化项
微反应器在化学化工领域中的应用_刘兆利
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2016年第35卷第1期 ·10· 化 工 进 展 微反应器在化学化工领域中的应用 刘兆利，张鹏飞 （天津大学化工学院，天津 300072） 摘要：微反应器是微型化学反应系统，具有换热和传质效率高、严格控制反应时间、易于放大、安全性能好等特点。和传统搅拌反应器相比，这些特点使得微反应器在缩短反应时间、大幅度提高化学反应的转化率和产品收率等方面展现出一定的优势。但微反应器也存在易堵塞，催化剂负载、微通道的设计与制造难度大等问题。本文介绍了近年来快速发展的微反应器技术，回顾了微反应器的特点，重点探讨微反应器在化学化工领域的应用以及微反应器在精细化工和制药工业、生物化工领域的应用实例，讨论了微反应器目前存在的诸多挑战。微反应器目前是化学和化工学科的前沿和热点方向，分析表明微反应器仍然有很大的发展空间，有潜力改变化学化工前景。提出应进一步深入系统地认识微反应器内化学反应以及微通道设计的基本规律和机理，将微反应器技术引入更广泛的反应体系中，加强微反应器的集成化水平。 关键词：微反应器；微通道；微尺度；层流；安全 中图分类号：TQ 052 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）01–0010–08 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.01.002 Applications of microreactor in chemistry and chemical engineering LIU Zhaoli ，ZHANG Pengfei （School of Chemical Engineering ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ） Abstract ：Microreactor belongs to the miniature chemical reaction system ，which has some characteristics of high heat- and mass- transfer rates ，strictly-controlled reaction time ，easy scale-up ，excellent safety performance ，and so on. Comparing with the common batch reactors ，advantages of microreactors are reducing reaction time ，greatly promoting conversion and yields. On the other hand ，there are some existing challenges ，such as the clogging problem ，catalyst loading ，design and fabrication of microchannels ，and so on. This paper aims to introduce the microreactor technology ，which has been growing rapidly in recent years. Some of the basic characteristics of microreactor are summarized focusing on applications of microreactor in chemistry and chemical engineering as well as some of typical examples of existing in fine chemical and pharmaceutical industry. A variety of challenges are also discussed. Microreactor is a frontier and hot topic in the research of chemistry and chemical engineering and analysis shows that microreactor still has very big development space and has the potential to change the chemistry and chemical engineering landscape. In the future ，further in-depth and systematic understanding of the regularities and mechanisms of chemical reaction in microreactor and design of microchannels should be emphasized. Introducing the microreactor technology into more reaction systems and further improving the integration level still need to be perfected. Key words ：microreactor ；microchannels ；microscale ；laminar flow ；safety 收稿日期：2015-07-08；修改稿日期：2015-07-29。 第一作者：刘兆利（1989—），男，硕士。E-mail liuzhaoli0302@https://www.wendangku.net/doc/389414155.html, 。 联系人：张鹏飞，副研究员，研究方向为化工传质与分离。E-mail zhangpf@https://www.wendangku.net/doc/389414155.html, 。
康宁微通道反应器技术客户交流会
《康宁微通道反应器技术客户交流会》会议报告 2013年3月27日，本人参加了在上海举办的康宁反应器技术客户交流会，此行目的主要是针对本公司丙烯二聚反应，重氮-环化反应在康宁微通道反应器上应用进行技术咨询。 会议对于康宁公司的发展历史、康宁反应器技术从研发到生产的无缝对接以及康宁高通量--微通道反应器的成功案例进行了较详细的讲述。康宁公司是一家特种玻璃和陶瓷材料的全球领导厂商，有162年的发展历史，此次会议主要讲述了康宁反应器技术与服务，康宁高通量—微通道反应器从实验室工艺研发到大规模工业化生产的无缝对接。 康宁微通道反应器模块形式： 康宁G4反应器（年通量在2000吨/年） 康宁微通道反应器的特点： 1.专利设计保证了高效的传热-传质（混合）以及化学反应的 集成。 2.与传统的搅拌釜式反应器相比：安全性高、占地面积小、节 省溶剂、选择性高、能耗低。 3.对于反应速度快、高放（吸）热反应具有明显优势。 4.玻璃材质耐酸，利于进行光化学反应。 5.温度范围-25～200℃，最高压力18kg。
6.康宁微通道反应器技术无放大效应。 康宁微通道反应器的成功应用案例： 1.选择性硝化反应----强化非均相液-液反应体系 此反应为有机相与无机相的液-液反应，反应速度快，放热量高，利用康宁微通道反应器，可以极大的加强传质-传热效果，提高了反应的选择性。 2.氧化反应---气-液反应体系 此反应为气相与液相反应，利用康宁微通道反应器，可以极大的提高反应接触面积，提高反应转化率。 3.选择性加氢反应----气-固-液反应体系 此反应为气相、液相、固相三相反应体系，固相粒径在200微米以下，与液相形成稳定的浆液，利用康宁反应器 反应时间从10小时缩短至90秒，反应浓度从35%提高到 45%，反应温度从30℃提高到140℃，催化剂从0.4%减少到 0.%。 康宁微通道反应器对于反应以及反应介质有一定的要求： 1.要求快速反应与中速反应，慢速反应不适合。 2.要求反应介质为液-液反应、气-液反应，且反应产物不能为不溶 性固体，或者形成的产物固体粒径是微米级（200微米以下），能与液相形成稳定的浆态，不沉积、淤结在反应器壁上，以防堵塞。 3.反应介质为液-固相反应体系，要求固体粒径在200微米以下，与 液相形成稳定浆态，能随反应介质流动且不沉积、淤结在反应器
微通道反应器的分类介绍
微反应器，即微通道反应器，利用精密加工技术制造的特征尺寸在10到300微米（或者1000微米）之间的微型反应器，微反应器的“微”表示工艺流体的通道在微米级别，而不是指微反应设备的外形尺寸小或产品的产量小。微反应器中可以包含有成百万上千万的微型通道，因此也实现很高的产量。 微反应器又可分为气固相催化微反应器、液液相微反应器、气液相微反应器和气液固三相催化微反应器等。 1.气固相催化微反应器 由于微反应器的特点适合于气固相催化反应，迄今为止微反应器的研究主要集中于气固相催化反应，因而气固相催化微反应器的种类最多。最简单的气固相催化微反应器莫过于壁面固定有催化剂的微通道。复杂的气固相催化微反应器一般都耦合了混合、换热、传感和分离等某一功能或多项功能。运用最广的甲苯气-固催化氧化。 2.液液相反应器 到目前为止，与气固相催化微反应器相比较，液相微反应器的种类非常少。液液相反应的一个关键影响因素是充分混合，因而液液相微反应器或者与微混合器耦合在一起，或者本身就是一个微混合器。专为液液相反应而设计的与微混合器等其他功能单元耦合在一起的微反应器案例为数不多。主要有BASF设计的维生素前体合成微反应器和麻省理工学院设计的用于完成Dushman化学反应的微反应器。 3.气液相微反应器 一类是气液分别从两根微通道汇流进一根微通道，整个结构呈T
字形。由于在气液两相液中，流体的流动状态与泡罩塔类似，随着气体和液体的流速变化出现了气泡流、节涌流、环状流和喷射流等典型的流型，这一类气液相微反应器被称做微泡罩塔。 另一类是沉降膜式微反应器，液相自上而下呈膜状流动，气液两相在膜表面充分接触。气液反应的速率和转化率等往往取决于气液两相的接触面积。这两类气液相反应器气液相接触面积都非常大，其内表面积均接近20000m2/m3，比传统的气液相反应器大一个数量级。4.气液固三相催化微反应器 气液固三相反应在化学反应中也比较常见，种类较多，在大多数情况下固体为催化剂，气体和液体为反应物或产物，美国麻省理工学院发展了一种用于气液固三相催化反应的微填充床反应器，其结构类似于固定床反应器，在反应室(微通道)中填充了催化剂固定颗粒，气相和液相被分成若干流股，再经管汇到反应室中混合进行催化反应。 上海惠和化德生物科技有限公司，是一家专注于微反应器连续工艺开发及工业化的创新性高科技公司。公司于2015年6月在中国（上海）自由贸易试验区内成立，随着业务的发展，公司于2019年10月整体搬迁至上海化学工业园内。公司上海本部实验室配备十余套微反应器，并与梅特勒托利多共建化学过程联合实验室、与沈阳化工研究院和上海化工研究院共建过程安全联合体、与南大淮安高新技术研究院共建特殊反应实验室等。公司主要服务于国内外精细化工企业，帮助客户进行微反应器连续流工艺咨询与评估、工艺开发、工业化项目投资和管理等。公司立足于客户具体项目，以“以终为始”的项目
微反应器介绍及其研究进展
化工学术讲座课程论文 题目微反应器介绍及其研究进展 学号 姓名 成绩 老师签名 定稿日期：2015 年12 月20 日
微反应器介绍及其研究进展 摘要：近年来，随着微尺度下“三传一反”研究的进展，微尺度流体的性能得到了深入揭示，微反应器技术也被广泛应用于科学研究和工业生产领域。本文系统介绍了微反应器的结构特点、性能优势、研究进展，进而分析了微反应器的发展方向。 关键字：微反应器；微反应技术 1 引言 进入21世纪，化工过程向着更为绿色、安全、高效的方向发展，而新工艺、新设备、新技术的开发对于化工过程的进步是十分重要的。在这样的背景下，微化工系统的出现吸引了研究者和生产者的极大关注。微化工系统并非简单的微小型化工系统，而是指带有微反应或微分离单元的新型化工系统。在微化工系统中，微反应器是重要的核心之一。 “微反应器(microreactor)” 最初是指一种用于催化剂评价和动力学研究的小型管式反应器，其尺寸约为10 mm。随着本来发展用于电路集成的微制造技术逐渐推广应用于各种化学领域，前缀“micro”含义发生变化，专门修饰用微加工技术制造的化学系统。此时的“微反应器”是指用微加工技术制造的一种新型的微型化的化学反应器，但由小型化到微型化并不仅仅是尺寸上的变化，更重要的是它具有一系列新特性，随着微加工技术在化学领域的推广应用而发展并为人所重视。 现在所说的微反应器一般是指通过微加工技术制造的带有微结构的反应设备，微反应器内的流体通道或者分散尺度在微米量级[1]，而微反应器的处理量则依据其应用目的的不同达到从数微升/分钟到数万立方米/年的规模。近年来与微反应器相关的流动、混合、反应等方向的研究工作发展十分迅速，带动了微反应器技术的快速发展。 微反应器内流体的存在状态不同于传统的反应器，其内部流体的流动或分散尺度在1μm到1mm之间，这种流体被称为微流体。微流体相对于常规尺度的流体具有一定的特殊性, 主要体现在流体力学规律的变化、传递过程的强化、固有的安全性以及良好的可控性等。目前，微反应器已经被广泛应用于化学、化工、
微通道反应器简介
存档日期：存档编号: 北京化工大学 研究生课程论文 课程名称：化学反应器理论 课程代号：ChE540 任课教师：文利雄 完成日期：2013 年04 月13 日 专业：化学工程与技术 学号： 姓名： 成绩：
摘要 近年来，微化工技术已成为化学工程学科中一个新的发展方向和研究热点。微化工设备的主要组成部分是特征尺度为纳米到微米级的微通道，因此，微通道内的流体流动和传递行为就成为微化工系统设计和实际应用的基础，对其进行系统深入的研究具有重要意义。 本文综合概括了微通道反应器的基本概念及主要优点，讲述了微通道反应器的发展历程，详细介绍了微通道反应器的分类及结构，重点讲述微通道反应器的流体力学性能，接着介绍了微通道反应器所使用的体系，最后介绍了目前微通道反应器的工业应用实例。 关键词：微通道反应器 Abstract In recent years, micro-chemical technology has become a new developing direction and research focus for chemical engineering. Microchannels with diameter ranging from nanometer to micron are main sections of the micro-chemical equipments, therefore, the characteristics of fluid flow and mass and heat transfer in microchannels are of key importance for the design and application of micro-chemical processes. The article firstly summarizes the basic conception and major advantages of Microchannel Reactor, as well as its development history. Meanwhile, it introduces the classification and structure of Microchannel Reactor in deatails, which forcusing on its hydrodynamics performance. Then the text explains the system that applied to Microchannel Reactor. And lastly, it describes the application examples of Microchannel Reactor in industry. Keywords：Microchannel Reactor
微通道反应器的优缺点介绍
微通道反应器可以让普通的化学反应的反应时间从几小时-几十小时缩短到几秒钟-几分钟，同时解决了反应中释放的大量热和大量副产物的的难题。当然了它的优点还不光于此，而即使是这样具有很多优势的微通道反应器也存在着它的局限性，而这些局限性可能源自设计本身的，目前为止解决不了的问题。 一、首先我们就来了解一下微通道反应器的优点吧. 1、对于反应温度的精准控制， 对于强放热反应，如果混合和换热效率不高的话，容易出现局部过热的现象。而微通道内部具有很好的传热、传质特点，使得反应温度不会过度堆积，并精准控制在一定范围内。 2、安全化生产 因为控温能力好，所以可以减少潜在的生产隐患，保证项目的安全实施。而因为微反应器的中的反应物属于微量级，即使产生副产物也不会产生很多。从而实现本质的安全 二、微反应器的缺点 与传统釜式反应器相比，其缺点主要有四个方面。 ⑴通道堵塞问题 目前已经有许多研究利用微反应器来制备纳米材料，微反应器由于混合效率非常高，得到的颗粒粒径有窄分布特点。但是微反应器微米级的通道尺寸以及十分复杂的内部结构，使得反应器通道极易堵
塞，同时清理也非常困难。目前微反应器的堵塞问题已经成为微反应器替代间歇式反应器的最大障碍。 ⑵泵的脉动问题 微通道反应器一般是通过机械泵驱动流体，但大部分机械泵都会产生脉动流，造成微反应器内流体的不稳定。目前能实现稳定连续流的一个解决方案是电渗流。 ⑶设备腐蚀问题 参与反应的流体对微反应器通道的腐蚀也是一个很大的问题。由于微反应器很高的比表面积和很小的微通道特征尺寸，即使是极微小的腐蚀降解作用对于微反应器的影响也是非常显著的，这使得微反应器对于通道的材质有很高的防腐要求，这无疑增加了微反应器的制造成本，限制了它的大规模工业化应用。 ⑷工业化实现复杂 微反应器采用“数增放大”来扩大产能，虽然能有效降低放大成本，但处理能力也受到很大限制。其次，微反应器的放大看起来简单，但要实现却是一个巨大的挑战。当微反应器的数量大大增加时，微反应器监测和控制的复杂程度大大增加了问，对于实际生产来说运行成本也大大提高了. 上海惠和化德生物科技有限公司，是一家专注于微反应器连续工艺开发及工业化的创新性高科技公司。公司于2015年6月在中国（上海）自由贸易试验区内成立，随着业务的发展，公司于2019年10月整体搬迁至上海化学工业园内。公司上海本部实验室配备十余套微
微通道反应器性能特点
微反应器其实就是一种连续流动的管式反应器。它包括化工单位所需要的混合器、换热器、反应器控制器等。微反应器有着极好的传热和传质能力，可以实现物料的瞬间均匀混合和的传热，因此许多在常规反应器中无法实现的反应都可以微反应器中实现。 1、微通道反应器的特点 和常规的反应器相比微反应器有着许多优势，我们可以从以下的方法了解到。 （1）比表面积大，传递率高，接触时间短，副作用少：微通道特征尺度较小，约为5000—50000m2m，单位体面积上传热、传质能力有显著增强。 （2）快速、直接放大：传统放大过程存在着放大效应，通过增大生产设备的体积和规模达到放大的目的，过程耗时耗力，并且不能根据市场需求立即做出相应的反应，具有滞后性。微反应系统呈多通道结构，每一个通道相当于一个独立的反应器，在扩大生产的时候不需要对反应器尺寸进行放大，只需并行增加微反应器数量，就是所谓的“数增放大”。 （3）安全性高：大量热量也可以及时移走，从而保证反应温度维持在设定范围内，极大地减少了发生事故的可能性。 （4）操作性好：微反应系统是呈模块结构的并行系统，具有较好的便携性，可以实现在产品使用地分散建设并就地生产、供货，真正
实现将化工厂便携化，并且可以根据市场情况增减通道数和更换模块来调解生产，具有很高的操作弹性。 目前很多实验都可以适用于微通道反应器，但是也有一些反应不适用。而且目前来说很难界定，因为每个反应的特性不同，但一般认为，现有的合成反应有20-30%可以通过微通道反应器进行技改。同时利用微通道反应器，我们可以将大约20%-30%过去认为是危险的工艺流程进行实现。也就是说目前来看有接近30-50%的化工工艺可以通过微通道反应器进行技改。 微通道反应器独特的结构给它带来了一系列的性能，故它被应用到许多领域中。例如对于小规模的光化学过程，采用透明的微反应器可有利于薄流体层靠近辐射源。 目前微通道反应器在化工工艺过程的研究与开发中已经得到广泛的应用，商业化生产中的应用正日益增多。其主要应用领域包括有机合成过程，微米和纳米材料的制备和日用化学品的生产。 上海惠和化德生物科技有限公司，是一家专注于微反应器连续工艺开发及工业化的创新性高科技公司。公司于2015年6月在中国（上海）自由贸易试验区内成立，随着业务的发展，公司于2019年10月整体搬迁至上海化学工业园内。公司上海本部实验室配备十余套微反应器，并与梅特勒托利多共建化学过程联合实验室、与沈阳化工研究院和上海化工研究院共建过程安全联合体、与南大淮安高新技术研究院共建特殊反应实验室等。公司主要服务于国内外精细化工企业，帮助客户进行微反应器连续流工艺咨询与评估、工艺开发、工业化项
微通道反应器操作应用介绍
化工工程强化的重要方法是微化工技术，实现高效、安全、环境友好的化工生产新兴技术，而微通道反应器逐渐成为化工领域进行可续研究和工业生产的重要手段。本文主要对微通道反应器在重氮化反应中的操作和应用介绍。 1、什么是重氮化反应 芳香族伯胺和亚硝酸作用（在强酸介质下）生成重氮盐的反应称为重氮化（一般在低温下进行，伯胺和酸的摩尔比是：1：2.5），芳伯胺常称重氮组分，亚硝酸为重氮化剂，因为亚硝酸不稳定，通常使用亚硝酸钠和盐酸或硫酸使反应时生成的亚硝酸立即与芳伯胺反应，避免亚硝酸的分解，重氮化反应后生成重氮盐。 重氮化反应是一种非常危险的化学反应，在反应的瞬间会放出大量的热，并且产物比较容易分解。如果采用传统反应釜需要消耗大量的冰来对装置进行降温抵消反应产生的大量热，并且本身反应釜运作也会产生大量的机械升温，与此同时由于反应的产物重氮盐需要低温进行安全储存，而且需要长时间存储，所以反应釜需要消耗巨大的能力，带来很多材料的浪费。并且产出的产品质量不稳定，收录波动较大。而通过微通道反应器，我们可以解决上述问题。 1、实验方程式
2、实验方法 称定量的红色基ＫＤ、水及盐酸在烧杯中，搅拌，打浆成均匀乳状液；称取定量的亚硝酸钠配成水溶液；调整两者体积达到一定比例；利用计量泵将ＫＤ乳液与亚硝酸钠溶液以摩尔化学反应量准确注入到微通道反应器中反应。记录入口温度、出口温度、流速、出口物料状态。 3、实验过程 把微反应器做成微预混器两个部件，把进、出料系统和微通道反应器相连，建立连续重氮化反应装置。 4、结果和讨论 影响重氮化反应的因素包括温度、酸用量、流速、停留时间、微通道尺寸、加料方式等，经过反应装置和合成工艺条件的优化，对于各种不同芳胺进行重氮化反应。 而实验结果表面大多数的重氮化反应一般都在0-5℃进行，如果温度过高会产生很多杂志，影响重氮液品质和偶合反应的收率。
微反应器技术在精细化工中应用的体会
在2019年10月31日在苏州举行的第四届中国国际化工过程安全研讨会中。国家应急管理部副部长召集相关学者和各公司代表就“提升化工行业本质安全水平、推进化工过程安全管理、防范化工重大安全风险”等话题进行座谈。马博士作为微反应技术领域的代表参加座谈，并发言。以下是根据马博士发言稿整理内容。 尊敬的孙部长，各位领导，各位专家，下午好！ 我们是一家致力于微反应连续化工艺开发与工业化放大服务的公司。刚才卫教授（注：天津大学卫宏远教授）说，精细化工的研发和工程化存在严重脱节。同样的，微反应技术的研发与工程化，也存在脱节。我们的在做的事，就是为了打通这个环节。
我今天想简单谈谈我对微反应器技术在精细化工中应用的一点体会。主要有两个方面的内容，一是，如何看待微反应器技术；二是，微反应器技术应用推广的困局。 一、如何正确看待微反应器技术 现如今，我们化学化工行业的同仁如果还没有听说过微反应的，那基本就out了。在如此广泛的认知度的情况下，对微反应器的真正理解却不够客观和公正。有人觉得微反应是神器，包治百病；有人觉得微反应没用，是一个噱头。这两种观点当然都有失偏颇。 微反应器技术，作为一种过程强化的流动化学技术，它仍然要遵从化工过程的“三传一反”。只不过，他的实现方式方法、参数范围出现了变化。而我们要处理的化学反应千变万化、各有不同。因此，微反应技术在化工生产中就存在着一定适用性的问题。它绝对不是一个颠覆性的完全替代技术，它是一个现有技术的补充技术。所以，希望全面的用微反应器来代替传统反应釜的想法，目前仍是不切实际的。我举个例子，比如硝化反应。硝化反应是我们都非常头疼的高危工艺。我记得2017年的时候，我们沈阳院程总（注：沈阳化工研究院总工程师程春生博士）问我，大概有多少比例的硝化反应可以用微反应呢？我经过调研，给出的答案是60-70%的硝化反应可以用微反应器技术。但是这个答案没有实操性，到底哪些可以用，哪些不能用呢？针对这个问题，我经过了差不多两年的论证、和实验，有了相对准确的判断指标。今天下午我在大会上的报告就会讲到这个问题。