微反应器

尺寸在10到300微米的反应器

微反应器是一种借助于特殊微加工技术以固体基质制造的可用于进行化学反应的三维结构元件。微反应器通常含有小的通道尺寸（当量直径小于500 µm）和通道多样性，流体在这些通道中流动，并要求在这些通道中发生所要求的反应。这样就导致了在微构造的化学设备中具有非常大的表面积/体积比率。

定义

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。

发展历史

美国Dupont公司于上个世纪90年代初率先开展了微化工系统在危险化学品生产中的应用基础研究，成功开发出合成异氰酸甲酯的微型化工装置。美国PNNL(Pacific Northwest National Lbaoratory)主要开展燃料电池氢源系统微型化研究，反应器主体结构是一个错流式微通道换热器，与传统相比，相同的处理能力，反应器体积可减小l～2个数量级。微反应器在传质、传热、恒温等方面表现出的巨大优势，自面世以来迅速引起相关领域专家的浓厚兴趣和关注。

拜耳-埃尔费尔德微技术公司（Ehrfeld Mikrotechnik BTS，简称EMB)是全球领先的微反应器技术的供应商。在化工和精细化工产品生产领域，EMB开发的Miprowa系列微反应器已经被世界各大化工公司应用于工艺开发与生产中；在药物生产领域，2010年EMB与龙沙公司（Lonza）合作向市场推出了符合GMP认证要求的Flowplate系列微反应器。

用途

微反应器设备根据其主要用途或功能可以细分为微混合器，微换热器和微反应器。由于其内部的微结构使得微反应器设备具有极大的比表面积，可达搅拌釜比表面积的几百倍甚至上千倍。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高效的传热，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。

目前微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。在化工生产中，最新的Miprowa技术已经可以实现每小时上万升的流量。

缺点

微反应器的微结构最大的缺点是固体物料无法通过微通道，如果反应中有大量固体产生，微通道极易堵塞，导致生产无法连续进行。

目前这一问题主要是通过改进反应器的设计来解决。例如拜耳-埃尔费尔德微技术公司开发的阀式混合器（反应器）可以用于快速沉淀反应，基于这一技术，拜耳公司成功开发了商业化生产工艺，用于生产高性能的微米材料和纳米材料。

应用

微反应器独特的结构给它带来了一系列优质的性能，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。德国美因兹微技术研究所开发了一种平行盘片结构的电化学微反应器。使用这个装置，提高了由4一甲氧基甲苯合成对甲氧基苯甲醛反应的选择性。

由于微反应器高的传热效率，使反应床层几近恒温，有利于各种化学反应的进行。Wan等在微反应器中将苯胺氧化成氧化偶氮苯，DelSman等在微系统中研究了一氧化碳的选择氧化，同时微反应器也被应用到加氢反应、氨的氧化、甲醇氧化制甲醛、水煤气变换以及光催化等一系列反应。另外，微反应器还可用于某些有毒害物质的现场生产，进行强放热反应的本征动力学研究以及组合化学如催化剂、材料、药物等的高通量筛选。

前景与展望

迄今为止国内外学术界对微反应器已进行了广泛的研究，对它的原理和特性有了较好的认识，且在微反应器的设计、制造、集成和放大等方面都取得了可喜的成绩。但是对它的研究还不够成熟，传统的“三传一反”理论必须进行修正、补充和创新，反应的一些原理还没有探讨清楚，还需要大量的工作。另外在它的制造、催化剂的壁载和系统的自动控制方面还存在许多技术难点，有必要进行微反应系统中表面和界面现象、传递规律、反应特性和放大集成的深人研究。

21世纪由于环境恶化以及能源枯竭等一系列问题，使化学工业面临前所未有的机遇和挑战，由于微反应器表现出的诸多优点，科学界致力于探索新的反应途径使化工生产更加经济和环保。所以我们有必要相信微反应器将在化学工业中发挥出巨大的作用。

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