微型反应技术介绍A.PDF

微型反应技术介绍 A 近年来，连续流动的微观流体学在化学合成和过程处理中的应用，即所谓微化工工艺，在 微观技术领域和化学工程领域都得到了越来越多的重视。这个新兴的工艺过程可以在较小体 积范围内实现化学反应的连续进行，使反应的转化率、选择性均有明显提高，传热系数和传 质性能与常规工艺相比得到很大强化。这个新工艺满足了工业规模生产对过程强化的要求， 实现了反应过程： “更好” (高收率，更好的选择性) “更快” (高时空收率，高生产能力) “更便宜” (低资金投入低运行成本) “更安全” (环保，绿色化学，对于危险反应有较低风险) 微化工工艺涉及物理、化学、化工、生物、材料、微电子以及微机械加工等诸多领域， 学科交叉性强；微型化工设备作为微化工工艺的实现手段和工具,具有设计独特，无放大效 应，易于操作控制，安全性能突出等特点。 同传统化工工艺相比，微化工工艺具有如下突出优点： 传质、传热效率高，返混几率小，可以更好地控制反应温度和停留时间，使化学反应向 着有利于需要产品的方向进行； 通过改变化学反应的激烈程度，使利用传统化工工艺难以实现或条件苛刻的反应过程变 得易于操作和可以实现。如一些高温，高压，强放热反应过程等,在微反应工艺条件下，反 应条件都变得容易实现和控制。 基于数量叠加的放大原理，避免了传统化工工艺的放大效应。如果一个化学过程可以在 单个结构单元中实现，那么这个反应过程就能通过简单的机构单元的数量放大，达到工业生 产规模。 微化工工艺的基本理念是 “通过调整设备去适应化学反应过程，而不是相反，调整化 学反应条件去适应固有设备”。基与此，在每一个具体化学反应过程中应用微化工工艺时， 都会有针对这个反应过程的独特的工艺和设备设计。 B 多年来的实验结果表明，利用微反应器实现化学反应能显著提高产物的收率与选择性。 这种反应器最初时作为实验室分析设备，应用于生物诊断，药物合成和组合材料科学的研究。 在一个密闭的内部尺寸从几微米到几百微米的微结构反应器内进行化学或生化反应，这种反 应器的内部尺寸并不需要尽可能的小，而是根据化学反应本身的需要来确定。按照这种思路 进行思考，是对化工工艺模式的一种转变。自从一些特殊的反应器能使化学反应速率接近他 们的动力学极限，就不再需要原来那些为了使化学过程适应固有设备的调整手段，如添加溶 剂，沸点的受热限制，缓慢且不规则的搅拌混合。“调整设备去适应化学反应过程而不是相 反， 调整化学反应条件去适应设备” 是微化工工艺的基本理念。基于这个理念，微反应器 内部的结构要根据化学过程本身来调节，因此它们可能没必要是“微”的。 一般来说，微反应器常用在连续流动体系。其优点集中体现在以下几个方面：传质传热效率 高，返混几率小以及能更好的控制反应温度和停留时间。由于能够改变化学反应的激烈程度， 因此在高温，高压和难实现过程体系的应用过程中，微结构反应器要强于传统常规的批反应 斧。如果一个化学过程能在单个微通道中实现，那么这个反应过程就能通过简单的微通道的 数量放大，达到工业生产规模。 依据动力学和热力学需要，内部腔体的大小，如通道的尺寸范围能从几微米大到几毫米。 有时，一些自由的流动方式例如通过较窄直径范围的碰撞射流也可以应用于微反应过程。基 于这个理念，微反应器不只是由成百上千的微通道组成的反应器，而是一种能通过形成特殊 流体形态来促进流体传质传热的设备。因此，不管微反应器的大小像信用卡，鞋盒，还是更 大，其内部的“微”才是最关键的。 微反应器可能实现的过程 用传统的釜式反应器，反应放出的热量不能及时的释放，反应温度不能精确控制。因此 反应速度常常被人为的加以限制，否则可能会发生爆炸。 利用微反应器能克服釜式反应器的缺点。如果关于微反应器的这个预言是正确的，那么这将 是对化工工艺的一次彻底的改革。这种新化工工艺必然会有广阔的应用前景。许多学术报道 都做了传统反应器与微反应器的比较，并发现应用微反应器比传统反应器更能强化反应过 程。下面这些应用微化工工艺的例子的详细说明都在参考文献中能够找到。 苯基硼酸的合成 (Clariant / 法兰克福)[3,4] 偶氮染料Yellow 12的制备 (Trustchem / 杭州)[5] 合