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。
微反应器是一类新型的反应设备, 起源自 20 世纪 90 年代。具体来说，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。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、生物、材料等诸多领域的研究和生产过程中, 体现出了良好的发展前景, 这其中一大部分是主体相为液相的均相或非均相反应过程。
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。作为一类新型的反应设备, 微反应器的形式近年来得到了不断发展。微反应器是具有特定微结构的反应设备, 微结构是微反应器的核心, 按照微结构种类的不同产生了不同形式的微反应器, 几种典型的微反应器有: 微通道反应器、 毛细管微反应器、 降膜式微反应器、 多股并流式微反应器、 微孔阵列和膜分散式微反应器以及外场强化式微反应器等。
微通道反应器是较广泛使用的微反应器, 通过光刻、蚀刻和机械加工的方法可以方便地在硅片、玻璃、聚二甲基硅氧烷 (PDMS )和聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA )等材料上制作尺寸各异的微通道。根据流体的加入方式不同, 微通道反应器又分为T型、水力学聚焦、同轴环管和几何结构破碎等多种类型。
相对于传统反应器, 微反应器内流体的流动和分散尺度要小1~2个数量级, 这使得微反应器具备了很多优异的性能, 而微流体的引入也使得微反应器内流动、传递规律和常规设备相比发生了一定的变化。
微尺度流体间的作用力和多相流流型单一液相流体在微反应器内的流动规律仍然满足连续介质模型, 连续性方程和N-S方程对于液相微流体仍然是适用的, 因此目前对于微反应器内的液体单相流流动行为研究还比较少, 但是对微尺度下以液相为主的多相流的研究却发展十分迅速。在微反应器内影响多相流流动行为的作用力相对于常规反应设备发生了一定变化, 在微尺度下黏性力、惯性力和界面张力是主要的作用力,重力的作用比这些力小1~5个数量级, Ca数、We 数是描述微尺度流动的重要的无因次准数。在微反应器内基本上不存在搅拌桨等动力输入设备,因此在微反应器内液滴或者是气泡的破碎、聚并规律也主要取决于流体自身黏性力、惯性力和界面张力的作用。在微反应器内这几种作用力的大小和作用方向可以通过微结构的结构形式、反应器壁面的浸润性和实验的操作条件来调控。例如, 通过调整微通道的进料方式和流体与壁面的接触角, 就能够控制微通道内是哪一相分散、 分散的尺度是多少等影响反应过程的关键参数。
微反应器基本上都采用连续操作的方式, 在均相体系中, 小通量的微通道和毛细管微反应器内的流动以层流为主, 而大通量的几种微反应器内可以在较高的流速下获得湍流。在非均相流动体系中, 随着不互溶流体的引入, 微反应器内产生更为丰富的气/液、液/液、气/液/液等多相流流型。与传统的开放空间式的反应器不同, 微反应器内的流体处于一个受限的空间内, 在微通道的结构、 浸润性和流体相含率的共同作用下, 微反应器内产生了两相层流、液(气) 柱流、液滴(气泡) 流、环状流等丰富的流型, 同一设备内的不同流型主要受设备结构、相比、Ca数、We数等因素影响。而不同的流型带来了不同的流场情况, 这对于反应过程的影响是十分显著的, 在微反应器内因为相界面对流体的分割作用和微通道对于流体的摩擦作用的存在, 使得微反应器内存在强烈的内循环和二次流流动, 这对于强化反应物的混合是十分重要的。
微反应器内的流体分散和混合尺度都在微米量级，相对于传统设备内多尺度的流动、 混合状态，微反应器内的分散尺度更为均一，这也是得益于微反应器内取消了搅拌设备, 代之以更为温和的微结构来完成流体的破碎和混合过程。研究结果表明, 在微通道内可以获得多分散性因子小于2%的单分散乳液流和气泡流。另外通过合理设计微结构的排列方式, 还可以获得复杂的双乳液和多乳液结构，这使得微反应器对反应物的存在 状态更为可控。微反应器多使用连续操作的模式，在流动状态上微反应器内的流动较为接近平推流, 特别是在液柱流、 液滴流等流型下, 反应器内的轴向扩散作用被削弱, 这使得反应时间可以得到控制。微反应器内的反应时间一般在毫秒到秒的量级, 快反应可以在微反应器内高效完成, 但对于慢反应在微反应器内的应用还有待于深入研究。微小的反应体积带来的另一个优势就是从开车到反应系统稳定的时间被大幅缩短。
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