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1、“微反应器微反应器微反应器微反应器(microreactor)”(microreactor)”(microreactor)”(microreactor)”最初是指一种用于催化剂评价和动力学研究最初是指一种用于催化剂评价和动力学研究最初是指一种用于催化剂评价和动力学研究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的小型管式反应器的小型管式反应器的小型管式反应器,其尺寸约为其尺寸约为其尺寸约为其尺寸约为10 mm10 mm10 mm10 mm。8.3 8.3 微反应器微反应器8.3.1 8.3.1 概述概述概述概述微反应器：微反应器：微反应器：微反应器：主要是指用微加工技术制造的用于进行
2、化学反应的三维结构元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件或包括换热、混合、分离、分析和控制等各种功能的高度集成的微反应件或包括换热、混合、分离、分析和控制等各种功能的高度集成的微反应件或包括换热、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系统系统系统,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通常含有当量直径数量级介于微米和毫米
3、之间的流体流动通道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,化化化化学反应发生在这些通道中学反应发生在这些通道中学反应发生在这些通道中学反应发生在这些通道中,因此微反应器又称作因此微反应器又称作因此微反应器又称作因此微反应器又称作微通道微通道微通道微通道(microchannel)(microchannel)(microchannel)(microchannel)反反反反应器应器应器应器。1996199619961996年前后年前后年前后年前后,Lerous,Lerous,Lerous,Lerous和和和和EhrfeldEhrfeldEhrfeldEhrfeld等各自撰文系统阐述
4、了微反应器在化学工等各自撰文系统阐述了微反应器在化学工等各自撰文系统阐述了微反应器在化学工等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；程领域的应用原理及其独特优势；程领域的应用原理及其独特优势；程领域的应用原理及其独特优势；自自自自1997199719971997年开始，每年举办一届以年开始，每年举办一届以年开始，每年举办一届以年开始，每年举办一届以“微反应技术微反应技术微反应技术微反应技术”（Microreaction Microreaction Microreaction Microreaction TechnologyTechnologyTechnologyTech
5、nology）为主题的国际会议；）为主题的国际会议；）为主题的国际会议；）为主题的国际会议；2003200320032003年年年年4 4 4 4月召开的第一届月召开的第一届月召开的第一届月召开的第一届“微通道和微小型通道微通道和微小型通道微通道和微小型通道微通道和微小型通道”国际会议国际会议国际会议国际会议（International Conference on Microchannels and MinichannelsInternational Conference on Microchannels and MinichannelsInternational Conference on
6、Microchannels and MinichannelsInternational Conference on Microchannels and Minichannels），），），），限定通道的特征尺度在限定通道的特征尺度在限定通道的特征尺度在限定通道的特征尺度在10m10m10m10m 3mm3mm3mm3mm范围内。范围内。范围内。范围内。1微反应器在结构上常采用一种层微反应器在结构上常采用一种层次结构方式次结构方式(hierarchic (hierarchic manner),manner),先以亚单元先以亚单元(subunit)(subunit)形成单元形成单元(unit),(
7、unit),再以单元来形成再以单元来形成更大的单元更大的单元,依此类推。依此类推。这种特点与传统化工设备有所不这种特点与传统化工设备有所不同同,它便于微反应器以它便于微反应器以“数增放大数增放大”(numbering-up)”(numbering-up)的方式的方式(而不是而不是传统的尺度放大方式传统的尺度放大方式)来对生产规来对生产规模进行方便的扩大和灵活的调节。模进行方便的扩大和灵活的调节。8.3 8.3 微反应器微反应器8.3.2 8.3.2 微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺一、微反应器的结构一、微反应器的结构一、微反应器的
8、结构一、微反应器的结构微反应系统的层次结构微反应系统的层次结构2二、微反应器的加工技术二、微反应器的加工技术二、微反应器的加工技术二、微反应器的加工技术微反应器材料的选择取决于介质的腐蚀性能、操作温度、操作压力、加工方微反应器材料的选择取决于介质的腐蚀性能、操作温度、操作压力、加工方法等。常用的材料有：法等。常用的材料有：硅：硅：硅的密度小硅的密度小(2.3 g/cm(2.3 g/cm3 3)；熔点高（；熔点高（14001400）,约为铝的两倍；热膨胀约为铝的两倍；热膨胀系数小，只有铝的十分之一；单晶硅的屈服强度比不锈钢大三倍；硅具有各系数小，只有铝的十分之一；单晶硅的屈服强度比不锈钢大三倍；
9、硅具有各向异性向异性,便于进行选择性刻蚀。便于进行选择性刻蚀。不锈钢：不锈钢：具有良好的延展性具有良好的延展性,加工方便加工方便,成本低廉成本低廉,且易与外部连接。多用且易与外部连接。多用在一些强放热的多相催化微反应器中。在一些强放热的多相催化微反应器中。玻璃：玻璃：化学性能稳定化学性能稳定,且具有良好的生物兼容性且具有良好的生物兼容性,制作的微反应器还有利制作的微反应器还有利于观察内部反应。于观察内部反应。陶瓷：陶瓷：化学性能稳定化学性能稳定,抗腐蚀能力强抗腐蚀能力强,熔点高熔点高,在高温下仍能保持尺寸的稳在高温下仍能保持尺寸的稳定定,故常用于高温和强腐蚀的场合故常用于高温和强腐蚀的场合,缺
10、点是耗费时间长缺点是耗费时间长,价格昂贵。价格昂贵。塑料和聚合物等材料：塑料和聚合物等材料：易于光刻电镀和压模成型加工。易于光刻电镀和压模成型加工。8.3 8.3 微反应器微反应器8.3.2 8.3.2 微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺8.3 8.3 微反应器微反应器8.3.2 8.3.2 微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺3微反应器常用加工技术可分为三类微反应器常用加工技术可分为三类:一是由一是由IC(IC(集成电路集成电路)平面制作工艺延伸而来的平面制作工艺延伸而来
11、的硅体微加工技术硅体微加工技术：包括湿法刻蚀（各向同性刻蚀和各向异性刻蚀包括湿法刻蚀（各向同性刻蚀和各向异性刻蚀)、干法刻蚀（溅射刻蚀、干法刻蚀（溅射刻蚀、等离子刻蚀）等离子刻蚀）二是二是超精密加工技术超精密加工技术：微细放电加工：微细放电加工(micro-EDM(micro-EDM）、激光束加工、电）、激光束加工、电子束加工和离子束加工。子束加工和离子束加工。三是三是LIAGLIAG工艺工艺：包括光刻、电镀和压模三步的组合技术包括光刻、电镀和压模三步的组合技术,由德国喀尔斯由德国喀尔斯鲁厄核研究中心发明。鲁厄核研究中心发明。8.3 8.3 微反应器微反应器8.3.2 8.3.2 微反应器的结
12、构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺二、微反应器的加工技术二、微反应器的加工技术二、微反应器的加工技术二、微反应器的加工技术48.3 8.3 微反应器微反应器8.3.2 8.3.2 微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺二、微反应器的加工技术二、微反应器的加工技术二、微反应器的加工技术二、微反应器的加工技术干法刻蚀制作的微混合器部件干法刻蚀制作的微混合器部件微细放电加工高精度喷嘴微细放电加工高精度喷嘴激光束加工用于萃取的薄膜微孔激光束加工用于萃取的薄膜微孔58.3 8.3 微反应器微反应器
13、8.3.2 8.3.2 微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺二、微反应器的加工技术二、微反应器的加工技术二、微反应器的加工技术二、微反应器的加工技术右图是用右图是用LIGALIGA方法加工的方法加工的微反应器通道微反应器通道共有共有5050个反应单元个反应单元,每个每个反应单元的尺寸为反应单元的尺寸为3 3 cm1.5 cm,cm1.5 cm,通道宽通道宽50m,50m,深深150m150m，用于某，用于某催化反应器催化反应器68.3 8.3 微反应器微反应器8.3.2 8.3.2 微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺微反
14、应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺三、微反应器的封装技术三、微反应器的封装技术三、微反应器的封装技术三、微反应器的封装技术微反应器常用的封装技术有如下四种微反应器常用的封装技术有如下四种:热键合技术热键合技术：把两片抛光的硅或玻璃面对面地接触：把两片抛光的硅或玻璃面对面地接触,高温下使相邻原子高温下使相邻原子间产生共价键间产生共价键,从而形成良好的结合。从而形成良好的结合。高能束焊接（激光焊接和电子束焊接）高能束焊接（激光焊接和电子束焊接）：常用于微反应器中金属：常用于微反应器中金属薄片之间的密封连接。薄片之间的密封连接。扩散焊接扩散焊接：在高温和压力的作用下：在高温和压力的作用下,
15、将被连接表面相互靠近和挤压将被连接表面相互靠近和挤压,使使局部发生塑性变形局部发生塑性变形,经一定时间后结合层原子间相互扩散而形成一个整体。经一定时间后结合层原子间相互扩散而形成一个整体。扩散焊可以连接物理、化学性能差别很大的异种材料扩散焊可以连接物理、化学性能差别很大的异种材料,如金属与陶瓷。如金属与陶瓷。粘接粘接：常用于异种材料的连接：常用于异种材料的连接,简便廉价简便廉价,但不适于温度太高的场合。但不适于温度太高的场合。78.3 8.3 微反应器微反应器8.3.2 8.3.2 微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺三、微反应器的封
16、装技术三、微反应器的封装技术三、微反应器的封装技术三、微反应器的封装技术右图是德国右图是德国Mikrotechnik Mikrotechnik MainzMainz研究所研制的微换研究所研制的微换热器的热器的,板片之间采用扩板片之间采用扩散焊实现连接密封散焊实现连接密封,最后最后再用螺栓与两端封头连接。再用螺栓与两端封头连接。88.3 8.3 微反应器微反应器8.3.2 8.3.2 微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺三、微反应器的封装技术三、微反应器的封装技术三、微反应器的封装技术三、微反应器的封装技术右图是华东理工大学化工机械研究
17、所右图是华东理工大学化工机械研究所制作的一台用于甲醇水蒸汽重整制氢制作的一台用于甲醇水蒸汽重整制氢微反应器。尺寸为微反应器。尺寸为40408mm40408mm。板片共有三种板片共有三种,其中盖板两片其中盖板两片,隔离板隔离板6 6片片,槽道板槽道板5 5片片,均为铁均为铁-铬铬-铝不锈钢铝不锈钢片片,每片厚度每片厚度6.5 mm6.5 mm。三种板上的定位。三种板上的定位圆孔以及隔离板上的改善液体分布的圆孔以及隔离板上的改善液体分布的三角形孔都是用放电加工方法加工的三角形孔都是用放电加工方法加工的,而槽道板上的微槽道则采用了湿法刻而槽道板上的微槽道则采用了湿法刻蚀。蚀。板片采用扩散焊实现连接密
18、封。板片采用扩散焊实现连接密封。98.3 8.3 微反应器微反应器8.3.2 8.3.2 微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺微反应器的结构及制造工艺三、微反应器的封装技术三、微反应器的封装技术三、微反应器的封装技术三、微反应器的封装技术右图是路易斯安那理工大学设计右图是路易斯安那理工大学设计的把环己胺脱氢为苯的微反应器的把环己胺脱氢为苯的微反应器设计图，尺寸为设计图，尺寸为20143 mm20143 mm。由三部分组成由三部分组成,上部是用聚二甲基上部是用聚二甲基硅氧烷制作的端盖硅氧烷制作的端盖,中间是用钯中间是用钯(Pd)(Pd)制成的折叠式隔膜制成的折
19、叠式隔膜,下部则是下部则是用硅制成的反应室用硅制成的反应室,三者之间用聚三者之间用聚酰亚氨粘接酰亚氨粘接,该反应器能在该反应器能在250250以下稳定工作。以下稳定工作。10 一、特点（优点）一、特点（优点）一、特点（优点）一、特点（优点）(1)(1)比表面积大比表面积大,传递速率高传递速率高,接触时间短接触时间短,副产物少副产物少 微反应通道特征尺度小微反应通道特征尺度小,单位体面积上传热、传质能力、反应速率单位体面积上传热、传质能力、反应速率显著增强。微通道设备的比表面积可以达到显著增强。微通道设备的比表面积可以达到100001000050000 m50000 m2 2/m/m3 3，传，
20、传热系数高达热系数高达2000200020000W/(m20000W/(m2 2KK）。）。(2)(2)快速、直接放大，快速、直接放大，传统放大过程存在着放大效应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通过增大生产设备体积和规模达到放大目的大目的,过程耗时费力。而微反应系统呈多通道结构过程耗时费力。而微反应系统呈多通道结构,每一通道相当每一通道相当于一独立反应器于一独立反应器,在扩大生产时不再需要对反应器进行尺度放大在扩大生产时不再需要对反应器进行尺度放大,只只需并行增加微反应器的数量需并行增加微反应器的数量,即所谓的即所谓的“数增放大数增放大”。(3)(3)安全性高安全性
21、高 大量热量也可以及时移走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的可能性。最大程度上减少了发生事故的可能性。(4)(4)操作性好操作性好 微反应系统呈模块结构微反应系统呈模块结构,便携性好便携性好,可实现在产品使用地分散建设并可实现在产品使用地分散建设并就地生产、供货就地生产、供货,并可根据市场情况增减通道数和更换模块来调节并可根据市场情况增减通道数和更换模块来调节生产生产,具有很高的操作弹性。具有很高的操作弹性。8.3.3 8.3.3 微反应器的特点及应用微反应器的特点及应用微反应器的特点及应用微反应器的特点及应
22、用8.3 8.3 微反应器微反应器11 一、特点（缺点）一、特点（缺点）一、特点（缺点）一、特点（缺点）（1）工业化实现复杂：）工业化实现复杂：微设备数增放大，虽然降低了放大微设备数增放大，虽然降低了放大成本，但要实现却是一个巨大的挑战。当微反应器的数成本，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，微反应器的监测和控制的复杂程度也大量大大增加时，微反应器的监测和控制的复杂程度也大大增加，对于实际生产来说成本相对高。大增加，对于实际生产来说成本相对高。（2）微通道易堵塞，难清理：）微通道易堵塞，难清理：微反应器内部通道尺寸小、微反应器内部通道尺寸小、结构复杂，极易造成反应器通道堵塞
23、，很难清理。这已结构复杂，极易造成反应器通道堵塞，很难清理。这已成为微反应器制备中的一大困扰。成为微反应器制备中的一大困扰。8.3.3 8.3.3 微反应器的特点及应用微反应器的特点及应用微反应器的特点及应用微反应器的特点及应用8.3 8.3 微反应器微反应器12 二、适用领域二、适用领域二、适用领域二、适用领域（1）放热剧烈的反应）放热剧烈的反应 对放热剧烈的反应，如环己烯加氢反应，常规反应器一般采用逐渐滴加的对放热剧烈的反应，如环己烯加氢反应，常规反应器一般采用逐渐滴加的方式，即使这样，在滴加的瞬时局部也会过热而产生一定量的副产物。方式，即使这样，在滴加的瞬时局部也会过热而产生一定量的副产
24、物。微反应器由于能够及时导出热量，反应温度可实现精确控制，因此消除微反应器由于能够及时导出热量，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。了局部过热，显著提高反应的收率和选择性。（2）反应物或产物不稳定的反应）反应物或产物不稳定的反应 某些反应物或生成的产物很不稳定，在反应器中停留时间一长就会分解而某些反应物或生成的产物很不稳定，在反应器中停留时间一长就会分解而降低收率。微反应器系统是连续流动体系，而且反应物的停留时间可以降低收率。微反应器系统是连续流动体系，而且反应物的停留时间可以精确控制，因此可避免常规反应器中出现的由于反应物或产物不稳定而精确控制，因此可避免
25、常规反应器中出现的由于反应物或产物不稳定而分解的情况。分解的情况。（3）反应物配比要求很严的快速反应）反应物配比要求很严的快速反应 某些反应对反应物配比要求很严格，否则就会引起副反应。微反应器系统某些反应对反应物配比要求很严格，否则就会引起副反应。微反应器系统可以瞬时达到均匀混合，这就避免了局部过量的问题，使副产物减少到可以瞬时达到均匀混合，这就避免了局部过量的问题，使副产物减少到最低。最低。8.3.3 8.3.3 微反应器的特点及应用微反应器的特点及应用微反应器的特点及应用微反应器的特点及应用8.3 8.3 微反应器微反应器13 二、适用领域二、适用领域二、适用领域二、适用领域（4）危险化学
26、反应以及高温高压反应）危险化学反应以及高温高压反应 某些易失控的化学反应，一旦失控，就会造应温度急剧升高，压力急剧某些易失控的化学反应，一旦失控，就会造应温度急剧升高，压力急剧增加，引起冲料，甚至引发爆炸。微反应器由于反应热可以很快导出，增加，引起冲料，甚至引发爆炸。微反应器由于反应热可以很快导出，因此从安全性的角度考虑，微反应器非常适合此类反应。因此从安全性的角度考虑，微反应器非常适合此类反应。8.3.3 8.3.3 微反应器的特点及应用微反应器的特点及应用微反应器的特点及应用微反应器的特点及应用8.3 8.3 微反应器微反应器不适合采用微反应器的情况：不适合采用微反应器的情况：很慢的液很慢
27、的液-固反应；固反应；反应无放热或吸热现象；反应无放热或吸热现象；采用传统工艺和反应器收率已经很高的反应。采用传统工艺和反应器收率已经很高的反应。14 三、应用情况三、应用情况三、应用情况三、应用情况目前开展微反应器研究工作的主要研究单位有：目前开展微反应器研究工作的主要研究单位有：目前开展微反应器研究工作的主要研究单位有：目前开展微反应器研究工作的主要研究单位有：美国杜邦（美国杜邦（美国杜邦（美国杜邦（DupontDupontDupontDupont）公司）公司）公司）公司美国麻省理工学院（美国麻省理工学院（美国麻省理工学院（美国麻省理工学院（MITMITMITMIT）德国美茵兹微技术研究所
28、德国美茵兹微技术研究所德国美茵兹微技术研究所德国美茵兹微技术研究所(IMM,Institute of Microtechnique Mainz(IMM,Institute of Microtechnique Mainz(IMM,Institute of Microtechnique Mainz(IMM,Institute of Microtechnique Mainz）德国巴斯夫（德国巴斯夫（德国巴斯夫（德国巴斯夫（BASFBASFBASFBASF）公司）公司）公司）公司德国默克（德国默克（德国默克（德国默克（MerckMerckMerckMerck）公司）公司）公司）公司德国拜耳（德国拜耳（
29、德国拜耳（德国拜耳（Bayer Bayer Bayer Bayer ）公司）公司）公司）公司德国西门子德国西门子德国西门子德国西门子(Siemens)(Siemens)(Siemens)(Siemens)公司公司公司公司法国康宁法国康宁法国康宁法国康宁(Corning)(Corning)(Corning)(Corning)公司公司公司公司英国赛瑞思（英国赛瑞思（英国赛瑞思（英国赛瑞思（SyrrisSyrrisSyrrisSyrris）公司）公司）公司）公司英国壳牌（英国壳牌（英国壳牌（英国壳牌（ShellShellShellShell）公司）公司）公司）公司 等等等等中国科学院大连化学物理研究
30、所中国科学院大连化学物理研究所中国科学院大连化学物理研究所中国科学院大连化学物理研究所清华大学清华大学清华大学清华大学华东理工大学华东理工大学华东理工大学华东理工大学 8.3.3 8.3.3 微反应器的特点及应用微反应器的特点及应用微反应器的特点及应用微反应器的特点及应用8.3 8.3 微反应器微反应器15 三、应用情况三、应用情况三、应用情况三、应用情况8.3.3 8.3.3 微反应器的特点及应用微反应器的特点及应用微反应器的特点及应用微反应器的特点及应用8.3 8.3 微反应器微反应器微反微反应应技技术术的的应应用用应应用用场场合合公司公司工工业应业应用用精精细细化学化学品合成品合成美国美
31、国CPC公司公司药药物合成物合成(Ciprofloxazin)荷荷兰兰DSM公司公司里特里特(Ritter)反反应应西安惠安公司西安惠安公司硝化甘油硝化甘油纳纳米米颗颗粒粒制制备备瑞士克莱恩瑞士克莱恩(Clariant)公司公司颜颜料料拜耳先灵拜耳先灵(Scheering)医医药药公司公司复配复配(Formulations)德国拜耳德国拜耳(Bayer)技技术术服服务务公司公司催化催化剂剂日用化学日用化学品和聚合品和聚合物物德国德固德国德固赛赛(Degussa)集集团团环环氧丙氧丙烷烷德国西德国西门门子（子（Siemens）公司）公司聚丙聚丙烯烯酸酸酯酯美国美国UOP公司公司过过氧化氧化氢氢1
32、6克莱恩公司生产纳米颜料的微反应装置生产能力为克莱恩公司生产纳米颜料的微反应装置生产能力为1万万t/a。德固赛集团开发了基于微反应器技术的用于环氧丙烷生产的德固赛集团开发了基于微反应器技术的用于环氧丙烷生产的大型微反应器。这个反应器的外观和体积与传统反应器相大型微反应器。这个反应器的外观和体积与传统反应器相近，但其内部反应通道却与我们所说的微反应器相同。近，但其内部反应通道却与我们所说的微反应器相同。西门子公司制备聚丙烯酸酯微反应器生产能力达西门子公司制备聚丙烯酸酯微反应器生产能力达2000t/a。UOP公司建立的用微反应器技术生产过氧化氢是中试装置，公司建立的用微反应器技术生产过氧化氢是中试装置，并计划建造一个并计划建造一个15万万t/a的生产装置。的生产装置。三、应用情况三、应用情况三、应用情况三、应用情况8.3.3 8.3.3 微反应器的特点及应用微反应器的特点及应用微反应器的特点及应用微反应器的特点及应用8.3 8.3 微反应器微反应器17谢谢谢谢！18