一、微反應(yīng)技術(shù)概述

微反應(yīng)器（Microreactor）又稱(chēng)為微通道反應(yīng)器（Micro-channel reactor），是微型反應(yīng)器、微型混合器、微型換熱器、微型控制器等微通道化工設(shè)備的通稱(chēng)。

微反應(yīng)器從本質(zhì)上講是一種連續(xù)流動(dòng)型的管道式反應(yīng)器，通過(guò)蝕刻、光刻等方法在玻璃片、硅片、聚甲基丙烯酸甲酯和聚二甲基硅氧烷等材料上加工而得，其內(nèi)部通道尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的常規(guī)反應(yīng)器^[1]。而目前，對(duì)于微反應(yīng)器在尺寸上的定義尚無(wú)嚴(yán)格、統(tǒng)一的規(guī)定。據(jù)陳光文等介紹，第一屆“微通道和微小型通道國(guó)際會(huì)議”（2004）上限定微通道的特征尺度為10μm~3000μm。近年來(lái)，更多的微反應(yīng)器研究是在內(nèi)徑為10μm~1000μm的微通道中進(jìn)行。

二、微反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)

2.1微反應(yīng)器自身的優(yōu)勢(shì)

2.1.1體積小，比表面積大

微通道的比表面積一般為10000~50000m²/m³，常規(guī)反應(yīng)容器的比表面積約為100m²/m³，最多可以達(dá)到1000m²/m^{3 [3]}。

對(duì)于一段直徑為0.2mm，長(zhǎng)度50mm的單通道，其比表面積為2×10⁴ m²/m³，體積僅為1.57×10^-9 m³；而一臺(tái)直徑2m，高5m的傳統(tǒng)反應(yīng)器比表面積為2 m²/m³，體積為1.57m³，分別是微反應(yīng)器的1/10⁴和10¹⁰倍^[4]。

2.1.2良好的可操作性

微反應(yīng)器可以在高效微換熱器以及精準(zhǔn)進(jìn)料泵的輔助下，實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制和流量控制。它的制作材料可以是各種高強(qiáng)度耐腐蝕材料，同時(shí)又是密閉的微通道式反應(yīng)器，因此可以輕松應(yīng)對(duì)苛刻的工藝要求，實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)。

2.1.3結(jié)構(gòu)保證安全

由于微反應(yīng)器換熱率極高，即使反應(yīng)突然釋放大量熱量，也可以被迅速導(dǎo)出，在最大程度上減少了發(fā)生安全事故和質(zhì)量事故的可能性。而且，與間歇式反應(yīng)不同，微反應(yīng)器采用連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)，因此，在反應(yīng)器中停留的化學(xué)品數(shù)量總是很少的，即使操作各種危險(xiǎn)化學(xué)品和工藝條件失控，危害程度也非常有限。

2.2工藝研發(fā)方面的優(yōu)勢(shì)

2.2.1反應(yīng)工藝條件精確控制

微反應(yīng)器具有極高的混合效率、極強(qiáng)的換熱能力和極窄的停留時(shí)間分布，因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)物料的瞬間混合和對(duì)反應(yīng)工業(yè)參數(shù)的精確控制。

2.2.1.1對(duì)反應(yīng)溫度的精確控制

總傳熱系數(shù)與通道尺寸成反比，微反應(yīng)器內(nèi)液相傳熱系數(shù)可以達(dá)到10000W/（m².K），比常規(guī)換熱設(shè)備大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上^[5]。因此微反應(yīng)器易于維持反應(yīng)溫度穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制。而在常規(guī)反應(yīng)器中的強(qiáng)放熱反應(yīng)，由于換熱效率不夠高，常常會(huì)出現(xiàn)局部過(guò)熱現(xiàn)象。

另外，Schwalbe^[6]等在一個(gè)理想反應(yīng)體系中對(duì)比研究了微反應(yīng)器和間歇反應(yīng)器中的熱量分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)微反應(yīng)器中具有狹窄的溫度分布。這使得在微反應(yīng)器中為反應(yīng)提供只生成目標(biāo)產(chǎn)物的反應(yīng)熱量、從而獲得相對(duì)單一的生成物成為可能。而不像間歇反應(yīng)器中，因?yàn)楦鼘挼臏囟确植级鴷?huì)引發(fā)較多的副反應(yīng)。

2.2.1.2對(duì)反應(yīng)時(shí)間的精確控制

微反應(yīng)器中反應(yīng)物的停留時(shí)間由微通道的長(zhǎng)度和液流速度決定。微通道的長(zhǎng)度越短，液流速度越快，停留時(shí)間也就越短。微反應(yīng)器可以通過(guò)改變微通道的長(zhǎng)度和流速實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的停留時(shí)間控制。一旦達(dá)到最佳反應(yīng)時(shí)間就立即將物料傳遞到下一步反應(yīng)或終止反應(yīng)，可以有效避免因反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)而導(dǎo)致的副產(chǎn)物。特別適用于涉及到不穩(wěn)定活性中間體的反應(yīng)^[7~9]。值得注意的是，在多相體系中，通過(guò)改變流速來(lái)改變停留時(shí)間會(huì)導(dǎo)致流體的流型發(fā)生改變，這就需要通過(guò)改變微反應(yīng)器的長(zhǎng)度來(lái)改變停留時(shí)間并且保持恒定的流速^[3]。

2.2.1.3對(duì)反應(yīng)物料的精確控制

微反應(yīng)器可在毫秒以內(nèi)達(dá)到完全的混合，而傳統(tǒng)反應(yīng)器混合的時(shí)間至少是以秒為單位甚至更長(zhǎng)^[2]。在那些對(duì)反應(yīng)物料配比要求很?chē)?yán)格的快速反應(yīng)中，如果攪拌不夠好，就會(huì)出現(xiàn)局部配比過(guò)量，導(dǎo)致產(chǎn)生副產(chǎn)物，這一現(xiàn)象在常規(guī)反應(yīng)器中幾乎無(wú)法避免，而微反應(yīng)器的反應(yīng)通道一般只有數(shù)十微米，物料可以按配比精確快速均勻混合，從而避免了副產(chǎn)物的形成。

2.2.2副反應(yīng)少，轉(zhuǎn)化率和選擇性提升

在微反應(yīng)器中進(jìn)行合成反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)物配比、溫度、壓力、反應(yīng)時(shí)間和流速等反應(yīng)條件較為容易控制, 反應(yīng)物在流動(dòng)過(guò)程中發(fā)生反應(yīng)，其濃度不斷降低，生成物濃度不斷提高，副反應(yīng)較少。

此外，微反應(yīng)器所具有的良好的傳質(zhì)和傳熱性能，較之間歇式反應(yīng)器，在其中進(jìn)行反應(yīng)可以更為迅速，從而也容易提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性。

 2.2.3工藝條件快速篩選優(yōu)化

由于采用自動(dòng)化控制，而且可以在線監(jiān)測(cè)，微反應(yīng)器系統(tǒng)可以在很短時(shí)間內(nèi)考察諸如溫度、壓力、pH值、物料配比等工藝參數(shù)，每天可處理幾十到上百個(gè)實(shí)驗(yàn)。

2.2.4綠色環(huán)保

微反應(yīng)技術(shù)提高了產(chǎn)品的收率，減少了副產(chǎn)物的產(chǎn)生，降低了能耗，并且微反應(yīng)器因其微小的反應(yīng)體積特性，而對(duì)試劑消耗量減少。從環(huán)境角度看，微反應(yīng)器可以有效減少化學(xué)研究和工業(yè)審查還能做紅的有害物質(zhì)排放，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。

2.3生產(chǎn)放大方面的優(yōu)勢(shì)

2.3.1小試工藝可以直接放大

與傳統(tǒng)管式反應(yīng)器并行放大的主要區(qū)別在于微反應(yīng)器具有優(yōu)良的單通道流動(dòng)、傳熱及傳質(zhì)等“三傳”狀態(tài)重現(xiàn)性和多通道間抗干擾性^[10]。利用微通道反應(yīng)器技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，工藝放大不是通過(guò)增大微通道的特征尺寸，而是通過(guò)增加微通道的數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以不需要對(duì)小試得到的最佳反應(yīng)條件作任何改變就可以直接進(jìn)行生產(chǎn)，不存在小試反應(yīng)器放大的難題，可以有效避免從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模到工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生因?yàn)榉磻?yīng)器放大而引發(fā)的傳質(zhì)和傳熱問(wèn)題^[11-12]。

而傳統(tǒng)反應(yīng)器放大過(guò)程中，解決這些問(wèn)題需要消耗大量的人力、物力和時(shí)間。因此，采用微反應(yīng)器可大幅度縮短產(chǎn)品到實(shí)驗(yàn)室到市場(chǎng)的時(shí)間，對(duì)于化工行業(yè)來(lái)說(shuō)，意義極其重大。當(dāng)然，在數(shù)目放大過(guò)程中也需要解決一些關(guān)鍵的問(wèn)題，例如，如何保證每個(gè)微結(jié)構(gòu)單元內(nèi)混合和流動(dòng)情況的良好一致性。

2.3.2高度集成化，便于自動(dòng)化控制

微反應(yīng)器可以方便實(shí)現(xiàn)過(guò)程的連續(xù)化和自動(dòng)化控制，從而提升工藝穩(wěn)定性并確保生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)品質(zhì)量。利用成熟的微加工技術(shù)可將微混合、微反應(yīng)、微換熱、微分離、微分析等多個(gè)單元操作和一些與之匹配的微傳感器、微閥等器件集成到一塊反應(yīng)芯片上，實(shí)現(xiàn)單一反應(yīng)芯片的多功能化操作，從而達(dá)到微反應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制，提高反應(yīng)速度并可以節(jié)省成本^[13]。

2.3.3生產(chǎn)靈活性增加

采用微反應(yīng)器進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，生產(chǎn)規(guī)模可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活調(diào)解，理論上，可以通過(guò)改變各個(gè)微通道反應(yīng)器的連接管線從而直接將其應(yīng)用于其他反應(yīng)進(jìn)程，具有極高的操作彈性。其便攜、集成的特點(diǎn)還能夠?qū)崿F(xiàn)分散生產(chǎn)和按需轉(zhuǎn)移，保證資源利用的最大化和運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)的最小化。

3 微反應(yīng)技術(shù)特別適合的反應(yīng)工藝

3.1強(qiáng)放熱反應(yīng)

對(duì)強(qiáng)放熱反應(yīng)，常規(guī)反應(yīng)器一般采用逐漸滴加的方式，即使是這樣，在滴加的瞬間，局部也會(huì)過(guò)熱，生成一定量的副產(chǎn)物。而微反應(yīng)器由于能夠及時(shí)導(dǎo)出熱量，對(duì)反應(yīng)溫度實(shí)現(xiàn)精確控制，可消除局部過(guò)熱，顯著提高反應(yīng)的收率和選擇性。

（1）硝化反應(yīng)

芳烴硝化是合成許多含能材料如TNT中間體的重要反應(yīng)。在該反應(yīng)過(guò)程中，如果反應(yīng)物混合不均勻會(huì)導(dǎo)致一系列副產(chǎn)物，如芳香酸、芳香醛，甚至一些易爆副產(chǎn)物。在微反應(yīng)器中進(jìn)行芳烴的硝化反應(yīng)，可有效控制產(chǎn)率和選擇性。Ducry和Roberge^[15]通過(guò)檢測(cè)反應(yīng)放出的熱量比較了微反應(yīng)器和常規(guī)反應(yīng)器中芳烴自催硝化反應(yīng)（見(jiàn)圖1），研究發(fā)現(xiàn)在苯酚硝化常規(guī)反應(yīng)中，即使反應(yīng)液體積較?。?L），放出的熱量仍然會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)溫度上升55℃。相比之下，在微反應(yīng)器中，溫度的增加不到5℃。這樣的溫度控制大大提高了硝化反應(yīng)的選擇性和產(chǎn)率，產(chǎn)率由55%提高至75%，產(chǎn)物純度也有所增加，聚合物副產(chǎn)物也明顯減少。

（2）重氮環(huán)化反應(yīng)

在常規(guī)反應(yīng)裝置進(jìn)行重氮環(huán)化反應(yīng)（見(jiàn)圖2），重氮化合物的加入易導(dǎo)致反應(yīng)溫度迅速上升到45℃，并有N₂生成，反應(yīng)放熱劇烈，一旦溫度控制不好就會(huì)在短時(shí)間釋放大量N₂而引起冒料。Zhang^[14]等直接將小試條件應(yīng)用到微反應(yīng)器用于重氮環(huán)化反應(yīng)，通過(guò)快速傳熱防止了危險(xiǎn)的發(fā)生，同時(shí)減少了副產(chǎn)物的生成，反應(yīng)1.8min，產(chǎn)率達(dá)89%，而且以91g/h的速度合成了產(chǎn)品，收率與小試收率幾乎一致。

此外，微反應(yīng)器還適用于氟化反應(yīng)、氧化反應(yīng)、高溫?zé)嶂嘏欧磻?yīng)等強(qiáng)放熱反應(yīng)。

3.2反應(yīng)物或產(chǎn)物不穩(wěn)定的反應(yīng)

某些反應(yīng)或生成的產(chǎn)物很不穩(wěn)定，在反應(yīng)器中停留時(shí)間稍長(zhǎng)就會(huì)分解而降低收率。如何避免不穩(wěn)定活性中間體的分解是諸多工藝過(guò)程面臨的挑戰(zhàn)，利用微反應(yīng)器縮短操作步驟之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間，消除物料轉(zhuǎn)移的必要，能夠克服這一難題。

例如，過(guò)甲酸或過(guò)乙酸一類(lèi)的化合物在較高的溫度下或雜質(zhì)存在的情況下，極易分解。EBRAHIMI^[16]將其合成過(guò)程轉(zhuǎn)移至微反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)，強(qiáng)化了傳熱過(guò)程，縮短了反應(yīng)時(shí)間，提高了工藝過(guò)程安全性。

又如不穩(wěn)定物質(zhì)重氮甲烷的合成，KIM等^[17]利用PDMS雙通道微反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了CH₂N₂在芯片內(nèi)合成、分離和使用，極大減少了重氮甲烷的擴(kuò)散和分解風(fēng)險(xiǎn)。

3.3危險(xiǎn)化學(xué)反應(yīng)

對(duì)某些易于失控的化學(xué)反應(yīng)，一旦失控，就會(huì)造成反應(yīng)溫度急劇升高，反應(yīng)壓力急劇加大，甚至引起爆炸。而在微反應(yīng)器中，反應(yīng)熱可以很快導(dǎo)出，并且，氣體的燃燒爆炸是自由基傳遞的過(guò)程，當(dāng)微通道的特征尺寸小于可燃?xì)怏w燃爆的臨界直徑時(shí)，自由基在傳播過(guò)程中會(huì)與管壁不斷碰撞而淬滅，火焰無(wú)法傳遞。因此，即使在可燃?xì)怏w的爆炸極限濃度范圍內(nèi)，微反應(yīng)器的使用可以降低甚至消除爆炸危險(xiǎn)，這就使得一些難以實(shí)現(xiàn)的危險(xiǎn)工藝成為了可能。因此從安全性角度出發(fā)，微反應(yīng)器非常適合此類(lèi)反應(yīng)^[18]。

例如，過(guò)氧化氫是一種重要的化工產(chǎn)品，目前的主流工藝蒽醌法過(guò)程復(fù)雜、環(huán)境污染嚴(yán)重、產(chǎn)品純度低，而氫氣氧氣直接合成法簡(jiǎn)單、綠色、經(jīng)濟(jì)，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)工藝。但是氫氧混合氣體極易爆炸，生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)過(guò)高，一直得不到工業(yè)化推廣。使用通道特征尺度小于氫氣燃爆臨界直徑的微反應(yīng)器能夠抑制氫氧混合氣體的燃爆，安全地實(shí)現(xiàn)過(guò)氧化氫的直接合成（表一）。

3.4光化學(xué)反應(yīng)

光化學(xué)反應(yīng)作為合成復(fù)雜分子的一種環(huán)境友好型反應(yīng)，受到研究者們的廣泛關(guān)注。然而，中試放大過(guò)程需要考慮如光源、熱和質(zhì)量傳遞以及安全問(wèn)題等諸多因素。光微反應(yīng)器能夠較好的客服傳統(tǒng)光化學(xué)反應(yīng)的缺點(diǎn)：（1）時(shí)間精確控制，可以最小化甚至避免不要的副反應(yīng)和后續(xù)反應(yīng)；（2）光程極短，可廣泛而均勻地照射反應(yīng)混合物；（3）節(jié)能，可以有效使用光能^[19]。

DeMello研究組^[20]在蝕刻的玻璃片上的螺旋微通道反應(yīng)器中進(jìn)行α-萜烯和單線態(tài)氧的環(huán)加成合成驅(qū)蛔素反應(yīng)（見(jiàn)圖3），由于傳質(zhì)效率高而無(wú)需準(zhǔn)備大量的沖氧溶液。同時(shí)該微反應(yīng)器的光程（50μm）淺而高效，因此可以使用低強(qiáng)光源（20W鎢絲燈）和高濃度感光劑（玫瑰紅Rose Bengal,5mmol/L）。這兩個(gè)特征可加快光敏作用，這不僅提高了反應(yīng)安全性，也使得產(chǎn)物收率比在常規(guī)反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)提高了將近20%。

J?hnisch等人^[21]用微降膜反應(yīng)器研究了甲苯-2,4-二異氰酸酯的光氯化反應(yīng)，相對(duì)傳統(tǒng)批次反應(yīng)，1-氯甲基-2,4-二異氰酸酯的選擇性（自由基和親電機(jī)理分別引起的側(cè)鏈和芳環(huán)的氯化）和時(shí)-空產(chǎn)率得到了明顯提高，分析原因可能是微流系統(tǒng)質(zhì)量傳遞和光滲透效率高，使氯自由基在膜中得到了很好的分布。

Fukuyama等^[22]用全玻璃制成的微反應(yīng)器，研究了各種環(huán)己烯酮衍生物和烯烴的分子間環(huán)加成反應(yīng)。醋酸乙烯酯和環(huán)己-2-烯酮的快速環(huán)加成，證明了此裝置具有顯著的光化學(xué)效率，使用該裝置，反應(yīng)2h后得到產(chǎn)率為88%的目標(biāo)產(chǎn)物，而燒瓶中2h后產(chǎn)率僅為8%，分析原因可能是微反應(yīng)器的短光程（500μm）。

3.5制備納米材料

在傳統(tǒng)尺度的反應(yīng)器中，顆粒的生長(zhǎng)隨著物料的加入逐漸進(jìn)行，這個(gè)過(guò)程往往持續(xù)數(shù)十分鐘甚至數(shù)小時(shí)，由于反應(yīng)在不同時(shí)間段的情況不同，就會(huì)造成前后形成的顆粒晶型和粒徑不一致，而且后形成的顆粒可能生長(zhǎng)在先生成的顆粒上，造成整個(gè)粒徑分布較寬^[23]。由于微反應(yīng)器能實(shí)現(xiàn)物料的瞬間均勻混合，顆粒形成、生長(zhǎng)的時(shí)間是基本一致的，因此得到的顆粒粒徑有窄分布的特點(diǎn)。

Ying等^[24]對(duì)利用T型微反應(yīng)器制備納米硫酸鋇進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在BaCl₂和Na₂SO₄濃度均為0.5mol/L，流速分別為5、10、20mL/min時(shí)，制得的硫酸鋇粒徑分別為30、25、18mm，且粒徑分布窄。

Salazar等^[25]以酸性鐵離子溶液和氫氧化鈉溶液為原料，利用流體注入式微反應(yīng)器系統(tǒng)，制備出粒徑為2~7nm的納米四氧化三鐵。

Sheng等^[26]以醋酸銀和油胺為反應(yīng)物料、1,2-二氯苯為溶劑，采用聚四氟乙烯毛細(xì)管微反應(yīng)器，在170℃制備出粒徑為4.8±0.6nm的銀顆粒。

3.6需要產(chǎn)物均勻分布的聚合反應(yīng)

在常規(guī)反應(yīng)器中，控制聚合物的平均相對(duì)分子質(zhì)量和相對(duì)分子質(zhì)量部分是個(gè)難題。而在微反應(yīng)器中則能快速混合和更好的控制快速反應(yīng)，因而反應(yīng)結(jié)果明顯比常規(guī)反應(yīng)器好。

Takeshi Honda等^[27]選取NCA的聚合為模型反應(yīng)，研究了在微反應(yīng)器中制備聚合產(chǎn)物的特點(diǎn)，證明微反應(yīng)器中生成的聚合物相對(duì)分子質(zhì)量分布較窄。

IWASAKI等^[28]分別用常規(guī)的釜式反應(yīng)器和微反應(yīng)器進(jìn)行了甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸丁酯的自由基聚合反應(yīng)，并對(duì)合成產(chǎn)物的分子量進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果顯示：在相同反應(yīng)時(shí)間和產(chǎn)率前提下，微反應(yīng)器生產(chǎn)的3種聚合物的分子量分布指數(shù)（PDI）均在4以下，比常規(guī)的釜式反應(yīng)器生產(chǎn)的聚合物均有明顯改善。

3.7原有工藝選擇性不高的反應(yīng)

ZUIDHOF等^[29]報(bào)道了環(huán)幾酮肟的貝克曼重排反應(yīng)（見(jiàn)圖4）。在微反應(yīng)器中進(jìn)行硫酸催化環(huán)己酮肟轉(zhuǎn)化為己內(nèi)酰胺的貝克曼重排反應(yīng)時(shí)，需要先將環(huán)己酮肟溶解在環(huán)辛烷中，再運(yùn)送到混合微通道中，混合溫度為65℃，然后再立刻輸送到反應(yīng)微通道中，反應(yīng)溫度為100~127℃，停留時(shí)間為10S，在這種條件下，選擇性可以達(dá)到99%。而該反應(yīng)在其他反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)，相同的反應(yīng)條件下選擇性只能達(dá)到95%。

AMII^[30]等報(bào)道了二羰基化合物的直接氟化反應(yīng)（見(jiàn)圖5）。這個(gè)反應(yīng)在宏觀反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)轉(zhuǎn)化率只有15%，而在微反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)，轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到90%。

3.8對(duì)反應(yīng)配比要求很?chē)?yán)格的快速反應(yīng)

某些反應(yīng)對(duì)物料的配比要求嚴(yán)格，其中某一反應(yīng)物過(guò)量就會(huì)引起副產(chǎn)物（如要求單取代的反應(yīng)，會(huì)有二取代和三取代的產(chǎn)物），由于微反應(yīng)器系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)物料的瞬間均勻混合，可避免局部過(guò)量，使副產(chǎn)物的產(chǎn)生減少到最低。

4 微反應(yīng)技術(shù)不適合的反應(yīng)工藝

4.1有固體物質(zhì)參與的反應(yīng)

當(dāng)有固體物質(zhì)（原料、催化劑、試劑、產(chǎn)品或副產(chǎn)品）參與反應(yīng)時(shí)，通道中會(huì)出現(xiàn)沉積、生長(zhǎng)或者架橋現(xiàn)象，這會(huì)限制微反應(yīng)器內(nèi)的液體流動(dòng)速度，影響液體混合并且會(huì)提高壓降，最后很可能導(dǎo)致反應(yīng)失敗^[31]。

針對(duì)堵塞問(wèn)題，目前已有諸多解決辦法，例如將微通道管壁面設(shè)計(jì)得足夠光滑可以有效緩解固體沿著壁面的沉積，比如純氟表面；還可以利用超聲輻射減輕堵塞，這是因?yàn)槌暡ㄕ饎?dòng)可以抑制沉淀物在管道中的附著沉積；還可以使用分散液相包裹粒子來(lái)減少粒子和管壁的相互作用，以及使用鞘流技術(shù)產(chǎn)生納米粒子來(lái)減輕堵塞等^[32]。但是目前仍然缺少將不溶性物質(zhì)分離出來(lái)的有效方法，這將限制微反應(yīng)器技術(shù)的發(fā)展。

4.2反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的工藝

微反應(yīng)器內(nèi)的體積很小，反應(yīng)物在其中的停留時(shí)間通常很短，如果反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，例如一個(gè)超過(guò)30分鐘的反應(yīng)，采用微反應(yīng)器技術(shù)，設(shè)備體積較大，造成成本過(guò)高而不適合微反應(yīng)工藝。這里的反應(yīng)時(shí)間指的是動(dòng)力學(xué)反應(yīng)時(shí)間。許多反應(yīng)時(shí)間需要幾個(gè)小時(shí)的間歇操作，因微反應(yīng)器具有強(qiáng)化傳質(zhì)的特點(diǎn)，可大大縮短反應(yīng)時(shí)間到幾分鐘。

需要注意的是，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的化學(xué)反應(yīng)，可以分為兩類(lèi)，第一類(lèi)是：不宜用升溫提高反應(yīng)速度的反應(yīng)，這類(lèi)反應(yīng)要么產(chǎn)品有敏感溫度，要么溫度升高后副反應(yīng)發(fā)生的速度超過(guò)主反應(yīng)速度；第二類(lèi)是：可以通過(guò)升溫提高反應(yīng)速度，按照物理化學(xué)原理，溫度每提高10℃，反應(yīng)速度可提高2~3倍，提高幾十度溫度，就可以把以小時(shí)為單位的反應(yīng)縮短到以秒為單位。微反應(yīng)技術(shù)不適合的反應(yīng)工藝主要是第一類(lèi)不宜用升溫提高反應(yīng)速度導(dǎo)致反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的化學(xué)反應(yīng)。

4.3存在反應(yīng)平衡、需要移除某一中間體的反應(yīng)

存在反應(yīng)平衡，在反應(yīng)過(guò)程中需要移除某一中間體才能使反應(yīng)向前推進(jìn)時(shí)，比如需要移除反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的氣體，也給微反應(yīng)器的應(yīng)用帶來(lái)挑戰(zhàn)。

在該類(lèi)反應(yīng)中，如果能找到合適的催化劑，可以與需要移去的物質(zhì)結(jié)合，也是可以采用微反應(yīng)技術(shù)進(jìn)行反應(yīng)的。

4.4傳統(tǒng)工藝的選擇性和收率已經(jīng)很高的反應(yīng)

如果傳統(tǒng)工藝已經(jīng)取得了很好的效果，從微反應(yīng)工藝的開(kāi)發(fā)到最終的項(xiàng)目實(shí)施，需要多方面的專(zhuān)業(yè)支持，至少包括反應(yīng)工藝研究、工藝優(yōu)化和設(shè)計(jì)、反應(yīng)器設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、安全分析、材料選擇、儀器儀表、自動(dòng)控制等，需要有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)來(lái)負(fù)責(zé)實(shí)施和管理整個(gè)項(xiàng)目，設(shè)備和人工成本高，而且目前，國(guó)內(nèi)很少有企業(yè)具備這方面經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)。

5.結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)反應(yīng)器相比，微反應(yīng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)明顯：選擇性高，產(chǎn)品收率高，本質(zhì)安全性高；工藝條件精確控制，快速篩選；小試工藝條件可直接放大，生產(chǎn)靈活等。但是微反應(yīng)技術(shù)也存在諸多挑戰(zhàn)，主要有：（1）固體物料容易使微通道堵塞，導(dǎo)致生產(chǎn)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行；（2）雖然能夠放大，但目前生產(chǎn)能力還比較弱；（3）微反應(yīng)器的數(shù)量大大增加時(shí)，微反應(yīng)器的檢測(cè)和控制的復(fù)雜程度也大大增加，成本也相應(yīng)增加；（4）對(duì)于催化反應(yīng)，由于通道尺寸小，催化劑裝載難。

在反應(yīng)應(yīng)用方面，雖然利用微反應(yīng)器已經(jīng)完成了很多反應(yīng)，但是仍有部分反應(yīng)在微反應(yīng)器領(lǐng)域還沒(méi)有找到合適的發(fā)展路線，因此期待將微反應(yīng)器技術(shù)引入到更廣泛的反應(yīng)系統(tǒng)中。

未來(lái)的化學(xué)化工領(lǐng)域向著高效、安全、環(huán)境友好、密集生產(chǎn)發(fā)展，需要在生產(chǎn)能力不變的情況下，減少設(shè)備體積，提高設(shè)備生產(chǎn)能力，提高能量利用率，減少?gòu)U物排放，而這些都可以通過(guò)微反應(yīng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，微反應(yīng)器技術(shù)有著廣闊的發(fā)展空間和巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

參考文獻(xiàn)：略

（文章來(lái)源: 新材料新能源在線 作者 方圓化工 科學(xué)網(wǎng)科學(xué)網(wǎng)轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系刪除）