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微反應(yīng)技術(shù)概述

“微反應(yīng)器“也被稱為“微通道”反應(yīng)器（Microreactor,Micro-channelreactor），是微反應(yīng)器、微混合器、微換熱器、微控制器等微通道化工設(shè)備的通稱。自20世紀(jì)90年代中期微反應(yīng)技術(shù)興起以來，由于其獨特的特色和優(yōu)勢得以迅速發(fā)展并成為科研院校和企業(yè)界共同的研究熱點；不但取得了很多令人矚目的研究成果，而且在醫(yī)藥、農(nóng)藥、特種材料以及精細(xì)化工產(chǎn)品及中間體的合成中得到了越來越多的應(yīng)用（參見圖1，微反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域歷年來的專利申請情況）。尤其進(jìn)入本世紀(jì)以后，各大跨國公司也開始關(guān)注這一新興技術(shù)，紛紛成立專門的微反應(yīng)技術(shù)部門開展在其相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究；同時開發(fā)微反應(yīng)技術(shù)的公司之間也強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，以期進(jìn)一步拓展微反應(yīng)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。美國化學(xué)會權(quán)威雜志Chem&EngineeringNews于2010年3月1日剛剛報道了瑞士Lonza公司和德國拜耳EhrfeldMikrotechnikBTS（EMB）公司相互合作的進(jìn)展。在可以預(yù)見的未來，這一技術(shù)必將得到廣泛應(yīng)用（參考文獻(xiàn)：ChemicalReviews2007,107,2300-2318.）。

圖1微反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域歷年來的專利申請情況

1．連續(xù)化微通道反應(yīng)器的特征及其優(yōu)勢

“微反應(yīng)器“從本質(zhì)上講是一種連續(xù)流動的管道式反應(yīng)器；反應(yīng)器中的微通道利用精密加工工藝制造而成，特征尺寸通常在10－1000微米之間。由于微反應(yīng)器內(nèi)工藝流體的通道尺寸非常小，相對于常規(guī)管式反應(yīng)器而言其比表面積體積比非常大（可達(dá)10,000－50,000m2/m3，見圖2），因此微反應(yīng)器具有極高的混合效率（毫秒級范圍實現(xiàn)徑向完全混合）、極強(qiáng)的換熱能力（傳熱系數(shù)可達(dá)25,000W/(m2?K))和極窄的停留時間分布（幾乎無返混，基本接近平推流）?！拔⒎磻?yīng)器”的兩大特征---比表面積大以及連續(xù)操作方式，使得我們對反應(yīng)工藝的精確控制成為可能。相對于傳統(tǒng)的間歇反應(yīng)工藝，微反應(yīng)器具有高速混合、高效傳熱、反應(yīng)物停留時間的窄分布、重復(fù)性好、系統(tǒng)響應(yīng)迅速而便于操控、幾乎無放大效應(yīng)以及在線的化學(xué)品量少，從而達(dá)到的高安全性能等優(yōu)勢。

圖2微反應(yīng)器與常規(guī)反應(yīng)器的比表面積/體積比值的對照

作為一項新興的反應(yīng)技術(shù)，“微反應(yīng)器”相比常規(guī)間歇反應(yīng)器無論從反應(yīng)器本身、工藝研發(fā)還是放大生產(chǎn)等方面的優(yōu)勢都非常突出。下文從這幾個方面進(jìn)行詳細(xì)闡述：

1．1反應(yīng)器本身的優(yōu)勢

?良好的可操作性微反應(yīng)器可以在高效微換熱器以及精確進(jìn)料泵的幫助下實現(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，同時又是密閉的微通道式反應(yīng)器，因此可以輕松應(yīng)對苛刻的工藝要求（如無水無氧條件或使用到有毒試劑的情況等），實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)。另外，由于是連續(xù)流動反應(yīng)，雖然微反應(yīng)器體積很小，產(chǎn)量卻完全可以達(dá)到常規(guī)反應(yīng)器的水平。

?結(jié)構(gòu)保證安全由于微反應(yīng)器換熱效率極高，即使反應(yīng)突然釋放大量熱量，也可以被迅速導(dǎo)出，從而保證反應(yīng)溫度的穩(wěn)定，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，與間歇式單釜反應(yīng)不同，微反應(yīng)器采用連續(xù)流動反應(yīng)，因此在反應(yīng)器中停留的化學(xué)品數(shù)量總是很少的，即使操作各種危險化學(xué)品或工藝條件萬一失控，危害程度也非常有限。

1．2工藝研發(fā)方面的優(yōu)勢

?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間分布，因此可以實現(xiàn)反應(yīng)物料的瞬間混合和對反應(yīng)工藝參數(shù)（如溫度、壓力和反應(yīng)時間等）的精確控制成為可能。例如：

1）對反應(yīng)溫度的精確控制：極大的比表面積決定了微反應(yīng)器有極大的換熱效率，即使是反應(yīng)瞬間釋放出大量熱量，微反應(yīng)器也可及時將其導(dǎo)出，維持反應(yīng)溫度穩(wěn)定。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，常常會出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象。而局部過熱往往導(dǎo)致副產(chǎn)物生成，這就導(dǎo)致收率和選擇性下降。而且，在生產(chǎn)中劇烈反應(yīng)產(chǎn)生的大量熱量如果不能及時導(dǎo)出，就會導(dǎo)致沖料事故甚至發(fā)生爆炸。

2）對反應(yīng)時間的精確控制：常規(guī)的單鍋反應(yīng)，往往采用將反應(yīng)物逐漸滴加的方式來防止反應(yīng)過于劇烈。這就使一部分物料的停留時間過長。而在很多反應(yīng)中，反應(yīng)物、產(chǎn)物、或中間過渡態(tài)產(chǎn)物在反應(yīng)條件下停留時間一長就會導(dǎo)致副產(chǎn)物的產(chǎn)生。而微反應(yīng)器技術(shù)采取的是微管道中的連續(xù)流動反應(yīng)，可以精確控制物料在反應(yīng)條件下的停留時間。一旦達(dá)到最佳反應(yīng)時間就立即將物料傳遞到下一步反應(yīng)，或終止反應(yīng)，這樣就有效避免了因反應(yīng)時間長而導(dǎo)致的副產(chǎn)物。

3）物料以精確比例瞬間均勻混和：在那些對反應(yīng)物料配比要求很嚴(yán)格的快速反應(yīng)中，如果攪拌不夠好，就會出現(xiàn)局部配比過量，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和，從而避免了副產(chǎn)物的形成。

?反應(yīng)效率大大提高實現(xiàn)綠色生產(chǎn)工藝由于微反應(yīng)器對工藝參數(shù)的精確控制，同樣的反應(yīng)過程在微反應(yīng)器中往往可以實現(xiàn)更短反應(yīng)時間,更高收率,更高選擇性,和更高純度。由于反應(yīng)選擇性和產(chǎn)率提高，副產(chǎn)物減少，以及可實現(xiàn)無溶劑反應(yīng)，對環(huán)境的影響可以大大降低。

?輕松應(yīng)對復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)極寬的操作范圍：從零下100度到零上500度；從常壓到100個大氣壓；適合各種強(qiáng)酸強(qiáng)堿性條件；輕松保證無水無氧環(huán)境。

?工藝條件快速篩選優(yōu)化由于采用自動化控制，而且可以在線檢測，微反應(yīng)器系統(tǒng)可以在很短時間內(nèi)考察諸如溫度、壓力、pH值、物料配比等等工藝參數(shù)。除了能夠極大地縮短工藝優(yōu)化所需要的時間，還可以節(jié)省大量的試劑。

1．3生產(chǎn)放大方面的優(yōu)勢：

?小試工藝不需中試可以直接放大在精細(xì)化工生產(chǎn)中目前多使用間歇式反應(yīng)器。小試工藝放大時，由于大生產(chǎn)設(shè)備與小試設(shè)備傳熱傳質(zhì)效率的不同，一般需要一段時間的摸索。一般的流程都是：小試―中試―大生產(chǎn)。利用微反應(yīng)器技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)時，工藝放大不是通過增大微通道的特征尺寸，而是通過增加微通道的數(shù)量來實現(xiàn)的。所以小試最佳反應(yīng)條件不需做任何改變就可直接用于生產(chǎn)，不存在常規(guī)反應(yīng)器的放大難題，從而大幅縮短了產(chǎn)品由實驗室到市場的時間。

?研發(fā)周期大幅縮短因為使用微反應(yīng)器可以實現(xiàn)反應(yīng)過程的自動化連續(xù)操作，化工工程師可以在短時間內(nèi)完成對反應(yīng)條件的優(yōu)化，迅速確定最佳反應(yīng)條件；然后，通過等倍放大（即增加微反應(yīng)通道的數(shù)量而不改變微反應(yīng)通道的尺寸）建立微型工廠，可以直接將實驗室工藝放大到年產(chǎn)數(shù)百至數(shù)千公斤的規(guī)模而實現(xiàn)批量生產(chǎn)，從而極大地節(jié)省了產(chǎn)品與工藝研發(fā)所需要的時間和費用。微反應(yīng)技術(shù)消除了過程放大效應(yīng)，小試工藝的最佳反應(yīng)條件可以直接用于工業(yè)生產(chǎn)，大大縮短了工藝研發(fā)周期。

?連續(xù)化工藝方便自動化控制微反應(yīng)器可以方便實現(xiàn)過程的連續(xù)化和自動化控制，從而提升工藝穩(wěn)定性并確證生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品質(zhì)量。

1．微反應(yīng)技術(shù)特別適合的反應(yīng)工藝

考慮到微反應(yīng)器的特色和優(yōu)勢，適合利用微反應(yīng)技術(shù)進(jìn)行工藝開發(fā)或優(yōu)化的反應(yīng)工藝類型列舉如下：

?強(qiáng)放熱反應(yīng)對強(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過熱，生成一定量的副產(chǎn)物。而微反應(yīng)器由于能夠及時導(dǎo)出熱量，對反應(yīng)溫度實現(xiàn)精確控制，可消除局部過熱，顯著提高反應(yīng)的收率和選擇性。

?反應(yīng)物或產(chǎn)物不穩(wěn)定的反應(yīng)某些反應(yīng)物或生成的產(chǎn)物很不穩(wěn)定，在反應(yīng)器中停留時間稍長就會分解而降低收率。在微反應(yīng)器中因為物料是連續(xù)流動的，它在反應(yīng)器中的停留時間很短，而且其停留時間可以精確控制，從而有效減少了反應(yīng)物和產(chǎn)物的分解，提高了收率。

?對反應(yīng)配比要求很嚴(yán)格的快速反應(yīng)某些反應(yīng)對物料的配比要求很嚴(yán)格，其中某一反應(yīng)物過量就會引起副反應(yīng)（如要求單取代的反應(yīng)，會有二取代和三取代產(chǎn)物），由于微反應(yīng)器系統(tǒng)可以實現(xiàn)物料的瞬間均勻混和，可避免局部過量，使副產(chǎn)物的產(chǎn)生減少到最低。

?危險化學(xué)反應(yīng)以及高溫高壓反應(yīng)對某些易于失控的化學(xué)反應(yīng)，一旦失控，就會造成反應(yīng)溫度急劇升高，反應(yīng)壓力急劇加大，引起沖料，甚至引發(fā)爆炸。而在微反應(yīng)器中：第一，反應(yīng)熱可以很快導(dǎo)出，因此反應(yīng)溫度可以有效控制在安全范圍內(nèi)，使失控的風(fēng)險降低到最低；第二，由于是連續(xù)流動反應(yīng)，即使發(fā)生不測，由于在線的化學(xué)品量極少，其造成的危害也是微不足道的。因此從安全性的角度出發(fā)，微反應(yīng)器非常適合此類反應(yīng)。

?納米材料，以及需要產(chǎn)物均勻分布的顆粒形成反應(yīng)或聚合反應(yīng)，以及需要產(chǎn)物均勻分布的顆粒形成反應(yīng)或聚合反應(yīng)由于微反應(yīng)器能實現(xiàn)物料的瞬間均勻混和，在形成沉淀的反應(yīng)中，顆粒形成、生長的時間是基本一致的，因此得到的顆粒粒徑有窄分布的特點。對于某些聚合反應(yīng)，則可得到聚合度窄分布的產(chǎn)品。

2．結(jié)語和展望

相對于傳統(tǒng)的間歇反應(yīng)工藝，微反應(yīng)器具有高速混合、高效傳熱、反應(yīng)物停留時間的窄分布、重復(fù)性好、系統(tǒng)響應(yīng)迅速而便于操控、幾乎無放大效應(yīng)以及在線的化學(xué)品量少，從而達(dá)到的高安全性能等優(yōu)勢。據(jù)統(tǒng)計，在精細(xì)化工反應(yīng)中有超過30%的反應(yīng)可以通過微反應(yīng)技術(shù)在收率、選擇性或安全性等方面得到提升。綜上所述，微反應(yīng)技術(shù)為工藝過程的研發(fā)以及提高工藝過程的經(jīng)濟(jì)性開拓了新的思路。一方面，許多化工、制藥以及生命科學(xué)領(lǐng)域的工程師、科學(xué)家將微反應(yīng)技術(shù)視為尋求新的反應(yīng)途徑、合成新的化合物的的獨特工具。另一方面，通過微型化改造現(xiàn)有工藝、建立新的、更具經(jīng)濟(jì)性的微反應(yīng)工廠也頗具吸引力。目前在世界范圍內(nèi)微反應(yīng)技術(shù)已經(jīng)被成功地應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、材料、食品及其他精細(xì)化工等多個行業(yè)的研發(fā)和實際生產(chǎn)過程中。