近年來，微化工技術(shù)已成為化學(xué)工程學(xué)科中一個新的發(fā)展方向和研究熱點。微化工設(shè)備的主要組成部分是特征尺度為納米到微米級的微通道，因此，微通道內(nèi)的流體流動和傳遞行為就成為微化工系統(tǒng)設(shè)計和實際應(yīng)用的基礎(chǔ)，對其進行系統(tǒng)深入的研究具有重要意義。

20世紀90年代初，可持續(xù)與高新技術(shù)發(fā)展的需要促進了微化工技術(shù)的研究，其主要研究對象為特征尺度在微米級的微通道，由于尺度的微細化使得微通道中化工流體的傳熱、傳質(zhì)性能與常規(guī)系統(tǒng)相比有較大程度的提高，即系統(tǒng)微型化可實現(xiàn)化工過程強化這一目標。自微通道反應(yīng)器面世以來，微通道反應(yīng)技術(shù)的概念就迅速引起相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业臐夂衽d趣和關(guān)注，歐美、日本、韓國和中國等都非常重視這一技術(shù)的研究與開發(fā)。由于特征尺度的微型化，微化工技術(shù)的發(fā)展不僅 在技術(shù)領(lǐng)域中構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)，也為科學(xué)領(lǐng)域帶來許多全新的問題，在微尺度的化工系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的“三傳一反”理論需要修正、補充和創(chuàng)新，系統(tǒng)的表面和界面性質(zhì)將會起重要作用，從宏觀向微觀世界過渡時存在的許多科學(xué)問題有待于發(fā)現(xiàn)、探索和開拓。

特征尺度為微米和納米級的微通道是微化工設(shè)備系統(tǒng)的主要組成部分，微通道內(nèi)的單相、氣液和液液兩相流是微流體學(xué)的主要研究內(nèi)容。

微反應(yīng)器的應(yīng)用領(lǐng)域范圍主要集中在以下方面：生產(chǎn)過程、能源與環(huán)境、化學(xué)研究工具、藥物開發(fā)和生物技術(shù)、分析應(yīng)用等。

1.什么是微反應(yīng)器

微反應(yīng)器是一個比較廣泛的概念，且有很多種形式，既包括傳統(tǒng)的微量反應(yīng)器(積分反應(yīng)器)，也包括反相膠束微反應(yīng)器、聚合物微反應(yīng)器、固體模板微反應(yīng)器、微條紋反應(yīng)器和微聚合反應(yīng)器等。這些微反應(yīng)器都有一個根本特點，那就是把化學(xué)反應(yīng)控制在盡量微小的空間內(nèi)，化學(xué)反應(yīng)空間的尺寸數(shù)量級一般為微米甚至納米。而本文所指的微反應(yīng)器具有上述反應(yīng)器的共同特點，但又有所區(qū)別，主要是指用微加工技術(shù)制造的用于進行化學(xué)反應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)元件或包括換熱、混合、分離、分析和控制等各種功能的高度集成的微反應(yīng)系統(tǒng)(見圖1-2)，通常含有當(dāng)量直徑數(shù)量級介于微米和毫米之間的流體流動通道,化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在這些通道中，因此微反應(yīng)器又稱作微通道反應(yīng)器(microchannel)。嚴格來講微反應(yīng)器不同于微混合器、微換熱器和微分離器等其他微通道設(shè)備，但由于它們的結(jié)構(gòu)類似，在微混合器、微換熱器和微分離器等微通道設(shè)備中可以進行非催化反應(yīng)，且當(dāng)把催化劑固定在微通道壁時，微混合器、微換熱器和微分離器等微通道設(shè)備就成為微反應(yīng)器，因而國外有的學(xué)者將這一類型的微通道設(shè)備統(tǒng)稱為微反應(yīng)器。微反應(yīng)器還應(yīng)與微全分析設(shè)備相區(qū)別，雖然它們的結(jié)構(gòu)可以相同，但它們的功能和目的完全不同。

2.反應(yīng)器起源與演變

“微反應(yīng)器(microreactor)”最初是指一種用于催化劑評價和動力學(xué)研究的小型管式反應(yīng)器,其尺寸約為10 mm。隨著技術(shù)發(fā)展用于電路集成的微制造技術(shù)逐漸推廣應(yīng)用于各種化學(xué)領(lǐng)域，前綴“micro”含義發(fā)生變化, 專門修飾用微加工技術(shù)制造的化學(xué)系統(tǒng)。此時的“微反應(yīng)器”是指用微加工技術(shù)制造的一種新型的微型化的化學(xué)反應(yīng)器，但由小型化到微型化并不僅僅是尺寸上的變化，更重要的是它具有一系列新特性，隨著微加工技術(shù)在化學(xué)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用而發(fā)展并為人所重視。

微加工技術(shù)起源于航天技術(shù)的發(fā)展，曾推動了微電子技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展。這給科學(xué)技術(shù)各個分支的研究帶來新的視點，尤其是在化學(xué)、分子生物學(xué)和分子醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。較早引入微加工技術(shù)的是生物和化學(xué)分析領(lǐng)域。自從1993 年Richar Mathies 首先在微加工技術(shù)制造的生物芯片上分離測定了DNA 片段后，生物芯片技術(shù)與計算機的結(jié)合，促成了基因排序這一偉大的科學(xué)成就；而化學(xué)分析方面，差不多同時發(fā)展了在組合化學(xué)、催化劑篩選和手提分析設(shè)備等方面有著誘人應(yīng)用前景的微全分析系統(tǒng)(μTAS) 。而把微加工技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)的研究始于1996年前后, Lerous和Ehrfeld 等各自撰文系統(tǒng)闡述了微反應(yīng)器在化學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用原理及其獨特優(yōu)勢?，F(xiàn)在微反應(yīng)技術(shù)吸引了眾多學(xué)者在各個領(lǐng)域展開深入的研究，形式多樣的新型微反應(yīng)器層出不窮，成為化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展的一個新突破點。

3.反應(yīng)器的分類及結(jié)構(gòu)

①按微反應(yīng)器的操作模式可分為：連續(xù)微反應(yīng)器、半連續(xù)微反應(yīng)器和間歇微反應(yīng)器。

②按微反應(yīng)器的用途可分為：生產(chǎn)用微反應(yīng)器和實驗用微反應(yīng)器兩大類，其中實驗用微反應(yīng)器的用途主要有藥物篩選、催化劑性能測試及工藝開發(fā)和優(yōu)化等。

③若從化學(xué)反應(yīng)工程的角度看，微反應(yīng)器的類型與反應(yīng)過程密不可分，不同相態(tài)的反應(yīng)過程對微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的要求不同，因此對應(yīng)于不同相態(tài)的反應(yīng)過程，微反應(yīng)器又可分為氣固相催化微反應(yīng)器、液液相微反應(yīng)器、氣液相微反應(yīng)器和氣液固三相催化微反應(yīng)器等。

3.1氣固相催化微反應(yīng)器

由于微反應(yīng)器的特點適合于氣固相催化反應(yīng)，迄今為止微反應(yīng)器的研究主要集中于氣固相催化反應(yīng)，因而氣固相催化微反應(yīng)器的種類最多。最簡單的氣固相催化微反應(yīng)器莫過于壁面固定有催化劑的微通道。復(fù)雜的氣固相催化微反應(yīng)器一般都耦合了混合、換熱、傳感和分離等某一功能或多項功能。具有代表性的氣相微反應(yīng)器是麻省理工學(xué)院Ravi Srinivason等設(shè)計制作的T 形薄壁微反應(yīng)器。該反應(yīng)器用于氨的氧化反應(yīng)，氨氣和氧氣分別從T 形反應(yīng)器的兩側(cè)通道進入，分別經(jīng)過流量傳感器，在正下方通道進口處混合，正下方通道壁外側(cè)裝有溫度傳感器和加熱器，而T形反應(yīng)器的薄壁本身就是一個換熱器，通過變化薄壁的制作材料改變熱導(dǎo)率和調(diào)整壁厚度，可以控制反應(yīng)熱量的移出，從而適合放熱量不同的各種化學(xué)反應(yīng)。

此外，F(xiàn)ranz 等還設(shè)計制作了一種用于脫氫/ 加氫反應(yīng)的微膜反應(yīng)器，因為耦合了膜分離功能，反應(yīng)物和產(chǎn)物在反應(yīng)的同時進行分離，使平衡轉(zhuǎn)化率不斷提高，同時產(chǎn)物的收率也有所增加。

耦合反應(yīng)、加熱和冷卻3 種功能的微反應(yīng)器

T形薄壁微反應(yīng)器

微膜反應(yīng)器及其制作流程

3.2液液相微反應(yīng)器

液液相反應(yīng)的一個關(guān)鍵影響因素是充分混合，因而液液相微反應(yīng)器或者與微混合器耦合在一起，或者本身就是一個微混合器。專為液液相反應(yīng)而設(shè)計的與微混合器等其他功能單元耦合在一起的微反應(yīng)器案例為數(shù)不多。主要有BASF 設(shè)計的維生素前體合成微反應(yīng)器和麻省理工學(xué)院設(shè)計的用于完成Dushman化學(xué)反應(yīng)的微反應(yīng)器。兩者分別代表了兩種典型的液相混合方式，前者采用靜態(tài)混合方式，即將流體反復(fù)分割合并以縮短擴散路徑，而后者采用流體動力學(xué)集中方法，即多個進料微通道呈扇形分布，集中匯入一個狹窄的微通道，通過液體的擴散作用迅速混合。而英國Hull大學(xué)則設(shè)計了一種T 形液液相微反應(yīng)器，該微反應(yīng)器最大的特點是用電滲析(electro – osmotic flow) 法輸送流體，如圖所示：它由底板和蓋板兩部分組成，兩部分用退火法焊接在一起。底板上蝕刻的微通道呈T 形狀，其中一條微通道裝有金屬催化劑。蓋板上有A、B和C共3個直徑為2mm的圓柱形容器與微孔道連通，用于貯存反應(yīng)物和產(chǎn)物。蓋板上的容器內(nèi)裝有鉑電極，用于加載電流。氣液相微反應(yīng)器的研究較之液液相微反應(yīng)器更少，所報道的微反應(yīng)器按照氣液接觸的方式可分為兩類。

T 形液液相微反應(yīng)器

3.3氣液相微反應(yīng)器

一類是氣液分別從兩根微通道匯流進一根微通道，整個結(jié)構(gòu)呈T 字形。由于在氣液兩相液中，流體的流動狀態(tài)與泡罩塔類似，隨著氣體和液體的流速變化出現(xiàn)了氣泡流、節(jié)涌流、環(huán)狀流和噴射流等典型的流型，這一類氣液相微反應(yīng)器被稱做微泡罩塔 。

另一類是沉降膜式微反應(yīng)器，液相自上而下呈膜狀流動，氣液兩相在膜表面充分接觸。氣液反應(yīng)的速率和轉(zhuǎn)化率等往往取決于氣液兩相的接觸面積。這兩類氣液相反應(yīng)器氣液相接觸面積都非常大，其內(nèi)表面積均接近20 000m2/ m3，比傳統(tǒng)的氣液相反應(yīng)器大一個數(shù)量級。

3.4氣液固三相催化微反應(yīng)器

氣液固三相反應(yīng)在化學(xué)反應(yīng)中也比較常見，種類較多，在大多數(shù)情況下固體為催化劑，氣體和液體為反應(yīng)物或產(chǎn)物，美國麻省理工學(xué)院發(fā)展了一種用于氣液固三相催化反應(yīng)的微填充床反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)類似于固定床反應(yīng)器，在反應(yīng)室(微通道)中填充了催化劑固定顆粒，氣相和液相被分成若干流股，再經(jīng)管匯到反應(yīng)室中混合進行催化反應(yīng)。麻省理工學(xué)院還嘗試對該微反應(yīng)器進行“放大”，將10個微填充床反應(yīng)器并聯(lián)在一起，在維持產(chǎn)量不變的情況下，大大減小了微填充床反應(yīng)器的壓力降。

氣液固三相催化微反應(yīng)器-充填活性炭催化劑的微填充床反應(yīng)器

氣液固三相催化微反應(yīng)器-并聯(lián)微填充床反應(yīng)器系統(tǒng)

3.5電化學(xué)和光化學(xué)微反應(yīng)器

電化學(xué)微反應(yīng)器屬于液相微反應(yīng)器，而光化學(xué)微反應(yīng)器其反應(yīng)物既有液相也有氣相的，由于它們都有其特殊性，故不能簡單的劃為液相微反應(yīng)器或氣相微反應(yīng)器，而應(yīng)單獨列為一類。德國美因茲學(xué)院率先研制了一種用于從對甲氧基苯甲烷合成對甲氧基苯甲醛的電化學(xué)微反應(yīng)器。

而美國麻省理工學(xué)院的研究者則在配備微型紫外燈的耐熱玻璃/ 硅光化學(xué)微反應(yīng)器中用苯甲酮成功地合成了醇。