本文首發(fā)于《無(wú)機(jī)鹽工業(yè)》2019年第9期。第一作者：于海斌（1970— ），男，本科，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)機(jī)化工。

近年來(lái)，微化工技術(shù)作為化學(xué)合成中的一個(gè)新興領(lǐng)域、過(guò)程強(qiáng)化的有效手段，引起了人們的廣泛關(guān)注。微反應(yīng)器在微尺度通道下具有高比表面積/體積比、優(yōu)良的傳質(zhì)傳熱性能，能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)物的快速混合，對(duì)反應(yīng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)精確控制。概述了微通道反應(yīng)器的特點(diǎn)?？偨Y(jié)了近年來(lái)部分類型微反應(yīng)器在制備催化材料方面的研究進(jìn)展，包括撞擊流微反應(yīng)器、膜分散微反應(yīng)器、微孔管式微反應(yīng)器。同時(shí)參照微反應(yīng)器近年來(lái)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)例，提出了結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，設(shè)計(jì)高效、穩(wěn)定、低成本、多功能的連續(xù)流微反應(yīng)器將是開(kāi)發(fā)新型高性能催化材料及其工業(yè)化應(yīng)用的重要保障。

微反應(yīng)技術(shù)和微反應(yīng)器

微反應(yīng)技術(shù)是自然科學(xué)與工程技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)，是化學(xué)、化工和機(jī)械工程的跨學(xué)科研究領(lǐng)域，微通道的特征尺寸為10~1 000 μm。傳統(tǒng)反應(yīng)器的主導(dǎo)力為重力、慣性力，而微反應(yīng)器中界面張力取代其占據(jù)了主導(dǎo)地位。

同傳統(tǒng)的間歇與非間歇反應(yīng)設(shè)備相比，微反應(yīng)器具有強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱、提高收率和選擇性、減小反應(yīng)器體積、過(guò)程安全、數(shù)量放大取代設(shè)備放大等優(yōu)勢(shì)，可連續(xù)制備化學(xué)品，實(shí)現(xiàn)過(guò)程集成優(yōu)化、并行放大，從而獲得更大的化學(xué)產(chǎn)量。微反應(yīng)器目前應(yīng)用的領(lǐng)域包括納米顆粒制備、萃取分離技術(shù)、石油化工行業(yè)、精細(xì)化工及醫(yī)藥中間體等。

催化材料

國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）于1981年提出催化材料的定義：具有產(chǎn)物選擇性且存在少量就能調(diào)控化學(xué)反應(yīng)速率而本身最后并無(wú)損耗的功能材料。

工業(yè)催化材料按功能可以分為兩類：

1）決定催化劑選擇性和催化活性的功能材料；

2）決定催化劑熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性、形狀、尺寸等的功能材料。

工業(yè)催化材料的應(yīng)用領(lǐng)域有石油化工、電化學(xué)、光化學(xué)、精細(xì)化工等。催化材料的傳統(tǒng)制備方式存在反應(yīng)器體積大、設(shè)備及場(chǎng)地投入高、能耗高、安全性差等諸多問(wèn)題。而微反應(yīng)器操作簡(jiǎn)便，易于控制，連續(xù)流微反應(yīng)器更是能將多步反應(yīng)過(guò)程集成為一步反應(yīng)過(guò)程，為制備高性能催化材料開(kāi)辟了一條新的路徑。

微反應(yīng)器 催化材料

目前，微反應(yīng)器在制備催化材料方面的應(yīng)用主要是多種新型功能微球的可控制備及高性能負(fù)載型催化劑的開(kāi)發(fā)。利用微反應(yīng)技術(shù)制備的微粒，其形狀、粒徑大小及粒徑分布具有極高的可控性，借此可以研究微粒的生長(zhǎng)機(jī)理。

由于催化材料存在易氧化失活、易流失、難回收和重復(fù)利用等問(wèn)題，研究人員可以利用微反應(yīng)技術(shù)改變催化劑的物理參數(shù)如增大孔容、比表面積等來(lái)提高其催化性能，同時(shí)也可以利用該技術(shù)對(duì)催化材料進(jìn)行改進(jìn)，如納米金屬等高效穩(wěn)定的負(fù)載，從而提高催化劑的活性，避免流失，最大限度地節(jié)約能源，提高資源的利用率。

微反應(yīng)技術(shù)制備催化材料的研究進(jìn)展撞擊流微反應(yīng)器

撞擊流法是由Elperin于20世紀(jì)60年代提出，其原理是利用相向流體碰撞產(chǎn)生一個(gè)較窄的高度湍流區(qū)，增大撞擊區(qū)的持液量，延長(zhǎng)反應(yīng)物料的平均停留時(shí)間，為強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱提供了極好的條件。顆粒經(jīng)過(guò)碰撞、穿透，反復(fù)往返滲透，其軸向速度逐漸消失，最終排出撞擊區(qū)。

撞擊流微反應(yīng)器有多種分類方式：按連續(xù)流相的流動(dòng)可分為旋流型、平流型；按能量輸入的不同可分為主動(dòng)式微混合器和從動(dòng)式微混合器；按撞擊角度分最常見(jiàn)的有T型和Y型，T型和Y型也是最簡(jiǎn)單、應(yīng)用最廣泛的撞擊流反應(yīng)器，其在納米催化材料合成方面已有較大的研究進(jìn)展。

1）撞擊流微反應(yīng)器制備納米催化材料的研究進(jìn)展。納米催化材料作為一種催化新材料，具有高比表面積、高表面能、多活性中心、副反應(yīng)少的特點(diǎn)。納米粒子的成核和粒子的生長(zhǎng)強(qiáng)烈依賴于反應(yīng)物的局部濃度梯度，所以快速傳質(zhì)混合是高質(zhì)量成核和形成高收率、高均勻度納米粒子的主要條件。在微通道內(nèi)可以通過(guò)強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程控制納米粒子的聚集，自下而上地構(gòu)建各向異性納米和微結(jié)構(gòu)，得到粒徑較小且分布窄的顆粒。

金屬納米粒子因其電子特性以及吸附、力學(xué)和熱性能優(yōu)異，在催化材料方面有很大的應(yīng)用前景。

Ghazal To?ghi等采用3臺(tái)旋流微混合器，通過(guò)快速還原法制備了Au、Pd合金化納米粒子，納米粒子的平均直徑約為1 nm，粒徑分布較窄，在TiO₂上負(fù)載了這些粒子，催化劑的活性可以根據(jù)合金混合比例的不同來(lái)調(diào)節(jié)。

任鄭玲等利用T型微反應(yīng)器，以CuCl₂為銅源，NaOH、抗壞血酸為原料，制備出晶形規(guī)整、粒徑約為50 nm的Cu₂O納米顆粒，通過(guò)對(duì)通道內(nèi)反應(yīng)條件的改變有效調(diào)控了Cu₂O的粒度及其分布，相比于傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器，T型微反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化的生產(chǎn)方式，極大地提高了生產(chǎn)效率。

趙風(fēng)云等利用撞擊流微反應(yīng)器采用沉淀法制備了粒度分布較窄、平均粒徑為55.3 nm的FePO₄，研究發(fā)現(xiàn)反應(yīng)溫度對(duì)磷酸鐵粉體的粒徑影響較大，而且粒徑隨溫度的升高而增大。

魏開(kāi)軒等采用集束式對(duì)流微反應(yīng)器（見(jiàn)圖1），以MnSO₄·H₂O和KMnO₄為原料，去離子水為溶劑，制備了形貌與性能良好、顆粒粒徑在120 nm左右的超細(xì)球形MnO₂顆粒，該實(shí)驗(yàn)表明集束式能夠?qū)问綄?duì)流微通道進(jìn)行放大構(gòu)建、強(qiáng)化混合，便于調(diào)控操作條件和物料配比，利于工業(yè)化放大。

圖1  單束式(a)和集束式(b)對(duì)流微通道反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

Kumar等利用射流式撞擊流微反應(yīng)器（見(jiàn)圖2）通過(guò)溶膠-凝膠法連續(xù)合成納米MgO。射流式微反應(yīng)器是一類通道開(kāi)放式的反應(yīng)器，具有穩(wěn)定的連續(xù)流，能夠以“無(wú)壁環(huán)境”避免凝膠堵塞通道，當(dāng)混合速度高于反應(yīng)速度時(shí)，反應(yīng)物料快速混合、均勻成核，從而得到高比表面積的納米顆粒。同時(shí)，射流型具有較高的重現(xiàn)性和一致性，對(duì)于通過(guò)溶膠-凝膠法合成的其他材料具有很強(qiáng)的通用性，給工業(yè)化應(yīng)用提供了較好的發(fā)展空間。

圖2  射流式微反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)裝置(a)及射流過(guò)程示意圖(b)

二氧化硅具有比表面積大、穩(wěn)定性良好、化學(xué)純度高和易于改性等優(yōu)點(diǎn)，是一種傳統(tǒng)的惰性催化劑載體。

劉玉敏等以環(huán)己烷、正丁醇、表面活性劑（OP-10）、氨水和正硅酸乙酯為原料，采用T型微通道法和一鍋法制備二氧化硅。結(jié)果表明，T型微通道法可精確調(diào)節(jié)進(jìn)樣速度，制備的二氧化硅平均粒徑為66~300 nm，比表面積為16~90 m²/g，相比于一鍋法所得二氧化硅粒徑更小、分布更窄。

2）撞擊流微反應(yīng)器制備多元復(fù)合催化材料的研究進(jìn)展。金屬氧化物的引入可以改變酸堿催化劑或氧化還原催化劑的催化活性中心，提高催化劑的抗高溫性、耐久性、硬度、穩(wěn)定性等。利用微反應(yīng)技術(shù)制備多元催化材料是近年來(lái)微化工技術(shù)的新興發(fā)展領(lǐng)域。

Simson等用微混合器和管式老化反應(yīng)器組成了一套完整連續(xù)制備Cu/ZnO/Al₂O₃催化劑的設(shè)備，并發(fā)現(xiàn)制得的Cu/ZnO/Al₂O₃催化劑具有更高的催化性能。

Zhang等設(shè)計(jì)一種通道尺寸為1 mm的微撞擊流反應(yīng)器（MISR），用其制備用于甲醇合成用的CuO/ZnO/Al₂O₃催化劑。與傳統(tǒng)攪拌反應(yīng)器相比，MISR制備的CuO/ZnO/Al₂O₃催化劑晶粒尺寸小、比表面積大、孔徑大、間歇加氫合成甲醇的催化活性更好。與一般T型微通道反應(yīng)器相比，MISR也較好地克服了連續(xù)流合成過(guò)程中的堵塞問(wèn)題。微反應(yīng)器連續(xù)共沉淀法制備的多元催化劑體系的催化性能優(yōu)于傳統(tǒng)間歇反應(yīng)器常規(guī)制備的催化劑，表現(xiàn)出重要的工業(yè)性能。

介孔材料具有豐富的孔道結(jié)構(gòu)，在催化、傳感和吸附等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

Wang等采用同軸微通道一步法制備了Si/Al復(fù)合微球。當(dāng)Si與Al物質(zhì)的量比介于4~5時(shí)，由于其凝膠化速度快，溶膠黏度高，表面形成了介孔。微球粒徑為450~600 μm，并且可以通過(guò)油相流速來(lái)調(diào)節(jié)其大小。因具有高表面積，這種球體可以作為良好的催化劑載體。

Li等利用同軸微通道反應(yīng)器將鈀納米粒子負(fù)載在SiO₂上，實(shí)現(xiàn)了一步法制備Pd/SiO₂復(fù)合微球，Pd納米粒子均勻分散在球體外表面，催化劑負(fù)載量可達(dá)0.83~4.91 mg/g。此外，利用此方法還成功地合成了Au/SiO₂復(fù)合微球，證明了該法的通用性。

核殼結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料（CSNC）由內(nèi)核和外殼組成，在電化學(xué)、光化學(xué)、催化、涂層等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

Wang等設(shè)計(jì)了一種新型高頻撞擊流反應(yīng)器（見(jiàn)圖3），制備了磁化強(qiáng)度為61.1 A·m²/kg、比表面積為90.53 m²/g的Fe₃O₄/MnOOH納米復(fù)合材料。該反應(yīng)器結(jié)合了超重力場(chǎng)，24個(gè)撞擊點(diǎn)使反應(yīng)溶液高頻撞擊，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)物快速多尺度混合，避免了Fe₃O₄粒子團(tuán)聚，使其在MnOOH中均勻分散。這類結(jié)合超重力場(chǎng)的新型高頻撞擊流反應(yīng)器為連續(xù)低成本生產(chǎn)高性能核殼材料提供了一種設(shè)計(jì)思路。

圖3 結(jié)合超重力場(chǎng)微通道結(jié)構(gòu)示意圖

撞擊流微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)撞擊區(qū)內(nèi)流體快速接觸來(lái)強(qiáng)化混合，可以在寬流量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)流體快速混合。接下來(lái)研發(fā)人員的研究重點(diǎn)是考慮反應(yīng)過(guò)程的限制，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)可并行放大的撞擊流微反應(yīng)器，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性，從而用于工業(yè)化生產(chǎn)。

膜分散微反應(yīng)器

膜反應(yīng)器于20世紀(jì)90年代開(kāi)始發(fā)展應(yīng)用。膜分散微反器是將待混合氣體或液體預(yù)先分散，通過(guò)壓差，分散相通過(guò)膜進(jìn)入連續(xù)相進(jìn)行混合反應(yīng)。膜分散微反應(yīng)器使反應(yīng)物料在一個(gè)尺寸相對(duì)較小的空間內(nèi)混合，除了具有混合性能好、傳遞混合速率快、過(guò)程能耗低的特點(diǎn)，其處理量較一般的微通道反應(yīng)器大得多，可連續(xù)操作，易于實(shí)現(xiàn)高通量生產(chǎn)。對(duì)于快速反應(yīng)過(guò)程，膜分散微反應(yīng)器可以較好地克服擴(kuò)散對(duì)于反應(yīng)的影響，達(dá)到毫秒級(jí)內(nèi)快速均勻混合，對(duì)于快速沉淀合成納米顆粒十分重要。

γ-Al₂O₃由于其高的比表面積、良好的熱穩(wěn)定性、適當(dāng)?shù)乃岫群偷统杀?，在石油煉制工業(yè)中成為一類重要的催化劑載體。擬薄水鋁石是γ-Al₂O₃前驅(qū)體，其性能對(duì)氧化鋁的性能有著至關(guān)重要的影響。

清華大學(xué)微化工課題組Wang等設(shè)計(jì)了一種膜分散微反應(yīng)器（見(jiàn)圖4）。他們以CO₂與NaAlO₂水溶液為原料，制備出大孔容、大孔徑的擬薄水鋁石（PB），在最佳條件下制備的PB的比表面積達(dá)到548.5 m²/g、孔體積達(dá)到2.22 mL/g、平均孔徑達(dá)到16.2 nm。該小組Wan等通過(guò)共沉淀法，利用膜分散微反應(yīng)器，以NaAlO₂和Al₂(SO₄)₃反應(yīng)物合成PB，老化后得到了孔容為0.95~1.52 mL/g、比表面積為403.8 m²/g、孔徑分布為3~50 nm的γ-Al₂O₃納米顆粒。

圖4  膜分散微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

Zhang等利用膜分散微反應(yīng)器，通過(guò)優(yōu)化磷酸添加量，采用連續(xù)沉淀法成功制備出平均粒徑約為20 nm、尺寸分布窄的納米磷酸鐵。該實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變流速來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)物的混合強(qiáng)度，可以很好地控制Fe³⁺和HPO₄^2?的分布。

Yao等利用膜分散微反應(yīng)器，以硝酸鹽和氨水為原料，制備了粒徑尺寸為7~12 nm的CeO₂納米顆粒，與傳統(tǒng)反應(yīng)釜產(chǎn)物相比，其催化性能優(yōu)異。

Wang等利用膜分散微反應(yīng)器改善了In(OH)₃顆粒的混合性能，得到了結(jié)晶度較高的In(OH)₃顆粒和粒徑可控的In₂O₃顆粒。其在pH=9.0時(shí)合成了In(OH)₃納米柱，而在pH=7.0時(shí)合成了In(OH)₃納米柱和納米管。經(jīng)過(guò)煅燒，In(OH)₃納米柱和納米管分別制備出粒徑為20~30 nm及60~70 nm的In₂O₃顆粒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在微混合器中制備的In(OH)₃顆粒的結(jié)晶度比傳統(tǒng)沉淀法制備的In(OH)₃顆粒結(jié)晶度高。

Zhang等研究了在膜分散微反應(yīng)器中連續(xù)生產(chǎn)SiO₂納米粒子的影響因素，證明了產(chǎn)物的產(chǎn)率和比表面積與停留時(shí)間和流速等有關(guān)。通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)時(shí)間和流速等提高二氧化硅產(chǎn)品的質(zhì)量，連續(xù)生產(chǎn)下產(chǎn)物比表面積高于400 m²/g。該技術(shù)適用于高濃度反應(yīng)物，穩(wěn)定可控，利于工業(yè)化應(yīng)用。

納米氧化鋅因無(wú)毒和具有高活性，在光催化劑領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是納米氧化鋅團(tuán)聚嚴(yán)重、粒子分散性差、制備工藝較復(fù)雜、必須以紫外光作激發(fā)源、工業(yè)化難度大，因此研發(fā)簡(jiǎn)單高效、易于工業(yè)化生產(chǎn)的制備工藝是納米氧化鋅材料的研究重點(diǎn)。

Huang等以ZnSO₄和NH₄HCO₃水溶液為原料，采用膜分散法成功制備了高分散、粒徑為7 nm的納米氧化鋅。

孫國(guó)林等利用膜分散微反應(yīng)器，以ZnSO₄·7H₂O和NaHCO₃為原料，制備ZnO前驅(qū)體堿式碳酸鋅，再通過(guò)焙燒獲得粒徑分布窄、平均粒徑為14~55 nm、分散性良好的納米氧化鋅，并且在一定條件下粒徑隨反應(yīng)物濃度和流量的增大而減小，隨反應(yīng)溫度的升高先變小后增大，實(shí)現(xiàn)了納米氧化鋅的可控制備。

與傳統(tǒng)的沉淀法相比，膜分散微反應(yīng)器具有膜反應(yīng)器和微反應(yīng)器兩者的優(yōu)點(diǎn)，組裝簡(jiǎn)單的同時(shí)能夠極大地強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱過(guò)程。此外，與傳統(tǒng)的膜操作單元相比，其選擇性和透過(guò)性由于膜的小型化也會(huì)得到強(qiáng)化。研究表明，膜分散微反應(yīng)器可用于非球形聚合物納米粒子的合成，例如將橢球狀和啞鈴狀結(jié)構(gòu)的納米顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻詈玩湢罱Y(jié)構(gòu)的納米顆粒。未來(lái)的研究重點(diǎn)可以集中在多元復(fù)合材料的制備和相應(yīng)的潛在應(yīng)用上。

超細(xì)孔式微混合器

微混合器（見(jiàn)圖5）通道的設(shè)計(jì)可分為兩部分：第一部分是T形或Y形接頭，作為流體的接觸單元；第二部分是微混合單元，用于進(jìn)一步增強(qiáng)混合、提供化學(xué)反應(yīng)或其他轉(zhuǎn)化所需的停留時(shí)間。

通道內(nèi)混合長(zhǎng)度一般取決于擴(kuò)散系數(shù)、流道入口速度、入口的寬度和高度、流體的黏度和微混合器的幾何布局。研究人員可以根據(jù)不同物料的反應(yīng)特性，調(diào)節(jié)微混合通道孔徑大小和長(zhǎng)度、方向等參數(shù)來(lái)改變物料在通道內(nèi)的流型等參數(shù)，從而制備性能各異的顆粒。

圖5  微混合器線圈結(jié)構(gòu)(a)及實(shí)物圖(b)

螺旋通道能夠提供良好的混合、反應(yīng)和傳熱環(huán)境。

Hao等通過(guò)改變孔徑參數(shù)，成功調(diào)節(jié)了介孔二氧化硅顆粒的形狀、尺寸等性能。

Yu等以二氧化硅和氧化鋁為原料，采用兩個(gè)微混合器同時(shí)進(jìn)行分段混合，通過(guò)改變二氧化硅與氧化鋁溶液的流量比和孔徑尺寸，合成出粒度和結(jié)晶度不同的沸石晶體，從而實(shí)現(xiàn)了一步連續(xù)合成沸石。該方法節(jié)省了分子篩間歇合成的成本和時(shí)間，為沸石的制備提供了一種快速、通用、可控的生產(chǎn)方法。

Hayashi等采用超細(xì)多通道微反應(yīng)器，該反應(yīng)器混合裝置由多個(gè)超細(xì)孔道（寬度為15 μm，深度為200 μm）和一個(gè)三角形的壓縮混合區(qū)組成。在Au與Pd質(zhì)量比為100/0~0/100條件下，成功地合成了優(yōu)質(zhì)的雙金屬納米粒子，在同等條件下其直徑和尺寸分布比傳統(tǒng)間歇反應(yīng)法制備的產(chǎn)物直徑和粒徑分布都有了較大的改善，極大地提高了其催化活性。

利用超細(xì)孔式微反應(yīng)器強(qiáng)化混合時(shí)，為改善混合效果增加相的接觸面積，通常采用減小微通道尺寸以縮短分子擴(kuò)散距離。這類結(jié)構(gòu)所造成的結(jié)果就是需要較高的操作壓力，處理能力難以提高，操作彈性不大，并且通道極易出現(xiàn)堵塞。

所以在設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)應(yīng)該考慮以上問(wèn)題，在較大的微通道內(nèi)形成具有較短擴(kuò)散距離的微流體。同時(shí)，便于生產(chǎn)擴(kuò)大，滿足較大的流量需求。

總結(jié)及展望

微反應(yīng)器制備催化材料具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）微通道提供均勻的反應(yīng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)均勻爆炸性成核，在微納米顆粒的合成上有巨大的優(yōu)勢(shì)；

2）利用撞擊流微反應(yīng)器強(qiáng)化混合特性制備孔容較大且孔徑分布較好的顆粒；

3）反應(yīng)物使用量少，傳熱快，能夠優(yōu)化處理危險(xiǎn)反應(yīng)中不穩(wěn)定的反應(yīng)中間體；

4）微反應(yīng)器體積較小的特點(diǎn)克服了常規(guī)化工廠和大規(guī)模生產(chǎn)的缺點(diǎn)和場(chǎng)地限制；

5）精確控制停留時(shí)間分布，連續(xù)流操作實(shí)現(xiàn)能源和化學(xué)品的可持續(xù)生產(chǎn)；

6）通過(guò)控制反應(yīng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)高效、快速、高通量地篩選高附加值化學(xué)品和材料，綠色低耗，提供了一種環(huán)境友好型的科研手段；7）易于外力場(chǎng)擴(kuò)展，如附加電場(chǎng)、聲場(chǎng)、超重力場(chǎng)等改進(jìn)反應(yīng)器；

8）自控化程度高，節(jié)省人員成本。

微反應(yīng)技術(shù)使設(shè)備小型化、智能化和連續(xù)性，能夠完成許多之前無(wú)法完成的挑戰(zhàn)，其并行放大的生產(chǎn)效能更是將小試直接放大生產(chǎn)，迅速響應(yīng)市場(chǎng)，改變了傳統(tǒng)的制造方式，為制備新型高性能催化材料提供了一種新的途徑。

開(kāi)發(fā)微反應(yīng)連續(xù)工藝需要科學(xué)的原理、細(xì)致的前期研究和新的生產(chǎn)操作方法來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)新的設(shè)備。由于通道空間尺度限制、物料性質(zhì)差異、數(shù)據(jù)涉密等特殊性，目前國(guó)內(nèi)外仍未有全面通用的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。微反應(yīng)器的設(shè)計(jì)受反應(yīng)物的性質(zhì)及反應(yīng)條件影響較大，在工業(yè)生產(chǎn)上具有一定的局限性。同時(shí)，研發(fā)成本和設(shè)備投入較高也阻礙了其在工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用。

近年來(lái)，中國(guó)微化工技術(shù)在工業(yè)化生產(chǎn)方面已有突破性進(jìn)展。

陳中科院大連化物所陳光文研究員團(tuán)隊(duì)利用微反應(yīng)器強(qiáng)化混合的特點(diǎn)，于2009年研發(fā)出8萬(wàn)t/a規(guī)模的磷酸二氫銨微化工系統(tǒng)；2013年實(shí)現(xiàn)了5 000 t/a規(guī)模的Mg(OH)₂阻燃劑的工業(yè)生產(chǎn)，產(chǎn)品具有粒徑尺寸可控且分布窄、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

清華大學(xué)駱廣生科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)微反應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了納米顆粒的批量制備和應(yīng)用，完成了5萬(wàn)t/a納米碳酸鈣、500 t/a納米氧化鋅、1 000 t/a納米二氧化硅的微反應(yīng)工業(yè)實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)過(guò)程相比顆粒粒徑小、分部窄，而且重現(xiàn)性高，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了微納材料的可控制備。該團(tuán)隊(duì)在大規(guī)模生產(chǎn)微球、微管等新型功能材料的微化工工藝上的開(kāi)發(fā)也有一定的進(jìn)展。

以上實(shí)例均證明了微化工技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)上具有可行性與優(yōu)越性。根據(jù)全球微反應(yīng)技術(shù)專利申請(qǐng)情況來(lái)看，知識(shí)產(chǎn)權(quán)主要由美國(guó)、歐洲、日本和中國(guó)等國(guó)家或地區(qū)所持有，雖然大部分公司都關(guān)注微反應(yīng)技術(shù)，但各自的研究方向并不相同。例如，德國(guó)公司主要集中在改進(jìn)制造工藝和材料方面進(jìn)行深入研究，日本則更多地集中在設(shè)備以及操作概念上。

微反應(yīng)器專利申請(qǐng)?jiān)谝欢ǔ潭壬戏从吵鋈蚧瘜W(xué)品生產(chǎn)在地區(qū)和實(shí)力方面的分布情況。在國(guó)外，德國(guó)拜耳和巴斯夫、瑞士龍沙、美國(guó)康寧等公司成立了微化工技術(shù)的部門，研發(fā)并推廣其微型化工設(shè)備產(chǎn)品。歐洲于2009年建立F3工廠項(xiàng)目，包括阿斯利康、贏創(chuàng)等25家企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)，旨在開(kāi)發(fā)可持續(xù)的模塊化連續(xù)流化工生產(chǎn)裝置，用于研發(fā)生產(chǎn)新型聚合物及高性能材料等。

盡管如此，鑒于對(duì)生產(chǎn)技術(shù)資料的保密，西方發(fā)達(dá)國(guó)家鮮有微化工設(shè)備工業(yè)化應(yīng)用的報(bào)道。Chemtrix公司的流動(dòng)微通道反應(yīng)器在業(yè)內(nèi)使用廣泛，已在西班牙Cidetec公司進(jìn)行噸級(jí)納米材料的工業(yè)化生產(chǎn)；阿斯利康公司使用旗下NiTech連續(xù)結(jié)晶儀，將傳統(tǒng)的結(jié)晶法轉(zhuǎn)移到連續(xù)結(jié)晶儀上生產(chǎn)，可將最初的9 h 40 min縮短到12 min，展現(xiàn)了商用微反應(yīng)器在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

連續(xù)使用強(qiáng)化設(shè)備取代間歇過(guò)程的反應(yīng)工程方法同一般的反應(yīng)工程方法一樣，都需要對(duì)其可行性進(jìn)行前期分析：選擇合適的強(qiáng)化點(diǎn)，考慮其限制因素，從商業(yè)角度考慮技術(shù)的解決方案。將微反應(yīng)器技術(shù)應(yīng)用在催化材料的工業(yè)生產(chǎn)上，需要考慮經(jīng)濟(jì)性和操作性等因素。因此，微反應(yīng)器設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下一些原則：

1）處理能力高效的同時(shí)保證生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定；

2）優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)溫控縮短反應(yīng)周期，減小能耗；

3）具有高靈活性、彈性的生產(chǎn)能力；

4）本質(zhì)安全，使用壽命長(zhǎng)，不易發(fā)生堵塞、腐蝕等問(wèn)題，維護(hù)方便；

5）設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于大規(guī)模加工；

6）可模塊化升級(jí)，節(jié)點(diǎn)取樣，實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)測(cè)與生產(chǎn)；

7）價(jià)格低廉，易于推廣。

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)法相比，計(jì)算機(jī)建模與仿真能夠輔助化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，進(jìn)行初步篩選，成本更低，速度更快。在設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)，應(yīng)根據(jù)工藝的實(shí)際要求，對(duì)反應(yīng)設(shè)備進(jìn)行通量匹配的改造和搭建，利用微反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)化。結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬，以簡(jiǎn)化及強(qiáng)化工藝為基礎(chǔ)，通過(guò)將微反應(yīng)器單通道擴(kuò)展至多通道、并行放大或通道尺寸選擇性放大，將微化工單元無(wú)縫銜接至整個(gè)系統(tǒng)，使我們能夠?qū)蝹€(gè)步驟的設(shè)計(jì)融合整個(gè)過(guò)程的構(gòu)建，并將單個(gè)過(guò)程置于生產(chǎn)的整體環(huán)境中。

微化工技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用將會(huì)對(duì)化工行業(yè)產(chǎn)生重大的影響，而微反應(yīng)器規(guī)?；糯蟾瞧涔I(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

未來(lái)，高校和企業(yè)應(yīng)加快推進(jìn)“產(chǎn)學(xué)研”相結(jié)合的研發(fā)與生產(chǎn)模式，結(jié)合分子理論、模擬和實(shí)驗(yàn)手段，從宏觀和微觀尺度上進(jìn)行多尺度多學(xué)科組合建模與仿真來(lái)開(kāi)發(fā)微反應(yīng)器。同時(shí)，以市場(chǎng)情況和政府法令為執(zhí)行依據(jù)，在整個(gè)行業(yè)形成有效的評(píng)估機(jī)制，降低運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。考慮到行業(yè)和客戶需求，在開(kāi)發(fā)新型高性能催化材料的工業(yè)化應(yīng)用方面，研發(fā)人員需致力于改進(jìn)現(xiàn)有的工藝條件，設(shè)計(jì)成本較低、穩(wěn)定高效的高通量連續(xù)流微反應(yīng)器。

本文原題《微反應(yīng)器制備催化材料的研究進(jìn)展及展望》，作者：于海斌、王夢(mèng)迪、吳巍，羅瑾。原文刊載于《無(wú)機(jī)鹽工業(yè)》2019年第9期，pp1-6。編輯整理過(guò)程中有刪改。Doi:10.11962/1006-4990.2019-0171。

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