論文：微反應(yīng)器的研究和進(jìn)展

1、微反應(yīng)器的研究和進(jìn)展 院系 化工學(xué)院 專 業(yè) 化學(xué)工程 年 級(jí) 2013 學(xué)生姓名 秦杰 學(xué) 號(hào)指導(dǎo)教師 趙啟文 職稱 教授 完成時(shí)間 2013年11月摘要 20世紀(jì)90年代以來(lái)，在多學(xué)科交叉以及高新技術(shù)發(fā)展迅猛的勢(shì)頭下，微化工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并順勢(shì)興起，引起了國(guó)內(nèi)外廣大研究人員的極大關(guān)注。隨著微尺度下“三傳一反”研究的進(jìn)展。微尺度流體的性能得到了深入揭示，微反應(yīng)器技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。本文對(duì)微反應(yīng)器按概念特點(diǎn)，構(gòu)造，性能以及在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用情況對(duì)各種新型微反應(yīng)器作了簡(jiǎn)要介紹，闡述了微反應(yīng)器所具有的一系列超越傳統(tǒng)反應(yīng)器的優(yōu)越性。相信在不久的未來(lái)，微化工

2、技術(shù)將會(huì)以其高效、快速、靈活、輕便、易裝卸等特點(diǎn)給整個(gè)化工領(lǐng)域帶來(lái)革命性的影響。 關(guān)鍵詞：微反應(yīng)器；微型化；微反應(yīng)技術(shù)Abstract Since the 1990s, as in the high-tech multi-disciplinary rapid development momentum, micro-chemical technology come into being and the rise of homeopathy, researchers at home and abroad has aroused great concerning. With the microsca

3、le study of "three pass an anti-" progress,microscale fluid performance has been further revealed that the micro-reactor technology has been widely used in scientific research and industrial production. In this paper, according to the concept of micro-reactor characteristics, structure, pe

4、rformance, and applications in various fields on a variety of new micro-reactors are briefly introduced, elaborated micro-reactors with a series of advantages over traditional reactors. I believe that the micro-chemical technology will be its efficient, fast, flexible, lightweight, easy handling and

5、 other features to the entire revolutionary impact on the chemical industry in the near future.Keywords: micro-reactor; miniaturization; micro-reaction technology目 錄 引言.11微反應(yīng)技術(shù)和微反應(yīng)器的基本概念和特點(diǎn).12微反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)和構(gòu)造.13適合于微反應(yīng)器的反應(yīng)類型.24微反應(yīng)器的性能.25微反應(yīng)器在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用.46前景展望.6參考文獻(xiàn).7微反應(yīng)器的研究進(jìn)展 秦杰 (青海大學(xué)化工學(xué)院, 青海 西寧 810016) 引言 微反

6、應(yīng)器技術(shù)由于其在化學(xué)工業(yè)中的成功應(yīng)用而引起廣泛地關(guān)注。微反應(yīng)器是一種連續(xù)流動(dòng)的管道式反應(yīng)器。它包括化工單元所需要的換熱器、混合器、控制器、反應(yīng)器等,但是其管道尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)管式反應(yīng)器。微反應(yīng)器內(nèi)部是由直徑為10500m的很多并聯(lián)的微管組成,有極大的比表面積,由此帶來(lái)的根本優(yōu)勢(shì)是極大的混合效率和換熱效率。換句話說(shuō),可以精確控制反應(yīng)溫度和反應(yīng)物料按精確配比瞬時(shí)混合。這些都是提高收率、選擇性、安全性,以及提高產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素【1】。 1 微反應(yīng)技術(shù)和微反應(yīng)器的基本概念和特點(diǎn) 微反應(yīng)器是一個(gè)比較廣泛的概念，并有很多種形式，既包括傳統(tǒng)的微量反應(yīng)器，也包括聚合微反應(yīng)器、反相膠束條紋反應(yīng)器、微聚合反應(yīng)器

7、和固體模板微反應(yīng)器等。這些微反應(yīng)器的對(duì)化學(xué)反應(yīng)的共同特點(diǎn)是將其控制在極其微小的空間內(nèi)，反應(yīng)通道的平均尺寸一般為微米甚至納米。自20世紀(jì)90年代中期微反應(yīng)技術(shù)興起以來(lái)，由于其獨(dú)特的特色和優(yōu)勢(shì)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(diǎn)；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(lái)越多的應(yīng)用。尤其進(jìn)入本世紀(jì)以后，各大跨國(guó)公司也開(kāi)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(kāi)展在其相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究；同時(shí)開(kāi)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【2】。2 微反應(yīng)器的構(gòu)造和性能2.1 微反應(yīng)器的

8、優(yōu)點(diǎn) 同常規(guī)反應(yīng)容器(如燒瓶)相比,微反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特征決定了其特殊優(yōu)勢(shì),主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。(1)比表面積大,傳遞速率高,接觸時(shí)間短,副產(chǎn)物少:微反應(yīng)通道特征尺度小,微通道比一般為500050000m2·m3,單位體面積上傳熱、傳質(zhì)能力顯著增強(qiáng)。(2)快速、直接放大:傳統(tǒng)放大過(guò)程存在著放大效應(yīng),通過(guò)增大生產(chǎn)設(shè)備體積和規(guī)模達(dá)到放大目的,過(guò)程耗時(shí)費(fèi)力,不能根據(jù)市場(chǎng)需求立即作出相應(yīng)的反應(yīng),具有滯后性。而微反應(yīng)系統(tǒng)呈多通道結(jié)構(gòu),每一通道相當(dāng)于一獨(dú)立反應(yīng)器,在擴(kuò)大生產(chǎn)時(shí)不再需要對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行尺度放大,只需并行增加微反應(yīng)器的數(shù)量,即所謂的“數(shù)增放大”。(3)安全性高:大量熱量也可以及時(shí)移走,從

9、而保證反應(yīng)溫度維持在設(shè)定范圍以內(nèi),最大程度上減少了發(fā)生事故可能性。(4)操作性好:微反應(yīng)系統(tǒng)是呈模塊結(jié)構(gòu)的并行系統(tǒng),具有便攜性好特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品使用地分散建設(shè)并就地生產(chǎn)、供貨,真正實(shí)現(xiàn)將化工廠便攜化,并可根據(jù)市場(chǎng)情況增減通道數(shù)和更換模塊來(lái)調(diào)節(jié)生產(chǎn),具有很高的操作彈性【3】。2.2 微反應(yīng)器的構(gòu)造 微反應(yīng)器本質(zhì)上講是一種連續(xù)流動(dòng)的管道式反應(yīng)器。它包括化工單元所需要的混合器、換熱器、反應(yīng)器控制器等。目前,微反應(yīng)器總體構(gòu)造可分為兩種:一種是整體結(jié)構(gòu),這種方式以錯(cuò)流或逆流熱交換器的形式體現(xiàn),可在單位體積中進(jìn)行高通量操作。在微反應(yīng)器的整體結(jié)構(gòu)中只能同時(shí)進(jìn)行一種操作步驟,最后由這些相應(yīng)的裝置連接起來(lái)構(gòu)成

10、復(fù)雜的系統(tǒng)。另一種是層狀結(jié)構(gòu),這類體系由一疊不同功能的模塊構(gòu)成,在一層模塊中進(jìn)行一種操作,而在另一層模塊中進(jìn)行另一種操作。流體在各層模塊中的流動(dòng)可由智能分流裝置控制。對(duì)于更高的通量,某些微通道反應(yīng)器或體系通常以并聯(lián)方式進(jìn)行操作【4】。3適合于微反應(yīng)器的反應(yīng)類型 根據(jù)以上有關(guān)微反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)的分析可知，在制藥、精細(xì)化學(xué)品和中間體的合成反應(yīng)中，適于微反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的反應(yīng)過(guò)程應(yīng)包含下面的三類。第一類：瞬間反應(yīng) 反應(yīng)半衰期小于1s，這類反應(yīng)主要受微觀混合效果控制，即受傳質(zhì)過(guò)程控制，如氯化、硝化、溴化、磺化、氟化、金屬有機(jī)反應(yīng)和生成微-納米顆粒的反應(yīng)等；由于傳質(zhì)效果較差，故在傳統(tǒng)尺度反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行時(shí)，過(guò)程難以控

11、制，且產(chǎn)品質(zhì)量較差。第二類：快反應(yīng) 反應(yīng)半衰期介于1s10min之間，處于傳質(zhì)過(guò)程和本征動(dòng)力學(xué)共同控制區(qū)域，混合效果對(duì)這類反應(yīng)的影響較小、甚至可忽略不計(jì)；但當(dāng)這類反應(yīng)的生成焓較大時(shí)，采用常規(guī)尺度反應(yīng)器一般不能及時(shí)把熱量移出，易造成局部溫度過(guò)高，最終導(dǎo)致反應(yīng)過(guò)程失控和副反應(yīng)的發(fā)生，使反應(yīng)選擇性和產(chǎn)率降低；而利用微反應(yīng)器的高效傳熱性能則可以使反應(yīng)在較低溫度梯度下平穩(wěn)進(jìn)行，反應(yīng)過(guò)程易控，可提高目的產(chǎn)物的選擇性和產(chǎn)率。第三類：慢反應(yīng) 反應(yīng)半衰期大于10 min，處于本征動(dòng)力學(xué)控制區(qū)域，此類反應(yīng)理應(yīng)更適合于間歇或半間歇釜式反應(yīng)器；但對(duì)于僅在苛刻反應(yīng)條件下才能發(fā)生的反應(yīng)，如：反應(yīng)在高溫、高壓條件下，反應(yīng)物

12、、產(chǎn)物均為劇毒物質(zhì)或反應(yīng)放熱劇烈的反應(yīng)等，若從生產(chǎn)過(guò)程安全角度考慮，則適于在微反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，可極大地提高過(guò)程安全性能【5】。4 微反應(yīng)器的性能 相對(duì)于傳統(tǒng)反應(yīng)器，微反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)和分散尺度要小l一2個(gè)數(shù)量級(jí)，這使得微反應(yīng)器具備了很多優(yōu)異的性能，而微流體的引入也使得微反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)、傳遞規(guī)律和常規(guī)設(shè)備相比發(fā)生了一定的變化，這砦新的現(xiàn)象和規(guī)律引起了研究者的關(guān)注。4.1微尺度流體間的作用力和多相流流型 單一液相流體在微反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律仍然滿足連續(xù)介質(zhì)模型，連續(xù)性方程和NS方程對(duì)于液相微流體仍然是適用的，因此目前對(duì)于微反應(yīng)器內(nèi)的液體單相流流動(dòng)行為研究還比較少，但是對(duì)微尺度下以液相為主的多相流的研究

13、卻發(fā)展十分迅速。在微反應(yīng)器內(nèi)影響多相流流動(dòng)行為的作用力相對(duì)于常規(guī)反應(yīng)設(shè)備發(fā)生了一定變化，在微尺度下黏性力、慣性力和界面張力是主要的作用力，重力的作用比這些力小15個(gè)數(shù)量級(jí)，Ca數(shù)、we數(shù)是描述微尺度流動(dòng)的重要的無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)。在微反應(yīng)器內(nèi)基本上不存在攪拌槳等動(dòng)力輸入設(shè)備，因此在微反應(yīng)器內(nèi)液滴或者是氣泡的破碎、聚并規(guī)律也主要取決于流體自身黏性力、慣性力和界面張力的作用。在微反應(yīng)器內(nèi)這幾種作用力的大小和作用方向可以通過(guò)微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、反應(yīng)器壁面的浸潤(rùn)性和實(shí)驗(yàn)的操作條件來(lái)調(diào)控。例如，通過(guò)調(diào)整微通道的進(jìn)料方式和流體與壁面的接觸角，就能夠控制微通道內(nèi)是哪一相分散、分散的尺度是多少等影響反應(yīng)過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)。

14、微反應(yīng)器基本上都采用連續(xù)操作的方式，在均相體系中，小通量的微通道和毛細(xì)管微反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)以層流為主，而大通量的幾種微反應(yīng)器內(nèi)可以在較高的流速下獲得湍流。在非均相流動(dòng)體系中，隨著不互溶流體的引入，微反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生更為豐富的氣液、液液、氣液液等多相流流型。與傳統(tǒng)的開(kāi)放空間式的反應(yīng)器不同，微反應(yīng)器內(nèi)的流體處于一個(gè)受限的空間內(nèi)，在微通道的結(jié)構(gòu)、浸潤(rùn)性和流體相含率的共同作用下，微反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生了兩相層流、液(氣)柱流、液滴(氣泡)流、環(huán)狀流等豐富的流型，同一設(shè)備內(nèi)的不同流型主要受設(shè)備結(jié)構(gòu)、相比、Ca數(shù)、We數(shù)等因素影響。而不同的流型帶來(lái)了不同的流場(chǎng)情況，這對(duì)于反應(yīng)過(guò)程的影響是十分顯著的，在微反應(yīng)器內(nèi)因?yàn)橄嘟?/p>

15、面對(duì)流體的分割作用和微通道對(duì)于流體的摩擦作用的存在，使得微反應(yīng)器內(nèi)存在強(qiáng)烈的內(nèi)循環(huán)和二次流流動(dòng)，這對(duì)于強(qiáng)化反應(yīng)物的混合是十分重要的。4.2傳遞過(guò)程的強(qiáng)化 高效的傳熱、傳質(zhì)能力對(duì)于反應(yīng)器來(lái)說(shuō)十分重要，而傳熱、傳質(zhì)過(guò)程又與流體的流動(dòng)和分散尺度密切相關(guān)，微米級(jí)流動(dòng)和分散尺度能夠有效地強(qiáng)化宏觀混合和熱交換過(guò)程，促進(jìn)微觀傳遞過(guò)程的快速完成。在微反應(yīng)器內(nèi)流體的比表面積能夠達(dá)到104106m2m3的量級(jí)，因此流體與壁面能夠進(jìn)行高效的熱交換，從而有效地控制反應(yīng)溫度。在微反應(yīng)器內(nèi)，微米級(jí)的混合尺度和有效的內(nèi)循環(huán)作用能夠促進(jìn)反應(yīng)物料快速混合，進(jìn)而保證反應(yīng)器內(nèi)物料分布的均勻性，從而保證反應(yīng)過(guò)程的一致性。對(duì)于非均相反

16、應(yīng)，微分散的乳液在微反應(yīng)器內(nèi)能夠有效強(qiáng)化相間傳熱、傳質(zhì)過(guò)程，微反應(yīng)器內(nèi)新的液滴和氣泡形成方式以及快速的內(nèi)循環(huán)作用是傳遞過(guò)程得到強(qiáng)化的重要原因。研究結(jié)果表明，微反應(yīng)器內(nèi)相間體積傳質(zhì)系數(shù)可以達(dá)到傳統(tǒng)設(shè)備的10l000倍，相間體積傳熱系數(shù)也可以達(dá)到傳統(tǒng)設(shè)備的1050倍。4.3良好的安全性和可控性 微小的反應(yīng)體積是微反應(yīng)器的突出特點(diǎn)，這是因?yàn)橐环矫嫖⒎磻?yīng)器主要通過(guò)微結(jié)構(gòu)來(lái)完成反應(yīng)物的混合過(guò)程，而不再需要大型的攪拌設(shè)備；另一方面微反應(yīng)器大都采用連續(xù)平推流的操作模式，反應(yīng)時(shí)間通過(guò)與反應(yīng)器相連管道的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)控，較少有釜式結(jié)構(gòu)的存在，所以在微反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的滯存體積很小，這就是微反應(yīng)器具有固有安全性的主要原因

17、。在微通道和毛細(xì)管微反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的體積在微升量級(jí)，即使是大通量的微反應(yīng)器，其主流道的水力學(xué)直徑也僅有幾個(gè)毫米。高活性的反應(yīng)物在微反應(yīng)器內(nèi)存留量少而且快速地被消耗，所以微反應(yīng)器非常適合完成劇烈的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。 微反應(yīng)器內(nèi)的流體分散和混合尺度都在微米量級(jí)，相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)備內(nèi)多尺度的流動(dòng)、混合狀態(tài)，微反應(yīng)器內(nèi)的分散尺度更為均一，這也是得益于微反應(yīng)器內(nèi)取消了攪拌設(shè)備，代之以更為溫和的微結(jié)構(gòu)來(lái)完成流體的破碎和混合過(guò)程。研究結(jié)果表明，在微通道內(nèi)可以獲得多分散性因子小于2的單分散乳液流和氣泡流。另外通過(guò)合理設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)的排列方式，還可以獲得復(fù)雜的雙乳液和多乳液結(jié)構(gòu)協(xié)一致，這使得微反應(yīng)器對(duì)反應(yīng)物的存在狀態(tài)更為可

18、控。微反應(yīng)器多使用連續(xù)操作的模式，在流動(dòng)狀態(tài)上微反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)較為接近平推流，特別是在液柱流、液滴流等流型下，反應(yīng)器內(nèi)的軸向擴(kuò)散作用被極大地削弱，這使得反應(yīng)時(shí)間可以得到精確的控制。微反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間一般在毫秒到秒的量級(jí)，快反應(yīng)可以在微反應(yīng)器內(nèi)高效完成，但對(duì)于慢反應(yīng)在微反應(yīng)器內(nèi)的應(yīng)用還有待于深入研究。微小的反應(yīng)體積帶來(lái)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是從開(kāi)車到反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定的時(shí)間被大幅縮短。筆者所在課題組的研究結(jié)果表明，一個(gè)長(zhǎng)1.2m的毛細(xì)管微反應(yīng)器，其穩(wěn)定時(shí)間僅需90s,這種短暫的穩(wěn)定時(shí)間對(duì)于提高實(shí)驗(yàn)效率和簡(jiǎn)化開(kāi)車流程都是十分重要的6。5微反應(yīng)器在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用5.1熱交換5.1.1烷烴氯化過(guò)程的快速加熱 由德

19、國(guó)Axiva公司進(jìn)行的烷烴氯化是利用微反應(yīng)器的一個(gè)成功實(shí)例,該實(shí)例是以“按需求微型化,而不是盡可能微型化”的原則為基礎(chǔ)的。目前仍在使用的管式反應(yīng)器需要太長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到一定的溫度,局部最高溫度甚至?xí)哂谀繕?biāo)溫度,產(chǎn)生類似于熱點(diǎn)的負(fù)面作用。為改善這一問(wèn)題, IMM 研制了一種由外部加熱的單片電路加熱模塊。該加熱模塊的微結(jié)構(gòu)盤片是通過(guò)濕法化學(xué)蝕刻金屬箔制造的,這種方法并不昂貴,且可以大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。用該模塊在給定的外部輸入能量下可以將體系快速加熱到所需要的溫度。進(jìn)行該反應(yīng)仍需要一個(gè)普通管式反應(yīng)器,正如研究人員所預(yù)見(jiàn)的那樣,這一方面并沒(méi)有什么工藝改進(jìn)的工作。而且,相關(guān)過(guò)程的壓力損失和可靠性問(wèn)題仍有爭(zhēng)

20、議。但用這一新舊結(jié)合型的微反應(yīng)裝置,轉(zhuǎn)化率約增加10 % ,且空時(shí)產(chǎn)率可達(dá)到240430 g/ (h·L) 。這一過(guò)程清楚地表明:應(yīng)用相對(duì)簡(jiǎn)單(但概念新穎) 的手段可以對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行顯著的改進(jìn)。5.1.2通過(guò)形狀復(fù)雜的微換熱器進(jìn)行工藝優(yōu)化 不言而喻,用簡(jiǎn)單方案解決所面臨的全部問(wèn)題顯然是不夠的。例如,BASF公司的維生素前體化學(xué)生產(chǎn)過(guò)程就主要得益于傳熱的改進(jìn)。從理論上考慮,他們認(rèn)為應(yīng)該研制一種形狀復(fù)雜的微換熱器,因此在部分重疊盤片的兩面都加工有高縱橫比的微通道。除了發(fā)展了這種具有大換熱面積的精巧通道結(jié)構(gòu)外,他們還研制了一種新的微蝕刻技術(shù)。所發(fā)展的微反應(yīng)器首先應(yīng)用于解決BASF公司所關(guān)心

21、的過(guò)程關(guān)鍵問(wèn)題。該問(wèn)題涉及在絕熱條件下反應(yīng)時(shí)間對(duì)過(guò)程的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)將實(shí)際反應(yīng)時(shí)間降低到2 s并未提高產(chǎn)率。這表明至少在目前選擇的溫度條件下,該過(guò)程實(shí)際上是在最佳條件下進(jìn)行的。由于從前并不了解這一情況,且這些最佳條件并不是深思熟慮后選擇的,因此通過(guò)利用微反應(yīng)器可以確定最佳工藝條件。然而,微反應(yīng)器還可以為BASF做更多的事情。對(duì)溫度變化與停留時(shí)間變化的共同影響的研究表明,還存在比目前已知的更佳的工藝條件。通過(guò)這些研究,用IMM的微換熱反應(yīng)器,維生素前體的產(chǎn)率提高了10 %15 %。因此,這一微反應(yīng)器給出了普通實(shí)驗(yàn)室設(shè)備所不能得出的生產(chǎn)工藝優(yōu)化信息。然而,在研究初期,研究目標(biāo)并不是用這一裝置作為生

22、產(chǎn)工具。如此,通過(guò)研究得到了重要的經(jīng)驗(yàn)并節(jié)約了較大的成本,表明研制微反應(yīng)器的花費(fèi)是值得的。5.1.3不同裝配尺寸的微換熱器 德國(guó)卡爾斯魯厄研究中心( ForschungszentrumKarlsruhe GmbH , FZK) 的微系統(tǒng)技術(shù)研究所( Institutfür Mikroverfahrenstechnik) 對(duì)微制造和微換熱器的特征已經(jīng)進(jìn)行了10多年的系統(tǒng)研究。他們研制的幾乎所有器件都基于同一制造概念,用一種成型工具進(jìn)行超精細(xì)車削,因此這些裝置容易彼此連接。一些錯(cuò)流和逆流微換熱器就是按此程序制造的,它們的內(nèi)部比表面積大,例如,在1 cm3 體積中內(nèi)部比表面積有150 cm

23、2 ,相當(dāng)于15000 m2/ m3 。每種換熱器都有不同的裝配尺寸,肯定是可以在生產(chǎn)中應(yīng)用的,例如,在高達(dá)1 m3/ h 的體積流量下,實(shí)現(xiàn)了可達(dá)200kW的高功率和可達(dá)25 kW/ (m2·K) 的高傳熱系數(shù)。FZK最近的工作集中在電熱模塊方面。采用這類裝置實(shí)現(xiàn)了快速的溫度循環(huán)。工藝的改進(jìn)結(jié)果表明,重整反應(yīng)可以是這些裝置及FZK的其他微換熱/ 反應(yīng)器的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域 。且可以通過(guò)使流體暴露于盤片上的成列肋片來(lái)實(shí)現(xiàn)換熱器性能進(jìn)一步的改善,從而取代大量的微通道。據(jù)報(bào)道,靠這種新奇的裝置在質(zhì)量流量為370 kg/ h 時(shí),其傳熱系數(shù)可達(dá)到54 kW/ (m2.K)。德國(guó)化學(xué)工程和生物技術(shù)

24、協(xié)會(huì)Karl-Winnacker學(xué)院(Karl-Winnacker-Institut of DECHEMA e.V.) 進(jìn)行了一項(xiàng)理論研究,旨在考察軸向傳熱對(duì)一個(gè)假想模型裝置性能的影響,他們將其基本幾何參數(shù)設(shè)定為與上述換熱器相當(dāng) 。結(jié)果表明,在給定的邊界條件下,用玻璃作為結(jié)構(gòu)材料是合理的。當(dāng)采用鋼或銅作結(jié)構(gòu)材料時(shí),所傳輸?shù)臒崃亢纳⒂谖Q熱器的全部表面上,這與一般的換熱器不同。鋼或銅的高熱導(dǎo)率降低了相應(yīng)的微裝置的效率。與之相反,玻璃換熱器得益于1 W/ (m·K) 量級(jí)的低熱導(dǎo)率,這在微型化操作中是最理想的。德國(guó)mgt Mikroglas Technik 公司生產(chǎn)的商品化玻璃微換熱器的

25、傳熱系數(shù)達(dá)到了4 kW/ (m2·K) ,比FZK的換熱器約低1個(gè)數(shù)量級(jí)。這種差異的一個(gè)可能解釋是在玻璃微換熱器中流體流動(dòng)的不均勻性。5.1.4具有射流網(wǎng)絡(luò)的微換熱器 采用精密加工方法可以有效地實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于介觀尺度通道的換熱器。采用這些方法，還可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的射流構(gòu)造，例如可以加工出流動(dòng)流體反復(fù)沖撞的具有重疊通道的網(wǎng)絡(luò)，這可以強(qiáng)化傳熱效率。這一實(shí)用方法有望滿足特殊的工業(yè)需要【7】。5.2用于汽車的微通道反應(yīng)器在燃料處理系統(tǒng)/燃料電池配置中,液態(tài)甲醇被轉(zhuǎn)化成氫,然后轉(zhuǎn)化成電能,供給汽車燃料,微構(gòu)造的燃料處理系統(tǒng)含有甲醇蒸發(fā)器,該蒸發(fā)器由來(lái)自燃料電池陽(yáng)極排放氣的少量的氫的催化燃燒加熱。接

26、著,氣態(tài)的甲醇在一個(gè)放熱的部分氧化反應(yīng)器中被轉(zhuǎn)化成H2和CO2。然后,在水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器和選擇性氧化反應(yīng)器中使氣流中的CO濃度減少到小于10×10- 6 ,以避免由CO使燃料電池?fù)p壞。目前大多數(shù)必需的微結(jié)構(gòu)單元已在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模得到成功地開(kāi)發(fā)。5.3多孔納米尺度微反應(yīng)器直接制備納米纖維 聚合催化方面的發(fā)展已使得可以精確地控制聚合物的主要性質(zhì),例如分子量等。然而,對(duì)于要被用作為商品材料的聚合物來(lái)說(shuō),還必須控制分子定向( 晶體結(jié)構(gòu))或形態(tài)。聚合后的加工步驟(擠出或拉絲)通常被用來(lái)制作具有更精細(xì)功能(例如更好的機(jī)械性質(zhì))的聚合材料。最近日本東京大學(xué)的Takuzo Aida等人開(kāi)發(fā)了一種新的方法使得聚合物可以在被合成時(shí)擠出。他們采用多孔納米尺度微反應(yīng)器在形成結(jié)晶納米纖維的過(guò)程中直接制備超高分子量的聚乙烯。這種技術(shù)不僅僅是在生產(chǎn)功能材料中節(jié)省了時(shí)間和金錢,而且也是一種生產(chǎn)具有新性質(zhì)聚合物的方法。Aida及其合作者稱他們的方法為“擠出聚合法”。該法模仿了某些有機(jī)生物制造天然纖維的方法。例如,在由醋酸桿菌屬細(xì)菌生物法合成高結(jié)晶纖維素纖維的過(guò)程中在細(xì)胞膜中纖維素合酶形成纖維素的細(xì)小原纖維。然后通過(guò)排列在細(xì)胞膜中的納米微孔擠出而聚集成粗纖維。Aida等人則在中孔氧化硅纖維反應(yīng)器中聚合了乙烯,該微反應(yīng)器由平行排列的均勻尺寸