微通道反应器的历史、好处、挑战

LLNL开发的微反应器技术使用微机械加工技术来实现反应器设计的小型化。应用包括用于产生氢气的燃料处理器、化学合成和生物反应研究。

微反应器或微结构反应器或微通道反应器是一种在典型横向尺寸低于 1 毫米的空间内进行化学反应的装置；这种限制的最典型形式是微通道。^[1] [2]微反应器与发生物理过程的其他装置（例如微型热交换器）一起在微过程工程领域进行研究。微反应器通常是连续流反应器（与间歇式反应器 相反）。与传统规模反应器相比，微反应器具有许多优势，包括提高能源效率、反应速度和产量、安全性、可靠性、可扩展性、现场/按需生产以及更精细的过程控制。

气相微反应器有着悠久的历史，但涉及液体的微反应器在 20 世纪 90 年代末才开始出现。^[1] 第一个带有嵌入式高性能热交换器的微反应器是由德国卡尔斯鲁厄研究中心的中央实验部门 ( Hauptabteilung Versuchstechnik , HVT )于 20 世纪 90 年代初制造的^[3] ，采用的机械微加工技术源自于德国卡尔斯鲁厄研究中心[3]。制造铀浓缩分离喷嘴。_ ^[3]由于德国对核技术的研究大幅减少，人们开始研究微结构热交换器在处理高放热和危险化学反应中的应用。这一新概念被称为微反应技术或微过程工程，由各个研究机构进一步发展。1997 年的一个早期例子涉及耐热玻璃反应器中的偶氮耦合，通道尺寸为 90 微米深、190 微米宽。^[1]

使用微反应器与使用玻璃容器有些不同。这些反应器对于经验丰富的化学家或反应工程师来说可能是一个有价值的工具：

·       微反应器的热交换系数通常至少为每立方米每开尔文 1 兆瓦，高达 500 MW m ^-3  K ^-1，而传统玻璃器皿中的热交换系数为几千瓦（1 L 烧瓶 ~10 kW m ^-3  K ^-1）。因此，微反应器可以比容器更有效地去除热量，甚至硝化等关键反应也可以在高温下安全地进行。^[4]热点温度以及由于放热而暴露在高温下的持续时间显着降低。因此，微反应器可以进行更好的动力学研究，因为影响反应速率的局部温度梯度比任何间歇容器小得多。微反应器的加热和冷却也更快，工作温度可低至 -100 °C。由于具有优异的传热性能，反应温度可能比传统间歇式反应器高得多。许多有机金属化学等低温反应可以在微反应器中在 -10 °C 的温度下进行，而不是像实验室玻璃器皿设备中那样在 -50 °C 至 -78 °C 的温度下进行。

·       微反应器通常连续运行。这允许对不稳定的中间体进行后续处理，并避免典型的批量处理延迟。特别是反应时间在毫秒到秒范围内的低温化学不再储存数小时，直到试剂配量完成并且可以执行下一个反应步骤。这种快速后处理可以避免珍贵中间体的腐烂，并且通常可以实现更好的选择性。^[5]

·       与间歇过程相比，连续操作和混合会产生截然不同的浓度分布。批量填充试剂A并缓慢添加试剂B。因此，B 最初遇到大量过量的 A。在微反应器中，A 和 B 几乎立即混合，B 不会暴露于大量过量的 A。根据反应机制，这可能是优点或缺点-它了解这种不同的浓度分布非常重要。

·       尽管台式微反应器只能合成少量化学品，但扩大到工业规模只是增加微通道数量的过程。相比之下，批量过程往往在研发实验室层面表现良好，但在批量中试工厂层面却表现不佳。^[6]

·       微反应器（和相关组件）内的材料加压通常比传统间歇式反应器更容易。这允许通过将温度升高到超过溶剂的沸点来提高反应速率。尽管这是典型的阿累尼乌斯行为，但在微反应器中更容易促进这一点，并且应该被视为一个关键优势。加压还可以允许反应气体溶解在流动流内。

·       尽管已经有用于处理颗粒的反应器，但微反应器通常不能很好地耐受颗粒，常常会堵塞。许多研究人员认为，堵塞是微反应器被广泛接受为间歇式反应器的有益替代方案的最大障碍。^[7] 到目前为止，所谓的微射流反应器^[8] 没有被沉淀产物堵塞。放出的气体还可能缩短试剂的停留时间，因为反应过程中体积不恒定。这可以通过施加压力来防止。

·       机械泵送可能会产生不利的脉动流。许多工作致力于开发低脉动泵。连续流解决方案是电渗流（EOF）。

·       物流问题和微反应器压降的增加限制了其在大规模生产装置中的适用性。然而，干净的溶液可以在微反应器中很好地处理。^[9]

·       对于微反应器来说，生产率和泄漏的放大是相当具有挑战性的。最近，开发了所谓的纳米颗粒固定反应器来解决与微反应器相关的物流和放大问题。^[10]

·       通常，在微反应器中表现良好的反应在容器中会遇到许多问题，特别是在扩大规模时。通常，高面积体积比和均匀的停留时间不能轻易调整。

·       由于面积与体积之比很高，腐蚀在微反应器中造成了更大的问题。在传统容器中，几微米的降解可能不会被注意到。由于通道的典型内部尺寸处于相同的数量级，因此特性可能会发生显着改变。

1.     ^跳转至：^a b c d 合成微反应技术的最新进展Paul Watts 和 Charlotte WilesChem。交流。,2007, 443 - 467,doi:10.1039/b609428g

2.     ^ “微反应器 - 概述 | ScienceDirect 主题”。www.sciencedirect.com 。检索日期：2024 年 1 月 29 日。

3.     ^跳转至：^a b 舒伯特，K.；布兰德纳，J.；菲希特纳，M.；林德，G.；希古拉，美国；Wenka, A.（2001年1月）。“用于热和化学过程工程应用的微结构器件”。微尺度热物理工程。5（1）：17-39。号码：10.1080/108939501300005358。ISSN1556-7265。S2CID220350149。  

4.     ^ D.Roberge、L.Ducry、N.Bieler、P.Cretton、B.Zimmermann、Chem。工程师。技术。28 (2005) No. 3, online available 存档于2007-09-27 at Wayback Machine

5.     ^ T.Schwalbe, V.Autze, G.Wille: Chimica 2002, 56, p.636，另见微流合成

6.     ^ T.Schwalbe、V.Autze、M. Hohmann、W. Stirner：Org.Proc.Res.Dev 8 (2004) p。440ff，另请参见从实验室到制造的持续工艺研究和实施

7.     ^ 库马尔，Y；杰斯瓦尔，P.；尼加姆，KDP；熊猫，D.；比斯瓦斯，KG (2022)。“对毫米级管道中纳米粒子辅助传质和双相系统动力学研究的批判性评论”。化学工程和加工-过程强化。170：108675。doi ： 10.1016 /j.cep.2021.108675。

8.     ^ 威尔，Ch；加布斯基，H.-P；哈勒，Th；金，H；安弗多本，L；温特，R（2003）。“三级微反应器中试装置中颜料的合成——实验技术报告”。化学工程杂志。101（1-3）：179-185。DOI：10.1016/j.cej.2003.11.007。以及其中引用的文献

9.     ^ 库马尔，Y；杰斯瓦尔，P.；尼加姆，KDP；熊猫，D.；比斯瓦斯，KG (2022)。“对毫米级管道中纳米粒子辅助传质和双相系统动力学研究的批判性评论”。化学工程和加工-过程强化。170：108675。doi ： 10.1016 /j.cep.2021.108675。

10.   ^ 贾斯瓦尔，P；库马尔，Y.；尼加姆，KDP；熊猫，D.；比斯瓦斯，KG (2022)。“共价固定的镍纳米粒子增强了两相流系统的毫通道中的传质”。工业与工程化学研究。61（10）：3672-3684。DOI：10.1021/acs.iecr.1c04419。