微化學(xué)工程技術(shù)發(fā)展淺談

摘 要：興起于上世紀(jì)90年代初期的微化學(xué)工程技術(shù)，是一門多學(xué)科交叉的前沿科學(xué)，該技術(shù)將微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想與化學(xué)化工基本原理有機(jī)的結(jié)合在一起，而移植成電路和微傳感器制造技術(shù)。微化學(xué)工程技術(shù)所涉獵的學(xué)科非常廣泛，如化學(xué)、材料、化工、機(jī)械等，文章將對(duì)該技術(shù)的主要應(yīng)用做簡(jiǎn)單論述。

關(guān)鍵詞：微化工；技術(shù)；發(fā)展

1 微化工技術(shù)的概述

微化工技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)時(shí)間的大幅度縮短，從幾小時(shí)甚至幾十小時(shí)縮短至幾十秒，乃至幾秒，而且反應(yīng)容器的體積也得以縮小成為以升或毫升為單位的容器。微化工技術(shù)自形成以來(lái)，到如今僅僅經(jīng)過(guò)了20多年的發(fā)展階段，已經(jīng)憑借其特有的魅力讓我們對(duì)化工生產(chǎn)的前景充滿了希望。如利用可直接放大而且具有較高安全性，能夠比較容易控制反應(yīng)過(guò)程的技術(shù)，改變化學(xué)工業(yè)污染重、能耗高的傳統(tǒng)發(fā)展模式，實(shí)現(xiàn)綠色化工生產(chǎn)，提高化工生產(chǎn)的資源與能源利用的效率。化工過(guò)程中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)往往會(huì)受到來(lái)自于傳遞速率或本征反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的控制或者處于兩者的共同控制下。

2 微化工系統(tǒng)的特點(diǎn)及優(yōu)越性

2.1 有利于化學(xué)反應(yīng)的精確控制

微反應(yīng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理是對(duì)微管道中的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)的運(yùn)用，從而準(zhǔn)確控制物料在反應(yīng)條件下的停留時(shí)間，而且這一方法的運(yùn)用，明顯減少了反應(yīng)物的所需用量，因此反應(yīng)時(shí)間大幅度縮短，而且顯著提高了精度，從而能夠?qū)⒁蛟谶^(guò)程的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的副產(chǎn)品清除掉。檢測(cè)時(shí)間因微組合化學(xué)合成與分析系統(tǒng)的應(yīng)用，將原來(lái)的2-3個(gè)小時(shí)縮短至不足一分鐘，而精度卻提高到仄摩爾（10-21mol）。

2.2 安全可靠

特征尺寸與火焰?zhèn)鞑ヅR界直徑相比，相對(duì)要小一些，而且微通道具有很強(qiáng)的傳熱能力，從而為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的順利進(jìn)行提供了條件。同時(shí)，也有效地抑制自由基爆炸反應(yīng)。由于微化工系統(tǒng)的換熱效率極高，再加上系統(tǒng)內(nèi)存有能夠滯留的物料，即使發(fā)生了自由基爆炸的情況，所造成的后果也屬于可控范圍內(nèi)，從而促使在過(guò)去于常規(guī)設(shè)備內(nèi)完成的具有較大危險(xiǎn)的化學(xué)反應(yīng)而不敢或不能進(jìn)行的試驗(yàn)，得以實(shí)現(xiàn)。

2.3 小試工藝不需中試可以直接放大

將微反應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)時(shí)，工藝放大的實(shí)現(xiàn)可以運(yùn)用增加微通道數(shù)量的方式，而不能選擇增加微通道特征尺寸。這樣就有效減少了中間的試驗(yàn)放大階段，提高了效率。由此可以看出小試工藝的突出優(yōu)勢(shì)在于最佳反應(yīng)條件可以直接進(jìn)入生產(chǎn)而不需要提前對(duì)其作出任何改變，有效解決了過(guò)去需要將常規(guī)反應(yīng)器放大的難題。

3 微反應(yīng)器的研究與應(yīng)用

3.1 微反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

微反應(yīng)器作為一個(gè)微系統(tǒng)，其復(fù)雜性可見(jiàn)一斑，而且設(shè)計(jì)當(dāng)中覆蓋了多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用提出了較高的要求。由此可以看出，微反應(yīng)器的各部件與微通道的制作都必須以精密的設(shè)計(jì)與研究作為基礎(chǔ)和前提。微通道對(duì)于熱交換和傳遞都有著重大的影響，因此存在著復(fù)雜的關(guān)系。微通道的直徑數(shù)量級(jí)單位為微米，所以流體所在的容器為微米量級(jí)寬度的管道，一般情況下雷諾準(zhǔn)數(shù)在幾十到幾百之間，粘滯力比慣性力大，流體為層流狀態(tài)。

3.2 微反應(yīng)器適合的類型

根據(jù)相關(guān)研究表明，微反應(yīng)器只能運(yùn)用于30%的精細(xì)化領(lǐng)域的有機(jī)反應(yīng)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)收率、選擇性以及安全性等方面的提高。由此可以判斷出，微反應(yīng)并不是能夠應(yīng)用于所有類型的化學(xué)反應(yīng)，其所具有的優(yōu)勢(shì)可以在以下化學(xué)反應(yīng)中得以體現(xiàn)。

3.2.1 放熱劇烈的反應(yīng)。對(duì)于這類反應(yīng)，運(yùn)用常規(guī)反應(yīng)器時(shí)，進(jìn)料方式會(huì)選擇逐漸滴加。而即使采用逐漸滴加，也仍然會(huì)出現(xiàn)局部瞬間過(guò)熱的現(xiàn)象，產(chǎn)生一定量的副產(chǎn)物。而微反應(yīng)器的應(yīng)用，則能夠及時(shí)將熱量導(dǎo)出，從而精確控制反應(yīng)溫度。

3.2.2 反應(yīng)物或產(chǎn)物不穩(wěn)定的反應(yīng)。某些反應(yīng)物或生成物具有很強(qiáng)的不穩(wěn)定性，即使在反應(yīng)器中做短暫的停留，也會(huì)分解而降低收率。而微反應(yīng)器的原理是連續(xù)流動(dòng)，從而對(duì)反應(yīng)物的停留時(shí)間加以精確控制，從而防止出現(xiàn)類似于常規(guī)反應(yīng)器中的由于反應(yīng)物或生成物不穩(wěn)定而分解的情況。

3.3 微反應(yīng)器技術(shù)的應(yīng)用

微反應(yīng)器技術(shù)在發(fā)展的過(guò)程當(dāng)中，主要的應(yīng)用范圍是小試研究，應(yīng)用的目的有改善工藝條件，實(shí)現(xiàn)催化劑篩選和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)測(cè)定等。由于微反應(yīng)器技術(shù)具有許多突出的優(yōu)勢(shì)，而被越來(lái)越多的化工生產(chǎn)作為第一選擇對(duì)象。大量的歐洲公司和研究機(jī)構(gòu)，特別是發(fā)展規(guī)模較大的化工和醫(yī)藥公司都在微反應(yīng)器新生產(chǎn)工藝的開發(fā)與應(yīng)用方面投入了大量的人力、物力和財(cái)力，而在我國(guó)該項(xiàng)技術(shù)還處于理論階段，還沒(méi)有關(guān)于工業(yè)應(yīng)用的報(bào)道。

4 結(jié)束語(yǔ)

微化工技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外化工廠家或?qū)嶒?yàn)室的廣泛關(guān)注，各國(guó)政府都先后制定了研究計(jì)劃。然而，在實(shí)際的化工生產(chǎn)過(guò)程中，其應(yīng)用案例還為數(shù)不多，業(yè)界還處于觀望階段。因此，對(duì)微化工技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)的研究還需要不斷深化，以提高其利用率。

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