進入 21 世紀, 化工過程向著更為綠色、 安全、 高效的方向發(fā)展, 而新工藝、 新設備、 新技術的開發(fā)對于化工過程的進步 是十分重要的。在這樣的 背景下, 微化工系統(tǒng)的出現(xiàn)吸引了研究者和生產(chǎn)者的關注。微化工系統(tǒng)并非簡單的微小型化工系統(tǒng),而是指帶有微反應或微分離單元的新型化工系統(tǒng)。在微化工系統(tǒng)中, 微反應器是重要的核心之一。
微反應器是一類新型的反應設備, 起源自 20 世紀 90 年代。具體來說，微反應器是一種借助于特殊微加工技術以固體基質制造的可用于進行化學反應的三維結構元件。微反應器通常含有小的通道尺寸(當量直徑小于500 µm)和通道多樣性，流體在這些通道中流動，并要求在這些通道中發(fā)生所要求的反應。這樣就導致了在微構造的化學設備中具有非常大的表面積/體積比率。微反應器內流體的存在狀態(tài)不同于傳統(tǒng)的反應器, 其內部流體的流動或分散尺度在1μm到1mm之間, 這種流體被稱為微流體。微流體相對于常規(guī)尺度的流體具有一定的特殊性, 主要體現(xiàn)在流體力學規(guī)律的變化、傳遞過程的強化、固有的安全性以及良好的可控性等。目前, 微反應器已經(jīng)被廣泛應用于化學、化工、生物、材料等諸多領域的研究和生產(chǎn)過程中, 體現(xiàn)出了良好的發(fā)展前景, 這其中一大部分是主體相為液相的均相或非均相反應過程。
近年來與微反應器相關的流動、 混合、 反應等方向的研究工作發(fā)展十分迅速, 帶動了微反應器技術的快速發(fā)展。作為一類新型的反應設備, 微反應器的形式近年來得到了不斷發(fā)展。微反應器是具有特定微結構的反應設備, 微結構是微反應器的核心, 按照微結構種類的不同產(chǎn)生了不同形式的微反應器, 幾種典型的微反應器有: 微通道反應器、 毛細管微反應器、 降膜式微反應器、 多股并流式微反應器、 微孔陣列和膜分散式微反應器以及外場強化式微反應器等。
微通道反應器是較廣泛使用的微反應器, 通過光刻、蝕刻和機械加工的方法可以方便地在硅片、玻璃、聚二甲基硅氧烷 (PDMS )和聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA )等材料上制作尺寸各異的微通道。根據(jù)流體的加入方式不同, 微通道反應器又分為T型、水力學聚焦、同軸環(huán)管和幾何結構破碎等多種類型。
相對于傳統(tǒng)反應器, 微反應器內流體的流動和分散尺度要小1~2個數(shù)量級, 這使得微反應器具備了很多優(yōu)異的性能, 而微流體的引入也使得微反應器內流動、傳遞規(guī)律和常規(guī)設備相比發(fā)生了一定的變化。
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器內的流動規(guī)律仍然滿足連續(xù)介質模型, 連續(xù)性方程和N-S方程對于液相微流體仍然是適用的, 因此目前對于微反應器內的液體單相流流動行為研究還比較少, 但是對微尺度下以液相為主的多相流的研究卻發(fā)展十分迅速。在微反應器內影響多相流流動行為的作用力相對于常規(guī)反應設備發(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1~5個數(shù)量級, Ca數(shù)、We 數(shù)是描述微尺度流動的重要的無因次準數(shù)。在微反應器內基本上不存在攪拌槳等動力輸入設備,因此在微反應器內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。在微反應器內這幾種作用力的大小和作用方向可以通過微結構的結構形式、反應器壁面的浸潤性和實驗的操作條件來調控。例如, 通過調整微通道的進料方式和流體與壁面的接觸角, 就能夠控制微通道內是哪一相分散、 分散的尺度是多少等影響反應過程的關鍵參數(shù)。
微反應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管微反應器內的流動以層流為主, 而大通量的幾種微反應器內可以在較高的流速下獲得湍流。在非均相流動體系中, 隨著不互溶流體的引入, 微反應器內產(chǎn)生更為豐富的氣/液、液/液、氣/液/液等多相流流型。與傳統(tǒng)的開放空間式的反應器不同, 微反應器內的流體處于一個受限的空間內, 在微通道的結構、 浸潤性和流體相含率的共同作用下, 微反應器內產(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, 同一設備內的不同流型主要受設備結構、相比、Ca數(shù)、We數(shù)等因素影響。而不同的流型帶來了不同的流場情況, 這對于反應過程的影響是十分顯著的, 在微反應器內因為相界面對流體的分割作用和微通道對于流體的摩擦作用的存在, 使得微反應器內存在強烈的內循環(huán)和二次流流動, 這對于強化反應物的混合是十分重要的。
微反應器內的流體分散和混合尺度都在微米量級，相對于傳統(tǒng)設備內多尺度的流動、 混合狀態(tài)，微反應器內的分散尺度更為均一，這也是得益于微反應器內取消了攪拌設備, 代之以更為溫和的微結構來完成流體的破碎和混合過程。研究結果表明, 在微通道內可以獲得多分散性因子小于2%的單分散乳液流和氣泡流。另外通過合理設計微結構的排列方式, 還可以獲得復雜的雙乳液和多乳液結構，這使得微反應器對反應物的存在 狀態(tài)更為可控。微反應器多使用連續(xù)操作的模式，在流動狀態(tài)上微反應器內的流動較為接近平推流, 特別是在液柱流、 液滴流等流型下, 反應器內的軸向擴散作用被削弱, 這使得反應時間可以得到控制。微反應器內的反應時間一般在毫秒到秒的量級, 快反應可以在微反應器內高效完成, 但對于慢反應在微反應器內的應用還有待于深入研究。微小的反應體積帶來的另一個優(yōu)勢就是從開車到反應系統(tǒng)穩(wěn)定的時間被大幅縮短。
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