微通道反应器--刘辉

i北京化工大学研究生课程论文课程名称：化学反应器理论课程代号：ChE540任课教师：文利雄完成日期：2014年3月24日专业：化学工程技术学号：2014202224姓名：mongmong成绩：ii微通道反应器发展及应用摘要微化工技术作为化学工程学科中一个新的发展方向是实现化工过程绿色、安全、高效的重要方法,微反应器作为微化工系统的核心已经成为科学研究的热点之一。近年来,随着微尺度下“三传一反”研究的进展,微尺度流体的性能得到了深入揭示,微反应器技术也被广泛应用于科学研究和工业生产领域。本文综合概括了微通道反应器的基本概念及主要优点，讲述了微通道反应器的发展及演变历程，详细介绍了微通道反应器的分类及结构，重点讲述微通道反应器的流体力学和混合特性，接着介绍了微通道反应器所适用的反应体系和目前微通道反应器的工业应用实例，最后又针对微通道反应器的一系列问题的研究现状进行了总结和概括，并对它的应用前景进行了展望。iiiAbstactAsanewchemicalprocessdevelopmentdirection,Themicrochemicalengineeringsystemisanimportanttechnologytomakethechemicalengineeringprocessgreen,safeandhighlyefficient.MicrochannelReactor-thecoreofmicro-chemicalsystemshasbecomeahottopicofscientificresearch.Duringrecentyears,manykindsofmicroreactorshavebeendesignedandthetransportperformanceoffluidatamicroscalehasbeenwidelyinvestigated.Furthermore,themicroreactorhasbeenwidelyusedintheresearchandindustrialprocess.Thispapersummarizesthebasicconceptsofmicrochannelreactorandit’smainadvantages,talksaboutthedevelopmentofmicrochannelreactorandevolutionprocess.itintroducestheclassificationandstructureofMicrochannelReactorindeatails,whichforcusingonitshydrodynamicsperformanceandmixingfeatures,thenintroducestheindustrialapplicationexamplesandthereactionsystemappliedcurrently.andfinally,Arangeofissuesfortheresearchstatusofmicrochannelreactorsweresummarizedanddescribed,anditsapplicationwasprospectedtoo.Keywords：MicrochannelReactor;microscale;microchemicalengineeringiv前言20世纪微电子技术和数字技术的高速发展，计算机的更新换代已将微型化的理念引入工作和生活的各个领域。微加工技术起源于航天工业，最初是为了满足空间尺寸的需要，它所表现出的多重优点很快引起了科学界的广泛重视，先后被应用到化学、分子生物学和分子医学领域，并迅速取得了惊人的成果。例如，1993年RicharMathies在生物芯片上测定了DNA片断，整体基因排序的完成，打开了洞彻分子信息的窗口[1]。微型泵、微反应器、微混合器以及微分离器在化学领域的应用，使均相和多相反应更加安全、快速，高效。毫无疑问微加工技术是现代科技的代表和产物，必将推动人类文明的进程。进入21世纪,化工过程向着更为绿色、安全、高效的方向发展,而新工艺、新设备、新技术的开发对于化工过程的进步是十分重要的。在这样的背景下,微化工系统的出现吸引了研究者和生产者的极大关注。微化工系统并非简单的微小型化工系统,而是指带有微反应或微分离单元的新型化工系统。在微化工系统中,微反应器是重要的核心之一。微加工技术最卓越的贡献之一是加工出形状各异的微反应器。微反应器也称为微结构或微通道反应器，内部包含各种形状的微通道，当反应物通过微通道时发生相应的反应。对比常用的反应器，由于微反应器小而精密的结构特征，它具有高的传热、传质和反应效率[2-3]，并且安全又便于携带，以至于越来越多的科学家致力于微反应器的研究和应用。v目录第一部分．微通道反应器概念................................................1第二部分．微通道反应器的起源与演变................................2第三部分．微通道反应器的结构............................................4第四部分．微通道反应器流体力学与混合特性....................84.1流体力学......................................................................84.1.1微尺度流体间的作用力和多相流流型...........84.1.2微通道内气液两相流的流型及流型图..........94.1.3微通道内两相流传质的研究........................114.1.4传递过程的强化............................................134.2混合特性....................................................................13第五部分．微通道反应器的应用（适用的反应体系）......155.1微通道反应器反应特点...........................................155.2微反应器适合的反应类型........................................19第六部分．微通道反应器工业应用实例..............................21七．前景与展望......................................................................24八．结语..................................................................................25参考文献：..............................................................................261第一部分．微通道反应器概念微反应器，即微通道反应器，利用精密加工技术制造的特征尺寸在10到300微米（或者1000微米）之间的微型反应器。图1.微通道反应器的概念微通道反应器是一个复杂的微系统，其内容涵盖了微动力学、微摩擦学、微流体力学、微传热学、微电子学、化学等多门学科，所以微反应器的各部件和微通道都要进行精密的设计和研究。微通道的当量直径数量级为微米，其间流体流动的雷诺准数通常在几十到几百之间，黏滞力比惯性力大，流体为层流流动。2第二部分．微通道反应器的起源与演变微反应器是一类新型的反应设备,起源自20世纪90年代。具体来讲,微反应器一般是指通过微加工技术和精密加工技术制造的带有微结构的反应设备,微反应器内的流体通道或者分散尺度在微米量级,而微反应器的处理量则依据其应用目的的不同达到从数微升/分钟到数万立方米/年的规模。近年来与微反应器相关的流动、混合、反应等方向的研究工作发展十分迅速,带动了微反应器技术的快速发展。“微反应器(microreactor)”最初是指一种用于催化剂评价和动力学研究的小型管式反应器,其尺寸约为10mm。随着本来发展用于电路集成的微制造技术逐渐推广应用于各种化学领域，前缀“micro”含义发生变化,专门修饰用微加工技术制造的化学系统。此时的“微反应器”是指用微加工技术制造的一种新型的微型化的化学反应器，但由小型化到微型化并不仅仅是尺寸上的变化，更重要的是它具有一系列新特性，随着微加工技术在化学领域的推广应用而发展并为人所重视。微加工技术起源于航天技术的发展，曾推动了微电子技术和数字技术的迅速发展。这给科学技术各个分支的研究带来新的视点，尤其是在化学、分子生物学和分子医学领域。较早引入微加工技术的是生物和化学分析领域。自从1993年RicharMathies首先在微加工技术制造的生物芯片上分离测定了DNA片段[4]后，生物芯片技术与计算机的结合，促成了基因排序这一伟大的科学成就；而化学分析方面差不多同时发展了在组合化学、催化剂筛选和手提分析设备等方面有着3诱人应用前景的微全分析系统(μTAS)[5]。而把微加工技术应用于化学反应的研究始于1996年前后,Lerous[6]和Ehrfeld等[7]各自撰文系统阐述了微反应器在化学工程领域的应用原理及其独特优势。现在微反应技术吸引了众多学者在各个领域展开深入的研究，形式多样的新型微反应器层出不穷，成为化学工程学科发展的一个新突破点。尽管如此，国外对微反应器的研究尚不成熟，对微反应器的原理及应用前景的看法也不尽一致，而国内对微反应器的研究还刚刚开始。图2.微通道反应器的发展作为一类新型的反应设备,微反应器的形式近年来得到了不断发展。微反应器是具有特定微结构的反应设备,微结构是微反应器的核心,按照微结构种类的不同产生了不同形式的微反应器,几种典型的微反应器有:微通道反应器、毛细管微反应器、降膜式微反应器、多股并流式微反应器、微孔阵列和膜分散式微反应器以及外场强化式微反应器等4第三部分．微通道反应器的结构图3.微通道反应器内部结构微通道的形状是多种多样的，有矩形的、梯形的、双梯形的以及不规则尺寸的。到目前为止，制造微通道可应用的微加工技术包括：精密机械加工、湿法刻蚀、干法刻蚀、电化学刻蚀、表面硅工艺技术、LIGA(光刻、电铸成模和塑注成型)技术、电火花加工、表面活化键合技术、激光加工等【8-10】微反应器的外形尺寸通常只有几厘米，内部的通道特征尺寸在微米级。图4是用于水煤气变换的微型反应器，内部装有25片带有微通道的金属薄片。5图4.微通道反应器构造微反应器=利用精密加工技术制造的特征尺寸在10-300微米（一般低于1000微米）的连续化的微通道反应容器图5.拜耳LH25微混合器6微通道反应器是最广泛使用的微反应器,通过光刻、蚀刻和机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异的微通道[11]。根据流体的加入方式不同,微通道反应器又分为T型、水力学聚焦、同轴环管和几何结构破碎等多种类型[12-13]毛细管微反应器是一种与微通道非常类似的反应器,利用毛细管内径的变化可以调控流体的流动和分散尺度,而毛细管的使用使得这种反应器的加工成本更为低廉,与方形的微通道不同的是毛细管通道截面为圆形,此外毛细管微反应器还可以在不影响流动的情况下,通过调整毛细管长度调整反应物的停留时间[14]。降膜式微反应器和多股并流式微反应器是由Hessel等[15-16]课题组开发的2种大通量型的微反应器,与微通道反应器不同的是,这2种反应器本身的体积并不是微米级的。降膜式微反应器利用流体在重力作用下在与其浸润的材料上可以形成微米级液膜的原理,在一个宏观尺寸的降膜板上获得了微米级的流动尺度。多股并流式微反应器则利用指状交