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浅谈微化工

1、发展历史

20世纪50年代集成电路问世以来,之后的数十年,电路的集成度至少提高了3个数量级。相应地,电路运行时,每个芯片产生的热量也将大幅度增加,这给微电子器件的热控制提出严苛的要求。在此背景下,20世纪80年代,微尺度换热器作为一种新的冷却技术应运而生。这里的“微”的更多是指管道、通道的“微”。因为微通道较常规尺度有着高效的传热、传质能力,所以其很快切入到化学工程领域。

微化工技术 

20世纪90年代初,随着芯片反应器的发明,微化工技术的概念在相关领域迅速传播,引起研究者的极度关注,并迅速成为化学工程学科的前沿和热点方向之一。至今,微化工仍逐步地向前迈进,不断地发展与丰富。

2、简介

微化工过程是以微结构元件为核心,在微米或亚毫米(0.1-1mm)的受限空间内进行的化工过程。针对微反应器,通常要求其特征长度小于0.5mm。在微化工过程中,微小的分散尺度强化了混合与传递过程,从而提高了过程的可控性和效率。当将其应用于工业生产过程的时候,通常依照并联的数量放大的基本原则,来实现大规模的生产。

微化工技术通常包括,微换热、微反应、微分离和微分析等系统,其中前两者是较为主要的。

理解传热强化

简单的来说,相较于常规尺度下的管道,微通道有着极大的比表面积。这保证了在整个传热过程中,管壁与内在流体之间存在着快速的热传递,能够很快实现传热平衡。

理解传质强化

一般来说,微通道的尺寸微小,有着更短的传递距离,有利于传质过程的快速完成,实现温度与浓度的均匀分布;同时另一方面,大多数微尺度流动的雷诺数远小于2000,流动状态为层流,没有内部涡流,这反而不利于传质的快速完成。而大多数文献认为微化工器件仍是强化传质能力的,因为人们已经在致力于研究新型的微混合设备和方法。

3、优势(主要针对微反应器)

微反应器由于其特性,具有以下五点优势:

1、试剂少量,成本降低

当用微反应器进行物质性质的检验或者化学过程的研究的时候,极少的试剂量便可实现。这显著地降低了成本,同时也可以得到较为准确的理化性质。

2、选择性高

对于很多的生化反应,同样的反应物往往得到多种产物。这其实由于反应条件控制不够精确稳定,从而影响反应的动力学与热力学过程,影响最终的产物。而在微反应器中,能够很好控制反应条件,实现对产品的高精度选择。

3、绿色低耗

传热效率的提高也使得能量利用率得到极大的改善,相比于常规下的生产过程,微化工过程能量消耗更少,也更为绿色环保。而且,就像上面所说的,微反应能够实现对产物的高度选择,这将大大减少后续的分离工作。

4、反应迅速

这一优势主要体现在那些反应的决速步是传质步骤的时候。也就是在常规尺度下,由于传质速率较慢,其成为整个反应的控制步骤。对于这一类反应,利用微反应器将强化传质过程,从而提高整个反应的反应速率。

同时,使用微反应器件也可以减少或者避免返混。因为在微通道里,流体流动的雷诺数是很小的,远未达到湍流的程度。因此,很少有返混的情况发生。对于正级数的反应,这能防止返混对反应带来的不利影响。

5、安全

微反应器中微小的空间使得那些涉及高活性、毒性或爆炸性的中间体的反应能够在更安全的情况(主要是指积累的量少)下进行。而且足够大的比表面积也允许放热反应能够在反应过程中迅速的向外传递热量,降低过热爆炸的风险。

4、微化工与常规设备化工的关系

上述优势是微化工相对于常规尺度下的化工来说的。至少在很长的一段时间内,微化工是不能取代现有的化工生产的。微化工应用于工业生产的时候,为了实现足够大的产量,通常采用并行的数量放大的方法,而非增加通道的特征尺寸。实际上,根据目前的情况,即使采用并行放大的方法,其年产量与大型的常规尺度下的化工生产的年产量仍有差距。所以,在工业生产的时候最好将微化工应用于生产高价值的产品,在某些反应中,可以将尺寸放大与数量放大相结合,以期达到更大的生产效率。由此可知,在一些领域微化工技术的应用是有意义的,而在另一些领域,大规模的生产过程仍然是最好的选择。

5、微反应器的应用

1、化学分析

微反应器的首次应用便是用于化学分析。待分析样品经历化学转化,可以很容易的检测出最终产物。样品分析大致分为以下过程:样品引入、样品预处理、混合、化学反应、产物分离,产物的分离与检测可以纳入一个完整的微量分析系统。微反应器只需对少量产物进行分析,从而将分析系统小型化,提高可靠性。同时减少分析时间以及对样本量和试剂的消耗。

2、获得新的化学反应和操作环境

微反应器有着诸多独特性能,如反应器体积小而操作安全,反应条件易控,传热性能好等。这些的性能可以用于开发出新的操作方案并设计出新的化学反应条件。如:

高效传热速率的系统

微反应器已用于在爆炸性环境中进行安全的高温氧化过程。例如进行有机物的催化氢化,乙烷直接氧化成环氧乙烷等反应。这些反应放出的大量热量可以很快向外散失。

 

有效控制反应时间的系统

在常规的反应中,反应物逐滴加入,以防止反应过于剧烈。但这造成一部分先加入的反应物停留时间过长,而且这个过程进行程度不可控。而微反应器技术,因为加料足够少,其在微通道的停留时间分布非常窄,这样能够精确地控制反应的时间,整个反应进程也可掌握。

微反应技术 

3、易向外扩展

微反应器通常来说都是相对独立的,可以作为基本单元向外扩展来提高生产量,而非按比例放大。这可以代替传统的路线:即实验室-中试工厂-商业规模反应器。具体来说我们可以首先优化微反应器结构,然后通过使用类似的或相同的反应器并联来增加产量。这种方法保持了基本单元的特征。与此同时,正因为通过并行扩大的方法来进行数量放大,所以从实验室到工厂的开发移植时间将大大减少了,尤其是对于那些利用常规设备难以扩大的工业生产。

6、挑战与瓶颈

为保证微反应器的优良特性,我们需要精确设计微反应器,在设计过程中,主要有以下四个方面制约着微反应器的发展:

1、反应器的材料

要制造出性能优良的反应器,就需要谨慎考虑反应器的材料的选择。一般我们对反应器基底材料的要求包括耐高压和高温、拥有优良的溶剂相容性、光学清晰度、对试剂的抗渗性以及适当的表面化学特性和对流体元件的易集成性。在学术界,PDMS(聚二甲基硅氧烷)由于其易于成型、成本低廉等优点,是器件制造中最常用的材料,但是它在化学合成中也有缺点。其中最重要的是,PDMS装置不能承受高压和高温,只能容纳范围很窄的化学反应,并且可能渗透到液体和气体中。因此找到一种更加合适的制造材料是非常必要的。

2、固体处理

微流控反应器用于多相过程与传统方法相比具有明显的优势。具体来说,不同相之间更密切的表面接触使非理想的传质效应减少,并且多相催化剂在微加工填充床反应器中有更好的选择性。因此它们使得反应有良好的反应速率、产率和选择性。但实际上,微流控反应器并不适合处理固体,无论固体是作为反应物还是副产物。从工业和生态的角度来看,微流控反应器在工业中使用的主要风险就是堵塞或破坏可能会缩短反应器的寿命。因此,如何将固体引入系统或者及时清除固体堵塞都是我们如今需要解决的问题。

3、反应器的形式

在设计一个反应器的时候,需要充分考虑到热流、端口通道、反应器功能和反应器安装的需求。比如有的时候,研究人员会习惯性地将反应芯片设计成矩形,却忽略了热力学定律或矩形形状造成不对称冷却的事实。此时系统可以工作,但通常意味着必须使用多余的能量来保持最佳的运行条件。因此,我们在未来可以按约束将反应进行分类,在所研究的系统给定的限制下,应该尽量选择用合适的反应器形式。

4、反应器的尺寸

微尺度由于其小尺寸造就的独特的性能而拥有巨大的优势,但实际上宏观尺度也有其优势的方面。随着尺度的减小,一些宏观上的作用,比如重力浮力等变得不再像通常情况下那样明显。此时,原本基于这些的传统分离模式逐渐变得不再有效。因此,我们在未来设计反应器时必须考虑到其尺寸的合理性。

7、总结

至今,微化工技术已经有近30年的发展历程,其在微尺度分散、混合、传递、反应、材料制备等方面已经有不容忽视的进步。但正像挑战与瓶颈部分所呈现的,微化工技术仍有不少待攻克的难题。除此之外,微化工技术的基础理论和其他新技术的发展,仍需广大研究者和工程技术人员的不断开拓。

 

参考文献

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