微型反應(yīng)器(microreactor)最初是指尺寸在10毫米左右的小型管式反應(yīng)器，用于催化劑評(píng)價(jià)和動(dòng)力學(xué)研究。由于微細(xì)制造技術(shù)的逐漸普及(應(yīng)用于各種化學(xué)領(lǐng)域),micro的意義發(fā)生了變化，它特別修飾了用微加工技術(shù)制造的化學(xué)體系。

微通道反應(yīng)器的特性研究。

1快速攪拌。

微通道的寬度和深度較小(通常為幾十至幾百微米)，使反應(yīng)物之間的擴(kuò)散距離大大縮短，因而質(zhì)的傳遞速度加快，反應(yīng)物在流動(dòng)過(guò)程中短時(shí)間內(nèi)即可充分混合。

2比表面積大。

微孔道的比表面積一般在5000~50000m2左右，而常規(guī)反應(yīng)容器則在100m2左右，少數(shù)在1000m2左右。微槽道比表面積大，熱交換效率高，即使在強(qiáng)烈放熱反應(yīng)中瞬間釋放的大量反應(yīng)熱也能及時(shí)轉(zhuǎn)移出去，保持反應(yīng)溫度在安全范圍內(nèi)。所以，微通道反應(yīng)器特別適合研究反應(yīng)量小、反應(yīng)異常劇烈的合成反應(yīng)。

3環(huán)保保障

用微流道反應(yīng)器進(jìn)行合成反應(yīng)，所需反應(yīng)物的用量微乎其微，因此可以減少昂貴、有毒、有害反應(yīng)的用量，并減少反應(yīng)過(guò)程中的環(huán)境污染物。微通道反應(yīng)器是一種環(huán)境友好、合成和研究新型物質(zhì)的技術(shù)平臺(tái)。

4體積小。

微通道反應(yīng)器尺寸的減小直接導(dǎo)致反應(yīng)體積明顯降低，在很小的占地面積下實(shí)現(xiàn)高效的合成，同時(shí)具有安全、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。

5反應(yīng)少。

用微孔道反應(yīng)器進(jìn)行合成反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)物配比、溫度、壓力、反應(yīng)時(shí)間、流速等反應(yīng)條件都比較容易控制。在反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)物的濃度不斷下降，生成物的濃度不斷增加，副反應(yīng)的減少。

6持續(xù)反應(yīng)。

反應(yīng)過(guò)程以連續(xù)流動(dòng)的方式在微通道反應(yīng)器中進(jìn)行。當(dāng)化學(xué)反應(yīng)速度較大時(shí)，可通過(guò)調(diào)整反應(yīng)物流速度和微流道長(zhǎng)度來(lái)準(zhǔn)確控制微通道反應(yīng)器中物料的反應(yīng)時(shí)間。

7數(shù)增加放大。

在生產(chǎn)過(guò)程中，采用微流道反應(yīng)器技術(shù)，工藝放大并不是通過(guò)增加微流道的特征尺寸，而是增加微流道的數(shù)量。因此，小試所得到的最佳反應(yīng)條件無(wú)需任何改變，即可直接進(jìn)行生產(chǎn)，沒(méi)有小試反應(yīng)器放大的困難。這種方法可以大大縮短產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)室到市場(chǎng)的時(shí)間，對(duì)化工行業(yè)意義極為重大。

8彈性生產(chǎn)。

從理論上講，微通道反應(yīng)器可以通過(guò)改變單個(gè)微通道反應(yīng)器的連接管道直接用于其它反應(yīng)過(guò)程，因此微通道反應(yīng)器具有很高的操作彈性，工業(yè)上可根據(jù)市場(chǎng)供需情況，實(shí)時(shí)增減部分反應(yīng)器進(jìn)行調(diào)整。

2.9微通道反應(yīng)器的主要缺點(diǎn)是固體物料不能通過(guò)微通道，如果在反應(yīng)中產(chǎn)生了大量固體物質(zhì)，微通道很容易被堵塞，導(dǎo)致不能連續(xù)生產(chǎn)。

微流道反應(yīng)器的應(yīng)用。

1硝化反應(yīng)。

研究了微孔道反應(yīng)器中苯酚的自催化硝化反應(yīng)，該反應(yīng)的最佳反應(yīng)溫度為20℃。該反應(yīng)在常規(guī)反應(yīng)器中進(jìn)行，對(duì)體積為lL的反應(yīng)進(jìn)行劇烈的放熱，溫度升至55℃，而在微反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)，溫度變化不大于5℃，收得率由55%提高到75%，同時(shí)產(chǎn)品純度提高，副產(chǎn)物含量明顯降低。

2催化氫化反應(yīng)。

在微流道反應(yīng)器中，使在爆炸極限內(nèi)的氫-氧催化燃燒反應(yīng)在高空速、低壓降、等溫及動(dòng)力學(xué)控制區(qū)安全地進(jìn)行，進(jìn)入H2的量濃度為8%，反應(yīng)溫度150℃，轉(zhuǎn)化率可達(dá)90%。

3低溫反應(yīng)。

在微流道反應(yīng)器中，Kawaguehi等[14]研究了環(huán)己醇的Swerm氧化反應(yīng)。傳統(tǒng)反應(yīng)器-70℃反應(yīng)條件下，環(huán)己酮的收率為83%，在-20℃時(shí)，由于局部過(guò)熱，產(chǎn)率急劇下降至19%。微孔道反應(yīng)器中，在-20℃下反應(yīng)2.4s，環(huán)己酮的收率可達(dá)88%；在0~20℃范圍內(nèi)，通過(guò)精確控制反應(yīng)物在微通道中的停留時(shí)間，可以使反應(yīng)時(shí)間縮短到0.01s，環(huán)己酮的收率可達(dá)89%。

4氧化反應(yīng)。

在反應(yīng)溫度70~115℃、反應(yīng)時(shí)間3s、壓力0.3~0.5kPa的條件下，用雙氧水為氧化劑，硝酸鐵為催化劑，在反應(yīng)溫度為70~115℃、反應(yīng)時(shí)間為3s和0.3~0.5kPa的條件下，轉(zhuǎn)化率高達(dá)99%。

5加成反應(yīng)

在微量比值為1∶1的條件下，研究了草酸二烷基與芳基鋰及其衍生物的反應(yīng)，在量比為1∶1的條件下快速反應(yīng)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率提高到98%。

6溴化和氯化。

在微通道反應(yīng)器中，通過(guò)叔丁醇的溴化反應(yīng)制備溴代叔丁烷，叔丁醇的轉(zhuǎn)化率分別為92.3%、99.1%、88.3%和86.5%。與傳統(tǒng)工藝相比，微通道技術(shù)提高了反應(yīng)效率，降低了反應(yīng)條件的要求，減少了廢酸的產(chǎn)生，提高了生產(chǎn)效率。

7氟化。

在單通道鎳基反應(yīng)器中對(duì)二酮和酮酯等進(jìn)行選擇性氟化和全氟化。用甲酸作溶劑，在進(jìn)樣過(guò)程中注入混合有10%氟的氮。當(dāng)氣體從通道中間流過(guò)時(shí)，液體在通道表面形成一層液膜，使氣液之間的相接觸面積大，反應(yīng)迅速。結(jié)果表明，由鎳形成的通道有利于中間體的生成，具有一定的催化作用。

8環(huán)化反應(yīng)。

在微通道反應(yīng)器中對(duì)環(huán)氧丙烷進(jìn)行連續(xù)合成，其轉(zhuǎn)化率達(dá)99.6%，環(huán)氧氯丙烷收率達(dá)98.5%。

9重氮化反應(yīng)。

Hartung等采用多種溶劑，采用多步法合成重氮甲烷前驅(qū)體，其重氮化反應(yīng)產(chǎn)率達(dá)90%以上，明顯高于常規(guī)反應(yīng)器產(chǎn)品的收率。

10酯化反應(yīng)。

采用內(nèi)徑0.6mm的不銹鋼毛細(xì)管反應(yīng)器，在合適的工藝條件下，只需14.3min的反應(yīng)時(shí)間，巰基乙酸甲酯的收率可達(dá)94%以上，與常規(guī)間歇釜式反應(yīng)器相比，反應(yīng)時(shí)間大大縮短，產(chǎn)品酯的收率可達(dá)94%以上。