進(jìn)入 21 世紀(jì), 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(shè)備、 新技術(shù)的開發(fā)對于化工過程的進(jìn)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(guān)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(yīng)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(yīng)器是重要的核心之一。
微反應(yīng)器是一類新型的反應(yīng)設(shè)備, 起源自 20 世紀(jì) 90 年代。具體來說，微反應(yīng)器是一種借助于特殊微加工技術(shù)以固體基質(zhì)制造的可用于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)元件。微反應(yīng)器通常含有小的通道尺寸(當(dāng)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(yīng)。這樣就導(dǎo)致了在微構(gòu)造的化學(xué)設(shè)備中具有非常大的表面積/體積比率。微反應(yīng)器內(nèi)流體的存在狀態(tài)不同于傳統(tǒng)的反應(yīng)器, 其內(nèi)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(xué)規(guī)律的變化、傳遞過程的強(qiáng)化、固有的安全性以及良好的可控性等。目前, 微反應(yīng)器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、化工、生物、材料等諸多領(lǐng)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(yīng)過程。
近年來與微反應(yīng)器相關(guān)的流動、 混合、 反應(yīng)等方向的研究工作發(fā)展十分迅速, 帶動了微反應(yīng)器技術(shù)的快速發(fā)展。作為一類新型的反應(yīng)設(shè)備, 微反應(yīng)器的形式近年來得到了不斷發(fā)展。微反應(yīng)器是具有特定微結(jié)構(gòu)的反應(yīng)設(shè)備, 微結(jié)構(gòu)是微反應(yīng)器的核心, 按照微結(jié)構(gòu)種類的不同產(chǎn)生了不同形式的微反應(yīng)器, 幾種典型的微反應(yīng)器有: 微通道反應(yīng)器、 毛細(xì)管微反應(yīng)器、 降膜式微反應(yīng)器、 多股并流式微反應(yīng)器、 微孔陣列和膜分散式微反應(yīng)器以及外場強(qiáng)化式微反應(yīng)器等。
微通道反應(yīng)器是較廣泛使用的微反應(yīng)器, 通過光刻、蝕刻和機(jī)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(yīng)器又分為T型、水力學(xué)聚焦、同軸環(huán)管和幾何結(jié)構(gòu)破碎等多種類型。
相對于傳統(tǒng)反應(yīng)器, 微反應(yīng)器內(nèi)流體的流動和分散尺度要小1~2個(gè)數(shù)量級, 這使得微反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)流動、傳遞規(guī)律和常規(guī)設(shè)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(yīng)器內(nèi)的流動規(guī)律仍然滿足連續(xù)介質(zhì)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(yīng)器內(nèi)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(yīng)器內(nèi)影響多相流流動行為的作用力相對于常規(guī)反應(yīng)設(shè)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(gè)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(zhǔn)數(shù)。在微反應(yīng)器內(nèi)基本上不存在攪拌槳等動力輸入設(shè)備,因此在微反應(yīng)器內(nèi)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(yīng)器內(nèi)這幾種作用力的大小和作用方向可以通過微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、反應(yīng)器壁面的浸潤性和實(shí)驗(yàn)的操作條件來調(diào)控。例如, 通過調(diào)整微通道的進(jìn)料方式和流體與壁面的接觸角, 就能夠控制微通道內(nèi)是哪一相分散、 分散的尺度是多少等影響反應(yīng)過程的關(guān)鍵參數(shù)。
微反應(yīng)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(xì)管微反應(yīng)器內(nèi)的流動以層流為主, 而大通量的幾種微反應(yīng)器內(nèi)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(yīng)器內(nèi)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(yīng)器不同, 微反應(yīng)器內(nèi)的流體處于一個(gè)受限的空間內(nèi), 在微通道的結(jié)構(gòu)、 浸潤性和流體相含率的共同作用下, 微反應(yīng)器內(nèi)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(shè)備內(nèi)的不同流型主要受設(shè)備結(jié)構(gòu)、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(yīng)過程的影響是十分顯著的, 在微反應(yīng)器內(nèi)因?yàn)橄嘟缑鎸α黧w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(yīng)器內(nèi)存在強(qiáng)烈的內(nèi)循環(huán)和二次流流動, 這對于強(qiáng)化反應(yīng)物的混合是十分重要的。
微反應(yīng)器內(nèi)的流體分散和混合尺度都在微米量級，相對于傳統(tǒng)設(shè)備內(nèi)多尺度的流動、 混合狀態(tài)，微反應(yīng)器內(nèi)的分散尺度更為均一，這也是得益于微反應(yīng)器內(nèi)取消了攪拌設(shè)備, 代之以更為溫和的微結(jié)構(gòu)來完成流體的破碎和混合過程。研究結(jié)果表明, 在微通道內(nèi)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(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)的排列方式, 還可以獲得復(fù)雜的雙乳液和多乳液結(jié)構(gòu)，這使得微反應(yīng)器對反應(yīng)物的存在 狀態(tài)更為可控。微反應(yīng)器多使用連續(xù)操作的模式，在流動狀態(tài)上微反應(yīng)器內(nèi)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(yīng)器內(nèi)的軸向擴(kuò)散作用被削弱, 這使得反應(yīng)時(shí)間可以得到控制。微反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間一般在毫秒到秒的量級, 快反應(yīng)可以在微反應(yīng)器內(nèi)高效完成, 但對于慢反應(yīng)在微反應(yīng)器內(nèi)的應(yīng)用還有待于深入研究。微小的反應(yīng)體積帶來的另一個(gè)優(yōu)勢就是從開車到反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定的時(shí)間被大幅縮短。
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