微反应器和微化工技术
微通道反应器的高效精细化工时代
微通道反应器的高效精细化工时代微通道连续流反应器技术基于独特的非金属耐腐材质和卓越的传热-传质性能设计，可有效强化合成反应条件，是对传统化工小试和中试生产装备的重大革新，它打开了新时代高效化学研发和生产的窗口。
让化学反应时间从几小时或几十小时缩短到几十秒到几分钟，同时解决强腐蚀、易爆、高能耗、高溶剂消耗和高污染排放等诸多难题，这正是微通道反应器独有的魅力。
微通道反应器技术已应用于医药、农药和染料中间体合成。
常见的应用领域包括选择性硝化、浆态加氢、重氮偶合、磺化、卤化和氧化等反应，以及在材料和催化剂制备中用于纳米材料合成、特种试剂制备如格氏试剂和过氧化试剂等。
微反应器技术，特别是液相微反应器技术最早于上世纪90年代后期在德国出现。
当时根据原子能技术民用化项目的要求，微型机械加工技术以及微通道结构热交换器被用于处理强放热和高危险化学品。
德国在1997年开发成功微米级高硼硅玻璃微通道反应器用于偶氮偶合反应。
微反应器技术很多年来一直徘徊在研发和科研应用阶段，停留在“微小”的流体通量水平上，主要用于实验室小剂量化学合成路线的研究和筛选。
将微反应器优良的传质和传热效能体现在大规模的产业化装置中，一直是该领域的瓶颈。
但现在已经成为具有生产成本优势的工业化利器。
据统计，在精细化工反应中，大约有20%的反应可以通过采用微流体化工技术，在收率、选择性或安全性等方面得到提高。
微化工技术可用于高效换热、高效混合、强放热反应过程，高附加值精细化学品、剧毒物质、超细/纳米颗粒以及高能炸药的生产过程。
微流体化工技术涉及物理、化学、化工、生物、材料、微电子以及微机械加工等诸多领域，学科交叉性强，其基本原理是通过特殊设计的微结构单元对流经的反应流体进行切割，实现反应流体见以微米时空尺寸，甚至更小进行混合和换热。
与传统化工技术相同，微化工技术也使用反应器、混合器、换热器等单元组件。
但同传统化工工艺相比，微化工工艺微反应工艺实现了对传质传热的真正强化，使化学过程更快的传质传热、更好的时空收率、更安全环保、更经济节能、占地面积小，大大降低投资成本及能耗。
浅析微化工技术在化学反应中的应用进展
技术应用与研究Chenmical Intermediate当代化工研究2016·0233浅析微化工技术在化学反应中的应用进展ＯＯ彭ＯＯＯ川(四川晨光工程设计院ＯＯ四川成都ＯＯ610041）摘要：微化工技术是现代化学项目范围的研究前沿和热点。
由于特点尺度的微型化,增强表面作用,传递功能相对常规尺度的设备提升了2～3个数量级。
展开微化工技术研究旨在加强化工过程安全性、推动过程加强与化工体系小型化,提升能源、资源运用效率,达到节能降耗之目的；其顺利开发和运用将对化学化工区域形成重大影响。
关键词：微化工技术；微反应器；微通道中图分类号：T 文献标识码：ABrief Analysis on the Application Development of Microchemical Technologyin Chemical ReactionPeng chuan（Szechwan Morning Engineering Design Institute, Sichuan Cheng d u 610041）Abstract ：Microchemical technology is the research front and hotspot in modern chemistry. As for the micromation of chararacter andscale,increasing surface function and transmission function have increased by 2-3 levels comparing to the conventional scale. The aim of taking microchemical technology research is to increase chemical process safety,promote the process and chemical system miniaturization,increase energy and resources operation efficiency and achieve the aim of energy-saving and cost-reducing. This technology’s success exploitation and application will bring great good influence on chemistry area.Key words: microchemical technology ；microreactor ；microchannels一、微反应器和常规釜式反应器1.常规釜式反应器在传统化工工业中，很多在间歇或半间歇釜式反应器内实施制药、精细化学品与化工中间体的合成，具备灵活操作、容易适应不一样的条件操作，一般适用于批量小、类别多的产品，在精细化学品和生物工程产品的生产中有较强的优势。
微化工技术的应用
微化工技术的应用微化工技术是一种将传统化工过程微型化和集成化的技术。
通过将反应器、分离器、传质器等微型化，可以显著提高反应速率、传质效率和热效率，减少废物排放和能源消耗，从而实现工业生产的高效、环保和可持续发展。
微化工技术已经在多个领域得到应用，本文将以几个典型的应用为例进行介绍。
1. 化学合成中的微化工技术应用在化学合成过程中，微化工技术可以实现反应的快速与高效。
例如，在有机合成中，传统的合成反应需要数小时甚至数天才能完成，而采用微化工技术后，反应时间可以缩短到数分钟甚至数秒钟。
此外，微化工技术还可以实现多相反应的高效进行，减少反应物的浪费和副产物的生成。
通过微化工技术的应用，化学合成过程的效率和选择性得到了显著提高。
2. 药物制造中的微化工技术应用微化工技术在药物制造中具有重要的应用价值。
传统的药物制造过程往往需要多个步骤的反应和分离操作，耗时且效率低下。
而采用微化工技术后，可以将多个步骤的反应和分离操作集成在一个微反应器中，实现一步法合成药物，大大提高了制药过程的效率和产品质量。
此外，微化工技术还可以实现对药物合成过程的实时监测和控制，提高了制药过程的可控性和稳定性。
3. 能源化工中的微化工技术应用能源化工是一个重要的领域，微化工技术在其中的应用也具有重要的意义。
例如，在石油炼制过程中，传统的精馏塔操作存在能耗高、设备大等问题，而采用微化工技术后，可以将精馏过程微型化，减少能耗和设备体积。
另外，微化工技术还可以应用于煤制气和生物质能源的转化过程中，提高能源转化效率和产品选择性。
4. 环境保护中的微化工技术应用微化工技术在环境保护领域也有广泛的应用。
例如，在废水处理中，传统的废水处理工艺存在处理周期长、处理效果差等问题，而采用微化工技术后，可以将废水处理过程微型化，提高处理速度和处理效果。
此外，微化工技术还可以应用于废气处理、固废处理等环境保护领域，实现资源的高效利用和废物的减量化。
微化工技术在化学合成、药物制造、能源化工和环境保护等领域都有广泛的应用，可以提高反应速率、传质效率和热效率，减少废物排放和能源消耗，实现高效、环保和可持续发展。
微化工技术
（Microreaction TechnoIogy）为主题的国际会议；2003
年 4 月将召开第一届“微通道和微小型通道”国际
会 议 （ InternationaI Conference on MicrochanneIs and
MinichanneIs），并 限 定 通 道 的 特 征 尺 度 在 10 !!m ~ 3.0! mm 范围内 . 此外，微全分析系统（micro
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20 世纪 50 年代末，著名的物理学家 Richard Feynman 曾预言微型化是未来科学技术发展方向 . 半个 多世纪以来，计算机的更新换代已将微型化所带来 的方便引入了人类生活和工作的各个领域，并对人 类文明进程产生了重大的影响 .
绿色化工技术在化学工程工艺中的应用
绿色化工技术在化学工程工艺中的应用绿色化工技术是指通过采用环保、高效、低能耗的化学工程工艺，减少或避免对环境的污染和影响的技术。
绿色化工技术在化学工程领域的应用越来越广泛，不仅可以节约能源和资源，降低生产成本，还能缓解环境问题，保护生态环境。
以下将介绍绿色化工技术在化学工程工艺中的应用。
1. 溶剂替代技术：传统化工生产中常使用大量有机溶剂，这些溶剂对环境和人体健康有潜在的危害。
绿色化工技术提倡替代有机溶剂为水或其他绿色溶剂，如液态二氧化碳等。
通过改变溶剂，不仅可以减少环境污染，还能提高产品纯度。
2. 催化技术：催化是绿色化工的核心技术之一。
传统化工过程中常使用高温、高压条件下进行反应，能耗较高，催化技术可以使反应在较低的温度和压力下进行，减少能源消耗。
催化剂选择也对化学工程工艺的绿色化有重要影响，选择高效催化剂可以提高反应速率和选择性，降低废物生成。
3. 循环利用技术：传统化学工程生产中，许多废水废料没有得到充分利用，造成资源的浪费和环境的污染。
绿色化工技术提倡将废弃物通过循环利用技术转化为有价值的产品，如废水处理中的再生利用、废料的资源化利用等。
4. 清洁合成技术：传统合成过程中常使用多步反应和大量溶剂，对环境造成较大的负担。
清洁合成技术通过改进催化剂、反应条件和反应路线，实现直接合成目标产物，减少中间产物和副产物的生成，降低对环境的污染。
5. 生物工艺技术：生物工艺技术是绿色化工的重要组成部分，通过利用生物体或酶催化反应进行化学反应，实现对有机废弃物和低价原料的转化。
生物工艺技术具有选择性高、产物纯度高、对环境友好等优点。
6. 微反应技术：微反应技术是将传统大型反应器缩小到微米级尺寸，利用微流控制技术进行精确控制和高效传质与反应。
微反应技术具有反应速率快、产物分离简单、副反应少等优势，可以减少废弃物的产生和能源的消耗。
微反应器技术及其在化工生产中的应用
纳米材料 生产 、有机 合成 、乳液 制备等 领域 ，取得 了非 常 显著 的经济效益 和社会效益 。
本文 以微反应器技术 在几种 化工产 品生 产 中的应用 为 例 ，介绍微反应器技术 的优势 ，并分 析如何 根据 化学反应 特点 ，设计基本工艺路 线 以及选 择关键 微反应 设备 ，从 而 实现工艺 的优化 。
应设 备 ，从 而 实现 ；有机合成 ；乳 液；放 大生产
中 图 分 类 号 ：ＴＱ ５ ，ＴＱ ５ ０１ ０２ 文 献 标 识 码 ：Ａ
０ 引 言
外 ，需要为 随后 的晶核 生长 过程 提供 稳定 、均匀 的环 境 。
器快速降 至成核 温度 以下 ，此后 只发 生 晶核 的生 长过 程 。 生产过程 中对温度 的精确控制能够将成核和生长过程分开 ， 从而 为合成尺寸均一 的纳米颗粒创造 了条件 。 基于模块化微反应器 技术 ，拜耳公 司先 后开发 出多种 纳 米 粉 体 的 合 成 工 艺 ，包 括 无 机 荧 光 纳 米 粉 （ 如 ＬＰ ａ Ｏ４： ｕ ｅ Ｏ Ｅ 、Ｃ Ｐ ４：Ｔ ｂ等） 、量 子 点 （ Ｃ Ｓ 、Ｃ Ｓ 如 Ａ ｅ ｄ、
一
般 而言 ，溶液 的过饱 和度 与反应 物的混合 程度 以及 反应
微反应器从本质上讲是一种管式连续反应器＿ ］ １ ，但是其 体 系的温度密切相 关 ，因此 ，快速 均匀 的混合 、快 速的升 ０ 通道特征尺寸仅为 １ 一１０ ，远远小于常规 的管式反应 温和降温 、以及精确 的反应 时间控制对 产 品的质量 至关重 ０ ００ 器 。—个微反应器的内部结构由很多微通道并联而成 ，可获得
Ｃ 、Ｔ ｅ ｂ阳离子 前驱体 溶 液和 Ｈ。 Ｏ Ｐ ，阴离 子前 驱体溶 液 ； 其次 ，两股物料 在微 混合 器 内按 预设 比例快 速均 匀混 合 ， 混合后 的溶液流经微换 热器快 速升温 至成核温 度 ；然后 反 应溶液流人带有混合 和换热装 置的微反应 器 中进 行纳米 晶 核的生长 。为 了实现成 核与生长 过程 的分离 ，通 常晶体 的 生长温度需等 于或低 于成核温 度 ；最后溶液 流经 微换热 器 快速 降温使反应淬灭 ，得到含有 Ｃ Ｐ ４ ｅ Ｏ ：Ｔｂ 纳米颗粒 的溶 液。整个过程 中，通过调 节反应参 数如 反应 温度 、停 留时 间、浓度等可 以得到 形貌 和尺 寸可 控 的单 分散 纳米 颗粒 。 与传 统批次合成 工艺相 比，该 工艺具有 以下 优点 ：获得 的 产品质量 高 （ 颗粒尺寸在 ２ ｌ Ｏｎｎ以下 、颗粒 尺寸分 布窄） ， 可重复性好 ，设备 体积小 ，安 全性 好 、能耗 低 ，可 以实 现
化学反应工程的新进展与应用
化学反应工程的新进展与应用化学反应工程是利用化学反应原理与工程技术相结合的一种综合性学科。
近年来，随着科技的不断发展，化学反应工程在各个领域都得到了广泛的应用和推广。
在本文中，将主要探讨化学反应工程的新进展和应用。
一、微反应器技术微反应器技术是一种将反应器和微机电系统(MEMS)相结合的新型反应工艺。
采取微反应器可以有效地减少废气、废液和废物的产生，大幅度地降低了能耗和生产成本。
同时，微反应器还有很好的流体控制能力和精细的温度控制能力，能够为化学反应提供更加优化的环境，使反应速率更快，产品质量更高。
二、晶体化学反应晶体化学反应是利用晶体的成长过程，使分子彼此相遇并发生化学反应的一种新型化学反应。
此技术可以有效地改变化学反应的程度和速率，同时具有极高的选择性，适合于那些需要高度纯净和高度复杂的化合物的制备。
晶体化学反应还可以应用在基因测序、药物研发等领域。
三、生物催化剂生物催化剂是指可以促进化学反应发生，同时还可以重复使用，并且不破坏反应物的生物体。
生物催化剂可以极大地降低能耗和源的消耗，同时具有更高的废物降解效率和反应温度控制能力。
生物催化剂已经被广泛应用于染料、食品、医药等领域。
四、多相反应多相反应是一种将反应物与催化剂的物理状态尽可能地加以区分和隔离的化学反应，例如气体与液体、固体与液体等。
多相反应技术可以有效地将反应物彼此隔离，从而加速反应速率，提高产品质量和产量。
多相反应也被广泛应用于石油化工、合成材料及新能源开发等领域。
五、绿色化学合成绿色化学合成是一种以环保、低风险、节能和高效为基础的化学合成技术。
绿色化学合成可以有效地减少或避免污染物的产生，降低毒性和危险性，并且在化学合成过程中的能量和原材料消耗得到最大限度的降低。
绿色化学合成在精细化学品、药品、化妆品和食品添加剂等领域得到了广泛的应用。
综上所述，随着新技术和新理念不断涌现，化学反应工程正在不断地向高效、绿色和环保的方向发展。
科技的不断进步和应用，将极大地改善人们的生活质量和环境，带来更多的人类福祉。
微反应技术概述
微反应技术微反应技术概述概述概述“微反应器“也被称为“微通道”反应器（Microreactor, Micro-channel reactor）， 是微反应器、微混合器、微换热器、微控制器等微通道化工设备的通称。
自20世纪90年代中期微反应技术兴起以来，由于其独特的特色和优势得以迅速发展并成为科研院校和企业界共同的研究热点；不但取得了很多令人瞩目的研究成果，而且在医药、农药、特种材料以及精细化工产品及中间体的合成中得到了越来越多的应用（参见图1，微反应器技术领域历年来的专利申请情况）。
尤其进入本世纪以后，各大跨国公司也开始关注这一新兴技术，纷纷成立专门的微反应技术部门开展在其相关工业领域的应用研究；同时开发微反应技术的公司之间也强强联合，以期进一步拓展微反应技术在工业生产中的应用。
美国化学会权威杂志 Chem & Engineering News 于2010年3月1日刚刚报道了瑞士Lonza公司和德国拜耳Ehrfeld Mikrotechnik BTS （EMB）公司相互合作的进展。
在可以预见的未来，这一技术必将得到广泛应用（参考文献：Chemical Reviews 2007, 107, 2300-2318.）。
图1 微反应器技术领域历年来的专利申请情况1．连续化微通道反应器的特征及其优势连续化微通道反应器的特征及其优势“微反应器“从本质上讲是一种连续流动的管道式反应器；反应器中的微通道利用精密加工工艺制造而成，特征尺寸通常在10－1000微米之间。
由于微反应器内工艺流体的通道尺寸非常小，相对于常规管式反应器而言其比表面积体积比非常大（可达10,000－50,000 m2/m3，见图2），因此微反应器具有极高的混合效率（毫秒级范围实现径向完全混合）、极强的换热能力（传热系数可达25,000 W/(m2•K))和极窄的停留时间分布（几乎无返混，基本接近平推流）。
“微反应器”的两大特征--- 比表面积大以及连续操作方式，使得我们对反应工艺的精确控制成为可能。
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微反应器和微化工技术
最近在做使用微反应器进行有机合成的试验，觉得下面这篇短文很有参考价值，拿来与大家分享！
利用微反应器进行化学合成的可能性优势和成本分析
Johannes Gutenberg University Mainz
Chemistry and Pharmaceutics Institute of Organic ChemistryProf. Dr. Holger Loewe
多年来的实验结果表明，利用微反应器实现化学反应能显著提高产物的收率与选择性。
这种反应器最初时作为实验室分析设备，应用于生物诊断，药物合成和组合材料科学的研究。
在一个密闭的内部尺寸从几微米到几百微米的微结构反应器内进行化学或生化反应，这种反应器的内部尺寸并不需要尽可能的小，而是根据化学反应本身的需要来确定。
按照这种思路进行思考，是对化工工艺模式的一种转变。
自从一些特殊的反应器能使化学反应速率接近他们的动力学极限，就不再需要原来那些为了使化学过程适应固有设备的调整手段，如添加溶剂，沸点的受热限制，缓慢且不规则的搅拌混合。
“调整设备去适应化学反应过程而不是相反，调整化学反应条件去适应设备” 是微化工工艺的基本理念。
基于这个理念，微反应器内部的结构要根据化学过程本身来调节，因此它们可能没必要是“微”的。
一般来说，微反应器常用在连续流动体系。
其优点集中体现在以下几个方面：传质传热效率高，返混几率小以及能更好的控制反应温度和停留时间。
由于能够改变化学反应的激烈程度，因此在高温，高压和难实现过程体系的应用过程中，微结构反应器要强于传统常规的批反应斧。
如果一个化学过程能在单个微通道中实现，那么这个反应过程就能通过简单的微通道的数量放大，达到工业生产规模。
依据动力学和热力学需要，内部腔体的大小，如通道的尺寸范围能从几微米大到几毫米。
有时，一些自由的流动方式例如通过较窄直径范围的碰撞射流也可以应用于微反应过程。
基于这个理念，微反应器不只是由成百上千的微通道组成的反应器，而是一种能通过形成特殊流体形态来促进流体传质传热的设备。
因此，不管微反应器的大小像信用卡，鞋盒，还是更大，其内部的“微”才是最关键的。
微反应器可能实现的过程
用传统的釜式反应器，反应放出的热量不能及时的释放，反应温度不能精确控制。
因此反应速度常常被人为的加以限制，否则可能会发生爆炸。
利用微反应器能克服釜式反应器的缺点。
如果关于微反应器的这个预言是正确的，那么这将是对化工工艺的一次彻底的改革。
这种新化工工艺必然会有广阔的应用前景。
许多学术报道都做了传统反应器与微反应器的比较，并发现应用微反应器比传统反应器更能强化反应过程。
下面这些应用微化工工艺的例子的详细说明都在参考文献中能够找到。
苯基硼酸的合成 (Clariant / 法兰克福)
偶氮染料Yellow 12的制备 (Trustchem / 杭州)
合成过氧化氢 (UOP / 芝加哥)
硝基甘油的生产工艺（西安惠安集团 / 西安）
2-乙酰基四氢呋喃的合成 (SK Corporation / Daejeon)
抗生素喹诺酮中间体的合成(LG Chem / Daejeon)
不饱和化合物的胺加成，Michael加成(IMM / 美茵茨)
Kolbe-Schmitt反应(IMM / 美茵茨)
硝基甲苯加氢 ( UCL / 伦敦)
芳香族及烷基芳香族的溴化反应 (IMM / 美茵茨)
自由基的聚合反应 (Strasbourg大学/ 法国)
C2MIM, C4MIM, C6MIM类离子液体的连续合成 (IMM / 美茵茨)
多支链聚合体的合成 (美茵茨大学 / 美茵茨)
微化学工艺的优点
简单来说，微化工工艺的优点主要可以概括为有利于实现过程强化的“更好” “更快” “更便宜” “更安全” “更环保”。
更高的产率和更好的选择性是化学工程的主要目标。
这一目标的实现主要归功于微反应器优良的传质传热效率。
微反应器能使化学反应速率接近他们的动力学极限，因此能做到“更快” 。
快速有效的混合，精确控制停留时间与反应温度是得到更高的转化率和选择性，避免副反应发生的基础。
“更便宜”是吸引化工厂引进新反应器和新工艺的条件。
微反应器采用连续流动反应,在反应器中停留的化学品量很少,易于控制反应过程，大大提高了反应过程的安全性。
因此能做到“更安全”。
“更环保”,例如应用微化工工艺生产的环保溶剂，在降低能耗的同时提高产物选择性,保持环境清洁，减少化工生产过程对环境的影响。
微化工工艺的商业转化，首先是作为一种反应器解决方案来满足规模生产的需求，放大的微反应器和微化工工艺可以与其他设备和工艺流程联用，是最大获取利润和投资回报的需求。
根据Lonza对化学反应的动力学分类（A – C三类，反应时间100 ms到10 min），微反应器的常规应用准则如下：
对于反应速度非常快的反应（A类化学反应），只单独使用微结构反应元件即可：如微混合器（通常内部或相连接部分都设计有热交换器），不需要连接管。
对于快速化学反应（B类化学反应），可将微反应器和常规的流动式反应器组合使用：如微混合器加连接管的反应器；
对于反应速度较慢的化学反应（C类化学反应），使用常规的流动式反应器：如管式反应器，反应器的管径最好是阶梯式增加，以减少压降；
实现生产规模产量的放大原理（从100吨/年到几千吨每年，或者更多）
在研发过程中,对中试规模的放大可进行简单放大；
将几个装置单元数量叠加或等比例放大结构化的流体量；
通过多尺寸结构实现放大----若干小流量单元与更大尺寸的内部结构连通实现连续流动，在放大同时减少压降；
设备升级—将高通量的微装置与已有的工艺设备进行连接使用，如在很大通量（大于1000 l/h）的生产工艺中连接一个支路；
通过厚度和长度没有尺寸限制的盘式结构实现放大；
通过改变过程方法代替结构设计来实现与“微效应”功能相同的放大；
成本核算
为了考虑工厂经济效益，对微工艺技术的工业应用进行成本分析是很必要的。
IMM选了几个已经进行工业应用的例子,包括医用硝化甘油的合成，
Kolbe-Schmitt法合成β-二羟基苯甲酸，Michael加成胺制丙烯腈进行了核算。
核算包括可变成本例如原材料，劳动力成本，能耗，配套，运营费用外，还包括固定成本包括微反应器成本，相关服务与维修费用。
通过核算可以看出，即使对
于高新技术的成套装置，固定成本也不到总成本的5%，而原材料与员工薪水成本接近总成本的2/3 到 3/4。
按照这个比例，年利润率在20%左右。
而微反应器作为整套反应装置的一部分，只占成套装置总成本的10% 到15%。
AzurChem GmbH 公司(德国)是一家生产高附加值化学品的公司。
该公司应用微化工工艺技术生产4-苯腈硼酸的成本分析表明操作成本的最优化是使微化工工艺得到实际应用的重要动力。
因此微化工工艺主要体现在有两方面实际应用。
一是用较贵的原料生产高附加值的产品过程。
前述几个过程都是属于这类应用。
二是利用微化工工艺比传统工艺更好的过程强化特点来降低操作费用。
在这两种应用中设备的成本（包括微反应器和相关配套设备）在整个投资中都只占很小的分额。
由此可以看出，成本因素对这项新技术的影响微乎其微，当然这也有待于在今后进一步证明。
此外，这是第一次在公开演讲中对应用微化工工艺生产商业化学品过程进行成本分析。