反应设备--微反应器剖析
微分析,微反应器
微流控芯片
• 芯片实验室最基本的元素。 • 以亚微米到微米级别的微管道为网络连接 微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测 元件等具有光、电和流体输送功能的元器 件，最大限度地把采样、稀释、加试剂、 反应、分离、检测等分析功能集成为一体 的微全分析系统 。
浙江大学加工的标准 化普及型玻璃芯片
大连化物所加工的各种类型微流控芯片
NMR of water
ESI - chip coupling to MS
Oleschuk & Harrison, Tr. Anal. Chem. vol. 19, no. 6, 2000, 379-388
GlucoWatch
商品化微流控芯片生化分析仪
微流控芯片在有机合成方面的 应用
• 微流控芯片被应用于有机合成和药物合成及筛 选时，也即所谓的微反应器。 • 微化工设备与过程被公认为化学工程学科发展 的新的重要方向之一，世界著名高等学府以及 跨国化工公司如MIT、杜邦、Merck和BASF等 纷纷开展了这方面的研究工作。
芯片实验室（Lab-on-a-chip）
特点： • 涉及物理、化学、生物、 材料、医药、化工、微电 子以及微机械加工等诸多 领域，学科交叉综合性极 强。Hot！ • 微型化、集成化。
芯片实验室是一个 正在开幕的舞台， 正等着你
自由地 想象， 自由地发挥！
Burns et. al., Science 282 (1998) 484
芯片试样引入方法
•基于取样探针和缺口型 试样管阵列的微流控芯 片试样引入系统
Du W B, Fang Q, He Q H, Fang Z L. Anal. Chem., 2005, 77: 1330~1337
CE -BIOCHIP INTEGRATION
浅谈微反应器的特点及应用
科技资讯 ２０１０ ＮＯ．２４
ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
并获得了较高的产率,转化率达99％,产率 73％。利 用 微 反 应 器 也 最 大u限度地减小了 氟 化 反 应 中 F2和 HF的 用 量 ,使 得 反 应 能 比 较安全地进行(图3)。
(3)重 氦 环 化 反 应 。重 氮 环 化 反 应 与 硝 化 和 氟 化 反 应 相 似 ,通 常 伴 有 强 放 热 现 象 , 有 时 还 释 放 出 大 量 N2, 带 来 严 重 的 危 险 性 。 最近,Zhang和同伴将微反应器技术应用于 重 氮 环 化 反 应,以 提 高 产 率 和 安 全 性 。在常 规装置中,－25℃时该反应产率达到90％, 但重氮化合物的加入易导致反应温度迅速 上 升 到 45℃ ,并 有 氮 气 生 成 ,反 应 放 热 剧 烈,一旦温度控制不好,就会短时间释放大 量 氮 气 而 引 起 冒 料 。Z h an g 等 人 直 接 将 小 试 条 件 应 用 到 微 反 应 器 ,通 过 快 速 传 热 防 止 了 危 险 的 发 生,同 时 减 少 了 副 产 物 生 成 。反 应 1.8min,产 率 达 89％ ,而 且 以91g/h的 速 度 合 成 了 产 品 ,收 率 与 小 试 收 率 几 乎 一 致 。
图２
速 传 热 并 保 持 恒 温 ;而 且 微 反 应 器 能 提 供
快速混合,能及时导出热量,反应温度可实
现精确控制,因此消除了局部过热,显著提
高 反 应 的 收 率 和 选 择 性 。所 以 将 微 反 应 器
和 强 放 热 反 应 结 合 起 来 ,可 以 减 小 生 产 危
险 性 、减 少 副 产 物 并 提 高 生 产 效 率 。下 面 介
微反应器PPT课件
液液相微反应器
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液液相微反应器
改变油水两相流 速比可得到不同 内部液滴数（n） 的多相乳液
(a) n = 1 (b)n = 2
(c) n = 4 (d) n= 8
杂程度大大增加，成本也相应增加。 ④ 不是所有的反应都适合微反应。如很慢的液-固反应，反
应无放热或吸热现象；传统工艺的选择性和收率已经很高 的反应。
.
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1.8 微反应器制造技术
硅的干法蚀刻 LIGA过程 注模技术
微制造技术
硅的异性湿法蚀刻 玻璃湿法化学蚀刻
其它
技术适用性评价.源自13微反应器制造技术微反应器
.
1
目录
1、简介
2、分类
2.1 液液相反应器 2.2 气液相反应器 2.3 气液固三相反应器 2.4 气固相反应器
3、应用
3.1 纳米微粒的制备 3.2 精细化工过程
4、展望
5、结语
.
2
1、简介
未来科学技 术发展方向
设备微型化
过程集成化
微化学工程
.
3
1.1 微化工技术的主要特点
弹性生产
典型的液相 混合方式
一种是采用静态混合方式 ，即将流体反复分割合并 以缩短扩散路径，借助流 体管路的不同结构，得以 在很宽的雷诺数范围内进 行流体的混合，而又没有 机械或可动部件的流体结 构件
.
一种是采用流体动 力学集中方法，即 多个进料微通道呈 扇形分布，集中汇 入一个狭窄的微通 道，通过液体的扩 散作用迅速混合
术的新的综合系统之一
限定微通道特征尺度在
10μm～3.00mm内
微化工技术着重研究时空特征尺度在数百毫秒和数百微米范围内的微 型设备和并行分布系统中的过程特征和规律
微通道反应器基础知识
一、了解微通道反应器微通道反应器介绍微通道反应器本质上讲是一种连续流动的管道式反应器。
它包括化工单元所需要的混合器、换热器、反应器控制器等。
目前，微通道反应器总体构造可分为两种：一种是整体结构，这种方式以错流或逆流热交换器的形式体现，可在单位体积中进行高通量操作。
在整体结构中只能同时进行一种操作步骤，最后由这些相应的装置连接起来构成复杂的系统。
另一种是层状结构，这类体系由一叠不同功能的模块构成，在一层模块中进行一种操作，而在另一层模块中进行另一种操作。
流体在各层模块中的流动可由智能分流装置控制对于更高的通量，某些微通道反应器或体系通常以并联方式进行操作。
二、微通道反应器的原理微反应器主要是指以表面科学与微制造技术为核心，经过微加工和精密技术制造的一种多通道微结构小型反应器，而微反应器的通道尺寸仅有亚微米和亚毫米级别。
除此以外因为微反应器有优于传统化工设备1-3个数量级的传热/传质特性，所以特别适合做高放热和快速反应的实验。
而微反应器原理想必很多人都想了解一下.微化工技术思想源自于常规尺度的传热机理。
对于圆管内层流流动，管壁温度维持恒定时，由公式(1)可见，传热系数h与管径d成反比，即管径越小，传热系数越大；对于圆管内层流流动，组分A在管壁处的浓度维持恒定时，传质系数kc与管径成反比(公式(2)),即管径越小，传质系数越大。
由于微通道内流动多属层流流动，主要依靠分子扩散实现流体间混合，由公式(3)可知，混合时间t与通道尺度平方成正比。
通道特征尺寸减小不仅能大大提高比表面积，而且能大大强化过程的传递特性。
Nu = hd∕k=3.66(l)Sh = kc∕DAB=3.66 ⑵t=d 2/DAB⑶其中NU为努塞尔数、Sh为谢伍德数、D为扩散系数。
化工过程中进行的化学反应受传递速率或本征反应动力学控制或两者共同控制。
就瞬时和快速反应而论，在传统尺度反应设备内进行时，受传递速辛控制，而微尺度反应系统内由干传递速率呈数量级提高，因此这类反应过程速率将会大幅度提高；如氧碘化学激光器中的激发态氧发生器（氯气用双氧水碱溶液反应）、烧类直接氟化。
微通道反应器的分类介绍
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，微反应器的“微”表示工艺流体的通道在微米级别，而不是指微反应设备的外形尺寸小或产品的产量小。
微反应器中可以包含有成百万上千万的微型通道，因此也实现很高的产量。
微反应器又可分为气固相催化微反应器、液液相微反应器、气液相微反应器和气液固三相催化微反应器等。
1.气固相催化微反应器由于微反应器的特点适合于气固相催化反应，迄今为止微反应器的研究主要集中于气固相催化反应，因而气固相催化微反应器的种类最多。
最简单的气固相催化微反应器莫过于壁面固定有催化剂的微通道。
复杂的气固相催化微反应器一般都耦合了混合、换热、传感和分离等某一功能或多项功能。
运用最广的甲苯气-固催化氧化。
2.液液相反应器到目前为止，与气固相催化微反应器相比较，液相微反应器的种类非常少。
液液相反应的一个关键影响因素是充分混合，因而液液相微反应器或者与微混合器耦合在一起，或者本身就是一个微混合器。
专为液液相反应而设计的与微混合器等其他功能单元耦合在一起的微反应器案例为数不多。
主要有BASF设计的维生素前体合成微反应器和麻省理工学院设计的用于完成Dushman化学反应的微反应器。
3.气液相微反应器一类是气液分别从两根微通道汇流进一根微通道，整个结构呈T字形。
由于在气液两相液中，流体的流动状态与泡罩塔类似，随着气体和液体的流速变化出现了气泡流、节涌流、环状流和喷射流等典型的流型，这一类气液相微反应器被称做微泡罩塔。
另一类是沉降膜式微反应器，液相自上而下呈膜状流动，气液两相在膜表面充分接触。
气液反应的速率和转化率等往往取决于气液两相的接触面积。
这两类气液相反应器气液相接触面积都非常大，其内表面积均接近20000m2/m3，比传统的气液相反应器大一个数量级。
4.气液固三相催化微反应器气液固三相反应在化学反应中也比较常见，种类较多，在大多数情况下固体为催化剂，气体和液体为反应物或产物，美国麻省理工学院发展了一种用于气液固三相催化反应的微填充床反应器，其结构类似于固定床反应器，在反应室(微通道)中填充了催化剂固定颗粒，气相和液相被分成若干流股，再经管汇到反应室中混合进行催化反应。
什么是微反应器
微反应器作为一种新型化工反应设备，是一种利用微加工技术集换热、混合、反应、分离等基本操作单元于一体的装置。
在很多领域微反应技术的微都反应器表现出来诸多的优势，解决了实验在环境、安全、成本、产品质量等方面的问题。
所以包含医药化工领域在内的很多领域都在致力于微反应技术的开发和应用。
一、微反应器的特点1、微反应器内部有百万乃至千万条连续流动的通道，一般这种反应器的工艺流微通道尺寸一般在500微米以内，比表面积大，传递速率高，接触时间短，副产物少等特点。
2、与传统放大过程相比，通过增大生产设备体积和规模达到放大的目的费时费力，并且对于市场需求无法做出及时反映，具有滞后性的特点。
而微反应器体内因为有大量的连接通道机构，并且每个通道都具有一个独立的反应器，在扩大生产的时候，不需要进行尺寸放大，只需要进行增加微反应器的数量即可拥有较高的产量。
3、因为反应发生的时候大量的热量被及时被带走，保证了反应温度可以维持在设定的范围之内，大大减少了人为因素发生的可能性。
4、因为微反应器系统是呈模块结构并行的系统，具有良好的便携性。
可实现在产品使用地分散建设并就地生产、供货，真正实现将化工厂便携化，并可根据市场情况增减通道数和更换模块来调节生产，具有很高的操作弹性。
二、微反应器的分类微反应器包括化工单元所需要的混合器、换热器、反应器控制器等。
目前，微反应器总体构造可分为两种：1、一种是整体结构，这种方式以错流或逆流热交换器的形式体现，可在单位体积中进行高通量操作。
在微反应器的整体结构中只能同时进行一种操作步骤，最后由这些相应的装置连接起来构成复杂的系统。
2、另一种是层状结构，这类体系由一叠不同功能的模块构成，在一层模块中进行一种操作，而在另一层模块中进行另一种操作。
流体在各层模块中的流动可由智能分流装置控制对于更高的通量，某些微通道反应器或体系通常以并联方式进行操作。
上海惠和化德生物科技有限公司，是一家专注于微反应器连续工艺开发及工业化的创新性高科技公司。
微通道反应器的结构
微反应技术一般是指以微反应器为核心部件的连续流动反应技术。
微反应器有多种类型: 针对不同相态，可以分为气固相催化、液液相催化、气液相、气液固三相催化微反应器等; 针对反应器内部不同结构，可以分为微通道、毛细管、降膜式、多股并流式、微孔阵列和膜分散式、外场强化式微反应器等。
微通道反应器结构特性具有非常强的实用性能。
一般有：1、传热特性反应器中狭窄的微通道结构增加了温度梯度，再加上较大的比表面积故使得微通道反应器的传热能力大大增强，传热系数可高达25000W/(m2·K)，比传统换热器的传热系数至少大一个数量级[1] 。
2、传质特性对于为混合反应器来说，船体时间和传递距离的关系可以用下式来描述式中，tmin—达到完全混合所需的时间；I-传递距离；D—扩散系数。
混合时间与传递距离的二次方成正比，故微通道尺寸狭窄，微型的通道尺寸大大提高了反应混合时间。
而对于互不相容液-液两相流体在实际的传质与反应过程中，其流动状态会随传质、反应深度的增加呈动态的变化，反应过程中将会发生流型转捩现象。
3、流动特性从微观角度看，流体微元在轴向上存在返混现象，但由于微通道的轴径比一般远大于100，故从宏观上仍可视为平推流流动模型，流体的返混现象可以忽略。
同时反应产物连续从微通道中流出促进实验过程中的可逆反应向右移，促进原料完全反应。
微反应器体积小、比表面积大，单维或多维度上的小尺寸会使微反应器具有小体积和大比表面积，通常微通道内的比表面积可以达到10000 ～50000 m2 /m3，而传统的实验或工业设备比表面积不会超过1000m2 /m3 或100m2 /m3。
微通道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，可以根据微结构的不同种类设计出不同形式的微反应器。
在微反应器设计和制作中，有简单地将两种反应物混合生成一种产物的管式结构，也有集成了注射、混合、淬灭、结晶、萃取、封装和相分离等更为复杂的多功能复合式结构的微反应器。
微反应器PPT课件
圆形的几何系数最小，但存在刻蚀困难的问题，所以微 通道通常是矩形或梯形的；常采用宽高比为1:10的矩形 截面结构
通道长度只需满足管道中流体的相互混合即可，一般不小于1mm； 为忽略流体的入口效应，入口通道长度一般大于300μm
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1.5 微反应器内的反应过程
适用于微反应器内的反应过程有三种： ➢ 第一类：瞬间反应，反应半衰期小于1s，这类反
弹性生产
大比表面积
微化工技术 的主要特点
体积减小
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快速放大 独特的流动行为
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1.2 微反应器的简介
微反应器是一种单元反应界面宽度为微米量级的微型化的化学反应系
统, 是90年代兴起的微化工技术；不是现有反应器0的3,4简第单一缩届小“,微而通是道融和
合了材料技术、微细加工技术、传感器技术和控制微技小术型等通各道种国要际会素议技”
一种是采用流体动 力学集中方法，即 多个进料微通道呈 扇形分布，集中汇 入一个狭窄的微通 道，通过液体的扩 散作用迅速混合
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液液相微反应器
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液液相微反应器
改变油水两相流 速比可得到不同 内部液滴数（n） 的多相乳液
(a) n = 1 (b)n = 2 (c) n = 4 (d) n= 8
LIGA-dispersion unit attached to backside of reaction plate
Segmented Gas/Liquid flow Gas supply
微泡罩 塔反应
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气液反应
气液反应的速率和转化率等往往取决于气液两相的接触面 积。这两类气液相微反应器气液相接触面积都非常大，其 内表面积均接近20000 m－1，比传统的气液相反应器大一 个数量级，显然优于传统的气液反应器
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微反应器
8.3.2 微反应器的结构及制造工艺
三、微反应器的封装技术
右图是华东理工大学化工机械研究所 制作的一台用于甲醇水蒸汽重整制氢 微反应器。尺寸为40×40×8mm。
板片共有三种,其中盖板两片,隔离板 6片, 槽道板5片,均为铁-铬-铝不锈 钢片,每片厚度6.5 mm。三种板上的 定位圆孔以及隔离板上的改善液体分 布的三角形孔都是用放电加工方法加 工的,而槽道板上的微槽道则采用了 湿法刻蚀。 板片采用扩散焊实现连接密封。
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微反应器
8.3.2 微反应器的结构及制造工艺
一、微反应器的结构
微反应器在结构上常采用一种层 次结构方式 (hierarchic manner), 先以亚单元(subunit) 形成单元(unit),再以单元来形成 更大的单元,依此类推。 这种特点与传统化工设备有所不 同,它便于微反应器以“数增放 大”(numbering-up)的方式(而不 是传统的尺度放大方式)来对生产 规模进行方便的扩大和灵活的调 节。
不锈钢：具有良好的延展性,加工方便,成本低廉,且易与外部连接。多用
在一些强放热的多相催化微反应器中。
玻璃：化学性能稳定,且具有良好的生物兼容性, 制作的微反应器还有利
于观察内部反应。
陶瓷：化学性能稳定,抗腐蚀能力强,熔点高,在高温下仍能保持尺寸的稳
定,故常用于高温和强腐蚀的场合, 缺点是耗费时间长,价格昂贵。
塑料和聚合物等材料：易于光刻电镀和压模成型加工。
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微反应器
8.3.2 微反应器的结构及制造工艺
二、微反应器的加工技术
微反应器常用加工技术可分为三类: 一是由IC(集成电路)平面制作工艺延伸而来的硅体微加工技术： 包括湿法刻蚀（各向同性刻蚀和各向异性刻蚀)、干法刻蚀（溅射刻蚀、 等离子刻蚀）
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微反应器
8.3.1 概述
“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10 mm。 微反应器：主要是指用微加工技术制造的用于进行化学反应的三维结构元 件或包括换热、混合、分离、分析和控制等各种功能的高度集成的微反应 系统,通常含有当量直径数量级介于微米和毫米之间的流体流动通道, 化 学反应发生在这些通道中,因此微反应器又称作微通道(microchannel)反 应器。 1996年前后, Lerous和Ehrfeld等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； 自1997年开始，每年举办一届以“微反应技术”（Microreaction Technology）为主题的国际会议； 2003年4月召开的第一届“微通道和微小型通道”国际会议 （International Conference on Microchannels and Minichannels ）， 限定通道的特征尺度在10μ m~3mm范围内。
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微反应器
8.3.3 微反应器的特点及应用
一、特点（优点）
(1)比表面积大,传递速率高,接触时间短,副产物少 微反应通道特征尺度小, 单位体面积上传热、传质能力、反应速率 显著增强。微通道设备的比表面积可以达到10000～50000 m2/m3， 传热系数高达2000~20000W/(m2·K）。 (2)快速、直接放大， 传统放大过程存在着放大效应,通过增大生产设备体积和规模达到 放大目的,过程耗时费力。而微反应系统呈多通道结构,每一通道相 当于一独立反应器,在扩大生产时不再需要对反应器进行尺度放大, 只需并行增加微反应器的数量,即所谓的“数增放大”。 (3)安全性高 大量热量也可以及时移走,从而保证反应温度维持在设定范围以内, 最大程度上减少了发生事故的可能性。 (4)操作性好 微反应系统呈模块结构, 便携性好,可实现在产品使用地分散建设 并就地生产、供货, 并可根据市场情况增减通道数和更换模块来调 节生产,具有很高的操作弹性。 河北科技大学装控系
局部发生塑性变形,经一定时间后结合层原子间相互扩散而形成一个整 体。扩散焊可以连接物理、化学性能差别很大的异种材料,如金属与陶 瓷。
粘接：常用于异种材料的连接, 简便廉价,但不适于温度太高的场合。
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8.3.2 微反应器的结构及制造工艺
三、微反应器的封装技术 右图是德国Mikrotechnik Mainz研究所研制的微换 热器的, 板片之间采用扩 散焊实现连接密封,最后 再用螺栓与两端封头连接。
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8.3.2 微反应器的结构及ຫໍສະໝຸດ 造工艺三、微反应器的封装技术
微反应器常用的封装技术有如下四种:
热键合技术：把两片抛光的硅或玻璃面对面地接触,高温下使相邻原
子间产生共价键,从而形成良好的结合。
高能束焊接（激光焊接和电子束焊接）：常用于微反应器中金属
薄片之间的密封连接。
扩散焊接：在高温和压力的作用下,将被连接表面相互靠近和挤压, 使
微反应系统的层次结构
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8.3.2 微反应器的结构及制造工艺
二、微反应器的加工技术
微反应器材料的选择取决于介质的腐蚀性能、操作温度、操作压力、加工 方法等。常用的材料有：
硅：硅的密度小(2.3 g/cm3)；熔点高（1400℃）,约为铝的两倍；热膨胀
系数小，只有铝的十分之一；单晶硅的屈服强度比不锈钢大三倍；硅具有 各向异性,便于进行选择性刻蚀。
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8.3.2 微反应器的结构及制造工艺
三、微反应器的封装技术
右图是路易斯安那理工大学设计 的把环己胺脱氢为苯的微反应器 设计图，尺寸为20×14×3 mm。 由三部分组成,上部是用聚二甲基 硅氧烷制作的端盖,中间是用钯 (Pd)制成的折叠式隔膜,下部则是 用硅制成的反应室,三者之间用聚 酰亚氨粘接,该反应器能在250℃ 以下稳定工作。
二是超精密加工技术：微细放电加工(micro-EDM）、激光束加工、
电子束加工和离子束加工。 三是LIAG工艺：包括光刻、电镀和压模三步的组合技术,由德国喀尔斯 鲁厄核研究中心发明。
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8.3.2 微反应器的结构及制造工艺
二、微反应器的加工技术
微细放电加工高精度喷嘴
干法刻蚀制作的微混合器部件
激光束加工用于萃取的薄膜微孔
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8.3.2 微反应器的结构及制造工艺
二、微反应器的加工技术 右图是用LIGA方法加工的 微反应器通道 共有50个反应单元,每个 反应单元的尺寸为3 cm×1.5 cm,通道宽50μ m, 深150μ m，用于某催化反 应器
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