本期說一說微通道反應(yīng)器的原理問題，在這里我對微通道反應(yīng)器作為過程強(qiáng)化設(shè)備其特點總結(jié)為以下四點：

1.連續(xù)操作帶來的效率提高。

2,規(guī)整流動帶來的結(jié)構(gòu)可控。

3.微通道帶來的比表面積增加。

4.微通道帶來的傳遞長度減小。

第一點我們上一期已經(jīng)做過介紹，任何連續(xù)化的操作都可以帶來效率的提高。舉例來說，原本在攪拌釜內(nèi)的反應(yīng)，進(jìn)料一個小時，反應(yīng)兩個小時，放料兩個小時。那么一個操作周期四個小時，實際上進(jìn)行反應(yīng)的時間只有兩個小時。如果將操作變成連續(xù)的，那么四個小時全部用來反應(yīng)，整體效率就提高一倍。這也是我上一期的觀點，很多流程，只要能進(jìn)行連續(xù)化操作就能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，在這里我就不多提了。

第二點就是規(guī)整流動帶來的結(jié)構(gòu)可控，這里我引用一張微通道反應(yīng)器內(nèi)液-液流動的圖像

我們看到，在這個圖里有兩種液體，一種是油一種是水，我們發(fā)現(xiàn)通過一個T型口將油滴注射進(jìn)入微通道后，油滴非常規(guī)律的在分散在水中。形成一種所謂泰勒流，這種流動狀態(tài)導(dǎo)致微通道內(nèi)一段是水一段是油。而且流體力學(xué)告訴我們，只要微通道尺寸確定，加料速度確定，那么油滴的大小和間距就一定是確定的，整體流動非常規(guī)律。這個現(xiàn)象不單在兩種液體中發(fā)生，對于氣液過程也是一樣，我們也可以這樣把氣體通入水中得到固定大小的氣泡。

這種現(xiàn)象有什么好處呢，有兩個好處：

其一，我們看油滴的大小，基本上和通道大小在一個尺度上，這個通道如果是1mm，油滴大小大概在1-3mm。如果我們把通道變成0.1mm，油滴的尺寸也要對應(yīng)減小。也就是說我們可以變相地得到在水中分布的，尺寸僅有0.1mm左右的油滴。這個分散效果，我們的常規(guī)攪拌很難達(dá)到，就比如說我們的萃取過程，我們用攪拌釜無論怎么設(shè)計都不容易讓把油相打碎到這么小的尺寸。 所以微通道內(nèi)的分散效果，一般反應(yīng)器難以達(dá)到。

其二，規(guī)律流動更重要的意義在于有些物質(zhì)的合成會受到尺寸效應(yīng)的影響。比如說乳液聚合，以及某些納米材料的結(jié)晶合成過程。就拿聚合反應(yīng)來說，乳液聚合一般在油相中完成，聚合度一般會與油滴的大小有關(guān)。在攪拌反應(yīng)器中油滴大小有大有小，不好控制，最后得得到的產(chǎn)品聚合度一定是寬分布的，在微反應(yīng)器內(nèi)油滴大小是可控的，最后得到的產(chǎn)品聚合度基本差不多，產(chǎn)品品質(zhì)就會更高。對應(yīng)的還有納米材料，如果納米材料顆粒分布窄的話品質(zhì)就高，售價也能成倍提高。所以對這些有尺寸要求的產(chǎn)品，這一點意義就比較明顯。

第三點我們要談的就是微通道反應(yīng)器的比表面積增加。原理很簡單，我們看下面這個圖就可以了。

我們知道一個常識就是，設(shè)備內(nèi)的反應(yīng)放出的熱量是與體積成正比的，因為反應(yīng)是發(fā)生在整個設(shè)備內(nèi)部的。但是這些熱量從體系內(nèi)移除是通過表面的，也就是說同設(shè)備的表面積成正比。對于一個圓柱形容器，不考慮兩端的情況下，它的體積與半徑立方成正比，面積與半徑平方成正比。在這里我們再說一下比表面積的概念，它是設(shè)備換熱面積與體積的比值，比表面積越大設(shè)備的移熱能力就越強(qiáng)。同時我們可以看到比表面積與半徑成反比，也就是說半徑越大的設(shè)備換熱能力越差。

換熱能力這在化工中對工藝的影響也是明顯的。比如說酸堿中和反應(yīng)，比如說用燒堿中和硫酸。工廠里做這個操作可能需要半個小時到一個小時的時間，實際上這個反應(yīng)很快，大概在毫秒級。但是這個反應(yīng)放熱，必須要把熱量移走，因此在工廠里面只能一點一點的把燒堿加到反應(yīng)釜里，然后反應(yīng)釜用冷卻水冷卻。燒堿的加料速度完全取決于反應(yīng)釜的移熱能力，反應(yīng)本身可以很快，你可以一下吧燒堿全部加進(jìn)去，但是放熱問題解決不了，溶液會升溫甚至沸騰，非常危險。如果有有一個設(shè)備能夠瞬間把反應(yīng)熱移走，那么燒堿就可以快速加入，節(jié)省大量操作時間。這就是微通道的意義，我們可以把通道做的很小，然后讓一些放熱非常強(qiáng)的反應(yīng)也可以安全快速地進(jìn)行。

最后一個特點就是傳遞長度減小的問題，這個問題就比較抽象了，首先我們來說說邊界層，這個我們搞化工的都懂。

流體在貼近管壁的一段會是層流，層流這個過程比較穩(wěn)定，不利于傳遞，是一個阻力一般的存在。這個層流層越厚，傳熱傳質(zhì)受到的阻力也就越大。這個層流層有多厚和物料特性還有通道結(jié)構(gòu)有關(guān)，不容易確定。但是這個層流層無論多厚它都是在管子里的，不可能比管子半徑大。也就是說，通道越細(xì)。層流層就有可能越薄傳遞阻力也就越小。另外通道內(nèi)壁不是平滑的，會有一定粗糙存在。這個在大通道內(nèi)可以忽略，在微通道內(nèi)卻影響很大，本來層流層就薄，碰上粗糙表面很容易被破壞。因此微通到內(nèi)的傳遞就能得到明顯加強(qiáng)。另外就是混合作用，兩種流體混合，在微通道內(nèi)相當(dāng)于強(qiáng)行將流體擠壓到一個狹小的空間，這對于混合很有幫助。在一般攪拌釜內(nèi)也是做不到的。

在這里我們說了一下微通道反應(yīng)器的四個有點。在總結(jié)這四個點的時候，也對我們工業(yè)生產(chǎn)提一個思路?，F(xiàn)在微通道的結(jié)構(gòu)非常多，一般來說為了實驗需要，做出來的反應(yīng)器都是比較中庸的，盡可能的照顧到這四個特點：連續(xù)化，規(guī)律流動，比表面積以及傳遞強(qiáng)度。

為了讓微反應(yīng)器能夠盡可能的適應(yīng)各種條件，導(dǎo)致現(xiàn)在微反應(yīng)器造價很高。但在生產(chǎn)中實際上完全可以根據(jù)需要特化某個特點，做到一個定制化，這樣可以明顯降低成本。比如說萃取，萃取沒有規(guī)律流動的要求，不會強(qiáng)放熱，因此需要的就是盡可能的縮短傳遞長度。在這種情況下我們就可以把有限的加工消耗放在混合結(jié)構(gòu)上，而不用去花精力做一些有利于傳熱的結(jié)構(gòu)，有所取舍這樣就能達(dá)到很高的效果，還能降低成本。在比如說酸堿中和，混合問題不大，關(guān)鍵是傳熱，因此我們就可以增加傳熱面積，用高導(dǎo)熱材料。所以推進(jìn)一個過程強(qiáng)化流程也是一樣的，首先分析需要什么再進(jìn)行特殊設(shè)計完全可以增加效果，降低成本。

在比如說規(guī)律流動的取舍問題，最早的反應(yīng)器都是T型或Y型的，這個反應(yīng)器內(nèi)部都是層流，流動規(guī)律可預(yù)測，但是混合效果差。這可能對做納米材料很重要，但是我們一般用來做合成，規(guī)則流動這一點就不是特別重要了。所以我們可以看到一些特殊的流道，可以加大流體的湍動特性。下圖可以看到微通道反應(yīng)器道結(jié)構(gòu)的一些變化。

本期我們介紹了微通道反應(yīng)器的幾大優(yōu)勢，而從下一期開始我們來說一說微通道反應(yīng)器的適用性問題，那些反應(yīng)有可能在微通道中進(jìn)行，微通道反應(yīng)器的局限在哪里。

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