1、發(fā)展歷史

自20世紀(jì)50年代集成電路問世以來，之后的數(shù)十年，電路的集成度至少提高了3個數(shù)量級。相應(yīng)地，電路運(yùn)行時，每個芯片產(chǎn)生的熱量也將大幅度增加，這給微電子器件的熱控制提出嚴(yán)苛的要求。在此背景下，20世紀(jì)80年代，微尺度換熱器作為一種新的冷卻技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這里的“微”的更多是指管道、通道的“微”。因?yàn)槲⑼ǖ垒^常規(guī)尺度有著高效的傳熱、傳質(zhì)能力，所以其很快切入到化學(xué)工程領(lǐng)域。

20世紀(jì)90年代初，隨著芯片反應(yīng)器的發(fā)明，微化工技術(shù)的概念在相關(guān)領(lǐng)域迅速傳播，引起研究者的極度關(guān)注，并迅速成為化學(xué)工程學(xué)科的前沿和熱點(diǎn)方向之一。至今，微化工仍逐步地向前邁進(jìn)，不斷地發(fā)展與豐富。

2、簡介

微化工過程是以微結(jié)構(gòu)元件為核心，在微米或亞毫米（0.1-1mm）的受限空間內(nèi)進(jìn)行的化工過程。針對微反應(yīng)器，通常要求其特征長度小于0.5mm。在微化工過程中，微小的分散尺度強(qiáng)化了混合與傳遞過程，從而提高了過程的可控性和效率。當(dāng)將其應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的時候，通常依照并聯(lián)的數(shù)量放大的基本原則，來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)。

微化工技術(shù)通常包括，微換熱、微反應(yīng)、微分離和微分析等系統(tǒng)，其中前兩者是較為主要的。

理解傳熱強(qiáng)化

簡單的來說，相較于常規(guī)尺度下的管道，微通道有著極大的比表面積。這保證了在整個傳熱過程中，管壁與內(nèi)在流體之間存在著快速的熱傳遞，能夠很快實(shí)現(xiàn)傳熱平衡。

理解傳質(zhì)強(qiáng)化

一般來說，微通道的尺寸微小，有著更短的傳遞距離，有利于傳質(zhì)過程的快速完成，實(shí)現(xiàn)溫度與濃度的均勻分布；同時另一方面，大多數(shù)微尺度流動的雷諾數(shù)遠(yuǎn)小于2000，流動狀態(tài)為層流，沒有內(nèi)部渦流，這反而不利于傳質(zhì)的快速完成。而大多數(shù)文獻(xiàn)認(rèn)為微化工器件仍是強(qiáng)化傳質(zhì)能力的，因?yàn)槿藗円呀?jīng)在致力于研究新型的微混合設(shè)備和方法。

3、優(yōu)勢（主要針對微反應(yīng)器）

微反應(yīng)器由于其特性，具有以下五點(diǎn)優(yōu)勢：

1、試劑少量，成本降低

當(dāng)用微反應(yīng)器進(jìn)行物質(zhì)性質(zhì)的檢驗(yàn)或者化學(xué)過程的研究的時候，極少的試劑量便可實(shí)現(xiàn)。這顯著地降低了成本，同時也可以得到較為準(zhǔn)確的理化性質(zhì)。

2、選擇性高

對于很多的生化反應(yīng)，同樣的反應(yīng)物往往得到多種產(chǎn)物。這其實(shí)由于反應(yīng)條件控制不夠精確穩(wěn)定，從而影響反應(yīng)的動力學(xué)與熱力學(xué)過程，影響最終的產(chǎn)物。而在微反應(yīng)器中，能夠很好控制反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的高精度選擇。

3、綠色低耗

傳熱效率的提高也使得能量利用率得到極大的改善，相比于常規(guī)下的生產(chǎn)過程，微化工過程能量消耗更少，也更為綠色環(huán)保。而且，就像上面所說的，微反應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對產(chǎn)物的高度選擇，這將大大減少后續(xù)的分離工作。

4、反應(yīng)迅速

這一優(yōu)勢主要體現(xiàn)在那些反應(yīng)的決速步是傳質(zhì)步驟的時候。也就是在常規(guī)尺度下，由于傳質(zhì)速率較慢，其成為整個反應(yīng)的控制步驟。對于這一類反應(yīng)，利用微反應(yīng)器將強(qiáng)化傳質(zhì)過程，從而提高整個反應(yīng)的反應(yīng)速率。

同時，使用微反應(yīng)器件也可以減少或者避免返混。因?yàn)樵谖⑼ǖ览铮黧w流動的雷諾數(shù)是很小的，遠(yuǎn)未達(dá)到湍流的程度。因此，很少有返混的情況發(fā)生。對于正級數(shù)的反應(yīng)，這能防止返混對反應(yīng)帶來的不利影響。

5、安全

微反應(yīng)器中微小的空間使得那些涉及高活性、毒性或爆炸性的中間體的反應(yīng)能夠在更安全的情況（主要是指積累的量少）下進(jìn)行。而且足夠大的比表面積也允許放熱反應(yīng)能夠在反應(yīng)過程中迅速的向外傳遞熱量，降低過熱爆炸的風(fēng)險。

4、微化工與常規(guī)設(shè)備化工的關(guān)系

上述優(yōu)勢是微化工相對于常規(guī)尺度下的化工來說的。至少在很長的一段時間內(nèi)，微化工是不能取代現(xiàn)有的化工生產(chǎn)的。微化工應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的時候，為了實(shí)現(xiàn)足夠大的產(chǎn)量，通常采用并行的數(shù)量放大的方法，而非增加通道的特征尺寸。實(shí)際上，根據(jù)目前的情況，即使采用并行放大的方法，其年產(chǎn)量與大型的常規(guī)尺度下的化工生產(chǎn)的年產(chǎn)量仍有差距。所以，在工業(yè)生產(chǎn)的時候最好將微化工應(yīng)用于生產(chǎn)高價值的產(chǎn)品，在某些反應(yīng)中，可以將尺寸放大與數(shù)量放大相結(jié)合，以期達(dá)到更大的生產(chǎn)效率。由此可知，在一些領(lǐng)域微化工技術(shù)的應(yīng)用是有意義的，而在另一些領(lǐng)域，大規(guī)模的生產(chǎn)過程仍然是最好的選擇。

5、微反應(yīng)器的應(yīng)用

1、化學(xué)分析

微反應(yīng)器的首次應(yīng)用便是用于化學(xué)分析。待分析樣品經(jīng)歷化學(xué)轉(zhuǎn)化，可以很容易的檢測出最終產(chǎn)物。樣品分析大致分為以下過程：樣品引入、樣品預(yù)處理、混合、化學(xué)反應(yīng)、產(chǎn)物分離，產(chǎn)物的分離與檢測可以納入一個完整的微量分析系統(tǒng)。微反應(yīng)器只需對少量產(chǎn)物進(jìn)行分析，從而將分析系統(tǒng)小型化，提高可靠性。同時減少分析時間以及對樣本量和試劑的消耗。

2、獲得新的化學(xué)反應(yīng)和操作環(huán)境

微反應(yīng)器有著諸多獨(dú)特性能，如反應(yīng)器體積小而操作安全，反應(yīng)條件易控，傳熱性能好等。這些的性能可以用于開發(fā)出新的操作方案并設(shè)計(jì)出新的化學(xué)反應(yīng)條件。如：

高效傳熱速率的系統(tǒng)

微反應(yīng)器已用于在爆炸性環(huán)境中進(jìn)行安全的高溫氧化過程。例如進(jìn)行有機(jī)物的催化氫化，乙烷直接氧化成環(huán)氧乙烷等反應(yīng)。這些反應(yīng)放出的大量熱量可以很快向外散失。

有效控制反應(yīng)時間的系統(tǒng)

在常規(guī)的反應(yīng)中，反應(yīng)物逐滴加入，以防止反應(yīng)過于劇烈。但這造成一部分先加入的反應(yīng)物停留時間過長，而且這個過程進(jìn)行程度不可控。而微反應(yīng)器技術(shù)，因?yàn)榧恿献銐蛏伲湓谖⑼ǖ赖耐Ａ魰r間分布非常窄，這樣能夠精確地控制反應(yīng)的時間，整個反應(yīng)進(jìn)程也可掌握。

3、易向外擴(kuò)展

微反應(yīng)器通常來說都是相對獨(dú)立的，可以作為基本單元向外擴(kuò)展來提高生產(chǎn)量，而非按比例放大。這可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的路線：即實(shí)驗(yàn)室-中試工廠-商業(yè)規(guī)模反應(yīng)器。具體來說我們可以首先優(yōu)化微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，然后通過使用類似的或相同的反應(yīng)器并聯(lián)來增加產(chǎn)量。這種方法保持了基本單元的特征。與此同時，正因?yàn)橥ㄟ^并行擴(kuò)大的方法來進(jìn)行數(shù)量放大，所以從實(shí)驗(yàn)室到工廠的開發(fā)移植時間將大大減少了，尤其是對于那些利用常規(guī)設(shè)備難以擴(kuò)大的工業(yè)生產(chǎn)。

6、挑戰(zhàn)與瓶頸

為保證微反應(yīng)器的優(yōu)良特性，我們需要精確設(shè)計(jì)微反應(yīng)器，在設(shè)計(jì)過程中，主要有以下四個方面制約著微反應(yīng)器的發(fā)展：

1、反應(yīng)器的材料

要制造出性能優(yōu)良的反應(yīng)器，就需要謹(jǐn)慎考慮反應(yīng)器的材料的選擇。一般我們對反應(yīng)器基底材料的要求包括耐高壓和高溫、擁有優(yōu)良的溶劑相容性、光學(xué)清晰度、對試劑的抗?jié)B性以及適當(dāng)?shù)谋砻婊瘜W(xué)特性和對流體元件的易集成性。在學(xué)術(shù)界，PDMS（聚二甲基硅氧烷）由于其易于成型、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，是器件制造中最常用的材料，但是它在化學(xué)合成中也有缺點(diǎn)。其中最重要的是，PDMS裝置不能承受高壓和高溫，只能容納范圍很窄的化學(xué)反應(yīng)，并且可能滲透到液體和氣體中。因此找到一種更加合適的制造材料是非常必要的。

2、固體處理

微流控反應(yīng)器用于多相過程與傳統(tǒng)方法相比具有明顯的優(yōu)勢。具體來說，不同相之間更密切的表面接觸使非理想的傳質(zhì)效應(yīng)減少，并且多相催化劑在微加工填充床反應(yīng)器中有更好的選擇性。因此它們使得反應(yīng)有良好的反應(yīng)速率、產(chǎn)率和選擇性。但實(shí)際上，微流控反應(yīng)器并不適合處理固體，無論固體是作為反應(yīng)物還是副產(chǎn)物。從工業(yè)和生態(tài)的角度來看，微流控反應(yīng)器在工業(yè)中使用的主要風(fēng)險就是堵塞或破壞可能會縮短反應(yīng)器的壽命。因此，如何將固體引入系統(tǒng)或者及時清除固體堵塞都是我們?nèi)缃裥枰鉀Q的問題。

3、反應(yīng)器的形式

在設(shè)計(jì)一個反應(yīng)器的時候，需要充分考慮到熱流、端口通道、反應(yīng)器功能和反應(yīng)器安裝的需求。比如有的時候，研究人員會習(xí)慣性地將反應(yīng)芯片設(shè)計(jì)成矩形，卻忽略了熱力學(xué)定律或矩形形狀造成不對稱冷卻的事實(shí)。此時系統(tǒng)可以工作，但通常意味著必須使用多余的能量來保持最佳的運(yùn)行條件。因此，我們在未來可以按約束將反應(yīng)進(jìn)行分類，在所研究的系統(tǒng)給定的限制下，應(yīng)該盡量選擇用合適的反應(yīng)器形式。

4、反應(yīng)器的尺寸

微尺度由于其小尺寸造就的獨(dú)特的性能而擁有巨大的優(yōu)勢，但實(shí)際上宏觀尺度也有其優(yōu)勢的方面。隨著尺度的減小，一些宏觀上的作用，比如重力浮力等變得不再像通常情況下那樣明顯。此時，原本基于這些的傳統(tǒng)分離模式逐漸變得不再有效。因此，我們在未來設(shè)計(jì)反應(yīng)器時必須考慮到其尺寸的合理性。

7、總結(jié)

至今，微化工技術(shù)已經(jīng)有近30年的發(fā)展歷程，其在微尺度分散、混合、傳遞、反應(yīng)、材料制備等方面已經(jīng)有不容忽視的進(jìn)步。但正像挑戰(zhàn)與瓶頸部分所呈現(xiàn)的，微化工技術(shù)仍有不少待攻克的難題。除此之外，微化工技術(shù)的基礎(chǔ)理論和其他新技術(shù)的發(fā)展，仍需廣大研究者和工程技術(shù)人員的不斷開拓。

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