眾所周知，化工行業是國民經濟中不可或缺的重要組成部分，但傳統化工行業依然存在一系列的問題，例如：運行過程能耗高、反應轉化率/選擇性低、安全性差、成本高、不易控制、污染問題嚴重等。解決這些問題不但是實現化學工業結構調整和產業升級的重要一步，也是實現化工行業可持續發展的必經過程。因此，科學界致力于探索新的、更加經濟和環保的反應途徑和反應器結構形式，微反應器技術也因此應運而生。

圖1 微反應器中的一種

如圖1所示，微反應器是指利用微加工或精密加工技術制造的特征尺寸在10到300微米（或者1000微米）之間、比表面積達到10000-50000 m²/m³的反應器。與常規反應器相比，微反應器具有比表面積大、熱/質傳遞速率高（比傳統反應器高2-3個數量級）、停留時間短、安全性高、副產物少、操作性好、開發和推廣周期短等突出優勢。

圖2 化工過程中各種反應器的傳質速率和傳質速率對比^[1]

從宏觀的角度講，微反應器最吸引人的優勢在于以下三點^[2]：（1）快速放大與柔性生產放大效應是一項技術或者工藝在實現工業化的過程中必須要考慮的因素，實驗室研究結果必須通過小試、中試逐級放大，費時費力，而且風險很高。而微反應器中每一個通道相當于一個獨立的反應器，因此放大過程即是以通道數目以及設備單元的疊加實現，節約時間和成本，使實驗成果快速轉化。另外，由于微反應系統是基于模塊結構并行分布系統，具有便攜式的特點，可實現原料或產品的就地轉化與生產，省去了原料及產品的運輸過程帶來的成本及危險。這種多模塊疊加特性使生產過程彈性很大，靈活根據時長情況增刪單元調節生產。（2）過程連續許多精細化工品和醫藥的生產采用間歇操作，效率低下，而采用微反應器可實現連續操作，降低成本，還會因為傳質速率高，停留時間短而抑制副反應，提高目的產物選擇性。（3）等溫操作和過程安全微反應器有很強的傳熱性能，即使是強放熱反應也容易控制，實現等溫操作。微反應器溫度易控制這種特點能夠有效避免飛溫問題，使反應過程安全性大幅提高。從另一方面講，即使發生問題，由于體積小、物料持有量低的特性，也不會造成嚴重的危害。

根據反應過程和參與反應的物質相態，微反應器主要可分為如下幾種類型：氣-液、氣-固、液-液、液-固等兩相微反應器以及氣-液-固、液-液-固三相微反應器等。其中的“固”一般指的是催化劑。微反應器擁有如此多的優勢，那么內部的流動特性、反應過程究竟是怎樣的？不難推測，體積的縮小勢必使通道內的表面張力作用顯著增強，而且內部流動雷諾數極小，所以層流為主，慣性力作用減弱，因此流動特性理應和大型反應器有很大區別，傳質及反應過程自然也有不同。下面我們將重點放在微反應器內的流動特性方面，不涉及冗長復雜的公式，以簡單易懂的方式讓你對微反應器有一個直觀的認識。

No.1氣液兩相微反應器

圖3 微通道內常見的流型分布圖^[3]

微通道反應器內氣-液兩相流動的流型一般有泡狀流、彈狀流、彈狀-環狀流、環狀流、攪拌流等，如圖3所示。其中氣-液彈狀流以操作范圍寬、氣泡/液彈尺寸均一、流動易調控、徑向混合程度高，軸向返混低等優勢受到廣泛關注。氣-液彈狀流又稱泰勒流（Taylor flow），其基本特征為：氣相作為分散相以氣泡形式存在，其長度通常大于通道寬度；液相作為連續相以液彈形式存在，相鄰液彈通過氣泡與通道壁面間的液膜連接；氣泡和液彈交替出現。彈狀流的兩個突出特征是內循環和泄露流^[4]，如圖4所示。

圖4 泄漏流和內循環示意圖

氣泡之間的液彈內部不是靜止的，每個液彈內部都存在循環渦流（內循環）。在矩形或方形通道中，由于表面張力作用，氣泡與壁面間的角落中存在較大空間，部分液體經此空間繞流過氣泡，形成泄漏流。泄漏流與內循環之間的傳遞機制對于調控傳質傳熱有重要的影響。泄漏流的驅動力源自氣泡兩端的Laplace壓差，氣泡尾端附近液體被卷吸入氣泡與通道間液膜內，然后從氣泡前端噴出。此過程中，液體速度可高達氣泡速度的數倍。液體從氣泡前端噴出后與內循環流匯合，在循環流作用下向通道中心運動。經此，相鄰液彈間發生物質交換，增強軸向混合。國內外學者關于氣液兩相微反應器開展了大量研究，如Li等^[5]以離子液體吸收CO₂作為目標反應，對微通道內氣-液兩相反應進行了研究，如圖5所示。證明了微反應技術可顯著提升反應效率，并基于該技術提出了快速測定反應速率和轉化率的新策略。

No.2液液兩相微反應器

與氣液兩相體系類似，液液兩相流動也有很多流型，但由于兩相性質變化大，所以種類更多，并根據體系不同可能出現不同的流型，因此更加復雜。圖6是Zhao等^[6]采用煤油-水為工作體系，在T型入口微通道中觀察到的6種流型。

圖6 煤油-水體系在T形入口微通道中的流型

在眾多流型中，液滴流和彈狀流因其良好分散性和可控性得到廣泛關注。在這種流型中，分散相液滴可視為獨立的“微反應器“，是化學反應、動力學測定、乳液制備和納微材料合成等過程的理想流型。彈狀流中連續相液彈和分散相內部均存在可控循環流，如圖7所示。內循環增強了徑向混合，也使相間邊界層厚度減小，有利于混合和傳質。

圖7 液液兩相微反應器內液彈和分散相內循環示意圖^[7]

No.3三相微反應器

三相微反應器包括氣-液-固三相和氣-液-液三相兩種情況。在氣-液-固三相微反應器中，根據固相催化劑在微反應器內處于流動狀態或固定狀態可將其分為催化劑懸浮式和催化劑固定式兩種。當氣、液兩相反應物通入微反應器內并形成穩定的兩相流型后，氣、液兩相反應物由反應器主流區域傳輸至催化劑表面，并在催化劑活性位點處吸附并發生反應；隨后，反應后得到的產物在活性位點處脫附，并由催化劑表面向反應器主流區域傳輸。氣-液-固三相微反應器是研究催化劑性能的良好手段， Kataoka等^[8]為了探究催化劑長時間運行后失活的原因，在毛細管微反應器內固定了鉑催化劑，在Taylor流流型下對反應器內硝基苯加氫制苯胺的反應過程進行了分析，如圖8所示。

圖8 氣-液-固微通道反應器內Taylor反應流

氣-液-液三相流型更為特殊。可用于隔絕液滴融合，以實現生物篩選和納微材料的均勻合成等。通過引入惰性氣體進行攪拌，液-液兩相并行流較容易轉變為分散相流型，水相破裂成液滴，油水兩相比表面積和表面更新速率增加，液-液傳質和反應得到強化。隨著微流控技術的發展，氣-液-液三相微流體也常用來合成中空包囊材料、微氣泡/微乳液等材料，常用的應用如圖9所示^[2]。

圖9 微反應器內氣-液-液三相微流體的應用

經過二十多年的發展，微反應技術已經被證實在過程強化領域有廣闊的應用前景，目前微化工技術已處于大規模應用的前夜。作為一個多學科交叉的新興研究領域，針對微尺度內的傳遞與反應規律以及它們間的協調控制機制等重要學科問題，還有待深入研究。微化工技術將是現有化工技術和設備制造的一項重大突破，也會對整個化學化工領域乃至國民經濟產生重大影響。

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