微反應器的發展現狀

摘要:微反應器在傳質、傳熱、恒溫等性能方面的表現都明顯優于傳統反應器,小尺寸、較大的面積體積比、規整的微通道使它便于運輸又安全快捷。本文就微反應器的設計、制造、原理和放大等一系列問題的研究現狀進行了總結和概括,并對它的應用前景進行了展望。

1微反應器的設計

微反應器是一個復雜的微系統,其設計涵蓋了微動力學、微摩擦學、微流體力學、微傳熱學、微電子學、化學等多門學科,所以微反應器的各部件和微通道都要進行精密的設計和研究。微通道的當量直徑數量級為微米,其間流體流動的雷諾準數通常在幾十到幾百之間,黏滯力比慣性力大,流體為層流流動。流量∮的定義式:

  ∮=A2△p/CRnL

式中A為微通道截面積,△p為微通道上的壓降,CR為微通道的幾何系數,n和L分別為流體的粘度和微通道的長度。由公式可看出,微通道截面、長度和流體粘度一定的情況下,幾何系數CR的值越小流體流量越大,CR的定義式:

CR=U2P0/8A

式中U為微管道濕潤周長,P0為泊肅數。圓形的幾何系數最小,但是存在刻蝕困難的問題,所以微通道通常是矩形或梯形的。

微反應器狹窄的通道,最大的表面和體積比,既加強了傳熱能力,同時也縮短了質量傳遞的距離和時間。由公式3可見,傳熱系數h和管徑d成反比,當通道尺寸在100 um~1.0mm范圍內時,層流傳熱系數高達2000~20000W/(m2·K)。如此高的傳熱系數,即使對于反應速度非???,熱效應非常大的化學反應也能在近乎恒溫的條件下進行。

Nu=hd/k

在公式4中Kc是傳質系數,S是比表面積,D是擴散系數。傳質系數與管徑成反比,微小的通道不僅提高了傳熱面積,也加強了傳質能力,縮短了擴散時間。在毫秒時間間隔內反應物就可徑向完全混合。

 Sh=kcd/D

2微反應器的制造

微反應器的外形尺寸通常只有幾厘米,內部的通道特征尺寸在微米級,圖1是用于水煤氣變換的型反應器,內部裝有25片帶有微通道的金屬薄片。微通道的形狀是多種多樣的,有矩形的、梯形的、雙梯形的以及不規則尺寸的。到目前為止,制造微通道可應用的微加工技術包括:精密機械加工、濕法刻蝕、干法刻蝕、電化學刻蝕、表面硅工藝技術、LIGA(光刻、電鑄成模和塑注成型)技術、電火花加工、表面活化鍵合技術、激光加工等。制備微通道的材料一般有不銹鋼,FeCrAJ,陶瓷和硅晶片。

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