基于不同概念设计的微混合芯片

1.3 微反应器的优点

由于微反应器特殊的结构特性，决定了其拥有常规反应器所不可比拟的一些独特优势，这也使得微反应器内进行合成反应的研究已成为微系统和合成化学交叉领域中的研究热点。

对于分子水平的反应而言，微反应器的体积是非常大的，因此它对反应机理和反应动力学特性影响甚小，其主要作用是对质量和热量传递过程的强化及流体流动方式的改进等方面。微反应器主要强化的是传递特性，从控制反应参数及工艺上，可归纳为如下特性：

(1) 控制反应温度

由于微反应器的通道特征尺度比常规反应器小，其单位体积（或面积）上的传质、传热的能力大大增强。在微换热器中传热系数可达25kW／(m2·K)，比常规换热器大1-2个数量级。所以即使是反应速率非常快，放热效应非常强的化学反应，在微反应器中也能及时吸收热量，维持反应温度不超过设定值，从而避免了热点现象，并能控制强放热反应的点火和熄灭，使反应在传统反应器无法达到的温度范围内操作。常规反应器中由于换热速率不够快，常出现局部过热现象，导致副产物生成，收率和选择性下降[ ]。

(2) 控制反应时间

在常规的反应进程中，往往采用滴加反应物的方式加料，促进反应平稳进行，以防止反应过于剧烈，这就造成一部分先加入的反应物停留时间过长。对于很多反应体系来说，反应物、产物或是中间过渡态产物在反应条件下停留时间过长，就会使副产物产生。微反应器技术采取的是微管道中的连续流动反应，可以精确控制物料在反应条件下的停留时间，一旦达到最佳反应时间就立即传递到下一步或终止反应，有效消除因反应时间长而产生的副产物[ ]。

(3) 工艺放大问题

工艺放大问题一直是连接实验和工业生产不可回避的阶段。从尺度比例的变化上讲，反应器的微型化和反应器放大属于同一范畴。反应器的微型化使得传统反应器的放大难题迎刃而解。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”效应。在对整个反应系统进行优化时，只需对单个微反应器进行模拟和分析。这使得在反应器的开发过程中，节省了中试时间，而且不需要制造昂贵的中试设备，缩短了开发周期。“数增放大”提高了生产的灵活性，在传统的经营模式下，企业通过放大原有生产设备，以获得更低的生产成本或满足市场增加的需求，一旦市场需求量减小，便造成生产能力过剩，产品库存增加，而采用微反应器等微型设备后，能通过“数增放大”去增加或减少产量，并可以做到按时按地按需生产[ ]。

(4) 物料可以精确比例瞬时混合

对反应物料配比要求很精确的快速反应，如果搅拌不好，就会在局部出现配比过量而产生副产物。这一现象在常规反应器中几乎无法避免，但微反应器系统的反应通道一般只有数十微米，可以精确按配比混合，避免副产物的形成[ ]。

(5) 良好的安全性和操作性

由于微反应器的反应体积小，传质传热速率快，能及时移走强放热化学反应产生的大量热量，从而能有效地控制反应在爆炸极限内稳定地进行。由于换热效率高，即使反应突然释放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，最大限度减少事故发生的可能性。微反应系统是呈模块结构的并行系统，具有便携性好特点，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。此外，微反应可降低生产设备的成本和原料的使用量，可显著减少人力和物力的投入，从而有利于科学家对具体反应甚至一些危险反应的研究，使得微反应器成为科学研究的理想工具[ ]。