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微反应器的发展现状

摘要:微反应器在传质、传热、恒温等性能方面的表现都明显优于传统反应器,小尺寸、较大的面积体积比、规整的微通道使它便于运输又安全快捷。本文就微反应器的设计、制造、原理和放大等一系列问题的研究现状进行了总结和概括,并对它的应用前景进行了展望。

1微反应器的设计

微反应器是一个复杂的微系统,其设计涵盖了微动力学、微摩擦学、微流体力学、微传热学、微电子学、化学等多门学科,所以微反应器的各部件和微通道都要进行精密的设计和研究。微通道的当量直径数量级为微米,其间流体流动的雷诺准数通常在几十到几百之间,黏滞力比惯性力大,流体为层流流动。流量∮的定义式:

  ∮=A2△p/CRnL

式中A为微通道截面积,△p为微通道上的压降,CR为微通道的几何系数,n和L分别为流体的粘度和微通道的长度。由公式可看出,微通道截面、长度和流体粘度一定的情况下,几何系数CR的值越小流体流量越大,CR的定义式:

CR=U2P0/8A

式中U为微管道湿润周长,P0为泊肃数。圆形的几何系数最小,但是存在刻蚀困难的问题,所以微通道通常是矩形或梯形的。

微反应器狭窄的通道,最大的表面和体积比,既加强了传热能力,同时也缩短了质量传递的距离和时间。由公式3可见,传热系数h和管径d成反比,当通道尺寸在100 um~1.0mm范围内时,层流传热系数高达2000~20000W/(m2·K)。如此高的传热系数,即使对于反应速度非常快,热效应非常大的化学反应也能在近乎恒温的条件下进行。

Nu=hd/k

在公式4中Kc是传质系数,S是比表面积,D是扩散系数。传质系数与管径成反比,微小的通道不仅提高了传热面积,也加强了传质能力,缩短了扩散时间。在毫秒时间间隔内反应物就可径向完全混合。

 Sh=kcd/D

2微反应器的制造

微反应器的外形尺寸通常只有几厘米,内部的通道特征尺寸在微米级,图1是用于水煤气变换的型反应器,内部装有25片带有微通道的金属薄片。微通道的形状是多种多样的,有矩形的、梯形的、双梯形的以及不规则尺寸的。到目前为止,制造微通道可应用的微加工技术包括:精密机械加工、湿法刻蚀、干法刻蚀、电化学刻蚀、表面硅工艺技术、LIGA(光刻、电铸成模和塑注成型)技术、电火花加工、表面活化键合技术、激光加工等。制备微通道的材料一般有不锈钢,FeCrAJ,陶瓷和硅晶片。

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