這次我們來(lái)談?wù)勎⑼ǖ婪磻?yīng)器的原理問(wèn)題，這里將微通道反應(yīng)器作為過(guò)程強(qiáng)化裝置的特點(diǎn)總結(jié)為以下四點(diǎn)。

1.通過(guò)連續(xù)操作提高效率。

2、可通過(guò)整理流程進(jìn)行結(jié)構(gòu)控制。

3.通過(guò)微通道增加比表面積。

4.通過(guò)微通道減小傳輸長(zhǎng)度。

第一，我們?cè)谏掀诮榻B過(guò)，所有連續(xù)化的操作都能帶來(lái)效率的提高。例如，在攪拌釜內(nèi)的反應(yīng)、供給1小時(shí)、反應(yīng)2小時(shí)、供給2小時(shí)。那么，一個(gè)操作期是4小時(shí)，實(shí)際反應(yīng)的時(shí)間只有2小時(shí)。如果連續(xù)操作，所有4小時(shí)都用于反應(yīng)，整體效率會(huì)提高一倍。這也是我上一期的觀點(diǎn)，很多過(guò)程，只要能連續(xù)化操作就能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，這里就不多提了。

第二個(gè)是利用整流流進(jìn)行結(jié)構(gòu)控制，這里引用微通道反應(yīng)器內(nèi)的液-液流的圖像

我們發(fā)現(xiàn)，這張圖中有兩種液體，一種是油一種是水，我們通過(guò)一個(gè)T型口將油滴注射到微通道后，油滴非常有規(guī)律地分散在水中。形成所謂的泰勒流，這種流動(dòng)狀態(tài)使得微通道中的段是水，段是油。而且流體力學(xué)告訴我們，如果微通道尺寸確定，進(jìn)料速度確定，油滴大小和間距一定確定，整個(gè)流動(dòng)是非常有規(guī)律的。這種現(xiàn)象不僅對(duì)于兩種液體，對(duì)于氣液過(guò)程也是一樣的，這樣可以使氣體通過(guò)水得到一定大小的氣泡。

這種現(xiàn)象有什么好處，有兩個(gè)好處。

第一，看油滴大小，基本上與通道大小處于同一尺度，如果該通道為1mm，油滴大小將為1~3mm。通道為0.1mm時(shí)，油滴的尺寸也相應(yīng)變小。即，可以變相得到分布在水中的0.1mm左右的油滴。這種分散效果在我們通常的攪拌下是無(wú)法達(dá)到的。例如，在我們的萃取過(guò)程中，無(wú)論我們使用攪拌釜如何設(shè)計(jì)，將油相破碎成這么小的尺寸都不容易。因此，微通道內(nèi)的分散效應(yīng)在一般的反應(yīng)器中不能實(shí)現(xiàn)。

第二，規(guī)則流動(dòng)的更重要意義在于某些物質(zhì)的合成受到尺寸效應(yīng)的影響。例如乳液聚合和一些納米材料的結(jié)晶合成過(guò)程。就聚合反應(yīng)而言，乳液聚合一般在油相中進(jìn)行，聚合度一般與油滴的大小有關(guān)。攪拌反應(yīng)器中油滴大小大而小，不易控制，最后得到的產(chǎn)品聚合度一定分布廣泛，微反應(yīng)器中油滴大小可控，最后得到的產(chǎn)品聚合度基本不多，產(chǎn)品質(zhì)量更高。相應(yīng)的還有納米材料，納米材料顆粒分布窄則質(zhì)量高，價(jià)格也可以倍增。所以對(duì)于這些有尺寸要求的產(chǎn)品，這一點(diǎn)的意義是顯而易見的。

三是微通道反應(yīng)器比表面積的增加。原理很簡(jiǎn)單，你看下圖就可以啦。

我們知道裝置內(nèi)反應(yīng)釋放的熱量與體積成正比。因?yàn)榉磻?yīng)發(fā)生在整個(gè)裝置內(nèi)部。但是，這些熱量從系統(tǒng)中的除去是通過(guò)表面的，即與裝置的表面積成比例。對(duì)于圓柱形容器，其體積與半徑立方成正比，面積與半徑平方成正比，而不考慮兩端。這里我們來(lái)談?wù)劚缺砻娣e的概念。它是設(shè)備換熱面積與體積之比，比表面積越大，設(shè)備的傳熱能力越強(qiáng)。同時(shí)可以看到，比表面積與半徑成反比。也就是說(shuō)，半徑越大，設(shè)備的換熱能力越差。

換熱能力這對(duì)化工過(guò)程的影響也是顯而易見的。例如酸堿中和反應(yīng)，例如用苛性堿中和硫酸。在工廠做這個(gè)操作可能需要30到1個(gè)小時(shí)，但實(shí)際上這個(gè)反應(yīng)是毫秒級(jí)的快。但是，由于該反應(yīng)發(fā)熱，必須移動(dòng)熱量，因此工廠只能一點(diǎn)點(diǎn)地將氫氧化鈉加入反應(yīng)釜中，用冷卻水冷卻反應(yīng)釜?？列遭c的添加速度完全取決于反應(yīng)釜的傳熱能力，反應(yīng)本身可以很快，可以把苛性鈉全部放進(jìn)去，但散熱問(wèn)題無(wú)法解決，溶液升溫或沸騰很危險(xiǎn)。如果有一個(gè)能瞬間移動(dòng)反應(yīng)熱的裝置，可以快速加入氫氧化鈉，節(jié)省大量操作時(shí)間。這就是微通道的意思，它可以減小通道，并使發(fā)熱非常強(qiáng)烈的反應(yīng)能夠安全快速地進(jìn)行。

最后一個(gè)特點(diǎn)是傳遞長(zhǎng)度減少的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題是抽象的，首先說(shuō)到邊界層，這是我們搞化工都知道的。

流體在靠近管壁的部分為層流，層流這一過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定，不利于傳遞，是阻力的普遍存在。該層流層越厚，傳熱物質(zhì)受到的阻力也越大。該層流層的厚度與材料特性和通道結(jié)構(gòu)有關(guān)，不容易確定。但是，這個(gè)層流層無(wú)論多厚都在管道中，并不比管道半徑大。也就是說(shuō)，通道越細(xì)。層流層越薄，傳遞阻力越小。此外，通道內(nèi)壁必須是粗糙的，而不是平滑的。這在大通道內(nèi)是可以忽略的，但是在微通道內(nèi)影響很大，原本層流層就很薄，碰到粗糙的表面就容易被破壞。因此，從微通路向內(nèi)部的傳遞明顯加強(qiáng)。另外，在混合作用中，兩種流體混合，在微通道內(nèi)相當(dāng)于將流體推出狹窄的空間，有助于混合。一般的攪拌鍋?zhàn)霾坏健?/p>

在這里，我們談到了微通道反應(yīng)器的四個(gè)方面。在總結(jié)這四點(diǎn)的時(shí)候，我們也來(lái)考慮一下我們的工業(yè)生產(chǎn)。目前，微通道的結(jié)構(gòu)非常多，一般是實(shí)驗(yàn)所需，制成的反應(yīng)器都比較中庸，這四個(gè)特點(diǎn)：盡可能考慮連續(xù)化、規(guī)則流動(dòng)、比表面積和傳遞強(qiáng)度。

為了使微型反應(yīng)器盡可能適應(yīng)各種條件，目前微型反應(yīng)器的成本很高。但是，在生產(chǎn)中實(shí)際上可以根據(jù)需要專門針對(duì)特定的特征進(jìn)行定制，這樣可以大大降低成本。例如在萃取中，萃取沒(méi)有規(guī)則流程的要求，不會(huì)強(qiáng)烈散熱。為此，我們需要的是盡量縮短傳遞長(zhǎng)度。在這種情況下，你可以把有限的加工消耗放在混合結(jié)構(gòu)上，而不必花力氣去做一個(gè)有利于傳熱的結(jié)構(gòu)，取舍的話會(huì)有很高的效果，降低成本。比如酸堿中和，混合問(wèn)題不大，關(guān)鍵是傳熱，所以我們可以增加傳熱面積，使用高傳熱材料。所以推進(jìn)過(guò)程強(qiáng)化過(guò)程也是一樣的，先分析一下需要什嚒再進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)可以提高效果，降低成本。

例如在規(guī)則流的取舍問(wèn)題中，第一反應(yīng)器為T型或Y型，該反應(yīng)器內(nèi)部均為層流，流動(dòng)規(guī)律可預(yù)測(cè)，但混合效果差。這在制作納米材料方面可能很重要，但我們通常用于合成，有規(guī)律的流動(dòng)這一點(diǎn)并不特別重要。所以我們可以看到一些特殊的流道，提高流體的湍流特性。下圖可以看到微通道反應(yīng)器通道結(jié)構(gòu)的一些變化。