淺談微化工
1、發展歷史
自20世紀50年代集成電路問世以來,之后的數十年,電路的集成度至少提高了3個數量級。相應地,電路運行時,每個芯片產生的熱量也將大幅度增加,這給微電子器件的熱控制提出嚴苛的要求。在此背景下,20世紀80年代,微尺度換熱器作為一種新的冷卻技術應運而生。這里的“微”的更多是指管道、通道的“微”。因為微通道較常規尺度有著高效的傳熱、傳質能力,所以其很快切入到化學工程領域。
20世紀90年代初,隨著芯片反應器的發明,微化工技術的概念在相關領域迅速傳播,引起研究者的極度關注,并迅速成為化學工程學科的前沿和熱點方向之一。至今,微化工仍逐步地向前邁進,不斷地發展與豐富。
2、簡介
微化工過程是以微結構元件為核心,在微米或亞毫米(0.1-1mm)的受限空間內進行的化工過程。針對微反應器,通常要求其特征長度小于0.5mm。在微化工過程中,微小的分散尺度強化了混合與傳遞過程,從而提高了過程的可控性和效率。當將其應用于工業生產過程的時候,通常依照并聯的數量放大的基本原則,來實現大規模的生產。
微化工技術通常包括,微換熱、微反應、微分離和微分析等系統,其中前兩者是較為主要的。
理解傳熱強化
簡單的來說,相較于常規尺度下的管道,微通道有著極大的比表面積。這保證了在整個傳熱過程中,管壁與內在流體之間存在著快速的熱傳遞,能夠很快實現傳熱平衡。
理解傳質強化
一般來說,微通道的尺寸微小,有著更短的傳遞距離,有利于傳質過程的快速完成,實現溫度與濃度的均勻分布;同時另一方面,大多數微尺度流動的雷諾數遠小于2000,流動狀態為層流,沒有內部渦流,這反而不利于傳質的快速完成。而大多數文獻認為微化工器件仍是強化傳質能力的,因為人們已經在致力于研究新型的微混合設備和方法。
3、優勢(主要針對微反應器)
微反應器由于其特性,具有以下五點優勢:
1、試劑少量,成本降低
當用微反應器進行物質性質的檢驗或者化學過程的研究的時候,極少的試劑量便可實現。這顯著地降低了成本,同時也可以得到較為準確的理化性質。
2、選擇性高
對于很多的生化反應,同樣的反應物往往得到多種產物。這其實由于反應條件控制不夠精確穩定,從而影響反應的動力學與熱力學過程,影響最終的產物。而在微反應器中,能夠很好控制反應條件,實現對產品的高精度選擇。
3、綠色低耗
傳熱效率的提高也使得能量利用率得到極大的改善,相比于常規下的生產過程,微化工過程能量消耗更少,也更為綠色環保。而且,就像上面所說的,微反應能夠實現對產物的高度選擇,這將大大減少后續的分離工作。
4、反應迅速
這一優勢主要體現在那些反應的決速步是傳質步驟的時候。也就是在常規尺度下,由于傳質速率較慢,其成為整個反應的控制步驟。對于這一類反應,利用微反應器將強化傳質過程,從而提高整個反應的反應速率。
同時,使用微反應器件也可以減少或者避免返混。因為在微通道里,流體流動的雷諾數是很小的,遠未達到湍流的程度。因此,很少有返混的情況發生。對于正級數的反應,這能防止返混對反應帶來的不利影響。
5、安全
微反應器中微小的空間使得那些涉及高活性、毒性或爆炸性的中間體的反應能夠在更安全的情況(主要是指積累的量少)下進行。而且足夠大的比表面積也允許放熱反應能夠在反應過程中迅速的向外傳遞熱量,降低過熱爆炸的風險。
4、微化工與常規設備化工的關系
上述優勢是微化工相對于常規尺度下的化工來說的。至少在很長的一段時間內,微化工是不能取代現有的化工生產的。微化工應用于工業生產的時候,為了實現足夠大的產量,通常采用并行的數量放大的方法,而非增加通道的特征尺寸。實際上,根據目前的情況,即使采用并行放大的方法,其年產量與大型的常規尺度下的化工生產的年產量仍有差距。所以,在工業生產的時候最好將微化工應用于生產高價值的產品,在某些反應中,可以將尺寸放大與數量放大相結合,以期達到更大的生產效率。由此可知,在一些領域微化工技術的應用是有意義的,而在另一些領域,大規模的生產過程仍然是最好的選擇。
5、微反應器的應用
1、化學分析
微反應器的首次應用便是用于化學分析。待分析樣品經歷化學轉化,可以很容易的檢測出最終產物。樣品分析大致分為以下過程:樣品引入、樣品預處理、混合、化學反應、產物分離,產物的分離與檢測可以納入一個完整的微量分析系統。微反應器只需對少量產物進行分析,從而將分析系統小型化,提高可靠性。同時減少分析時間以及對樣本量和試劑的消耗。
2、獲得新的化學反應和操作環境
微反應器有著諸多獨特性能,如反應器體積小而操作安全,反應條件易控,傳熱性能好等。這些的性能可以用于開發出新的操作方案并設計出新的化學反應條件。如:
高效傳熱速率的系統
微反應器已用于在爆炸性環境中進行安全的高溫氧化過程。例如進行有機物的催化氫化,乙烷直接氧化成環氧乙烷等反應。這些反應放出的大量熱量可以很快向外散失。
有效控制反應時間的系統
在常規的反應中,反應物逐滴加入,以防止反應過于劇烈。但這造成一部分先加入的反應物停留時間過長,而且這個過程進行程度不可控。而微反應器技術,因為加料足夠少,其在微通道的停留時間分布非常窄,這樣能夠精確地控制反應的時間,整個反應進程也可掌握。
3、易向外擴展
微反應器通常來說都是相對獨立的,可以作為基本單元向外擴展來提高生產量,而非按比例放大。這可以代替傳統的路線:即實驗室-中試工廠-商業規模反應器。具體來說我們可以首先優化微反應器結構,然后通過使用類似的或相同的反應器并聯來增加產量。這種方法保持了基本單元的特征。與此同時,正因為通過并行擴大的方法來進行數量放大,所以從實驗室到工廠的開發移植時間將大大減少了,尤其是對于那些利用常規設備難以擴大的工業生產。
6、挑戰與瓶頸
為保證微反應器的優良特性,我們需要精確設計微反應器,在設計過程中,主要有以下四個方面制約著微反應器的發展:
1、反應器的材料
要制造出性能優良的反應器,就需要謹慎考慮反應器的材料的選擇。一般我們對反應器基底材料的要求包括耐高壓和高溫、擁有優良的溶劑相容性、光學清晰度、對試劑的抗滲性以及適當的表面化學特性和對流體元件的易集成性。在學術界,PDMS(聚二甲基硅氧烷)由于其易于成型、成本低廉等優點,是器件制造中最常用的材料,但是它在化學合成中也有缺點。其中最重要的是,PDMS裝置不能承受高壓和高溫,只能容納范圍很窄的化學反應,并且可能滲透到液體和氣體中。因此找到一種更加合適的制造材料是非常必要的。
2、固體處理
微流控反應器用于多相過程與傳統方法相比具有明顯的優勢。具體來說,不同相之間更密切的表面接觸使非理想的傳質效應減少,并且多相催化劑在微加工填充床反應器中有更好的選擇性。因此它們使得反應有良好的反應速率、產率和選擇性。但實際上,微流控反應器并不適合處理固體,無論固體是作為反應物還是副產物。從工業和生態的角度來看,微流控反應器在工業中使用的主要風險就是堵塞或破壞可能會縮短反應器的壽命。因此,如何將固體引入系統或者及時清除固體堵塞都是我們如今需要解決的問題。
3、反應器的形式
在設計一個反應器的時候,需要充分考慮到熱流、端口通道、反應器功能和反應器安裝的需求。比如有的時候,研究人員會習慣性地將反應芯片設計成矩形,卻忽略了熱力學定律或矩形形狀造成不對稱冷卻的事實。此時系統可以工作,但通常意味著必須使用多余的能量來保持最佳的運行條件。因此,我們在未來可以按約束將反應進行分類,在所研究的系統給定的限制下,應該盡量選擇用合適的反應器形式。
4、反應器的尺寸
微尺度由于其小尺寸造就的獨特的性能而擁有巨大的優勢,但實際上宏觀尺度也有其優勢的方面。隨著尺度的減小,一些宏觀上的作用,比如重力浮力等變得不再像通常情況下那樣明顯。此時,原本基于這些的傳統分離模式逐漸變得不再有效。因此,我們在未來設計反應器時必須考慮到其尺寸的合理性。
7、總結
至今,微化工技術已經有近30年的發展歷程,其在微尺度分散、混合、傳遞、反應、材料制備等方面已經有不容忽視的進步。但正像挑戰與瓶頸部分所呈現的,微化工技術仍有不少待攻克的難題。除此之外,微化工技術的基礎理論和其他新技術的發展,仍需廣大研究者和工程技術人員的不斷開拓。
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- 上一條微流控芯片基片與蓋片一體化注塑成型研究
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