微化工原理与应用研究

【摘要】：微化工系统具体指以微米级部件作为核心的反应、分离、混合设备所构建起的工艺系统。微化工系统采用的为集成化、精细化的思想，追求低能耗与高效率，注重安全性，如今许多国家与公司对微化工系统的研究不断深入，微化工系统的使用也将越来越广泛。本文通过对微化工系统原理的分析，结合其特征，最后探讨了微化工系统的应用与发展。

【关键词】：微化工系统 原理 应用 发展

传统化工过程主要依赖设备与装置的大型化来降低产品的成本。如今我国化学工业仍然存在着资源利用率低、设备庞大、污染重、能耗高的现象，无法满足可持续发展的需求。由于装备与技术的落后，而随着化学工业对于环境、资源以及能源的需求不断增长，类似的问题也将逐步凸显，如何有效解决这些问题，成为了实现我国化工业新型工业化的关键所在。微化工系统则能够有效实现化工过程的节能降耗以及化工系统的微型化。本文则针微化工系统的原理与应用展开具体探讨。

一、微化工系统的原理

以化工过程作为对象的微系统被称作为微化工系统，微化工系统具体指以微米级部件作为核心的反应、分离、混合设备所构建起的工艺系统。与传统的釜式装置、大型塔不同，微化工系统采用的为集成化、精细化的思想，追求低能耗与高效率，注重安全性。微化工系统的设计与开发在不降低设备处理能力的前提之下，将化工设备小型化，通过增强系统传递、混合以及流动过程速率以及可控性，缩短分离反应完成时间，实现化工过程的绿色、高效与安全。

微化工系统设计与开发的核心内容在于内部的微米级通道、沟槽以及筛孔等结构单元。微结构单元当中，流体以微米级作为流动的特征尺度，同常规的尺度相比，微米级尺度有着一定的差异性，微米级尺度下，一些常规尺度下的作用力，比如重力等不再发挥作用；一些大型设备当中的非主要作用力在微尺度环境下成为了主导流动的作用力，例如界面张力。微化工系统设备当中，微尺度的空间中有着许多新型的多项流型，既有着混乱分散流型以及规则分散流行、又有着稳定的连续流型。不同的流型中，分散过程可控性、分散尺度的大小、物质与能力的相间传递以及流体相内混合速率等都有着很大的差异。微尺度流型的控制是微化工系统内部研究的原理基础，也是微化工技术发展的关键因素。

二、微化工系统的特征

微化工技术是上个世纪90年初所兴起的技术，微化工集微机电系统设计思想与化学化工基本原理与一体。作为一种高新技术模式，微化工设备的内部通道特征尺度通常在几十微米，流体薄层间的距离非常短，能够实现反应物料之间的快速混合；并且由于通道特征的尺度小鱼火焰传播的临界尺度，也有着内在的安全性特征，其在易燃易爆、强放热以及快速混合的反应过程中，能够有效保证安全性，同时可进行连续化操作。

微化工系统也能够促进实现分布式生产。微化工系统有着高度集成的结构模块，因而能够实现按需供货与生产，解决了储运所带来的一系列问题，保证分散资源的合理利用，真正实现化工厂的便携化，有着很高的操作弹性，消除了危险品运输潜在的危险，反应所产生的“三废”也远远地少于传统的工艺。如今微化工技术已经发展成为了过程强化领域的典范。

此外， 通过微通道壁面以及流体的互相作用，能够压抑反应器当中的“热点”，消除限制因素，从而实现高放热反应在温和条件下也能够进行，为探索新的环境友好型工艺路线创造了条件。

总体来讲，采取微化工技术能够大幅度提升反应过程当中的能量与资源的利用效率，提升单位体积生产的能力，从而实现化工生产过程的安全化、绿色化与微型化。

三、微化工系统的应用与发展

微化工系统的一个主要应用对象为纳米粉体材料制备，通过微反应设备的利用，能够强化纳米颗粒制备过程当中颗粒成核，而微通道则是颗粒制备技术的新型的研究平台，通过微通道可控的反应时间以及微小的混合尺度，能够对纳米颗粒的成核生长的过程进行研究。如今微反应纳米颗粒制备也实现了工业化。同时，目前基于微化工系统已经开发出了诸多化工分析的新型微测试技术，利用微通道当中集成微电机，能够完成反应动力学等方面的测量，由于微系统过程安全可靠、物料消耗少等特征，能够测量快速强放热反应热效应；也能够利用为设备殊结构对气泡以及液滴的捕集，进行对稀溶液的微萃取分析；通过微尺度流动同界面张力的关联的特征，有效利用模型测量体系的黏度以及界面张力等物性。此外，通过微化工系统进行反应分离过程的强化也是微化工系统的一个重要应用，微化工系统通过连续并流的方式，确保反应时间得到精确控制，微反应器当中传递同反应速率能够得到合理匹配，从加料到反应系统稳定的时间也得到了有效缩短，并且能够提升主反应产物的收率，一些带有串联副反应的体系，通过微反应器来强化主反应，有效缩短反应的实践，减少副产物生成；而针对分离的过程而言，微设备的混合传递性也能够促进萃取与吸收过程的迅速完成，能够有效降低分离过程中的能耗。

我国的微化工技术研究尚处在起步阶段，许多领域的研究还需要进一步的深入。但我国如今的微化工技术产业化也有着不小的发展，由于在研究初期，科研单位与产业加强合作，促进形成了许多具有自主知识产权的微化工技术专利，例如清华大学所开发出的万吨级膜分散微结构反应器制备单分散纳米碳酸钙的工业装置；大连化物开发出了年磷酸二氢铵微化工系统等，都实现了工业化应用，在未来的5-10年当中，微反应技术也将在纳米材料、精细化工以及微反应技术新过程等相关的领域得到更为广泛地开发与应用。

作为一种新兴的技术，微化工技术仍然有着许多问题有待完善。近几十年来，许多国家与公司都对微化工系统进行了大量的研究，倾注了大量的人力、物力与财力。但微化工系统也并不适用于所有的反应过程，微反应器是某些反应过程的首选装置，但一些反应并不适合在微化工系统中进行。关于多相微分散方法、分散结构调控规律、流型变化的规律等都需要进一步地深入研究，而对于分散尺度对传递性能影响以及微分散体系形成等也需要进一步加深认识；微分散体系热质传递同动量传递之间的协同关系也要不断加强。

随着对微化工系统的不断深入研究，对微尺度下的规律的不断探索，微化工系统也将朝着更为可控、高效、安全以及环保的方向不断发展，作为新兴领域，微化工系统的使用也将越来越广泛。

参考文献：

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