這次我們來談?wù)勎⑼ǖ婪磻?yīng)器的原理問題，這里將微通道反應(yīng)器作為過程強化裝置的特點總結(jié)為以下四點。

1.通過連續(xù)操作提高效率。

2、可通過整理流程進(jìn)行結(jié)構(gòu)控制。

3.通過微通道增加比表面積。

4.通過微通道減小傳輸長度。

第一，我們在上期介紹過，所有連續(xù)化的操作都能帶來效率的提高。例如，在攪拌釜內(nèi)的反應(yīng)、供給1小時、反應(yīng)2小時、供給2小時。那么，一個操作期是4小時，實際反應(yīng)的時間只有2小時。如果連續(xù)操作，所有4小時都用于反應(yīng)，整體效率會提高一倍。這也是我上一期的觀點，很多過程，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，我們通過一個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，整個流動是非常有規(guī)律的。這種現(xiàn)象不僅對于兩種液體，對于氣液過程也是一樣的，這樣可以使氣體通過水得到一定大小的氣泡。

這種現(xiàn)象有什么好處，有兩個好處。

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，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法達(dá)到的。例如，在我們的萃取過程中，無論我們使用攪拌釜如何設(shè)計，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)器中不能實現(xiàn)。

第二，規(guī)則流動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，價格也可以倍增。所以對于這些有尺寸要求的產(chǎn)品，這一點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。因為反應(yīng)發(fā)生在整個裝置內(nèi)部。但是，這些熱量從系統(tǒng)中的除去是通過表面的，即與裝置的表面積成比例。對于圓柱形容器，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。同時可以看到，比表面積與半徑成反比。也就是說，半徑越大，設(shè)備的換熱能力越差。

換熱能力這對化工過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。在工廠做這個操作可能需要30到1個小時，但實際上這個反應(yīng)是毫秒級的快。但是，由于該反應(yīng)發(fā)熱，必須移動熱量，因此工廠只能一點點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，但散熱問題無法解決，溶液升溫或沸騰很危險。如果有一個能瞬間移動反應(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)熱非常強烈的反應(yīng)能夠安全快速地進(jìn)行。

最后一個特點是傳遞長度減少的問題，這個問題是抽象的，首先說到邊界層，這是我們搞化工都知道的。

流體在靠近管壁的部分為層流，層流這一過程相對穩(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，這個層流層無論多厚都在管道中，并不比管道半徑大。也就是說，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。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。一般的攪拌鍋做不到。

在這里，我們談到了微通道反應(yīng)器的四個方面。在總結(jié)這四點的時候，我們也來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，一般是實驗所需，制成的反應(yīng)器都比較中庸，這四個特點：盡可能考慮連續(xù)化、規(guī)則流動、比表面積和傳遞強度。

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)中實際上可以根據(jù)需要專門針對特定的特征進(jìn)行定制，這樣可以大大降低成本。例如在萃取中，萃取沒有規(guī)則流程的要求，不會強烈散熱。為此，我們需要的是盡量縮短傳遞長度。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有利于傳熱的結(jié)構(gòu)，取舍的話會有很高的效果，降低成本。比如酸堿中和，混合問題不大，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)過程強化過程也是一樣的，先分析一下需要什嚒再進(jìn)行特殊設(shè)計可以提高效果，降低成本。

例如在規(guī)則流的取舍問題中，第一反應(yīng)器為T型或Y型，該反應(yīng)器內(nèi)部均為層流，流動規(guī)律可預(yù)測，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)律的流動這一點并不特別重要。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。