微反应器强化传热传质在化工过程的应用_中国煤炭行业知识服务平台

创新点

概述了微反应器的结构特点与优势，包括传质传热效率高、可连续化操作、反应高效安全等；

总结了微反应器强化传质传热的策略，包括强化流体流动、减小传质距离和增大传热比表面积、选择高性能冷却介质、选择高导热材料等；

系统回顾了微反应器在强放热反应领域的典型应用，分析了其优势；

展望了微反应器技术的未来发展趋势和面临的挑战与机遇。

作者简介

陈东研究员

陈东，浙江大学能源工程学院化工机械研究所研究员，主要从事微流控、微化工、高通量筛选平台等方面的研究，承担多项国家级项目和省部级项目。在Advanced Materials、Nature Communication、Angewandte Chemie International Edition等国际权威期刊上发表学术论文110余篇，总引用次数4300余次，H因子38。授权中国发明专利25项，其中第一发明人发明专利20项。研究成果荣获中国化工学会基础研究成果奖一等奖（省部级），部分研究成果实现转化。主编“十三五”国家重点出版物软物质前沿科学丛书《液晶自组装及其应用》，撰写2章英文书本章节。兼任Chinese Chemical Letters、Energies等期刊编委；入选中国医药生物技术协会纳米生物技术分会委员、中国化学会仿生界面化学分会专委会委员、中国物理学会液晶分会委员、中国化工学会微化工技术专业委员会委员，中国稀土学会稀土材料化学与生物技术交叉专业委员会委员和浙江省力学学会实验力学专业委员会委员。

微反应器强化传热传质在化工过程的应用

作者

张仕凯，罗沧海，郑园，肖垚，陈东*

单位

浙江大学能源工程学院

基金项目

1. 国家重点研发计划资助项目（2021YFC3001100）

2. 国家自然科学基金资助项目（22278352）

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摘要

精细化工、环境保护、生物药物等领域通常对化学反应连续性、选择性、安全性等有较高要求，尤其是在涉及强放热反应时，控制不当极易引起火灾甚至爆炸。强化传热传质是解决这些问题的关键。相较于传统的釜式反应器，微反应器具有传质传热效率高、反应参数控制精准、可连续化操作和高效安全等优点。本文总结了微反应器在化工过程的应用，首先分析了微反应器的结构特点与优势，其次总结了强化流体流动、减小传热距离和增大传热比表面积、选择高性能冷却介质以及高导热材料等强化传质传热策略。然后介绍了微反应器在典型强放热反应中的最新应用，包括过氧化反应、硝化反应和重氮化反应。最后总结了微反应器技术的机遇和挑战，从而为微反应器在工业生产领域的设计、制造、应用提供指导。

研究背景

强化传质传热是提高化学反应连续性、选择性、安全性等的关键。以强放热反应为例，过氧化反应、硝化反应、重氮化反应等是化学工业中常见的强放热反应，这类反应通常涉及精细化工、环境保护、生物医药等领域产品的开发和合成。由于强放热反应过程通常伴随剧烈的热量释放，热量易在反应器局部聚集，导致副反应增多，甚至引发热失控，造成严重安全事故。由于传统釜式反应器结构简单、设备成本低，化工行业现阶段仍以釜式反应器为主。针对强放热反应，釜式反应器多采用机械搅拌和夹套换热的方式强化传质传热，但其传质传热性能仍然较差，无法有效控制反应温度，导致反应选择性和反应物产率下降，尤其是存在较大的安全隐患。因此亟需新的技术解决釜式反应器传质传热性能较差带来的诸多问题。

为解决化学反应对传质传热性能的高要求，管式、板式等微反应器越来越受到人们的关注，并已经在化工行业得到推广应用。微反应器采用微加工制造技术，设计通道尺度在10μm-3mm范围的流动化学反应器。由于微反应器较小的通道尺寸，较短的传质距离和较高的比表面积等优点，微反应器可以提供更快速的混合效果、更优异的换热性能、更精准的温度控制、从而提高反应选择性和反应物产率，减少局部热点产生，提高化工反应过程安全。因此，微反应器在化学工业展现出广阔的应用前景，尤其在强放热反应、连续流反应等领域，通过精确的流动控制和精准的反应条件优化，可以实现高效、安全、可持续化的化学反应过程。

本文归纳总结了近几年微反应器在精细化工、环境保护、生物医药等领域的研究，首先介绍了微反应器通道尺寸小、混合效果好、比表面积大、换热效率高、反应参数控制精准、体积小、易于平行放大和模块化设计、连续流操作、生产效率高等优点，其次总结了微反应器强化流体流动、减小传热距离和增大传热比表面积、选择高性能冷却介质、选择高导热材料等强化传质传热策略，然后介绍了微反应器在强放热反应中的最新应用，其中包括过氧化反应、硝化反应和重氮化反应，最后对微反应器进行了总结和展望，从而为微反应器在工业生产领域的设计、制造、应用提供指导。

部分图片

图1 微反应器的优点及其应用

图2 改良的特斯拉通道

图3 微反应器中连续流合成甲基砜

引文格式

张仕凯,罗沧海,郑园,肖垚,陈东.微反应器强化传热传质在化工过程的应用[J/OL].能源环境保护:1-9[2023-10-10].https://doi.org/10.20078/j.eep.20231001.

ZHANG Shikai, LUO Canghai, ZHENG Yuan, XIAO Yao, CHEN DONG. Enhancements of mass transfer and heat transfer by microreactors and their applications in chemical engineering[J/OL].Energy Environmental Protection:1-9[2023-10-10].https://doi.org/10.20078/j.eep.20231001.

　　责任编辑：宫在芹

微反应器强化传热传质在化工过程的应用

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