小而强的微反应器技术
谢 军
第五届国际精细化学原料及中间体市场研讨会（2005年6月8～10日，南京）上，德国美因兹微技术研究所
（IMM，Institue fur Mikrotechnik Mainz GmbH，IMM）和拜耳技术服务公司（Bayer Technology Service，BTS）
分别介绍了各自的微反应器（Microreactor）技术，并展示了微反应器样品，引起了与会人员的广泛关注。作为一
项20世纪90年代兴起的新技术，微反应器技术在国内的认知程度还不高，许多人对此技术还是比较陌生。本刊特
就该技术作一简要介绍，希望对读者有所帮助。
微反应器技术的特点
微化工技术于20世纪90年代初兴起，着重研究时空特征尺度在数百微米和数百毫秒以内的微型设备和并行分
布系统中的过程特征和规律，目标是大幅度减小过程系统的体积或大幅度提高单位体积的产能。微化工系统通常包
括了微热系统、微反应系统、微分离系统和微分析系统。与常规化工过程通常依靠大型化来降低生产成本不同，微
化工过程注重于高效、快速、灵活、轻便、易装卸、易控制、易直接放大及高度集成。
与常规化工系统相比，微化工系统具有许多内在的、独特的优点。
一、单通道
①微尺度 微化工系统的通道宽度一般在亚微米和亚毫米级，温度梯度、压力梯度、浓度梯度和密度梯度较常
规化工系统大幅增加，因此传质和传热能力大大提高。如微换热器的传热系数可达25kW/（m2·K），比常规换热器
高出10倍以上。又如微混合器内流体厚度一般在几十微米，通过特殊设计还可进一步降至纳米尺度，从而使混合
时间降至毫秒甚至纳秒量级。这些是常规系统难以企及的。
②大比表面积 通常微通道设备的比表面积可以达到1万～5万m2/m3，是常规设备的10～50倍，对于强化反
应过程和传热非常有利，因此在微反应器中可实现强放热反应的等温操作及快速混合。
③体积小 由于线尺度减小，微化工系统的体积也显著下降，由此可减少构造材料用量及分析试剂的用量。
④独特的流动行为 微通道中流体流动通常属于层流，具有窄的停留时间分布和均匀的传质过程，也易于对过
程进行较为精确的理论描述与模拟。
二、并行单元
①快速放大 常规化工系统的放大过程一般需花费2～5年时间。而对于微反应器而言，每一通道相当于独立
的反应器，因此放大过程即是通道数目的叠加，有利于科研成果的快速转化。
②柔性生产 微反应器的操作弹性很高，可根据市场情况增减部分单元来调节生产。
③高通量筛选 与传统分析系统相比，微分析系统试剂用量少(纳升)、快速、高效；尤其是分析实验室芯片(将
样品预处理、分离和检测等过程集成在芯片上)的开发和应用，采用阵列检测可大大提高检测效率，增加可比性，
用于药物、催化剂、新材料开发等领域，不仅可减小试剂用量，且可显著降低试验成本和缩短试验周期。
三、并行系统
①高度集成 利用微电子工艺将微型反应器、传感器、执行器集成到同一芯片上，从而实现对反应器的实时监
测和控制，实现反应系统的快速响应。
②过程连续 对于传递控制的反应过程，用微反应器可实现连续操作，以替代传统的间歇操作。微反应器的传
质和传热速度快，因此可以有效缩短停留时间，提高反应速率。此外，还可能会提高反应的转化率和目标产物的选
择性。
③等温操作 微反应器具有很强的传热性能，可实现强放热反应过程的等温操作，有可能实现常规反应器中无
法进行的反应，开辟新的反应过程。
④过程安全 微反应器的特征尺度小于火焰传播临界直径且传热能力强，能有效抑制气相自由基支链爆炸反
应，使反应过程可以在很宽的原料浓度和操作温度下安全进行。同时，由于体积小，即使发生爆炸，也不会对环境
等造成大的危害，因而可实现因安全缘故不能在大装置内进行的反应。
⑤分散生产 微反应系统为模块结构的并行分布系统，便于携式运输，可根据产品使用地分散建设就地生产、
供货，从而消除了危险品运输过程的潜在危险，也可显著降低安全防范所需的巨额费用。
其中，微反应系统最具吸引力的优点之一是可实现实验室到工业化的直接放大，无需传统放大过程的中试过程。
微反应器的优势领域
①对反应配比要求严格的快速反应 微反应器系统可以在很短的时间内实现均匀混和，避免局部过量，可以使
副产物降至最低，从而有效改善最终产品的质量和收率。
②放热剧烈的反应 常规反应器中进行放热量较大的反应过程一般采用滴加方式，即使如此，也会引起局部过
热，产生一定量的副产物。而微反应器系统具有极佳的传热和传质能力，可精确控制反应温度，防止局部过热。对
Grignard反应研究发现，常规反应器需在-50℃进行的反应，使用微反应器可以在20℃条件下进行，且选择性提高
15%。
③反应物或产物不稳定的反应 某些反应物或产物很不稳定，在反应器中停留时间过长会分解，导致产品收率
降低。微反应器系统中的流体连续流动，可以精确控制反应物的停留时间，这对于反应物或产物不稳定的反应体系
非常有利。如无水无氧条件下进行的金属有机化学反应、重氮化反应及偶合反应等。
④危险化学反应及高温高压反应 微反应器有两大内在优势：传热快，可以将反应温度控制在安全范围，降低
危险发生的可能；通道内化学品量少，即使出现危险，损失也比较小，如硝化、乙烯环氧化、氟气直接氟化以及易
爆气体相关的气-液反应等。
⑤纳米材料及要求产品粒径分布均匀的反应 微反应器的混合可以瞬间完成，对于形成沉淀的反应，颗粒形
成及晶体生长时间基本一致，因此得到的颗粒的粒径分布窄。如颜料合成和纳米颗粒合成等。
需要澄清的事实
任何技术都不可能是万能的，微化工技术也是一样。对于微反应器而言，其自身特点决定了以下不足：
① 微反应器的混合过程迅速，比较适合快速反应（混合控制的反应），对于反应速度较慢的动力学控制的反应
不太适宜；
② 微反应器的通道直径较小，反应过程产生固体颗粒时，可能会造成通道堵塞。这类反应采用微反应器时，
应对反应条件和过程控制进行详细研究；
③ 微反应器的比表面积较大，对于粘度较大的反应体系，输送流体的功耗要大于常规反应器，在能耗等方面
微反应器技术并不具备优势；
④ 由于技术含量较高，加工难道大，目前微反应器系统的价格仍然较高。