模块化微反应器 未来化工新技术
拜耳技术服务公司 付敏 李斌 王卫江
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。
本文就微化工技术的基本特征、微反应器系统适合的反应类型及拜耳技术服务公司（BTS）开发的用微反应器
系统合成产品的一些案例做简单介绍，希望对从事化工技术开发及从事精细化工产品生产的专家、研究人员有所帮
助与启示。
基本特征
微反应器从本质上讲是一种连续流动的管道式反应器。它包括化工单元所需要的混和器、换热器、反应器、控
制器等。但是，其管道尺寸远远小于常规管式反应器，微反应器由直径为10～500?滋m的很多微通道并联而成，
内部比表面积极大，可达4万～5万m2/m3。与常规尺度的化工系统相比，微化工系统因其极小的尺寸和极大的比
表面积而具有更多内在的、独特的优点。
1.快速、优良的混合能力
在微通道中，流体流型主要为层流，因此扩散成为传质过程的主要控制因素。两相物质达到均匀混合所需要的
时间与特征尺寸成正比关系，这就意味着减小通道尺寸将大大缩短扩散时间。在微混合器中两种待混合流体分别被
分成多股薄层流体，接触面积增加，扩散路径变短，反应物可以在毫秒内即可达到径向完全混合。
2.高效的换热效率
反应器单位体积的传热量与该反应器的比表面积成正比，微反应器比表面积巨大，传热系数可达2.5万W/
(m2·K)，比传统换热器至少大一个数量级。
3.反应进程易于模拟
微通道中流体流动具有停留时间分布窄和均匀的传质过程，更接近于理想的反应状态，也更易于对反应过程进
行较为精确的理论描述与模拟。
优势及适合反应类型
由于微反应器具有优良的传热、传质性能，其优越性是大反应器所无法比拟的。
1.很好的温度控制
由于微反应器的传热系数非常大，即使是反应速率非常快、放热效应非常强的化学反应，在微反应器中也能在
近乎等温的条件下进行，可有效避免热点现象。反应可在传统反应器无法实现的温度范围内操作，这对于涉及中间
产物和热不稳定产物的部分反应具有重要意义。
2.提高转化率和收率
对于某些需要精确控制反应时间、反应温度和精确配比来减少副反应、提高反应物选择性的反应，微反应器能
够实现对反应系统条件的精确控制，从而大大提高反应物的转化率及产物收率。
3.更高的安全性
微反应器的反应体积小，传质传热速率快，能及时移走强放热反应产生的大量热量，有效避免宏观反应器中常
见的“飞温”现象。由于微反应器的特征尺寸小于火焰传播临界直径，且传热能力极强，能够有效地抑制气相自由
基支链爆炸反应，使得易燃易爆反应过程可以在很宽的操作温度下安全进行。
4.快速过程放大
传统的放大过程存在着放大效应，耗时耗力。而微反应中每一个微通道都相当于一个独立的反应器，因此放大
过程也只是通道数目的增加，其传热、传质性能并没有发生变化，可以节约时间、降低成本，缩短研发到生产的时
间。
据统计，在精细化工反应中，大约有20%的反应可以通过采用微反应器而提高收率、选择性和安全性。考虑到
精细化工反应范围之广、数量之大，微反应器的应用潜力十分惊人。
微反应器的优势集中体现以在下反应类型上：①放热剧烈的反应；②反应物或产物不稳定的反应；③对反应配
比要求很严的快速反应；④危险化学反应以及高温高压反应；⑤纳米材料，以及需要产物均匀分布的颗粒形成反应
或聚合反应。
应用成功案例
BTS开发了模块化微反应器系统，并用该新型系统成功开发了多种产品新合成工艺。例如低温金属有机反应、
高温高压强放热反应、酯交换反应、合成纳米粒子的反应等，其中部分已经建立中试装置。
1.低温反应生产液晶中间体
BTS投入了近5年的时间和大量资金，使用全新的微反应器技术，开发出液晶中间体的新生产工艺：首先，底
物A与丁基锂在-70℃反应生成一个高度活泼的中间体；然后，上述中间体与另一原料B反应生成液晶中间体。使
用具有不同取代基的A与B，可以生产一系列具有不同分子结构的高价值液晶中间体。目前该工艺已申请欧洲专利。
表1是微反应器技术与常规工艺在合成产品中对设备、能耗的要求及产品质量的比较，从中我们可以清楚地看
到，微反应技术具有安全性好、能耗低、体积小、收率高等优点。
表1 不同技术合成某液晶产品比较
项目 常规间歇式反应技术 微反应器技术
反应器体积 400L 3L
产量 24kg/d 40kg/d
选择性 89％ 94％
安全性 反应体积大，安全隐患大 反应体积很小，安全隐患小
反应温度 -70℃ -40℃
对冷却设备要求 对制冷设备要求很高 不需要很复杂的制冷设备
2.合成纳米材料
BTS使用模块化微反应技术，开发了一种新型工艺生产纳米氧化银和纳米银。此工艺已申请德国专利。该工艺
包括两步反应：底物A和氢氧化钠水溶液通过单向阀混合器反应生成氧化银，生成的氧化银与另一原料B生成纳米
银颗粒。
该工艺具有以下优点：设备体积小，可以实现连续化生产， 产品质量均一稳定，安全性好、能耗低。并可在
不改变设备的情况下，生产出不同尺寸的纳米银颗粒，工艺可控性好，操作弹性大。
该工艺的核心设备是单向阀混合器，它是一个能阻止某一种反应流体逆向流动的单向阀（见图1），由此可以
防止在混和区域的上游产生沉淀和堵塞。阀门上装有弹簧，它由流体的背压驱动，开启后流体以薄层状流入环形的
混和区域。另一种流体由呈同心环状排列的微孔导入。由反应生成的含有微小颗粒的悬浊液直接流出混和区域，因
没有回流或死体积，所以不会有沉积现象发生。该模块可以拆解，易于清洗。开启单向阀的压力可由调节弹簧的松
紧来实现。环绕混和区域的同心微孔是由一个具有很多放射状狭缝的小盘片实现的。对于不同的混和要求，可以采
用具有不同结构的盘片来满足。单向阀混和器也可以用来混和不产生沉淀的液体，另外，已经证明它可以产生很好
的乳液。
小 结
微反应器技术为很多使用传统反应器很难操作的反应提供了崭新的解决方案：低温反应不再是“低温”反应；
以往不得不小心翼翼操作的易失控反应被改造成安全高效的工艺；缓慢的反应被提高到以往不敢想像的温度和压力
下快速进行；本因选择性不高而缺乏工业价值的反应得以重新审视；毫秒级的停留反应时间充分防止了高度活泼的
过渡态中间体的分解……。借助微反应器技术，化学家不仅可以实现以前根本无法实现的反应，而且可以快速获得
大量产品。通常，从实验室规模放大到工厂规模需要花费大量精力调整反应以使设备安全运行。如果借助微反应器，
只需要简单地延长运转时间，就可以将反应从毫克规模放大到公斤规模。
微反应器技术作为一项新兴技术，从诞生就显示出巨大的潜力和应用价值。随着研究的进一步深入和商业化生
产的实现，该技术将会为医药中间体、精细化学品等小批量、高附加值产品的生产开创全新的局面。