微反应器的设计与应用

伍青林， 张仕凯， 陈 东,3

(1.浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室， 浙江 杭州 310007； 2.浙江大学 能源工程学院， 浙江 杭州 310007；3.浙江大学 浙江省智能生物材料重点实验室，浙江 杭州 310007)

引言

中国是化工大国，也是化工强国。近年来，随着化工安全的重要性显著提升，微反应器的应用也得到了进一步的推广。微反应器是一种将微结构的内在优势应用到化学反应过程的设备或器件，通常包括混合单元、流量分配器、微尺度通道等部分。微反应器需要保证传质传热效率并考虑反应通量，因此其通道尺寸通常在几百微米到一两毫米之间。由于微通道尺寸较小，微反应器中流体的雷诺数较低，流体主要受黏度而不是惯性的影响，倾向于形成层流，对混合不利。微反应器一方面通过较小的通道尺寸获得较大的比表面积和较小的传质距离，确保流体之间快速传质和传热[1]，另一方面通过通道的结构设计，能够进一步提高混合效果，增加传质传热效果[2]。同时，微反应器的持液量较小，与环境的接触面积较大，能够保证反应的安全性、稳定性、选择性等[3-4]。由于上述优点，微反应器被广泛应用于有机化合物/聚合物[5-9]、纳米颗粒[10-12]、能源物质[13-16]、生物医药[17-19]等的合成。

已有研究表明微反应器的传质速率比传统反应器的传质速率高多个数量级，并且微反应器适合对传质传热速率要求较高的过程，尤其是强放热等反应。因此对微反应器中的通道结构及其强化传质传热过程的研究具有重要意义。根据强化传质的能量来源可以将微反应器分成主动式微反应器和被动式微反应器。主动式微反应器需要额外设置电磁场[20]、超声[21]等外界能量源来提高混合速率和传质效率。此类微反应器能够实现较好的传质效果，但是制造较困难且耗能较高。被动式微反应器主要通过微通道的优化设计来实现传质强化，常见的通道优化方法包括设置复杂流道[22-24]、回流装置(如Tesla结构)[25-26]、障碍物/混合单元[27]以及内壁增加沟槽/凸起[28-29]等。此类微反应器制造较容易且耗能较小，具有较大应用潜力。微反应器的传热设计则可以通过改变微反应器的材料、结构、操作条件等方法进行[30-31]。

本研究归纳总结近几年微反应器的设计与应用。首先介绍微反应器的制作材料及其加工工艺，其次总结微反应器通道设计从而强化传质和传热的常用方法，然后介绍微反应器的最新应用进展，包括合成有机化合物/聚合物、纳米颗粒、能源物质以及生物医药等，最后对微反应器的设计和应用进行总结和展望。本研究力争为微反应器的选材、加工制造、优化设计以及应用等方面提供有效指导。

1 材料与制备工艺

1.1 制备材料

微反应器的商业化程度相对较高，多种微反应器已经被研制出来用于学术研究或工业应用，如Corning的Advanced-Flow微反应器、Lonza的FlowPlate微反应器、Uniqsis的FlowSyn系统、ThalesNano的H-Cube Pro流动反应器等[32-33]。ThalesNano的H-Cube Pro流动反应器如图1a)所示[33]。考虑到高温高压等操作条件以及与反应体系的兼容性等因素，工业微反应器通常由不锈钢[34-35]、聚四氟乙烯(PTFE)[36-37]、全氟烷氧基树脂(PFA)、哈氏合金[38]、碳化硅(SiC)[39]等材料制造。

微反应器通常可以分为管式反应器和板式反应器，主要实现化学反应过程的快速传质和传热。管式微反应器和板式微反应器优点和缺点比较如表1所示。化学稳定性是微反应器考虑的主要因素之一。在实际应用中，微反应器制作材料的选择需要综合考虑操作条件、反应物的物理性质、价格、制造难易程度等因素。管式反应器通常采用的材料包括不锈钢管、PTFE管、PFA管等[40]。例如，Adamo 等[17]搭建了一个紧凑的、可重构的、可按需合成和配置活性药物成分的管式反应器，如图1b所示[17]。该平台的反应器管道使用PFA制成。Ahn等[41]设计了一种铜质毛细管微反应器，如图1c所示[41]。该反应器设置25个平行放置的铜质毛细管，并使用不锈钢制造流量分配器，集成了流量分配器和铜催化模块，能够显著提高商业合成药物的生产效率。

图1 不同材料制成的微反应器

表1 管式微反应器和板式微反应器的优点和缺点

板式反应器通常采用的材料包括不锈钢、哈氏合金、SiC等。不锈钢非常适合制造涉及高温、快速生成能量以及反应物具有腐蚀性的微反应器，制造工艺成熟，但是表面粗造度难达到很低。WANG等[42]设计了一种以SiC蜂窝陶瓷作为催化剂载体，不锈钢为外壳的甲醇蒸汽重整制氢的板式微反应器。研究表明，该反应器能够在较短时间内获得较高的产气率(67.85%)和产气量(316.37 mL/min)，具有高导热性能的SiC蜂窝陶瓷可以作为甲醇蒸汽重整制氢微反应器的催化剂载体，用于高效制氢。

1.2 加工工艺

微反应器的加工需要在相应的材料上制造出微小的通道、混合器、流量分配器等部件。根据微反应器的反应要求等不同，所选用的制备材料和相应的加工制造方法也不相同。实验室用的微反应器对反应条件、通量等要求较低，可以使用光刻、蚀刻等技术在硅、玻璃等材料基板上设计微反应器通道，也可以使用热压法[43]、模塑法、软光刻[44-45]、LIGA工艺[46]、3D打印[47-48]等技术在聚合物基底上制作微反应器。

这里主要介绍工业微反应器。如上所述，工业微反应器主要包括管式反应器和板式反应器，这两者的加工工艺有所不同。管式反应器主要通过两相接头、三相接头等元件，将不锈钢管、PTFE管、PFA管等连接起来，也可以通过焊接将管路连接起来。板式反应器则首先通过微切削等技术在不锈钢、哈氏合金、SiC等板材上设计通道，对于不锈钢、哈氏合金等合金板材通常通过真空焊接、激光焊接等技术连接在一起，对于SiC板材则通常通过高温烧结连接在一起[39]。

微切削技术包括微铣削、微车削、微磨削等方式，具有精度高、设备价格较低和材料适用范围广等优点[49]。Sanz等[50]制造了一种以铁铬铝合金为主要材料的强化甲醇水蒸气重整制氢的微反应器，该微反应器利用微铣削加工出单个反应器平板，再通过瞬时液相扩散焊将多个平板连接成微反应器，如图2a所示[50]。Ghaini等[51]利用真空焊接等技术制备了三种模块化不锈钢微反应器，这些微反应器利用真空焊接将各个板块连接到一起，并加工成反应器模块，如图2b所示[51]。

图2 典型工业微反应器加工工艺

2 微反应器的设计

如前所述，主动式微反应器需要额外设置磁场、超声等外界能量源来提高混合速率和传质效率。此类微反应器制造较困难且耗能较高。被动式微反应器主要通过微通道的优化设计来实现传质强化。此类微反应器制造较容易且耗能较小，具有较大应用潜力。这里主要介绍被动式微反应器的通道设计和传热设计。强放热反应等对反应过程的传质系数和传热系数要求很高，需要对微反应器通道结构进行设计，从而强化传质和传热，以满足实际需求。微反应器强化传质的微通道设计包括设置复杂流道、回流装置(如Tesla结构)、障碍物/混合单元、以及内壁增加沟槽/凸起等。微反应器的传热设计则主要包括改进微反应器的材料、结构、操作条件等。下面先简要介绍微反应器设计的评价方法，然后介绍其通道设计和传热设计的最新进展。

2.1 评价方法

微反应器设计的评价方法主要包括混合效果、压降、有效能量利用系数、流量、阻塞难易程度等。反应物的混合效果直接关系到传质传热情况，是评价微反应器设计的重要指标。WOLDEMARIAM等[52]利用出口截面上示踪剂质量分数的标准差来量化微反应器的混合性能，计算公式如下：

(1)

式中，η—— 混合效率

ci—— 点i处的示踪剂质量分数

N—— 研究位置的总数

因为微混合时间(Micromixing time)小于微反应时间时，可以取得较高的反应效率、较好的选择性等优点，很多研究使用微混合时间来评价微反应器的混合效果。然而微混合时间的确定需要充分描述混合器内的速度场和浓度场，通过实验确定较为困难。IEM模型(Interaction Exchange with the Mean Model)[53]、团聚模型(Incorporation Model)[54]、拉伸效率模型(Stretching Efficiency Model)[55]等被提出来计算微混合时间。FALK等[56]通过Villermaux-Dushman反应表征不同微混合器的混合效率，给出了理论混合时间的计算方法，得出了混合时间与雷诺数、单位质量流体的能量耗散等参数的关系。研究发现微混合时间tdiff+shear(s)与式(2)符合得很好。

(2)

式中，d—— 通道尺寸，m

D—— 扩散系数，m2/s

Pe—— Peclet无量纲数，物理意义为对流速率与扩散速率之比，其定义如式(3)

(3)

式中，U—— 反应物的流速，m/s

L—— 通道的长度，m

d—— 通道直径，m

COMMENGE等[5]使用Villermaux-Dushman反应体系获得了微混合时间tm(s)与反应物浓度数值的经验关系如式(4)

tm=0.33(OD)[H+]-4.55[KI]-1.5[KIO3]5.8

[NaOH]-2[H3BO3]-2

(4)

式中，OD表示光密度，[H+]、[KI]、[KIO3]、[NaOH]、[H3BO3]分别表示氢离子、碘化钾、碘酸钾、氢氧化钠、硼酸的浓度。

压降能够衡量微反应器的能量损耗，反映泵送流体需要的能量和反应器的承压情况。HOLVY等[58]研究了单相微反应器中的压降和混合效率。考虑层流壁面摩擦和湍流二次流，将微反应器的总压降表示为混合区、主流道和进出口的压降之和。通过实验拟合获得了层流和二次流的摩擦因数，进而建立了压降的计算模型。LI等[59]研究毛细管微反应器的传质强化，通过嵌入微针以改进T型微反应器。研究表明该改进方法能够大幅降低微反应器的压降。与总压降相比，单位质量的能量耗散(比能耗，W/kg)更能反映微反应器的能量消耗情况。低雷诺数下被动式微反应器的比能耗ε的计算如式(5)所示[56]

(5)

式中，Q—— 体积流量，m3/s

Δp—— 总压降，Pa

ρ—— 流体的密度，kg/m3

V—— 流体的体积，m3

ν—— 运动黏度，m/s2

um—— 平均速度，m/s

d—— 通道的直径，m

FALK等[56]研究了T型混合器、正切型IMTEK混合器、Caterpillar混合器等五种不同微混合器的混合性能，得到了比能耗ε和微混合时间tm的经验关系，如式(6)所示

tm=0.15ε-0.45

(6)

复杂结构和微小通道能够提高混合效果，但是也伴随着阻力的增加和压降的提升，因此，需要根据实际情况综合考虑混合效果和压降。LI等[59]提出有效能量利用系数φ来综合评价微反应器的传质效果和压降，其定义为:

(7)

式中， (ka)Mo和(ka)O—— 分别表示改进后和原始微反应器的总体积传质系数

εMo和εO—— 分别表示改进后和原始微反应器的比能量耗散，比能量耗散表示单位质量流体动能和压力能的损失

式(7)中的总体积传质系数ka的定义如式(8)所示，其物理意义是该物质进出口传质推动力的比值，可以用于评价微反应器的传质性能。

(8)

式中，t—— 表观停留时间，可以通过体积流量计算

caq,i和caq,o—— 分别表示反应器入口和出口该物质在分散相中的浓度

流量是表征微反应器处理反应物速度的重要参数。在满足设计要求的情况下，应尽可能增大流量以提高生产速率。阻塞是影响微反应器稳定性的重要因素。由于流道狭窄、存在死区、反应生成固体颗粒等原因，微反应器容易发生阻塞，导致传质效果降低，压降增大，严重时会导致反应器失效。WU和KUHN[60]总结了微反应器中处理固体以防止阻塞的方法，其中包括改变反应物的流态、改变微反应器的通道设计、结合声场磁场等方法。

2.2 通道设计

1) 弯曲流道

设置弯曲的流道可以改变流体的速度方向，形成涡流，是强化传质的常用方法之一。微反应器中常见的弯曲通道设计包括蛇形[61]、正弦曲线、螺旋形、之字形等。PLOUFFE等[22]对四种有机溶剂在蛇形微反应器中的总体积传质系数进行了表征，该反应器的局部如图3a所示[22]。结果表明流动状态能够显著影响总体积传质系数，且在液滴流状态下影响最大。PRAKASH等[62]利用蛇形微反应器，以水为溶剂从甲苯中提取乙酸，得出蛇形反应器的萃取效率和总体积传质系数，证明了由于二次流的存在，蛇形管的传质效率比直管中的高1.2倍，且压降更低。

ÖZKAN和ERDEM[63]针对正弦曲线形微通道几何形状对混合性能的影响，利用有限元分析方法模拟了液滴形成过程，系统研究了尺寸、曲率和横截面积对混合性能的影响，揭示了更小截面积、更小半径的微通道可以获得更好的传质效果。ZHANG等[23]通过实验研究了入口混合角和表面润湿性对微通道混合效率的影响，通过采用碘酸-碘化物测试反应和微粒子图像测速系统，揭示了增大入口混合角可以提高微混合效率，并且疏水微通道的混合性能优于亲水微通道。YANG等[64]研究了之字形超声微反应器对气液传质和混合效率的增强效果，定量地比较了直线和之字形超声微反应器中氧气和液体的传质性能和混合效率，研究表明之字形结构和超声振荡的协同作用可使传质增强因子从1.88提高到3.80。

2) 回流装置

设置回流装置可以使部分流体反向流动，与正向流体发生碰撞，延长停留时间，增加流体湍动程度，从而强化传质效果。特斯拉(Tesla)结构是一种典型的回流装置，可以通过流体的分散和汇合产生横向扩散，如图3b所示。

图3 微反应器通道设计

HOSSAIN等[65]对改进的特斯拉结构微混合器进行了研究，并以出口处的混合指数和摩擦系数对微混合器的性能进行了优化。YANG等[66]对一种新型Tesla微混合器的设计、制造、仿真、测试等进行了研究，实验结果表明该微混合器在雷诺数为0.1～100范围内具有良好的混合性能和很低的压降，并成功应用于免疫荧光分析，检测肺癌细胞表面抗原的抗体结合反应。

HOSSAIN等[25]结合数值和实验，分析了不同形状的障碍物(菱形、矩形和圆形)对特斯拉结构混合性能的影响，通过分散位置处的障碍物显著增强了混沌对流，并利用横向扩散和混沌对流的协同作用，提高了整体混合效果。ZOU等[26]基于流体汇聚-发散-分裂和反向碰撞-汇合的理念，设计制作了一种新型的特斯拉结构微混合器，该微混合器在低雷诺数(Re=10.0)时能产生二次流、多重涡旋和反向碰撞，进而实现完全混合。

3) 障碍物/混合单元

设置障碍物/混合单元也是强化传质的常用方法之一。设置的障碍物/混合单元可以改变流体的流动方向，增加接触和碰撞的频率，从而促进传质。相关研究通过设置障碍物/混合单元，并优化其形状、位置、尺寸等参数，进而提高传质效果。LV等[27]研究了带有挡板的蝶形微混合器中液体的流动和传质行为，该混合器的结构如图3c所示[27]。针对不互溶的两相混合，通过数值模拟和实验相结合，分别以两相的流量为x轴和y轴，建立了微混合器中两相流形成液滴流、泰勒流、层流、环形流、分散流区域的相图，得到了体积传质系数与雷诺数之间较为准确的经验关系。PLOUFFE等[67]通过4-硝基苯基乙酸酯的两相碱性水解，研究了5种不同微反应器的流场和传质情况。研究表明设置障碍物能够防止平行流产生，提高界面传质速率，并且随着流速的增加，可以观察到段塞流、平行流、液滴流和分散流等流动状态。MIELKE等[68]研究了不同挡板形状对正丁醇或甲苯在氢氧化钠水溶液中的水解反应的影响。研究表明在低界面张力体系(即正丁醇和氢氧化钠水溶液)和液滴流的情况下，三角形混合器的平均能量耗散率比镰刀型和菱形混合器的平均能量耗散率更低。随后，MIELKE等[69]又研究了混合器单元的排列间距、布置对四种有机溶剂和水的界面传质速率的影响。

NIEVES-REMACHA等[70]设计了三种不同挡板的反应器，并使用OpenFOAM软件构建不混溶体系相界面的传质模型，用于预测正己烷和水体系的流动状态。通过系统研究物性参数和反应器的几何结构对传质效果的影响，揭示了在不同流量下三种几何结构对流体的流动特性影响有限，传质效果差异不大(17%以内)，连续相的黏度对传质没有显著影响，但接触角是影响流动状态最主要的因素，界面张力是影响传质效果的重要因素。LI等[59]通过改进T型微混合器的进口方式、直径、折流板数量和折流板间距等几何参数，提出有效能量系数用于表征传质效果与能量耗散，证实了改进后的系统在比能量耗散和有效能量系数方面优于其他类型的反应器。

4) 内壁增加沟槽/凸起

内壁增加沟槽/凸起可以使流体在通道内产生螺旋流，以增强混合性能[71]。典型的人字形沟槽如图3d所示。JAIN等[72]通过数值模拟分析了T型混合器中沟槽的形状对混合性能的影响，并优化了两种交错槽的设计，研究表明在相同的操作条件下，沟槽的优化设计能够使混合效率从0.18提升到0.85。CHU等[73]设计了一种具有脊状结构的微反应器，用于提高甲醇重整制氢的效率，使用实验数值模拟和实验相结合的方法，优化了微反应器的脊状结构及其几何参数对重整过程的传质、传热和制氢效率的影响。

LING等[74]在T型微混合器的侧壁上设计并构造了20～100 μm尺寸的V型微沟槽，以增强不同流量下的单相流和多相流的混合效果。研究表明微混合器中的微沟槽可以增强流动，提高混合效率，在200 mbar操作压力下，60 μm的微沟槽可使单向流的流量提高28.73%，得到最大混合强度为52%。

2.3 数值模拟研究

针对2.2中四种典型的微反应器结构，运用数值仿真探索了均相体系在这四种微反应器中的流动情况，以压降、混合指数和停留时间分布(Residence Time Distribution，RTD)为指标来评价这四种结构。数值仿真结果表明蛇形流道的压降适中，平均停留时间较长且停留时间的方差较大，说明蛇形流道中的轴向扩散较大。特斯拉结构的压降较低，平均停留时间适中，混合效果较差。蝴蝶型结构的流道较为复杂，具有较大压降，且混合效果较差。人字形沟槽结构具有较宽的通道尺寸，其压降较低，混合效果较好。

数值仿真采用COMSOL Multiphysics软件进行，耦合“层流”接口和“稀物质传递”接口对均相体系进行仿真。“层流”接口用于计算层流流态下单相流体流动的速度场和压力场。“稀物质传递”接口用于计算溶剂中稀溶质的浓度场，可以计算溶解在气体、液体或固体中的物质传递和反应。“层流”接口中将物理模型设置为不可压缩流动，忽略重力影响，压力和速度都采用一阶离散化(P1+P1)。入口边界条件设置为充分发展的流动，壁面设置为无滑移条件，出口设置为压力条件，相对压力为0 Pa。“稀物质传递”接口中浓度离散化选择线性单元，反应体系中连续相为水，分散相在水中的扩散系数为1×10-9m2/s，分散相入口浓度为100 mol/m3。

反应器的结构参数、操作参数和评价指标如表2所示。

表2中混合指数根据出口浓度的均方差定义，如式(9)所示：

表2 数值仿真的参数设置和结果

(9)

式中，N—— 取样点的个数

ci——i位置处分散相的浓度，mol/m3

cm—— 分散相在连续相中的最优浓度，mol/m3

理论停留时间τ是在理想情况下流体在微反应器中滞留的时间，定义如式(10)所示

(10)

式中，V—— 微反应器的体积，m3

Qt—— 总流量，m3/s

定义停留时间分布密度函数E(t)，将t=0时刻进入微反应器在t到t+dt(dt表示时间微元)时间内流出的粒子的比例定义为E(t)dt，可以推导出离散数据下E(t)的计算公式为：

(11)

其中，c(t)i——i时刻出口的分散相浓度

Δti——i时刻到i+1时刻的时间间隔

(12)

(13)

2.4 传热设计

微反应器中微小的通道尺寸能显著提高传质和传热效果[76]。对于Organo-Grignard反应[77]、Hofmann重排[78]等强放热反应，即使微反应器的通道尺寸很小，持液量很少，也能快速生产大量热量。一方面聚集的热量会阻碍反应的进行，另一方面会对反应器造成损害，甚至会造成事故。因此，在微反应器中进行强放热反应时，需要研究反应物之间以及反应物与反应器之间的传热机理，对微反应器进行优化，从而降低传热阻力，提高传热效率，以解决热聚集的问题。

微反应器强化传热的优势在于通道尺寸较小，通道表面与外界环境接触的比表面积较大，可以快速地进行热交换，并且不锈钢、碳化硅等材料的传热系数较大，也利于实现快速热交换。管式反应器通常将不锈钢管、PTFE管、PFA管等管道浸没在水相或油相中实现快速热交换，而板式反应器则通常在不锈钢、哈氏合金或SiC板两侧添加水相或油相的流道实现快速热交换。用于冷却的水相或油相的循环流动均由单独驱动系统控制。微反应器的快速热交换保证了强放热等反应的安全性，具有重要意义。

为了进一步提高传热性能，可以对微反应器进行传热设计，通过改变微反应器的材料、结构、操作条件等方法，强化传热效果。RAGHU等[79]通过流体力学模拟研究了外部冷却和进料稀释两种散热方式对甲烷转化率的影响。外部冷却在入口温度较高的情况下表现良好，进料稀释能够对进料进行预热，两种散热方法都可以提高甲烷生成的选择性。SARAFRAZ等[80]通过数值模拟和实验相结合的方法，重点研究了3D打印的装配针状翅片的微反应器的传热特性。研究表明针状翅片能显著提高微反应器的传热系数，结合多目标优化，得到在较宽的热流载荷范围内具有最高传热系数(2100 W/(m2·K))和最低压降(～0.1 kPa)的微反应器。

为了更好地研究微反应器的传热性能，传热模型也得到了系统研究。MIELKE等[81]开发了板式微反应器中混合-停留的整体传热模型，可在已知反应速率和反应热的情况下，结合实验得出的总传热系数，对能够排出足够热量的最大通道尺寸进行估计，并且证明了多点注入反应物的方法是减少热点形成、提高收率最有效的方法之一。OVCHINNIKOVA等[82]研究了甲醇催化氧化制甲醛的高放热催化过程中多通道微反应器材料的导热性和通道内的流动状态对传热效率的影响，提出了一种新的三维模型来模拟多通道微反应器中的强放热催化反应。该模型能够模拟不同通道的工艺性能参数对传热效率的影响，从而正确预测目标产物的收率和通道中的临界温度。模拟结果和实验结果符合较好，证明了该模型的准确性。

3 微反应器应用

微反应器具有很高的研究价值和应用潜力。微反应器强化传质传热的效果优异，可以有效提高设备安全性、合成效率、反应选择性和流程连续性。近年来，微反应器已经被广泛应用于有机化合物/聚合物、纳米颗粒[83-84]、能源物质、生物医药[85]等众多领域的合成。微反应器的合成通量可以达到几万吨甚至几十万吨每年，在提高高附加值材料的合成效率或者解决强放热等危险反应方面具有较大优势。下面简要介绍微反应器在这些领域的最新进展。

3.1 有机化合物/聚合物合成

微反应器常用于有机化合物的合成，可以提高反应选择性、合成效率和过程连续性，还可以实现实时反馈优化。WANG等[86]提出了一种利用微反应器进行偶氮染料连续合成的工艺方法。该方法通过对偶氮偶联反应和重氮化反应的联合优化，确定了微反应器中连续合成偶氮染料的最佳条件，成功连续合成了工业用的偶氮染料，收率在94%以上，具有较高的工业应用价值。FATH等[87]开发了优化微反应器中有机合成的算法，并结合在线傅立叶变换红外光谱，实现了有机合成的实时优化。研究表明该自动平台能够实现多变量、多目标的实时优化，可有效提高工艺优化过程，应用广泛。

由于微反应器可以调节传质速率，因而可以调控聚合物的分子量和结构。XU等[88]首次提出在微反应器中利用溶液聚合快速制备聚酰亚胺前驱体的方法，该连续流微反应器系统的示意图如图4a所示[88]。研究表明较低的聚合温度、较合适的单体摩尔比和较长的聚合停留时间能够生成较高分子量的聚酰亚胺前驱体，是制备高分子量聚酰亚胺前驱体的有效途径。SU等[6]介绍了微反应器中聚合过程的质量输运和能量耗散等，结合大量的应用实例，总结了聚合过程具有液体黏度高、固体产物频繁参与等特点，导致反应流体混合分散困难、输送性能降低、甚至通道堵塞等挑战。

3.2 纳米颗粒合成

由于微反应器可以加速反应速率和控制反应条件，从而可以合成尺寸更小、尺寸分布更为均匀的微气泡[89-90]、纳米颗粒[91-92]等。基于液滴的微反应器具有重复性好、自动化可靠、操作准确等优势，被广泛用于纳米颗粒的合成[93]。KWAK等[12]设计了一种基于液滴的微反应器，用于银纳米颗粒的合成，系统研究了静态混合、温度、反应物流速等参数对颗粒尺寸的影响。研究表明反应物的流量配比能够调节银纳米颗粒的大小，静态混合器的使用和反应温度的优化能够提高银纳米颗粒的单分散性。GAIKWAD等[94]设计一种微反应器，如图4b所示[94]。该微反应器采用液滴控制混合和试剂装载，从而合成三甲基壳聚糖包覆的钯纳米颗粒，并通过微反应器与分离系统相连，在同一个平台上实现快速合成和提取钯纳米颗粒。

图4 微反应器的应用

在非金属纳米颗粒合成方面，WANG等[95]开发了一个具有16通道的微反应器。该反应器通过气体分散反应前驱体连续生产CsPbBr3量子点。该系统可以根据量子点的原位光致发光特性对产物的光学性质进行监测，从而对反应条件进行实时优化，具有优化算法稳健和合成通量高(约1 L/h)等优点，可用于规模化生产光致发光量子点。YANG等[96]使用一种聚四氟乙烯制成的螺旋毛细管微反应器，通过调节器件形状和工艺参数，实现了100 nm到600 nm之间单分散二氧化硅颗粒的高通量合成。该反应器设备简单、混合效果好、收率高、成本低，可以用于其它纳米颗粒的合成。

3.3 能源物质生产

随着全球能源需求的增长和温室气体排放的增加，生物柴油、氢气等新能源的研究和应用具有极其重要的意义。由于高比表面积和短扩散距离，微反应器技术可以实现快速高效的反应速率，从而强化酯交换、制氢等过程，可以克服传统的生物柴油和氢气生产技术的缺点，适用于生物柴油、氢气等能源物质的生产。MOHADESI等[16,97]利用废弃食用油和甲醇在微反应器中反应生产生物柴油，系统研究了反应时间、反应温度、甲醇和油的体积比、丙酮浓度等因素对生物柴油纯度的影响，进而优化了生物柴油生产条件，实现了纯度高达99%的生物柴油。研究表明以水垢沉淀物为催化剂，丙酮为助溶剂，可缩短反应时间，降低生产成本。

在氢气合成方面，CHEN等[98]对便携式制氢系统进行了数值模拟，探索了各设计参数和过程变量对制氢性能的影响。ZHENG等[99]研究了新型甲醇和水蒸气重整制氢过程中微反应器多孔不锈钢支撑体对制氢性能的影响。该研究利用3D打印技术制备体心立方和面心立方两种多孔不锈钢支撑体，并通过改变反应参数，系统研究了不同多孔支撑体对制氢性能的影响。结果表明两种多孔不锈钢支撑体均具有较好的催化剂负载性能，可用于甲醇和水蒸气重整制氢。WANG等[100]开发了一种以多孔泡沫铜为载体、产氢性能优异的自热型甲醇和水蒸气重整制氢微反应器，如图4c所示[100]。研究表明微反应器的压降和速度梯度随催化剂质量的增加而增大，通过实验条件优化，总体效率可达35～45%。

3.4 生物医药合成

由于反应速率快、选择性好、易于控制、试剂使用量少等优势，微反应器在生物医药的合成方面有较多的应用[10,101]。最早开发的微反应器桌面实验室就是用于药物的连续高效合成。ADAMO等[17]设计制造了一个紧凑的、可重构的微反应系统，用于连续生产和配置盐酸苯海拉明、盐酸利多卡因、地西泮等药品。该系统由可重构的上游和下游单元组成，如图4d所示[17]，可以实现药品的端到端和按需生产，自动化程度高，操作简便，具有较大的应用价值。LI等[102]设计了一种适合酶级联反应的微反应器，用于抗菌剂的生产。研究表明在pH=5条件下微反应器中的葡萄糖氧化酶和血红蛋白，能够有效地消耗葡萄糖，生成过氧化氢，显著抑制细菌生长和生物膜形成。LUO等[103]综述总结了连续流、分段流、液滴流等种类的微反应器在生物医学上的最新进展。

4 总结与展望

由于传质传热效果优异、反应选择性好、安全稳定等优势，微反应器已经被广泛应用于科学研究和工业应用的众多方面。本研究归纳总结了近几年微反应器在加工工艺、传质传热优化设计、工业应用等方面的研究进展。首先介绍了微反应器的制作材料及其加工技术。其次讨论了微反应器设计的评价方法，重点总结了被动式微反应器通道设计强化传质的常用方法，包括设置弯曲流道、回流装置、障碍物/混合单元、内壁增加沟槽/凸起等。然后简要介绍了改变微反应器材料、结构、操作条件等强化微反应器传热的设计方法。最后总结了微反应器的最新应用进展，包括合成有机化合物/聚合物、纳米颗粒、能源物质以及生物医药等。本研究对微反应器的总结和展望旨在为微反应器的选材、加工制造、优化设计以及前沿应用等方面提供有效指导。

随着先进材料的应用和微加工技术的发展，微反应器的制造材料和加工方式将会有更多的选择，可以进一步拓展微反应器在各种工况条件下的应用场景。微反应器设计的灵活性可以针对每个反应提供最优的解决方案，而数值仿真对微反应器中流体传质传热的快速模拟，将为微反应器的快速设计开发提供重要指导。微反应器的模块化、在线诊断、自主决策优化等技术的全面融合，将进一步简化反应操作过程和优化流程，极大地加快和增强微反应器发现、优化和制造新材料的能力，提升微反应器的应用潜力。

中国是化工大国，也是化工强国。随着中国化工产业的升级改造，微反应器在化工领域的应用将会越来越广泛。尤其是在染料、医药中间体等高附加值产品的合成方面，微反应器可以有效提高合成效率，减少废弃物排放。此外在硝化、磺化等一些强放热反应方面，微反应器强化传热的性能可以有效地避免热量聚集，在保证反应安全性方面具有不可替代的优点。