21世紀(jì)化學(xué)工業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢就是安全、清潔、高效、節(jié)能和可持續(xù)性，盡可能地將原材料全部轉(zhuǎn)化為符合要求的最終產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的零排放。要達(dá)到這一目標(biāo)，既可以從化學(xué)反應(yīng)本身著手，通過采用新的催化劑或合成路線來實(shí)現(xiàn)，即化學(xué)的方法；又可以從化學(xué)工程角度出發(fā)，采用新的設(shè)備或技術(shù)，通過強(qiáng)化化工生產(chǎn)過程來實(shí)現(xiàn)，即工程的方法(過程強(qiáng)化)。
微反應(yīng)連續(xù)流技術(shù)的一大特點(diǎn)是快速工藝開發(fā)，微反應(yīng)連續(xù)流小試工藝開發(fā)平臺(tái)自動(dòng)化程度高，一天內(nèi)可以輕輕松松完成幾十組實(shí)驗(yàn)，極大地提升工藝開發(fā)的效率。
微反應(yīng)連續(xù)流技術(shù)的另一特點(diǎn)是工藝轉(zhuǎn)化中沒有放大效應(yīng)。小試工藝，無需中試，可以直接放大生產(chǎn)?？梢源蟠罂s短時(shí)間從而滿足市場的需求。
“微反應(yīng)器“也被稱為“微通道”反應(yīng)器（Microreactor,Micro-channelreactor），是微反應(yīng)器、微混合器、微換熱器、微控制器等微通道化工設(shè)備的通稱。
基于微反應(yīng)器，通過泵輸送物料并以連續(xù)流動(dòng)模式進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的技術(shù)稱為連續(xù)流微反應(yīng)技術(shù)（也稱流動(dòng)化學(xué)）。反應(yīng)裝置通常由微反應(yīng)器（包括微混合器、微換熱器、微分離器、微控制器和背壓閥等）與泵相連而成，可包括單步轉(zhuǎn)化、多步連續(xù)反應(yīng)、在線檢測分析、分離純化、萃取、結(jié)晶、過濾和干燥等環(huán)節(jié)和相應(yīng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。
板式反應(yīng)器加工制造技術(shù)要求高（包括機(jī)械加工、干法刻蝕加工、化學(xué)蝕刻技術(shù)、激光切割、電成型和電鑄等），成本高。
管式反應(yīng)器一般采用不銹鋼管、玻璃毛細(xì)管、聚四氟乙烯管（如PFA和PTFE等）或聚醚醚酮管（PEEK）等，成本低，操作靈活性大。
涉及固相反應(yīng)物或催化劑的反應(yīng)，可以通過將固相填充在微反應(yīng)器內(nèi)形成微固定床來實(shí)現(xiàn)。而對于固相為產(chǎn)物的反應(yīng)，常需要改進(jìn)反應(yīng)體系，設(shè)計(jì)采用能溶解產(chǎn)物的溶劑或能形成較好細(xì)顆粒的懸浮體系，抑或采用“液滴反應(yīng)”將反應(yīng)限制發(fā)生在相互隔離的液滴內(nèi)。
與常規(guī)反應(yīng)器相比，微尺度空間內(nèi)的流動(dòng)、混合和傳遞過程具有特殊性，深入認(rèn)識(shí)其流動(dòng)、混合和傳遞現(xiàn)象是實(shí)現(xiàn)微反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)、高效操控和反應(yīng)過程開發(fā)的基礎(chǔ)。
微反應(yīng)連續(xù)流技術(shù)的使用可以節(jié)省占地、人員成本，新技術(shù)自動(dòng)化程度高，過程可控性大，生產(chǎn)更加安全，生產(chǎn)效率高，運(yùn)行費(fèi)用低，產(chǎn)品質(zhì)量有保障。新技術(shù)的使用可促進(jìn)國內(nèi)技術(shù)的快速升級(jí)，提升產(chǎn)品在國際市場的地位。
連續(xù)流合成范圍及領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，不但包括傳統(tǒng)的反應(yīng)類型及醫(yī)藥及精細(xì)化工行業(yè)，還延展到電化學(xué)、光化學(xué)、微波化學(xué)、納米材料以及功能材料等領(lǐng)域。
微通道反應(yīng)器優(yōu)勢及價(jià)值（與傳統(tǒng)釜式攪拌釜比較）：
連續(xù)流微反應(yīng)技術(shù)具有傳質(zhì)傳熱效率高、本質(zhì)安全、過程重復(fù)性好、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、連續(xù)自動(dòng)化操作和時(shí)空效率高等諸多優(yōu)勢。
相較于傳統(tǒng)的釜式反應(yīng)過程，連續(xù)流微反應(yīng)技術(shù)優(yōu)勢可總結(jié)如下：①反應(yīng)設(shè)備尺寸小，物料混合快、傳質(zhì)傳熱效率高，易實(shí)現(xiàn)過程強(qiáng)化；②停留時(shí)間分布窄、系統(tǒng)響應(yīng)迅速、過程重復(fù)性好，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；③參數(shù)控制精確（包括濃度分布、溫度分布和壓力分布等），易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；④幾乎無放大效應(yīng)，可快速放大；⑤在線物料量少，適于非常規(guī)反應(yīng)條件（如高溫高壓），過程本質(zhì)安全；⑥連續(xù)化操作，時(shí)空效率高，節(jié)省勞力[41]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在化學(xué)藥物合成反應(yīng)中大約有18.5%的反應(yīng)工藝可以通過連續(xù)流微反應(yīng)技術(shù)在選擇性、時(shí)空收率、安全性和經(jīng)濟(jì)性等方面得到優(yōu)化和提升。
100X混合和傳質(zhì)提升：提高收率、減少溶劑、環(huán)保；
1000X傳熱強(qiáng)化：溫控準(zhǔn)確、減少副反應(yīng)、節(jié)能；
1/1000X釜式反應(yīng)器體積：本質(zhì)安全、減少占地、提高畝產(chǎn)效益；
從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化無放大效應(yīng)：無需中式，快速市場響應(yīng)，降低運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)；
高質(zhì)量：耐溫、耐壓、耐磨、耐熱沖擊、耐腐蝕：性能穩(wěn)定、使用壽命長、安全可靠；
7*24連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行：質(zhì)量穩(wěn)定、減少人工、便于實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)。
微反應(yīng)器對不同類型化學(xué)反應(yīng)的作用 | ||
反應(yīng)類型 | 特征 | 主要作用 |
瞬時(shí)反應(yīng) | 反應(yīng)特征時(shí)間<1s（混合與傳熱控制） | 強(qiáng)化混合與傳熱 |
快反應(yīng) | 反應(yīng)特征時(shí)間10s-30min（主要受本征動(dòng)力學(xué)控制） | 精確控制反應(yīng)條件（停留時(shí)間和溫度） |
慢反應(yīng) | 反應(yīng)特征時(shí)間>30min（本征動(dòng)力學(xué)控制） | 熱量控制、安全（新的工藝窗口） |
微反應(yīng)器與常規(guī)釜式反應(yīng)器
常規(guī)釜式反應(yīng)器
在傳統(tǒng)化工工業(yè)中，制藥、精細(xì)化學(xué)品和化工中間體的合成大多在間歇或半間歇釜式反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，具有操作靈活、易于適應(yīng)不同操作條件，適于小批量、多品種、反應(yīng)時(shí)間較長的產(chǎn)品尤其是精細(xì)化學(xué)品與生物化工產(chǎn)品的生產(chǎn)以及有固體存在的反應(yīng)過程等優(yōu)點(diǎn)。但其存有明顯缺陷如裝料、卸料等輔助操作耗時(shí)、過程不連續(xù)；同時(shí)由于傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器的熱質(zhì)傳遞能力較弱，導(dǎo)致其產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差、對強(qiáng)放熱反應(yīng)的控制能力差。
微反應(yīng)器
微化工系統(tǒng)包含化工單元操作所需要的混合器、換熱器、吸收器、萃取器、反應(yīng)器和控制系統(tǒng)等。作為微化工技術(shù)核心部件的微反應(yīng)器，更確切地應(yīng)稱為微尺度或微結(jié)構(gòu)反應(yīng)器，其流動(dòng)具有微流動(dòng)特征。微化工器件的內(nèi)部通道特征尺度在微尺度范圍(10~500μm)，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)反應(yīng)器的特征尺寸，但對分子水平的反應(yīng)而言，該尺度依然非常大，故利用微反應(yīng)器并不能改變反應(yīng)機(jī)理和本征動(dòng)力學(xué)特性，而微反應(yīng)器正是通過改變流體的傳熱、傳質(zhì)及流動(dòng)特性來強(qiáng)化化工過程的。與常規(guī)尺度反應(yīng)器相比，特征尺度的微微細(xì)化為微反應(yīng)系統(tǒng)帶來了一系列優(yōu)點(diǎn)：
大比表面積
在微反應(yīng)器內(nèi)，由于內(nèi)部通道特征尺度的減小，比表面積大大提高，如當(dāng)通道特征尺度在100~1000μm范圍內(nèi)時(shí)，比表面積可高達(dá)4000~40000m2/m3，而常規(guī)尺度實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)反應(yīng)器比表面積一般在100~1000m2/m3，此時(shí)微反應(yīng)器內(nèi)空氣的層流傳熱系數(shù)可高達(dá)100~1000W/(m2·K)，水的層流傳熱系數(shù)更是高達(dá)2000~20000W/(m2·K)，在常規(guī)反應(yīng)器內(nèi)這幾乎是一個(gè)不可逾越的值。由于微反應(yīng)器內(nèi)傳熱速率的大大增加，反應(yīng)物或產(chǎn)物能快速被加熱或冷卻，使得在擬等溫條件下精確控制停留時(shí)間成為可能，有效地抑制了反應(yīng)熱的積累和反應(yīng)床層熱點(diǎn)的形成，最終提高了反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、選擇性和產(chǎn)品的質(zhì)量，因此微反應(yīng)器常被用于強(qiáng)放熱/吸熱反應(yīng)過程。
另外，對于圓管內(nèi)層流流動(dòng)，當(dāng)管壁溫度維持恒定時(shí)，由公式(1)可見，傳熱系數(shù)h與通道特征尺度d（通道當(dāng)量直徑）成反比，即通道特征尺度越小傳熱系數(shù)越大。
Nu=hd/λ(1)
故在微通道內(nèi)可實(shí)現(xiàn)高效換熱過程。式中Nu為努塞爾數(shù)，λ為導(dǎo)熱系數(shù)。
同理，對于圓管內(nèi)層流流動(dòng)，當(dāng)組分在管壁處的濃度維持恒定時(shí)，由由公式(2)可見，傳質(zhì)系數(shù)k與通道特征尺度d（通道直徑）成反比，即通道特征尺度越小傳質(zhì)系數(shù)越大。
Sh=kd/D(2)
故在微通道內(nèi)可實(shí)現(xiàn)液固高效傳質(zhì)過程。式中Sh為傳質(zhì)舍伍德數(shù)，D為擴(kuò)散系數(shù)。
(2)大比相界面積
對于氣液體系而言在微通道內(nèi)，流體特征尺寸通常在幾十微米到數(shù)百微米，當(dāng)特征尺度處于50～500μm范圍內(nèi)時(shí)，理論上微流體的比表面積可高達(dá)2000～
20000m2/m3，較常規(guī)設(shè)備大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。目前已有的比相界面積最大的微化工系統(tǒng)為降膜式微反應(yīng)器[19]，高達(dá)25000m2/m3，而傳統(tǒng)鼓泡塔的比相界面積僅能達(dá)到100m2/m3左右，即使采用噴射式對撞流的氣液接觸式反應(yīng)器的比相界面積最大為2000m2/m3左右[20]，若在微型鼓泡塔中采用環(huán)流流動(dòng)操作方式，理論上其比相界面積可以達(dá)到50000m2/m3以上[21,22]。
對于液-液體系而言，在液-液界面張力的作用下，通常其比相界面積通常要比同樣操作條件的氣液體系要大，可達(dá)5000～50000m2/m3。
顯然，流體比相界面積的增加對于一些多相反應(yīng)或傳質(zhì)過程極為有利，甚至在多相體系中只要有一相的流體層厚度被控制在微尺度范圍內(nèi)，就可達(dá)到強(qiáng)化傳質(zhì)的目的，故在微通道內(nèi)可實(shí)現(xiàn)多相體系的高效傳質(zhì)過程的操作。
(3)體積小
由于微通道線尺度的縮小，微系統(tǒng)的內(nèi)部體積急劇減小，對微分析或微反應(yīng)器系統(tǒng)而言，典型值可達(dá)幾個(gè)微升，由此可減少構(gòu)造材料的用量及分析試劑的用量。微反應(yīng)器內(nèi)部體積的縮小不但有利于傳熱，而且能夠加強(qiáng)對反應(yīng)過程的控制，如終止自由基鏈增長，拓寬反應(yīng)的安全操作范圍，由于內(nèi)部體積的縮小使自由基易于在微通道壁面上湮滅，避免爆炸的發(fā)生。同時(shí)，可大大減少反應(yīng)過程中的持液量和增加反應(yīng)器的耐壓能力，因此微反應(yīng)器系統(tǒng)具有極高的內(nèi)在安全性，可以進(jìn)行一些常規(guī)條件下難于安全、平穩(wěn)進(jìn)行的反應(yīng)過程。
(4)直接并行放大
微反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)每一通道均相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)器，故放大過程即為通道數(shù)目的疊加過程(Numbering-up)。通常而言微反應(yīng)器的放大過程包含：單一反應(yīng)芯片上微通道數(shù)目的增加和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即橫向放大模式；多個(gè)反應(yīng)芯片間的排列和疊加，即縱向放大模式，通過以上兩個(gè)層次的放大可節(jié)約微反應(yīng)器系統(tǒng)的研發(fā)時(shí)間和成本，實(shí)現(xiàn)科研成果的快速轉(zhuǎn)化。
(5)過程連續(xù)
對于受傳遞控制的快速反應(yīng)過程，利用微反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作，可有效地縮短停留時(shí)間，提高反應(yīng)速率，使之接近其本征動(dòng)力學(xué)控制范圍，可有效抑制副反應(yīng)，提高轉(zhuǎn)化率和目的產(chǎn)物的選擇性，實(shí)現(xiàn)高空速操作模式，因而具有較高的時(shí)空收率，這種效果在金屬有機(jī)合成反應(yīng)中得到了驗(yàn)證。
(6)高度集成
利用成熟的微加工技術(shù)可將微混合、微反應(yīng)、微換熱、微分離、微分析等多個(gè)單元操作和一些與之相匹配的微傳感器、微閥等器件集成到一塊反應(yīng)芯片上，實(shí)現(xiàn)單一反應(yīng)芯片的多功能化操作，從而達(dá)到對微反應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，以增加反應(yīng)速度和節(jié)省成本。
(7)混合時(shí)間短
微反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)流體厚度通常在微米量級(jí)，其混合時(shí)間通常小于1s，通過混合通道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)甚至可達(dá)毫秒級(jí)，而常規(guī)尺度反應(yīng)器的混合時(shí)間通常大于1s。
(8)能耗低
現(xiàn)有研究表明，完成同一個(gè)反應(yīng)過程，與傳統(tǒng)尺度反應(yīng)器相比采用微反應(yīng)器系統(tǒng)的能耗要低很多，如：與固定床反應(yīng)器相比，在相同操作條件下微反應(yīng)器的壓降減小到原來的1/3～1/4；研究者們通過對微混合器內(nèi)油水兩相乳化過程進(jìn)行的能量耗散分析可知，當(dāng)液滴尺寸分布以及乳化液穩(wěn)定性與傳統(tǒng)尺度攪拌釜內(nèi)的結(jié)果相當(dāng)時(shí)，其能耗同樣降低許多[27]；保持同樣的收率，采用微反應(yīng)器可使反應(yīng)溫度由常規(guī)尺度反應(yīng)器內(nèi)的-60℃升高至0℃，大大降低了過程能耗。
(9)工藝綠色化
采用微反應(yīng)器技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)常規(guī)尺度反應(yīng)器內(nèi)不能進(jìn)行的芳香族化合物的直接氟化反應(yīng)過程，即用單質(zhì)氟作為反應(yīng)物進(jìn)行氟化反應(yīng)，與傳統(tǒng)的間接多步過程相比，獲得了較高的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率，提高了劇毒物質(zhì)氟的利用率，基本實(shí)現(xiàn)氟化反應(yīng)綠色工藝。另外，利用微反應(yīng)器技術(shù)還可降低有機(jī)合成反應(yīng)中溶劑的使用量。
連續(xù)流化學(xué)最大的優(yōu)點(diǎn)在于：快速反應(yīng)，產(chǎn)物純度高，反應(yīng)安全，快速篩選反應(yīng)條件，易放大。
微反應(yīng)器技術(shù)已經(jīng)廣泛涉獵于精細(xì)化工研發(fā)與生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，如：農(nóng)藥中間體、醫(yī)藥中間體、染料中間體、納米材料、環(huán)保處理、萃取、乳化等等，并成功使用于多個(gè)工業(yè)化項(xiàng)目。
微通道反應(yīng)器主要適用于液液快速反應(yīng)、強(qiáng)放熱反、危險(xiǎn)反應(yīng)及需要良好混合條件的化學(xué)合成反應(yīng)。
主要應(yīng)用領(lǐng)域：醫(yī)藥、精細(xì)化工、染料、香精香料、農(nóng)業(yè)化學(xué)、特殊化學(xué)品，日用品化工業(yè)及科研教學(xué)。 常見反應(yīng)工藝類型：硝化反應(yīng)、磺化反應(yīng)、酯化反應(yīng)、環(huán)化反應(yīng)、縮合反應(yīng)、疊氮化反應(yīng)、偶氮化反應(yīng)、氧化反應(yīng)、過氧化反應(yīng)、烷基化反應(yīng)、胺基化反應(yīng)、氯化反應(yīng)、加氫反應(yīng)、取代反應(yīng)、貝克曼重排反應(yīng)、邁克加成反應(yīng)、催化反應(yīng)、光照反應(yīng)，格氏反應(yīng)等。