新型工業微反應器的開發研究

張秋雙，陳永東，韓冰川，于改革

（合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

化學工藝朝著精細化和小型化方向發展，微裝置和配套工藝技術的微化學系統具有體積小、能耗低、收率高等特點。微反應器作為微化工系統的重要組成部分，與間歇式、管式和流化床等常規反應器相比，其特征尺寸在亞毫米量級，混合路徑較短，比表面積較大，大大促進反應速率，減少停留時間，提高選擇性和產率［1］。

微反應器內部混合主要依靠低雷諾數下分子的自由擴散，混合過程緩慢，達到完全混合需要較長的通道和停留時間，為了精準控制反應過程，需要在特定的流道長度和反應時間內實現反應物的良好混合。為強化微反應器的混合效果，研究人員提出了各種類型和結構的被動式微混合器，如疊片、障礙物、聚合-發散和彎曲通道，并開展了實驗和數值研究［2-9］，結果表明，特殊的微通道設計可以改善混合效果。但復雜的流道設計增加了制造難度和制造成本，同時，用于制造微混合器的一些材料的適應性差，限制了其在高溫、高壓、腐蝕等惡劣場合的應用。

國內外對微反應器的結構開發和應用已經有了一些研究。HAKKE 等［10］介紹了一種用于小型便攜式燃料電池供電制氫的微反應器；CHEN等［11］研究了一種新型泡沫微反應器，可以保證氣、液相均勻分布；殷澤等［12］探索了直通道、Z形、S 形3 種通道形式與外加磁場等多種因素對微通道流動換熱特性的影響。目前對微反應器多為試驗級規模研究，一些已經應用于生物制藥、精細化工等領域的微反應器處理能力較小、耐壓耐溫能力有限、流速比較低，應用于特定化工過程的微反應器結構仍待開發研究。如甲苯硝化是快速、強放熱的非均相反應過程，傳質和換熱是影響反應的選擇性和收率的根本原因。目前，工業上硝化反應過程都是在低溫下進行的多級串聯釜式硝化工藝，常規釜式反應器內部必須配有攪拌槳裝置，強化反應的傳質傳熱能力，存在反應過于劇烈，熱量無法傳出，導致反應器內溫度、壓力等驟升引發噴料、爆炸等風險。以硝化反應為典型的工藝需求對新型微反應器的結構提出更高的要求。

針對這些問題，本文提出了一種適用于工業規模的新型微反應器，該反應器將混合、反應和傳熱功能設置在一個單元中，其通道數量可以靈活設計，從而可以輕松擴大生產以滿足個性化需求。且在反應板片之間添加有冷卻通道的板片，可以將反應熱量及時帶走，控制反應溫度。由于微反應器中的動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞和化學反應過程之間存在著強烈的耦合關系，難以通過試驗來進行單獨的變量分析，且大多反應的機理尚不明確，本文著重于從混合傳質方面，研究微反應器的不同流道布置在不同雷諾數下的混合效果，分析相應的傳質規律，以期指導后續的微反應器設計及優化。針對新型微反應器提出了3 種不同的混合結構并借助CFD 軟件對混合性能和壓降進行研究，以探索最佳的混合結構。

1 新型微反應器的開發

1985 年，悉尼大學的研究人員開發了印刷電路板式換熱器（PCHE），由于其耐高溫、耐高壓、結構緊湊、效率高等諸多優點而得到廣泛應用。

圖1 PCHE 板片通道Fig.1 Plate channels of PCHE

基于PCHE 的結構設計和制造工藝，提出了1種新型工業規模微反應器。與PCHEs 類似，新型微反應器在一個獨立的擴散焊芯體上包含微觀/宏觀尺度上緊湊流動的半圓形通道。其常見的通道特征尺寸范圍為10～1 000 μm［13］，可以用于壓力為90 MPa 以上和溫度范圍從深冷到900 ℃以上的環境，蝕刻和擴散焊工藝制造技術及可加工材料表明這種結構適用于高溫、高壓流體和湍流流動［14］。

新型微反應器的整體示意如圖2 所示。首先通過化學蝕刻生成單張板片上多個流道，然后在真空擴散焊爐中將蝕刻板堆疊并接合成塊。最后，將結合塊、殼體、噴嘴和法蘭焊接在一起，集成一個緊湊的微反應器，其形狀外觀與普通換熱器類似，但內部通道布局靈活多變，可以滿足個性化定制條件。當涉及到一些放熱量/吸熱量較大的反應時，可以在2 個反應板之間添加帶冷卻/加熱通道的傳熱板。該微反應器有較大的比表面積，具有良好的反應和傳熱效果。

如圖2 所示，反應物1 從入口1 進入蝕刻板底側的多個并行微通道，反應物2 從入口2 進入蝕刻板頂側的多個并行微通道。然后，2 種反應物在特定的混合結構中初步混合，并匯合為1 個整體流入微通道，在微通道內繼續混合和反應。最后，目標產物流出微反應器。

微反應器的內部通道結構如圖3 所示。在單張板上，2 種流體入口通道分別蝕刻在板的頂部和底部。在入口處2 種流體匯合的地方設計特殊的混合結構，如拱形混合結構（Arched Form Mixing Structure，AFMS）、矩形混合結構（Rectangular Form Mixing Structure，RFMS）和碰撞流混合結構（Collision-flow Form Mixing Structure，CFMS），其中AFMS 在匯合處采用圓弧形通道，RFMS 采用矩形通道，而CFMS 采用逆流匯合的結構形式。

圖3 新型微反應器內部結構Fig.3 Internal structure of the novel industrial microreactor

借助于特定的平行微通道設計，可以通過增加微通道數量（或板寬度）和增加薄板堆疊的數量輕松實現產量放大的目標。新型工業規模微反應器具有制造穩定、設計靈活、適用于高壓高溫等嚴苛工況等優點，在合成氨反應、多級硝化反應、生物制藥、甲烷重整制氫、聚氨酯泡沫的原材料TDI 和乙烯利裝置成套等化工過程有著良好的應用前景。

2 數值研究

2.1 物理模型

以新型微反應器的入口混合結構為研究對象。入口處，兩股流體首先通過2 個單獨的半圓形通道進入，在混合結構中相遇發生初步混合，隨后，流體進入后面的半圓形微通道進行主要混合和反應。圖4 示出了3 種混合結構（AFMS，RFMS 和CFMS）的物理模型，模型結構尺寸見表1。

圖4 3 種混合結構的物理模型Fig.4 Geometric model of three mixing structures

表1 混合結構的模型尺寸Tab.1 Geometric parameters of mixing structure mm

2.2 數學模型

將微反應器中的流體視為黏性、不可壓縮流體。流體流動可以用質量守恒方程、Navier-Stoker 方程和對流擴散方程來描述?？刂品匠倘缦拢?5］：

式中，u為速度矢量，m/s；ρ為密度，kg/m3；μ為動態黏度，Pa·s；D為擴散系數，m2/s。

將流體A 和流體B 作為兩種混合物質，定義其密度均為1 000 kg/m3，動態黏度為1×10-3Pa·s，擴散率為1×10-9m2/s。

設置邊界條件：2 個進口設置為Velocityinlet，出口設置為 Pressure-outlet，壁面條件為No-Slip-Wall，采用simple 算法，為了實現數值解的最大精度，對控制方程迭代求解，直到標準化均方根殘差小于10-6。入口速度與雷諾數計算式為：

式中，L為微通道的特征長度，m。

2.3 評價方法

為了衡量微反應器混合性能，引入混合指數（MI）來評價混合效果。MI的數學表達式為：

其中

式中，σ為橫截面上一種物質質量分數的標準偏差；σmax為入口處的最大方差；n為橫截面上的采樣點；Ci為某一流體采樣點i處的質量分數；Cm為n個采樣點的質量分數的平均值；a為完全混合時一種物質的質量分數，a=0.5。

為了結果的準確性，每個橫截面上平均采用了400 個采樣點。MI介于0 和1 之間，MI越高表示混合效果越好。MI=0 表示流體未混合，MI=1表示流體完全混合。

將通道某一截面的壓降定義為入口與該截面之間的壓差，引入MI與ΔP的比值R用于綜合評價混合結構的性能［16］，計算如下：

式中，PX為選定截面的壓力，Pa；P0為入口截面的壓力，Pa。

2.4 計算方法和網格獨立性驗證

KIM 等［17］對3 種不同微通道的混合性能進行了數值模擬，并通過試驗驗證了模擬結果的準確性。為了確保數值計算方法的準確性，利用數值軟件對文獻中YSTUSAR 結構進行了模擬，并與其試驗結果進行比較。圖5 示出相同條件下本文模擬結果與KIM 等的試驗結果對比，仿真結果與試驗結果在一定誤差范圍內是一致的，所采用的數值計算方法可靠。

圖5 仿真結果與文獻結果對比Fig.5 Comparison between simulation and literature results

計算區域主要采用四面體網格。為了消除網格數對計算結果的影響，測試不同混合結構的網格獨立性。在Re=500 時，計算了6×105～ 8×106個網格單元數對結果的影響，AFMS 的網格獨立性結果如圖6 所示?？梢?，約6×106個網格單元為最佳。

圖6 網格獨立性驗證Fig.6 Grid independence verification

3 結果和討論

圖7 示出沿流道選擇X1=8 mm、X2=13 mm、X3=18 mm、X4=23 mm 和X5=28 mm 處設置監測面，觀察沿微通道長度方向上的混合性能。相比于傳統的微反應器，新型工業級微反應器適用于高流速、大雷諾數情況，將研究的雷諾數范圍進行了擴充，在Re=100～4 000 大范圍討論了3 種混合結構在不同雷諾數下的混合性能。

圖7 沿通道方向選定的橫截面Fig.7 Selected cross sections along the channel

圖8示出了3 種混合結構的混合指數沿流道方向增加，并隨著雷諾數的增加而增加。當雷諾數為100～1 000 時，AFMS，RFMS 和CFMS 出口處混合指數分別為0.61，0.62 和0.77，CFMS 的混合效果較好，其次是RFMS 和AFMS。圖9 示出了AFMS 在指定橫截面上質量分數云圖變化，可明顯看出在不同雷諾數下的混合過程。在相同雷諾數下，CFMS 出口處的混合指數高于RFMS 和AFMS，當雷諾數達到200 時，這種差異變得明顯。根據IZADPANAH 等［18］的研究結果，隨著雷諾數的增加，微通道中有3 種流動狀態，即層流、渦流和卷吸。在低雷諾數下，流線分層清晰，分子之間的擴散是流體混合的主導力，沒有發生太多混合。隨著雷諾數逐漸增加，流動出現不穩定行為，流線開始以波浪方式振蕩，并且振蕩的頻率和振幅隨著流速的增加而增強。當雷諾數大幅度增加時，流線不再清晰可辨，分層流動中斷，相鄰層之間不僅存在滑動，而且存在混合，導致混合效果顯著增強。

圖8 不同雷諾數下監測橫截面上的混合指數Fig.8 Mixing index at different cross sections under different Reynolds numbers

圖9 AFMS 中流體A 的質量分數云圖Fig.9 Mass fraction contours for fluid A in AFMS

混合結構中流體流線隨著雷諾數增加而變化的情況如圖10 所示。對于AFMS，當Re達到500 時，流線開始出現輕微波動。對于RFMS，當Re達到200 時，流線會產生輕微的波浪，隨著雷諾數的增加，振蕩的頻率和振幅更為尖銳。對于CFMS，在Re為200 時，流線出現了相對激烈的曲線形狀，流動狀態變得非常不穩定；Re為500 時出現橫向速度脈動，導致混合指數急劇增加。

圖10 不同雷諾數下混合結構的流體流線Fig.10 Streamlines of fluid in mixing structures under different Reynolds numbers

AFMS 通道平滑，RFMS 通道橫截面突然增加，在徑向產生渦流促進了混合過程，2 種流向相反的流體在CFMS 中相遇，在流場中產生劇烈擾動，導致接觸面積顯著增加，因此混合性能明顯增強。隨著雷諾數的增加，以混沌對流的形式產生二次流［19］，混合物從接觸表面延伸到兩側，相比于AFMS，在RFMS 和CFMS 中產生更多的二次流，流體之間的接觸表面積增大，導致混合效果大大改善。

圖11 示出了3 種混合結構在出口處的壓降。

圖11 混合結構出口處的壓降Fig.11 Pressure drop of mixing structures at the exit

從圖可見，隨雷諾數的增加而增加，CFMS 的壓降最大，其次是RFMS 和AFMS。Re為500～1 000時，AFMS，RFMS 和CFMS 的壓降分別增加了1 412，1 691 和2 523 Pa。AFMS 流道比RFMS 和CFMS更平滑，有利于減少流體流動過程中的能量損失，降低微通道的阻力。

新型微反應器的結構特性決定了其可適用于高雷諾數流動［18］。Re=3 000 時，AFMS，RFMS 和CFMS 不同截面的混合指數和壓降如圖12 所示。3 種混合結構出口處的混合指數分別達到0.94，0.95 和0.96，都實現了約為95%的混合，3 種混合結構在這種情況下均達到較好的混合效果。高速流動也帶來了高壓降，其中AFMS 在出口處的壓降最低，為12 062 Pa。

圖12 Re=3 000 時的混合指數和壓降Fig.12 Mixing index and pressure drop at Re=3 000

為了進一步綜合評估3 種混合結構的混合性能，雷諾數在100～4 000 范圍內的混合指數與壓降的比率R如圖13 所示。當Re在100～500 之間時，CFMS 的比率最高，Re達到500 時，該比率迅速下降，并成為3 種結構中最小的。當Re為100和200 時，AFMS 的比率低于RFMS 和CFMS，表明RFMS 和CFMS 在壓損較小的情況下促進了混合過程，當Re達到1 000 時，AFMS 的比率高于RFMS 和CFMS，表明RFMS 和CFMS 混合效果的改善以較大的壓力損失為代價。

圖13 混合指數與壓降之比Fig.13 The ratio of mixing index to pressure drop

從以上討論可知，與AFMS 相比，RFMS 和CFMS 通過產生二次流促進混合，然而混合指數與壓降比表明，盡管RFMS 和CFMS 具有較好的混合效果，也造成了很大的壓力損失，綜合評估得出AFMS 是最佳混合結構。AFMS 在低雷諾數時混合過程緩慢，考慮采用特殊的微通道設計，強化混合過程，實現低Re下的高效混合。

將AFMS 結構的直通道與Zig-zag 通道對比，在X=15 mm 和X=20 mm 處選擇橫截切面A 和B，Zig-zag 通道模型和平面A，B 上的速度矢量如圖14 所示。Zig-zag 通道設計擾亂了原本的層流流場，通道中的縱向渦流有助于增加流動層之間的接觸面積，促進了傳質和混合過程。

圖14 Zig-zag 通道的幾何模型和平面A、B 的速度矢量Fig.14 Geometric model of Zig-zag channel and the velocity vectors for planes A and B

圖15（a）示出了Re在100～1 000 之間時，直通道和Zig-zag 通道出口處的混合指數。Zig-zag通道的混合指數遠高于直通道，當Re為200 時，混合指數達0.94。圖15（b）示出當Re＜500 時，Zig-zag 通道的混合指數與壓降比值遠高于直通道，當Re在500～1 000 之間時，它們之間的差別很小，結合圖15（a），Zig-zag 通道相比直通道，可以在不明顯增加壓損的前提下，大大增強混合效果，Zig-zag 通道設計是改善混合性能的有效方法。

圖15 不同雷諾數下直通道和Zig-zag 通道混合性能Fig.15 Mixing performance of straight channel and Zigzag channel with different Reynolds numbers

4 結論

（1）開發了一種新型工業微反應器，可以集混合、反應和傳熱于一體，具有良好的耐溫耐壓性、高度緊湊性、靈活輕便等優勢。

（2）與RFMS 和CFMS 相比，AFMS 的混合指數較低，但壓降最小。當Re＜200 時，AFMS 的混合指數與壓降比值最低，但當Re達到1 000 時，AFMS 的壓降比值高于RFMS 和CFMS。RFMS和CFMS 強化了混合過程，也造成了很大的壓力損失，且隨著雷諾數的增加，這種現象變得更加明顯。綜合考慮AFMS 是最優的混合結構。

（3）在Re=3 000 時，3 種結構都能達到理想的混合效果，混合指數約達到0.95，其中AFMS 的壓降最低，是最佳的混合結構。在AFMS 后采用Zig-zag 通道代替直通道可以實現94%的混合，且混合指數與壓降的比值相較其他結構高得多，Zig-zag 通道與AFMS 結合，可有效提高低雷諾數時的混合性能而不會導致明顯的壓力損失。以上研究結果為新型微反應器結構的開發設計提供重要參考。