量身定制的微反应器可以快速、安全的生产出易燃易爆的危险材料

“绿色化工”是化工行业的发展目标之一。这一目标的背后，隐藏着以资源保护、安全可靠和最小的环境污染为目的的工艺技术大市场。而微化工技术为此提供了一系列的解决方案——不仅是公斤级的微化工设备，而且也包括传统大型流程设备的优化等。在2012年度的德国ACHEMA展览会上，PROCESS杂志的记者重点关注了微化工技术的发展情况。

是否高效节能是衡量能源转换成功与否的关键因素。在化学工业领域中，压缩机和泵等设备均是能源消耗的大户。

但也有完全不同的化工工艺，例如过程强化的化工工艺。这些工艺技术能够以更低的能源消耗，更少的工艺过程，创新性的热能利用和材料交换，以及流程工艺过程中创新性的控制技术来实现化工产品生产，包括使用非传统能源载体（微波，超声波）在内的工艺方法。

西门子的工程咨询公司，可以为客户设计“从批次到大批量”的流程工艺，帮助用户实现最高至80%的节能。以下项目实例证明了该公司设计的项目拥有更高的产量和可靠性：

通过具有规模化能力的工艺设计把杀菌剂氟康唑的产量从26%提高到72%；

研发成功了可靠的连续性乙炔合成工艺；

在连续性生产过程中，利用无压力的羧化作用将产量翻了两番。

利用微反应技术能够更加节省能源。同时，我们也需要解释一个全球性的误解：微反应技术这一名词的前缀“微”常常被人们误认为是非常小，而研发成功的许多微反应技术设备也恰恰体现了这种“微小”。但这种想法导致了误解，“微”表示工艺流体的通道在微米级别，而不是指微反应设备的外形尺寸小或产品的产量小。微反应器中可以包含有成百万上千万的微型通道，因此也能够实现很高的产量。例如Clariant公司研发的漩涡混合器按照微反应技术混合的产品产量高达15000kg/h。

在基础化工原材料生产过程中，微反应技术对提高和强化过程工艺也有着非常重要的作用。拜耳技术服务公司利用其研发成功的Bayqik技术使硫酸的产量打破了上世纪50年代所创造的记录，这一技术的有害气体排放量减少了10%，能源利用率提高了25%，催化剂用量和生产成本都降低了50%。

图1 “微反应技术也可以在传统流程工艺设备的优化中得到应用。例如可以利用微反应技术检查核实批次工艺能否、或者如何转化为连续的流程工艺过程。”
——Stefan Löbbecke博士，德国费劳恩霍费尔化学工艺研究所（ICT）

微反应技术在工艺设备优化中的作用

微反应技术并不是与微反应器的研发设计密不可分的。正如德国费劳恩霍费尔化学工艺研究所（ICT）Stefan Löbbecke博士所说的那样：“微反应技术也可以在传统流程工艺设备的优化中得到应用。”例如，这位ICT的专家可以利用微反应器检查核实批次工艺流程能否、或者如何转化为连续的流程工艺过程。当热能管理不正常时，化学反应过程就会出现明显的问题。例如，反应的产品要求更快的定量，出现了温度的变化，或者出现反应时间的延长或缩短。Löbbecke博士说：“我们控制着反应过程在适当的窗口内进行，而这种控制在宏反应技术领域中是根本无法实现的。而利用微反应技术则能够实现流程工艺设计和过程控制的优化。”例如，微反应技术能够明显地缩短产品合成反应过程的时间，因为微反应过程中的主反应过程比想象中的要快得多。在另外一种情况下，人们能够在更短的时间内按更高的温度操控流程工艺设备，从而缩短反应时间。同时也能避免不必要的中间产品的出现。

DSM使用Lowfkow微反应器的实践证明，利用两个汽车蓄电池大小的微反应器在最小的材料流量和最小的容积条件下进行了大量的试验，获取了化学反应的大量数据，包括温度、配方、反应持续时间、反应的中间产品等。在这种实验室条件下的检测和大量的数据分析评估后，检测到的数据马上就可以应用于实际生产。

在这种情况下，最重要的是快速、连续的自动反应。在这方面，西门子与Ehrfeld Mikrotechnik BTS公司把Simatic PCS 7 LAB过程控制系统应用到了微反应技术领域，利用模块化的微反应系统对Ehrfeld的流程工艺设备进行控制。

F3工厂项目致力于开发灵活、快速、未来型的工厂，该项目由26家研究和工业合作伙伴组成的团队进行自主研发，通过集装箱模块化流程设备的开发，可以使生产成本能够减少50%，新产品推向市场的时间也能够缩短50%。这里使用了源于微反应技术领域的强化微反应器，小容积的、高能效的混合器。

图2 “利用我们申请专利保护的扩散焊接工艺技术，使我们能够完成绝对气密的EKsaic碳化硅材料Flow微反应器的焊接，绝对没有强度降低的薄弱环节，例如焊缝或者连接点处等薄弱环节。”
——Lahbib Abahmane博士，ESK公司

高选择性和出色的热传导

微反应技术设备所使用的材料有玻璃、不锈钢和碳化硅。玻璃材料有着很好的透明度，因此非常适合于在实验室环境中使用，但它较低的热传导性能使其在技术领域和生产领域中的使用受到了限制。在过程设备的制造中，不锈钢材料受到青睐，但它们在腐蚀性介质中的使用性能和高温环境下的使用性能受限。适合在这种特殊工况下使用的材料是碳化硅。碳化硅能抵抗各种酸性和碱性介质的腐蚀，可以耐1500℃高温，具有比不锈钢材料高5倍的热传导性能使得它们成为最常用的材料。

出色的热传导性能是碳化硅微反应系统通道的最大优点。在最理想的情况下，甚至可以省略制冷或者加热装置。它的工艺过程稳定性很高，能够大幅度地降低流程工艺监控费用。

现代化的微反应技术提供了数倍于传统工艺的超级效率或效应，例如微传热器比传统的板式热交换器的热传导效率高出上千倍。微混合器很高的混合能力使得均匀化混合的时间在微秒级的范围内，与常规的搅拌设备相比较，单位体积的混合搅拌性能至少提高了10倍。

流程工艺技术量子级的飞跃

流程工艺技术优化的“过程强化”到底指的是什么呢？它所关注的不是流程工艺的“瓶颈”，而是更加广阔的领域。它所指的更多是量子级的飞跃，流程工艺的效率更加趋近理论上的可能性。或者是一种全新的流程工艺技术。

在化学工业领域中，强散热的两相液-液或者气-液反应是重要的化工反应过程。这些反应也恰恰是最能体现微反应技术“过程强化”的目标。因为微反应技术紧紧围绕着化学效率和经济效率两个重点：通过很高的选择性高效地利用资源和尽最大可能的在规定的反应范围之内快速地完成化学转化。同时，利用缩小了的反应器容量，最高程度的保证了安全和过程的可靠性。

2012年度ACHEMA展览会上的新产品

1．Lonza集团公司研发的“未来设备”是基于传统流程工艺技术基础之上结合Flowplate微反应器的集成解决方案。这一设备提供了在cGMP环境下加速药物有效成分（API）开发和应用技术开发的可能性。还增加了能够在极端条件下完成的几种化学反应。同时这一设备也能够以吨为单位生产化工中间产品或者药物有效成分。

2．ESK开发了一种陶瓷热交换器。生产经理Lahbib Abahmane博士介绍说：“利用我们申请了专利保护的扩散焊接工艺技术使我们能够完成绝对气密的EKsaic碳化硅材料Flow微反应器的焊接，绝对没有强度降低的薄弱环节，例如焊缝或者连接点处等薄弱环节。单相的EKasic碳化硅几乎能够抵抗化工工业业内所有腐蚀性介质的腐蚀。利用这些设备已经实现了在高于6MPa压力、200℃高温冲击下的放热反应以及腐蚀性介质的生产。”

3．利用高级的Flow G4反应器，Corning公司能够在传统的玻璃材料解决方案的基础上，利用陶瓷材料生产制造流程工艺设备和部件。

4．为了减少传统化工生产设备中的常见问题，例如减少混合后反流、材料传递和热传导过程中的问题、或者减少安全风险，Microinnova公司利用微反应器和Flow化工技术以及QbD的方法进行工作。他们利用这些方法对现有工艺设备的工艺强化潜力进行分析，对可行性进行验证并开发新的工艺技术。而这些工作大多数情况下都是在模块化连续生产的多用途设备中进行的。这样可以把批次生产的产量与批次生产设备的灵活性很好的结合在一起。用最少的研发成本设计出了高产的流程设备并节约了30%的研发时间。

5．由Spörl公司研发设计的不锈钢材料微热交换器提供了很好的热交换器性能，这一热交换器能够在500℃的温度环境下工作，有着更好的压力稳定性和耐腐蚀性能。它的结构型式设计非常合理，可以按照逆流、交叉流动或者同流原理进行工作。这一热交换器也可当作微混合器使用。

6．Deller公司研发生产的微热交换器中，其产品是从直径毫米级的管道中输入到微热交换器中的。这种热交换器可以作为微结构系统中的生产混合器和反应器之后的管式反应器使用。