微反应器的设计与应用

　　微反应器是反应工程的研究前沿和热点方向之一，是实现生产过程安全、高效、绿色的重要途径。本书以微反应器中化学反应与流动、传热、传质等传递过程的相互影响为主线，阐述了微反应器设计的基本方法，并结合典型应用案例介绍了微反应器设计与操作的基本流程。 全书共分7章，第1章以“三传一反”为特征介绍微流体的移动现象；第2章介绍了微混合器的设计方法和两种典型微混合器的设计步骤，同时结合微流控芯片技术介绍了微混合器的应用领域；第3章～第6章分别讲述了液液均相反应、液液异相反应、微粒制备和催化微反应器中传热、传质对反应速率和选择性的影响，以及各类微反应器结构和尺寸设计对反应进程的影响，进而归纳出各类微反应器设计的一般原则和设计流程；第7章介绍了微反应器系统的设计方法，对设计过程中检测元件选择和确定控制系统结构作了详细描述。 本书可供从事工业反应工程设计、开发、运行的工程技术人员参考，也可作为入门参考书供从事化学工程、生物医学工程或相关领域的科研人员使用。

　　王林，内蒙古工业大学自动化系，副教授，2008年开始从事微反应器的设计和优化的研究。相关工作在日本化学工程师年会（JCPC）和美国化学工程师年会（AIChE）上进行论文宣讲。承担国家自然科学基金“大规模并行微反应器系统过程监控和故障诊断的研究”。

第1章微流体的移动现象
1.1基础知识002
1.1.1无量纲数及相似准则002
1.1.2量纲分析方法003
1.1.3尺度效应004
1.2微流体的流动005
1.2.1微通道内流体的速度分布005
1.2.2微通道的压损006
1.2.3微通道特有的流动现象007
1.3微流体的传热008
1.3.1微通道内流体的温度分布008
1.3.2微通道内热交换过程009
1.3.3微通道内增强传热效果的方法011
1.4微流体的传质012
1.4.1通量和费克定理012
1.4.2扩散方程式013
1.4.3气液、液液界面之间的传质过程013
参考文献014

第2章微流体的混合
2.1宏观混合与微观混合016
2.1.1微观混合对化学反应的影响018
2.1.2预混合对化学反应的影响019
2.2混合操作021
2.2.1搅拌操作021
2.2.2微混合023
2.2.3微混合器的分类023
2.3基于微团尺度的微混合器设计027
2.3.1微团尺度027
2.3.2微混合器的设计过程028
2.4T形微混合器的设计030
2.4.1T形微混合器的简化模型030
2.4.2T形微混合器的优化设计033
2.4.3设计案例分析033
2.5Y形微混合器的设计035
2.5.1混合性能评价方法036
2.5.2Y形微混合器结构参数设计036
2.5.3Y形微混合器混合效果的强化设计039
2.6微混合器的应用与实践040
2.6.1基于微流控芯片的免疫凝集检测技术的应用041
2.6.2气动微阀在DNA杂交反应中的应用043
参考文献045

第3章微反应器的设计与应用
3.1微反应器的特点048
3.1.1层流特性048
3.1.2比表面积特性049
3.1.3微反应器适合反应类型的特征050
3.1.4微反应器的利用局限051
3.2常规反应器的设计051
3.2.1反应器设计基础051
3.2.2反应器设计的基本衡算式053
3.2.3管道式平推流反应器的设计054
3.3微反应器的设计055
3.3.1微反应器的混合性能055
3.3.2微反应器的设计思想055
3.3.3微反应器的设计方法056
3.4非等温微反应器的设计063
3.5微反应器的应用066
3.5.1微反应器中常用的流体驱动技术066
3.5.2适合微反应器的均相化学反应068
参考文献070

第4章微通道中的液液异相系操作
4.1乳化液滴的制备072
4.1.1液滴直径分布的支配因素分析075
4.1.2微通道设计077
4.1.3微液滴的应用080
4.2微萃取082
4.2.1微萃取系统的结构和评价指标083
4.2.2萃取通道内微结构的设计084
4.3相转移反应085
4.3.1微反应器通道宽度和流速对流型的影响087
4.3.2微反应器通道结构的优化设计088
4.4基于弹状流分析的微反应器设计089
4.4.1混合前反应物配置方式对混合速率的影响091
4.4.2弹状流截面形状对混合速率的影响091
4.4.3弹状流直径和长度对混合速率的影响093
4.4.4混合速率与无量纲数Peclet数的关系093
参考文献096

第5章微反应器在微粒制备中的应用
5.1微粒的形成机理099
5.1.1超溶解度曲线与成核过程099
5.1.2微粒生长过程100
5.1.3LaMer图101
5.2扩散混合型微反应器的设计(Ⅰ)103
5.2.1成核区域的计算104
5.2.2影响成核区域的要素分析107
5.3扩散混合型微反应器的设计(Ⅱ)108
5.3.1微反应器的结构和特征109
5.3.2微粒生成的机理分析110
5.3.3微反应器操作条件对微粒直径和分布的影响111
5.3.4微反应器结构参数对微粒直径和分布的影响114
5.4微反应器在纳米颗粒制备中的应用117
5.4.1实验设计及相关理论117
5.4.2实验结果分析及实验改进118
5.4.3微波辐射在纳米颗粒制备中的应用119
参考文献120

第6章催化反应在微反应器中的设计与实现
6.1催化反应的机理122
6.2液固相催化反应在微反应器中的应用——反应器设计125
6.2.1微反应器中催化剂的放置125
6.2.2微反应器类型对催化反应进程的影响127
6.2.3微反应器尺寸对催化反应结果的影响130
6.3液固相催化反应在微反应器中的应用——优化操作132
6.3.1流段配置方式对不可逆平行反应的影响134
6.3.2流段配置方式对可逆平行反应的影响135
6.3.3流段配置方式对串联平行反应的影响135
6.4 气固相催化反应在微反应器中的应用——催化剂137
6.4.1微型反应器中催化剂非均匀分布对制氢过程的影响138
6.4.2催化涂层种类分布对制氢过程的影响143
6.5气固相催化反应在微反应器中的应用145
6.5.1基于无量纲参数的微反应器设计146
6.5.2费托合成催化微反应器的应用151
参考文献156

第7章微反应器系统的设计
7.1系统设计的基本流程158
7.2微反应器的形状优化设计161
7.2.1最优压损条件下的微反应器形状设计161
7.2.2流量一致性条件下的微反应器形状设计162
7.2.3考虑温度分布的微反应器形状设计165
7.3微反应器系统的控制167
7.3.1全流量控制和差压控制168
7.3.2差压控制的不同模式169
7.4一个典型微反应器系统的设计172
7.4.1Andrussov过程合成HCN的工艺开发试验173
7.4.2Andrussov过程的开发研究174
7.4.3Andrussov过程的概念设计175
7.5微反应器系统的产业化177

参考文献181