微化工技術的應用前景如何？

01-03

例如題主之前提的一個問題
將化工廠的龐大設備微型化是否可行？ - 化學
又得知大連化物所早已有微化工的研究組了。
微化工研究組
另附一篇中文綜述（還好百度文庫也能找到）

微化工技術_百度文庫
知乎上的化工前輩們有什麼看法呢？

先上結論，微化工的風口已經若隱若現，尤其是今年4月山東豪邁推出了12萬元的微反裝置後大大降低了微化工的工藝研究門檻，導致更多的生產單位願意投資進行微化工的研究。

在講這個問題前現回顧一下微化工的歷史和技術特點。

微化工的概念最早在上個世紀七十年代被一個德國人提出，名字我忘了，現在應該還活著。其主要的原理就是當流體通道減小之後可以產生一系列過程強化效應。

首先是傳遞效果的增強

任何化工的傳遞過程都要經過所謂的邊界層進行傳遞，傳遞過程的快慢可以近似認為和邊界層厚度呈反比。邊界層的厚度目前是一個很難說清楚的概念，很難進行計算和模擬，但是有一個定性的結論就是邊界層厚度絕對不可能大於流道尺寸，因此流道越小，邊界層厚度越薄，傳遞過程越快。所以減小流道尺寸對所有傳遞過程，比如說傳熱（換熱），液液傳質（萃取），氣液傳質（氣體吸收）等都有傳質強化作用。這也就是微反應器中常常能比常規反應器中的反應速率明顯加快的原因。

其次是微流道導致的傳熱界面增大

任何一個設備都有所謂比表面積的概念，尤其是涉及到傳熱過程。比如說在一個設備內反應放出多少熱量，這與反應器內部裝填了多少物料有關，反應放熱同反應器的體積成正比。但是這些熱量的移除卻是與反應器面積相關的，因為熱量傳遞依賴的是熱交換表面進行的，換熱面積越大傳遞的熱量越多。為了維持一個反應器內部的溫度恆定，反應放熱與熱量移除必須守恆。比表面積越大，反應器的散熱能力越好，反應器溫度越能維持穩定。如果我們假設反應器是圓柱體的話，反應器的比表面積與直徑是成反比的。常規的反應釜，一般直徑在1000mm左右，實驗用的反應瓶直徑80-100mm，而微反應器直徑最大不超過1-3mm也就是說，微反應器的移熱能力是常規反應釜的1000倍。一些反應在反應釜力升溫很快，是非常危險的反應，但是在微反應器總卻可以成功進行。

第三是平推流動

常規的攪拌釜里的流動狀態是全混流動，按照反應工程的角度來看這是一種低效的流動形式。為什麼呢，因為絕大多數反應，反應底物濃度越高，反應越快速。全混狀態下，反應器內的底物濃度永遠等於出口濃度，而對於一般工藝要求，反應器出口濃度都是很低的，導致反應器整體在低濃度下運行，反應效率很低。而在管式反應器與微反應器總，流體在反應器內部近似呈平推流動，也就是說，反應器內濃度沿反應器軸向存在分布，進口高出口低，而出口濃度為反應工藝要求，這樣的話反應器內的平均濃度式高於攪拌反應器的，這進一步提高了反應效率。

最後是可以進行數量放大

就是在微反應器的研發過程中可以通過數量放大實現工業化生產，這樣工業生產條件和實驗條件幾乎完全相同，避免了在放大過程中產生的各种放大效應，整體的研發流程變短。

從上面這些有點來看，微反應器主要用於某些劇烈地化學反應，因為劇烈的化學反應放熱都很明顯，因此需要快速移除反應熱，同時劇烈化學反應一般都容易生成副產物而在平推流狀態下能夠最大程度地抑制副反應的發生。此外對於非均相的氣液，液液，液固過程，由於其過程強化作用都能夠有效地提高反應效率。

當然作為微通道反應器也有許多不足的地方，主要體現在以下幾點。

1.不能使用固體，這個很好理解，無論是催化劑顆粒還是反應產生的固體，都會堵塞孔道。目前一般認為，微通道內顆粒大小几十微米就是上限。

2.壓降大，液體通過微通道壓降很大。當然這幾乎是不可避免的，因為任何傳質強化過程都是利用能量換效率的。

3.設備大型化困難。現在的微反應器如果採用康寧路線單板通量應該在千噸/年左右，還是難以滿足大宗產品的生產要求，微反應器目前的應用還是局限在高附加值的產品上。

再來說說微反應器目前的推廣趨勢。

按照技術特點來分析，我傾向於把微反應器分成兩類：

1.康寧路線：通過在板材上蝕刻或採用機械加工出超細小的通道作為微反應器，康寧公司原來也就是康寧玻璃廠，所做的工作就是在板材上雕刻出各種形狀的微通道並且測試這些通道對反應的適應性。康寧路線主要的問題在於設備通量小，連康寧公司自己對設備的工業化都沒有信心，在市場方向方面，他們將自己的反應器定義與適用於實驗室工藝篩選的設備。至於工業化生產，據我所知單板的康寧路線反應器生產能力也就是在千噸/年左右。而要實現大規模生產，只能賣上幾百套反應器並聯起來。一套反應器系統的價格現在來看都屬於天價，一般工廠是難以負擔的。

2.拜耳路線：拜耳路線是一種與康寧反應器截然不同的微反應器路線，其凸出的特點就在於，通量可以做的很大，是有希望達到工業級別產量的。但拜耳路線的微反應器結構有一個重大缺陷：換熱能力不足，由於結構問題，拜耳微反應器換熱效率約為康寧路線的1/10，當然在很多條件下也夠用了。但是一旦出現強放熱反應，就必須做成多段絕熱式反應系統，對工藝研究要求非常高。

從國內微反應器的推廣來看，目前已經有幾家企業在開始這方面的工作。從我同他們的交流來看，走康寧路線的有：豪邁，沈氏，大連微凱等。這幾家單位中，豪邁和沈氏的加工能力完全沒有問題。大連微凱設備加工能力最差，核心實驗設備是買西門子的。豪邁在微反方面起步較早，基本上做到了設備和工藝齊頭並進，宣傳上也做的很好，最近推出了12萬的微反小試裝置很有可能大幅降低研發設備投入，產生一系列的新工藝。沈氏方面起步較晚，設備加工沒有問題，但是工藝方面沒有跟上。至於拜耳路線，我比較推崇清華大學，在這方面做得工作很多，已經有工業化的納米碳酸鈣生產案例。

最後再來說說微反應器的發展趨勢，總結起來可以概括為以下幾點：

1.需求是肯定存在的

實際上目前已經有很多生產單位意思到了微反應器的價值，甚至在國內加工企業起步之前就花費巨資購買國外的小試設備。但是直到現在我沒有看到有企業基於此類小試設備自主研發出工業化生產工藝的案例，國內僅有的幾個工業化微反案例都是同清華大學甚至拜耳合作產生的。剩下的企業花了錢買了設備，發現做不下去了，設備就在廠房裡一扔成了廢鐵。

2.設備是可以加工的

初步接觸微結構的人都會認為，微結構的加工對國內企業來說是一件非常困難的事情，長期以來在各種宣傳中都認為目前國內的機械加工能力遠遠落後於歐美。但是實際上目前無論是康寧路線還是拜耳路線。就設備加工來看，國內的加工能力都是可以做到的，很多號稱在做微反的企業確實可以進行設備加工，這個沒有問題。

3.工藝是有問題的

但是現在關鍵的問題還在工藝研發上，目前能做微反的企業充其量就是設備廠，不具備將工藝與設備結合的能力。即使對於康寧流派的微反應器，如何由現有工藝包過度到微反應器條件下的工藝包對於目前的微反研發企業來說都是一件困難的事情，更不要說工藝研發難度更大的拜耳微反應器。而拜耳微反應器才是可能進行工業化的正確路線。現在我們的問題就在於：工藝包有，設備也有，但是工藝與設備的結合做不到。工藝在生產企業手中，設備在微反加工單位手裡，出於技術壟斷和商業方面的考慮，這兩方不會進行充分的技術交流。

4.前景是光明的

當然隨著技術的發展，這些都不是問題，從現在來看現狀確實有漸漸打破的趨勢，現在一套微反小試裝置的成本已經降低到幾十萬，一般的生產機構都有能力負擔，將會有越來越多的企業具備微反應器研究能力，結合他們的工藝能力，即使只有很少一部分工藝包適宜採用微反應器，應當很快就會有可工藝生產的項目出現。此外微反應器生產商在工藝研發的人員投入上也在加大。這兩方只要有一邊打破平衡，微反應器的風口就會出現。

寫到這裡其實我還想說明一個問題，就是微通道反應器的必要性，微通道反應器眾多優點，將反應，放熱都得到了強化。但實際上這些優點普通的管式反應器也具備，當然效果不如微反應器明顯。比如說，一台DN15的反應管道，其傳熱效果就會比攪拌釜好幾十倍，同時具有平推流的特點，反應器壓降還遠小於微反。這些優點足以在產品的更新換代中被很多企業接受。實際上我認為如果要給反應器像武器一樣劃分代差的化。普通攪拌釜算一代，管式反應器等其他傳統強化設備算第二代，微反應器算第三代。實際上第二代反應器就比第一代反應器具備很多明顯優勢，但實際上我國的大多數化工生產還停留在第一代的水平上。現階段工藝技改，只要用二代反應器替代一代反應器就能見效益。但是偏偏這一步我們都沒有做出來，我一直說我們的生產工藝與設備的結合能力差。比如說某氨解反應，易燃易爆，德國人40年代就用管式反應器做，效果很好，但是我們直到現在還在釜里攪來攪去，幾乎每個做這個產品的廠都炸過。說道底，反應工程能力不過關。從第一代反應器到第二代反應器，如何進行工藝與設備的結合，這門課我們是一定要補的。當然微反應器有可能給了我們一個跨越式發展的計劃，我們可以邁過管式反應器等其他反應設備，直接接軌國際最先進的反應器，這確實是一個好時機。

最後夾帶一點私貨，不要認為微反應器很難加工，把微反應器想的很遙遠，下面這張圖就是我自己做的微反應器冷模裝置，已經具備了拜耳微反應器的特徵，孔道直徑已經到了0.2mm，通量已經達到1400噸/年。當然因為加工能力的限制，壓降比一般微反應器大，材質問題只能做萃取。全套設備加工沒用什麼高端設備，一套下來2000以內搞定。所以微反應器真的就在我們身邊。

先放結論：歐洲這邊的設備小型化已經有了發展，甚至在6年以前就已經出現了實用的高純硅生產單元。然而，受制於目前小型化設備分離過程能選擇的方法有限這一缺點，其應用的範圍相對也受到了影響，並不適合大宗化學品（如汽油等石油產品）的生產。由於其針對性的設計，使得微型化設備的泛用性尚不如傳統化工設備，對於「全新」的特種化學品，依然需要傳統工廠來生產。小型化如果能解決蒸餾設備（目前的研究難點），設計出通用、泛用的單元設備並建立相關標準，對於未來化工廠的建設和生產會產生很大的影響。如果能有突破，個人認為是化工行業一個新的增長點。

相比傳統的化工設備來說，微型設備有一些獨有的（理論上的）優勢。成本上，單個工廠（Unit）需要消耗的能源/人力相對傳統工廠大大減少，自動化程度也更容易提高。同時，微型設備可以快速開啟新的化工過程，具有可將研發設備與生產設備合二為一的特徵。模塊化設計，日常維護比較方便的同時，也使得擴大產能變得簡單——增加工廠數量即可。安全方面，由於微型設備本身的高比表面積，單位時間內相對低的物料負荷，良好的傳熱和易於實現的防火措施使其具有較傳統工廠更強的固有安全性能。另外，微型工廠可以實現特種化學品的按需就地生產，減少物流過程中的風險。而質量控制方面，微型工廠可以直接和檢測儀器聯用（如HPLC），無須事後取樣測試，直接控制產品質量。在商業模式上，微型工廠甚至可以將化工企業從製造業轉向服務業——裝在集裝箱大小空間里的高度自動化的工廠可以被用來租給需要化學品生產線的客戶，一旦客戶不再需要，該工廠可以轉租給他人，亦可回收改造為新的工廠繼續出租。

圖1.用於Heck反應的自優化微反應器

J.P. McMullen, M.T. Stone, S.L. Buchwald, K.F. Jensen: 『『An integrated
microreactor system for self-optimization of a heck reaction: From
micro- to mesoscale flow systems』』, Angew.

Chem. Int. Ed. 49 (2010) 7076–7080.

圖2.2012年Evonik開發的裝在集裝箱裡面的化工廠「Evotrainer」僅36平方米大，卻包含一座化工廠所需的所有設備，被用來生產高純硅。

歐盟自2009年6月起就發起了專門研究微型化工廠的F3 （Flexible, Fast and Future） Factory項目。該項目由拜耳牽頭，眾多企業參與其中，2014年結束時，巴斯夫，evnoik，寶潔，亞琛工大，多特蒙德工大等公司/研究所共完成了7個子項目。

圖3.拜耳聯合亞琛工大，波鴻魯爾大學，多特蒙德工大等高校/研究所開發的模塊化活性醫藥中間體生產設施

圖4.Evnoik聯合多特蒙德工大等開發的氫甲醯化生產裝置

圖5.巴斯夫，拜耳，荷蘭TU
Eindhoven等聯合開發的高粘度聚合物生產裝置。

http://www.f3factory.com/scripts/pages/en/newsevents/F3_Factory_final_report_to_EC.pdf

以上這些實例中大量採用了微米級別的多孔道設備。比如孔徑只有100微米的交叉流式熱交換器

Y型層流混合器

微米級別設備的固有特徵（高比表面積，耐高壓）既是優點也是缺點。相對極小的孔徑意味著任何有固體參與的反應或會生成固體的反應都無法方便使用這些設備。以上的這些應用中基本也都是只有液氣一相或兩相的反應。並且設備的專一化程度相對來說更高，泛用性不如傳統設備。而就分離過程而言，目前現有的微型工廠基本還是採用膜分離的居多，其他分離方式較少，微米級別的精餾設備更是連成功的實驗室產品也沒有。這進一步限制了當前微化工設備的應用。

除了特種化學品的生產以外，在汽車尾氣凈化方面，Micro Process Engineering也有成功的應用，正在逐步商業化當中。

從這些反應器其實也可以看出，化工微型化不僅僅是化工行業的事，還牽涉到機械加工和金屬、材料方面，沒有好的金屬產品/機械產品，想要做到微型化是一件困難的事。

——————————————————原答案————————————————————

題主可以找找Micro Process Engineering 有關的教材/論文看看。具體的等我有空再補充。

這裡我先簡單列一點

1.W. Ehrfeld, V. Hessel, H. L?we: Microreactors, Wiley-VCH, Weinheim, 2000
2.V. Hessel, S. Hardt, H. L?we: Chemical Micro Process Engineering: Fundamentals,
Modeling and Reactions, Wiley-VCH, Weinheim, 2004
3.V. Hessel, S. Hardt, H. L?we: Chemical Micro Process Engineering: Processing,
Applications and Plants, Wiley-VCH, Weinheim, 2004
4.W. Menz, J. Mohr, O. Paul: Microsystem Technology, Wiley-VCH, Weinheim, 2001

目前有可以商業化的我所了解的主要是用在汽車尾氣凈化方面。

謝邀。目前油田環保（水處理和油泥處理）和海洋平台（主要是空間太值錢了）都有微化工的影子。幾個例子，陶氏化學的微型過濾設備，就是高速旋轉的網子。愛森的氮氣輔助膠粉水化設備。海默的車載壓裂返排液處理設備都是這個概念。但是總體而言，都是無法形成批量生產的過渡階段適用，開發時都建站來降成本了。

開個腦洞，微生物工程才是真的微化工，黃原膠，定優膠，各種抗生素等很多都是微生物合成產品，分子結構複雜得幾乎沒法用化工廠來合成。而油泥裡面的很多重質成分也是依靠細菌來降解的。

個人感覺，微化工是不是更偏向於精細化工方向？利用微型設備滿足不同廠家的不同要求，就需要對產品實現更高要求的處理，並且不同廠家的不同要求必然導致產品產量的降低，所以微化工技術還是在不斷發展中的。

前景嘛，應該還是很不錯的，畢竟在強調個性化的今天，下游產品越來越追求滿足不同客戶的不同需求，那咋滿足咧，只能是不同的產品要求唄。所以在未來，針對個人用戶的產品必定需要不斷改進，這也就需要微化工的技術了。

上面僅是一點個人看法，如有異議……那就有吧

不是化工專業的，但是畢竟在以前化工部的設計院混了幾年了，對於化工還是有些了解的，我來說說自己的對於微化工相對於傳統化工的優缺點的看法。

優點：

1、化工這一行（以及經常與化學反應打交道的行業）有一個特點就是，一個裝置，體量越小越容易控制裡面的反應條件，得出來的產物純度越高，副產品越少。

2、要得到同樣的產物，原料的消耗較少。

缺點：

1、從投資上來說，N套小的裝置的投資要大於一套產量為N套小裝置之和的大裝置的總投資。

2、目前環保的要求越來越嚴格，有三廢產生的生產裝置需要安裝配套的三廢治理設施，三廢治理設施的投資同上。

3、因為規模效應的原因，要得到同樣的產物，能源的消耗較多。

4、同上一條的原因，N套小的裝置的管理人員的數量要大於一套產量為N套小裝置之和的管理人員的數量。

那些化工產品適用微化工技術：

1、原料很貴的，在產品的成本中佔據的比例很高的。

2、副反應較少，三廢產生量很低的。

3、自動化控制程度較高的裝置。

個人就在研究這塊。不是因為有先見之明，而是我做的東西都只有一點點。年產量一噸就是多的。

粗產品分離其實用的都不是精餾和蒸餾（比如精餾，為了達到一定純度，高度是少不了的。但細長的塔工程上無法實現）。用的都是特殊的方法。缺點就是產率偏低。

這種設備我們叫onsite，國內別想了。安檢質檢搞死你。

山東豪邁員工答一記。現階段公司已經解決了微通道堵塞、入口進料不均勻的問題，把微化工的應用範圍拓寬不少，而且除了實驗室用設備，也已經有了成功的工業化案例。跟傳統的化工行業相比優點非常明顯，前景無限！

大化工與微化工是兩個不同的發現方向。規模化是降低生產成本的主要途徑。個性化是滿足不同客戶需求的理想模式。

微化工技術要取代現有化工廠還有很長的路要走，就算哪天從設備技術上取得突破，投入產出比，規模效益，政府許可，安全環保，等都會是巨大的挑戰，當然對於少數有特殊要求的場合會有自己的優勢，比如市場需求量少價高，特定需求的配套設施等等。

反應速度劇烈的，放熱劇烈的，溫度不好控制的，附加值高的，副反應多的。打個小小的比方，反應需要高溫，原料之一是雙氧水，聽會議報告說是大連物化所搞出來了，但是查不到額

各路大神都很厲害～講一個最佳案例，記得好像是15年度science評選的十大年度最佳？

Reference:

1. http://science.sciencemag.org/content/352/6281/61.full

化工設備小型化是未來的一個發展方向，它可以極大地降低生產成本，而且可以為客戶量身定製所需要的化合物(因為大型化工廠一次投料多，要考慮市場需求多不多，不可能為了某幾個需求量小的客戶專門開反應)而且反應裝置小型化甚至微型化以後能降低成本，而且讓生產更安全。但是實現這個目標依然是一個漫長的過程，還有許多技術問題需要解決。

我也不知道啊，不過有錢幹嘛做這個，回報率高么，為什麼不進金融市場呢

我也不知道呀....不過個人感覺這個要看國家，私企老闆應該更愛搞大車間吧...

咱這兒小化工廠大部分關門了，沒倒閉的也被當成落後產能、污染源關閉了。微化工能不能生產癌症靶向葯、性病葯、心臟病葯？可以跟微商結合不？院子里微化工製藥，前門微商賣葯。