涉及微结构反应器

摘要：微结构反应器的特征在于化学反应的快速混合过程和优异温度控制。这些特性使危险化学品在强化过程中安全运行。在这些过程的放大中出现问题，例如热传递成为限制因素。由于小通道内的高流速和过渡或甚至湍流状态，快速混合和良好的传热效果可以维持到高生产率。对于放热反应，文献中给出了参数灵敏度和安全操作的限制，并结合对流热传递以实现一致性放大。熟悉反应动力学，热力学和热传递对于确定放热反应的失控区域至关重要。根据这些相关性，给出了通道设计和连续流反应器的一致性设置。

关键词：微反应器，混合，热传递，参数灵敏度，反应失控，放大。

 1．介绍

过程强化和绿色化学是目前化工发展的两大动力。微结构反应器和装置在化学合成和生产的发展中起着至关重要的作用[1,2]。有机化学合成是在具有非常微小通道[3]和通常用于检测或催化目的的纳米结构元件[4,5]的实验室芯片设备中进行研究的。Valera等人最近的一篇论文[6]显示了流动反应器与烧瓶对均相催化反应的良好比较。建议主要在反应的绝热温升很高时使用流动反应器。

具有微结构元素的连续流动反应器已经在实验室工艺研究和开发[7,8]以及中试规模生产中占据了一席之地[9,10]。在精细化学和药物生产中，中试规模通常也是生产规模，然而散装化学品则以更大规模生产。在这里，微结构设备的应用仍然很少，但对于气相工艺，首先应用已经被报道[11]。微反应器构成一个受限制的连续操作系统，在微小的，高度适应的通道中进行复杂的化学反应，从而改善工艺条件[12]。化学和生物化学转化可以在显着增强的混合和传热的情况下进行，并且可以控制停留时间。典型的反应是快速或危险的[13]或者在强化工艺条件下使用不稳定的中间体进行的[14]。一个关键点是合成路线和工艺从实验室按克级或者甚至毫克级到吨和多吨级的一致放大。

在均相系统中，物种和能量在短距离内的混合和传输是快速的，并受扩散、平流[15]和对流[7]的控制。在小于100m的距离内，水溶液中的扩散混合远低于1s，而在液体中，相同距离内的传热特征时间已经低于1毫秒。非均相系统中由液滴生成[16]和进一步的聚合和分散[17]决定。这里，我们关注的是均相流体，这是多相流体的一个良好起点[18]。

优良的传热性能是微结构通道的一个主要优点，因为表面积与体积比高，体积小，可用于处理高热放热反应或温度敏感材料。这一论点经常被扩展到关于等温反应器操作和反应器固有安全性的陈述[19]。对于放热反应，第一种说法很容易被驳倒，因为热传递需要驱动温差。第二个陈述更为复杂，将在本文中讨论。这包括流体流动、传热、反应动力学和化学放热的相互作用。反应动力学和热力学决定了反应的时间尺度tR和能量释放△HR，以及与反应失控有关的参数敏感性。

50年前,Frank-Kamenetskii[20,21]发表了一篇关于反应失控的早期研究，他们可以在试剂停止流动的情况下给出关键水力直径的相关性（FK方法）。这种方法仍被推荐用于微结构通道中的危险反应[19,22]。根据Barkelew参数[23]，Renken根据反应顺序（BR方法）建立了反应失控极限的显式相关性[24]。在Varma等人的专著中给出了参数灵敏度和反应失控的标准汇编[25]。

本文描述了具有复杂通道结构的连续流装置中与化学动力学相关的混合和传热。描述了从层流到湍流状态的均匀流动的压降，混合和传热特性。混合和化学反应的时间尺度以及化学反应释放的热量和外部传热控制着反应器的温度发展。这与复杂反应中的反应行为和高放热反应的参数灵敏度和反应失控有关。参数灵敏度的限制由Frank-Kamenetskii方法（FK）的临界直径表示。Barkelew-Renken方法（BR）允许将传热系数集成到参数灵敏度的极限和适当的安全反应器设计中。不久前提出了Varma和Morbidelli（VM）的第三种参数灵敏度表示方法，可用作反应器安全性的有效性并行检验[25,26]。基于所提出的相关性，提出了从实验室到化学品生产的过程开发的设计和放大程序。

2.小通道中的对流

复杂微结构通道具有弯曲曲线、波纹壁或反复收缩和分流通道单元，在中等流速下产生二次流结构，从而实现高效快速的混合。进入反应器板内微通道的流体通过接触元件、多个混合和停留通道元件，每个元件都有单独的设计，见图1。在这项工作中，只研究了单通道。平行通道可能具有相似的结构，但均匀和平行的流量分布难以控制。

图1.左图：具有接触元件的典型混合通道的细节，这里是喷嘴类型，以及随后的切向混合元件。特征通道直径取最窄的元素。右：在带有观察玻璃的平板反应器中将通道与测试反应混合。

通道几何结构集成在一个用于进行化学反应的装置中，见图2.带有视镜的装置可以在反应过程中利用光学观察化学反应和物理现象，如沉淀，蒸发或气体变化。它是首次化学研究和工艺开发的宝贵工具。

对于几秒至几分钟范围内的反应，Lonza [27]开发了板式堆叠反应器，参见图2，右图。在相似平板中使用不同尺寸的通道并根据反应需要进行调整[9]。例如，可以在反应开始时使用微小通道（当需要混合并且产生热量很强时），然后逐渐增大平板的尺寸以适应较慢的反应速率（较少的放热）。采用这种设计，可以优化传热，同时最大限度地降低压降，同时体积增加（最高可达几毫升）。另外，反应器可以与常规的热交换器和管设备组合以获得几分钟的停留时间来增加体积。

图2.用于开发目的流动板反应器的详细信息。左：带视镜的DN50法兰，用于光学通道，冷却管连接位于顶部；右图：A5尺寸典型的板式反应器装置。将试剂预冷或预热，与正确的化学计量接触，完全混合并在冷却温度下保持一定时间。

反应器通道的典型设置在图3中给出，同时给出了沿着通道长度的定性浓度和温度变化。均匀系统在入口处快速混合，然后主要过程是传热。传热段具有微小的直径，用于在开始时增强传热，例如，通道高度为0.5mm。宽度变化以应对不同的流速。沿着通道长度，通道高度逐步增加，以便在靠近热点时形成和足够的压力损失的情况下进行充分的热传递。

图3.浓度和温度沿着微通道发展的模型反应，绝热管和多组分外部传热。反应器通道以三段为主：一是混合为主，混合通道为主；二是传热为主，主通道；三是停留时间为主，压力损失小，主通道。第三通道段也可以通过一个具有充分传热能力的小管来实现。

化学装置的产量或生产率由通过管道或通道的体积或质量流量，V或m来决定。该装置的几何形状给出了反应装置的内部体积和表面以及截面，并控制了反应液的流速w和停留时间tp。它们的物理性质决定了装置内的流动状态和质量以及热传递。微通道通常具有矩形横截面，其宽度b和深度h。水力直径表示通过该单个通道的横截面AC=b·h的特征长度，并且通过润湿周长P来确定。

矩形通道的横截面积AC=b·h可近似为水力直径的平方。

此等式对方形通道有效。宽高比b/h从0.52到1.92的误差小于10%。对于较大的宽高比，必须用正确的相关性替换近似值。

由于复杂的绕流和弯道结构中存在较高的流速，使得流道的流动往往不是层流的。入口流动和不顺畅的流动剖面导致更高的压力损失，但也加强了传热。流动状态的测量是入口dh/L的距离和动量与粘性力的比值，即所谓的雷诺数。

该比率包括平均流速w和运动粘度υ。对于Re>100，在弯道中，水流呈现出向紊动特性的过渡行为。在这些流动条件下，涡流出现，随着Re数的增加而开始波动并导致混沌流动结构，见[28]。流动特性通常由最窄通道中的最高流速确定，因此最小的水力直径。在此，也发生最高压降。

3.接触和混合元件

考虑长度为l的长直流通道单元和短单元，在流动为湍流的情况下，压力损失用含动能和忽略势能的伯努利方程表示。根据Herwig[29]报道，通道元件中的压力损失不受元件本身的限制，但可能进入相邻的下一个元件。分段的整体视图给出了以下路径。整个压力损失由不同的参数和ζi组成。

通常，混合发生在第一个通道部分，其中n个相同的通道元件具有平均特征流体速度w。该元件可具有特征水力直径dh和长度l。在放大或缩小过程中，两个长度刻度的比值应保持恒定，以具有相似的流动条件。对于混合通道，压力损失系数ζ可以用以下相关性表示。

分母中Re数的指数n取决于通道中的流动状态。对于直通道层流和完全湍流，n分别为1或0。在过渡流中，n为非整数。对于Re数为100至1000[27]的流动状态，在锥形微混合器中确定指数为1/3，而Majumdar等人[30]发现值为1/4，这与众所周知的Blasius相关性有关。利用N通道元件的压力损失系数，混合通道中的压力损失的相关性被简化为

Re数的指数取决于流动状态。在层流（Re<10）中，n=1，压力损失主要是壁面剪切力造成，并作为流速的线性函数。在湍流中，n=0，涡流和内部耗散造成压力损失（直通道Re=2300）。在过渡流中，指数n在1/3到1/4之间变化。

混合主要取决于局部能量耗散率[31]和通道的几何形状。通道形状引导流动并引起流动偏转。除剪切力外，新的流动垂直力作用于流体并产生二次流动结构，涡流和再循环区[7]。

通过交替的通道元件或通过重复的偏转流动来快速改变流动涡流导致有效的流动混合。为了产生这些流动结构和涡流，流体需要从流体压力消耗的机械能。因此，每单位质量的压降是混合的量度，用能量耗散率表示[32]。

发生压力损失的通道长度等于所有混合元件△L=NLi的总和。随着在混合通道中消耗更多的能量，由于流体结构变小，混合时间变短，其中物质的扩散作为最后一种混合模式[31-33]。物质扩散由施密特数表示，即运动粘度与主要物质的扩散系数之比。

用Bourne[31]给出的混合系数Cm为17.3。结合能量耗散率、压力损失、Re数和水力直径的关系，得出了在恒定混合时间下层流和紊流的dh∝·1/3和dh∝·3/7的关系式。例如，在紊流流道中，对于类似混合特性的10倍流量，水力直径应增加103/7=2.68。

在湍流中，压力降和混合时间与体积流量成正比，仅取决于通道的几何形状和表面粗糙度。对于大多数工业应用，0.1s的混合时间就足够了。通常，传热将是限制步骤，这将在下一部分中显示。在简要介绍了层流、过渡流和湍流传热的基础上，讨论了化学反应对传热的参数敏感性。

4.传热通道段

混合过程通常非常短，伴随着热传递，但是在均相系统中一旦完成混合，则热传递是主要的传递过程。传热有来自反应器通道，管壁热阻和冷却通道的贡献，这必须与反应中的能量释放相关[7]。反应侧的内部对流传热由传热系数αi描述，无量纲形式，Nußelt数Nu

教科书描述了许多方法来确定通道流量中的传热系数或Nu数。长直通道中的流动始于开发流动，直到建立完全发展的流动剖面。该入口流动对于在曲折通道结构中增强的热传递非常重要。完全发展的层流具有恒定的Nu数，对于圆形截面和恒定壁温。与流速无关，例如，

对于非圆形通道，该值也被视为很好的近似值，而教科书中可以找到更准确的数据[34]。以下相关性对层流发展流和过渡区是有效的。

流量用Re数表示，流体性质用prandtl数表示（pr=υa-1），入口效应用水力直径与元件长度之比表示。短通道元件传热系数高，但随着长度的增加而减小。对于湍流，Baehr和Stephan[34]给出了Re>104的以下相关性。

按比例放大时，应保持dh/L的比值不变，以便在通道元件中具有可比较的传热能力。在过渡流中，短通道元件强化传热的效果比在湍流中更为突出，见图4。这是微通道强化传热设计的一个重要事实。

图4.短通道元件和长通道元件的不同传热相关性的比较dh/L=0.1和0.01。入口长度的影响在过渡流中更为突出。Pr=6的特性。

化学反应器中的热释放与反应流体的体积有关。通常，在热交换器中，传递的热量与垂直于热通量的区域有关。为了结合这两种效果，引入总体积传热系数UV是合理的，其与包括外部热阻Rth的总传热系数k相关。

总传热系数由传热阻力的各种因素组成。为简单起见，这里不考虑传热阻力的不同区域，考虑板几何形状。内部传热系数αi与Nu数相关，而壁和外部流体流动的热阻用系数CRth代替。

这种简单的墙体和外部热阻的集成必须从设备和热流体的情况来估算。例如，壁面和冷却液的耐热性应与内阻α-1≈Rth相似。

其他比率可以以类似的方式得出。在微反应器中，CRth的典型值为0.5-4，这取决于管壁材料和热流体。

5.参数灵敏度和临界水力直径

随着温度的升高，阿伦尼乌斯方程中的反应速率呈指数增长，在一定条件下会出现指数热释放和反应失控。这些条件称为参数灵敏度，其中单个参数的微小偏差导致反应速度和温度的快速增加。关于这一现象发表了几项研究和评述[35]，一本专著给出了一个很好的概述[25]。在多用途微反应器设计中，需要一个可管理的、简明的显式关联来制定危险化学中的安全工艺条件。下面介绍了三种方法，并对其在微反应器设计中的适用性进行了比较。

50多年前，FrankKamenetskii[20]开发了一种确定临界传热和相关水力直径的方法，以避免反应失控，FK方法在下文中提到。从通道内放热反应流的热能平衡入手，我们要考虑两个问题，即反应热作为容积传热率以及流体内部传导到通道壁的冷却热，流体与管壁温度之间的温差△T和导热系数为λf。纯热传导是停止流动时反应失控的最坏情况。反应器壁通常由金属构成。因此，主要的热阻有流体本身。上述两个方程都可以在Semenov曲线中进行图形分析，因为等式（16）中的阿伦尼乌斯项的非线性行为[33]很难找到解析解。能量平衡如下所示。假设有一半的水力直径是必要将热量传递到壁上的。

稳态下的无量纲微分方程的解可以由以下特征参数的特征值给出，也称为Frank-Kamenetskii参数。

达到临界值，容器温度保持稳定，无反应偏离。对于无限长的圆柱和球形容器，这些值分别为2.00和3.32。现在我们可以定义一个圆柱体的临界直径，它的内部热传导不足以消除反应释放的热量。

温度边界和入口条件很重要，可能使解决方案复杂化。因此，当内部传热占优势时，反应混合物的入口温度通常设定为冷却温度和/或壁温T0=TC=TW。

利用起始浓度CA0，特征反应时间tR，绝热温度上升Tad，反应流体的温度传导率和阿伦尼乌斯参数，无量纲活化能。

该方法使用反应器的静态视图，没有流动效应，没有试剂消耗，没有径向温度分布。在式（20）中，我们看不到流速的影响，因为热量只通过热传导传递。例如，当反应流体不再移动时，这种情况发生在泵故障中。对于流动反应流体，内部传热远高于纯传导，并且也不会发生反应失控。然而，FK方法给出了一个很好的初步估计。引入热量产生潜力提供了一个非常简单明确的标准，以避免反应失控。四个例子说明了反应时间和s´对临界直径见表1。

表1反应时间和绝热温度升高对临界直径af=0.110e-6m2s-1，TC=300K的影响。

临界直径表明反应时间起主导作用。对于混合受控快速反应tR<1s（A型反应[33]），绝热温度升高，在微通道中确实需要高传热。另一种方法是分裂一个反应进料流以分配反应热（差分反应器[37,38]）。在几秒到几分钟（B型）范围内的反应受动力学控制，需要极好的热传递，并且压力损失小。引入第二阶段以及调节浓度或组分反应性可以将运输特性和动力学调整到适当的值。

6.Barkelew-Renken方法（BR）包括对流传热

与Frank-Kamenetskii几乎同时，另一位俄罗斯科学家Barkelew基于三个无量纲数字开发了灵敏度分析。热量产生潜力S已经在方程式中引入。（22）。特征反应时间与冷却时间的比率由下式给出

在该相关性中，总传热系数k（或体积传热系数UV）的出现给出了将对流传热与反应器稳定性和安全操作条件相关联的机会。反应器温度Tc出现在所有参数中并确定反应开始，放热和冷却能力。反应时间除以传热潜力是特征时间尺度，也称为达到最大速率的时间。

该时间除以冷却时间等于时间比率和发热量的比率，也是Semenov数量Se的倒数。

参数灵敏度边界的反Semenov数可以在产热势上显示出来。反应级数0.5、1.0和2.0的极限曲线如图5所示，来自数值模拟[24]。在曲线下方，产热潜力很高，足够短的时间达到最大速率或较长的冷却时间。

图5.反应级数m=0.5,1.0,2.0的热产生潜力的Semenov数。曲线下面积表示低传热能力或高绝热温升[24]。

限制曲线可以由与系数B的参数相关性表示，取决于反应级数m

m=0.5：B=2.60；m=1.0：B=3.37；m=2.0：B=4.57

发热电位S包含反应动力学参数和冷却温度，而时间比N包括传热系数，其主要在放大期间实现。通过足够的热传递使反应器稳定性的时间比的最小值由最小传热UV，min确定

体积传热系数已经在方程式（13）中引入。并且可以由主要耐热性在反应通道中的临界（最大）水力直径dh,max表示（消除外部热阻Rth）。两个等式都给出了临界直径的表达式，这取决于反应器通道中的Nu数在下文中称为Barkelew-enken（BR）方法，类似于Frank-Kamenetskii方程（22）。S’应大于2.83，以在分母中给出合理的（正，非零）值，参见图5。

等式（23）中的Frank Kamenetskii相关性与层流条件（无入口效应和外部热阻）和恒定壁温（Nu=3.656）之间的比较如图6所示。

图6.层流条件，Ea=-80kJmol-1K-1；Tc=300K；对于恒定的壁温，γ=32.1，m=1；B=3.37，Nu=3.656。

在较宽的温度升高范围内，这两种关联式都给出了相似的临界直径。只有在较低的△Tad对应值下，该方法才能给出更大的临界直径。这两条曲线的交点(这两条曲线的临界直径相等)位于下面的直线上。

在上面显示的层流（Nu=3.656）的情况下，对于相等的临界直径和△Tad=134.5K，保持S=14.34。低的活化能Ea和高的冷却温度TC导致BR方法中更大的临界直径。随着过渡流或入口流中Nu数的增加，S也会在相同的临界直径下生加。对于Nu=5.44，由于分母无穷大，BR方法将总是提供比FK方法更大的临界直径。进一步增加Nu数导致交叉点和前面讨论的类似情况。

将外部热阻Rth加到由Nu数给出的内部通道热阻中，如公式（14）所示。并给出以下一般表达。

在上面的等式中，我们可以整合来自（11）或（12）的相关传热系数，以确定参数灵敏度的临界直径。类似地，可以针对适当的情况集成其他热传递相关性。在这里，我们得到过渡流动条件等式（11）和湍流状态方程（12）。

不同流态的界限必须根据雷诺数和入口长度来确定。图7显示了典型反应时间0.1s（A型）和10s（B型）的临界直径，讨论了四种湍流、过渡流和层流以及流体中停止流动和唯一热传导情况下的绝热温升（Frank-Kamenetskii-FK方法）。计算Pr=6的值。

图7.与FS-Kamenetskii方法（FK）相比，层流，过渡（此处为Nu=23.3）和湍流（Nu=43.7）的不同临界水力直径与典型反应时间0.1s（A型）的比较 反应）和10秒（B型）绝热温度升高。

FK方法（热传导）的临界直径与较低侧的层流和较高侧的过渡和湍流传热之间存在较大差异。临界直径随Nu数的平方根增加。较短的反应时间导致过渡和湍流传热临界直径之间的较大差异。具有较高绝热温度升高的系统可以在过渡或甚至湍流条件下在微通道或微通道中安全地处理。

Varma等人提出了另一个明确的标准[25]。对于流动反应器，类似于间歇反应器。在这里，除了上述标准外，还应给出一个简短的大纲。在专著[25]和之前的论文[26]中可以找到相当冗长的推导和描述。这种方法在下面被称为vm准则，可以推荐作为间歇反应器失控边界的近似表达式，对涉及的所有物理化学参数值都有效。反应参数用无量纲数字表示。

类似于Se数。第一个Damköhler数Da是平均停留时间与反应时间的比率和反应器长度的量度

St数代表Nußelt数Nu，Reynolds数Re和Prandtl数Pr。临界值ψcrit，反应器显示参数灵敏度，由VM标准给出临界无量纲温度。

绝热反应器中的初始温度θ0c可由下式计算

可以针对各种条件计算参数B0c。高活化能（γ→∞）导致以下相关性

统一的反应顺序（m=1）给出

对于所有其他情况，可以从中计算参数B0c

作者[25]将他们的方法描述为近似标准。应特别注意低B值和低γ值，其他标准应采用数值解法。对于上述显式VM标准，不同模型的比较给出了最宽范围的可操作范围。其他人更保守，行动范围更小。此外，[25]中的其他讨论的情况，例如具有不同冷却温度的假绝热方案或平推流反应器（PFR），在连续流微反应器操作中没有直接应用。

对于初步反应器或工艺设计，始终遵循FK模型和BR方法。对于内部体积小的微反应器，这样也可能就足够了。更加注重进出口区域，周边以及启动和关闭程序。第一个目标应该是在不受控制的条件下避免大量的关键材料。如果反应器条件接近参数灵敏度的状态，还要检查显式VM标准。对于较大的反应器或非常严重的反应条件，应采用文献中提到的具有更多数值努力和更好地了解反应参数的标准。

7.通道和反应器设计，确保安全运行

基于上述标准以及混合，传热和参数灵敏度的相关性，我们将在下面描述具有安全操作的冷却连续流动微通道反应器的程序。工艺开发以及反应器设计在实验室开始，进行动力学研究和限制运输过程的研究。基于这些数据，进行工厂试验研究，目的是尽可能逼真地模拟工业化生产。

实验室调查可在可视玻璃反应器以及带有A6格式板的平板反应器中进行，见图2。典型的水力直径范围为0.2至0.5mm，流速为几ml/min至30–50ml/min。反应器的流速、流态和压降对混合特性非常重要。根据实验数据，可以计算出能量耗散率和特征混合时间。确定反应体系（平行、连续......）具有限速步骤和特征反应时间tR和反应类型（A、B或C，见[8]）。在这些实验室研究中，流动通常处于层流或过渡状态，因此，混合可能是关键和限制。如果从反应中知道动力学和热力学数据，快速检查提供的液压直径dh和预计的冷却温度Tc，用FK和BR方法进行层流热传递，将首先了解反应堆的安全性。高温会导致不必要的副反应，甚至反应失控，而低温会导致反应不完全，并在反应器出口处形成危险的堆积物。第一次试验应在低浓度和温度下开始，并在反应器出口处进一步稀释。

选择足够长的反应器长度以提供足够的反应完成量。根据工业经验，建议使用DaI,c/DaI,min=2-3提供一些额外的安全余量，以完成反应并抑制副产物。在实验室测试中检查冷却温度对反应器体积（或反应完成）的影响也是非常重要的。必须定义和评价启动（反应点火，温度和浓度曲线，......）和关闭（稀释，冷却，溶剂开关，吹扫，......）程序以确保操作安全。最后在实验室研究中，长期研究提供了有关过程稳定性的有价值信息。在短时间内高流速的研究为中试规模的典型工艺条件下的传热和混合性能提供了初步的见解。

在成功进行实验室活动并准备放大后，建议采用以下步骤和检查。

•检查通道元件dh/L比率，了解不同反应器尺寸的入口效应，

•检查反应器的长度和体积以及与体积流量和停留时间相关的特征反应时间，

•检查与体积流量和停留时间有关的反应器的长度和体积以及特征反应时间，

•通过能量耗散率和混合时间尺度tm进行混合，

•针对给定的几何形状，流体特性和流动条件，检查层流，过渡和湍流传热相关性。根据几何形状，使用的材料和流动条件估算，计算或测量单个传热阻力Rth，

•热量数据给出了重要的反应参数，如绝热温升△Tad和活化能Ea，

•检查最小水力直径的FK方法，

•将速率数据与感兴趣的温度范围内的m阶速率表达式相吻合，

•采用实际传热方式检查BR方法，

•在参数灵敏度的模糊或关键情况下，检查VM模型甚至是文献中更高数值努力的其他模型[25]。

上述标准仅给出了一个狭隘的观点，应该扩大到包含一个真正的化学系统的复杂性。这可能包括进一步的压力和温度限制、可能的聚合或沉淀、分解或气体生成。

图2中的Lonza板反应器按A6、A5和A4板尺寸的确定步骤设计。板的逐步放大可以伴随着通道横截面的逐步放大，从而在每个步骤之间产生约1.4的缩放系数。这个系数增加了2倍的传热面积，大约是内部容积的2.8倍。在相应的步骤中，通过增加串联板的数量，增加了换热面积和内部容积。串联板具有不断增大的内水力直径，如图3所示，以在开始时提供增强的传热能力和沿通道长度的低压损失。这些措施导致一致的、通用的和灵活的放大策略，完全避免在大流量范围内并行化[9,10]。

基于这些数据，工厂中试研究作为生产工厂的“现实生活”进行模拟[39]。通过反应器的典型流速在几百ml/min的范围内。中试规模的反应器通常在过渡或湍流状态下运行，这允许更大的dh,crit安全运行。这包含在BR方法中，见图7。较高的流速也会增加体积和潜在的危险，必须更详细地评估。必须更加重视启动和关闭程序、部分负荷运行和具有潜在积累的循环流上。具有标准化几何比率和布置的模块化反应器设备有助于从实验室扩大到中试规模，而不存在进一步技术跳跃的风险。这些反应器可能具有多用途的特点，尽管中试装置可以生产用于产品发布阶段或部分或峰值需求的材料，以便根据市场需求灵活反应。

在高流速为几L/min，甚至更高的生产中，反应器通道内的湍流占主导地位。在第一步中，通过△p和混合段的特定能量耗散率检查混合。此外，检查混合和传热段的传热，并估计特定通道几何结构的温度分布。详细的化学工程在复杂的试验或专用工厂生产的扩大中起到重要作用。连续流动反应可以使用换热反应器、带微型换热器的常规静态混合器、高横截面反应器（根据需要缩小），或者作为最后的编号（缩小）措施和设备并联进行。BR方法将对安全运行条件进行初步估计，但必须通过其他方法进行复查。当流体均匀混合并分布在通道和装置上时，可采用上述方法处理平行通道或反应器。流量或浓度的变化会导致反应器温度升高或反应器出口反应不完全。

在放大期间选择的直径太小或太大的后果与泵功率和反应器性能有关。较大的直径会减少压力损失，但混合时间也会更长。较小的直径会缩短混合时间，但会产生更高的压降和必要的泵功率。在参数敏感区域之外的传热和安全操作将在过渡区域中以1/7进行扩展。流速增加10倍将使直径增大1.39倍。在湍流状态下，2/7的比例将给出1.93倍的直径。为了比较，湍流混合与流速的比例为3/7。在这里，10倍的流速使得相似的混合结果的直径增大2.68倍。总之，混合相似性允许比类似的热传递或相关的安全反应器操作更大的直径。传热放大更加严格和复杂，必须更详细地讨论和分析。

8.结论

在微通道中安全处理危险，快速和强烈放热的反应通常是微反应器应用的驱动因素。必须将实验室研究的良好结果带入试验和生产规模，以简化工艺和产品开发。这一贡献显示了从实验室开发到连续流动过程的中试工厂生产的一致路径。反应器放大的一个关键因素是具有混合和停留时间段的特定通道排列，其在整个规模上提供几何相似性。特征尺寸，水力直径，按比例放大，以获得恒定的混合时间和传热特性。对于强烈的放热反应，参数灵敏度和反应器稳定性是一个关键问题，用三种不同的方法描述。基于Albert Renken [24]的反应动力学和热力学的无量纲数，得出了相关性，包括安全运行条件下的对流传热。这些是针对连续流反应器的不同操作规模讨论的，其必须不一定具有微结构化通道。考虑对流传热和外部传热阻力Rth的通道放大相关性被集成在通用设计和工艺开发过程中。对于多用途应用而言，简单而强大的扩展设备模块化将为微反应器开发和应用提供新的动力。然而，用于验证所呈现的相关性的实验案例研究是非常重要的，并且是正在进行的和未来工作的目标。

原文标题：《Scale-up concept for modular microstructured reactorsbased on mixing,heat transfer, and reactor safety》

原文出处：Chemical Engineering and Processing: ProcessIntensification, 2011,50(10):1017-1026