微通道反應(yīng)器是一種連續(xù)流動(dòng)的管道式反應(yīng)器，包括化工單元所需要的混合器、換熱器、反應(yīng)器控制器等。目前，微通道反應(yīng)器總體構(gòu)造可分為兩種：一種是整體結(jié)構(gòu)，這種方式以錯(cuò)流或逆流熱交換器的形式體現(xiàn)，可在單位體積中進(jìn)行高通量操作。在整體結(jié)構(gòu)中只能同時(shí)進(jìn)行一種操作步驟，最后由這些相應(yīng)的裝置連接起來構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)。另一種是層狀結(jié)構(gòu)，這類體系由一疊不同功能的模塊構(gòu)成，在一層模塊中進(jìn)行一種操作，而在另一層模塊中進(jìn)行另一種操作。流體在各層模塊中的流動(dòng)可由智能分流裝置控制對于更高的通量，某些反應(yīng)器或體系通常以并聯(lián)方式進(jìn)行操作。
原理：
微通道反應(yīng)器主要是指以表面科學(xué)與微制造技術(shù)為核心，經(jīng)過微加工和精密技術(shù)制造的一種多通道微結(jié)構(gòu)小型反應(yīng)器，而微反應(yīng)器的通道尺寸僅有亞微米和亞毫米級別。除此以外因?yàn)槲⒎磻?yīng)器有優(yōu)于傳統(tǒng)化工設(shè)備1-3個(gè)數(shù)量級的傳熱/傳質(zhì)特性，所以特別適合做高放熱和快速反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。
微化工技術(shù)思想源自于常規(guī)尺度的傳熱機(jī)理。對于圓管內(nèi)層流流動(dòng)，管壁溫度維持恒定時(shí)，由公式(1)可見，傳熱系數(shù)h與管徑d成反比，即管徑越小，傳熱系數(shù)越大；對于圓管內(nèi)層流流動(dòng)，組分A在管壁處的濃度維持恒定時(shí)，傳質(zhì)系數(shù)kc與管徑成反比(公式(2))，即管徑越小，傳質(zhì)系數(shù)越大。由于微通道內(nèi)流動(dòng)多屬層流流動(dòng)，主要依靠分子擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)流體間混合，由公式(3)可知，混合時(shí)間t與通道尺度平方成正比。通道特征尺寸減小不僅能大大提高比表面積，而且能大大強(qiáng)化過程的傳遞特性。
Nu=hd/k=3.66(1)
Sh=kc/DAB=3.66(2)
t=d2/DAB(3)
其中Nu為努塞爾數(shù)、Sh為謝伍德數(shù)、D為擴(kuò)散系數(shù)。
化工過程中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)受傳遞速率或本征反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制或兩者共同控制。就瞬時(shí)和快速反應(yīng)而論，在傳統(tǒng)尺度反應(yīng)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行時(shí)，受傳遞速辛控制，而微尺度反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)由干傳遞速率呈數(shù)量級提高，因此這類反應(yīng)過程速率將會(huì)大幅度提高；如氧碘化學(xué)激光器中的激發(fā)態(tài)氧發(fā)生器(氯氣用雙氧水堿溶液反應(yīng))、烴類直接氟化。慢反應(yīng)主要受本征反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制，其實(shí)現(xiàn)過程強(qiáng)化的關(guān)鍵手段之一在于如何提高本征反應(yīng)速率，通?？刹捎锰岣叻磻?yīng)溫度、改變工藝操作條件等措施；而中速反應(yīng)則由傳遞和反應(yīng)速率共同作用，也可采取與慢反應(yīng)過程類似的措施。目前工業(yè)應(yīng)用的烴類硝化反應(yīng)大多屬于中慢速反應(yīng)過程，反應(yīng)時(shí)間在數(shù)十分鐘至數(shù)小時(shí)，在微反應(yīng)器內(nèi)可采用絕熱硝化并同時(shí)改變工藝條件可使反應(yīng)時(shí)間縮短至數(shù)秒。因此，從理論上分析幾乎所有反應(yīng)現(xiàn)狀過程皆可實(shí)現(xiàn)過程強(qiáng)化。
