微化工技術（簡體書）

化學工業在世界經濟活動中有著舉足輕重的地位，也是我國國民經濟的支柱產業。近百年來，在規模效益思想的指導下，化工生產裝置都以大型化方式進行發展建設，這種思路一方面使得化學工業快速發展，創造了巨大的經濟效益，另一方面也產生了裝備投資大、環境污染大、能耗高、安全性不好等亟待解決的難題。面對化學工業發展的嚴峻挑戰，借鑒微型化在精密製造、電子信息、生物技術和新材料等領域的成功經驗，20世紀90年代提出微化工技術的概念，以期望通過化工裝備的微（小）型化來實現化工過程的安全、高效和綠色。這一全新的發展理念，為化學工程學科的基礎研究提出了全新的方向，也為化工產業發展提供了新的模式，微化工技術已成為化工學科的前沿方向和化工產業發展的制高點之一。世界著名研究機構和大型跨國化工公司紛紛開展相關研究，如歐盟推出了F3（Fast， Future and Flexible Factor）計畫，日本推出了“微納空間反應”研究計畫，已有研究工作充分展示了微化工技術是化學品綠色、安全和智能製造的關鍵技術，是化工過程強化的重要手段之一。
微化工技術是以微結構元件為核心，在微米或毫米受限空間內進行化工反應和分離過程的技術，它通過減小體系的分散尺度強化物質混合與傳遞，提高過程可控性和效率，以“數量放大”為基本準則，進行微設備的集成和放大，將實驗室成果快速運用於工業過程，實現大規模生產。微化工設備最顯著的特徵是具有較小的三維尺寸，典型的微化工設備的元件內部體積在1mL到幾毫升，由微結構元件可組成微混合器、微換熱器、微分離器、微反應器、微檢測器等。以多個微型化工設備或者微化工設備與常規設備組成的化工系統稱為微化工系統。由於特徵尺寸在微米到亞毫米量級，在微設備內的流動過程主要受黏性力和界（表）面力控制，因此具有多相流動有序可控、比表面積大、傳遞距離短、混合速度快、傳遞性能好、反應條件均一、反應過程安全性高等特點。與常規設備相比，在微結構化工設備內流體的混合和分散尺度要小1～2個數量級，熱質傳遞係數高2～3個數量級，混合時間降低1個數量級，空速高1～2個數量級，這就為化工過程的高效率、低能耗、可控和安全奠定了基礎。由於普遍採用微通道、微管道等連續流反應裝置，微反應過程可以嚴格控制反應時間，並且十分適合反應與反應或者反應與分離過程的耦合與集成。另外，由於採用平行數目放大的方法和裝備尺寸明顯減小，可將研究成果快速低成本轉化為生產力，微型設備在實際工業運行中還具有快速開停車、過程響應快以及可實現柔性生產和分佈移動式生產等優點。
自20世紀90年代以來，微化工技術一方面作為化工過程強化的重要手段廣泛應用於化工分離和反應過程中，另一方面成為新化學合成的重要方法，如高溫高壓條件、劇毒和強腐蝕反應物進行的反應，易爆原料和易爆中間體參與的反應等。微化工技術得到了學術界和產業界的廣泛認可，其基礎研究和工業應用均取得了長足的進步，國際上微化工技術的專著也開始出現，但在我國除2004年化學工業出版社出版的譯著《微反應器》外，還沒有一本全面介紹微化工基礎知識和微化工系統工業應用的專著。因此，為推動我國微化工技術的發展，使廣大科研人員和產業技術人員全面瞭解微化工技術的基本原理及其最新進展，撰寫一本《微化工技術》專著，對於引導微化工技術的研發和新技術的產業化應用，促進我國化學工業的節能減排和綠色發展具有重要的意義。
本書由清華大學駱廣生教授、呂陽成教授和王凱副教授共同草擬編寫框架，由駱廣生教授統稿。本書共分為9章，對微化工技術進行全面的介紹和論述，為讀者勾勒出微化工技術的整體面貌，以啟發研究思路，幫助研究人員更加科學地選擇和判斷技術路線。第一章緒論，由駱廣生教授和鄧建博士共同撰寫，重點論述微化工技術的發展歷程、基本原理、特點和優勢、發展趨勢和應用展望；第二章微尺度單相流動與混合，由張吉松博士撰寫，重點論述微尺度單相流動基本規律、微尺度混合過程及其性能和微尺度混合性能強化；第三章微尺度多相流動與分散，由駱廣生教授撰寫，重點論述氣/液微分散設備和分散規律、液/液微分散設備和分散規律以及氣/液/液等多相微分散過程；第四章和第五章分別是微尺度傳遞性能和微尺度反應性能，由王凱副教授撰寫，重點論述微尺度傳熱性能、氣/液微尺度傳質性能、液/液微尺度傳質性能、均相微尺度反應和非均相微尺度反應；第六章基於微設備的分離過程強化技術，由呂陽成教授撰寫，重點論述吸收過程強化技術和萃取過程強化技術；第七章基於微設備的反應過程強化技術，由張吉松博士撰寫，重點論述反應過程強化原理、均相反應過程強化和非均相反應過程強化；第八章基於微化工過程的納微材料可控制備，由駱廣生教授、北京化工大學杜樂副教授和清華大學王玉軍教授共同撰寫，重點論述材料製備過程強化基本原理、納米材料製備技術、纖維材料製備技術和特殊結構材料製備技術；第九章微化工設備的放大和工業應用，由呂陽成教授撰寫，重點論述微化工設備放大方法、氣/液吸收微化工設備及其工業應用、液/液萃取微化工設備及其工業應用、氣/液微反應器及其工業應用和液/液微反應器及其工業應用。田佳鑫、韓春黎、許鵬等參與了本書部分文字和圖表的校對工作。
四川大學褚良銀教授對書稿進行了審讀，提出了不少建議，在此表示衷心感謝！在此也特別感謝化學工業出版社相關編輯為本書出版所付出的辛勤勞動。本書的大部分內容是清華大學微化工技術課題組近20年來在國家自然科學基金委員會傑出青年基金項目、優秀青年基金項目、自然科學基金重點項目、科技部重點實驗室專項課題等支持下完成的研究成果，部分成果還獲得國家技術發明二等獎、國家科技進步二等獎、中國優秀專利獎等獎勵。在此衷心感謝國家自然科學基金委員會和科技部的大力資助。
本書力求內容較為全面和系統、理論與實踐緊密結合，既有微化工技術基礎理論的系統論述，又有微化工技術產業化應用效果的生動展示，還有微化工技術的發展動向分析。但限於著者的學識和理解，書中可能存在諸多不妥和不足，懇請有關專家和讀者不吝指正。

著者
2020年1月

第一章　緒論 / 1
第一節　微化工技術發展歷程 1
第二節　微化工技術基本原理和特點 6
第三節　微化工設備分類 13
第四節　微化工技術發展趨勢和應用展望 14
參考文獻 18

第二章　微尺度單相流動與混合 / 26
第一節　概述 26
第二節　微混合器 27
第三節　微尺度混合性能表徵方法 29
一、可視化表徵方法 30
二、化學分子探針的表徵方法 33
第四節　微尺度混合性能及其強化 34
一、微混合器混合性能 34
二、高黏、大流量比體系微尺度混合性能強化 42
參考文獻 54

第三章　微尺度多相流動與分散 / 59
第一節　微尺度下作用力和無量綱特徵數 60
一、微尺度下氣/液作用力分析和無量綱特徵數 61
二、微尺度下液/液作用力分析和無量綱特徵數 63
第二節　微通道設備和微分散方法及流型 64
一、微通道設備 64
二、微分散方法和分散機理 65
三、微通道內氣/液、液/液兩相流型 71
第三節　氣/液微分散基本規律和數學模型 77
一、T形微通道內錯流剪切氣/液微分散規律 77
二、T形微通道內垂直流剪切氣/液微分散規律 81
三、十字形微通道內垂直流剪切氣/液微分散規律 85
四、相間傳質對於氣/液微分散的影響規律 86
五、微篩孔通道內微氣泡的分散規律 90
第四節　液/液微分散基本規律和數學模型 94
一、微通道表面性質影響和微液滴的單分散性 94
二、微篩孔分散基本規律和模型 97
三、T形微通道內液/液分散規律 102
四、T形微通道內噴射流分散規律 109
第五節　氣/液/液、液/液/液等多相微分散過程 115
一、液/液/液等多相微分散過程 115
二、氣/液/液等多相微分散過程 116
參考文獻 121

第四章　微尺度傳遞性能 / 126
第一節　微尺度傳熱性能 127
一、概述 127
二、微分散體系內的液/液相間換熱 128
第二節　微尺度氣/液傳質性能 132
一、概述 132
二、氣/液傳質係數在線測定方法 134
三、氣泡運動階段傳質規律 139
四、氣泡生成階段傳質規律 141
五、氣泡流傳質係數預測模型 144
六、氣柱流傳質性能 146
七、氣柱流傳質係數預測模型 148
八、微氣泡群氣/液傳質性能 149
第三節　微尺度液/液傳質性能 152
一、概述 152
二、基於原位相分離的液/液傳質研究方法 154
三、液滴運動階段傳質行為 157
四、液滴生成階段傳質行為 159
五、液滴生成階段傳質模型 162
六、微分散液滴群傳質性能 167
七、極端相比下的液/液傳質性能 171
八、氣相強化液/液傳質過程 172
參考文獻 174

第五章　微尺度反應性能 / 179
第一節　均相微反應 180
一、重氮乙酸乙酯合成反應 180
二、二氯丙醇環化反應 188
三、丙烯酸聚合反應 190
第二節　氣/液非均相微反應 198
一、CO2吸收反應 199
二、蒽醌加氫反應 211
第三節　液/液非均相微反應 215
一、發煙硫酸與六氫苯甲酸的反應 216
二、硫酸烷基化反應 227
第四節　氣/液/固多相微反應 231
一、納米碳酸鈣製備反應 231
二、聚乙烯醇縮丁醛製備反應 237
參考文獻 245

第六章　基於微設備的分離過程強化技術 / 252
第一節　微設備內分離過程強化的理論基礎 252
一、微分散體系的傳質行為 252
二、微分散體系傳質過程的模型化 255
第二節　基於微設備的吸收工藝和過程強化 263
第三節　基於微設備的萃取分離工藝和過程強化 267
第四節　基於微設備的反應萃取工藝和過程強化 273
一、反應萃取過程的模型化 275
二、反應萃取過程的動力學特性 277
三、反應萃取過程的選擇性 280
四、基於微設備的磷酸二氫鉀萃取法生產工藝 283
參考文獻 284

第七章　基於微設備的反應過程強化技術 / 286
第一節　反應過程強化原理 286
一、混合速度快 286
二、優異的傳熱傳質性能 287
三、停留時間和溫度高度可控 288
第二節　均相反應過程強化 290
第三節　氣/液非均相反應過程強化 295
一、氫蒽醌的氧化反應 295
二、類比空氣氧化THEAQH2的反應性能 297
三、氧氣氧化THEAQH2的反應性能 300
四、反應過程分析及模型建立 302
第四節　液/液非均相反應過程強化 306
一、重排反應中的液/液微分散性能和傳質性能 308
二、液/液微分散體系中重排反應動力學 311
三、微化工系統內貝克曼重排反應性能研究 314
四、基於微化工系統的重排新工藝 317
五、氣體擾動強化液/液微分散體系重排反應過程 318
第五節　液/固非均相反應過程強化 322
一、微反應器內的液滴群分散尺寸和傳質性能 322
二、微尺度下液/液/固非均相氨肟化反應的可行性分析 324
三、微化工系統中液/液/固非均相氨肟化反應性能 325
四、微化工系統中反應性能與現有工藝的對比 328
參考文獻 329

第八章　基於微化工過程的納微材料可控制備 / 334
第一節　材料製備過程強化的基本原理 335
一、納米材料的可控制備 335
二、微米材料的可控制備 340
第二節　納米材料可控制備技術 344
一、混合性能與納米材料成核-生長的理論基礎 344
二、均相流體系合成納米材料 347
三、非均相體系合成納米材料 353
第三節　納微米纖維材料的製備 366
一、納米纖維材料的可控制備 367
二、多相微流控技術製備微米纖維材料 373
第四節　微球及含特殊結構的微顆粒材料製備技術 380
一、微球顆粒製備 381
二、無機納米顆粒/聚合物微球複合材料 384
三、Janus型液滴及材料 386
四、核/殼結構微米顆粒材料 389
五、多核心結構微球 394
參考文獻 397

第九章　微化工設備的放大和工業應用 / 401
第一節　微化工設備的放大 401
第二節　膜分散微混合器的研究和應用 403
一、混合器的模型與結構設計 403
二、混合性能 406
三、相間傳質性能 408
四、微設備內的流場 411
五、膜分散微混合器在不同萃取體系中的應用 413
六、膜分散微混合器的放大及其工程應用 418
第三節　微篩孔設備的研究和應用 420
一、反應器的模型與結構設計 420
二、微篩孔陣列微設備的工程應用 421
第四節　微槽反應器的研究和應用 423
一、微槽通道的模型與結構設計 423
二、微槽通道的流動性能 424
三、微槽通道的傳質性能 429
四、微槽通道與商用微通道的對比 433
參考文獻 435

索引 / 438