微反应器是一个比较广泛的概念，且有很多种形式，既包括传统的微量反应器(积分反应器)，也包括反相胶束微反应器、聚合物微反应器、固体模板微反应器、微条纹反应器和微聚合反应器等。这些微反应器都有一个共同特点：把化学反应控制在尽量微小的空间内，化学反应空间的尺寸数量级一般为微米甚至纳米。

本文所指的微反应器具有上述反应器的共同特点，但又有所区别，主要是指用微加工技术制造的用于进行化学反应的三维结构元件(见图1)，或包括换热、混合、分离、分析和控制等各种功能的高度集成的微反应系统(见图2)，通常含有当量直径数量级介于微米和毫米之间的流体流动通道，化学反应发生在这些通道中，因此微反应器又称作微通道(microchannel)反应器。严格来讲，微反应器不同于微混合器、微换热器和微分离器等其他微通道设备，但由于它们的结构类似，在微混合器、微换热器和微分离器等微通道设备中可以进行非催化反应，且当把催化剂固定在微通道壁时，微混合器、微换热器和微分离器等微通道设备就成为微反应器，因而国外有的学者将这一类型的微通道设备统称为微反应器。微反应器还应与微全分析设备相区别，虽然它们的结构可以相同，但它们的功能和目的完全不同。

图1  简单的微反应器结构

图2  复杂的微反应器结构

与常规反应器相比，微反应器有以下特点： 

（1）比表面积增加。微通道内的比表面积能达到 10000~50000m2/m3，而常规反应器内的比表面积只能达到 100~1000 m2/m3。 

（2）传热过程得到强化。一方面，比表面积的增大使反应器内能够提供的对流传热的场所增加；另一方面，反应器内部体积减小，使温度分布能够在很短的时间内实现均一化。 

（3）传质过程得到强化。在微通道内，流体流动形式为层流，传质过程主要是分子间扩散。根据菲克定律，分子扩散距离和时间的关系见式（1）：

L=√2Dt               （1）

式（1）中： D 为扩散系数。尺寸的减小能够实现快速混合，如室温下，一个水分子扩散通过 1mm 的距离需要大约 200s 的时间，但是通过 50μm 的距离只需要大约500ms 的时间。另外，比表面积的增大为传质过程提供了更大的场所。 

（4）反应需要的试剂量小。微反应器的内部体积一般在 μL 数量级，既避免了反应物的浪费，也防止了产物对环境的污染。 

（5）反应更加安全。传递过程的强化使反应器内的反应过程更容易控制，即使硝化反应等强放热过程也可以安全进行。 

（6）“数量放大”。与常规工艺不同，微反应器的工业放大采用并行操作的“数量放大”方式，见图 3。这种方式缩短了工业放大的时间，使实际生产更加灵活。

图3  常规体积放大和微反应器“数量放大”的区别

N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺，简称CBS或CZ，是一种应用广泛的橡胶硫化促进剂，主要用于制造轮胎、胶鞋、胶管、胶带、电缆等工业制品。

生产CBS通常采用促进剂MBT与环己胺反应，氧化剂采用次氯酸钠、双氧水或氧气。生产方法有4种：次氯酸钠氧化法、双氧水氧化法、氧气氧化法和无氧化剂合成法。双氧水法生产成本高，氧气氧化法的安全性无法保证，无氧化剂合成法辅料消耗多，工艺过程复杂，废气废液难处理。而次氯酸钠氧化法具有工艺简单、成熟，操作稳定，转化率高的优点。本文也采用次氯酸钠工艺，作为对比微通道反应器与釜式反应器区别的基础工艺。

一、产业化部分

1.试车主原料

促进剂M（工业品，本公司自产），环己胺（外购，纯度99%），次氯酸钠（本公司自产，有效氯含量12以上）。

2.主要仪器与设备

微通道反应器（4台串联，单台管道容积270ml），隔膜计量泵（流量0～1500L/h），温度、压力、流量监控仪表若干。

常压搅拌釜（全容积10L），进料离心泵，流量、温度、压力、重量监控仪表若干。

3.试验方案

（1）微通道反应器生产工艺

①将原料按照工艺要求的流量，采用隔膜计量泵泵入反应器中，控制反应器内温度满足工艺要求，并控制物料在反应器内的停留时间≤5s，进行氧化反应。

②反应器出口处采用ORP电极监控反应终点，并根据监控数据随时微调次氯酸钠流量，以保证反应器出口处物料到达反应终点。

③反应产物经过滤分离后得到CBS粗产品，经洗涤后即可得到成品CBS湿料。

④产品经干燥后，即可得到成品CBS，经连续开车测定，工艺中CBS平均收率可达96.3%，产品纯度可达99%以上。

⑤工艺产生的废水，经环己胺回收后，COD仅在8000ppm左右，甚至更低，且废水呈现无色透明状，大幅降低了CBS工艺废水的处理难度。

（2）釜式间歇生产工艺

①将原料打浆后，泵入氧化釜中备用；

②打开氧化釜搅拌，打开氧化剂次氯酸钠加料管道阀门开始氧化反应，并控制氧化剂滴加时间在1.5～2h。控制釜内内温度满足工艺要求，并间歇取样，化学法检测反应终点；

③反应产物经离心分离后得到CBS粗产品，经洗涤后即可得到成品CBS湿料。

④产品经干燥后，即可得到成品CBS。工艺中CBS多釜平均收率在90%～93%，产品纯度可达98%以上。

⑤工艺产生的废水，经环己胺回收后，COD在20000ppm左右，且废水呈现黄色，部分废水中可见黑色或褐色树脂。

4.不同批次产品理化指标

产业化试生产阶段间歇取样的CBS理化指标情况见表1。不同批次釜式反应器中的CBS理化指标见表2。

表1  不同时间节点微通道反应器下的CBS理化指标

注：间歇取样，取样时间间隔约为24h。

表2  不同批次釜式反应器中的CBS理化指标

注：每批次取样3个，检测后取平均值。

从表1及表2可以看出，采用微通道反应器进行连续化生产，产品质量波动极小，不同批次间产品的熔点差距仅为0.1℃～0.2℃，这是釜式间歇工艺难以达到的。究其原因，在于采用微通道反应器可以严格控制进料配比、反应温度、反应时间等条件，使氧化工艺一直处于一种极其稳定的状态，进而促进了产品品质的稳定性。此外，由于微通道反应器内物料混合效果极佳，使得氧化剂次氯酸钠可以均匀地与反应物料进行混合，进而在大幅提高反应速率的同时，显著降低了副反应的发生几率，使得产品纯度也有所提高。而较高的产品纯度也降低了物料洗涤用水量，采用微通道反应器进行生产，洗涤所用水量仅为釜式间歇工艺的60%左右。

5.产品应用性能对比。

采用微通道连续化工艺生产的产品（标号：CZ-研发）和采用传统釜式工艺生产的产品（标号：CZ-车间）的产品应用性能对比见表3。

表3   产品应用性能对比

从表2可以看出，采用新工艺生产的促进剂CBS，其应用性能与传统工艺并无区别，完全可以实现代替而不影响客户的使用效果。

6.工艺收率及废水情况

采用连续化生产工艺，产品收率可稳定控制在96%以上，而产品收率的提升也降低了工艺废水的COD值。采用微通道反应器合成促进剂CBS，其工艺废水经环己胺回收后，COD值可控制在8000ppm以内，大幅降低了废水的处理难度，取样情况见表4、表5。两种CBS生产设备工艺废水对比见图4。

表4   采用微通道反应器生产CBS的工艺废水取样检测结果

注：①间歇取样，取样时间间隔约为24h；②此处收率为两次取样间隔时，生产统计得到的收率变化；③此处废水为CZ车间所有外排进废水处理系统的混合样品，包括反应母液和洗涤水。

表5  采用釜式反应器生产CBS的工艺废水取样检测结果

图4  两种CBS生产设备工艺废水对比图

二、结论

1.采用微通道反应器生产促进剂CBS，较传统釜式反应器的最大优势为反应速度快，微通道反应器内的反应停留时间仅为5s，较传统工艺批次时间1～2小时相比，生产效率提高约200倍，大幅增加了设备利用率；

2.采用微通道反应器生产的促进剂CBS，与传统釜式生产工艺相比，其产品基本理化指标均满足标准要求，且CBS产品收率高，产品纯度高，工艺废水产量小，COD低，是一种非常适合生产转化及放大生产的工艺；

3.以微通道反应器为基础，采用连续化的次氯酸钠法工艺生产促进剂CBS，其产品应用性能并未发现明显变化，不影响客户使用。