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微化工装备的设计与制造
作者: 发布于:2016-8-4 10:38:29 点击量:

? ? ? ? ?微化工技术是受可持续发展与高新技术产业发展的影响而兴起的一门新型的多学科交叉的科技前沿学科。它集微机电系统设计思想和化学化工基本原理于一体, 并移植集成电路和微传感器制造技术, 涉及化学、材料、物理、化工、机械、电子、控制学等各种工程技术和学科。它主要研究时空特征尺度在数百微米和数百毫秒以内的微型设备和并行分布系统中的过程特征和规律。传统的方法开发一种新的化工工程, 一般要经历实验室的微型实验”“ 小型实验”“ 多级中试”“工业化生产几个步骤。但是在这个多工序的过程中, 设备尺寸的变化可能会导致设备内部结构的复杂变化和物质转化行为的剧变。微反应技术提供了一种新的研究开发概念和技术选择, 它的潜在应用前景已经开始得到社会的认同。面对当前国内化学工业步入发展“新常态”,化工装备制造业继续产业结构调整、产品品种升级的关键历史时期,微化工过程技术和微化工系统装备的发展将是一个重要选项。微化工系统一般认为包括四部分: 微反应系统、微热系统、微分离系统和微混合系统。下面分别加以介绍:

所谓微反应器是指一种借助于特殊的微加工技术, 以固体基质制造的可用于进行化学反应的三维结构单元。其内部单元结构宽度的平均尺寸在微米级, 通常含有当量直径为几十至几百微米的流体通道, 而整机尺寸则在厘米数量级。由于通道尺寸小, 流动边界层厚度大大减小, 致使流体热传导和扩散传质阻力大大减小,传热传质的速率大幅度增加; 而且该通道具有非常大的表面积与体积之比, 当容器尺寸从米减小到微米量级, 反应器的表面积与容积之比将大大提高; 同时, 由于微反应器的特征尺寸小于火焰传播临界直径以及强的传热能力, 能够有效地抑制气相自由基支链爆炸反应, 使得反应过程可以在很宽的原料浓度和操作温度下安全地进行, 也可实现因安全缘故未能在大装置中进行的反应。这使得化学反应可以安全、高产率地进行。正是由于微通道反应器的诸多优点, 它在许多地方得到了广泛的应用, 特别是对于一些在实验室和化工生产中不能很好实现的工艺过程, 微反应器有望对这些过程进行重新评价。

所谓微换热器是在大规模集成电路背景下发展起来的可用于加热和冷却的三维结构单元。上世纪八十年代外商在芯片衬底背面采用微矩形通道并通水冷却的结构, 具有很高的散热效率, 成功地解决了集成电路大规模和超大规模化所带来的“热障”问题。研究数据标明,微换热器由于其通道尺寸小( 一般在微米级) 、比表面积大, 因此较传统的换热器来讲, 其温度梯度和传热系数大。微换热器的传热系数较常规换热器约大12 个数量级。正是由于微换热器具有许多常规尺寸设备所无可比拟的优越性, 因而它被广泛应用于微电子、航空航天、医学治疗、生物工程、材料科学、高温超导体冷却等诸多方面。近几年国外在微换热器的研究和应用发展得非常迅速,有一种用低压注射成型的方法设计制作的陶瓷材料的微换热器,其换热系数可达15kW/ ( m2·K) 。还有一种采用超精细车削研制的微换热器容易彼此连接, 它们的内部比表面积大,每种换热器都有不同的装配尺寸, 可以在实际生产中应用

  所谓微分离器主要指毛细管电色谱,完全不同于传统化工过程的分离机械,是伴随生命科学的发展而发展起来的,一种新兴的具有高效、高选择性的微分离技术, 是在毛细管中填充或在毛细管壁涂布、键合色谱固定相, 用电渗流或电渗流结合压力流来推动流动相的一种液相色谱法, 是高效液相色谱和高效毛细管电泳的有机结合。如果以1.5nm 无孔硅胶颗粒为固定相, 采用电压和压力联合驱动流动相, 用反相梯度加压毛细管电色谱在7.5min 内实现了核糖核酸酶A、细胞色素C、溶菌酶和肌红蛋白等4 种蛋白质的快速、高效的分离。该方法在蛋白质分离分析及蛋白质组学的研究中具有很大的应用潜力, 为高效快速地分离蛋白质开辟了新的途径。此外, 随着微分离技术的不断发展, 新型的微分离方法也层出不穷。以毛细管电泳技术为核心技术, 以芯片为操作平台的微流控芯片是微分离设备进一步的微型化和集成化; 还有毛细管电泳与质谱联用也是近年来一项令人振奋的新兴技术。微分离技术是多种高新技术的综合体现, 它必将在生命科学、环境科学、化学化工和食品工业等众多领域发挥更大作用。

所谓微混合器就是一种能在微尺寸条件下实现多相混合的设备。它一般通过微通道实现, 多股流体分别在多个通道内流动, 然后汇合在一起, 从而起到混合流体的作用。微通道的尺寸一般为10500nm, 微混合设备中一般包括几个甚至几十个微型通道。到目前为止, 流体的微混合主要有两种形式: 一是微接触, 即不互溶的两相体系如液-液或气- 液两相流体在同一微通道或分别在相互接触的两个微通道内流动, 形成平行的流体层, 通过相界面实现两相的接触; 二是微混合或微分散, 即互溶的两股流体或不互溶的两股流体通过微通道进入微混合或微分散区, 实现两股流体的微混合或微分散。尽管微混合器凭借其优于常规混合器的特点在多相混合领域得到广泛的关注, 但其自身也存在一定的局限性: 一方面, 微设备处理能力小, 一般只适用于生物制药、精细化工等处理量相对较小的领域, 对于大处理量要求的化工生产还有待于研究新型的微混合设备; 另一方面, 由于微通道只适用于清洁的流体体系, 对于含有固体的体系很难适用, 这也使其应用领域受到很大的限制。

微化工系统从广义上讲是指:可以批量制作、在微电子、微机械、微光学等基础上集机构、传感器、驱动器、执行器、信号处理器、控制电路、通信系统和电源于一体的系统。微化工系统的研发是在微米/纳米尺度上开始起步的,其主要特点有: 体积小(特征尺寸范围为1nm 10mm)、精度高、重量轻; 性能稳定、可靠性高; 耗能低、灵敏度和工作效率高; 多功能和智能化; 有利于大批量生产, 制造成本低廉目前我们部分已经掌握的部分传统制造的规律可延伸适用于微化工装备的制造领域,例如流体在微场的约束机理和毛细管、腔中的流体压力、热膨胀和流动理论, 微传热和形变理论, 微摩擦、微磨损与润滑理论, 微能量转化与传输现论等。当然传统制造和微制造之间仍有很大的不同: 在大尺寸结构中可以忽略的问题在微系统制造中可能成为关键,也会出现新的问题。比如惯性力、重力、弹性力、摩擦力、表面张力、粘性力、静电力、电磁力等力的尺寸效应, 微结构的表面效应, 流体力学、摩擦学等动力学效应。当系统的特征尺度为几毫米时, 制造、检测方法将发生质的变化: 一是成形手段不再是传统的切削加工, 而是以光刻为代表的微细加工技术;二是用肉眼观测已有困难, 须借助显微镜; 三是用人的肌肉和控制作业已较困难, 须借助微执行器以遥控方式作业; 四是静电力、附着力的影响增大, 零件的取放作业困难; 五是作业过程中零件易飞散失落, 零件尺寸个体差大, 互换性低; 六是有时要求真空度较高的制造环镜。目前, 限于国家的经济和技术水平, 微反应技术和微化学单元还不可能在短期内取代所有的传统生产工艺和单元操作设备。总之, 随着科学技术的发展, 二十一世纪的化学工业面临着前所未有的机遇, 同时也面临严峻的挑战。微化工技术的发展将对现有化工技术和设备制造产生重大突破, 同时也将推进微细尺度的化学工程理论的发展。




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