高效能自動化微反應器系統開發：材料世界網

相對於傳統的反應工程技術，微反應器具有高速混合、高熱傳與質傳效率、反應物停留時間的窄分布、重複性好、系統回應迅速而便於操控、幾乎無放大效應以及線上的化學品量少，從而達到的高安全性能等優勢，已經成為現階段各大化學與製藥工業研究重點。工研院所設計的先進型微反應器系統，其混合效率為傳統微反應器的3~8倍，可以在有限空間內達到最大程度的混合；而所測試的反應系統為醫藥中間體Tadalafil，證實使用微反應器技術，可以提高反應效率達60倍、降低反應副產物達3倍以上，顯示所設計的微反應器系統具有相當的商業化潛力。

本文將從以下大綱，介紹微流道反應裝置優點與一般性設計原則外，同時也介紹工研院目前研究微反應技術的最新進展。

‧前言

‧微反應器優勢

‧微型混合器設計

‧微型反應器模擬設計

‧工研院微型反應器研究

‧結論

【內文精選】

我國現有化學產業多使用傳統批次生產之技術，除了無法精準生產，也具有耗能、工安及環保等問題。微反應器技術(MRT)可精準控制溫度及壓力，亦具彈性生產之優勢，從而提升化學反應之效率、降低副產物之產生、改善產物品質，可提高化學及製藥產業之生產效能及降低生產成本和汙染，利於小分子藥試量產。

微化工技術思想源自於常規尺度的質傳與熱傳機制。對於圓管內層流流動，管壁溫度維持恒定時，由式(1)可見，薄膜傳熱係數h與管徑d成反比，即管徑越小，傳熱係數越大；對於圓管內層流流動，組成A在管壁處的濃度維持恒定時，傳質係數kc與管徑成反比（式(2)），即管徑越小，傳質係數越大。由於微通道內流動多屬層流流動，主要依靠分子擴散實現流體間混合，由式(3)可知，混合時間t與通道尺度平方成正比。通道特徵尺寸減小不僅能大大提高比表面積，而且能大大強化過程的傳遞特性。

微反應器優勢

微反應器主要的優勢為在極小的空間內達到指定的反應轉化率，其主要的原理即為相對極高的混合效率以及熱傳與質傳效率。圖一為微反應器與攪拌槽反應器的混合效率，可以看出微流道反應器在注入不同化學物質後隨即均勻混合，傳統攪拌槽反應器則仍有±20%的濃度分布。

圖一、微反應器與攪拌槽反應器的混合效率

就熱傳效率而言，表一為微型熱交換器的換熱係數及換熱面積與傳統熱交換器比較，可以看出微型熱交換器的比表面積為管殼式熱交換器的15~30倍，為密集型熱交換器的2倍，而液相換熱係數也較傳統熱交換器高1~2倍，氣相換熱係數更是傳統熱交換器的20倍以上。此種優勢應用於反應上，可以達成如圖二的結果，傳統攪拌反應器溫度分布為±10˚C，微反應器的溫度分布則小於1˚C。

圖四為微反應器質傳效率與習用技術的比較，可以看出微反應器的質傳效率較其他習用技術，包括管式反應器、填充塔與板塔等技術要高出2~4個數量級，從以下式(4)來看，至少可以有二項優勢。

微型反應器模擬設計

應用流體力學原理，進行微反應器通道計算，主要目的為設計出一種新穎的微型流道混合機制，可以在微小的空間與相對較短的流道內，達成不同的流體，包括互溶與不互溶的液相、液相與氣相的高度混合效果，達到增加反應流體間反應分子的碰撞機率，提高反應速率常數中的頻率因子(Frequency Factor)，因而提高微反應器的反應效率。

由圖六可以看出傳統流道中流動方向幾乎完全平行，混合效果有限；圖七中僅增加流體分離-混合機制後，裝置內最高流速由0.26 m/s提高到0.62 m/s，同時流場擾動性也追增加。

之後進行反應混合計算，假設流體為等體積流率的甲苯與水二種不互溶液體，由圖八可以看出，平行的流道混合效果有限，二種不互溶液體在流道中混合效果不佳；相比之下，圖九中分離-混合型流道所顯示的流體流動界面面積遠高於直線型流道。由以上可得知，流道設計稍作改變，就可以得到完全不同的結果。