微反应器系统的混合反应单元主要由两部分组成：

（1）微反应器（Microreactor）

（2）延时管道（Delay Pipeline）

微反应器系统总体组成示意图：

从操作角度来看，微反应器中的混合可以分为两个基本原理:有源主动混合和无源被动混合。

（1）有源主动混合是指利用外部能量输入来改善流体流动的混合方法。

（2）无源被动混合是指无外界能量输入，且流体速度与流体性质、泵送速度和通过每个混合单元的物理路径成正相关的混合过程。

后一种方法被用于绝大多数以合成为目的的微反应器系统中，并根据混合单元的分散介质进行了细分。

（1）有源主动混合（外场强化）

有源主动混合能量来源包括超声场，声学诱导气泡振动，电动力不稳定场，流动的周期性变化，电润湿法诱导液滴融合，压电振动膜，磁场水力学作用，微型叶轮机，集合微阀/泵等。相比于被动式混合，主动式混合的强化手段更加丰富，混合距离短，混合时间短，更适合极低雷诺数情况下的混合。它的缺点在于外场的引入通常须依靠特定装置来实现，由此增加了系统的复杂性和成本。

（一）超声场

图片来源：Analytical Chemistry, 2004, 76(13): 3694-3698

如上图所示，该超声波外场强化通过集成的压电换能器引入通道。换能器由ZnO薄膜制成，该薄膜沉积在石英衬底的底面上。聚二甲基硅氧烷通道与所述衬底上表面的换能器对齐。换能器的设计工作在450MHz左右。混合的主要机理是换能器产生的辐射压力引起微流体通道内的流体混合。

一种基于声学诱导气泡振动原理的混合技术。混合器由一个与反应室相连的压电盘组成，反应室的设计方式是将一组尺寸合适的气泡困在溶液中，气泡停留在固体表面，在声场的作用下产生振动，以产生稳定的循环流动及对流流动，从而实现快速混合的目的。该方法可将完全混合流体的时间从几个小时（纯扩散混合）大大减少到几十秒。

（三）电动力不稳定场

一种用于微流体生物分析应用的快速混合微升和纳升体积溶液的电动过程。通过流动不稳定性来快速混合流体，这种效应发生在振荡电渗透流中，被称为电动不稳定性（EKI）。如上图所示，流体A和B被引入图左侧所示的输入端口1与2。流体被泵送进系统，同时在上游和下游储层中引入铂电极以提供交流励磁，EKI发生在整个通道上。

（四）流动的周期性变化

保持流体的平均流速不变，通过改变反应流体的瞬时流速，使其相对于时间呈正弦变化，从而实现强化混合的目的。

（五）电润湿法诱导液滴融合

电润湿法是指通过在微通道上、下基板之间施加电压，来改变液滴在其下层固体结构（一般为强疏水材料）上的润湿性，使液滴发生形变、位移的现象。液体在固体表面能铺展，固液接触面有扩大的趋势，即液体对固体表面的附着力大于其内聚力，就是润湿。液体在固体表面不能铺展，接触面有收缩成球形的趋势，就是不润湿，不润湿就是液体对固体表面的附着力小于其内聚力。

（六）压电振动膜

图片来源：Micro Total Analysis System 2000，277-282

上图是一种新型硅微混合器，该混合器主要用于微全分析系统。该装置基于主动混合原理，使用带有薄压电驱动膜的硅片作为关键元件，在膜底和芯片载体之间形成一个小的混合室，通过膜片的振动实现混合室内流体的快速混合，该混合室有两个流体入口和一个共同的流体出口。

（七）微型叶轮机

一种微机械磁棒微混合器，主要应用于微尺度流体混合的生物芯片实验室。该混合器的设计灵感来自大型磁棒混合器，旋转磁场使单个磁棒或磁棒阵列在流体环境中快速旋转，从而起到强化混合的作用。

（2）无源被动混合

最广泛使用的微反应器是无源的，利用其几何形状实现流体的有效接触和混合。

（一）简单接触结构

图片来源：Chemical Engineering Science, 2013, 100: 486-495.

（二）多层结构

如何快速混合对于反应效果是至关重要的，例如在涉及高活性物质的反应中，必须使用专门的微混合单元来减少混合时间，比如多层接触结构，通过将流体分裂成许多较小的层来极大地增加界面接触面积，以增强扩散混合。

（三）螺旋弯曲结构

螺旋弯曲微通道结构在许多工业应用中都显示出其独特的效应，主要通过微通道中的螺旋或曲线几何形状所产生的混沌流来提高混合性能。

（四）分裂复合结构

采用分裂复合设计的微反应器可反复拉伸、剪切和堆积流体，通过多次重复这一过程，产生了许多流体小片段，从而缩短了扩散距离，可以实现高黏流体的有效混合。

（五）周期性静态结构

周期性的静态结构既可以引起混沌流也同时存在剪切效应，对多相流体的混合效果提高较为显著。

（六）微筛孔型结构

（七）微筛孔阵列结构

在单孔微筛孔反应器结构的基础上，对微筛孔数量、错流通道的数量进行阵列放大，以满足反应产能上的要求。

（八）微滤膜分散型结构

图片来源：React. Chem. Eng. 2021, 6, 1462

微滤膜分散型微反应器也主要由分散室与错流通道组成，以微滤膜为分散介质，将流体分散成与微滤膜孔径大小一致的小液滴，实现分散相流体在连续相内的均匀混合。

（九）透气膜型微反应器

针对气液非均相反应，可以使用更专业的设计，将微混合和反应模块相结合，如降膜微反应器和透气膜反应器。后者已成为一种日益流行的技术，因为在反应介质中可以获得相应气体的均一饱和溶液，可以很容易在下游工艺中处理。如上图所示，透气膜式（tube-in-tube）反应器装置由一根透气的聚四氟乙烯AF-2400膜管（内管）组成，该膜管固定在较大的不透气管（外管）内。这些管子由T型件分隔开，允许两个通道的独立输送，只有气态物料可以通过膜，这些气体反应物料可以在液相中与底物反应，也可以简单地使溶剂饱和以供后续使用。

[1] Microreactors in organic chemistry and catalysis. John Wiley & Sons, 2013.

[2] 微化工技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2020.

[3] Analytical Chemistry, 2004, 76(13): 3694-3698.

[4] Analytical Chemistry, 2001, 73(24): 5822-5832.

[5] Micro Total Analysis System 2000，277-282.

[6] Chemical Engineering Science, 2013, 100: 486-495.

[7] Chem. Rev. 2017, 117, 11796−11893

[8] React. Chem. Eng. 2021, 6, 1462

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