近日，我校催化反应工程团队在微反应器放大策略研究中取得新进展，相关成果以“Residence time distribution and heat/mass transfer performance of a millimeter scale butterfly-shaped reactor”为题发表在化学领域期刊《Chinese Chemical Letters》上。

微反应器因精确的过程控制和高效的传递性能而备受关注，但其通道内以层流为主，停留时间分布宽、返混大，影响反应转化率和选择性控制；同时，许多反应和工业应用希望反应器具有更高的持液量。如何实现微反应器的高效放大，是推动其工业应用的关键挑战。

团队基于“放大”策略，设计了一种毫米级蝴蝶形反应器，并采用飞秒激光雕刻技术加工制造。反应通道由多个混合单元串联而成，利用流体的收缩与扩张效应强化混合。通过计算流体力学（CFD）模拟，团队优化了反应器内部结构——在每个蝴蝶形混合单元中交替布置两对菱形微柱，可在维持较低压降的同时提升径向混合程度。在10–40 mL/min的流量范围内，完全混合时间仅需0.35–2.1秒。

针对换热层，团队设计了渐变宽度的并联分支结构，相比等宽结构显著改善了流体分布的均匀性，进而使温度分布更加均匀，总传热系数可达110–600 W·m⁻²·K⁻¹。

在停留时间分布（RTD）研究中，团队提出了“链式滞留流模型”，通过引入“滞留区”与“流动区”的体积比和回流比两个参数，精确描述了小尺度反应器中因流体滞留和层流导致的拖尾现象。与轴向扩散模型和串联釜模型相比，该模型对非对称RTD曲线的拟合效果更优。

该工作为毫米级反应器的结构设计和流动行为描述提供了新思路。所提出的链式滞留流模型对理解小尺度反应器中的非理想流动具有理论价值，也为相关反应器的工程放大和性能预测提供了工具。

论文第一作者为博士研究生吕海成，通讯作者为化工学院杨志荣副教授和张晶特聘研究员。研究得到了国家自然科学基金、上海市市级重大专项、上海市自然科学基金及中国博士后科学基金等项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cclet.2022.07.053