一、引言

      在當(dāng)今化工、能源及環(huán)境等諸多領(lǐng)域，催化反應(yīng)至關(guān)重要。為實現(xiàn)高效、綠色的催化過程，高性能催化反應(yīng)器及精準(zhǔn)評價裝置的研發(fā)刻不容緩。微通道結(jié)構(gòu)電熱催化評價裝置作為新興技術(shù)，以其微尺度特性在傳質(zhì) - 傳熱強化和催化活性評價方面展現(xiàn)出巨大潛力。傳統(tǒng)催化反應(yīng)器在傳質(zhì)和傳熱上存在局限，如傳質(zhì)距離長、傳熱效率低，易導(dǎo)致反應(yīng)速率受限、副反應(yīng)增多及催化劑失活。微通道結(jié)構(gòu)的引入為解決這些問題開辟了新路徑，其極小尺寸（通道直徑通常 10 - 1000 μm）和高比表面積（可達傳統(tǒng)反應(yīng)器 100 倍以上），大幅縮短傳質(zhì)和傳熱路徑，顯著提升傳質(zhì)和傳熱效率。電熱催化結(jié)合電催化與熱催化優(yōu)勢，通過電場和熱場協(xié)同作用，進一步提高催化反應(yīng)活性和選擇性。因此，深入研究該裝置的傳質(zhì) - 傳熱強化及催化活性評價意義重大。

二、微通道結(jié)構(gòu)電熱催化評價裝置概述

2.1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

      微通道結(jié)構(gòu)電熱催化評價裝置主要包含微通道反應(yīng)器、加熱系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、溫度監(jiān)測系統(tǒng)、氣體流量控制系統(tǒng)以及產(chǎn)物分析系統(tǒng)等部分。

      微通道反應(yīng)器是核心部件，其通道結(jié)構(gòu)形式多樣，常見的有直通道、螺旋形通道、曲折形通道和多孔結(jié)構(gòu)通道等。復(fù)雜通道結(jié)構(gòu)旨在增大反應(yīng)物與通道壁面接觸面積，促進流體混合與傳質(zhì)。例如，螺旋形通道使流體流動時產(chǎn)生離心力，增強徑向混合；多孔結(jié)構(gòu)通道進一步增大比表面積，為催化反應(yīng)提供更多活性位點。

      加熱系統(tǒng)常采用電阻加熱、紅外加熱或感應(yīng)加熱等方式，能快速、精準(zhǔn)地對微通道反應(yīng)器升溫，滿足不同催化反應(yīng)對溫度的要求。供電系統(tǒng)為電催化過程提供穩(wěn)定電場，通過調(diào)節(jié)電壓和電流，可控制電催化反應(yīng)速率和選擇性。

      溫度監(jiān)測系統(tǒng)利用高精度熱電偶或熱電阻傳感器，實時監(jiān)測微通道內(nèi)不同位置溫度，確保反應(yīng)在設(shè)定溫度范圍內(nèi)進行。氣體流量控制系統(tǒng)借助質(zhì)量流量計和流量調(diào)節(jié)閥，精確控制反應(yīng)物氣體流量和比例，保證反應(yīng)條件一致性。產(chǎn)物分析系統(tǒng)采用氣相色譜、質(zhì)譜等分析儀器，對反應(yīng)產(chǎn)物進行定性和定量分析，以評估催化反應(yīng)的活性和選擇性。

2.2 工作原理

      在微通道結(jié)構(gòu)電熱催化評價裝置中，反應(yīng)物氣體在壓力驅(qū)動下進入微通道反應(yīng)器。因微通道尺寸極小，流體在通道內(nèi)呈層流狀態(tài)，分子擴散成為主要傳質(zhì)方式。但微通道的高比表面積使反應(yīng)物分子與通道壁面催化劑接觸機會大增，加快傳質(zhì)速率。

      同時，加熱系統(tǒng)對微通道反應(yīng)器加熱，使反應(yīng)體系達到所需溫度。熱催化過程中，反應(yīng)物分子在催化劑表面吸附、活化并反應(yīng)。供電系統(tǒng)提供的電場影響電催化過程，電場促進電子轉(zhuǎn)移，改變反應(yīng)物分子吸附和反應(yīng)活性，與熱催化產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。

      例如，在某些電催化 - 熱催化協(xié)同反應(yīng)中，電場增強催化劑表面電子云密度，使反應(yīng)物分子更易被吸附和活化，降低反應(yīng)活化能。熱催化提供的高溫環(huán)境加速反應(yīng)速率，兩者配合提高整體催化活性。

      反應(yīng)過程中，溫度監(jiān)測系統(tǒng)實時反饋微通道內(nèi)溫度變化，氣體流量控制系統(tǒng)保證反應(yīng)物穩(wěn)定供應(yīng)，產(chǎn)物分析系統(tǒng)及時檢測和分析反應(yīng)產(chǎn)物，實現(xiàn)對催化反應(yīng)過程的全面監(jiān)測和評價。

三、傳質(zhì)強化機制

3.1 微通道結(jié)構(gòu)對傳質(zhì)的影響

3.1.1 高比表面積促進傳質(zhì)

     微通道的高比表面積是強化傳質(zhì)的關(guān)鍵因素。與傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器相比，微通道反應(yīng)器比表面積可高達 2×10?m2/m3，而傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器僅約 2m2/m3，提升了四個數(shù)量級。在微通道內(nèi)，反應(yīng)物與通道壁面接觸面積大幅增加，反應(yīng)物分子更易擴散到催化劑表面反應(yīng)。如在催化氧化反應(yīng)中，反應(yīng)物氣體中的氧氣分子能更快接觸到通道壁面上負載的催化劑，提高氧氣傳質(zhì)速率，加快整個氧化反應(yīng)進程。

3.1.2 短擴散路徑加速傳質(zhì)

      微通道的微小尺寸顯著縮短傳質(zhì)距離。在傳統(tǒng)反應(yīng)器中，反應(yīng)物分子到達反應(yīng)區(qū)域路徑較長，而在微通道中，分子擴散路徑大幅縮短，傳質(zhì)時間從小時級縮短至毫秒級。例如，在硝化反應(yīng)中，微通道反應(yīng)器可將硝酸與甲苯的混合時間從釜式反應(yīng)的 30 分鐘縮短至 3 秒，傳質(zhì)效率提升 98%。這種短擴散路徑使反應(yīng)物分子能在微通道內(nèi)迅速均勻分布，減少濃度梯度，提高反應(yīng)均勻性和效率。

3.1.3 特殊通道結(jié)構(gòu)增強混合

      螺旋形、曲折形等特殊微通道結(jié)構(gòu)使流體流動時產(chǎn)生復(fù)雜流型，增強流體混合效果。在螺旋形通道中，流體在離心力作用下，不僅有軸向流動，還產(chǎn)生徑向流動，打破傳統(tǒng)層流狀態(tài)下的邊界層，促進不同流體間物質(zhì)交換。曲折形通道通過多次改變流體流動方向，使流體產(chǎn)生湍流，進一步提高混合效率。研究表明，采用特殊通道結(jié)構(gòu)的微通道反應(yīng)器，其傳質(zhì)系數(shù)可比直通道微通道反應(yīng)器提高 2 - 3 倍。

3.2 流體流動特性對傳質(zhì)的作用

3.2.1 層流底層與傳質(zhì)邊界層

      在微通道內(nèi)，流體呈層流流動，靠近通道壁面有一層較薄的層流底層。層流底層中，流體流速低，分子擴散是主要傳質(zhì)方式。在層流底層之外，存在傳質(zhì)邊界層，反應(yīng)物分子在濃度梯度作用下向催化劑表面擴散。微通道的小尺寸使層流底層和傳質(zhì)邊界層都很薄，利于加快傳質(zhì)速率。例如，在氣 - 固催化反應(yīng)中，氣體分子在微通道內(nèi)的層流底層和傳質(zhì)邊界層中能快速擴散到固體催化劑表面，與催化劑活性位點接觸并反應(yīng)。

3.2.2 流速對傳質(zhì)的影響

      適當(dāng)提高流體流速可增強傳質(zhì)效果。流速增加，流體雷諾數(shù)增大，雖微通道內(nèi)仍保持層流，但流體擾動增加，減小傳質(zhì)邊界層厚度，加快反應(yīng)物分子擴散速率。然而，流速過高會使反應(yīng)物在微通道內(nèi)停留時間過短，不利于反應(yīng)充分進行。因此，需根據(jù)具體反應(yīng)體系，優(yōu)化流體流速，達到最佳傳質(zhì)和反應(yīng)效果。例如，在某些催化加氫反應(yīng)中，實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)流體流速在一定范圍內(nèi)逐漸增加時，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率隨之提高，但流速超過某一臨界值后，轉(zhuǎn)化率反而下降。

3.2.3 多相流流型與傳質(zhì)效率

      在涉及多相反應(yīng)的微通道中，不同多相流流型對傳質(zhì)效率影響顯著。常見多相流流型有泡狀流、彈狀流（Taylor 流）、環(huán)狀流等。其中，Taylor 流傳質(zhì)效率較高，在 Taylor 流中，氣相作為分散相會在通道中形成氣塞，氣相堵住液相流動，使液相內(nèi)部形成兩個內(nèi)循環(huán)區(qū)，像轉(zhuǎn)子一樣加強液相內(nèi)部溶質(zhì)混合，大大強化微通道中的傳質(zhì)。研究表明，相同條件下，Taylor 流的傳質(zhì)系數(shù)可比泡狀流提高 3 - 5 倍，在 CO?吸收等反應(yīng)中，Taylor 流能顯著提高 CO?的吸收效率和傳質(zhì)速率。

四、傳熱強化機制

4.1 材料選擇對傳熱的影響

4.1.1 高導(dǎo)熱材料的應(yīng)用

      微通道結(jié)構(gòu)電熱催化評價裝置的反應(yīng)器材質(zhì)對傳熱性能至關(guān)重要。為實現(xiàn)高效傳熱，常選用高導(dǎo)熱材料制作微通道反應(yīng)器。金屬材料如不銹鋼、銅等導(dǎo)熱系數(shù)較高，是常用的微通道反應(yīng)器材料。不銹鋼耐腐蝕性和機械強度良好，適用于多種反應(yīng)環(huán)境；銅的導(dǎo)熱系數(shù)更高，能更快速傳遞熱量，但在某些腐蝕性較強的反應(yīng)中，可能需對其進行表面處理或采用特殊合金形式。對于高溫、強腐蝕等特殊要求的反應(yīng)，也可采用陶瓷等導(dǎo)熱性能較好的非金屬材料，陶瓷材料耐高溫和耐腐蝕性能優(yōu)異，但加工難度相對較大。

4.1.2 熱膨脹系數(shù)的匹配

      在微尺度下，因裝置尺寸小，材料熱膨脹系數(shù)對傳熱性能影響不容忽視。若微通道反應(yīng)器不同部件采用熱膨脹系數(shù)差異大的材料，加熱或冷卻時，各部件因熱脹冷縮程度不同會產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致裝置變形甚至損壞，影響傳熱效率和裝置穩(wěn)定性。所以，設(shè)計和選材時應(yīng)充分考慮材料熱膨脹系數(shù)，選擇熱膨脹系數(shù)匹配的材料組合。例如，采用金屬材料制作微通道主體時，與之連接的密封材料、換熱部件等也應(yīng)選擇熱膨脹系數(shù)相近的材料，確保溫度變化時，裝置各部分協(xié)同工作，維持良好傳熱性能。

4.2 微通道結(jié)構(gòu)對傳熱的強化作用

4.2.1 高比表面積增加傳熱面積

      與傳質(zhì)類似，微通道的高比表面積為傳熱帶來優(yōu)勢。大量通道壁面與流體接觸，大幅增加傳熱面積。以單位體積傳熱面積計算，微通道反應(yīng)器遠高于傳統(tǒng)反應(yīng)器。這種高比表面積使熱量能更快速地從流體傳遞到通道壁面，或從通道壁面?zhèn)鬟f到流體中。例如，在微通道反應(yīng)器中進行的強放熱反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量能迅速通過高比表面積的通道壁面?zhèn)鬟f給冷卻介質(zhì)，有效防止局部過熱現(xiàn)象，保證反應(yīng)在適宜溫度范圍內(nèi)進行。

4.2.2 特殊結(jié)構(gòu)促進傳熱

      除高比表面積外，一些特殊微通道結(jié)構(gòu)設(shè)計能進一步促進傳熱。如在微通道壁面上設(shè)置散熱鰭片、螺旋盤管等結(jié)構(gòu)，增大熱量傳遞面積。散熱鰭片通過增加與外界環(huán)境接觸面積，加速反應(yīng)器與外界環(huán)境換熱；螺旋盤管使流體在盤管內(nèi)流動時，增加流體與管壁接觸時間和擾動，提高傳熱效率。研究表明，在微通道反應(yīng)器上安裝散熱鰭片后，散熱效率可提高 30% - 50%；采用螺旋盤管結(jié)構(gòu)的微通道，傳熱系數(shù)可比普通直通道微通道提高 1 - 2 倍。

4.2.3 優(yōu)化通道布局提升傳熱均勻性

      合理優(yōu)化微通道布局可提升傳熱均勻性。例如，采用平行排列的微通道結(jié)構(gòu)，并合理設(shè)計通道進出口分布，使流體在各個微通道內(nèi)均勻分配，避免部分通道流量過大或過小。這樣可確保每個微通道內(nèi)傳熱過程相對一致，減少因傳熱不均勻?qū)е碌姆磻?yīng)差異。實際應(yīng)用中，通過數(shù)值模擬和實驗優(yōu)化相結(jié)合的方法，能確定最佳微通道布局方案，實現(xiàn)高效且均勻的傳熱效果。

4.3 傳熱方式與強化措施

4.3.1 對流與傳導(dǎo)傳熱協(xié)同

      在微通道結(jié)構(gòu)電熱催化評價裝置中，熱量主要通過對流和傳導(dǎo)兩種方式傳遞。微通道內(nèi)，流體流動帶動熱量傳遞，形成對流換熱；同時，熱量通過通道壁面?zhèn)鲗?dǎo)傳遞。為強化傳熱效果，需充分發(fā)揮對流和傳導(dǎo)傳熱的協(xié)同作用。例如，選擇合適的流體流速，在保證反應(yīng)停留時間的前提下，提高流體對流換熱能力；采用高導(dǎo)熱系數(shù)的通道壁面材料，增強傳導(dǎo)傳熱效果。優(yōu)化對流和傳導(dǎo)傳熱參數(shù)，可使微通道反應(yīng)器在接近等溫條件下操作，有利于提高催化反應(yīng)選擇性和穩(wěn)定性。

4.3.2 采用高效換熱介質(zhì)

      換熱介質(zhì)性能對傳熱效率影響重大。選擇導(dǎo)熱性能好、比熱容大的換熱介質(zhì)可顯著提高傳熱效率。常見換熱介質(zhì)有水、乙二醇、硅油等。水比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)較高，成本低，是常用換熱介質(zhì)之一；乙二醇水溶液冰點低，適用于低溫環(huán)境換熱；硅油使用溫度范圍寬，化學(xué)穩(wěn)定性好，在高溫反應(yīng)換熱中應(yīng)用廣泛。對于特殊高溫反應(yīng)，可采用熔鹽等換熱介質(zhì)，熔鹽在高溫下流動性和傳熱性能良好；對于低溫反應(yīng)，可使用液氮、液氦等低溫介質(zhì)。此外，在換熱介質(zhì)中添加納米顆粒等添加劑，可進一步提高其導(dǎo)熱性能。研究發(fā)現(xiàn)，在水中添加適量納米銅顆粒后，導(dǎo)熱系數(shù)可提高 20% - 30%。

4.3.3 表面改性增強傳熱

      對微通道內(nèi)表面進行改性，如涂覆親水性或疏水性涂層，可改變流體與壁面相互作用，影響流體流動特性和傳熱過程。親水性涂層使液體在通道壁面上形成均勻液膜，利于熱量和質(zhì)量傳遞。例如，在微通道反應(yīng)器內(nèi)表面涂覆親水性涂層后，進行氣 - 液反應(yīng)時，液體能更均勻地分布在通道壁面，增加氣 - 液接觸面積，提高傳熱效率。疏水性涂層在某些情況下可減少液體在壁面附著，降低傳熱熱阻，提高傳熱效果。通過表面改性技術(shù)，可根據(jù)具體反應(yīng)需求，優(yōu)化微通道傳熱性能。

五、催化活性評價方法

5.1 實驗評價技術(shù)

5.1.1 產(chǎn)物分析技術(shù)

     分析反應(yīng)產(chǎn)物是評價催化活性的重要手段。常用產(chǎn)物分析技術(shù)有氣相色譜（GC）、液相色譜（HPLC）、質(zhì)譜（MS）以及色譜 - 質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC - MS、HPLC - MS）等。氣相色譜適用于分析揮發(fā)性有機化合物和氣體產(chǎn)物，能準(zhǔn)確測定產(chǎn)物組成和含量。例如，在催化重整反應(yīng)中，通過氣相色譜可分析產(chǎn)物中各種烴類含量，計算催化劑活性和選擇性。液相色譜主要用于分析非揮發(fā)性或熱不穩(wěn)定化合物，在涉及液相反應(yīng)的催化體系中應(yīng)用廣泛。質(zhì)譜靈敏度和分辨率高，能精確鑒定產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，對復(fù)雜反應(yīng)體系產(chǎn)物分析尤為重要。色譜 - 質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)結(jié)合色譜分離能力和質(zhì)譜鑒定能力，更全面、準(zhǔn)確地分析反應(yīng)產(chǎn)物。

5.1.2 原位表征技術(shù)

      原位表征技術(shù)能在催化反應(yīng)進行時，實時監(jiān)測催化劑結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化，為深入理解催化活性提供直接信息。常見原位表征技術(shù)有原位紅外光譜（in - situ IR）、原位拉曼光譜（in - situ Raman）、原位 X 射線光電子能譜（in - situ XPS）等。原位紅外光譜可監(jiān)測反應(yīng)物、中間體和產(chǎn)物在催化劑表面的吸附和反應(yīng)過程，通過分析紅外吸收峰變化，了解催化反應(yīng)機理和活性位點。原位拉曼光譜對催化劑晶格結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵變化敏感，能提供催化劑結(jié)構(gòu)動態(tài)變化信息。原位 X 射線光電子能譜可分析催化劑表面元素化學(xué)狀態(tài)和電子結(jié)構(gòu)，研究反應(yīng)過程中催化劑表面氧化還原變化。例如，在電催化 - 熱催化協(xié)同的 CO?還原反應(yīng)中，利用原位紅外光譜實時監(jiān)測 CO?在催化劑表面的吸附和轉(zhuǎn)化過程，結(jié)合原位 XPS 分析催化劑表面金屬元素價態(tài)變化，深入探究催化活性來源和反應(yīng)機制。

5.1.3 活性測試裝置與方法

      為準(zhǔn)確評價催化劑活性，需設(shè)計合適的活性測試裝置和方法。常用活性測試裝置有固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、微通道反應(yīng)器等。在微通道結(jié)構(gòu)電熱催化評價裝置中，利用微通道反應(yīng)器進行活性測試優(yōu)勢，能精確控制反應(yīng)條件，快速獲得催化活性數(shù)據(jù)?；钚詼y試方法包括穩(wěn)態(tài)測試和動態(tài)測試。穩(wěn)態(tài)測試在穩(wěn)定反應(yīng)條件下，測量催化劑活性和選擇性隨時間變化，評估催化劑穩(wěn)定性。動態(tài)測試通過改變反應(yīng)條件，如溫度、壓力、反應(yīng)物濃度等，研究催化劑響應(yīng)特性和活性變化規(guī)律。例如，采用程序升溫反應(yīng)（TPR）技術(shù)，在升溫過程中觀察反應(yīng)物轉(zhuǎn)化情況，獲取催化劑活性溫度范圍和活化能等信息。

產(chǎn)品展示

      硝化反應(yīng)是芳香族化合物（如苯、甲苯）在強酸條件下與硝酸發(fā)生的親電取代反應(yīng)，生成硝基化合物。硝化反應(yīng)為強放熱（ΔH < 0）：反應(yīng)釋放大量熱量，易導(dǎo)致副反應(yīng)（如多硝化、氧化），硫酸提供酸性環(huán)境并促進NO??生成，其過量比例影響反應(yīng)速率和選擇性。

      SSC-CFN-N10連續(xù)流硝化系統(tǒng)基于微反應(yīng)工程學(xué)，通過強化傳質(zhì)/傳熱、精準(zhǔn)控制停留時間與溫度，解決了傳統(tǒng)硝化反應(yīng)的安全性與效率瓶頸。其核心是通過連續(xù)化、微型化、自動化設(shè)計，將化學(xué)反應(yīng)從“宏觀間歇”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔⒂^連續(xù)”，為高危險、強放熱反應(yīng)提供了安全高效的解決方案。

   產(chǎn)品優(yōu)勢：

      1、高效傳質(zhì)：微通道（0.5–2 mm）內(nèi)流體呈層流或湍流，通過高比表面積（單位體積表面積大）加速底物與混酸的混合。

      2、縮短擴散路徑，使反應(yīng)物分子接觸更充分，提升反應(yīng)速率。

      3、精準(zhǔn)控溫：微通道的高表面積/體積比使熱量快速傳遞至外部冷卻系統(tǒng)，消除局部熱點，抑制副反應(yīng)（如二硝化）。

      4、停留時間可控：通過調(diào)節(jié)流速（如0.1–10 mL/min），將停留時間控制精度在秒級，避免過度反應(yīng)。 

      5、連續(xù)化：反應(yīng)物持續(xù)流動，體系處于穩(wěn)態(tài)，產(chǎn)物組成均一。

      6、穩(wěn)定性通過背壓閥維持恒定壓力（5–10 bar），抑制揮發(fā)性組分（如HNO?）汽化，確保反應(yīng)均一性