微通道板式反應器中氣 - 液 - 固多相流動與反應動力學的協同機制

      在連續流光電催化氫化技術的應用中，微通道板式反應器作為核心裝置，其內部氣 - 液 - 固多相流動與反應動力學的協同機制直接決定了能量轉化效率與產物合成效能。這種協同機制涉及多尺度流體力學行為、界面傳遞過程與催化反應動力學的耦合作用，是理解和優化連續流光電催化體系的關鍵科學問題。

一、微通道內氣 - 液 - 固多相流動特征與調控

      微通道板式反應器的特征尺寸（通常為 50-500μm）使其內部流場呈現出顯著的層流特性，雷諾數（Re）一般低于 2000，這為多相流動的精準調控提供了基礎。在氣 - 液 - 固三相體系中，氣體通常以氣泡形式分散于液相，固體催化劑則以顆粒或固定床形式存在，形成復雜的多相流動結構。研究表明，當氣體體積分數低于 0.3 時，氣泡多以離散型彈狀流或泰勒流形式存在，這種流動形態具有較大的氣液傳質面積（比表面積可達 10000 m2/m3 以上），且氣泡在微通道內的規則運動可減少流體返混，有利于反應的穩定進行。

      固體催化劑的存在進一步改變了多相流動特性。當催化劑以顆粒形式懸浮于液相時，顆粒與流體的相互作用會影響氣泡的破碎與聚并行為。實驗發現，粒徑為 10-50μm 的催化劑顆粒可通過 “顆粒 - 氣泡" 相互作用降低氣泡聚并速率，使氣泡尺寸分布更加均勻，從而強化氣液傳質。而當催化劑以固定床形式裝填于微通道內時，多孔介質結構會誘導流體產生復雜的繞流效應，形成局部渦流區域，這些區域不僅能增強流體的混合強度，還能促進固體表面的液膜更新，為催化反應提供更充足的反應物供給。

      微通道幾何結構對多相流動的調控作用尤為顯著。矩形通道的 corners 效應會導致流體在邊角處形成低速區，影響氣泡的運動軌跡；而帶有擾流結構（如魚骨狀混合單元）的微通道則可通過強制對流打破層流邊界層，使氣泡分散更均勻。例如，在寬度為 200μm 的矩形微通道中，引入高度為 50μm 的梯形擾流柱后，氣泡平均直徑可從 150μm 減小至 80μm，氣液傳質系數提高約 40%。這種流動調控手段為多相反應的強化提供了工程化途徑。

二、多相流動對反應動力學的影響機制

      多相流動狀態通過影響傳質、傳熱與催化劑表面反應位點的可及性，進而調控反應動力學過程。在光電催化氫化反應中，氫氣從氣泡相到液相的傳質是決速步驟之一，而微通道內的高效傳質特性可顯著降低傳質阻力。基于 Hatta 數（Ha）的分析表明，在微通道泰勒流條件下，Ha 數通常大于 3，表明傳質過程對反應速率的影響不可忽略。此時，氣泡尺寸的減小與液膜更新速率的提高，可使氫氣傳質通量提升 1-2 個數量級，從而消除傳統反應器中常見的傳質限制。

      溫度分布的均勻性是影響反應動力學的另一重要因素。微通道的高比表面積（可達 10000 m2/m3）使其具有優異的傳熱性能，熱擴散時間常數僅為毫秒級，可實現反應溫度的精確控制。在連續流光電催化體系中，光催化反應與電催化反應的熱效應可通過微通道的高效傳熱迅速耗散，避免局部過熱導致的催化劑失活或副反應發生。例如，在硝基苯氫化反應中，微通道反應器內的溫度波動可控制在 ±1℃以內，而傳統批次反應器的溫度偏差可達 ±5℃，這種溫度調控能力使反應速率常數的波動范圍縮小 30% 以上，保證了反應動力學的穩定性。

      催化劑表面的流體力學環境直接影響反應物的吸附與產物的脫附過程。在固定床微通道中，流體繞流催化劑顆粒產生的邊界層厚度僅為幾微米，遠小于傳統固定床反應器的毫米級邊界層，這使得反應物分子可更快到達催化劑活性位點。電化學原位表征技術顯示，在微通道流動條件下，催化劑表面的傳質邊界層厚度可減小至 5μm 以下，使電催化氫化反應的極限電流密度提高 2 倍以上，表明流動誘導的邊界層減薄顯著增強了電荷轉移效率。

三、多相界面傳遞與反應動力學的耦合模型

      構建氣 - 液 - 固多相流動與反應動力學的協同模型，需要從介觀尺度刻畫界面傳遞過程與催化反應的耦合關系。基于計算流體力學（CFD）與反應動力學的多物理場耦合模型，可有效描述微通道內多相流動對反應過程的影響。在這類模型中，氣液界面通常采用 VOF（Volume of Fluid）方法追蹤，固體催化劑的影響則通過多孔介質方程（如 Brinkman 方程）耦合，而反應動力學過程則通過在流體控制方程中引入源項實現。

      界面傳質模型的建立是耦合分析的關鍵。對于氣液傳質，經典的雙膜理論在微通道尺度下需要修正，考慮到泰勒流中氣泡的周期性變形與液膜流動特征，引入界面更新理論（如 Higbie 滲透理論）可更準確描述傳質系數的變化。研究表明，在微通道泰勒流中，氣液傳質系數（kL）與氣泡上升速度（ub）的 0.5 次方成正比，與氣泡直徑（db）的 0.5 次方成反比，即 kL∝ub^0.5/db^0.5，這一關系已通過實驗驗證并應用于模型構建。對于液固傳質，由于催化劑表面存在電催化或光催化反應導致的局部濃度梯度，需結合 Nernst 擴散層理論建立傳質 - 反應耦合方程，例如在電催化氫化中，液固界面的傳質通量可表示為 j=kS (cbulk - csurface)，其中 kS 為液固傳質系數，cbulk 和 csurface 分別為主體相和催化劑表面的反應物濃度，而 csurface 與電極電位的關系則由 Butler-Volmer 方程描述。

      多相流動與反應動力學的協同效應可通過無量綱數群分析揭示。引入 Damk?hler 數（Da）表征反應速率與傳質速率的相對大小，當 Da<0.1 時，反應受動力學控制，此時多相流動的影響主要體現在催化劑活性位點的可及性；當 Da>10 時，反應受傳質控制，此時氣泡分散與流體混合成為影響反應速率的關鍵因素。在連續流光電催化氫化體系中，Da 數通常介于 0.5-5 之間，表明傳質與反應動力學的協同作用顯著，需要通過優化多相流動狀態來平衡兩者的影響。例如，在二氧化碳電催化還原反應中，通過調控氣體流速使 Da 數保持在 2 左右，可同時實現 80% 以上的 CO2 轉化率與 90% 的 CO 選擇性，這一協同優化效果比傳統批次反應器提升 50% 以上。

四、典型反應體系中的協同機制案例分析

（1）在苯甲醛光電催化氫化生成苯甲醇的反應體系中，微通道板式反應器內的氣 - 液 - 固多相流動與反應動力學展現出典型的協同作用。實驗表明，當采用泰勒流流型（氣體流速 0.1 m/s，液體流速 0.5 m/s）時，氫氣氣泡以直徑約 100μm 的彈狀流均勻分布于液相，催化劑（負載型 TiO2）固定于通道壁面形成催化層，此時氣液傳質系數可達 0.2 cm/s，液固傳質系數達 0.1 cm/s，使得苯甲醛的轉化率與苯甲醇的選擇性分別達到 95% 和 98%。動力學分析顯示，在該流動條件下，反應的表觀活化能為 32 kJ/mol，低于傳統批次反應器的 45 kJ/mol，表明微通道內的高效傳質降低了反應的能壘。

（2）進一步通過原位拉曼光譜監測發現，在泰勒流氣泡通過催化劑表面的過程中，氣泡尾部的渦流區域會產生強烈的液體沖刷作用，使催化劑表面的產物苯甲醇迅速脫附，反應物苯甲醛及時補充，這種 “沖刷 - 更新" 機制將催化劑表面的反應位點利用率提高了 3 倍以上。而當流動狀態轉變為泡狀流（氣體流速增加至 0.5 m/s）時，氣泡聚并導致傳質面積減小，同時流體返混加劇使反應停留時間分布變寬，苯甲醛轉化率下降至 80%，且副產物甲苯的選擇性上升至 5%，這一現象充分證明了多相流動狀態對反應動力學的顯著影響。

（3）在二氧化碳電催化還原合成甲酸的體系中，微通道板式反應器的多相流動調控展現出更復雜的協同機制。該反應涉及氣體 CO2 的溶解、電子傳遞與質子轉移等多步過程，其協同機制可分解為：①CO2 從氣泡相到液相的傳質；②CO2 在液相中的溶解與電離；③溶解態 CO2 向催化劑表面的傳質；④電催化還原反應動力學。通過構建 “流動 - 傳質 - 反應" 耦合模型，計算得到在微通道內引入垂直于流動方向的脈沖電場（頻率 100 Hz，電壓 1.5 V）時，流體產生的電滲流可使液固界面的傳質邊界層厚度從 10μm 減小至 3μm，同時促進 CO2 氣泡的微細化（平均直徑從 80μm 減小至 30μm），這種協同調控使甲酸的法拉第效率從 60% 提升至 85%，電流密度從 10 mA/cm2 增加至 25 mA/cm2。

五、協同機制優化與反應器設計展望

      基于氣 - 液 - 固多相流動與反應動力學協同機制的認識，微通道板式反應器的優化設計可從流動調控、界面強化與能量耦合三個維度展開。在流動調控方面，可引入主動調控手段如超聲振動、電磁場作用等，實現多相流動狀態的動態優化。例如，在微通道入口處施加頻率為 20 kHz 的超聲波，可使氣泡尺寸分布均勻性提高 30%，傳質系數波動范圍縮小至 ±10%。在界面強化方面，可通過納米結構化催化劑表面構建微納復合界面，增加氣 - 液 - 固三相接觸線長度，實驗表明，具有分級多孔結構的催化劑表面可使三相接觸線密度提高 5 倍，反應速率提升 40%。

      能量耦合優化是未來協同機制研究的重點方向。在光電催化體系中，光場分布與多相流動的協同作用尚未被充分認識。構建光 - 流 - 反應多物理場耦合模型，揭示光吸收效率與流體流動的空間相關性，可實現光能的高效利用。初步研究顯示，在微通道內引入周期性透光 - 遮光結構，可使光催化劑表面的光強分布均勻性提高 25%，光生電子 - 空穴對的分離效率提升 30%。此外，將微通道反應器與可再生能源發電裝置（如光伏電池、燃料電池）進行直接集成，建立能量輸入與多相流動參數的智能調控系統，可實現 “能源 - 流動 - 反應" 的全鏈條協同優化，為連續流光電催化氫化技術的工業化應用奠定基礎。

六、總結

      微通道板式反應器中氣 - 液 - 固多相流動與反應動力學的協同機制研究，不僅深化了對連續流光電催化體系的科學認識，更為綠色合成工藝的開發提供了理論指導。隨著多尺度表征技術（如原位拉曼光譜、微粒子圖像測速技術）與計算模擬方法的進步，未來有望在分子尺度揭示界面傳遞與催化反應的耦合規律，推動微通道反應技術向更高效、更智能的方向發展，為實現 “雙碳" 目標下的化學工業綠色轉型提供關鍵技術支撐。

產品展示

      微通道連續流反應器，應用了自主開發的流道設計，將傳統獨立的單板微通道反應器模塊，加工壓縮成一體，將5個單板持液量10ml的微通道反應器疊加整合為一體，每層反應通道均為兩進一出，可根據具體實驗設計靈活選擇反應的進出口，進而實現反應停留時間的改變和多股進料的需求，并實現了在 線溫度控制與監測。