一、引言

      在当今化工、能源及环境等诸多领域，催化反应至关重要。为实现高效、绿色的催化过程，高性能催化反应器及精准评价装置的研发刻不容缓。微通道结构电热催化评价装置作为新兴技术，以其微尺度特性在传质 - 传热强化和催化活性评价方面展现出巨大潜力。传统催化反应器在传质和传热上存在局限，如传质距离长、传热效率低，易导致反应速率受限、副反应增多及催化剂失活。微通道结构的引入为解决这些问题开辟了新路径，其极小尺寸（通道直径通常 10 - 1000 μm）和极高比表面积（可达传统反应器 100 倍以上），大幅缩短传质和传热路径，显著提升传质和传热效率。电热催化结合电催化与热催化优势，通过电场和热场协同作用，进一步提高催化反应活性和选择性。因此，深入研究该装置的传质 - 传热强化及催化活性评价意义重大。

二、微通道结构电热催化评价装置概述

2.1 装置结构设计

      微通道结构电热催化评价装置主要包含微通道反应器、加热系统、供电系统、温度监测系统、气体流量控制系统以及产物分析系统等部分。

      微通道反应器是核心部件，其通道结构形式多样，常见的有直通道、螺旋形通道、曲折形通道和多孔结构通道等。复杂通道结构旨在增大反应物与通道壁面接触面积，促进流体混合与传质。例如，螺旋形通道使流体流动时产生离心力，增强径向混合；多孔结构通道进一步增大比表面积，为催化反应提供更多活性位点。

      加热系统常采用电阻加热、红外加热或感应加热等方式，能快速、精准地对微通道反应器升温，满足不同催化反应对温度的要求。供电系统为电催化过程提供稳定电场，通过调节电压和电流，可控制电催化反应速率和选择性。

      温度监测系统利用高精度热电偶或热电阻传感器，实时监测微通道内不同位置温度，确保反应在设定温度范围内进行。气体流量控制系统借助质量流量计和流量调节阀，精确控制反应物气体流量和比例，保证反应条件一致性。产物分析系统采用气相色谱、质谱等分析仪器，对反应产物进行定性和定量分析，以评估催化反应的活性和选择性。

2.2 工作原理

      在微通道结构电热催化评价装置中，反应物气体在压力驱动下进入微通道反应器。因微通道尺寸极小，流体在通道内呈层流状态，分子扩散成为主要传质方式。但微通道的高比表面积使反应物分子与通道壁面催化剂接触机会大增，加快传质速率。

      同时，加热系统对微通道反应器加热，使反应体系达到所需温度。热催化过程中，反应物分子在催化剂表面吸附、活化并反应。供电系统提供的电场影响电催化过程，电场促进电子转移，改变反应物分子吸附和反应活性，与热催化产生协同效应。

      例如，在某些电催化 - 热催化协同反应中，电场增强催化剂表面电子云密度，使反应物分子更易被吸附和活化，降低反应活化能。热催化提供的高温环境加速反应速率，两者配合提高整体催化活性。

      反应过程中，温度监测系统实时反馈微通道内温度变化，气体流量控制系统保证反应物稳定供应，产物分析系统及时检测和分析反应产物，实现对催化反应过程的全面监测和评价。

三、传质强化机制

3.1 微通道结构对传质的影响

3.1.1 高比表面积促进传质

     微通道的高比表面积是强化传质的关键因素。与传统釜式反应器相比，微通道反应器比表面积可高达 2×10⁴m²/m³，而传统釜式反应器仅约 2m²/m³，提升了四个数量级。在微通道内，反应物与通道壁面接触面积大幅增加，反应物分子更易扩散到催化剂表面反应。如在催化氧化反应中，反应物气体中的氧气分子能更快接触到通道壁面上负载的催化剂，提高氧气传质速率，加快整个氧化反应进程。

3.1.2 短扩散路径加速传质

      微通道的微小尺寸显著缩短传质距离。在传统反应器中，反应物分子到达反应区域路径较长，而在微通道中，分子扩散路径大幅缩短，传质时间从小时级缩短至毫秒级。例如，在硝化反应中，微通道反应器可将硝酸与甲苯的混合时间从釜式反应的 30 分钟缩短至 3 秒，传质效率提升 98%。这种短扩散路径使反应物分子能在微通道内迅速均匀分布，减少浓度梯度，提高反应均匀性和效率。

3.1.3 特殊通道结构增强混合

      螺旋形、曲折形等特殊微通道结构使流体流动时产生复杂流型，增强流体混合效果。在螺旋形通道中，流体在离心力作用下，不仅有轴向流动，还产生径向流动，打破传统层流状态下的边界层，促进不同流体间物质交换。曲折形通道通过多次改变流体流动方向，使流体产生湍流，进一步提高混合效率。研究表明，采用特殊通道结构的微通道反应器，其传质系数可比直通道微通道反应器提高 2 - 3 倍。

3.2 流体流动特性对传质的作用

3.2.1 层流底层与传质边界层

      在微通道内，流体呈层流流动，靠近通道壁面有一层较薄的层流底层。层流底层中，流体流速低，分子扩散是主要传质方式。在层流底层之外，存在传质边界层，反应物分子在浓度梯度作用下向催化剂表面扩散。微通道的小尺寸使层流底层和传质边界层都很薄，利于加快传质速率。例如，在气 - 固催化反应中，气体分子在微通道内的层流底层和传质边界层中能快速扩散到固体催化剂表面，与催化剂活性位点接触并反应。

3.2.2 流速对传质的影响

      适当提高流体流速可增强传质效果。流速增加，流体雷诺数增大，虽微通道内仍保持层流，但流体扰动增加，减小传质边界层厚度，加快反应物分子扩散速率。然而，流速过高会使反应物在微通道内停留时间过短，不利于反应充分进行。因此，需根据具体反应体系，优化流体流速，达到最佳传质和反应效果。例如，在某些催化加氢反应中，实验发现当流体流速在一定范围内逐渐增加时，反应物转化率随之提高，但流速超过某一临界值后，转化率反而下降。

3.2.3 多相流流型与传质效率

      在涉及多相反应的微通道中，不同多相流流型对传质效率影响显著。常见多相流流型有泡状流、弹状流（Taylor 流）、环状流等。其中，Taylor 流传质效率较高，在 Taylor 流中，气相作为分散相会在通道中形成子弹状气塞，气相堵住液相流动，使液相内部形成两个内循环区，像转子一样加强液相内部溶质混合，大大强化微通道中的传质。研究表明，相同条件下，Taylor 流的传质系数可比泡状流提高 3 - 5 倍，在 CO₂吸收等反应中，Taylor 流能显著提高 CO₂的吸收效率和传质速率。

四、传热强化机制

4.1 材料选择对传热的影响

4.1.1 高导热材料的应用

      微通道结构电热催化评价装置的反应器材质对传热性能至关重要。为实现高效传热，常选用高导热材料制作微通道反应器。金属材料如不锈钢、铜等导热系数较高，是常用的微通道反应器材料。不锈钢耐腐蚀性和机械强度良好，适用于多种反应环境；铜的导热系数更高，能更快速传递热量，但在某些腐蚀性较强的反应中，可能需对其进行表面处理或采用特殊合金形式。对于高温、强腐蚀等特殊要求的反应，也可采用陶瓷等导热性能较好的非金属材料，陶瓷材料耐高温和耐腐蚀性能优异，但加工难度相对较大。

4.1.2 热膨胀系数的匹配

      在微尺度下，因装置尺寸小，材料热膨胀系数对传热性能影响不容忽视。若微通道反应器不同部件采用热膨胀系数差异大的材料，加热或冷却时，各部件因热胀冷缩程度不同会产生热应力，导致装置变形甚至损坏，影响传热效率和装置稳定性。所以，设计和选材时应充分考虑材料热膨胀系数，选择热膨胀系数匹配的材料组合。例如，采用金属材料制作微通道主体时，与之连接的密封材料、换热部件等也应选择热膨胀系数相近的材料，确保温度变化时，装置各部分协同工作，维持良好传热性能。

4.2 微通道结构对传热的强化作用

4.2.1 高比表面积增加传热面积

      与传质类似，微通道的高比表面积为传热带来优势。大量通道壁面与流体接触，大幅增加传热面积。以单位体积传热面积计算，微通道反应器远高于传统反应器。这种高比表面积使热量能更快速地从流体传递到通道壁面，或从通道壁面传递到流体中。例如，在微通道反应器中进行的强放热反应，反应产生的热量能迅速通过高比表面积的通道壁面传递给冷却介质，有效防止局部过热现象，保证反应在适宜温度范围内进行。

4.2.2 特殊结构促进传热

      除高比表面积外，一些特殊微通道结构设计能进一步促进传热。如在微通道壁面上设置散热鳍片、螺旋盘管等结构，增大热量传递面积。散热鳍片通过增加与外界环境接触面积，加速反应器与外界环境换热；螺旋盘管使流体在盘管内流动时，增加流体与管壁接触时间和扰动，提高传热效率。研究表明，在微通道反应器上安装散热鳍片后，散热效率可提高 30% - 50%；采用螺旋盘管结构的微通道，传热系数可比普通直通道微通道提高 1 - 2 倍。

4.2.3 优化通道布局提升传热均匀性

      合理优化微通道布局可提升传热均匀性。例如，采用平行排列的微通道结构，并合理设计通道进出口分布，使流体在各个微通道内均匀分配，避免部分通道流量过大或过小。这样可确保每个微通道内传热过程相对一致，减少因传热不均匀导致的反应差异。实际应用中，通过数值模拟和实验优化相结合的方法，能确定最佳微通道布局方案，实现高效且均匀的传热效果。

4.3 传热方式与强化措施

4.3.1 对流与传导传热协同

      在微通道结构电热催化评价装置中，热量主要通过对流和传导两种方式传递。微通道内，流体流动带动热量传递，形成对流换热；同时，热量通过通道壁面传导传递。为强化传热效果，需充分发挥对流和传导传热的协同作用。例如，选择合适的流体流速，在保证反应停留时间的前提下，提高流体对流换热能力；采用高导热系数的通道壁面材料，增强传导传热效果。优化对流和传导传热参数，可使微通道反应器在接近等温条件下操作，有利于提高催化反应选择性和稳定性。

4.3.2 采用高效换热介质

      换热介质性能对传热效率影响重大。选择导热性能好、比热容大的换热介质可显著提高传热效率。常见换热介质有水、乙二醇、硅油等。水比热容和导热系数较高，成本低，是常用换热介质之一；乙二醇水溶液冰点低，适用于低温环境换热；硅油使用温度范围宽，化学稳定性好，在高温反应换热中应用广泛。对于特殊高温反应，可采用熔盐等换热介质，熔盐在高温下流动性和传热性能良好；对于低温反应，可使用液氮、液氦等低温介质。此外，在换热介质中添加纳米颗粒等添加剂，可进一步提高其导热性能。研究发现，在水中添加适量纳米铜颗粒后，导热系数可提高 20% - 30%。

4.3.3 表面改性增强传热

      对微通道内表面进行改性，如涂覆亲水性或疏水性涂层，可改变流体与壁面相互作用，影响流体流动特性和传热过程。亲水性涂层使液体在通道壁面上形成均匀液膜，利于热量和质量传递。例如，在微通道反应器内表面涂覆亲水性涂层后，进行气 - 液反应时，液体能更均匀地分布在通道壁面，增加气 - 液接触面积，提高传热效率。疏水性涂层在某些情况下可减少液体在壁面附着，降低传热热阻，提高传热效果。通过表面改性技术，可根据具体反应需求，优化微通道传热性能。

五、催化活性评价方法

5.1 实验评价技术

5.1.1 产物分析技术

     分析反应产物是评价催化活性的重要手段。常用产物分析技术有气相色谱（GC）、液相色谱（HPLC）、质谱（MS）以及色谱 - 质谱联用技术（GC - MS、HPLC - MS）等。气相色谱适用于分析挥发性有机化合物和气体产物，能准确测定产物组成和含量。例如，在催化重整反应中，通过气相色谱可分析产物中各种烃类含量，计算催化剂活性和选择性。液相色谱主要用于分析非挥发性或热不稳定化合物，在涉及液相反应的催化体系中应用广泛。质谱灵敏度和分辨率高，能精确鉴定产物结构，对复杂反应体系产物分析尤为重要。色谱 - 质谱联用技术结合色谱分离能力和质谱鉴定能力，更全面、准确地分析反应产物。

5.1.2 原位表征技术

      原位表征技术能在催化反应进行时，实时监测催化剂结构和性质变化，为深入理解催化活性提供直接信息。常见原位表征技术有原位红外光谱（in - situ IR）、原位拉曼光谱（in - situ Raman）、原位 X 射线光电子能谱（in - situ XPS）等。原位红外光谱可监测反应物、中间体和产物在催化剂表面的吸附和反应过程，通过分析红外吸收峰变化，了解催化反应机理和活性位点。原位拉曼光谱对催化剂晶格结构和化学键变化敏感，能提供催化剂结构动态变化信息。原位 X 射线光电子能谱可分析催化剂表面元素化学状态和电子结构，研究反应过程中催化剂表面氧化还原变化。例如，在电催化 - 热催化协同的 CO₂还原反应中，利用原位红外光谱实时监测 CO₂在催化剂表面的吸附和转化过程，结合原位 XPS 分析催化剂表面金属元素价态变化，深入探究催化活性来源和反应机制。

5.1.3 活性测试装置与方法

      为准确评价催化剂活性，需设计合适的活性测试装置和方法。常用活性测试装置有固定床反应器、流化床反应器、微通道反应器等。在微通道结构电热催化评价装置中，利用微通道反应器进行活性测试优势独特，能精确控制反应条件，快速获得催化活性数据。活性测试方法包括稳态测试和动态测试。稳态测试在稳定反应条件下，测量催化剂活性和选择性随时间变化，评估催化剂稳定性。动态测试通过改变反应条件，如温度、压力、反应物浓度等，研究催化剂响应特性和活性变化规律。例如，采用程序升温反应（TPR）技术，在升温过程中观察反应物转化情况，获取催化剂活性温度范围和活化能等信息。

产品展示

      硝化反应是芳香族化合物（如苯、甲苯）在强酸条件下与硝酸发生的亲电取代反应，生成硝基化合物。硝化反应为强放热（ΔH < 0）：反应释放大量热量，易导致副反应（如多硝化、氧化），硫酸提供酸性环境并促进NO₂⁺生成，其过量比例影响反应速率和选择性。

      SSC-CFN-N10连续流硝化系统基于微反应工程学，通过强化传质/传热、精准控制停留时间与温度，解决了传统硝化反应的安全性与效率瓶颈。其核心是通过连续化、微型化、自动化设计，将化学反应从“宏观间歇”转变为“微观连续”，为高危险、强放热反应提供了安全高效的解决方案。

   产品优势：

      1、高效传质：微通道（0.5–2 mm）内流体呈层流或湍流，通过高比表面积（单位体积表面积大）加速底物与混酸的混合。

      2、缩短扩散路径，使反应物分子接触更充分，提升反应速率。

      3、精准控温：微通道的高表面积/体积比使热量快速传递至外部冷却系统，消除局部热点，抑制副反应（如二硝化）。

      4、停留时间可控：通过调节流速（如0.1–10 mL/min），将停留时间控制精度在秒级，避免过度反应。 

      5、连续化：反应物持续流动，体系处于稳态，产物组成均一。

      6、稳定性通过背压阀维持恒定压力（5–10 bar），抑制挥发性组分（如HNO₃）汽化，确保反应均一性