[分享]微小型化学化工机械系统(MCMS)研究展望

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涂善东
－－由于工业、军事、医疗和科研的需要，微型机电系统得到了长足的发展，成为机械工业未来的希望。微技术可以大大地提高传热和传质效率，将微技术应用于化学化工机械，可以使与化学过程相关的许多领域产生革命性的变化，由于尺度的微细，面体比增大、表面作用增强，从而导致传递效果有明显的增强，比常规尺度提高2- 3数量级。可以预期未来的微型化工机械产品将更加高效、快速、灵活轻便、易装卸、易控制、易直接放大同时高度集成，在过程工业、国防、运输、空间探索、医疗、环境保护等诸多方面发挥重要作用。
－－在过去几十年中电子器件的微小化改变了人类的生活方式，晶体管的发明使得无线电设备可以方便携带，而芯片的发明更是革命性的，使得掌上电脑、无绳电话及大量微型电子设备大量出现，这些变化当归功于电子器件微小化。
－－人类进入21世纪以后，纳米科技的研究急速兴起，生态环境和能源问题成为焦点，人们将更加关注地球科技、海洋科技和空间科技，新的形势对化学化工机械的微小化提出了迫切的要求。尽管电子元器件实现了高度的微小化，但当它们应用于过程机械装置时，涉及化学化工、热力过程的微小化，由于这些过程相关的部件不能同步微小化阻碍了先进科技的发展，如氢能提供了解决未来能源和环境问题无限可能，但应用于汽车、深海装置（潜艇等）时，制氢系统的微小化是关键；对于微型飞行器，要实现其良好的作战性能，化学能源动力装置的微小化是不可回避的问题；未来太空探索涉及推进剂、氧气等原料的就地制造，便于携带的微型化工厂可使人类在太空长期生存，其中装置的微型化将十分重要。因此在新的一个世纪里微型化学化工机械系统 (Micro-Chemo- Mechanical System：MCMS)与微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems：MEMS）具有同等的重要性。
－－发达国家在20世纪80年代便开始进行了反应与换热设备小型化的研究，如德国Karlsruhe的核能研究中心在80年代末开发的1立方厘米小型换热器的换热功率可达20KW；90年代初开始了微小型化工（动力）机械系统的研究，如美国能源部的太平洋西北国家实验室（PNNL）在美国国防前沿研究署及能源部的支持下开展了微型化工系统的研究，而后又纳入微型热系统的概念，并注册了名为Micro-CATS?（Micro- Chemical and Thermal System）的开发平台，针对能源、空间技术、军事、运输、环保、建筑问题开发了微型换热器、蒸发器、微型热泵、微型反应器、微型吸收器等先端设备。目前美国Oregon州立大学也与PNNL合作开展了以微技术为基础的能源与化工系统（MECS）的研究；波士顿大学开展了微燃烧器技术的研究；美国 Utah大学还试图从分子机械的角度发展生理运动所驱动的微型化学机械系统。从1997年迄今，针对微型反应技术已召开了6次国际会议，可见这一领域已渐成学科前沿的热点。
－－微小型化学化工机械系统的基础是过程强化技术（PI），过程强化的概念是上一世纪70年代末帝国化学公司(ICI)提出的，旨在通过高效传热传质技术减小传统设备庞大的体积，目前已得到广泛的重视，参与研究的大学包括英国Newcastle大学，Sheffield大学、Leeds大学、剑桥大学、曼彻斯特科技大学、Heriot-Watt大学、澳大利亚Queensland大学、荷兰Delft工大、芬兰Lappeenranta工业大学等单位，由 Newcastle大学牵头的过程强化网络(PIN)得到了工业界的强力支持。许多新概念的设备已确实达到了减小体积100倍以上，有的已经进入工业化生产。
－－微型化学机械系统的另一个重要应用领域是分析仪器与医疗器械上的应用。早在20世纪70年代，斯坦福大学便试图在芯片上建造色谱仪，20世纪90年代以来，人们又提出了微型全面分析系统(mTAS， Micro Total Analysis)的概念，并已取得许多令人鼓舞的进展，如已制造了一个手提式血液化学分析系统。目前人们还试图将质谱仪缩小到一个手提计算机大小，样品入口、电离室、加速电极、漂移室和探测阵列都集成到一个硅片上，另一独立的硅芯片则包含微机械真空泵，用来维持仪器内的真空环境。在这一领域每年都召开微型全面分析系统的国际学术会议，旨在发展芯片上的实验室。对于DNA分析、有毒化学物质、HIV病毒等测试的迫切需求将进一步推动微型化学机械系统的发展。
－－在今后二十年里，微型化学化工机械系统将在越来越多的领域发挥重要作用，例如：
    * 带小型制氢装置的燃料电池驱动的潜艇在近年内实现海底作业。
    * 汽车燃料电池的制氢系统实现高度紧凑化，体积为0.3升的燃料处理器可以实现50 kW以上的电功率输出。
    * 便携式冷却装置中热泵的体积比传统热泵体积缩小60倍以上。
    * 2013年发射飞船进行火星探测，实现推进剂和氧气的现场制造。
    * 酶和高性能化表面结合组成的微生化系统得以发展。
    * 2020年实现纳米化学化工机械系统。
－－综上述可见，微小型化学化工机械技术是其他技术所不可替代的，当发达国家竞相投入开发研究时，我国早开展研究则主动，落后便可能挨打。它至少在下述方面可以为我国经济建设和社会发展的提供重要支撑：
－－过程工业：通过过程强化技术的研究，改进现有的过程机械装备，实现小型化、高效化，如提高换热设备的热效率、反应器的收率、发电的效率等，降低石油、化工、发电、冶金、制药等工业领域的能耗，提高资源的使用效率，由此创造重大经济效益和社会效益。
－－运输业：我国正在加紧研究电动汽车，微小型化工机械技术可为燃料电池汽车配备微型制氢系统，或者提供小型制氢工作站的设备，由此加速我国迈向氢能时代的进程，达到改善环境、保护生态资源的目的。
－－国防建设：由燃料电池驱动的潜艇具有噪音小、热信号弱等优点，小型制氢装置为其关键；采用小型分布动力装置可以使舰船适航性能提高、同时更加安全可靠；微型飞行器的化学电源系统决定了飞行时间的长短；在战场为战士装备带微型热泵的制冷装置、带微型燃烧器的动力装置可以提高士兵的作战能力；微生化分析系统可以快捷地监测生化武器；微小型超临界水氧化装置可以实现生化武器或有毒物质的现场销毁。
－－安全与环境：实现有毒化学物质（光气、氰化物、氯气等）的现场按需生产，避免仓储、运输中的不安全因素；微小型化学化工机械通过提高效率和新能源的利用减少环境污染，同时提供带微型热泵系统的防护服，在有害环境下保护操作人员。
－－地下（海洋）与太空探索：为海洋资源的利用提供技术支持，如建造小型海底化工厂；在太空探索中，实现就地资源再生等等。
－－此外，医疗器械和微分析仪器的革新也有赖于微小型化学机械技术的发展。

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