过程强化/Process Intensification

任何新技术的实施在开始的时候都会遇到很多障碍,连续流技术也是一样。首先在设计反应的时候需要改变思维方式,需要注意到以前没有注意到的事项例如反应速度,固体的产生。而且连续流技术对研究人员有更高的要求,要了解一些工程类知识,对反应的动力学和机理要有更加深刻的认识,还需要与化工技术人员密切合作,这样才能有效利用连续流这个新的工具。

根据龙沙的一份报告,大约60%的反应能受益于连续流工艺。但是要得到好的结果,需要做很多的改变才能真切的获得益处。例如,大约40%的反应有固体,有固体并不意味着就不能进行连续流实验,这就需要实验人员做很多的改变,包括反应试剂、反应温度及加料方式等等。

很多反应在传统的处理过程中存在很大的安全隐患或者小试工艺难于放大生产。化学家在设计这些路线时,往往需要极力避免这些不利因素,导致合成路线较长,或者使用很贵的替换试剂。而连续流为化学家提供了另外一种思路,可以避免这些不利因素,有效降低成本。

所谓过程强化,就是通过提升温度、增加反应物浓度和压力等来提升反应速度、降低反应时间,最终达到提高反应收率和选择性等目的。这些技术通常只用于大化工,而使用微通道反应器之后,这项技术也能给传统的精细化工和制药行业带来很多变化。微反应就是一项利用过程强化,提升反应速度以达到降低反应持液量,同时增加反应选择性和收率的一项新技术。

对于传统思维,在合成路线选择的时候,危险的中间体或者产物在反应温度下不稳定的情况往往都是极力避免的。而使用微通道反应器之后,我们就不需要有这样的禁忌。

微通道反应器持液量少,与传统反应釜相比,具有本质安全等特性。一些有危险中间体参与的反应,比如重氮甲烷,重氮化合物,叠氮化合物都可以直接在微通道反应器上使用。

利用连续操作模式的微通道反应器进行化学反应过程研究,在过去的十几年中发展十分迅猛,尤其在能源、制药、精细化学品、高能炸药及化工中间体的合成反应过程中得到广泛关注。

连续流微反应作为一项新兴的技术,其除了在上述的各类化学反应中的应用外,还在光催化化学、生物催化反应、电化学反应、无机化学、精馏重结晶、流量监测等各方面得到了空前的发展。

连续流合成范围及领域不断扩展,不但包括传统的反应类型及医药及精细化工行业,还延展到电化学、光化学、微波化学、纳米材料以及功能材料等领域。

化工行业对流程可持续性的要求也越来越高改善化学生产的一种有前途的方法是过程强化。过程强化意味着与依赖于现有概念的性能改进的常规过程开发相比,将为涉及的过程步骤和设备开发全新的概念。

采用模块化生产和工厂概念的方法来强化流程,以实现兼顾可持续性和经济效率的灵活,可扩展的生产。因此,一个核心要素是开发和使用类似容器的移动工厂基础设施。另一个是依靠适合批量生产的制造技术,对模块化的,可扩展的微反应器进行了改进,以用于工业生产。

微反应器实现并控制的苛刻工艺条件的有针对性使用,大大提高了加工机会。尤其是由于过程温度的提高以及通过将批料转换为连续过程而加快了反应速度,从而提高了过程本身的生产率。通过实现高质量的产品进行阴离子聚合,通过提高时空产量来实现大豆油的环氧化,通过使用较低价值的原料生产超临界生物柴油。

通过过程强化进行优化的潜力在许多其他领域中也提供:

药物合成

精细化学

使用不同的常规燃料和可再生燃料生产和处理含氢气体,用于燃料电池,

光化学过程。

微反应器对不同类型化学反应的作用

反应类型

特征

主要作用

瞬时反应

反应特征时间<1s(混合与传热控制)

强化混合与传热

快反应

反应特征时间10s-30min(主要受本征动力学控制)

精确控制反应条件(停留时间和温度)

慢反应

反应特征时间>30min(本征动力学控制)

热量控制、安全(新的工艺窗口)


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