微流控专业服务提供商!

迈库弗洛微流控技术(常州)有限公司

示例图片三
首页 > 新闻资讯 > 技术资讯

交流分享:微反应器和微化工技术

利用微反应器进行化学合成的可能性优势和成本分析

Johannes Gutenberg University Mainz

Chemistry and Pharmaceutics Institute of Organic Chemistry

Prof. Dr. Holger Loewe

多年来的实验结果表明利用微反应器实现化学反应能显著提高产物的收率与选择性。这种反应器最初时作为实验室分析设备,应用于生物诊断,药物合成和组合材料科学的研究。在一个密闭的内部尺寸从几微米到几百微米的微结构反应器内进行化学或生化反应,这种反应器的内部尺寸并不需要尽可能的小,而是根据化学反应本身的需要来确定。按照这种思路进行思考,是对化工工艺模式的一种转变。自从一些特殊的反应器能使化学反应速率接近他们的动力学极限,就不再需要原来那些为了使化学过程适应固有设备的调整手段,如添加溶剂,沸点的受热限制,缓慢且不规则的搅拌混合。“调整设备去适应化学反应过程而不是相反, 调整化学反应条件去适应设备” 是微化工工艺的基本理念。基于这个理念,微反应器内部的结构要根据化学过程本身来调节,因此它们可能没必要是“微”的。

一般来说,微反应器常用在连续流动体系。其优点集中体现在以下几个方面:传质传热效率高,返混几率小以及能更好的控制反应温度和停留时间。由于能够改变化学反应的激烈程度,因此在高温,高压和难实现过程体系的应用过程中,微结构反应器要强于传统常规的批反应斧。如果一个化学过程能在单个微通道中实现,那么这个反应过程就能通过简单的微通道的数量放大,达到工业生产规模。

依据动力学和热力学需要,内部腔体的大小,如通道的尺寸范围能从几微米大到几毫米。有时,一些自由的流动方式例如通过较窄直径范围的碰撞射流也可以应用于微反应过程。基于这个理念,微反应器不只是由成百上千的微通道组成的反应器,而是一种能通过形成特殊流体形态来促进流体传质传热的设备。因此,不管微反应器的大小像信用卡,鞋盒,还是更大,其内部的“微”才是最关键的。

微反应器可能实现的过程

用传统的釜式反应器,反应放出的热量不能及时的释放,反应温度不能精确控制。因此反应速度常常被人为的加以限制,否则可能会发生爆炸。

利用微反应器能克服釜式反应器的缺点。如果关于微反应器的这个预言是正确的,那么这将是对化工工艺的一次彻底的改革。这种新化工工艺必然会有广阔的应用前景。许多学术报道都做了传统反应器与微反应器的比较,并发现应用微反应器比传统反应器更能强化反应过程。下面这些应用微化工工艺的例子的详细说明都在参考文献中能够找到。

苯基硼酸的合成 (Clariant / 法兰克福)[3,4]

偶氮染料Yellow 12的制备 (Trustchem / 杭州)[5]

合成过氧化氢 (UOP / 芝加哥)[6]

硝基甘油的生产工艺 (西安惠安集团 / 西安)[7]

2-乙酰基四氢呋喃的合成 (SK Corporation / Daejeon)[8]

抗生素喹诺酮中间体的合成(LG Chem / Daejeon)[9]

不饱和化合物的胺加成,Michael加成(IMM / 美茵茨) [10]

Kolbe-Schmitt反应(IMM / 美茵茨)[11,12]

硝基甲苯加氢 ( UCL / 伦敦)[13]

芳香族及烷基芳香族的溴化反应 (IMM / 美茵茨)[14]

自由基的聚合反应 (Strasbourg大学/ 法国)[14]

C2MIM, C4MIM, C6MIM类离子液体的连续合成 (IMM / 美茵茨)

多支链聚合体的合成 (美茵茨大学 / 美茵茨)

 

微化学工艺的优点

简单来说,微化工工艺的优点主要可以概括为有利于实现过程强化的 “更好” “更快” “更便宜” “更安全” “更环保”[16]。更高的产率和更好的选择性是化学工程的主要目标。这一目标的实现主要归功于微反应器优良的传质传热效率。微反应器能使化学反应速率接近他们的动力学极限,因此能做到“更快” 。快速有效的混合,精确控制停留时间与反应温度是得到更高的转化率和选择性,避免副反应发生的基础。“更便宜”是吸引化工厂引进新反应器和新工艺的条件。微反应器采用连续流动反应,在反应器中停留的化学品量很少,易于控制反应过程,大大提高了反应过程的安全性。因此能做到“更安全”。“更环保”,例如应用微化工工艺生产的环保溶剂,在降低能耗的同时提高产物选择性,保持环境清洁,减少化工生产过程对环境的影响。

微化工工艺的商业转化,首先是作为一种反应器解决方案来满足规模生产的需求,放大的微反应器和微化工工艺可以与其他设备和工艺流程联用,是最大获取利润和投资回报的需求。根据Lonza对化学反应的动力学分类(A – C三类,反应时间100 ms到10 min),微反应器的常规应用准则如下:

对于反应速度非常快的反应(A类化学反应),只单独使用微结构反应元件即可:如微混合器 (通常内部或相连接部分都设计有热交换器),不需要连接管。

对于快速化学反应(B类化学反应), 可将微反应器和常规的流动式反应器组合使用:如微混合器加连接管的反应器;

对于反应速度较慢的化学反应(C类化学反应),使用常规的流动式反应器:如管式反应器,反应器的管径最好是阶梯式增加,以减少压降;

实现生产规模产量的放大原理(从100吨/年到几千吨每年,或者更多)

在研发过程中,对中试规模的放大可进行简单放大;

将几个装置单元数量叠加或等比例放大结构化的流体量;

通过多尺寸结构实现放大----若干小流量单元与更大尺寸的内部结构连通实现连续流动,在放大同时减少压降;

设备升级—将高通量的微装置与已有的工艺设备进行连接使用,如在很大通量(大于1000 l/h)的生产工艺中连接一个支路;

通过厚度和长度没有尺寸限制的盘式结构实现放大;

通过改变过程方法代替结构设计来实现与“微效应”功能相同的放大;

成本核算

    为了考虑工厂经济效益,对微工艺技术的工业应用进行成本分析是很必要的。IMM选了几个已经进行工业应用的例子,包括医用硝化甘油的合成,Kolbe-Schmitt法合成β-二羟基苯甲酸,Michael加成胺制丙烯腈进行了核算。核算包括可变成本例如原材料,劳动力成本,能耗,配套,运营费用外,还包括固定成本包括微反应器成本,相关服务与维修费用。通过核算可以看出,即使对于高新技术的成套装置,固定成本也不到总成本的5%,而原材料与员工薪水成本接近总成本的2/3 到 3/4。按照这个比例,年利润率在20%左右。而微反应器作为整套反应装置的一部分,只占成套装置总成本的10% 到15%。

     AzurChem GmbH 公司(德国)是一家生产高附加值化学品的公司。该公司应用微化工工艺技术生产4-苯腈硼酸的成本分析表明操作成本的最优化是使微化工工艺得到实际应用的重要动力。因此微化工工艺主要体现在有两方面实际应用。一是用较贵的原料生产高附加值的产品过程。前述几个过程都是属于这类应用。二是利用微化工工艺比传统工艺更好的过程强化特点来降低操作费用。在这两种应用中设备的成本(包括微反应器和相关配套设备)在整个投资中都只占很小的分额。由此可以看出,成本因素对这项新技术的影响微乎其微,当然这也有待于在今后进一步证明。

此外,这是第一次在公开演讲中对应用微化工工艺生产商业化学品过程进行成本分析。

评论:

不同厂家的反应器具有不同特点。美国ACCENDO公司片段流动化学反应系统是采用segmented flow技术,能够耐强酸、强碱,自动合成,非常适合溴代反应,安全、高效。

可以通过对现有的微反应设备进行研究,通过不同化学反应使用微反应设备和传统方法相对比,得出结论。在此基础上摸索微反应器的设计。总之,这方面国内进行的比较少,很有发展空间。尤其是在石油化工、有机化工、药物合成、药剂领域很有潜力。

谢谢分享,微观要用量子力学来描叙,所以数学计算应该很复杂,要想精确描叙,恐怕很难,希望不久的将来有所突破。

确实有这样的问题,不过可以通过试验来积累经验,增加对微反应器的认识和对微反应的理解。单纯的通过数学计算手段进行描述恐怕目前有些困难。

想请教下楼主 溴代反应 用该仪器做的话,有甚注意事项无?本人刚开始做此反应,先谢谢啦

我手头的资料有用溴素进行的。压力15 bar,温度120~230 反应时间2.6 min是间硝基甲苯甲基上单溴代。还有一个噻吩的溴化,也是用溴素, 1bar 0度左右。溴素要注意挥发的问题,我也正在做这方面的研究

思想我好像理解了,但该如何去了解其中的奥秘呢?望楼主指点一二。

要注意原料的酸碱性,不要太酸了,对混合器和管线可能有影响啊。

我正在用这个做硝化和做硼酸。

请问怎么解决硝化产物堵塞板子的问题呢,

用格式反应做硼酸的时候也会遇到产生的溴化镁盐堵塞板子的问题,很纠结,希望有此仪器的朋友互相交流一下经验。

做了一段时间微化工,感觉目前微化工微流体设备只适用于实验室规模的合成,而且影响工艺的因素很多,很难找到最佳的条件。另外,相关的仪器设备的价格也不菲,在操作上和经济性上比传统工艺不具有优势。而且虽然微化工装置声称过程安全,但是不能保证液体输送装置,比如说恒流泵输送物料的安全性。而且常要考虑设备的腐蚀问题。建议考虑微化工方向的研究组注意了哈。

该装置我觉得不太适合精细有机合成或者医药合成,做做实验倒是可以。上面文章有些方面还是有些夸大其辞。

你是用板式的话,可能会出现这种情况,可以选用其他形式的微反应器看看,有专门对付生成固体的微反应器。另外通常的办法是,我不知道你的硝化产物是那种,不过一般是通过提高温度来解决,或者选种溶剂溶解。镁盐的可以适当增加溶剂量,防止结晶析出。

你好,我现在用微反应器做的催化反应,试验中遇到很多问题,能否向您请教。

我在成都一家外包单位上班,主要内容就是微反应器。目前的设备是康宁的G1玻璃微通道反应器,泵有3台,两台不锈钢内胆一台钛合金内胆,附属有加压阀,可耐受20kg压力。

但还未形成一套摸索微反应器工艺的手法,鄙人12年毕业小硕,做计算化学出身,今年上手这件事,希望在这一领域发展,求教职业通道和前景。

请问有没有在微通道内生产二硝基萘的资料?硝化反应比较剧烈,做微通道一定要小心,溴化是微反应器经典反应,有成功经验。