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

微反应器系统内连续流生产颜料红146

在许多领域中,有机颜料都被用作为着色剂,例如彩色印刷,化妆品,涂料和塑料的染色等等。在有机颜料中,偶氮颜料是最知名的颜料品种之一。偶氮颜料一般主要通过两个反应过程合成,即重氮化反应和偶合反应。颜料红146是比较有代表性的单偶氮颜料,因为它有强烈的蓝光吸收性,且色泽鲜艳,有较高的耐热性和耐溶剂性,所以它被广泛的用在颜料印花浆,水性涂料和油墨中。偶氮颜料的颜色特性是它的关键指标之一,其主要是与合成反应的转化率,产品的粒径及颗粒大小分布有关。

在传统工业中,偶氮颜料主要利用体积为20~80 m3的搅拌釜进行合成,但是釜式法会导致粒径变大及粒径分布变宽,也会由于物料不匹配导致偶合组分转化率降低,从而导致较差的颜料特性。对于以上存在的问题,可以利用微反应器技术来解决。本文利用微反应器系统对颜料红146的偶合反应合成过程进行了研究,首先利用不同混合结构的微混合组件强化混合反应,来提高偶合组分转化率,并且利用计算流体动力学模拟来评估混合过程中微混合器结构的影响。接着对微反应器系统生产的颜料红的粒度及粒度分布进行表征,与釜式法形成对比。最后也对颜料的色光进行了表征,对微反应器的放大过程做了初步探索。

如图1所示,实验装置由图中所示的各部分组成,重氮盐溶液与偶合组分分别经过平流泵输送到微混合组件中,发生混合反应,混合溶液经过延时管反应完全后,在出口处可以得到颜料红产品。其中微混合组件和延时管都在水浴中进行控温,延时管均为聚四氟材料,内径为2 mm。

图1. 颜料红146合成微反应器系统

1. 颜料红146合成微反应器系统

1-重氮盐储罐;2-偶合组分储罐;3,4-平流泵;5-微混合组件;6-延时管;7-产品储罐

2展示了在实验中选取的不同混合方式的微混合组件结构,分别为沿着连续相方向微孔前后排列、沿着连续相方向微孔左右并列排列以及膜分散结构。其中,微孔直径为300微米,膜孔径为50微米。

图2. 微混合组件结构

2. 微混合组件结构

1-两孔前后排列;2-两孔左右排列;3-膜分散)

 

实验结果显示,在相同的流量下,当利用膜分散进行偶合反应时,偶合反应的转化率最高,其次是使用两微孔并列排列的结构进行偶合反应的转化率,转化率最低的是两微孔前后排列的混合方式。虽然膜分散得到的转化率最高,但膜分散结构不适合长时间的运行,容易在膜表面形成颜料沉积,导致泵的压力变大,所以膜分散在颜料合成中并不适用。之所以会出现以上的结果,主要是与偶合组分的性质有关,色酚AS-LC是一种水溶性较差的酚类,需要在强碱条件,90℃高温下加热半小时以上进行溶解。所以当混合效果较差时,偶合组分的溶液环境发生变化,当碱性环境在重氮盐作用下成为中性或者酸性环境时,偶合组分析出,并且被颜料颗粒包覆,从而导致偶合反应的转化率降低且颜料的纯度降低。

3.jpg

3. 不同混合结构下的偶合反应的转化率

4(a)中显示了混合过程的速度分布剖面图,说明混合过程可以得到规则的速度分布。图4(b)则显示了溶液1在不同结构反应器中的浓度分布图,在浓度分布上建立了X-Y坐标系来研究溶液1在不同位置的浓度分布。

4.jpg

4. CFD模拟:(a)流速分布图;(b) 浓度分布图 

5a)(b)分别为前后排列与并排的两个微孔微混合过程的浓度分布曲线。结果表明,并排排列的两个微孔可以获得较高的浓度分布。为了直观的比较不同位置的浓度分布,我们定义X = 0.8 mm (X = -0.8 mm) X = 1.5 mm (X = -1.5 mm)为微通道的边缘部分。

5.jpg

5. 浓度分布曲线:(a)两微孔前后排列;(b)两微孔左右并列排

从图6中可以看出,在X=0.8mm\X=1.1mm\X=1.5mm, Y=0~0.5mm时,并排排列的两个微孔浓度分布明显高于前后排列的两个微孔浓度分布。浓度分布越高,混合效果越好,反应越快,可以得到较高的偶合反应转化率。

6.jpg

6. 在X=0.8 mm\X=1.1 mm\X=1.5 mm, Y=0~0.5 mm时不同微孔排列的浓度(X1:两个微孔并排排列;X2:两个微孔前后排列)

从图7可以看出,微反应器合成的颜料红产品可以有更窄的粒径分布。更窄的粒度分布可以让颜料红的色光有独特的特点,与颜料红146的标样相比,微反应器生产产品的色光更偏蓝光且色光更亮。此外,根据图8显示,黑色条纹上可以明显看到标样的沉积,相比于标样,微反应器产品刮样则看不到颜料明显的沉积,说明其透明度更好。

图7. 釜式法与微反应器合成过程产品的粒度分布比较

7. 釜式法与微反应器合成过程产品的粒度分布比较

9.jpg

8. 颜料红标样与产品刮样比较

最后,研究者对微混合的放大过程进行了初步的研究。随着流量的增大,可以通过增加微孔的数目来降低泵压力,加强混合过程。在四孔条件下进行混合反应,最终结果偶合反应的转化率达到99%以上,P01与P02泵运行30min以上压力均不超过0.2Mpa,说明其有很好生产稳定性。

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.9b03045

文章来自:作者772 公众号:微流控与新材料研究组