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微通道反应器实用反应类型

2021-02-10 10:00:34

连续流微通道反应器优势

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。

适于微反应器内进行的反应过程应包含下面的三类

第一类:瞬间反应

反应半衰期小于1s,这类反应主要受微观混合效果控制,即受传质过程控制,如氯化、硝化、溴化、磺化、氟化、金属有机反应和生成微-纳米颗粒的反应[33]等;由于传质效果较差,故在传统尺度反应器内进行时,过程难以控制,且产品质量较差。

第二类:快反应

反应半衰期介于1s~10min之间,处于传质过程和本征动力学共同控制区域,混合效果对这类反应的影响较小、甚至可忽略不计;但当这类反应的生成焓较大时,采用常规尺度反应器一般不能及时把热量移出,易造成局部温度过高,最终导致反应过程失控和副反应的发生,使反应选择性和产率降低;而利用微反应器的高效传热性能则可以使反应在较低温度梯度下平稳进行,反应过程易控,可提高目的产物的选择性和产率。

第三类:慢反应

反应半衰期大于10min,处于本征动力学控制区域,此类反应理应更适合于间歇或半间歇釜式反应器;但对于仅在苛刻反应条件下才能发生的反应,如:反应在高温、高压条件下,反应物、产物均为剧毒物质或反应放热剧烈的反应等,若从生产过程安全角度考虑,则适于在微反应器内进行,可极大地提高过程安全性能。

均相反应

-纳米材料的制备:半导体纳米材料的制备、纳米贵金属的制备、无机纳米材料的制备

化工中间体和药物的合成:Paal-Knorr缩合反应合成吡咯类衍生物、Fridel-Crafts酰基化反应、锂/卤素转移和羰基加成反应、高温热重排反应、环膨胀反应、颜料合成

强放热自由基聚合反应

-液反应

氟化反应、氯化反应、氧化反应、硝化反应、磺化反应、加氢反应

-液反应

        微-纳米材料的制备:纳米颗粒TiO2的制备、纳米粉体制备、聚合物微粒的制备(用途离子交换树脂、色谱柱的填料等,可采用乳液、微乳液聚合,悬浮液聚合等方法)、硝化反应、格氏反应(Grinard试剂参与的反应-有机硼化合物)与类格氏反应(格氏试剂是经典的有机金属试剂其性能十分活泼袁在制备    和使用时都必须严格无水无氧)、相转移耦合反应(重氮盐溶液)、叠氮基丙烯酸酯的热解反应、偶联反应(偶联反应是化学反应中极其重要的碳碳键、碳氮键的形成反应)、胺化反应(胺化反应是形成C-N键的一种重要的方法)、氧化还原反应(通过在连续流微反应器中对反应温度、时间和反应混合方式的改变来提高氧化还原反应的收率并减少反应时间)、缩合反应(缩合反应是一类十分重要的分子链增长的反应,例如Witting反应、Mannich反应等)、环化反应(许多具有生物活性的天然产物和医药化合物都含有杂环,因此能高效地合成周环化合物的方法是十分有价值的,其中包括吡咯类、噻唑类、内酰胺、吡啶酮类、吡唑类化合物Diels-Alder反应是典型的周环反应之一)。

利用微化工技术可用于高效换热、高效混合、强放热反应过程,高附加值精细化学品、剧毒物质、超细/纳米颗粒以及高能炸药的生产过程。

微化工技术作为一种新兴技术,仍然有很多问题需要解决,如堵塞和腐蚀问题等。尽管近十几年来,微化工技术的发展非常迅速,很多国家和公司均对其倾注了大量的人力、物力,但我们应该清醒地认识到,对于某些反应过程,微反应器是首选的装置,但仍然有一部分反应不适合于在微化工系统内进行。

微反应器以其强大的传热、传质能力能够对很多常规反应器内难于进行的反应提供崭新的解决方案,因此我们有理由说微反应器技术为精细化工产品、制药工业产品、化工中间体等的生产带来了革命性变革。


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