常见问题

连续流流动化学中有固体参与的反应

2021-07-07 09:52:45

流动化学技术作为一项新兴技术,在实验研究和工业生产中都受到了越来越广泛的关注和应用。相较于传统间歇式釜氏反应,连续流反应具有传质、传热效率高的优势,能以快于釜氏反应的速度、安全于釜氏反应的温度得到目标化合物。另外对于生成不稳定中间体、敏感中间体的反应而言,连续流反应即刻生成即刻反应,可以大大降低反应的风险性并提升反应产率。

有机化学反应中出现固体几乎是不可避免的,如何解析和处理微反应器的固体是大家都关注的问题。下面分几种情况给大家介绍,如何应对连续流反应器中的固体。

1.有固体参与的反应‍

在有固体参与的反应中,固体物料是反应物之一。可以首先看看是否可以寻找合适的溶剂把它溶解后按液态处理,或者是否可以加热溶化,在高温熔熔状态下进料。

如果这两项都不能实现,那就需要把固体分散在溶剂或反应液中形成浆料,在进料系统中,通常需要外部驱动场,并且相应的分散效果取决于粒子的大小,密度和浓度。我们的连续流微通道反应器处理150微米以下的固体,固体进料时,请注意固体颗粒直径应小于当量直径的 10%,且试剂固含量应当小于 5%,否则可能会堵塞微反应器。反应过程中容易产生难溶性沉淀物(所有溶剂均难溶)的工艺过程,禁止在微反应器中进行,如叔丁基锂类的反应;同时,严禁任何形式的反应器内部物料冻结(如水结冰)。

反应通道中的固体的行为是由颗粒,流体和反应器的表面之间的相互作用所控制,并且,如果适用的话,也可以考虑增加外部力量(如超声波)。

微反应器具有体积小、热质传递速率快、安全性高等优点,已被广泛用于各种精细化学品和医药中间体的连续化、绿色化合成。然而,现有微反应器技术仍存在易堵塞、操作弹性差、放大困难等问题,限制了其大规模工业应用。超声可在流体中产生空化气泡,气泡剧烈振动、跳动,像一个微型搅拌子一样快速混合流体;从而强化气液、液液等多相流的传质,预防和疏通微通道中固体颗粒的堵塞。这些显著的优势,使超声微反应器有望取代部分现有微反应器,广泛应用于纳米材料合成、多相(催化)反应、药物结晶等领域。

2.在反应过程中生产的固体‍

在反应过程中产生固体的情况比较复杂。根据不同的情况,我们可以采取不同的应对方法。

应对策略之一:釜式工艺和微反应器工艺条件具有比较大的差异,釜式反应因为受到传质和换热的限制,反应温度和浓度都有一定的要求,只能通过延长反应时间来控制反应。而微反应器具有强大的传质和换热功能,通过强化温度让反应时间大大缩短。温度的提升对产物的溶解性有一定的影响,反应过程中的产物有可能不会析出固体。

应对策略之二:微反应器传质好,反应停留时间短,可以很好地控制反应的选择性。对于有些反应中的固体是因为副反应发生而产生的反应有很好地控制效果。

应对策略之三:反应产物确实是固体的情况,可以考察该固体是否可以在反应进程中加入某种溶剂萃取而使之溶解。例如生成某种盐,在反应器中段或后段导入水使之溶解。

应对策略之四:反应产物确实是固体的情况,我们必须仔细研究固体的形态,颗粒的大小,产生的量的多少以及流体的流动性来决定是否合适使用微通道反应器。

连续机械动态搅拌反应器

对于连续流反应,尤其是多段连续流反应而言,固体的形成一直是个大问题。在已有的标准化的微反应器中,反应产生的固体颗粒极易在背压阀处和反应管路的转角处堆积并最终导致管路堵塞。虽然现在已有一些解决办法(提前通入辅助溶剂、超声波抑制固体颗粒的形成、针对特定反应设计专一性的反应器等),但这些办法的普适性都不强,应用范围都不广、没有办法做到标准化。连续机械动态搅拌反应器可以更好补充微通道反应器在固体参与/生成的反应中的局限性。


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