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過程強(qiáng)化

過程強(qiáng)化/Process Intensification

任何新技術(shù)的實(shí)施在開始的時候都會遇到很多障礙,連續(xù)流技術(shù)也是一樣。首先在設(shè)計反應(yīng)的時候需要改變思維方式,需要注意到以前沒有注意到的事項例如反應(yīng)速度,固體的產(chǎn)生。而且連續(xù)流技術(shù)對研究人員有更高的要求,要了解一些工程類知識,對反應(yīng)的動力學(xué)和機(jī)理要有更加深刻的認(rèn)識,還需要與化工技術(shù)人員密切合作,這樣才能有效利用連續(xù)流這個新的工具。

根據(jù)龍沙的一份報告,大約60%的反應(yīng)能受益于連續(xù)流工藝。但是要得到好的結(jié)果,需要做很多的改變才能真切的獲得益處。例如,大約40%的反應(yīng)有固體,有固體并不意味著就不能進(jìn)行連續(xù)流實(shí)驗,這就需要實(shí)驗人員做很多的改變,包括反應(yīng)試劑、反應(yīng)溫度及加料方式等等。

很多反應(yīng)在傳統(tǒng)的處理過程中存在很大的安全隱患或者小試工藝難于放大生產(chǎn)?;瘜W(xué)家在設(shè)計這些路線時,往往需要極力避免這些不利因素,導(dǎo)致合成路線較長,或者使用很貴的替換試劑。而連續(xù)流為化學(xué)家提供了另外一種思路,可以避免這些不利因素,有效降低成本。

所謂過程強(qiáng)化,就是通過提升溫度、增加反應(yīng)物濃度和壓力等來提升反應(yīng)速度、降低反應(yīng)時間,最終達(dá)到提高反應(yīng)收率和選擇性等目的。這些技術(shù)通常只用于大化工,而使用微通道反應(yīng)器之后,這項技術(shù)也能給傳統(tǒng)的精細(xì)化工和制藥行業(yè)帶來很多變化。微反應(yīng)就是一項利用過程強(qiáng)化,提升反應(yīng)速度以達(dá)到降低反應(yīng)持液量,同時增加反應(yīng)選擇性和收率的一項新技術(shù)。

對于傳統(tǒng)思維,在合成路線選擇的時候,危險的中間體或者產(chǎn)物在反應(yīng)溫度下不穩(wěn)定的情況往往都是極力避免的。而使用微通道反應(yīng)器之后,我們就不需要有這樣的禁忌。

微通道反應(yīng)器持液量少,與傳統(tǒng)反應(yīng)釜相比,具有本質(zhì)安全等特性。一些有危險中間體參與的反應(yīng),比如重氮甲烷,重氮化合物,疊氮化合物都可以直接在微通道反應(yīng)器上使用。

利用連續(xù)操作模式的微通道反應(yīng)器進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)過程研究,在過去的十幾年中發(fā)展十分迅猛,尤其在能源、制藥、精細(xì)化學(xué)品、高能炸藥及化工中間體的合成反應(yīng)過程中得到廣泛關(guān)注。

連續(xù)流微反應(yīng)作為一項新興的技術(shù),其除了在上述的各類化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用外,還在光催化化學(xué)、生物催化反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)、無機(jī)化學(xué)、精餾重結(jié)晶、流量監(jiān)測等各方面得到了空前的發(fā)展。

連續(xù)流合成范圍及領(lǐng)域不斷擴(kuò)展,不但包括傳統(tǒng)的反應(yīng)類型及醫(yī)藥及精細(xì)化工行業(yè),還延展到電化學(xué)、光化學(xué)、微波化學(xué)、納米材料以及功能材料等領(lǐng)域。

化工行業(yè)對流程可持續(xù)性的要求也越來越高,改善化學(xué)生產(chǎn)的一種有前途的方法是過程強(qiáng)化。過程強(qiáng)化意味著與依賴于現(xiàn)有概念的性能改進(jìn)的常規(guī)過程開發(fā)相比,將為涉及的過程步驟和設(shè)備開發(fā)全新的概念。

采用模塊化生產(chǎn)和工廠概念的方法來強(qiáng)化流程,以實(shí)現(xiàn)兼顧可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)效率的靈活,可擴(kuò)展的生產(chǎn)。因此,一個核心要素是開發(fā)和使用類似容器的移動工廠基礎(chǔ)設(shè)施。另一個是依靠適合批量生產(chǎn)的制造技術(shù),對模塊化的,可擴(kuò)展的微反應(yīng)器進(jìn)行了改進(jìn),以用于工業(yè)生產(chǎn)。

微反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)并控制的苛刻工藝條件的有針對性使用,大大提高了加工機(jī)會。尤其是由于過程溫度的提高以及通過將批料轉(zhuǎn)換為連續(xù)過程而加快了反應(yīng)速度,從而提高了過程本身的生產(chǎn)率。通過實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的產(chǎn)品進(jìn)行陰離子聚合,通過提高時空產(chǎn)量來實(shí)現(xiàn)大豆油的環(huán)氧化,通過使用較低價值的原料生產(chǎn)超臨界生物柴油。

通過過程強(qiáng)化進(jìn)行優(yōu)化的潛力在許多其他領(lǐng)域中也提供:

藥物合成

精細(xì)化學(xué)

使用不同的常規(guī)燃料和可再生燃料生產(chǎn)和處理含氫氣體,用于燃料電池,

光化學(xué)過程。

微反應(yīng)器對不同類型化學(xué)反應(yīng)的作用

反應(yīng)類型

特征

主要作用

瞬時反應(yīng)

反應(yīng)特征時間<1s(混合與傳熱控制)

強(qiáng)化混合與傳熱

快反應(yīng)

反應(yīng)特征時間10s-30min(主要受本征動力學(xué)控制)

精確控制反應(yīng)條件(停留時間和溫度)

慢反應(yīng)

反應(yīng)特征時間>30min(本征動力學(xué)控制)

熱量控制、安全(新的工藝窗口)


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