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技術(shù)資訊

化學(xué)合成適用于微反應(yīng)器判斷

2021-04-05 09:13:01

微反應(yīng)器是一種“工藝強(qiáng)化”利器,可以讓反應(yīng)在受控的時(shí)間和空間內(nèi)以更高的溫度、更高的濃度、和更快的混合來(lái)快速完成。通過(guò)工藝強(qiáng)化,化學(xué)反應(yīng)通??梢栽诜昼娂?jí)、甚至秒級(jí)實(shí)現(xiàn)完全轉(zhuǎn)化,同時(shí)能夠較好地控制副反應(yīng)與雜質(zhì)的生成,從而達(dá)到提高收率、提升安全性、提高合成效率的綜合效果。

然而,微反應(yīng)器并不是萬(wàn)能的技術(shù),對(duì)微反應(yīng)器適用性的準(zhǔn)備判斷是應(yīng)用微反應(yīng)器進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)的重要一步??梢詮乃膫€(gè)方面判斷其在具體化學(xué)反應(yīng)上的適用性:

-反應(yīng)體系流動(dòng)性是否良好:

 即,是否存在影響體系流動(dòng)性的因素。通常,液液相反應(yīng)、氣液相反應(yīng)、甚至氣液固三相催化類反應(yīng)(如催化加氫),均可以在微反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定流動(dòng)。然而,若反應(yīng)原料、中間態(tài)、或者反應(yīng)產(chǎn)物存在固體,則需要考慮固體含量、形態(tài)等,以不堵塞反應(yīng)通道為前提。另外,對(duì)于某些高粘度體系,同樣存在流動(dòng)性障礙,其實(shí)用性需要仔細(xì)考察。

-反應(yīng)體系是否受傳質(zhì)控制:

從反應(yīng)物到產(chǎn)物的反應(yīng)轉(zhuǎn)化速率受到傳質(zhì)速率和本征反應(yīng)速率的影響。相對(duì)較慢的一個(gè)速率通常決定了整個(gè)反應(yīng)轉(zhuǎn)化速率。對(duì)于液液非均相反應(yīng)、氣液非均相反應(yīng)、氣液固催化反應(yīng)等,反應(yīng)轉(zhuǎn)化速率往往受到傳質(zhì)速率的影響比較顯著。其中一個(gè)表現(xiàn)就是,如果攪拌速度加快,則反應(yīng)轉(zhuǎn)化速率加快。然而,對(duì)于工業(yè)化反應(yīng)設(shè)備,無(wú)法大幅度提升攪拌速度。因此,通過(guò)微反應(yīng)器的應(yīng)用可以強(qiáng)化傳質(zhì)速率,從而提升整體反應(yīng)速率。

-反應(yīng)體系是否存在換熱限制:

 反應(yīng)器的有效換熱面積和整體換熱系數(shù)是反應(yīng)“撤熱”的重要指標(biāo)。換熱效率不夠,輕則反應(yīng)雜質(zhì)增加,重則發(fā)生反應(yīng)失控。對(duì)于常規(guī)存在換熱局限的反應(yīng)設(shè)備,如攪拌式反應(yīng)釜,通常采用長(zhǎng)時(shí)間緩慢滴加、大量溶劑稀釋反應(yīng)、大幅度降低反應(yīng)溫度等操作以減緩反應(yīng)速度,適應(yīng)反應(yīng)器的換熱能力。此類反應(yīng)往往可以利用微反應(yīng)器的高換熱能力的特點(diǎn)得到本質(zhì)改善。

-反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué)速度:

 反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué)速度與反應(yīng)的活化能、反應(yīng)物濃度、反應(yīng)溫度、和催化劑等因素密切相關(guān)。微反應(yīng)器擅長(zhǎng)處理本征動(dòng)力學(xué)速度為快速和中速的反應(yīng)。本征反應(yīng)速率過(guò)慢的反應(yīng)仍然無(wú)法通過(guò)微反應(yīng)器工藝強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)秒級(jí)或者分鐘級(jí)反應(yīng)。雖然很多反應(yīng)并沒(méi)有本征反應(yīng)速率的研究數(shù)據(jù),但是實(shí)踐中常見(jiàn)硝化反應(yīng)、重氮化反應(yīng)、氯化反應(yīng)、氧化過(guò)氧化反應(yīng)等等,反應(yīng)速率較快。而需要高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱的反應(yīng),往往本征反應(yīng)速率較慢。

目前,微反應(yīng)器技術(shù)已經(jīng)廣泛涉獵于精細(xì)化工研發(fā)與生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域,如:農(nóng)藥中間體、醫(yī)藥中間體、染料中間體、納米材料、環(huán)保處理、萃取、乳化等等,并成功使用于多個(gè)工業(yè)化項(xiàng)目。

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