這些類危險化工工藝的應(yīng)用比較廣泛,跟活性高高含能化學(xué)品,與國防安全,生命醫(yī)藥和高端先進材料密切相關(guān)。那現(xiàn)在工藝落后,裝備龐大,管理不善,安全隱患嚴重,所以限制了它的可持續(xù)發(fā)展,繼續(xù)開發(fā)本質(zhì)安全更高效的新技術(shù),微化工技術(shù)被評價為可實現(xiàn)化工過程高效和安全的變革性技術(shù)。以微結(jié)構(gòu)裝備為核心的化工系統(tǒng),通過微米級的混合,分散尺度強化傳遞與反應(yīng)過程,實現(xiàn)化學(xué)品的連續(xù)化生產(chǎn),提高產(chǎn)物收率和選擇性,具有本質(zhì)安全的屬性,是化工過程強化的重要方法。連續(xù)流反應(yīng)器器是一種基于微流控技術(shù)的化學(xué)反應(yīng)設(shè)備,其在精細化工領(lǐng)域的應(yīng)用日益受到關(guān)注。連續(xù)流反應(yīng)器器通過微尺度下的精確控制和高效傳熱傳質(zhì),為精細化工產(chǎn)品合成提供了高效、安全、環(huán)保的解決方案。本文將對連續(xù)流反應(yīng)器在精細化工含氟產(chǎn)品方向的應(yīng)用進行詳細介紹。國家安全監(jiān)管總局公布的《重點監(jiān)管危險化工工藝目錄(2013年完整版)》中,將氟化工藝作為典型工藝,對其工藝危險特點、重點監(jiān)控工藝參數(shù)及安全控制要求作了重點介紹。氟化工藝是一個高?;どa(chǎn)工藝,存在劇毒、易燃易爆、設(shè)備腐蝕等安全隱患。氟化反應(yīng)是一個放熱反應(yīng),一般都在較高溫度下進行氟化,反應(yīng)劇烈,速度快,熱量變化較大。1.氟化工藝概述1.1氟化反應(yīng)定義氟化是化合物的分子中引入氟原子的反應(yīng),涉及氟化反應(yīng)的工藝過程為氟化工藝。氟化劑通常為氟氣、鹵族化合物、惰性元素氟化物、高價金屬氟化物、氟化氫、氟化鉀等。典型的氟化工藝有:
(1)直接氟化直接氟化是指氟氣與其他物質(zhì)直接反應(yīng)生成氟化物的反應(yīng)。氟與有機化合物作用是強放熱反應(yīng),放出大量的熱可使反應(yīng)物分子結(jié)構(gòu)遭到破壞,甚至著火爆炸。為使反應(yīng)緩和,常采取降低反應(yīng)溫度,用惰性氣體(如氮氣、二氧化碳、氦氣等)稀釋氟氣,用惰性溶劑稀釋反應(yīng)底物等措施,并采用導(dǎo)熱好的反應(yīng)裝置。
(2)金屬氟化物或氟化氫氣體氟化直接氟化法目前在工業(yè)上已不普遍使用,而是改用高價金屬氟化物作氟化劑氟化。它的主要優(yōu)點是,生成每個C-F鍵所釋放的熱量為192.6KJ/mol,遠比直接氟化放出的熱量要小,而后者是431.2KJ/mol,因而收率要高的多。實際應(yīng)用的金屬氟化物有兩種,即AgF2和CoF3。進行氟化反應(yīng)的過程是讓氟在升溫下通過裝有AgF和CoF2的床層使反應(yīng)生成高價氟化物,然后將需要氟化的原料在150~300℃以蒸汽態(tài)與氮氣流一同通入反應(yīng)器中。反應(yīng)完成后,再通F2使CoF2再生。因此反應(yīng)實際上是半連續(xù)的。(3)置換氟化置換氟化是一種廣泛采用的氟化方法,容易被置換的順序是I>Br>Cl。最常用的氟化劑是堿金屬氟化物,HF是一種相對來說不活潑的氟化劑,只能置換活潑鹵原子。1.2工藝危險特點(1)反應(yīng)物料具有燃爆危險性;(2)氟化反應(yīng)為強放熱反應(yīng),不及時排出反應(yīng)熱量,易導(dǎo)致超溫超壓,引發(fā)設(shè)備爆炸事故;
(3)多數(shù)氟化劑具有強腐蝕性、劇毒,在生產(chǎn)、貯存、運輸、使用等過程中,容易因泄露、操作不當(dāng)、誤接觸以及其他意外而造成危險。1.3重點監(jiān)控工藝參數(shù)氟化反應(yīng)釜內(nèi)溫度、壓力;氟化反應(yīng)釜內(nèi)攪拌速率;氟化物流量;助劑流量;反應(yīng)物的配料比;氟化物濃度。1.4安全控制的基本要求反應(yīng)釜內(nèi)溫度和壓力與反應(yīng)進料、緊急冷卻系統(tǒng)的報警和聯(lián)鎖;攪拌的穩(wěn)定控制系統(tǒng);安全泄放系統(tǒng);可燃和有毒氣體檢測報警裝置等。1.5連續(xù)流反應(yīng)器器的特點(1)微尺度環(huán)境:連續(xù)流反應(yīng)器器的通道尺寸通常在微米級別,這使得反應(yīng)物在極短的時間內(nèi)完成混合和反應(yīng),大大提高了反應(yīng)速率。(2)精確控制:通過精確控制反應(yīng)物的流速、溫度和光照等條件,可以實現(xiàn)對反應(yīng)過程的精確控制,從而得到高質(zhì)量的產(chǎn)品。(3)高效傳熱傳質(zhì):連續(xù)流反應(yīng)器器具有優(yōu)異的傳熱傳質(zhì)性能,能夠快速達到反應(yīng)所需的溫度和濃度,提高了反應(yīng)效率。
(4)安全性高:微尺度下的反應(yīng)能夠減少副反應(yīng)的發(fā)生,從而降低安全風(fēng)險。2.1苯酚連續(xù)氟化現(xiàn)有氟化苯酚的工業(yè)生產(chǎn)工藝主要是采用對胺基苯酚鹽酸進行重氮化、再氟代的方法,采用這種方法生產(chǎn)時的產(chǎn)品收率低,產(chǎn)生大量廢水,污染嚴重,成本高;另外一種生產(chǎn)工藝是采用氯化硝基苯,經(jīng)氯原子氟代反應(yīng),再將硝基還原成胺基,胺基重氮化水解成氟代苯酚,采用這種方法時需要經(jīng)過多步反應(yīng),總收率低,同時過程中也會產(chǎn)生很多廢水。采用微通道反應(yīng)器,以氟氣作為氟化試劑,在乙腈等溶劑中對苯酚進行氟化,只需要一步反應(yīng)就能得到產(chǎn)物。碳化硅微通道反應(yīng)器可用于氟化反應(yīng),能有效控制氟化反應(yīng)放出的大量熱量,提高生產(chǎn)安全性。由于微通道反應(yīng)器中停留的化學(xué)品量總是很少,即使各種危險化學(xué)品或工藝條件操作失控,危害程度也非常有限,因此微通道反應(yīng)器可順利將氟化反應(yīng)由間歇釜式工藝轉(zhuǎn)化為連續(xù)工藝,提高產(chǎn)品的選擇性。2.2連續(xù)流微通道反應(yīng)合成2,2-二氟乙醇二氟乙醇是一種重要的脂肪族含氟有機合成中間體,可以參與多種有機合成反應(yīng)中,廣泛用于生產(chǎn)殺蟲劑和除草劑等。目前二氟乙醇可以用以下方法制得第一種合成方法中以二氟乙酸或者二氟乙酸乙酯為原料,硼氫化鈉等作為還原劑;缺點是還原劑價格昂貴、產(chǎn)物分離困難、環(huán)境不友好等,不符合現(xiàn)代化化工要求。催化加氫還原法合成方法需要高壓反應(yīng)設(shè)備,生產(chǎn)條件苛刻,缺點是有很大的安全隱患。堿性酯化合成方法反應(yīng)步驟多、時間長,導(dǎo)致總收率降低。在連續(xù)流微通道反應(yīng)器中,分子間擴散距離短,微通道的比表面積大,尺寸的微型化強化了設(shè)備的傳熱、傳質(zhì)過程,無放大效應(yīng),所以微通道反應(yīng)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的反應(yīng)釜生產(chǎn)2,2-二氟乙醇,可以克服傳統(tǒng)工藝中的缺點,比原有的傳統(tǒng)工藝耗時短,得到的產(chǎn)物純度高、雜質(zhì)含量少。在生產(chǎn)過程中,由于傳統(tǒng)釜式自身存在的一些缺陷使得人工操作不便,且在反應(yīng)過程中揮發(fā)的HF會對身體造成危害,而用微通道反應(yīng)器在反應(yīng)過程中操作簡便,更加環(huán)保。2.3連續(xù)流微通道反應(yīng)合成2-氟代乙酰乙酸乙酯反應(yīng)母液乙酰乙酸乙酯(48mg/min,20 mmoL)用高壓柱塞泵連續(xù)注入連續(xù)流反應(yīng)器,硝酸銅3H2O(9.12mg/min,2.0 mmoL)和乙腈(50mL)溶液分別通過兩臺泵連續(xù)輸入反應(yīng)器內(nèi)部進行反應(yīng),反應(yīng)溫度大約35~40℃。用氮氣吹掃容器,然后將用氮氣稀釋至10%v/v的氟以16mmoL/min的流速與母液完成氣液混合,緊接著進入SiC、PTFE材質(zhì)微通道反應(yīng)器進行反應(yīng),并用二氯甲烷萃取。GC分析,轉(zhuǎn)化率100%,收率78%。反應(yīng)為氣液兩相反應(yīng)。連續(xù)化的思路:2.4微通道中R23資源化轉(zhuǎn)化合成R14的連續(xù)工藝三氟甲烷(CHF3,R23)是二氟一氯甲烷及四氟乙烯生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一種不可避免的副產(chǎn),而且CHF3是溫室效應(yīng)第二高的溫室氣體,GWP值是CO2的14800倍,僅次于SF6。目前,三氟甲烷的處理方式主要是采用高溫焚燒(1200℃)進行,但是這樣的方法消耗大量的能源,不經(jīng)濟。若能將三氟甲烷資源化利用將帶來巨大的經(jīng)濟和能量效益。四氟化碳(R14)是目前微電子工業(yè)中用量最大的等離子蝕刻氣體,具有廣闊的發(fā)展?jié)摿ΑD壳肮I(yè)上主要利用氫氟甲烷、氟氯甲烷、碳和氟氣直接氟化合成CF4,但該氟化反應(yīng)劇烈放熱,難以控制,有爆炸的危險,并且對設(shè)備要求高,產(chǎn)物復(fù)雜,收率低等缺點。連續(xù)流微通道反應(yīng)技術(shù)具有換熱效率和混合效率高、無放大效應(yīng)、高度集成化、精確控制反應(yīng)時間、安全性高、過程綠色環(huán)保等優(yōu)點。氟氣氟化CHF3反應(yīng)屬于強放熱反應(yīng),將微通道反應(yīng)器與氟氣氟化CHF3工藝相結(jié)合,將反應(yīng)的熱量及時轉(zhuǎn)移,反應(yīng)條件溫和,副產(chǎn)物少,提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性,同時能耗低,能夠自動連續(xù)化生產(chǎn),也增強了反應(yīng)的操作安全性。非氟氣氟化試劑2.5連續(xù)流微化工技術(shù)用非氟化氟化試劑合成含氟化學(xué)品
Thestartingmaterial(2.20g9mmol)in15mLofDCMwascooledto-20°C,thenEt2NSF3(2.47mL,18.7 mmol) was added. After1minutes, the cooling bath was removed, and the mixture was stirred overnight.NaHCO3solution was added slowly to the mixture andthemixture was extracted with dichloromethane (3X).Thecombined organicsweredriedwithNa2SO4and purified with flash chromatography (10percent ethyl ACETATE/HEXANE) to provide the difluoroester (1.81 g, 91percent).
DAST將醇轉(zhuǎn)化成為相應(yīng)氟化物的反應(yīng)一般情況下在非常溫和的條件下進行。通常在–78℃下加料來抑制最初的放熱過程,反應(yīng)條件比較苛刻,此條件下的穩(wěn)定性較差。微化工連續(xù)流技術(shù)完全可以密閉條件下-10℃下完成高效氟化過程。
3.結(jié)論微通道的比表面積大,尺寸的微型化強化了設(shè)備的傳熱、傳質(zhì)過程,提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性,可及時移出反應(yīng)放出的熱量,反應(yīng)條件溫和,且能夠自動連續(xù)化生產(chǎn),提高了生產(chǎn)的安全性。
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硝化反應(yīng)主要涉及以下幾類:
1. 烷基硝化,制造硝基烷烴。這類反應(yīng)屬于高溫自由基反應(yīng),通常以氣態(tài)進行。盡管有專利和文獻記載,但它們不是微反應(yīng)硝化的典型例子;
2. 羥基、氨基、脲的硝化,生產(chǎn)硝酸酯等。這些反應(yīng)極為活躍,速度快且放熱劇烈,非常適宜采用微通道反應(yīng)技術(shù);
3. 苯環(huán)、雜環(huán)的硝化。精細化工行業(yè)中有大量芳環(huán)硝化反應(yīng)。由于芳環(huán)上電子云密度差異(如富電子、缺電子等),硝化反應(yīng)活性各異。微通道反應(yīng)器技術(shù)在芳環(huán)硝化中的應(yīng)用較為復(fù)雜,必須針對不同底物和反應(yīng)體系進行具體分析。
芳環(huán)硝化反應(yīng)在微通道反應(yīng)器中的應(yīng)用需綜合考量多個因素,包括反應(yīng)體系流動性、硝化底物活性、硫酸和硝酸濃度、脫水性等。硝化底物活性直接影響反應(yīng)速度。硝化活性指數(shù)(NAI:nitration activity index)是基于硝化底物反應(yīng)位點計算電子云密度,并結(jié)合經(jīng)驗參數(shù)修正得出的數(shù)值,能夠相對準確地判斷硝化反應(yīng)是否適合微通道反應(yīng)技術(shù)。NAI值越低,硝化活性越強;反之,則越弱。當(dāng)NAI>2.76時,硝化活性過低,底物在微反應(yīng)器中硝化的可行性不高。通過對數(shù)十個一硝化和二硝化案例的NAI值計算及與實驗數(shù)據(jù)對比,表明微通道反應(yīng)器技術(shù)在硝化反應(yīng)中有廣泛應(yīng)用潛力。
此外,某些硝化反應(yīng)的原料或產(chǎn)物在反應(yīng)體系中不溶,流動性差,因此不能使用微通道反應(yīng)器技術(shù)。
微通道反應(yīng)器技術(shù)已在硝化工藝的工業(yè)化生產(chǎn)中得到一定規(guī)模應(yīng)用。例如,柴油十六烷值改進劑硝酸異辛酯的工業(yè)化生產(chǎn),目前主要采用微通道反應(yīng)器工藝。該工藝連續(xù)、自動化程度高,安全性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)釜式間歇工藝。同時,國內(nèi)也有若干硝化工藝正在申報工業(yè)化生產(chǎn)過程中。
微通道反應(yīng)器技術(shù)在硝化生產(chǎn)中的重要意義。
重要性:01 安全:在相同產(chǎn)能下,微通道反應(yīng)器的持液體積僅是反應(yīng)釜的1/1000,是管道反應(yīng)器的1/10至1/100。即使反應(yīng)失控,瞬間反應(yīng)物料很少,風(fēng)險低;
02 連續(xù)化:實現(xiàn)連續(xù)化、自動化生產(chǎn),減少人工需求,符合產(chǎn)業(yè)升級改造趨勢;
03 工藝提升:借助微通道反應(yīng)工藝再開發(fā),可能提高收率、選擇性,增強環(huán)保水平。
2.?對反應(yīng)時間的精準控制:在常規(guī)批次反應(yīng)中,通常通過逐步加入反應(yīng)物的方式來防止反應(yīng)過于激烈。然而,這種方式可能導(dǎo)致部分物料的反應(yīng)時間過長,進而使反應(yīng)物、產(chǎn)物或中間態(tài)產(chǎn)物在反應(yīng)條件下停留時間延長,從而產(chǎn)生副產(chǎn)品,降低反應(yīng)收率。微反應(yīng)器技術(shù)通過微管道實現(xiàn)連續(xù)流動反應(yīng),能夠精確控制物料在反應(yīng)條件下的停留時間。一旦達到最佳反應(yīng)時間,物料即可迅速傳遞至下一階段反應(yīng)或終止反應(yīng),有效避免了因反應(yīng)時間過長而產(chǎn)生的過多副產(chǎn)品。
3.?物料以精確比例瞬間均勻混合:對于那些要求嚴格反應(yīng)物料配比的快速反應(yīng),若混合不充分,容易導(dǎo)致局部配比過量,進而產(chǎn)生副產(chǎn)品。這種現(xiàn)象在批次反應(yīng)器中難以避免。微反應(yīng)器的反應(yīng)通道僅數(shù)十至數(shù)千微米,物料可依據(jù)配比精確快速地均勻混合,有效減少副產(chǎn)品的生成。
4.?結(jié)構(gòu)確保安全:與間歇式反應(yīng)釜不同,微反應(yīng)器采取連續(xù)流動反應(yīng),因此在反應(yīng)器中停留的化學(xué)品數(shù)量始終保持在較低水平。即使在失控的情況下,其潛在危害也非常有限。此外,微反應(yīng)器卓越的換熱效率意味著即使反應(yīng)突然釋放大量熱量,也能被迅速移除,確保反應(yīng)溫度的穩(wěn)定,降低了安全事故和質(zhì)量事故的發(fā)生幾率。因此,微反應(yīng)器能夠輕松應(yīng)對嚴苛的工藝要求,實現(xiàn)安全高效的生產(chǎn)。
5.?無放大效應(yīng):在精細化工生產(chǎn)中,間歇式反應(yīng)器常被使用。由于大生產(chǎn)設(shè)備與小試設(shè)備在傳熱傳質(zhì)效率上的差異,小試工藝放大往往需要經(jīng)過一段時間的摸索,通常的步驟為:小試-中試-大生產(chǎn)。采用微反應(yīng)器技術(shù)進行生產(chǎn)時,工藝放大并非通過擴大微通道尺寸來實現(xiàn),而是通過增加微通道的數(shù)量。因此,小試階段的最佳反應(yīng)條件無需調(diào)整即可直接應(yīng)用于生產(chǎn),消除了傳統(tǒng)批次反應(yīng)器放大的難題,顯著縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期。
安裝環(huán)境符合安全、環(huán)保、通風(fēng)、照明等基本要求,保持干燥、通風(fēng)、無粉塵、無雜物。
有符合生產(chǎn)以及實驗條件且穩(wěn)定供應(yīng)的水源、氣源、電源。
電源:380V三相五線供電,功率20千瓦;200V3孔插座3個以上,功率2千瓦。
氣源:根據(jù)反應(yīng)不同,氣體純度需要滿足實驗要求,如果需要使用高壓氣體,氣體壓力的穩(wěn)定性也非常重要,壓力波動會影響實驗及生產(chǎn)結(jié)果,穩(wěn)定的氣源對于保障安全性非常重要。
預(yù)留足夠的場地空間,方便設(shè)備的安裝和操作,以及后期日常使用過程中的拆卸清潔、檢修保養(yǎng)。
微通道反應(yīng)器工作過程中,為了防止誤觸,布置時需要對人員動線進行規(guī)劃設(shè)計,非相關(guān)人員盡量不能接近設(shè)備,防止意外事故,提升整體安全性。
微通道反應(yīng)器配套設(shè)備中的高低溫一體機運行時,會產(chǎn)生65分貝左右噪音,如果需要隔音隔離,需要提前考慮。
需要有穩(wěn)定可靠的實驗臺或桌面來放置微通道反應(yīng)器,在正式使用設(shè)備之前,一定要保證所有設(shè)備部件穩(wěn)定,防止傾斜傾塌。
自動進料系統(tǒng)中的天平、計量泵、物料瓶,務(wù)必保證平穩(wěn)放置,防止因為支撐不穩(wěn)定導(dǎo)致的事故,保證安全。
實驗或生產(chǎn)原料應(yīng)該來源于可靠的供應(yīng)商,并且需要按照安全操作程序儲存和處理。
應(yīng)該有專門的區(qū)域存放化學(xué)品,并且在儲存過程中需要注意避光、通風(fēng)、防潮等因素。
所有原料都需要標(biāo)識,包括名稱、批號、供應(yīng)商、儲存位置等信息。這些信息可以幫助工作人員快速定位所需原料,也可以幫助追溯原料的來源和質(zhì)量。
原料處理需要遵循一定的操作規(guī)程,比如按照要求稱量、混合、稀釋等。操作人員需要戴上適當(dāng)?shù)姆雷o裝備,如手套、護目鏡、口罩等。
禁止吸煙、禁止使用明火。
預(yù)先設(shè)置滅火器、消防水帶等消防器材,以備急需。
定期對電源柜、電線、插排、插座等進行檢查和維護,避免由于老化或短路等原因引發(fā)火災(zāi)。
對所有工作人員進行滅火培訓(xùn),一旦發(fā)生意外情況,保證及時準確地進行處理,切實保障人員、設(shè)備、公共財產(chǎn)安全。
按照國家法律法規(guī)的規(guī)定進行排放,有健全的管理體系和流程,根據(jù)實際情況確定是否需要安裝凈化設(shè)施。
有完善的檢測體系,對廢氣、廢水和固體廢物進行監(jiān)測,以保證達到排放標(biāo)準,及時發(fā)現(xiàn)和解決問題,避免對環(huán)境造成污染。
通過微通道反應(yīng)器的工藝優(yōu)化,盡量降低三廢排放量。
所有的工作人員一定根據(jù)操作手冊進行學(xué)習(xí),一定要完成操作培訓(xùn),并且合格之后才能實際操作。
防止因為不了解、不明白、不熟練、引起的操作事故。
操作培訓(xùn)包括但不限于生產(chǎn)實驗流程、化學(xué)反應(yīng)情況、設(shè)備操作規(guī)程、安全事項、應(yīng)急預(yù)案等一切跟安全生產(chǎn)實驗有關(guān)的培訓(xùn)。
根據(jù)實際情況進行內(nèi)部標(biāo)識,利于溝通識別,防止誤操作引起的安全事故。
這些標(biāo)識包括但不限于:場地功能區(qū)域標(biāo)識、隔離標(biāo)識、設(shè)備編號標(biāo)識、安全警示標(biāo)識,以及設(shè)備運行、檢修等標(biāo)識。
通過標(biāo)識提醒工作人員在操作過程中注意安全和防范風(fēng)險。
對工藝流程、設(shè)備運行、環(huán)境參數(shù)、實驗數(shù)據(jù)等進行實時監(jiān)測,及時發(fā)現(xiàn)和排除安全隱患。
進行實驗或生產(chǎn)前,請一定要評估風(fēng)險,并明確規(guī)劃監(jiān)測數(shù)據(jù)以及標(biāo)準,保障人員、設(shè)備、公共財產(chǎn)安全。
對微通道反應(yīng)器了解熟悉之后,將使用該設(shè)備的操作規(guī)程、安全制度、應(yīng)急預(yù)案等,融入原有管理體系。
將微通道反應(yīng)器跟原有生產(chǎn)實驗設(shè)備進行科學(xué)搭配,才能真正釋放生產(chǎn)力,也只有把該設(shè)備的使用規(guī)范融入到企業(yè)或?qū)嶒炇夜芾眢w系之內(nèi),才能真正將連續(xù)流工藝落地。
以上這些都是為了在滿足國家法律法規(guī)的前提下,保障安全生產(chǎn)、安全實驗、精確產(chǎn)物,通過微通道反應(yīng)器創(chuàng)造更大的科研價值跟生產(chǎn)利潤。
在安裝、調(diào)試、培訓(xùn)、使用過程中,有任何問題,都可以與我司聯(lián)系,我們一定會認真負責(zé)地解決您的每一個問題。
其他未盡事項,也需要雙方共同注意跟防范,并且需要持續(xù)關(guān)注國家法律法規(guī)的更新變動,合法合規(guī)運營,保證人員、設(shè)備、公共財產(chǎn)、環(huán)境的安全。
不同設(shè)備換熱能力對比
設(shè)備 | 比表面積m2/m3 | 換熱系數(shù)W/(m2.K) | 體積換熱系數(shù)kW/(m3.K) |
夾套換熱 | 2.5 | 400 | 1 |
內(nèi)盤管換熱 | 10 | 1000 | 10 |
列管換熱器 | 400 | 500 | 200 |
板式換熱器 | 800 | 2000 | 1600 |
板式微通道反應(yīng)器 | 2500 | 2000 | 5000 |
藥物是廣大人民群眾防病治病、保護健康必不可少的重要物品,也是一種特殊商品?;瘜W(xué)制藥工業(yè)是集中度高、利潤率高、專利保護周密、競爭激烈的知識密集型高技術(shù)工業(yè)。當(dāng)前,化學(xué)制藥工業(yè)仍主要采用傳統(tǒng)釜式生產(chǎn)方式,存在裝料、卸料等輔助操作時間長、工人勞動強度大、不易自主控制、傳質(zhì)傳熱慢,易造成溫度、濃度不均勻,進而導(dǎo)致時空收率低和批次之間產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差等缺點,尤其處理高溫、高壓、強放熱反應(yīng)和易燃、易爆、有毒、有害原料或中間體時,傳統(tǒng)釜式反應(yīng)過程存在難以精確控制、安全隱患大等問題。由于原子經(jīng)濟性和過程實用性等要求,工藝路線替代方法往往成本高昂且路線更長,因此開發(fā)安全高效和精確可控的新反應(yīng)技術(shù)非常緊迫和意義重大。
微反應(yīng)器的出現(xiàn)為解決上述問題創(chuàng)造了新的機會,為化學(xué)制藥新技術(shù)的開發(fā)提供了高效的平臺,成為了最近幾年興起的連續(xù)流微反應(yīng)技術(shù)的重要組成部分。微反應(yīng)器是重要的化工過程強化設(shè)備,設(shè)備尺寸小,物料擴散距離短,質(zhì)量和熱量可實現(xiàn)快速傳遞和精準控制,反應(yīng)轉(zhuǎn)化速率、選擇性得到顯著提高,反應(yīng)體積微型化提高過程集成度,持液量小使過程本質(zhì)安全。因其優(yōu)異性能,微反應(yīng)器在化學(xué)藥物合成領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。相比于其他精細化學(xué)品的合成,化學(xué)制藥工業(yè)的特點有:
①藥物分子復(fù)雜,合成路線長,總收率較低;
②生產(chǎn)工藝復(fù)雜,需用原輔料繁多,而產(chǎn)量一般不大;
③產(chǎn)品質(zhì)量要求嚴格;
④“三廢”(廢渣、廢氣和廢水)多,且成分復(fù)雜。
因此化學(xué)制藥工業(yè)亟需發(fā)展新的連續(xù)流微反應(yīng)技術(shù)來實現(xiàn)過程強化,提高反應(yīng)選擇性和收率,降低物耗能耗和最小化“三廢”排放,實現(xiàn)本質(zhì)安全、高效節(jié)能和綠色無污染的可持續(xù)發(fā)展。與常規(guī)反應(yīng)器相比,微尺度空間內(nèi)的流動、混合和傳遞過程具有特殊性,深入認識其流動、混合和傳遞現(xiàn)象是實現(xiàn)微反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計、高效操控和反應(yīng)過程開發(fā)的基礎(chǔ)。因此,自從微反應(yīng)器出現(xiàn)以來,國內(nèi)外許多科學(xué)家對其內(nèi)部的流動形態(tài)、混合機理和傳熱傳質(zhì)特性規(guī)律等進行了系統(tǒng)研究,發(fā)展了相應(yīng)的理論和數(shù)學(xué)模型進行定量描述,為微反應(yīng)器系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用奠定了良好的工程學(xué)基礎(chǔ)。
連續(xù)流動方式時空效率高,盡管單個微反應(yīng)器的反應(yīng)體積很小,但通過采用連續(xù)流技術(shù)可使單位時間和單位體積的生產(chǎn)能力達到甚至超過釜式反應(yīng)過程。目前,實驗室尺度反應(yīng)系統(tǒng)可實現(xiàn)從μg級到kg級的藥物合成制備,而工業(yè)上采用多反應(yīng)器數(shù)目并行放大方式可實現(xiàn)噸級的產(chǎn)量。相較于傳統(tǒng)的釜式反應(yīng)過程,連續(xù)流微反應(yīng)技術(shù)優(yōu)勢可總結(jié)如下:
①反應(yīng)設(shè)備尺寸小,物料混合快、傳質(zhì)傳熱效率高,易實現(xiàn)過程強化;
②停留時間分布窄、系統(tǒng)響應(yīng)迅速、過程重復(fù)性好,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定;
③小試工藝可直接進行放大。精細化工行業(yè)中的反應(yīng)器絕大多數(shù)是間歇式反應(yīng)器。由于傳質(zhì)、傳熱的不同,放大的流程一般都是實驗室驗證、小試、中試、工業(yè)化生產(chǎn)。而由于微反應(yīng)器自身的優(yōu)勢,小試的工藝條件可以直接進行放大,大大縮短了工藝開發(fā)的時間;
④精確控制反應(yīng)溫度。得益于微反應(yīng)器極大的換熱面積,反應(yīng)過程中物料的溫度可以維持恒定。對于強放熱的反應(yīng),熱量也可以及時移除,避免了間歇釜式反應(yīng)器傳質(zhì)與傳熱局限造成的局部過熱現(xiàn)象,降低副反應(yīng)發(fā)生的可行性;
⑤精確控制反應(yīng)時間。在連續(xù)流動的微反應(yīng)器中,通過對反應(yīng)器的組裝與拆分,亦或是通過調(diào)節(jié)物料的流速,可以對反應(yīng)時間(微反應(yīng)器內(nèi)即停留時間)進行精確控制,可以消除因為反應(yīng)時間過長造成的副反應(yīng);
⑥精確控制物料配比。微反應(yīng)器傳質(zhì)系數(shù)比間歇反應(yīng)器高幾個數(shù)量級,因此物料在接觸的瞬間即混合均勻,避免物料配比過量造成的副反應(yīng);
⑦安全可控。由于傳熱系數(shù)極高,即使反應(yīng)突然釋放大量熱量,也可以在短時間內(nèi)被移除,反應(yīng)溫度在設(shè)定范圍內(nèi),最大程度地減少了發(fā)生安全事故的可能性。而且微反應(yīng)器中物料量少,即使反應(yīng)失控,危害程度有限。
⑧連續(xù)化操作,時空效率高,節(jié)省勞力。據(jù)統(tǒng)計,在化學(xué)藥物合成反應(yīng)中大約有18.5%的反應(yīng)工藝可以通過連續(xù)流微反應(yīng)技術(shù)在選擇性、時空收率、安全性和經(jīng)濟性等方面得到優(yōu)化和提升。
耐高溫高壓:金屬材料具有較高的耐高溫性能和耐腐蝕性能,能夠在高溫高壓下進行反應(yīng)。 可控性好:金屬微通道反應(yīng)器的尺寸和結(jié)構(gòu)可以被精確地控制和調(diào)整,從而可以更好地控制反應(yīng)條件,獲得更高的反應(yīng)選擇性和產(chǎn)率。
導(dǎo)熱性好:金屬材料具有較高的導(dǎo)熱性能,能夠快速地將熱量傳遞到反應(yīng)物中,提高反應(yīng)速率。 高強度:金屬材料具有較高的強度和剛性,能夠承受較大的壓力和力量,有利于提高反應(yīng)器的耐用性和穩(wěn)定性。 易于加工和制造:金屬材料可以通過加工和制造技術(shù)進行成型和加工,制造成復(fù)雜的微通道反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。 綜上所述,金屬微通道反應(yīng)器具有耐高溫高壓、可控性好、導(dǎo)熱性好、高強度和易于加工制造等特點,適用于各種復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和流程控制。 但是,最嚴重的問題在于金屬耐腐蝕性能差,對于微通道反應(yīng)器本身通道尺寸就在毫米或微米級, 如果腐蝕量一年就在0.1mm左右這種后果一定是災(zāi)難性的。]]>
一、化學(xué)合成領(lǐng)域微通道連續(xù)流反應(yīng)器可以用于有機合成、多步合成、有機光化學(xué)、金屬有機化學(xué)、聚合物合成等化學(xué)反應(yīng),可以實現(xiàn)高效、精密和可控的反應(yīng)條件,從而得到高質(zhì)量和高純度的產(chǎn)物。此外,微通道連續(xù)流反應(yīng)器還可以用于微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建,以實現(xiàn)高通量的化學(xué)合成。
二、催化反應(yīng)領(lǐng)域微通道連續(xù)流反應(yīng)器可以用于各種催化反應(yīng),如催化劑的制備、氧化、還原、加氫、脫氫、氫化等反應(yīng)。由于微通道的高比表面積和精密的反應(yīng)條件控制,可以實現(xiàn)高效、高選擇性和高穩(wěn)定性的催化反應(yīng)。
三、生物制藥領(lǐng)域微通道連續(xù)流反應(yīng)器可以用于生物制藥的研發(fā)和生產(chǎn)。例如,可以通過微通道反應(yīng)器對生物大分子進行修飾、合成、純化和檢測,從而得到高質(zhì)量和高產(chǎn)量的生物制品。此外,微通道連續(xù)流反應(yīng)器還可以用于生物反應(yīng)器的縮小和微型化,從而實現(xiàn)高通量的高通量生物反應(yīng)器。
四、化學(xué)分析領(lǐng)域微通道連續(xù)流反應(yīng)器可以用于化學(xué)分析和檢測。例如,可以通過微通道反應(yīng)器對樣品進行前處理、反應(yīng)和檢測,從而實現(xiàn)高通量、高靈敏度和高精度的化學(xué)分析。
五、能源領(lǐng)域微通道連續(xù)流反應(yīng)器可以用于能源轉(zhuǎn)化和儲存。例如,可以通過微通道反應(yīng)器實現(xiàn)催化制氫、氧化還原反應(yīng)等反應(yīng),從而實現(xiàn)能源的高效轉(zhuǎn)化和儲存。
六、環(huán)境保護領(lǐng)域微通道連續(xù)流反應(yīng)器可以用于環(huán)境污染物的降解和治理。例如,可以通過微通道反應(yīng)器對廢水和廢氣中的污染物進行處理和分解,從而實現(xiàn)高效、低能耗和低污染的環(huán)境治理。總的來說,微通道連續(xù)流反應(yīng)器是一種非常重要的化學(xué)反應(yīng)器,具有廣泛的應(yīng)用性。
在清洗中為了保證反應(yīng)器內(nèi)沒有雜質(zhì),用溶劑清洗后,可以次日再清洗,通過連續(xù)清洗,將反應(yīng)器通道各位置都處理干凈。
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