微通道反應(yīng)器工業(yè)化優(yōu)勢(shì)
微通道反應(yīng)器(Microchannel reactor)是利用精密加工技術(shù)制造的特征尺寸在10到1000μm之間的微型反應(yīng)器,通常作為連續(xù)流反應(yīng)器(Continuous flow reactor)來(lái)使用(相對(duì)于間歇反應(yīng)器,即Batch reactor)。微反應(yīng)技術(shù)近十年來(lái)在化學(xué)合成領(lǐng)域取得突破性的進(jìn)展,其反應(yīng)通道的尺寸也由于工藝放大的要求而擴(kuò)展至毫米級(jí)別,因此學(xué)術(shù)界開始使用更加確切的“流動(dòng)化學(xué)(Flow chemistry)”術(shù)語(yǔ)。
“流動(dòng)化學(xué)(Flow chemistry)”或稱為“連續(xù)流化學(xué)(Continuous flow chemistry)”是指通過(guò)泵輸送物料并以連續(xù)流動(dòng)模式進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的技術(shù),盡管流動(dòng)化學(xué)在諸如石油化工行業(yè)的大宗化學(xué)品生產(chǎn)中是非常成熟的技術(shù),但在藥物合成等精細(xì)化工行業(yè)尤其是實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段,該技術(shù)還是相對(duì)較新的概念。
流動(dòng)化學(xué)(Flow chemistry)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從早期的某些特定反應(yīng)可行性概念的驗(yàn)證到多步連續(xù)復(fù)雜合成的跨越,尤其在藥物合成方面,越來(lái)越多的知名國(guó)際制藥企業(yè)改變過(guò)去嚴(yán)加保密的策略而開始公開發(fā)展該技術(shù)。微通道反應(yīng)器有著極大的比表面積,由此帶來(lái)的是反應(yīng)物料在微型尺寸通道內(nèi)混合時(shí)有著優(yōu)異的混合效率和換熱效率。微反應(yīng)器可以對(duì)反應(yīng)的溫度、停留時(shí)間、物料配比進(jìn)行嚴(yán)格的控制,這些都是提高選擇性、收率的關(guān)鍵因素,并且危險(xiǎn)反應(yīng)可以做到安全可控。
微通道反應(yīng)器具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、小試工藝可直接進(jìn)行放大。精細(xì)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(shí)驗(yàn)室驗(yàn)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(shì),小試的工藝條件可以直接進(jìn)行放大,大大縮短了工藝開發(fā)的時(shí)間;
2、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(guò)程中物料的溫度可以維持恒定。對(duì)于強(qiáng)放熱的反應(yīng),熱量也可以及時(shí)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(guò)熱現(xiàn)象,降低副反應(yīng)發(fā)生的可行性;
3、精確控制反應(yīng)時(shí)間。在連續(xù)流動(dòng)的微反應(yīng)器中,通過(guò)對(duì)反應(yīng)器的組裝與拆分,亦或是通過(guò)調(diào)節(jié)物料的流速,可以對(duì)反應(yīng)時(shí)間(微反應(yīng)器內(nèi)即停留時(shí)間)進(jìn)行精確控制,可以消除因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成的副反應(yīng);
4、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(gè)數(shù)量級(jí),因此物料在接觸的瞬間即混合均勻,避免物料配比過(guò)量造成的副反應(yīng);
5、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(shí)間內(nèi)被移除,從而保證反應(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。
微通道反應(yīng)器開發(fā)的連續(xù)合成工藝可以實(shí)現(xiàn)工藝直接放大、精確控制反應(yīng)溫度、精確控制反應(yīng)時(shí)間、精確控制物料配比以及最大程度控制安全風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn),但是微通道反應(yīng)設(shè)備初期投資相對(duì)要大,因此限制了其在工業(yè)化的推廣及應(yīng)用。但是伴隨著國(guó)家對(duì)化工安全的控制越來(lái)越高,傳統(tǒng)的反應(yīng)釜工藝很難滿足國(guó)家對(duì)化工安全的控制要求,通過(guò)微通道反應(yīng)器開發(fā)的合成工藝必然會(huì)得到大力的推廣。
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