化學合成適用于微反應器判斷
微反應器是一種“工藝強化”利器,可以讓反應在受控的時間和空間內以更高的溫度、更高的濃度、和更快的混合來快速完成。通過工藝強化,化學反應通??梢栽诜昼娂?、甚至秒級實現(xiàn)完全轉化,同時能夠較好地控制副反應與雜質的生成,從而達到提高收率、提升安全性、提高合成效率的綜合效果。
然而,微反應器并不是萬能的技術,對微反應器適用性的準備判斷是應用微反應器進行技術開發(fā)的重要一步。可以從四個方面判斷其在具體化學反應上的適用性:
-反應體系流動性是否良好:
即,是否存在影響體系流動性的因素。通常,液液相反應、氣液相反應、甚至氣液固三相催化類反應(如催化加氫),均可以在微反應器內實現(xiàn)穩(wěn)定流動。然而,若反應原料、中間態(tài)、或者反應產(chǎn)物存在固體,則需要考慮固體含量、形態(tài)等,以不堵塞反應通道為前提。另外,對于某些高粘度體系,同樣存在流動性障礙,其實用性需要仔細考察。
-反應體系是否受傳質控制:
從反應物到產(chǎn)物的反應轉化速率受到傳質速率和本征反應速率的影響。相對較慢的一個速率通常決定了整個反應轉化速率。對于液液非均相反應、氣液非均相反應、氣液固催化反應等,反應轉化速率往往受到傳質速率的影響比較顯著。其中一個表現(xiàn)就是,如果攪拌速度加快,則反應轉化速率加快。然而,對于工業(yè)化反應設備,無法大幅度提升攪拌速度。因此,通過微反應器的應用可以強化傳質速率,從而提升整體反應速率。
-反應體系是否存在換熱限制:
反應器的有效換熱面積和整體換熱系數(shù)是反應“撤熱”的重要指標。換熱效率不夠,輕則反應雜質增加,重則發(fā)生反應失控。對于常規(guī)存在換熱局限的反應設備,如攪拌式反應釜,通常采用長時間緩慢滴加、大量溶劑稀釋反應、大幅度降低反應溫度等操作以減緩反應速度,適應反應器的換熱能力。此類反應往往可以利用微反應器的高換熱能力的特點得到本質改善。
-反應本征動力學速度:
反應本征動力學速度與反應的活化能、反應物濃度、反應溫度、和催化劑等因素密切相關。微反應器擅長處理本征動力學速度為快速和中速的反應。本征反應速率過慢的反應仍然無法通過微反應器工藝強化實現(xiàn)秒級或者分鐘級反應。雖然很多反應并沒有本征反應速率的研究數(shù)據(jù),但是實踐中常見硝化反應、重氮化反應、氯化反應、氧化過氧化反應等等,反應速率較快。而需要高溫長時間加熱的反應,往往本征反應速率較慢。
目前,微反應器技術已經(jīng)廣泛涉獵于精細化工研發(fā)與生產(chǎn)的各個領域,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,并成功使用于多個工業(yè)化項目。
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