摘要:近年來，連續(xù)化微通道反應(yīng)器作為一項新興技術(shù)在染料合成中開始得到應(yīng)用。本文綜述了微反應(yīng)器技術(shù)在染料科研與生產(chǎn)方面的進(jìn)展。與傳統(tǒng)的間歇式反應(yīng)不同，連續(xù)化微通道反應(yīng)器的特點是：連續(xù)進(jìn)料、瞬間混和、精確控制反應(yīng)時間，該技術(shù)在重氮化、偶合反應(yīng)中的應(yīng)用，取得了高于常規(guī)反應(yīng)器的收率和純度。應(yīng)用于合成中間體的硝化反應(yīng)，提高了選擇性和工藝的安全性。

關(guān)鍵詞:微反應(yīng)技術(shù)；微通道；快速反應(yīng)；重氮化；偶合；硝化；連續(xù)化

1、連續(xù)化微通道反應(yīng)器的特征及其優(yōu)勢

微通道反應(yīng)器（Microchannel reactor）從本質(zhì)上講是一種連續(xù)流動的管道式反應(yīng)器，自身包括化工單元所需要的混合器、換熱器、反應(yīng)器、控制器等，它的管道尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)管式反應(yīng)器，是利用精密加工技術(shù)制造的特征尺寸在數(shù)百μm以下的微型設(shè)備[1]。與傳統(tǒng)反應(yīng)器相比，微通道反應(yīng)器具有傳質(zhì)傳熱效率高、瞬間混合、返混幾率小并能更好地控制反應(yīng)溫度和停留時間等優(yōu)點，能夠解決工藝放大問題，具有良好的反應(yīng)安全性能。目前，微通道反應(yīng)器已作為化學(xué)合成新手段應(yīng)用于強(qiáng)放熱反應(yīng)、烴類催化氧化、有機(jī)金屬催化偶合等常規(guī)條件下難以控制反應(yīng)的研究[2]。

染料工業(yè)的生產(chǎn)過程主要采用單批釜式反應(yīng)器生產(chǎn)，常需控制反應(yīng)溫度來減少重氮組份的分解，存在停留時間較長、混合欠充分、選擇性欠佳、產(chǎn)品純度不高、批次間差別大等不足。因此，研究新型反應(yīng)器，改進(jìn)混合方式、簡化工藝、連續(xù)化生產(chǎn)，是染料工業(yè)實現(xiàn)工藝綠色化的一個發(fā)展方向。

微通道反應(yīng)器應(yīng)用于染料生產(chǎn)，具有以下優(yōu)勢：

（1）連續(xù)化反應(yīng)代替了間歇式反應(yīng)，減小批差；

（2）瞬間混合，有效的防止了活潑化合物的分解；

（3）在線反應(yīng)體積小，保證了化學(xué)反應(yīng)的安全性；

（4）反應(yīng)溫度和時間能夠精確控制，有利于提高收率和選擇性。

2、微反應(yīng)器在染料工業(yè)適合的反應(yīng)類型

重氮化反應(yīng)

芳香胺的重氮化是通過亞硝酸（亞硝酸鈉和無機(jī)酸）生成亞硝酰氯或亞硝酸酐。

為了反應(yīng)順利進(jìn)行，至少要加入2 mol的無機(jī)酸，弱堿性芳香胺的重氮化必須有 2 mol 以上的質(zhì)子酸存在，這樣可以增加作為親電試劑的重氮化合物濃度。當(dāng)芳香胺的堿性非常弱時，重氮化可在 90%~96% 硫酸中進(jìn)行。此時，重氮化劑實際上是亞硝酰硫酸（亞硝酰硫酸在＞85% H2SO4，＜50 ℃的反應(yīng)條件下非常穩(wěn)定、安全）。重氮化反應(yīng)有兩種方法。順法適合強(qiáng)堿性或中等強(qiáng)堿性芳香胺，芳香胺溶于無機(jī)酸中，用水冷卻（微通道反應(yīng)器用冷凍鹽水），然后加入已冷卻的30%的亞硝酸鈉冰溶液，進(jìn)行重氮化反應(yīng)。逆法適用于弱堿性芳香胺，將芳香胺調(diào)成漿狀，再加入亞硝酸鈉，充分調(diào)勻，然后將此混合物加入到已冷卻的無機(jī)酸中，使之重氮化。以上兩種方法的選用，對于微通道反應(yīng)器連續(xù)化反應(yīng)很重要。

重氮化反應(yīng)過程中，重氮鹽一般不穩(wěn)定，容易分解或者發(fā)生副反應(yīng)。而且，在常規(guī)間歇式反應(yīng)釜中，各個局部的均勻攪拌很難保證，導(dǎo)致局部的化學(xué)配比偏離實驗條件的要求，例如亞硝酸量不足、游離胺的濃度偏高等，就會使各種副反應(yīng)發(fā)生。微通道反應(yīng)器在進(jìn)行此反應(yīng)時，由于反應(yīng)液能夠瞬間混合均勻且反應(yīng)能夠連續(xù)進(jìn)行，就有效的避免了因局部過量導(dǎo)致的副產(chǎn)物的生成[3]。

偶合反應(yīng)

偶合反應(yīng)中重氮鹽容易分解。尤其當(dāng)偶合組分為酚類化合物時，偶合條件往往需要強(qiáng)堿條件。而用芳香胺作為偶合組分進(jìn)行偶合反應(yīng)，易在弱酸（如醋酸及酸性緩沖劑）介質(zhì)中進(jìn)行，為什么用弱酸而不用強(qiáng)酸作為介質(zhì)，主要由于弱酸能增加芳香胺的溶解度，防止生產(chǎn)重氮氨基化合物。

絕大多數(shù)情況下，升高溫度不利于偶合反應(yīng)，因為與偶合速度的提高相比，重氮鹽升溫時的分解占主導(dǎo)地位。如果溫度升高10℃，偶合速度提高2.0~2.4倍，而重氮鹽分解速度則增加 3.1~5.3 倍。重氮化反應(yīng)和偶合反應(yīng)從熱力學(xué)而言，都屬于放熱反應(yīng)，所以微通道快速反應(yīng)，最重要的是如何使反應(yīng)釋放出的熱量轉(zhuǎn)移，以便迅速降溫。

在極短時間內(nèi)，重氮鹽分子如果不能和偶合組分分子相碰撞發(fā)生反應(yīng)，其很快就會分解。這是偶合反應(yīng)中的一個普遍的難題。在傳統(tǒng)的釜式反應(yīng)器中加強(qiáng)攪拌是解決這一問題的有效手段，但是仍然做不到瞬間混合[4]。而微反應(yīng)器反應(yīng)區(qū)間的幾何尺寸非常小，并且能夠連續(xù)流動，這樣就保證了在極短的時間內(nèi)和很小的區(qū)間里，重氮鹽組分和偶合組分能均勻混合并發(fā)生反應(yīng)，最大程度上避免了副產(chǎn)物的生成。

硝化反應(yīng)

硝化反應(yīng)是放熱劇烈的反應(yīng)，局部溫度不易被控制，容易發(fā)生副反應(yīng)，而且溫度失控降低了實驗操作的安全性。使用微通道反應(yīng)器進(jìn)行硝化反應(yīng)可以通過高效傳熱來實現(xiàn)精確控溫，提高了收率和選擇性。其次由于是連續(xù)化反應(yīng)器，反應(yīng)量小，降低了發(fā)生事故時的破壞性[5]。

其他需要快速混合的反應(yīng)

例如一些氧化反應(yīng)需要將底物和氧化劑瞬間均勻混合，否則容易造成氧化過頭或者氧化劑失活等情況，微反應(yīng)器在此類情況中的優(yōu)點，類似于上述的重氮化和偶合反應(yīng)。

需要形成窄分布粒徑顆粒的反應(yīng)

偶氮顏料往往需要在反應(yīng)中形成窄分布的顆粒，在常規(guī)反應(yīng)器中，顆粒的生成隨著物料的加入逐漸進(jìn)行，反應(yīng)大約需要持續(xù)十分鐘甚至數(shù)小時，由于在不同時間段反應(yīng)情況不一樣導(dǎo)致顆粒晶型和粒徑不一致，而且后面形成的可能生長在先生成的顆粒上，造成整個粒徑分布很寬，不利于產(chǎn)品質(zhì)量[6]。

2、微反應(yīng)器技術(shù)在染料工業(yè)中的應(yīng)用示例

微通道反應(yīng)器在重氮化反應(yīng)中的應(yīng)用研究

反應(yīng)方程式

以紅色KD的重氮化反應(yīng)為例，其反應(yīng)方式為：

實驗方法

稱定量的紅色基KD、水及鹽酸在燒杯中，攪拌，打漿成均勻乳狀液；稱取定量的亞硝酸鈉配成水溶液；調(diào)整兩者體積達(dá)到一定比例；利用計量泵將KD乳液與亞硝酸鈉溶液以摩爾化學(xué)反應(yīng)量準(zhǔn)確注入到微通道反應(yīng)器中反應(yīng)。記錄入口溫度、出口溫度、流速、出口物料狀態(tài)。

實驗裝置

將微通道反應(yīng)器做成微預(yù)混器和微混合器兩個部件，將進(jìn)、出料系統(tǒng)與微通反應(yīng)器相連，建立連續(xù)重氮化反應(yīng)裝置，如圖1所示。

圖1. 連續(xù)重氮化反應(yīng)裝置示意圖

結(jié)果與討論

影響重氮化反應(yīng)的因素包括溫度、酸用量、流速、停留時間、微通道尺寸、加料方式等，經(jīng)過反應(yīng)裝置和合成工藝條件的優(yōu)化，對各種不同的芳胺進(jìn)行重氮化反應(yīng)，實驗結(jié)果見表１所示。

微通道反應(yīng)器可實現(xiàn)溶液、乳化液、懸浮液等狀態(tài)芳胺的連續(xù)重氮化反應(yīng)。大多數(shù)的重氮化反應(yīng)溫度一般在0-5℃進(jìn)行，溫度稍高就會產(chǎn)生很多雜質(zhì)，影響重氮液的品質(zhì)和偶合反應(yīng)的收率。但是表１中溫度條件下的實驗結(jié)果說明，在微通道反應(yīng)器中大部分氨基物的重氮化反應(yīng)溫度可在10-20℃或更高的室溫下進(jìn)行，這樣可大大減少冰的使用，節(jié)能效果明顯。所得重氮鹽溶液外觀清澈透明、無分解物，可直接進(jìn)入下一步，與對應(yīng)的化合物進(jìn)行偶合反應(yīng)，以重氮鹽計偶合收率可達(dá)98%-100%。

2016 年，Akwi 等[7]用蘇丹Ⅱ偶氮染料作為研究的模型反應(yīng)，研究微反應(yīng)器內(nèi)連續(xù)合成偶氮化合物的優(yōu)化方法。測定最佳偶合反應(yīng)溫度和 pH，以及重氮化和偶合反應(yīng)的反應(yīng)物的最佳流速，最終實現(xiàn)了在約 2.4 min 內(nèi) 98%的轉(zhuǎn)化率。文中還研究了偶氮化合物在 PTFE 管中的放大合成，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到 66%～91%。同年作者又利用相轉(zhuǎn)移催化劑對偶合組分為非水溶性的偶合反應(yīng)進(jìn)行研究[8]，設(shè)計隨機(jī)實驗，用統(tǒng)計模型對反應(yīng)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測，并用實驗進(jìn)行驗證，最終在優(yōu)化條件下，反應(yīng)產(chǎn)率達(dá) 99%以上。

微通道反應(yīng)器在偶合反應(yīng)中的應(yīng)用研究

HidealiHisamoto等報道了使用微反應(yīng)器技術(shù)進(jìn)行相轉(zhuǎn)移偶合反應(yīng)[9]。該反應(yīng)見下圖。

使用微反應(yīng)器，將重氮鹽溶液和偶合組分溶液分別注入反應(yīng)器，反應(yīng)時間為2.3秒。在燒瓶中使用電磁攪拌進(jìn)行偶合反應(yīng)，反應(yīng)效果隨著攪拌的加強(qiáng)而提高，原因是在攪拌不好的情況下，局部反應(yīng)物過量，可能導(dǎo)致一些副反應(yīng)，例如重氮鹽分解，或者發(fā)生二偶合。在最佳攪拌條件下，轉(zhuǎn)化率為80%；而相比之下，使用微反應(yīng)器進(jìn)行偶合反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率近100%。

使用燒瓶加電磁攪拌進(jìn)行偶合反應(yīng)時觀察到有沉淀產(chǎn)生；而相比之下，使用微反應(yīng)器進(jìn)行偶合反應(yīng)，反應(yīng)液觀察不到沉淀。

2018 年，清華大學(xué)王法軍等[10]利用微反應(yīng)器連續(xù)化合成了幾種染料產(chǎn)品，選用苯胺為重氮組分與偶合組分[1-（4-磺酸基苯基）-3-甲基-5-吡唑啉酮]進(jìn)行反應(yīng)，研究反應(yīng)液混合速率、溫度、偶合組分 pH及停留時間對偶合反應(yīng)產(chǎn)率的影響。然后重氮組分仍為苯胺，將偶合組分變成β-萘酚、H 酸單鈉鹽進(jìn)行偶合反應(yīng)。再將重氮組分改成對硝基苯胺，偶合組分為活潑亞甲基化合物進(jìn)行偶合反應(yīng)。分別測定此三組染料產(chǎn)品的反應(yīng)停留時間對產(chǎn)率的影響。以偶合反應(yīng)研究得到的優(yōu)化條件為基礎(chǔ)，研究重氮化反應(yīng)連續(xù)化過程，最終實現(xiàn)對模型染料進(jìn)行兩步的連續(xù)化生產(chǎn)。

重氮鹽制備的實驗室小試

重氮化反應(yīng)

重氮化反應(yīng)原料

濃硫酸、亞硝酸鈉、重氮組分A

重氮化反應(yīng)結(jié)果分析

對重氮鹽的制備進(jìn)行了實驗室小試，發(fā)現(xiàn)相比較傳統(tǒng)的反應(yīng)釜，微通道反應(yīng)器實現(xiàn)了連續(xù)進(jìn)料、混合均勻、產(chǎn)品收率提高。其高效的傳熱傳質(zhì)特點，保證了反應(yīng)能夠快速平穩(wěn)進(jìn)行；微反應(yīng)器本身持液量小的特點，降低了反應(yīng)過程中的危險性；而重氮鹽的連續(xù)產(chǎn)出，很好的滿足了現(xiàn)制現(xiàn)用的要求。

結(jié)論

與常規(guī)反應(yīng)器相比，采用微通道連續(xù)重氮化、偶合反應(yīng)制備偶氮染顏料，具有產(chǎn)率高、能耗低、易操作以及三廢量少、易治理等優(yōu)點。微反應(yīng)器技術(shù)是一種過程強(qiáng)化技術(shù)，使許多反應(yīng)過程在微反應(yīng)器中變得更經(jīng)濟(jì)、更快速、更安全、更環(huán)保。作為制造業(yè)大國，依據(jù)我國國情，開發(fā)出適合自己的微反應(yīng)器技術(shù)，推動微通道反應(yīng)器技術(shù)國產(chǎn)化發(fā)展，可促進(jìn)國內(nèi)精細(xì)化工等行業(yè)進(jìn)步，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級。

來源：流動化學(xué)技術(shù)（微信公眾號） 作者：李杰