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微反应器在化学化工中应用的体会

微反应器是当前化工行业转型升级的热门,很多企业和高校都被微反应器的各大优点所吸引,这几年大家都一直在了解和探索。那么,对于微反应器在化学化工中的应用是否有些体会?微反应器的优点,适用的领域,以及面临的挑战。文中有总结和探讨,希望和大家共同学习。

微反应器

微反应器又被称作为微通道反应器,是集合了微反应器、换热器、微萃取器等化学分析容器的微型化学设备,微反应器产生于微流控技术,由于微尺度的衡量标准不同,微反应器与传统的化学反应器具相比具有较大优势。具有隔热和进行快速传输的作用,能够严格控制化学反应的方式和反应的时间,可以快速对化学反应进行放大,具备很强的安全性特征。从而,大大缩短化学反应处理时间,提高化学反应效率,提升产品生产效率。

微反应器的技术优点

1、可以精确的控制反应的时间

微反应器可以对反应的时间进行精确的控制,通过改变反应器的反应通道控制化学反应的流速,控制化学反应可能产生的中间物质,在化学反应产生之前将物质转换到另一个反应区间,因此该技术的产生不会对化学反应的稳定性产生影响,如果遇到多相体系,也能通过控制流速而改变物质产生反应的时间,通过改变流体的类型,对整体反映效果达到控制的目的。如果应用微反应器,通过控制反应停留的时间,会取得更加明显的效果,控制恒定的流速是保证化学反应的关键。

2、集成化程度较高

实现微反应以及微分离等操作步骤,一些微反应单元的操作可以集成到固定的反应芯片之中,从而实现对微反应进行实时监控的目标,这样的反应效果可以提升反应的效率,节省产品生产的成本。如果材料混合之后反应还有停留时间,则需要及时更换反应的速度,将反应安排在同一个区域。通过多种形式的反应控制模式,可以实现化学反应的重复性,对平行试验方式的实现较为有利。

3、混合效率和热转换效率均有所提升

微反应容器的热转换效率可以通过化学反应通道来实现,因为反应通道的尺寸只有几百微米,雷诺数比较低,层流扩散有可能会对反应产生的混合物的种类产生影响,产生二次混流的效果,微反应器的尺度也可能因为反应扩散,让时间变得更短,混合的效率加快。在一定的优势条件下,反应器的内部化学物质会因为反应条件的影响而有所加强,为了扩大反应的通道数量,提升反应的条件和质量,热传播系数需要和通道的尺寸成正相关关系。微反应的效率如果可以达到每平米一万瓦以上,则可以起到缩小表面积的效果传统的搅拌设备只能达到一千瓦左右。

微反应器在化学领域的运用

1、减少反应的时间

微反应器可以促进化学反应高效率的完成,大量减少反应的处理时间。最主要的原因是因为根据专项热系数的比值计算,可以高效的实现化学反应。例如,在醇醛等物质化合反应的实验过程中,产生四丁基氟化铵,两种物质互相化合的速率明显加快,而且发生化学转化的比例明显提升。通过甲硅烷基烯醇和溴苯甲烷的融合,可以使得目标物质的生成达到百分之百的转化,只用了20分钟就完成所有的转化要求,大大降低了反应的时间,而传统的化学容器无法达到(相关资料,上述反应至少需要20个小时左右)。

2、提高转化的效率

化学反应在微反应容器中进行的时候,先是酰化反应。传统容积是乙酸酐和醋酸钾,也有使用醋酸钠的,这些盐溶剂的溶解性比较差,可能造成反应容器的堵塞等问题。也会可以采用三乙胺替代的反应方式,来提升反应的效率。但是微反应容器当中,事先就可以将各种溶剂进行混合,随着溶剂反应速率的加快,温度设置会达到一百三十度左右,溶剂的反应速率会达到一百以上。釜式反应器的速率有可能达到百分之八十左右,二羟基化合物的氟化反应速率则一般能达到百分之十五,如果尝试了微反应容器则直接达到了百分之九十以上。

3、进行高温高压的反应

在控制压强和反应温度的时候,一般可以让反应温度达到 250℃之上,压强则可以控制到 1.3Mpa,反应时间可以控制在一到两个小时左右。如果反应的时候采用甲苯作为反应间质,经过反应条件优化之后,可以加将温度控制在240℃左右,在压强 10 倍大气压的条件下反应,效率不仅会提升,最终产物也会更纯,废弃物的回收效率会提升,副产品的比例甚至会低于5%左右。另外,温度变化会对重排反应产生重大影响,在小于 230℃的条件下,转化的安全性不高,也不会导致反应中副产品的产生,因此尽量不采用控制反应时间的方式改变反应效率。

微反应技术可以应用的化工领域

1、制药行业和精细化工领域

制药行业当中,很多化学反应都可以通过微反应处理技术来实现,通过连续工艺流程提高产品使用效率和质量。

在精细化工领域,很多反应对温度的要求异常苛刻,或者需要在几百度的高温条件或者在几十度的低温条件下进行,因此对加工物质的材料就有高度的温度控制问题。微反应器的尺度可以很好地把握反应的特性,对温度和反应时间进行精确控制,保证反应能够顺着化学流程正常进行下去。

在制药行业领域,新药的研发也需要耗费大量的流程,筛选出合适的化合物是制药技术的关键环节。微反应技术可以实现基因分析设备的集成应用,实现基因分步,内部环境和具有生物敏感性的技术为集成药物的创造提供良好条件。通过药物筛选技术,使得化工领域当中实现微反应容器的高效利用,提高药物产生和提取的效率,降低试剂消耗以及降低反应装置的成本。也可以利用微反应容器产生大量的氟化物质,并且完成的生产流程效率较高。

2、生物化学领域的运用

多种重要的化合物除了可以利用基因工程进行生产的同时,还可以利用化学合成的方法实现生产,但生理系统比较复杂,很多因素都会限制医疗有效物质的提取效率。因此,控制反应的时间和反应的步骤就显得格外重要。

目前化工领域催化技术的应用已经可以进行微反应,生物催化技术与之结合后将诞生更加绿色的新技术。一些常见的需要利用反应酶的化学反应已经可以利用微反应容器实现多相所需要的性能,如:酶联免疫实验的成功。催化酶参与微反应容器已经可以在多领域进行具体应用,由于酶的种类和用量都是有限度的,也可以采用蛋白质水解的方法生成。将酶作为一种载体固定在微通道的内壁之上,形成微小的酶反应容器。

微反应容器的应用有可能出现的挑战

微反应容器自产生之后虽然发展迅速,但是很快就产生了问题与挑战。例如,微通道容易产生堵塞,一些化学物品参与反应之后,会影响到通道内流体的速率,长期之后会产生沉积,影响液体通过的效率,甚至可能导致化学反应失败。另外,由于涉及到了负载效应,微通道由于尺寸过小,对催化的装载能力有限,因此对催化剂的效用要求较高,催化剂的负载主要是在内壁之上,如果被涂抹到表面,则容易出现附着性问题,会对产品开发的过程产生阻碍。

结语

微反应技术能够在改变化工领域反应效率的同时改变反应过程,是化工行业技术升级的关键。化工领域如果可以高效的应用微反应平台,将能够极大的提升反应效率。微反应的研究之路还很长。

参考资料:《微反应器在化学化工领域中的应用》李尚锐

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