• 過(guò)程強化

    過(guò)程強化/Process Intensification

    任何新技術(shù)的實(shí)施在開(kāi)始的時(shí)候都會(huì )遇到很多障礙,連續流技術(shù)也是一樣。首先在設計反應的時(shí)候需要改變思維方式,需要注意到以前沒(méi)有注意到的事項例如反應速度,固體的產(chǎn)生。而且連續流技術(shù)對研究人員有更高的要求,要了解一些工程類(lèi)知識,對反應的動(dòng)力學(xué)和機理要有更加深刻的認識,還需要與化工技術(shù)人員密切合作,這樣才能有效利用連續流這個(gè)新的工具。

    根據龍沙的一份報告,大約60%的反應能受益于連續流工藝。但是要得到好的結果,需要做很多的改變才能真切的獲得益處。例如,大約40%的反應有固體,有固體并不意味著(zhù)就不能進(jìn)行連續流實(shí)驗,這就需要實(shí)驗人員做很多的改變,包括反應試劑、反應溫度及加料方式等等。

    很多反應在傳統的處理過(guò)程中存在很大的安全隱患或者小試工藝難于放大生產(chǎn)?;瘜W(xué)家在設計這些路線(xiàn)時(shí),往往需要極力避免這些不利因素,導致合成路線(xiàn)較長(cháng),或者使用很貴的替換試劑。而連續流為化學(xué)家提供了另外一種思路,可以避免這些不利因素,有效降低成本。

    所謂過(guò)程強化,就是通過(guò)提升溫度、增加反應物濃度和壓力等來(lái)提升反應速度、降低反應時(shí)間,最終達到提高反應收率和選擇性等目的。這些技術(shù)通常只用于大化工,而使用微通道反應器之后,這項技術(shù)也能給傳統的精細化工和制藥行業(yè)帶來(lái)很多變化。微反應就是一項利用過(guò)程強化,提升反應速度以達到降低反應持液量,同時(shí)增加反應選擇性和收率的一項新技術(shù)。

    對于傳統思維,在合成路線(xiàn)選擇的時(shí)候,危險的中間體或者產(chǎn)物在反應溫度下不穩定的情況往往都是極力避免的。而使用微通道反應器之后,我們就不需要有這樣的禁忌。

    微通道反應器持液量少,與傳統反應釜相比,具有本質(zhì)安全等特性。一些有危險中間體參與的反應,比如重氮甲烷,重氮化合物,疊氮化合物都可以直接在微通道反應器上使用。

    利用連續操作模式的微通道反應器進(jìn)行化學(xué)反應過(guò)程研究,在過(guò)去的十幾年中發(fā)展十分迅猛,尤其在能源、制藥、精細化學(xué)品、高能炸藥及化工中間體的合成反應過(guò)程中得到廣泛關(guān)注。

    連續流微反應作為一項新興的技術(shù),其除了在上述的各類(lèi)化學(xué)反應中的應用外,還在光催化化學(xué)、生物催化反應、電化學(xué)反應、無(wú)機化學(xué)、精餾重結晶、流量監測等各方面得到了空前的發(fā)展。

    連續流合成范圍及領(lǐng)域不斷擴展,不但包括傳統的反應類(lèi)型及醫藥及精細化工行業(yè),還延展到電化學(xué)、光化學(xué)、微波化學(xué)、納米材料以及功能材料等領(lǐng)域。

    化工行業(yè)對流程可持續性的要求也越來(lái)越高,改善化學(xué)生產(chǎn)的一種有前途的方法是過(guò)程強化。過(guò)程強化意味著(zhù)與依賴(lài)于現有概念的性能改進(jìn)的常規過(guò)程開(kāi)發(fā)相比,將為涉及的過(guò)程步驟和設備開(kāi)發(fā)全新的概念。

    采用模塊化生產(chǎn)和工廠(chǎng)概念的方法來(lái)強化流程,以實(shí)現兼顧可持續性和經(jīng)濟效率的靈活,可擴展的生產(chǎn)。因此,一個(gè)核心要素是開(kāi)發(fā)和使用類(lèi)似容器的移動(dòng)工廠(chǎng)基礎設施。另一個(gè)是依靠適合批量生產(chǎn)的制造技術(shù),對模塊化的,可擴展的微反應器進(jìn)行了改進(jìn),以用于工業(yè)生產(chǎn)。

    微反應器實(shí)現并控制的苛刻工藝條件的有針對性使用,大大提高了加工機會(huì )。尤其是由于過(guò)程溫度的提高以及通過(guò)將批料轉換為連續過(guò)程而加快了反應速度,從而提高了過(guò)程本身的生產(chǎn)率。通過(guò)實(shí)現高質(zhì)量的產(chǎn)品進(jìn)行陰離子聚合,通過(guò)提高時(shí)空產(chǎn)量來(lái)實(shí)現大豆油的環(huán)氧化,通過(guò)使用較低價(jià)值的原料生產(chǎn)超臨界生物柴油。

    通過(guò)過(guò)程強化進(jìn)行優(yōu)化的潛力在許多其他領(lǐng)域中也提供:

    藥物合成

    精細化學(xué)

    使用不同的常規燃料和可再生燃料生產(chǎn)和處理含氫氣體,用于燃料電池,

    光化學(xué)過(guò)程。

    微反應器對不同類(lèi)型化學(xué)反應的作用

    反應類(lèi)型

    特征

    主要作用

    瞬時(shí)反應

    反應特征時(shí)間<1s(混合與傳熱控制)

    強化混合與傳熱

    快反應

    反應特征時(shí)間10s-30min(主要受本征動(dòng)力學(xué)控制)

    精確控制反應條件(停留時(shí)間和溫度)

    慢反應

    反應特征時(shí)間>30min(本征動(dòng)力學(xué)控制)

    熱量控制、安全(新的工藝窗口)


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