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绿色化工—连续流生产技术(一)

1.什么是连续流动化学(Continuous Flow Chemistry)?

为了更好的理解连续流动化学,我们先对传统的釜式反应作简要概括,釜式反应是利用反应釜(物理或化学反应的容器,如反应器、反应锅、分解锅、聚合釜等)来实现工艺要求的加热、蒸发、冷却及高低速混配功能,是现代精细化工、生物制药、和新材料合成等常用的中试、生产工艺方法。

其研发、中试及工艺放大过程如下图1所示:

图1 传统釜式反应工艺放大过程

1 传统釜式反应工艺放大过程

由于传统釜式反应存在的一些局限性(如传质传热弱、温度压力限制、维护成本高等),促进了连续流动化学的诞生和发展。连续流动化学(Continuous Flow Chemistry),是指通过将两种(或多种)试剂连续的入反应器(Flow Reactor)中,在反应器中进行混合&反应,并通过热交换控制器控制反应温度,从而实现化学反应,获得所需的产品,其过程如下图2所示:

图2 连续流动化学过程简图

2 连续流动化学过程简图

连续流动化学技术近年来在研究、生产化合物及中间体中的应用快速增长,与传统的间歇反应相比,具有快速混合,传热传质性好以及放大无需再优化条件的优势,大大加速了筛选、优化反应所需的时间。

因此,对于一个化学反应,我们该选择那种方式(路线)去研发或生产,我们可提供下图3的参考:

图3 化学反应路线的选择流程

3 化学反应路线的选择流程

对于目前的所有化学反应来说,其中超过50%的化学反应可在连续流动化学中取得很好的效益。

2.应用实例

2.1 叠氮化反应

叠氮化物作为一类重要的有机合成中间体,但是因为其含有叠氮基高能活性官能团,使得叠氮化反应具有较大危险性,从而极大地限制了这个反应在工业中的应用。为了能够叠氮化反应能够在釜式反应中进行,通常都在低量、低温下进行。

利用Labtrix®反应器执行叠氮化反应,其合成路线如图4所示:

图4 叠氮化反应路线图

4 叠氮化反应路线图

通过连续流式实现叠氮化反应,不仅可以将反应在高温下执行,解决了安全性问题,而且还可以提高转化率、降低成本,其和釜式反应的效果对比如图5所示:

图5 叠氮化反应在连续流动反应和釜式反应中的效果对比

5 叠氮化反应在连续流动反应和釜式反应中的效果对比

相比于釜式反应,采用连续流技术的优势有:

Ÿ新的反应空间(温度和压力)

使用少量危险物质

评定反应试剂类型对生产成本的影响

2.2 环化脱水反应

Ley和其同事利用管式连续流反应器,执行了一系列的环化脱水的反应,研究表明,其混合效果主要取决于流体的流速(即混合极限),但是需要较长的时间(100 sec),为了缩短反应时间,他们改用Labtrix Start连续流动静态混合反应器,将反应时间由100s缩短到1s,其工艺过程如下图6所示:

图6 Labtrix Start执行环化脱水反应过程

6 Labtrix Start执行环化脱水反应过程

环化脱水反应中采用连续流技术的优势有:

相比于釜式反应有高产率

Ÿ快速工艺开发

Ÿ相比于管式反应,可减少100倍反应时间

Ÿ反应可放大