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微反应器的特点与应用

微型反应器(microreactor)最初是指尺寸在10毫米左右的小型管式反应器,用于催化剂评价和动力学研究。由于微细制造技术的逐渐普及(应用于各种化学领域),micro的意义发生了变化,它特别修饰了用微加工技术制造的化学体系。

微通道反应器的特性研究。

1快速搅拌。

微通道的宽度和深度较小(通常为几十至几百微米),使反应物之间的扩散距离大大缩短,因而质的传递速度加快,反应物在流动过程中短时间内即可充分混合。

2比表面积大。

微孔道的比表面积一般在5000~50000m2左右,而常规反应容器则在100m2左右,少数在1000m2左右。微槽道比表面积大,热交换效率高,即使在强烈放热反应中瞬间释放的大量反应热也能及时转移出去,保持反应温度在安全范围内。所以,微通道反应器特别适合研究反应量小、反应异常剧烈的合成反应。

3环保保障

用微流道反应器进行合成反应,所需反应物的用量微乎其微,因此可以减少昂贵、有毒、有害反应的用量,并减少反应过程中的环境污染物。微通道反应器是一种环境友好、合成和研究新型物质的技术平台。

4体积小。

微通道反应器尺寸的减小直接导致反应体积明显降低,在很小的占地面积下实现高效的合成,同时具有安全、经济和生态效益。

5反应少。

用微孔道反应器进行合成反应时,反应物配比、温度、压力、反应时间、流速等反应条件都比较容易控制。在反应过程中,反应物的浓度不断下降,生成物的浓度不断增加,副反应的减少。

6持续反应。

反应过程以连续流动的方式在微通道反应器中进行。当化学反应速度较大时,可通过调整反应物流速度和微流道长度来准确控制微通道反应器中物料的反应时间。

7数增加放大。

在生产过程中,采用微流道反应器技术,工艺放大并不是通过增加微流道的特征尺寸,而是增加微流道的数量。因此,小试所得到的最佳反应条件无需任何改变,即可直接进行生产,没有小试反应器放大的困难。这种方法可以大大缩短产品从实验室到市场的时间,对化工行业意义极为重大。

8弹性生产。

从理论上讲,微通道反应器可以通过改变单个微通道反应器的连接管道直接用于其它反应过程,因此微通道反应器具有很高的操作弹性,工业上可根据市场供需情况,实时增减部分反应器进行调整。

2.9微通道反应器的主要缺点是固体物料不能通过微通道,如果在反应中产生了大量固体物质,微通道很容易被堵塞,导致不能连续生产。

微反应器.jpg

微流道反应器的应用。

1硝化反应。

研究了微孔道反应器中苯酚的自催化硝化反应,该反应的最佳反应温度为20℃。该反应在常规反应器中进行,对体积为lL的反应进行剧烈的放热,温度升至55℃,而在微反应器中进行时,温度变化不大于5℃,收得率由55%提高到75%,同时产品纯度提高,副产物含量明显降低。

2催化氢化反应。

在微流道反应器中,使在爆炸极限内的氢-氧催化燃烧反应在高空速、低压降、等温及动力学控制区安全地进行,进入H2的量浓度为8%,反应温度150℃,转化率可达90%。

3低温反应。

在微流道反应器中,Kawaguehi等[14]研究了环己醇的Swerm氧化反应。传统反应器-70℃反应条件下,环己酮的收率为83%,在-20℃时,由于局部过热,产率急剧下降至19%。微孔道反应器中,在-20℃下反应2.4s,环己酮的收率可达88%;在0~20℃范围内,通过精确控制反应物在微通道中的停留时间,可以使反应时间缩短到0.01s,环己酮的收率可达89%。

4氧化反应。

在反应温度70~115℃、反应时间3s、压力0.3~0.5kPa的条件下,用双氧水为氧化剂,硝酸铁为催化剂,在反应温度为70~115℃、反应时间为3s和0.3~0.5kPa的条件下,转化率高达99%。

5加成反应

在微量比值为1∶1的条件下,研究了草酸二烷基与芳基锂及其衍生物的反应,在量比为1∶1的条件下快速反应,反应转化率提高到98%。

6溴化和氯化。

在微通道反应器中,通过叔丁醇的溴化反应制备溴代叔丁烷,叔丁醇的转化率分别为92.3%、99.1%、88.3%和86.5%。与传统工艺相比,微通道技术提高了反应效率,降低了反应条件的要求,减少了废酸的产生,提高了生产效率。

7氟化。

在单通道镍基反应器中对二酮和酮酯等进行选择性氟化和全氟化。用甲酸作溶剂,在进样过程中注入混合有10%氟的氮。当气体从通道中间流过时,液体在通道表面形成一层液膜,使气液之间的相接触面积大,反应迅速。结果表明,由镍形成的通道有利于中间体的生成,具有一定的催化作用。

8环化反应。

在微通道反应器中对环氧丙烷进行连续合成,其转化率达99.6%,环氧氯丙烷收率达98.5%。

9重氮化反应。

Hartung等采用多种溶剂,采用多步法合成重氮甲烷前驱体,其重氮化反应产率达90%以上,明显高于常规反应器产品的收率。

10酯化反应。

采用内径0.6mm的不锈钢毛细管反应器,在合适的工艺条件下,只需14.3min的反应时间,巯基乙酸甲酯的收率可达94%以上,与常规间歇釜式反应器相比,反应时间大大缩短,产品酯的收率可达94%以上。



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