回路反應(yīng)器在制藥及精細(xì)化工領(lǐng)域中的應(yīng)用

李文辰 彭凌風(fēng) 司惠雯 宋來(lái)民 張俊梅 王子福 段振亞

（1.青島科技大學(xué)a.機(jī)電工程學(xué)院；b.化工學(xué)院；2.青島天惠辰科技有限公司）

氣-液、 氣-液-固等非均相反應(yīng)作為非常重要的生產(chǎn)方式，廣泛存在于制藥、精細(xì)化工等領(lǐng)域，此類(lèi)反應(yīng)大多是以攪拌反應(yīng)釜為主的間歇式生產(chǎn)， 但由于氣-液間接觸面積難以保障且自動(dòng)化程度低，不能滿(mǎn)足國(guó)家對(duì)精細(xì)化工行業(yè)連續(xù)化改造的要求，不利于制藥、精細(xì)化工等行業(yè)的革新進(jìn)步。 因此，如何將繁瑣的間歇式生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)便的連續(xù)化生產(chǎn)，一直是精細(xì)化工行業(yè)不斷努力的方向。 生產(chǎn)中的一些難點(diǎn)，如涉及有毒、高溫高壓及氣體不穩(wěn)定等，使得以攪拌反應(yīng)釜為主的間歇式生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)用受限［1］。

連續(xù)化生產(chǎn)是當(dāng)今世界精細(xì)化工的發(fā)展趨勢(shì)［2］，可以有效簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝步驟、實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程的強(qiáng)化和降低能耗， 進(jìn)一步提高生產(chǎn)的自動(dòng)化、信息化水平［3］。 連續(xù)化生產(chǎn)設(shè)備的選取將直接影響連續(xù)化實(shí)現(xiàn)的效果，而傳統(tǒng)的反應(yīng)器如攪拌反應(yīng)釜等，大都是以間歇式生產(chǎn)為主，存在著傳熱傳質(zhì)效果差等不可避免的問(wèn)題。

回路反應(yīng)器又稱(chēng)為噴射環(huán)流反應(yīng)器（Jet Loop Reactor，JLR），是環(huán)流反應(yīng)器的一種，主要由文丘里噴射器、反應(yīng)釜、循環(huán)泵及換熱器等組成，可用于實(shí)現(xiàn)精細(xì)化工生產(chǎn)的連續(xù)化工藝［4］。 該反應(yīng)器能夠以相對(duì)較低的能量輸入實(shí)現(xiàn)良好的混合效果［5］。 它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳質(zhì)性能良好、能量消耗低、 傳熱面積不受限制及密封性能好等優(yōu)點(diǎn)［6，7］，尤其適用于傳質(zhì)受限的非均相反應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)氣-液、氣-液-固之間的均勻混合，解決精細(xì)化工中傳質(zhì)傳熱效果差、自動(dòng)化程度低的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，因此受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

1 回路反應(yīng)器的混合機(jī)理

文丘里噴射器是回路反應(yīng)器的關(guān)鍵部件，決定氣液兩相的混合效果和傳質(zhì)效率，其內(nèi)部氣液混合的機(jī)理是：在氣液混合過(guò)程中，氣液流態(tài)變化主要經(jīng)歷液氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)、液滴運(yùn)動(dòng)和氣液泡沫運(yùn)動(dòng)3 個(gè)階段［8］，如圖1 所示。液相從噴嘴噴出并在其附近形成低壓區(qū)，在吸氣室進(jìn)出口壓差的作用下，氣相被壓入混合段。 此時(shí)，氣液兩相均為連續(xù)介質(zhì)，且兩相之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這個(gè)階段為液氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)階段（在此階段中，液相射流受到外界的擾動(dòng)影響，會(huì)在表面形成脈動(dòng)和表面波）；隨后，液相質(zhì)點(diǎn)的紊動(dòng)擴(kuò)散作用使得液相表面振幅不斷增大，直至大于射流半徑，從而使液相被剪切形成液滴，分散在氣相中高速運(yùn)動(dòng)，通過(guò)沖擊和碰撞將能量傳遞給氣體，氣液兩相不斷地進(jìn)行混合與傳質(zhì)，這個(gè)階段為液滴運(yùn)動(dòng)階段；最后，液滴重新變?yōu)檫B續(xù)的液相，而氣相被破碎為微小氣泡，氣液兩相流通過(guò)擴(kuò)散段，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，促進(jìn)了氣液兩相的混合，這個(gè)階段為氣液泡沫運(yùn)動(dòng)階段。

圖1 文丘里噴射器流態(tài)示意圖

2 回路反應(yīng)器的應(yīng)用狀況

2.1 氧化反應(yīng)

氧化反應(yīng)過(guò)程劇烈，副產(chǎn)物多，對(duì)反應(yīng)器的密封性要求較高。 相關(guān)學(xué)者以回路反應(yīng)器代替攪拌反應(yīng)釜等傳統(tǒng)設(shè)備，用于精細(xì)化工中間體的生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率和原料利用率［9］。

與鼓泡塔反應(yīng)器相比，環(huán)流反應(yīng)器液體定向流動(dòng)，能夠更好地防止污泥顆粒沉積，實(shí)現(xiàn)污泥水熱氧化的連續(xù)化處理［10］。 在比較不同形式的反應(yīng)器對(duì)異丙苯氧化的差異過(guò)程中，從過(guò)氧化氫異丙苯（CHP）濃度和異丙苯氧化速率兩方面考察發(fā)現(xiàn)，環(huán)流反應(yīng)器優(yōu)于鼓泡反應(yīng)器［11］。 此外，周明昊等對(duì)噴射環(huán)流反應(yīng)器在氧化反應(yīng)方面的應(yīng)用作了大量的研究，成功應(yīng)用于三氯氧磷的工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)2，3，5-三甲基苯醌的探究為工業(yè)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，還以接近中試生產(chǎn)規(guī)模的實(shí)驗(yàn)裝備進(jìn)行合成對(duì)經(jīng)基苯甲醛的氧化反應(yīng)，總收率可以達(dá)到94.2%［12～14］；Dagaut P 等分別研究了正丁醇、 辛酸甲酯和正壬烷的氧化反應(yīng)過(guò)程，建立了動(dòng)力學(xué)模型［15～17］；Ince M 等 設(shè) 計(jì) 并 構(gòu) 建 了 一 種 適 用 于 有機(jī)物氧化的新型噴射回路生物反應(yīng)器［18］。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)回路反應(yīng)器應(yīng)用于氧化反應(yīng)的研究，主要集中于工藝的間歇式生產(chǎn)，雖然采用該反應(yīng)器替代了攪拌反應(yīng)釜、鼓泡塔等傳統(tǒng)的設(shè)備，但是并未進(jìn)一步去探索噴射環(huán)流反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)的可行性。

2.2 烷基化反應(yīng)

烷基化反應(yīng)指向有機(jī)物分子中的碳、氮、氧等原子中引入烷基的反應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)烷基化。 常用的烷基化劑有烯烴、鹵代烷烴、硫酸烷酯及醇等。

回路反應(yīng)器可以提高烷基化反應(yīng)的收率。 如圖2 所示， 將噴射回路反應(yīng)器用于對(duì)苯二甲醚的氯甲烷法烷基化反應(yīng)過(guò)程， 該工藝的反應(yīng)條件得以?xún)?yōu)化， 使產(chǎn)物收率達(dá)到96.6%［19］；Sladkovskiy D A 等比較了不同反應(yīng)器用于異丁烷/正丁烯烷基化反應(yīng)的區(qū)別，研究發(fā)現(xiàn)，回路反應(yīng)器中異丁烷烷基化反應(yīng)的催化劑壽命幾乎不變， 而且烷基化物產(chǎn)量也比其他反應(yīng)器高， 辛烷值提高了4.9%［20］?；芈贩磻?yīng)器用于烷基化反應(yīng)時(shí)，大多是間歇或半間歇式生產(chǎn)，但是尚未見(jiàn)到對(duì)烷基化反應(yīng)進(jìn)行連續(xù)化生產(chǎn)的研究。 因此，可以在回路反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究采用回路反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)烷基化反應(yīng)連續(xù)化的途徑。

圖2 烷基化反應(yīng)裝置簡(jiǎn)圖

2.3 氫甲?；磻?yīng)

氫甲酰化反應(yīng)也稱(chēng)醛化反應(yīng)，工業(yè)上用烯烴與氫氣、一氧化碳在高壓加熱和在催化劑的作用下制備醛類(lèi)的方法， 醛是重要的精細(xì)化工產(chǎn)品，可作為很多產(chǎn)品的合成原料。

1-辛烯的水相雙相加氫甲?；倪^(guò)程中，催化劑的用量是值得關(guān)注的一個(gè)指標(biāo)，Esteban J 等利用噴射回路反應(yīng)器強(qiáng)化了上述反應(yīng)過(guò)程，催化劑用量與攪拌反應(yīng)釜相比減少一半，產(chǎn)量大幅提高［21,22］。Norman H 等對(duì)10-十一烯酸甲酯（案例1）和油酸甲酯（案例2）的雙水相氫甲?；磻?yīng)進(jìn)行研究，指出噴射回路反應(yīng)器在無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的前提下，能保證足夠大的截面面積，在無(wú)共溶劑的前提下，首次獲得較大的產(chǎn)量，所得醛產(chǎn)品還可直接被分離；在案例2 中，噴射回路反應(yīng)器所需內(nèi)醛的收率比攪拌槽反應(yīng)器在3 h 后提高了5倍［23］。

2.4 氨肟化反應(yīng)

氨肟化反應(yīng)是指醛酮與氨、過(guò)氧化氫在催化劑的作用下生成肟的過(guò)程。 2-丁酮肟是一種新型的防脫皮添加劑，在制藥、精細(xì)化工等領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應(yīng)用［24～26］。 采用傳統(tǒng)攪拌反應(yīng)釜制備的液相環(huán)己酮胺氧化物已得到工業(yè)應(yīng)用，為了提高TS-1微球氨肟化的傳質(zhì)換熱性能，Chu Q Y 等研制了一種以陶瓷膜為分離器的高效噴射回路反應(yīng)器（圖3），它可使2-丁酮氨肟化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性分別提高8.1%和4.5%； 與傳統(tǒng)的攪拌釜式反應(yīng)器相比，大幅縮短了停留時(shí)間；在72 h 連續(xù)操作的氨肟化過(guò)程中，轉(zhuǎn)化率和選擇性分別穩(wěn)定在80.1%和98.5%左右［27］。 回路反應(yīng)器對(duì)于精細(xì)化工領(lǐng)域的氨肟化反應(yīng)的連續(xù)化有著較好的適用性，并且產(chǎn)物產(chǎn)率可以保持穩(wěn)定。

圖3 噴射回路反應(yīng)器連續(xù)制備2-丁酮氨肟化簡(jiǎn)圖

2.5 氫化反應(yīng)

氫化反應(yīng)普遍存在于化工生產(chǎn)中，它是指在催化劑的作用下，氫分子加成到有機(jī)化合物的不飽和基團(tuán)上的反應(yīng)，主要分為加氫反應(yīng)和氫解反應(yīng)兩種，其中加氫反應(yīng)多用于精細(xì)化工產(chǎn)品中間體的生產(chǎn)。

DSD 酸作為一種重要的化工中間體，可以生產(chǎn)二苯乙烯型熒光增白劑、芪氏品類(lèi)染料及活性染料等重要精細(xì)化工產(chǎn)品，將回路加氫反應(yīng)器應(yīng)用在DSD 酸（4，4’-二氨基二苯乙烯-2，2’-二磺酸）的催化加氫還原工藝中，小試DSD 酸收率超過(guò)90%，大幅降低三廢的產(chǎn)生，證明了回路反應(yīng)器在工業(yè)生產(chǎn)裝置上的可靠性［28］。 李秋小等將噴射反應(yīng)器用于催化加氫制備飽和脂肪酸甲酯，有效縮短反應(yīng)時(shí)間［29］。 通過(guò)目前的研究可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備如攪拌反應(yīng)釜轉(zhuǎn)化率低且反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，將傳統(tǒng)的生產(chǎn)精細(xì)化工中間體的連續(xù)化加氫反應(yīng)器轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦臀⑿?、安全的連續(xù)化加氫反應(yīng)器已成為一種新趨勢(shì)［30］。

3連續(xù)化生產(chǎn)工藝的研發(fā)

筆者所在的課題組自2012 年起結(jié)合企業(yè)所需開(kāi)展利用回路反應(yīng)技術(shù)進(jìn)行氣-液乃至氣-液-固的連續(xù)化反應(yīng)工藝研發(fā)， 在利用理論和Fluent數(shù)值模擬分析對(duì)回路反應(yīng)器中文丘里噴射器內(nèi)氣液的流動(dòng)和混合特性研究的基礎(chǔ)上［31］，搭建的中試裝置系統(tǒng)（圖4）以空氣和水作為介質(zhì)，試驗(yàn)研究操作參數(shù)、幾何特性對(duì)系統(tǒng)的壓降和流場(chǎng)特性的影響，同時(shí)驗(yàn)證所制定的數(shù)值模擬方法。 在此研究的基礎(chǔ)上，課題組利用回路反應(yīng)技術(shù)成功地完成了3，3，3-三氟丙基甲基二氯硅烷和乙酸異丙烯酯的連續(xù)化生產(chǎn)工藝系統(tǒng)改造，其工業(yè)化運(yùn)行效果也證明了連續(xù)化技術(shù)開(kāi)發(fā)的成功。

圖4 中試裝置系統(tǒng)

3.1 3，3，3-三氟丙基甲基二氯硅烷

3，3，3-三氟丙烯與甲基二氯硅烷反應(yīng)生成3，3，3-三氟丙基甲基二氯硅烷屬于氣-液兩相反應(yīng)，目前企業(yè)采用的是以攪拌反應(yīng)釜為主的間歇式生產(chǎn)工藝。 基于生產(chǎn)企業(yè)提高反應(yīng)效率、提升自動(dòng)化操作水平的需求，課題組聯(lián)合企業(yè)對(duì)該反應(yīng)的機(jī)理和條件進(jìn)行研究，并提出以回路反應(yīng)器為主的連續(xù)化生產(chǎn)工藝系統(tǒng)（圖5），將傳統(tǒng)的間歇式生產(chǎn)方式成功地改造為連續(xù)化生產(chǎn)方式，產(chǎn)品的收率和質(zhì)量得到了大幅提升［32］。

圖5 連續(xù)化生產(chǎn)工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3.2 乙酸異丙烯酯

乙酸異丙烯酯是一種重要的化工原料中間體，在化工、材料及醫(yī)藥等方面有著極其廣泛的應(yīng)用。 目前生產(chǎn)中以丙酮和乙烯酮為原料，在酸性條件下合成乙酸異丙烯酯。 由于只能借助實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)上的乙烯酮用于合成反應(yīng)，因此導(dǎo)致關(guān)于丙酮吸收乙烯酮制備乙酸異丙稀酯反應(yīng)研究的文獻(xiàn)較少。 并且原料氣體壓力為微正壓，不同于現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的氣體以加壓的方式通入反應(yīng)器，只能將原料氣體吸入反應(yīng)器，未見(jiàn)有可以借鑒的資料。

在與企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)的基礎(chǔ)上，課題組提出將回路反應(yīng)器應(yīng)用于乙酸異丙烯酯的連續(xù)化生產(chǎn)的構(gòu)思。 小試和模擬結(jié)果都表明回路反應(yīng)器中的文丘里噴射器經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后可以很好地解決微正壓條件下的吸氣和與液體混合的問(wèn)題，有效強(qiáng)化氣液傳質(zhì)。 在利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)獲取反應(yīng)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)、 搭建中試裝置獲得優(yōu)化的操作條件基礎(chǔ)上，2021 年4 月企業(yè)以回路反應(yīng)器為核心設(shè)備的乙酸異丙烯酯連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)裝置成功投入運(yùn)行，乙酸異丙烯酯的含率達(dá)到67.81%，超過(guò)企業(yè)60%的預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)論與展望

4.1 通過(guò)綜合分析回路反應(yīng)器在氫化、烷基化及氧化等反應(yīng)中的應(yīng)用狀況以及課題組的工業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可知，回路反應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于精細(xì)化工領(lǐng)域的連續(xù)化工藝開(kāi)發(fā)和改造具有非常大的潛力。

4.2 在將回路反應(yīng)器用于3，3，3-三氟丙基甲基二氯硅烷和乙酸異丙烯酯的連續(xù)化生產(chǎn)工藝過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，針對(duì)具體的反應(yīng)物系，需要獲取相關(guān)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并依據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后才能獲得良好的反應(yīng)效果。

4.3 建立能準(zhǔn)確描述氣-液之間傳質(zhì)與反應(yīng)特性的數(shù)值模擬方法對(duì)于指導(dǎo)回路反應(yīng)器的工程設(shè)計(jì)具有重要意義，但目前數(shù)值模擬主要針對(duì)反應(yīng)設(shè)備內(nèi)部的流場(chǎng)特性進(jìn)行研究，與工程中氣液因反應(yīng)傳質(zhì)而對(duì)流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生較大影響的實(shí)際情況不相符合，亟待開(kāi)發(fā)一種將傳質(zhì)與流動(dòng)相耦合的數(shù)值模擬方法。

4.4 在數(shù)值模擬過(guò)程中，邊界層、穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)計(jì)算等對(duì)回路反應(yīng)器核心設(shè)備流動(dòng)與傳質(zhì)特性的模擬準(zhǔn)確性尚未確定，在今后的研究中需結(jié)合工業(yè)實(shí)際數(shù)據(jù)，探討多種數(shù)值模擬方法，以此確定與工業(yè)實(shí)際相吻合的數(shù)值模擬方法。