微通道反應(yīng)器在強放熱反應(yīng)中的應(yīng)用進展

馬艾琳，諶禮婷，柳虎軍，陸 黎，侯章群，廖洪利*

(1.成都醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院，四川 成都 610500；2.96608部隊衛(wèi)生處，河南 洛陽 471031)

化工行業(yè)中許多工藝伴隨著高危險性的強放熱反應(yīng)，高熱量的快速釋放易導(dǎo)致副反應(yīng)的發(fā)生，且過程難以控制，極易引發(fā)事故[1]。目前，化工制藥行業(yè)主要采用傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器進行生產(chǎn)，盡管已在實驗室進行了高溫高壓釜式反應(yīng)器中的毫升級篩選和條件優(yōu)化，但將優(yōu)化條件應(yīng)用于間歇式反應(yīng)器仍存在困難。微通道反應(yīng)器是一種微型化的連續(xù)流動的管道式反應(yīng)器，由微管并聯(lián)而成，其微管內(nèi)徑一般在10～1 000 μm[2]，極大的比表面積使其換熱效率高，可適用高度不穩(wěn)定甚至爆炸性中間體的反應(yīng)[3]，在強放熱反應(yīng)中得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器相比，微通道反應(yīng)器的優(yōu)勢[4]在于：(1)微通道特征尺寸小，比表面積大，傳熱、傳質(zhì)效率高；(2)采用連續(xù)流技術(shù)，可精確控制物料停留時間，能避免局部過熱，有效減少了副產(chǎn)物的產(chǎn)生；(3)能有效地進行鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，保證反應(yīng)在爆炸極限內(nèi)有效進行，大大降低了爆炸的可能性，提高了反應(yīng)的安全性；(4)微通道反應(yīng)器體積微小，微反應(yīng)系統(tǒng)是呈模塊結(jié)構(gòu)的并行系統(tǒng)，具有便攜、易操作等特點；(5)擴大生產(chǎn)時，不需要對設(shè)備進行尺度放大，只需增加微通道反應(yīng)器的數(shù)量，即“數(shù)增放大”。

在此，作者主要對微通道反應(yīng)器在強放熱反應(yīng)中的應(yīng)用進行綜述，包括硝化反應(yīng)、重氮化反應(yīng)、氧化反應(yīng)、氟化反應(yīng)、氯化反應(yīng)、溴化反應(yīng)、聚合反應(yīng)等。

1 硝化反應(yīng)

硝化反應(yīng)放熱劇烈、反應(yīng)速率快，且需要一定的反應(yīng)溫度。為保證反應(yīng)溫度通常要求反應(yīng)設(shè)備有良好的傳熱性能。苯二甲酸的硝化產(chǎn)物是重要的有機合成中間體，在傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器中對苯二甲酸進行硝化常采用硝酸/硫酸混酸工藝，反應(yīng)過程不易控制且安全隱患大。肖燕等[5]在微通道反應(yīng)器中采用硝酸/硫酸混酸工藝合成苯二甲酸硝基衍生物(式1)，確定間苯二甲酸在微通道反應(yīng)器中的最佳硝化條件為：n(間苯二甲酸)∶n(發(fā)煙硝酸)∶n(濃硫酸)為1∶1.7∶7、反應(yīng)溫度75 ℃、停留時間40.9 s，間苯二甲酸轉(zhuǎn)化率為99.8%，5-硝基間苯二甲酸收率為95%，選擇性為100%；鄰苯二甲酸酐在微通道反應(yīng)器中的最佳硝化條件為：n(鄰苯二甲酸酐)∶n(發(fā)煙硝酸)∶n(濃硫酸)為1∶1.5∶3、反應(yīng)溫度90 ℃、停留時間60.6 s，鄰苯二甲酸酐轉(zhuǎn)化率為100%，3-硝基鄰苯二甲酸收率為37%，選擇性為41.3%。

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3,5-二硝基苯甲酸是重要的有機合成中間體，用于生產(chǎn)診斷用藥泛影酸，也可用作分析試劑。苯甲酸硝化合成3,5-二硝基苯甲酸屬于強放熱反應(yīng),反應(yīng)熱為278.96 kJ·mol-1。在傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器中合成3,5-二硝基苯甲酸存在反應(yīng)時間長、反應(yīng)過程不穩(wěn)定、硝化過程易產(chǎn)生“飛溫”現(xiàn)象等不足。郭冰蒙等[6]提出在脈沖微通道反應(yīng)器中采用連續(xù)法合成3,5-二硝基苯甲酸的新工藝(式2)，在n(苯甲酸)∶n(濃硝酸)∶n(發(fā)煙硫酸)為1∶2.8∶7、反應(yīng)溫度為75 ℃、停留時間為4 min的最佳條件下，3,5-二硝基苯甲酸收率為91.0%，選擇性達97.2%。微通道反應(yīng)器優(yōu)異的傳熱、傳質(zhì)性能很大程度上解決了因反應(yīng)熱不能及時交換而導(dǎo)致的反應(yīng)失控、爆炸等問題。

(2)

硝基氯苯(NCB)是應(yīng)用廣泛的重要化工原料，其傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝會產(chǎn)生大量廢酸，由于熱量不能及時釋放，無法精確控制反應(yīng)溫度，存在安全隱患。余武斌等[7]基于微通道反應(yīng)器優(yōu)異的傳熱、傳質(zhì)性能，在并流式微通道反應(yīng)器中對氯苯進行硝化合成硝基氯苯(式3)，在氯苯流速為0.5 mL·min-1、反應(yīng)溫度為80 ℃的條件下，硝基氯苯鄰位選擇性明顯提高，時空轉(zhuǎn)化率比常規(guī)反應(yīng)器高約4個數(shù)量級，且副產(chǎn)物較少，實現(xiàn)了硝基氯苯短時高效的連續(xù)化生產(chǎn)。

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2 重氮化反應(yīng)

重氮化反應(yīng)屬于強放熱反應(yīng)，且產(chǎn)物重氮鹽不穩(wěn)定易分解。在傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器中進行重氮化反應(yīng)由于反應(yīng)溫度難以精準(zhǔn)控制，副反應(yīng)較多，且需消耗大量的冰，用于抵消反應(yīng)熱及給機械降溫。微通道反應(yīng)器可精準(zhǔn)調(diào)控反應(yīng)溫度，傳熱效率高，為重氮鹽的合成提供了一條新途徑。楊林濤等[8]研究了紅色基KD(4-甲氧基-3-氨基苯酰替苯胺)在微通道反應(yīng)器中的重氮化反應(yīng)(式4)，反應(yīng)溫度達到10～15 ℃(重氮化反應(yīng)溫度一般為0～5 ℃)，偶合收率大于98%，所得重氮鹽溶液清澈無懸浮物。該方法節(jié)能效果顯著，對重氮鹽的工業(yè)化生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

(4)

Yu等[9]在微通道反應(yīng)器中進行連續(xù)重氮化反應(yīng)合成對甲基苯酚(式5)。通過優(yōu)化反應(yīng)條件，對甲基苯酚總收率較傳統(tǒng)合成工藝大大提高，達到91%，基本無副產(chǎn)物?？梢?，在微通道反應(yīng)器中進行芳基重氮鹽水解反應(yīng)制備苯酚類化合物具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 氧化反應(yīng)

(5)

在精細化工領(lǐng)域中氧化反應(yīng)多在間歇式反應(yīng)器中進行，反應(yīng)過程復(fù)雜，易失控發(fā)生爆炸、火災(zāi)等事故[10]。苯甲醛是一種重要的有機合成中間體，可由甲苯氧化合成，屬于強放熱反應(yīng)。甲苯液相氧化條件溫和、過程可控，但氧化劑過氧乙酸與其形成液態(tài)非均相體系，相阻力的存在不利于傳質(zhì)。張躍等[11]在脈沖型混合結(jié)構(gòu)微通道反應(yīng)器中液相氧化甲苯合成苯甲醛(式6)，選擇性達到83.5%。與傳統(tǒng)間歇式反應(yīng)器相比，微通道反應(yīng)器大幅提高了原料利用率，可對氧化反應(yīng)進行有效控制。

(6)

二甲基砜在工業(yè)中作為有機合成原料、食品添加劑和保健品原料等，可用于低級羥的分析。過氧化氫氧化二甲基亞砜是除硝酸氧化外合成二甲基砜的另一主要方式，但反應(yīng)過程放出大量熱，要求反應(yīng)器具備快速傳熱的性能。傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝采用開放釜式間歇生產(chǎn)工藝，向底物中滴加過氧化氫，并采用機械攪拌，反應(yīng)物濃度分布不均易導(dǎo)致局部升溫過快。薛鵬博等[12]在脈沖混合結(jié)構(gòu)微通道反應(yīng)器中氧化二甲基亞砜合成二甲基砜(式7)，通過微通道反應(yīng)器使得反應(yīng)液快速混合均勻，并及時移走反應(yīng)物，反應(yīng)效率明顯提高。在最佳條件下，二甲基砜收率可達91.8%，停留時間僅為10 min，比傳統(tǒng)間歇式反應(yīng)器反應(yīng)時間大大縮短。

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4 氟化反應(yīng)

含氟化合物因具有特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于材料、農(nóng)藥、醫(yī)藥等領(lǐng)域。但氟化反應(yīng)放熱劇烈，易爆炸，極具危險性。一氧化碳和氟氣合成COF2是高放熱的氣相反應(yīng)(式8)，由于反應(yīng)釋放的熱量很大，要求反應(yīng)器的比表面積大，因此使用微通道反應(yīng)器是一個合理的選擇。Navarrini等[13]在微通道反應(yīng)器中對一氧化碳進行直接氟化合成COF2，使用AISI316、R400等合金對微通道反應(yīng)器進行改造，增強了反應(yīng)器的抗腐蝕性及導(dǎo)熱性；與傳統(tǒng)反應(yīng)器相比，微通道反應(yīng)器中反應(yīng)的選擇性提高了15%～50%，一氧化碳轉(zhuǎn)化率提高了30%，不穩(wěn)定副產(chǎn)物三氟甲基次氟酸鹽至少降低40%。

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5 氯化反應(yīng)

氯化反應(yīng)反應(yīng)速率快且放熱劇烈，若使用傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器，存在噴料、氯氣泄露等問題。二氯乙二肟不僅是一種高效的工業(yè)殺菌劑，也是合成氮雜環(huán)類化合物的重要中間體。張建功等[14]研究了在G1型增強傳質(zhì)“心形”結(jié)構(gòu)微通道反應(yīng)器中氯化乙二肟合成二氯乙二肟的工藝(式9)，并優(yōu)化了工藝條件。在最佳工藝條件下，傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器中二氯乙二肟收率最高為78%，而微通道反應(yīng)器中可以達到85%。微通道反應(yīng)器克服了傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器熱量傳遞不均勻的問題，同時降低了氯氣的損耗，大大提高了生產(chǎn)效率。

(9)

2-氯乙酰乙酸乙酯是重要的醫(yī)藥、農(nóng)藥中間體。目前，工業(yè)上多采用間歇式反應(yīng)器生產(chǎn)2-氯乙酰乙酸乙酯，存在副產(chǎn)物多、收率低、品質(zhì)差等問題。盧樂等[15]以乙酰乙酸乙酯為原料、氯化亞砜為氯化劑，在微通道反應(yīng)器中，在低溫和微正壓條件下實現(xiàn)了2-氯乙酰乙酸乙酯的連續(xù)化合成(式10)，在n(乙酰乙酸乙酯)∶n(氯化亞砜)為1∶1.02、m(乙酰乙酸乙酯)∶m(二氯甲烷)為1∶3、反應(yīng)溫度為5～10 ℃、停留時間為10 min的條件下,2-氯乙酰乙酸乙酯收率達到92%。

(10)

6 溴化反應(yīng)

溴代叔丁烷是一種用途廣泛的有機合成中間體，還可作為烷基化試劑。在溴代叔丁烷的工業(yè)化生產(chǎn)中存在反應(yīng)速率慢、效率低、副產(chǎn)物多等問題。張躍等[16]研究了微通道反應(yīng)器中叔丁醇溴化合成溴代叔丁烷的工藝(式11)，并優(yōu)化了工藝條件。在最佳工藝條件下，傳統(tǒng)間歇攪拌反應(yīng)器中溴代叔丁烷選擇性為86.5%，而微通道反應(yīng)器中可以提高到99.1%。

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7 聚合反應(yīng)

聚合反應(yīng)是精細化工領(lǐng)域中典型的放熱反應(yīng)，易引起熱失控。苯乙烯是一種較活潑的單體，易發(fā)生聚合反應(yīng)(式12)。為分析微通道反應(yīng)器中苯乙烯聚合的熱危害，Wang等[17]采用計算流體動力學(xué)(CFD)方法，將苯乙烯熱聚合的流體力學(xué)模型和流固耦合模型相結(jié)合，建立了間歇式反應(yīng)器和微通道反應(yīng)器的三維穩(wěn)態(tài)模型并進行比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在間歇式反應(yīng)器中苯乙烯聚合的最高溫度為371.1 ℃，而在微通道反應(yīng)器中最高溫度僅為150.23 ℃。表明，微通道反應(yīng)器在控制聚合反應(yīng)溫度方面較間歇式反應(yīng)器更有優(yōu)勢。

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8 結(jié)語

微通道反應(yīng)器優(yōu)異的傳熱傳質(zhì)性能、高安全性使其在強放熱反應(yīng)中更具優(yōu)勢，克服了傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器在工業(yè)生產(chǎn)上的不足。微通道反應(yīng)器作為一種新興的工業(yè)生產(chǎn)工具，在精細化工領(lǐng)域中的應(yīng)用已初具規(guī)模，但其難以應(yīng)用于多相反應(yīng)、有固體生成的反應(yīng)等。相信在不久的將來，微通道反應(yīng)器會向更安全、可控、全面、自動化的方向發(fā)展，成為化工領(lǐng)域的主要反應(yīng)器之一。