微通道反应器开启高效精细化工时代
2015-05-05 20:07:37   来源：微迷   评论：0   点击：

微通道连续流反应器技术基于独特的非金属耐腐材质和卓越的传热-传质性能设计，可有效强化合成反应条件，是对传统化工小试和中试生产装备的重大革新，它打开了新时代高效化学研发和生产的窗口。让化学反应时间从几小时或几十小时缩短到几十秒到几分钟，同时解决强腐蚀、易爆、高能耗、高溶剂消耗和高污染排放等诸多难题，这正是微通道反应器独有的魅力。

微通道反应器技术已应用于医药、农药和染料中间体合成。常见的应用领域包括选择性硝化、浆态加氢、重氮偶合、磺化、卤化和氧化等反应，以及在材料和催化剂制备中用于纳米材料合成、特种试剂制备如格氏试剂和过氧化试剂等。

微反应器技术，特别是液相微反应器技术最早于上世纪90年代后期在德国出现。当时根据原子能技术民用化项目的要求，微型机械加工技术以及微通道结构热交换器被用于处理强放热和高危险化学品。德国在1997年开发成功微米级高硼硅玻璃微通道反应器用于偶氮偶合反应。

微反应器技术很多年来一直徘徊在研发和科研应用阶段，停留在“微小”的流体通量水平上，主要用于实验室小剂量化学合成路线的研究和筛选。将微反应器优良的传质和传热效能体现在大规模的产业化装置中，一直是该领域的瓶颈。但现在已经成为具有生产成本优势的工业化利器。据统计，在精细化工反应中，大约有20%的反应可以通过采用微流体化工技术，在收率、选择性或安全性等方面得到提高。微化工技术可用于高效换热、高效混合、强放热反应过程，高附加值精细化学品、剧毒物质、超细/纳米颗粒以及高能炸药的生产过程。

微流体化工技术涉及物理、化学、化工、生物、材料、微电子以及微机械加工等诸多领域，学科交叉性强，其基本原理是通过特殊设计的微结构单元对流经的反应流体进行切割，实现反应流体见以微米时空尺寸，甚至更小进行混合和换热。与传统化工技术相同，微化工技术也使用反应器、混合器、换热器等单元组件。但同传统化工工艺相比，微化工工艺微反应工艺实现了对传质传热的真正强化，使化学过程更快的传质传热、更好的时空收率、更安全环保、更经济节能、占地面积小，大大降低投资成本及能耗。技术优势明显。

根据Lonza对化学反应的动力学分类（A-C三类，反应时间从100ms到10 min），微反应器的常规应用准则如下：

A类化学反应（瞬间反应），只单独使用微结构反应元件即可：如微混合器（通常内部设计有微热换器），不需要连接管线；

B类化学反应（快速反应），可将微反应器和常规的流动式反应器组合使用：如微混合器加延时管线；

C类化学反应（慢反应），使用常规的流动式反应器：如管式反应器，反应器的管径最好是阶梯式增加，以减少压降；

目前世界范围资源日趋减少，环境问题越来越严重的情况下，微流体化工技术为一些危险、苛刻、环境影响严重的化工产品提供了一条先进安全的绿色化学工程路线，为未来化工行业的发展提供了一条先进安全的绿色化学工程路线，为未来化工行业的发展提供了一条有潜在意义的发展方向。在制药、精细化学品和中间体的合成反应中，适于微反应器内进行的反应过程应包含下面的三类。

第一类：瞬间反应

反应半衰期小于1s，这类反应主要受微观混合效果控制，即受传质过程控制，如氯化、硝化、溴化、磺化、氟化、金属有机反应和生成微-纳米颗粒的反应]等；由于传质效果较差，故在传统尺度反应器内进行时，过程难以控制，且产品质量较差。

第二类：快反应

反应半衰期介于1 s~10 min之间，处于传质过程和本征动力学共同控制区域，混合效果对这类反应的影响较小、甚至可忽略不计；但当这类反应的生成焓较大时，采用常规尺度反应器一般不能及时把热量移出，易造成局部温度过高，最终导致反应过程失控和副反应的发生，使反应选择性和产率降低；而利用微反应器的高效传热性能则可以使反应在较低温度梯度下平稳进行，反应过程易控，可提高目的产物的选择性和产率。

第三类：慢反应

反应半衰期大于10 min，处于本征动力学控制区域，此类反应理应更适合于间歇或半间歇釜式反应器；但对于仅在苛刻反应条件下才能发生的反应，如：反应在高温、高压条件下，反应物、产物均为剧毒物质或反应放热剧烈的反应等，若从生产过程安全角度考虑，则适于在微反应器内进行，可极大地提高过程安全性能。