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過程強化

過程強化/Process Intensification

任何新技術的實施在開始的時候都會遇到很多障礙,連續(xù)流技術也是一樣。首先在設計反應的時候需要改變思維方式,需要注意到以前沒有注意到的事項例如反應速度,固體的產生。而且連續(xù)流技術對研究人員有更高的要求,要了解一些工程類知識,對反應的動力學和機理要有更加深刻的認識,還需要與化工技術人員密切合作,這樣才能有效利用連續(xù)流這個新的工具。

根據(jù)龍沙的一份報告,大約60%的反應能受益于連續(xù)流工藝。但是要得到好的結果,需要做很多的改變才能真切的獲得益處。例如,大約40%的反應有固體,有固體并不意味著就不能進行連續(xù)流實驗,這就需要實驗人員做很多的改變,包括反應試劑、反應溫度及加料方式等等。

很多反應在傳統(tǒng)的處理過程中存在很大的安全隱患或者小試工藝難于放大生產。化學家在設計這些路線時,往往需要極力避免這些不利因素,導致合成路線較長,或者使用很貴的替換試劑。而連續(xù)流為化學家提供了另外一種思路,可以避免這些不利因素,有效降低成本。

所謂過程強化,就是通過提升溫度、增加反應物濃度和壓力等來提升反應速度、降低反應時間,最終達到提高反應收率和選擇性等目的。這些技術通常只用于大化工,而使用微通道反應器之后,這項技術也能給傳統(tǒng)的精細化工和制藥行業(yè)帶來很多變化。微反應就是一項利用過程強化,提升反應速度以達到降低反應持液量,同時增加反應選擇性和收率的一項新技術。

對于傳統(tǒng)思維,在合成路線選擇的時候,危險的中間體或者產物在反應溫度下不穩(wěn)定的情況往往都是極力避免的。而使用微通道反應器之后,我們就不需要有這樣的禁忌。

微通道反應器持液量少,與傳統(tǒng)反應釜相比,具有本質安全等特性。一些有危險中間體參與的反應,比如重氮甲烷,重氮化合物,疊氮化合物都可以直接在微通道反應器上使用。

利用連續(xù)操作模式的微通道反應器進行化學反應過程研究,在過去的十幾年中發(fā)展十分迅猛,尤其在能源、制藥、精細化學品、高能炸藥及化工中間體的合成反應過程中得到廣泛關注。

連續(xù)流微反應作為一項新興的技術,其除了在上述的各類化學反應中的應用外,還在光催化化學、生物催化反應、電化學反應、無機化學、精餾重結晶、流量監(jiān)測等各方面得到了空前的發(fā)展。

連續(xù)流合成范圍及領域不斷擴展,不但包括傳統(tǒng)的反應類型及醫(yī)藥及精細化工行業(yè),還延展到電化學、光化學、微波化學、納米材料以及功能材料等領域。

化工行業(yè)對流程可持續(xù)性的要求也越來越高,改善化學生產的一種有前途的方法是過程強化。過程強化意味著與依賴于現(xiàn)有概念的性能改進的常規(guī)過程開發(fā)相比,將為涉及的過程步驟和設備開發(fā)全新的概念。

采用模塊化生產和工廠概念的方法來強化流程,以實現(xiàn)兼顧可持續(xù)性和經濟效率的靈活,可擴展的生產。因此,一個核心要素是開發(fā)和使用類似容器的移動工廠基礎設施。另一個是依靠適合批量生產的制造技術,對模塊化的,可擴展的微反應器進行了改進,以用于工業(yè)生產。

微反應器實現(xiàn)并控制的苛刻工藝條件的有針對性使用,大大提高了加工機會。尤其是由于過程溫度的提高以及通過將批料轉換為連續(xù)過程而加快了反應速度,從而提高了過程本身的生產率。通過實現(xiàn)高質量的產品進行陰離子聚合,通過提高時空產量來實現(xiàn)大豆油的環(huán)氧化,通過使用較低價值的原料生產超臨界生物柴油。

通過過程強化進行優(yōu)化的潛力在許多其他領域中也提供:

藥物合成

精細化學

使用不同的常規(guī)燃料和可再生燃料生產和處理含氫氣體,用于燃料電池,

光化學過程。

微反應器對不同類型化學反應的作用

反應類型

特征

主要作用

瞬時反應

反應特征時間<1s(混合與傳熱控制)

強化混合與傳熱

快反應

反應特征時間10s-30min(主要受本征動力學控制)

精確控制反應條件(停留時間和溫度)

慢反應

反應特征時間>30min(本征動力學控制)

熱量控制、安全(新的工藝窗口)


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