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連續(xù)流微反應(yīng)技術(shù)

21世紀(jì)化學(xué)工業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢就是安全、清潔、高效、節(jié)能和可持續(xù)性,盡可能地將原材料全部轉(zhuǎn)化為符合要求的最終產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的零排放。要達(dá)到這一目標(biāo),既可以從化學(xué)反應(yīng)本身著手,通過采用新的催化劑或合成路線來實(shí)現(xiàn),即化學(xué)的方法;又可以從化學(xué)工程角度出發(fā),采用新的設(shè)備或技術(shù),通過強(qiáng)化化工生產(chǎn)過程來實(shí)現(xiàn),即工程的方法(過程強(qiáng)化)。

微反應(yīng)連續(xù)流技術(shù)的一大特點(diǎn)是快速工藝開發(fā),微反應(yīng)連續(xù)流小試工藝開發(fā)平臺(tái)自動(dòng)化程度高,一天內(nèi)可以輕輕松松完成幾十組實(shí)驗(yàn),極大地提升工藝開發(fā)的效率。

微反應(yīng)連續(xù)流技術(shù)的另一特點(diǎn)是工藝轉(zhuǎn)化中沒有放大效應(yīng)。小試工藝,無需中試,可以直接放大生產(chǎn)??梢源蟠罂s短時(shí)間從而滿足市場的需求。

“微反應(yīng)器“也被稱為“微通道”反應(yīng)器(Microreactor,Micro-channelreactor),是微反應(yīng)器、微混合器、微換熱器、微控制器等微通道化工設(shè)備的通稱。

基于微反應(yīng)器,通過泵輸送物料并以連續(xù)流動(dòng)模式進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的技術(shù)稱為連續(xù)流微反應(yīng)技術(shù)(也稱流動(dòng)化學(xué))。反應(yīng)裝置通常由微反應(yīng)器(包括微混合器、微換熱器、微分離器、微控制器和背壓閥等)與泵相連而成,可包括單步轉(zhuǎn)化、多步連續(xù)反應(yīng)、在線檢測分析、分離純化、萃取、結(jié)晶、過濾和干燥等環(huán)節(jié)和相應(yīng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

板式反應(yīng)器加工制造技術(shù)要求高(包括機(jī)械加工、干法刻蝕加工、化學(xué)蝕刻技術(shù)、激光切割、電成型和電鑄等),成本高。

管式反應(yīng)器一般采用不銹鋼管、玻璃毛細(xì)管、聚四氟乙烯管(如PFA和PTFE等)或聚醚醚酮管(PEEK)等,成本低,操作靈活性大。

        涉及固相反應(yīng)物或催化劑的反應(yīng),可以通過將固相填充在微反應(yīng)器內(nèi)形成微固定床來實(shí)現(xiàn)。而對于固相為產(chǎn)物的反應(yīng),常需要改進(jìn)反應(yīng)體系,設(shè)計(jì)采用能溶解產(chǎn)物的溶劑或能形成較好細(xì)顆粒的懸浮體系,抑或采用“液滴反應(yīng)”將反應(yīng)限制發(fā)生在相互隔離的液滴內(nèi)。

與常規(guī)反應(yīng)器相比,微尺度空間內(nèi)的流動(dòng)、混合和傳遞過程具有特殊性,深入認(rèn)識(shí)其流動(dòng)、混合和傳遞現(xiàn)象是實(shí)現(xiàn)微反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)、高效操控和反應(yīng)過程開發(fā)的基礎(chǔ)。

微反應(yīng)連續(xù)流技術(shù)的使用可以節(jié)省占地、人員成本,新技術(shù)自動(dòng)化程度高,過程可控性大,生產(chǎn)更加安全,生產(chǎn)效率高,運(yùn)行費(fèi)用低,產(chǎn)品質(zhì)量有保障。新技術(shù)的使用可促進(jìn)國內(nèi)技術(shù)的快速升級(jí),提升產(chǎn)品在國際市場的地位。

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

微通道反應(yīng)器優(yōu)勢及價(jià)值(與傳統(tǒng)釜式攪拌釜比較):

連續(xù)流微反應(yīng)技術(shù)具有傳質(zhì)傳熱效率高、本質(zhì)安全、過程重復(fù)性好、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、連續(xù)自動(dòng)化操作和時(shí)空效率高等諸多優(yōu)勢。

相較于傳統(tǒng)的釜式反應(yīng)過程,連續(xù)流微反應(yīng)技術(shù)優(yōu)勢可總結(jié)如下:①反應(yīng)設(shè)備尺寸小,物料混合快、傳質(zhì)傳熱效率高,易實(shí)現(xiàn)過程強(qiáng)化;②停留時(shí)間分布窄、系統(tǒng)響應(yīng)迅速、過程重復(fù)性好,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定;③參數(shù)控制精確(包括濃度分布、溫度分布和壓力分布等),易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制;④幾乎無放大效應(yīng),可快速放大;⑤在線物料量少,適于非常規(guī)反應(yīng)條件(如高溫高壓),過程本質(zhì)安全;⑥連續(xù)化操作,時(shí)空效率高,節(jié)省勞力[41]。據(jù)統(tǒng)計(jì),在化學(xué)藥物合成反應(yīng)中大約有18.5%的反應(yīng)工藝可以通過連續(xù)流微反應(yīng)技術(shù)在選擇性、時(shí)空收率、安全性和經(jīng)濟(jì)性等方面得到優(yōu)化和提升。

100X混合和傳質(zhì)提升:提高收率、減少溶劑、環(huán)保;

1000X傳熱強(qiáng)化:溫控準(zhǔn)確、減少副反應(yīng)、節(jié)能;

1/1000X釜式反應(yīng)器體積:本質(zhì)安全、減少占地、提高畝產(chǎn)效益;

從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化無放大效應(yīng):無需中式,快速市場響應(yīng),降低運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn);

高質(zhì)量:耐溫、耐壓、耐磨、耐熱沖擊、耐腐蝕:性能穩(wěn)定、使用壽命長、安全可靠;

7*24連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行:質(zhì)量穩(wěn)定、減少人工、便于實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)。

微反應(yīng)器對不同類型化學(xué)反應(yīng)的作用

反應(yīng)類型

特征

主要作用

瞬時(shí)反應(yīng)

反應(yīng)特征時(shí)間<1s(混合與傳熱控制)

強(qiáng)化混合與傳熱

快反應(yīng)

反應(yīng)特征時(shí)間10s-30min(主要受本征動(dòng)力學(xué)控制)

精確控制反應(yīng)條件(停留時(shí)間和溫度)

慢反應(yīng)

反應(yīng)特征時(shí)間>30min(本征動(dòng)力學(xué)控制)

熱量控制、安全(新的工藝窗口)


微反應(yīng)技術(shù)優(yōu)勢

微反應(yīng)器與常規(guī)釜式反應(yīng)器

常規(guī)釜式反應(yīng)器

在傳統(tǒng)化工工業(yè)中,制藥、精細(xì)化學(xué)品和化工中間體的合成大多在間歇或半間歇釜式反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行,具有操作靈活、易于適應(yīng)不同操作條件,適于小批量、多品種、反應(yīng)時(shí)間較長的產(chǎn)品尤其是精細(xì)化學(xué)品與生物化工產(chǎn)品的生產(chǎn)以及有固體存在的反應(yīng)過程等優(yōu)點(diǎn)。但其存有明顯缺陷如裝料、卸料等輔助操作耗時(shí)、過程不連續(xù);同時(shí)由于傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器的熱質(zhì)傳遞能力較弱,導(dǎo)致其產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差、對強(qiáng)放熱反應(yīng)的控制能力差。

微反應(yīng)器

微化工系統(tǒng)包含化工單元操作所需要的混合器、換熱器、吸收器、萃取器、反應(yīng)器和控制系統(tǒng)等。作為微化工技術(shù)核心部件的微反應(yīng)器,更確切地應(yīng)稱為微尺度或微結(jié)構(gòu)反應(yīng)器,其流動(dòng)具有微流動(dòng)特征。微化工器件的內(nèi)部通道特征尺度在微尺度范圍(10~500μm),遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)反應(yīng)器的特征尺寸,但對分子水平的反應(yīng)而言,該尺度依然非常大,故利用微反應(yīng)器并不能改變反應(yīng)機(jī)理和本征動(dòng)力學(xué)特性,而微反應(yīng)器正是通過改變流體的傳熱、傳質(zhì)及流動(dòng)特性來強(qiáng)化化工過程的。與常規(guī)尺度反應(yīng)器相比,特征尺度的微微細(xì)化為微反應(yīng)系統(tǒng)帶來了一系列優(yōu)點(diǎn):

大比表面積

在微反應(yīng)器內(nèi),由于內(nèi)部通道特征尺度的減小,比表面積大大提高,如當(dāng)通道特征尺度在100~1000μm范圍內(nèi)時(shí),比表面積可高達(dá)4000~40000m2/m3,而常規(guī)尺度實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)反應(yīng)器比表面積一般在100~1000m2/m3,此時(shí)微反應(yīng)器內(nèi)空氣的層流傳熱系數(shù)可高達(dá)100~1000W/(m2·K),水的層流傳熱系數(shù)更是高達(dá)2000~20000W/(m2·K),在常規(guī)反應(yīng)器內(nèi)這幾乎是一個(gè)不可逾越的值。由于微反應(yīng)器內(nèi)傳熱速率的大大增加,反應(yīng)物或產(chǎn)物能快速被加熱或冷卻,使得在擬等溫條件下精確控制停留時(shí)間成為可能,有效地抑制了反應(yīng)熱的積累和反應(yīng)床層熱點(diǎn)的形成,最終提高了反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、選擇性和產(chǎn)品的質(zhì)量,因此微反應(yīng)器常被用于強(qiáng)放熱/吸熱反應(yīng)過程。

另外,對于圓管內(nèi)層流流動(dòng),當(dāng)管壁溫度維持恒定時(shí),由公式(1)可見,傳熱系數(shù)h與通道特征尺度d(通道當(dāng)量直徑)成反比,即通道特征尺度越小傳熱系數(shù)越大。

Nu=hd/λ(1)

故在微通道內(nèi)可實(shí)現(xiàn)高效換熱過程。式中Nu為努塞爾數(shù),λ為導(dǎo)熱系數(shù)。

同理,對于圓管內(nèi)層流流動(dòng),當(dāng)組分在管壁處的濃度維持恒定時(shí),由由公式(2)可見,傳質(zhì)系數(shù)k與通道特征尺度d(通道直徑)成反比,即通道特征尺度越小傳質(zhì)系數(shù)越大。

Sh=kd/D(2)

故在微通道內(nèi)可實(shí)現(xiàn)液固高效傳質(zhì)過程。式中Sh為傳質(zhì)舍伍德數(shù),D為擴(kuò)散系數(shù)。

(2)大比相界面積

對于氣液體系而言在微通道內(nèi),流體特征尺寸通常在幾十微米到數(shù)百微米,當(dāng)特征尺度處于50~500μm范圍內(nèi)時(shí),理論上微流體的比表面積可高達(dá)2000~

20000m2/m3,較常規(guī)設(shè)備大1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。目前已有的比相界面積最大的微化工系統(tǒng)為降膜式微反應(yīng)器[19],高達(dá)25000m2/m3,而傳統(tǒng)鼓泡塔的比相界面積僅能達(dá)到100m2/m3左右,即使采用噴射式對撞流的氣液接觸式反應(yīng)器的比相界面積最大為2000m2/m3左右[20],若在微型鼓泡塔中采用環(huán)流流動(dòng)操作方式,理論上其比相界面積可以達(dá)到50000m2/m3以上[21,22]。

對于液-液體系而言,在液-液界面張力的作用下,通常其比相界面積通常要比同樣操作條件的氣液體系要大,可達(dá)5000~50000m2/m3。

顯然,流體比相界面積的增加對于一些多相反應(yīng)或傳質(zhì)過程極為有利,甚至在多相體系中只要有一相的流體層厚度被控制在微尺度范圍內(nèi),就可達(dá)到強(qiáng)化傳質(zhì)的目的,故在微通道內(nèi)可實(shí)現(xiàn)多相體系的高效傳質(zhì)過程的操作。

(3)體積小

由于微通道線尺度的縮小,微系統(tǒng)的內(nèi)部體積急劇減小,對微分析或微反應(yīng)器系統(tǒng)而言,典型值可達(dá)幾個(gè)微升,由此可減少構(gòu)造材料的用量及分析試劑的用量。微反應(yīng)器內(nèi)部體積的縮小不但有利于傳熱,而且能夠加強(qiáng)對反應(yīng)過程的控制,如終止自由基鏈增長,拓寬反應(yīng)的安全操作范圍,由于內(nèi)部體積的縮小使自由基易于在微通道壁面上湮滅,避免爆炸的發(fā)生。同時(shí),可大大減少反應(yīng)過程中的持液量和增加反應(yīng)器的耐壓能力,因此微反應(yīng)器系統(tǒng)具有極高的內(nèi)在安全性,可以進(jìn)行一些常規(guī)條件下難于安全、平穩(wěn)進(jìn)行的反應(yīng)過程。

(4)直接并行放大

微反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)每一通道均相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)器,故放大過程即為通道數(shù)目的疊加過程(Numbering-up)。通常而言微反應(yīng)器的放大過程包含:單一反應(yīng)芯片上微通道數(shù)目的增加和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,即橫向放大模式;多個(gè)反應(yīng)芯片間的排列和疊加,即縱向放大模式,通過以上兩個(gè)層次的放大可節(jié)約微反應(yīng)器系統(tǒng)的研發(fā)時(shí)間和成本,實(shí)現(xiàn)科研成果的快速轉(zhuǎn)化。

 

(5)過程連續(xù)

對于受傳遞控制的快速反應(yīng)過程,利用微反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作,可有效地縮短停留時(shí)間,提高反應(yīng)速率,使之接近其本征動(dòng)力學(xué)控制范圍,可有效抑制副反應(yīng),提高轉(zhuǎn)化率和目的產(chǎn)物的選擇性,實(shí)現(xiàn)高空速操作模式,因而具有較高的時(shí)空收率,這種效果在金屬有機(jī)合成反應(yīng)中得到了驗(yàn)證。

(6)高度集成

利用成熟的微加工技術(shù)可將微混合、微反應(yīng)、微換熱、微分離、微分析等多個(gè)單元操作和一些與之相匹配的微傳感器、微閥等器件集成到一塊反應(yīng)芯片上,實(shí)現(xiàn)單一反應(yīng)芯片的多功能化操作,從而達(dá)到對微反應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制,以增加反應(yīng)速度和節(jié)省成本。

(7)混合時(shí)間短

微反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)流體厚度通常在微米量級(jí),其混合時(shí)間通常小于1s,通過混合通道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)甚至可達(dá)毫秒級(jí),而常規(guī)尺度反應(yīng)器的混合時(shí)間通常大于1s。

(8)能耗低

現(xiàn)有研究表明,完成同一個(gè)反應(yīng)過程,與傳統(tǒng)尺度反應(yīng)器相比采用微反應(yīng)器系統(tǒng)的能耗要低很多,如:與固定床反應(yīng)器相比,在相同操作條件下微反應(yīng)器的壓降減小到原來的1/3~1/4;研究者們通過對微混合器內(nèi)油水兩相乳化過程進(jìn)行的能量耗散分析可知,當(dāng)液滴尺寸分布以及乳化液穩(wěn)定性與傳統(tǒng)尺度攪拌釜內(nèi)的結(jié)果相當(dāng)時(shí),其能耗同樣降低許多[27];保持同樣的收率,采用微反應(yīng)器可使反應(yīng)溫度由常規(guī)尺度反應(yīng)器內(nèi)的-60℃升高至0℃,大大降低了過程能耗。

(9)工藝綠色化

采用微反應(yīng)器技術(shù),可實(shí)現(xiàn)常規(guī)尺度反應(yīng)器內(nèi)不能進(jìn)行的芳香族化合物的直接氟化反應(yīng)過程,即用單質(zhì)氟作為反應(yīng)物進(jìn)行氟化反應(yīng),與傳統(tǒng)的間接多步過程相比,獲得了較高的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率,提高了劇毒物質(zhì)氟的利用率,基本實(shí)現(xiàn)氟化反應(yīng)綠色工藝。另外,利用微反應(yīng)器技術(shù)還可降低有機(jī)合成反應(yīng)中溶劑的使用量。

連續(xù)流化學(xué)最大的優(yōu)點(diǎn)在于:快速反應(yīng),產(chǎn)物純度高,反應(yīng)安全,快速篩選反應(yīng)條件,易放大。

微反應(yīng)器技術(shù)已經(jīng)廣泛涉獵于精細(xì)化工研發(fā)與生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域,如:農(nóng)藥中間體、醫(yī)藥中間體、染料中間體、納米材料、環(huán)保處理、萃取、乳化等等,并成功使用于多個(gè)工業(yè)化項(xiàng)目。

微通道反應(yīng)器主要適用于液液快速反應(yīng)、強(qiáng)放熱反、危險(xiǎn)反應(yīng)及需要良好混合條件的化學(xué)合成反應(yīng)。

主要應(yīng)用領(lǐng)域:醫(yī)藥、精細(xì)化工、染料、香精香料、農(nóng)業(yè)化學(xué)、特殊化學(xué)品,日用品化工業(yè)及科研教學(xué)。 常見反應(yīng)工藝類型:硝化反應(yīng)、磺化反應(yīng)、酯化反應(yīng)、環(huán)化反應(yīng)、縮合反應(yīng)、疊氮化反應(yīng)、偶氮化反應(yīng)、氧化反應(yīng)、過氧化反應(yīng)、烷基化反應(yīng)、胺基化反應(yīng)、氯化反應(yīng)、加氫反應(yīng)、取代反應(yīng)、貝克曼重排反應(yīng)、邁克加成反應(yīng)、催化反應(yīng)、光照反應(yīng),格氏反應(yīng)等。


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