微通道反應器工業(yè)化優(yōu)勢
微通道反應器(Microchannel reactor)是利用精密加工技術制造的特征尺寸在10到1000μm之間的微型反應器,通常作為連續(xù)流反應器(Continuous flow reactor)來使用(相對于間歇反應器,即Batch reactor)。微反應技術近十年來在化學合成領域取得突破性的進展,其反應通道的尺寸也由于工藝放大的要求而擴展至毫米級別,因此學術界開始使用更加確切的“流動化學(Flow chemistry)”術語。
“流動化學(Flow chemistry)”或稱為“連續(xù)流化學(Continuous flow chemistry)”是指通過泵輸送物料并以連續(xù)流動模式進行化學反應的技術,盡管流動化學在諸如石油化工行業(yè)的大宗化學品生產中是非常成熟的技術,但在藥物合成等精細化工行業(yè)尤其是實驗室研發(fā)階段,該技術還是相對較新的概念。
流動化學(Flow chemistry)技術已經實現(xiàn)了從早期的某些特定反應可行性概念的驗證到多步連續(xù)復雜合成的跨越,尤其在藥物合成方面,越來越多的知名國際制藥企業(yè)改變過去嚴加保密的策略而開始公開發(fā)展該技術。微通道反應器有著極大的比表面積,由此帶來的是反應物料在微型尺寸通道內混合時有著優(yōu)異的混合效率和換熱效率。微反應器可以對反應的溫度、停留時間、物料配比進行嚴格的控制,這些都是提高選擇性、收率的關鍵因素,并且危險反應可以做到安全可控。
微通道反應器具有以下優(yōu)點:
1、小試工藝可直接進行放大。精細化工行業(yè)中的反應器絕大多數(shù)是間歇式反應器。由于傳質、傳熱的不同,放大的流程一般都是實驗室驗證、小試、中試、工業(yè)化生產。而由于微反應器自身的優(yōu)勢,小試的工藝條件可以直接進行放大,大大縮短了工藝開發(fā)的時間;
2、精確控制反應溫度。得益于微反應器極大的換熱面積,反應過程中物料的溫度可以維持恒定。對于強放熱的反應,熱量也可以及時移除,避免了間歇釜式反應器傳質與傳熱局限造成的局部過熱現(xiàn)象,降低副反應發(fā)生的可行性;
3、精確控制反應時間。在連續(xù)流動的微反應器中,通過對反應器的組裝與拆分,亦或是通過調節(jié)物料的流速,可以對反應時間(微反應器內即停留時間)進行精確控制,可以消除因為反應時間過長造成的副反應;
4、精確控制物料配比。微反應器傳質系數(shù)比間歇反應器高幾個數(shù)量級,因此物料在接觸的瞬間即混合均勻,避免物料配比過量造成的副反應;
5、安全可控。由于傳熱系數(shù)極高,即使反應突然釋放大量熱量,也可以在短時間內被移除,從而保證反應溫度在設定范圍內,最大程度地減少了發(fā)生安全事故的可能性。而且微反應器中物料量少,即使反應失控,危害程度有限。
微通道反應器開發(fā)的連續(xù)合成工藝可以實現(xiàn)工藝直接放大、精確控制反應溫度、精確控制反應時間、精確控制物料配比以及最大程度控制安全風險等優(yōu)點,但是微通道反應設備初期投資相對要大,因此限制了其在工業(yè)化的推廣及應用。但是伴隨著國家對化工安全的控制越來越高,傳統(tǒng)的反應釜工藝很難滿足國家對化工安全的控制要求,通過微通道反應器開發(fā)的合成工藝必然會得到大力的推廣。
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