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常見問題

連續(xù)流工藝實(shí)驗(yàn)實(shí)用技巧

2024-02-20 16:02:00

根據(jù)連續(xù)流化學(xué)的相關(guān)特點(diǎn),將連續(xù)流技術(shù)工藝工程分為進(jìn)料、反應(yīng)、溫控、收集四大模塊。

預(yù)熱和保溫

為實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程中溫度的準(zhǔn)確控制,可以提前將物料換熱;達(dá)到設(shè)定溫度后,再混合反應(yīng)。反應(yīng)片1和2進(jìn)行預(yù)熱,第3片開始混合反應(yīng)。微通道反應(yīng)器的換熱效率較高,在-20~250 ℃的范圍內(nèi),一般1片微通道反應(yīng)器就可以在極短的時(shí)間里將物料預(yù)熱到目標(biāo)溫度。同時(shí)高粘物料通過預(yù)熱模塊預(yù)熱可加快流通性。

除此之外,泵進(jìn)出口的輸料管線也可以提前進(jìn)行換熱,如采用伴熱帶加熱、管線換熱夾套換熱等等。伴熱帶應(yīng)用簡單是比較常用的方式,有恒溫伴熱帶(如自來水管伴熱帶、70 ℃左右)和可調(diào)溫度伴熱帶(一般是30~180 ℃)。

對于易揮發(fā)、凝固析出晶體或易分解氣化的原料在用泵輸送過程中,需要進(jìn)行管路冷卻、或保溫。如甲胺水溶液的輸送,甲胺水溶液易揮發(fā),產(chǎn)生氣體。氣泡的產(chǎn)生,會(huì)影響高壓柱塞泵的流量穩(wěn)定性和精確度。在連續(xù)流實(shí)驗(yàn)過程中,泵處于壓力輸送狀態(tài),如果單相閥產(chǎn)生氣泡,會(huì)出現(xiàn)流量波動(dòng),甚至出現(xiàn)不進(jìn)料的情況,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。甲胺水溶液需要提前降溫,并且將整個(gè)輸送管路加裝保溫材料。最好是選擇能夠降溫的泵,保證物料不會(huì)在泵里面氣化。又如苯酚的輸送,苯酚的熔點(diǎn)在60℃左右,在進(jìn)料過程中一般采取加熱融化的方式,需要對泵和管路進(jìn)行保溫處理,防止在管路中析出。

進(jìn)料體積比優(yōu)化

目前市面上大多數(shù)的進(jìn)料泵(高壓柱塞泵、隔膜泵、蠕動(dòng)泵等)在原理上存在脈沖。同時(shí)輸送物料,很難保證物料之間體積比(或質(zhì)量比)的穩(wěn)定性。存在進(jìn)料泵導(dǎo)致的局部配比失衡。物料之間的體積比(或質(zhì)量比)越大,配比失衡越明顯。配比失衡嚴(yán)重影響反應(yīng)效果。

在連續(xù)流反應(yīng)器中,流體的湍流(或混沌流),只可以弱化局部的配比失衡。不同的反應(yīng)器,不同的通道結(jié)構(gòu),弱化能力不同。普遍認(rèn)為,將物料之間的體積比控制在≤10倍范圍內(nèi)比較合適。

對于均相體系,可以將溶劑進(jìn)行分配或增加溶劑,調(diào)節(jié)體積比。如均相硝化反應(yīng),可以將H2SO4進(jìn)行分配,一部分溶解原料,一部分配制混酸。對于非均相硝化反應(yīng),可以嘗試調(diào)節(jié)溶劑用量,調(diào)節(jié)體積配比。

對于非均相體系,可以采用溶劑將物料稀釋,調(diào)節(jié)配比。如,液氯氯化反應(yīng),液氯不溶于DCM,原料(DCM溶液)與液氯的體積比>10 倍,可以采用DCM稀釋液氯,將液氯打成高分散狀態(tài),再參與反應(yīng)的方法調(diào)節(jié)體積配比。

另外,一些反應(yīng)由于放熱速度快,反應(yīng)受熱影響較大,在開發(fā)連續(xù)流工藝時(shí)可采取分散進(jìn)料和分段控溫的方式來解決此類問題。連續(xù)流設(shè)備非常容易實(shí)現(xiàn)分段控溫。不同反應(yīng)段,不同的溫度控制,對提高反應(yīng)的安全性、選擇性、原子利用率有很大幫助。對于分散多位點(diǎn)進(jìn)料有以下兩點(diǎn)優(yōu)勢:

①調(diào)節(jié)物料配比:對于體積比較大的反應(yīng),可以分散進(jìn)料,調(diào)節(jié)原料體積比。對于副反應(yīng)較多的反應(yīng),可以進(jìn)行饑餓反應(yīng),通過降低一股原料(如硝化反應(yīng)的硝酸/硫酸、氧化反應(yīng)的雙氧水/次氯酸鈉、溴代/氯代反應(yīng)的液溴/液氯)和另一股原料或主產(chǎn)物的接觸機(jī)會(huì),從而降低副反應(yīng)的發(fā)生。

②分散反應(yīng)熱量:將反應(yīng)物分散進(jìn)料,反應(yīng)產(chǎn)生的熱量,可以分配至不同的部位,減緩溫度波動(dòng),抑制飛溫現(xiàn)象。在反應(yīng)劇烈,放熱量大的反應(yīng)中需要采用此種方案,如微通道雙氧水氧化工業(yè)化生產(chǎn)。

還有一種方式,可以優(yōu)化體積配比,就是調(diào)節(jié)不同物料輸送管路的內(nèi)徑。通過調(diào)節(jié)內(nèi)徑的尺寸,調(diào)整物料流動(dòng)的截面面積。

進(jìn)料速度

反應(yīng)物料在微通道中流動(dòng)時(shí),在物料、管道確定的情況下,雷諾數(shù)Re與流速 成正比。為了達(dá)到理想的混合效果,應(yīng)選擇較大的進(jìn)料速度。

連續(xù)流微通道反應(yīng)器生產(chǎn)廠家

式中,ρ-流體密度(kg/m3); -平均流速(m/s);d-管直徑(m);μ-流體動(dòng)力黏度(Pa·s或N·s/m2)

連續(xù)流反應(yīng)器有自身的持液量V0(即設(shè)備的容積),對于常規(guī)的液液反應(yīng),其停留時(shí)間計(jì)算方法為:

連續(xù)流微通道反應(yīng)器生產(chǎn)廠家

式中, -物料總流速(mL/min);V0-設(shè)備的容積(mL)。

連續(xù)流反應(yīng)器中的反應(yīng)時(shí)間與物料進(jìn)料速度成反比,速度越快,時(shí)間越短;同樣要達(dá)到相同的反應(yīng)時(shí)間,需要的連續(xù)流設(shè)備越長。同時(shí),流體在管道中流動(dòng),流速越大,摩擦力越大,壓降越大。實(shí)驗(yàn)中,需要綜合分析混合效果、反應(yīng)時(shí)間、壓降等因素來選擇最佳的進(jìn)料速度。


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