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微反應(yīng)器在化學(xué)化工中應(yīng)用的體會(huì)

發(fā)布時(shí)間：2019/10/29 10:03:59     瀏覽次數(shù)：1019

微反應(yīng)器是當(dāng)前化工行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的熱門，很多企業(yè)和高校都被微反應(yīng)器的各大優(yōu)點(diǎn)所吸引，這幾年大家都一直在了解和探索。那么，對(duì)于微反應(yīng)器在化學(xué)化工中的應(yīng)用是否有些體會(huì)？微反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)，適用的領(lǐng)域，以及面臨的挑戰(zhàn)。文中有總結(jié)和探討，希望和大家共同學(xué)習(xí)。

微反應(yīng)器又被稱作為微通道反應(yīng)器，是集合了微反應(yīng)器、換熱器、微萃取器等化學(xué)分析容器的微型化學(xué)設(shè)備，微反應(yīng)器產(chǎn)生于微流控技術(shù)，由于微尺度的衡量標(biāo)準(zhǔn)不同，微反應(yīng)器與傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)器具相比具有較大優(yōu)勢(shì)。具有隔熱和進(jìn)行快速傳輸?shù)淖饔茫軌驀?yán)格控制化學(xué)反應(yīng)的方式和反應(yīng)的時(shí)間，可以快速對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行放大，具備很強(qiáng)的安全性特征。從而，大大縮短化學(xué)反應(yīng)處理時(shí)間，提高化學(xué)反應(yīng)效率，提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

1、可以精確的控制反應(yīng)的時(shí)間

微反應(yīng)器可以對(duì)反應(yīng)的時(shí)間進(jìn)行精確的控制，通過改變反應(yīng)器的反應(yīng)通道控制化學(xué)反應(yīng)的流速，控制化學(xué)反應(yīng)可能產(chǎn)生的中間物質(zhì)，在化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生之前將物質(zhì)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)反應(yīng)區(qū)間，因此該技術(shù)的產(chǎn)生不會(huì)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，如果遇到多相體系，也能通過控制流速而改變物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)的時(shí)間，通過改變流體的類型，對(duì)整體反映效果達(dá)到控制的目的。如果應(yīng)用微反應(yīng)器，通過控制反應(yīng)停留的時(shí)間，會(huì)取得更加明顯的效果，控制恒定的流速是保證化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵。

2、集成化程度較高

實(shí)現(xiàn)微反應(yīng)以及微分離等操作步驟，一些微反應(yīng)單元的操作可以集成到固定的反應(yīng)芯片之中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微反應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的目標(biāo)，這樣的反應(yīng)效果可以提升反應(yīng)的效率，節(jié)省產(chǎn)品生產(chǎn)的成本。如果材料混合之后反應(yīng)還有停留時(shí)間，則需要及時(shí)更換反應(yīng)的速度，將反應(yīng)安排在同一個(gè)區(qū)域。通過多種形式的反應(yīng)控制模式，可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的重復(fù)性，對(duì)平行試驗(yàn)方式的實(shí)現(xiàn)較為有利。

3、混合效率和熱轉(zhuǎn)換效率均有所提升

微反應(yīng)容器的熱轉(zhuǎn)換效率可以通過化學(xué)反應(yīng)通道來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榉磻?yīng)通道的尺寸只有幾百微米，雷諾數(shù)比較低，層流擴(kuò)散有可能會(huì)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)生的混合物的種類產(chǎn)生影響，產(chǎn)生二次混流的效果，微反應(yīng)器的尺度也可能因?yàn)榉磻?yīng)擴(kuò)散，讓時(shí)間變得更短，混合的效率加快。在一定的優(yōu)勢(shì)條件下，反應(yīng)器的內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)會(huì)因?yàn)榉磻?yīng)條件的影響而有所加強(qiáng)，為了擴(kuò)大反應(yīng)的通道數(shù)量，提升反應(yīng)的條件和質(zhì)量，熱傳播系數(shù)需要和通道的尺寸成正相關(guān)關(guān)系。微反應(yīng)的效率如果可以達(dá)到每平米一萬瓦以上，則可以起到縮小表面積的效果傳統(tǒng)的攪拌設(shè)備只能達(dá)到一千瓦左右。

1、減少反應(yīng)的時(shí)間

微反應(yīng)器可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)高效率的完成，大量減少反應(yīng)的處理時(shí)間。最主要的原因是因?yàn)楦鶕?jù)專項(xiàng)熱系數(shù)的比值計(jì)算，可以高效的實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)。例如，在醇醛等物質(zhì)化合反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)過程中，產(chǎn)生四丁基氟化銨，兩種物質(zhì)互相化合的速率明顯加快，而且發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)化的比例明顯提升。通過甲硅烷基烯醇和溴苯甲烷的融合，可以使得目標(biāo)物質(zhì)的生成達(dá)到百分之百的轉(zhuǎn)化，只用了20分鐘就完成所有的轉(zhuǎn)化要求，大大降低了反應(yīng)的時(shí)間，而傳統(tǒng)的化學(xué)容器無法達(dá)到（相關(guān)資料，上述反應(yīng)至少需要20個(gè)小時(shí)左右）。

2、提高轉(zhuǎn)化的效率

化學(xué)反應(yīng)在微反應(yīng)容器中進(jìn)行的時(shí)候，先是?；磻?yīng)。傳統(tǒng)容積是乙酸酐和醋酸鉀，也有使用醋酸鈉的，這些鹽溶劑的溶解性比較差，可能造成反應(yīng)容器的堵塞等問題。也會(huì)可以采用三乙胺替代的反應(yīng)方式，來提升反應(yīng)的效率。但是微反應(yīng)容器當(dāng)中，事先就可以將各種溶劑進(jìn)行混合，隨著溶劑反應(yīng)速率的加快，溫度設(shè)置會(huì)達(dá)到一百三十度左右，溶劑的反應(yīng)速率會(huì)達(dá)到一百以上。釜式反應(yīng)器的速率有可能達(dá)到百分之八十左右，二羥基化合物的氟化反應(yīng)速率則一般能達(dá)到百分之十五，如果嘗試了微反應(yīng)容器則直接達(dá)到了百分之九十以上。

3、進(jìn)行高溫高壓的反應(yīng)

在控制壓強(qiáng)和反應(yīng)溫度的時(shí)候，一般可以讓反應(yīng)溫度達(dá)到 250℃之上，壓強(qiáng)則可以控制到 1.3Mpa，反應(yīng)時(shí)間可以控制在一到兩個(gè)小時(shí)左右。如果反應(yīng)的時(shí)候采用甲苯作為反應(yīng)間質(zhì)，經(jīng)過反應(yīng)條件優(yōu)化之后，可以加將溫度控制在240℃左右，在壓強(qiáng) 10 倍大氣壓的條件下反應(yīng)，效率不僅會(huì)提升，最終產(chǎn)物也會(huì)更純，廢棄物的回收效率會(huì)提升，副產(chǎn)品的比例甚至?xí)陀?%左右。另外，溫度變化會(huì)對(duì)重排反應(yīng)產(chǎn)生重大影響，在小于 230℃的條件下，轉(zhuǎn)化的安全性不高，也不會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)中副產(chǎn)品的產(chǎn)生，因此盡量不采用控制反應(yīng)時(shí)間的方式改變反應(yīng)效率。

1、制藥行業(yè)和精細(xì)化工領(lǐng)域

在制藥行業(yè)當(dāng)中，很多化學(xué)反應(yīng)都可以通過微反應(yīng)處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，通過連續(xù)工藝流程提高產(chǎn)品使用效率和質(zhì)量。

在精細(xì)化工領(lǐng)域，很多反應(yīng)對(duì)溫度的要求異常苛刻，或者需要在幾百度的高溫條件或者在幾十度的低溫條件下進(jìn)行，因此對(duì)加工物質(zhì)的材料就有高度的溫度控制問題。微反應(yīng)器的尺度可以很好地把握反應(yīng)的特性，對(duì)溫度和反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行精確控制，保證反應(yīng)能夠順著化學(xué)流程正常進(jìn)行下去。

在制藥行業(yè)領(lǐng)域，新藥的研發(fā)也需要耗費(fèi)大量的流程，篩選出合適的化合物是制藥技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。微反應(yīng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)基因分析設(shè)備的集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)基因分步，內(nèi)部環(huán)境和具有生物敏感性的技術(shù)為集成藥物的創(chuàng)造提供良好條件。通過藥物篩選技術(shù)，使得化工領(lǐng)域當(dāng)中實(shí)現(xiàn)微反應(yīng)容器的高效利用，提高藥物產(chǎn)生和提取的效率，降低試劑消耗以及降低反應(yīng)裝置的成本。也可以利用微反應(yīng)容器產(chǎn)生大量的氟化物質(zhì)，并且完成的生產(chǎn)流程效率較高。

2、生物化學(xué)領(lǐng)域的運(yùn)用

多種重要的化合物除了可以利用基因工程進(jìn)行生產(chǎn)的同時(shí)，還可以利用化學(xué)合成的方法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)，但生理系統(tǒng)比較復(fù)雜，很多因素都會(huì)限制醫(yī)療有效物質(zhì)的提取效率。因此，控制反應(yīng)的時(shí)間和反應(yīng)的步驟就顯得格外重要。

目前化工領(lǐng)域催化技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)可以進(jìn)行微反應(yīng)，生物催化技術(shù)與之結(jié)合后將誕生更加綠色的新技術(shù)。一些常見的需要利用反應(yīng)酶的化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)可以利用微反應(yīng)容器實(shí)現(xiàn)多相所需要的性能，如：酶聯(lián)免疫實(shí)驗(yàn)的成功。催化酶參與微反應(yīng)容器已經(jīng)可以在多領(lǐng)域進(jìn)行具體應(yīng)用，由于酶的種類和用量都是有限度的，也可以采用蛋白質(zhì)水解的方法生成。將酶作為一種載體固定在微通道的內(nèi)壁之上，形成微小的酶反應(yīng)容器。

微反應(yīng)容器自產(chǎn)生之后雖然發(fā)展迅速，但是很快就產(chǎn)生了問題與挑戰(zhàn)。例如，微通道容易產(chǎn)生堵塞，一些化學(xué)物品參與反應(yīng)之后，會(huì)影響到通道內(nèi)流體的速率，長(zhǎng)期之后會(huì)產(chǎn)生沉積，影響液體通過的效率，甚至可能導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)失敗。另外，由于涉及到了負(fù)載效應(yīng)，微通道由于尺寸過小，對(duì)催化的裝載能力有限，因此對(duì)催化劑的效用要求較高，催化劑的負(fù)載主要是在內(nèi)壁之上，如果被涂抹到表面，則容易出現(xiàn)附著性問題，會(huì)對(duì)產(chǎn)品開發(fā)的過程產(chǎn)生阻礙。

結(jié)語

微反應(yīng)技術(shù)能夠在改變化工領(lǐng)域反應(yīng)效率的同時(shí)改變反應(yīng)過程，是化工行業(yè)技術(shù)升級(jí)的關(guān)鍵?；ゎI(lǐng)域如果可以高效的應(yīng)用微反應(yīng)平臺(tái)，將能夠極大的提升反應(yīng)效率。微反應(yīng)的研究之路還很長(zhǎng)。

參考資料：《微反應(yīng)器在化學(xué)化工領(lǐng)域中的應(yīng)用》李尚銳