微通道反应器在合成工艺改进中的应用研究进展

1.用于传统釜式反应工艺参数的优化

传统釜式反应设备在进行工业化生产时,存在放大效应，工艺参数需要随着反应设备的放大不断地进行优化。同时,由于反应参数的改变会对结果产生较大影响,因此,在原有合成路线基础上进行反应条件的优化,是化学合成工艺改进的重要研究方向。采用微通道反应器作为新的反应容器，不仅避免了放大效应,还能对传统釜式反应工艺的优化参数做进一步改进,以实现经济及环境效益的最大化。

微通道反应器在实现生产无隙放大的同时，有效地提高了反应的时空转化率。顺丁烯二酸酐与乙烯在光催化下,进行[2+2]环加成反应,得到环状酸酐。酸酐在不同反应条件下,形成不同手性的1,2-二甲酸环丁烷,游离的羧酸基团又可通过进一步反应,得到不同手性的产物。虽然常规的光化学合成设备可以实现该环加成反应,但是由于存在光的穿透性及气液混合问题,其放大生产过程仍存在较大阻碍。Williams等[+在Cor-ning连续流光化学微通道反应器中对该反应进行了深人研究,工艺过程见图1。LED灯提供了更高强度的光源,且微反应器中较小的持液量,使得该反应的时空转化率大幅提升,超过原反应的3.3倍。最后,利用Coring G1光化学微通道反应器实现了放大化生产,在10h的运行时间里获得了超过100的产物。

同样，在常规反应器中进行氯苯硝化时,n(硝酸)/n(硫酸)=1/3、n(硝酸)/n(氯苯)=1.2/1,于80C反应3h,转化率可达99%。而采用微通道反应器作为新的反应容器,在保持其他条件不变的情况下,可使反应时间缩短至6.48s，时空转化率为原工艺的3.08x102倍。其中，CorningG1型微通道反应器的反应功能模块由三层结构通道组成,上下两层用于换热,中间一层为心型反应通道,结构见图2。反应通道的心形设计,使得物料能够进行充分的接触、混合,但又巧妙的避免了返混现象的发生。

对于一些反应而言,其传统工艺就可实现较高收率,但是反应时间较长、物料消耗较大,而微通道反应工艺就能很好的解决这些问题。2018年,Pawlowska-Zygarowicz等分别在间歇釜式反应器和微反应器中,用Karstedt催化剂催化1,1，1,3,5,5,5-七甲基三硅氧烷(HMTS)与1-辛烯、3-烯丙基氧基-1,2-丙二醇或烯丙基甘油醚进行反应。通过分析两种反应器中的反应结果发现:虽然两种反应器中产物的选择率相似,均在97%以上,但是在相同的反应停留时间内,微反应器中底物的转化率明显高于间歇釜式反应,且微反应器中的反应温度、催化剂浓度及副产物的量都得到了有效控制。