微通道反應器在強放熱反應中的應用進展

馬艾琳，諶禮婷，柳虎軍，陸 黎，侯章群，廖洪利*

(1.成都醫學院藥學院，四川 成都 610500；2.96608部隊衛生處，河南 洛陽 471031)

化工行業中許多工藝伴隨著高危險性的強放熱反應，高熱量的快速釋放易導致副反應的發生，且過程難以控制，極易引發事故[1]。目前，化工制藥行業主要采用傳統釜式反應器進行生產，盡管已在實驗室進行了高溫高壓釜式反應器中的毫升級篩選和條件優化，但將優化條件應用于間歇式反應器仍存在困難。微通道反應器是一種微型化的連續流動的管道式反應器，由微管并聯而成，其微管內徑一般在10～1 000 μm[2]，極大的比表面積使其換熱效率高，可適用高度不穩定甚至爆炸性中間體的反應[3]，在強放熱反應中得到廣泛應用。與傳統釜式反應器相比，微通道反應器的優勢[4]在于：(1)微通道特征尺寸小，比表面積大，傳熱、傳質效率高；(2)采用連續流技術，可精確控制物料停留時間，能避免局部過熱，有效減少了副產物的產生；(3)能有效地進行鏈式反應，保證反應在爆炸極限內有效進行，大大降低了爆炸的可能性，提高了反應的安全性；(4)微通道反應器體積微小，微反應系統是呈模塊結構的并行系統，具有便攜、易操作等特點；(5)擴大生產時，不需要對設備進行尺度放大，只需增加微通道反應器的數量，即“數增放大”。

在此，作者主要對微通道反應器在強放熱反應中的應用進行綜述，包括硝化反應、重氮化反應、氧化反應、氟化反應、氯化反應、溴化反應、聚合反應等。

1 硝化反應

硝化反應放熱劇烈、反應速率快，且需要一定的反應溫度。為保證反應溫度通常要求反應設備有良好的傳熱性能。苯二甲酸的硝化產物是重要的有機合成中間體，在傳統釜式反應器中對苯二甲酸進行硝化常采用硝酸/硫酸混酸工藝，反應過程不易控制且安全隱患大。肖燕等[5]在微通道反應器中采用硝酸/硫酸混酸工藝合成苯二甲酸硝基衍生物(式1)，確定間苯二甲酸在微通道反應器中的最佳硝化條件為：n(間苯二甲酸)∶n(發煙硝酸)∶n(濃硫酸)為1∶1.7∶7、反應溫度75 ℃、停留時間40.9 s，間苯二甲酸轉化率為99.8%，5-硝基間苯二甲酸收率為95%，選擇性為100%；鄰苯二甲酸酐在微通道反應器中的最佳硝化條件為：n(鄰苯二甲酸酐)∶n(發煙硝酸)∶n(濃硫酸)為1∶1.5∶3、反應溫度90 ℃、停留時間60.6 s，鄰苯二甲酸酐轉化率為100%，3-硝基鄰苯二甲酸收率為37%，選擇性為41.3%。

(1)

3,5-二硝基苯甲酸是重要的有機合成中間體，用于生產診斷用藥泛影酸，也可用作分析試劑。苯甲酸硝化合成3,5-二硝基苯甲酸屬于強放熱反應,反應熱為278.96 kJ·mol-1。在傳統釜式反應器中合成3,5-二硝基苯甲酸存在反應時間長、反應過程不穩定、硝化過程易產生“飛溫”現象等不足。郭冰蒙等[6]提出在脈沖微通道反應器中采用連續法合成3,5-二硝基苯甲酸的新工藝(式2)，在n(苯甲酸)∶n(濃硝酸)∶n(發煙硫酸)為1∶2.8∶7、反應溫度為75 ℃、停留時間為4 min的最佳條件下，3,5-二硝基苯甲酸收率為91.0%，選擇性達97.2%。微通道反應器優異的傳熱、傳質性能很大程度上解決了因反應熱不能及時交換而導致的反應失控、爆炸等問題。

(2)

硝基氯苯(NCB)是應用廣泛的重要化工原料，其傳統生產工藝會產生大量廢酸，由于熱量不能及時釋放，無法精確控制反應溫度，存在安全隱患。余武斌等[7]基于微通道反應器優異的傳熱、傳質性能，在并流式微通道反應器中對氯苯進行硝化合成硝基氯苯(式3)，在氯苯流速為0.5 mL·min-1、反應溫度為80 ℃的條件下，硝基氯苯鄰位選擇性明顯提高，時空轉化率比常規反應器高約4個數量級，且副產物較少，實現了硝基氯苯短時高效的連續化生產。

(3)

2 重氮化反應

重氮化反應屬于強放熱反應，且產物重氮鹽不穩定易分解。在傳統釜式反應器中進行重氮化反應由于反應溫度難以精準控制，副反應較多，且需消耗大量的冰，用于抵消反應熱及給機械降溫。微通道反應器可精準調控反應溫度，傳熱效率高，為重氮鹽的合成提供了一條新途徑。楊林濤等[8]研究了紅色基KD(4-甲氧基-3-氨基苯酰替苯胺)在微通道反應器中的重氮化反應(式4)，反應溫度達到10～15 ℃(重氮化反應溫度一般為0～5 ℃)，偶合收率大于98%，所得重氮鹽溶液清澈無懸浮物。該方法節能效果顯著，對重氮鹽的工業化生產具有指導意義。

(4)

Yu等[9]在微通道反應器中進行連續重氮化反應合成對甲基苯酚(式5)。通過優化反應條件，對甲基苯酚總收率較傳統合成工藝大大提高，達到91%，基本無副產物。可見，在微通道反應器中進行芳基重氮鹽水解反應制備苯酚類化合物具有廣闊的應用前景。

3 氧化反應

(5)

在精細化工領域中氧化反應多在間歇式反應器中進行，反應過程復雜，易失控發生爆炸、火災等事故[10]。苯甲醛是一種重要的有機合成中間體，可由甲苯氧化合成，屬于強放熱反應。甲苯液相氧化條件溫和、過程可控，但氧化劑過氧乙酸與其形成液態非均相體系，相阻力的存在不利于傳質。張躍等[11]在脈沖型混合結構微通道反應器中液相氧化甲苯合成苯甲醛(式6)，選擇性達到83.5%。與傳統間歇式反應器相比，微通道反應器大幅提高了原料利用率，可對氧化反應進行有效控制。

(6)

二甲基砜在工業中作為有機合成原料、食品添加劑和保健品原料等，可用于低級羥的分析。過氧化氫氧化二甲基亞砜是除硝酸氧化外合成二甲基砜的另一主要方式，但反應過程放出大量熱，要求反應器具備快速傳熱的性能。傳統生產工藝采用開放釜式間歇生產工藝，向底物中滴加過氧化氫，并采用機械攪拌，反應物濃度分布不均易導致局部升溫過快。薛鵬博等[12]在脈沖混合結構微通道反應器中氧化二甲基亞砜合成二甲基砜(式7)，通過微通道反應器使得反應液快速混合均勻，并及時移走反應物，反應效率明顯提高。在最佳條件下，二甲基砜收率可達91.8%，停留時間僅為10 min，比傳統間歇式反應器反應時間大大縮短。

(7)

4 氟化反應

含氟化合物因具有特殊的物理和化學性質，被廣泛應用于材料、農藥、醫藥等領域。但氟化反應放熱劇烈，易爆炸，極具危險性。一氧化碳和氟氣合成COF2是高放熱的氣相反應(式8)，由于反應釋放的熱量很大，要求反應器的比表面積大，因此使用微通道反應器是一個合理的選擇。Navarrini等[13]在微通道反應器中對一氧化碳進行直接氟化合成COF2，使用AISI316、R400等合金對微通道反應器進行改造，增強了反應器的抗腐蝕性及導熱性；與傳統反應器相比，微通道反應器中反應的選擇性提高了15%～50%，一氧化碳轉化率提高了30%，不穩定副產物三氟甲基次氟酸鹽至少降低40%。

(8)

5 氯化反應

氯化反應反應速率快且放熱劇烈，若使用傳統釜式反應器，存在噴料、氯氣泄露等問題。二氯乙二肟不僅是一種高效的工業殺菌劑，也是合成氮雜環類化合物的重要中間體。張建功等[14]研究了在G1型增強傳質“心形”結構微通道反應器中氯化乙二肟合成二氯乙二肟的工藝(式9)，并優化了工藝條件。在最佳工藝條件下，傳統釜式反應器中二氯乙二肟收率最高為78%，而微通道反應器中可以達到85%。微通道反應器克服了傳統釜式反應器熱量傳遞不均勻的問題，同時降低了氯氣的損耗，大大提高了生產效率。

(9)

2-氯乙酰乙酸乙酯是重要的醫藥、農藥中間體。目前，工業上多采用間歇式反應器生產2-氯乙酰乙酸乙酯，存在副產物多、收率低、品質差等問題。盧樂等[15]以乙酰乙酸乙酯為原料、氯化亞砜為氯化劑，在微通道反應器中，在低溫和微正壓條件下實現了2-氯乙酰乙酸乙酯的連續化合成(式10)，在n(乙酰乙酸乙酯)∶n(氯化亞砜)為1∶1.02、m(乙酰乙酸乙酯)∶m(二氯甲烷)為1∶3、反應溫度為5～10 ℃、停留時間為10 min的條件下,2-氯乙酰乙酸乙酯收率達到92%。

(10)

6 溴化反應

溴代叔丁烷是一種用途廣泛的有機合成中間體，還可作為烷基化試劑。在溴代叔丁烷的工業化生產中存在反應速率慢、效率低、副產物多等問題。張躍等[16]研究了微通道反應器中叔丁醇溴化合成溴代叔丁烷的工藝(式11)，并優化了工藝條件。在最佳工藝條件下，傳統間歇攪拌反應器中溴代叔丁烷選擇性為86.5%，而微通道反應器中可以提高到99.1%。

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7 聚合反應

聚合反應是精細化工領域中典型的放熱反應，易引起熱失控。苯乙烯是一種較活潑的單體，易發生聚合反應(式12)。為分析微通道反應器中苯乙烯聚合的熱危害，Wang等[17]采用計算流體動力學(CFD)方法，將苯乙烯熱聚合的流體力學模型和流固耦合模型相結合，建立了間歇式反應器和微通道反應器的三維穩態模型并進行比較。結果發現，在間歇式反應器中苯乙烯聚合的最高溫度為371.1 ℃，而在微通道反應器中最高溫度僅為150.23 ℃。表明，微通道反應器在控制聚合反應溫度方面較間歇式反應器更有優勢。

(12)

8 結語

微通道反應器優異的傳熱傳質性能、高安全性使其在強放熱反應中更具優勢，克服了傳統釜式反應器在工業生產上的不足。微通道反應器作為一種新興的工業生產工具，在精細化工領域中的應用已初具規模，但其難以應用于多相反應、有固體生成的反應等。相信在不久的將來，微通道反應器會向更安全、可控、全面、自動化的方向發展，成為化工領域的主要反應器之一。