摘要：微反應(yīng)器是一種有效的工藝開(kāi)發(fā)和強(qiáng)化的工具，但是從實(shí)驗(yàn)室工藝開(kāi)發(fā)到放大實(shí)際生產(chǎn)仍然存在挑戰(zhàn)，因?yàn)橥ǖ莱叽绲母淖儤O大的影響了傳質(zhì)傳熱過(guò)程。本文主要演示了一個(gè)放熱邁克加成的完整的工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程，綜合考慮了在實(shí)驗(yàn)室工藝開(kāi)發(fā)階段及生產(chǎn)放大過(guò)程中的通道尺寸，停留時(shí)間分布，反應(yīng)物混合，反應(yīng)熱移除等關(guān)鍵影響因素。

圖1 合成3-哌啶丙酸乙酯反的反應(yīng)原理圖

???? 環(huán)戊胺和丙烯酸乙酯經(jīng)邁克加成反應(yīng)生成3-哌啶丙酸乙酯，反應(yīng)溫度30-70oC，淬滅劑：乙酸的甲醇容液（乙酸體積分?jǐn)?shù)：11% ）。根據(jù)微反應(yīng)器內(nèi)部反應(yīng)體積（開(kāi)始混合處和加入淬滅劑處之間的反應(yīng)器體積）和反應(yīng)物流速計(jì)算。

????????

??????????圖2 用于動(dòng)力學(xué)研究的微反應(yīng)器設(shè)計(jì)圖（a）和實(shí)際管式微反應(yīng)器圖（b）?

??? 反應(yīng)物先通過(guò)毛細(xì)管柱預(yù)熱，然后通過(guò)混合器混合后再后續(xù)的不銹鋼螺旋管中進(jìn)行連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)，反應(yīng)溫度由外部熱浴裝置控制，最后通過(guò)T型混合器加入淬滅劑終止反應(yīng)，產(chǎn)物收集后自動(dòng)進(jìn)行GC分析。

表1 不同尺寸通道內(nèi)徑傳質(zhì)效果比較

表2 不同尺寸通道內(nèi)徑傳熱效果比較

　　保持反應(yīng)器MR1和MR2長(zhǎng)度相同，泵速基本相同的條件下，增大反應(yīng)器通道尺寸后，凈流速明顯下降，MR2（0.008）相比于MR1（0.10 m/s）縮小了約10倍，徑向擴(kuò)散相關(guān)系數(shù)Re和Dn分別減小了4倍和2倍，軸向擴(kuò)散相關(guān)系是B0變大，表明混合傳質(zhì)效果變差，理想的活塞流混合模式只有徑向擴(kuò)散，沒(méi)有軸向擴(kuò)散。在傳熱方面，大尺寸的微通道反應(yīng)器MR2的比表面積和傳熱系數(shù)相對(duì)于明顯變小，散熱時(shí)間延長(zhǎng)了9倍。
　　

?圖3?ESK陶瓷SiC反應(yīng)器（左）和反應(yīng)板（右）

?? 為了進(jìn)一步擴(kuò)大反應(yīng)器通道內(nèi)徑進(jìn)行對(duì)比，本文采用了Chemtrix公司的MR260型號(hào)的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器，該反應(yīng)器由混合板（含預(yù)熱， T型混合和2.9mL的反應(yīng)通道）和兩個(gè)反應(yīng)板（反應(yīng)體積分別為16.8和33.6 mL，通道尺寸2.0×2.0 mm）組成。反應(yīng)板內(nèi)部通道90o折行排布（圖3 右），極大增強(qiáng)了混合效果。MR260反應(yīng)板是由3M ESK代加工生產(chǎn)，每個(gè)反應(yīng)板都是陶瓷SiC材質(zhì)，由換熱層和反應(yīng)層或混合層無(wú)壓燒結(jié)而成，傳熱性能極好，生產(chǎn)通量最高達(dá)36L/h，可用于實(shí)際生產(chǎn)。

?圖4 ESK反應(yīng)器和微反應(yīng)器 MR2的產(chǎn)率對(duì)比圖

??? 通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在保證較高的傳熱傳質(zhì)效率的前提下，4mL ESK流動(dòng)反應(yīng)器由于反應(yīng)體積相對(duì)過(guò)小，產(chǎn)率較低外，MR2及54mL的ESK流動(dòng)反應(yīng)器的產(chǎn)率均達(dá)90%。由此證明微通道流動(dòng)反應(yīng)器工藝參數(shù)可一步放大，直接用于實(shí)際生產(chǎn)。
? 為了便于生產(chǎn)工藝的直接放大，我司還代理了Chemtrix其他型號(hào)的微通道反應(yīng)器（流動(dòng)反應(yīng)器）。其中：

??????

?

?????????????? 圖5 Protrix微反應(yīng)器???????????????????圖6 Labtrix Start 微反應(yīng)器
??? Protrix也是一款無(wú)壓燒結(jié)3M ESK碳硅合金材質(zhì)的模塊化低通量流動(dòng)合成反應(yīng)器，可靈活安裝1-4塊SiC模塊，每個(gè)模塊上均設(shè)計(jì)兩組體積不同的獨(dú)立的流體通道，用戶可根據(jù)需要靈活搭配，開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)條件可以直接放大到MR260或MR555進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。
　　玻璃材質(zhì)的微通道反應(yīng)器（芯片反應(yīng)器）Labtrix系統(tǒng)，0.2-100 μL/min低通量，保留時(shí)間1.2 s-100min，也可用于快速篩選反應(yīng)，研究反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，教學(xué)演示等。尤其在教學(xué)演示方面，由于流動(dòng)合成工藝的日趨成熟和完善，多所世界著名高校陸續(xù)將連續(xù)流動(dòng)化學(xué)開(kāi)展為一個(gè)單獨(dú)的學(xué)科，如華盛頓大學(xué)，普度大學(xué)，赫爾大學(xué)，四川大學(xué)，中山大學(xué)等。為了便于教學(xué)，Chemtrix公司還專門為L(zhǎng)abtrix系列配備了“Micro Reaction Technology on Organic Synthesis”教科書一本，教學(xué)方法一套及流動(dòng)化學(xué)計(jì)算軟件一套。
　　更多連續(xù)工藝設(shè)備及方案問(wèn)題，請(qǐng)?jiān)斣兩钲谑幸徽萍加邢薰竟倬W(wǎng)www.e-zheng.com或info@e-zheng.com
參考文獻(xiàn)：
[1] Sebastian S. etc; Kinetic and scale-up investigations of a Michael Addition in microreactors, Org. Process Res. Dev.,2014,18,1535-1544.

?

?