微通道反應(yīng)器(Microchannel reactor)是工藝流體的通道特征尺度在數(shù)百微米以下的微型設(shè)備。微通道反應(yīng)器是一個(gè)復(fù)雜的微系統(tǒng)，各部件和微通道都要進(jìn)行精密的設(shè)計(jì)和研究。其中微結(jié)構(gòu)是微反應(yīng)器的核心, 按照微結(jié)構(gòu)種類(lèi)的不同形成了不同形式的微反應(yīng)器。

微通道反應(yīng)器的特點(diǎn)

(1)不同物料在反應(yīng)器中混合，增加相對(duì)接觸面積同時(shí)，縮短了擴(kuò)散距離，從而縮短了反應(yīng)時(shí)間。

(2)物料在反應(yīng)通道中連續(xù)流動(dòng)，反應(yīng)過(guò)程條件穩(wěn)定可控，得到的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，收率高，副產(chǎn)少。

(3)微通道反應(yīng)器換熱效果好，提高了反應(yīng)的安全性， 而且沒(méi)有放大效應(yīng)。

1.微通道反應(yīng)器在重氮化反應(yīng)中的應(yīng)用研究

重氮化反應(yīng)屬于危險(xiǎn)化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)瞬時(shí)放熱，產(chǎn)物易分解。若采用傳統(tǒng)釜式裝置需要消耗大量冰，這些冰一方面用于抵消反應(yīng)熱、另一方面消耗于環(huán)境溫度以及強(qiáng)力機(jī)械攪拌帶來(lái)的機(jī)械溫升，同時(shí)由于產(chǎn)物重氮鹽也需要低溫安全儲(chǔ)存，且儲(chǔ)存時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，因此能耗很大，浪費(fèi)很大，且產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，收率波動(dòng)大。本文以紅色基的重氮化反應(yīng)為例，對(duì)此進(jìn)行說(shuō)明。

反應(yīng)方程式以紅色KD的重氮化反應(yīng)為例，其反應(yīng)方式為：

圖1紅色基的重氮化反應(yīng)方程式

實(shí)驗(yàn)方法

稱(chēng)定量的紅色基KD、水及鹽酸在燒杯中，攪拌，打漿成均勻乳狀液；稱(chēng)取定量的亞硝酸鈉配成水溶液；調(diào)整兩者體積達(dá)到一定比例；利用計(jì)量泵將KD乳液與亞硝酸鈉溶液以摩爾化學(xué)反應(yīng)量準(zhǔn)確注入到微通道反應(yīng)器中反應(yīng)。記錄數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

影響重氮化反應(yīng)的因素包括溫度、酸用量、流速、停留時(shí)間等，經(jīng)過(guò)合成工藝條件的優(yōu)化，對(duì)各種不同的芳胺進(jìn)行重氮化反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 芳胺微通道重氮化反應(yīng)情況一覽表

表2中溫度條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，在微通道反應(yīng)器中大部分氨基物的重氮化反應(yīng)溫度可在10-20℃下進(jìn)行，這樣可大大減少冰的使用，節(jié)能效果明顯。所得重氮鹽溶液外觀清澈透明、無(wú)分解物，可直接進(jìn)入下一步，與對(duì)應(yīng)的化合物進(jìn)行偶合反應(yīng)，以重氮鹽計(jì)偶合收率可達(dá) 98-100％。

2.微通道反應(yīng)器在耦合反應(yīng)中的應(yīng)用研究

與重氮化反應(yīng)相比，偶合反應(yīng)速率較慢，反應(yīng)產(chǎn)物往往溶解度變化較大，析出后物料粘度大幅提高，嚴(yán)重影響物料的混合，易形成物料包裹造成反應(yīng)不徹  底。 將微通道反應(yīng)器應(yīng)用到偶合反應(yīng)，強(qiáng)化物料混合，有利于提高反應(yīng)速率， 降低重氮鹽的分解幾率。本文以合成苯胺黃進(jìn)行說(shuō)明。

稱(chēng)取一定量苯胺加入到鹽酸溶液中。將溶有苯胺的鹽酸溶液置于0-5°Ｃ冰浴中，持續(xù)攬拌待用。稱(chēng)取微過(guò)量的亞硝酸鋼溶于水中。將亞硝酸鋼溶液迅速加入到苯胺溶液中去，保持溫度為0-5°Ｃ，并進(jìn)行持續(xù)攢拌20min。將產(chǎn)物用埃利希試液檢，2ｓ內(nèi)產(chǎn)物與埃利希試劑重合處不顯色，證明苯胺反應(yīng)完全。將產(chǎn)物用淀粉碘化鉀試紙檢測(cè)，試紙變藍(lán)，說(shuō)明硝酸鹽過(guò)量，加入少量氨基磺酸中和掉多余的亞硝酸鈉，再用淀粉碘化鉀試紙檢測(cè)，試紙不變藍(lán)，證明亞硝酸鈉中和完全。??稱(chēng)取一定量1-(4-磺酸基苯基)-3-甲基-5-吡唑啉酮溶于水中，向溶液中逐漸加入NaOH，吡唑啉酮完全溶解，繼續(xù)滴加NaOH溶液，直至檢測(cè)溶液pH至8，9,10,11,12將溶液定容至250ml，檢測(cè)溶液pH，靜待偶合。

啟動(dòng)冷熱一體機(jī)，將反應(yīng)器溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度下，將重氮鹽與偶合組分經(jīng)過(guò)泵，連續(xù)通入微反應(yīng)器內(nèi)；用收集瓶收集產(chǎn)品待檢測(cè)；改變泵流量重復(fù)上述步驟。溫度與流量對(duì)產(chǎn)品收率的影響結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 20℃下收率與反應(yīng)物流量的關(guān)系

圖4 反應(yīng)溫度與產(chǎn)品收率的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度與流量對(duì)產(chǎn)品收率的存在協(xié)同作用。在反應(yīng)溫度為5-25℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，反應(yīng)速率加快，反應(yīng)完全所需停留時(shí)間變短，但同時(shí)低流量長(zhǎng)停留時(shí)間下副反應(yīng)進(jìn)行加快。因此，低溫下合成收率為反應(yīng)轉(zhuǎn)化率控制，合成應(yīng)應(yīng)在較低流量下完成。高溫下反應(yīng)為選擇性控制，合成應(yīng)在較高流量下完成。25℃流量在3ml/min-7ml/min反應(yīng)收率可達(dá)95%以上。

參考文獻(xiàn)

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