摘要：随着精细化工是当今化学工业中比较新型的研究学科,也是近年来最活跃的化工领域之一。精细化工为新材料提供了保障。而微反应器作为微型通道在精细化工中具有传统大型反应器无可比拟的优势。所以大大加强微反应器在精细化工中的应用，可以积极调整国家化学工业结构、提升化学工业产能，提高企业经济效益。
关键词：精细化学；微反应器；原理；应用
近些年来，国内外对微反应器的研究也很多，微反应器的价值也突显出来，而且微反应器也被广泛的应用在化学化工领域，自上世纪起，国内外学者发表了众多关于微反应器研究的文章。现在我国还存于微反应器的初步研究阶段，在工业上对微反应器的应用还不多，很多领域也都没有应用这个系统，本文就微反应器在精细化学中的应用价值进行分析。
一、微反应器的结构特征决定了其特殊优势
微反应器从本质上讲是一种连续流动的管道式反应器。它包括化工单元所需要的混合器、换热器、反应器、控制器等等。但是,它的管道尺寸远远小于常规管式反应器,微反应器内部是由直径为10~500 的很多微管并联而成,有极大的比表面积。由此带来的优势是极大的换热效率和混合效率。即能实现对反应温度的精确控制和对反应物料以精确配比瞬间混合。这些都是提高收率、选择性、安全性,以及产品质量的关键。由于这一完全不同于常规反应器的结构特征,决定了微反应器的几个突出优势：
1.小试工艺不需中试可以直接放大:精细化工行业多数使用间歇式反应器。小试工艺放大到大的反应釜,由于传热传质效率的不同,工艺条件一般都要通过实验来修改以适应大的反应器。一般的流程都是:小试→中试→大生产。而利用微反应器技术进行生产时,工艺放大不是通过增大微通道的特征尺寸,而是通过增加微通道的数量来实现的。所以小试最佳反应条件不需要做任何改变就可以直接进
入生产。因此不存在常规反应器的放大难题。从而大幅度缩短了产品由实验室到市场的时间。这一点对于精细化工行业,尤其是惜时如金的制药行业,意义极其重大。
2.对反应温度的精确控制:极大的比表面积决定了微反应器有极大的换热效率,即使是反应中瞬间释放出大量热量,也可以及时移出,维持反应温度不超过设定值。而对于强放热反应,常规反应器中由于混合速率及换热效率不够高,常常会出现局部过热现象,导致副产物生成,收率和选择性下降。在精细化工生产中,如果不能及时导出剧烈反应产生的大量热量,就会发生冲料事故甚至爆炸。
3.对反应时间的精确控制:常规的单锅反应,往往采用逐渐滴加反应物,以防止反应过于剧烈,这就造成一部分先加入的反应物停留时间过长。对于很多反应,反应物、产物或中间过渡态产物在反应条件下停留时间一长就会导致副产物的产生。而微反应器技术采取的是微管道中的连续流动反应,可以精确控制物料在反应条件下的停留时间。一旦达到最佳反应时间就立即传递到下一步或终止反应,这样就能有效消除因反应时间长而产生的副产物。
4.物料以精确配比瞬间混合:对于那些对反应物料配比要求很精确的快速反应,如果搅拌不好,就会在局部出现配比过量,产生副产物,在常规反应器中几乎无法避免,而微反应器的反应通道一般只有数十微米,可以精确按配比混合,避免副产物生成。
5.结构保证安全性:由于换热效率极高,即使反应突然释放大量热量,也可以被吸收,从而保证反应温度在设定范围内,最大程度地减少了发生安全事故和质量事故的可能性。而且微反应器采用连续流动反应,在反应器中停留的化学品量很少,即使万一失控,危害程度也非常有限。
二、精细化工中微反应器的类型
市面上微反应器的种类很多，但都具有严格的划分规律。比如按精细化工中用途可分为生产用微反应器和实验用微反应器；按照精细化工操作模式可分为连续微反应器、半连续微反应器和间歇微反应器。若按照精细化工中不同相态的反应过程,微反应器又可分为气固相催化微反应器（其中固体做催化剂，两种（或以上）气体混合物是反应物。现阶段这种微反应器种类最多。而较为简单的气固相催化微反应器是应用于壁面固定有催化剂的微通）；液液相微反应器（为了加大在液相反应中液体接触面积和减少扩散距离，使液体充分混合并且阻止副反应，提高选择性而建立的液相细微反应通道）；气液相微反应器（让气体充分扩散到液体中去，增大气液接触面积，并且在整个微通道中保持向外扩散，比传统的气液相反应器更高效）；气液固三相催化微反应器（通常固体做催化剂,气体和液体为反应物或产物。反应中要加大气体在液体中的分散，还要气液固有较大的接触面积，并且保证反应不会逆向发生）。
三、精细化工中微反应器的应用———案例分析
1.低温反应和金属有机化学反应。精细化学中有很多要求在温度10℃的环境中进行，这类反应要求的条件严格，而且一旦条件不满足其要求，与需要值偏低或是偏高，都会影响反应的进行，影响反应的产率。实验室中可以精准的控制反应条件，但是在实际的生产中往往无法做到反应条件的精准，而且若是采用内加盘管反应罐的方式，需要的时间比较长，而且反应的投入也会增大。这时就可以应用微反应器来实现精细化工中的产品生产。如，低温Swern氧化反应，如图1。
图1 低温Swern氧化反应
这个反应的是制备羰基化合物的有效方式。这个反应的催化剂为DMSO和三氟乙酸酐Ⅰ和Ⅳ是中间产物，这两种物质很容易通过Pummerer重排，生成副产物Ⅵ和Ⅶ，要想降低Ⅵ和Ⅶ的产生，就要控制温度在－50℃，这样的反应条件也限制了工业上这一反应的应用。而微反应器在精细化学领域的应用极大的改进的反应需要的条件，在为微反应器中进行反应，其温度在20℃时得到的产物比常规反应－70℃得到的产物的收率还高。常规反应器在－70℃时，收率为83%，在－20℃时，收率降到19%。而微反应器在－20℃条件下，收率就能达到88%，这就已经超过了常规反应器在－70℃时的收率。
图2 高温重排反应
高温反应和易失控反应。高温重排反应中有很多容易失控反应，这种反应需要在高温条件下进行，而且这种反应需要的时间往往比较长。如图2，这个反应需要的反应温度很高，而且在不同的阶段需要不同的温度，在反应的前27h中，需要140℃的高温下进行，后10h需要在150℃的温度下进行，而且这种反应的温度越高，反应进行的越快。但是由于反应的温度过高，热量容易在一瞬间释放，反应就可能失控。间歇式反应采用的办法是逐渐添料，通过溶剂的回流来控制温度，但是这样反应需要的时间就更长，而且反应后产物的收率也会降低，所以这种做法并不可取，还是应该采用更合理的方式。采用微反应器进行反应就能得到很好的效果，与常规的反应器相比，微反应器可以在高于常规反应温度220～260℃的温度下进行，3～10min就可以得到98%的收率，而且在微反应器中不需要使用溶剂。而常规反应器需要使用有害溶剂，反应时间大约在12～27h，收率也没有微反应器高，只有80%～85%。
3．利用微反应器提高反选择性。很多反应得到的产物虽然也有效，但是质量较低，而是用微反应器可以有效提高产物的质量。如常规反应器制备偶氮颜料得到的颜料的颗粒不平均，直径较大，其色泽和透明度都一般。而使用微反应器，Pennemann H制备的颜料黄12号的直径较小、颗粒平均、晶体性质改善，而且光泽和透明度也提高。使用常规反应器偶氮颜料得到的晶体透明度为7%，而使用微反应器得到的颜料透明度为73%，而且粒径的强度也提高了19%～39%。
作为一件新生事物,人们持有怀疑是正常的。但是通过以上所举的实例,应当认识到这一技术的巨大价值。而目前这一技术在中国大陆的应用还几乎是空白,无论是在科研上还是生产上,都有很多工作可以开展。
参考文献
［1］王民．绿色化工技术在精细化工中的应用［J］．化工管理，2016(30):131，133．
［2］李丽．催化加氢技术在精细化工中的应用［J］．生物化工，2016(02):44－45，53．
论文作者:郭海林
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/8/29
标签：反应器论文; 收率论文; 精细化工论文; 常规论文; 温度论文; 反应物论文; 产物论文; 《基层建设》2019年第11期论文;