吳 霞 中國醫(yī)藥集團(tuán)重慶醫(yī)藥設(shè)計院 重慶 400042
李雨霖 楊舒雅 大連理工大學(xué) 大連 116024
自20世紀(jì)80年代以來,傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)已悄然發(fā)生了重大的變化,新過程、新設(shè)備和新技術(shù)使新建化工廠具有緊湊、安全、低耗和環(huán)境友好等特征。化工過程強(qiáng)化的概念正被廣泛接受,英國人于1995年舉辦了第一屆國際化工過程強(qiáng)化會議,至今已召開了四屆國際化工過程強(qiáng)化會議。
過程強(qiáng)化意味著變革而不是漸變[1],是指在生產(chǎn)能力不變的情況下,生產(chǎn)過程極大地減少設(shè)備體積、提高設(shè)備生產(chǎn)能力,顯著地提高能量利用效率,大幅地減少廢物排放。21世紀(jì)化學(xué)工業(yè)的輪廓正在改變,新型高效設(shè)備已經(jīng)開始逐漸代替數(shù)十米高的反應(yīng)器和分離塔設(shè)備?;み^程強(qiáng)化已逐步成為實(shí)現(xiàn)化工過程高效、安全、環(huán)境友好、密集生產(chǎn)。推動社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的新興技術(shù),改變著傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè),使傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)受到了前所未有的挑戰(zhàn)。
過程強(qiáng)化的主要目標(biāo)是在不降低產(chǎn)能的前提下,通過縮小工廠的規(guī)模,實(shí)現(xiàn)化工廠投資、操作和維修費(fèi)用的降低。過程強(qiáng)化的最終發(fā)展導(dǎo)致了微反應(yīng)技術(shù)這一新領(lǐng)域的產(chǎn)生[1]。微反應(yīng)技術(shù)的基本理念是調(diào)整設(shè)備去適應(yīng)化學(xué)反應(yīng)過程而不是調(diào)整化學(xué)反應(yīng)條件去適應(yīng)設(shè)備。微反應(yīng)技術(shù)對化工過程的強(qiáng)化體現(xiàn)在以下幾方面。
微反應(yīng)器的體積只有傳統(tǒng)間歇反應(yīng)釜的1/100甚至 1/1000[2,3],以一個 10m3標(biāo)準(zhǔn)帶夾套攪拌反應(yīng)釜為例,在相同的產(chǎn)能情況下,微反應(yīng)器的體積只有0.1m3[4]。以荷蘭Chemtrix公司微反應(yīng)器為例[6],傳統(tǒng)間歇反應(yīng)釜體積為:1000~10000L,而微反應(yīng)器體積為1μL至10 L。反應(yīng)器體積能縮小的根本原因:將間歇操作的反應(yīng)改為了連續(xù)操作,試想1mL/s的液體流量,在連續(xù)操作條件下,每年能生產(chǎn)30t的產(chǎn)量。而這一產(chǎn)量就是許多藥品所需要的年產(chǎn)量。
微反應(yīng)器是由一組并聯(lián)的微通道組成[6],是一個理想的平推流反應(yīng)器,它的反應(yīng)結(jié)果唯一由反應(yīng)動力學(xué)決定,微反應(yīng)器采用連續(xù)流體系,傳質(zhì)傳熱效率高,返混幾率小,能更好的控制反應(yīng)溫度和停留時間,改變化學(xué)反應(yīng)的激烈程度,使化學(xué)反應(yīng)速率接近其動力學(xué)極限,不再需要原來那些為了使化學(xué)過程適應(yīng)固有設(shè)備的調(diào)整手段,如添加溶劑,沸點(diǎn)的受熱限制,緩慢且不規(guī)則的攪拌混合等。通過初始條件、邊界條件、反應(yīng)溫度和停留時間的精確調(diào)整和控制可以達(dá)到最高的收率和最好的選擇性,避免副反應(yīng)的發(fā)生。以荷蘭Chemtrix公司微反應(yīng)器為例[5],傳統(tǒng)間歇反應(yīng)釜一般反應(yīng)停留時間為1~48h,而微反應(yīng)器一般反應(yīng)停留時間為1~300s。用傳統(tǒng)間歇反應(yīng)釜,反應(yīng)放出的熱量不能及時釋放,反應(yīng)溫度不能精確控制。因此反應(yīng)速度常常被人為的加以限制,否則可能會發(fā)生爆炸,利用微反應(yīng)器能克服傳統(tǒng)間歇反應(yīng)釜的缺點(diǎn)。
微反應(yīng)器由混合器、反應(yīng)器、換熱器、控制器等組成。濃度和溫度梯度是傳質(zhì)傳熱的推動力,特征尺寸的減小,會引起梯度的增加[1],相應(yīng)地會導(dǎo)致傳質(zhì)傳熱速率以及黏性損失的增加,隨著特征尺寸的減小系統(tǒng)的比表面積增加,對于傳遞過程來說,導(dǎo)致傳質(zhì)傳熱的推動力增加,因此就可以通過設(shè)備的小型化來實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)傳熱效率的極大提高。此外,系統(tǒng)內(nèi)物料數(shù)量隨著設(shè)備的小型化而減少,因此微型裝置的響應(yīng)時間會極大地減少,大的溫度和濃度差多數(shù)情況下會立刻消失。有資料報道,利用微換熱器的通道作為反應(yīng)空間可使強(qiáng)放熱反應(yīng)在等溫條件下進(jìn)行[7]。以荷蘭Chemtrix公司微反應(yīng)器為例[5],傳統(tǒng)間歇反應(yīng)釜比表面積為1~4,而微反應(yīng)器比表面積為1000~10000。
微反應(yīng)器的安全性體現(xiàn)在三個方面:① 由于換熱效率極高,即使反應(yīng)突然釋放大量熱量也可以被導(dǎo)出,從而保證反應(yīng)溫度維持在設(shè)定范圍以內(nèi),最大程度減少了安全事故和質(zhì)量事故的發(fā)生;②與傳統(tǒng)間歇反應(yīng)釜不同,微反應(yīng)器采用連續(xù)流反應(yīng),因此在反應(yīng)器中停留的化學(xué)品數(shù)量總是很少的,即使萬一失控,危害程度也非常有限,可以實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全;③微反應(yīng)器是密閉的,有高效換熱器可實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制,采用各種高強(qiáng)度耐腐蝕材料,可用于條件比較苛刻的高溫、高壓、強(qiáng)放熱、有毒物料、快速反應(yīng)等。
化學(xué)合成藥物的生產(chǎn)多數(shù)采用傳統(tǒng)間歇反應(yīng)釜。小試工藝放大到大的反應(yīng)釜,由于傳熱傳質(zhì)效率的差別,一般需要一段時間的試驗(yàn),通常都是經(jīng)過小試到中試再到大生產(chǎn)。如果采用微反應(yīng)器,工藝放大不是通過增大微通道的特征尺寸,而是通過增加微通道的數(shù)量來實(shí)現(xiàn),平行疊加反應(yīng)器即可,小試的最佳反應(yīng)條件,不需要作任何改變可以直接進(jìn)行放大生產(chǎn),不存在小試的放大難題。
由于化學(xué)反應(yīng)的收率和選擇性提高,副產(chǎn)物減少,對環(huán)境的影響降低;化學(xué)反應(yīng)的時間和濃度能夠準(zhǔn)確的設(shè)定,反應(yīng)會在準(zhǔn)確設(shè)定的時間和位置開始進(jìn)行,并且具有空間均勻的組成,使綠色化工工藝成為可能,相應(yīng)地,也降低了處理副產(chǎn)物的成本。
據(jù)文獻(xiàn)報道,在精細(xì)化工反應(yīng)中,大約有20%的反應(yīng)通過采用微反應(yīng)器可以在收率、選擇性或安全性等方面得到提高[8]。
(1)應(yīng)用于加氫反應(yīng)、氧化反應(yīng)、氯化反應(yīng)和氟化反應(yīng)等氣液反應(yīng)、液液反應(yīng)、氣液固反應(yīng)。
(2)應(yīng)用于有催化劑的氣液固反應(yīng),但催化劑顆粒大小在 35~70μm(最小 35μm,最大150μm)范圍內(nèi)[5]。
(3)應(yīng)用于強(qiáng)放熱反應(yīng)、有毒試劑反應(yīng)、強(qiáng)腐蝕反應(yīng)、高危險反應(yīng)、快速反應(yīng)、多步反應(yīng)(多種試劑輸入)等。
(4)應(yīng)用于硝化反應(yīng):可使反應(yīng)過程變得安全、高效換熱,使反應(yīng)常溫進(jìn)行,降低能耗,收率高達(dá)99.5%以上。無溶劑參與反應(yīng),洗滌分液即可,廢硫酸可循環(huán)利用。
(5)應(yīng)用于格氏反應(yīng):很好地解決了強(qiáng)放熱反應(yīng)容易爆炸的危險,瞬間快速反應(yīng)。需要很好的控制反應(yīng)物的混合,避免副反應(yīng)多、產(chǎn)物易分解的問題。
(6)應(yīng)用于疊氮反應(yīng):該反應(yīng)屬于放熱反應(yīng),產(chǎn)物通常有毒,而且遇熱不穩(wěn)定,生成爆炸性中間產(chǎn)物疊氮物(CH2(N3)2)1和疊氮酸(HN3),由于這些不穩(wěn)定疊氮化合物的生成導(dǎo)致疊氮反應(yīng)使用范圍并不廣泛,傳統(tǒng)的間歇反應(yīng)出于安全性考慮不能實(shí)現(xiàn)40℃以上的反應(yīng),微反應(yīng)器的使用使得危險反應(yīng)可以安全實(shí)現(xiàn),沒有頂端空間因而避免HN3(氫疊氮酸)聚集而發(fā)生爆炸的危險,放熱后有效散熱,操作溫度范圍的拓展有利于提高產(chǎn)率,增加經(jīng)濟(jì)可行性。
(7)應(yīng)用于過氧化物處理,該過程廢堿水量大,處理困難,環(huán)保壓力大;放熱較大,堿液需要在釜中降低到-20℃,加入速度慢,溫度過高過氧化物易發(fā)生危險。采用微反應(yīng)器,堿液濃度提高一倍,從過量30%降低到5%。物料常溫加入,溫度精確控制。
(8)應(yīng)用于磺化反應(yīng),該反應(yīng)對混合和換熱要求都非常高,混合不好易發(fā)生聚合,收率降低,換熱不好需要的α異構(gòu)體含量低。采用微反應(yīng)器,收率從82%提高到90%,β異構(gòu)體3%降低到0.7%。
(1)微反應(yīng)器不能處理固體,不適于很慢的液-固反應(yīng)。
(2)適用的化學(xué)反應(yīng)類型有限,不適于無放熱或吸熱現(xiàn)象的反應(yīng)。
(3)不適于傳統(tǒng)工藝的選擇性和收率已經(jīng)很高的反應(yīng)。
(4)一般采用低濃度試劑。
(5)試劑和產(chǎn)品必須為溶液狀態(tài),不能有固體生成。
(6)采用有機(jī)堿時應(yīng)有防止成鹽的措施。
(7)微反應(yīng)器中不能操作無機(jī)試劑。
(8)微反應(yīng)器的通道尺寸很小,很容易被固體顆粒堵塞,而且很難清理。
以荷蘭Chemtrix公司現(xiàn)有三個系列微反應(yīng)器為例[6]。
(1)Labtrix?Start、Labtrix? S1系列,通道尺寸300μm,標(biāo)配材質(zhì)PEEK,用于流動化學(xué)演示、教學(xué)、研究和方法開發(fā)、毫克到克級的實(shí)驗(yàn)室工藝驗(yàn)證和反應(yīng)篩選。操作溫度為 -15到195℃,操作壓力為20 bar。
(2)KiloFlow?系列,通道尺寸1mm,標(biāo)配材質(zhì)玻璃,用于克到千克級的放大生產(chǎn)以及實(shí)驗(yàn)室工藝驗(yàn)證。操作溫度為-15~150℃,操作壓力為20 bar。
楊森 (Janssen)制藥公司將KiloFlow?用于Eschweiler Clarke甲基化反應(yīng)[5]。
與傳統(tǒng)間歇反應(yīng)釜比較,微反應(yīng)器更安全,反應(yīng)副產(chǎn)物量由10%降至2.5%。
(3)Plantrix?系列,通道尺寸2~5mm,標(biāo)配材質(zhì)EKasic?硅碳合金用于100 Kg/d到1500 t/y的工業(yè)化反應(yīng)器。反應(yīng)器模塊化設(shè)計可以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)時間變化及多步反應(yīng),反應(yīng)器模塊化可按需求組裝。操作溫度為-30~200℃,操作壓力為0~25 bar,只需增加反應(yīng)板的數(shù)量來提高產(chǎn)量。
迪斯曼 (DSM)采用Plantrix?微反應(yīng)器用于制藥工業(yè)生產(chǎn)[5]。
德國巴斯夫 (BASF)的研究人員已經(jīng)利用微反應(yīng)器達(dá)到了傳統(tǒng)反應(yīng)釜無法實(shí)現(xiàn)的操作條件,并且已經(jīng)在提高維生素中間體合成有關(guān)的強(qiáng)放熱兩相反應(yīng)的收率和選擇性上取得了成功[1]。
微電子領(lǐng)域超大規(guī)模集成電路的開發(fā)建立了微技術(shù)的思路,來自于半導(dǎo)體技術(shù)或精密工程的微制造以及設(shè)計和測試方法促進(jìn)了化工微反應(yīng)技術(shù)的發(fā)展,許多微加工技術(shù)也應(yīng)用于微反應(yīng)器的加工。起源于核過程的LIGA技術(shù),是深度光刻、電鑄和注塑三個過程相結(jié)合的技術(shù)。有資料報道[1],LIGA組件和系統(tǒng)已經(jīng)分別成功應(yīng)用于化學(xué)工程和微反應(yīng)技術(shù)。濕式化學(xué)蝕刻廣泛用于微結(jié)構(gòu)的生產(chǎn),該技術(shù)的費(fèi)用相對較低,但在精度、表面粗糙度和幾何結(jié)構(gòu)等方面有一些限制。高級硅蝕刻ASE,也稱干式蝕刻,通過電鑄把ASE硅結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到互補(bǔ)的金屬結(jié)構(gòu)上,ASE是替代LIGA用于微反應(yīng)技術(shù)裝置制造的很好的選擇。利用超精密微銑削機(jī)床已經(jīng)生產(chǎn)出復(fù)雜的形狀,精度在亞微米范圍的三維微結(jié)構(gòu),這些微結(jié)構(gòu)幾何形狀復(fù)雜,極高的深寬比和精度,但大規(guī)模生產(chǎn)時制造成本可能是一個問題,可采用微模塑技術(shù)、沖壓和印刻技術(shù),降低成本。微細(xì)電火花加工EDM,物質(zhì)在導(dǎo)電工件和電極之間放電時被移除,放電時通過介電液體中的微小電火花來實(shí)現(xiàn)加工,但表面粗糙度相對較大,已廣泛應(yīng)用于微換熱器、微混合器、反應(yīng)通道等的加工。激光輻射微加工,物質(zhì)通過融化、蒸發(fā)、分解、光切除或上述的組合在高強(qiáng)電磁場中被移除,該方法對材料沒有限制,并且激光輻射焊接對于微型裝置的連接和裝配是很重要的,但要獲得10μm以下的臨界尺寸和低表面粗糙度,對材料有限制,同時產(chǎn)量相對較低。
目前國際上制造高通量微反應(yīng)器的公司主要有英國Syrris公司,德國Mikroglas公司,美國康寧Corning公司,匈牙利 Thales Nano公司,英國Vapourtec公司,英國Uniqsis公司,美國Accendo公司,荷蘭Chemtrix公司等。
采用的材料有:玻璃、陶瓷、金屬、石英、塑料、含氟聚合物、半導(dǎo)體材料 (如硅)、硅碳合金等。
以荷蘭Chemtrix公司生產(chǎn)的Plantrix?系列工業(yè)連續(xù)流微反應(yīng)器為例介紹硅碳合金材料。Plantrix?系列工業(yè)連續(xù)流微反應(yīng)器采用了德國ESK公司生產(chǎn)的EKasic?硅碳合金材料,該材料是一種無壓燒結(jié)碳化硅SiC,具有很高的熱傳導(dǎo)性,導(dǎo)熱系數(shù)>110 W/(m·K)。
幾種常用材料的導(dǎo)熱性見圖1。
圖1 幾種常用材料的導(dǎo)熱性
從圖1可知,EKasic?硅碳合金的熱傳導(dǎo)性能是金屬鉭的2.2倍、是鋼的4倍、是金屬鈦、哈氏合金的7.5倍,熱傳導(dǎo)性能非常優(yōu)越。該材料還具有較高的硬度和強(qiáng)度,陶瓷本來易碎,但是無壓燒結(jié)碳化硅SiC,其抗拉強(qiáng)度 >200 MPa,抗彎強(qiáng)度 >375 MPa,室溫至1000℃下能保持其機(jī)械屬性不變,200Bar壓力條件下的斷裂實(shí)驗(yàn)經(jīng)過德國TüV Süd 認(rèn)證。
該材料耐化學(xué)腐蝕性能好,如在96%的H2SO4中不同溫度下幾種材料的腐蝕速率見圖2[5]。
圖2 幾種材料的腐蝕速率
從圖2可知,比金屬鉭的耐蝕性能好。圖3是EKasic?硅碳合金在各種強(qiáng)酸強(qiáng)堿中的腐蝕速率[5]。
從圖3可知,溫度在120℃以下時,材料都是可用的。220℃時氫氟酸中不能用。該材料抗阻滯特性也非常好。
圖3 SC耐酸堿腐蝕率
圖4是EKasic?硅碳合金與不銹鋼的抗阻滯性對比[5],使用 4 g/L的 CaSO4在 71℃ 時,以0.15 m/s速率傳輸。
圖4 抗阻滯性對比
試驗(yàn)觀察,不銹鋼留下厚厚一層白色的殘留物,硅碳合金基本無粘合物殘留在表面,不銹鋼的阻滯率是SiC合金材質(zhì)的5倍。抗阻滯性對于流動反應(yīng)器的材料選擇來說是很重要的特性之一??梢娺@是一種制造微反應(yīng)器的理想材料。
荷蘭Chemtrix公司生產(chǎn)的Plantrix?硅碳合金工業(yè)連續(xù)流反應(yīng)器經(jīng)過德國TüV高壓認(rèn)證,實(shí)驗(yàn)證明可在270℃、66 bar的高溫高壓條件下工作,并通過了美國FDA的認(rèn)證。
自上世紀(jì)90年代中期以來,微反應(yīng)技術(shù)的發(fā)展非常迅速,現(xiàn)在已經(jīng)成為運(yùn)用于化學(xué)合成方面的一個重要手段,其快速混合和高效熱傳導(dǎo)的性質(zhì)使其在這個領(lǐng)域占據(jù)舉足輕重的優(yōu)勢。
對液相反應(yīng),最近的資料報道微反應(yīng)技術(shù)應(yīng)用的反應(yīng)類型又?jǐn)U展到了環(huán)加成反應(yīng)、還原反應(yīng)、縮合反應(yīng)、耦合反應(yīng)、酯化反應(yīng)、脫水反應(yīng)、重排反應(yīng)、氫化反應(yīng)等。
在光化學(xué)方面也開始起步,除了單相光化學(xué)轉(zhuǎn)換之外,連續(xù)流動反應(yīng)器也被應(yīng)用到異構(gòu)光化學(xué)反應(yīng),即利用二氧化鈦涂層的通道進(jìn)行還原反應(yīng)、氧化反應(yīng)、堿化反應(yīng)和環(huán)化反應(yīng)等。
在電化學(xué)方面的應(yīng)用也有報道,由于在規(guī)?;a(chǎn)方面有難度,該技術(shù)的使用僅限于小規(guī)模的合成。電化學(xué)在連續(xù)流化學(xué)中最重要的方面之一是有效地將電極組合到設(shè)備中,在微觀尺度上的電化學(xué)轉(zhuǎn)換有可能顯著改變?nèi)绾芜M(jìn)行合成反應(yīng)的方式。
在無機(jī)化學(xué)方面,隨著研究者們對制備金屬、金屬氧化物和半導(dǎo)體的關(guān)注,過去的五年里無機(jī)化學(xué)領(lǐng)域也有所發(fā)展。
有資料報道微反應(yīng)技術(shù)還應(yīng)用于連續(xù)流提純、結(jié)晶、微蒸餾等后續(xù)處理過程。并且連續(xù)流檢測技術(shù)也隨著發(fā)展起來,在生產(chǎn)過程中集成過程分析工具,對合成反應(yīng)過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。
用微反應(yīng)技術(shù)進(jìn)行自動反應(yīng)篩選技術(shù)近年也得到了很好發(fā)展,研究反應(yīng)時間和溫度這兩個因素,研究人員通過綜合觀察,確定最佳混合時間、反應(yīng)溫度和轉(zhuǎn)化率。
化學(xué)工程今后的進(jìn)展在很大程度上取決于過程強(qiáng)化,而過程強(qiáng)化是通過微反應(yīng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的,微反應(yīng)技術(shù)是以反應(yīng)體積更小、停留時間更短、溫度更高、動力學(xué)更快為標(biāo)志。微反應(yīng)技術(shù)的優(yōu)勢明顯:增強(qiáng)了選擇性,提高了反應(yīng)收率;縮短了反應(yīng)時間,提高了產(chǎn)量;快速達(dá)到反應(yīng)穩(wěn)態(tài),產(chǎn)品質(zhì)量高,數(shù)據(jù)可精確重現(xiàn);較小的原料消耗,本質(zhì)安全性高;快速條件篩選,每天處理幾十到上百個實(shí)驗(yàn);有利于程序控制;實(shí)驗(yàn)條件無差別轉(zhuǎn)化到工業(yè)化生產(chǎn)等。微反應(yīng)技術(shù)更廣泛的應(yīng)用還需要考慮如何將連續(xù)流微反應(yīng)技術(shù)與后續(xù)的分離、蒸餾、提純、結(jié)晶以及干燥等步驟結(jié)合起來,完成最終化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。
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