微反应技术在均相反应中的应用_王梦迪.pdf

第 4 期周 艳,等:基于量子点的检测技术在法庭科学物证鉴定中的应用研究进展第 35 卷第 4 期2023 年 4 月化 学 研 究 与 应 用Chemical Research and ApplicationVol.35,No.4Apr.,2023文章编号:1007-1656(2023)04-0745-08微反应技术在均相反应中的应用王梦迪1,2,罗 瑾1,吴 巍1,2,于海斌1(1.中海油天津化工研究设计院有限公司,天津 300131;2.天津市炼化催化技术工程中心,天津 300131)摘要:微反应技术是研究和开发新型化学过程的合适方法,能够精准控制混合时间和反应温度,获得高重复性结果,提高反应效率。微反应技术可应用于均相和多相反应体系,尤其适合处理高温、高压、强放热反应和易燃、易爆、有毒有害原料或中间体。本文总结了近年来微反应技术应用在不同均相反应中的研究,包括酸催化反应、光化学反应、不对称催化反应、其他液-液相及临界反应。提出了目前微反应技术在工程应用的主要问题和相关解决方案。模拟及研发新型微通道反应系统的关键在于统筹多尺度界面强化效果,结合其他使能技术避免潜在通道堵塞,通过破乳技术改善微界面反应条件,开发用于特殊复杂环境的新型复合通道材料,为今后微反应系统的工业化设计和优化提供参考。关键词:微反应技术;均相反应;连续流;工程应用中图分类号:TQ205;TQ203.2 文献标志码:AApplication of microreaction technology in homogeneous reactionWANG Meng-di1,2,LUO Jin1,WU wei1,2,YU Hai-bin1(1.CenerTech Tianjin Chemical Research and Design Institute Co.LTD,Tianjin 300131,China;2.Tianjin Refinery Catalysis Technology Engineering Center,Tianjin,300131,China)Abstract:Microreaction technology can precisely control mixing time and reaction temperature,obtain highly reproducible results,and improve reaction efficiency.It is a suitable method for research and development of new chemical processes.Microreaction tech-nology can be applied to homogeneous and heterogeneous reaction systems,especially suitable for processing high temperature,high pressure,strong exothermic reactions and flammable,explosive,toxic and harmful raw materials or intermediates.The recent resear-ches on the application of microreaction technology in different homogeneous reactions are summarized in this review,including acid-catalyzed reactions,photochemical reactions,asymmetric catalytic reactions,other liquid-liquid phase and critical reactions.The main problems and related solutions of the current microreaction technology in engineering applications are presented.The key to simulating and developing new microchannel reaction systems lies in coordinating multi-scale interface strengthening effects,combi-ning other enabling technologies to avoid potential channel blockages,improving microinterface reaction conditions through demulsi-fication technology,and developing new composite channel materials for special and complex environments.The above provides a reference for the industrial design and optimization of the micro-reaction system in the future.Key words:microreaction technology;homogeneous reaction;continuous flow;engineering application收稿日期:2022-08-22;修回日期:2022-10-25基金项目:中海油能源发展股份有限公司微通道内强化控制复杂工艺过程装备技术项目(HFXMLZ-TJY2019-04)资助联系人简介:于海斌(1970-),男,教授,主要从事过程强化技术及催化反应工程研究。Email:yuhb5 化 学 研 究 与 应 用第 35 卷 近年来,随着微反应技术研究的不断深入,研究人员越来越重视其在连续流反应中的高强化传热传质优势1。微反应器即具有微型化结构特征的反应器,不同于传统反应器的构造,微反应器的通道尺寸一般达到微米级。微反应技术包括各种类型的微反应器、微混合器、微热交换器、微分析仪等2。微反应技术能够对操作条件(压力、温度、浓度、停留时间、消除热区等)进行良好的局部控制,从而防止副产物的形成,并且提高选择性和产率,最大限度地减少产品的分离步骤。依据不同反应放热条件,微反应技术更加重视通道的分布构造,如通过较大的表面积与体积比来提高传质传热,严格地控制微反应器内的热或浓度梯度,使具有高产率、高化学转化的新方法得以实现。除了在实验阶段提供快速有效的筛选方式,微反应技术在工业应用上也取得了丰硕成果3。均相反应是指所有反应化合物都在同一相中,主要为液相4体系。目前,微反应技术因其具有优于传统间歇反应器的重多优点而备受关注5,6。微反应技术优势包括:(1)精确控制短反应时间与反应温度;(2)处理危险化合物的风险低;(3)易于数量放大;(4)集成在线监测技术和优化算法;(5)实现反应条件的快速选择和优化。此外,微反应连续流技术与均相催化剂的结合进一步强化了催化剂负载量少和反应时间短等优势。将流动化学与其他技术(如微波辐射、感应加热、负载型试剂或催化剂、光化学、非常规溶剂)相结合,增强了微反应技术额外的优势。近年来,微反应技术作为有效的过程强化法,如最小化浪费、降低成本、减少能耗等,引领了该领域的发展方向,以满足日益紧迫的可持续发展需求7。3D 打印技术开发出了具有灵活形状和尺寸的微反应器,为提高反应通量和自动化水平提供了新的研发途径8。连续流可在同一反应体系中划分出多步反应路径,其高效的区段化监测系统也为催化机理的研究提供独特的机会9。本文对近几年微反应技术在有代表性的均相反应中的应用进行了总结,论述了使用微反应技术的优势,包括对操作条件的良好控制、高效的传质传热效应、定制化的集成设计、实验的高重复性等。1 微反应技术在不同均相反应中的应用介绍1.1 酸催化反应Guo10发明了一种在路易斯酸催化条件下利用微反应系统制备己内酰胺的方法,该发明使用Vapourtec R 反应系统(图 1(a),反应示意图见图2(a)。先将环己酮肟与磺酰氯类化合物泵入一个微反应器中,将环己酮肟中的羟基活化得到环己酮肟磺酸盐中间体,然后将中间体与路易斯酸(LA)泵入另一个微反应器中,中间体在路易斯酸催化下重排制备己内酰胺。该发明工艺简单,操作安全性高,反应条件温和,温度可控,反应物料能以精确的混合比例即时混合,反应时长短,环己酮肟转化率可达 100%,己内酰胺的选择性可达99%,在保持高收率的前提下大大降低能耗,是一种高效、绿色、环保的合成方法。Daviot12开发了生产丁二酸二烷基酯的新型连续流系统,使用 Vapourtec R 和 Sariem Miniflow 2000SS(图 1(b),其反应示意图见图 2(b)。该反应将丁二酸和硫酸在底物醇中混合,通过连续流-微波辅助反应技术,在单程通过时间约 320 s、温度为 65115 的反应条件下,实现了产率大于88%的连续酯化反应。该生产工艺条件温和,重复性高,具有放大效应。图 1 酸催化微反应器11,18,19Fig.1 Acid catalyzed microreactor微反应器具有高传热率,可进行芳族化合物的硝化等高放热反应。在高浓度反应条件下,催化反应在微反应器内的混合区开始进行,可以安全地控制放热反应,有效抑制不良副产物(聚合物)的形成。相较于间歇反应,微反应器中硫酸、硝酸添加剂的用量较少,同时,微反应具有较高的647第 4 期王梦迪,等:微反应技术在均相反应中的应用选择性和收率,有助于废酸的收集和处理13,14,15。王晓东16利用豪迈 CS1005 碳化硅微反应系统(图 1(c),将苯乙酮和浓硝酸/浓硫酸混酸泵入微反应器中成功合成产物间硝基苯乙酮,反应示意图见图 2(c),系统研究了反应物摩尔比、反应温度和时间对产物的影响。最佳工艺条件下,收率可达 90.2%,相较于传统间歇反应器反应时间3060 min,微反应器仅需23 min,同时避免了飞温失控带来的风险。图 2 微反应系统中酸催化反应示意图Fig.2 Schematic diagram of acid catalyzed reaction in microreaction systemMa17发明了一种在连续流动反应器中合成硝酸异辛酯的方法,反应示意图见图 2(d)。该发明使用康宁微反应器(图 1(d),将异辛醇与浓硝酸/浓硫酸混合物泵入微反应器中,使反应器内混合物温度保持在-10 至 35 范围内。混合液在反应器中的停留时间为 540 s,其中 H2SO4浓度范围为 85%至 95%,最优选为 90%,低于传统间歇反应中 98%的 H2SO4浓度。该发明转化率大于99.5%,收率优于 99%。与传统生产工艺相比,微通道反应器实现了连续化操作,进行硝化反应具有反应时间短,收率高,安全可靠等优点,同时降低了废酸的排放,其在高放热反应中具有工业化应用前景。1.2 光化学反应涉及光化学的有机反应是一种绿色合成路径,光化学过程的转化率和产率依赖于反应堆内的能量分布。在传统光化学反应器中,光子的吸收或光散射存在一定梯度。此外,反应混合物中的光吸收导致来自反应溶液中光强呈指数减少,从而使光催化过程的放大较为困难。所以,尽可能地均匀分布光照能够使光化学反应器的效率最大化。光化学微反应器有多种形式(图 3),能够实现在非常短的光程长度下对反应混合物进行大面积且均匀的光照。同时,通过调整反应物在微反应器中的停留时间来控制光照时间可以大幅度降低副反应物的生成并提高产率25。此外,使用小型辐照源(LED 技术)也可有效利用能源。图 3 光化学微反应器20,21,22,23,24Fig.3 Photochemical microreactorShi26以 2,3-二氯-5,6-二氰基对苯醌(DDQ)为氧化剂及光敏剂,水为氧源,在 450 nm 的 LED照射下,在连续流动微反应器中对苯进行光氧化合成苯酚,系统地研究了水与苯的摩尔比、DDQ 与苯的摩尔比、苯的浓度、停留时间、溶剂类型和反应环境对反应性能的影响,反应示意图见图 4(a)。在优化条件下,苯酚的产率达到 94%,选择性超过 99%。与间歇式反应器相比,采用蓝光LED 作为环保光源的微型反应器极大地缩短了反应时间,并且提高了苯合成苯酚的光利用效率。此外,建立了反应动力学模型,发现在光氧化过程中,苯和 DDQ 的反应级数分别为 2 和 1。这种反应动力学的建立有助于进一步了解光氧化机理。这项工作表明,微反应器结合 LED 的应用为苯的747化 学 研 究 与 应 用第 35 卷光氧化制苯酚及研究其光氧化机理提供了一种有效的方式。Liu27以 H2O2为氧化剂,HBr 为溴源,对 2,6-二氯甲苯(DCT)进行选择性苄基溴化反应,在光照射下,开发了一种绿色安全的 2,6-二氯苄基溴(DCBB)连续流合成工艺,反应示意图见图 4(b)。该工艺克服了间歇式反应器存在的爆炸风险,在最佳反应条件下,DCT 的转化率达到 98.1%,DCBB 产率为 91.4%。微通道反应器具有较强的可操作性和光与反应物易接触的特点,反应效率较高。图 4 微反应系统中光化学反应示意图Fig.4 Schematic diagram of photochemical reaction in microreaction system可逆失活自由基聚合(RDRP)是一种用于构建精密生物分子-聚合物杂化材料的优异合成方法。有机催化原子转移自由基聚合(O-ATRP)是最有效的 RDRP 方法之一,能够有效解决传统原子转移自由基聚合(ATRP)中铜催化生产聚合物链中金属污染的问题28。Huang29设计合成了一系列具有不同取代基的吩噻嗪衍生物,以这些衍生物作为有机光氧化还原催化剂,甲基丙烯酸甲酯(MMA)和-溴苯乙酸乙酯(EBP)为单体和引发剂,在 N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)中进行聚合,反应示意图见图 4(c)。实验对比考察了吩噻嗪衍生物在间歇式和连续流微反应器中的构效关系,结果表明,将聚合反应从间歇式反应器转移到管式微反应器,可以加速聚合反应表观常数、更好地控制分子量和使分子量分布更窄。该实验也探讨了管式反应器内径对 O-ATRP 的影响,考虑到聚合的可控性,得出 1.5 mm 和 2.0 mm 为最佳内径,并成功合成了不同分子量的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和嵌段共聚物。与传统反应瓶或反应釜相比,连续微反应器能为光控可逆失活自由基聚合(photo-RDRP)提供均匀、充足的光照,实现精确聚合物的高效合成30。从化学工程角度来看,模拟及实验探究连续流微反应器内的流动模式、聚合动力学参数和规模效应将有助于开发新型聚合反应及其潜在的应用。1.3 不对称催化反应相对于分批催化反应,连续流中的不对称催化反应具有更多的优势,例如提高产物的选择性和产率,快速进行条件的筛选,易于自动化控制连续流反应,提供均相反应催化剂潜在长期应用的研发途径。在微反应器中进行的均相不对称催化已在快速筛选催化剂、集成在线分析、研究不稳定中间体的多步转化机理以及降低催化剂负载或提高均相催化剂回收方面均有成功案例31。间歇设备上的氰化反应极具危险性,需要对反应的参数进行严格的控制。连续流技术提供了一种较好的控制反应参数,降低风险系数的方法。Vieira32开发了规模化生产瑞德西韦药物中间体的连续氰化工艺系统,反应示意图见图 5(a)。该中间体的间歇制备工艺是将化合物在二氯甲烷(DCM)中与三氟乙酸(TFA)、三甲基甲硅烷基三氟甲磺酸酯(TMSOTf)和三甲基甲硅烷基氰化物(TMSCN)混合进行氰化反应,为了获得良好的非对映选择性,反应需要控制在较低温度。Vieira 设计和制造了处理效率达 2kg/h 的不锈钢连续流反应器(图 6(a)。连续流系统将氰化反应温度保持在-30,使间歇制备的产率 71%、纯度 99.2%提高至产率 78%、纯度 99.9%。使用连续流系统,不同生产规模的反应选择性稳定为 94%,解决了间歇反应器中反应物随反应时间增加对非对映选择性和产率产生的负面影响,实现了减少反应体积、提高温度控制和混合效率情况下的规模化安全生产。847第 4 期王梦迪,等:微反应技术在均相反应中的应用Wang33使用250 L 连续流微反应芯片(图6(b),对双噁唑啉-金属配合物催化-酮酸酯的不对称氟化反应展开研究,筛选出连续流条件下较优的配体与路易斯酸组合、反应温度和溶剂,并且对该催化体系的催化剂负载量和停留时间进行研究,反应示意图见图 5(b)。-酮酸酯氟化产物获得了优异的收率和对映选择性,反应时间为 0.520 min,在催化剂(Cu(OTf)2/IIIc)用量为 1 mol%的情况下,得到了 99%高收率和优异的对映体选择性的产物,ee 值可达 98%。最后以-酮酸酯氟化产物的制备方法为基准,介绍了该反应所需配体、底物的合成通式,并且列举了相关的表征数据,证明了连续流系统的底物普适性,适用于多种类型和种类的-酮酸酯化合物。图 5 微反应系统中不对称催化反应示意图Fig.5 Schematic diagram of asymmetric catalytic reactions in microreaction systems图 6 不对称催化反应微反应器31,32Fig.6 Asymmetric catalytic microreactor目前,在连续流系统中进行的不对称催化转化研究尚处于起步阶段,所提出的方法大多适用于特定的底物,且少有规模化的生产。因此,开发广泛应用的连续流微反应器和高性能的催化剂具有重要意义,尤其是有效解决催化剂失活等问题。利用微反应技术,提高转化效率,减少反应时间和催化剂数量,将为不对称催化反应的大规模工程应用开辟途径。1.4 其他液-液相及临界反应在液-液双相反应中使用两种不混溶的溶剂是一种解决溶剂损失或回收的方案,可以利用底物、试剂/催化剂溶解度的不同,开发经济和环境友好的工艺。在典型的液-液双相催化反应系统中,一个相包含催化剂,底物处于第二相。而在某些系统中,催化剂与底物处于同一相,产生的产物转移到第二相。两相在反应完成后混合,催化剂则留在一个相中继续循环使用,产物可以从第二相中分离出来。最常见的溶剂组合是由一种有机溶剂和另一种不混溶的溶剂组成,在大多数应用中,这种溶剂是水。然而,具有合适的水溶性和稳定的催化剂的例子很少,因此在一定程度上限制了这种应用34。Morodo35首次在多级连续流条件下将生物基甘油升级为高附加值的环氧乙烷结构单元缩水甘油和环氧氯丙烷。该反应分为三步,第一步利用甘油与盐酸在微通道内反应生成混合物氯丙二醇和 1,3-二氯丙醇。第二步将第一步所得混合物与氢氧化钠水溶液注入微混合器中,并在毛细管线圈、5.2 bar、室温条件下反应 10 min 后得到甘二醇和环氧氯丙烷的混合物。第三步将第二步所得混合物与甲基叔丁基醚添加到第二个微混合器中得到双相溶液。使用配备疏水膜(孔径:0.5 m)的 Zaiput Flow Technologies SEP-10 液/液分离器(图 7(a),(b),将双相溶液分离成有机相和水相,所需的环氧氯丙烷和缩水甘油分别以 44%和30%的产率获得,反应示意图见图 8(a)。图 7 液-液分离器和临界系统反应器36,41Fig.7 Liquid-liquid separator and critical system reactor一些有机催化反应需要高温和高压等苛刻的947化 学 研 究 与 应 用第 35 卷条件,在间歇反应中,这类反应通常在高压釜反应器中进行。然而,高压釜的使用涉及安全问题。微反应器提供了在高压、高温反应条件下操作的优势,允许反应在极端条件下进行,这在间歇化学中通常不易实现37。例如,氢甲酰化反应需要较高的压力,导致间歇式反应器存在较大的安全问题。连续流微反应器可以安全且容易地达到更高的总压力38,这简化了材料的处理和在线优化的步骤。另外,对于在高压下使用超临界二氧化碳作为共溶剂与甲醇进行的酯化反应,连续流微反应器能够显著提高其反应速率39。图 8 微反应系统中液-液相及临界反应示意图Fig.8 Schematic diagram of liquid-liquid phase and critical reaction in microreaction systemYan40利用 Ehrfeld Mikrotechnik 哈氏合金级联混合器和 Miprowa 微反应器(图 7(c),(d),在吡咯烷酮钾催化剂作用下,成功地简化了 2-吡咯烷酮与乙炔的乙烯基化反应,合成了 n-乙烯基吡咯烷酮,反应示意图见图 8(b)。微反应器的应用不仅避免了乙炔分解爆炸带来的安全问题,而且强化了传质效率,使 n-乙烯基吡咯烷酮的选择性保持在 100%,转化率达 45.3%。2 微反应技术存在的主要问题在均相反应系统中,设计和优化微反应系统时需要注意,微通道几何尺寸应与给定的反应过程所需的特征尺度相匹配。工业上,使用碳化硅、哈氏合金、不锈钢等复合材料的微混合器提高了传热传质特性,可应用于特殊极端条件下。但是,固体的处理仍然是连续流微反应器技术的主要障碍之一。随着反应的进行,微通道内固体物质会聚集或沉积在通道壁上,导致管道堵塞,阻止流体流动。连续流中,固体的出现可以有多个来源,包括起始物料为固体或者在反应过程中形成不溶性产物或副产物的沉淀等。研究人员已通过改善通道设计,增加机械振动、微波超声、添加阻垢剂、催化剂固定化等方式来解决通道的堵塞42。未来,在更多微尺度理论研究的基础上,更多避免潜在通道堵塞的通用方案亟待被提出。为避免催化体系的潜在失活,考虑到催化剂的回收问题,可将催化剂固定化,利用离子液体构造可逆的双相体系。另外,许多在宏观尺度下推导出来的关联在微尺度上是无效的,或者仅仅是有限的43。例如,入口效应、表面粗糙度和通道几何形状通常在宏观尺度上被忽略,但在微观尺度上是紧密相关的,特别是高粘弹性流体的通道设计,可以通过调整工艺方案、改变温度环境、添加破乳剂等来降低流体界面张力产生的影响。批处理研究动力学的主要优势是允许在单个实验中通过收集多个数据点来生成大量数据,进行快速优化。典型的小型微反应器使得化学品的消耗量减少,用于动力学研究的微反应器具有成本效益。使用微反应器技术估计反应动力学已被许多学者研究44,45,46。但是从工程角度来看,需要更多的实验来探究流体动力学在微尺度的所有现象。目前,对连续流整体或批处理过程进行经济比较的分析方法尚未完全建立,更多广泛适用的模型需要深入研究来建立。微反应的规模化生产可以通过增大微结构尺寸,例如增加通道的直径或长度以适应更大的流速和容量。此外,也可通过增加微结构单元的数量来扩大产量,从而有效防止因个别反应器出现故障而导致的停工问题47。相比之下,微结构尺寸的放大更加困难,主要是因为较大的反应空间难以控制流型48。未来在工业生产中,用连续流反应器代替间歇反应器时,应发展分步、多尺度试验探究和自动化、多功能化分区设计的概念。同时,结合自动化、模块化和区段化连续流技术,研发适用的均相反应工艺。3 总结本文讨论了近年来微反应技术在不同类型均相反应中的应用。论述了使用微反应器的优势,包括对操作条件的良好控制、本质安全、高重复性057第 4 期王梦迪,等:微反应技术在均相反应中的应用等,是研究和开发新型化学过程的有效工具。提出了均相反应下微反应器利用的关键问题,并提出了可能的解决方案。在设计和优化特定反应的微反应系统时需要注意,区别于传统间歇反应器,微反应系统中的传热传质现象对整个过程性能的影响较大。实现微反应系统成功应用在均相反应中的关键在于平衡通道结构带来的显著影响,使其为特定的反应创造最佳条件。参考文献:1Zhao T,Micouin L,Piccardi R.Synthesis of organometallic compounds in flowJ.Helv Chim Acta,2019,102(11):e1900172.2Charpentier J.Four main objectives for the future of chem-ical and process engineering mainly concerned by the sci-ence and technologies of new materials productionJ.Chem Eng J,2005,107(1-3):3-17.3Kristal J,Stavarek P,Vajglova1 Z,et al.Practical engi-neering aspects of catalysis in microreactorsJ.Res Chem Intermediat,2015,41(12):9357-9371.4Van Leeuwen P.Homogeneous catalysis:understanding the artM.Dordrecht:Kluwer Academic Publishers,2004:6-7.5于海斌,王梦迪,吴巍,等.微反应器制备催化材料的研究进展及展望J.无机盐工业,2019,51(09):1-6.6庞秀江,代娇娇,刘源,等.微反应器法制备 ZnAl-LDH纳米片及 LDH 基疏水膜的组装J.化学研究与应用,2016,28(8):1114-1119.7 De Risi C,Bortolini O,Brandolese A,et 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