论文部分内容阅读
摘要：精细化工是近年来化工行业的新兴研究学科，亦是发展最为活跃的领域之一。微反应技术作为一种连续性反应，在精细化工中的应用优势是传统大型反应器无法比拟的。对于精细化工行业而言，加强微反应技术的应用，有助于优化化工行业结构、提高化工行业产能，帮助企业提高经济效益的同时，还能拉动地区经济增长。基于此，本文首先阐述了微反应技术概念及特点，接着从三个方面剖析了微反应技术在精细化工中的具体应用。
关键词：精细化工;微反应技术;化工行业
近年来，精细化工行业安全事故频发，成为化工安全事故重灾区，根本原因在于精细化工所涉及的硝化反应、氧化反应以及过氧化反应具有较高的危险性，且与大化工、基础化工不同，虽然产量不高，但附加值高，生产方式灵活，这些特性使得精细化工行业入门标准较低，涌现了很多小型的精细化工生产企业。这些企业管理机制不健全、作业生产不规范，尤其是在安全、环保等方面领导重视不足，技术经验匮乏。所以，屡屡发生安全事故，精细化工行业安全形势不容乐观，亟待技术力量加持。20世纪90年代研发出微反应技术，可有效解决精细化工安全与环保领域的不足，未来在精细化工和制药领域的应用将会更加廣阔。
1微反应技术
微反应技术的核心部件是微反应器，其内有大量以精密加工技术制成微反应通道，可替代传统化工行业中玻璃烧瓶、漏斗、反应釜等传统间歇反应器。在微反应器内部流体尺寸通常在1μm至1mm之间，其反应过程主要是通过对流体传质、传热及流动特性的改变实现[1]。通过微反应器特殊的结构，在操作过程中可实现精准控制反应温度、精确配比反应物料，提高产品质量，操作也更加安全。
微反应技术所具有的连续工艺，可广泛应用于精细化工和制药行业中。基于工艺开发需求、产品收率与产量、生产安全性以及操作性能等要素，使得微反应技术的应用愈发普遍。在精细化领域中，很多反应对温度的要求较高，有时是在零下几十度进行，有时却又在几百度高温下进行，要想精准控制温度和反应时间，就需要添加物料。而常规的反应器难以满足上述需求，而微反应器所具备的微尺度特性，可以实现对温度和时间的精准控制，有效保证了反应顺利进行。而在制药行业，一种新药的研发并非一蹴而就，是一个相对比较漫长的过程，药物筛选最关键的一步就是选出高品质的先导化合物，依托微反应技术与基因分析设备的结合，而反应器内部的非湍流环境与高敏性生物测定系统对接，使得药物筛选效率，尤其是高通量药物筛选效率得到了明显的提升。总之，微反应技术在精细化工和医药领域应用前景广阔，不仅可以降低生产成本，还能提高作业速率。
2微反应技术在精细化工中的具体应用
2.1安全性能方面
强放热反应是精细化工领域中一种非常普遍的反应现象，在反应过程中极易出现温度骤然升高，反而不利于反应控制，是危险事故发生的重要环节。硝化反应作为一种单元反应，具有强放热、选择性敏感等特性，被广泛应用于精细化工领域，而微反应技术为其开辟了全新的发展机遇。KULKARNI以微反应器为核心提出了几种不同的硝化反应，并对反应过程的优劣势、工业实用性等进行了全面分析。费托合成反应是指基于催化剂条件下，CO和H2转化为烃类，在这类反应过程中可以实现对温度的精准控制，使得合成气转化率提高，整个反应速率加快。重氮化合物自身具有潜在爆炸性，安全处理难度较大，危险系数较高。M?LLER等在重氮化合物合成实验中，就是凭借着微反应器良好的传热效率，降低了危险试剂的处理难度。因为，与常规反应器相比，微反应器的温度更低，所以可以有效保证反应安全进行。
2.2氧化及过氧化反应
在工业生产中，对于过氧化氢的制备主要采用的是蒽醌法，近年来，人们一直尝试通过合成氢气和氧气的方式生产过氧化氢，使得反应更加环保，但由于在合成过程中发生爆炸的几率非常高，因此在工业领域推广受阻。而微反应器内通道尺度比燃爆临界直径小，所以可以将自由基淬灭，保证氢氧合成过氧化氢反应在爆炸极限内顺利进行[2]。近年来，国外学者已成功利用微反应器进行氢氧合成过氧化氢，且霍尼韦尔公司目前已制定出了量产计划。吴巍等学者基于60～80℃温度条件下，借助微反应器合成过氧化氢与乙酸，该实验为高效低耗生产过氧乙酸提供了数据参考。郑亚峰在制备乙烯氧气时就是利用微反应器进行，载体为α-A12O3，成功生成环氧乙烷，环氧乙烷选择性可达82%，收率最高到57%，空速为5000h-1，因该反应未达到混合原料爆炸条件，所以具有一定的安全性。余锡孟等在微反应器内开展了甲苯、环己烷、环己酮等有机物液相氧化反应，这些反应的开展均是在爆炸极限内这一条件下进行，检验了反应受工艺条件的影响要素，同时也为精细化工几种物质联合生产提供了参考。麻省理工学院的Srinivasan等设计了一种T型微反应器，该反应器集加热器、流量和温度传感器于一体，可进行氨氧化反应。尽管，相关报道较多，但是产业化应用较少，原因可能是因为反应规模较大，加大了风险因素，因此规模可控性要求大幅度提升[3]。此外，大多数氧化反应都需要金属催化剂，如何推进负载型微反应器规模制作，同时对催化剂进行有效回收利用是当前亟待思考的重要问题。
2.3控制产物分子
微反应技术不仅会对产品的转化率等造成影响，还会使得反应过程中的热点降低，因此能够很好地控制聚合物的分子量、粒径分布等。目前，在聚合反应方面，微反应技术应用成熟，且在阳离子聚合、阴离子聚合、自由基聚合、配位聚合、缩合聚合、开环聚合等多种聚合反应中广泛应用，比传统釜式反应器优势更加明显。结合微反应技术的发展趋势，其应用于聚合反应已成为化工、高分子等领域的研究热点[4]。IWASAKI等对甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸丁酯等分别使用微反应器和釜式反应器进行自由基聚合反应，同时检测合成产物的分子量，结果显示反应时间和产率相同的情况下，微反应器中所生成的聚合物分子量分布指数均未超过4。
3结语
综上所述，不仅可以在精细化工有机反应中利用微反应技术，也可应用于无机化学领域。如纳米材料反映，同样可以精准控制材料配比，并对反映中不可控产物进行有效控制，进一步使得反应产物占比提升，且实现快速转换副产物的产出与热量。随着行业不断发展，化工行业作为国民支柱型产业，应主动积极探索有助于精细化工发展的技术，而微反应技术的应用，有效推动了精细化工产业的发展。对此，在今后的工作中，应研发出更多类型的微反应器并全面应用到精细化工中，推动我国化工技术不断升级，走向国际化道路。
参考文献
[1]郭红卫.微通道反应器在精细化工行业的安全应用[J].现代职业安全，2020，230（10）：94-97.
[2]马红霞，曹东立，刘冬，等.微反应器技术在环己烷氧化中研究进展[J].化工生产与技术，2019，025（004）：34-36.
[3]路念明，王欣.推广微通道反应技术促进精细化工行业绿色安全发展[J].精细与专用化学品，2020（8）：113-114.
[4]晏金平.微反应技术在提升精细化工安全中的应用[C]//事故预防与灾害防治的理论与实践.2019.
关键词：精细化工;微反应技术;化工行业
近年来，精细化工行业安全事故频发，成为化工安全事故重灾区，根本原因在于精细化工所涉及的硝化反应、氧化反应以及过氧化反应具有较高的危险性，且与大化工、基础化工不同，虽然产量不高，但附加值高，生产方式灵活，这些特性使得精细化工行业入门标准较低，涌现了很多小型的精细化工生产企业。这些企业管理机制不健全、作业生产不规范，尤其是在安全、环保等方面领导重视不足，技术经验匮乏。所以，屡屡发生安全事故，精细化工行业安全形势不容乐观，亟待技术力量加持。20世纪90年代研发出微反应技术，可有效解决精细化工安全与环保领域的不足，未来在精细化工和制药领域的应用将会更加廣阔。
1微反应技术
微反应技术的核心部件是微反应器，其内有大量以精密加工技术制成微反应通道，可替代传统化工行业中玻璃烧瓶、漏斗、反应釜等传统间歇反应器。在微反应器内部流体尺寸通常在1μm至1mm之间，其反应过程主要是通过对流体传质、传热及流动特性的改变实现[1]。通过微反应器特殊的结构，在操作过程中可实现精准控制反应温度、精确配比反应物料，提高产品质量，操作也更加安全。
微反应技术所具有的连续工艺，可广泛应用于精细化工和制药行业中。基于工艺开发需求、产品收率与产量、生产安全性以及操作性能等要素，使得微反应技术的应用愈发普遍。在精细化领域中，很多反应对温度的要求较高，有时是在零下几十度进行，有时却又在几百度高温下进行，要想精准控制温度和反应时间，就需要添加物料。而常规的反应器难以满足上述需求，而微反应器所具备的微尺度特性，可以实现对温度和时间的精准控制，有效保证了反应顺利进行。而在制药行业，一种新药的研发并非一蹴而就，是一个相对比较漫长的过程，药物筛选最关键的一步就是选出高品质的先导化合物，依托微反应技术与基因分析设备的结合，而反应器内部的非湍流环境与高敏性生物测定系统对接，使得药物筛选效率，尤其是高通量药物筛选效率得到了明显的提升。总之，微反应技术在精细化工和医药领域应用前景广阔，不仅可以降低生产成本，还能提高作业速率。
2微反应技术在精细化工中的具体应用
2.1安全性能方面
强放热反应是精细化工领域中一种非常普遍的反应现象，在反应过程中极易出现温度骤然升高，反而不利于反应控制，是危险事故发生的重要环节。硝化反应作为一种单元反应，具有强放热、选择性敏感等特性，被广泛应用于精细化工领域，而微反应技术为其开辟了全新的发展机遇。KULKARNI以微反应器为核心提出了几种不同的硝化反应，并对反应过程的优劣势、工业实用性等进行了全面分析。费托合成反应是指基于催化剂条件下，CO和H2转化为烃类，在这类反应过程中可以实现对温度的精准控制，使得合成气转化率提高，整个反应速率加快。重氮化合物自身具有潜在爆炸性，安全处理难度较大，危险系数较高。M?LLER等在重氮化合物合成实验中，就是凭借着微反应器良好的传热效率，降低了危险试剂的处理难度。因为，与常规反应器相比，微反应器的温度更低，所以可以有效保证反应安全进行。
2.2氧化及过氧化反应
在工业生产中，对于过氧化氢的制备主要采用的是蒽醌法，近年来，人们一直尝试通过合成氢气和氧气的方式生产过氧化氢，使得反应更加环保，但由于在合成过程中发生爆炸的几率非常高，因此在工业领域推广受阻。而微反应器内通道尺度比燃爆临界直径小，所以可以将自由基淬灭，保证氢氧合成过氧化氢反应在爆炸极限内顺利进行[2]。近年来，国外学者已成功利用微反应器进行氢氧合成过氧化氢，且霍尼韦尔公司目前已制定出了量产计划。吴巍等学者基于60～80℃温度条件下，借助微反应器合成过氧化氢与乙酸，该实验为高效低耗生产过氧乙酸提供了数据参考。郑亚峰在制备乙烯氧气时就是利用微反应器进行，载体为α-A12O3，成功生成环氧乙烷，环氧乙烷选择性可达82%，收率最高到57%，空速为5000h-1，因该反应未达到混合原料爆炸条件，所以具有一定的安全性。余锡孟等在微反应器内开展了甲苯、环己烷、环己酮等有机物液相氧化反应，这些反应的开展均是在爆炸极限内这一条件下进行，检验了反应受工艺条件的影响要素，同时也为精细化工几种物质联合生产提供了参考。麻省理工学院的Srinivasan等设计了一种T型微反应器，该反应器集加热器、流量和温度传感器于一体，可进行氨氧化反应。尽管，相关报道较多，但是产业化应用较少，原因可能是因为反应规模较大，加大了风险因素，因此规模可控性要求大幅度提升[3]。此外，大多数氧化反应都需要金属催化剂，如何推进负载型微反应器规模制作，同时对催化剂进行有效回收利用是当前亟待思考的重要问题。
2.3控制产物分子
微反应技术不仅会对产品的转化率等造成影响，还会使得反应过程中的热点降低，因此能够很好地控制聚合物的分子量、粒径分布等。目前，在聚合反应方面，微反应技术应用成熟，且在阳离子聚合、阴离子聚合、自由基聚合、配位聚合、缩合聚合、开环聚合等多种聚合反应中广泛应用，比传统釜式反应器优势更加明显。结合微反应技术的发展趋势，其应用于聚合反应已成为化工、高分子等领域的研究热点[4]。IWASAKI等对甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸丁酯等分别使用微反应器和釜式反应器进行自由基聚合反应，同时检测合成产物的分子量，结果显示反应时间和产率相同的情况下，微反应器中所生成的聚合物分子量分布指数均未超过4。
3结语
综上所述，不仅可以在精细化工有机反应中利用微反应技术，也可应用于无机化学领域。如纳米材料反映，同样可以精准控制材料配比，并对反映中不可控产物进行有效控制，进一步使得反应产物占比提升，且实现快速转换副产物的产出与热量。随着行业不断发展，化工行业作为国民支柱型产业，应主动积极探索有助于精细化工发展的技术，而微反应技术的应用，有效推动了精细化工产业的发展。对此，在今后的工作中，应研发出更多类型的微反应器并全面应用到精细化工中，推动我国化工技术不断升级，走向国际化道路。
参考文献
[1]郭红卫.微通道反应器在精细化工行业的安全应用[J].现代职业安全，2020，230（10）：94-97.
[2]马红霞，曹东立，刘冬，等.微反应器技术在环己烷氧化中研究进展[J].化工生产与技术，2019，025（004）：34-36.
[3]路念明，王欣.推广微通道反应技术促进精细化工行业绿色安全发展[J].精细与专用化学品，2020（8）：113-114.
[4]晏金平.微反应技术在提升精细化工安全中的应用[C]//事故预防与灾害防治的理论与实践.2019.