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公司动态

微反应极客如何炼成?

发布日期:2021-06-30 浏览次数:293

合成民工 ➢ 微反应极客

四个极分别需要具备什么样的知识和能力?

一极:认识流体设备,了解流体基本概念,学习基础流动化学研究方法;

二极:掌握设备原理,熟练操作并维护,熟悉多种反应研究方法;

三极:工程设计与计算,多因素工艺优化研究,流体模拟,动力学研究;

四极:全流程安全分析,工业化设备设计、调试、和运行能力。


1极-什么是微反应器?


微反应器

微通道反应器,简称微反应器,是化学物质在微小通道内连续流动,发生质量传递与化学反应,同时实现传热的一种设备。狭义上的微反应器,其特征通道尺寸通常在微米级,一般不超过500微米。利用价值的微通道反应器,研发级别的微通道反应器大概在100微米左右,微反应器最基本的原理就是把一个间歇的操作变成一个连续性的操作。


微反应器设备 图1

微反应器设备 图2

如何去制造微通道,90年代左右科学家在各种各样的材质上去雕刻通道,去加工这样的通道,这种研究直到今天仍然是方兴未艾。但是对于一般的研究来讲,包括CRO公司或者CDMO公司的研究来讲,微管道仍然是非常好的一个利器,就类似于HPLC的那些小管道,在我们现在的微反应的研究阶段的使用的几率非常高,而且它作用很大。


2极-三传一反

“三传”

1、动量传递:流动着的流体与相邻的流体层或管壁间有相对运动,流速较高、动量较大的流体的动量会向相邻的低速流体层或壁面的边界层转移。流体输送、过滤、沉降、固体流态化等,遵循流体力学基本规律。

2、热量传递:物体内部或者物体之间,只要有温差的存在,就有热量自发地由高温处向低温处传递,加热、冷却、蒸发、冷凝等,遵循热量传递基本规律。

3、质量传递:因物质浓度不同而产生的物质迁移过程,蒸馏、吸收、萃取、干燥等,遵循质量传递基本规律。

“一反”

化学反应过程


动量传递,热量传递和质量传递,服务于化学反应。




流动力学

在流体力学里面有几个准数,比如经常用到雷诺数、韦伯数等,都是无量纲的准数。



流体系数

物体在管道里面流动的时候,存在两种方式,一个是层流,一个是湍流。层流的扩散靠浓度驱动,没有额外的动力,对于湍流,除了浓度扩散以外,还有机械力。对于雷诺数如果是小于2300,流动接近于层流,靠浓度推动纵向扩散为主。

雷诺数如果能够大于4000,就达到湍流阶段。



传热

热传递最基本的原理就是热量从温度高的地方通过介质向温度低的方向去转移。




质量传递

物质之间的反应, A加B生成产品有两个传递过程,一个是传质过程,A和B能不能快速相遇,相遇以后能不能越过能垒发生反应,所以这是两个速率的问题,一个是传质速率,一个是本征反应速率。




传质效率百倍提升

最典型的微通道反应器,它是在微米级别,但今天我们看到的微通道反应器尤其工业化使用,通道越做越大,为什么要越做越大?为了应付工业化产能的需求,但是做大以后传质距离就会变长,原来是微米级的纵向扩散,现在做到厘米级以后,传质距离就会变长,就会影响到我们反应效果。

于是科学。



放大效应可控

微通道反应器的放大效应相对可控,这里面有一定的原理,通过对停留时间进行设计,通过用实验室级别的微通道反应器来进行研究,用类似的工业化设备能够实现几百吨、千吨甚至万吨级别的产业化生产。这是第二极需要了解和具备的能力。




工艺强化思路

对工艺优化的思路,微反应器我们称之为可以进行工艺强化的装置,传统釜式考察的这些参数,反应当量,反应时间等等,在微通道反应器里仍然要考虑,只不过考虑的思路会发生一定的变化。


超低温反应

超低温反应,在制药合成里面例子非常多,丁基锂、LDA、LiHMDS等,通常都需要-78度,如果使用微反应器来进行,-30度就可以获得很好的结果,而且这个结果是能够实现工业化放大的。



气液固催化反应

气液固催化反应,尤其是钯炭加氢,因为生产安全隐患,所以现在都在微通道的固定床来实现加氢过程。



不稳定中间体

对于一些不稳定的中间体,如何让它快速合成又快速消耗,避免不稳定中间体的储存以及安全性上隐患。举一个重氮甲烷的例子,在线合成重氮甲烷,然后用重氮甲烷进行反应,把危险程度降到最低。



液液非均相反应

TEMPO氧化反应是有机合成里是常见的一类反应,对于非均相反应,使用微通道反应器也可以得到很好的结果。


3极:Hybrid氯化案例1


Hybrid氯化案例1-微通道+反应釜

我们利用微通道反应器加上传统反应釜的方式实现这个项目的产业化,这种组合的好处是什么?反应物料通过微通道反应器以后,80%以上的反应都已经反应完了,同时80%的热量都已经被微通道反应器移走。

但是在体系里面还溶解有一部分的氯气,这部分氯气在反应釜里面就会把剩下的一部分原料逐渐的转化成产物,所以后面的反应过程非常平稳也很安全。




Hybrid氯化案例2-热点控制

热点控制,对于微创反应器来讲也是一个很难的地方,对于超快速的反应,物料接触的瞬间就会发生反应,而且很多时候物料接触瞬间可能在毫秒级反应都已经全部结束,它的温度流就如图上的红线所示,接触瞬间物料的温度一下子就冲上去了,微通道反应器在只起到一个作用,就是快速的把高温的热量移走。



氯化案例3-微反+管反

工程化实施的案例中利用微通道和管道式反应器进行了非常好的结合。设计思路就是经过大量的工艺优化后,保证工艺稳定可靠使产能最大化,设备投资性价比高。



Hybrid硝化案例1—热点控制

目前18类高危工艺中硝化是被管控最严格之一。对于硝化反应的研究,如果仅仅知道硝化很危险是完全不够。我们需要知道物质和反应的危险程度。我们在实验室使用梅特勒的各种各样设备,比如通过DSC可以了解物质的稳定性情况,使用RC1可以获得反应的放热功率等数据,通过ARC可以知道物质在什么样的情况下会分解,分解的能量有多大。进而对反应进行有效的控制和优化。



Hybrid硝化案例—在线监测

在线检测技术越来越得到重视,尤其在连续流的应用中,反应的过程中借助在线红外或者在线拉曼可以用它来做一些定量和半定量研究。



Hybrid硝化案例1—微反应+在线监测

在这个硝化案例中通过微反应器加在线红外的监测方法,研发效率就可以大幅提高,选择性的快速优化,大幅度提升反应收率,从5%~93%仅仅两周时间就达到了,通过自动化的仪器,可以做出来大量的数据。



Hybrid硝化2—串联与并联结合

对于工业化设备的串联和并联,有很大的讲究,微通道反应器有一个特点,当流速很高,可以实现更好的混合效果,但带来的后果就是压力降很大,比如把三个微反应器的模块进行串联,那么它的阻力是一个累加的过程。

但是如果把这三个串联模块改成为三个并联,流速降为之前的1/3,每一个模块的压力降就会变得很小。

所以对于有些体系需要把微反应器的模块设计从串联改成并联,实现我们产能的要求,通过这种调整,每一台反应器年通量可以达到2万吨,从Microreactor到2万吨完全是一种概念上全新的突破。


4极-以终为始


对于1个项目来讲以终为始,三个方面内容:

第一技术上可行不可行;

第二投资上是否划算;

第三就是时间上我们能不能赶得上。

工艺包开发阶段

工业化项目是有时间和要求。各种分析做完以后,我们开始去做工艺的开发,整个项目花了三个月的时间在实验室里面做研发,三步反应最终获得非常好的工艺参数,收率提高15%,一个完整的hybrid工艺包开发出来。



系统设计与建造

在系统设计的时候,第4极里面有一个很严格的要求-安全性,安全性上工艺的需要做什么工作?这是一个非常重要的问题。


安装,调试与生产

2019年11月份我们完成第一套装置开车,结果非常好。然后到了2020年5月份,第二套装置也顺利的投产,现在生产这个产品应该说是全球最先进的技术。


微反应行业示范项目

这个项目在2020年被公开以后,引起了行业里面一个比较大的震动,第一次一台微通道反应器能够达到万吨级通量,千吨规模产能,而且性价比非常高。

2020年6月4号,应急管理部刘伟副部长现场考察该装置,并做出了重要的指示,算是微反应行业一个标杆的项目。



微反应技术产业链


微反应技术产业链有三个方面:

第一个方面事微反应器设备研究和制造,

第二个方面是精细化工医药化工企业,但是这中间是脱节的,

而我们就是第三个方面工艺开发和工业化集成,所以惠和化德要做的事情就是专注于把微反应器技术用好,去解决企业遇到的问题。




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