浅析微化工技术在化学反应中的应用进展

郭靖怡（河南城建学院 化学与材料工程学院 河南 平顶山 467036）

一般来说，系统尺度的微细化，会使各种化工流体的传热、传质性能与常规系统相比有较大程度的提高，即系统微型化可实现化工过程强化这一目标。它主要包括如下几个方面：

1 微反应器

化工单元操作所需要的混合器、换热器、吸收器、萃取器、反应器和控制系统等一起构成了微化工系统。在整个微化工技术中，微反应器占据着核心地位。学术上更确切地应称之为微尺度或微结构反应器，它的流动具有微流动特征。微化工器件的内部通道特征尺度一般处于微尺度范围(10～500 μm)，在尺寸上远不如传统反应器。然而，较之分子水平的反应，该尺度则显得非常大，所以我们便得到这样的结论：利用微反应器并不能改变反应机理和本征动力学特性，然而微反应器则可以通过改变流体的传热、传质及流动特性来强化化工过程的。如果与常规尺度反应器进行比较，特征尺度的微微细化便足以在很大程度上改善微反应系统，如大比表面积、大比相界面积、体积小、直接并行放大、过程连续、高度集成、混合时间短、能耗低、工艺绿色化等。

2.均相反应

2.1 强放热自由基聚合反应

为了验证微反应系统和常规尺度反应器是否对自由基聚合反应，科研人员Iwasaki等在大量研究的基础上，曾经设计了一个关于自由基聚合反应在微反应系统和常规尺度反应器中的聚合度分布的实验。微反应系统以丙烯酸丁酯的聚合反应为例，着重研究了微反应系统内强放热自由基聚合反应的反应特征。在实验过程中，由于微反应器良好的传热性能，导致反应几乎能够保持在恒温条件下进行。最终的实验结果表明，较之常规尺度反应器，在实验中采用微反应器，不但使最终的聚合度分布窄，而且该反应器中的高聚合度物质大量减少，避免了反应器堵塞问题。

2.2 化工中间体和药物的合成

为了加深对化工中间体和药物的合成的研究，科研人员Suga等曾经在在微反应器内进行了关于Fridel-Crafts酰基化反应的实验。然而在实际操作中困难重重，因为反应物具有非常活泼的特点，容易产生“多取代现象”。一般来说，如果在间歇式反应器内进行此反应时，为了防止上述现象发生，要选择在-78℃的环境下进行，且溶剂应为二氯甲烷，该反应在微反应器内的结果与其它反应器对比如表1所示。由表1我们可以得知，在常规尺度反应器中将两种反应物以等摩尔比投料，单取代产物收率很低，而二取代物量却很大。由于反应速度很快，控制反应的关键在于实验人员要及时调控好反应器内局部的温度以及瞬间反应物的微观混合效果。综上可知，在使用微反应器后，单取代物的收率大大提高，远高于常规尺度反应器。

3 -气液反应

3.1 氟化反应

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随着我国科技水平的不断提高，近几十年来，学者们把开发重点放在更加先进的工艺路线，例如强化传热、保持超低温操作条件和极低反应物浓度等，从而确保亲电取代反应能够持续安全地进行，使得苯、甲苯、酚等芳香族化合物的直接氟化成为可能。正如上述实验中可知，微反应系统具有高传递速率、高比表面、高安全性的优点，这使得它在众多的先进工艺中一枝独秀，颇受学者们的青睐，并被用于芳香族衍生物的直接氟化研究。

3.2 氯化反应

为了获悉更多关于氯化反应的知识，科研人员Ehrich等曾经在降膜微反应器内进行了2,4-甲苯二异氰酸酯(TDI)的光氯化研究。一般情况下，当被置于常规尺度反应器内，TDI转化率为65%时，目的产物选择性仅为 45%，副产物选择性高达 50%，时空收率仅为1.3 mol/h。而当搁置在降膜微反应器内，却可以得到如下实验结果：TDI转化率为 55%时，目的产物选择性仍高达80%，而副产物选择性仅为 5%，时空收率高达 400 mol/h。科研人员通过进一步研究发现，当实验的停留时间由5 s提高到14 s时，目的产物的产率可由24%增加到54%。可见反应器内在一定程度上对氯化反应造成影响。

4 液-液反应

4.1 硝化反应

至今为止，混酸硝化反应过程已发展成一个相当成熟的化学过程。关于它，我们可以从很多出版的专著中获得相关问题的答案。理论上来说，混酸硝化反应是一个强放热、受传质控制的快速反应过程，其反应效果在很大程度上依赖于反应器的传递性能。更专业的解释则涉及到其基本机理了，即浓硫酸催化HNO3使其产生2NO+离子，此硝鎓正离子通过油水两相界面攻击有机相里的有机分子，生成硝基取代物，最终硝基产物扩散回有机相里的过程。通常，在硝化反应过程中，如果离子与有机分子的混合效果差，即所谓的传质效果差，那么反应速率会相应减缓，这时候，最容易导致副产物多硝基取代物的生成。

4.2 相转移耦合反应

相转移耦合反应的进展离不开Hisamato等科研人员利用微反应技术所进行的一次实验。他们将重氮盐溶液和耦合组分溶液分别注入反应器，停留时间为2.3 s。随后在烧瓶中使用电磁搅拌进行此反应时可以发现，随着搅拌力度的增加，该反应效果不断提高；一旦搅拌效果出现不佳状况，或者是局部反应物过量，便相应导致一些副反应，如重氮盐分解，或发生二耦合等。最终试验结果表明，相转移耦合反应处于最佳条件时，其转化率为80%，有沉淀生成，若是在此条件下使用微反应器，转化率接近 100%，且无沉淀现象发生。综上所诉，微反应器在化学实验中的运用能够在很大程度上实现化工过程强化这一目标。

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