無論是基于改進(jìn)的混合效果還是強(qiáng)化的傳遞過程，微反應(yīng)器的應(yīng)用提高了很多化工過程的本質(zhì)安全性。下面從傳熱傳質(zhì)的加強(qiáng)、苛刻操作條件的實(shí)現(xiàn)以及約束效應(yīng)3個(gè)方面予以介紹。
傳熱傳質(zhì)的加強(qiáng)
對(duì)于快速放熱反應(yīng)來說，反應(yīng)器傳熱能力不足可能成為限制其應(yīng)用的主要原因。因此，此類反應(yīng)一般采用緩慢加入原料、稀釋原料、劇烈攪拌等方法避免熱量積累。由于傳熱速率與表面積成正比，而反應(yīng)放熱量與反應(yīng)器體積成正比，所以隨著反應(yīng)體量的增加移熱變得愈發(fā)困難。與傳統(tǒng)反應(yīng)器相比，微反應(yīng)器的傳熱系數(shù)可由2kW/(m2·K)升至20kW/(m2·K)。
其優(yōu)良的傳熱性能能夠提升產(chǎn)率、提高選擇性、增加催化劑壽命，甚至使一些曾經(jīng)難以實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)成為可能。尤其是對(duì)于放熱量大的快反應(yīng)，將反應(yīng)產(chǎn)生的熱量迅速移除，可以避免局部溫度過熱，減少副反應(yīng)的發(fā)生，更能夠防止由于熱量積聚而產(chǎn)生飛溫現(xiàn)象，降低反應(yīng)失控風(fēng)險(xiǎn)。微反應(yīng)器本身就具有迅速移除熱量的功能，已經(jīng)被用于多種反應(yīng)，如芳香族化合物的硝化反應(yīng)、異丁烯加氫反應(yīng)、二甲醚部分氧化、合成氣制備等反應(yīng)。
歐世盛科技已經(jīng)開發(fā)了大量實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的，中試及工業(yè)化規(guī)模微反應(yīng)器的應(yīng)用。如微反應(yīng)合成平臺(tái)(圖1)、H-Flow微反應(yīng)加氫平臺(tái)(圖2)、高通量全自動(dòng)催化劑評(píng)價(jià)裝置(圖3)圖等。
圖1：H-Flow微反應(yīng)加氫平臺(tái)
圖2：H-Flow微反應(yīng)加氫平臺(tái)
圖3：高通量全自動(dòng)催化劑評(píng)價(jià)裝置
反應(yīng)時(shí)間的縮短和裝置自動(dòng)化程度的提高降低了反應(yīng)的危險(xiǎn)性。傳熱傳質(zhì)的加強(qiáng)一方面縮短了反應(yīng)所需的時(shí)間，直接降低了實(shí)驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面顯著提高了體系溫度和濃度的均一性及可控性，極大緩解了局部過熱或反應(yīng)物濃度過大的問題，提升了反應(yīng)的安全性。
苛刻操作條件的實(shí)現(xiàn)
為了在保證選擇性的前提下提高反應(yīng)速率，通常需要采取高溫高壓等苛刻的操作條件。在常規(guī)工業(yè)應(yīng)用中，由于反應(yīng)器體積大，設(shè)備材質(zhì)和自動(dòng)化水平的限制導(dǎo)致高溫高壓不易實(shí)現(xiàn)，人們往往寧可延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，也不愿面對(duì)苛刻的操作條件帶來的巨大風(fēng)險(xiǎn)。微反應(yīng)器溫壓耐受性高，是一條實(shí)現(xiàn)苛刻操作條件的捷徑。
以鄰苯二胺與乙酸的縮合反應(yīng)為例，室溫下反應(yīng)完需要9周，但如將反應(yīng)溫度提升至100°C則只需要5h，若將溫度進(jìn)一步提升至200°C只需要3min。將此反應(yīng)在一個(gè)SiC微反應(yīng)器中以313°C、5MPa的條件實(shí)現(xiàn)，則停留時(shí)間只需要6s。微反應(yīng)器的采用，極大縮短了反應(yīng)時(shí)間，提高了反應(yīng)效率，也降低了長(zhǎng)時(shí)間操作可能引起安全事故的可能性。
微反應(yīng)器也能為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究提供更廣闊的可能。受到工藝條件的限制，傳統(tǒng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究一般僅能在某些溫度壓力范圍內(nèi)進(jìn)行，微反應(yīng)器對(duì)高溫高壓的耐受性可以極大擴(kuò)展測(cè)試條件，使在更大范圍內(nèi)研究反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)成為可能。
約束效應(yīng)
當(dāng)工藝流程中涉及有毒有害、腐蝕性、不穩(wěn)定物質(zhì)時(shí)，一旦容器泄漏，造成的危害將是巨大的，限制了此類工藝的進(jìn)一步發(fā)展。微反應(yīng)單元是相對(duì)密閉的操作系統(tǒng)，且自動(dòng)化程度較高，這就約束了危險(xiǎn)物質(zhì)的時(shí)空分布，可以安全實(shí)現(xiàn)此類常規(guī)情況下難以實(shí)現(xiàn)或風(fēng)險(xiǎn)很高的反應(yīng)，因而被用作有毒有害、不穩(wěn)定、爆炸性物質(zhì)的生產(chǎn)工具。微反應(yīng)器的應(yīng)用為含有此類物質(zhì)的化工過程提供了一條本質(zhì)安全化的流程再造方法，也使一些傳統(tǒng)工業(yè)難以實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)過程成為可能。
爆炸性物質(zhì)
氣體的燃燒爆炸是自由基傳遞的過程，當(dāng)微通道的特征尺度小于可燃?xì)怏w燃爆的臨界直徑時(shí)，自由基在傳播過程中會(huì)與管壁不斷碰撞而淬滅，火焰無法傳遞。因此，即使在可燃?xì)怏w的爆炸極限濃度范圍內(nèi)，微反應(yīng)器的使用可以降低甚至消除燃爆風(fēng)險(xiǎn)，這就使得一些難以實(shí)現(xiàn)的危險(xiǎn)工藝成為了可能。過氧化氫是一種重要的化工產(chǎn)品，其市場(chǎng)需求逐年遞增，尤以用于電子產(chǎn)品清潔劑及醫(yī)用消毒劑的高純過氧化氫為甚。此外，出于安全考慮，過氧化氫產(chǎn)品的運(yùn)輸范圍一般不超過300km，對(duì)其應(yīng)用造成了極大限制。目前的主流工藝蒽醌法過程復(fù)雜、環(huán)境污染嚴(yán)重、產(chǎn)品純度低；與之相對(duì)應(yīng)，氫氣氧氣直接合成法簡(jiǎn)單、綠色、經(jīng)濟(jì)，副產(chǎn)物僅為水，產(chǎn)品純度高，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)工藝。但是，氫氧混合氣體極易燃爆，生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)過高，一直得不到工業(yè)化推廣。使用通道特征尺度小于氫氣燃爆臨界直徑的微反應(yīng)器能夠抑制氫氧混合氣體的燃爆，安全地實(shí)現(xiàn)過氧化氫的直接合成(表1)。此外，微反應(yīng)裝置占地小，能夠方便地安裝在使用場(chǎng)所，消除了運(yùn)輸帶來的風(fēng)險(xiǎn)。
表1 近年來過氧化氫直接合成過程在微反應(yīng)器中的實(shí)現(xiàn)情況
有毒物質(zhì)
將有毒的原料約束在反應(yīng)器中避免與操作人員直接接觸，能夠降低整個(gè)工藝的危險(xiǎn)性。以氟化反應(yīng)為例，含氟化合物憑借其化學(xué)惰性在眾多工業(yè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但將反應(yīng)原料氟化的過程往往風(fēng)險(xiǎn)很高。微反應(yīng)器已經(jīng)在親核氟化、親電氟化和三氟甲基化反應(yīng)中得到了應(yīng)用。作為化工合成的基礎(chǔ)小分子，一氧化碳在工業(yè)化規(guī)模合成醛、酮、羧酸及其衍生物中起到非常重要的作用，但由于其毒性，實(shí)驗(yàn)室中和精細(xì)化工行業(yè)一般采用更加安全方便的固態(tài)一氧化碳前體作為碳源。微反應(yīng)器能夠精確控制氣液混合過程，傳質(zhì)高效且能夠耐受高壓，可以用于實(shí)現(xiàn)一氧化碳?xì)怏w參與的反應(yīng)。
不穩(wěn)定物質(zhì)
如何避免不穩(wěn)定活性中間體的分解是諸多工藝過程面臨的挑戰(zhàn)，利用微反應(yīng)器縮短操作步驟之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間，消除物料轉(zhuǎn)移的必要，能夠克服這一難題。諸如過甲酸或過乙酸一類的化合物在較高的溫度下或雜質(zhì)存在的情況下極易分解。
結(jié)語
新催化劑和新工藝過程的問世不斷要求更安全、更環(huán)保的實(shí)現(xiàn)手段。微反應(yīng)裝置以其特殊的優(yōu)勢(shì)提升了化工過程的安全性和經(jīng)濟(jì)性，正在扮演愈發(fā)重要的角色。流體在反應(yīng)器中的存在形式，并歸納了微反應(yīng)器安全性得以加強(qiáng)的3個(gè)原因：傳遞過程的加強(qiáng)、苛刻操作條件的實(shí)現(xiàn)以及約束效應(yīng)。微反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)使安全開展危險(xiǎn)反應(yīng)研究成為可能，并為反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué)的研究提供了一種新的途徑。
參考文獻(xiàn)
[1]孫冰等，微混合與微反應(yīng)技術(shù)在提升化工安全中的應(yīng)用，化工進(jìn)展，2017,36
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