微反應技術(shù)的機遇與挑戰(zhàn)

流動化學或者微反應技術(shù)(MRT)在許多流程工藝工程應用方面擁有巨大優(yōu)勢。MRT用連續(xù)工藝取代非連續(xù)的間歇工藝，使化學反應發(fā)生在尺寸大幅減小的結(jié)構(gòu)中。MRT的主要組件包括具有高效率的混合器和高傳熱速率的換熱器，在這基礎(chǔ)之上還具有諸如過濾器、傳感器、閥門、泵和分析儀等基礎(chǔ)構(gòu)件。在微反應技術(shù)的幫助下，復雜或高難度的化學反應可以得到精確控制，從而提高化工生產(chǎn)的安全性。此外還可以節(jié)約生產(chǎn)場地，從而節(jié)省投資并提高運行效率。微結(jié)構(gòu)模塊的一個特殊優(yōu)點來自于高面容比所帶來的卓越傳熱和傳質(zhì)特性。MRT技術(shù)的發(fā)展微反應技術(shù)的起源可以追溯到1995年，時任德國美因茨微技術(shù)研究所的WolfgangEhrfeld教授提出了一個問題：“既然‘微’的概念為微電子領(lǐng)域帶來了巨大的性能提升和創(chuàng)新，為何不能將其用于流程工藝技術(shù)領(lǐng)域？”于是他邀請了化學、制藥和汽車制造行業(yè)的代表組成了一個行業(yè)聯(lián)盟，探討微加工技術(shù)的潛力。氣相法生產(chǎn)氫氰酸的安氏反應(Andrussowreaction)是其中的一個實例，相較于當時的現(xiàn)有技術(shù)，采用微通道的混合器獲得了顯著的收率。從那時起，Ehrfeld教授成為了微反應技術(shù)的先驅(qū)。1997年，首屆國際微反應技術(shù)大會(IMRET)在德國法蘭克福召開。隨著IMRET會議的召開，化學工程領(lǐng)域開始了一波以微反應技術(shù)作為重要內(nèi)容的過程強化研究熱潮。許多公司和研究所都認識到微反應技術(shù)及相關(guān)過程強化技術(shù)所帶來的巨大優(yōu)勢，眾多的實驗室和化學品及制藥生產(chǎn)工廠因此而開始嘗試采用MRT。直到今天，第14屆IMRET也于2017年在北京召開。MRT的效益流動化學創(chuàng)立了一個新型流程工藝環(huán)境，更好的工藝控制和反應體積的急劇微型化是MRT的核心要素。MRT擁有更好的混合效率及卓越的溫度控制，在整個反應范圍內(nèi)幾乎測不到溫度梯度，這種條件在傳統(tǒng)的間歇式反應器中幾乎不可能獲得。其另一個優(yōu)勢是，反應參數(shù)可以更好地被采用，從而獲得更高的純度、收率和選擇性。流動化學工藝的較小反應器體積，也使得物理工藝條件可以在同步的安全和完全受控的部件內(nèi)擴展至更高或更低的溫度或壓力。微/毫反應器連續(xù)化運行的最重要優(yōu)勢有以下幾點：?超快混合；?高效換熱；?縮短停留時間；?由于系統(tǒng)慣性小，易于過程控制；?極小的滯留體積帶來的高操作可靠性；?開發(fā)時間短。特別是在有爆炸性或有毒物質(zhì)快速、強放熱反應的情況下，連續(xù)流動反應器的這些特性更加明顯。因為高風險，這些流程經(jīng)常無法在間歇反應器中進行。該技術(shù)帶來的經(jīng)濟優(yōu)勢有以下幾點：?提高收率；?降低副產(chǎn)物比例；?改進產(chǎn)品質(zhì)量；?可持續(xù)的工廠安全；?降低能耗、降低碳排放。應用領(lǐng)域目前，微/毫反應器技術(shù)平臺的建立在世界市場范圍內(nèi)擁有巨大的潛力，許多著名的化學和制藥企業(yè)都開始嘗試應用該技術(shù)

(主要是在R&D階段)。一旦“從間歇到連續(xù)(Batch-to-Conti)”范式轉(zhuǎn)變的第一個障礙被克服，第二個障礙便是如何將該技術(shù)完整部署到生產(chǎn)中。不幸的是，目前生產(chǎn)設(shè)施的缺乏或沒有被提及，也為企業(yè)決策者增加了障礙。有吸引力的高潛力細分領(lǐng)域包括過氧化、磺化、乙氧基化、氫化、鋰化、臭氧化以及AI/APIs的生產(chǎn)，而這僅僅是一小部分。因此，巨大的優(yōu)勢和潛力驅(qū)動著企業(yè)對內(nèi)部產(chǎn)品組合進行篩選，并從中受益。從實驗室到生產(chǎn)微米級別的通道尺寸可能會導致堵塞，難以滿足生產(chǎn)企業(yè)對設(shè)備的堅固耐用性要求，僅能夠有相對較小的產(chǎn)量，因而并不適合規(guī)?；a(chǎn)。想要放大到適應規(guī)?；a(chǎn)，需要相應地將通道尺寸放大到毫米級，并保留微反應技術(shù)在換熱性能和混合速度方面的優(yōu)越特性。Ehrfeld

Mikrotechnik公司為此推出了一個集成化的工藝放大概念?，F(xiàn)在，通道幾何尺寸和結(jié)構(gòu)從微米向毫米的轉(zhuǎn)變工作已經(jīng)在實驗室進行，即通道幾何尺寸與后續(xù)的生產(chǎn)工廠相匹配。采用這種方法在實驗室確定的生產(chǎn)率、收率、工藝參數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量，可以被直接轉(zhuǎn)移至具有相同通道幾何尺寸的反應器中。盡管中試規(guī)模之中的放大步驟被省略，但諸如結(jié)垢、清洗工藝和使用壽命等生產(chǎn)中實際原材料質(zhì)量的中試測試必不可缺。從實驗室到生產(chǎn)的下一步工作，便是以“數(shù)值放大”的方式在管束式反應器/換熱器的基礎(chǔ)上進行，通過在反應器內(nèi)部平行連接通道形成通道束，從而增加產(chǎn)量，這種集成化的工藝放大概念有助于非?？焖俚剞D(zhuǎn)向生產(chǎn)。Miprowa?技術(shù)在Miprowa?技術(shù)中，反應器的構(gòu)造類似于一個管束式換熱器，其中圓形管道被矩形管道所替代。與標準的25.4mm直徑管道相比，矩形通道的面容比增加了6倍，相應地改善了換熱能力。通道內(nèi)部的靜態(tài)混合插件確保了高效的混合和換熱能力。圖1Miprowa?矩形通道原理圖，在每一個通道內(nèi)部有三層靜態(tài)混合插件對液相介質(zhì)系統(tǒng)可產(chǎn)生約2200W/m2K的換熱系數(shù)。采用Miprowa?技術(shù)的可行性研究在提高收率和產(chǎn)品質(zhì)量方面效果非常顯著。在中試規(guī)模的驗證階段，采用了稍微放大的、與后續(xù)生產(chǎn)規(guī)模相符的通道尺寸，反應器獲得了與實驗室同樣的收率和產(chǎn)品質(zhì)量。另外采用生產(chǎn)級原材料，并對反應器的污染和堵塞特性進行調(diào)查，腐蝕性測試顯示，采用一種抗腐蝕的哈氏合金材料來作為反應器材料，可以達到抗腐蝕要求。實際運行創(chuàng)建于1990年的紹興東湖高科股份有限公司是一家位于上海附近的農(nóng)業(yè)化學品生產(chǎn)商，其產(chǎn)

品不僅銷售于國內(nèi)市場，并且出

口到20多個國家，其中包括美國和歐洲。2002年，該公司即獲得“浙江省高科技企業(yè)”稱號。在過去的十多年里，紹興東湖高科一直在尋找具備發(fā)展前景的新技術(shù)，以替代其20多個傳統(tǒng)間歇式反應釜。在行業(yè)準則、環(huán)保法規(guī)、政府補貼和安全生產(chǎn)條例的驅(qū)動之下，他們?yōu)閷崿F(xiàn)強放熱烷基化反應而評估了流控技術(shù)市場。與其它企業(yè)一樣，紹興東湖高科注意到了EhrfeldMikrotechnik公司的

Miprowa?

技術(shù)，Ehrfeld

公司是位于德國的一家開發(fā)流動化學反應器的企業(yè)。圖2紹興東湖高科現(xiàn)場垂直安裝的Miprowa?生產(chǎn)級反應器(左)圖2

紹興東湖高科現(xiàn)場垂直安裝的Miprowa?生產(chǎn)級反應器(左)在深入調(diào)研了Miprowa?

基于接口模塊的集成化放大理念之后，他們決定采用Ehrfeld公司的技術(shù)。這種理念使得從實驗室到生產(chǎn)規(guī)模的工藝放大，能夠使用相同的通道幾何結(jié)構(gòu)，并且反應器采用了不銹鋼或哈氏合金等堅固耐用的金屬材質(zhì)。德國制造的7.5m長、重量超過5t的Miprowa?生產(chǎn)級反應器在開車調(diào)試僅一周后，即能開始生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。超越預期的體驗在連續(xù)運行6個月后，出于管控目的，反應器被拆開進行檢測，對反應器從內(nèi)至外的檢測結(jié)

果顯示，沒有發(fā)現(xiàn)任何污染和堵塞，表明反應器運行狀態(tài)理想，反應工藝轉(zhuǎn)化率和選擇性也很理

想，幾乎無副產(chǎn)物的產(chǎn)生。檢查完成后，反應器重新開車、連續(xù)穩(wěn)定運行至今。紹興東湖高科有限公司目前正在其產(chǎn)品組合中篩選合適、有前景的反應，以期將其轉(zhuǎn)變成采用毫米級反應器的連續(xù)流程工藝管理，并于2017年再次購買了兩套同樣的反應器以進一步增加生產(chǎn)能力。結(jié)語