蔣志永

摘要：精細(xì)化工是近年來(lái)化工行業(yè)的新興研究學(xué)科，亦是發(fā)展最為活躍的領(lǐng)域之一。微反應(yīng)技術(shù)作為一種連續(xù)性反應(yīng)，在精細(xì)化工中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)大型反應(yīng)器無(wú)法比擬的。對(duì)于精細(xì)化工行業(yè)而言，加強(qiáng)微反應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用，有助于優(yōu)化化工行業(yè)結(jié)構(gòu)、提高化工行業(yè)產(chǎn)能，幫助企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，還能拉動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)?；诖耍疚氖紫汝U述了微反應(yīng)技術(shù)概念及特點(diǎn)，接著從三個(gè)方面剖析了微反應(yīng)技術(shù)在精細(xì)化工中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：精細(xì)化工;微反應(yīng)技術(shù);化工行業(yè)

近年來(lái)，精細(xì)化工行業(yè)安全事故頻發(fā)，成為化工安全事故重災(zāi)區(qū)，根本原因在于精細(xì)化工所涉及的硝化反應(yīng)、氧化反應(yīng)以及過(guò)氧化反應(yīng)具有較高的危險(xiǎn)性，且與大化工、基礎(chǔ)化工不同，雖然產(chǎn)量不高，但附加值高，生產(chǎn)方式靈活，這些特性使得精細(xì)化工行業(yè)入門標(biāo)準(zhǔn)較低，涌現(xiàn)了很多小型的精細(xì)化工生產(chǎn)企業(yè)。這些企業(yè)管理機(jī)制不健全、作業(yè)生產(chǎn)不規(guī)范，尤其是在安全、環(huán)保等方面領(lǐng)導(dǎo)重視不足，技術(shù)經(jīng)驗(yàn)匱乏。所以，屢屢發(fā)生安全事故，精細(xì)化工行業(yè)安全形勢(shì)不容樂(lè)觀，亟待技術(shù)力量加持。20世紀(jì)90年代研發(fā)出微反應(yīng)技術(shù)，可有效解決精細(xì)化工安全與環(huán)保領(lǐng)域的不足，未來(lái)在精細(xì)化工和制藥領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)更加廣闊。

1微反應(yīng)技術(shù)

微反應(yīng)技術(shù)的核心部件是微反應(yīng)器，其內(nèi)有大量以精密加工技術(shù)制成微反應(yīng)通道，可替代傳統(tǒng)化工行業(yè)中玻璃燒瓶、漏斗、反應(yīng)釜等傳統(tǒng)間歇反應(yīng)器。在微反應(yīng)器內(nèi)部流體尺寸通常在1μm至1mm之間，其反應(yīng)過(guò)程主要是通過(guò)對(duì)流體傳質(zhì)、傳熱及流動(dòng)特性的改變實(shí)現(xiàn)[1]。通過(guò)微反應(yīng)器特殊的結(jié)構(gòu)，在操作過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制反應(yīng)溫度、精確配比反應(yīng)物料，提高產(chǎn)品質(zhì)量，操作也更加安全。

微反應(yīng)技術(shù)所具有的連續(xù)工藝，可廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工和制藥行業(yè)中?；诠に囬_(kāi)發(fā)需求、產(chǎn)品收率與產(chǎn)量、生產(chǎn)安全性以及操作性能等要素，使得微反應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用愈發(fā)普遍。在精細(xì)化領(lǐng)域中，很多反應(yīng)對(duì)溫度的要求較高，有時(shí)是在零下幾十度進(jìn)行，有時(shí)卻又在幾百度高溫下進(jìn)行，要想精準(zhǔn)控制溫度和反應(yīng)時(shí)間，就需要添加物料。而常規(guī)的反應(yīng)器難以滿足上述需求，而微反應(yīng)器所具備的微尺度特性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和時(shí)間的精準(zhǔn)控制，有效保證了反應(yīng)順利進(jìn)行。而在制藥行業(yè)，一種新藥的研發(fā)并非一蹴而就，是一個(gè)相對(duì)比較漫長(zhǎng)的過(guò)程，藥物篩選最關(guān)鍵的一步就是選出高品質(zhì)的先導(dǎo)化合物，依托微反應(yīng)技術(shù)與基因分析設(shè)備的結(jié)合，而反應(yīng)器內(nèi)部的非湍流環(huán)境與高敏性生物測(cè)定系統(tǒng)對(duì)接，使得藥物篩選效率，尤其是高通量藥物篩選效率得到了明顯的提升?？傊?，微反應(yīng)技術(shù)在精細(xì)化工和醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，不僅可以降低生產(chǎn)成本，還能提高作業(yè)速率。

2微反應(yīng)技術(shù)在精細(xì)化工中的具體應(yīng)用

2.1安全性能方面

強(qiáng)放熱反應(yīng)是精細(xì)化工領(lǐng)域中一種非常普遍的反應(yīng)現(xiàn)象，在反應(yīng)過(guò)程中極易出現(xiàn)溫度驟然升高，反而不利于反應(yīng)控制，是危險(xiǎn)事故發(fā)生的重要環(huán)節(jié)。硝化反應(yīng)作為一種單元反應(yīng)，具有強(qiáng)放熱、選擇性敏感等特性，被廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工領(lǐng)域，而微反應(yīng)技術(shù)為其開(kāi)辟了全新的發(fā)展機(jī)遇。KULKARNI以微反應(yīng)器為核心提出了幾種不同的硝化反應(yīng)，并對(duì)反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)劣勢(shì)、工業(yè)實(shí)用性等進(jìn)行了全面分析。費(fèi)托合成反應(yīng)是指基于催化劑條件下，CO和H2轉(zhuǎn)化為烴類，在這類反應(yīng)過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精準(zhǔn)控制，使得合成氣轉(zhuǎn)化率提高，整個(gè)反應(yīng)速率加快。重氮化合物自身具有潛在爆炸性，安全處理難度較大，危險(xiǎn)系數(shù)較高。MüLLER等在重氮化合物合成實(shí)驗(yàn)中，就是憑借著微反應(yīng)器良好的傳熱效率，降低了危險(xiǎn)試劑的處理難度。因?yàn)?，與常規(guī)反應(yīng)器相比，微反應(yīng)器的溫度更低，所以可以有效保證反應(yīng)安全進(jìn)行。

2.2氧化及過(guò)氧化反應(yīng)

在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)于過(guò)氧化氫的制備主要采用的是蒽醌法，近年來(lái)，人們一直嘗試通過(guò)合成氫氣和氧氣的方式生產(chǎn)過(guò)氧化氫，使得反應(yīng)更加環(huán)保，但由于在合成過(guò)程中發(fā)生爆炸的幾率非常高，因此在工業(yè)領(lǐng)域推廣受阻。而微反應(yīng)器內(nèi)通道尺度比燃爆臨界直徑小，所以可以將自由基淬滅，保證氫氧合成過(guò)氧化氫反應(yīng)在爆炸極限內(nèi)順利進(jìn)行[2]。近年來(lái)，國(guó)外學(xué)者已成功利用微反應(yīng)器進(jìn)行氫氧合成過(guò)氧化氫，且霍尼韋爾公司目前已制定出了量產(chǎn)計(jì)劃。吳巍等學(xué)者基于60～80℃溫度條件下，借助微反應(yīng)器合成過(guò)氧化氫與乙酸，該實(shí)驗(yàn)為高效低耗生產(chǎn)過(guò)氧乙酸提供了數(shù)據(jù)參考。鄭亞峰在制備乙烯氧氣時(shí)就是利用微反應(yīng)器進(jìn)行，載體為α-A12O3，成功生成環(huán)氧乙烷，環(huán)氧乙烷選擇性可達(dá)82%，收率最高到57%，空速為5000h-1，因該反應(yīng)未達(dá)到混合原料爆炸條件，所以具有一定的安全性。余錫孟等在微反應(yīng)器內(nèi)開(kāi)展了甲苯、環(huán)己烷、環(huán)己酮等有機(jī)物液相氧化反應(yīng)，這些反應(yīng)的開(kāi)展均是在爆炸極限內(nèi)這一條件下進(jìn)行，檢驗(yàn)了反應(yīng)受工藝條件的影響要素，同時(shí)也為精細(xì)化工幾種物質(zhì)聯(lián)合生產(chǎn)提供了參考。麻省理工學(xué)院的Srinivasan等設(shè)計(jì)了一種T型微反應(yīng)器，該反應(yīng)器集加熱器、流量和溫度傳感器于一體，可進(jìn)行氨氧化反應(yīng)。盡管，相關(guān)報(bào)道較多，但是產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用較少，原因可能是因?yàn)榉磻?yīng)規(guī)模較大，加大了風(fēng)險(xiǎn)因素，因此規(guī)?？煽匦砸蟠蠓忍嵘齕3]。此外，大多數(shù)氧化反應(yīng)都需要金屬催化劑，如何推進(jìn)負(fù)載型微反應(yīng)器規(guī)模制作，同時(shí)對(duì)催化劑進(jìn)行有效回收利用是當(dāng)前亟待思考的重要問(wèn)題。

2.3控制產(chǎn)物分子

微反應(yīng)技術(shù)不僅會(huì)對(duì)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化率等造成影響，還會(huì)使得反應(yīng)過(guò)程中的熱點(diǎn)降低，因此能夠很好地控制聚合物的分子量、粒徑分布等。目前，在聚合反應(yīng)方面，微反應(yīng)技術(shù)應(yīng)用成熟，且在陽(yáng)離子聚合、陰離子聚合、自由基聚合、配位聚合、縮合聚合、開(kāi)環(huán)聚合等多種聚合反應(yīng)中廣泛應(yīng)用，比傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器優(yōu)勢(shì)更加明顯。結(jié)合微反應(yīng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，其應(yīng)用于聚合反應(yīng)已成為化工、高分子等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[4]。IWASAKI等對(duì)甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸丁酯等分別使用微反應(yīng)器和釜式反應(yīng)器進(jìn)行自由基聚合反應(yīng)，同時(shí)檢測(cè)合成產(chǎn)物的分子量，結(jié)果顯示反應(yīng)時(shí)間和產(chǎn)率相同的情況下，微反應(yīng)器中所生成的聚合物分子量分布指數(shù)均未超過(guò)4。

3結(jié)語(yǔ)

綜上所述，不僅可以在精細(xì)化工有機(jī)反應(yīng)中利用微反應(yīng)技術(shù)，也可應(yīng)用于無(wú)機(jī)化學(xué)領(lǐng)域。如納米材料反映，同樣可以精準(zhǔn)控制材料配比，并對(duì)反映中不可控產(chǎn)物進(jìn)行有效控制，進(jìn)一步使得反應(yīng)產(chǎn)物占比提升，且實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換副產(chǎn)物的產(chǎn)出與熱量。隨著行業(yè)不斷發(fā)展，化工行業(yè)作為國(guó)民支柱型產(chǎn)業(yè)，應(yīng)主動(dòng)積極探索有助于精細(xì)化工發(fā)展的技術(shù)，而微反應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用，有效推動(dòng)了精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。對(duì)此，在今后的工作中，應(yīng)研發(fā)出更多類型的微反應(yīng)器并全面應(yīng)用到精細(xì)化工中，推動(dòng)我國(guó)化工技術(shù)不斷升級(jí)，走向國(guó)際化道路。

參考文獻(xiàn)

[1]郭紅衛(wèi).微通道反應(yīng)器在精細(xì)化工行業(yè)的安全應(yīng)用[J].現(xiàn)代職業(yè)安全，2020，230（10）：94-97.

[2]馬紅霞，曹東立，劉冬，等.微反應(yīng)器技術(shù)在環(huán)己烷氧化中研究進(jìn)展[J].化工生產(chǎn)與技術(shù)，2019，025（004）：34-36.

[3]路念明，王欣.推廣微通道反應(yīng)技術(shù)促進(jìn)精細(xì)化工行業(yè)綠色安全發(fā)展[J].精細(xì)與專用化學(xué)品，2020（8）：113-114.

[4]晏金平.微反應(yīng)技術(shù)在提升精細(xì)化工安全中的應(yīng)用[C]//事故預(yù)防與災(zāi)害防治的理論與實(shí)踐.2019.