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[原创] 连续流合成中绝热反应工艺

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在采用连续流设备比如微反应器,管道反应器等进行合成工艺开发的时候,大家往往从现有工艺起步。直接在微反应器或管道反应器中套用现有工艺条件,比如温度,压力,底物浓度等等,然后根据实验结果对停留时间,进料比例等条件进行优化。这是工艺开发中比较初步且容易上手的阶段。实际上在涉及连续流设备的工艺开发中,更有效益的做法是充分利用设备特点,跳出现有的工艺框架,在现有工艺的操作点之外寻求新的操作条件,实现生产效率的最大化。在这里笔者给大家提供一个思路,那就是用绝热反应替代等温反应。
绝热反应与等温反应的区别
常规的有机合成反应,无论从实验开发还是工业生产,均倾向于在恒定温度下进行,温度作为一个重要的工艺控制指标,被严格控制。之所以等温操作流程被广泛采用,主要有三个原因:
一方面小试实验都是一般都是在搅拌釜内进行的,而且是间歇反应,反应常常在等温条件下进行,小试实验往往对温度进行优化,选取出最适温度。生产过程一般以小试实验为基准进行放大,自然而然把最适温度代入实际生产中。
另一方面恒温条件有利于保证生产安全,温度过高可能导致溶剂气化,形成高压环境。个别情况下甚至会导致溶剂分解,生成爆炸性物质。
最后,相当一部分反应在温度超过一定条件下会形成副产物,降低反应收率。
因此在现有生成工艺中70%的化学反应在过程中都会要求进行严格的温度控制,对于放热反应往往通过换热器或夹套等形式移除反应热量。
与等温反应相对的是绝热反应,绝热反应系统不对温度进行特殊控制,不使用换热设备移除反应系统热量。在反应过程中物料被反应放出的热量加热,反应温度逐渐升高,并不维持恒定。
绝热反应的优势
相对于等温反应系统,绝热反应还是有一些优点的:
首先,对于放热反应,反应速度快,一般化学反应,随着温度增加,反应速度是提高的。绝热条件下反应放出的热量导致体系温度升高,加速反应,缩短反应时间。
其次,绝热系统无需配置冷却设备及控制系统,设备大大简化。而且非常利于设备的防腐处理,因为绝大部分耐腐蚀材料(如PTFE,搪瓷等)导热能力都非常差,如果用于等温系统设计必须考虑这个问题。
绝热反应与连续流设备的结合
连续流设备实际上非常有利于进行绝热反应,体现在以下几个方面:
1.连续流设备多为管道式结构而且直径远小于反应釜,设备耐压等级高,可以承受因为溶剂沸腾,甚至爆炸产生的高压环境。
2.连续流设备持液量小,即使发生泄漏与爆炸也不至于导致较大危害,而且管道直径较小本身就能起到阻火阻燃的作用。
3.反应停留时间较短,在特定情况下(副反应速率低于主反应时)可以抑制因高温产生的副反应。
从以上分析可以看出,绝热反应的两大缺点——副反应多,生产安全问题,都可以通过与连续流设备结合来避免。因此在连续流工艺开发过程中尝试绝热工艺是有可行性和必要性的。
绝热工艺开发需要注意的问题
绝热工艺虽然优点很多,但对工艺开发的要求还是要明显高于等温工艺的,绝热工艺的开发,至少是要在基于以下条件之上的。
1.对不同温度下产物的分布,副产物的性质与危害,主产物可接受的浓度,主产物与副产物的产生速率要有非常清楚的认识以及详细的实验数据。特别要警惕副产物高温下生成速率大于主产物的情况,这种情况难以通过缩短停留时间进行弥补。
2.对反应热及体系最终可能达到的最极端条件要有充分认识,连续流反应器耐压能力虽强,但不是无限制的,追求耐压能力会牺牲设备的其他性能。因此在工艺开发中,需要依靠计算或者实验确定体系可能达到的最极端条件(温度,压力)以此为依据进行设备设计以及选型。

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