微通道反應(yīng)器可以顯著提高物料的傳質(zhì)傳熱效果,縮短反應(yīng)時間,提高產(chǎn)品收率,而且安全、節(jié)能、環(huán)保,因而在化工、醫(yī)藥、染料及農(nóng)藥等行業(yè)都受到了廣泛關(guān)注。實驗中如果遇到停留時間不夠會造成導(dǎo)致原料沒有反應(yīng)*,這時該怎么辦呢?
1、 提高反應(yīng)溫度
我們知道,間歇反應(yīng)釜的佳反應(yīng)條件是與反應(yīng)釜相匹配的。工業(yè)反應(yīng)釜的體積大,一次處理的物料量多,因此傳質(zhì)效果不好,單位時間內(nèi)分子間的有效碰撞次數(shù)少,因而反應(yīng)速率比較慢??芍磻?yīng)速率常數(shù)是與反應(yīng)溫度成正比的。這是因為,提高反應(yīng)溫度可以提高分子的平均動能,單位體積內(nèi)由基態(tài)轉(zhuǎn)化為過渡態(tài)的分子數(shù)目增多,比例變大,更多的分子就能跨過勢壘,即通常所說的活化能,因而反應(yīng)更容易發(fā)生,表現(xiàn)在宏觀上就是反應(yīng)速率加快了。由此可以看出,反應(yīng)溫度對反應(yīng)速率起著至關(guān)重要的決定性作用。
但是在很多反應(yīng)過程中,我們不能任意提高反應(yīng)溫度,一方面溫度過高有可能導(dǎo)致結(jié)焦等副反應(yīng)的發(fā)生,另一方面則主要受制于傳統(tǒng)反應(yīng)釜糟糕的傳熱效果。化學(xué)反應(yīng)往往伴隨著劇烈的熱效應(yīng),對于放熱反應(yīng),反應(yīng)速率越快,放熱也就越劇烈,而工業(yè)反應(yīng)釜有限的換熱面積滿足不了反應(yīng)的換熱需求,為避免飛溫,只能通過降低反應(yīng)溫度、犧牲反應(yīng)速率來實現(xiàn)對溫度的有效控制,然后通過延長反應(yīng)時間來達到充分反應(yīng)的目的。這就是為什么很多低溫有機金屬反應(yīng)要在-20℃甚至-40℃的條件下進行,以及為什么大部分硝化反應(yīng)都要通過滴加原料的方式進行。
然而,這些問題不再是微通道反應(yīng)器的桎梏。微通道反應(yīng)器提高反應(yīng)溫度的成功案例比比皆是,甚至可以說是有效的縮短反應(yīng)時間的方法之一。
因此,當(dāng)實驗中出現(xiàn)原料反應(yīng)不*的情況時,首先可以考慮一下:反應(yīng)溫度是不是設(shè)置的過低了?一般來說,微通道反應(yīng)器的反應(yīng)溫度可以比間歇反應(yīng)釜的溫度提高10~20℃左右。
2、 提高反應(yīng)物濃度
反應(yīng)速率除了與分子的平均動能有關(guān),還與單位體積內(nèi)反應(yīng)物分子的數(shù)量有關(guān),如圖4所示,即從理論上來說,反應(yīng)物濃度越高,越有利于反應(yīng)的發(fā)生。但在間歇反應(yīng)釜中,有時候卻會選擇相對較低的反應(yīng)物濃度,主要是從以下幾個方面考慮:
(1)控制反應(yīng)速率。如前所述,在間歇反應(yīng)中,有時候因換熱跟不上或者攪拌不均勻,容易造成局部過熱,從而發(fā)生結(jié)焦或其他副反應(yīng),影響產(chǎn)品選擇性和收率。這時,采用較低的反應(yīng)物濃度就是比較明智的選擇,但相應(yīng)地也要付出反應(yīng)時間長的代價。
(2)避免發(fā)生二次反應(yīng)。除了結(jié)焦,較高的反應(yīng)物濃度還容易導(dǎo)致二次反應(yīng)的發(fā)生,比如過硝化、過氧化等等,為避免非目的產(chǎn)物的生成,往往也需要對反應(yīng)物的濃度進行調(diào)整。
(3)利用溶劑換熱。有些溶劑除了對反應(yīng)物起到分散作用,本身也具有良好的吸熱能力,因此是很好的換熱介質(zhì),比如濃硫酸在硝化反應(yīng)中就常常同時起到催化劑和換熱介質(zhì)的作用,這時也會加大溶劑的量,從而降低反應(yīng)物的濃度。
因此在進行實驗的過程中,首先要明確反應(yīng)物選擇該濃度的原因是什么。如果是受制于反應(yīng)釜的換熱能力,那在微反上可以大膽嘗試提高反應(yīng)物的濃度,往往會得到令人滿意的結(jié)果。小編近做的一個硝化反應(yīng),反應(yīng)釜中硝酸的濃度是16~20%,在微反上采用相同的酸濃度,產(chǎn)品收率只有60~70%,氣相色譜分析結(jié)果顯示,還有很多原料沒有反應(yīng)*。而當(dāng)把酸濃度提高到35~40%之后,產(chǎn)品收率立刻達到了95%以上。由此可見,之前的實驗正是被低濃度的硝酸限制了反應(yīng)速率。如果選擇較低的濃度是為避免二次反應(yīng)的發(fā)生,那么則要謹慎提高反應(yīng)物濃度,但由于微反的停留時間很短,有時候二次反應(yīng)還來不及發(fā)生反應(yīng)即被終止,那這種情況下也可以通過提高反應(yīng)物濃度來縮短停留時間,實現(xiàn)提高產(chǎn)品收率的目的。
3 、降低流量
如果通過提高反應(yīng)溫度和反應(yīng)物濃度的方法均不能有效縮短反應(yīng)的停留時間,使反應(yīng)*,那這個時候就可以嘗試在其他條件不變的情況下降低物料的流量。豪邁化工微通道反應(yīng)器小試設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配置是10片反應(yīng)片,因此反應(yīng)器的容積是確定的,在持液量保持不變的情況下,降低物料的流量,則會相應(yīng)延長反應(yīng)的停留時間。但這里需要注意的是物料的流量不能降得特別低,否則物料不能*充滿微通道,則會失去微通道的混合與傳質(zhì)效果。
4 、增加盤管或反應(yīng)片
通過前面介紹的三種方法,大多數(shù)反應(yīng)過程停留時間不夠的問題應(yīng)該都能得到有效解決。但對于個別的特殊反應(yīng),在嘗試以上三種方法均無果的情況下,則只能考慮提高反應(yīng)器的持液量,即增大反應(yīng)器的容積。通常采取的措施是先在微反應(yīng)器出口連接一段盤管,使反應(yīng)體系在盤管中繼續(xù)發(fā)生反應(yīng),然后對盤管出口的物料進行分析檢測。如果分析結(jié)果顯示停留時間的延長確實有助于原料的轉(zhuǎn)化,可以使反應(yīng)更*,那這時則可以根據(jù)實際所需的停留時間,定制反應(yīng)片數(shù)更多的微反應(yīng)器,或者直接將兩臺或多臺微反應(yīng)器串聯(lián)使用。