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常見問題

連續(xù)流工藝實驗實用技巧

2024-02-20 16:02:00

根據連續(xù)流化學的相關特點,將連續(xù)流技術工藝工程分為進料、反應、溫控、收集四大模塊。

預熱和保溫

為實現反應過程中溫度的準確控制,可以提前將物料換熱;達到設定溫度后,再混合反應。反應片1和2進行預熱,第3片開始混合反應。微通道反應器的換熱效率較高,在-20~250 ℃的范圍內,一般1片微通道反應器就可以在極短的時間里將物料預熱到目標溫度。同時高粘物料通過預熱模塊預熱可加快流通性。

除此之外,泵進出口的輸料管線也可以提前進行換熱,如采用伴熱帶加熱、管線換熱夾套換熱等等。伴熱帶應用簡單是比較常用的方式,有恒溫伴熱帶(如自來水管伴熱帶、70 ℃左右)和可調溫度伴熱帶(一般是30~180 ℃)。

對于易揮發(fā)、凝固析出晶體或易分解氣化的原料在用泵輸送過程中,需要進行管路冷卻、或保溫。如甲胺水溶液的輸送,甲胺水溶液易揮發(fā),產生氣體。氣泡的產生,會影響高壓柱塞泵的流量穩(wěn)定性和精確度。在連續(xù)流實驗過程中,泵處于壓力輸送狀態(tài),如果單相閥產生氣泡,會出現流量波動,甚至出現不進料的情況,導致實驗失敗。甲胺水溶液需要提前降溫,并且將整個輸送管路加裝保溫材料。最好是選擇能夠降溫的泵,保證物料不會在泵里面氣化。又如苯酚的輸送,苯酚的熔點在60℃左右,在進料過程中一般采取加熱融化的方式,需要對泵和管路進行保溫處理,防止在管路中析出。

進料體積比優(yōu)化

目前市面上大多數的進料泵(高壓柱塞泵、隔膜泵、蠕動泵等)在原理上存在脈沖。同時輸送物料,很難保證物料之間體積比(或質量比)的穩(wěn)定性。存在進料泵導致的局部配比失衡。物料之間的體積比(或質量比)越大,配比失衡越明顯。配比失衡嚴重影響反應效果。

在連續(xù)流反應器中,流體的湍流(或混沌流),只可以弱化局部的配比失衡。不同的反應器,不同的通道結構,弱化能力不同。普遍認為,將物料之間的體積比控制在≤10倍范圍內比較合適。

對于均相體系,可以將溶劑進行分配或增加溶劑,調節(jié)體積比。如均相硝化反應,可以將H2SO4進行分配,一部分溶解原料,一部分配制混酸。對于非均相硝化反應,可以嘗試調節(jié)溶劑用量,調節(jié)體積配比。

對于非均相體系,可以采用溶劑將物料稀釋,調節(jié)配比。如,液氯氯化反應,液氯不溶于DCM,原料(DCM溶液)與液氯的體積比>10 倍,可以采用DCM稀釋液氯,將液氯打成高分散狀態(tài),再參與反應的方法調節(jié)體積配比。

另外,一些反應由于放熱速度快,反應受熱影響較大,在開發(fā)連續(xù)流工藝時可采取分散進料和分段控溫的方式來解決此類問題。連續(xù)流設備非常容易實現分段控溫。不同反應段,不同的溫度控制,對提高反應的安全性、選擇性、原子利用率有很大幫助。對于分散多位點進料有以下兩點優(yōu)勢:

①調節(jié)物料配比:對于體積比較大的反應,可以分散進料,調節(jié)原料體積比。對于副反應較多的反應,可以進行饑餓反應,通過降低一股原料(如硝化反應的硝酸/硫酸、氧化反應的雙氧水/次氯酸鈉、溴代/氯代反應的液溴/液氯)和另一股原料或主產物的接觸機會,從而降低副反應的發(fā)生。

②分散反應熱量:將反應物分散進料,反應產生的熱量,可以分配至不同的部位,減緩溫度波動,抑制飛溫現象。在反應劇烈,放熱量大的反應中需要采用此種方案,如微通道雙氧水氧化工業(yè)化生產。

還有一種方式,可以優(yōu)化體積配比,就是調節(jié)不同物料輸送管路的內徑。通過調節(jié)內徑的尺寸,調整物料流動的截面面積。

進料速度

反應物料在微通道中流動時,在物料、管道確定的情況下,雷諾數Re與流速 成正比。為了達到理想的混合效果,應選擇較大的進料速度。

連續(xù)流微通道反應器生產廠家

式中,ρ-流體密度(kg/m3); -平均流速(m/s);d-管直徑(m);μ-流體動力黏度(Pa·s或N·s/m2)

連續(xù)流反應器有自身的持液量V0(即設備的容積),對于常規(guī)的液液反應,其停留時間計算方法為:

連續(xù)流微通道反應器生產廠家

式中, -物料總流速(mL/min);V0-設備的容積(mL)。

連續(xù)流反應器中的反應時間與物料進料速度成反比,速度越快,時間越短;同樣要達到相同的反應時間,需要的連續(xù)流設備越長。同時,流體在管道中流動,流速越大,摩擦力越大,壓降越大。實驗中,需要綜合分析混合效果、反應時間、壓降等因素來選擇最佳的進料速度。


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