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复工在即,确保化工安全生产

发布:康宁反应器技术有限公司
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复工在即,对化工企业来说,安全生产是**要素。在有机合成反应中,反应热是我们需要考虑的一个重要因素。它不光影响反应的收率,对于强放热反应,如果换热不及时有效,还会导致反应失控甚至造成安全事故。今天,我们就给大家介绍一下换热对化工安全生产的重要影响。


对于放热反应,通常要考虑以下三点:

  • 反应放热的速率:-rΔHrxn

  • 反应混合物通过反应器壁的导热或对流除去热量的速率      

  • 从反应器壁向环境传导热量的速率


这些因素在吸热反应情况下也类似,只是热量的传导方向相反。为了使反应热量达到平衡,反应体系中需要确保反应放出热量的速率和移走热量的速率保持一致。对有些反应,温度上升5°C,反应速度可能会加快20%。有时温度的小幅度上升可能造成反应速度大幅度加快,有时甚至引发反应物分解,副反应的大幅提升等危险因素。


对于传统釜式反应器:

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h:对流传热因子,与对流速度有关,通常难以测量,但可以通过关联去估算

ΔHrxn :化学反应热

ΔTad :绝热温升

dB:反应容器的直径


而对于流动化学反应器:

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dF 是流动反应器通道的直径,k 是反应混合物的热导率


不管是那种反应器,当β值小于1时,换热能力足够大,反应是安全的。


从以上两个公式来看,随着反应器(通道)直径大大减少,极大地降低的β值,使得反应向安全可控的方向发展。有时对于釜式反应器,这种h值大小和反应器的大小之间的关系不易量化,因为对流换热往往取决于反应器的大小,搅拌棒的大小,搅拌和液位。这些影响的不确定性也导致了传统反应器里工艺放大的难度。


在过去的几十年中,为了控制反应,我们采取滴加的方式,在更低的温度和浓度下进行反应,这样造成能耗,三废的增加,反应效率低下。利用连续流反应器,可以让反应在比较激烈的条件下进行,从而改善釜式反应的一些弊端。


例如锂化反应是一个高放热的快反应。热量的控制非常重要,温度升高会造成产物的分解和副产物的形成。

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100ml釜式反应器βB值是6.3,而连续流反应器β值只有0.2,釜式反应需在-100°C下进行,而连续流反应可以在较高的反应温度下操作,Z终得到75%收率,而且停留时间不超过1秒。


传热对反应的影响有时是巨大的,除了刚刚介绍的锂化反应外,我们来看看,还有什么反应对传热影响较大。


1. 芳香伯胺重氮化反应(例如Sandmeyer反应)

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该反应需要快速移走反应热量,防止产物的分解。动力学研究会便于反应器放大。


2. 芳烃亲电取代反应(如卤化、Friedel–Crafts胺烷基化及硝化等)

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改进了异羟肟酸各种底物的酸合成,换热的提高使得羟胺的处理更加安全。


3. 氧化反应

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釜式必须-78°C下的反应,连续流微通道反应可以在70°C下进行,收率达96%。GX的换热YZ了副反应的发生。


4. 金属有机反应(lithiation, Grignard) 

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对于这些放热量大,易失控的反应,在连续流反应器中可以得到很好的控制。第二个反应中,停留时间5秒,五氟苯的收率达到97%。


5. Paal–Knorr反应

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Faster heat transfer allowed the reaction to run neat.


6. 还原反应

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快速GX的换热使得有机金属中间体更加稳定,可以得到更好的反应结果。


7. Ducry and Roberge’s 的苯酚自催化硝化反应

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硝化反应通常是强放热反应,在反应中会产生具有易爆炸的副产物,因而是一类在化工生产上比较危险的反应。

 

Ducry and Roberge 用量热法比较微通道反应器和釜式反应器的苯酚自催化硝化反应案例。

 

在1升的釜式反应中,该硝化反应生产的热量能使反应温度上升55°C;而在微通道反应器中温度的上升不超过5°C。严格的温度控制可以有效地提高反应的选择性和收率。

 

例如该苯酚硝化反应的收率从釜式的55%提高到在微通道反应器中的75%。值得注意的是产品的纯度也由原来的56%提高到78%,而副产物聚合物减少了5倍。

 

当然,其他类型自催化的强放热反应包括聚合反应及氟化反应等在微通道反应器中都具有明显的优势。


事实上,通过快速GX的换热,准确控制反应温度可以大大改善反应条件,取得优异的反应结果的例子不胜枚举。


  • 通过微通道连续流反应器可以使反应过程绿色化,生产更安全。

  • 在反应中不采用溶剂或减少溶剂的使用;

  • 可以在更高温度和压力下进行反应(催化加氢,Diels–Alder反应等);

  • 快速传热和均匀温度控制也可以使反应在超临界溶剂中进行;

  • 有利于合成均匀量子点;

  • 酯化反应和无催化剂酯交换反应。


总之,通过微反应器GX的换热,可以大大提升反应选择性,反应收率和反应过程控制水平,而且操作条件更加宽泛,减少三废,反应更加绿色化,极大地提高了危险化学品的安全生产。


参考文献:

Angew.Chem.Int.Ed.2011,50,7502–7519

Chem. Rev., 2007, 107 (6), 2300-2318

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康宁反应器为化工安全生产保驾护航




(来源:康宁反应器技术有限公司)

2020-02-06
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