微通道反应器在强放热反应中的应用进展

马艾琳，谌礼婷，柳虎军，陆 黎，侯章群，廖洪利*

(1.成都医学院药学院，四川 成都 610500；2.96608部队卫生处，河南 洛阳 471031)

化工行业中许多工艺伴随着高危险性的强放热反应，高热量的快速释放易导致副反应的发生，且过程难以控制，极易引发事故[1]。目前，化工制药行业主要采用传统釜式反应器进行生产，尽管已在实验室进行了高温高压釜式反应器中的毫升级筛选和条件优化，但将优化条件应用于间歇式反应器仍存在困难。微通道反应器是一种微型化的连续流动的管道式反应器，由微管并联而成，其微管内径一般在10～1 000 μm[2]，极大的比表面积使其换热效率高，可适用高度不稳定甚至爆炸性中间体的反应[3]，在强放热反应中得到广泛应用。与传统釜式反应器相比，微通道反应器的优势[4]在于：(1)微通道特征尺寸小，比表面积大，传热、传质效率高；(2)采用连续流技术，可精确控制物料停留时间，能避免局部过热，有效减少了副产物的产生；(3)能有效地进行链式反应，保证反应在爆炸极限内有效进行，大大降低了爆炸的可能性，提高了反应的安全性；(4)微通道反应器体积微小，微反应系统是呈模块结构的并行系统，具有便携、易操作等特点；(5)扩大生产时，不需要对设备进行尺度放大，只需增加微通道反应器的数量，即“数增放大”。

在此，作者主要对微通道反应器在强放热反应中的应用进行综述，包括硝化反应、重氮化反应、氧化反应、氟化反应、氯化反应、溴化反应、聚合反应等。

1 硝化反应

硝化反应放热剧烈、反应速率快，且需要一定的反应温度。为保证反应温度通常要求反应设备有良好的传热性能。苯二甲酸的硝化产物是重要的有机合成中间体，在传统釜式反应器中对苯二甲酸进行硝化常采用硝酸/硫酸混酸工艺，反应过程不易控制且安全隐患大。肖燕等[5]在微通道反应器中采用硝酸/硫酸混酸工艺合成苯二甲酸硝基衍生物(式1)，确定间苯二甲酸在微通道反应器中的最佳硝化条件为：n(间苯二甲酸)∶n(发烟硝酸)∶n(浓硫酸)为1∶1.7∶7、反应温度75 ℃、停留时间40.9 s，间苯二甲酸转化率为99.8%，5-硝基间苯二甲酸收率为95%，选择性为100%；邻苯二甲酸酐在微通道反应器中的最佳硝化条件为：n(邻苯二甲酸酐)∶n(发烟硝酸)∶n(浓硫酸)为1∶1.5∶3、反应温度90 ℃、停留时间60.6 s，邻苯二甲酸酐转化率为100%，3-硝基邻苯二甲酸收率为37%，选择性为41.3%。

(1)

3,5-二硝基苯甲酸是重要的有机合成中间体，用于生产诊断用药泛影酸，也可用作分析试剂。苯甲酸硝化合成3,5-二硝基苯甲酸属于强放热反应,反应热为278.96 kJ·mol-1。在传统釜式反应器中合成3,5-二硝基苯甲酸存在反应时间长、反应过程不稳定、硝化过程易产生“飞温”现象等不足。郭冰蒙等[6]提出在脉冲微通道反应器中采用连续法合成3,5-二硝基苯甲酸的新工艺(式2)，在n(苯甲酸)∶n(浓硝酸)∶n(发烟硫酸)为1∶2.8∶7、反应温度为75 ℃、停留时间为4 min的最佳条件下，3,5-二硝基苯甲酸收率为91.0%，选择性达97.2%。微通道反应器优异的传热、传质性能很大程度上解决了因反应热不能及时交换而导致的反应失控、爆炸等问题。

(2)

硝基氯苯(NCB)是应用广泛的重要化工原料，其传统生产工艺会产生大量废酸，由于热量不能及时释放，无法精确控制反应温度，存在安全隐患。余武斌等[7]基于微通道反应器优异的传热、传质性能，在并流式微通道反应器中对氯苯进行硝化合成硝基氯苯(式3)，在氯苯流速为0.5 mL·min-1、反应温度为80 ℃的条件下，硝基氯苯邻位选择性明显提高，时空转化率比常规反应器高约4个数量级，且副产物较少，实现了硝基氯苯短时高效的连续化生产。

(3)

2 重氮化反应

重氮化反应属于强放热反应，且产物重氮盐不稳定易分解。在传统釜式反应器中进行重氮化反应由于反应温度难以精准控制，副反应较多，且需消耗大量的冰，用于抵消反应热及给机械降温。微通道反应器可精准调控反应温度，传热效率高，为重氮盐的合成提供了一条新途径。杨林涛等[8]研究了红色基KD(4-甲氧基-3-氨基苯酰替苯胺)在微通道反应器中的重氮化反应(式4)，反应温度达到10～15 ℃(重氮化反应温度一般为0～5 ℃)，偶合收率大于98%，所得重氮盐溶液清澈无悬浮物。该方法节能效果显著，对重氮盐的工业化生产具有指导意义。

(4)

Yu等[9]在微通道反应器中进行连续重氮化反应合成对甲基苯酚(式5)。通过优化反应条件，对甲基苯酚总收率较传统合成工艺大大提高，达到91%，基本无副产物。可见，在微通道反应器中进行芳基重氮盐水解反应制备苯酚类化合物具有广阔的应用前景。

3 氧化反应

(5)

在精细化工领域中氧化反应多在间歇式反应器中进行，反应过程复杂，易失控发生爆炸、火灾等事故[10]。苯甲醛是一种重要的有机合成中间体，可由甲苯氧化合成，属于强放热反应。甲苯液相氧化条件温和、过程可控，但氧化剂过氧乙酸与其形成液态非均相体系，相阻力的存在不利于传质。张跃等[11]在脉冲型混合结构微通道反应器中液相氧化甲苯合成苯甲醛(式6)，选择性达到83.5%。与传统间歇式反应器相比，微通道反应器大幅提高了原料利用率，可对氧化反应进行有效控制。

(6)

二甲基砜在工业中作为有机合成原料、食品添加剂和保健品原料等，可用于低级羟的分析。过氧化氢氧化二甲基亚砜是除硝酸氧化外合成二甲基砜的另一主要方式，但反应过程放出大量热，要求反应器具备快速传热的性能。传统生产工艺采用开放釜式间歇生产工艺，向底物中滴加过氧化氢，并采用机械搅拌，反应物浓度分布不均易导致局部升温过快。薛鹏博等[12]在脉冲混合结构微通道反应器中氧化二甲基亚砜合成二甲基砜(式7)，通过微通道反应器使得反应液快速混合均匀，并及时移走反应物，反应效率明显提高。在最佳条件下，二甲基砜收率可达91.8%，停留时间仅为10 min，比传统间歇式反应器反应时间大大缩短。

(7)

4 氟化反应

含氟化合物因具有特殊的物理和化学性质，被广泛应用于材料、农药、医药等领域。但氟化反应放热剧烈，易爆炸，极具危险性。一氧化碳和氟气合成COF2是高放热的气相反应(式8)，由于反应释放的热量很大，要求反应器的比表面积大，因此使用微通道反应器是一个合理的选择。Navarrini等[13]在微通道反应器中对一氧化碳进行直接氟化合成COF2，使用AISI316、R400等合金对微通道反应器进行改造，增强了反应器的抗腐蚀性及导热性；与传统反应器相比，微通道反应器中反应的选择性提高了15%～50%，一氧化碳转化率提高了30%，不稳定副产物三氟甲基次氟酸盐至少降低40%。

(8)

5 氯化反应

氯化反应反应速率快且放热剧烈，若使用传统釜式反应器，存在喷料、氯气泄露等问题。二氯乙二肟不仅是一种高效的工业杀菌剂，也是合成氮杂环类化合物的重要中间体。张建功等[14]研究了在G1型增强传质“心形”结构微通道反应器中氯化乙二肟合成二氯乙二肟的工艺(式9)，并优化了工艺条件。在最佳工艺条件下，传统釜式反应器中二氯乙二肟收率最高为78%，而微通道反应器中可以达到85%。微通道反应器克服了传统釜式反应器热量传递不均匀的问题，同时降低了氯气的损耗，大大提高了生产效率。

(9)

2-氯乙酰乙酸乙酯是重要的医药、农药中间体。目前，工业上多采用间歇式反应器生产2-氯乙酰乙酸乙酯，存在副产物多、收率低、品质差等问题。卢乐等[15]以乙酰乙酸乙酯为原料、氯化亚砜为氯化剂，在微通道反应器中，在低温和微正压条件下实现了2-氯乙酰乙酸乙酯的连续化合成(式10)，在n(乙酰乙酸乙酯)∶n(氯化亚砜)为1∶1.02、m(乙酰乙酸乙酯)∶m(二氯甲烷)为1∶3、反应温度为5～10 ℃、停留时间为10 min的条件下,2-氯乙酰乙酸乙酯收率达到92%。

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6 溴化反应

溴代叔丁烷是一种用途广泛的有机合成中间体，还可作为烷基化试剂。在溴代叔丁烷的工业化生产中存在反应速率慢、效率低、副产物多等问题。张跃等[16]研究了微通道反应器中叔丁醇溴化合成溴代叔丁烷的工艺(式11)，并优化了工艺条件。在最佳工艺条件下，传统间歇搅拌反应器中溴代叔丁烷选择性为86.5%，而微通道反应器中可以提高到99.1%。

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7 聚合反应

聚合反应是精细化工领域中典型的放热反应，易引起热失控。苯乙烯是一种较活泼的单体，易发生聚合反应(式12)。为分析微通道反应器中苯乙烯聚合的热危害，Wang等[17]采用计算流体动力学(CFD)方法，将苯乙烯热聚合的流体力学模型和流固耦合模型相结合，建立了间歇式反应器和微通道反应器的三维稳态模型并进行比较。结果发现，在间歇式反应器中苯乙烯聚合的最高温度为371.1 ℃，而在微通道反应器中最高温度仅为150.23 ℃。表明，微通道反应器在控制聚合反应温度方面较间歇式反应器更有优势。

(12)

8 结语

微通道反应器优异的传热传质性能、高安全性使其在强放热反应中更具优势，克服了传统釜式反应器在工业生产上的不足。微通道反应器作为一种新兴的工业生产工具，在精细化工领域中的应用已初具规模，但其难以应用于多相反应、有固体生成的反应等。相信在不久的将来，微通道反应器会向更安全、可控、全面、自动化的方向发展，成为化工领域的主要反应器之一。