化工過程強(qiáng)化的概念正被廣泛接受。自20世紀(jì)80年代以來，傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)已悄然發(fā)生了重大的變化，新過程、新設(shè)備和新技術(shù)使新建化工廠具有緊湊、安全、低耗和環(huán)境友好等特征。

過程強(qiáng)化意味著變革而不是漸變，是指在生產(chǎn)能力不變的情況下，生產(chǎn)過程極大地減少設(shè)備體積、提高設(shè)備生產(chǎn)能力，顯著地提高能量利用效率，大幅地減少廢物排放。21世紀(jì)化學(xué)工業(yè)的輪廓正在改變，新型高效設(shè)備已經(jīng)開始逐漸代替數(shù)十米高的反應(yīng)器和分離塔設(shè)備?；み^程強(qiáng)化已逐步成為實(shí)現(xiàn)化工過程高效、安全、環(huán)境友好、密集生產(chǎn)。推動(dòng)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的新興技術(shù)，改變著傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)，使傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)受到了前所未有的挑戰(zhàn)。

一、微反應(yīng)技術(shù)對(duì)化工過程的強(qiáng)化

過程強(qiáng)化的主要目標(biāo)是在不降低產(chǎn)能的前提下，通過縮小工廠的規(guī)模，實(shí)現(xiàn)化工廠投資、操作和維修費(fèi)用的降低。過程強(qiáng)化的最終發(fā)展導(dǎo)致了微反應(yīng)技術(shù)這一新領(lǐng)域的產(chǎn)生。微反應(yīng)技術(shù)的基本理念是調(diào)整設(shè)備去適應(yīng)化學(xué)反應(yīng)過程而不是調(diào)整化學(xué)反應(yīng)條件去適應(yīng)設(shè)備。微反應(yīng)技術(shù)對(duì)化工過程的強(qiáng)化體現(xiàn)在以下幾方面。

1、反應(yīng)器體積縮小

微反應(yīng)器的體積只有傳統(tǒng)間歇反應(yīng)釜的1/100甚至1/1000，以一個(gè)10m3標(biāo)準(zhǔn)帶夾套攪拌反應(yīng)釜為例，在相同的產(chǎn)能情況下，微反應(yīng)器的體積只有0.1m3。反應(yīng)器體積能縮小的根本原因：將間歇操作的反應(yīng)改為了連續(xù)操作，試想1ml/s的液體流量，在連續(xù)操作條件下，每年能生產(chǎn)30t的產(chǎn)量。而這一產(chǎn)量就是許多藥品所需要的年產(chǎn)量。

2、反應(yīng)停留時(shí)間縮短

微反應(yīng)器是由一組并聯(lián)的微通道組成，是一個(gè)理想的平推流反應(yīng)器，它的反應(yīng)結(jié)果唯一由反應(yīng)動(dòng)力學(xué)決定。微反應(yīng)器采用連續(xù)流體系，傳質(zhì)傳熱效率高，返混幾率小，能更好的控制反應(yīng)溫度和停留時(shí)間，改變化學(xué)反應(yīng)的激烈程度，使化學(xué)反應(yīng)速率接近其動(dòng)力學(xué)極限，不再需要原來那些為了使化學(xué)過程適應(yīng)固有設(shè)備的調(diào)整手段，如添加溶劑，沸點(diǎn)的受熱限制，緩慢且不規(guī)則的攪拌混合等。

通過初始條件、邊界條件、反應(yīng)溫度和停留時(shí)間的精確調(diào)整和控制可以達(dá)到最高的收率和最好的選擇性，避免副反應(yīng)的發(fā)生。用傳統(tǒng)間歇反應(yīng)釜，反應(yīng)放出的熱量不能及時(shí)釋放，反應(yīng)溫度不能精確控制。因此反應(yīng)速度常常被人為的加以限制，否則可能會(huì)發(fā)生爆炸，利用微反應(yīng)器能克服傳統(tǒng)間歇反應(yīng)釜的缺點(diǎn)。

3、傳質(zhì)傳熱效率極大提高

微反應(yīng)器由混合器、反應(yīng)器、換熱器、控制器等組成。濃度和溫度梯度是傳質(zhì)傳熱的推動(dòng)力，特征尺寸的減小，會(huì)引起梯度的增加，相應(yīng)地會(huì)導(dǎo)致傳質(zhì)傳熱速率以及黏性損失的增加，隨著特征尺寸的減小系統(tǒng)的比表面積增加，對(duì)于傳遞過程來說，導(dǎo)致傳質(zhì)傳熱的推動(dòng)力增加，因此就可以通過設(shè)備的小型化來實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)傳熱效率的極大提高。

此外，系統(tǒng)內(nèi)物料數(shù)量隨著設(shè)備的小型化而減少，因此微型裝置的響應(yīng)時(shí)間會(huì)極大地減少，大的溫度和濃度差多數(shù)情況下會(huì)立刻消失。有資料報(bào)道，利用微換熱器的通道作為反應(yīng)空間可使強(qiáng)放熱反應(yīng)在等溫條件下進(jìn)行。

4、反應(yīng)過程更安全

① 由于換熱效率極高，即使反應(yīng)突然釋放大量熱量也可以被導(dǎo)出，從而保證反應(yīng)溫度維持在設(shè)定范圍以內(nèi)，最大程度減少了安全事故和質(zhì)量事故的發(fā)生；

② 與傳統(tǒng)間歇反應(yīng)釜不同，微反應(yīng)器采用連續(xù)流反應(yīng)，因此在反應(yīng)器中停留的化學(xué)品數(shù)量總是很少的，即使萬一失控，危害程度也非常有限，可以實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全；

③ 微反應(yīng)器是密閉的，有高效換熱器可實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制，采用各種高強(qiáng)度耐腐蝕材料，可用于條件比較苛刻的高溫、高壓、強(qiáng)放熱、有毒物料、快速反應(yīng)等。

5、小試工藝無差別直接放大

化學(xué)合成藥物的生產(chǎn)多數(shù)采用傳統(tǒng)間歇反應(yīng)釜。小試工藝放大到大的反應(yīng)釜，由于傳熱傳質(zhì)效率的差別，一般需要一段時(shí)間的試驗(yàn)，通常都是經(jīng)過小試到中試再到大生產(chǎn)。如果采用微反應(yīng)器，工藝放大不是通過增大微通道的特征尺寸，而是通過增加微通道的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)，平行疊加反應(yīng)器即可，小試的最佳反應(yīng)條件，不需要作任何改變可以直接進(jìn)行放大生產(chǎn)，不存在小試的放大難題。

6、綠色化工

由于化學(xué)反應(yīng)的收率和選擇性提高，副產(chǎn)物減少，對(duì)環(huán)境的影響降低；化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間和濃度能夠準(zhǔn)確的設(shè)定，反應(yīng)會(huì)在準(zhǔn)確設(shè)定的時(shí)間和位置開始進(jìn)行，并且具有空間均勻的組成，使綠色化工工藝成為可能，相應(yīng)地，也降低了處理副產(chǎn)物的成本。

二、微反應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用范圍

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，在精細(xì)化工反應(yīng)中，大約有20%的反應(yīng)通過采用微反應(yīng)器可以在收率、選擇性或安全性等方面得到提高。

1、微反應(yīng)器在以下范圍得到了較好的應(yīng)用

（1）應(yīng)用于加氫反應(yīng)、氧化反應(yīng)、氯化反應(yīng)和氟化反應(yīng)等氣液反應(yīng)、液液反應(yīng)、氣液固反應(yīng)。

（2）應(yīng)用于有催化劑的氣液固反應(yīng)，但催化劑顆粒大小在35~75μｍ（最小35μｍ，最大150μｍ）范圍內(nèi)。

（3）應(yīng)用于強(qiáng)放熱反應(yīng)、有毒試劑反應(yīng)、強(qiáng)腐蝕反應(yīng)、高危險(xiǎn)反應(yīng)、快速反應(yīng)、多步反應(yīng)（多種試劑輸入）等。

（4）應(yīng)用于硝化反應(yīng)：可使反應(yīng)過程變得安全、高效換熱，使反應(yīng)常溫進(jìn)行，降低能耗，收率高達(dá)99.5%以上。無溶劑參與反應(yīng)，洗滌分液即可，廢硫酸可循環(huán)利用。

（5）應(yīng)用于格氏反應(yīng)：很好地解決了強(qiáng)放熱反應(yīng)容易爆炸的危險(xiǎn)，瞬間快速反應(yīng)。需要很好的控制反應(yīng)物的混合，避免副反應(yīng)多、產(chǎn)物易分解的問題。

（6）應(yīng)用于疊氮反應(yīng)：該反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，產(chǎn)物通常有毒，而且遇熱不穩(wěn)定，生成爆炸性中間產(chǎn)物疊氮物（CH2（N3）2）1和疊氮酸（HN3），由于這些不穩(wěn)定疊氮化合物的生成導(dǎo)致疊氮反應(yīng)使用范圍并不廣泛，傳統(tǒng)的間歇反應(yīng)出于安全性考慮不能實(shí)現(xiàn)40℃以上的反應(yīng)，微反應(yīng)器的使用使得危險(xiǎn)反應(yīng)可以安全實(shí)現(xiàn)，沒有頂端空間因而避免HN3（氫疊氮酸）聚集而發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)，放熱后有效散熱，操作溫度范圍的拓展有利于提高產(chǎn)率，增加經(jīng)濟(jì)可行性。

（7）應(yīng)用于過氧化物處理，該過程廢堿水量大，處理困難，環(huán)保壓力大；放熱較大，堿液需要在釜中降低到-20℃，加入速度慢，溫度過高過氧化物易發(fā)生危險(xiǎn)。采用微反應(yīng)器，堿液濃度提高一倍，從過量30%降低到5%。物料常溫加入，溫度精確控制。

（8）應(yīng)用于磺化反應(yīng)，該反應(yīng)對(duì)混合和換熱要求都非常高，混合不好易發(fā)生聚合，收率降低，換熱不好需要的α異構(gòu)體含量低。采用微反應(yīng)器，收率從82%提高到90%，β異構(gòu)體3%降低到0.7%。

2、微反應(yīng)器應(yīng)用的限制條件

（1）微反應(yīng)器不能處理固體，不適于很慢的液－固反應(yīng)。

（2）適用的化學(xué)反應(yīng)類型有限，不適于無放熱或吸熱現(xiàn)象的反應(yīng)。

（3）不適于傳統(tǒng)工藝的選擇性和收率已經(jīng)很高的反應(yīng)。

（4）一般采用低濃度試劑。

（5）試劑和產(chǎn)品必須為溶液狀態(tài)，不能有固體生成。

（6）采用有機(jī)堿時(shí)應(yīng)有防止成鹽的措施。

（7）微反應(yīng)器中不能操作無機(jī)試劑。

（8）微反應(yīng)器的通道尺寸很小，很容易被固體顆粒堵塞，而且很難清理。

三、微反應(yīng)技術(shù)的進(jìn)展

自上世紀(jì)90年代中期以來，微反應(yīng)技術(shù)的發(fā)展非常迅速，現(xiàn)在已經(jīng)成為運(yùn)用于化學(xué)合成方面的一個(gè)重要手段，其快速混合和高效熱傳導(dǎo)的性質(zhì)使其在這個(gè)領(lǐng)域占據(jù)舉足輕重的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)液相反應(yīng)，反應(yīng)類型又?jǐn)U展到了環(huán)加成反應(yīng)、還原反應(yīng)、縮合反應(yīng)、耦合反應(yīng)、酯化反應(yīng)、脫水反應(yīng)、重排反應(yīng)、氫化反應(yīng)等。

光化學(xué)方面，除了單相光化學(xué)轉(zhuǎn)換之外，連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器也被應(yīng)用到異構(gòu)光化學(xué)反應(yīng)，即利用二氧化鈦涂層的通道進(jìn)行還原反應(yīng)、氧化反應(yīng)、堿化反應(yīng)和環(huán)化反應(yīng)等。

電化學(xué)方面，由于在規(guī)模化生產(chǎn)方面有難度，該技術(shù)的使用僅限于小規(guī)模的合成。電化學(xué)在連續(xù)流化學(xué)中最重要的方面之一是有效地將電極組合到設(shè)備中，在微觀尺度上的電化學(xué)轉(zhuǎn)換有可能顯著改變?nèi)绾芜M(jìn)行合成反應(yīng)的方式。

四、結(jié)語

化學(xué)工程今后的進(jìn)展在很大程度上取決于過程強(qiáng)化，而過程強(qiáng)化是通過微反應(yīng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，微反應(yīng)技術(shù)是以反應(yīng)體積更小、停留時(shí)間更短、溫度更高、動(dòng)力學(xué)更快為標(biāo)志。微反應(yīng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)明顯：增強(qiáng)了選擇性，提高了反應(yīng)收率；縮短了反應(yīng)時(shí)間，提高了產(chǎn)量；快速達(dá)到反應(yīng)穩(wěn)態(tài)，產(chǎn)品質(zhì)量高，數(shù)據(jù)可精確重現(xiàn)；較小的原料消耗，本質(zhì)安全性高；快速條件篩選，每天處理幾十到上百個(gè)實(shí)驗(yàn)；有利于程序控制；實(shí)驗(yàn)條件無差別轉(zhuǎn)化到工業(yè)化生產(chǎn)等。微反應(yīng)技術(shù)更廣泛的應(yīng)用還需要考慮如何將連續(xù)流微反應(yīng)技術(shù)與后續(xù)的分離、蒸餾、提純、結(jié)晶以及干燥等步驟結(jié)合起來，完成最終化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。

免責(zé)聲明：文章來源《通過微反應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)化工過程的強(qiáng)化》吳霞，李雨霖，楊舒雅  轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系刪除。