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连续流反应器系列二之连续化生产 2019-09-04

1、现代化工业发展的诉求:绿色连续流生产

持续性(Sustainability)和绿色化学(Green Chemistry)作为现代工业发展的诉求(或驱动力)。因此,实现绿色化学的持续性需遵循以下的原则:


·减少废液排放(Prevention of Waste)
·使用可再生原料(Renewable Feedstocks)
·开发原子经济反应(Atom economy)*
·减少衍生物(副产物)的生成(Reduced derivatives)
·减少危险的化学合成(Less hazardous syntheses)
·开发新型催化剂(New Catalysis)
·使用安全的化学品(Safer Chemicals)
·设计可降解材料(Design for degradation)
·使用安全的溶剂(Safer Solvents)
·实时分析(Real-time analysis)
·节能(Energy Efficient)
·安全的化工过程(Inherently Safer Process)

*:原子经济反应,是指将反应原料中的物质尽可能多的转化为目标产物的化学反应。

2、连续流反应器工艺优劣势

由于连续流反应器的内部微结构特征,许多在传统釜式反应器中无法实现的反应都可以在连续流动反应器中得以实现。与传统的釜式反应相比,均有各自的优势和挑战,其区别如下表1.2所示。


釜式反应
连续流反应
优势(PROS)

·灵活性(Flexible)

·成熟的放大路径(Known scale - up path)

·全能性:气、液、固均可处理(Good all round approach - liquids, solids, gases  tolerated)

·多用途反应器:反应、精炼、重结晶、蒸馏等(Versatile Reactors -  Reactions, purifications, recristallisation, distillation, etc.)

·稳定,技术成熟,实验室和工业规模相同(Robust, old-school technology, common in labs and industrial facilities)

·产品可追溯性(Product traceability, Batch)

·降低占地面积、灵活、可移动(Reduced footprint, flexible, mobile)

·Inherently safer (过程本身安全)

·可扩展(强化)(Expansion of the chemical space (intensification))

·适用于瞬间变化和非寻常的条件(Suitable for transient species and unusual conditions)

·高的传热、混合效率(High mixing and heat transfer efficiencies)

·工艺控制高度自动化(High degree of automation & process control)

·反应试剂保有量少, μL 到 mL(Low reactant hold-up, μL to mL)

·温度、压力、计量比等参数对反应的影响,可通过小试反应研究(Learn at a small scale parameter sensitivity i.e. temperature, stoichiometry, pressure)

·缩减开发费用(Reduced development costs)

·快速市场化(Faster time to market)

·反应条件不受操作者主观影响(Operator independent conditions)

·产品均质(Homogeneous production)

·通过工艺强化及能耗降低来实现费用减少(Cost reduction through process intensification & reduced energy costs)

·改进了工艺稳定性:一致性(Improved process stability: campaign consistency)

·较高的反应选择性:提高产率的同时降低成本(Higher reaction selectivity: increased yield and reduced cost)





劣势(CONS)

·混合效率、传质效率低(Low Mixing and heat transfer efficiencies)

·压力、温度限制(Limited pressure and temperature)

·材料兼容性问题(Materials incompatibility)

·较大的占地面积,专用设备(Large footprint, dedicated facilities)

·维护、人力成本(Cost – Maintainance, labour intensive, high energy use )

·工艺风险高,安全隐患(High industrial Risk. Safety hazards)

·工艺放大耗时,且经常需重新优化(Scale-up is time consuming, and often requires reoptimization)

·产品复杂(Production variability)

·批量式(Sequential (step by step) strategies)

·不适合瞬间变化或极端条件(Not suitable for transient species or extreme conditions)



·投资成本高(High starting cost)

·从釜式到流动式的适应性(Batch to flow adaptation)

·新技术:技术欠缺(New technology:scarce knowhow)

·使用固体存在困难(difficult to process solid)




表1.2 连续流反应和传统釜式反应的优势和挑战


3、连续流反应与釜式反应的选择

对于一个化学反应,我们该选择那种方式(路线)去研发或生产,我们可提供下图2.1的参考:

图2.1 化学反应路线的选择流程

图2.1 化学反应路线的选择流程


对于目前的所有化学反应来说,其中超过50%的化学反应可在连续流动化学中取得很好的效益。

4、连续流反应器应用领域

依据流动技术的优势,连续流反应器的应用领域目前主要为医药、精细化工、农业化学、特殊化学品及日用品化工业,在这些领域中的实际应用主要见下表2.2所示:


表2.2 连续流反应器的实际应用

阶  段
流动技术(Flow technology)
研  发

新的化工工艺评估:

? 通过使用少量的化学试剂和催化剂进行详细的研究

? 材料生产:

? 纳米颗粒、胶体、颜料和聚合物的高规格制备



工艺开发

快速实现从研发向中试规模生产的转化;

? 能在实验室研究后通过反应较长时间生产Kg级的产物;

? 能采用以前难以实现的方法合成某些产物;

? 可实现一定规模的生物催化、光化学、电化学



生  产


? 安全性高,以前被禁止的一些化学反应可以在有良好的安全性的反应器中执行;

? 精细化学品、颜料和离子液体的合成;

? 医药活性中间体的生产(如cGMP、API’s等)



标签: 连续流反应器