氫化反應(yīng)是有機(jī)合成中的一類重要反應(yīng)。目前，氫化反應(yīng)大多是在高壓反應(yīng)釜中間歇進(jìn)行，有存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)、轉(zhuǎn)化率和選擇性低等缺點(diǎn)，因此，開發(fā)新的、安全、高效的氫化工藝是必要的。微通道反應(yīng)器能精確控制溫度和反應(yīng)時(shí)間，并且混合均勻，傳質(zhì)性能高，能極大提高反應(yīng)選擇性和生產(chǎn)產(chǎn)量，減少催化劑損耗，連續(xù)流微反應(yīng)加氫技術(shù)受到廣泛關(guān)注，具有很高的發(fā)展前景，是未來化工合成的研究方向之一。
在微反應(yīng)器中進(jìn)行的連續(xù)流動(dòng)過程比分批間歇反應(yīng)更有效，反應(yīng)物連續(xù)引入,在更小的反應(yīng)空間內(nèi)進(jìn)行接觸反應(yīng)，傳質(zhì)傳熱效果高，并不斷地從反應(yīng)空間中移除，降低了副反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。
對于非均相催化加氫反應(yīng)而言，流動(dòng)處理的額外優(yōu)勢來自于高比表面積。該技術(shù)在氣一液一固三相反應(yīng)中尤其明顯，由于在非常窄的微通道空間中分子擴(kuò)散所需的界面面積大、路徑短，因此會(huì)發(fā)生非常高效的氣一液一固相互作用。
氫化反應(yīng)在微反應(yīng)器中的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,易燃?xì)怏w的體積顯著減少，小滯留量降低了爆炸的潛在危害,具有明顯的安全優(yōu)勢。
以下為大家分享烯烴、烘烴、醛酮以及硝基化合物的加氫反應(yīng)實(shí)例，展示使用微通道反應(yīng)器在加氫反應(yīng)方面的優(yōu)勢。更多實(shí)例請聯(lián)系我們。
烯烴的氫化
烯烴催化氫化為烯烴向烷烴的轉(zhuǎn)化提供了具有原子經(jīng)濟(jì)性的途徑，高效與高選擇性地進(jìn)行烯烴的催化加氫具有巨大的價(jià)值。
通過濺射和氣相沉積技術(shù)制備鉑負(fù)載的熱解石墨催化劑，并將其裝載在微通道反應(yīng)器中(見圖4),用于乙烯加氫催化測試，乙烯的氫化見圖5%在250f下，乙烯和氫氣流量都為1mL/min時(shí)，乙烯轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%,完全沒有聚合產(chǎn)物生成，這是目前乙烯制乙烷研究中應(yīng)用的最高溫度。
圖：乙烯氫化微反應(yīng)器示意
炔烴的氫化
炔烴既可以半氫化成烯烴，也可以完全氫化為烷烴。炔烴半氫化成烯烴是許多精細(xì)合成中關(guān)鍵步驟，為提高半氫化的轉(zhuǎn)化率和選擇性，對反應(yīng)工藝的要求更加嚴(yán)格。
以玻璃微通道反應(yīng)器用于4-苯基3-丁烯2酮的加氫測試。在150°C下，液體的流速為0.8mL/h,H2的流速為0.15mL/min時(shí)，產(chǎn)率為93%;在間歇系統(tǒng)中進(jìn)行了烯烴加氫實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)率是63%，比微通道反應(yīng)器得到的結(jié)果要低得多。作者還計(jì)算了時(shí)空產(chǎn)率，空時(shí)產(chǎn)率比普通燒瓶高14萬倍。同時(shí)，在設(shè)備上進(jìn)行了30次反應(yīng)，大約連續(xù)100h的反應(yīng)時(shí)間，沒有明顯的催化劑失活。
圖：4-苯基3-丁烯2-酮的加氫微反應(yīng)器
醛酮的氫化
醇是合成有機(jī)化學(xué)中的一類重要的化合物，也是藥物、農(nóng)用化學(xué)品、精細(xì)化學(xué)品、聚合物、染料和塑化劑等產(chǎn)品重要的中間體，具有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。醛酮加氫得到目標(biāo)醇一直是化學(xué)化工中常用的方法之一。
采用毛細(xì)管微通道反應(yīng)器研究環(huán)己酮的氫化，在摩爾分?jǐn)?shù)為0.3%的低催化劑負(fù)載下，轉(zhuǎn)化率在90%?100%之間。催化毛細(xì)管的長期穩(wěn)定性，微型反應(yīng)器可重復(fù)使用200次以上，而轉(zhuǎn)化率無明顯損失,相當(dāng)于周轉(zhuǎn)數(shù)(t)>60000。
圖：環(huán)己酮?dú)浠⒎磻?yīng)器示意
硝基的氫化
氨基化合物廣泛應(yīng)用于染料、醫(yī)藥、化工等行業(yè)，通過硝基化合物催化加氫還原獲得胺類化合物是工業(yè)上的常用方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。
以硝基苯加氫為研究對象研制了一種具有超薄獨(dú)立支撐膜的催化超薄膜微反應(yīng)器。在測量過程中，將5mL硝基苯溶液以2μL/min的流速泵入微通道，同時(shí)以0.6μL/min的流速向另一個(gè)微通道提供高純度氫氣，每30min收集一次廢水。測定的硝基苯轉(zhuǎn)化率保持在90%以上，在90%到96%之間有小波動(dòng)。比較了催化超薄膜微反應(yīng)器和其他報(bào)道的催化膜微反應(yīng)器的加氫性能(轉(zhuǎn)化率為80%)，結(jié)果表明，催化超薄膜微反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率相當(dāng)好，催化超薄膜微反應(yīng)器在240min的運(yùn)行中表現(xiàn)出良好的催化活性，說明了其可行性和*性。
圖：硝基苯的氫化
與間歇反應(yīng)器相比，大多數(shù)使用微通道反應(yīng)器的反應(yīng)具有更高的效率和選擇性。傳統(tǒng)反應(yīng)器中的放大，特別是工業(yè)生產(chǎn)水平，需要在設(shè)備上進(jìn)行大量投資，以建造和安裝大型反應(yīng)器；但微通道反應(yīng)器可以很容易地用于放大反應(yīng)，放大效應(yīng)較小。在催化劑開發(fā)方面，微通道反應(yīng)器的進(jìn)一步發(fā)展將滿足更好的選擇性和更高的周轉(zhuǎn)次數(shù)以及提高穩(wěn)定性的需要。
H-Flow微反應(yīng)加氫平臺基于清華大學(xué)微反應(yīng)加氫技術(shù)，具有過程安全性高、反應(yīng)時(shí)間短和催化劑成本低等特點(diǎn)，經(jīng)過不斷的迭代升級，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了加氫反應(yīng)全流程自動(dòng)控制、在線實(shí)時(shí)檢測、樣品自動(dòng)采集等自動(dòng)化控制及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測反應(yīng)信息。通過反應(yīng)進(jìn)程的監(jiān)控，利用收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)反饋與調(diào)控，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的不斷優(yōu)化，這將顯著提高工藝開發(fā)的整體效率。
H-Flow微反應(yīng)加氫平臺不僅實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)高效進(jìn)行加氫工藝開發(fā)及催化劑快速篩選，其高通量版已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在通風(fēng)櫥內(nèi)進(jìn)行加氫公斤級產(chǎn)品的定制生產(chǎn)。
H-Flow微反應(yīng)加氫平臺具有高可控性、高產(chǎn)率、高效、安全和節(jié)能的內(nèi)在屬性，使氫化反應(yīng)工藝向著綠色、安全、高效和可持續(xù)化方向發(fā)展，歐世盛可提供從小試到放大生產(chǎn)全套工藝和設(shè)備，在連續(xù)化加氫領(lǐng)域裝備創(chuàng)新方面較為領(lǐng)先。
應(yīng)用領(lǐng)域
參考文獻(xiàn)
趙啟莽等，微反應(yīng)技術(shù)在氫化反應(yīng)中的應(yīng)用進(jìn)展 化肥設(shè)計(jì)[J].2022 - 02
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