微反應(yīng)壓力控制自動(dòng)化——全自動(dòng)在線背壓調(diào)節(jié)器

在流動(dòng)化學(xué)連續(xù)反應(yīng)過程中，壓力是影響反應(yīng)的重要參數(shù)之一。

尤其對(duì)于有氣體參與的反應(yīng)：加氫反應(yīng)、氧氣氧化反應(yīng)、超臨界反應(yīng)、部分Diels-Alder反應(yīng)、氨解反應(yīng)等；反應(yīng)過程有氣體產(chǎn)生的反應(yīng)：重氮鹽的取代反應(yīng)、氮賓吲哚合成反應(yīng)等和低沸溶劑強(qiáng)化條件反應(yīng)，連續(xù)流設(shè)備配備壓力控制器是*。

本文主要分析在連續(xù)反應(yīng)過程全自動(dòng)在線背壓調(diào)節(jié)方案的優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于傳統(tǒng)手動(dòng)調(diào)節(jié)壓力，全自動(dòng)在線背壓調(diào)節(jié)可有效地減少人為操作誤差因素，避免反應(yīng)體系壓力波動(dòng)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)恒流恒壓。此外，還有2例背壓實(shí)驗(yàn)案例供大家參考。

壓力影響反應(yīng)效率：對(duì)于有氣體參與的反應(yīng)，壓力可以改變氣體的溶解度，增加底物接觸，通過對(duì)壓力改變提高反應(yīng)的效率快速優(yōu)化出*的工藝參數(shù)。

壓力影響反應(yīng)時(shí)間：連續(xù)流反應(yīng)中一種試劑是氣體或引入惰性氣體時(shí)，通過增加反應(yīng)器壓力，將氣體占據(jù)的實(shí)際體積降低。這將為反應(yīng)的液體部分留下更多空間，從而提高反應(yīng)器的利用率和生產(chǎn)率。

壓力可強(qiáng)化反應(yīng)條件：常壓下溶劑擁有固有的沸點(diǎn)，通常實(shí)驗(yàn)溫度低于溶劑沸點(diǎn)，當(dāng)此溫度不能達(dá)到反應(yīng)效果時(shí)需要更換更高沸點(diǎn)溶劑，更換溶劑可解決問題同時(shí)也會(huì)增加反應(yīng)后處理復(fù)雜程度。連續(xù)反應(yīng)過程中可通過提高壓力，提高試劑的沸點(diǎn)，使溫度篩選范圍更寬，在使用同一溶劑的情況下達(dá)到更好的反應(yīng)效果。

目前實(shí)驗(yàn)室連續(xù)流反應(yīng)壓力控制以傳統(tǒng)手動(dòng)方式調(diào)壓控制。

手動(dòng)方式壓力控制存在的弊端：

出現(xiàn)反應(yīng)體系壓力波動(dòng)現(xiàn)象：傳統(tǒng)手動(dòng)方式調(diào)壓存在滯后，且無法保證壓力穩(wěn)定時(shí)間，手動(dòng)調(diào)節(jié)反應(yīng)器中的微·小壓力變化數(shù)值費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因調(diào)節(jié)滯后而造成工藝參數(shù)不穩(wěn)定和數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確現(xiàn)象。

為避免出現(xiàn)反應(yīng)體系壓力波動(dòng)現(xiàn)象，更好地解決反應(yīng)器中的恒流恒壓問題，歐世盛（北京）科技有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的BP系列全自動(dòng)在線背壓調(diào)節(jié)器上市三年多以來，已經(jīng)成功解決了上百位用戶的疑難高壓反應(yīng)。

BP系列全自動(dòng)在線背壓調(diào)節(jié)器可與供料泵（點(diǎn)擊查看詳情）實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，保證反應(yīng)器中的恒流恒壓環(huán)境，使條件摸索的準(zhǔn)確度和效率大幅提高。

BP系列全自動(dòng)在線背壓調(diào)節(jié)器

特點(diǎn)：

l  3秒快速響應(yīng)，背壓閥范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)壓

l  316L、C276不同材質(zhì)閥體，適用更多的液體或氣體種類

l  可選配200℃高溫背壓閥，適用于高溫體系反應(yīng)

l  高靈敏度數(shù)字壓力檢測(cè)與0.06°步距角細(xì)分，適調(diào)壓精度更精準(zhǔn)

BP系列全自動(dòng)在線背壓調(diào)節(jié)器連接在微反應(yīng)后端，當(dāng)物料在反應(yīng)器內(nèi)壓力波動(dòng)時(shí)也能實(shí)時(shí)保持設(shè)定壓力，與進(jìn)料控制系統(tǒng)聯(lián)用就可以將反應(yīng)體系保持在恒流恒壓的狀態(tài)，這對(duì)實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性和精準(zhǔn)性至關(guān)重要，避免物料的浪費(fèi)，也大幅提高了研發(fā)的效率。

BP系列全自動(dòng)在線背壓調(diào)節(jié)器做到可以自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，將壓力控制模塊與工藝分析技術(shù)結(jié)合，研究人員可通過壓力值數(shù)據(jù)，對(duì)流動(dòng)化學(xué)過程工藝條件進(jìn)行追溯，進(jìn)而達(dá)到最佳的反應(yīng)可重現(xiàn)性，為流動(dòng)化工藝方法開發(fā)提供保障。

BP系列全自動(dòng)在線背壓調(diào)節(jié)器性能指標(biāo)

《化學(xué)通報(bào)》刊載的一例“連續(xù)流技術(shù)合成地奧司明”案例中，研究者以吡啶作為反應(yīng)溶劑溶解橙皮苷，通過碘代氧化脫氫合成地奧司明。實(shí)驗(yàn)過程中，研究者發(fā)現(xiàn)在常壓下，受吡啶沸點(diǎn)的限制，反應(yīng)溫度很難提高。采用了混合反應(yīng)器的方式即先微反連續(xù)再釜式延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，均未達(dá)到理想的結(jié)果。

后來，采用連續(xù)流微反應(yīng)器，對(duì)于背壓下不同條件的研究結(jié)果如下：

在連續(xù)流微反應(yīng)器系統(tǒng)中，可以通過背壓閥以增加系統(tǒng)壓力， 從而解決常壓反應(yīng)過程中因體系物料沸點(diǎn)受限的問題。在背壓條件下，作者依次考察了反應(yīng)溫度、體積流速、摩爾比對(duì)反應(yīng)的影響。

圖1. 連續(xù)流微反應(yīng)器中背壓下不同條件的影響

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)這三個(gè)因素的提高對(duì)收率有不同程度的提升。

為了進(jìn)一步探究反應(yīng)溫度對(duì)橙皮苷轉(zhuǎn)化率和地奧司明收率可能存在的不同影響，將不同摩爾比的反應(yīng)液經(jīng)10℃下常壓攪拌混合 30min 后，再進(jìn)入反應(yīng)溫度為 170℃ 連續(xù)流微反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)。

圖2.調(diào)節(jié)溫差在連續(xù)流微反應(yīng)器中的影響

結(jié)果如圖2所示，低溫有利于提高橙皮苷的轉(zhuǎn)化，高溫有利于地奧司明的生成。

作者在系統(tǒng)中引入背壓閥，增加系統(tǒng)壓力，獲得了優(yōu)化的工藝條件，即原料摩爾比為 1∶1. 5，反應(yīng)液經(jīng) 10℃下攪拌 30min 后，進(jìn)入連續(xù)流微反應(yīng)器反應(yīng)。連續(xù)流微反應(yīng)條件為壓力 1×106Pa、反應(yīng)溫度170℃ 、原料濃度 50mg/mL、反應(yīng)停留時(shí)間 2. 7min。

該研究表明：

1. 微反應(yīng)器系統(tǒng)可以通過背壓來突破沸點(diǎn)對(duì)反應(yīng)溫度的限制；

2. 采用兩溫區(qū)，混合式反應(yīng)方式可以取得較好的研究結(jié)果；

3. 微反應(yīng)器系統(tǒng)可以通過背壓來突破沸點(diǎn)對(duì)反應(yīng)溫度的限制。

OPRD期刊載的一例“4-甲基-1H-吲哚的區(qū)域選擇性合成2-氰基-5-甲?；?4-甲基-1H-吲哚”案例中，實(shí)驗(yàn)過程中，研究者發(fā)現(xiàn)在常規(guī)反應(yīng)中，使用甲苯和二甲苯溶劑都不能達(dá)到理想的反應(yīng)收率，且反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的氣體，安全性不能達(dá)到保障。

研究組后來采用連續(xù)流反應(yīng)器，以甲苯和二甲苯作為溶劑進(jìn)行反應(yīng)嘗試。

在高于二甲苯溶劑沸點(diǎn)（沸點(diǎn)144.4℃）條件下，通過增加壓力強(qiáng)化反應(yīng)條件的方式，反應(yīng)收率達(dá)78%。反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體可通過壓力控制裝置平穩(wěn)地釋放到體系外，達(dá)到減小體系壓力波動(dòng)、安全連續(xù)生產(chǎn)的目的。

如上圖，研究組后來對(duì)條件進(jìn)行驗(yàn)證，背壓體系可以達(dá)到穩(wěn)定一致狀態(tài)。