【MIT案例】康宁微通道反应器在臭氧氧化反应中的应用

2019年01月10日 反应釜设备 417 views

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背景介绍

臭氧是一种非常绿色而且原子效率高的试剂,但是由于它是气体,存在传质和安全问题。另外,由于其氧化活性很高,容易产生过氧化物,或者直接与溶剂发生强烈氧化而爆炸,有很大的安全风险,所以限制了其在工业化中的应用。

微通道技术的发展,很好地解决了这个难题,由于其持液量低,传质好,本质上解决了安全问题,从而使用臭氧在工业化上的应用变得可能。

合成详情

Klavs F. Jensen博士 是美国麻省理工学院化工系教授和材料科学与工程系教授,美国科学院和工程院两院院士,微反应器技术领域世界级学术带头人。Jensen教授团队的最新文献(DOI: 10.1039 / C7RE 00084G )就报道了使用康宁微通道反应器用臭氧做氧化剂制备2,3-二甲酸吡啶。

制备2,3-二甲酸吡啶的常规方法有:1)使用浓硫酸和PbO2氧化,缺点是收率低,环境污染大;2)高温高压下使用氧化氧化,缺点是设备要求极高,同样安全性较低。

Jensen教授在该文章中现场制备臭氧,现场消耗,取得了满意的效果。

反应方程式如下所示:

反应器示意图如下图所示:

反应分成两部分,通过钢瓶输送氧气和氮气到臭氧发生器,产生的臭氧直接通入康宁反应器,与喹啉反应,之后反应混合物在气液分离器中分离,得到产品;

反应结果如表一所示:

表一:温度和后处理会反应收率的影响

首先对温度进行了筛选,发现20°ᴄ之后对转化率的影响比较小。然而后处理的时间有关系,当反应温度是10°ᴄ的时候,没有进行后处理的话,收率只有68%。而温度是40°ᴄ的情况下,不进行后处理收率也能达到74%。如果反应温度是20°ᴄ的话,只有当后处理的时间延长至10min,收率才能达到72%左右。

为了提升转化率,作者设计了一套循环体系,具体结果如表二所示:

表二:循环对反应收率的影响

作者发现方循环比例是4的时候,反应的转化率达到95%。

实验结论

  • 使用臭氧氧化,反应转化率可达95%,远远高于传统反应釜的转化率,具有非常好的反应效果;

  • 微通道反应器由于具有极强的传质效率,特别适合于气液反应。且反应持液量少,从根本上解决了安全问题;

  •  利用康宁微通道反应器,可以与臭氧发生器联合使用。先制先用,减少了臭氧的储存和运输;

  • 充分利用微通道的优点,使得在传统釜式不能进行的反应,可以在微通道反应器中进行;

  • 该工艺极大地减少了废物的产生,真正从根本上改变了工艺,是一个典型的绿色工艺;

参考文献:K. Lee, H. Lin and K. F. Jensen, React. Chem. Eng., 2017, DOI: 10.1039 / C7RE00084G.

康宁反应器技术

从不断涌现的最新报道来看,新药及新材料的研发正朝着智能化的方向发展,但商业化的智能化平台还需要一定的时间来检验。

目前微反应技术的发展结合在线检测技术,实现自动化程度较高的新药及材料的创新研究已成为可能,正如康宁Lab反应器系统一样,集合了Zaiput在线分离技术及Magritek 在线核磁检测,在短时间内可以快速进行工艺条件的筛选,建立化合物库,快速工艺放大,应对市场竞争。

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