精細化工安全管理中微反應技術的應用

蔣志永

摘要：精細化工是近年來化工行業的新興研究學科，亦是發展最為活躍的領域之一。微反應技術作為一種連續性反應，在精細化工中的應用優勢是傳統大型反應器無法比擬的。對于精細化工行業而言，加強微反應技術的應用，有助于優化化工行業結構、提高化工行業產能，幫助企業提高經濟效益的同時，還能拉動地區經濟增長。基于此，本文首先闡述了微反應技術概念及特點，接著從三個方面剖析了微反應技術在精細化工中的具體應用。

關鍵詞：精細化工;微反應技術;化工行業

近年來，精細化工行業安全事故頻發，成為化工安全事故重災區，根本原因在于精細化工所涉及的硝化反應、氧化反應以及過氧化反應具有較高的危險性，且與大化工、基礎化工不同，雖然產量不高，但附加值高，生產方式靈活，這些特性使得精細化工行業入門標準較低，涌現了很多小型的精細化工生產企業。這些企業管理機制不健全、作業生產不規范，尤其是在安全、環保等方面領導重視不足，技術經驗匱乏。所以，屢屢發生安全事故，精細化工行業安全形勢不容樂觀，亟待技術力量加持。20世紀90年代研發出微反應技術，可有效解決精細化工安全與環保領域的不足，未來在精細化工和制藥領域的應用將會更加廣闊。

1微反應技術

微反應技術的核心部件是微反應器，其內有大量以精密加工技術制成微反應通道，可替代傳統化工行業中玻璃燒瓶、漏斗、反應釜等傳統間歇反應器。在微反應器內部流體尺寸通常在1μm至1mm之間，其反應過程主要是通過對流體傳質、傳熱及流動特性的改變實現[1]。通過微反應器特殊的結構，在操作過程中可實現精準控制反應溫度、精確配比反應物料，提高產品質量，操作也更加安全。

微反應技術所具有的連續工藝，可廣泛應用于精細化工和制藥行業中。基于工藝開發需求、產品收率與產量、生產安全性以及操作性能等要素，使得微反應技術的應用愈發普遍。在精細化領域中，很多反應對溫度的要求較高，有時是在零下幾十度進行，有時卻又在幾百度高溫下進行，要想精準控制溫度和反應時間，就需要添加物料。而常規的反應器難以滿足上述需求，而微反應器所具備的微尺度特性，可以實現對溫度和時間的精準控制，有效保證了反應順利進行。而在制藥行業，一種新藥的研發并非一蹴而就，是一個相對比較漫長的過程，藥物篩選最關鍵的一步就是選出高品質的先導化合物，依托微反應技術與基因分析設備的結合，而反應器內部的非湍流環境與高敏性生物測定系統對接，使得藥物篩選效率，尤其是高通量藥物篩選效率得到了明顯的提升。總之，微反應技術在精細化工和醫藥領域應用前景廣闊，不僅可以降低生產成本，還能提高作業速率。

2微反應技術在精細化工中的具體應用

2.1安全性能方面

強放熱反應是精細化工領域中一種非常普遍的反應現象，在反應過程中極易出現溫度驟然升高，反而不利于反應控制，是危險事故發生的重要環節。硝化反應作為一種單元反應，具有強放熱、選擇性敏感等特性，被廣泛應用于精細化工領域，而微反應技術為其開辟了全新的發展機遇。KULKARNI以微反應器為核心提出了幾種不同的硝化反應，并對反應過程的優劣勢、工業實用性等進行了全面分析。費托合成反應是指基于催化劑條件下，CO和H2轉化為烴類，在這類反應過程中可以實現對溫度的精準控制，使得合成氣轉化率提高，整個反應速率加快。重氮化合物自身具有潛在爆炸性，安全處理難度較大，危險系數較高。MüLLER等在重氮化合物合成實驗中，就是憑借著微反應器良好的傳熱效率，降低了危險試劑的處理難度。因為，與常規反應器相比，微反應器的溫度更低，所以可以有效保證反應安全進行。

2.2氧化及過氧化反應

在工業生產中，對于過氧化氫的制備主要采用的是蒽醌法，近年來，人們一直嘗試通過合成氫氣和氧氣的方式生產過氧化氫，使得反應更加環保，但由于在合成過程中發生爆炸的幾率非常高，因此在工業領域推廣受阻。而微反應器內通道尺度比燃爆臨界直徑小，所以可以將自由基淬滅，保證氫氧合成過氧化氫反應在爆炸極限內順利進行[2]。近年來，國外學者已成功利用微反應器進行氫氧合成過氧化氫，且霍尼韋爾公司目前已制定出了量產計劃。吳巍等學者基于60～80℃溫度條件下，借助微反應器合成過氧化氫與乙酸，該實驗為高效低耗生產過氧乙酸提供了數據參考。鄭亞峰在制備乙烯氧氣時就是利用微反應器進行，載體為α-A12O3，成功生成環氧乙烷，環氧乙烷選擇性可達82%，收率最高到57%，空速為5000h-1，因該反應未達到混合原料爆炸條件，所以具有一定的安全性。余錫孟等在微反應器內開展了甲苯、環己烷、環己酮等有機物液相氧化反應，這些反應的開展均是在爆炸極限內這一條件下進行，檢驗了反應受工藝條件的影響要素，同時也為精細化工幾種物質聯合生產提供了參考。麻省理工學院的Srinivasan等設計了一種T型微反應器，該反應器集加熱器、流量和溫度傳感器于一體，可進行氨氧化反應。盡管，相關報道較多，但是產業化應用較少，原因可能是因為反應規模較大，加大了風險因素，因此規模可控性要求大幅度提升[3]。此外，大多數氧化反應都需要金屬催化劑，如何推進負載型微反應器規模制作，同時對催化劑進行有效回收利用是當前亟待思考的重要問題。

2.3控制產物分子

微反應技術不僅會對產品的轉化率等造成影響，還會使得反應過程中的熱點降低，因此能夠很好地控制聚合物的分子量、粒徑分布等。目前，在聚合反應方面，微反應技術應用成熟，且在陽離子聚合、陰離子聚合、自由基聚合、配位聚合、縮合聚合、開環聚合等多種聚合反應中廣泛應用，比傳統釜式反應器優勢更加明顯。結合微反應技術的發展趨勢，其應用于聚合反應已成為化工、高分子等領域的研究熱點[4]。IWASAKI等對甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸丁酯等分別使用微反應器和釜式反應器進行自由基聚合反應，同時檢測合成產物的分子量，結果顯示反應時間和產率相同的情況下，微反應器中所生成的聚合物分子量分布指數均未超過4。

3結語

綜上所述，不僅可以在精細化工有機反應中利用微反應技術，也可應用于無機化學領域。如納米材料反映，同樣可以精準控制材料配比，并對反映中不可控產物進行有效控制，進一步使得反應產物占比提升，且實現快速轉換副產物的產出與熱量。隨著行業不斷發展，化工行業作為國民支柱型產業，應主動積極探索有助于精細化工發展的技術，而微反應技術的應用，有效推動了精細化工產業的發展。對此，在今后的工作中，應研發出更多類型的微反應器并全面應用到精細化工中，推動我國化工技術不斷升級，走向國際化道路。

參考文獻

[1]郭紅衛.微通道反應器在精細化工行業的安全應用[J].現代職業安全，2020，230（10）：94-97.

[2]馬紅霞，曹東立，劉冬，等.微反應器技術在環己烷氧化中研究進展[J].化工生產與技術，2019，025（004）：34-36.

[3]路念明，王欣.推廣微通道反應技術促進精細化工行業綠色安全發展[J].精細與專用化學品，2020（8）：113-114.

[4]晏金平.微反應技術在提升精細化工安全中的應用[C]//事故預防與災害防治的理論與實踐.2019.