技術(shù)前沿

上工能濟--歐世盛之流動化學(xué)

時間：2018-09-13 作者：閱讀：8940

在精細(xì)化學(xué)品和醫(yī)藥化學(xué)生產(chǎn)中，幾十年來一直采用反應(yīng)釜來完成合成反應(yīng)，其特點是：廢水廢氣排放多(因環(huán)保檢查不定期停產(chǎn))、反應(yīng)過程危險(化工和制藥企業(yè)的事故大多來自此車間)、反應(yīng)時間長、收率低、溫度濃度不均勻、傳熱能力差、占地面積大、工人數(shù)量多等。但近兩年，隨著國家環(huán)保進(jìn)程的推進(jìn)，此類化工和醫(yī)藥企業(yè)壓力陡增，亟待用新工藝來解決環(huán)保、安全和效率等突出問題。

近幾年來，在歐美發(fā)達(dá)國家正在普及一種新的綠色反應(yīng)技術(shù)——流動化學(xué)技術(shù)，也稱微反應(yīng)連續(xù)合成技術(shù)。此技術(shù)把攪拌釜的間歇過程變?yōu)檫B續(xù)過程，可以提升反應(yīng)過程安全性，提高反應(yīng)收率和效率，其主要構(gòu)成部分如下：

圖1 流動化學(xué)系統(tǒng)流程圖

如圖所示，物料通過高壓輸液泵輸送到微反應(yīng)器中，在高壓密閉的微通道管路中，通過溫度控制，，使合成反應(yīng)能夠快速完成并極大提高收率，背壓閥能夠人為控制反應(yīng)器內(nèi)壓力，物料在出口處通過在線檢測器檢測合成結(jié)果，經(jīng)過檢測后的產(chǎn)品可通過樣品采集器按預(yù)設(shè)的收集條件收集到不同的容器中。整個反應(yīng)系統(tǒng)可通過管理軟件實現(xiàn)自動控制，具有方法建立、模塊搭建、模塊參數(shù)設(shè)置，全反應(yīng)過程參數(shù)實時監(jiān)控，數(shù)據(jù)追溯，用戶管理及智能專家數(shù)據(jù)庫等功能，專用管理軟件可將整個反應(yīng)體系效率發(fā)揮到極致。

2 什么反應(yīng)適合流動化合成改造

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報道，流動化學(xué)技術(shù)適合的類型反應(yīng)有：(1)快速強放熱反應(yīng)，比如硝化、磺化等反應(yīng)過程，通過流動化學(xué)技術(shù)可以極大提高傳熱效率，控制反應(yīng)過程溫升，提高反應(yīng)過程安全性；(2)危險類反應(yīng)，比如加氫、氧化和鹵化等反應(yīng)過程，通過流動化學(xué)技術(shù)可以更好地控制反應(yīng)過程溫度和壓力，同時減少體系內(nèi)物料滯留量，從而提高反應(yīng)過程安全性；(3)對于一些高溫&高壓的反應(yīng)過程，也可以通過流動化學(xué)技術(shù)得以實現(xiàn)。

而由于流動化學(xué)技術(shù)的特點，其并不適合所有的反應(yīng)類型，其通常不適用的反應(yīng)過程有：(1)反應(yīng)過程中有大量固體產(chǎn)生的過程，該類反應(yīng)過程容易造成反應(yīng)管路堵塞，損害背壓閥等反應(yīng)部件；(2)本征動力學(xué)上的慢反應(yīng)，比如反應(yīng)時間在30min以上的反應(yīng)過程。

3 流動化學(xué)的各個模塊組成

3.1 供料系統(tǒng)

在流動化學(xué)中，供料系統(tǒng)是整個流動化學(xué)動力來源，是決定能否精準(zhǔn)完成流動化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵因素，其供料的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性，輸送原料的包容性是評價供料系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。現(xiàn)有供料系統(tǒng)一般多采用不同流速的高壓恒流輸液泵，傳統(tǒng)的高壓恒流輸液泵在特定條件下具有流量穩(wěn)定、運行可靠、結(jié)構(gòu)簡單，成本較低等優(yōu)勢，這也是流動化學(xué)供料系統(tǒng)選用此泵的主要原因。對于大部分的物料輸送，該泵均可以實現(xiàn)。歐世盛推出了DP系列雙柱塞高壓恒流輸液泵，流量范圍1~500ml/min，壓力范圍10~40 MPa，可以解決大部分體系供料需求。

圖2 DP系列雙柱塞高壓恒流輸液泵

但隨著流動化學(xué)應(yīng)用越來越廣，反應(yīng)體系條件越來越復(fù)雜，輸送原料種類越來越多，在使用傳統(tǒng)高壓恒流泵時，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，進(jìn)出口單向閥常被污染，無法正常工作，導(dǎo)致供料流量不穩(wěn)，不準(zhǔn)，同時當(dāng)遇到丙三醇之類的粘性原料時，單向閥很難順利關(guān)閉，失去作用，嚴(yán)重制約了粘性原料的輸送，另外對于氫氟酸之類的具有強腐蝕性的原料，由于傳統(tǒng)高壓恒流輸液泵內(nèi)的寶石或陶瓷柱塞桿會與氫氟酸反應(yīng)，無法輸送氫氟酸之類的原料。為了能夠適應(yīng)流動化學(xué)應(yīng)用快速發(fā)展，擴大應(yīng)用范圍，輸送多種類型的原料，為流動化學(xué)提供一顆強有力的“心”，歐世盛公司在國內(nèi)首次推出了無閥雙頭高壓注射泵，雙注射泵無脈動交替運行，無機械單向閥，適用于常規(guī)液體、高粘性液體、含納米顆粒液體的連續(xù)輸送；與液體接觸材料為特種蒙乃爾合金、FFKM、PTFE等耐腐蝕材料，可耐受氫氟酸等強腐蝕性液體；同時可配泵頭加熱裝置，加熱溫度達(dá)130℃，實現(xiàn)連續(xù)高溫液體輸送；大扭矩驅(qū)動實現(xiàn)可提供0-8MPa系統(tǒng)壓力輸送動力；5級滾珠絲杠與編碼電機驅(qū)動相結(jié)合，提供0.01~100mL/min的流量范圍，體積小巧，可輕松放在通風(fēng)櫥內(nèi)，還可通過電腦實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控；從而滿足流動化學(xué)反應(yīng)中的多種供液需求。該泵可以輕松實現(xiàn)絕大部分體系的輸送要求，我們給它命名“供液魔方”，英文名字“L-cube”。

圖3 L-cube供液魔方HP系列無閥雙頭高壓恒流注射泵

歐世盛根據(jù)HP系列無閥雙注射泵設(shè)計思路，進(jìn)一步細(xì)分應(yīng)用需求，推出一款LP系列無閥雙頭低壓恒流注射泵，此刻泵延續(xù)了HP系列高壓注射泵成熟技術(shù)，采用溶劑選擇閥代替了傳統(tǒng)機械單向閥，保障輸液泵長期無脈動工作輸送液體，與液體接觸材料為陶瓷、FKM、PTFE等耐腐蝕性材料，LP泵適用于反應(yīng)體系內(nèi)壓力不高，高粘流體，含納米顆粒等常規(guī)泵等無法輸送流體，對輸送物料長期穩(wěn)定性要求高，對供液波動要求高，非氫氟酸類物料輸送。

圖4 L-cube供液魔方LP系列無閥雙頭低壓恒流注射泵

3.2 微反應(yīng)器

目前在國內(nèi)有幾十家制作加工微反應(yīng)器的企業(yè)，樣式有板式、管式，材料有碳化硅、不銹鋼、哈氏合金等多種規(guī)格，但在流動化學(xué)中，微反應(yīng)器的關(guān)鍵在于設(shè)計，不同反應(yīng)類型需要配置不同的微反應(yīng)器。歐世盛公司已跟多家微反應(yīng)器供應(yīng)商建立聯(lián)系，可協(xié)助提供適應(yīng)多種反應(yīng)類型的微反應(yīng)器。并可以協(xié)助聯(lián)系國內(nèi)頂尖流動化學(xué)研究團(tuán)隊，協(xié)助工藝開發(fā)。

3.3 壓力控制模塊---全自動背壓閥

在連續(xù)化學(xué)中的高壓反應(yīng)過程需要背壓閥來進(jìn)行實現(xiàn)調(diào)節(jié)。目前實驗室連續(xù)化學(xué)中壓力控制一般通過人工手動調(diào)節(jié)背壓閥的方式進(jìn)行反應(yīng)體系壓力控制。此種方式存在壓力控制不穩(wěn)定，調(diào)節(jié)頻繁，且無法做到方法朔源等問題?；谀壳皩嶒炇覒?yīng)用現(xiàn)狀，歐世盛公司在國內(nèi)首次設(shè)計開發(fā)出一款智能全自動背壓閥，此閥內(nèi)置自學(xué)習(xí)功能，通過自學(xué)功能，可在3秒內(nèi)可快速實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)，提高效率；可根據(jù)應(yīng)用方法需要，設(shè)定壓力梯度，即不同時間段，自動實現(xiàn)不同的壓力梯度值；可通過RS232/RS-485/Bluetooth等多種通信接口實現(xiàn)電腦遠(yuǎn)程控制。該自動部件的出現(xiàn)提高了工藝開發(fā)效率，配合在線檢測器及樣品采集器，為工藝開發(fā)提供了有力工具。

圖5 全自動背壓閥

3.4 在線檢測模塊

目前在實驗室，合成反應(yīng)中樣品檢測都需要借助單獨的檢測設(shè)備，如：HPLC、MS(LCMS,GCMS)、NMR進(jìn)行檢測。此過程包括了反應(yīng)淬滅，樣品前處理，樣品配置，樣品檢測，樣品回收及后處理。對于監(jiān)測正在進(jìn)行中的反應(yīng)，其存在著諸多弊端：(1)不能真實反映體系中各組份的真實含量；(2)無法實時監(jiān)測連續(xù)反應(yīng)合成實驗的反應(yīng)變化情況；(3)操作復(fù)雜，檢測結(jié)果受人為影響；(4)分析效率低下等。

連續(xù)流合成反應(yīng)與連續(xù)在線檢測的組合在流動化學(xué)應(yīng)用中是完美結(jié)合，有效的在線檢測將對反應(yīng)體系進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)測和瞬時檢測，包括反應(yīng)物、瞬態(tài)中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物。在實際應(yīng)用中，有幾種分析檢測技術(shù)如NIR、拉曼光譜、UV，HPLC、GC、MS已經(jīng)成功應(yīng)用于連續(xù)流動化學(xué)反應(yīng)。歐世盛公司根據(jù)流動化學(xué)實際應(yīng)用需求，在業(yè)界首次推出UV-Vis、NIR、拉曼光譜三款在線檢測器儀器，以適用于制藥、化工領(lǐng)域的在線檢測。

在線UV-Vis檢測器不僅有較好的選擇性和較高的靈敏度，而且對環(huán)境溫度、流動相組成變化和流速波動不敏感。適用于連續(xù)化學(xué)中含苯環(huán)和有顏色物質(zhì)的連續(xù)在線監(jiān)測，但該類檢測器也存在著測定范圍小的弊端。同時目前市場上主要的在線UV-Vis檢測器均采用常規(guī)的汞燈和氘燈，使用壽命僅有xxx小時，不適合長時間在線表征。

歐世盛推出的全新一代在線紫外檢測器，其波長范圍為200~950nm，采用低功耗脈沖氙燈作為光源，其脈沖壽命超過10億次，可連線工作5年以上，1000:1的信噪比，滿足被測樣品更寬的濃度范圍檢測范圍，是一款在流動化學(xué)一些特殊應(yīng)用檢測中，很好的檢測工具。

圖6 在線紫外檢測器及內(nèi)部光路圖

近紅外光譜技術(shù)(NIR)是90年代以來發(fā)展最快、最引人注目的分析技術(shù)之一。隨著NIR分析方法的深入應(yīng)用及發(fā)展，已逐漸在流動化學(xué)連續(xù)流檢測中得到認(rèn)可。由于近紅外光譜儀在常規(guī)光纖中有良好的傳輸特性，且分析速度快、非破壞性、多組分多通道同時測定等特點，成為流動化學(xué)在線分析中的一支主力軍。近年來，隨著化學(xué)計量學(xué)、光纖及計算機技術(shù)的發(fā)展，在線近紅外分析技術(shù)正在以驚人的速度應(yīng)用于化工、制藥等在內(nèi)的許多領(lǐng)域，為科研、生產(chǎn)過程控制提供了一個十分廣闊的使用空間。

近紅外檢測儀主要是由于分子振動的非諧振性使分子振動從基態(tài)向高能級躍遷時產(chǎn)生的，記錄的主要是含氫基團(tuán)X-H(X=C、N、O)振動的倍頻和合頻吸收。不同團(tuán)(如甲基、亞甲基，苯環(huán)等)或同一基團(tuán)在不同化學(xué)環(huán)境中的近紅外吸收波長與強度都有明顯差別，NIR光譜具有豐富的結(jié)構(gòu)和組成信息，非常適合用于碳?xì)溆袡C物質(zhì)的組成與性質(zhì)測量。

近紅外光譜儀工作原理是，如果樣品的組成相同，則其光譜也相同，反之亦然。如果我們建立了光譜與待測參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系(稱為分析模型)，那么只要測得樣品的光譜，通過光譜和上述對應(yīng)關(guān)系，就能很快得到所需要的參數(shù)數(shù)據(jù)。

歐世盛自主研發(fā)的在線近紅外檢測器，其波長范圍1350-2500nm，是被測樣品近紅外特征光譜最為明顯的區(qū)域，適用于更廣的樣品種類，1000:1的信噪比，滿足檢測更寬范圍樣品含量。

圖7 某樣品不同含量近紅外光譜圖

1928年印度科學(xué)家拉曼實驗發(fā)現(xiàn)單色入射光透射到物質(zhì)中的散射光且與入射光不同的光，即拉曼散射，但受到散射光強度低的影響，拉曼光譜經(jīng)歷了30年的應(yīng)用發(fā)展限制，直到1960年，由于激光技術(shù)的興起，拉曼光譜以激光作為光源，光的單色性和強度大大提高，進(jìn)而使拉曼散射信號強度大大提高，拉曼光譜技術(shù)才得以迅速發(fā)展。鑒于每種物質(zhì)都有其特征的拉曼光譜，利用拉曼光譜可以鑒別和分析樣品的化學(xué)成分和分子結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行未知物質(zhì)的無損鑒定。拉曼光譜技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于化工、化學(xué)、醫(yī)藥、生命科學(xué)等領(lǐng)域，因此在線拉曼光譜將成為流動化學(xué)最為重要的在線檢測器之一。

歐世盛自主開發(fā)的在線拉曼光譜，以785nm激光作為光源，有效提高樣品拉曼光譜強度，適用于更小濃度樣品的檢測，波束范圍為100-5500cm-1，是不同被測樣品拉曼特征峰最為豐富的波束范圍，有效擴大了樣品檢測范圍。

圖8 拉曼光譜圖

針對醫(yī)藥化工領(lǐng)域產(chǎn)品的多樣性及檢測儀器不同需求，歐世盛公司提供多種在線監(jiān)測手段，助力實驗室及生產(chǎn)放大工藝實現(xiàn)實時分析數(shù)據(jù)檢測。

3.5 樣品采集模塊

目前流動化學(xué)實驗室樣品分析都是由人工定期采集樣品，拿到實驗室用HPLC、GC、MS等常規(guī)檢測手段進(jìn)行檢測，以判斷流動化學(xué)所合成樣品，是否滿足要求。此種方式，存在效率低，誤差大，占用大量人工，耗時耗力，且無法做到檢測結(jié)果的溯源。歐世盛公司針對此需求設(shè)計開發(fā)了樣品采集器，可與HPLC、GC、MS檢測做到無縫對接，根據(jù)不同收集需求，提供了時間間隔收集、體積收集、與在線檢測器聯(lián)用實現(xiàn)閾值收集、斜率收集等多種收集方式，同時可與高壓恒流輸液泵、微反應(yīng)器溫度、系統(tǒng)壓力自動調(diào)節(jié)、在線檢測器聯(lián)動，為優(yōu)化流動合成結(jié)果提供有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。樣品采集器的成功應(yīng)用，能夠在有效提高工作效率的同時降低過程操作誤差，極大減少了人工工作量。

圖9 樣品采集模塊局部圖

3.6 管理系統(tǒng)模塊

流動化學(xué)工藝的反應(yīng)類型有成百上千種，反應(yīng)條件的設(shè)置也極其復(fù)雜，一款整體系統(tǒng)管理控制軟件變得至關(guān)重要?；诖诵枨髿W世盛推出了一款全新流動化學(xué)專用軟件，此軟件采用模塊化、積木搭建模式，用戶可完全根據(jù)自身流動化學(xué)工藝應(yīng)用特點，在軟件中自由搭建流動化學(xué)各模塊單元及數(shù)量，包括高壓恒流輸液泵、反應(yīng)體系加熱制冷裝置、壓力控制模塊，在線檢測模塊，樣品采集模塊等等，同時可通過離線仿真模式，模擬流動化學(xué)整個系統(tǒng)工作情況。軟件采用項目管理方式，用戶通過向?qū)?，指?dǎo)用戶一步步搭建流動化學(xué)系統(tǒng)，同時通過交互式界面，形象反映出各模塊單元的工作狀態(tài)，如流速、壓力、溫度、檢測圖譜、收集結(jié)果等。軟件有兩種工作模式可供選擇，即專業(yè)模式，專家模式等，針對不同用戶需求，如專業(yè)模式，軟件會提供一些基本組建流動化學(xué)素材及一些簡單使用案例，用戶可參考其提供信息，熟悉了解流動化學(xué)，并逐步開始更加深入的應(yīng)用；專家模式，提供了系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方案，通過大數(shù)據(jù)分析協(xié)助用戶提高工藝開發(fā)進(jìn)程，將流動化學(xué)各?？蓛?yōu)勢發(fā)揮到極致。

4 小結(jié)

對傳統(tǒng)工藝的升級迫在眉睫，新工藝的普及利國利民，對當(dāng)下我國的青山綠水、供給側(cè)升級變革有著巨大意義。在這之前，我國的企業(yè)若想做流動化升級，不得不面對歐美幾百萬的設(shè)備，這對于絕大多數(shù)的企業(yè)是難以起步的，歐世盛公司的一系列研發(fā)成果改變了這一現(xiàn)狀，開發(fā)出的一系列流動化學(xué)實驗室裝備。目前已在國內(nèi)多家科研院所和龍頭企業(yè)展開應(yīng)用。作為實驗室流動化學(xué)整體解決方案智能制造商，我們的使命是讓我國的中小企業(yè)用負(fù)擔(dān)得起的成本，用上跟歐美發(fā)達(dá)國家企業(yè)同樣專業(yè)的設(shè)備，讓我國的醫(yī)藥和化工企業(yè)的工藝升級變得更全面、更徹底！

“上工能濟”---用科技的力量照亮我們的發(fā)展之道，砥礪前行、普惠濟世！

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