微通道反應(yīng)器可以顯著提高物料的傳質(zhì)傳熱效果，縮短反應(yīng)時(shí)間，提高產(chǎn)品收率，而且安全、節(jié)能、環(huán)保，因而在化工、醫(yī)藥、染料及農(nóng)藥等行業(yè)都受到了廣泛關(guān)注，也已經(jīng)有很多成功案例。但實(shí)驗(yàn)人員在微反小試裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研發(fā)和探索的過程中，往往會(huì)遇到這樣一個(gè)問題：將間歇反應(yīng)釜的最佳實(shí)驗(yàn)條件應(yīng)用到微通道反應(yīng)器上時(shí)，結(jié)果常常并不理想，有時(shí)候還達(dá)不到間歇反應(yīng)釜的收率。對產(chǎn)物一檢測，發(fā)現(xiàn)其中還有不少原料，于是便判定是停留時(shí)間不夠，導(dǎo)致原料沒有反應(yīng)完全。

1.提高反應(yīng)溫度

我們知道，間歇反應(yīng)釜的佳反應(yīng)條件是與反應(yīng)釜相匹配的。工業(yè)反應(yīng)釜的體積大，一次處理的物料量多，因此傳質(zhì)效果不好，單位時(shí)間內(nèi)分子間的有效碰撞次數(shù)少，因而反應(yīng)速率比較慢?？芍磻?yīng)速率常數(shù)是與反應(yīng)溫度成正比的。這是因?yàn)?，提高反?yīng)溫度可以提高分子的平均動(dòng)能，單位體積內(nèi)由基態(tài)轉(zhuǎn)化為過渡態(tài)的分子數(shù)目增多，比例變大，更多的分子就能跨過勢壘，即通常所說的活化能，因而反應(yīng)更容易發(fā)生，表現(xiàn)在宏觀上就是反應(yīng)速率加快了。由此可以看出，反應(yīng)溫度對反應(yīng)速率起著至關(guān)重要的決定性作用。

   微反應(yīng)器：但是在很多反應(yīng)過程中，我們不能任意提高反應(yīng)溫度，一方面溫度過高有可能導(dǎo)致結(jié)焦等副反應(yīng)的發(fā)生，另一方面則主要受制于傳統(tǒng)反應(yīng)釜糟糕的傳熱效果。化學(xué)反應(yīng)往往伴隨著劇烈的熱效應(yīng)，對于放熱反應(yīng)，反應(yīng)速率越快，放熱也就越劇烈，而工業(yè)反應(yīng)釜有限的換熱面積滿足不了反應(yīng)的換熱需求，為避免飛溫，只能通過降低反應(yīng)溫度、犧牲反應(yīng)速率來實(shí)現(xiàn)對溫度的有效控制，然后通過延長反應(yīng)時(shí)間來達(dá)到充分反應(yīng)的目的。這就是為什么很多低溫有機(jī)金屬反應(yīng)要在-20℃甚至-40℃的條件下進(jìn)行，以及為什么大部分硝化反應(yīng)都要通過滴加原料的方式進(jìn)行。

  然而，這些問題不再是微通道反應(yīng)器的桎梏。微通道反應(yīng)器提高反應(yīng)溫度的成功案例比比皆是，甚至可以說是有效的縮短反應(yīng)時(shí)間的方法之一。因此，當(dāng)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)原料反應(yīng)不完全的情況時(shí)，首先可以考慮一下：反應(yīng)溫度是不是設(shè)置的過低了？一般來說，微通道反應(yīng)器的反應(yīng)溫度可以比間歇反應(yīng)釜的溫度提高10~20℃左右。

2.提高反應(yīng)物濃度

   反應(yīng)速率除了與分子的平均動(dòng)能有關(guān)，還與單位體積內(nèi)反應(yīng)物分子的數(shù)量有關(guān)，如圖4所示，即從理論上來說，反應(yīng)物濃度越高，越有利于反應(yīng)的發(fā)生。但在間歇反應(yīng)釜中，有時(shí)候卻會(huì)選擇相對較低的反應(yīng)物濃度，主要是從以下幾個(gè)方面考慮：

(1)控制反應(yīng)速率。如前所述，在間歇反應(yīng)中，有時(shí)候因換熱跟不上或者攪拌不均勻，容易造成局部過熱，從而發(fā)生結(jié)焦或其他副反應(yīng)，影響產(chǎn)品選擇性和收率。這時(shí)，采用較低的反應(yīng)物濃度就是比較明智的選擇，但相應(yīng)地也要付出反應(yīng)時(shí)間長的代價(jià)。

(2)避免發(fā)生二次反應(yīng)。除了結(jié)焦，較高的反應(yīng)物濃度還容易導(dǎo)致二次反應(yīng)的發(fā)生，比如過硝化、過氧化等等，為避免非目的產(chǎn)物的生成，往往也需要對反應(yīng)物的濃度進(jìn)行調(diào)整。

(3)利用溶劑換熱。有些溶劑除了對反應(yīng)物起到分散作用，本身也具有良好的吸熱能力，因此是很好的換熱介質(zhì)，比如濃硫酸在硝化反應(yīng)中就常常同時(shí)起到催化劑和換熱介質(zhì)的作用，這時(shí)也會(huì)加大溶劑的量，從而降低反應(yīng)物的濃度。

   因此在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，首先要明確反應(yīng)物選擇該濃度的原因是什么。如果是受制于反應(yīng)釜的換熱能力，那在微反上可以大膽嘗試提高反應(yīng)物的濃度，往往會(huì)得到令人滿意的結(jié)果。小編近做的一個(gè)硝化反應(yīng)，反應(yīng)釜中硝酸的濃度是16~20%，在微反上采用相同的酸濃度，產(chǎn)品收率只有60~70%，氣相色譜分析結(jié)果顯示，還有很多原料沒有反應(yīng)完全。而當(dāng)把酸濃度提高到35~40%之后，產(chǎn)品收率立刻達(dá)到了95%以上。由此可見，之前的實(shí)驗(yàn)正是被低濃度的硝酸限制了反應(yīng)速率。如果選擇較低的濃度是為避免二次反應(yīng)的發(fā)生，那么則要謹(jǐn)慎提高反應(yīng)物濃度，但由于微反的停留時(shí)間很短，有時(shí)候二次反應(yīng)還來不及發(fā)生反應(yīng)即被終止，那這種情況下也可以通過提高反應(yīng)物濃度來縮短停留時(shí)間，實(shí)現(xiàn)提高產(chǎn)品收率的目的。

3.降低流量

   如果通過提高反應(yīng)溫度和反應(yīng)物濃度的方法均不能有效縮短反應(yīng)的停留時(shí)間，使反應(yīng)完全，那這個(gè)時(shí)候就可以嘗試在其他條件不變的情況下降低物料的流量。微通道反應(yīng)器小試設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配置是10片反應(yīng)片，因此反應(yīng)器的容積是確定的，在持液量保持不變的情況下，降低物料的流量，則會(huì)相應(yīng)延長反應(yīng)的停留時(shí)間。但這里需要注意的是物料的流量不能降得特別低，否則物料不能完全充滿微通道，則會(huì)失去微通道的混合與傳質(zhì)效果。

4.增加盤管或反應(yīng)片

   通過前面介紹的三種方法，大多數(shù)反應(yīng)過程停留時(shí)間不夠的問題應(yīng)該都能得到有效解決。但對于個(gè)別的特殊反應(yīng)，在嘗試以上三種方法均無果的情況下，則只能考慮提高反應(yīng)器的持液量，即增大反應(yīng)器的容積。通常采取的措施是先在微反應(yīng)器出口連接一段盤管，使反應(yīng)體系在盤管中繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，然后對盤管出口的物料進(jìn)行分析檢測。如果分析結(jié)果顯示停留時(shí)間的延長確實(shí)有助于原料的轉(zhuǎn)化，可以使反應(yīng)更完全，那這時(shí)則可以根據(jù)實(shí)際所需的停留時(shí)間，定制反應(yīng)片數(shù)更多的微反應(yīng)器，或者直接將兩臺(tái)或多臺(tái)微反應(yīng)器串聯(lián)使用。

結(jié)論

化學(xué)反應(yīng)過程的影響因素非常多，有溫度、壓力、流量、原料濃度、物料配比、加料順序、停留時(shí)間等等，且各個(gè)因素之間是相互關(guān)聯(lián)、相互制約的。因此，在實(shí)驗(yàn)時(shí)面對一個(gè)既定的結(jié)果，比如原料反應(yīng)不完全，不能僅考慮其直接影響因素，例如是不是停留時(shí)間不夠，而應(yīng)從宏觀的角度整體把握，在了解整個(gè)反應(yīng)的脈絡(luò)和各個(gè)影響因素之間的關(guān)系后，有的放矢，通過提高反應(yīng)溫度、提高反應(yīng)物濃度、降低物料流量或者增加盤管或反應(yīng)片等多種方式來解決。