[实用新型]一种管式反应器内光化学反应的微混合系统

说明书

本实用新型涉及一种管式反应器内光化学反应的微混合系统，其特征在于，该系统由微混合单元和管式光化学反应装置组成，微混合单元与管式光化学反应装置串联连接，在所述微混合单元中，与反应液不相溶的气相或液态载体相将反应液剪切为液柱，本实用新型具有连续、稳定、光能利用率高的优势，通过该系统可以实现反应液充分接受光源照射，并有效强化反应液内部的扰动，强化光化学合成过程，其生产成本较低、操作简便、过程可控。在光化学反应的工业化应用中具有巨大前景。

技术领域

本实用新型属于有机光化学合成领域，特别涉及一种管式反应器内光化学反应的微混合系统。

背景技术

光化学反应因其利用光子引发化学反应和促进分子转化的特性[Scholes,G.D.；Fleming,G.R.；Olaya-Castro,A.；van Grondelle,R.,Nat.Chem.2011,3,763]，具有过程绿色、低污染等优势，在过去的几十年里一直受到人们的广泛关注和研究。不过受到设备条件和光子衰减的限制，光化学生产存在着严重的光能利用率低、设备难以放大等问题[Su,Y.；Straathof,N.J.W.；Hessel,V.；,T.,Chem.-Eur.J.2014,20,10562]。具体而言，由于光子在液体中随液层厚度急剧衰减(朗博-比尔定律)，给设备放大造成困难。单纯采用体积放大的方式，一方面由于液层厚度的增加造成光子利用率低，反应时间显著增加；另一方面由于产物同时存在于液相之中，还容易导致副产物的生成，甚至出现过度光照的问题。

研究者们采用了多种方法来强化光化学反应，增加流体内部的扰动，提高反应物浓度分布的均匀性。一方面是传统设备的改进，如通过气体鼓泡、反应液雾化的方式强化溶液内部混合；另一方面，近年来结合连续流技术发展的(微通道)管式反应器也越来越受到重视。例如，中国专利CN1445215A利用内浸式的氮鼓泡方法强化溶液内部混合，中国专利CN202238034U采用内置雾化器的方法提高维生素D₃合成过程的光照强度；中国专利CN103553993A采用均相微流管式反应器光化学合成维生素D₃，实现了光化学合成过程的连续操作。不过气体鼓泡的方式对于溶液内的扰动强度有限，雾化方法仍然无法避免远离光源处光强衰减的问题，同时其仍然依托釜式设备，反应产物无法移出体系，仍然存在过度光照和副反应的问题。而管式反应器虽然可以通过并联多套装置的数目放大方法避免体积放大的问题。然而，管式反应器仍多采用均相的反应液流动，管壁处边界层内只能通过分子扩散传质，反应物很难有效迁移至设备壁面接受光照、产物很难快速远离设备壁面防止过度光照生成副产物[Knowles,J.P.,Elliott,L.D.,Booker-Milburn K.I.,BeilsteinJ.Org.Chem.2012,8,2025]；而且均相流呈现流速分布中间高、四周低的特点，会导致反应物在反应器内停留时间的差异，并未完全解决过度光照的问题；此外，很多微通道级别的管式反应器流量通常在微升每分钟量级，反应效率低下。

近年来，对于一些微通道、管式反应器中的有机合成体系，人们尝试通过与反应液不互溶的液体或气体作为运载相、通过其分隔的作用得到反应液液柱流，从而保证每段液柱里反应物的停留时间基本一致[Porta,R.,Benaglia,M.,Puglisi A.,Org.Process.Res.Dev.2016,20,2]。这种方法对于一般的有机合成来说可以有效强化合成过程，提高过程的可控性，但是对于光化学反应来说，并没有针对性地解决光照不均匀的问题，同时反应液液柱内的混合强度仍有待于进一步提高。从管式反应器的结构来说，核心问题在于始终有反应液处于背向光源的位置，只能获得穿过液层以后的光子的能量，现有管式反应器没有针对光源改变其缠绕方式。此外，管子缠绕的曲率半径通常远大于管子内径，造成液柱流动过于稳定，内部扰动程度较低。

实用新型内容