摘要：微反應器是一種有效的工藝開發和強化的工具，但是從實驗室工藝開發到放大實際生產仍然存在挑戰，因為通道尺寸的改變極大的影響了傳質傳熱過程。本文主要演示了一個放熱邁克加成的完整的工藝開發過程，綜合考慮了在實驗室工藝開發階段及生產放大過程中的通道尺寸，停留時間分布，反應物混合，反應熱移除等關鍵影響因素。

圖1 合成3-哌啶丙酸乙酯反的反應原理圖

環戊胺和丙烯酸乙酯經邁克加成反應生成3-哌啶丙酸乙酯，反應溫度30-70oC，淬滅劑：乙酸的甲醇容液（乙酸體積分數：11% ）。根據微反應器內部反應體積（開始混合處和加入淬滅劑處之間的反應器體積）和反應物流速計算。

圖2 用于動力學研究的微反應器設計圖（a）和實際管式微反應器圖（b）

反應物先通過毛細管柱預熱，然后通過混合器混合后再后續的不銹鋼螺旋管中進行連續流動反應，反應溫度由外部熱浴裝置控制，最后通過T型混合器加入淬滅劑終止反應，產物收集后自動進行GC分析。

表1 不同尺寸通道內徑傳質效果比較

表2 不同尺寸通道內徑傳熱效果比較

保持反應器MR1和MR2長度相同，泵速基本相同的條件下，增大反應器通道尺寸后，凈流速明顯下降，MR2（0.008）相比于MR1（0.10 m/s）縮小了約10倍，徑向擴散相關系數Re和Dn分別減小了4倍和2倍，軸向擴散相關系是B0變大，表明混合傳質效果變差，理想的活塞流混合模式只有徑向擴散，沒有軸向擴散。在傳熱方面，大尺寸的微通道反應器MR2的比表面積和傳熱系數相對于明顯變小，散熱時間延長了9倍。

圖3 ESK陶瓷SiC反應器（左）和反應板（右）

為了進一步擴大反應器通道內徑進行對比，本文采用了Chemtrix公司的MR260型號的連續流動反應器，該反應器由混合板（含預熱， T型混合和2.9mL的反應通道）和兩個反應板（反應體積分別為16.8和33.6 mL，通道尺寸2.0×2.0 mm）組成。反應板內部通道90o折行排布（圖3 右），極大增強了混合效果。MR260反應板是由3M ESK代加工生產，每個反應板都是陶瓷SiC材質，由換熱層和反應層或混合層無壓燒結而成，傳熱性能極好，生產通量最高達36L/h，可用于實際生產。

圖4 ESK反應器和微反應器 MR2的產率對比圖

通過對比發現，在保證較高的傳熱傳質效率的前提下，4mL ESK流動反應器由于反應體積相對過小，產率較低外，MR2及54mL的ESK流動反應器的產率均達90%。由此證明微通道流動反應器工藝參數可一步放大，直接用于實際生產。

為了便于生產工藝的直接放大，我司還代理了Chemtrix其他型號的微通道反應器（流動反應器）。其中：

圖5 Protrix微反應器

圖6 Labtrix Start 微反應器

Protrix也是一款無壓燒結3M ESK碳硅合金材質的模塊化低通量流動合成反應器，可靈活安裝1-4塊SiC模塊，每個模塊上均設計兩組體積不同的獨立的流體通道，用戶可根據需要靈活搭配，開發的生產條件可以直接放大到MR260或MR555進行實際生產。

玻璃材質的微通道反應器（芯片反應器）Labtrix系統，0.2-100 μL/min低通量，保留時間1.2 s-100min，也可用于快速篩選反應，研究反應動力學，教學演示等。尤其在教學演示方面，由于流動合成工藝的日趨成熟和完善，多所世界著名高校陸續將連續流動化學開展為一個單獨的學科，如華盛頓大學，普度大學，赫爾大學，四川大學，中山大學等。為了便于教學，Chemtrix公司還專門為Labtrix系列配備了“Micro Reaction Technology on Organic Synthesis”教科書一本，教學方法一套及流動化學計算軟件一套。

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參考文獻： [1] Sebastian S. etc; Kinetic and scale-up investigations of a Michael Addition in microreactors, Org. Process Res. Dev.,2014,18,1535-1544.