CN102205226A - 一种电场微管式反应装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于化学反应器技术领域，具体涉及一种电场微管式反应装置及其应用。该反应装置包括进料系统，物料混合装置，微管式反应管道，在物料混合装置和微管式反应管道两侧设有产生电场系统的电极，电极连接高压直流电源，微管式反应管道内径为0.5-4mm，材料为玻璃或塑料，最好为聚四氟乙烯管。该反应装置可应用于电场下的位置选择性化学反应，本发明电场反应器的结构简单，易于制造，可为液/液化学反应提供电场环境，作为电场催化的反应设备，提高位置选择性。

Description

一种电场微管式反应装置及其应用

技术领域

本发明属于化学反应器技术领域，具体涉及一种电场微管式反应装置及其应用。

背景技术

化学反应装置是实现化学反应的设备，按结构型式的特征，可以分为釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床反应器和流化床反应器等。

釜式反应器主要用于进行液相均相、液相非均相或气液相反应。可间歇操作，也可连续操作。反应器由壳体、搅拌器和换热装置等组成。搅拌器的作用在于使物料均匀混合，强化传热传质。换热装置保持反应所要求的适宜温度可为夹套式、蛇管或列管式，也可以是外热循环式等。

管式反应器应用于气相或液相连续反应。由于管子通常能承受较高的压力，用于加压下的反应尤为适应，例如油脂或脂肪酸加氢生产高碳醇，多采用管式反应器。裂解反应的管式炉也是管式反应器。如中国专利CN1406151A公开了一种管式反应器、在管式反应器中进行液/液多相反应的方法、和一种在管式反应器中环-硝化芳烃化合物的方法。该管式反应器包括一个管道，所述管道具有一个用于反应混合物进入所述管式反应器的入口端、一个用于产物物流排出的出口端、和设置在所述入口端和出口端之间的所述管道之中的一系列被连合区分隔开的短小的静态混合元件，其中，每个静态混合元件的长度不大于该静态混合元件直径的6倍和每个所述连合区的长度至少为该连合区直径的4倍。管道优选15-50cm。

塔式反应器是指高径比较大的反应设备。广泛应用于气-液反应和液-液反应。如苯烃化制乙苯的烃化塔等。

固定床反应器是指流体通过静态催化剂颗粒进行反应的反应器。基本有机化工中常见的为气-固相固定床反应器，固体为催化剂，气体为反应物料。

流化床反应器是固体在反应器内处理流化状态称流态化，其反应器称流化床反应器。它主要用于气-固相催化反应，如丙烯氨氧化制丙烯腈、萘或邻二甲苯氧化制苯酐等。

微反应器是一种单元反应界面宽度为微米量级的小型化的化学反应装置，通道宽度为50-500μm。

电场是带电体(静电荷)周围空间客观存在的一种物质。电场对置入其中的电荷有电场力的作用，它可以使大量的自由电荷定向移动而形成电流；还可以使导体上电荷重新分布。对于匀强电场，它可以使带电粒子加速和偏转，示波管就是根据匀强电场的这一特性制成的。示波管是由电子柜和偏转电极荧光屏组成。电子柜发射的电子进行加速直线前进，偏转电极(上、下和左、右两组匀强电场)使加速的电子发生偏转。

电工中一般认为电阻率超过10¹⁴欧厘米的物质便归于电介质。电介质的带电粒子是被原子、分子的内力或分子间的力紧密束缚着，因此这些粒子的电荷为束缚电荷。在外电场作用下，这些电荷也只能在微观范围内移动，产生极化。在静电场中，电介质内部可以存在电场，这是电介质与导体的基本区别。电介质处于外加电场中时，会出现电偶极子。电偶极子是指相距很近但有一距离的两个符号相反而量值相等的电荷。若外电场为零，常态下电荷分布是球对称的，正负电荷的平均位置重合，不形成电偶极子。若有外电场时，电场将负电荷向下拉，将正电荷向上推，正电荷与负电荷的平均位置不再重合，将形成电偶极子。

电介质中电偶极矩的矢量和不为零的现象称为极化。电介质可分为两类：一类是非极性电介质(常态下介质内分子的正负电荷的平均位置重合)，另一类是极性电介质(常态下介质内分子的正负电荷的平均位置不重合)，如甲苯。在无外电场作用时，非极性电介质分子的等效电偶极矩为零；极性电介质分子由于排列杂乱无章，其等效电偶极矩的矢量和亦为零。在有外电场作用时，非极性电介质分子的正负电荷平均位置相对位移，极性电介质分子的电偶极矩发生转向。这样，都将出现极化现象。极化的程度，可用电极化强度P表示。P为每单位体积内的电偶极矩，即：

$P=\underset{\mathrm{\Δv}\→0}{\lim }\frac{\mathrm{\ΣP}}{\mathrm{\ΣV}}$

它是矢量，其单位在国际单位制中是库仑/米²。根据实验，许多电介质的电极化强度P与电场强度E成正比，即：

P＝xε₀E

式中ε₀为真空介电常数；x为电极化率，对于各向同性电介质为一标量，对于各向异性电介质为一张量。

某些电介质中偶极分子问作用很强，无外电场时，在小体积内分子互相平行排列，形成有宏观偶极矩的电畴。这种无外电场时电畴内部分子已出现极化的现象称为自发极化。

偶极子取向极化一般需要的时间约为10^-2～10^-10秒。

在外电场作用下，反应介质(媒介质)和反应物分子将产生极化或增强极化，并使分子或离子趋于有序排列，将对化学反应或化学过程产生明显的作用和影响。

溶剂的极性影响化学反应，其根本原因是溶剂极性对过渡态的稳定效果。

以亲电取代反应的苯硝化反应为例。硝化反应：

混酸中的硝酸作为碱，从酸性更强的硫酸中接受一个质子，形成质子化的硝酸，后者分解成硝酰正离子，即浓硫酸的作用是增强试剂的亲电能力。

反应机理：

溶剂的介电常数越大，极性越大，使中间体络合物的电荷分散，络合物稳定性增强，有利于反应进行。

溶液的极性主要通过改变过渡态中间体的电荷分散，来影响它们的稳定性，从而达到影响亲电反应的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种电场微管式反应装置及其应用，电场环境下可稳定、安全地进行化学反应并提高化学反应的位置选择性。

该电场微管式反应装置包括进料系统(5)，物料混合装置(4)，微管式反应管道(3)，在物料混合装置和微管式反应管道两侧设有产生电场系统的电极(2)，电极连接高压直流电源，微管式反应管道内径为1-4mm，微管式反应管道及物料混合装置材料为塑料或玻璃，微管式反应管道及物料混合装置材料为聚四氟乙烯，产生电场系统的电极是单电极或由多块极板组合的电极，产生电场的电极是平板电极、曲面电极、网状或棒状电极，电极材料内层为钢、铁、铅、钛、铜、铝等金属，电极材料最好为金属铜。

物料混合装置和微管式反应管道可采用热空气或热油进行加热。

电极连接高压直流电源，电压可调。

该场微管式反应装置的应用，原料按照一定的进料速度泵送物料，经物料混合装置和微管式反应管道进行反应，调节高压电源电压控制电场强度为100-500kV/m，反应液经后处理得到产品。

进料速度应根据反应微管的长度和所进行的化学反应速率确定。

本发明的优点是，电场反应器的结构简单，易于制造，在电场环境下可稳定、安全地进行化学反应，可为液/液化学反应提供电场环境，作为电场催化的反应设备。对于特定的反应，如反应的原料、过渡态或络合物结构有极性结构的反应，在电场极化反应介质和电场作用下，分子中的电子分布将改变、将趋向于产生极性最强的分子、过渡态或络合物定位结构，达到改变化学反应的进程，可取得提高化学反应的选择性3％以上效果。主要用于亲电和亲核反应。

本发明的电场反应器与电化学合成用的电解槽的不同点在于，电化学合成用的电解槽是通过电极与反应物发生电子的得失转移，电路与反应液连接形成电流回路，有能量消耗；而本实用新型所用电极仅用于产生电场，不发生电子的转移，也没形成电流回路。因此，基本没有能量消耗。

附图说明

图1是发明提供的一种电场微管式反应装置结构示意图。

图2是发明提供的一种电场多微管式反应装置结构示意图。

图中：1恒温装置，2电场系统的电极，3微管式反应管道，4物料混合装置，5进料系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步地详细描述。

实施例1。

如图1所示一种电场微管式反应装置。该电场微管式反应装置包括进料系统(5)，是由储料槽，输料管和容积泵组成，输料管为聚四氟乙烯软管，物料混合装置(4)为聚四氟乙烯三通，微管式反应管道(3)为内径为0.5-1mm，长25cm的玻璃管，在电场中为15cm，在物料混合装置和微管式反应管道两侧设有产生电场系统的电极(2)为铜板，极板外侧有高分子绝缘材料保护，并固定在加热恒温箱体的外侧，箱体材料为工程塑料，极板间距为3cm，电极连接高压直流电源，最高电压达到30kV。

以硝化甲苯的亲电取代反应为例。

在外加电场作用下，一方面包括电场对反应介质的作用，即产生极化媒介质或增强媒介质极化，另一方面对于特定的反应，如反应的原料、过渡态或络合物结构有极性结构的反应，在电场极化媒介质和电场作用下，分子中的电子分布将改变、将趋向于产生极性最强的分子、过渡态或络合物定位结构，使反应具有显著的定位选择性。

用于甲苯硝化反应，硝化产物P/O值(对位和邻位产量的比值)约为0.6，反应如下，根据计算的电荷显示，甲基为邻对为定位基团，而氯为间位定位基团。化学反应式如下：

甲苯硝化反应的络合物的共振结构，邻对位有稳定的结构。硝化甲苯得到邻对位产物几乎没有区域选择性。化学反应式如下：

对于硝化甲苯反应，工业上有提高对硝基甲苯得率的实际需求，同时该反应又是典型的亲电取代反应。采用密度泛函B3LYL/6-31G*方法优化的甲苯分子结构显示，其偶极矩显示为极性分子，势能面显示苯环中心区域显负电性。其气相中分子的偶极矩为0.36D

采用相同方法优化的邻、对位硝基甲苯络合物的结构显示，络合物的极性显著增强。因此，外加电场显著影响硝化反应的进程和选择性，得到更多的对位硝化产品。

预料甲苯和混酸在55℃下恒温，混酸中按体积比计算含67％的浓硫酸和9％的浓硝酸，甲苯的进料速度为0.0125mL/min，混酸的进料速度为0.05mL/min，物料混合装置和微管式反应管道采用热空气加热恒温55℃，调节高压电源电压控制电场强度为500kV/m，流出的反应液分去下面的酸层，上层有机相用热水洗3次，至水相pH值为7左右，油层干燥至澄清，采用高效液相色谱，有电场作用下产物中对硝基甲苯的百分数比无电场时提高8％以上。

实施例2。

与实施例1不同的是：

微管式反应管道(3)为内径为3-4mm，长100cm的玻璃管，调节高压电源电压控制电场强度为300kV/m，物料混合装置和微管式反应管道采用热硅油加热恒温55℃。

有电场作用下产物中对硝基甲苯的百分数比无电场时提高5％以上。

实施例3。

与实施例1不同的是：

微管式反应管道(3)为内径为2-3mm，长50cm的玻璃管，调节高压电源电压控制电场强度为100kV/m。

有电场作用下产物中对硝基甲苯的百分数比无电场时提高3％以上。

实施例4。

与实施例1不同的是：

如图2所示，电极固定在加热恒温箱体的内侧，箱体材料为玻璃钢复合材料，微管式反应管道(3)为内径为2-3mm，长50cm的聚四氟乙烯管，共10根。调节高压电源电压控制电场强度为400kV/m。

有电场作用下产物中对硝基甲苯的百分数比无电场时提高7％以上。

Claims (7)

1.一种电场微管式反应装置，包括进料系统(5)，物料混合装置(4)，微管式反应管道(3)，在物料混合装置和微管式反应管道两侧设有产生电场系统的电极(2)，电极连接高压直流电源，微管式反应管道内径为0.5-4mm。

2.根据权利要求1所述的电场微管式反应装置，其特征在于微管式反应管道及物料混合装置材料为塑料或玻璃，。

3.根据权利要求2所述的电场微管式反应装置，其特征在于微管式反应管道及物料混合装置材料为聚四氟乙烯。

4.根据权利要求1所述的电场微管式反应装置，其特征在于产生电场系统的电极是单电极或由多块极板组合的电极。

5.根据权利要求1所述的电场微管式反应装置，其特征在于产生电场的电极是平板电极、曲面电极、网状或棒状电极，电极材料内层为钢、铁、铅、钛、铜、铝等金属。

6.根据权利要求5所述的电场微管式反应装置，其特征在于电极材料为金属铜。

7.根据权利要求1所述的电场微管式反应装置的应用，原料按照一定的进料速度泵送物料，经物料混合装置和微管式反应管道进行反应，调节高压电源电压控制电场强度为100-500kV/m，反应液经后处理得到产品。

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