CN110694566A - 一种流式光化学反应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种流式光化学反应装置，包括进气系统、进液系统、微混合器、光源、冷阱和缠绕在冷阱上的微流管；所述进气系统和进液系统经微混合器与微流管相连；所述冷阱设置为圆锥体；所述光源位于所述冷阱的外部并设置在冷阱轴线方向顶点一侧。本发明流式光化学反应装置允许以气体作为原料参与可见光反应，设计安全，光源可更换且光照效率高，可以对物料、温度和压力精确控制。

Description

一种流式光化学反应装置
技术领域
本发明提供了一种流式光化学反应装置。
背景技术
流式反应器是化工领域经典的研究对象，将实验室的小量反应直接从瓶子(Batch)中转移到管路中，不仅提高了反应效率，缩短反应时间.，同时不存在反应器放大效应，可以稳定长时间运转，拉近了实验室与工业生产线的距离，被认为是未来合成化学的发展方向。相较于传统在反应瓶中进行光化学反应，流式光反应器优点明显：管路提供了较大的表面积体积比，可以提高辐射效率，减少反应时间，在降低催化剂负载的情况下提高转化效率与产率，从而完成一些传统方法需要高压或者难以完成的反应；较长的管路也能使反应体系得到更精准的温度控制。
传统流式光反应器使用紫外光激发分子，此类反应通常底物普适性差，反应难以调控，并且需要昂贵的石英器皿作为反应容器。近些年来，可见光催化的化学反应逐渐开始运用到有机合成中，可见光天然丰度大，使用简单安全，符合现代绿色化学的要求，应用潜力巨大，是当下有机化学的热门研究领域。
目前可见光的流式光反应器大都为自行搭建，由于这类仪器对于不同反应有比较强的专一性，所以完全商业化的仪器还比较少。普遍采取的做法是根据反应条件的要求，选择符合要求的部件，再进行组装，并在反应条件优化的同时优化反应装置的部件。国内这方面的研究成果较少，国外已经有许多课题组尝试搭建了此类反应器并取得了成功。
公布号为CN203990580U的中国实用新型专利文献公开了一种连续合成环丁烷四甲酸二酐的光反应装置，描述了一种使用聚四氟乙烯缠绕石英玻璃的紫外光反应装置，成本较高而且受限于紫外光，无法进行气体参与的反应。
公布号为CN205797181U的中国实用新型专利文献公开了一种光照强度可控的有机合成光反应装置，描述了通过遮光处理控制光强且只适用于单一液相循环光反应装置，反应过程中产物回流与原料混合，采用微型水泵循环反应液，微型气泵为装置散热。装置设置简单，光源由于形状固定所以不易更换，反应体系的进样量及温度控制不准确，无法进行气体参与的反应，同时反应过程存在安全隐患，在实验室使用过程中具有很大的局限性。
发明内容
针对现有技术中光化学反应装置无法进行气体参与的反应，且光源不易更换的缺陷，本发明的目的在于提供一种流式光化学反应装置，该装置允许以气体作为原料参与可见光反应，设计安全，光源可更换且光照效率高，可以对物料、温度和压力精确控制。
为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种流式光化学反应装置，包括进气系统、进液系统、微混合器、光源、冷阱和缠绕在冷阱上的微流管；
所述进气系统和进液系统经微混合器与微流管相连；
所述冷阱设置为圆锥体；
所述光源位于所述冷阱的外部并设置在冷阱轴线方向顶点一侧。
本发明中，所述进气系统一般为一组。所述进气系统的设置可为本领域该类系统的常规设置，较佳地，所述进气系统包括气体钢瓶、导气管和减压阀，还至少包括气体质量流量计和气体针阀中的至少一个；当同时含有气体质量流量计和气体针阀时，气体质量流量计和气体针阀并联设置；所述导气管的一端连接气体钢瓶，另一端与所述微混合器的输入端相连。
其中，所述气体钢瓶可为本领域常规的气体钢瓶。
其中，所述导气管可为本领域常规的导气管。
其中，所述气体质量流量计可为本领域常规的气体质量流量计。较佳地，所述气体质量流量计的流量范围为0-300mL/h。
其中，所述气体针阀可为本领域常规的针阀。
所述进气系统中，优选为包括并联设置的气体质量流量计和气体针阀。气体针阀可以作为气体质量流量计的替代和补充，在气体质量流量计故障或出气量达不到需求时开启。
所述进气系统中，还可包括至少一个气体过滤器，通过设置气体过滤器保护气体质量流量计，保护反应体系管路通畅。
其中，所述气体过滤器可为本领域常规的气体过滤器，较佳地，所述气体过滤器材料为高纯氧化铝。
所述进气系统中，还可包括至少一个气体压力表。所述气体压力表可为本领域常规的压力表，较佳地，所述气体压力表为不锈钢材质。所述气体压力表的量程范围为0-6Mpa。
所述进气系统中，还可包括至少一个气体单向阀，所述气体单向阀可为本领域常规的单向阀。
所述进气系统中，还可包括至少一个气体球阀，所述气体球阀可为本领域常规的球阀。
所述进气系统中，还可包括至少一个减压阀，所述减压阀可为本领域常规的减压阀。
在进气系统的一个优选方案中，所述进气系统包括气体钢瓶、导气管、减压阀、并联设置的气体质量流量计和气体针阀、气体过滤器、气体压力表、气体单向阀、气体球阀和减压阀，其中，所述导气管的一端连接气体钢瓶，另一端与所述微混合器的输入端相连，所述导气管依次连接有第一气体球阀、气体过滤器、第一气体压力表、减压阀、第二气体压力表、第二气体球阀、气体质量流量计、第三气体球阀和气体单向阀，还连接有并联的气体针阀，气体针阀的一端与第二气体压力表相连，另一端与气体单向阀相连。其中，所述第一气体压力表的量程范围为0-6Mpa，所述第二气体压力表的量程范围为0-1Mpa。通过在气体质量流量计两端设置气体球阀，可以有效减少有机蒸汽对气体质量流量计的损害。
本发明中，所述进液系统可为一组或多组(例如两组)，当为多组时，各组的设置相同或不同，各组进液系统通过一连通器与所述微混合器的输入端相连。
本发明中，所述进液系统的设置可为本领域该类系统的常规设置，较佳地，所述进液系统包括原料溶液瓶、导液管和HPLC泵，所述原料溶液瓶通过导液管连接HPLC泵，HPLC泵与所述微混合器的输入端相连。
其中，所述原料溶液瓶可为本领域常规的原料溶液瓶。
其中，所述导液管可为本领域常规的导液管。
其中，所述HPLC泵可为本领域常规的HPLC泵，较佳地，所述HPLC泵为HPLC活塞泵、HPLC蠕动泵或HPLC注射泵。所述HPLC泵的输出流量范围为0.01-10mL/min，泵耐受压不小于1MPa。
所述进液系统中，还可包括滤头，所述滤头设置在导液管的端部且插入所述原料溶液瓶底部。
所述进液系统中，还可包括至少一个液体压力表。所述液体压力表可为本领域常规的压力表，较佳地，所述液体压力表的材质为不锈钢。所述液体压力表的量程范围为0-1Mpa。
所述进液系统中，还可包括至少一个液体单向阀，所述液体单向阀可为本领域常规的液体单向阀。
所述进液系统中，还可包括至少一个泄压阀，通过设置泄压阀为长时间的无人监守反应提供过压保护，使反应体系稳定安全。所述泄压阀可为本领域常规的泄压阀，较佳地，所述泄压阀的材质为不锈钢。
所述进液系统中，还可包括至少一个液体针阀，所述液体针阀可为本领域常规的针阀。
所述进液系统中，还可包括至少一个液体球阀，所述液体球阀可为本领域常规的球阀。
在进液系统的一个优选方案中，所述进液系统包括原料溶液瓶、导液管、HPLC泵、滤头、液体压力表、液体单向阀、泄压阀、液体针阀和液体球阀，其中，所述滤头设置在导液管的端部且插入所述原料溶液瓶底部，导液管的另一端与所述微混合器的输入端相连，所述导液管依次连接有HPLC泵、泄压阀、液体压力表、液体球阀和液体单向阀，液体针阀外接于所述HPLC泵与所述泄压阀之间且出口连接空气。
本发明中，所述冷阱一般为正圆锥体，底角可以为在0～90°之间任何数，为方便在冷阱圆锥面缠绕微流管，优选为45°～90°之间任何数；为配合光化学反应效率，较佳地，所述冷阱的锥角大于或等于光源的光束角；例如，当光源的光束角为13°时，所述冷阱的底角为74°。
本发明中，所述微流管在冷阱圆锥体的圆锥面一般都是紧密螺旋缠绕。
较佳地，所述冷阱为透明中空玻璃容器。
较佳地，所述冷阱的顶部设有循环液进口，底部设有循环液出口。
较佳地，所述冷阱的最低设计温度为-30℃。
本发明中，所述流式光化学反应装置还可包括恒温槽，所述冷阱与恒温槽相连，所述冷阱的循环液进口与所述恒温槽的出液口流体导通连接，所述冷阱的循环液出口与所述恒温槽的进液口流体导通连接。
其中，所述恒温槽可为本领域常规的恒温槽，较佳地，所述恒温槽为高精度低温恒温槽，附带循环冷却功能，控温范围为-30℃至室温，精确度为0.001℃。
本发明中，所述微流管的材质可为本领域微流管的常规材质，较佳地，所述微流管的材质为PFA或EFP，微流管部分可以拆换，不同于石英材质微流管固定的内径与长度，该材质方便使用不同长度和不同内径(包括小于1mm内径)的管路对反应进行筛选。
较佳地，所述微流管的内径为0.5-1.6mm，长度为0.5-50m。较小的内径可以提供高的暴露面积，提高辐射面积从而提高反应效率，微流管的长度与反应装置的保留时间有关并且会带来反应装置中的压力降。
本发明中，较佳地，所述冷阱和缠绕在冷阱上的微流管还设置在一保护箱体内，所述光源设置于所述保护箱体外，所述保护箱体上开设有多个管路开孔和至少一个通光孔，至少有一个通光孔位于冷阱轴线方向顶点一侧，用于光源通光。
其中，所述保护箱体一般设置有箱门，较佳地，所述箱门为滑动箱门。
其中，所述保护箱体较佳地还设有温度传感器，所述温度传感器的探头紧贴在微流管上。
其中，所述保护箱体的材质较佳地为不锈钢。
本发明中，所述微混合器可为本领域常规的微混合器，较佳地，所述微混合器为T形微混合器、十字微混合器或多孔道混合器。所述微混合器的材质可为不锈钢或PEEK。微混合器的内孔径可为0.25mm到0.75mm之间。
本发明中，所述光源可为本领域常规的光源，较佳地，所述光源为高压汞灯、氘灯、LED、CFL或激光光源。更佳地，所述光源为激光光源或LED，当为激光光源时，激光光源功率为0-200mW，波长为380-780nm(例如为450nm)；当为LED时，LED功率范围为0-100W且波长为380-780nm(例如为450nm)。进一步，所述光源为激光光源，激光光源的单色性较好，颜色纯正，方向性强，光亮度高。
本发明中，所述光源的光束角可为本领域常规的光束角。
本发明中，所述光源发出的光可通过光纤传导，光纤的输出端设置在冷阱轴线方向顶点一侧，可以有效避免光源对反应温度的影响。
本发明中，所述流式光化学反应装置还可包括背压调节器，所述背压调节器设置在所述微流管的出口端，与所述产物收集器相连，用于保持管内压力，保持管路中的流体具有恒定流速，控制体系中气液组分的当量比。所述背压调节器可为本领域常规的背压调节器，本发明优选为由压力表和减压阀依次连接组成的背压调节器，其中，所述背压调节器的压力调节范围为0-1MPa。
本发明中，所述流式光化学反应装置还可包括电气系统，所述电气系统可包括温度显示器和气体流量显示器。其中，所述温度显示器的输入端与所述的温度传感器的输出端连接，所述气体流量显示器的输入端与所述的气体质量流量计的输出端连接。
所述电气系统中，一般还可包括总电源指示灯、仪表电源开关、仪表电源指示灯、动力电源带灯开启按钮、动力电源带灯关闭按钮、熔断器、电源开关和电源。
一般来说，所述仪表电源开关与所述温度显示器和所述气体流量显示器电源相连；所述动力电源带灯开启按钮与HPLC泵和恒温槽电源连接；所述动力电源带灯关闭按钮与HPLC泵和恒温槽电源连接；所述熔断器连接HPLC泵和恒温槽电路。
一般来说，所述电源开关与所述电源连接；所述电源用于给用电部件供电。
其中，所述温度显示器可为本领域常规的温度显示器。
其中，所述气体流量显示器可为本领域常规的气体流量显示器。
其中，所述总电源指示灯可为本领域常规的总电源指示灯。
其中，所述仪表电源开关可为本领域常规的仪表电源开关。
其中，所述仪表电源指示灯可为本领域常规的仪表电源指示灯。
其中，所述动力电源带灯开启按钮可为本领域常规的动力电源带灯开启按钮。
其中，所述动力电源带灯关闭按钮可为本领域常规的动力电源带灯关闭按钮。
其中，所述熔断器可为本领域常规的熔断器。
其中，所述电源开关可为本领域常规的电源开关。
其中，所述电源可为本领域常规的电源，本发明优选为包含直流变压器的电源，所述电源可输出220v交流电，还可通过直流变压器输出24v直流电，其中输出的24v直流电用于给气体质量流量计供电。
所述电气系统中，还可包括I/O接口模块，当所述电气系统包括I/O接口模块时，所述流式光化学反应装置还包括计算机监控系统；所述I/O接口模块的输入端与所述HPLC泵的输出端、所述温度显示器的输出端和所述气体流量显示器的输出端分别连接，所述I/O接口模块的输出端与所述计算机监控系统的输入端相连。
其中，所述I/O接口模块可为本领域常规的I/O接口模块。
其中，所述I/O接口模块一般是由电源输出的24v直流电供电。
其中，所述计算机监控系统一般是通过计算机读取、保存和输出所述I/O接口模块接收的信息，包括所述温度显示器的示数、所述气体流量显示器的示数、所述HPLC泵的液体流量；通过计算机实时设置所述I/O接口模块接收的信息，包括所述气体流量显示器的示数，所述HPLC泵的液体流量。
本发明中，较佳地，所述电气系统放置在电气柜内，其中，总电源指示灯、仪表电源开关、仪表电源指示灯、动力电源带灯开启按钮、动力电源带灯关闭按钮、温度显示器和气体流量显示器安装在所述电气柜的柜门上；电源开关、熔断器、I/O接口模块和电源设置在所述电气柜内部。
本发明中，所述流式光化学反应装置还可包括产物收集器，产物收集器与所述微混合器的输出端相连，用于收集反应产物。
本发明中，所述流式光化学反应装置还可包括多层框架，所述多层框架用于放置该流式光化学反应装置的其他部件。
其中，所述多层框架的底部安装有锁定功能的万向滑轮，所述万向滑轮可为本领域常规的万向滑轮。
作为本发明的一个优选方案，所述流式光化学反应装置，包括多层框架、进气系统、进液系统、冷阱、微流管、微混合器、产物收集器、光源、恒温槽、背压调节器、电气系统和计算机监控系统，其中，进气系统置于多层框架的顶部，恒温槽和进液系统置于多层框架的底部，微混合器位于进气系统和进液系统之间，电气系统放置在电气柜内位于进气系统和恒温槽之间，冷阱和微流管设置在保护箱体内位于进液系统上方，背压调节器位于保护箱体和进液系统之间，产物收集器与所述背压调节器放置在同一高度上，计算机监控系统与电气柜连接，与多层框架外合适位置就近安放。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
(1)本发明装置利用进气系统，进液系统和微混合器实现了安全的使用气体作为原料参与可见光反应，优选使用背压调节器实现了精确控制反应压力，优选使用气体流量质量计和HPLC泵实现了对气体和液体原料进样量的精确控制。
(2)本发明装置利用恒温槽，冷阱，微流管，温度传感器，温度显示器以及外置的光源减少光源发热对体系的影响，不仅实现了精确的温度监控，也实现了光源可更换且光照效率高。
(3)进一步的，便于移动的多层框架预留了改造升级空间，为兼容多种反应类型带来了便利。
附图说明
图1为实施例1流式光化学反应装置进气系统及进液系统的示意图；
图2为实施例1流式光化学反应装置的部分示意图；
图3为实施例2流式光化学反应装置进气系统及进液系统的示意图；
图4为实施例2流式光化学反应装置的部分示意图；
图5为实施例3流式光化学反应装置的部分示意图；
图6为实施例3流式光化学反应装置的示意图。
附图标记说明：
1-进气系统，2-进液系统，3-微混合器，4-光源，5-恒温槽，6-冷阱，7-微流管，8-背压调节器，9-产物收集器，10-保护箱体，11-多层框架，12-电气柜，13-计算机监控系统，14-万向滑轮；
101-气体钢瓶，102-导气管，103-第一气体球阀，104-气体过滤器，105-第一气体压力表，106-减压阀，107-第二气体压力表，108-第二气体球阀，109-气体质量流量计，110-第三气体球阀，111-气体针阀，112-气体单向阀；
201-连通器，202-原料溶液瓶，203-滤头，204-导液管，205-HPLC泵，206-液体针阀，207-泄压阀，208-液体压力表，209-液体球阀，210-液体单向阀；501-恒温槽出液口，502-恒温槽进出液口；
601-冷阱循环液进口，602-冷阱循环液出口；
801-背压调节器压力表，802-背压调节器减压阀；
1001-温度传感器。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例1
如图1～2所示，本实施例流式光化学反应装置，包括进气系统1、进液系统2、微混合器3、光源4、恒温槽5、冷阱6和缠绕在冷阱6上的微流管7；
该进气系统1和进液系统2经微混合器3与微流管7相连；
该冷阱6为透明玻璃封闭容器。
该冷阱6设置为圆锥体；
该光源4位于冷阱6的外部并设置在冷阱6轴线方向顶点一侧。将光源设在冷阱的外部有利于散热且温度均匀。
该进气系统1为一组，该进气系统1包括气体钢瓶101、导气管102、减压阀106、气体质量流量计109和气体针阀112；
该导气管102的一端连接气体钢瓶101，另一端与微混合器3的输入端相连，导气管102上依次连接有减压阀106、气体质量流量计109和气体针阀111，气体质量流量计109和气体针阀111并联设置。实际制作时，气体质量流量计109和气体针阀111可以根据需要进行选择，至少包括其中之一即可。该气体针阀111可以单独使用，或作为气体质量流量计109的备选方案，可以代替气体质量流量计109使用。
该气体质量流量计109的流量范围为0-300mL/h且最小分辨流量0.1mL/h。
该进液系统2为相同的两组，实际制作时，可以根据需要设置为一组或多组，各组的设置相同或不同，各组进液系统与一连通器201的输入端相连，该连通器201的输出端与微混合器3的输入端相连。
该进液系统2包括原料溶液瓶202、导液管204和HPLC泵205，该原料溶液瓶202通过导液管204连接HPLC泵205。
该原料溶液瓶202可根据反应所需溶液的量进行调整，在大于10mL范围内进行选择，视反应要求可隔绝空气。
该导液管204的端部设置有滤头203，且插入原料溶液瓶202的底部，作用是过滤液体中可能会对HPLC泵205造成损伤的不溶固体颗粒。
该HPLC泵205为HPLC活塞泵，实际制作时，可以根据需要在HPLC活塞泵、HPLC蠕动泵和HPLC注射泵中进行选择。
该HPLC活塞泵的输出流量范围为0.01-10mL/min且最小分辨流量为0.01mL/min，最小耐受泵压不小于1MPa。
该冷阱6的底角为74°，微流管7在冷阱6圆锥体的圆锥面紧密螺旋缠绕。该冷阱6为微流管7提供了物理支撑，保持管内温度恒定。
该冷阱6为透明中空玻璃容器。
该冷阱6的顶部设有循环液进口601，底部设有循环液出口602。
该恒温槽5与冷阱6相连，冷阱的循环液进口601与该恒温槽的出液口501流体导通连接，冷阱的循环液出口602与该恒温槽的进液口502流体导通连接。该恒温槽5为高精度低温恒温槽，附带循环冷却功能，控温范围为-30℃至室温，精确度为0.001℃。
该冷阱6的最低设计温度为-30℃。
该微流管7的材质为EFP，实际制作时，可根据需要从PFA和EFP中进行选择。
该微流管7的内径为0.79mm，外径为1.58mm，长度为10m，体积约为5mL。实际制作时，微流管7的内径可以在0.5mm-1.6mm范围内选择，长度可以在0.5m-50m范围内选择。
该微混合器7为T形微混合器，用来混合气液两相，T形微混合器较小的死体积能耐受一定的高压也能保证混合效率。实际制作时，可以根据需要在T形微混合器、十字微混合器或多孔道混合器中进行选择，
该微混合器7的材质为300系列不锈钢，实际制作时，可以根据需要在不锈钢和PEEK中进行选择。
该微混合器7的内孔径为0.5mm，实际制作时，可以根据需要在0.25mm到0.75mm之间进行选择。
该光源4为LED光源，功率范围为4W且波长为450nm。实际制作时，可根据需要选择LED光源的功率和波长，LED光源的功率在0-100W中进行选择，波长在380-780nm中进行选择。实际制作时，光源还可根据需要在高压汞灯、氘灯、LED、CFL和激光光源中进行选择，当选择激光光源时，激光光源功率为0-200mW，波长为380-780nm，光束发散角为13°。
实施例2
如图3～4所示，本实施例流式光化学反应装置在实施例1的基础上，还包括背压调节器8和产物收集器9，该背压调节器8设置在微流管7的出口端，与产物收集器9相连，产物收集器9收集从该背压调节器8流出的产物。该背压调节器8由压力表801和减压阀802依次连接组成，其中压力表801的量程范围0-1Mpa且最小分辨量程0.05Mpa。背压调节器8为反应体系保持了一定的压力，有利于气体在液相中的溶解从而加快反应进程。
本实施例流式光化学反应装置的进气系统1还包括气体过滤器、气体压力表、气体单向阀、气体球阀和减压阀。
该进气系统1的导气管102上依次连接有第一气体球阀103、气体过滤器104、第一气体压力表105、减压阀106、第二气体压力表107、第二气体球阀108、气体质量流量计109、第三气体球阀110和气体单向阀112，还连接有并联的气体针阀111，气体针阀111的一端与第二气体压力表107相连，另一端与气体单向阀112相连。该第一气体压力表105的量程范围为0-6Mpa且最小分辨量程0.2Mpa，该第二气体压力表107的量程范围为0-1Mpa且最小分辨量程0.05Mpa。
该气体过滤器104的材料为高纯氧化铝。该气体过滤器104的作用为防止气体中颗粒物质堵塞损伤气体质量流量计或对反应体系造成不良影响。
该第一、第二气体压力表为不锈钢材质。
本实施例流式光化学反应装置的进液系统2还包括液体压力表208、液体单向阀210、泄压阀207、液体针阀206和液体球阀209。
该进液系统2的导液管204上连接有HPLC泵205、泄压阀207、液体压力表208、液体球阀209和液体单向阀210，液体针阀206外接于HPLC泵205与泄压阀207之间且出口连接空气。
该液体针阀206作为泄压阀207的补充，可以在压力过高时手动开启释放压力从而保护HPLC泵205。
该泄压阀207的材质为不锈钢，该泄压阀207目的是对HPLC泵205及其耐压管作过压保护，压力数值可以为0-1.0MPa，这里设置为0.6Mpa。
该液体压力表208为不锈钢材质，液体压力表208量程范围0-1Mpa且最小分辨量程0.05Mpa。
本实施例流式光化学反应装置还包括电气系统和计算机监控系统，该电气系统至少包括温度显示器和气体流量显示器。还可包括总电源指示灯、仪表电源开关、仪表电源指示灯、动力电源带灯开启按钮、动力电源带灯关闭按钮、电源开关、熔断器、电源和I/O接口模块。
该电源包含直流变压器，可输出220v交流电，还可通过直流变压器输出24v直流电，其中，输出的24v直流电用于给气体质量流量计和I/O接口模块供电，输出的220v交流电用于给其他正常电压的用电部件供电。
该仪表电源开关与温度显示器和气体流量显示器电源相连，同时控制温度显示器和气体流量显示器；该动力电源带灯开启按钮和动力电源带灯关闭按钮分别与HPLC泵和恒温槽电源连接，配合使用同时控制HPLC泵和恒温槽的开关；该熔断器连接HPLC泵和恒温槽电路；该温度显示器的输入端与温度传感器的输出端连接；该气体流量显示器的输入端与所述的气体质量流量计的输出端连接；该I/O接口模块的输入端与HPLC泵的输出端、温度显示器的输出端和气体流量显示器的输出端分别连接，I/O接口模块的输出端与计算机监控系统的输入端相连。
该计算机监控系统通过计算机读取、保存和输出I/O接口模块接收的信息，包括温度显示器的示数、气体流量显示器的示数、HPLC泵的液体流量；通过计算机实时设置I/O接口模块接收的信息，包括气体流量显示器的示数，HPLC泵的液体流量。
实施例3
如图5～6所示，本实施例流式光化学反应装置在实施例2的基础上，将冷阱6和缠绕在冷阱6上的微流管7设置在一保护箱体10内。冷阱6的方向可根据需要进行设置，例如冷阱椎体可以垂直立于该箱体的底部，也可以水平横置在箱体中。
该保护箱体10的材质为不锈钢。
该保护箱体10设置有箱门，该箱门为滑动箱门。
该保护箱体10设置为长方体箱体。
该保护箱体10内设有温度传感器1001，温度传感器1001的温度探头伸入该保护箱体10内，紧贴微流管7上。
该保护箱体10开设有供管路和温度传感器1001的温度探头通过的孔洞，顶部和侧面开设有供光源使用的通光孔，光源4设置于该保护箱体10外，至少有一个通光孔位于冷阱轴线方向顶点一侧，用于光源4通光。
当光源为激光光源时，其功率范围0-200mW且波长为380-780nm，光源发出的激光由一定长度的光纤引导，光纤出口通过箱体顶部的通光孔伸入箱体内部且位于冷阱轴线方向顶点一侧，光纤出口的出射光夹角为13°，光纤的长度可以根据需要进行选择，例如1m；当光源为LED光源时，LED光源从该箱体侧面的通光孔水平入射，功率范围0-100W且波长380-780nm。光源无论从哪个通光孔射入，光源的入射方向均位于冷阱轴线方向顶点一侧。
将电气系统放置在电气柜内，其中，总电源指示灯、仪表电源开关、仪表电源指示灯、动力电源带灯开启按钮、动力电源带灯关闭按钮、温度显示器和气体流量显示器安装在该电气柜的柜门上；电源开关、熔断器、I/O接口模块和电源设置在该电气柜内部。
本实施例流式光化学反应装置还包括多层框架11，该多层框架11的底部安装有锁定功能的万向滑轮14。进气系统1置于该多层框架11的顶部，恒温槽5和进液系统2置于多层框架11的底部，微混合器3位于进气系统1和进液系统2之间，电气系统放置在电气柜12内位于进气系统1和恒温槽之间5，冷阱6和微流管7设置在保护箱体10内位于进液系统2上方，背压调节器8位于保护箱体10和进液系统2之间，产物收集器9与背压调节器8放置在同一高度上，计算机监控系统13与电气柜12连接，与多层框架外11合适位置就近安放。
进气系统和背压调节器在同一高度，高度差不超过0.5m，这样会减少一些管内高度压差。
为了测试流式光化学反应装置的性能，实际设计了几款不同尺寸的流式光化学反应装置，现对其中一款流式光化学反应装置性能予以分析：
采用本实施例流式光化学反应装置，关键参数的尺寸如表1所示，
表1
Figure BDA0001724184440000151
在原料溶液瓶中，氮气保护下，配制含0.25M对甲基苯硫酚、0.25M的四甲基乙二胺和0.0025M曙红Y的乙醇溶液作为光化学反应液，用超声混合均匀待用。
打开气体质量流量计或针阀，设定背压调节器至0.6MPa，第二气体压表读数大于0.6MPa；通过进液系统的HPLC活塞泵向微流管中注入乙醇润洗，打开4W LED白光光源，打开恒温槽开启冷凝循环模式并调整冷却温度设定值，直到温度显示器稳定度数20℃±0.5℃，调整泄压阀压力大于0.6Mpa，待液体压力表的泵压、恒温槽的温度、温度传感器显示器的温度示数均稳定后，通过HPLC活塞泵先用少量配制的光化学反应液润洗装置管路，润洗结束后再用光化学反应液开始反应；在计算机监控系统中设定HPLC活塞泵参数为0.1mL/min，气体质量流量计参数为3mL/min，提前测试得此参数下的保留时间约为15min；打开上述白光光源，从箱体侧面的通光孔照射微流管；待2～3个保留时间即30～45min体系稳定后在产物收集器中收集反应液，收集时间120min，共收集12.0mL反应液，加入对硝基苄醇作为外标，取适量样品旋干后溶于含有TMS内标的氘代氯仿溶液，对照产物标准谱数据，使用500MHz核磁氢谱分析产物，得出转化率大于95％；使用硅胶柱分离，硅胶为300-400目，淋洗液为石油醚:乙酸乙酯＝97:3，得到目标产物对甲苯二硫醚269.9mg，经计算得出收集的反应液产率为73％。
对比例
在25mL圆底烧瓶中配制12mL含0.25M对甲基苯硫酚、0.25M的四甲基乙二胺和0.0025M曙红Y的乙醇溶液作为光化学反应液，将圆底烧瓶内的气体抽换为纯氧并用氧气气球保护，搅拌速度400r/min。15min后避光使用核磁氢谱分析转化率为24％。而采用实施例3的流式光化学反应装置在单个保留时间15min反应的转化率大于95％，说明本发明流式光化学反应装置效果优于普通的Bacth反应。

Claims (10)

1.一种流式光化学反应装置，其特征在于，包括进气系统、进液系统、微混合器、光源、冷阱和缠绕在冷阱上的微流管；
所述进气系统和进液系统经微混合器与微流管相连；
所述冷阱设置为圆锥体；
所述光源位于所述冷阱的外部并设置在冷阱轴线方向顶点一侧。
2.根据权利要求1所述的流式光化学反应装置，其特征在于，所述进气系统包括气体钢瓶、导气管和减压阀，还至少包括气体质量流量计和气体针阀中的至少一个，当同时含有气体质量流量计和气体针阀时，气体质量流量计和气体针阀并联设置，所述导气管的一端连接气体钢瓶，另一端与所述微混合器的输入端相连；更佳地，所述气体质量流量计的流量范围为0-300mL/h；
较佳地，所述进气系统中包括并联设置的气体质量流量计和气体针阀；
较佳地，所述进气系统还包括至少一个气体过滤器；更佳地，所述气体过滤器材料为高纯氧化铝；
较佳地，所述进气系统还包括至少一个气体压力表；更佳地，所述气体压力表为不锈钢材质；所述气体压力表的量程范围为0-6Mpa；
较佳地，所述进气系统还包括至少一个气体单向阀；
较佳地，所述进气系统还包括至少一个气体球阀；
较佳地，所述进气系统还包括至少一个减压阀；
更佳地，所述进气系统包括气体钢瓶、导气管、减压阀、并联设置的气体质量流量计和气体针阀、气体过滤器、气体压力表、气体单向阀、气体球阀和减压阀，其中，所述导气管的一端连接气体钢瓶，另一端与所述微混合器的输入端相连，所述导气管依次连接有第一气体球阀、气体过滤器、第一气体压力表、减压阀、第二气体压力表、第二气体球阀、气体质量流量计、第三气体球阀和气体单向阀，还连接有并联的气体针阀，气体针阀的一端与第二气体压力表相连，另一端与气体单向阀相连。
3.根据权利要求1所述的流式光化学反应装置，其特征在于，所述进液系统为一组或多组，当为多组时，各组的设置相同或不同，各组进液系统通过一连通器与所述微混合器的输入端相连；
较佳地，所述进液系统包括原料溶液瓶、导液管和HPLC泵，所述原料溶液瓶通过导液管连接HPLC泵，HPLC泵与所述微混合器的输入端相连；更佳地，所述导液管的端部还设置有滤头，且插入所述原料溶液瓶底部；更佳地，所述HPLC泵为HPLC活塞泵、HPLC蠕动泵或HPLC注射泵；所述HPLC泵的输出流量范围为0.01-10mL/min，泵耐受压不小于1Mpa；
较佳地，所述进液系统还包括至少一个液体压力表；更佳地，所述液体压力表的材质为不锈钢；所述液体压力表的量程范围为0-1Mpa；
较佳地，所述进液系统还包括至少一个液体单向阀；
较佳地，所述进液系统还包括至少一个泄压阀；更佳地，所述泄压阀的材质为不锈钢；
较佳地，所述进液系统还包括至少一个液体针阀；
较佳地，所述进液系统还包括至少一个液体球阀；
更佳地，所述进液系统包括原料溶液瓶、导液管、HPLC泵、滤头、液体压力表、液体单向阀、泄压阀、液体针阀和液体球阀，其中，所述滤头设置在导液管的端部且插入所述原料溶液瓶底部，导液管的另一端与所述微混合器的输入端相连，所述导液管依次连接有HPLC泵、泄压阀、液体压力表、液体球阀和液体单向阀，液体针阀外接于所述HPLC泵与所述泄压阀之间且出口连接空气。
4.根据权利要求1所述的流式光化学反应装置，其特征在于，所述冷阱的底角为45°～90°之间任何数；
较佳地，所述冷阱的锥角大于或等于光源的光束角；
较佳地，所述冷阱为透明中空玻璃容器；
较佳地，所述冷阱的顶部设有循环液进口，底部设有循环液出口；更佳地，所述流式光化学反应装置还包括恒温槽，所述冷阱与恒温槽相连，所述冷阱的循环液进口与所述恒温槽的出液口流体导通连接，所述冷阱的循环液出口与所述恒温槽的进液口流体导通连接；
较佳地，所述冷阱的最低设计温度为-30℃。
5.根据权利要求1所述的流式光化学反应装置，其特征在于，所述微流管的材质为PFA或EFP；
较佳地，所述微流管的内径为0.5-1.6mm，长度为0.5-50m。
6.根据权利要求1所述的流式光化学反应装置，其特征在于，所述冷阱和缠绕在冷阱上的微流管设置在一保护箱体内，所述光源设置于所述保护箱体外，所述保护箱体上开设有多个管路开孔和至少一个通光孔，至少有一个通光孔位于冷阱轴线方向顶点一侧，用于光源通光；
较佳地，所述保护箱体设置有箱门；
较佳地，所述保护箱体设有温度传感器，所述温度传感器的探头紧贴在微流管上；
较佳地，所述保护箱体的材质为不锈钢。
7.根据权利要求1所述的流式光化学反应装置，其特征在于，较佳地，所述微混合器为T形微混合器、十字微混合器或多孔道混合器；更佳地，所述微混合器的材质为不锈钢或PEEK；所述微混合器的内孔径为0.25-0.75mm；
较佳地，所述光源为高压汞灯、氘灯、LED、CFL或激光光源；更佳地，所述光源为激光光源或LED，当为激光光源时，激光光源功率为0-200mW，波长为380-780nm；当为LED时，LED功率范围为0-100W且波长为380-780nm；
较佳地，所述光源发出的光通过光纤传导，光纤的输出端设置在冷阱轴线方向顶点一侧。
8.根据权利要求1所述的流式光化学反应装置，其特征在于，较佳地，所述流式光化学反应装置还包括背压调节器，所述背压调节器设置在所述微流管的出口端，与所述产物收集器相连；更佳地，所述背压调节器由压力表和减压阀依次连接组成；
较佳地，所述流式光化学反应装置还包括产物收集器；
较佳地，所述流式光化学反应装置还包括多层框架；更佳地，所述多层框架的底部安装有锁定功能的万向滑轮。
9.根据权利要求1所述的流式光化学反应装置，其特征在于，所述流式光化学反应装置还包括电气系统，所述电气系统包括温度显示器和气体流量显示器；
较佳地，所述电气系统还包括总电源指示灯、仪表电源开关、仪表电源指示灯、动力电源带灯开启按钮、动力电源带灯关闭按钮、熔断器、电源开关和电源；
较佳地，所述电气系统还包括I/O接口模块，所述流式光化学反应装置还包括计算机监控系统，所述计算机监控系统通过计算机读取、保存、输出和设置所述I/O接口模块接收的信息；
较佳地，所述电气系统放置在电气柜内。
10.根据权利要求1所述的流式光化学反应装置，其特征在于，所述流式光化学反应装置，包括多层框架、进气系统、进液系统、冷阱、微流管、微混合器、产物收集器、光源、恒温槽、背压调节器、电气系统和计算机监控系统，其中，进气系统置于多层框架的顶部，恒温槽和进液系统置于多层框架的底部，微混合器位于进气系统和进液系统之间，电气系统放置在电气柜内位于进气系统和恒温槽之间，冷阱和微流管设置在保护箱体内位于进液系统上方，背压调节器位于保护箱体和进液系统之间，产物收集器与所述背压调节器放置在同一高度上，计算机监控系统与电气柜连接，与多层框架外合适位置就近安放。
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