CN112191203A - 一种led光源光催化管式反应器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LED光源光催化管式反应器及其应用。其中，所述LED光源光催化管式反应器，其包括：LED光源、控温腔体和透明反应管道；所述透明反应管道设于所述控温腔体中；所述控温腔体的至少一侧为透光板；所述LED光源透过所述透光板为所述透明反应管道提供光源；所述透明反应管道的内径与长度的径长比为0～0.1，但不为0。本发明的LED光源连续光催化管式反应器能够实现消除放大效应、增大产量、可连续生产且使用便捷、成本低。本发明的管道反应装置还可实现自动化控制，能够有效降低人员成本，提高生产安全性。

Description

一种LED光源光催化管式反应器及其应用
技术领域
本发明涉及一种LED光源光催化管式反应器及其应用。
背景技术
光催化制备三氟甲基化合物和溴代化合物是精细化工生产中经常 用到的化学反应，反应式如下：
Figure BDA0002411442050000011
反应物与三氟甲基试剂或溴代试剂在特定波长LED光照条件下由催 化剂催化反应生成三氟甲基化合物或溴代化合物。
光催化三氟甲基化反应传统上采用间歇式反应釜。例如，专利文献 CN202683206U中公开了一种光催化反应器仅适用于实验室间歇操作，难 以放大生产。而专利文献CN106892800A公开了一种以荧光灯照射舒伦 克管，搅拌进行间歇操作反应。当反应釜放大后，存在光吸收减弱，反应 变慢等问题，有很大的放大效应。另外，专利文献CN102151534A公开了 一种光催化反应器，光源可为紫外光，可见光和太阳光，置于石英反应器 外部，光透过石英反应器激发光催化剂，引发光催化反应，可以间歇操作， 也可连续操作，但是没有解决光催化反应难以定制较大功率防爆LED光 源及产量较低的放大问题。再例如专利文献CN109621863A，公开了一种 光催化的反应装置，其反应器至少包含三层透明板和两层媒介，光将被透 明板和媒介吸收，照射到反应液上的光强减弱，影响产量；同时，该反应器 在放大过程中串联更多反应单元，流量增加，夹层媒介流量也将增加，平板 内的压力势必会增加，然而其透明板(大多为石英或者玻璃)均为不耐压的 材质，导致密闭较为困难，容易泄露；如果增加透明板厚度和透明板间距离 则光强将会衰弱，有很大的放大效应；其将在透明平板表面刻蚀出物料通 道或控温通道，存在着成本高、反应器部件难以更换的缺点。
因此，需要一种能够实现消除放大效应、增大产量、可连续生产且使 用便捷、成本低的光催化反应器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术中的光催化反应器只能进行 间歇操作反应，或者难以实现放大生产、产量低的问题，而提供了一种LED 光源光催化管式反应器及其应用。本发明的LED光源连续光催化管式反应 器能够实现消除放大效应、增大产量、可连续生产且使用便捷、成本低。 本发明的管道反应装置还可实现自动化控制，能够有效降低人员成本，提高 生产安全性。
本发明通过以下技术方案解决上述技术问题。
本发明提供了一种LED光源光催化管式反应器，其包括：LED光源、 控温腔体和透明反应管道；
所述透明反应管道设于所述控温腔体中；
所述控温腔体的至少一侧为透光板；
所述LED光源透过所述透光板为所述透明反应管道提供光源；
所述透明反应管道的内径与长度的径长比为0～0.1，但不为0。
本发明中，所述LED光源可为本领域常规。
较佳地，所述LED光源为可变功率波长LED光源，能够根据需要改变 LED的波长和功率。例如，所述LED光源可提供黑光、蓝光、绿光、红光、 白光等。
较佳地，所述LED光源为模块化光源组。可将多个所述LED光源集成 为软件控制的可移动拆卸式光源组。
其中，所述LED模块化光源组的高度和宽度与透明反应管道盘绕后占 据的面积相应，为所述透明反应管道提供均匀的光源。
较佳地，所述LED光源与所述透光板的距离为0～5cm，更佳地为0～5mm， 且优选为越小越好。
较佳地，所述LED光源整体设计为防爆LED光源设备，适合放大生产。 其中，所述防爆LED光源设备能防止由于在使用中产生火花、电弧或危险 温度，成为安装地点爆炸性混合物的引燃源。所述防爆LED光源设备市售 可得。
本发明中，所述控温腔体可为所述控温腔体中流通控温介质，以实现控 温；也可为单独另设控温管道，同样实现控温。
进一步地，所述控温腔体还可外置流动式控温系统，精确控制体系温度 消除热安全风险。
较佳地，所述控温腔体中设有支架，用于所述透明反应管道盘绕。
其中，较佳地，所述透明反应管道盘绕形成但不限于蚊香形、S形或蛇 形。
进一步，较佳地，当所述控温腔体单独另设控温管道时，所述控温管道 与所述透明反应管道螺旋式设置盘绕。
较佳地，所述控温腔体的进口和出口均装有压力传感器，实时监测压力。
所述控温腔体的控温管道的内径较佳地为1-50mm，更佳地为2-20mm。
在扩大生产时，为了减小了内部压力，提高稳定性和安全性，可采用分 流降压方式，多个所述控温腔体与所述外置控温腔体进行并联。
本发明中，较佳地，所述透光板的材料为石英或玻璃。
所述透光板的厚度较佳地为0～50mm，更佳地为0～20mm，例如为 2～20mm。
较佳地，所述控温腔体为正方体或圆柱体形状。
其中，较佳地，所述控温腔体的两侧为透光板；所述LED光源位于控温 腔体外部的两侧，两侧均进行照射，增大产量。
较佳地，所述控温腔体除了所述透光板的部分材料为不锈钢或聚四氟乙 烯。
较佳地，所述控温腔体的温度为-50～100℃。
较佳地，所述控温腔体中的控温介质为乙二醇和/或水。
本发明中，所述透明反应管道可为本领域常规。所述透明反应管道属于 管道反应器类型，是一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。
较佳地，所述透明反应管道的形状为圆形管道，其市售可得。
较佳地，所述透明反应管道的材料为四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共 聚物PFA或全氟乙烯丙烯共聚物FEP。
较佳地，所述透明反应管道的内径与长度的径长比为0～0.0005，但不为 0。
较佳地，所述透明反应管道的内径为0～20mm，但不为0；更佳地为 0～5mm，但不为0。
较佳地，所述透明反应管道为平推流管式反应器。
在使用时，较佳地，所述透明反应管道内液体的线速度不超过3m/s。
为了放大生产，较佳地，通过四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物PFA、 不锈钢或哈氏合金材料的接口连接，获得串联或者并联的所述LED光源光 催化管式反应器组合，以此扩大生产，可将流速提高至串联和/或并联前的10 倍以上。
本发明还提供了一种光催化反应装置，其包含如前所述的LED光源光 催化管式反应器。
较佳地，所述光催化反应装置还包括依次连通的原料罐、进料泵、背压 阀和产品储罐。
其中，较佳地，所述光催化反应装置还包括集成密封箱，所述集成密封 箱内含有所述控温腔体、所述LED光源和透明反应管道。
其中，较佳地，所述光催化反应装置还包括多个热电偶，例如为3个。
其中，较佳地，所述热电偶位于所述透明反应管道和所述背压阀连接的 管道中，和/或，外置流动式控温系统中。
其中，较佳地，所述光催化反应装置还包括多个压力传感器。
其中，较佳地，所述压力传感器位于所述进料泵和所述透明反应管道连 接的管道中，和/或，所述外置流动式控温系统中。
本发明还提供了一种使用如前所述的光催化反应装置制备三氟甲基化 合物或溴代化合物的方法，其包括以下步骤：
S1.将反应原料连续提供至如前所述的光催化反应装置中的所述透明反 应管道中；
S2.在所述LED光源照射下，通过所述控温腔体控制反应温度，进行光 催化连续制备三氟甲基化合物或溴代化合物。
本发明中，所述反应原料是指反应底物、三氟甲基化试剂或溴代试剂、 和催化剂；一般来说所述反应原料均存储于所述原料罐中，通过所述进料泵 将所述反应原料泵送至所述透明反应管道中；之后，在所述LED光源照射 下，通过所述控温腔体控制反应温度，进行光催化连续制备三氟甲基化合物 或溴代化合物，将得到的产物经所述背压阀流入所述产品储罐，由此实现便 捷的连续生产。
本发明中，所述光催化反应装置还可用于进行液相之间的光催化反应。
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。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
本发明的LED光源连续光催化管式反应器能够实现消除放大效应、增 大产量、可连续生产且使用便捷、成本低。本发明的管道反应装置还可实 现自动化控制，能够有效降低人员成本，提高生产安全性。
附图说明
图1为实施例1中的LED光源光催化管式反应器的结构示意图。
图2为实施例1中的光催化反应装置的示例性流程图。
附图标记说明
控温腔体1
透明反应管道2
LED光源3
集成密封箱4
热电偶5
透明石英板6
外置流动式控温系统7
原料罐8
进料泵9
LED光源光催化管式反应器10
背压阀11
产品储罐12
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 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
实施例1中，LED光源光催化管式反应器10包括：LED光源3、控温 腔体1和透明反应管道2(如图1所示)。
控温腔体1为圆柱体形状。控温腔体1的两侧为透明石英板6。透明石 英板6的厚度为10mm。控温腔体1除了透明石英板6部分的材料为不锈钢。 控温腔体1外置流动式控温系统7。控温腔体1的控温管道的内径为10mm。 控温腔体1的进口和出口均装有压力传感器，实时监测压力。控温腔体1的 温度为-50～100℃。控温腔体1中的控温介质为乙二醇和水。
LED光源3为可变功率波长LED模块化光源组，能够根据需要通过软 件控制，改变LED的波长和功率。LED光源3整体设计为防爆LED光源设 备，市售可得。LED光源3位于控温腔体1外部的两侧，透过透明石英板6 为透明反应管道2提供光源。LED光源3与透光板的距离为1mm。
透明反应管道2为平推流管式反应器。透明反应管道2的形状为圆形管 道，市售可得。透明反应管道2的材料为四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚 物PFA。在使用时，透明反应管道2内液体的线速度不超过3m/s。
透明反应管道2设于控温腔体1中。控温腔体1中设有支架，用于透明 反应管道2盘绕。透明反应管道2盘绕形成蚊香形。
透明反应管道2的内径与长度的径长比为0.0005。透明反应管道2的内 径为5mm。LED模块化光源组的高度和宽度与透明反应管道2盘绕后占据 的面积相应，为透明反应管道2提供均匀的光源。
实施例1中的光催化反应装置，其包含如前所述的LED光源光催化管 式反应器10(如图2所示)。
光催化反应装置还包括依次连通的原料罐8、进料泵9、背压阀11和产 品储罐12。
光催化反应装置还包括集成密封箱4，集成密封箱4内含有控温腔体1、 LED光源3和透明反应管道2。
光催化反应装置还包括3个热电偶5，位于透明反应管道2和背压阀11 连接的管道中，和外置流动式控温系统7中。
光催化反应装置还包括多个压力传感器，除了位于控温腔体1的进口和 出口外，还位于进料泵9和透明反应管道2连接的管道中。
实施例1中，使用如前所述的光催化反应装置制备三氟甲基化合物或溴 代化合物时，其包括以下步骤：
S1.将反应原料连续提供至如前所述的LED光源光催化管式反应器10 中的透明反应管道2中；
S2.在LED光源3照射下，通过控温腔体1控制反应温度，进行光催化 连续制备三氟甲基化合。
反应原料是反应底物、三氟甲基化试剂和催化剂；反应原料均存储于原 料罐8中，通过进料泵9将反应原料泵送至透明反应管道2中；之后，在 LED光源3照射下，通过控温腔体1控制反应温度，进行光催化连续制备相 应的三氟甲基化合物，将得到的产物经背压阀11流入产品储罐12，由此实 现便捷的连续生产。
效果实施例
实施例1的装置可成功消除放大效应，三氟甲基化以200L/h流速进 料，且能反应完全。
若放大2倍进行反应，只需增大2倍流速，串联或并联一个实施例1 中的LED光源光催化管式反应器10(通过四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基 醚共聚物PFA的接口连接)，转化率100％，产率80％以上；目前实现溴 化每天5000L进料，收率90％以上。

Claims (10)

1.一种LED光源光催化管式反应器，其包括：LED光源、控温腔体和透明反应管道；
所述透明反应管道设于所述控温腔体中；
所述控温腔体的至少一侧为透光板；
所述LED光源透过所述透光板为所述透明反应管道提供光源；
所述透明反应管道的内径与长度的径长比为0～0.1，但不为0。
2.如权利要求1所述的LED光源光催化管式反应器，其特征在于，所述LED光源为可变功率波长LED光源；
和/或，所述LED光源为模块化光源组；
和/或，所述LED光源与所述透光板的距离为0～5cm，较佳地为0～5mm；
和/或，所述LED光源整体设计为防爆LED光源设备。
3.如权利要求1所述的LED光源光催化管式反应器，其特征在于，所述控温腔体的进口和出口均装有压力传感器；
和/或，所述透光板的材料为石英或玻璃；
和/或，所述透光板的厚度为0～50mm，较佳地为0～20mm，更佳地为2～20mm；
和/或，所述控温腔体除了所述透光板的部分材料为不锈钢或聚四氟乙烯；
和/或，所述控温腔体的控温管道的内径为1-50mm，较佳地为2-20mm；
和/或，所述控温腔体的温度为-50～100℃；
和/或，所述控温腔体中的控温介质为乙二醇和/或水。
4.如权利要求1所述的LED光源光催化管式反应器，其特征在于，所述控温腔体中流通控温介质；或者，所述控温腔体单独另设控温管道；
和/或，所述控温腔体外置流动式控温系统；
和/或，所述控温腔体为正方体或圆柱体形状；
和/或，所述控温腔体中设有支架，用于所述透明反应管道盘绕。
5.如权利要求4所述的LED光源光催化管式反应器，其特征在于，所述透明反应管道盘绕形成蚊香形、S形或蛇形；
当所述控温腔体单独另设控温管道时，所述控温管道与所述透明反应管道螺旋式设置盘绕；
所述控温腔体的两侧为透光板；所述LED光源位于控温腔体外部的两侧；
和/或，多个所述控温腔体与所述外置控温腔体进行并联。
6.如权利要求1所述的LED光源光催化管式反应器，其特征在于，所述透明反应管道的形状为圆形管道；
和/或，所述透明反应管道的材料为四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物PFA或全氟乙烯丙烯共聚物FEP；
和/或，所述透明反应管道的内径与长度的径长比为0～0.0005，但不为0；
和/或，所述透明反应管道的内径为0～20mm，但不为0；较佳地为0～5mm，但不为0；
和/或，所述透明反应管道为平推流管式反应器；
和/或，在使用时，所述透明反应管道内液体的线速度不超过3m/s。
7.如权利要求1所述的LED光源光催化管式反应器，其特征在于，通过四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物PFA、不锈钢或哈氏合金材料的接口连接，获得串联或者并联的所述LED光源光催化管式反应器组合。
8.一种光催化反应装置，其特征在于，其包含如权利要求1～7任一项中所述的LED光源光催化管式反应器。
9.如权利要求8所述的光催化反应装置，其特征在于，所述光催化反应装置还包括依次连通的原料罐、进料泵、背压阀和产品储罐；
和/或，所述光催化反应装置还包括集成密封箱，所述集成密封箱内含有所述控温腔体、所述LED光源和透明反应管道；
和/或，所述光催化反应装置还包括多个热电偶，例如为3个；
较佳地，所述热电偶位于所述透明反应管道和所述背压阀连接的管道中，和/或，外置流动式控温系统中和/或，所述光催化反应装置还包括多个压力传感器；
和/或，所述光催化反应装置还包括多个压力传感器；
较佳地，所述压力传感器位于所述进料泵和所述透明反应管道连接的管道中，和/或，所述外置流动式控温系统中。
10.一种使用如权利要求8～9任一项中所述的光催化反应装置制备三氟甲基化合物或溴代化合物的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1.将反应原料连续提供至如权利要求8～9任一项中所述的光催化反应装置中的所述透明反应管道中；
S2.在所述LED光源照射下，通过所述控温腔体控制反应温度，进行光催化连续制备三氟甲基化合物或溴代化合物。
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