CN1169595C

CN1169595C - 模拟移动床色谱反应器

Info

Publication number: CN1169595C
Application number: CNB021110417A
Authority: CN
Inventors: 卢建刚
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2002-03-13
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2022-03-13
Also published as: CN1374146A

Abstract

本发明公开了一种模拟移动床色谱反应器，它包括三根或三根以上的填充柱，由前一根填充柱的出口端和后一根填充柱的进口端依次连接而成。每根填充柱的进口端分别通过各自的开关式阀门与输入反应物的原料液入口管路、输入洗脱液入口管路连接；每根填充柱的出口端分别通过各自的开关式阀门与输出富集有反应产物中弱吸附性成份的残余液出口管路、输出富集有反应产物中强吸附性成份的萃取液出口管路连接。通过控制阀门的开关状态，实现色谱分离过程和反应过程同时进行。本发明可自动连续地运行，既能提高反应的转化率，又可提高产物的分离效率，特别适用于需要采用填充柱色谱技术分离反应产物不同成份、分离反应产物与反应物的反应分离耦合过程。

Description

模拟移动床色谱反应器

技术领域

本发明涉及包含有以催化剂和吸附剂来处理液体的反应分离耦合装置，尤其涉及一种模拟移动床色谱反应器。

背景技术

在化工、医药、生物和精细化工工业应用领域，化学反应器或生化反应器的下游一般会有一系列分离装置相配合以构成整个流程，而这些分离装置主要是用物理方法实现反应产物和反应物的分离，并实现反应产物的提纯精制，从而得到符合质量指标的产品。但是，对于可逆反应或反应副产物会使催化剂中毒的情况，此类工艺流程就存在反应转化率低、产品得率低、分离效率低、生产能力低等缺点。而采用将反应与分离耦合为一个化工操作单元的反应分离耦合装置是解决上述问题的有效途径。

近年来，将化学反应和蒸馏分离两个过程结合于一个设备中进行的反应蒸馏过程已成功实现工业化，比较成功的应用是甲基叔丁基醚(MTBE)的催化合成工艺。

然而当反应物、产物和副产物构成的混合物各组成部分的物化性质十分接近，使用常规分离技术如蒸馏等难以分离时，就通常需要使用色谱分离技术。美国专利(US 2976132)和加拿大专利(CAN 631882)相继公开了一类将化学反应和色谱分离两个过程耦合在一起的色谱反应器技术，上述专利技术的特点是间歇操作。由于间歇色谱具有固定相和流动相的用量大、吸附剂利用率低、分离产物浓度低、分离成本过高等缺点，使具有间歇色谱特征的色谱反应器技术难以在工业领域推广应用。

发明内容

本发明设计一种将化学反应器与具有连续色谱特征的模拟移动床色谱耦合为一个化工操作单元的模拟移动床色谱反应器。

本发明采用的技术方案是：该反应器包括三根或三根以上的填充柱，由前一根填充柱的出口端和后一根填充柱的进口端依次连接，最后一根填充柱的出口端经循环泵和连接管路或开关式阀门和连接管路与第一根填充柱的进口端连接；每根填充柱的进口端分别通过各自的开关式阀门与输入反应物的原料液入口管路、输入洗脱液入口管路连接；每根填充柱的出口端分别通过各自的开关式阀门与输出富集有反应产物中弱吸附性成份的残余液出口管路、输出富集有反应产物中强吸附性成份的萃取液出口管路连接。

一般来说，模拟移动床色谱反应器由四根或四根以上的填充柱首尾连接而成，在装置内部强制流体向一个方向流动，按照流体流动方向通过控制阀门的开关状态依次设置洗脱液入口点、萃取液出口点、原料液入口点、残余液出口点，从而把所有的填充柱分成了四个分区，各个分区至少包含一根填充柱，在经过了一个给定的时间间隔后，通过改变阀门的开关状态，使各入口点、出口点分别沿着流体流动的方向向下一根填充柱推移，同样四个分区也随之向下一根填充柱推移，这样循环往复就形成了固体填充剂向相反方向的虚拟流动，从而实现模拟移动床色谱反应器装置中固体填充剂和流体间相对移动的效果。该逆流操作的特性既可提高催化剂的转化效率，又可提高了吸附剂的分离效率。

模拟移动床色谱反应器的四个分区分别完成不同的功能。位于洗脱液入口与萃取液出口之间的分区I主要用来吸附尚未洗脱的反应产物中强吸附性成份，位于萃取液出口与原料液入口之间的分区II用来洗脱反应产物中弱吸附性成份，位于原料液入口与残余液出口之间的分区III主要吸附反应产物中强吸附性成份；位于残余液出口与洗脱液入口之间的分区IV主要用来吸附尚未洗脱的反应产物中弱吸附性成份。分区II与分区III同时也都是反应器，其中分区III是主要的反应区域。

根据分区IV与分区I是否直接连通，模拟移动床色谱反应器装置可以分为闭环结构与开环结构。分区IV与分区I直接连通的闭环结构的模拟移动床色谱反应器结构较为紧凑，但必须配备流体循环泵。分区IV与分区I不连通的开环结构的模拟移动床色谱反应器虽然需要增加阀门组件，但是无需配备流体循环泵，操作简单，同时可以防止分区IV内流出的副产物或其它杂质污染目标产物。对于开环结构的模拟移动床色谱反应器而言，如果反应产物中弱吸附性成份在吸附剂上几乎不吸附，比如该成份是某种聚合物或大分子，则分区IV可以省略。

本发明的优点是：

①根据反应产物与反应物在固体吸附剂上吸附能力的差异，实现反应产物与反应物的连续分离，破坏化学平衡，加速化学反应速度，增加转化率，提高生产能力；

②根据反应产物中不同成份在固体吸附剂上吸附能力的差异，实现反应产物中弱吸附性成份与强吸附性成份的连续分离；

③该反应器可以自动连续地运行，既能提高反应的转化率，又可提高产物的分离效率，具有以高效的小型组件形成工业生产规模的灵活性，特别适用于只有采用填充柱色谱技术，才能分离反应产物不同成份、分离反应产物与反应物的反应分离耦合过程。

附图说明

图1是闭环结构的模拟移动床色谱反应器的结构示意图；

图2是四分区开环结构的模拟移动床色谱反应器的结构示意图；

图3是三分区开环结构的模拟移动床色谱反应器的结构示意图；

图4是填充柱结构与内部填料示意图。

具体实施方式

如图1所示的闭环结构的模拟移动床色谱反应器，它包括四根填充柱1、2、3、4，由第一根填充柱1的出口端和第二根填充柱2的进口端连接，第二根填充柱2的出口端和第三根填充柱3的进口端连接，第三根填充柱3的出口端和第四根填充柱4的进口端连接，第四根填充柱4的出口端经循环泵10和连接管路7与第一根填充柱1的进口端连接；每根填充柱1、2、3、4的进口端分别通过各自的开关式阀门VA1、VA2、VA3、VA4和分别通过各自的开关式阀门VB1、VB2、VB3、VB4与输入反应物的原料液入口管路5、输入洗脱液的洗脱液入口管路6连接；每根填充柱1、2、3、4的出口端分别通过各自的开关式阀门VD1、VD2、VD3、VD4和分别通过各自的开关式阀门VC1、VC2、VC3、VC4与输出富集有反应产物中弱吸附性成份的残余液出口管路8、输出富集有反应产物中强吸附性成份的萃取液出口管路9连接。在上述由4根填充柱构成的装置中，所有开关式阀门的开关状态有4种组合，按适当的切换时间，依照如下顺序切换并循环往复：

①开阀门VA3、VB1、VC1、VD3；关阀门VA1、VA2、VA4、VB2、VB3、VB4、VC2、VC3、VC4、VD1、VD2、VD4。

②开阀门VA4、VB2、VC2、VD4；关阀门VA1、VA2、VA3、VB1、VB3、VB4、VC1、VC3、VC4、VD1、VD2、VD3。

③开阀门VA1、VB3、VC3、VD1；关阀门VA2、VA3、VA4、VB1、VB2、VB4、VC1、VC2、VC4、VD2、VD3、VD4。

④开阀门VA2、VB4、VC4、VD2；关阀门VA1、VA3、VA4、VB1、VB2、VB3、VC1、VC2、VC3、VD1、VD3、VD4。

如图2所示的四分区开环结构的模拟移动床色谱反应器，它包括四根填充柱1、2、3、4，由第一根填充柱1的出口端经开关式阀门VF1和第二根填充柱2的进口端连接，第二根填充柱2的出口端经开关式阀门VF2和第三根填充柱3的进口端连接，第三根填充柱3的出口端经开关式阀门VF3和第四根填充柱4的进口端连接，第四根填充柱4的出口端经开关式阀门VF4和连接管路7与第一根填充柱1的进口端连接；每根填充柱1、2、3、4的进口端分别通过各自的开关式阀门VA1、VA2、VA3、VA4和分别通过各自的开关式阀门VB1、VB2、VB3、VB4与输入反应物的原料液入口管路5、输入洗脱液的洗脱液入口管路6连接；每根填充柱1、2、3、4的出口端分别通过各自的开关式阀门VD1、VD2、VD3、VD4和分别通过各自的开关式阀门VC1、VC2、VC3、VC4与输出富集有反应产物中弱吸附性成份的残余液出口管路8、输出富集有反应产物中强吸附性成份的萃取液出口管路9连接；每根填充柱1、2、3、4的出口端还分别通过各自的开关式阀门VE1、VE2、VE3、VE4与输出洗脱液的洗脱液出口管路11连接。在上述由4根填充柱构成的装置中，所有开关式阀门的开关状态有4种组合，按适当的切换时间，依照如下顺序切换并循环往复：

①开阀门VA3、VB1、VC1、VD3、VE4、VF1、VF2、VF3；关阀门VA1、VA2、VA4、VB2、VB3、VB4、VC2、VC3、VC4、VD1、VD2、VD4、VE1、VE2、VE3、VF4。

②开阀门VA4、VB2、VC2、VD4、VE1、VF2、VF3、VF4；关阀门VA1、VA2、VA3、VB1、VB3、VB4、VC1、VC3、VC4、VD1、VD2、VD3、VE2、VE3、VE4、VF1。

③开阀门VA1、VB3、VC3、VD1、VE2、VF1、VF3、VF4；关阀门VA2、VA3、VA4、VB1、VB2、VB4、VC1、VC2、VC4、VD2、VD3、VD4、VE1、VE3、VE4、VF2。

④开阀门VA2、VB4、VC4、VD2、VE3、VF1、VF2、VF4；关阀门VA1、VA3、VA4、VB1、VB2、VB3、VC1、VC2、VC3、VD1、VD3、VD4、VE1、VE2、VE4、VF3。

如图3所示的三分区开环结构的模拟移动床色谱反应器，它包括三根填充柱1、2、3，由第一根填充柱1的出口端经开关式阀门VF1和第二根填充柱2的进口端连接，第二根填充柱2的出口端经开关式阀门VF2和第三根填充柱3的进口端连接，第三根填充柱3的出口端经开关式阀门VF3和连接管路7与第一根填充柱1的进口端连接；每根填充柱1、2、3的进口端分别通过各自的开关式阀门VA1、VA2、VA3和分别通过各自的开关式阀门VB1、VB2、VB3与输入反应物的原料液入口管路5、输入洗脱液的洗脱液入口管路6连接；每根填充柱1、2、3的出口端分别通过各自的开关式阀门VD1、VD2、VD3和分别通过各自的开关式阀门VC1、VC2、VC3与输出富集有反应产物中弱吸附性成份的残余液出口管路8、输出富集有反应产物中强吸附性成份的萃取液出口管路9连接。在上述由3根填充柱构成的装置中，所有开关式阀门的开关状态有3种组合，按适当的切换时间，依照如下顺序切换并循环往复：

①开阀门VA3、VB1、VC1、VD3、VF1、VF2；关阀门VA1、VA2、VB2、VB3、VC2、VC3、VD1、VD2、VF3。

②开阀门VA1、VB2、VC2、VD1、VF2、VF3；关阀门VA2、VA3、VB1、VB3、VC1、VC3、VD2、VD3、VF1。

③开阀门VA2、VB3、VC3、VD2、VF1、VF3；关阀门VA1、VA3、VB1、VB2、VC1、VC2、VD1、VD3、VF2。

开关式阀门为两通式阀门或三通阀或多通阀或旋转阀或各种开关式阀门的组合。

整个填充柱内的填充剂是固体多孔颗粒状催化剂与固体多孔颗粒状吸附剂的均匀混合物(如图4A所示)；或填充柱由两段或两段以上的短柱构成并且至少一段短柱内的填充剂是固体多孔颗粒状催化剂和至少一段短柱内的填充剂是固体多孔颗粒状吸附剂(如图4B、C所示)；或填充柱内的填充剂是同时含有催化剂成份与吸附剂成份的固体多孔颗粒(如图4D所示)；或填充柱内的填充剂是固体多孔颗粒状吸附剂(如图4E所示)，催化剂溶解在从洗脱液入口管路输入的洗脱液中或者溶解在从原料液入口管路输入的原料液中。

催化剂是化学催化剂或生物催化剂；吸附剂是各种分离用固体填充剂，如手性固定相或树脂或分子筛。

模拟移动床色谱反应器并不仅限于上述所有分区均只配置了一根填充柱的实施形式，实际上各分区均可配置一根以上、数目不一定相同的填充柱数，装置的连接关系是可以扩展的，阀门的开关状态切换也可以有更多种组合。举例来说，在分区I、分区II、分区IV均配置两根填充柱以利于充分分离，而作为反应主要区域的分区III则配置三根填充柱以利于充分反应。在上述由9根填充柱构成的装置中，所有开关式阀门的开关状态也就有9种组合，按适当的切换时间依序切换，使各入口点、出口点分别沿着流体流动的方向向下一根填充柱推移并循环往复。

理论上，模拟移动床色谱反应器所配置的填充柱总数越多越有利于反应和分离的充分进行，但是填充柱数目的增加也导致设备和操作复杂程度的增加，所以模拟移动床色谱反应器所配置的填充柱总数一般不超过48根。

在手性药物、光学材料、高级香精香料、农药杀虫剂等领域，手性化合物单一对映体的生产是一大难题。一般都是首先采用各种反应器生产外消旋体，然后采用直接结晶机械分离法、形成和分离非对映立体异构体法、微生物拆分法等工艺复杂而分离效率低的方法拆分外消旋体，获得单一对映体。上述工艺流程存在反应转化率低、分离效率低等缺点，严重阻碍了手性工业的发展。采用模拟移动床色谱反应器，选用合适的催化剂和手性固定相吸附剂，就能实现外消旋体生产和拆分的同时进行，既能提高反应的转化率，又可提高外消旋体的拆分效率。模拟移动床色谱反应器可应用于沙丁胺醇、氟西汀、氧氟沙星、萘普生、布洛芬、酮洛芬、磷霉素、甲砜霉素等手性药物单一对映体的生产，也有望用于光学材料、高级香精香料、农药杀虫剂等领域的光学纯化合物的生产，具有广阔的工业应用前景。

Claims

1.模拟移动床色谱反应器，其特征在于：该反应器包括三根或三根以上的填充柱，由前一根填充柱的出口端和后一根填充柱的进口端依次连接，最后一根填充柱的出口端经循环泵和连接管路或开关式阀门和连接管路与第一根填充柱的进口端连接；每根填充柱的进口端分别通过各自的开关式阀门与输入反应物的原料液入口管路、输入洗脱液入口管路连接；每根填充柱的出口端分别通过各自的开关式阀门与输出富集有反应产物中弱吸附性成份的残余液出口管路、输出富集有反应产物中强吸附性成份的萃取液出口管路连接。

2.根据权利要求1所述的模拟移动床色谱反应器，其特征在于：该反应器包括四根填充柱[1]、[2]、[3]、[4]，由第一根填充柱[1]的出口端和第二根填充柱[2]的进口端连接，第二根填充柱[2]的出口端和第三根填充柱[3]的进口端连接，第三根填充柱[3]的出口端和第四根填充柱[4]的进口端连接，第四根填充柱[4]的出口端经循环泵[10]和连接管路[7]与第一根填充柱[1]的进口端连接；每根填充柱[1]、[2]、[3]、[4]的进口端分别通过各自的开关式阀门[VA1]、[VA2]、[VA3]、[VA4]和分别通过各自的开关式阀门[VB1]、[VB2]、[VB3]、[VB4]与输入反应物的原料液入口管路[5]、输入洗脱液的洗脱液入口管路[6]连接；每根填充柱[1]、[2]、[3]、[4]的出口端分别通过各自的开关式阀门[VD1]、[VD2]、[VD3]、[VD4]和分别通过各自的开关式阀门[VC1]、[VC2]、[VC3]、[VC4]与输出富集有反应产物中弱吸附性成份的残余液出口管路[8]、输出富集有反应产物中强吸附性成份的萃取液出口管路[9]连接。

3.根据权利要求1所述的模拟移动床色谱反应器，其特征在于：该反应器包括四根填充柱[1]、[2]、[3]、[4]，由第一根填充柱[1]的出口端经开关式阀门[VF1]和第二根填充柱[2]的进口端连接，第二根填充柱[2]的出口端经开关式阀门[VF2]和第三根填充柱[3]的进口端连接，第三根填充柱[3]的出口端经开关式阀门[VF3]和第四根填充柱[4]的进口端连接，第四根填充柱[4]的出口端经开关式阀门[VF4]和连接管路[7]与第一根填充柱[1]的进口端连接；每根填充柱[1]、[2]、[3]、[4]的进口端分别通过各自的开关式阀门[VA1]、[VA2]、[VA3]、[VA4]和分别通过各自的开关式阀门[VB1]、[VB2]、[VB3]、[VB4]与输入反应物的原料液入口管路[5]、输入洗脱液的洗脱液入口管路[6]连接；每根填充柱[1]、[2]、[3]、[4]的出口端分别通过各自的开关式阀门[VD1]、[VD2]、[VD3]、[VD4]和分别通过各自的开关式阀门[VC1]、[VC2]、[VC3]、[VC4]与输出富集有反应产物中弱吸附性成份的残余液出口管路[8]、输出富集有反应产物中强吸附性成份的萃取液出口管路[9]连接；每根填充柱[1]、[2]、[3]、[4]的出口端还分别通过各自的开关式阀门[VE1]、[VE2]、[VE3]、[VE4]与输出洗脱液的洗脱液出口管路[11]连接。

4.根据权利要求1所述的模拟移动床色谱反应器，其特征在于：该反应器包括三根填充柱[1]、[2]、[3]，由第一根填充柱[1]的出口端经开关式阀门[VF1]和第二根填充柱[2]的进口端连接，第二根填充柱[2]的出口端经开关式阀门[VF2]和第三根填充柱[3]的进口端连接，第三根填充柱[3]的出口端经开关式阀门[VF3]和连接管路[7]与第一根填充柱[1]的进口端连接；每根填充柱[1]、[2]、[3]的进口端分别通过各自的开关式阀门[VA1]、[VA2]、[VA3]和分别通过各自的开关式阀门[VB1]、[VB2]、[VB3]与输入反应物的原料液入口管路[5]、输入洗脱液的洗脱液入口管路[6]连接；每根填充柱[1]、[2]、[3]的出口端分别通过各自的开关式阀门[VD1]、[VD2]、[VD3]和分别通过各自的开关式阀门[VC1]、[VC2]、[VC3]与输出富集有反应产物中弱吸附性成份的残余液出口管路[8]、输出富集有反应产物中强吸附性成份的萃取液出口管路[9]连接。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的模拟移动床色谱反应器，其特征在于：开关式阀门为两通式阀门或三通阀或多通阀或旋转阀或各种开关式阀门的组合。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的模拟移动床色谱反应器，其特征在于：整个填充柱内的填充剂是固体多孔颗粒状催化剂与固体多孔颗粒状吸附剂的均匀混合物，或填充柱由两段或两段以上的短柱构成并且至少一段短柱内的填充剂是固体多孔颗粒状催化剂和至少一段短柱内的填充剂是固体多孔颗粒状吸附剂，或填充柱内的填充剂是同时含有催化剂成份与吸附剂成份的固体多孔颗粒，或填充柱内的填充剂是固体多孔颗粒状吸附剂。

7.根据权利要求6所述的模拟移动床色谱反应器，其特征在于：所述的催化剂是化学催化剂或生物催化剂；所述的吸附剂是各种分离用固体填充剂。