CN217829970U - 连续光化学反应装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种连续光化学反应装置。其中，该连续光化学反应装置包括：连续反应系统、控温系统和光照系统；连续反应系统包括透明软管；控温系统包括控温箱，透明软管缠绕布置在控温箱上；光照系统周向设置于透明软管的外周；光照系统的发光面向内。解决了现有技术中光能利用率低的问题，适用于光化学反应领域。

Description

连续光化学反应装置

技术领域

本实用新型涉及光化学反应领域，具体而言，涉及一种连续光化学反应装置。

背景技术

物质分子由于吸收光量子而引起的化学反应称为光化学反应。光化学反应具有以下优点：光是一种清洁能源；一般反应条件温和；进行光化学反应不需要基团保护；在常规合成中，插入一般光化学反应能够大大缩短合成路线。光催化反应传统上采用间歇式反应釜，但是间歇式反应釜存在放大效应。这是一个难度较大但迫切需要解决的问题。

现有技术中，使用批次光化学反应。其具有以下明显的缺点：1)现有的批次光化学反应，光在反应物中传播的特点是随着反应器的增大，光辐射在反应混合物中的传递效率迅速降低，导致反应时间加长，副反应增多。2)现有的批次光化学反应，由于其反应器对材质的特殊要求，使其从实验室规模到工厂级别的放大难以进行，且放大效应明显。3)批次反应器属于全混流反应器，生成的产物不能及时导出，在化学反应动力学上这将导致主反应的选择性变差，收率下降，并将使反应的重复性变差。4)现有的批次光化学反应技术，随着反应器逐渐增大，体系中反应混合物的浓度梯度也将加大，这也是导致反应选择性变差，收率低的原因。5)现有的批次光化学技术，热交换较困难，导致副反应发生的概率增大。反应时间长，副产物多，收率低，控温困难。6)现有的光化学反应存在光损失和光污染，光能利用率低。

因此，需要对现有的光化学反应装置进行改进，以提高反应效率、降低副反应、提高光能利用率。

发明内容

本实用新型的主要目的在于提供一种连续光化学反应装置，以解决现有技术中光能利用率低的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的第一个方面，提供了一种连续光化学反应装置，该连续光化学反应装置包括：连续反应系统、控温系统和光照系统；连续反应系统包括透明软管；控温系统包括控温箱，透明软管缠绕布置在控温箱上；光照系统周向设置于透明软管的外周；光照系统的发光面向内。

进一步地，光照系统为环形光源；优选地，环形光源包括环形LED光源。

进一步地，控温箱为圆柱体；优选地，控温箱包括外表面设置有凹槽的凹槽式控温箱；优选地，透明软管布置于凹槽中；优选地，凹槽为半圆形凹槽；优选地，透明软管的直径记为R1，半圆形凹槽的直径记为R2，R2：R1＝(1.0～1.7)：1，更优选为(1.0～1.2)：1，进一步优选为1:1。

进一步地，凹槽式控温箱的材质为不锈钢或铝合金；优选地，凹槽式控温箱的控温范围为-20～100℃；优选地，凹槽式控温箱中的控温液为水、乙醇或乙二醇中的一种或多种。

进一步地，透明软管的材质包括可溶性聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物或聚氯三氟乙烯。

进一步地，连续反应系统还包括进料罐、泵和接收罐，进料罐、泵、透明软管和接收罐依次连接设置；优选地，进料罐的出料端设有出料口，出料口与透明软管之间设置有泵；优选地，控温系统还包括与控温箱连接的换热装置。

进一步地，连续光化学反应装置包括控制系统，控制系统与光照系统和/或泵电连接；优选地，控制系统包括PLC控制系统；优选地，PLC控制系统包括流量控制系统和/或光照控制系统，流量控制系统与泵电连接，用以控制透明软管中的流量；光照控制系统与光照系统电连接，用以控制光照系统的照射强度。

进一步地，流量控制系统包括变送器、阀门，阀门设置在接收罐的进料端和/或进料罐的出料端，变送器包括压力变送器和温度变送器，压力变送器与泵连接，控制透明软管中液体的流速，温度变送器与换热装置连接，以控制控温箱的温度；优选地，阀门为背压阀；优选地，PLC控制系统进一步还包括电子秤，进料罐设置于电子秤上并通过电子秤实时监控进料罐中物料的重量，当进料罐中的物料的重量低于设定值时，流量控制系统停止泵的工作。

进一步地，光照控制系统包括亮度调节装置，光照控制系统通过亮度调节装置调节光照亮度以控制光照系统的照射强度；和/或光照控制系统包括波长调节装置，光照控制系统通过波长调节装置调节光照波长。

应用本实用新型的技术方案，通过在透明软管外周周向设置光照系统，使光线无需通过石英管壁等介质，能够直接照射透明软管，减少了光线的损失，提高了光能的利用率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本实用新型实施例1中连续光化学反应装置的示意图；

图2示出了根据本实用新型实施例1中凹槽式控温箱的示意图；

图3示出了图2的凹槽式控温箱的I处的局部放大图；

图4示出了对比例1中化学反应装置的示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、环形LED光源；2、透明软管；3、凹槽式控温箱；4、换热装置；5、电子秤；6、进料罐；7、泵；8、背压阀；9、接收罐；10、PLC控制系统；11、压力变送器；12、温度变送器；011、透明盘管反应器；012、透明支架；013、内光源；014、外光源；015、凹槽。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本实用新型。

如背景技术所提到的，目前批次光化学反应的反应效率和光能利用率低，副反应较多。为改善这一现状，申请人对现有批次光化学反应进行分析和研究，发现现有的批次光化学反应方法，随着反应器逐渐增大，光辐射和热交换在反应混合物中的传递效率降低，体系中反应混合物的浓度梯度加大，导致反应时间加长，副反应增多，光能利用率低。

申请人通过检索发现，在现有技术中也存在连续光化学反应装置。但在现有的连续光化学反应装置中，在石英玻璃桶等介质外面缠绕盘管，光源设置在石英玻璃内部，光照强度透过石英玻璃会有约10％的损失；且石英玻璃易碎，安装或使用过程中会有安全风险；采用盘管外缠绕控温管的方式降温，控温效果差，无法进行放热量大的反应；LED灯源在反应器内部，光线向外发散，会有部分紫外光外泄造成光污染的风险；现有技术无自动控制及反馈系统，无法做到精准进料。申请人通过深入思考，提出本申请的连续光化学反应装置，克服了现有技术中存在的问题。

因而，在本申请一种典型的实施方式中，提供了一种连续光化学反应装置，该连续光化学反应装置包括：连续反应系统、控温系统和光照系统；连续反应系统包括透明软管；控温系统包括控温箱，透明软管缠绕布置在控温箱上；光照系统周向设置于透明软管的外周；光照系统的发光面向内。并在此基础上提出了本申请的一系列保护方案。

利用包括透明软管的连续反应系统、包括控温箱的控温系统和光照系统组成的连续光化学反应装置，透明软管缠绕布置在控温箱上，利用控温箱对透明软管内部的液体进行温度控制。光照系统周向设置于透明软管的外周，光线从光照系统中发出，直接照射在透明软管上，中间没有其他介质阻隔，光线传播没有损失，光能利用率较高。光照系统的发光面向内。反应器由光源包围，光线直接照射到透明软管上，且可将光源发出的光线与外界环境隔开，能够避免光外泄导致的光污染和光能利用率损失。

在一种优选的实施例中，光照系统为环形光源；优选地，环形光源包括环形发光二极管光源(环形LED光源)。

环形光源包括环形LED光源，利用LED光源的光波长和光强度可调节的特点，根据不同的反应需求，灵活调整光波长和光强度，提高光能利用率，节约生产所需的能量，降低生产成本。上述LED光源的发光效率高达62％，产热量低。在同一光源中，可以搭配多种波长发光芯片，使光源能够发出多种波长以适应不同反应条件。单一LED发光芯片所产生的光波长范围窄，能够有效降低光化学反应中的副反应，提高产品纯度和收率。

在一种优选的实施例中，控温箱为圆柱体；优选地，控温箱包括外表面设置有凹槽的凹槽式控温箱；优选地，透明软管布置于凹槽中；优选地，凹槽为半圆形凹槽；优选地，透明软管的直径记为R1，半圆形凹槽的直径记为R2，R2：R1＝(1.0～1.7)：1，更优选为(1.0～1.2)：1，进一步优选为1:1。

控温箱可以为圆柱体，利于透明软管的缠绕在圆柱体的曲面上。防止如立方体形状的控温箱的棱，使缠绕其上透明软管发生形变，阻碍透明软管中液体的流动，降低透明软管的使用寿命。通过在控温箱外表面设置凹槽，获得凹槽式控温箱。将透明软管缠绕在凹槽式控温箱上，透明软管布置在凹槽中，能够增加透明软管和凹槽式控温箱的外表面的接触面积，增加热传导效率。凹槽为半圆形凹槽，利于增加透明软管与凹槽式控温箱的接触面积。为了在有限的控温箱表面缠绕尽可能多的透明软管，增加连续光化学反应装置的反应效率，半圆形凹槽的直径要适当。若半圆形凹槽的直径过大，易造成浪费；若半圆形凹槽的直径过小，透明软管与半圆形凹槽的接触面积小，不利于热传导。

在一种优选的实施例中，凹槽式控温箱的材质为不锈钢或铝合金；优选地，凹槽式控温箱的控温范围为-20～100℃；优选地，凹槽式控温箱中的控温液为水、乙醇或乙二醇中的一种或多种。

凹槽式控温箱的材质为不锈钢或铝合金，易于制造，制造成本低；不锈钢或铝合金的热传导效率高，利用控温箱与透明软管及其中的液体热传导；不锈钢或铝合金表面光滑，光反射率高，能够将照射到控温箱表面的光线进行反射，光线能够在不锈钢或铝合金表面和光照系统之间进行反射，最终被连续反应系统吸收，光能利用率高。凹槽式控温箱的控温范围为-20～100℃，根据不同的反应能够灵活调整控温箱的温度。较低的反应温度能够控制反应速率，防止进行的反应过于剧烈，产生副产物或反应产率低；较高的反应温度能够加速反应的进行。为了保证适宜的控温范围，凹槽式控温箱中的控温液包括但不限于水、乙醇或乙二醇中的一种或多种。单独利用水作为控温液，能够提供0～100℃的控温范围；单独利用乙醇或乙二醇作为控温液，能够提供-20～80℃的控温范围。根据反应所需的问题，灵活选择控温液，能够达到-20～100℃的控温范围。上述控温液均能够互相溶解，因此也可以将控温液灵活混合使用，以达到适宜的控温效果。利用上述连续光化学反应装置，能够进行多种对温度要求高或反应放热剧烈的气液两相、液液均相光化学反应。

在一种优选的实施例中，透明软管的材质包括可溶性聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物或聚氯三氟乙烯。上述材质的化学性质稳定，耐腐蚀，能够在有机溶剂和反应物的作用下保持稳定。且上述材质透明度好，对光能的损耗小，UV光源透过率在97％以上，能够进一步提高光能利用率。

在一种优选的实施例中，连续反应系统还包括进料罐、泵和接收罐，进料罐、泵、透明软管和接收罐依次连接设置；优选地，进料罐的出料端设有出料口，出料口与透明软管之间设置有泵；优选地，控温系统还包括与控温箱连接的换热装置。

在连续反应系统中，进料罐、泵、透明软管和接收罐依次连接设置，使得反应体系能够在连续反应系统中流动，反应原料储存在进料罐中，利用泵将反应原料从进料罐泵入透明软管。透明软管缠绕布置在控温箱上，能够连续地进行光化学反应。反应原料在透明软管中进行光化学反应，生成反应产物后，反应产物进入接收罐中储存。

在一种优选的实施例中，连续光化学反应装置包括控制系统，控制系统与光照系统和/或泵电连接；优选地，控制系统包括可编程逻辑控制器(PLC)控制系统；优选地，PLC控制系统包括流量控制系统和/或光照控制系统，流量控制系统与泵电连接，用以控制透明软管中的流量；光照控制系统与光照系统电连接，用以控制光照系统的照射强度。

上述连续光化学反应装置还包括控制系统，将控制系统与光照系统和/或泵电连接，以控制光照系统的照射强度和/或的透明软管中的流量。上述控制系统包括但不限于PLC控制系统。利用包括流量控制系统和/或光照控制系统的PLC控制系统，通过将PLC控制系统与泵和/或光照系统电连接，控制透明软管中的流量和/或光照系统的照射强度。PLC控制系统能够自动控制各物料的稳定进料，并可自动采集反应中各部分的重要参数，如温度、压力、流速、光强等参数，使设备控制精准操作简单。在连续光化学反应装置还可以包括在线分析装置，用于分析反馈反应中是否有杂质、杂质的含量。控制系统能够进行自动控制光照、进料、温度等，且进料系统为自动控制，超温自动停机。

在一种优选的实施例中，流量控制系统包括变送器、阀门，阀门设置在接收罐的进料端和/或进料罐的出料端，变送器包括压力变送器和温度变送器，压力变送器与泵连接，控制透明软管中液体的流速，温度变送器与换热装置连接，以控制控温箱的温度；优选地，阀门为背压阀；优选地，PLC控制系统进一步还包括电子秤，进料罐设置于电子秤上并通过电子秤实时监控进料罐中物料的重量，当进料罐中物料的重量低于设定值时，流量控制系统停止泵的工作。

在流量控制系统中，包括变送器、阀门。设置在接收罐的进料端和/或进料罐的出料端的阀门，能够控制连续光化学反应装置的液体是否流动，连续化反应是否进行。变送器包括压力变送器和温度变送器，压力变送器与泵连接，能够控制透明软管中液体的流速，利用上述控制系统，能够做到自动控制液体流速，即进料速度。温度变送器与换热装置连接，以控制控温箱的温度，利用上述控制系统，能够做到自动控制控温箱的温度，即反应温度。阀门包括背压阀，利用背压阀能够防止液体回流，保证液体流动的稳定性，利于反应体系在透明软管中单向、均速流动，受到的光照和控温时间一致，能够反应原料进行相同程度的反应，保证反应的重现性和反应产物的纯度。流量控制系统进一步还包括电子秤，将进料罐设置于电子秤上，电子秤与控制系统电连接，当进料罐中物料的重量低于设定值时，流量控制系统停止泵的工作。也可以通过电子秤的称量数据，反应进料速率，便于控制连续光化学反应装置中进料速率的稳定。

在一种优选的实施例中，光照控制系统包括亮度调节装置，光照控制系统通过亮度调节装置调节光照亮度以控制光照系统的照射强度；和/或光照控制系统包括波长调节装置，光照控制系统通过波长调节装置调节光照波长。

利用光照控制系统中的亮度调节装置，能够根据反应所需的光照强度，对光照系统的照射强度进行灵活调整。利用光照控制系统中的波长调节装置，能够根据反应所需的光照波长，对光照系统发出的光线波长进行灵活调整，适用于不同的连续光化学反应。

下面将结合具体的实施例来进一步详细解释本申请的有益效果。

实施例1

使用连续化光化学反应装置，进行光催化的三氟甲基化反应。连续光化学反应装置的示意图参见图1，凹槽式控温箱的示意图参见图2。凹槽式控温箱3上的凹槽015为半圆形，直径为1cm；透明软管2的直径为1cm。由于物料中部分反应物沸点极低，且反应放热剧烈，反应全程需严格控温。反应开始时，打开背压阀8，使用PLC控制系统10精准控制压力变送器11和泵7，从而控制物料的进料速度，进料速度50～200mL/min，通过电子秤5监控进料罐6中物料剩余的重量。环形LED光源1提供的光线照射强度50mW/cm²、光线波长450nm、光源为3kW。通过PLC控制系统10控制温度变送器12和换热装置4，使反应温度稳定控制在-20℃。产品收集在接收罐9中，出口取样HPLC分析，产品纯度为96％～99％，流出的体系于真空下浓缩脱除溶剂得到产品收率90％。生产100小时，得到200kg产品，耗电300kW·h。

实施例2

凹槽式控温箱3上的半圆形凹槽直径为1cm，透明软管2的直径为0.8cm，其他条件与实施例1均相同。流出的体系于真空下浓缩脱除溶剂得到产品纯度95％～98％，产品收率88％。生产100小时，得到160kg产品，耗电300kW·h。

实施例3

凹槽式控温箱3上的半圆形凹槽直径为1cm，透明软管2的直径为0.6cm，其他条件与实施例1均相同。流出的体系于真空下浓缩脱除溶剂得到产品纯度93％～95％，产品收率85％。生产100小时，得到130kg产品，耗电300kW·h。

实施例4

凹槽式控温箱3上的半圆形凹槽直径为0.6cm，透明软管2的直径为0.8cm，其他条件与实施例1均相同。流出的体系于真空下浓缩脱除溶剂得到产品纯度80～90％，产品收率83％。生产100小时，得到110kg产品，耗电300kW·h。

实施例5

凹槽式控温箱3上的半圆形凹槽直径为1.4cm，透明软管2的直径为0.8cm，其他条件与实施例1均相同。流出的体系于真空下浓缩脱除溶剂得到产品纯度80～85％，产品收率80％，生产100小时，得到100kg产品，耗电300kW·h。

对比例1

室温下，进行与实施例1相同的光催化的三氟甲基化反应，反应装置的示意图参见图3，将化合物输入FEP材质的透明盘管反应器011，接受光照反应，透明盘管反应器011的管内径为4mm，直线段长度为30cm，曲线段为弧形，其半径为5cm，透明盘管反应器011的总长度为16m，透明盘管反应器011螺旋盘绕在透明支架012上。其中内光源013为一个圆柱形UVLED，外光源014为2个平板式UVLED，各自的面积与透明盘管反应器011的平面侧面积相等，内外光源013和外光源014的总功率在3kW左右调节，调整光源的供电功率，从而达到调整光源的发光强度，达到与实施例1相同的光照强度条件。光线波长均为450nm。反应装置设置在控温装置中，控制物料温度为0℃。流出的体系于真空下浓缩脱除溶剂得到产品纯度70％～80％，产品收率60％。生产100小时，得到50kg产品，耗电300kW·h。

从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：本实用新型通过将环形光源设置在透明软管的外周，发光面向内，减少了光线的损失，在耗电量相同的情况下，得到纯度和收率更高的产品，提高了光能的利用率。将透明软管缠绕布置在控温箱上，也能够提高反应装置对于反应温度的控制能力。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种连续光化学反应装置，其特征在于，所述连续光化学反应装置包括：连续反应系统、控温系统和光照系统；

所述连续反应系统包括透明软管；

所述控温系统包括控温箱，所述透明软管缠绕布置在所述控温箱上；

所述光照系统周向设置于所述透明软管的外周；

所述光照系统的发光面向内；

所述控温箱为圆柱体，所述控温箱包括外表面设置有凹槽的凹槽式控温箱，所述透明软管布置于所述凹槽中；

所述凹槽式控温箱的材质为不锈钢或铝合金。

2.根据权利要求1所述的连续光化学反应装置，其特征在于，所述光照系统为环形光源。

3.根据权利要求2所述的连续光化学反应装置，其特征在于，所述环形光源包括环形LED光源。

4.根据权利要求1所述的连续光化学反应装置，其特征在于，所述凹槽为半圆形凹槽。

5.根据权利要求4所述的连续光化学反应装置，其特征在于，所述半圆形凹槽的直径R2与所述透明软管的直径R1的比值在1.0至1.7之间。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的连续光化学反应装置，其特征在于，所述透明软管的材质包括可溶性聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、或聚氯三氟乙烯。

7.根据权利要求6所述的连续光化学反应装置，其特征在于，所述连续反应系统还包括进料罐、泵和接收罐，所述进料罐、所述泵、所述透明软管和所述接收罐依次连接设置。

8.根据权利要求7所述的连续光化学反应装置，其特征在于，所述进料罐的出料端设有出料口，所述出料口与所述透明软管之间设置有所述泵。

9.根据权利要求8所述的连续光化学反应装置，其特征在于，所述控温系统还包括与所述控温箱连接的换热装置。

10.根据权利要求9所述的连续光化学反应装置，其特征在于，所述连续光化学反应装置包括控制系统，所述控制系统与所述光照系统和/或所述泵电连接。

11.根据权利要求10所述的连续光化学反应装置，其特征在于，所述控制系统包括PLC控制系统，所述PLC控制系统包括流量控制系统和/或光照控制系统，所述流量控制系统与所述泵电连接，用以控制所述透明软管中的流量；所述光照控制系统与所述光照系统电连接，用以控制所述光照系统的照射强度。

12.根据权利要求11所述的连续光化学反应装置，其特征在于，所述流量控制系统包括变送器、阀门，所述阀门设置在所述接收罐的进料端和/或所述进料罐的出料端，所述变送器包括压力变送器和温度变送器，所述压力变送器与所述泵连接，控制所述透明软管中液体的流速，所述温度变送器与所述换热装置连接，以控制所述控温箱的温度，所述阀门为背压阀。

13.根据权利要求11所述的连续光化学反应装置，其特征在于，所述PLC控制系统进一步还包括电子秤，所述进料罐设置于所述电子秤上并通过所述电子秤实时监控所述进料罐中物料的重量，当所述进料罐中物料的重量低于设定值时，所述流量控制系统停止所述泵的工作。

14.根据权利要求11所述的连续光化学反应装置，其特征在于，所述光照控制系统包括亮度调节装置，所述光照控制系统通过所述亮度调节装置调节光照亮度以控制所述光照系统的照射强度；和/或

所述光照控制系统包括波长调节装置，所述光照控制系统通过所述波长调节装置调节光照波长。

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