氧化反應(yīng)是現(xiàn)代化學(xué)之中的重要組成，在有機(jī)合成之中更是有著不可或缺的地位，現(xiàn)有的氧化工藝多以間歇操作為主，工藝較為復(fù)雜，并且常常伴隨著火災(zāi)、爆炸等安全風(fēng)險(xiǎn)，由于操作不當(dāng)造成的反應(yīng)失控現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。連續(xù)流微通道反應(yīng)器是上世紀(jì)九十年代被首次提出的連續(xù)流化學(xué)中的一種重要反應(yīng)器，與傳統(tǒng)的間歇式反應(yīng)不同，微通道使物料在連續(xù)流動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行反應(yīng)，其優(yōu)秀的安全系數(shù)、極高的傳質(zhì)傳熱效率也使得它進(jìn)入更多人的視野。

微反應(yīng)技術(shù)已成為一種越來(lái)越流行的高效、安全地進(jìn)行危險(xiǎn)反應(yīng)的方法。目前，微通道反應(yīng)器已應(yīng)用于多種危險(xiǎn)反應(yīng)，包括硝化反應(yīng)、氫化反應(yīng)、重氮化反應(yīng)、氧化反應(yīng)、聚合反應(yīng)、重排反應(yīng)等。氧化反應(yīng)是最常用的單元反應(yīng)之一，常用于制備酚、醇、醛、酮、羧酸和酸酐等含氧化合物，在精細(xì)有機(jī)合成生產(chǎn)和研究中占有十分重要的地位。濃硫酸氧化需要加入適當(dāng)催化劑，但要求有機(jī)原料和氧化產(chǎn)物在反應(yīng)條件下有足夠的穩(wěn)定性。微通道反應(yīng)器的特征尺寸在10-1000之間，不僅將比表面積增大了100-1000倍，還將反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)降到了最低。微通道反應(yīng)器可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化制備，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)減少占地面積，減小反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約投資成本。連續(xù)流微通道反應(yīng)器滿足了穩(wěn)定流動(dòng)和傳質(zhì)要求，有足夠的傳熱面積，能夠及時(shí)移走氧化反應(yīng)釋放的巨大熱量，精確控制反應(yīng)溫度，縮短反應(yīng)時(shí)間。

氧化反應(yīng)在自然界中具有根本的重要性，也是有機(jī)合成中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)化。氧化反應(yīng)廣泛用于化學(xué)工業(yè)，使用各種氧化劑，從分子氧到過(guò)氧化氫，再到四氧化鋨。使用無(wú)痕氣態(tài)試劑而不是化學(xué)品，可以通過(guò)減少純化過(guò)程中的廢物來(lái)開(kāi)發(fā)更環(huán)保的工藝，因?yàn)榭梢暂p松地從反應(yīng)中去除多余的氣體。氧化反應(yīng)在有機(jī)化合物的合成中很重要，因?yàn)檫@些反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生新的官能團(tuán)或修飾分子中現(xiàn)有的官能團(tuán)。然而，與自由基中間體的自氧化和其他反應(yīng)通常表現(xiàn)出低化學(xué)和區(qū)域選擇性。化學(xué)計(jì)量的金屬氧化劑，如KMnO 4 或K2 CrO4產(chǎn)生大量廢物。

用分子氧氧化

分子氧的使用最大限度地減少了化學(xué)廢物，產(chǎn)生的唯一最終副產(chǎn)品是水。02直接氧化有機(jī)底物很少見(jiàn)，因?yàn)殡娮訌挠袡C(jī)底物轉(zhuǎn)移到氧化劑的能壘通常很高。對(duì)于具有三重基態(tài)的分子氧，這種高能壘是保護(hù)有機(jī)化合物免受破壞性氧化的自然方式。使用分子氧的缺點(diǎn)之一是難以防止原料過(guò)度氧化。流動(dòng)化學(xué)中精確的停留時(shí)間控制使化學(xué)家能夠使用最便宜的氧化劑來(lái)管理選擇性氧化反應(yīng)。

氧化反應(yīng)在化學(xué)合成具有非常重要的地位。氧氣資源豐富，氧化活性高，可以減少后續(xù)的分離和純化過(guò)程而深受喜愛(ài)。但氧氣的高活性會(huì)在工業(yè)化生產(chǎn)中造成反應(yīng)難于控制，進(jìn)而造成安全事故;而且氧化反應(yīng)在工藝放大過(guò)程中，也存在很多問(wèn)題，故國(guó)家安監(jiān)局把氧化反應(yīng)納入18類(lèi)重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)反應(yīng)中。

談起氧化，化學(xué)上有很多氧化劑，包括高錳酸鉀(KMnO4)，鉻酸，硝酸等等，然而這些化合物都對(duì)環(huán)境有巨大的污染，廢物處理十分麻煩。

所謂綠色化學(xué)，就是原子的利用效率最高，沒(méi)有副產(chǎn)品。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇、環(huán)保的壓力，尋找潔凈的氧化劑，包括氧氣和雙氧水，則非常有利。然而氧氣是助燃物，在傳統(tǒng)釜式反應(yīng)的應(yīng)用中受到相當(dāng)?shù)南拗?，一是腐蝕性，二是安全性受到了巨大的挑戰(zhàn)。

氧化反應(yīng)是最常用的單元反應(yīng)之一，用于制備酚、醇、醛、酮、羧酸和酸酐等含氧化合物，在精細(xì)有機(jī)合成生產(chǎn)和研究中占有十分重要的地位。濃硫酸氧化需要加入適當(dāng)催化劑，但要求有機(jī)原料和氧化產(chǎn)物在反應(yīng)條件下有足夠的穩(wěn)定性。微通道反應(yīng)器滿足了穩(wěn)定流動(dòng)和傳質(zhì)要求，有足夠的傳熱面積，能夠及時(shí)移走氧化反應(yīng)釋放的巨大熱量，精確控制反應(yīng)溫度，縮短反應(yīng)時(shí)間。

微通道反應(yīng)器，反應(yīng)物持液量低、傳質(zhì)效果好、換熱面積大等優(yōu)勢(shì)為氧氣直接氧化提供了可能。微通道反應(yīng)器不但具有優(yōu)異的傳質(zhì)和換熱的特性，而且能直接對(duì)小試工藝進(jìn)行放大而沒(méi)有放大效應(yīng)。

氧化模塊

目前已開(kāi)發(fā)出許多技術(shù)和方案以在流動(dòng)中進(jìn)行氧化反應(yīng)，以解決與使用有毒，易燃和/或爆炸性氧化試劑有關(guān)的實(shí)際和化學(xué)挑戰(zhàn)。盡管存在使用非均相氧化劑的例子，但大多數(shù)氧化模塊可分為兩類(lèi)氧化模塊。在氣/液組件中使用氧氣，在液/液系統(tǒng)中使用可溶性氧化劑，后者還涵蓋單相氧化。

用分子氧進(jìn)行氣液氧化(三重態(tài))。分子氧代表綠色，無(wú)痕，分布廣泛，是一種極好的氧化劑。但是，由于大量易燃溶劑和氣體一起使用，在批處理系統(tǒng)中使用存在潛在的危險(xiǎn)。當(dāng)使用氧氣以增加氣體在溶劑中的溶解度時(shí)對(duì)反應(yīng)器加壓也是有利的。在流動(dòng)中，這些問(wèn)題很容易解決，從而創(chuàng)建了具有出色混合和傳質(zhì)能力的系統(tǒng)。下面展示的是這類(lèi)流動(dòng)反應(yīng)器的兩種設(shè)置，它們具有互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)，其區(qū)別在于輸送氧氣的方式不同。

圖為以氯化鐵(ⅢI)的芐基氧化程序?yàn)槔?，使用氧氣，使用T混合器創(chuàng)建雙相氣液系統(tǒng)

圖為使用氧氣，通過(guò)套管式反應(yīng)器輸送，展示了苯乙烯轉(zhuǎn)化為醛的過(guò)程

氧化:使用液相氧化劑和超聲浴(綠色方框)，以避免因氧化副產(chǎn)物而產(chǎn)生的沉淀物聚集。

反應(yīng)系統(tǒng)-還原:使用管式反應(yīng)器中的管子輸送的氫氣和經(jīng)由填充床反應(yīng)器的催化劑(發(fā)生還原的位置)

反應(yīng)系統(tǒng)-還原:通過(guò)電解水使用原位產(chǎn)生的氫氣，在壓力下生成飽和溶液，該溶液通過(guò)裝有催化劑的填充床反應(yīng)器

反應(yīng)系統(tǒng)-還原:使用氫化物將酯類(lèi)化合物均勻地部分還原為醛類(lèi)。藍(lán)色框?qū)?yīng)于變壓器的冷卻部分。

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