微反应器内紫罗兰酮连续合成工程与工艺研究

Miniaturization of fine chemical production system is in favor of the energy saving and consumption reduction for production process of fine chemical. Moreover, It is also the key to reasonable control production capacity of system. It's an urgent question how to optimize system integration, improve operational stability and reliability, and understand the law of heat and mass transport phenomena and reaction principles on micro spatio-temporal scales in the course of microreactor design and development by rationally using microreactor's principles and methods. In this project, we will carry out aldol reaction of citral and acetone and cyclization of pseudoionone involved in the process of ionone synthesis under lquid-liquid two phase condition. We hope to strive to solve the following problems by means of experiments, accompanied by theoretical analysis and numerical simulation. (1) Preliminary parameters on condensation raction and cyclization in microreactor will be established; (2) The relationship between secondary flow involved with microchannel configuration and heat transfer will be revealed; (3) The difference of intrinsic kinetics in a homogeneous system and macroscopic kinetics in liquid-liquid two-phase system will be investigated. And the mass transfer resistance of liquid-liquid two-phase system will be determined. This project will provide the theoretical basis for development of novel technology about ionone production based on the microchemical technology. Moreover, they can be extended to other fine chemical processes.

精细化工生产系统的微（小）型化是实现精细化学品高效率、低能耗生产的有效途径，亦是合理控制生产系统产能的关键。如何针对具体反应过程，采用微化工技术，认识受限空间内的传递、传递与反应耦合规律，以优化系统集成度、提高操作稳定性和可靠性是微通道反应器设计与开发亟待解决的重要问题。本申请拟主要通过实验手段，结合理论分析和数值模拟，对紫罗兰酮合成过程中涉及的液-液两相反应“柠檬醛与丙酮缩合反应”和“假性紫罗兰酮环化反应”进行研究，力求解决如下问题：（1）确定缩合反应及环化反应所需微反应器的初步参数；（2）研究微通道构型产生的二次流及液-液两相与传热内在关系；（3）研究同一反应在均相体系本征动力学与液-液两相体系中宏观动力学之间存在的差异性，确定液-液两相体系中的传质阻力对反应的影响。本项目的实施将为开发基于微化工技术的紫罗兰酮合成新技术提供理论依据，并可拓展至其它精细化学品合成领域。

环状化合物的分子特性、反应独特性及生物活性等使其在生物化学、医药、农药等领域具有广泛应用前景，但其生产过程仍面临反应耗时长、产物收率低、过程安全性差等问题。微反应器具有热质传递速率高、过程调控性强、安全性高、过程易于放大等优势，可有效改善传统合成工艺，提高过程效率和产物收率。合成环状化合物的成环反应种类繁多，本文选取三类重要环状化合物β-紫罗兰酮、N-烃基-2-吡咯烷酮及简单咪唑的合成反应为模型反应，研究微反应器内环状化合物合成过程行为与规律，并探索其应用潜力。 .（1）研究了模型反应体系在微反应器内流体流动、传质传热行为，确认其处于液相层流区域，并经数值估算证实Φ1.6×0.5mm 且曲率半径2.5cm 的316L不锈钢螺旋管式微反应器可使其流动接近理想活塞流行为且可有效移除反应热。.（2）以 β-紫罗兰酮的合成为模型反应（缩合、环化），系统研究了工艺参数对反应过程的影响，建立了微反应器内β-紫罗兰酮两步连续合成方法，将两步反应产物收率从传统的 84%和 80%分别提高到93.8%和84.8%。两步反应时间由传统工艺的数小时缩短至 4 min 以内，其中缩合过程反应温度由108 ℃ 降至 80 ℃，M-ratio 由 24 降至 15，环化过程反应温度由-5 ℃ 升至20 ℃。此外，基于 aldol缩合反应机理简化动力学模型为缩合反应过程行为提供理论参数。 .（3）以 N-甲基吡咯烷酮（NMP）/N-乙基吡咯烷酮（NEP）的合成为模型反应，系统研究了工艺参数对反应过程行为的影响，建立了微反应器内NMP/NEP连续合成方法，将 NMP/NEP 收率分别从传统釜式的 92.7%/89.3%提高到94.7%/93.9%，反应时间由 8 h 以上缩短至27 min 以内，M-ratio 由1.5 降至1.2。此外，基于其合成反应机理简化动力学模型为其反应过程行为提供理论参数。 .（4）以简单咪唑的合成为模型反应，系统研究了工艺参数对反应过程行为的影响，建立了微反应器内咪唑的连续合成方法，将咪唑收率由传统釜式的 69%提高到81.6%，且反应时间由 1 h 以上缩短至 3 min 以内。此外，研究并解释了微反应器在2-甲基咪唑、2-乙基咪唑和2-异丙基咪唑合成过程的适用性。