微流场技术的尺度效应优化及其在氧化体系中的应用研究

Engineering application is a big challenge for micro-flow technique (MFS). To expand the scale of boundary of MFS by optimizing size effect, accompanying with investigation of feature of reaction process, and manufacture of instruments, provides an efficient solution to overcome the above problem in MFS. In this project, study of molecule behavior is proposed to improve size effect in MFS, thereby, to improve the throughput of MFS. Meanwhile, features of reaction and rule of mass transfer will also be investigated to optimize the internal structure of micro-system to expand the scale of boundary in MFS. Oxidation, which is a widely used reaction in chemical engineering with safety risk and selectivity as major disadvantages in traditional oxidation process, is selected in this project to prove the novel MFS system. Experimentally, novel processes for peroxidation, epoxidation and oxidative esterification will be established and optimized by MFS. Size effect to reaction mechanism will also be investigated. Based on processes built above, peroxy acid, epoxidized soybean oil, epoxy cyclohexane, ε-carprolactone will be synthesized efficiently and safely. In further work, the scale of boundary of MFS will be expanded by optimizing the internal structure of micro-system and investigating the feature of reaction and rule of mass transfer. Finally, pilot scale reaction of 1-2 selected products mentioned above will be launched. System integration and auto-controlling will be improved in these pilot scale reactions to build platform techniques for oxidation in MFS. Therefore, this project will provide a novel efficient process for oxidation and a solution to overcome limitation of engineering application of MFS.

工程应用已成为微流场技术发展的重要瓶颈。通过尺度效应优化实现微流场尺度有效外扩，并与工艺特征、装备制造相结合，提升微流场通量，是解决这一问题的关键。本项目拟通过多尺度下分子行为作用机制的调控，结合反应特性研究和物料传递规律，设计并优化微流场结构，进行微流场尺度效应优化，有效拓展流场边界尺度，提升流场通量，推动微流场技术的工程应用，并在氧化体系中进行验证。具体工作中，针对氧化体系普遍存在的过程安全性差和反应选择性低的问题，利用微流场技术构建过氧化、环氧化、氧化酯化等氧化过程的平台技术，开发过氧酸、ε-己内酯等产品的高效安全合成方法；通过尺度效应优化，设计并优化流场结构，拓展微流场边界尺度；在拓展尺度中，进行1-2个品种的千吨级中试，强化流程各单元系统集成与自控，促进微流场技术在氧化体系中的工程应用。项目开展为突破微流场技术工程应用限制、提升氧化过程效率、推动化工绿色转型提供技术支持。

项目针对微流场反应技术难以规模化工程应用的技术瓶颈，基于课题组前期研究，对流场尺度效应进行了传质过程强化的基础研究，通过计算模拟，探究了不同物料体系、不同流场尺度下物料流动、扩散及转递方式，同时结合反应特征和流场结构，总结了流场结构与尺度、工艺之间的构效关系以及尺度外扩的基本科学规律；创新微流场技术的工程应用方法，构建工艺优化与设备研制协同的工程应用方法；针对目前微化工系统集成不足导致工艺连续化程度低的问题，创新了微流场技术实施的工程体系，强化反应单元与后处理单元的高效集成与系统自控；并通过尺度有效放大，针对具体反应体系，设计并筛选流场结构，通过3D打印技术进行装备快速制造，开发反应匹配型个性化工程装备。针对氧化体系普遍存在的过程安全性差和反应选择性低的问题，利用微流场技术构建过氧化、环氧化、氧化酯化等氧化过程的平台技术，开发过氧酸、环氧植物油、ε-己内酯等产品的高效安全合成方法并实现了工程应用，突破环氧植物油及衍生产品的绿色制造限制，实现单通道万吨/年通量工程放大，为我国绿色化工产业发展提供技术支持。项目拓展了其在化工和生物化工领域的应用，构建了微流场技术新型工程实施体系和应用平台，助推了微流场技术产业化应用及装备制造的发展，为传统化工绿色升级转型提供示范。项目执行期内，在Chem Eng J, Org Lett， ACS Sustainable Chem Eng，J Org Chem, ACS Macro Lett, Macromolecules等期刊上发表SCI论文66篇，其中23篇影响因子>5.0。以第一发明人申请发明专利59件，已获授权国际专利3件，国家发明专利26件。通过技术成果转化实现生物基增塑剂及衍生产品万吨级工程应用，相关成果以第一完成人获得国家技术发明二等奖及两项省部级科技奖励，通过了技术鉴定，达到国际领先水平。