溴化间甲基苯甲醚在微通道中的合成

微反应工艺优化以及微反应结果与传统搅拌 反应的对比 前面通过考察各因素对反应性能的影响，可以 得到该模块化微反应体系内的最优操作条件为： xBr2 =17.5%, xHBr=13.2%, nBr2 /nM=1.01, T=0℃ , τ =0.78 min，在此反应条件下反应的转化率达到99.56%，收 率为 98.37%，多溴代产物仅 1.05%。将微反应的最 优结果与传统工业搅拌釜数据进行对比，结果如表 3 所示。首先，微反应系统极大地提升了反应的效 率，其时空收率高达 6.5×104 kg/(m3 ·h)，比传统搅拌 釜高三个数量级（传统搅拌釜时空收率仅为 45 kg/ (m3 ·h)）。另外，微反应系统还极大地提升了产品选 择性，多溴副产物含量相对于搅拌釜减少一半，显 示了连续微反应技术的巨大优势。 一般而言，溴化反应速度是非常快的，根据 Bhore 等[32] 的研究可知，邻硝基苯酚、间硝基苯酚和 对硝基苯酚的溴化反应速率常数分别为7294、6147和 9286 L/(mol·s)。基于该文献值，可以通过式(4)计 算入田数Ha，来估计反应速率和传质速率的影响： Ha = kDACB K (4) 其中，k为溴化反应速率常数，这里采用邻硝基 苯酚的溴化反应速率常数 7294 L/(mol·s)来进行估 算。DA为Br2在间甲基苯甲醚中的扩散系数，因为这 两者之间会发生反应，难以直接测量，因此，采用Br2 在正己烷内的扩散系数代替，约为 3.72×10-7 m2 /s。 CB为间甲基苯甲醚的摩尔浓度，可按照 7.93 mol/L 进行计算。K 为传质系数，其与传质比表面积 a 一 起决定了传质性能，这两个参数可以通过式(5)和式 (6)进行计算[33-34] ： Ka = 5 × 103 CaC 1.5 ϕD 1.2 (0.1 < ϕD < 1) (5) a = 6ϕD d (6) 其中，CaC为连续相的毛细管准数；ϕD为分散相 的相含率；d为液滴的平均粒径。根据 Wang 等[34] 的 研究，微筛孔器内的液滴直径(d)可以通过下面的半 经验公式(7)进行计算： d de = 0.33( μ μ D C ) -0.1 ( Q Q D C ) 0.03 CaC -0.25 (0.005 < CaC < 0.5, μD μC < 1) (7) 其中，de为微通道的水力学直径；μ为反应物黏 度；Q为反应物流量；下标C和D分别代表连续相和 分散相。经计算，微筛孔反应器所得液滴直径大约 为280 μm，远小于传统搅拌釜的分散尺寸。液滴尺 寸的减小有利于传质效率的提升，由式(5)和式(6)可 得，微筛孔反应器的传质系数约为 5.75×10-5 m/s，微 分散体系的传质比表面积为 3.32×105 m2 /m3 。将以 上数值全部代入式(4)，即可计算相应的 Ha，约为 2550，远大于 1。这也就意味着间甲基苯甲醚的溴 化反应是一个快反应，受传质控制，因此，该模块化 微反应系统可通过加强液液相间传质性能来强化 该液-液溴化反应过程，即液滴分散尺寸越小越有 利于实现反应过程的快速进行和高选择性。