一种连续合成呋喃二甲酸的微反应装置及方法

本发明属于呋喃二甲酸制备领域，具体为一种连续合成呋喃二甲酸的微反应装置及方法。

背景技术：

1、如今，全球工业化迅速发展，原有的化石燃料作为不可再生资源，不仅是有限的并且会造成严重的环境问题，这迫使相关的从业人员不得不去寻找新的环境友好型的替代材料。而生物质资源有着来源丰富，价格低廉，绿色环保，可再生强等优点，是理想中的化石燃料的替代品。5-羟甲基糠醛(hmf)通常被认为是连接生物质资源与石化行业的中间体，通常可以通过c6糖(果糖或葡萄糖)制备，再通过氧化剂，金属催化剂，生物酶合成fdca(2.5-呋喃二甲酸)。

2、从果糖出发，廉价，高效的生成fdca是一个巨大的挑战，过程中面临着各种困难：hmf在合成fdca过程中，不完全氧化会产生低质量的聚合物、中等温度下，不良缩合导致hmf具有不稳定性，这要求其氧化过程只能从较低的底物浓度进行；多步反应本身就伴随着能源、溶剂和时间的消耗，会提高生产成本。申请号为202210877671.0的专利公开了一种无金属催化果糖一锅法制备呋喃二甲酸的方法，但仍没有摆脱需要碱的环境，并且最长反应时间高达52h。

3、现有技术中，通过果糖一步合成2，5-呋喃二甲酸需要高温高压，强酸，强碱，重金属催化剂的条件，通常需要20-40h的反应时间，而且会产生大量的副产物造成环境污染，在大规模生产中很难进行批量化生产，具有很大的危险性。分步通过果糖合成呋喃二甲酸会产生大量的副产物，造成产率的降低。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种安全高效、绿色环保的连续流合成呋喃二甲酸的微反应装置，本发明的另一目的是提供一种能够批量化生产、降低反应温度的连续流合成呋喃二甲酸的方法。

2、技术方案：本发明的一种连续流合成呋喃二甲酸的微反应装置，包括第一容器、收集装置、注射泵、第一流动泵、第二流动泵、第一微反应器基板、离子交换树脂吸附管、活性炭吸附管、第二微反应器基板、氧气气源、第一t型连接器、第二t型连接器、第三t型连接器；第一容器通过第一流动泵与第一t型连接器相连，注射泵与第一t型连接器相连，第三t型连接器分别与第一t型连接器、第一微反应器基板相连，第一微反应器基板与离子交换树脂吸附管、活性炭吸附管、第二t型连接器、第二微反应器基板顺次连接，氧气气源与第二t型连接器相连，收集装置通过第二流动泵与第三t型连接器相连，实现溶剂的重复利用；第一微反应器基板的反应温度为70～210℃，第二微反应器基板的反应温度是40～230℃；第一微反应器基板、第二微反应器基板的s型流道内均设置挡板，使反应液在s型流道中的弯道处和挡板处形成湍流。

3、进一步地，第一微反应器基板、第二微反应器基板的材质为金属、塑料或碳材料。塑料优选为聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯或聚酰亚胺，具有耐高温耐腐蚀性；金属优选为哈式合金或不锈钢；碳材料优选为碳化硅。s型流道为s型圆形管道，长度为100～400mm，内径为0.8～1.0mm，间隔小于其内径。s型流道内反应液的流速为0.01～20ml/min。

4、进一步地，第一容器用于存放质量分数为5％～15％的果糖溶液。果糖溶液流出的管道的内径为0.8～50mm。

5、进一步地，注射泵内装有hcl溶液。第一容器和收集装置均为锥形瓶。

6、进一步地，离子交换树脂吸附管、活性炭吸附管均为玻璃tvoc管，内径为6～600mm，长度为150～15000mm，填料量为200～60000mg。离子交换树脂吸附管用于去除溶液中的cl-，活性炭吸附管用于去除溶液中的胡敏素。

7、进一步地，氧气气源通过气体质量流量计与第二t型连接器相连，气体质量流量计的流速为90～100ml/min。

8、本发明所述的一种连续流合成呋喃二甲酸的方法，包括以下步骤：

9、步骤一，将反应液转移至第一容器中，分别调节第一微反应器基板温度为70～210℃、第二微反应器基板温度为40～230℃；

10、步骤二，同时开启第一流动泵与注射泵，分别调节果糖溶液和hcl溶液的流速，使果糖溶液和hcl溶液分别在管道内形成均匀层流，驱动果糖溶液和hcl溶液进入第三t型连接器，经第三t型连接器混合后向第一微反应器基板流动，在第一微反应器基板内进行5-羟甲基糠醛的合成，随后含有5-羟甲基糠醛的溶液进入到离子交换树脂吸附管去除cl-，进入到活性炭吸附管，打开氧气气源，用气体质量流量计监视气体流速，吸附结束后沿第二t型连接器进入到第二微反应器基板进行氧化，反应结束后，冷却，收集收集装置的固体相产物，溶剂通过第二流动泵回到第三t型连接器处，进行重复利用，达到90％以上的产率。

11、进一步地，第一微反应器基板、第二微反应器基板中物料的停留时间小于等于60min。氧气气源不仅限于氧气瓶输入还包括过氧化氢制氢，甲醇裂解制氢，电解水制氢，甲烷水蒸气重整制氢，氨分解制氢。

12、本发明的难点是如何使用连续流将果糖合成呋喃二甲酸，在常规方法中，果糖生成5-羟甲基糠醛是处于一个酸性环境的反应；而5-羟甲基糠醛合成2，5-呋喃二甲酸需要一个含碱的环境。如何在一个连续过程中即通过酸性环境又通过碱性环境合成目标产物是本工作的一个难点问题。本发明使用催化剂使得5-羟甲基糠醛合成2，5-呋喃二甲酸合成过程中避免使用强碱，又通过活性炭吸附管和离子交换树脂吸附管去除果糖合成5-羟甲基糠醛残留的副产物和离子实现果糖到2，5-呋喃二甲酸的高效合成。

13、制备原理：本发明以果糖为原料，利用微反应器技术合成呋喃二甲酸，微流控技术不仅具有微型化、集成化等特点，还拥有体积小、原料消耗少、能耗低、反应速度快和连续性好等优点。通过微反应器，可以实现对反应条件的精确控制，调节不同有机合成条件，从而可以连续地生产出不同批次的产品。此外，微尺度下的反应还能避免化工生产中的放大效应，并显著提高传质传热效率。本发明的合成方法通过利用微尺度手段调控反应条件、通过挡板增强流体的混合效果，优化了有机合成的方法，从而降低了反应条件、缩短了反应时间、提高了呋喃二甲酸的产量和产率。

14、有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

15、1、反应可控、连续性好、反应温度合适、合成时间快、可实现批量化生产，可以准确通过改变条件控制反应温度、反应时间等反应环境，合成过程整体处于一个无碱的环境，更加绿色环保的生产呋喃二甲酸；

16、2、可以降低反应温度，通过一锅法的合成过程可以避免原料的浪费且中间处于一个封闭的环境，通过连续流推进反应的进行，使得原本危险系数的高，难以批量化的反应可以高效，安全的进行；

17、3、第一微反应器基板、第二微反应器基板，可以根据反应合成的可以需要自定义管道与材质，造价低，并且管道尺寸小，传质传热效率高，提高了反应效率；

18、4、产率高，选择性高，能源利用率高，现有方法合成所需的时间要20h～40h以上，本发明可以将时间缩短至60min～180min。