Bài giảng Hóa học xanh: Chương 7 - TS. Nguyễn Đăng Khoa

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:34

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Hóa học xanh" Chương 7 - Thiết bị phản ứng và ứng dụng một số kỹ thuật mới trong CNHH, được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Thiết kế hiệu quả năng lượng; Công nghệ cải tiến quy trình và hiệu quả năng lượng. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hóa học xanh: Chương 7 - TS. Nguyễn Đăng Khoa

Hóa học xanh Chương 7: Thiết bị phản ứng và ứng dụng một số kỹ thuật mới trong CNHH Dr. Nguyễn Đăng Khoaa, Dr. Lê Vũ Hàa, Dr. Hồ Hoàng Phướcb a Faculty of Chemical Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology, Vietnam b Institute for Sustainable Hydrogen Economy, Jülich Research Centre, Germany Contact: khoand1989@hcmut.edu.vn, lvha@hcmut.edu.vn, hoangphuocho@gmail.com
12 nguyên tắc hóa học xanh 2024-11-03 2
Nội dung • Thiết kế hiệu quả năng lượng • Công nghệ cải tiến quy trình và hiệu quả năng lượng - Microreactor - Photochemical reactions - Chemistry using microwaves - Sonochemistry - Electrochemical synthesis 2024-11-03 3
Thiết kết quy trình sử dụng hiệu quả năng lượng Sơ đồ quy trình của nhà máy hóa chất Energy Energy Input Materials Product Product Reactor Byproduct Purification (feedstocks) T, P Waste Catalyst Solvent Các chương trước Chương này ▪ Giảm chất thải Cải thiện quy trình/ thiết bị để tối ưu việc sử dụng năng lượng ▪ Giảm lượng khí thải độc hại ▪ Cải thiện hiệu quả của quá trình ▪ Nguyên liệu tái tạo Một cách để giảm chi phí ▪ Sản phẩm có thể phân hủy 2024-11-03 4
Thiết kết quy trình sử dụng hiệu quả năng lượng Haber-Bosch Process Mức tiêu thụ năng lượng hiện nay ít hơn 40% so với quy trình ban đầu Một số biện pháp đơn giản có thể được sử dụng Hầu hết các quá trình: nhằm giảm chi phí ✓ Sử dụng nguồn năng lượng nhiệt từ nhiên liệu ✓ Giám sát, kiểm soát và bảo trì hóa thạch ✓ Hạn chế thất thoát năng lượng ✓ Phần lớn năng lượng bị lãng phí trong quá trình ✓ Thu hồi nhiệt thải làm nóng thiết bị phản ứng, dung môi, v.v. ✓ Kết hợp nguồn năng lượng theo yêu cầu ➢ Công nghiệp hóa chất và lọc dầu → sử dụng năng lượng lớn → 50% sử dụng năng lượng công nghiệp ➢ ¼ năng lượng → tiêu thụ trong quá trình chưng cất và sấy khô ➢ Cần xem xét toàn bộ quá trình chứ không chỉ giai đoạn phản ứng khi thực hiện công việc nghiên cứu và phát triển 2024-11-03 5
Thiết bị phản ứng cho quá trình tổng hợp dược phẩm Hai quá trình tổng hợp phổ biến trong công nghiệp Sản xuất hóa chất tinh khiết, và dược phẩm Sản xuất hóa chất thô, và lọc hóa dầu Thiết bị Thiết bị dạng mẻ dạng dòng https://www.brinox.eu/pharma/units-production-active-pharmaceutical-ingredients https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=9650 2024-11-03 6
Thiết bị phản ứng cho tổng hợp hóa chất tinh khiết Chemical reactors Continuous stirring Plug Flow Reactor Semi-batch reactor Batch reactor tank (CSTR) (FPR) https://www.promix- https://www.climate-policy-watcher.org/food- solutions.com/en/cooling/cooling-polymer- (Copyright DCI Inc., St. Cloud, MN) processing/continuously-stirred-tank-reactor- production cstr.html 2024-11-03 7
Thiết bị phản ứng cho quá trình tổng hợp dược phẩm Video 14.1 Introduction to Flow Manufacturing (3 min) https://www.youtube.com/watch?v=WlvAwCFKIZA Câu hỏi Câu trả lời 1) Nhược điểm chính của các thiết bị phản ứng dạng mẻ ? 2) Những ưu điểm của các thiết bị dạng dòng (flow synthesis) so với thiết bị dạng mẻ (batch synthesis )? 3) Một số ưu điểm cụ thể khi tiến hành tổng hợp carbapenem trên thiết bị phản ứng dạng dòng ? 4) Kể tên 3 ví dụ về các phản ứng đã được áp dụng công nghệ dòng chảy liên tục (continuous flow technology)? https://www.brinox.eu/pharma/units-production-active-pharmaceutical-ingredients https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=9650 2024-11-03 8
Thiết bị phản ứng Ngành công nghiệp dược phẩm vẫn sử dụng các thiết bị phản ứng theo mẻ hoặc bán mẻ đa năng. Rõ ràng là nhu cầu sản xuất liên tục các phân tử hữu cơ, bao gồm các hợp chất có chức năng cao (functionalized compounds) và các hợp chất bất đối xứng (chiral compounds) đang ngày càng gia tăng Org. Process Res. Dev. 2016, 20, 1, 2–25 Qui mô PTN Qui mô vừa Thương mại hóa Lab scale Pilot scale Commercial scale Các vấn đề khi mở rộng quy trình tổng hợp dược phẩm - Chi phí nguyên vật liệu ban đầu - Hóa chất độc hại, an toàn - Kiểm soát truyền khối và truyền nhiệt - Độ chọn lọc và hiệu suất theo điều kiện tổng hợp - Không gian để lắp đặt thiết bị phản ứng - Chi phí cho quá trình tinh chế http://www.essentialchemicalindustry.org/ 2024-11-03 9
Sự khuếch tán_Hóa học dòng chảy (Flow chemistry) Damköhler number (Da) Da < 1 → reaction rate < diffusion rate Da > 1 → reaction rate > diffusion rate ✓ Mixing ✓ Interfacial Surface Area Larger → Better Chem. Rev. 2017, 117, 18, 11796–11893 2024-11-03 10
Bề mặt/diện tích tiếp tiếp xúc Bề mặt/diện tích tiếp xúc phân loại theo thiết bị Chem. Rev. 2017, 117, 18, 11796–11893 2024-11-03 11
Hóa học dòng chảy (Flow chemistry) Chem. Rev. 2017, 117, 18, 11796–11893 Flow chemistry involves the use of channels or tubing to conduct a reaction in a continuous stream rather than in a flask (Hóa học dòng chảy liên quan đến việc sử dụng các kênh hoặc ống để tiến hành phản ứng theo dòng liên tục thay vì trong bình phản ứng) supported reagents or catalysts microwave irradiation photochemistry Flow chemistry new solvent systems inductive heating electrochemistry 3D printing Org. Process Res. Dev. 2016, 20, 1, 2–25 2024-11-03 12
Thiết bị phản ứng vi mao quản (Microreactors) Microreactor là một thiết bị phản ứng dòng chảy liên tục, trong đó phản ứng hóa học diễn ra trong các vi mạch có kích thước dưới 1 mm. Tùy thuộc vào kích thước của kênh : Microfluidics: 10-500 µm Millifluidics: 500 µm đến vài mm https://doi.org/10.1038/srep05443 Micro-sized channels Biomicrofluidics. 2014 Sep; 8(5): 054101. 2024-11-03 13
Ứng dụng thiết bị microreactor trong công nghiệp sản xuất Video 14.2 Micro processing techniques save material and energy in the chemical industry (11 min) https://www.youtube.com/watch?v=xUgckfuSYh0 Câu hỏi Trả lời 1) Nhược điểm của các thiết bị phản ứng dạng mẻ trong sản xuất dược phẩm 2) Chữ viết tắt mmRS đại diện cho điều gì ? 3) Ưu điểm của việc áp dụng các thiết bị phản ứng vi mao quản cho phản ứng hữu cơ liên quan đến phức của lithium 4) Tỷ lệ diện tích tiếp xúc và thể tích của thiết bị vi mao quản được đề cập trong video là bao nhiêu ? 5) Những ưu điểm của thiết bị phản ứng vi mao quản được đề cập trong video ? 2024-11-03 14
Ưu điểm thiết bị phản ứng vi mao quản (Microreactors) • Scale-out: quy trình được tối ưu hóa và thiết bị phản ứng chỉ được thiết kế một lần trong phòng thí nghiệm • Có thể dễ dàng tăng lượng sản xuất bằng cách lắp ráp nhiều thiết bị phản ứng 2024-11-03 15
Ưu điểm thiết bị phản ứng vi mao quản (Microreactors) • Tỷ lệ diện tích tiếp xúc/ thể tích lớn • Dễ dàng trong việc kiểm soát chính xác nhiệt độ phản ứng • Dễ dàng trong việc làm mát/làm nguội, tránh quá nhiệt cục bộ • An toàn cho các phản ứng sử dụng/sản xuất các tác chất/sản phẩm dễ cháy nổ • Quy trình dễ dàng kiểm soát và an toàn • Tối thiểu sản phẩm phụ/phát thải • Hệ thống dẫn dàng được lắp đặt và mở rộng quy mô • Dễ dàng trong việc bố trí không gian lắp đặt (ít chiếm không gian) • Giảm thiếu các phát thải gây hại • Tiết kiệm chi phí, thời gian và linh hoạt trong sử dụng 2024-11-03 16
Thiết bị phản ứng vi mao quản để sản xuất diphenhydramine Chem. Rev. 2017, 117, 18, 11796–11893 Types of continuous flow systems Diphenhydramine giảm tình trạng mắt đỏ, khó chịu, ngứa, chảy nước mắt; hắt hơi; và chảy nước mũi do sốt cỏ khô, dị ứng hoặc cảm lạnh thông thường. Sản xuất liên tục trong thời gian ngắn, và hiệu suất cao chlorodiphenylmethane Tube 0.5 mm Yield > 90% dimethylethanolamine Org. Process Res. Dev. 2016, 20, 1, 2–25 2024-11-03 17
Thiết bị phản ứng vi mao quản để sản xuất Rufinamide Rufinamide có khả năng chống co giật để điều trị các rối loạn động kinh như hội chứng Lennox-Gastuat, một dạng động kinh ở trẻ em. Trong quy trình truyền thống, phản ứng giữa hợp chất 41 và 43 gặp: Vấn đề: ▪ Azide là hợp chất rất kém bền và dễ nổ ▪ Có khả năng sinh ra HN3 (hydrazoic acid) → hợp chất cực độc và dễ nổ Với thiết bị phản ứng vi mao quản Org. Process Res. Dev. 2016, 20, 1, 2–25 Giảm thiểu nguy cơ tai nạn và hạn chế các sản phẩm phụ nguy hiểm Rufinamide is an antiepileptic drug used as adjunctive therapy to treat seizures associated with Lennox-Gastaut Syndrome (LGS). Rufinamide is a triazole derivative and an anticonvulsant medication to treat seizure disorders like Lennox-Gastuat syndrome, a form of childhood epilepsy. 2024-11-03 18
Thiết bị phản ứng vi mao quản để sản xuất Tamoxifen 97% yield 84% yield ✓ Tamoxifen: hỗ trợ điều trị ung thư vú ✓ Kết hợp 4 phản ứng hóa học khác nhau thành một dòng phản ứng liên tục ✓ Giảm rủi ro khi sử dụng các hợp chất cơ kim nhảy ẩm và không khí ✓ 80 phút →12,4g API tinh khiết → điều trị cho một bệnh nhân trong hơn 900 ngày 2024-11-03 19
Thiết bị phản ứng vi mao quản để sản xuất Ibuprofen 84% yield ✓ 3 phút cho toàn bộ các chuyển hóa hữu cơ Ibuprofen là một loại thuốc giảm đau thông dụng, có khả năng kiểm soát và điều trị các bệnh viêm, rối loạn dạng thấp, đau nhẹ đến trung bình, sốt, đau bụng kinh và viêm xương khớp 2024-11-03 20