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微通道反应器技术是通向医药化工智能化的重要基石
点击次数:132 发布时间:2022-12-27

研究背景

微通道连续流技术在医药化工行业的应用越来越广泛。微反应过程控制和监控技术是通向医药化工智能化的重要基石

 

使用康宁反应器生产醚类化合物的方法,通过在线红外和HPLC关联,监测产品收率。MPC控制模型和PCA监控模型相辅相成,提供了一种稳定的连续生产控制方案。

 

今天,小编就带您看看他们是如何做到的。

 

实验设计

 合成示意图

 

2台计量泵分别将水溶液和有机溶液注入反应器。水溶液由氢氧化钾和4-叔丁基苯酚组成,有机试剂由二氯甲烷(DCM)、苄溴和四丁基溴化铵(TBAB)。

 

TBAB起着至关重要的作用,由于反应体系的双相性质和试剂不互溶,如果没有该催化剂,很少或不发生反应。TBAB的浓度直接影响反应速率和收率。

图1.实验流程图

 

实验中:

  • 使用OPC(用于过程控制的一个工业标准)接口建立反应器装置、泵和温度探头之间的通信

  • 通过OPC,利用Pharma AV软件收集所有过程数据,如温度和压力,并实时写入各种设定点,如泵速和循环器温度SP;

  • 收集FT-IR数据,以使设计的PLS(偏最小二乘法)校准模型能够预测产品收率;

  • 同时反向在MPC方案中用于实时控制和过程监控。

 图2. 康宁反应器装置图

 

过程控制与监控方案设计
在过程控制与监控方案中,MPC控制模块,将来自PLS校准模型的实时康宁微通道反应器中醚收率,预测控制到期望的设定值。

 

此外,该收率预测与连续流工艺过程数据一起,用于开发的PCA监测器中,以检测并指示工艺/反应相关的故障。

 

图3. 先进过程控制与监控方案流程


                  图4. MPC控制器构成

 

1. PLS校准模型设计

 

以泵1和泵2转速以及温控器温度为因素,在反应器中进行了实验设计(DOE)。泵的转速在200到425 rpm之间,来调节水相与有机相的比例。

 

当反应稳定后,在反应器出口收集样品,使用HPLC进行定量分析,后端装备FT-IR探针用于醚的红外光谱测定。

 

HPLC所测定的定量收率与在线FT-IR光谱实时预测醚的收率相关联,并建立校准模型。

 


                 图5. 泵速、温度和醚收率的实时变化

      图6. FT-IR光谱(左)以及在1204cm−1左右,收率不同的醚吸收峰

 

对实验过程中采集的在线FT-IR光谱进行预处理后,得到FT-IR光谱图和一个醚光谱峰值约1204 cm−1(图6右侧图)。从HPLC数据可知,FT-IR的醚峰和HPLC百分比产率之间有很强的相关性

 

 

2. MPC控制模型开发

 

MPC控制方案是控制两个泵速度和循环器温度SP,以将醚收率控制在所需的设定点。

 

PCA(Principal Component Analysis,主成分分析,一种统计方法) Process Monitor利用醚的产率预测值和反应器过程数据,来监控反应过程中的故障。


3. 过程监控PCA模型开发


PCA(Principal Component Analysis,主成分分析统计法)利用醚的收率预测值和反应器过程数据,来监控反应过程中的故障。

 

SPE值(平方预测误差奇异值分解)高于95%阈值,表明数据相关性出现故障。而𝑇2超过其阈值,反映了过程偏离其多元平均值。

 

 

4、方案的有效性和稳定性实验


为了验证模型的有效性和稳定性,作者实验了三种连续化反应:100%催化剂浓度的标准化学反应工艺,以及2种不规则化学反应工艺(分别具有75%和50%催化剂浓度),均在三个不同醚收率设定值下,评估MPC和PCA控制性能。

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