流动化学(flow chemistry)也叫连续流动化学(continuous flow chemistry)或者间断式流动化学(plug flow chemistry)。在流动化学反应中,两个或更多的反应试剂连续泵入流动反应器中进行混合并在热量控制的条件下发生反应,在釜式化学反应器中通常是一次性加入反应物进行反应。流动反应器可以是简单的管道、管线或者复杂的微结构集成装置,这些组合的装置和反应器可以维持设定的温度和压力范围,通过优化参数来促进所希望的反应快速与成功进行。在连续流动电化学或光化学反应条件下,反应系统可于电流或光照条件下来促进反应顺利进行。与分批工艺相比,流动化学具有许多固有的优势,可提高重现性和安全性,增加传统上难以使用的中间体和反应条件,并通过连接多个单元更有效地进行多步工艺。

    流动化学的使用已在化学界迅速崛起。由于该方法的模块化性质,因此应用流程具有广泛的多功能性,可以轻松集成新条件,设备,分析,自动化以及用于单步和多步过程的试剂类型。该方法的基本区别特征是试剂/溶液的输送具有很高的精确度,并且可以很好地控制溶液所处的条件。精确的控制可实现出色的重现性和安全性。流动化学适用于从大学教学实验室到生产规模的过程化学家的研究人员。

       流动化学具有改善反应时间、精准的温度控制、多步合成、提高选择性等优势。在化学中,温度是实现反应所需活化能的最重要的物理参数。根据阿伦尼乌斯方程,温度每升高10°C反应速率就会加倍。流动化学方法因能够精确控制反应温度,所以可以更好控制反应的结果。流动化学反应器通常采用HPLC 部件。背压调节阀对反应混合物的流动产生阻力,可产生高压。结合快速传热,这意味着我们可以将低沸点溶剂加热至超过其沸点。这种方式可以避免使用难以去除且昂贵高沸点溶剂。此外,流动反应器另一附加优点是可以使用非偶极矩溶剂。

连续流化学技术应用于多种反应类型,包括但不限于:

•  低温反应

•  重氮化反应

•  高温和/或高压反应

•  高能化学反应

•  涉及刺激性和特殊气味中间体、原料或产物的反应

•  涉及有毒试剂或产物的反应

•  氧化反应

•  硝化反应

•  溴化反应

•  氟化反应

•  电解反应

•  光化学/催化

     为了充分利用流动化学的潜力,化学家首先必须能够辨别何时以及如何有利于流动。首先要牢记进行的化学反应以及其固有的问题(包括过程和机理)等。化学家也需要了解可用的流动化学设备功能、优势/劣势。

连续流反应系统基本组件分解图

图1.连续流系统基础组件示意图

       和间歇釜式反应器比较,连续流动化学反应器有着自身的优点,如:反应物可以在几秒钟内实现扩散与混合,反应温度可以高于溶剂的沸点,反应更快速;在高的比表面积与体积比率反应器中,反应物可以被快速加热或冷却从而精准控制温度,反应更干净;单位时间里反应器中只有少量危险的中间体生成与少量的反应热量产生,反应更安全;快速干净安全的反应特性使得连续流动反应设备中的化学反应选择性更好。

1.连续流动化学-微通道反应器工艺

微反应工艺,即采用微通道反应器代替传统的化学反应器进行化学反应的工艺,并实现工业生产的技术。

微流体工艺过程连续,系统密闭, 瞬间反应物料量小, 可精确控制反应条件自动控制程度高,实现了反应过程。

近年来微流体技术的快速发展。已经在化学、中间体及生命科学等领域上造成革命性的冲击。据不完全统计,在精细化工反应中,大约有20%的反应可以通过采用微流体化工技术。相信未来将会有更多的反应可以通过该技术实现。

在收率、选择性或安全性等方面得到提高。微化工技术可用于高效换热、高效混合、强放热反应过程,高附加值精细化学品、剧毒物质、超细/纳米颗粒以及高能炸药的生产过程。

在目前世界范围资源日趋减少,环境问题越来越严重的情况下,微反应技术可以打造更安全、更环保、更高效的化学产品的生产之路,对于未来化工行业的发展具有十分重大的意义。

2.连续流动化学-微通道反应器技术原理及优势

微反应化工工艺有利于实现“更好” “更快” “更便宜” “更安全” “更环保”化学反应过程 。更高的产率和更好的选择性是微反应工艺的主要目标。

基本原理:

通过特殊设计的微结构单元对流经的反应流体进行切割,实现反应流体见以微米时空尺寸,甚至更小进行混合和换热。与传统化工技术相同,微化工技术也使用反应器、混合器、换热器等单元组件。

技术优势:

同传统化工工艺相比,微化工工艺微反应工艺实现了对传质传热的真正强化,使化学过程:

(1) 传质传热快:微反应器能使化学反应速率接近他们的动力学极限,比表面积大,扩散距离短,传递速率高;传质传热效率较常规设备提高2-3个数量级;

(2)收率高:精确控制停留时间与反应温度,减少副产物,提高选择性和收率,简化工艺,提高产能;

(3)安全环保:反应过程密闭连续,瞬间持有量小,自动化控制程度高,可精确控制反应;

(4)经济节能:数增放大,无放大效应,转化周期短;占地面积小,大大降低投资成本及能耗;

3.连续流动化学-微通道反应器应用领域

微反应器目前主要应用于:精细化工(农药、染料、助剂、香精香料)、医药中间体、纳米材料、高分子材料等。

微反应器主要应用反应类型:快速反应、瞬间反应、强放热反应、传质控制反应(液液非均相、气液非均相)、反应时间敏感(不稳定中间体、不稳定产品)、工艺难放大体系等。

     连续流动化学与自动化设备的集成,使得化学反应条件可以在微升规模进行调节,反应时间、温度、流量、泵体积和压力等参数均可以快速进行变化。独立便捷的溶剂清洗操作保证反应可以一个接着一个进行,利于进行快速反应条件优化。稳定的物料混合和热量传送将化学反应的放大效应减到最小,较高的流速和较大的反应器配套使用帮助实现公斤级与吨级产品的安全生产。无论在单一微反应器中还是集成的连续流动反应装置里,选择连续流动反应可以提供许多优势功能和参数选择,为各类化学品的安全、清洁和高效生产提供了可能性。

1)试剂流量 – 在连续流动反应器中反应物通过压力泵可以连续泵入与流经反应器通道,这与间歇釜式反应器通常将所有反应物在开始时全部加入单元釜中不同

2)反应时间控制 – 试剂流过反应器的时间(也称为停留时间),可以通过仪器参数设定来调节

3)化学计量比调整 – 调整反应底物的相对浓度与相对流量可以控制反应的化学计量比

4)换热 – 和釜式反应器比较,连续流动反应器有非常大的比表面和容积比率,换热性能出色

5)传质 – 小尺寸反应通道和良好的混合性能使得连续流动反应器具有优良的传质能力

6)放大 – 连续流动化学反应可以简单地通过延长反应时间来制备更多产品,规避了釜式反应器可能的放大效应,反应放大更加容易

7)精确控制 – 连续流动化学反应设备可以精准控制五个关键的反应参数(化学计量比、 混合速率、 温度、 压力和反应时间)

8)减少危害原料留存 - 当反应在连续流动反应器中进行时,只有少量潜在危害性原料留存在反应"过程"或"管道"中

9)嵌套反应 – 反应中间体不需要分离时,可以直接泵入下一个反应底物进行连续的嵌套反应

10)没有顶空 – 连续流动反应器没有顶空,反应器内的压力由称为背压调节阀 (BPR)的设备控制,釜式反应器在进行高压反应时顶空内的气体必须加压

11)低返混 – 连续流动反应器可以通过反应设备参数控制做到很少或没有返混

连续流反应器的实际应用

阶  段

流动技术

研  发

新的化工工艺评估:

通过使用少量的化学试剂和催化剂进行详细的研究

材料生产:

纳米颗粒、胶体、颜料和聚合物的高规格制备

工艺开发

快速实现从研发向中试规模生产的转化;

能在实验室研究后通过反应较长时间生产Kg级的产物;

能采用以前难以实现的方法合成某些产物;

可实现一定规模的生物催化、光化学、电化学

生  产


安全性高,以前被禁止的一些化学反应可以在有良好的安全性的反应器中执行;

精细化学品、颜料和离子液体的合成;

医药活性中间体的生产(如cGMP、API’s等)


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