固体——流动化学家的克星？

“固体意味着不可能流动”的先入之见可能会阻止这些研究人员进一步探索。 诚然，流动中的固体处理是一项挑战，但有许多工程解决方案可以应对这一挑战，例如浆料处理技术、连续机械化学、和连续搅拌釜反应器。关键问题是所提出的工程解决方案在优势、成本、所需时间、所需的颗粒大小/负载量以及环境影响和资源方面是否适合。 通常，最简单的策略是确定条件、溶剂选择或温度或浓度范围，使所有物质都保持在溶液中。

如果无法避免或确实需要固体，则有几种常见的策略可以简化浆料的处理。 这些策略包括避免夹点（pinch points）和狭窄的管道，例如，使用蠕动泵作为背压调节器，避免管道或连接器中的直角转弯，或使用大口径配件。 流路还可以结合使颗粒均匀化的措施，例如在线超声仪或使用搅拌反应器。 需要仔细选择泵和管道，例如使用蠕动泵而不是不能容忍颗粒的活塞泵。 最后，清洁循环对于控制污垢可能是必不可少的。 可能需要所有这些策略的组合才能为需要浆料输送的流动过程提供可靠的方法，并且可能需要时间才能找到功能解决方案。 然而，固体处理给所有化学家带来了问题，而不仅仅是那些使用流动的化学家； 与处理静电、吸湿性或高度危险的粉末相比，使用流动方法移动浆料可能更容易、更安全。

尽管固体处理存在挑战，但对于那些有意寻求制造高度可控的定制固体颗粒的人来说，使用流动也有很大的优势。 流动结晶领域解决了许多这些问题，重点是控制主动沉淀材料。 可以使用上面强调的策略将处于稳定状态（即既不结晶也不溶解）的固体用作浆料。 在作为一个活跃过程的流动结晶过程中，存在更大的挑战，例如结垢 （即，颗粒在反应器壁上的成核和生长）、晶体生长控制和过滤。

控制材料成核的方式和位置将防止反应器壁上不必要的成核，如果不加以控制，将导致结垢、返混并最终堵塞。 使用反溶剂添加、快速冷却、或超声处理迫使材料成核非常有效。 流动聚焦几何结构可以将成核位置引导到远离反应器壁的位置，进一步改善结壳，特别是在微反应器中（图1）。

图1、Schematic representation of flow within a range of crystallizers that may be used to improve suspension and mitigate encrustation of particles on reactor walls. White arrows show fluid pathways, solution in green, secondary fluids in blue/white: a. segmented flow, b. continuous oscillatory baffled reactor, c. kenics-type static mixer, d. moving insert (vertical motion of insert denoted by black arrow), e. flow-focused/sheath flow.

一旦成核，可以通过温度梯度或进一步添加反溶剂和混合或悬浮固体来控制晶体生长。 最基本的下游混合装置是连续或级联搅拌釜反应器，它使用一系列带有叶轮的搅拌釜反应器来实现混合。 活塞流反应器通常采用各种静态混合器以确保良好的传质、减少结块并改善固体悬浮。 带有内置静态混合器的插入式或 3D 打印反应器可以帮助悬浮和混合浆料，优化操作与流速直接相关。振荡挡板反应器 (OBR) 包括一系列单孔或多孔挡板，通常使用活塞驱动的振荡流在反应器中产生涡流。 然后净流驱动结晶材料通过管道。 振荡幅度和频率以及净流量的组合提供了最佳的悬浮和活塞流。

分段或泰勒流使用不混溶的流体将结晶溶液分离成离散的液滴或“液滴”，这些液滴或“液滴”通过团流在不接触固体表面的情况下作为流速和液滴大小的函数进行混合。 去除与壁的接触本质上可以防止结壳，但由于载体流体对固体颗粒的毛细管力，可能会引起流体相容性和过滤的问题。

给定应用的理想流动结晶设置是颗粒大小、密度和吞吐量的问题。 纳米颗粒结晶通常需要微反应器来影响生产更小和均匀颗粒所需的传质控制程度。由于尺寸小，不太可能被纳米颗粒堵塞，但结壳可能是一个问题。 如果颗粒粘附在反应器壁上，它们可能会变大并影响通过的生长颗粒，从而影响粒径分布。 因此，无论目标尺寸如何，结晶器材料和表面粗糙度都是所有结晶器的重要决定。 传统的流式芯片反应器非常适合这种类型的结晶。 亚微米尺寸的颗粒可能更容易堵塞反应器，尤其是由于结块。 因此，更大的微流体反应器部件可能更合适，例如，1毫米内径 (ID)。 这些适用于静态混合器、小型 OBR 和紧密缠绕的反应器管道。 毫微尺寸的结晶，例如小分子有机物，需要仔细规划结晶器，因为大尺寸很可能会阻塞。需要更大的静态混合器反应器、OBR 和毫米级管道（内径约 3 毫米）以防止堵塞，并特别注意反应器部件的接头。

综上所述，很明显，已经开发了大量的工程解决方案来将过程转化为流程，但仍有许多挑战需要解决。

内容节选自：

Quid Pro Flow （2023）

https://doi.org/10.1021/jacs.2c13670