流动化学

Claudio Battilocchio博士和Steven V. Ley教授（英国剑桥大学创新技术中心）

介绍

“流动化学”的概念定义了通常在反应器区域中发生在连续流动物流中的化学过程的非常一般的范围。流动化学的应用依赖于使用多种反应器类型进行特定反应的泵送试剂的概念。最常见的反应器类型是活塞流反应器和柱式反应器，而对于特定的化学反应，可能需要更复杂的反应器设计（例如光反应器，电化学反应器等）。

流动化学：设置，优势和参数

系统设置

下面显示的是流动化学装置的一般示意图（请参阅Darvas F.，Dorman G.，Hessel V. 流动化学，第1卷：基础知识）。

a）泵：用于输送可重现量的溶剂和试剂；通常的类型是活塞，蠕动，注射或齿轮离心泵
b）反应回路：用于引入少量试剂
c）T型管：主要混合点，在此处混合试剂流
d）螺旋反应器：为分离器提供停留时间反应
e）塔式反应器：装有固体试剂，催化剂或清除剂
f）背压调节器：控制系统压力
g）下游单元：在线分析，后处理等

图1。市售流动系统的示例

流动化学的优点

与标准间歇化学方法相比，使用流动技术具有明确的关键优势：

• 改善传热

• 改进的传质/混合

• 重现性

• 放大

• 极端反应条件（高温/低温，高压）

• 多步（伸缩）

• 在线下游处理

• 自动化

• 提高安全性（管理危险试剂和中间体）

流动化学中的参数

除了上述优点之外，在流动条件下进行反应还需要了解许多反应参数（例如化学计量，反应时间，稳态概念等）。

a）化学计量

在分批条件下，化学计量是通过所用试剂的摩尔比来设定的，而在流动过程中，诸如流速和摩尔比之类的参数之比用来设定特定的化学计量。

b）中的停留时间为“反应时间”

在间歇模式合成中，反应时间由容器在固定条件下搅拌的时间确定，而流动过程中反应时间的概念由停留时间表示，即试剂在反应器区域中所花费的时间。停留时间由反应器体积与反应流速（总流速）之比给出。

τ= V / q
，其中τ是对应于停留时间的变量，V是系统的体积，q是系统的流量

c）流量

在间歇模式下，反应动力学基本上由指定反应条件下的试剂暴露时间控制，在流动条件下，反应动力学由试剂流的流速控制。试剂的流速确实会影响反应的停留时间并影响转化的结果。

q = dV / dt
q通常以mL min ^-1等单位表示

d）体积与空间（稳态）

考虑分批反应时，试剂和产物的浓度会随时间变化，并且混合成为一个重要方面（尤其是在增加反应规模时），以减少影响反应动力学的浓度梯度。在流动条件下，反应器的每个部分均由一种或多种起始原料和产物的特定浓度定义：从这个意义上讲，可以在空间而非时间范围内定义流动反应器中的反应曲线。流动化学中一个非常重要的参数是稳态，它定义了一个条件，在该条件下，所有参数均已定义并且在特定时间点保持不变（稳定）。

e）混合和传质

与流式混合相比，与分批模式相比具有很高的优势，因为它是由很小体积的试剂中的扩散决定的。高度混合可转化为更好的反应曲线。实际上，在流动条件下，传质被认为是非常有效的，并且确定了观察到的比动力学和增强的动力学。应考虑到混合的特定方面（例如轴向混合与涡旋混合），并且取决于特定的流体行为，即塞流或层流模式。

e）温度控制和传热

由于具有高的表面积体积比，因此可以非常精确地控制流动过程中的温度。
因此，尽管该参数取决于流体行为的上述特定方面，但是传热可以非常有效。实际上，取决于流是层流还是湍流，热传递可以遵循不同的模式。

流动反应器的标准类型

a）活塞流反应器

这种类型的电抗器具有圆柱形几何形状（例如，线圈电抗器）。活塞流反应器的实例可以在文献中找到。
请参阅：组织。来吧 ，2015，17，3218-3221（Ley等人）; 单位 生物分子 化学 2014，12，3611-3615（Kirschning等人）; Angew。化学 诠释 埃德 2015年，54，678-682（泽贝格尔等人）; Angew。化学 诠释 埃德 ，2013，52，11628-11631（Buchwald等人）; SYNLETT 2016，27，159-163（巴克森德尔等人）中

小型化的活塞流反应器的具体例子是由组吉田教授的，谁已经实现快速化学物质的概念，由此转换是秒内运行描述（例如，参见：。。Angew化学国际版 2015，54，1914-1918）

b）柱式反应器

柱反应器可以填充有既可以用作催化剂也可以用作化学计量试剂的特定材料。无论哪种情况，都对下游处理操作有重要影响。柱式反应器的实例可以在文献中找到。
请参阅：Angew。化学 诠释 埃德 ，2014，54，263-266（Buchwald等人）; 化学 科学 2015年，6，1120至1125年（Ley等人）; 自然， 2015，520，329-332（Kobayashi等人）; 自然化学，2016，DOI： 10.1038 / nchem.2439（Battilocchio等）

c）气体反应堆

在批处理模式下，使用气体作为试剂可能会带来一些挑战。科学家们已经实现几个气体流反应器的设计，降低与气体处理，增加流动条件下的处理效率和鲁棒性的问题。气体反应器的实例可以在文献中找到。
请参阅：组织。来吧 2010，12，1596年至1598年（Ley等人）; Angew。化学 诠释 埃德 ， 2012， 51，1706 -1709（泽贝格尔等人）; 单位 来吧 ，2013，15，5590-5593（KAPPE等人）中

特别有趣的是管中管，这是由该组教授史蒂芬莱伊的发明的情况下（加速。化学式水库，2015年，48，349-362）用于气体的无数的和。

d）浆料反应器

反应可以形成泥浆和这些可以代表一个真正的挑战，特别是从微观和中观流体学的观点。化学家们提出了解决这些问题的解决方案，以便连续处理浆料。用于浆料的反应器的实例可以在文献中找到。
参见：化学 。技术。 2015年，38，259-264（Ley等人）中

e）光化学流反应器

流式光化学反应器彻底改变了化学家应对这一化学领域的方式。这些系统可以非常容易地设置和使用，并允许化学家管理小规模或大规模反应，而没有任何重大挑战。在文献中可以找到光化学流反应器的实例。
请参阅：反应。化学 。，2016，DOI： 10.1039 / C5RE00037H（Baxendale等）; 反应 化学 。，2016，1，73-81（Noel等人）; Angew。化学 诠释 埃德 2013，52，1499 -1502（布克-米尔本等人）; 绿色化学。，2013，15177-180（Poliakoff等）

f）ckle流床反应器（TBR）

ckle流床反应器代表了一种在流动条件下运行三相过程的强大系统。固定床通常装有催化剂（固体），并且该系统可以使用各种气体和液体进料运行。
滴流床反应器的实例可以在文献中找到。
请参阅：组织。流程解析。开发人员 ，2014，18，一五六零年至1566年（Ley等人）; ACS SusChemEng，DOI：10.1021 / acssuschemeng.6b00287（Battilocchio等）；