流動(dòng)化學(xué)（flow chemistry）也叫連續(xù)流動(dòng)化學(xué)（continuous flow chemistry）或者間斷式流動(dòng)化學(xué)（plug flow chemistry）。在流動(dòng)化學(xué)反應(yīng)中，兩個(gè)或更多的反應(yīng)試劑連續(xù)泵入流動(dòng)反應(yīng)器中進(jìn)行混合并在熱量控制的條件下發(fā)生反應(yīng)，在釜式化學(xué)反應(yīng)器中通常是一次性加入反應(yīng)物進(jìn)行反應(yīng)。流動(dòng)反應(yīng)器可以是簡(jiǎn)單的管道、管線(xiàn)或者復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)集成裝置，這些組合的裝置和反應(yīng)器可以維持設(shè)定的溫度和壓力范圍，通過(guò)優(yōu)化參數(shù)來(lái)促進(jìn)所希望的反應(yīng)快速與成功進(jìn)行。在連續(xù)流動(dòng)電化學(xué)或光化學(xué)反應(yīng)條件下，反應(yīng)系統(tǒng)可于電流或光照條件下來(lái)促進(jìn)反應(yīng)順利進(jìn)行。與分批工藝相比，流動(dòng)化學(xué)具有許多固有的優(yōu)勢(shì)，可提高重現(xiàn)性和安全性，增加傳統(tǒng)上難以使用的中間體和反應(yīng)條件，并通過(guò)連接多個(gè)單元更有效地進(jìn)行多步工藝。
流動(dòng)化學(xué)的使用已在化學(xué)界迅速崛起。由于該方法的模塊化性質(zhì)，因此應(yīng)用流程具有廣泛的多功能性，可以輕松集成新條件，設(shè)備，分析，自動(dòng)化以及用于單步和多步過(guò)程的試劑類(lèi)型。該方法的基本區(qū)別特征是試劑/溶液的輸送具有很高的精確度，并且可以很好地控制溶液所處的條件。精確的控制可實(shí)現(xiàn)出色的重現(xiàn)性和安全性。流動(dòng)化學(xué)適用于從大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)規(guī)模的過(guò)程化學(xué)家的研究人員。
流動(dòng)化學(xué)具有改善反應(yīng)時(shí)間、精準(zhǔn)的溫度控制、多步合成、提高選擇性等優(yōu)勢(shì)。在化學(xué)中，溫度是實(shí)現(xiàn)反應(yīng)所需活化能的最重要的物理參數(shù)。根據(jù)阿倫尼烏斯方程，溫度每升高10°C反應(yīng)速率就會(huì)加倍。流動(dòng)化學(xué)方法因能夠精確控制反應(yīng)溫度，所以可以更好控制反應(yīng)的結(jié)果。流動(dòng)化學(xué)反應(yīng)器通常采用HPLC 部件。背壓調(diào)節(jié)閥對(duì)反應(yīng)混合物的流動(dòng)產(chǎn)生阻力，可產(chǎn)生高壓。結(jié)合快速傳熱，這意味著我們可以將低沸點(diǎn)溶劑加熱至超過(guò)其沸點(diǎn)。這種方式可以避免使用難以去除且昂貴高沸點(diǎn)溶劑。此外，流動(dòng)反應(yīng)器另一附加優(yōu)點(diǎn)是可以使用非偶極矩溶劑。
與批處理相比，流動(dòng)化學(xué)具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，特別是：
1. 極端反應(yīng)條件的安全使用
高效混合
出色的熱控制
危險(xiǎn)反應(yīng)的過(guò)程強(qiáng)化
2. 減少開(kāi)發(fā)時(shí)間
持液量少
快速反應(yīng)優(yōu)化
最小放大步驟
3. 改進(jìn)的過(guò)程控制
高水平的反應(yīng)控制
過(guò)程重現(xiàn)性
質(zhì)量源于設(shè)計(jì) (QbD)
4. 降低生產(chǎn)成本
提高產(chǎn)品質(zhì)量
減少安全投資
更高的單位生產(chǎn)力——更少的資本支出
連續(xù)流化學(xué)技術(shù)已應(yīng)用于多種反應(yīng)類(lèi)型，包括但不限于：
? 低溫反應(yīng)
? 重氮化反應(yīng)
? 高溫和/或高壓反應(yīng)
? 高能化學(xué)反應(yīng)
? 涉及刺激性和特殊氣味中間體、原料或產(chǎn)物的反應(yīng)
? 涉及有毒試劑或產(chǎn)物的反應(yīng)
? 氧化反應(yīng)
? 硝化反應(yīng)
? 溴化反應(yīng)
? 氟化反應(yīng)
? 電解反應(yīng)
? 光化學(xué)/催化
為了充分利用流動(dòng)化學(xué)的潛力，化學(xué)家首先必須能夠辨別何時(shí)以及如何有利于流動(dòng)。首先要牢記進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)以及其固有的問(wèn)題（包括過(guò)程和機(jī)理）等?；瘜W(xué)家也需要了解可用的流動(dòng)化學(xué)設(shè)備功能、優(yōu)勢(shì)/劣勢(shì)。
圖1.連續(xù)流系統(tǒng)基礎(chǔ)組件示意圖
和間歇釜式反應(yīng)器比較，連續(xù)流動(dòng)化學(xué)反應(yīng)器有著自身的優(yōu)點(diǎn)，如：反應(yīng)物可以在幾秒鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散與混合，反應(yīng)溫度可以高于溶劑的沸點(diǎn)，反應(yīng)更快速；在高的比表面積與體積比率反應(yīng)器中，反應(yīng)物可以被快速加熱或冷卻從而精準(zhǔn)控制溫度，反應(yīng)更干凈；單位時(shí)間里反應(yīng)器中只有少量危險(xiǎn)的中間體生成與少量的反應(yīng)熱量產(chǎn)生，反應(yīng)更安全；快速干凈安全的反應(yīng)特性使得連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)設(shè)備中的化學(xué)反應(yīng)選擇性更好。
1.連續(xù)流動(dòng)化學(xué)-微通道反應(yīng)器工藝
微反應(yīng)工藝，即采用微通道反應(yīng)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的工藝，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)。
微流體工藝過(guò)程連續(xù)，系統(tǒng)密閉， 瞬間反應(yīng)物料量小， 可精確控制反應(yīng)條件自動(dòng)控制程度高,實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)過(guò)程。
近年來(lái)微流體技術(shù)的快速發(fā)展。已經(jīng)在化學(xué)、中間體及生命科學(xué)等領(lǐng)域上造成革命性的沖擊。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在精細(xì)化工反應(yīng)中，大約有20%的反應(yīng)可以通過(guò)采用微流體化工技術(shù)。相信未來(lái)將會(huì)有更多的反應(yīng)可以通過(guò)該技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
在收率、選擇性或安全性等方面得到提高。微化工技術(shù)可用于高效換熱、高效混合、強(qiáng)放熱反應(yīng)過(guò)程，高附加值精細(xì)化學(xué)品、劇毒物質(zhì)、超細(xì)/納米顆粒以及高能炸藥的生產(chǎn)過(guò)程。
在目前世界范圍資源日趨減少，環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重的情況下，微反應(yīng)技術(shù)可以打造更安全、更環(huán)保、更高效的化學(xué)產(chǎn)品的生產(chǎn)之路，對(duì)于未來(lái)化工行業(yè)的發(fā)展具有十分重大的意義。
2.連續(xù)流動(dòng)化學(xué)-微通道反應(yīng)器技術(shù)原理及優(yōu)勢(shì)
微反應(yīng)化工工藝有利于實(shí)現(xiàn)“更好” “更快” “更便宜” “更安全” “更環(huán)保”化學(xué)反應(yīng)過(guò)程 。更高的產(chǎn)率和更好的選擇性是微反應(yīng)工藝的主要目標(biāo)。
基本原理：
通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)單元對(duì)流經(jīng)的反應(yīng)流體進(jìn)行切割，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)流體見(jiàn)以微米時(shí)空尺寸，甚至更小進(jìn)行混合和換熱。與傳統(tǒng)化工技術(shù)相同，微化工技術(shù)也使用反應(yīng)器、混合器、換熱器等單元組件。
技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
同傳統(tǒng)化工工藝相比，微化工工藝微反應(yīng)工藝實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳質(zhì)傳熱的真正強(qiáng)化，使化學(xué)過(guò)程：
(1) 傳質(zhì)傳熱快：微反應(yīng)器能使化學(xué)反應(yīng)速率接近他們的動(dòng)力學(xué)極限，比表面積大，擴(kuò)散距離短，傳遞速率高；傳質(zhì)傳熱效率較常規(guī)設(shè)備提高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)；
(2)收率高：精確控制停留時(shí)間與反應(yīng)溫度，減少副產(chǎn)物，提高選擇性和收率，簡(jiǎn)化工藝，提高產(chǎn)能；
(3)安全環(huán)保：反應(yīng)過(guò)程密閉連續(xù)，瞬間持有量小，自動(dòng)化控制程度高，可精確控制反應(yīng)；
(4)經(jīng)濟(jì)節(jié)能：數(shù)增放大，無(wú)放大效應(yīng)，轉(zhuǎn)化周期短；占地面積小，大大降低投資成本及能耗；
3.連續(xù)流動(dòng)化學(xué)-微通道反應(yīng)器應(yīng)用領(lǐng)域
微反應(yīng)器目前主要應(yīng)用于：精細(xì)化工（農(nóng)藥、染料、助劑、香精香料）、醫(yī)藥中間體、納米材料、高分子材料等。
微反應(yīng)器主要應(yīng)用反應(yīng)類(lèi)型：快速反應(yīng)、瞬間反應(yīng)、強(qiáng)放熱反應(yīng)、傳質(zhì)控制反應(yīng)（液液非均相、氣液非均相）、反應(yīng)時(shí)間敏感（不穩(wěn)定中間體、不穩(wěn)定產(chǎn)品）、工藝難放大體系等。
連續(xù)流動(dòng)化學(xué)與自動(dòng)化設(shè)備的集成，使得化學(xué)反應(yīng)條件可以在微升規(guī)模進(jìn)行調(diào)節(jié)，反應(yīng)時(shí)間、溫度、流量、泵體積和壓力等參數(shù)均可以快速進(jìn)行變化。獨(dú)立便捷的溶劑清洗操作保證反應(yīng)可以一個(gè)接著一個(gè)進(jìn)行，利于進(jìn)行快速反應(yīng)條件優(yōu)化。穩(wěn)定的物料混合和熱量傳送將化學(xué)反應(yīng)的放大效應(yīng)減到最小，較高的流速和較大的反應(yīng)器配套使用幫助實(shí)現(xiàn)公斤級(jí)與噸級(jí)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)。無(wú)論在單一微反應(yīng)器中還是集成的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)裝置里，選擇連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)可以提供許多優(yōu)勢(shì)功能和參數(shù)選擇，為各類(lèi)化學(xué)品的安全、清潔和高效生產(chǎn)提供了可能性。
1）試劑流量 – 在連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器中反應(yīng)物通過(guò)壓力泵可以連續(xù)泵入與流經(jīng)反應(yīng)器通道，這與間歇釜式反應(yīng)器通常將所有反應(yīng)物在開(kāi)始時(shí)全部加入單元釜中不同；
2）反應(yīng)時(shí)間控制 – 試劑流過(guò)反應(yīng)器的時(shí)間（也稱(chēng)為停留時(shí)間），可以通過(guò)儀器參數(shù)設(shè)定來(lái)調(diào)節(jié)；
3）化學(xué)計(jì)量比調(diào)整 – 調(diào)整反應(yīng)底物的相對(duì)濃度與相對(duì)流量可以控制反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量比；
4）換熱 – 和釜式反應(yīng)器比較，連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器有非常大的比表面和容積比率，換熱性能出色；
5）傳質(zhì) – 小尺寸反應(yīng)通道和良好的混合性能使得連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器具有優(yōu)良的傳質(zhì)能力；
6）放大 – 連續(xù)流動(dòng)化學(xué)反應(yīng)可以簡(jiǎn)單地通過(guò)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間來(lái)制備更多產(chǎn)品，規(guī)避了釜式反應(yīng)器可能的放大效應(yīng)，反應(yīng)放大更加容易；
7）精確控制 – 連續(xù)流動(dòng)化學(xué)反應(yīng)設(shè)備可以精準(zhǔn)控制五個(gè)關(guān)鍵的反應(yīng)參數(shù)（化學(xué)計(jì)量比、 混合速率、 溫度、 壓力和反應(yīng)時(shí)間）；
8）減少危害原料留存 - 當(dāng)反應(yīng)在連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)，只有少量潛在危害性原料留存在反應(yīng)"過(guò)程"或"管道"中；
9）嵌套反應(yīng) – 反應(yīng)中間體不需要分離時(shí)，可以直接泵入下一個(gè)反應(yīng)底物進(jìn)行連續(xù)的嵌套反應(yīng)；
10）沒(méi)有頂空 – 連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器沒(méi)有頂空，反應(yīng)器內(nèi)的壓力由稱(chēng)為背壓調(diào)節(jié)閥 （BPR）的設(shè)備控制，釜式反應(yīng)器在進(jìn)行高壓反應(yīng)時(shí)頂空內(nèi)的氣體必須加壓；
11）低返混 – 連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器可以通過(guò)反應(yīng)設(shè)備參數(shù)控制做到很少或沒(méi)有返混。
連續(xù)流反應(yīng)器的實(shí)際應(yīng)用
階 段 | 流動(dòng)技術(shù) |
研 發(fā) | 新的化工工藝評(píng)估： |
通過(guò)使用少量的化學(xué)試劑和催化劑進(jìn)行詳細(xì)的研究 | |
材料生產(chǎn)： | |
納米顆粒、膠體、顏料和聚合物的高規(guī)格制備 | |
工藝開(kāi)發(fā) | 快速實(shí)現(xiàn)從研發(fā)向中試規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化； |
能在實(shí)驗(yàn)室研究后通過(guò)反應(yīng)較長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)Kg級(jí)的產(chǎn)物； | |
能采用以前難以實(shí)現(xiàn)的方法合成某些產(chǎn)物； | |
可實(shí)現(xiàn)一定規(guī)模的生物催化、光化學(xué)、電化學(xué) | |
生 產(chǎn) | |
安全性高，以前被禁止的一些化學(xué)反應(yīng)可以在有良好的安全性的反應(yīng)器中執(zhí)行； | |
精細(xì)化學(xué)品、顏料和離子液體的合成； | |
醫(yī)藥活性中間體的生產(chǎn)（如cGMP、API’s等） |