化工廠爆炸的火焰時刻攛掇于各大新聞首頁，消防隊的救援聲緊緊圍繞在耳邊長鳴。傳統(tǒng)化工行業(yè)究竟何去何從?何時才能讓普通群眾不在“談化色變”?

人類最早在17世紀(jì)就已經(jīng)進入大化工時代，由于科學(xué)技術(shù)水平不高，最初化工行業(yè)的研究和應(yīng)用更多停留在農(nóng)業(yè)、航運、軍事上。在一位位杰出學(xué)者的不懈努力下，化工行業(yè)的摩天大樓在短短200年就拔地而起，被應(yīng)用在生活的方方面面。高聳入云的煙囪，如碑林立的煉化爐成為了人們對于化工行業(yè)的第一印象。中國化工行業(yè)相較于西方國家起步較晚，為了早日步入現(xiàn)代化，開始了一場轟轟烈烈的工業(yè)大發(fā)展，一大批良莠不齊的企業(yè)加入到這場化工盛宴中，給化工行業(yè)帶來高速發(fā)展的同時也為后世的生產(chǎn)安全和生活安全埋下了禍根。每年都能聽到各地化工廠爆炸的新聞，每每聽到傷亡人數(shù)無不令人感到惋惜與后怕。問題遺留至今，已然成為一把懸在政府和人民群眾頭上的達摩克利斯之劍，化工技術(shù)改革不得不提上議程。

安徽科芯微流化工有限公司依托中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研發(fā)平臺，致力于為化工行業(yè)發(fā)展貢獻自己的力量。本公司系統(tǒng)的調(diào)研了目前國內(nèi)外化工行業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)狀，提出了化工生產(chǎn)的三問：化工安全問題主要是出在化學(xué)工藝上還是生產(chǎn)設(shè)備上(本質(zhì)是化學(xué)和材料的沖突與聯(lián)系)?化工生產(chǎn)方式能否跳出“一鍋煮”，來防止被“一鍋端”?其他行業(yè)的先進技術(shù)能否為我所用?本公司認(rèn)為，化工安全問題頻發(fā)的直接原因是化工生產(chǎn)過程中物料本身危險級數(shù)高，操作風(fēng)險大，回收控制難，導(dǎo)致細(xì)微的操作誤差就引發(fā)了巨大的風(fēng)險和危害;間接原因是多數(shù)化工企業(yè)設(shè)備占地面積廣，制造成本高，各種焊接、銜接、拼接、擰轉(zhuǎn)的的結(jié)構(gòu)多，使得很多化工企業(yè)畢其功于一役，后期清潔、維護、檢查又不到位，從而引發(fā)了重大生產(chǎn)事故。在找尋答案的路上，美國康寧的連續(xù)流微反應(yīng)器沖入了中國市場，給國內(nèi)所有志同道合的企業(yè)家們提供了借鑒方向。一場轟轟烈烈的連續(xù)流化工技術(shù)的發(fā)展就此拉開了帷幕。

安徽科芯微流找準(zhǔn)定位，不局限于康寧的微反應(yīng)器，著力于解決國內(nèi)化工企業(yè)生產(chǎn)安全和生產(chǎn)產(chǎn)量的問題。新技術(shù)的誕生意味著舊的技術(shù)將被逐漸代替或顛覆。很多連續(xù)流設(shè)備制造者和工藝開發(fā)團隊仍舊是拿著釜式工藝的技術(shù)來研究連續(xù)流技術(shù)。本公司的研發(fā)理念：對傳統(tǒng)化工是取其精華去其糟粕，對全行業(yè)和全領(lǐng)域是如能為我用皆可來之。時刻提醒自己新技術(shù)的產(chǎn)生一定會誕生新版本的教材，需要注意到以前沒有注意到的問題。這也對研究人員提出更高的要求，在了解一些工藝工程的同時需要對反應(yīng)的動/熱力學(xué)和機理有更深刻的認(rèn)識，還需要與其他化工技術(shù)人員密切合作，這樣才能有效利用連續(xù)流這個新的工具。

根據(jù)報告，目前國內(nèi)市場大約50-70%的反應(yīng)能受益于連續(xù)流工藝。但是要得到好的結(jié)果，需要做很多的改變才能真切的獲得益處。例如，大約50%的反應(yīng)有固體參與或生成。有固體并不意味著就不能進行連續(xù)流實驗，這就需要實驗人員做很多的改變，包括反應(yīng)試劑、反應(yīng)溫度及加料方式等等。除此之外，很多反應(yīng)在傳統(tǒng)的處理過程中存在很大的安全隱患或者小中試工藝能取得較優(yōu)結(jié)果但是難于放大生產(chǎn)。工程師在設(shè)計路線時，往往需要極力避免不利因素，導(dǎo)致合成路線較長，或者使用很貴的替換試劑。而連續(xù)流技術(shù)為工程師提供了另外一種思路，可以避免這些不利因素，有效降低成本。新技術(shù)的開發(fā)從來都不是一帆風(fēng)順的，連續(xù)流技術(shù)更是如此，也期望各位化學(xué)家和工程師們集中力量、共謀發(fā)展，促成連續(xù)流技術(shù)的應(yīng)用和進步。

一、連續(xù)流工藝開發(fā)

1.1連續(xù)流工藝開發(fā)流程

在進行連續(xù)流工藝開發(fā)時，為了保證反應(yīng)物能夠?qū)崿F(xiàn)良好的傳質(zhì)傳熱，并且在實驗過程中不會發(fā)生跑冒漏滴等實驗室事故，要求化學(xué)家或工程師們在進行工藝開發(fā)時要嚴(yán)格遵循以下的流程：調(diào)研原料和產(chǎn)物的理化性質(zhì)，選擇合適的反應(yīng)器，設(shè)計出合理的反應(yīng)路線，進行結(jié)果反饋總結(jié)。具體操作流程如下：

1.2連續(xù)流反應(yīng)的設(shè)備選擇

連續(xù)流設(shè)備多種多樣，不同設(shè)備滿足不同的需求。在選擇連續(xù)流設(shè)備時，需要綜合考慮安全、反應(yīng)機理、傳質(zhì)要求、設(shè)備特點等內(nèi)容。以下是安徽科芯微流的幾款主推設(shè)備，同種設(shè)備有不同材質(zhì)，不同設(shè)備可互相組合，可應(yīng)用于不同反應(yīng)體系中。

二、連續(xù)流實驗實用技巧

根據(jù)連續(xù)流化學(xué)的相關(guān)特點，本公司將連續(xù)流技術(shù)工藝工程分為進料、反應(yīng)、溫控、收集四大模塊。針對不同模塊的問題和特點，本公司結(jié)合自己的生產(chǎn)經(jīng)驗給出了以下幾種解決方式，也期望后續(xù)同行能相互補充。

2.1預(yù)熱和保溫

為實現(xiàn)反應(yīng)過程中溫度的準(zhǔn)確控制，可以提前將物料換熱;達到設(shè)定溫度后，再混合反應(yīng)。反應(yīng)片1和2進行預(yù)熱，第3片開始混合反應(yīng)。微通道反應(yīng)器的換熱效率較高，在-20~250 ℃的范圍內(nèi)，一般1片微通道反應(yīng)器就可以在極短的時間里將物料預(yù)熱到目標(biāo)溫度。

反應(yīng)器預(yù)熱

除此之外，泵進出口的輸料管線也可以提前進行換熱，如采用伴熱帶加熱、管線換熱夾套換熱等等。伴熱帶應(yīng)用簡單是比較常用的方式，有恒溫伴熱帶(如自來水管伴熱帶、70 ℃左右)和可調(diào)溫度伴熱帶(一般是30~180 ℃)。

伴熱帶

對于易揮發(fā)、凝固析出晶體或易分解氣化的原料在用泵輸送過程中，需要進行管路冷卻、或保溫。如甲胺水溶液的輸送，甲胺水溶液易揮發(fā)，產(chǎn)生氣體。氣泡的產(chǎn)生，會影響高壓柱塞泵的流量穩(wěn)定性和精確度。在連續(xù)流實驗過程中，泵處于壓力輸送狀態(tài)，如果單相閥產(chǎn)生氣泡，會出現(xiàn)流量波動，甚至出現(xiàn)不進料的情況，導(dǎo)致實驗失敗。甲胺水溶液需要提前降溫，并且將整個輸送管路加裝保溫材料。最好是選擇能夠降溫的泵，保證物料不會在泵里面氣化。又如苯酚的輸送，苯酚的熔點在60℃左右，在進料過程中一般采取加熱融化的方式，需要對泵和管路進行保溫處理，防止在管路中析出。

2.2進料體積比優(yōu)化

目前市面上大多數(shù)的進料泵(高壓柱塞泵、隔膜泵、蠕動泵等)在原理上存在脈沖。同時輸送物料，很難保證物料之間體積比(或質(zhì)量比)的穩(wěn)定性。存在進料泵導(dǎo)致的局部配比失衡。物料之間的體積比(或質(zhì)量比)越大，配比失衡越明顯。配比失衡嚴(yán)重影響反應(yīng)效果。

在連續(xù)流反應(yīng)器中，流體的湍流(或混沌流)，只可以弱化局部的配比失衡。不同的反應(yīng)器，不同的通道結(jié)構(gòu)，弱化能力不同。普遍認(rèn)為，將物料之間的體積比控制在≤10倍范圍內(nèi)比較合適。

對于均相體系，可以將溶劑進行分配或增加溶劑，調(diào)節(jié)體積比。如均相硝化反應(yīng)，可以將H2SO4進行分配，一部分溶解原料，一部分配制混酸。對于非均相硝化反應(yīng)，可以嘗試調(diào)節(jié)溶劑用量，調(diào)節(jié)體積配比。

對于非均相體系，可以采用溶劑將物料稀釋，調(diào)節(jié)配比。如，液氯氯化反應(yīng)，液氯不溶于DCM，原料(DCM溶液)與液氯的體積比>10 倍，可以采用DCM稀釋液氯，將液氯打成高分散狀態(tài)，再參與反應(yīng)的方法調(diào)節(jié)體積配比。

液氯稀釋

另外，一些反應(yīng)由于放熱速度快，反應(yīng)受熱影響較大，在開發(fā)連續(xù)流工藝時可采取分散進料和分段控溫的方式來解決此類問題。連續(xù)流設(shè)備非常容易實現(xiàn)分段控溫。不同反應(yīng)段，不同的溫度控制，對提高反應(yīng)的安全性、選擇性、原子利用率有很大幫助。對于分散多位點進料有以下兩點優(yōu)勢：

①調(diào)節(jié)物料配比：對于體積比較大的反應(yīng)，可以分散進料，調(diào)節(jié)原料體積比。對于副反應(yīng)較多的反應(yīng)，可以進行饑餓反應(yīng)，通過降低一股原料(如硝化反應(yīng)的硝酸/硫酸、氧化反應(yīng)的雙氧水/次氯酸鈉、溴代/氯代反應(yīng)的液溴/液氯)和另一股原料或主產(chǎn)物的接觸機會，從而降低副反應(yīng)的發(fā)生。

②分散反應(yīng)熱量：將反應(yīng)物分散進料，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，可以分配至不同的部位，減緩溫度波動，抑制飛溫現(xiàn)象。在反應(yīng)劇烈，放熱量大的反應(yīng)中需要采用此種方案，如微通道雙氧水氧化工業(yè)化生產(chǎn)。

還有一種方式，可以優(yōu)化體積配比，就是調(diào)節(jié)不同物料輸送管路的內(nèi)徑。通過調(diào)節(jié)內(nèi)徑的尺寸，調(diào)整物料流動的截面面積。

管徑調(diào)節(jié)體積配比

2.3進料速度

反應(yīng)物料在微通道中流動時，在物料、管道確定的情況下，雷諾數(shù)Re與流速 成正比。為了達到理想的混合效果，應(yīng)選擇較大的進料速度。

式中，ρ-流體密度(kg/m3); -平均流速(m/s);d-管直徑(m);μ-流體動力黏度(Pa·s或N·s/m2)

連續(xù)流反應(yīng)器有自身的持液量V0(即設(shè)備的容積)，對于常規(guī)的液液反應(yīng)，其停留時間計算方法為：

式中， -物料總流速(mL/min);V0-設(shè)備的容積(mL)。

連續(xù)流反應(yīng)器中的反應(yīng)時間與物料進料速度成反比，速度越快，時間越短;同樣要達到相同的反應(yīng)時間，需要的連續(xù)流設(shè)備越長。同時，流體在管道中流動，流速越大，摩擦力越大，壓降越大。實驗中，需要綜合分析混合效果、反應(yīng)時間、壓降等因素來選擇最佳的進料速度。

2.4氣液混合

氣液反應(yīng)，存在非常大的傳質(zhì)阻力和混合難度。在連續(xù)流工藝過程中，氣液的混合效率對反應(yīng)效果有決定性的影響。對于氣液反應(yīng)可以采用背壓壓縮法、溶液溶解法、微氣泡法等。

背壓壓縮法：壓強對固體、液體(溶液)的反應(yīng)影響較小，對需要氣體參與的反應(yīng)有明顯的促進作用。氣體的壓強增大，縮小氣體體積，相應(yīng)的濃度增大，有效碰撞幾率增大，增加反應(yīng)速率。氣體體積減小，有利于延長液體或是氣體在反應(yīng)器中的停留時間。當(dāng)氣體壓強增大到一定程度時，氣液反應(yīng)變?yōu)橐阂悍磻?yīng)。可以改變物料的進料狀態(tài)，減輕物料進料和計量的難度。如液氯氯化和液氨氨解。

進行體系背壓的主要設(shè)備為背壓閥，背壓閥的使用方式包括兩種：直接使用、間接使用。

① 直接使用：背壓閥連接至管路，物料通過背壓閥，對背壓閥腐蝕嚴(yán)重，縮短背壓閥的使用壽命。

② 間接使用：背壓閥安裝至氣液分離罐，液態(tài)物料儲存于氣液分離罐，氣體通過背壓閥，背壓閥的精度更穩(wěn)定，使用壽命更長。

氣液分離罐+背壓閥

溶液溶解法：某些氣體在溶劑中的溶解度較大，將氣體溶于溶劑，將氣液非均相反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐阂壕喾磻?yīng)。如氨解反應(yīng)，可以將氨氣溶于溶劑(甲醇、丙酮等)。可以借助微混合器、板式微氣泡反應(yīng)器或動態(tài)管反應(yīng)器等連續(xù)流設(shè)備實現(xiàn)氣體的快速溶解。

微氣泡法：將氣泡剪切成微米/納米級微氣泡，與液體混合后形成乳化液，增大相接觸面積，或借助膜材料將氣體分割成更小分散到溶液中。

2.5固體參與或生成

連續(xù)流工藝開發(fā)中，固體的參與和生成是個很大的難題。進料困難、設(shè)備堵塞問題、固液傳質(zhì)阻力大等，制約了連續(xù)流工藝的開發(fā)。對于固體問題常采用以下方法進行優(yōu)化：

①使用溶劑溶解固體。將進料困難的固液非均相反應(yīng)，改變?yōu)橐阂壕喾磻?yīng)。對于有固體生成的反應(yīng)則需要增加溶劑的量或使用其他溶劑組合使用。

②加熱熔融。將較難控制的固體進料轉(zhuǎn)換成較好控制，反應(yīng)傳質(zhì)更好的液體進料。但是容易在管路中析出較多固體，導(dǎo)致實驗失敗。需要將整個輸送管路加裝保溫材料。最好是選擇能夠加熱的泵，保證物料不會在泵里面析出。

管路保溫

當(dāng)然對于熔點在30~ 70 ℃左右的原料，我們也可以采用常規(guī)的高壓柱塞泵，結(jié)合鼓風(fēng)干燥箱來實驗小試實驗的運行。

鼓風(fēng)干燥箱保溫進料

對于熔點較高的的原料(如鈉、鉀等)，我們可采用間接進料的方式。比如使用惰性介質(zhì)白油將金屬溶解成均一液相，然后打入反應(yīng)器中反應(yīng)。

高溫熔融間接進料

③固體破碎處理。A:對于不能使用溶劑、無法實現(xiàn)高溫熔融的反應(yīng)，可將大的固體顆粒使用輔助設(shè)備(研缽等)磨至微米/納米級別，增大相界面面積，采用固體進料裝置進料。B:對于不能溶解在溶劑中、無法實現(xiàn)高溫熔融的反應(yīng)，可將固體粉末均勻的分散在溶劑中，借助對固體容忍性較好的泵(隔膜泵、漿料泵等)進料。

2.6連續(xù)流工業(yè)化放大

連續(xù)流技術(shù)的切入點是將傳統(tǒng)間歇釜式工藝或稱為“一鍋煮”，改革為連續(xù)的小通量反應(yīng)。相較于釜式比較簡陋粗略的反應(yīng)控制和監(jiān)測過程，連續(xù)流技術(shù)精準(zhǔn)而又靈敏，且連續(xù)流技術(shù)與在線監(jiān)測技術(shù)有更好的融合性，為新產(chǎn)品或新工藝的開發(fā)提供了極大地便利。另外，反應(yīng)過程中較小的瞬時處理量，極大的降低了反應(yīng)過程帶來的安全隱患。高效的傳質(zhì)、傳熱優(yōu)勢，縮短了反應(yīng)完全進行的時間。以微止危，本質(zhì)安全成為了連續(xù)流技術(shù)的最大特色。在放大生產(chǎn)時，連續(xù)流設(shè)備也有他的優(yōu)勢。工業(yè)化設(shè)備與小試設(shè)備相比，只在空間體積增大了幾倍至十幾倍。與釜式反應(yīng)的幾千倍相比，傳質(zhì)的放大效應(yīng)非常小。打通的小試工藝，可以快速地應(yīng)用于工業(yè)化設(shè)備。

但是，連續(xù)流工業(yè)化放大過程中，也會出現(xiàn)一些不可避免的問題。由于連續(xù)流反應(yīng)器為了促進傳質(zhì)傳熱，大多持液量有限。尤其是板式微通道反應(yīng)器，單塊反應(yīng)器的持液量大約在單板內(nèi)表面積的0.5~2倍。很多反應(yīng)在單一連續(xù)流設(shè)備中不能完全反應(yīng)，可以串聯(lián)其它設(shè)備，從而延長反應(yīng)時間。對于非均相液態(tài)反應(yīng)，由于其對于混合要求比較高，常采用板式微通道反應(yīng)器串聯(lián)或是動態(tài)管反應(yīng)器串聯(lián)。對于均相液態(tài)反應(yīng)，可以采用盤管或靜態(tài)延時反應(yīng)器串聯(lián)。在操作過程中，我們一般讓反應(yīng)在混合較好的地方，原料轉(zhuǎn)化到80%以上，剩余的20%在延時反應(yīng)器中熟化完成。市場上在售的延時反應(yīng)器，一般是盤管制造的。盤管內(nèi)可根據(jù)需求定制特殊混合結(jié)構(gòu)，盤管的內(nèi)徑較大。實際使用過程中，延時反應(yīng)器的持液量大，成倍增加反應(yīng)時間，并且延時反應(yīng)器帶來的壓降較小。

最后，期望各位同仁能夠建言獻策，共同促進連續(xù)流行業(yè)的發(fā)展。