流动化学系统（flow chemistry）

  你可能听说过流动化学（flow chemistry），著名的学者教授正在用它，学术期刊和科普杂志在报道它，研究生们在关注它。化学研发工程师正在用它来完善反应，规模生产的化工企业正在用它来生产产品。那么，究竟什么是流动化学？

流动化学（flow chemistry）

  在研究领域中，流动化学也被称为塞流化学（plug flow chemistry）、微化学（microchemistry）或者连续流动化学（continuous flow chemistry）。无论叫什么名字，其代表的含义是一致的：

流动化学是在微管道、毛细管或微型结构的装置（流动反应器）中进行化学反应的过程。

  这意味着反应性成分/原料首先被泵入一个混合装置，比如T型接头或者静态混合器，然后流向温度可控的流动反应器。连续流化学所具备的特征是“连续”。反应性原料被连续不中断地泵送，在连续流动的过程中发生化学反应，进而获得连续的产物流。这种方法与在玻璃瓶或夹套反应器中进行反应的传统化学方法完全不同。

混合结点（mixing junction）

  混合结点是试剂流在流入流动反应器之前相遇的地方。它通常是简单的T形件，如果需要更快更有效的混合（例如需要快速传质的反应），可以使用静态混合器。这两种类型的混合结构将产生不同的混合效应，即扩散性和湍流性。

  当流体流经一个封闭的通道（如流动反应器）时，根据流体的速度和粘度，可能出现两种类型的流动：层流或湍流。层流倾向于在较低的速度下发生，高于某个阈值后，层流会变成湍流。湍流是一种无序的流动模式，其特点是产生漩涡或小的流体颗粒包，从而导致横向混合。在非科学的术语中，层流是平滑的，而湍流是粗糙的。

  实验室规模的流动系统，混合方式通常是层流的横向扩散混合。尽管扩散混合可能很慢，但是实验室规模的流动系统中，使用的管道直径很小，扩散混合效果非常明显，具有很好的重复性。

  当需要快速混合时，比如在需要快速传质的反应中，湍流是必要的。湍流混合一般由某种类型的微混合器（静态混合器）在流动中产生。

流动反应器的类型（types of flow reactors）

  流动反应器本质上相当于圆底烧瓶或夹套反应器，它是流动化学系统中发生反应的地方。

  如前所述，两种（或更多）独立的反应性化合物溶液被带到一起，混合并流经一个单一的、温度可控的通道，以使它们发生反应。流动反应器有各种形状和尺寸，但它们都发挥着同样的作用：让化学反应连续进行。

下面是常见的流动反应器的类型：

 玻璃微反应器

  玻璃微反应器芯片是流动化学系统中最常见的反应器类型。在玻璃中“蚀刻”出特定的微结构（取决于应用），以确定混合通道的宽度以及混合如何发生。一个较长的通道比一个较短的通道能有较长的停留时间（假设泵的流速相同）。玻璃微反应器芯片会被插入芯片环境控制器中，该控制器可使整个芯片保持在设定的温度。

 管式反应器

  管式反应器实际上是包裹在一个加热或冷却的线圈上的长管。它可以提供比玻璃微反应器芯片更多的停留时间（或更快的泵流速）。
  管式反应器有不同的材质可供选择，这取决于使用环境要求。像PTFE这样的材料可以使流动反应有很好的可视性，但对于反应温度有限制。不锈钢和哈氏合金能够实现更高的反应温度和压力。

 柱状反应器

  柱式反应器通常是玻璃柱，允许进行异质化学反应，并允许使用固态填充剂（如填充各类试剂、催化剂、酶或清除剂）进行反应。

总结

  流动化学技术允许精确控制化学反应的发生条件，如化学计量、混合、温度控制和反应时间等。控制这些因素可以使反应得到很好的控制，往往可以获得更大的产量和更好的选择性。