在流動化學系統(tǒng)中，原料試劑或前體被泵送到混合接頭并流入溫控反應器。 流動化學的主要優(yōu)點是反應器的表面積大。 由于高傳質速率和快速散熱，這有利于劇烈混合，從而可以安全地進行高度放熱反應。 通過使用流動化學，可以開發(fā)更快、更安全、自動化、可擴展的程序，并獲得高純度產品。

流動化學的第一個工業(yè)應用主要是在制藥領域。 如今，將工藝從批次轉變?yōu)榱鲃邮瞧渌I(yè)應用（包括香精香料）的重要目標。 原因是一些應用涉及高度放熱或危險的硝化反應。 流動化學的應用對于與相當大的安全風險相關的過程很重要。 流動化學可以通過良好控制的壓力、穩(wěn)定的溫度、均勻混合和快速散熱來提高安全性。 此外，由于試劑的連續(xù)流動和合成產物的去除，反應器中隨時存在較少量的有害物質。 然而，盡管流動化學具有潛在優(yōu)勢，但高能材料傳統(tǒng)上是在間歇反應器中制備的。

然而，由于諸如沉淀和系統(tǒng)與試劑的兼容性等問題，將批處理方法轉換為流動化學可能很復雜。 通常，由于試劑經過修改以與流動化學過程兼容，因此需要重新優(yōu)化該方法。 由于流動化學可能不會對所有反應都有益，因此只有在可以實現(xiàn)明顯的好處（例如，提高安全性）時，將已建立的批處理過程更改為連續(xù)流動才有意義。

流動化學系統(tǒng)主要組成部分

流動化學系統(tǒng)的組件可分為兩類：基本組件和可選組件。 流動化學系統(tǒng)的基本部件是在流動中進行反應所必需的組件，即泵（進樣設備），反應器，壓力調節(jié)器和收集裝置。 系統(tǒng)還可以包括用于增強過程自動化或用于實時監(jiān)控反應的可選組件。圖1描繪了一個完整的流動化學系統(tǒng)的代表性示例。

圖1.完整的流動化學系統(tǒng)?例 [來源：Guidi et al., 2020, 根據(jù)CC BY 3.0 許可]。

泵

泵以受控的流速將試劑和溶劑輸送到反應器。 在流動化學中，使用的泵主要是 HPLC 泵和注射泵。 使用的泵類型通常取決于流動化學系統(tǒng)的供應商。 這兩種泵的基本優(yōu)點是它們能夠在一定范圍的背壓和不同粘度的溶劑/試劑中保持穩(wěn)定的流速。

HPLC泵的主要優(yōu)點是流量可以連續(xù)的輸送，而注射泵必須在注射器液體空時重新填充。為了克服這個問題，開發(fā)了所謂的推拉式雙注射泵。為確保連續(xù)流動，該系統(tǒng)包括兩個注射器，可通過單個驅動器上的相對注射器同時提供輸液和抽出。 HPLC泵的主要缺點與低流速下的高脈動，導致在非常低的流速下不準確。使用 HPLC 泵時，泵送低沸點溶劑可能會出現(xiàn)問題。注射泵沒有任何流量和壓力脈動，并在流量范圍（從 1.0 μl/min 到 250 ml/min）內提供高度靈活性。根據(jù)所需的流速，使用不同體積的可互換注射器可以實現(xiàn)寬范圍的流速。注射泵的主要缺點是玻璃注射泵不能在高壓下運行。

另一種偶爾用于流動化學系統(tǒng)的泵是蠕動泵。 蠕動泵的主要優(yōu)點是試劑/溶劑與泵送系統(tǒng)沒有任何直接接觸。 此外，它們可以泵送分散良好的漿液和氣體，而注射器或 HPLC 泵并不總是能夠做到這一點。 蠕動泵的主要缺點是它們可以運行的壓力有限（<10 bar）和流速精度低（特別是在低流速下）。

反應器

反應器是反應物和反應在良好控制的條件下進行混合的地方(如反應溫度、混合比、停留時間)。下面介紹三種主要類型的反應器。

盤管反應器是管式反應器，通常放置在玻璃歧管中，可實現(xiàn)快速混合和均勻的溫度，整個反應體積中沒有熱點。 它們通常由 PTFE 等惰性材料制成，但如果需要更高的溫度 (>150 °C)，也可以由不銹鋼或哈氏合金制成。

玻璃芯片微反應器是放置在玻璃上的微結構裝置，可實現(xiàn)出色的可見性和反應跟蹤。 它們通常在微升級別，最高可達毫升。 這些反應器非常適合進行微尺度反應，并且它們還提供增強的混合效率。 在某些情況下，引入外部能量以誘導混合（主動微混合器）。

柱式反應器或固定床反應器由玻璃歧管內的柱組成。 柱式反應器用于通過使用催化劑、固載試劑或清除劑來進行固相化學。

壓力調節(jié)器

壓力調節(jié)器是任何流動化學系統(tǒng)的一個非常重要的部分，因為較高的壓力使反應能夠在高于溶劑沸點的溫度下發(fā)生。 此外，當需要時，它有助于氣體在反應混合物中的更高溶解度。 一種選擇是有一個可調節(jié)的壓力調節(jié)器，它允許用戶準確地定義反應中所需的背壓。 一種更簡單、成本更低的裝置是靜態(tài)背壓調節(jié)器 (BPR)，它是一種筒式裝置，當流體擠壓彈簧柱塞時，產生所需的背壓。

采集裝置

收集設備允許系統(tǒng)根據(jù)軟件設置中定義的產品的實時純度來啟動和停止輸出流的收集。 自動餾分收集器有助于過程的自動化和收集的選擇性。 這通常是通過使用流動化學軟件中的“分散建模工具”來實現(xiàn)的，該軟件對反應器內發(fā)生的軸向分散進行建模。 這用于預測反應混合物流的穩(wěn)態(tài)部分，從而確保收集到最佳質量的產品。 當自動餾分收集器集成在流動化學系統(tǒng)中時，這對樣品收集特別有益。

可選組件

附加組件可用于增強過程的自動化，包括收集具有所需特性的產品或用于實時監(jiān)控分析。

純化模塊可以是填充有清除劑或流動分離器的柱，其能夠基于疏水膜進行液液萃取。 這可以通過應用完全自動化的過程來收集純化的最終產品。

在線分析裝置用于通過流路中的分析流通池實時監(jiān)測合成過程。 分析基于光譜技術，如 FTIR、NIR、拉曼、UV-VIS。 最近 NMR 也應用于流動化學在線分析。

反應器配置

通常，選擇反應器應滿足反應機理、反應速率和生產能力提出的所有要求。 選擇反應器時必須考慮的其他參數(shù)是反應熱、傳熱系數(shù)和反應器尺寸。

間歇反應器

間歇式反應器在反應開始前將所有原料放入反應器中進行操作，一旦反應完成，產物就會被移除。 間歇反應器用途廣泛，適用于所有類型的化學反應，包括精細化學品、聚合物、肽和納米顆粒的合成。 間歇反應器的大小從小型實驗室規(guī)模合成中的數(shù)百毫升到大型工業(yè)工廠中的 76,000 升不等 [Kayode Coker, 2001]。 玻璃和不銹鋼是制造這種反應器最常用的材料。 圖 6 展示了不同類型和尺寸的間歇反應器的示例。盡管它們很受歡迎，但間歇反應器的固有特性限制了可訪問的化學空間，因此限制了化學策略的設計方式。 間歇式反應器的放大取決于工藝，并受混合效率和傳熱的限制。

圖2.間歇反應器示例

批量合成的好處包括：

— 穩(wěn)健、完善的流程

— 用途廣泛且價格相對實惠。

— 簡單的設計和相對容易的生產

— 與所有化學分支兼容

— 與化學品的大規(guī)模生產兼容

— 建立基于批號的產品可追溯性程序

— 廣泛用于研究實驗室和工業(yè)生產

批量合成的局限性包括：

— 影響熱交換效率的低表面積體積比

— 由于混合效率差和/或熱交換差（可能引發(fā)副反應并降低產品純度）而存在潛在熱點

— 處理有毒和有害材料時的安全問題

— 擴大規(guī)模是資源密集型和耗時的

— 占地面積大，特別適用于大規(guī)模生產

— 生產可變性

— 只能應用常規(guī)反應條件

半間歇反應器

半間歇式反應器結合了間歇式和連續(xù)攪拌釜式反應器的屬性。 它本質上是一個間歇反應器，但在操作過程中具有連續(xù)的輸入流。 換句話說，一些反應物在時間零點加入反應器，而其他反應物隨著反應的進行逐漸和連續(xù)地加入。 當反應器滿時，以間歇方式操作完成反應。 在加入全部試劑并且反應完成之前，不會從反應器中取出產物。 良好的溫度控制和通過保持某些反應物的低濃度來最小化不需要的副反應（例如熱失控反應）的能力是半間歇式反應器的主要優(yōu)點。 當聚合速率由單體添加（進料）速率控制時，半間歇式反應器通常用于乳液聚合過程。

連續(xù)攪拌反應器

連續(xù)攪拌釜式反應器與間歇式反應器的不同之處在于，反應物連續(xù)加入反應器，反應產物也連續(xù)取出。 連續(xù)攪拌釜反應器 (CSTR) 可以單獨使用，也可以作為一系列反應器的一部分使用（圖3）。 它的特點是良好的混合和溫度控制。 然而，缺點是單位體積反應器的反應物轉化率較低，因此需要大型串聯(lián)反應器來實現(xiàn)高轉化率。 CSTR的應用包括均相液相反應和多相氣液、液液、固液和氣固液反應

圖3. 連續(xù)攪拌釜反應器示例：(a) 單個連續(xù)攪拌釜反應器和 (b) 連續(xù)攪拌釜反應器系列

連續(xù)流反應器

連續(xù)流動反應器與連續(xù)攪拌釜式反應器的不同之處在于，將試劑連續(xù)進料到管式反應器中，而不是罐式反應器中。連續(xù)流動反應器的形狀可以從管到具有不同內部尺寸的螺旋盤管（圖4）。管式反應器通常用于在催化劑存在下的多相固-液或固-氣反應。它們可以由一根長管組成，也可以由排列在管組中的幾根較短的管組成。其他類型的連續(xù)流動反應器是內部容積高達幾毫升的盤管反應器和內部容積通常小于一毫升的連續(xù)流動微反應器。連續(xù)流反應器為處理化學品提供了廣泛的優(yōu)勢，包括快速混合、高效傳熱、減少占地面積、安全處理危險或不穩(wěn)定材料和高放熱反應，以及生產的均勻性。

圖4.連續(xù)流動反應器?例：(a) 單管反應器，(b) 多管反應器，(c) 盤管反應器和 (d) 連續(xù)流動微反應器。