流动化学_Flow Chemistry

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介绍

“流动化学”的概念定义了一个非常普遍的化学过程范围,该过程发生在连续流动的流中,通常发生在反应器区。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塞流反应器和柱状反应器,而对于特定的化学反应器,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、优点和参数

系统设置

下面显示的是流动化学装置的一般示意图(参见Darvas F., Dorman G., Hessel V. Flow Chemistry, Volume 1: Fundamentals)。

a)泵:用于提供可重复数量的溶剂和试剂;通常类型为活塞泵、蠕动泵、注射器泵或齿轮离心泵。

b)反应回路:用于引入少量试剂。

c)T形件:一级混合点,在这里试剂流是组合的。

d)线圈反应器:提供反应的停留时间

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)下游单位:在线分析、工作运行等。

图1.市售流动系统的示例


流动化学的优点


与标准分批化学法相比,使用流动技术有明确的关键优势:


  1. 改进的传热

  2. 改进的传质/混合

  3. 再现性

  4. 放大

  5. 极端反应条件(高温/低温、高压)

  6. 多步(伸缩)

  7. 直列式下游加工

  8. 自动化

  9. 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需要知道许多反应参数(例如化学计量,反应时间,稳态概念等)。


a)化学计量


在间歇条件下,通过所用试剂的摩尔比设定化学计量,在流动过程中,使用诸如流速和摩尔浓度的参数比来设定特定的化学计量。


b)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,即试剂在反应器区中花费的时间。 停留时间由反应器体积与反应流速(总流速)的比率给出。

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是系统的流速


c)流速


在分批模式中,反应动力学基本上由在特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对转化结果产生影响。

q = dV/dt

q通常以mL min-1为单位表示


d)体积与空间(稳态)


当考虑间歇反应时,试剂和产物浓度随时间变化,并且混合成为相关方面(特别是当增加反应规模时)以降低影响反应动力学的浓度梯度。在流动条件下,反应器的每个部分由特定浓度的起始材料和产物限定:在这个意义上,流动反应器内的反应曲线可以在空间而不是时间内限定。流动化学中非常重要的参数是稳定状态,其定义了所有参数被定义并且在特定时间点保持不变(稳定)的条件。


e)混合和传质


与分批模式相比,在流动过程中混合是非常有利的,因为它是通过在非常小体积的试剂中扩散来确定的。高度混合可转化为更好的反应特性。实际上,在流动条件下,质量传递被认为是非常有效的,并且决定了观察到的特定和增强的动力学。应该考虑混合的具体方面(例如轴向与涡旋混合)并且取决于特定的流体行为,即塞子或层流模式。


e)温度控制和传热


由于高表面积与体积比,可以非常精确地实现流动过程中的温度控制。

因此,尽管该参数取决于流体行为的具体前述方面,但是热传递可以是非常有效的。实际上,取决于流动是层流还是湍流,热传递可以遵循不同的模式。


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