连续流化学的应用与课程教学的研究进展

卓 欧 雷辉斌 林 晓 李佑稷

（吉首大学化学化工学院，湖南 吉首 416000）

0 引言

近些年，连续流化学技术已从小众的学术应用研究发展成了一种公认的化工生产技术，作为一项颠覆性的创新技术，它为化工行业的转型升级，提升本质安全和创新能力，实现绿色发展提供了有效的技术手段，有望开启精细化工品生产的高效、安全、环保和智能化的新时代[1，2]。目前，全球流动化学在应用上已覆盖了制药、精细化学品、石化、材料等行业，使传统化工领域出现了新的发展方向和增长点，这一发展趋势在今后将为化工行业的发展带来更多机遇，可以说它有望带来化学工业的一场革命[3-5]。

化学工业是支撑国民经济和社会发展的重要支柱产业，受益于科技进步和国内经济发展迅速的背景之下，我国的化学工业近几十年来取得了令人瞩目的发展成绩，化工行业的产业链日益延伸，涉及的产品种类越来越多，精细化程度越来越高，对环境保护、安全生产、绿色可持续发展和自动化程度等方面的要求也越来越高[6，7]。随着化工行业发展的这些要求，对化工人才知识和技能的要求也越来越高[8]，高等学校是人才培养的主战场，办好化工专业教育意义重大。而由于我国经济发展迅速，产业升级相对较快，相比之下高校人才培养模式惯性较大，明显滞后于社会经济和科学技术的发展。面对新的发展形势和产业发展需求，化工类的高等教育需要顺应趋势对人才培养模式和方法做出适时调整和优化。本科课程是化工专业教育中最基本的部分，该阶段主要教授化学和化学反应方面的基础知识，但在课程设置和教授的知识内容方面，过去的几十年里并没有发生太大的变化，与最新的科学研究进展和技术进步没有紧密的联系[9]。但是，为了满足新工科人才培养的需求，即培养适应并满足未来新兴产业和新经济需要，具有更强实践能力、创新能力、国际竞争力的高素质、复合型人才，对化学化工类专业本科生课程设置和教授内容的改革就显得尤为重要。本文简述了连续流技术及其对化工行业发展方面的影响，分析了将连续流技术融入本科教学中的重要性。

1 连续流化学及其特点

连续流化学是指在连续流动的状态下进行化学反应的过程，具体是先分别以适当流速将两个或多个反应物料经混合装置充分混合后泵入管式、填充床、微通道甚至釜式反应器中，流经反应器的同时发生化学反应，并在出口处收集反应液或继续泵入下一工序[10]。一般情况下，为了满足生产要求，间歇反应器一般体积较大，从而对传质和传热的要求高，一般情况下难以实现均匀的混合效果，存在潜在的局部过热危险，部分情况下甚至严重影响产品回收率。而相比之下，连续流反应中物料流经反应器反应后，立刻流出反应系统并降温处理，反应原料的输送、反应以及产品分离与后处理都是在连续流动状态下完成的，反应物料在设备中的停留时间短、反应过程迅速且传质传热速度快，反应的可控性更强，因此往往副反应也相对较少，产物选择性高，更加环保安全。

由于连续流工艺具有效率高、安全性好、选择性高、产品质量好、环境污染小、自动化程度高和灵活性性好等一系列优点，使连续流化学成为近年来精细化工发展的热点方向，不仅吸引了学术界与相关生产行业的兴趣，还受到了各级政府部门的重点关注[11]。近些年，连续流技术在有机合成领域的应用，已经由过去少数产品的应用，上升到有机合成的全领域，连续流技术在精细化学品和药物中间体的生产中开始发挥至关重要的作用[12-14]。此外，连续流化学在 材 料 合 成[15，16]、废 水 处理[17]、催化[18]和分 离 技 术 等 领域都取得了许多重要进展。

2 连续流技术的现状与发展前景

连续流技术应用于化工品生产有着悠久的历史，常见的固定床反应器和流化床反应器一般都是在连续流动状态下操作，许多传统大宗化工产品都是以这些反应器为基础通过连续流工艺进行生产。但是，对于生产规模较小或者不易流态化的过程，过去通常利用间歇操作的方式进行生产。另外，由于连续流生产设备的价格相对较高，技术门槛也更高，对设备操作和维护人员的知识和技能的要求要显著高于间歇操作，这些缺点曾经一度限制了连续流技术在规模较小的生产过程中的使用。

从成本来说，通过间歇操作的方式来生产需求量较小的产品或者进行中试实验，需要的操作条件仅仅是一个间歇多用途工厂（或中试车间），大量设备可以重复使用，而且操作灵活性好，一个间歇多用途工厂或车间几乎可以操作任何化学反应，因此操作成本相对较低。例如，原料药及大量有机中间体通常需要多步不同的合成反应步骤，通常为6至10个反应步骤，这其中要经过多轮淬灭、分离和纯化，对生产设备的需求特性是单个步骤使用周期短、产量一般较小和使用功能多种多样，因此多用途间歇式操作模式自然而然地成为首选的操作方式。

随着经济的发展，人力成本不断上升，自动控制技术快速发展，同时在激烈的行业竞争、严格的环保要求、严厉的安全法规和较低的行业利润等现实情况的驱使下，化工行业越来越需要高成本效益、高效率、高安全和高原子经济性的生产技术，近二十年来研究人员越来越多的关注连续流化学和技术，连续生产工艺的开发也越来越受到企业的重视，比如，小体积的微反应器发展迅速，其优点越来越受到研究人员和工程师们的重视。目前，从事学术研究的科学家到制药企业的化学工程师，更多地开始采用连续流技术，连续流工艺已经是构成石油化工和散装化工行业的基础技术。一个重要的例子是，由诺华—麻省理工学院连续制造中心开发的制备阿利吉仑药品的连续端到端的制造工厂，所有中间合成步骤，包括分离、结晶、干燥和配制均在一个完整的连续流设备中进行。

连续流技术的发展和在工业生产中的应用，使部分在规模和安全方面受限的传统间歇生产技术进行了更新升级，使这些传统间歇化学领域出现了新的发展方向和增长点，这一发展趋势在今后将为化工行业的发展带来更多机遇，可以说它有望带来化工行业的一场革命，未来的化工厂会更加智能化、多通道化、微型化和更加环保安全。

3 连续流技术的教学

由于连续流工艺在化工生产中的应用范围越来越广，对相关生产工艺的研究开发人员的要求会更高，对从事生产的技术人员的知识要求也会更高，从而在化工类相关专业的教育中，连续流知识的传授就越来越重要。但是目前无论是理论课教学还是实验课教学，教授的内容主要还是以间歇操作的知识内容为主，加强连续流技术相关知识的传授已是势在必行。

国外对连续流技术的教学开始较早，部分高校设置了连续流化学（Flow Chemistry）的课程，但更多的情况是通过开设连续流合成的实验来教授相关知识[19-21]。德国雷根斯堡大学的Wirth等人[22]，将原有的有机合成实验，由间歇操作方式改为了连续操作方式，更改后反应更加易于控制，学生可以快速改变各种反应条件，如改变反应温度、压力和物料配比等，并使用离线或在线分析设备直接检测出不同条件下的反应结果，快速得出不同因素对反应的影响，而这些是间歇操作方式无法实现的。使用连续流反应器降低了溶剂和原料的消耗量，给实验教学提供了一种新型的具有“空间分辨”能力的实验方法，能够让学生更深入的认识到通过连续流的方式来操作反应的特点和优势。荷兰埃因霍芬理工大学的Noe¨l等人[23]为低年级本科生设置了重氮染料和二硫化物的连续流合成实验，两个实验规避了传统实验的高风险，被设计成了安全性高，利用简单便宜的毛细管流动反应器就可进行。这些实验让学生们对连续流技术有了深入的了解，对微反应器、连续处理、多步反应序列和多相化学的特点有了一定的认识，这些技能对学生以后从事学术研究或化工厂组织生产都具有重要作用。

在蒙特利尔大学，加拿大的自然科学与工程研究理事会（NSERC）拨款支持在连续流科学相关的全部课程中教授流动化学（flow science）的知识，他们将连续流化学知识纳入高等有机合成和绿色化学等本科生课程的教学中。该校在传统课程教学中不断增加连续流化学知识的传授的同时，实验课教学中流动化学实验的数量也在不断增加，另外还计划将流动化学知识的教学纳入研究生的课程和培训工作中。该校的这些改革，扩宽了学生的知识面，让学生学习最新的科技知识，开阔了视野，提高了学习的积极性。由于精细化工行业中流动化学的重要性日益增加，他们认为在学生接受教育的早期就应该开始进行流动化学知识的传授和相关技能的培训，这有利于促进基础的化学学术研究和大规模工业应用的连续流技术紧密地联系起来，从而提高流动化学的社会和经济的影响力，吸引生产企业和政府机构的资金支持，确保这些研究项目的开展、发展和可持续性。

目前已经有了成套的商业化的连续流教学设备和方案。Future Chemistry公司最早开始提供完善的连续流教学模块，并且还能提供相当完善的教学手册。国内深圳市的一正科技有限公司也能提供完善的、成套的连续流教学和科研设备，他们代理了Chemtrix品牌的Labtrix start微通道反应器非常适合流动教学，Labtrix Start连续流微反应器现已在多个高校用于教学演示，其配置包括温度控制器、两个泵、一个反应器支架和多个反应器芯片，此外还提供一本教材《Micro R eaction technology on Organic Synthesis》和一套相关的计算软件。四川大学、中山大学和南京工业大学等学校目前已经将微通道反应技术纳入化工类专业实验的教学（本科、研究生教学），而且配置了多套微通道反应器设备，学生分组进行道实验（4~5人一组，采用Labtrix start进行教学方法手册中的试验）。

目前，成套的连续流教学设备与方案价格很高，往往一套教学设备加上相关教学资料可高达2.5万美元以上，Noe¨l等人为了降低成本，他们自己从市场上采购较为便宜的材料组装了教学设备。Hilton等人[24]利用3D打印技术，设计和生产了体积小、成本低、便于携带的连续流反应系统，由于3D打印技术赋予的优势，可以容易获得较高便宜的反应器，反应模块可以很方便的组装和修改，反应系统展示了很好的灵活性。

4 结语

综上所述，连续流技术在化工产品的生产和科学研究方面都会越来越重要，在基础课程教学中进行连续流技术的教授已经是科技发展和化学工业发展的现实需求，这也是推进新工科建设、深化工科研究与实践的具体方法，是培养“五有”的化工应用创新型人才的要求。从促进连续流技术的发展和知识传授方面来说，我国一定程度上仍然落后于国外的高校，相关的教育管理机构、高校和相关企业都应该提供支持和帮助，另外还需要教育科研工作者承担起社会责任，在化学教育的每个阶段尽可能多地鼓励使用连续流化学技术，培养更多的连续流化学人才。