热点论文分析：越走越近的流动化学微反应技术

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2023.3.09

作者欧世盛

TA的动态

连续流微反应技术论文数量迅速增长的发展态势，揭示了化学合成技术正经历着一场革命。自从二十几年前有关连续流微反应器研究的论文首次面世，该技术就被越来越多的化学家所接受。

近年来，国内相关研究机构和企业对该技术的开发热情不减，连续流技术可以提供的规模效应、产率及安全性，这正是各高等院校、研究所和工业研究实验室共同追逐的目标。

欧世盛连续流微反应整体解决方案迅速成熟，已将微反应合成常见的液液合成、气液固合成等相关设备商用上市，其中，液液合成设备所需的供料模块、反应模块、控制监控模块、检测模块、收集模块和管理软件工作站模块等模块、几十种成熟产品供选，敬请关注我们，近期我们将逐一解读这些贴合用户使用场景的新型流动化学微反应设备。

因此，本期重点选择了近期部分该领域的优秀论文予以解读。（可

清华大学丨徐建鸿、吴雨馨、陈卓等：微反应器内水作为助催化剂下的二氧化碳固定化反应动力学研究

本文采用微反应器技术实现环加成反应的高效安全工艺实现，选用工业中常见的四丁基溴化铵（TBAB）作为催化剂，实现了较高的碳酸丙烯酯收率与产品选择性。通过对该反应反应动力学的研究，发现水能够降低反应活化能，通过形成氢键，促进环氧化物开环，起到了助催化剂的作用。

沈阳化工研究院鄢冬茂教授团队应用微反应连续加氢技术制备芳族二氨取得突破进展，反应速率提高13.6倍

2,4-二胺基苯甲醚是染料、颜料、医药和农药领域的重要中间体，由2,4-二硝基苯甲醚催化加氢制得，由于芳族二胺化合物反应机理复杂，即使采用改性催化剂，在间歇反应器中也很难得到理想的结果。

沈阳化工研究院鄢冬茂导师团队以2,4-二硝基苯甲醚的加氢过程为模型反应，采用多种合适的催化剂，开发了基于μPBR的连续流催化加氢体系。研究了不同的催化剂和反应参数以改善反应性能，并利用相关的芳香二硝基化合物验证了该连续流体系的效率和稳定性。

微填充床反应器(μPBR)流动体系研究实验中采用了欧世盛（北京）科技有限公司研发生产的H-Flow-S05全自动加氢反应仪（图1），具有加氢效率高、工艺自动化、安全可靠、传热传质高效、反应过程可控准确等特点。

本次实验以μPBR为基础的高效连续流加氢技术在DNAN的加氢反应取得了良好的催化性，并确定了最佳反应条件，如溶剂、气液比流量、反应温度、反应压力等。

连续流微反应平台可控合成铱/碳纳米复合材料用于高效电催化固氮

氨是生产化肥、炸药的重要化工原料，也是极具潜力的氢能载体。目前工业中氨合成主要采用Haber-Bosch工艺（N2 + 3H2 → 2NH3），该工艺采用高温、高压条件，原料氢气多来自于蒸汽重整，因而工艺涉及大量化石燃料的使用，随着全球能源供应紧张、气候变暖等问题日益严重，高耗能、高污染的Haber-Bosch工艺的发展受到严重阻碍。

电催化氮还原合成氨工艺（ENRR, N2 + 3H2O → 2NH3 + 1.5O2），采用电力驱动、原料易得、绿色环保、操作灵活，是极具潜力的新兴氨合成工艺。高性能催化剂的构建是该工艺研发过程中的关键挑战。本研究选择铱纳米点作为活性位点，并基于微流控技术，搭建了一套连续流微反应平台实现了极小尺寸贵金属负载型碳材料的高效、稳定、连续化合成，得益于微反应器高效传质、传热、停留时间可控等优势，成功实现Ir/C材料上铱纳米点的极小尺寸和高单分散性，显著提高催化活性的同时提升贵金属的利用率。通过在酸性及碱性环境中的性能测试，进一步证明了小尺寸Ir/C的ENRR催化活性。

微反应器中乙炔法合成N-乙烯基吡咯烷酮的过程研究

传统且经济的合成NVP技术是由Reppe提出的加压乙炔法，即在采用碱金属作为催化剂的条件下，2-吡咯烷酮（2-pyrrolidone，2-P）和乙炔的乙烯化反应，也被称作Reppe法。其反应本质是均相催化的液相反应，反应速率取决于液相反应物中乙炔的溶解度。一般来说，低温下乙炔在有机溶剂中的溶解度较高，比如在0℃、101.3kPa下乙炔在丙酮中的物质的量分数x为0.129。然而，当升高温度时，受限于热力学平衡和溶剂性质，乙炔的溶解度会急剧降低，如50℃、101.3kPa时，x降为0.0465。为了提高乙炔的溶解度，加快反应速率，该反应一般采用在加压条件（约1MPa）下进行。20世纪，研究人员对用于该反应的催化剂及助剂进行了大量的研究，以提高产物NVP的选择性和收率。尽管如此，该方法仍然面临着两大问题。首先是高压釜内受限的气-液传质速率，以致间歇反应时间一般在3~10h；其次是高压下乙炔的分解爆炸性带来的体系安全问题。虽然Reppe提出了一些安全使用乙炔的有效措施，比如采用稀释的乙炔气体或是最小化反应器自由空间中的乙炔浓度，但是工业生产中乙炔的安全操作仍需更加重视，尤其是高压反应。

本研究搭建了商用微反应器为核心的气液微反应系统，采用液相循环方式实现了反应物2-P的高效转化，全面探究了反应温度、KOH含量、内构件数量和原料乙炔纯化对液相循环反应的影响，以期为连续高效合成NVP的工业化设计提供参考。

重氮化、加氢、硝化反应等“强放热快反应”的安全生产应用前沿研究

微反应器一般是指特征尺寸为微米至百微米级的微型反应器，是微化工系统的核心设备之一。与传统的釜式反应器相比，微反应器在危险或易燃易爆产品的合成过程及快反应过程中体现出独特优势。凭借其优异的传热传质性能，微反应器技术使这些危险化工过程变得更精准、更高效、更安全，具有重要的工业应用价值，也是化工领域的重点发展方向之一。

本文主要介绍了近年来微反应器技术在医药、农药、染颜料合成等精细化工领域的进展，重点综述了在霍夫曼重排、环加成、重氮化和偶合、烷基化、氮氧化等典型“强放热快反应”有机合成方向的研究进展，并展望了其发展前景。

天津大学丨微通道内三角形障碍物对气液传质的强化及机理分析

本文通过在直通道内交错设置三角形挡板以提高微通道内传质性能，考察了障碍物结构（宽度、间距、形状）和气液两相流量对流型、压力降、体积传质系数、增强因子和能效的影响。Micro-PIV的结果表明，由于边界层与壁面分离，障碍物结构后方会形成漩涡。流体在涡区的强烈碰撞和混合，导致流动边界层变薄，促进了气液两相间的传质。对称构型以及适当增加障碍物宽度，减小障碍物间距有利于两相间传质强化。但障碍物微通道在强化传质的同时也增加了通道内的压降。随着气相流量的增加，能耗相应增加，相同的能耗下对称三角形障碍物通道（IT微通道）的增强效果最好。对称三角形障碍物通道内的增强因子最高可达2.1，且压降增幅在22%以内。

华南理工李映伟&房瑞琪Nature子刊：双金属杂单原子设计助力高效合成天然黄酮应用连续微反应加氢催化合成天然产物

要点1. 将明确界定的含Ma的金属有机框架(MOFs)和基于Mb的酞菁(Ph)用作热解前体，混合熔盐(KCl-KBr)作为介质。在热解过程中，原位和对照实验直接揭示了模板在介质内部的形貌演变。

要点2. MaN4/MbN4@NC的系统表征表明MaN4和MbN4位点均匀分布在整个碳中，具有相互连接的分级孔隙率。具体来说，CuN4/CoN4@NC在间歇反应器和流动反应器中对多种黄酮类化合物的多米诺合成显示出引人注目的催化性能。实验和密度泛函理论(DFT)结果的结合表明，CuN4/CoN4@NC的高反应性归因于增强的O2活化能力，以及CuN4协同相互作用产生的相对于CoN4的降低的反应能垒。此外，相互连接的多级孔可以极大地促进传质和促进异质SA位点的可及性。

要点3. 首次采用连续微反应加氢技术和全自动微反应加氢仪高效率进行化学催化合成天然产物。

这项工作可能为高效合成天然产物如黄酮类化合物提供了见解。

清华大学骆广生团队：微反应器一步法连续合成苯甲醚

苯甲醚是一种重要的化工中间体，其工业生产主要以硫酸二甲酯和苯酚钠为原料，在搅拌釜中通过批次反应获得。该过程生产效率低、原料单耗高，同时存在硫酸二甲酯泄漏的安全隐患。本文提出了由微分散混合器和含有微小填料的静态混合器组合而成的微反应装置，以苯酚、氢氧化钠和硫酸二甲酯为反应原料，实施苯酚钠的形成和苯酚甲基化反应的耦合，实现反应过程的连续化和过程强化。实验考察了进料流量、物料配比、碱液浓度等关键因素对反应的影响，证明了微反应器内传递控制的反应机制。基于微混合器和静态混合元件的传质强化作用，在低于2min的反应时间内获得了98.5%的苯甲醚收率，硫酸二甲酯单耗较传统工艺降低10%，为工业化生产技术的升级换代提供研究基础。

清华大学丨骆广生、盛林、陈宇超、邓建：微反应器中气泡群流的流动理想性分析及其一般规律

本文报道了一个较大微通道反应器中微气泡群流的流动理想性分析及其一般规律。实验结果表明，随着微反应器内气含率的改变，微气泡群流的流动经历了两种不同的流动状态:气液拟平推流和液相/气液拟均相流的层流。微反应器内的真实气含率和气泡群平均运动速度相对于理想平推流条件下的偏差规律可划分为两个区域，且两个区域的过渡点均发生在气泡群运动速度和两相表观平均速度比值为1.25时。特别地，当流速比为1.25时，液相毛细管数（CaL）和气相操作压力（PG）存在着线性的数学关系，该关系式可作为气泡群流微反应器的一般设计准则。最后，提出了一种基于气液两相韦伯数比值和液相毛细管数的无量纲气泡群运动速度预测模型。该工作对大型气液微反应器的设计具有重要的指导意义。

天津大学丨费滢洁、朱春英、马友光等：微通道内弹状气泡变形及其对破裂动力学的影响

上游生成的弹状气泡在流动中逐渐发生形变。本实验条件下在Y型分岔口前共观察到了三种气泡形态，分别为弹状、哑铃状和手榴弹状。通过添加示踪粒子，可视化气泡变形时周围的流场，并结合气泡形态演化、气泡实际流动速度、通道压力等结果，探究了形变的发生机制：黏度效应导致气泡与靠近壁面的连续相存在明显的速度差，泡头的连续相“流向”并挤压尾部，最终导致气泡发生变形。气泡变形对下游破裂的影响主要体现在两方面：其一，延长了气泡的破裂周期；其二，形变导致气泡更容易在Y型分岔口处发生不对称破裂。这些现象都归因于气泡形变造成的复杂流场分布。气泡不对称破裂周围流场的分布表明，气泡变形对破裂对称性的影响主要表现在进入分岔的填充阶段和破裂的挤压阶段。

德国莱布尼茨催化所Chem. Rev.：羧酸和酯类化合物的非均相加氢研究进展

羧酸和酯类化合物的还原在有机化学中是一类基础且非常重要的反应，在能源、环境、农业和医药等领域有着十分广泛的用途。近年来，开发新型非均相催化剂用于羧酸和酯类化合物的加氢方面的研究经历了快速的发展。在此背景下，德国莱布尼茨催化研究所Matthias Beller院士课题组全面综述了近年来羧酸和酯类化合物的非均相催化加氢领域的科研进展。本文讨论了一些重要的生物质平台分子（如乙酰丙酸、琥珀酸、乳酸及其酯类化合物等）以及用于CO/CO2间接转化的酯类分子（如甲酸盐、醋酸盐、碳酸盐等）的加氢反应，详细总结了相关分子的氢化转化机理、非均相加氢催化剂的发展历程，并重点探讨了催化剂的结构与反应活性/选择性的构效关系。最后，通过对新型非均相催化剂的理性设计，以及面向清洁能源和循环经济的新反应的开发和应用等方面存在的挑战和未来发展方向进行了总结和展望，希望本文为相关领域的发展提供帮助和指导。

基于流动化学迅猛发展起来的智能化和自动化合成化学设备及微反应技术正让传统实验室工作模式和生产方式发生着翻天覆地的变化，引领合成化学向小型化、智能化和连续化方向发展，经过多年的研发及应用，欧世盛流动化微反应解决方案成为现阶段科研工作者寻求创新的技术突破口。

流动化微反应设备是以微结构元件为核心，在微米或毫米受限空间内进行化工反应和分离过程的技术，它通过减小体系的分散尺度强化物质混合与传递，提高过程可控性和效率，以“数量放大”为基本准则，进行微设备的集成和放大，将实验室成果快速运用于工业过程，实现大规模生产。

欧世盛已有大量的研究和应用案例充分展示了流动化微反应技术是化学品绿色、安全和智能制造的关键技术，是化工过程强化的重要手段之一。

流动化学微反应欧世盛整体解决方案

全自动微反应连续加氢

解决方案设备构成反应类型加料系统

高压输液泵

硝基还原、氢化去硫反应

……

气路控制

单元

高压氢气发生器