“固體意味著不可能流動”的先入之見可能會阻止這些研究人員進(jìn)一步探索。 誠然，流動中的固體處理是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，但有許多工程解決方案可以應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，例如漿料處理技術(shù)、連續(xù)機(jī)械化學(xué)、和連續(xù)攪拌釜反應(yīng)器。關(guān)鍵問題是所提出的工程解決方案在優(yōu)勢、成本、所需時間、所需的顆粒大小/負(fù)載量以及環(huán)境影響和資源方面是否適合。 通常，最簡單的策略是確定條件、溶劑選擇或溫度或濃度范圍，使所有物質(zhì)都保持在溶液中。

如果無法避免或確實(shí)需要固體，則有幾種常見的策略可以簡化漿料的處理。 這些策略包括避免夾點(diǎn)（pinch points）和狹窄的管道，例如，使用蠕動泵作為背壓調(diào)節(jié)器，避免管道或連接器中的直角轉(zhuǎn)彎，或使用大口徑配件。 流路還可以結(jié)合使顆粒均勻化的措施，例如在線超聲儀或使用攪拌反應(yīng)器。 需要仔細(xì)選擇泵和管道，例如使用蠕動泵而不是不能容忍顆粒的活塞泵。 最后，清潔循環(huán)對于控制污垢可能是必不可少的。 可能需要所有這些策略的組合才能為需要漿料輸送的流動過程提供可靠的方法，并且可能需要時間才能找到功能解決方案。 然而，固體處理給所有化學(xué)家?guī)砹藛栴}，而不僅僅是那些使用流動的化學(xué)家； 與處理靜電、吸濕性或高度危險的粉末相比，使用流動方法移動漿料可能更容易、更安全。

盡管固體處理存在挑戰(zhàn)，但對于那些有意尋求制造高度可控的定制固體顆粒的人來說，使用流動也有很大的優(yōu)勢。 流動結(jié)晶領(lǐng)域解決了許多這些問題，重點(diǎn)是控制主動沉淀材料。 可以使用上面強(qiáng)調(diào)的策略將處于穩(wěn)定狀態(tài)（即既不結(jié)晶也不溶解）的固體用作漿料。 在作為一個活躍過程的流動結(jié)晶過程中，存在更大的挑戰(zhàn)，例如結(jié)垢 （即，顆粒在反應(yīng)器壁上的成核和生長）、晶體生長控制和過濾。

控制材料成核的方式和位置將防止反應(yīng)器壁上不必要的成核，如果不加以控制，將導(dǎo)致結(jié)垢、返混并最終堵塞。 使用反溶劑添加、快速冷卻、或超聲處理迫使材料成核非常有效。 流動聚焦幾何結(jié)構(gòu)可以將成核位置引導(dǎo)到遠(yuǎn)離反應(yīng)器壁的位置，進(jìn)一步改善結(jié)殼，特別是在微反應(yīng)器中（圖1）。

圖1、Schematic representation of flow within a range of crystallizers that may be used to improve suspension and mitigate encrustation of particles on reactor walls. White arrows show fluid pathways, solution in green, secondary fluids in blue/white: a. segmented flow, b. continuous oscillatory baffled reactor, c. kenics-type static mixer, d. moving insert (vertical motion of insert denoted by black arrow), e. flow-focused/sheath flow.

一旦成核，可以通過溫度梯度或進(jìn)一步添加反溶劑和混合或懸浮固體來控制晶體生長。 最基本的下游混合裝置是連續(xù)或級聯(lián)攪拌釜反應(yīng)器，它使用一系列帶有葉輪的攪拌釜反應(yīng)器來實(shí)現(xiàn)混合。 活塞流反應(yīng)器通常采用各種靜態(tài)混合器以確保良好的傳質(zhì)、減少結(jié)塊并改善固體懸浮。 帶有內(nèi)置靜態(tài)混合器的插入式或 3D 打印反應(yīng)器可以幫助懸浮和混合漿料，優(yōu)化操作與流速直接相關(guān)。振蕩擋板反應(yīng)器 (OBR) 包括一系列單孔或多孔擋板，通常使用活塞驅(qū)動的振蕩流在反應(yīng)器中產(chǎn)生渦流。 然后凈流驅(qū)動結(jié)晶材料通過管道。 振蕩幅度和頻率以及凈流量的組合提供了最佳的懸浮和活塞流。

分段或泰勒流使用不混溶的流體將結(jié)晶溶液分離成離散的液滴或“液滴”，這些液滴或“液滴”通過團(tuán)流在不接觸固體表面的情況下作為流速和液滴大小的函數(shù)進(jìn)行混合。 去除與壁的接觸本質(zhì)上可以防止結(jié)殼，但由于載體流體對固體顆粒的毛細(xì)管力，可能會引起流體相容性和過濾的問題。

給定應(yīng)用的理想流動結(jié)晶設(shè)置是顆粒大小、密度和吞吐量的問題。 納米顆粒結(jié)晶通常需要微反應(yīng)器來影響生產(chǎn)更小和均勻顆粒所需的傳質(zhì)控制程度。由于尺寸小，不太可能被納米顆粒堵塞，但結(jié)殼可能是一個問題。 如果顆粒粘附在反應(yīng)器壁上，它們可能會變大并影響通過的生長顆粒，從而影響粒徑分布。 因此，無論目標(biāo)尺寸如何，結(jié)晶器材料和表面粗糙度都是所有結(jié)晶器的重要決定。 傳統(tǒng)的流式芯片反應(yīng)器非常適合這種類型的結(jié)晶。 亞微米尺寸的顆?？赡芨菀锥氯磻?yīng)器，尤其是由于結(jié)塊。 因此，更大的微流體反應(yīng)器部件可能更合適，例如，1毫米內(nèi)徑 (ID)。 這些適用于靜態(tài)混合器、小型 OBR 和緊密纏繞的反應(yīng)器管道。 毫微尺寸的結(jié)晶，例如小分子有機(jī)物，需要仔細(xì)規(guī)劃結(jié)晶器，因?yàn)榇蟪叽绾芸赡軙枞?。需要更大的靜態(tài)混合器反應(yīng)器、OBR 和毫米級管道（內(nèi)徑約 3 毫米）以防止堵塞，并特別注意反應(yīng)器部件的接頭。

綜上所述，很明顯，已經(jīng)開發(fā)了大量的工程解決方案來將過程轉(zhuǎn)化為流程，但仍有許多挑戰(zhàn)需要解決。

內(nèi)容節(jié)選自：

Quid Pro Flow （2023）

https://doi.org/10.1021/jacs.2c13670