連續(xù)流化學(xué)的應(yīng)用與課程教學(xué)的研究進(jìn)展

卓 歐 雷輝斌 林 曉 李佑稷

（吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 吉首 416000）

0 引言

近些年，連續(xù)流化學(xué)技術(shù)已從小眾的學(xué)術(shù)應(yīng)用研究發(fā)展成了一種公認(rèn)的化工生產(chǎn)技術(shù)，作為一項(xiàng)顛覆性的創(chuàng)新技術(shù)，它為化工行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，提升本質(zhì)安全和創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展提供了有效的技術(shù)手段，有望開(kāi)啟精細(xì)化工品生產(chǎn)的高效、安全、環(huán)保和智能化的新時(shí)代[1，2]。目前，全球流動(dòng)化學(xué)在應(yīng)用上已覆蓋了制藥、精細(xì)化學(xué)品、石化、材料等行業(yè)，使傳統(tǒng)化工領(lǐng)域出現(xiàn)了新的發(fā)展方向和增長(zhǎng)點(diǎn)，這一發(fā)展趨勢(shì)在今后將為化工行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)更多機(jī)遇，可以說(shuō)它有望帶來(lái)化學(xué)工業(yè)的一場(chǎng)革命[3-5]。

化學(xué)工業(yè)是支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)，受益于科技進(jìn)步和國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的背景之下，我國(guó)的化學(xué)工業(yè)近幾十年來(lái)取得了令人矚目的發(fā)展成績(jī)，化工行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈日益延伸，涉及的產(chǎn)品種類(lèi)越來(lái)越多，精細(xì)化程度越來(lái)越高，對(duì)環(huán)境保護(hù)、安全生產(chǎn)、綠色可持續(xù)發(fā)展和自動(dòng)化程度等方面的要求也越來(lái)越高[6，7]。隨著化工行業(yè)發(fā)展的這些要求，對(duì)化工人才知識(shí)和技能的要求也越來(lái)越高[8]，高等學(xué)校是人才培養(yǎng)的主戰(zhàn)場(chǎng)，辦好化工專(zhuān)業(yè)教育意義重大。而由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，產(chǎn)業(yè)升級(jí)相對(duì)較快，相比之下高校人才培養(yǎng)模式慣性較大，明顯滯后于社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。面對(duì)新的發(fā)展形勢(shì)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，化工類(lèi)的高等教育需要順應(yīng)趨勢(shì)對(duì)人才培養(yǎng)模式和方法做出適時(shí)調(diào)整和優(yōu)化。本科課程是化工專(zhuān)業(yè)教育中最基本的部分，該階段主要教授化學(xué)和化學(xué)反應(yīng)方面的基礎(chǔ)知識(shí)，但在課程設(shè)置和教授的知識(shí)內(nèi)容方面，過(guò)去的幾十年里并沒(méi)有發(fā)生太大的變化，與最新的科學(xué)研究進(jìn)展和技術(shù)進(jìn)步?jīng)]有緊密的聯(lián)系[9]。但是，為了滿足新工科人才培養(yǎng)的需求，即培養(yǎng)適應(yīng)并滿足未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要，具有更強(qiáng)實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)、復(fù)合型人才，對(duì)化學(xué)化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科生課程設(shè)置和教授內(nèi)容的改革就顯得尤為重要。本文簡(jiǎn)述了連續(xù)流技術(shù)及其對(duì)化工行業(yè)發(fā)展方面的影響，分析了將連續(xù)流技術(shù)融入本科教學(xué)中的重要性。

1 連續(xù)流化學(xué)及其特點(diǎn)

連續(xù)流化學(xué)是指在連續(xù)流動(dòng)的狀態(tài)下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，具體是先分別以適當(dāng)流速將兩個(gè)或多個(gè)反應(yīng)物料經(jīng)混合裝置充分混合后泵入管式、填充床、微通道甚至釜式反應(yīng)器中，流經(jīng)反應(yīng)器的同時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并在出口處收集反應(yīng)液或繼續(xù)泵入下一工序[10]。一般情況下，為了滿足生產(chǎn)要求，間歇反應(yīng)器一般體積較大，從而對(duì)傳質(zhì)和傳熱的要求高，一般情況下難以實(shí)現(xiàn)均勻的混合效果，存在潛在的局部過(guò)熱危險(xiǎn)，部分情況下甚至嚴(yán)重影響產(chǎn)品回收率。而相比之下，連續(xù)流反應(yīng)中物料流經(jīng)反應(yīng)器反應(yīng)后，立刻流出反應(yīng)系統(tǒng)并降溫處理，反應(yīng)原料的輸送、反應(yīng)以及產(chǎn)品分離與后處理都是在連續(xù)流動(dòng)狀態(tài)下完成的，反應(yīng)物料在設(shè)備中的停留時(shí)間短、反應(yīng)過(guò)程迅速且傳質(zhì)傳熱速度快，反應(yīng)的可控性更強(qiáng)，因此往往副反應(yīng)也相對(duì)較少，產(chǎn)物選擇性高，更加環(huán)保安全。

由于連續(xù)流工藝具有效率高、安全性好、選擇性高、產(chǎn)品質(zhì)量好、環(huán)境污染小、自動(dòng)化程度高和靈活性性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，使連續(xù)流化學(xué)成為近年來(lái)精細(xì)化工發(fā)展的熱點(diǎn)方向，不僅吸引了學(xué)術(shù)界與相關(guān)生產(chǎn)行業(yè)的興趣，還受到了各級(jí)政府部門(mén)的重點(diǎn)關(guān)注[11]。近些年，連續(xù)流技術(shù)在有機(jī)合成領(lǐng)域的應(yīng)用，已經(jīng)由過(guò)去少數(shù)產(chǎn)品的應(yīng)用，上升到有機(jī)合成的全領(lǐng)域，連續(xù)流技術(shù)在精細(xì)化學(xué)品和藥物中間體的生產(chǎn)中開(kāi)始發(fā)揮至關(guān)重要的作用[12-14]。此外，連續(xù)流化學(xué)在 材 料 合 成[15，16]、廢 水 處理[17]、催化[18]和分 離 技 術(shù) 等 領(lǐng)域都取得了許多重要進(jìn)展。

2 連續(xù)流技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展前景

連續(xù)流技術(shù)應(yīng)用于化工品生產(chǎn)有著悠久的歷史，常見(jiàn)的固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器一般都是在連續(xù)流動(dòng)狀態(tài)下操作，許多傳統(tǒng)大宗化工產(chǎn)品都是以這些反應(yīng)器為基礎(chǔ)通過(guò)連續(xù)流工藝進(jìn)行生產(chǎn)。但是，對(duì)于生產(chǎn)規(guī)模較小或者不易流態(tài)化的過(guò)程，過(guò)去通常利用間歇操作的方式進(jìn)行生產(chǎn)。另外，由于連續(xù)流生產(chǎn)設(shè)備的價(jià)格相對(duì)較高，技術(shù)門(mén)檻也更高，對(duì)設(shè)備操作和維護(hù)人員的知識(shí)和技能的要求要顯著高于間歇操作，這些缺點(diǎn)曾經(jīng)一度限制了連續(xù)流技術(shù)在規(guī)模較小的生產(chǎn)過(guò)程中的使用。

從成本來(lái)說(shuō)，通過(guò)間歇操作的方式來(lái)生產(chǎn)需求量較小的產(chǎn)品或者進(jìn)行中試實(shí)驗(yàn)，需要的操作條件僅僅是一個(gè)間歇多用途工廠（或中試車(chē)間），大量設(shè)備可以重復(fù)使用，而且操作靈活性好，一個(gè)間歇多用途工廠或車(chē)間幾乎可以操作任何化學(xué)反應(yīng)，因此操作成本相對(duì)較低。例如，原料藥及大量有機(jī)中間體通常需要多步不同的合成反應(yīng)步驟，通常為6至10個(gè)反應(yīng)步驟，這其中要經(jīng)過(guò)多輪淬滅、分離和純化，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的需求特性是單個(gè)步驟使用周期短、產(chǎn)量一般較小和使用功能多種多樣，因此多用途間歇式操作模式自然而然地成為首選的操作方式。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人力成本不斷上升，自動(dòng)控制技術(shù)快速發(fā)展，同時(shí)在激烈的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)、嚴(yán)格的環(huán)保要求、嚴(yán)厲的安全法規(guī)和較低的行業(yè)利潤(rùn)等現(xiàn)實(shí)情況的驅(qū)使下，化工行業(yè)越來(lái)越需要高成本效益、高效率、高安全和高原子經(jīng)濟(jì)性的生產(chǎn)技術(shù)，近二十年來(lái)研究人員越來(lái)越多的關(guān)注連續(xù)流化學(xué)和技術(shù)，連續(xù)生產(chǎn)工藝的開(kāi)發(fā)也越來(lái)越受到企業(yè)的重視，比如，小體積的微反應(yīng)器發(fā)展迅速，其優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到研究人員和工程師們的重視。目前，從事學(xué)術(shù)研究的科學(xué)家到制藥企業(yè)的化學(xué)工程師，更多地開(kāi)始采用連續(xù)流技術(shù)，連續(xù)流工藝已經(jīng)是構(gòu)成石油化工和散裝化工行業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)。一個(gè)重要的例子是，由諾華—麻省理工學(xué)院連續(xù)制造中心開(kāi)發(fā)的制備阿利吉侖藥品的連續(xù)端到端的制造工廠，所有中間合成步驟，包括分離、結(jié)晶、干燥和配制均在一個(gè)完整的連續(xù)流設(shè)備中進(jìn)行。

連續(xù)流技術(shù)的發(fā)展和在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，使部分在規(guī)模和安全方面受限的傳統(tǒng)間歇生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行了更新升級(jí)，使這些傳統(tǒng)間歇化學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)了新的發(fā)展方向和增長(zhǎng)點(diǎn)，這一發(fā)展趨勢(shì)在今后將為化工行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)更多機(jī)遇，可以說(shuō)它有望帶來(lái)化工行業(yè)的一場(chǎng)革命，未來(lái)的化工廠會(huì)更加智能化、多通道化、微型化和更加環(huán)保安全。

3 連續(xù)流技術(shù)的教學(xué)

由于連續(xù)流工藝在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，對(duì)相關(guān)生產(chǎn)工藝的研究開(kāi)發(fā)人員的要求會(huì)更高，對(duì)從事生產(chǎn)的技術(shù)人員的知識(shí)要求也會(huì)更高，從而在化工類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的教育中，連續(xù)流知識(shí)的傳授就越來(lái)越重要。但是目前無(wú)論是理論課教學(xué)還是實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，教授的內(nèi)容主要還是以間歇操作的知識(shí)內(nèi)容為主，加強(qiáng)連續(xù)流技術(shù)相關(guān)知識(shí)的傳授已是勢(shì)在必行。

國(guó)外對(duì)連續(xù)流技術(shù)的教學(xué)開(kāi)始較早，部分高校設(shè)置了連續(xù)流化學(xué)（Flow Chemistry）的課程，但更多的情況是通過(guò)開(kāi)設(shè)連續(xù)流合成的實(shí)驗(yàn)來(lái)教授相關(guān)知識(shí)[19-21]。德國(guó)雷根斯堡大學(xué)的Wirth等人[22]，將原有的有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)，由間歇操作方式改為了連續(xù)操作方式，更改后反應(yīng)更加易于控制，學(xué)生可以快速改變各種反應(yīng)條件，如改變反應(yīng)溫度、壓力和物料配比等，并使用離線或在線分析設(shè)備直接檢測(cè)出不同條件下的反應(yīng)結(jié)果，快速得出不同因素對(duì)反應(yīng)的影響，而這些是間歇操作方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。使用連續(xù)流反應(yīng)器降低了溶劑和原料的消耗量，給實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種新型的具有“空間分辨”能力的實(shí)驗(yàn)方法，能夠讓學(xué)生更深入的認(rèn)識(shí)到通過(guò)連續(xù)流的方式來(lái)操作反應(yīng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)的Noe¨l等人[23]為低年級(jí)本科生設(shè)置了重氮染料和二硫化物的連續(xù)流合成實(shí)驗(yàn)，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)規(guī)避了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的高風(fēng)險(xiǎn)，被設(shè)計(jì)成了安全性高，利用簡(jiǎn)單便宜的毛細(xì)管流動(dòng)反應(yīng)器就可進(jìn)行。這些實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生們對(duì)連續(xù)流技術(shù)有了深入的了解，對(duì)微反應(yīng)器、連續(xù)處理、多步反應(yīng)序列和多相化學(xué)的特點(diǎn)有了一定的認(rèn)識(shí)，這些技能對(duì)學(xué)生以后從事學(xué)術(shù)研究或化工廠組織生產(chǎn)都具有重要作用。

在蒙特利爾大學(xué)，加拿大的自然科學(xué)與工程研究理事會(huì)（NSERC）撥款支持在連續(xù)流科學(xué)相關(guān)的全部課程中教授流動(dòng)化學(xué)（flow science）的知識(shí)，他們將連續(xù)流化學(xué)知識(shí)納入高等有機(jī)合成和綠色化學(xué)等本科生課程的教學(xué)中。該校在傳統(tǒng)課程教學(xué)中不斷增加連續(xù)流化學(xué)知識(shí)的傳授的同時(shí)，實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中流動(dòng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)量也在不斷增加，另外還計(jì)劃將流動(dòng)化學(xué)知識(shí)的教學(xué)納入研究生的課程和培訓(xùn)工作中。該校的這些改革，擴(kuò)寬了學(xué)生的知識(shí)面，讓學(xué)生學(xué)習(xí)最新的科技知識(shí)，開(kāi)闊了視野，提高了學(xué)習(xí)的積極性。由于精細(xì)化工行業(yè)中流動(dòng)化學(xué)的重要性日益增加，他們認(rèn)為在學(xué)生接受教育的早期就應(yīng)該開(kāi)始進(jìn)行流動(dòng)化學(xué)知識(shí)的傳授和相關(guān)技能的培訓(xùn)，這有利于促進(jìn)基礎(chǔ)的化學(xué)學(xué)術(shù)研究和大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的連續(xù)流技術(shù)緊密地聯(lián)系起來(lái)，從而提高流動(dòng)化學(xué)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的影響力，吸引生產(chǎn)企業(yè)和政府機(jī)構(gòu)的資金支持，確保這些研究項(xiàng)目的開(kāi)展、發(fā)展和可持續(xù)性。

目前已經(jīng)有了成套的商業(yè)化的連續(xù)流教學(xué)設(shè)備和方案。Future Chemistry公司最早開(kāi)始提供完善的連續(xù)流教學(xué)模塊，并且還能提供相當(dāng)完善的教學(xué)手冊(cè)。國(guó)內(nèi)深圳市的一正科技有限公司也能提供完善的、成套的連續(xù)流教學(xué)和科研設(shè)備，他們代理了Chemtrix品牌的Labtrix start微通道反應(yīng)器非常適合流動(dòng)教學(xué)，Labtrix Start連續(xù)流微反應(yīng)器現(xiàn)已在多個(gè)高校用于教學(xué)演示，其配置包括溫度控制器、兩個(gè)泵、一個(gè)反應(yīng)器支架和多個(gè)反應(yīng)器芯片，此外還提供一本教材《Micro R eaction technology on Organic Synthesis》和一套相關(guān)的計(jì)算軟件。四川大學(xué)、中山大學(xué)和南京工業(yè)大學(xué)等學(xué)校目前已經(jīng)將微通道反應(yīng)技術(shù)納入化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)（本科、研究生教學(xué)），而且配置了多套微通道反應(yīng)器設(shè)備，學(xué)生分組進(jìn)行道實(shí)驗(yàn)（4~5人一組，采用Labtrix start進(jìn)行教學(xué)方法手冊(cè)中的試驗(yàn)）。

目前，成套的連續(xù)流教學(xué)設(shè)備與方案價(jià)格很高，往往一套教學(xué)設(shè)備加上相關(guān)教學(xué)資料可高達(dá)2.5萬(wàn)美元以上，Noe¨l等人為了降低成本，他們自己從市場(chǎng)上采購(gòu)較為便宜的材料組裝了教學(xué)設(shè)備。Hilton等人[24]利用3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了體積小、成本低、便于攜帶的連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)，由于3D打印技術(shù)賦予的優(yōu)勢(shì)，可以容易獲得較高便宜的反應(yīng)器，反應(yīng)模塊可以很方便的組裝和修改，反應(yīng)系統(tǒng)展示了很好的靈活性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，連續(xù)流技術(shù)在化工產(chǎn)品的生產(chǎn)和科學(xué)研究方面都會(huì)越來(lái)越重要，在基礎(chǔ)課程教學(xué)中進(jìn)行連續(xù)流技術(shù)的教授已經(jīng)是科技發(fā)展和化學(xué)工業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求，這也是推進(jìn)新工科建設(shè)、深化工科研究與實(shí)踐的具體方法，是培養(yǎng)“五有”的化工應(yīng)用創(chuàng)新型人才的要求。從促進(jìn)連續(xù)流技術(shù)的發(fā)展和知識(shí)傳授方面來(lái)說(shuō)，我國(guó)一定程度上仍然落后于國(guó)外的高校，相關(guān)的教育管理機(jī)構(gòu)、高校和相關(guān)企業(yè)都應(yīng)該提供支持和幫助，另外還需要教育科研工作者承擔(dān)起社會(huì)責(zé)任，在化學(xué)教育的每個(gè)階段盡可能多地鼓勵(lì)使用連續(xù)流化學(xué)技術(shù)，培養(yǎng)更多的連續(xù)流化學(xué)人才。