“固體意味著不可能流動(dòng)”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(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)過程提供可靠的方法，并且可能需要時(shí)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(dòng)的化學(xué)家； 與處理靜電、吸濕性或高度危險(xiǎn)的粉末相比，使用流動(dòng)方法移動(dòng)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(dòng)也有很大的優(yōu)勢。 流動(dòng)結(jié)晶領(lǐng)域解決了許多這些問題，重點(diǎn)是控制主動(dòng)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(gè)活躍過程的流動(dòng)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(dòng)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(dòng)的振蕩流在反應(yīng)器中產(chǎn)生渦流。 然后凈流驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(gè)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