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發(fā)布日期:2025/6/5 9:51:00

      在科技飛速發(fā)展的當(dāng)下,化工領(lǐng)域正經(jīng)歷著深刻的變革,微通道連續(xù)流智能合成系統(tǒng)作為一項(xiàng)具有顛覆性的創(chuàng)新技術(shù),正逐漸嶄露頭角,為化工生產(chǎn)帶來(lái)了全新的機(jī)遇與變革。?

一、技術(shù)溯源與發(fā)展脈絡(luò)?

      微通道連續(xù)流技術(shù)的發(fā)展可追溯到 20 世紀(jì) 60 年代,當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體制造技術(shù)取得顯著進(jìn)展,光刻、蝕刻等微加工工藝的成熟,為制造微小尺寸的通道結(jié)構(gòu)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。到了 80 年代,微流控技術(shù)興起,最初主要應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,如 DNA 測(cè)序、蛋白質(zhì)分析等,研究人員利用微通道實(shí)現(xiàn)對(duì)微量生物樣品的精確操控與分析,這一時(shí)期積累的技術(shù)和應(yīng)用思路為微通道連續(xù)流技術(shù)在化學(xué)工程領(lǐng)域的發(fā)展提供了重要鋪墊。?

      在化學(xué)工程領(lǐng)域,傳統(tǒng)大規(guī)模間歇式反應(yīng)器存在諸多局限性,如反應(yīng)時(shí)間漫長(zhǎng)、混合不均勻、傳質(zhì)傳熱效率低下等問(wèn)題,嚴(yán)重制約了反應(yīng)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的提升。為突破這些瓶頸,研究人員開(kāi)始探索新的反應(yīng)器設(shè)計(jì)與反應(yīng)模式,微通道連續(xù)流技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它利用微尺度通道(通常為微米到毫米級(jí)別)內(nèi)的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)機(jī)制,借助微通道高表面積體積比和精確的流體控制能力,實(shí)現(xiàn)高效、快速且安全的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,該技術(shù)已從實(shí)驗(yàn)室研究逐步走向工業(yè)化應(yīng)用,不斷拓展其應(yīng)用邊界。?

二、系統(tǒng)構(gòu)成與工作機(jī)理?

(1)系統(tǒng)構(gòu)成?

以典型的 SSC - MCFR50 微通道連續(xù)流智能合成系統(tǒng)為例,其主要由進(jìn)料系統(tǒng)、混合模塊、預(yù)熱模塊、微通道反應(yīng)模塊、產(chǎn)物收集系統(tǒng)、溫度控制采集、壓力控制、閥門(mén)切換系統(tǒng)以及 PLC 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等多個(gè)部分協(xié)同構(gòu)成。各部分各司其職,又緊密配合,確保整個(gè)合成過(guò)程的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。?

(2)工作機(jī)理?

  1. 連續(xù)流動(dòng)反應(yīng):反應(yīng)物在進(jìn)料系統(tǒng)的精準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)下,以連續(xù)穩(wěn)定的方式流入微通道。在微通道內(nèi),反應(yīng)物持續(xù)進(jìn)行反應(yīng),生成的產(chǎn)物同樣以連續(xù)的形式流出,進(jìn)入產(chǎn)物收集系統(tǒng)。這種連續(xù)流模式使反應(yīng)體系始終維持在動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),反應(yīng)物得以源源不斷地供應(yīng),產(chǎn)物也能持續(xù)生成并及時(shí)移出反應(yīng)區(qū)域,與傳統(tǒng)間歇式反應(yīng)的分批處理方式形成鮮明對(duì)比。?
  1. 高效傳質(zhì)傳熱:微通道具有極高的表面積與體積比,這一獨(dú)特結(jié)構(gòu)特性使得在微通道內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)時(shí),傳質(zhì)(反應(yīng)物之間的混合)和傳熱(熱量的傳遞與交換)效率得到顯著提升。在微通道內(nèi),流體主要以層流形式流動(dòng),分子擴(kuò)散成為傳質(zhì)的主導(dǎo)機(jī)制,促使反應(yīng)物能夠迅速混合均勻;同時(shí),較大的表面積為熱量的快速散發(fā)或吸收創(chuàng)造了有利條件,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)溫度的精確控制,為反應(yīng)的高效進(jìn)行提供有力保障。?
  1. 精確條件控制:該系統(tǒng)能夠?qū)Ψ磻?yīng)過(guò)程中的溫度、壓力、流速、反應(yīng)物濃度等關(guān)鍵條件進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。通過(guò)在微通道周圍配備精確的加熱或冷卻裝置,可將反應(yīng)溫度穩(wěn)定控制在極小的波動(dòng)范圍內(nèi);借助高精度的壓力傳感器和流量控制器,能夠可靠地維持反應(yīng)所需的壓力和流速條件,確保反應(yīng)始終在設(shè)定的最佳參數(shù)下進(jìn)行。?

三、核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)?

(1)反應(yīng)高效快速?

  1. 微通道的小尺寸特性賦予其高表面積體積比,極大地增加了反應(yīng)物之間的接觸面積,有效加速了反應(yīng)速率和傳質(zhì)效率。與傳統(tǒng)反應(yīng)器相比,反應(yīng)時(shí)間可大幅縮短,例如在某些有機(jī)合成反應(yīng)中,反應(yīng)時(shí)間能從數(shù)小時(shí)甚至數(shù)十小時(shí)縮短至幾分鐘甚至幾十秒,顯著提升了生產(chǎn)效率。?
  1. 連續(xù)化生產(chǎn)模式避免了傳統(tǒng)間歇式反應(yīng)中的頻繁啟停和批次切換時(shí)間損耗,進(jìn)一步提高了整體生產(chǎn)效率,使產(chǎn)能得到有效提升。?

(2)過(guò)程安全可靠?

  1. 微通道內(nèi)反應(yīng)物持液量極低,即便在極端情況下發(fā)生反應(yīng)失控,其影響范圍也僅局限于微小的流道內(nèi),能從源頭上有效降低爆炸、泄漏等安全風(fēng)險(xiǎn),保障生產(chǎn)過(guò)程的安全性。?
  1. 精確的反應(yīng)條件控制能力可確保反應(yīng)始終處于穩(wěn)定、可控的狀態(tài),避免因反應(yīng)條件波動(dòng)引發(fā)的安全隱患,為化工生產(chǎn)提供可靠的安全保障。?

(3)產(chǎn)物質(zhì)量?jī)?yōu)良?

  1. 微通道內(nèi)流體的層流特性以及高效的傳質(zhì)傳熱效果,使得反應(yīng)物濃度分布均勻,反應(yīng)溫度一致,有效減少了副反應(yīng)的發(fā)生,從而顯著提高產(chǎn)物的選擇性和純度,為生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。?
  1. 精準(zhǔn)的反應(yīng)條件控制能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)反應(yīng)過(guò)程的精細(xì)調(diào)節(jié),有助于獲得更理想的產(chǎn)品性能和品質(zhì)穩(wěn)定性,滿足高端市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的嚴(yán)苛要求。?

(4)綠色環(huán)保節(jié)能?

  1. 由于反應(yīng)效率的大幅提升,單位產(chǎn)品的能耗顯著降低,實(shí)現(xiàn)了能源的高效利用,符合可持續(xù)發(fā)展的理念。?
  1. 減少了副產(chǎn)物的生成量,降低了后續(xù)廢物處理的成本和環(huán)境壓力,同時(shí)在一定程度上減少了溶劑的使用量,降低了廢氣廢水的排放量,更加符合環(huán)保要求,助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)。?

(5)靈活易于放大?

  1. 微通道反應(yīng)器可通過(guò)并聯(lián)或串聯(lián)的模塊化設(shè)計(jì)方式,輕松實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模到工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的無(wú)縫放大,且在放大過(guò)程中基本不存在放大效應(yīng),保證了工藝的穩(wěn)定性和可靠性。?
  1. 智能化控制系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的生產(chǎn)需求,靈活調(diào)整反應(yīng)參數(shù)和生產(chǎn)流程,適應(yīng)多樣化的產(chǎn)品生產(chǎn)要求,為企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)提供了極大的靈活性。?

四、多元應(yīng)用領(lǐng)域?

(1)醫(yī)藥研發(fā)與生產(chǎn)?

  1. 在新藥研發(fā)過(guò)程中,微通道連續(xù)流智能合成系統(tǒng)能夠快速合成大量不同結(jié)構(gòu)的化合物,用于高通量藥物篩選,大大縮短了新藥研發(fā)周期。例如,輝瑞公司采用動(dòng)態(tài)管式反應(yīng)器模塊,成功實(shí)現(xiàn)抗腫瘤藥物帕博西尼的連續(xù)合成,產(chǎn)能提升高達(dá) 400% 。?
  1. 對(duì)于一些復(fù)雜的藥物合成反應(yīng),該系統(tǒng)能夠精確控制反應(yīng)條件,提高反應(yīng)的選擇性和收率,確保藥物質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性,為高品質(zhì)藥物的生產(chǎn)提供有力支持。?

(2)精細(xì)化工領(lǐng)域?

  1. 精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程往往涉及多種危險(xiǎn)化學(xué)反應(yīng)工藝,微通道連續(xù)流反應(yīng)器適用范圍廣,尤其對(duì) 18 類危險(xiǎn)工藝,適合度達(dá)到 60% 以上 。例如,在硝化、氟化等強(qiáng)放熱反應(yīng)中,其能夠有效控制反應(yīng)溫度和熱量釋放,降低安全風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)提高反應(yīng)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。?
  1. 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)反應(yīng)過(guò)程的精準(zhǔn)控制,生產(chǎn)出高純度、高性能的精細(xì)化工產(chǎn)品,滿足電子、日化、涂料等行業(yè)對(duì)高品質(zhì)原料的需求。比如在 OLED 發(fā)光材料合成中,通過(guò)超聲霧化噴射技術(shù)實(shí)現(xiàn)納米顆粒的均勻分散,批次差異率小于 2% 。?

(3)材料科學(xué)研究?

  1. 在納米材料制備方面,可精確控制反應(yīng)條件,實(shí)現(xiàn)對(duì)納米材料尺寸、形貌和結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控,制備出性能優(yōu)異的納米材料,如單分散量子點(diǎn)等,為電池材料、催化劑等領(lǐng)域的發(fā)展提供關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。?
  1. 在新型聚合物材料合成中,通過(guò)微通道連續(xù)流技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)聚合反應(yīng)過(guò)程的精確控制,合成具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的聚合物材料,滿足航空航天、汽車制造等高端領(lǐng)域的特殊需求。?

(4)能源與環(huán)境領(lǐng)域?

  1. 在能源領(lǐng)域,如電解水制氫過(guò)程中,微通道連續(xù)流技術(shù)可實(shí)現(xiàn)氣液固三相的高效接觸,大幅提升電流密度,降低能耗,為大規(guī)模綠色制氫提供了新的技術(shù)路徑。?
  1. 在環(huán)境領(lǐng)域,可用于工業(yè)廢水處理,集成光催化模塊,連續(xù)降解含苯系物等有機(jī)污染物的工業(yè)廢水,COD 去除率可達(dá) 95%,有效解決工業(yè)廢水污染問(wèn)題,助力環(huán)境保護(hù)。?

五、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)?

(1)智能化深度融合?

  1. 進(jìn)一步集成先進(jìn)的傳感器技術(shù)和人工智能算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能分析和自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整。通過(guò)對(duì)大量反應(yīng)數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí),系統(tǒng)能夠預(yù)測(cè)反應(yīng)趨勢(shì),提前預(yù)警潛在問(wèn)題,并自動(dòng)優(yōu)化反應(yīng)參數(shù),確保反應(yīng)始終處于最佳狀態(tài),提高生產(chǎn)的智能化水平和穩(wěn)定性。?
  1. 與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)平臺(tái)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理,企業(yè)可通過(guò)云端實(shí)時(shí)獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和決策制定,提高生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的效率和管理水平,推動(dòng)化工生產(chǎn)向智能化、數(shù)字化工廠方向發(fā)展。?

(2)拓展應(yīng)用邊界?

  1. 隨著技術(shù)的不斷成熟和完善,微通道連續(xù)流智能合成系統(tǒng)將在更多新興領(lǐng)域探索應(yīng)用,如生物化工、量子材料合成、極端條件下的化學(xué)反應(yīng)等,為這些領(lǐng)域的發(fā)展提供創(chuàng)新的技術(shù)手段和解決方案。?
  1. 針對(duì)一些傳統(tǒng)工藝難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜反應(yīng)或特殊材料的制備,通過(guò)對(duì)微通道結(jié)構(gòu)、反應(yīng)條件和工藝路線的創(chuàng)新設(shè)計(jì),有望實(shí)現(xiàn)突破,拓展化工生產(chǎn)的可能性邊界。?

(3)強(qiáng)化綠色可持續(xù)發(fā)展?

  1. 持續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)的能源利用效率,開(kāi)發(fā)更加節(jié)能的反應(yīng)工藝和設(shè)備,降低化工生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗,減少碳排放,積極響應(yīng)全球綠色發(fā)展和碳中和目標(biāo)。?
  1. 進(jìn)一步探索綠色化學(xué)合成路徑,減少有毒有害原料和溶劑的使用,從源頭上降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn),推動(dòng)化工行業(yè)向更加綠色、可持續(xù)的方向轉(zhuǎn)型升級(jí)。?

(4)提升系統(tǒng)性能與規(guī)模?

  1. 不斷提升微通道反應(yīng)器的通量和處理能力,通過(guò)改進(jìn)材料性能、優(yōu)化通道結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)設(shè)計(jì)等手段,實(shí)現(xiàn)更高的反應(yīng)速率和更大的生產(chǎn)規(guī)模,滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。?
  1. 加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性研究,提高設(shè)備的運(yùn)行壽命和抗干擾能力,降低維護(hù)成本,為大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)保障。

?六、總結(jié)

      微通道連續(xù)流智能合成系統(tǒng)憑借其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景,正成為推動(dòng)化工領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展的重要力量。隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和完善,它將在更多領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用,為實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)的高效、安全、綠色、智能發(fā)展注入新的活力,引領(lǐng)化工行業(yè)邁向全新的發(fā)展階段。?

產(chǎn)品展示

      SSC-MCFR50微通道連續(xù)流智能合成系統(tǒng)是由進(jìn)料系統(tǒng)、混合模塊、預(yù)熱模塊、微通道反應(yīng)模塊、產(chǎn)物收集系統(tǒng)、溫度控制采集、壓力控制、閥門(mén)切換系統(tǒng)、PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成,通過(guò)微通道混合器、微通道反應(yīng)器、微通道換熱器、管式反應(yīng)器等實(shí)驗(yàn)需求的組合,實(shí)現(xiàn)反應(yīng)進(jìn)行的連續(xù)化、微型化、智能化。 

      SSC-MCFR50微通道連續(xù)流智能合成系統(tǒng),適用于中、低等粘度、固含量<5%以內(nèi)(顆粒物≥100目)的化學(xué)反應(yīng),如有機(jī)合成、無(wú)機(jī)合成、催化反應(yīng)、氧化反應(yīng)、烷基化反應(yīng)、硝化反應(yīng)、加氫反應(yīng)、正丁基鋰/格氏反應(yīng)、催化加氫、重氮化、疊氮化、微化工等。

產(chǎn)品應(yīng)用:

1)  日用化學(xué)品的生產(chǎn)工藝因產(chǎn)品種類繁多而各異,其生產(chǎn)主要包括配料、過(guò)濾、排氣、包裝等環(huán)節(jié),配料階段往往采用間歇式生產(chǎn)裝置進(jìn)行乳化均質(zhì),存在著生產(chǎn)周期長(zhǎng)、設(shè)備參數(shù)調(diào)控不精準(zhǔn)、能耗高、資源利用不佳、安全隱患大等問(wèn)題,不利于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

2)  日化品間歇生產(chǎn)連續(xù)化是日化品生產(chǎn)領(lǐng)域一大趨勢(shì),微通道連續(xù)流技術(shù)針對(duì)液液物料有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì),確保物料在高速流動(dòng)過(guò)程中瞬間、高效且均勻的混合,提高單位體積的傳熱和傳質(zhì)的速率與反應(yīng)的可控性,實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定提升與生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化、集成化。

3)  為了通過(guò)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)提供解決方法,將微通道連續(xù)流與智能合成分解為微通道材質(zhì)篩選、裝備加工、連續(xù)流工藝流程、智能控制系統(tǒng)、數(shù)字化建模與仿真、廢物最小化與治理、本質(zhì)安全保障、系統(tǒng)能量綜合優(yōu)化等模塊,構(gòu)建起功能完備的微通道連續(xù)流智能合成系統(tǒng),進(jìn)而構(gòu)筑日化品生產(chǎn)新一代人工智能開(kāi)放創(chuàng)新平臺(tái)。      

4)   通過(guò)配方設(shè)計(jì)、流體力學(xué)仿真、微通道連續(xù)流創(chuàng)新、智能制造等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究與優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)研究、化工中試到工程化示范,形成日化品微通道連續(xù)流智能合成的工程化平臺(tái)技術(shù)。

5)  產(chǎn)業(yè)化前景分析:屬于日化行業(yè)智能化升級(jí)技術(shù)。在國(guó)家大力倡導(dǎo)綠色發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求下,在消費(fèi)者需求日益多樣化和個(gè)性化的趨勢(shì)下,日化行業(yè)呈現(xiàn)智能化、數(shù)字化發(fā)展趨勢(shì)。

產(chǎn)品優(yōu)勢(shì):

1)  專業(yè)流體設(shè)計(jì):專業(yè)的模擬和試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)提高了換熱和流阻仿真的精度與效率。

2) 耐高壓工藝(5Mpa):使用真空擴(kuò)散焊接技術(shù)所制成的換熱器芯體,保障產(chǎn)品的安全性。

3) 測(cè)溫孔與反應(yīng)通道間距僅有 2mm,能提供更加準(zhǔn)確的溫度信息。

4) 采用換熱層1、反應(yīng)通道層1、換熱層2、反應(yīng)通道層2…依次排序5層,可實(shí)時(shí)控制反應(yīng)溫度。

5) 物料進(jìn)出口均設(shè)置在側(cè)面,二進(jìn)一出,摒棄了原有的梯形連接方式,更加節(jié)省空間。

 

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