精细化学品微通道连续流生产新工艺开发

目前，精细化学品行业仍然多采用间歇或半连续反应器，而如果采用连续流动技术设计，可实现批次反应无法安全达到的反应条件，有可能使合成过程质量更高，杂质更少，反应停留时间更短。如果采用微通道，即我们常称之为的微反应器（microreactor），其特征通常是狭窄且轮廓分明的管道，内部尺寸在 10-100 μm，内部体积从几微升到几十毫升不等。由于微反应器管路的表面积/体积比大，因此与传统的批次反应工艺相比，连续流动系统具有反应速率更快、安全性更高、自动化控制更简单、增强对实验变量的控制并提高重现性、易于分离目标产品和副产物、易于工艺放大等诸多优点，在一些精细化工品生产领域会带来变革性进步。但从传统批次操作反应到连续流动化学绝不仅仅是简单的设备改变，而是需要对原路线、原料、反应条件等进行彻底的重新设计，我们主要研究利用微反应器来替代一些传统有机合成工艺，期望获取更安全、高效、绿色、经济的新工艺。

微反应器内液滴生成规律及流动特性研究

微通道是微化工系统中的重要组成部分，与常规尺度相比其内部的传质传热、流动和反应特征有着明显的区别：微通道内的两相分布更加规则；重力影响减弱，通道的放置位置对管内两相分布不再起作用；表面张力作用明显等，因此微通道内的多相流受到了广泛研究。气液和液液两相流作为两种最常见的多相流，国内外已对其开展了大量研究。目前关于微通道内两相流的研究还主要停留在实验阶段，有待做进一步的验证，特别是对液液两相流型及流动特征的研究。即使在微通道中液液两相间的流动性能与常规尺度相比已有了显著的提高，但由于液液两相流具有复杂的微化工尺度效应，目前针对它的研究仍不丰富。没有比较统一的可以判断液液两相形貌演化的规律和准则，因此，微通道内液液两相的流型及流动特征的数值研究是我们的重点研究方向之一。希望通过结合数值模拟与理论研究的方法，以实验结果为基础，获得更为细致、可信的数学模型，为微化工优化设计提供基础支撑。

微通道内聚合反应研究

微反应器因其优良的传热、传质性能在聚合反应中的研究方兴未艾。与传统釜式聚合相比,微反应器聚合能够更好地调控聚合物分子量分布，提高聚合反应速率，聚合反应大多属于快速强放热过程，对传热和传质有很高的要求，而微反应器恰好能满足这一要求。与釜式聚合相比，微反应器能够提高聚合反应效率，并且可以在很大程度上避免副反应，从而降低聚合物分子量分布，控制聚合物分子结构和产物形貌，从而改善聚合物产品性能。微反应器不仅能够制备线性聚合物，也可高效制备嵌段共聚物、端基功能化聚合物和树枝状聚合物；从聚合物形态来看，微反应器可以高效制备多孔聚合物颗粒，纳米聚合物颗粒以及聚合物纳米复合材料等。我们着重研究聚合反应动力学，聚合反应过程中的传质和传热，反应器及工艺的设计与放大，聚合流程的建模、仿真、优化与控制等。在聚合动力学研究的基础上进行聚合过程的数学建模，可实现各类聚合反应器中产物分子量及其分布的预测。反应器设计与开发涉及物质的热化学与传递性质、流体混合与流动、反应机理与反应动力学等几乎整个化学工程学科的专业知识。实验室主要从反应器尺度和流程尺度出发，研究以过程效能和产品性能为目标的反应器、工艺过程设计、控制和优化方法。

利用微通道反应器制备微纳米粒子

纳米技术的发展引起了科学界的极大兴趣。例如，直径从几纳米到几十纳米的金纳米颗粒（NPs）已应用于多种应用。对于这些应用，纳米颗粒的直径、大小分布、制备和产率对材料的应用范围和材料的未来发展有很大影响。传统制备方法的低收率极大地限制了纳米技术的发展以及由此产生的经济利益。由于NP的日益广泛和系统的应用，迫切需要在不久的将来实现高产量。微流体技术的出现为有效控制NP的合成提供了一种有效的方法。微流体合成所产生的微观特征要优于传统方法，如反应时间更短，反应空间更小，控制更精确以及单位时间内NP产量更高。高的传热速率也是微流体过程的关键特征，因为界面表面积与体积的比很大，这反过来引起的热交换系数比常规间歇式反应器高出一个数量级。微流体技术的出现解决了涉及化学和物理方法的传统NP合成所引发的若干问题，例如实验周期长，设备局限性大，人为失误以及产量限制。由于微反应器和微流体的规模小，微空间中的流动和工艺条件（液-液接触面积，混合流模式等）极大地提高了传热和传质效率。此外，微型反应器可以在高压和高温下工作，同时限制潜在的有毒，易燃和爆炸性材料，这为创造新型的微/纳米结构材料提供了巨大的机会。我们研究采用微通道方法制备多种无机、有机微纳米粒子，显示出了更好的单分散性、高收率和可控性，用于低感测检测限、高活性催化、靶向成像和增强的治疗效率等领域。