Numerical investigation on the heat and mass transfer enhanced by Triply-Periodic-Minimal-Surface (TPMS) configuration in flow chemistry

在制药和化学品制造领域，反应的运行方式在近几十年发生了剧烈的转变。科学家们不再倾向于在大型开放式反应釜中混合原料（因为热量可能会不可预测地积聚，且安全问题始终令人担忧），而是更倾向于将流体推入狭窄的连续管道中。这种被称为“流体化学”（flow chemistry）的方法提供了卓越的控制力和安全性，因为反应是在微小的移动流中而非巨大的池塘中进行的。然而，当工程师们试图将这些工艺从实验室台面转移到工厂车间时，他们撞上了一堵顽固的墙。如果仅仅通过加宽管道来处理更多物料，控制热量和均匀混合化学物质的能力往往会崩溃。反应中心可能会过热，产生不必要的副产物甚至引发爆炸，而边缘部分却保持凉爽。挑战在于，如何设计一种即使在规模扩大时也能保持高效且安全的反应器，同时又不失去流体化学最初所具备的精准控制力。

为了解决这一问题，西安交通大学和河北工业大学的研究人员开发出一种基于复杂重复几何形状——即三重周期极小曲面（triply periodic minimal surface）的新型反应器。想象一下一种看起来像海绵的结构，但它由平滑、连续且在三维空间中扭转旋转的曲线组成，形成了一个相互连接的通道迷宫。研究团队选择了这种被称为“螺旋曲面”（gyroid）的特定形状，因为它避免了流体可能滞留的死角，并为热量散发提供了巨大的表面积。该团队构建了一个特征尺寸为6毫米的反应器原型，并将其与两个传统的管式反应器（一个直径为2毫米，另一个为4毫米）进行了对比。他们的目标是观察这种复杂的、类似海绵的设计是否能在系统规模扩大的过程中，依然保持完美的温度控制和混合效果——而这正是标准管式反应器难以实现的。

研究人员不仅制造了这个装置，还为其创建了一个详细的“数字孪生”模型，以观察其中的流体是如何运动和反应的。他们模拟了一个涉及生产二氯化乙烯（一种广泛用于多种工业产品的材料）的化学过程，该过程涉及两种液体混合并释放热量。通过将这些模拟与现实世界的实验结合运行，他们能够测量流体在反应器中的停留时间以及温度分布的均匀程度。结果显示，流经螺旋曲面反应器的流体行为几乎表现得像一个坚实的“塞流”（solid plug），以紧凑、有序的队列向前推进，极少出现向后混合或陷入死区的情况。这是理想的化学反应器行为，确保每一滴流体都经历相同的条件。相比之下，较大的传统管式反应器显示出了流体“旁路”（bypassing）的迹象，即部分液体通过中心快速流过，而其他部分则停留较久，导致结果不一致。

当团队测试这些反应器处理热量的能力时，螺旋曲面设计的优势变得更加明显。在模拟高度剧烈的工业过程（即化学反应释放大量热量）的情景下，传统管式反应器难以控制温度。尤其是那个较大的管子，会出现热点现象，这可能会因诱发不必要的副反应而破坏最终产品的质量。虽然2毫米的管式反应器在整体传热性能上表现最佳，但螺旋曲面反应器紧随其后，并在一种特定情景下展现出显著优势：即当副反应成为主要因素时。在这种极端条件下，螺旋曲面设计维持稳定温度的能力使其具有更高的选择性，这意味着它能产生所需的化学物质，而产生的杂质比其他反应器更少。这种抑制不需要的副反应的能力是制药工业中的关键因素。

这项工作的意义不仅限于这一种化学反应。研究人员证明，他们这种将流体力学与化学反应速率相结合的计算机建模方法，是预测反应器在实际建造前性能的强大工具。这种方法允许工程师以相当高的速度和准确度在计算机上测试不同的设计，从而节省了制作物理原型的成本和时间。研究表明，基于螺旋曲面的反应器可能会成为目前那些难以规模化或过于危险的工艺（如硝化或锂化反应，其中热量控制既关乎效率也关乎安全）的变革者。通过证明这种复杂的、3D打印的结构能够处理工业规模化学的需求，同时保持实验室级别的精准度，研究人员为未来连续流制造的发展提供了一条充满希望的路径。