專利名稱：高通量熱調和微量反應器裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及微量反應器和微流體裝置和系統(tǒng)，通常涉及至少一個特征 尺寸約等于或小于數(shù)毫米的裝置，具體涉及高通量熱調和的(thermally
tempered)微量反應器裝置和微流體裝置。
背景技術：
目前微量反應技術的一個焦點是使用小通道中可能出現(xiàn)的高表面積-體積 比一一比常規(guī)的間歇反應器大一個或更多個數(shù)量級一一在化學實驗室工作以 及化學工藝和生產(chǎn)方面提供優(yōu)點。
具有極高表面積-體積比的裝置能夠在很小的體積內提供高的傳熱和傳質 速率。人們眾所周知的潛在的優(yōu)點包括(l)通過獲取更高的產(chǎn)率和純度，得到更 高的生產(chǎn)率和效率，(2)通過顯著減小工藝體積而提高安全性，(3)可以用于其它 方式不可能采用的新工藝、新反應或其它新的反應體系，這樣又可以得到更高 的產(chǎn)率、純度或其它優(yōu)點。
但是，為了提供微量反應裝置和工藝以在進行快速放熱或快速吸熱的反應 的時候獲得高通量、高產(chǎn)率、受控良好的性能，仍然存在一些難題，對于那些 對溫度特別敏感的反應來說尤其明顯。快速放熱或快速吸熱反應能夠快速地產(chǎn) 生或吸收足夠的熱量，從而顯著地改變反應物的溫度。如果所需的反應對溫度 的敏感性特別高，則反應產(chǎn)生或吸收的熱量通常會使得對反應的控制很差，發(fā) 生不希望出現(xiàn)的或者不受控制的反應，導致產(chǎn)率很差甚至產(chǎn)率為零。要將微量反應環(huán)境中的局部摩爾比保持在等于或低于所需水平，也仍然存 在一些難題。因為許多反應對一種反應物的任何一點過量都非常敏感，所以如 果該種反應物局部累計至高于反應所需摩爾比的水平，可能會造成不希望出現(xiàn) 的副反應或后繼反應，導致產(chǎn)率降低。
用于對溫度敏感的快速吸熱或快速放熱的反應的微量反應裝置通常具有 尺寸較小的通道(甚至相對于其他的微量反應裝置也是較小的尺寸)，例如在 100微米甚至更小的尺度上，以使得在通道中獲得極高的表面積-體積比。這種 更高的表面積-體積比提供了更快的傳熱效果，相對于較大尺寸的裝置，所述 更高的表面積-體積比通常能夠改進對反應的控制和產(chǎn)率。但是通道尺寸的減 小通常也會降低通量，特別是如果要將壓降保持在合理的水平，則通量更會降 低。
人們可以使用"外部增設法(external numbering up)"或"內部增設法 (internal numbering up)"或者同時使用這兩種方法對微量反應裝置中的這種通 量降低的趨勢進行彌補或抵消。外部增設法包括平行設置多個獨立的微量反應 裝置，采用外部流體分配設備，將流體輸送到所述設備。內部增設法包括在特 定的微量反應裝置內平行設置多個混合和/或反應室。但是，在任意的情況下， 流動平衡都變得很關鍵，很小的流動偏離都可能產(chǎn)生局部不平衡的摩爾比，從 而導致對反應的控制變差。
增設法還可能很昂貴。外部增設法需要外部調節(jié)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可能成 本極高。對于采用內部增設法的情況，當進行被動外部流體分流的時候，即使 仔細地設計流體通道和嚴格控制制造過程，在常規(guī)的裝置中都很難得到良好的 流動平衡。在裝置使用壽命內，輕微的化學腐蝕或機械損蝕都會改變流動平衡 和所得的摩爾比，從而進一步降低其性能。這樣一來，相對于不進行增設的裝 置，或者相對于可以不通過增設而獲得較高通量的裝置，上文所述采用增設的 裝置的壽命會縮短，成本會升高。另外，設計用于一種反應或反應物體系的用 來提供良好流動平衡的被動分流器可能無法在采用其它反應或反應物的情況 下良好地運行。因此，內部增設法會使得特定裝置的可應用范圍變窄，人們將 需要更多的裝置種類或設計來解決特定范圍的反應參數(shù)問題，隨之會帶來成本 的增加。
11因此，人們需要一種微量反應裝置和方法，其非常適于在快速放熱或快速 吸熱反應中經(jīng)濟而可靠地實現(xiàn)更高通量、高產(chǎn)率、受控良好的性能，以及/或者 提供高度的局部摩爾比控制。
發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，微量反應裝置具有至少一個用于熱控制或熱緩沖 流體的流體通道，具有一個主要工作流體通道，所述主要工作流體通道具有一
個主入口和多個次要入口。所述主要流體通道的橫截面積通常為0.25-100毫米 2,優(yōu)選為0.3-20毫米2，更優(yōu)選為0.5-6毫米2。次要入口之間沿所述主要流體 通道的間隔長度優(yōu)選至少為所述通道平均橫截面積的平方根的兩倍，使得在主 要流體通道中流動的流體在從一個特定次要入口到達下一個次要入口之前具 有不能忽略的時間和空間，在此時間和空間內，所述在主要流體通道中流動的 流體與從該特定次要入口進入的任意流體混合或開始混合，以及/或者反應或開 始反應。
所述裝置還包括至少一個次要工作流體通道，優(yōu)選其平均橫截面積為 0.25-100毫米2，優(yōu)選為0.3-20毫米2,更優(yōu)選為0.5-6毫米2。所述次要流體通 道具有一個入口和包括一個最終出口在內的多個出口。每個出口都與所述主要
流體通道的多個次要入口中相應的一個次要入口流體連通，從距離所述兩條通 道的入口最近之處，到距離入口最遠之處，所述出口和次要入口依次配對。因 此，連續(xù)流入所述次要流體通道的流體有效地逐漸分配成連續(xù)流入主要流體通 道的流體。
需要所述主要流體通道在各個次要入口之間依次包括混合區(qū)段和停留時 間區(qū)段。所述混合區(qū)段優(yōu)選包括所述主要流體通道的較窄、較曲折的區(qū)段。所 述停留時間區(qū)段優(yōu)選包括所述主要流體通道的較寬、曲折程度較小的區(qū)段。較 窄的、更曲折的區(qū)段以產(chǎn)生一定的壓降為代價，提供所需的混合效果，而較寬 的、曲折程度較小的區(qū)段提供所需的停留時間，造成極小的壓降，在此停留時 間內，可以發(fā)生或繼續(xù)發(fā)生反應、熱交換或者其它過程。所述較窄、較曲折的 區(qū)段優(yōu)選由流體通道中的彎曲處或轉彎處組成，所述彎曲處或轉彎處位于一個 以上平面之內。相對于彎曲或轉彎均位于一個平面內的曲折通道，上述這種三維曲折類型的曲折通道更有效地產(chǎn)生能夠促進混合的次級流，從而改進了混合 效果。每個較窄、較曲折的區(qū)段和每個較寬、曲折程度較小的區(qū)段與熱控制流 體通道共用至少一個壁，優(yōu)選共用至少兩個壁，使得在每個較窄、較曲折的區(qū) 段以及每個較寬、曲折程度較小的區(qū)段都提供熱控制或熱交換。
沿所述次要流體通道方向，出口之間的間隔長度優(yōu)選至少為所述次要流體 通道的平均橫截面積的平方根的八倍。這種較高的長度尺寸/橫截面尺寸比使得 能夠在所述次要流體通道中可靠地提供所需程度的壓降。沿所述次要通道，在 所述次要通道的出口之間的距離優(yōu)選是沿遠離入口的方向逐漸增大的。這樣， 即使在有流體通過連續(xù)的多個出口離開，造成流體減少的情況下，在所述次要 流體通道中仍能產(chǎn)生合適的額外的壓降。作為替代或者附加的特征，所述次要 流體通道的橫截面積通?？梢匝刂h離入口的方向減小，以提供合適的壓降。
作為用來在主要流體通道和次要流體通道之間提供合適的壓降或壓力匹 配的附加性的或替代性的方式，所述主要流體通道的連續(xù)的、更曲折的區(qū)段的 平均橫截面積可以沿著遠離主要流體通道入口的方向增大，或者可以包括在所
述多個曲折區(qū)段的各個區(qū)段中的障礙物的尺寸可以逐漸減小。需要這樣利用這 些各種各樣的產(chǎn)生壓降或控制壓降的特征，使得所述主要流體通道和次要流體 通道彼此互相平衡，使得以第一流速進入主要流體通道的第一工作流體以及以 第二流速進入次要通道的第二工作流體主要僅在所述主要流體通道中互相混 合，大體上不會在次要流體通道中混合。
根據(jù)本發(fā)明的一個替代的實施方式，如果需要的話，所述連續(xù)的、更曲折 的區(qū)段可以出于壓力平衡以外的原因，任選地在彼此之間發(fā)生變化。通過改變 所述更曲折的區(qū)段的設計和/或長度，每個這樣的區(qū)段中的混合效率可以根據(jù)需 要發(fā)生變化。也可通過次要流體通道的補充設計使壓力平衡最優(yōu)化。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，所述主要流體通道， 一個或多個次要流體通 道，以及至少一個用于熱控制流體的通道都包括在單獨的整體型主體中。所述 主體可優(yōu)選包含玻璃或玻璃陶瓷，但是也可由其它材料(例如陶瓷、金屬和塑 料)形成。
在另一個實施方式中，所述主要流體通道和至少一條用于熱控制流體的通 道包括在第一整體型主體中，次要流體通道包括在第二整體型主體中，所述次要流體通道的出口通過一條多重路徑流體連接線路或多條獨立的流體連接線 路與所述主要流體通道的次要入口相連。在此實施方式中，所述第二整體型主 體可以包括用于熱控制流體的第二通道或另外的通道，對該通道的提供或控制 可以獨立于所述第一整體型主體中用于熱控制流體的至少一條通道。
相對于現(xiàn)有的或之前提出的微流體裝置，上文所得的裝置能夠更經(jīng)濟地獲 得更好的熱控制和更高的通量。由于上文簡述的裝置和方法的特征，在該裝置 中進行的反應或混合過程能夠連續(xù)地沿主要流體通道擴展，而不是像常規(guī)的增 設裝置那樣，在極小橫截面積的通道中以整體平行的形式進行。在無需減小通 道尺寸也無需相應地進行平行設置以克服較低通量問題的前提下，達到了更嚴 格的熱控制。因為緩解了對增設的需求，將外部增設所需的精密泵的花費減至 最少，還避免了內部增設通常會造成的流體平衡控制很差的風險和成本。
相對于使用平行增設(甚至使用單獨的整體型混合器)的微量反應裝置，熱 控制也獲得提高，因為本發(fā)明的順序連接結構必然使絕熱升溫(或降溫)比最精 細分流的平行反應設計更低。這是因為相對于平行增設反應器或整體型反應 器，在本發(fā)明的這種裝置中，多個混合器中的一個特定混合器里的反應產(chǎn)生的 (或消耗的)能量能夠擴散到更大質量的流體中，因為在每個反應點存在整個主 要通道反應物流。例如，假定所述主要通道和次要通道中具有相等的流量和熱 質量流量，而且從次要通道的四個出口分出的流量相等，則本發(fā)明的裝置中第 一合流或第一混合器位置(總質量流最小的位置)處的基線絕熱溫度變化僅為 等量分流平行混合器結構中絕熱溫度變化的2/5。如果主要通道中的總熱質量 流速大于次要通道中的總熱質量流速，則只會增加本發(fā)明的優(yōu)點。例如，當主
要通道與次要通道中的熱質量流速比為2:1的時候，在第一混合或合流點處，
具有四個來自次要通道的出口的本發(fā)明的裝置中的絕熱溫度變化僅為平行的
或整體型混合器的絕熱溫度變化的1/3。
根據(jù)本發(fā)明，僅在一個或多個次要流體通道中進行流體分流，以獲得獨立 的流體分布，而在主要流體通道中則沒有。另外，所述次要流體通道中的流體 分流的種類不同于采用內部(或外部)增設的常規(guī)微量反應器。本發(fā)明沒有釆用 具有相等壓力和流速的許多平行的流體，而是采用次要流體通道中連續(xù)順序設 置的具有不同壓力的開口(split)或出口。利用沿通道的出口依次變化的通道特征(例如子通道長度)在各個出口依次提供越來越低的壓力。這樣產(chǎn)生的壓降與 相連的主要流體通道中的流體壓降相匹配，因此確保主要流體通道中的流體不 會離開該通道，且混合和/或反應過程主要全在主要流體通道中發(fā)生，基本上不 在次要流體通道中發(fā)生。
通過本發(fā)明提供的一種反應物與另一反應物的連續(xù)順序混合或配料還提 供了優(yōu)于現(xiàn)有的具有類似通量能力的微量反應器設計的局部摩爾比控制。因為 相對于總體物流，次要通道的反應物是以少量的形式引入的，所以所述次要通 道反應物能夠有效地混配入主要通道反應物中，使得該反應物發(fā)生任何局部過 量累積的可能性減至最小。
另外，與現(xiàn)有技術的微量反應裝置中常規(guī)的平行增設方法不同的是，在本 發(fā)明的裝置中可能存在或出現(xiàn)的次要通道的各種分流之間的任何流體不平衡 對性能來說都并不關鍵?，F(xiàn)有裝置的平行特性使得需要對所有進入的反應物流 都進行流體分流，因此一個反應物通道中的不平衡通常會直接造成微量反應裝 置中至少一個位置發(fā)生超過摩爾比的情況。 一種這樣的不平衡還會與另外的不 平衡相結合起來，因此極小的不平衡可能會造成非常大的影響，該影響對于敏 感性更高的反應更為顯著。
相反，在本發(fā)明中，對于大多數(shù)能夠在一種或多種反應物的摩爾比等于或 低于目標水平的情況下良好進行的反應，無論次要流體通道中發(fā)生什么樣的流 動變化，良好反應所需的合適條件通常都可以很容易地保持。只要壓力平衡適 于將進入主要通道的反應物物流限制在該通道中，只要主要入口處的物流處于 所需的摩爾比，甚至朝向能夠更好地反應的方向傾斜，則從次要通道流入主要 通道的物流的流速的任何不平衡都不會產(chǎn)生人們不希望出現(xiàn)的超過摩爾比的 情況。結果是獲得穩(wěn)定、可靠而可重現(xiàn)的反應性能。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，如果次要流體通道提供在第二整體型主體 內，可以提供多個交替的第二整體型主體作為本發(fā)明的裝置或系統(tǒng)的一部分。 所述多個交替的第二整體型主體中至少一部分主體的次要流體通道的一個或 多個物理參數(shù)可以相對于一個或多個其它第二整體型主體發(fā)生變化，使得可以 通過從一個次要流體通道切換到另一個通道，在很寬的反應物或工作流體種類 和物流范圍內保持合適的壓力平衡。由此一方面可以免去多個精密泵帶來的成
15本，另一方面可以節(jié)約僅對單一的反應或反應種類具有最優(yōu)化的內部流體分流 的微量反應裝置的成本。相反地，可以提供一種具有若干可互換類型的簡單外 部組成，以便對很寬范圍的反應物或工作流體種類和流速進行順序流體分流和 壓力控制。但是，當在變化的操作條件下需要最高的靈活性的時候，使用多個 泵或其它變化的外部控制當然會是最優(yōu)選、最經(jīng)濟的解決方案。
本發(fā)明的另一個方面涉及所述第二主體本身，其形成了總管(manifold)裝 置，該裝置包括至少一條平均橫截面積為0.25-100毫米2的工作流體通道(相當 于其它實施方式的次要工作流體通道)，所述工作流體通道在其第一端部具有 與所述裝置的外部連通的入口，沿該通道的長度方向還以一定間隔連續(xù)地設置 總共至少三個出口，這些出口也與所述裝置的外部連通。所述多個出口包括位 于工作通道端部的最終出口；從一個出口到另一個出口，所述通道的一種或多 種以下特性發(fā)生變化長度、橫截面積、流量限制器的數(shù)量以及流量限制器的 尺寸，使得第二出口和第三出口之間的壓降(在特定的固定流速和粘度下標準 化)大于所述第一出口和第二出口之間的壓降。
在本發(fā)明的另一個方面，提供了一種微量反應裝置，其包括至少一條熱控
制流體通道和平均橫截面積為0.25-100毫米2的主要工作流體通道，所述主要 流體通道具有主要入口和多個次要入口，所述次要入口沿著所述通道的長度方 向順序設置在彼此間隔開的位置，所述主要入口和次要入口都與所述裝置的外 部連通。所述次要入口沿所述主要流體通道長度方向上的間距至少為所述主要 流體通道的平均橫截面積的平方根的二倍。所述主要流動通道依次包括位于所 述多個次要入口中的每一個入口之間的混合區(qū)段和停留時間區(qū)段。所述混合區(qū) 段優(yōu)選是所述主要流體通道較窄、較曲折的區(qū)段，所述停留時間區(qū)段優(yōu)選是所 述主要流體通道較寬、曲折性較小的區(qū)段。在根據(jù)本發(fā)明這個方面的裝置中， 在裝置內沒有提供次要通道。可以根據(jù)使用者的選擇使用流體進料裝置(例如 單獨的泵)或者順序連接的總管(例如本文所揭示的那些)。這使得可以對使用 順序連接的增設混合器混合兩種反應物的基本方法作出各種變化。例如，當少 于次要入口總數(shù)的入口用于第二反應物的時候，另外的次要入口可以用于其他 的目的，例如在兩次第二反應物進料之間加入其他的流體，如化學驟冷流體或 熱驟冷流體，或者加入用于其它種類反應的其它反應物。在本發(fā)明的裝置的另一種變體中，可以在主要流體通道中提供一組以上的 次要入口，使得可以沿所述主要通道的多個位點加入兩種不同的流體物流。這 樣的裝置可以包括一個或兩個整體型的次要流體通道，用來向相應的多組次要 入口中的各組進料，也可不包括所述一個或多個整體型的次要流體通道。
一般來說，相對于具有類似的熱控制能力的微流體裝置，本發(fā)明的裝置通 過保持較大的橫截面積，還有可能降低發(fā)生積垢和堵塞的可能性。
在以下詳述中描述了本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點，本領域技術人員通過本文 的描述(包括以下詳述、權利要求書以及附圖)，可以很容易地部分地了解到這 些特征和優(yōu)點，或者通過根據(jù)本文所述內容實施本發(fā)明認識到這些特征和優(yōu) 點。
應該理解，以上的綜述和隨后的詳細描述都展示了本發(fā)明的實施方式，并 且都意在為理解要求保護的本發(fā)明的本質和特征而提供綜述或總綱。附圖被包 括在內以提供對本發(fā)明的進一步理解，并且包括在說明書內構成說明書的一部 分。附圖舉例說明了本發(fā)明的各種實施方式，并與描述一起用于解釋本發(fā)明的
構思和操作。
圖1是本發(fā)明微流體裝置的一個實施方式的截面示意圖； 圖2是本發(fā)明微流體裝置或系統(tǒng)的另一個實施方式的截面示意圖； 圖3是本發(fā)明微流體裝置的另一個實施方式的截面示意圖； 圖4是顯示本發(fā)明某些實施方式中存在的某些流體元件的關系的示意圖。 圖5是顯示本發(fā)明某些另外的實施方式中存在的某些流體元件的關系的 示意圖。
圖6是顯示本發(fā)明某些另外的實施方式中存在的某些流體元件的關系的 示意圖。
圖7是顯示本發(fā)明某些另外的實施方式中存在的某些流體元件的關系的 示意圖。
圖8是本發(fā)明微流體裝置或系統(tǒng)的另一個實施方式的截面示意圖9-13是可以形成圖2中的整體型主體或類似結構的實施方式的壁結構的透視平面圖14是可以形成圖2的第二整體型主體8的一個實施方式的一部分的壁 結構的平面圖15是可以形成圖2的第二整體型主體8的一個實施方式的一部分的另 一種壁結構的平面圖。
具體實施例方式
圖1是本發(fā)明微流體裝置4的一個實施方式的截面示意圖。圖1所示的內 容一定程度上顯示了本申請人釆用的目前優(yōu)選的制造方法來制造根據(jù)本發(fā)明 的裝置，但是本發(fā)明不限于通過該方法制造的裝置。
根據(jù)這些方法，通過例如模塑法，在玻璃基板上對玻璃料進行成形，從而 形成所述微流體裝置的壁。然后將這樣成形的結構層疊并燒結在一起，以形成 一件式或整體型的裝置。對于該類制造方法的一個例子的更詳細的描述可參見 轉讓給本申請的受讓人的美國專利第6,769,444號。該方法反映在圖中，其中 玻璃或其它合適材料形成的基片10, 20, 30， 40, 50和60各自與多層壁結構15, 25， 35, 45， 55和65結合。為了制造該裝置，相應的壁結構形成在其相應的基片 上，然后將其上具有結構的基片疊置，燒結在一起，形成用來構成裝置4的整 體型結構6。注意兩個壁結構(壁結構35和45)設置在基片30和40之間的間 隔內。因此圖1的實施方式所示的裝置包括六塊基片和初始時形成于這些基片 之上的六個壁結構，其中壁結構35和45相對地設置，在最終裝置中燒結在一 起。
在圖l中，用橫截圖(具有斜線)表示的壁結構來表示在圖所示的平面內分 隔出一個或多個所示的流體通道的壁，例如壁70，其將白色箭頭80表示的熱 控制流體通道C與黑色箭頭90表示的主要流體通道A分隔開，或者用來表示 限定所述裝置的外部邊界的壁，例如壁75。陰影顯示的壁結構，例如壁10處 于背景中，沒有分隔所示的通道，至少沒有在所示的平面內分隔通道。當壁處 于背景中的時候，用諸如箭頭100這樣的箭頭來表明該事實。當截面圖中顯示 的壁限定了一條流動路徑但是沒有限定另一條流動路徑的時候，圖中顯示諸如 箭頭120這樣的箭頭從該結構的后面通過，以說明流動路徑。尺寸和基本空間關系僅僅便于顯示，而不是按比例繪制的。本文中顯示的截面圖和路徑也進行 了簡化，以便于示于圖中。
如上所述，圖l所示的實施方式包括用于通過熱控制流體或熱緩沖流體的
流體通道C,流動方向大體上用白色箭頭80表示。流體通道C包括入口82和 出口 84,在裝置4中分成兩層，即基片20和30之間的第一層，以及基片40 和50之間的第二層。穿通相應的基片的孔86和88允許流體通道C中的流體 到達第一層和第二層。作為圖中所示實施方式的一個變體，還可采用流體通道 C的第三層，或者第三層和第四層，其中第三層位于所示所有的層的頂上，或 者位于所示所有的層的底下，如果存在第四層的話，該第四層位于另外一端。
圖1中顯示的本發(fā)明的實施方式還包括黑色箭頭90表示的主要流動通道 A。所述主要流動通道A包括主要入口 92，通道從該主要入口 92直接移動通 過基片IO、 20和30，進入基片30和40之間的間隔。所述主要流體通道A還 包括另外的入口，或"次要"入口 94(圖中顯示了兩個)。
所述主要流體通道A的橫截面積通常為0.25-100毫米2，優(yōu)選為0.3-20毫 米2,更優(yōu)選為0.5-6毫米2。 連續(xù)的次要入口 94之間沿所述主要流體通道的 間隔長度優(yōu)選至少為所述通道平均橫截面積的平方根的兩倍，使得在主要流體 通道中流動的流體在從一個特定次要入口到達下一個次要入口之前具有不能 忽略的時間和空間，在此時間和空間內，所述在主要流體通道中流動的流體與 從該特定次要入口進入的任意流體混合或開始混合，以及/或者反應或開始反 應。
在一些連續(xù)的次要入口 94之間，在最后一個所述入口 94之后，所述主要 流動路徑沿遠離入口 92的方向依次包括混合區(qū)段和停留時間區(qū)段，所述混合 區(qū)段為較窄、較曲折的區(qū)段130的形式(部分通過壁結構45和35內的協(xié)作的 壁132和134構成)，停留時間區(qū)段為較寬的、曲折程度較低的區(qū)段140的形式, 在此實施方式中是位于基片50和60之間的空間，可以經(jīng)由穿過基片40和50 的孔145到達。所述較窄、較曲折的區(qū)段130構成混合區(qū)段，其以造成一定的 壓降為代價，具有所需的混合效果。盡管優(yōu)選采用較窄、較曲折的區(qū)段，但是 作為這種較窄、較曲折的區(qū)段的一個替代形式，混合區(qū)段還可以用具有圖案化 的底板或壁的通道區(qū)段形成，例如通過這些設置的圖案進行混合。作為較寬、
19曲折程度較小的區(qū)段140形式的停留時間區(qū)段可以提供一些所需的停留時間，具有極小的壓降，在此期間，可以發(fā)生或繼續(xù)發(fā)生反應、熱交換或其它過程。所述較寬的、曲折程度較小的區(qū)段140通常需要具有足夠的體積，使得到達下
一個更曲折的區(qū)段130之前，有時間發(fā)生反應和熱量調和。通過各個基片的孔98在所述主要流體通道A的下游端部形成其出口 。
從圖1可以看到，通道A的每個更曲折的區(qū)段130和每個更寬、曲折程度更小的區(qū)段140與所述熱控制流體通道C共用一個公共的壁:對于各個區(qū)段130，基片40是與通道C共用的壁，而對于各個區(qū)段140，基片50是與通道C共用的壁。這種設置在所述主要通道A的每個較曲折的區(qū)段130以及每個較寬、曲折程度較低的區(qū)段140提供直接的熱控制或熱交換。
圖1的實施方式的裝置還包括次要工作流體通道B，其具有總體用淺灰色箭頭100表示的流動路徑，優(yōu)選其橫截面積為0.25-100毫米2,優(yōu)選為0.3-20毫米2,更優(yōu)選為0.5-6毫米2。所述次要流體通道B具有一個入口 102和包括一個最終出口 106在內的多個出口 104。每個出口 104都與所述主要流體通道A的多個次要入口 94中相應的一個次要入口 94流體連通，從距離所述兩條通道的入口92、 102最近之處，到距離入口最遠之處，所述出口和次要入口依次配對。
次要流體通道B優(yōu)選在連續(xù)的出口 104之間具有較大的長度尺寸(相對于通道的橫截面尺寸)。這樣使得能夠在所述次要流體通道B中可靠而穩(wěn)定地提供所需量的壓降。盡管圖l(圖中僅有兩個出口 104)未顯示，但是沿所述次要通道B，在離開所述次要通道的出口 104之間的距離優(yōu)選沿著遠離入口 102的方向、從一個出口到下一個出口逐漸增大。這樣能夠在流體通過連續(xù)的多個出口104離開而造成流速減小的情況下，在所述次要流體通道B中的連續(xù)出口 104之間產(chǎn)生合適的另外的壓降。換而言之，沿所述次要工作流體通道的壓降(在特定流速和粘度下標準化)，沿著遠離所述入口的方向，在各對連續(xù)的出口之間逐漸增大。作為替代或者附加的特征，所述次要流體通道104的橫截面積通常可以沿著遠離入口 102的方向減小，以提供合適的壓降。
作為用來在主要流體通道A和次要流體通道B之間提供合適的壓降或壓力匹配的附加性的或替代性的方式，所述主要流體通道的連續(xù)的更曲折的區(qū)段
20130的平均橫截面直徑可以沿著遠離主要流體通道A入口92的方向增大，或者可以包括在所述多個曲折區(qū)段中的各個區(qū)段中的障礙物(例如協(xié)作壁132和134等)的尺寸可以從一個更曲折的區(qū)段130到下一個區(qū)段逐漸減小。需要這樣使用這些各種各樣的產(chǎn)生壓降或控制壓降的特征，使得所述主要流體通道A和次要流體通道B彼此互相平衡，使得以第一流速進入主要流體通道的第一工作流體以及以第二流速進入次要通道的第二工作流體主要僅在所述主要流體通道中互相混合，大體上不會在次要流體通道中混合。
根據(jù)圖1所示的本發(fā)明的實施方式，所述主要流體通道A、次要流體通道B和用于熱控制流體的通道C都包括在單獨的整體型主體6中。所述主體6可優(yōu)選包含玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷，如上文所述和參考文獻的描述制造。所述整體型主體6還可以由金屬或塑料之類的其它材料形成。作為另外的替代形式，所述主體6可以是非整體型的，即可拆卸以進行修理或清潔。
圖2是本發(fā)明微量反應裝置或系統(tǒng)4的另一個實施方式的截面示意圖。所述裝置或系統(tǒng)包括兩個整體型部分，即第一整體型主體6和第二整體型主體8，它們通過流體連通裝置150相連。在圖2的另一個實施方式的裝置或系統(tǒng)4中，所述主要流體通道A和至少一條用于熱控制流體的通道C包括在所述第一整體型主體6內，次要流體通道包括在第二整體型主體8中，所述次要流體通道B的出口 104通過多個獨立的流體連通裝置150與所述主要流體通道A的次要入口94相連。作為圖2的實施方式的一個變體，還可使用單獨的流體連通裝置，所述連通裝置包括相當于流體連通裝置150的多條通道。
圖3的截面圖顯示了本發(fā)明的另一個方面， 一種微量反應裝置4，其相當于圖2的主體6，但是沒有使用圖2的主體8,該微量反應裝置4通過使得第一反應物或工作流體流入主要入口 92，同時使得第二反應物或工作流體流入多個次要入口94而進行工作。該過程可通過對每個入口 94使用單獨的泵，或者根據(jù)使用者需要使用其它的流體控制裝置來進行。
參見圖4-7的示意圖，可以理解根據(jù)本發(fā)明的主要流體通道和一個或多個次要流體通道之間的關系的某些方面，以及本發(fā)明的其它特征或方面。圖4顯示了與圖l和圖2所示實施方式類似的本發(fā)明一個實施方式中的主要流體通道A和次要流體通道B之間的關系的一些方面的示意圖。參見圖4，主要流體通道A用下部的水平線表示，從入口92延伸至出口98。多個次要入口 94沿主要通道A順序間隔設置。沿著主要通道A,在連續(xù)次要入口 94之間以及最后的出口 94和出口 98之間，沿著遠離入口 92的方向依次設置了通道A的更窄、更曲折的區(qū)段130(圖中用有角的之字形線表示)，和通道A的較寬的、曲折程度較小的區(qū)段140(圖中用寬的彎曲線表示)。次要通道B用上部的水平線表示，從入口 102延伸至最終的出口 106。多個出口 104，包括最終的出口 106，沿通道B順序設置。所述次要通道B的出口 104與主要通道A的各個次要入口 94流體連通。
壓力控制元件(在此實施方式中為次要通道B的延伸長度區(qū)段160的形式)設置在各個連續(xù)出口 104之間。延伸長度區(qū)段160在圖中表示為密的曲線，優(yōu)選具有較大的長度-橫截面尺寸比，使得可以很容易地產(chǎn)生所需的壓降。如圖所示，沿著所述次要流體通道B，在所述多個出口 104中的連續(xù)出口之間的距離，優(yōu)選朝著遠離入口 102的方向，從每個連續(xù)出口 104到下一個出口逐漸增大，這樣使得每個連續(xù)出口能夠相對于前一個出口壓力降低，從而大體上能夠在各個相應的次要入口 94處與主要通道A中的壓力相匹配。
本發(fā)明的壓力平衡有助于確保進入通道A的流體與進入通道B的流體之間的任何混合或反應基本上僅在通道A中發(fā)生。通過沿次要流體通道B，使得連續(xù)的多個出口 104之間的距離增大，從而平衡壓力，該做法優(yōu)于一些其它方式的優(yōu)勢在于可以放寬生產(chǎn)的誤差范圍，因為對于特定的流量和粘度，壓降主要取決于流體路徑的較長的長度尺寸，該長度上任何制造方面的變化相對于該長度而言通常都相當于很小的變化。但是，如上所述，這樣的壓力平衡也可全部或部分地通過替代的方式完成，例如沿遠離入口 102的方向減小通道B的寬度或橫截面積，以及例如通道A的結構內的變化。
圖5顯示了圖3中所示種類的裝置4的流體路徑的組成元件，其中主要流體通道A具有多個可以從裝置4的外部直接進入的次要入口 94。在一個根據(jù)本發(fā)明的方法中，第一反應物可以在通道A的入口流入裝置，第二反應物可以流入多個或各個次要入口 94。當并非每一個次要入口 94都用于第二反應物的情況下， 一些入口可用于其他的目的，例如用來加入用于多步反應的其它反應物，或者用來在兩次加入反應物的操作之間加入熱驟冷劑或化學驟冷劑。本發(fā)明的另一個實施方式示于圖6。相對于圖4的實施方式，圖6的實施
方式增加了另外的次要流體通道D。與次要通道B相類似，另外的次要通道D具有入口 172以及多個出口 174,包括最終出口 176。圖5的實施方式還包括進入主要流體通道A的另外的次要入口 96。這些次要入口 96分別與另外的次要流體通道D的相應的多個出口 174流體連通。
所述另外的次要流體通道D可以用來向主要通道A引入另外的反應物物流或工作流體，包括除了反應物以外的工作流體，例如加熱劑或驟冷劑等。在此實施方式中，在通道A的相應的較窄、較曲折的區(qū)段130中間設置另外的次要入口 96，這樣允許在一定的混合之后、但是由特定更曲折的區(qū)段130的端部造成的混合活性降低之前，從通道D引入流體。也可選擇其他的位置。次要通道B和D中的任一者或兩者可以包括在獨立于主要通道A的整體型主體內，通過流體連通裝置相連(如圖2的實施方式所示)，或者所述次要通道B和D中的任一者或兩者可以整體化地包括在含有主要通道A的單一的整體型主體內(如圖1的實施方式所示)。
本發(fā)明的另一個實施方式示于圖7。在圖7的實施方式中，所述主要流體通道A的一個或多個較窄、較曲折的區(qū)段相對于主要流體通道A的一個或多個較窄、較曲折的區(qū)段存在變化。在所示的具體實施方式
中， 一種替代的較窄、較曲折的區(qū)段130a比所述較窄、較曲折的區(qū)段130短，另一種替代的較窄、較曲折的區(qū)段130b比所述較窄、較曲折的區(qū)段130長。這些變化可以使得本發(fā)明的裝置提供不同種類或程度的混合，例如同時在主要流體通道A和次要流體通道B的不同匯流點提供快速混合和較慢的混合?？梢栽谕ǖ繟的較寬、曲折程度較小的區(qū)段(例如圖中所述通道A的替代性的較長的區(qū)段140a)中設置一些變化，可以在次要通道B中提供一些相應的變化，以提供所需的壓力平衡，使得反應在通道A中發(fā)生，而不在通道B中發(fā)生?？梢詾樘囟ǖ姆磻?例如多段反應、多組分反應)設置混合種類或混合速度以及停留時間長度等的變化。如圖6的實施方式所示，主要通道A和次要通道B可以包括在單一的整體型主體中，或者可以包括在各自獨立的整體型主體內。
圖8是本發(fā)明微量反應裝置4的另一個實施方式的截面示意圖。在圖8的另一個實施方式的裝置4中，所述主要流體通道A和用于熱控制流體的至少一個通道C包括在第一整體型主體6中，次要流體通道B和另外的用于熱控
制流體的通道E包括在第二整體型主體8中。所述次要流體通道B的出口 104通過多條獨立的流體連通裝置150與所述主要流體通道A的次要入口 94相連。與圖2的實施方式一樣，如果需要的話，還可使用具有多條通道的單獨的流體連通裝置。圖8的實施方式允許對次要流體通道B中的反應物進行預熱或預冷卻，如果需要，甚至允許將通過次要通道B進入的反應物保持在不同于通過主要入口 92進入的反應物的溫度。
圖9-13是可以形成圖2中的整體型主體或類似結構的實施方式的壁結構的透視平面圖;圖9-13以及圖14和15中特征的相對尺寸通常是以內部一致的比例繪制的，大約為1:1。
圖9是壁結構25的平面圖，例如可以是初始形成于圖2所示的基片20上的壁結構。圖9所示的壁結構25包括限定了裝置外壁的壁結構75;用來提供支承和強度的壁結構76,其可以如實施例所示用來引導相關的流體；以及壁結構78，其用來約束流體，使其通過該壁結構所處的層。相應的基片20中孔的位置用大黑色圓點表示。 一些孔簡單地使相關的流體通過壁結構25形成的層。這些孔包括通向通道A的主要入口 92，通向通道A的次要入口 94,以及構成離開通道A的出口的孔98?？?6和88提供了通向壁結構25限定的層的入口 ，其形成熱控制流體通道C的一部分。支承壁結構73呈輻射狀離開孔86和88的位置，將熱控制流體導入層內的或多或少均勻的流動圖案中。
圖10是壁結構35的平面圖，例如可以是初始形成于圖2所示的基片30上的壁結構。圖10中顯示的壁結構35包括限定裝置外壁的壁結構75;提供支承和強度的壁結構76;壁結構77，其用來約束流體，在壁結構35限定的層內對流體進行引導；以及壁結構78，用來約束流體，使其通過其中設有壁結構35的層。圖中還顯示了相應的基片30中的孔。使得相應的流體通過層的裝置包括作為通道C的一部分的孔86和88，以及形成離開通道A的出口的一部分的孔98?？梢酝ㄟ_由壁結構35限制的(如下圖所示，部分被壁結構45限制，這是因為如圖2所示，它們是相鄰接的)層的孔包括通向通道A的主要入口 92，以及通向通道A的多個次要入口 94,在此情況下，主要有四個。圖10中顯示的壁結構35限定了通道A中的一部分較窄、較曲折的區(qū)段130，圖中顯示為一系列垂直取向的卵形空穴。作為壁結構35的一部分，每個這樣的空穴還在
各個端部包括一個柱形式的障礙物136。所述壁結構35還限定了通道A的一 部分較寬、曲折程度較小的區(qū)段140，在圖9-13所示的實施方式中，這些區(qū)段 設置在基片40和50之間以及基片50和60之間。
圖11是壁結構45的平面圖，例如可以是初始形成于圖2所示的基片40 上的壁結構。圖11顯示的壁結構45包括發(fā)揮與圖IO所示相同功能的壁結構。 圖中還顯示了相應的基片40中的孔。使得相應的流體通過層的裝置包括作為 通道C的一部分的孔86和88，以及形成離開通道A的出口的一部分的孔98。 孔145提供了離開壁結構45 (以及圖10中顯示的壁結構35)限定的層的出口和 重新進入該層的入口，形成通道A的較寬、曲折程度較小的區(qū)段140的一部分。 圖10中顯示的壁結構45限定了通道A中的一部分較窄、較曲折的區(qū)段130， 圖中顯示為一系列水平取向的卵形空穴。作為壁結構45的一部分，每個這樣 的空穴還在各個端部包括一個柱形式的障礙物136。壁結構45還限定了通向孔 145的通道A的較寬、曲折程度較小的區(qū)段140的一部分。
從圖8和圖9還可以看到，壁結構35和45限定的通道A的各個較窄、較 曲折區(qū)段130提供了通道中的一系列彎曲部或轉彎部，包括向下(從該圖的平 面向內)進入圖11中的卵形空穴的彎曲部，向上(從該圖的平面向外)進入圖10 中的卵形空穴的彎曲部，沿圖11的卵形空穴向左和向右的彎曲部，以及沿該圖 的平面、沿圖IO的卵形空穴向下的彎曲部。通道A中的這些彎曲部或轉彎部 有效地位于至少兩個平面內(如果沒有更多的平面)，因此是三維曲折的，能夠 在流過通道的流體中有效地產(chǎn)生次級流。相對于其它微量混合器設計，該種設 計以較小的壓降為代價，完成了快速而充分的混合。
圖12是壁結構55的平面圖，例如可以是初始形成于圖2所示的基片50 上的壁結構。圖中還顯示了相應的基片55中的孔的位置?？?45簡單地使得 相關的流體通過壁結構55形成的層。顯示于圖11的穿過基片40的孔86和88 提供了到達圖12中的壁結構55限定的層(該層構成熱控制流體通道C的一部 分)的入口。圖12中顯示的穿過基片50的孔86a和88a不是必需的，而是任 選的孔，這些任選的孔構成了一個另外的實施方式，在此實施方式中，可以在 圖2所示的層的下面添加另外的熱控制層，或者其中可以從圖2所示的裝置的
25下面提供通向熱控制流體通道C的入口 (作為從圖2所示裝置的上面提供的替 代方式，或者作為其附加設計方式)。
圖13是壁結構65的平面圖，例如可以是初始形成于圖2所示的基片60 上的壁結構。圖13顯示的壁結構65限定了通道A的較寬、曲折程度較小的區(qū) 段140的另外一些部分。從圖中可以看出，在壁結構65限定的層中包括四個 這樣的部分。通向這些部分的入口由穿過基片40和50的孔145提供，其位置 示于圖9和圖10，離開最后一個所述該部分的出口由通過各個基片20、 30、 40 和50的孔98提供，參見圖2和圖7-10。由于通道A的較寬、曲折程度較小 的區(qū)段140在圖2所示種類的裝置內的兩層之間延伸，使得在保持緊密的總體 裝置尺寸的同時，所述較寬、曲折程度較小的區(qū)段140內可以具有較大的體積。 這種較大的體積使得在通向通道A的連續(xù)入口92和94之間可以有合理長的停 留時間，使得在到達下一個入口 94之前，可以根據(jù)需要使得反應完成，并且除 去或添加熱量。
圖14是壁結構15a的平面圖，例如可以是初始形成于圖2或圖8所示 的基片10上的壁結構。如圖2和6所示，壁結構15a限定了次要通道B的一 個實施方式，其構成用于本發(fā)明的順序連接總管的內部通道。相應的基片10 中孔的位置用黑色圓點表示。穿過基片15a的孔提供了離開通道B的出口 104， 該出口 104包括離開通道B的最后一個出口 106。如圖2和圖6所示，進入通 道B的入口 102由穿過基片11的孔提供，其位置見圖14中的103。從圖14 可以看出，沿著遠離所述次要流體通道B的入口位置103、朝向最后的出口 106 的方向，連續(xù)的多個出口 104之間的距離沿著所述次要流體通道B逐漸增大。 這樣連續(xù)增加長度的通道部分為連續(xù)出口 104提供物料，使得各個連續(xù)出口處 的壓降(在特定的流速和粘度下標準化)增大，使得能夠達到流體平衡，因此主 要通道A中的反應物與來自次要通道B的反應物的接觸基本上僅在主要通道A 中發(fā)生。
所述壁結構15a的另一個實施方式示于圖15的平面圖中。該實施方式與 圖14的實施方式類似，不同之處在于入口位置103不同，通道長度更大，寬度 更小，從一個出口 104到下一個出口的長度增大程度大于圖14的情況。在相同 的條件下，根據(jù)圖15的順序連接總管在順序總管出口 104處提供的壓降大于圖14。因此，對于總管中較低粘度和/或較低流速的情況，圖15中的實施方式 優(yōu)于圖14中的實施方式。如果所述順序連接總管不是像圖1中所示那樣永久
性地固定于裝置中，而是如圖2和圖8所示可以拆卸地與之相連，則可以使用
一些標準化的總管來覆蓋合理寬的可能操作條件的范圍，從而在節(jié)省運行反應
器所需的泵數(shù)量、進而節(jié)約成本的同時提供靈活性。如圖14所示，在圖2的 實施方式中不需要孔87和89，但是它們存在于圖8的實施方式中，用以提供 進入壁結構17限制的層的入口，其中壁結構17將熱控制通道E限定在所述次 要整體型主體8之內。壁結構17優(yōu)選與圖9的壁結構25和圖12的壁結構55 相類似。
在上述本發(fā)明的各種實施方式中，在本發(fā)明的裝置中進行的反應或混合 過程、或者根據(jù)本發(fā)明的方法進行的反應或者混合過程都是順序地沿著主要流 體通道延伸的，而不是像內部增設裝置那樣在很小橫截面積的通道中以大量平 行方式進行的。在無需減小通道尺寸也無需相應地進行平行設置以克服較低通 量問題的前提下，達到了更嚴格的熱控制。采用順序分流而非平行分流，僅在 一個或多個次要流體通道中進行分流，而不是在主要流體通道中進行分流。這 允許總是從相同的側面接近理想的反應物摩爾比，而不存在流動不平衡、因而 會在不希望的比例下進行操作的風險。另外，相對于具有單一的匯流點的混合 器，本發(fā)明在每個匯流點加入的反應物更少，確保加入的反應物很難發(fā)生局部 的超過摩爾比的累積，從而提供了改進的摩爾比控制。
相對于使用平行增設(甚至使用單獨的整體型混合器)的微量反應裝置，熱 控制也獲得提高，這是因為本發(fā)明的順序結構必然使絕熱升溫(或降溫)比最精 細分流的平行反應設計更低。這是因為相對于平行增設反應器或整體型反應 器，在本發(fā)明的這種裝置中，多個混合器中的一個特定混合器里的反應產(chǎn)生的 (或消耗的)能量能夠分散到更大質量的流體中，因為在每個反應點存在整個主 要通道反應物流。例如，假定所述主要通道A和次要通道B中具有相等的流量 和熱質量流量，而且從次要通道B的四個出口 104分出的流量相等，則本發(fā)明 的裝置中第一合流或第一混合器位置(總質量流最小的位置)處的基線絕熱溫 度變化僅為等量分流平行混合器結構中絕熱溫度變化的2/5。如果主要通道A 中的總熱質量流量大于次要通道B中的總熱質量流量，則只會增加本發(fā)明的優(yōu)點。例如，當主通道A與次要通道B中的熱質量流速比為2:1的時候，在第一 混合或合流點處，具有四個來自次要通道的出口 104的本發(fā)明的裝置中的絕熱 溫度變化僅為平行的或整體化混合器的絕熱溫度變化的1/3。
可以受益于本發(fā)明的微量反應裝置、特別是受益于摩爾比控制的反應的例
子包括溴化反應
CH3 H3Br H3C—CH=CH2 + Br2 ——^ H3C— -CH-C\H2
& CH3 Br
圖中顯示了 3,3-二甲基丁-1-烯的溴化。該反應可以通過將-78"C的溴的氯
仿溶液加入丁烯的氯仿溶液來進行。當溴超過所需摩爾比的時候，會發(fā)生與雙
鍵以外的其它官能團的進一步溴化，例如，會形成以下不希望出現(xiàn)的產(chǎn)物 H3 Br h3C—C-c/h-C\h2 CH2Br Br
某些還原反應，例如用三叔丁氧基氫化鋁鋰還原對硝基苯甲酰氯的反應也 可受益于本發(fā)明。可以在-70。C下將叔丁氧基氫化鋁鋰的醚溶液加入溶于二甘
醇二甲醚的芐基氯中 0、\工l
Li[HAl(0氾u)3] ->
NO:
NO 2
如果出現(xiàn)任何局部氫化物過量，則會發(fā)生不希望出現(xiàn)的硝基還原為胺或者 醛還原為醇的反應。
本發(fā)明還可用于酯化反應，例如鄰苯二酚與苯甲酰氯的反應
0、、工l
Na2C03
-
+
可以在室溫下將苯甲酰氯加入鄰苯二酚和碳酸鈉的水溶液中。因為苯
28甲酰氯的局部高濃度會導致形成更多的二酯，所以需要嚴格控制局部摩爾 比。
權利要求
1. 一種整體型微量反應裝置，其包括至少一個熱控制流體通道；主要工作流體通道，其平均橫截面積為0.25-100平方毫米，所述主要流體通道具有主要入口，該主要入口在所述主要流體通道的第一端部將其與裝置的外部連通，并且所述主要流體通道還包括多個次要入口，這些次要入口沿該主要流體通道的長度方向順序地設置在間隔的位置，所述次要入口沿主要流體通道的間隔長度至少為所述主要流體通道的平均橫截面積的平方根的兩倍；至少一條次要工作流體通道，其平均橫截面積為0.25-100平方毫米，所述次要流體通道在其第一端部具有入口，還包括沿其長度在間隔的位置順序設置的多個出口，所述多個出口包括位于所述次要流體通道的端部的最終出口，每個出口與所述主要流體通道多個次要入口中的一個對應的入口流體連通，這種對應關系是由最靠近所述主要和次要流體通道的相應第一端出口和入口到最遠離的出口和入口依次建立的。
2. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，沿著遠離所述次要流體通道的入口的方向，所述多個出口中的連續(xù)出口之間沿所述次要流體通道的距離從一個出口到下一個相鄰出口逐漸增大。
3. 如權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，沿著遠離所述次要流體通道的入口的方向，所述次要流體通道的橫截面積大體上減小。
4. 如權利要求1-3中任一項所述的裝置，其特征在于，在所述多個次要入口當中的每個入口之間，沿著遠離所述主要流體通道第一端部的方向，所述主要流體通道依次首先包括混合區(qū)段，然后包括停留時間區(qū)段。
5. 如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述混合區(qū)段包括較窄、較曲折的區(qū)段，所述停留時間區(qū)段包括較寬、曲折程度較小的區(qū)段。
6. 如權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述較窄較、較曲折的區(qū)段包括通道中的彎曲部或拐彎部，所述彎曲部或拐彎部處于超過一個的平面內。
7. 如權利要求5或6所述的裝置，其特征在于，所述較窄、較曲折的區(qū)段與選自所述至少一條熱控制流體通道的熱控制流體通道共用至少一個公共的壁。
8. 如權利要求5-7中任一項所述的裝置，其特征在于，所述主要流體通 道的一個或多個較窄、較曲折的區(qū)段相對于所述主要流體通道的一個或多個其 他的較窄、較曲折的區(qū)段存在變化。
9. 如權利要求5-7中任一項所述的裝置，其特征在于，沿著遠離所述主 要流體通道的入口的方向，所述主要流體通道的一些連續(xù)的較窄、較曲折的區(qū) 段的橫截面積增大。
10. 如權利要求5-9中任一項所述的裝置，其特征在于，所述主要流體通 道的較窄、較曲折的區(qū)段包括位于流體路徑中的障礙物。
11. 如權利要求IO所述的裝置，其特征在于，沿著遠離所述主要流體通 道的入口的方向，從各個連續(xù)的較曲折的區(qū)段到下一個區(qū)段，障礙物的尺寸減 小。
12. 如權利要求1-11中任一項所述的裝置，其特征在于，所述整體型主 體包含玻璃、玻璃-陶瓷或陶瓷。
13. 如權利要求1-11中任一項所述的裝置，其特征在于，所述整體型主 體包含玻璃、玻璃-陶瓷、陶瓷、金屬和塑料中的至少一種。
14. 如權利要求1-13中任一項所述的裝置，其特征在于，所述主要流體 通道和次要流體通道相對于彼此平衡，使得以第一流速進入所述主要流體通道 的第一工作流體和以第二流速進入所述次要流體通道的第二工作流體之間的 混合基本上僅在所述主要流體通道中發(fā)生。
15. 如權利要求1-14中任一項所述的裝置，其特征在于，所述主要流體 通道的平均橫截面積為0.3-20平方毫米。
16. 如權利要求1-14中任一項所述的裝置，其特征在于，所述主要流體 通道的平均橫截面積為0.5-6平方毫米。
17. 如權利要求1-16中任一項所述的裝置，其特征在于，所述次要流體 通道的平均橫截面積為0.3-20平方毫米。
18. 如權利要求1-16中任一項所述的裝置，其特征在于，所述次要流體 通道的平均橫截面積為0.5-6平方毫米。
19. 一種整體型微流體裝置，包括平均橫截面積為0.25-100平方毫米的主要工作流體通道和至少兩個入口 A和B，其中，所述裝置的結構設計使得連續(xù)流入入口 B的反應物逐漸混配入連續(xù)流入入口 A中的反應物內。
20. —種微量反應系統(tǒng)，其包括至少兩個整體型部分，這兩個部分包括 第一部分，其包括至少一個熱控制流體通道；主要工作流體通道，其平均橫截面積為0.25-100平方毫米，所述主要流體 通道具有主要入口，該主要入口在所述主要流體通道的第一端部將其與所述第 一部分的外部連通，并且所述主要流體通道還包括至少一組的多個次要入口， 這些次要入口沿該主要流體通道的長度順序地設置在間隔的位置，這些次要入 口也與所述第一部分的外部連通，次要入口沿主要流體通道的間隔長度至少為 所述主要流體通道的平均橫截面積的平方根的兩倍；以及至少一個第二部分，其包括至少一個次要工作流體通道，其平均橫截面積為0.25-100平方毫米，所述 次要流體通道在其第一端部具有與所述第二部分的外部連通的入口 ，還包括多 個出口，這些出口設置在沿所述次要流體通道的長度順序間隔設置的位置，也 與所述第二部分的外部連通，所述多個出口包括位于所述次要流體通道端部的 最終出口，所述第二部分中的次要流體通道的出口的相對位置和間隔與第一部 分中的主要流體通道的至少一些次要入口的相對間距相匹配，使得各個相應的 出口與相應的入口直接流體連通。
21. 如權利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，沿著遠離所述次要流體通道的入口的方向，所述多個出口中的連續(xù)出口之間沿所述次要流體通道的距離 從一個出口到下一個相鄰出口逐漸增大。
22. 如權利要求20或21所述的系統(tǒng)，其特征在于，沿著遠離所述次要流 體通道的入口的方向，所述次要流體通道的橫截面積大體上減小。
23. 如權利要求20-22中任一項所述的裝置，其特征在于，在所述多個次 要入口當中的每個入口之間，沿著遠離所述主要流體通道第一端部的方向，所 述主要流體通道依次首先包括混合區(qū)段，然后包括停留時間區(qū)段。
24. 如權利要求23所述的裝置，其特征在于，所述混合區(qū)段包括較窄、 較曲折的區(qū)段，所述停留時間區(qū)段包括較寬、曲折程度較小的區(qū)段。
25. 如權利要求24所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述較窄、較曲折的區(qū)段包括通道中的彎曲部或拐彎部，所述彎曲部或拐彎部處于超過一個的平面內。
26. 如權利要求24或25所述的系統(tǒng)，其特征在于，各個所述較窄、較曲 折的區(qū)段與選自所述至少一條熱控制流體通道的熱控制流體通道共用至少一 個公共的壁。
27. 如權利要求24-26中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述主要流體 通道的一個或多個較窄、較曲折的區(qū)段相對于所述主要流體通道的一個或多個 其他的較窄、較曲折的區(qū)段存在變化。
28. 如權利要求24-26中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，沿著遠離所述 主要流體通道的入口的方向，所述主要流體通道的一些連續(xù)的較窄、較曲折的 區(qū)段的橫截面積增大。
29. 如權利要求24-26中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述主要流體 通道的較窄、較曲折的區(qū)段包括位于流體路徑中的障礙物。
30. 如權利要求29所述的系統(tǒng)，其特征在于，沿著遠離所述主要流體通 道的入口的方向，從各個連續(xù)的較曲折的區(qū)段到下一個區(qū)段，障礙物的尺寸減 小。
31. 如權利要求20-30中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一部分 包含玻璃、玻璃-陶瓷或陶瓷。
32. 如權利要求20-31中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一部分 包含玻璃、玻璃-陶瓷、陶瓷、金屬和塑料中的至少一種。
33. 如權利要求20-32中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述主要流體 通道和次要流體通道相對于彼此平衡，使得以第一流速進入所述主要流體通道 的第一工作流體和以第二流速進入所述次要流體通道的第二工作流體之間的 混合基本上僅在所述主要流體通道中發(fā)生。
34. 如權利要求20-33中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述主要流體 通道的平均橫截面積為0.3-20平方毫米。
35. 如權利要求20-33中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述主要流體 通道的平均橫截面積為0.5-6平方毫米。
36. 如權利要求20-35中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述次要流體通道的平均橫截面積為0.3-20平方毫米。
37. 如權利要求20-35中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述次要流體 通道的平均橫截面積為0.5-6平方毫米。
38. 如權利要求20-37中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二部分 還包括第二熱控制流體通道。
39. 如權利要求20-37中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二部分 中次要流體通道的出口的相對位置和間隔與第一部分中主要流體通道的各個 次要入口的相對間隔相匹配，使得各個相應的出口對準，以便與相應的入口直 接流體連通。
40. 如權利要求20-39中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括 一個或多個另外的第二部分，每個另外的第二部分通過流體連通裝置與第一部 分選擇性地連通，所述另外的第二部分中的至少一部分的次要流體通道的一種 或多種物理參數(shù)不同于所述第二部分。
41. 如權利要求40所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述另外的第二部分中的 至少一部分的次要流體通道總長度發(fā)生變化。
42. 如權利要求40或41所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述另外的第二部分 中的至少一部分的次要流體通道平均橫截面積發(fā)生變化。
43. 如權利要求40或41所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述另外的第二部分 中的至少一部分的次要流體通道高度發(fā)生變化。
44. 一種微流體系統(tǒng)，包括平均橫截面積為0.25-100平方毫米的主要工作 流體通道和至少兩個入口A和B，其中，所述系統(tǒng)的結構設計使得連續(xù)流入入 口 B的反應物逐漸混配入連續(xù)流入入口 A中的反應物內。
45. —種微量反應裝置，其包括 至少一個熱控制流體通道；主要工作流體通道，其平均橫截面積為0.25-100平方毫米，所述主要流體 通道具有主要入口，該主要入口在所述主要流體通道的第一端部將其與所述裝 置的外部連通，所述主要流體通道還包括多個次要入口，這些次要入口沿該主 要流體通道的長度順序地設置在間隔的位置，這些次要入口也與所述裝置的外 部連通，次要入口沿主要流體通道的間隔長度至少為所述主要流體通道的平均橫截面積的平方根的兩倍，在所述多個次要入口中的每一個之間，沿著遠離所 述主要流體通道的第一端部的方向，所述主要流體通道依次首先包括混合區(qū) 段，然后包括停留時間區(qū)段。
46. 如權利要求45所述的裝置，其特征在于，所述混合區(qū)段包括較窄、較曲折的區(qū)段，所述停留時間區(qū)段包括較寬、曲折程度較小的區(qū)段。
47. 如權利要求46所述的裝置，其特征在于，所述各個較窄、較曲折的 區(qū)段包括通道中的彎曲部或拐彎部，所述彎曲部或拐彎部處于超過一個的平面 內。
48. 如權利要求46或47所述的裝置，其特征在于，所述各個較窄、較曲 折的區(qū)段和所述各個較寬、曲折程度較小的區(qū)段與選自所述至少一條熱控制流 體通道的熱控制流體通道共用至少一個公共的壁。
49. 如權利要求46-48中任一項所述的裝置，其特征在于，所述主要流體 通道的一個或多個較窄、較曲折的區(qū)段相對于所述主要流體通道的一個或多個 其他的較窄、較曲折的區(qū)段存在變化。
50. 如權利要求46-49中任一項所述的裝置，其特征在于，沿著遠離所述 主要流體通道的入口的方向，所述主要流體通道的一些連續(xù)的較窄、較曲折的 區(qū)段的橫截面積增大。
51. 如權利要求46-49中任一項所述的裝置，其特征在于，所述主要流體 通道的較窄、較曲折的區(qū)段包括位于流體路徑中的障礙物。
52. 如權利要求51所述的裝置，其特征在于，沿著遠離所述主要流體通 道的入口的方向，從各個連續(xù)的較曲折的區(qū)段到下一個區(qū)段，障礙物的尺寸減小。
53. 如權利要求45-52中任一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置包含 玻璃、玻璃-陶瓷或陶瓷。
54. 如權利要求45-53中任一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置包含玻璃、玻璃-陶瓷、陶瓷、金屬和塑料中的至少一種。
55. 如權利要求45-54中任一項所述的裝置，其特征在于，所述主要流體 通道的平均橫截面積為0.3-20平方毫米。
56. 如權利要求45-54中任一項所述的裝置，其特征在于，所述主要流體通道的平均橫截面積為0.5-6平方毫米。
57. 如權利要求45-56中任一項所述的裝置，其特征在于，所述第一部分 中的主要流體通道的次要入口相對于彼此設置，以便對齊，從而與協(xié)同操作的 總管裝置直接流體連通。
58. 如權利要求45-57中任一項所述的裝置，其特征在于，所述第一部分 中的主要流體通道的次要入口沿直線彼此均勻地間隔。
59. —種微流體總管裝置，其包括至少一個平均橫截面積為0.25-100平方 毫米的工作流體通道，所述工作流體通道在其第一端部具有入口，該入口與所 述裝置的外部連通，并且還包括多個出口，這些出口的總數(shù)至少為三個，沿著 所述通道的長度順序地設置在間隔的位置，它們也與所述裝置的外部連通，所 述多個出口包括位于所述通道端部的最終出口，在所述工作流體通道中，從一 個出口到下一個出口，長度、橫截面積、流量限制器數(shù)量、以及流量限制器尺 寸中的一種或多種特征發(fā)生變化，使得第二出口和第三出口之間的壓降大于第 一出口和第二出口之間的壓降，所述壓降是在特定流速和粘度下標準化了的。
60. 如權利要求59所述的裝置，其特征在于，所述多個出口的總數(shù)大于3。
61. 如權利要求60所述的裝置，其特征在于，沿著遠離所述入口的方向， 各對連續(xù)的出口之間的壓降增大，所述壓降是在特定流速和粘度下標準化了 的。
62. 如權利要求59-61中任一項所述的裝置，其特征在于，所述工作流體通道的長度存在變化。
63. 如權利要求59-62中任一項所述的裝置，其特征在于，所述工作流體 通道的長度存在變化，但是橫截面積沒有任何顯著程度的變化。
64. 如權利要求59-63中任一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包 括溫度控制流體通道。
65. 如權利要求59-64中任一項所述的裝置，其特征在于，所述出口是共線排列的。
66. 如權利要求59-64中任一項所述的裝置，其特征在于，所述出口的設 置位置使得與協(xié)同操作的另外的微流體裝置的入口相匹配。
67. 如權利要求59-66中任一項所述的裝置，其特征在于，所述主要流體 通道的平均橫截面積為0.3-20平方毫米。
68. 如權利要求59-66中任一項所述的裝置，其特征在于，所述主要流體 通道的平均橫截面積為0.5-6平方毫米。
全文摘要
一種微量反應裝置或系統(tǒng)(4)，其包括至少一個熱控制流體通道(C，E)，以及平均橫截面積為0.25-100毫米<sup>2</sup>的主要工作流體通道(A)，所述主要工作流體通道(A)具有主要入口(92)和多個次要入口(94)，所述次要入口(94)沿所述通道(A)的間距長度至少為所述通道(A)的平均橫截面積的平方根的2倍。所述裝置或系統(tǒng)(4)還包括至少一個次要工作流體通道(B)，該次要工作流體通道(B)具有入口(102)以及包括最終出口(106)在內的多個出口(106)，每個出口(106)與所述主要流體通道(A)的多個次要入口(94)中的一個相應的入口流體連通。
文檔編號B01J19/00GK101479032SQ200780024581
公開日2009年7月8日 申請日期2007年5月9日 優(yōu)先權日2006年5月11日
發(fā)明者C·蓋爾穆, D·勒博格, M·莫雷諾, N·比萊爾, O·洛貝特, P·巴斯, P·沃爾 申請人:康寧股份有限公司