專利名稱：連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器，特別涉及模塊結(jié)構(gòu)的連續(xù)微反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
在連續(xù)反應(yīng)技術(shù)中，多種投料或反應(yīng)劑連續(xù)流入反應(yīng)器或微反應(yīng)器，在其中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而形成連續(xù)流出的產(chǎn)物。在該反應(yīng)器內(nèi)提供了將多種投料集合、混合并渦旋的工藝流體通道系統(tǒng)，其置于優(yōu)化反應(yīng)環(huán)境中(特別為特征溫度狀況)以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。該種工藝流體通道系統(tǒng)可分為適當(dāng)?shù)卮?lián)排列的至少一個湍流混合區(qū)以及至少一個基本層流滯留區(qū)。對于超過一個混合區(qū)和/或滯留區(qū)的情況，它們以適當(dāng)方式連結(jié)。為形成熟知的溫度狀況，通常集成熱交換系統(tǒng)，例如通道形式的熱交換系統(tǒng)。上述類型的微反應(yīng)器披露于，例如，EP 1 839 739 Al，其為包括配置為形成堆疊的多個工藝模塊及熱交換模塊的模塊微反應(yīng)器。該種工藝模塊通過增加單獨(dú)子系統(tǒng)外部連結(jié)形成既大且長的流動通道系統(tǒng)，且由于該種熱交換模塊，可實(shí)現(xiàn)流入該流動通道系統(tǒng)的化學(xué)物質(zhì)(反應(yīng)劑，產(chǎn)物)的逐段加熱或冷卻(本段采用文獻(xiàn)EP 1 839739 Al所用的術(shù)語， 其含義并非始終等同于本文所用該術(shù)語)。該種反應(yīng)器的開發(fā)是一項復(fù)雜任務(wù)，即便如今也無法通過計算機(jī)模擬滿意地解決，仍需追加實(shí)驗研究以推進(jìn)該領(lǐng)域的進(jìn)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一項目標(biāo)為提供用于連續(xù)反應(yīng)技術(shù)原位研究的實(shí)驗室規(guī)模微反應(yīng)器，其使得研究者能夠更深地理解所涉及的流體動力學(xué)，該反應(yīng)器可隨后被放大至工業(yè)規(guī)模。該項目標(biāo)可通過權(quán)利要求1的特征實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明(權(quán)利要求1)涉及一種連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器，該微反應(yīng)器(a)具有模塊結(jié)構(gòu)，沿其由后至前的堆疊軸包括第一框架裝置、反應(yīng)單元以及第二框架裝置，其中(b)該反應(yīng)單元包括工藝流體通道系統(tǒng)，其用于流入所述反應(yīng)單元的多種投料或反應(yīng)劑的連續(xù)反應(yīng)以形成至少一種流出所述反應(yīng)單元的產(chǎn)物，且包括熱交換流體通道系統(tǒng)，其用于調(diào)節(jié)該工藝流體通道系統(tǒng)的溫度環(huán)境，(C)該第一和第二框架裝置各自形成法蘭，且該第一和第二框架裝置通過多個沿該第一及第二框架裝置外周且處于該外周內(nèi)的拉緊裝置彼此相對壓緊并封裝該反應(yīng)單元(權(quán)利要求1所定義主題的示意圖可參見圖1)。有關(guān)(a)的注釋本發(fā)明微反應(yīng)器的模塊性表示所有結(jié)構(gòu)部件(法蘭及反應(yīng)單元中每一個)可單獨(dú)地被替換，從而可考察和解決多種技術(shù)問題。就此而言，例如，該反應(yīng)單元可被另一不同類型和/或復(fù)雜度的工藝流體通道系統(tǒng)和/或熱交換流體通道系統(tǒng)替換， 以運(yùn)行不同化學(xué)反應(yīng)或采用具有不同物理特性(粘性、溫度和/或壓力動態(tài)、雷諾數(shù)等)的投料流入該反應(yīng)單元。術(shù)語“由后至前的軸”定義形成該微反應(yīng)器的每個元件或?qū)嶓w的后表面和前表面。 此外，術(shù)語“法蘭”應(yīng)理解為基本處于與該由后至前的軸垂直的平面內(nèi)并以該軸為中心的連接或緊固裝置，由此，該由后至前的軸可被視為對稱軸。此外，該法蘭具有圓環(huán)形狀或與圓環(huán)同形的形狀(該內(nèi)和外周可以為例如方形或長方形；在此情況下，該角落可為圓形或非圓形)。有關(guān)(b)的注釋對于該工藝流體通道系統(tǒng)及該熱交換流體通道系統(tǒng)彼此或該第一和第二框架裝置的空間關(guān)系并無原則限制，只要它們之間的熱交換足以提供在各種投料或反應(yīng)劑之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(即，各種化學(xué)物質(zhì)在該微反應(yīng)器內(nèi)，在該工藝流體通道系統(tǒng)內(nèi)相互作用)所需的溫度環(huán)境。然而，該通道系統(tǒng)之一優(yōu)選地處于平面A，而該通道系統(tǒng)另一個在平面B中延伸，其中平面A和平面B彼此平行。更優(yōu)選地，該通道系統(tǒng)至少部分一致地形成，從而優(yōu)化熱傳遞。該通道系統(tǒng)可通過例如以合適鑄造技術(shù)生產(chǎn)反應(yīng)單元后生成。有利地，在該反應(yīng)單元側(cè)面提供相應(yīng)的入口和出口端，如圖1所示。有關(guān)(c)的注釋根據(jù)本發(fā)明定義了排列該反應(yīng)單元的空間(通過該法蘭狀第一和第二框架裝置以及通過連接該第一和第二框架裝置的多個緊固裝置中兩個相鄰裝置的軸所定義的平面限定)。有利地，如圖1所示，所述緊固裝置等距排列且不完全封裝或包住該反應(yīng)單元，從而允許由該微反應(yīng)器外部可接近該反應(yīng)單元側(cè)表面，藉此在該反應(yīng)單元和外部單元(流體供應(yīng)單元、泵、測量裝置等)之間建立必要的聯(lián)系。優(yōu)選地，入口及出口端在靈活外部導(dǎo)管系統(tǒng)(例如所述外部單元)之間形成界面，且該工藝流體通道系統(tǒng)和/或熱交換流體通道系統(tǒng)排列于所述空間內(nèi)，從而為該反應(yīng)單元提供最佳機(jī)械保護(hù)。根據(jù)本發(fā)明，該緊固裝置可沿該第一和第二框架裝置外周排列并處于該外周內(nèi)。即，主要由機(jī)械保護(hù)所有其它部件的該第一和第二框架裝置形成本發(fā)明微反應(yīng)器在垂直于該堆疊軸的平面中的最大延伸。綜上，本發(fā)明的微反應(yīng)器具有如下三個主要優(yōu)點(diǎn)(1)其為模塊化設(shè)計，(2)其反應(yīng)單元被該第一和第二框架裝置以及該緊固裝置機(jī)械保護(hù)，以及C3)其工藝流體和熱交換流體通道系統(tǒng)可由外部容易地接近。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面(權(quán)利要求2)，該反應(yīng)單元包括工藝和熱交換模塊，并在該工藝和熱交換模塊以及該第二框架裝置之間夾入了蓋板。首先，如上所述，本發(fā)明的模塊化表示每一個該工藝和熱交換模塊以及該蓋板可被單獨(dú)地替換。此外，該蓋板作為密封裝置，以對形成該工藝和熱交換模塊前表面的工藝流體通道系統(tǒng)進(jìn)行密封。即，不帶有該蓋板時，形成該工藝流體通道系統(tǒng)的通道為不同厚度和/或深度的開口凹槽，其可通過一些微加工技術(shù)如銑削容易地形成。然后，該開口凹槽可液密覆蓋并通過蓋板密閉，在該反應(yīng)單元側(cè)表面留出各種投料和產(chǎn)物的入口和出口開口。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面(權(quán)利要求幻，該工藝和熱交換模塊包括板狀子模塊、工藝子模塊和熱交換子模塊，延續(xù)權(quán)利要求1和2中定義的本發(fā)明的模塊概念。就相應(yīng)通道系統(tǒng)的制造和密封而言，蓋板和工藝子模塊的組合相當(dāng)于工藝子模塊和熱交換子模塊的組合；該工藝流體通道系統(tǒng)和該熱交換流體通道系統(tǒng)兩者均面對該第二框架裝置，并以直接在其前方的相鄰模塊/板后表面密封的方式被覆蓋。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面(權(quán)利要求4)，該熱交換子模塊和該第一框架裝置由一個部分制成。該特征乍看脫離了該模塊化概念，因為兩個結(jié)構(gòu)部件的功能被整合為單個元件。 然而，只要該熱交換流體通道系統(tǒng)的通道經(jīng)適當(dāng)設(shè)計，通過相同熱交換流體通道系統(tǒng)可能為多個不同工藝流體通道系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)足夠的加熱和/或冷卻效果。即，權(quán)利要求4中所定義的單個“熱交換子模塊-第一框架裝置-集成元件”可與一個以上工藝流體通道系統(tǒng)及其中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)相容。因此，乍看是降低模塊性，實(shí)際強(qiáng)調(diào)了該子模塊/板的可獨(dú)立替換性。此外，制造作為一個部分的該熱交換子模塊和該第一框架裝置降低了制造成本。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面(權(quán)利要求幻，該工藝和熱交換模塊包括板狀工藝和熱交換子模塊和第二蓋板，從而延續(xù)權(quán)利要求1和2中定義的本發(fā)明的模塊概念。權(quán)利要求3 中定義的結(jié)構(gòu)(其中該工藝和熱交換模塊在提供時包括基本相當(dāng)?shù)淖幽K)與在其前表面的通道系統(tǒng)的差異在于該工藝和熱交換模塊包括(i)第一子模塊，其包括工藝流體通道系統(tǒng)(形成其前表面)和熱交換流體通道系統(tǒng)(形成其后表面)兩者，和(ii)第二蓋板。其優(yōu)點(diǎn)在于任意工藝和熱交換子模塊可被設(shè)計為兩種最適合的通道系統(tǒng)。即，實(shí)踐中，有待于通過本發(fā)明微反應(yīng)器研究的特殊化學(xué)反應(yīng)為實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)果需要特定類型的工藝流體通道系統(tǒng)，其為實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)果進(jìn)而需要特定類型的熱交換流體通道系統(tǒng)。通過本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，該工藝流體通道系統(tǒng)的選擇自動提供了最佳熱交換流體通道系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面(權(quán)利要求6)，該工藝和熱交換子模塊進(jìn)一步分為板狀子模塊體，包括該工藝流體通道系統(tǒng)的第一子模塊體，包括該熱交換流體通道系統(tǒng)的第二子模塊體。因此，細(xì)分至更小的“主要”實(shí)體(即，不管入口及出口端等元件)為反應(yīng)單元一模塊一子模塊一子模塊體。根據(jù)本發(fā)明，該反應(yīng)單元被分為四個主要實(shí)體，或該微反應(yīng)器被分為六個主要實(shí)體。應(yīng)當(dāng)指出，該實(shí)體也可以不同方式分組。即，在制備該熱交換流體通道系統(tǒng)后，例如該熱交換子模塊體可與該第二蓋板連接形成第二熱交換模塊(與權(quán)利要求3 定義的熱交換模塊相當(dāng)，但具有無需待密封額外表面的密閉通道系統(tǒng))。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面(權(quán)利要求7)，該第二蓋板和該第一框架裝置由一個部分制成。此處請參考上文有關(guān)權(quán)利要求4的描述。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面(權(quán)利要求8)，該第二框架裝置經(jīng)配置使得可通過透明蓋板檢視該工藝流體通道系統(tǒng)。該種檢視使得可對投料的流動特性進(jìn)行原位觀察，該投料連續(xù)流入該反應(yīng)器以在其中化學(xué)反應(yīng)從而形成包含連續(xù)流出該反應(yīng)器的產(chǎn)物的混合物，還可在該微反應(yīng)器于預(yù)定時間段“關(guān)閉”后評估沉著物。該投料可彼此獨(dú)立地為液體或氣體，僅取決于所面對的反應(yīng)。由于投料的流動(尤其通過該工藝流體通道系統(tǒng)的混合區(qū)的流動) 為混沌流動，且取決于多種參數(shù)，例如其粘性(取決于所經(jīng)受的溫度)，流動速度(對于該工藝流體通道的具體幾何形狀(形狀、大小)，取決于入口壓力)，所述幾何形狀，投料的反應(yīng)動力學(xué)等，通常優(yōu)選地以計算機(jī)模擬進(jìn)行觀察，或者該種計算機(jī)模擬首先輸入以該方式法獲得的實(shí)驗數(shù)據(jù)。因此，在工藝流體通道系統(tǒng)的設(shè)計中能夠觀察該化學(xué)物質(zhì)(投料/反應(yīng)劑和產(chǎn)物)流動的選擇為無價的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明該方面的蓋板可以為完全透明，由例如玻璃或塑料制成，或者具有該種材料適當(dāng)排列的部分。有利地，無色投料可被染色以能夠觀察其混合過程。優(yōu)選地，可加入不與該投料反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)，其顯示表征其溫度的顏色變化。例如，PH指示劑和中和反應(yīng)可指示沿通道長度的混合過程。除以肉眼觀察外，還可通過合適的儀器例如光譜計或/和各種濾光片以獲得工藝模塊中所發(fā)生過程的信息(UV、IR、Raman)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面(權(quán)利要求9)，該第二框架裝置具有允許所述檢視的窗口。該窗口可具有任意合適的形狀，主要為圓形或長方形，且理想地以該堆疊軸為中心。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面(權(quán)利要求10)，該蓋板并非透明，而是可以被配置為允許通過該第二框架裝置至該蓋板的外部流體連接，從而作為所述工藝流體通道系統(tǒng)的流體入口裝置。其優(yōu)點(diǎn)為能夠通過該蓋板的前表面結(jié)合額外投料進(jìn)入該工藝流體通道系統(tǒng)，從而使結(jié)合投料的部位不受該反應(yīng)單元側(cè)表面的限制。此外，將該工藝流體通道系統(tǒng)與外部連接的通道可以更短。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面(權(quán)利要求11)，直接覆蓋該工藝流體通道系統(tǒng)的蓋板表面帶有催化涂層。該催化涂層可僅涂覆于該蓋板與該工藝流體通道系統(tǒng)中流動化學(xué)物質(zhì)相接觸的區(qū)域。作為由單種催化物質(zhì)制得的催化涂層的變更，該催化涂層可由不同催化物質(zhì)制成，取決于該蓋板和該反應(yīng)單元的裝配狀態(tài)中該催化涂層相對于該工藝流體通道系統(tǒng)的位置。替代性地或附加地，催化物質(zhì)可以微球或拉西環(huán)形式被直接插入反應(yīng)通道。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面(權(quán)利要求12)，該工藝流體通道系統(tǒng)具有針對多種流入該工藝模塊的初級投料的多個初級入口端，以及于化學(xué)物質(zhì)流動方向中所述多個初級入口端之后，針對流入該工藝模塊的至少一種次級投料流的至少一個次級入口端。由此，可沿該工藝流體通道系統(tǒng)觀察到發(fā)生復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，其中，例如，通過混合兩種初級物質(zhì)啟動第一反應(yīng)以形成第一(中間體)產(chǎn)物，然后添加第二投料流并與該第一(中間體)產(chǎn)物混合以形成第二中間體產(chǎn)物等。每次添加第二投料，有利地與之前形成的相應(yīng)產(chǎn)物混合。替代性地，如EP 1 839 739 Al所披露，通過多重注射模塊，每次添加的第二投料與一定量第一投料反應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面(權(quán)利要求13)，該初級和/或次級入口端排列于該反應(yīng)單元側(cè)表面和/或前和后表面。將入口端排列于側(cè)表面可使得能夠?qū)崿F(xiàn)致密及節(jié)省空間的設(shè)計，其不足在于無法同等自如地在該工藝流體通道系統(tǒng)中每個位置供應(yīng)投料，尤其在構(gòu)建該工藝流體通道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)元件(繞組)之間具有更少空間之時。通過將入口端排列于該反應(yīng)單元的前和/或后表面可改變該狀況。理想地，通過密度更低的工藝流體通道系統(tǒng) (其中該供應(yīng)或投料通道可建立為連接至該工藝流體通道系統(tǒng)任意點(diǎn))可獲得兩種優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選方面(權(quán)利要求16)，該連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器的第一和第二框架裝置分別具有第一和第二定位裝置，其定義該熱交換模塊和該工藝模塊相對于該堆疊軸的位置。由于這些定位裝置，其根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面(權(quán)利要求17)分別形成為該第一和第二框架裝置表面的凹進(jìn)，構(gòu)建該微反應(yīng)器的模塊可被準(zhǔn)確且明確地定位。即，所有將在該改動中替換的元件均具有與形成在相應(yīng)框架裝置的凹進(jìn)的內(nèi)部尺寸同量的外部尺寸，從而減少其裝配并明確其相對位置。如部分權(quán)利要求(其主題如上文注釋)所定義的本發(fā)明主要方面的結(jié)構(gòu)顯示于圖 18。


本發(fā)明前述及進(jìn)一步的目標(biāo)、特征及優(yōu)點(diǎn)可通過如下優(yōu)選實(shí)施方式的描述并參考附圖清楚易見。附圖中圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的裝配連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器的示意透視圖。圖2A和2B為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器兩種變體的示意分解透視圖。圖3A和;3B為根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方式的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器兩種變體的示意分解透視圖。
圖4A和4B為根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方式的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器兩種變體的示意分解透視圖。圖5為顯示根據(jù)本發(fā)明的特定類型工藝流體通道系統(tǒng)細(xì)節(jié)的模塊的示意透視圖。圖6-15為根據(jù)本發(fā)明的工藝流體通道系統(tǒng)的變體。圖16A和16B為根據(jù)本發(fā)明的裝配微反應(yīng)器的示意透視圖，其中16B顯示經(jīng)第二框架裝置于圖16A中可見的工藝流體通道系統(tǒng)的放大視圖。圖17為典型混合器類型的示意視圖；以及圖18的制圖顯示部分權(quán)利要求所定義的本發(fā)明主要方面。
具體實(shí)施例方式圖1顯示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的裝配連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器的示意透視圖。根據(jù)圖1，該微反應(yīng)器10包括-沿由后至前的堆疊軸S排列(其中該由后至前的方向由該堆疊軸S頂部的箭頭表示)-第一框架裝置100、反應(yīng)單元RU以及第二框架裝置200。該第一和第二框架裝置100、200分別形成為法蘭，并通過四個螺栓206彼此壓緊，該螺栓206延伸通過該第二框架裝置200中的通孔204并分別旋入四個螺紋孔205，其分別沿該第一和第二框架裝置100和200的外周排列并處于該外周內(nèi)。如圖1所示，每兩個相鄰螺栓206的軸線定義一個平面，從而得到總計四個平面，其與該第一和第二框架裝置100、200限定或定義了排列該反應(yīng)單元RU的空間。具體地，通過明確壓緊力，該第一框架裝置100通過該螺栓 206由下方壓緊該反應(yīng)單元RU，而該第二框架裝置200通過該螺栓206由上方壓緊該反應(yīng)單元RU。該反應(yīng)單元RU包括工藝流體通道系統(tǒng)，其用于流入所述反應(yīng)單元RU的多種投料或反應(yīng)劑的連續(xù)反應(yīng)以形成至少一種流出所述反應(yīng)單元RU的產(chǎn)物，且包括熱交換流體通道系統(tǒng)，其用于調(diào)節(jié)該工藝流體通道系統(tǒng)的溫度。盡管該通道系統(tǒng)均未顯示于圖1，在該反應(yīng)單元RU側(cè)表面可見形成投料和產(chǎn)物通道系統(tǒng)相應(yīng)末端的入口和出口開口。該入口和出口開口可帶有入口和出口端，其進(jìn)而連接至于相應(yīng)兩個螺栓206間將該反應(yīng)單元RU連接至外部單元(投料供應(yīng)單元、泵、測量裝置等)的合適(柔性或非柔性)導(dǎo)管。圖2A顯示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器10的示意分解透視圖。 在該第二實(shí)施方式的微反應(yīng)器10中，第一實(shí)施方式的反應(yīng)單元RU沿該由后至前堆疊軸S 被分為熱交換子模塊400、工藝子模塊300以及蓋板500，該子模塊300、400兩者以及該蓋板500被夾在該第一和第二框架裝置100、200之間液密壓緊。該第一和第二框架裝置100、200形成為長方形法蘭，并分別包括四個螺紋孔104 和通孔204，其圍繞該堆疊軸S并相對其等距排列，并接受該螺栓206 (見圖1)，該螺栓用于將該子模塊300和400以及該蓋板500壓緊形成上文稱為反應(yīng)單元RU的液密實(shí)體。該第二框架裝置200具有以堆疊軸S為中心的長方形開口 203，并允許通過孔502連接該工藝子模塊300前表面中形成的工藝流體通道系統(tǒng)304與外部單元。該第一框架裝置100具有長方形凹進(jìn)106，其中可緊貼安裝該熱交換子模塊400。 該凹進(jìn)106可用作本發(fā)明的定位裝置，且替代性地，還可形成于或?qū)ｉT地形成于該第二框架裝置200中。此外，該第一和第二框架裝置100、200可由任意合適的材料(例如，鋁、不銹鋼等) 形成，其可確保該微反應(yīng)器10的必要尺寸穩(wěn)定性。
如圖2A所示，該工藝子模塊300和該熱交換子模塊400各自為板狀，并分別包括環(huán)形槽302和402，其用于容納相應(yīng)的0-形密封(未示)，從而在該微反應(yīng)器10裝配狀態(tài)下，該工藝子模塊300壓緊該熱交換子模塊400中該槽402所容納的密封，以形成該熱交換子模塊400內(nèi)所提供的熱交換流體通道系統(tǒng)404的密封隔室。類似地，在該微反應(yīng)器10 裝配狀態(tài)下，該蓋板500壓緊該工藝子模塊300中該槽302所容納的密封，以形成該工藝子模塊300內(nèi)所提供的工藝流體通道系統(tǒng)304的密封隔室。應(yīng)當(dāng)指出，該0-形環(huán)密封僅為確保該工藝子模塊300和該熱交換子模塊400兩者防漏的安全措施，且該蓋板500 (后表面) 和該工藝子模塊300 (前表面)的接觸表面，以及該工藝子模塊300 (后表面)與該熱交換子模塊400(前表面)的接觸表面各自均有等于或小于Iym的粗糙度深度。因此，該蓋板 500和該工藝子模塊300僅通過壓力接觸便防止流入它們所覆蓋的相應(yīng)通道系統(tǒng)的流體離開該通道系統(tǒng)(“溢出”)；無需進(jìn)一步密封。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步指出，對于未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的熱交換子模塊400，相應(yīng)接觸表面無需具有上述高品質(zhì)，因為部分熱交換流體是否由該熱交換液體通道的一部分“溢出”至其另一部分實(shí)際無關(guān)緊要。在圖2A所示的第一實(shí)施方式中，在該微反應(yīng)器10的裝配狀態(tài)下，該工藝子模塊 300和該熱交換子模塊400為直接熱接觸。具體而言，為達(dá)到最佳熱傳遞，該工藝子模塊300 的該工藝流體通道系統(tǒng)304的迂回路線與該熱交換子模塊400的該熱交換流體通道系統(tǒng) 404對齊。由圖2A可見，該熱交換子模塊400中所提供的該熱交換流體通道系統(tǒng)404與該工藝子模塊300中所提供的該工藝流體通道系統(tǒng)304兩者均形成迂回凹槽，從而在相應(yīng)凹槽 302,402內(nèi)延伸。此外，該熱交換子模塊400和該工藝子模塊300均具有按堆疊方向S彼此匹配的鉆孔316、416以容納螺栓(未示)，該螺栓以可拆卸和緊密方式使得該熱交換子模塊400和該工藝子模塊300彼此連接。因此，該連接的熱交換子模塊400與該工藝子模塊300可被視為形成單元，其夾于該第一框架裝置100和附著至該第二框架裝置200的蓋板500之間。在圖2A所示的第一實(shí)施方式中，該熱交換子模塊400如此排列，使得其中結(jié)合的該熱交換流體通道系統(tǒng)404面對該工藝子模塊300并由其密封，而該工藝子模塊300如此排列，使得其中結(jié)合的該工藝流體通道系統(tǒng)304面對該蓋板500并由其密封。圖2B中顯示了除該蓋板500和該第二框架裝置200外與圖2A中結(jié)構(gòu)一致的替代性結(jié)構(gòu)。在圖2B所示結(jié)構(gòu)中，該蓋板由透明材料(例如，玻璃)形成，且該開口 203與該蓋板500的形狀(在圖2A中為長方形且彼此配合)在圖2B中呈圓形并彼此配合。這允許觀察該工藝子模塊300的該工藝流體通道系統(tǒng)304中所發(fā)生的過程(流動、混合、反應(yīng))。應(yīng)指出，由于極高的工作壓被施加于流入該工藝流體通道系統(tǒng)的投料，該透明蓋板500的圓形形狀可有利地減少該透明蓋板500所經(jīng)受的機(jī)械應(yīng)力。對于圖2A的長方形蓋板500，其厚度及其材料兩者均可適當(dāng)?shù)睾透鼮樽杂傻剡x擇。如上所述，該第二框架裝置中該開口 203 的形狀未受高壓限制。圖3A和:3B顯示了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方式的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器兩種變體的示意分解透視圖。圖3A和;3B不同之處也在于前者的蓋板500為長方形且不透明，而后者的蓋板500為圓形且透明。剩余細(xì)節(jié)分別與圖2A和2B所示相同。如圖3A和;3B所示，圖2A和2B的工藝子模塊300和熱交換子模塊400組合形成工藝和熱交換子模塊700。換言之(再次參考第二實(shí)施方式)，(a)該熱交換流體通道系統(tǒng) 404由該熱交換子模塊400的前表面移動至該工藝子模塊300的后表面，且(b)該熱交換子模塊400被轉(zhuǎn)化為第二蓋板800，如圖3A所示。即，子模塊和板的總數(shù)不變。圖4A和4B顯示了根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方式的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器兩種變體的示意分解透視圖。該第四實(shí)施方式與第三實(shí)施方式不同之處在于(參考該第三實(shí)施方式)，該工藝和熱交換子模塊被分為包括該工藝流體通道系統(tǒng)304的第一板狀子模塊體，以及包括該熱交換流體通道系統(tǒng)304的第二板狀子模塊體。換言之(再次參考第二實(shí)施方式)，(a) 該熱交換流體通道系統(tǒng)404由該熱交換子模塊400的前表面移動至該第二板狀子模塊體的后表面，該第二板狀子模塊體插入該熱交換子模塊400和該工藝子模塊300之間。如圖5更具體顯示，該工藝流體通道系統(tǒng)304被分為交替連結(jié)的湍流混合區(qū)306 和基本層流滯留區(qū)308。在該連結(jié)的入口側(cè)形成多個初級入口端310，且在該連結(jié)的出口側(cè)形成出口端314。在該連結(jié)的該入口和出口側(cè)之間，特別在混合區(qū)和滯留區(qū)連接處，提供次級入口端312，如上所述，次級投料(化學(xué)物質(zhì))可由此引入該工藝流體通道系統(tǒng)。如圖 1-4B所示，該入口端310、312和該出口端314形成為該反應(yīng)單元RU側(cè)表面的開口，而根據(jù)替代性構(gòu)造(工藝子模塊300')，該入口端310、312和該出口端314排列在該環(huán)形凹槽 302 內(nèi)。圖6-15顯示了圖5所示的本發(fā)明工藝子模塊300'的工藝流體通道系統(tǒng)的變體， 其中在每一個變體中該入口和出口端排列于凹槽302內(nèi)并開口至前或后表面一側(cè)(圖5中的上或下表面以及圖6和15的凸出平面)，該凹槽302將該工藝模塊300'的前表面分為內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域，其中內(nèi)部區(qū)域中排列該工藝流體通道系統(tǒng)304，而外部區(qū)域排列用于固定該工藝子模塊300'與該熱交換子模塊400的該鉆孔316。圖6-8及11-15所示的工藝流體通道系統(tǒng)304各自包括位于該工藝流體通道系統(tǒng) 304入口處的多個初級入口端310 (例如，圖6中左側(cè))，位于該工藝流體通道系統(tǒng)304出口處的一個出口端314(例如，圖6中右側(cè))，以及介于該初級入口端310與該出口端314的一個或多個次級入口端312。因此，按總體流動方向，例如圖6中為由左至右，該工藝流體通道系統(tǒng)304可被視為分為混合段Ai (圖6中，i = 4)，其各自包括至少一個湍流混合區(qū)306和 /或至少一個層流滯留區(qū)308，其中分段Ai的出口與分段AwW入口的各個連接點(diǎn)形成次級入口端312。因此，在分段Ai與Ai之間該連接點(diǎn)處，可進(jìn)一步添加反應(yīng)器民至由分段Ai中化學(xué)反應(yīng)所生成的中間體產(chǎn)物P”例如，圖6的該工藝模塊300'包括兩個初級入口端310，其用于反應(yīng)劑R1和R2, R1和&在分段A1中反應(yīng)得到第一中間體產(chǎn)物Pp在分段A1與A2連接的該第一次級入口端 312，可進(jìn)一步添加反應(yīng)劑民以生成第二中間體產(chǎn)物P2,依次類推直至(最終)產(chǎn)物P4于該出口端314流出該工藝模塊300'。圖9和10所示的工藝模塊300'與圖6_8及11_15不同之處在于集成了三個獨(dú)立工藝流體通道系統(tǒng)304-1至304-3，其分別具有兩個入口端310和一個出口端314。這允許對不同反應(yīng)或混合作用進(jìn)行比較研究。應(yīng)指出，該工藝流體通道系統(tǒng)304-1具有兩個混合區(qū)306，而該工藝流體通道系統(tǒng)304-2和304-3分別僅具有一個混合區(qū)306。圖17示范性地顯示各種典型混合器元件結(jié)構(gòu)a)至f)，根據(jù)其外觀分別被表觀地稱為τ-接觸器、Y-接觸器、切線混合器、彎管、SZ-混合器及LZ混合器。這些結(jié)構(gòu)可由圖6-16所示的變體識別。在下文中，將根據(jù)部分附圖描述各種流體通道系統(tǒng)的具體細(xì)節(jié)。圖8顯示了三種不同類型混合區(qū)306(由左至右)(i)較長后接較短的切線區(qū)、直 LZ區(qū)以及普通U型SZ區(qū)。此外，在圖8中流動通道以外某些位置顯示了小“斜面” 320，表明鋪設(shè)了脫離純二維結(jié)構(gòu)的工藝流體通道系統(tǒng)，即，在相應(yīng)通道內(nèi)具有傾斜，其中傾斜方向?qū)?yīng)于斜面320的取向。另一細(xì)節(jié)顯示于圖10的304-1部分。該混合區(qū)306左側(cè)包括突出部322，其基本位于組成該混合區(qū)的四個切線混合器每一個中部。類似的突出部例如同樣顯示于圖10中。 該突出部322可增強(qiáng)渦旋效果。該工藝模塊也顯示上述斜面。應(yīng)指出，上述工藝流體通道系統(tǒng)304的3D結(jié)構(gòu)也可由切線混合器入口通道的限制及變窄看到，其例如顯示于圖13，并缺失于圖10。其組合顯示于圖15中右側(cè)混合器中，其中按流動方向(在混合器內(nèi)部由上至下方向)該混合器組合為2D-3D-2D-3D。圖13顯示催化物質(zhì)在此處所謂的催化流通道318內(nèi)的使用，該催化流通道318即該工藝流體通道系統(tǒng)304中包含，例如流動反應(yīng)劑/產(chǎn)物在其上流動的涂層形式的催化物質(zhì)的流通道。這表示該催化物質(zhì)為該工藝模塊體的一部分。屏障3M防止該催化物質(zhì)部分進(jìn)入工藝流體通道系統(tǒng)。此外應(yīng)指出，分別進(jìn)入和離開該混合器的入口和出口方向可相同或不同，從而導(dǎo)致不同混合度。比較圖6-15，可明顯看到該工藝流體通道系統(tǒng)304的長度、寬度、路線、排列等可獨(dú)立變化，從而該工藝流體通道系統(tǒng)304可調(diào)整至最佳。圖16A和16B為根據(jù)本發(fā)明的裝配微反應(yīng)器的示意透視圖，其中16B顯示經(jīng)第二框架裝置在圖6A中可見的工藝流體通道系統(tǒng)的放大視圖。具體地，圖16B顯示了圖5所示意顯示的結(jié)構(gòu)?？汕宄吹皆摿鲃油ǖ老到y(tǒng)304 包括混合區(qū)306、滯留區(qū)308以及次級入口端312。該初級入口和出口端310、316由圖16A 下方伸出，其將微反應(yīng)器分別與泵和合適產(chǎn)物容器連接。對于第一和第二實(shí)施方式中所用的材料，應(yīng)指出，該工藝模塊通常采用剛性材料以實(shí)現(xiàn)尺寸穩(wěn)定性，而熱交換模塊所用材料可以為剛性或具有延展性，優(yōu)選為不銹鋼。工藝模塊所用剛性材料的范例為不銹鋼、哈斯特萊合金以及其它鎳合金、鎢、鉭、鈦、陶瓷、石墨、燒結(jié)石英器皿(模糊、半透明或上色)，熱交換模塊所用延展性材料的范例為聚合物、 鋁、鋁合金、銅、銅合金、銀以及銀合金，優(yōu)選為鋁或鋁合金。熱交換模塊所用剛性材料的范例為不銹鋼、哈斯特萊合金以及其它鎳合金或陶瓷。對于透明蓋板所用材料，優(yōu)選地選自聚合物、硅石玻璃、石英玻璃或熔融石英。應(yīng)指出，所有表面，即使玻璃表面，應(yīng)被研磨至表面粗糙度在ι μ m的量級。圖18的示意制圖顯示第一至第四實(shí)施方式以及相應(yīng)附圖。此外，為了加深基本請求結(jié)構(gòu)的理解，權(quán)利要求中定義的部分特征顯示于虛線框內(nèi)。具體而言(i)該第一至第四欄分別代表第一至第四實(shí)施方式。(ii)在第二至第四實(shí)施方式中該反應(yīng)單元包括蓋板以及工藝和熱交換模塊 (―A)。(iii)B為工藝流體通道系統(tǒng)，C為熱交換流體通道系統(tǒng)。
(iv)D為權(quán)利要求2所定義的特征，E為權(quán)利要求3中所定義的特征，F(xiàn)為權(quán)利要求5中所定義的特征，G為權(quán)利要求6中所定義的特征。
0071]參考編號列表0072]10連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器0073]100第一框架裝置0074]104螺紋孔0075]106長方形凹進(jìn)0076]200第二框架裝置0077]203圓形開口0078]204通孔0079]206螺栓0080]300 (‘)工藝子模塊0081]302環(huán)形凹槽0082]304工藝流體通道系統(tǒng)0083]306混合區(qū)0084]308滯留區(qū)0085]310初級入口端0086]312次級入口端0087]314出口端0088]316鉆孔0089]318催化流通道0090]320斜面0091]322突出部0092]324屏障0093]400熱交換子模塊0094]402環(huán)形凹槽0095]404熱交換流體通道系統(tǒng)0096]416鉆孔0097]500蓋板0098]502孔0099]600蓋板0100]700工藝及熱交換子模塊0101]800第二蓋板0102]A, B 300的取向0103]P產(chǎn)物0104]R反應(yīng)劑0105]RU反應(yīng)單元0106]S堆疊軸
權(quán)利要求
1.一種模塊結(jié)構(gòu)的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器，該微反應(yīng)器沿其由后至前的堆疊軸包括第一框架裝置、反應(yīng)單元以及第二框架裝置，其中-所述反應(yīng)單元包括工藝流體通道系統(tǒng)，其用于流入所述反應(yīng)單元的多種投料或反應(yīng)劑的連續(xù)反應(yīng)以形成至少一種流出所述反應(yīng)單元的產(chǎn)物，且包括熱交換流體通道系統(tǒng)，其用于調(diào)節(jié)所述工藝流體通道系統(tǒng)的溫度環(huán)境，-所述第一和第二框架裝置各自形成為法蘭，且-所述第一和第二框架裝置通過多個沿所述第一及第二框架裝置外周排列且處于該外周內(nèi)的拉緊裝置彼此相對壓緊并封裝所述反應(yīng)單元。
2.如權(quán)利要求1的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器，其中-所述反應(yīng)單元包括工藝和熱交換模塊，以及夾在所述工藝和熱交換模塊以及該第二框架裝置之間的蓋板，且-所述工藝流體通道系統(tǒng)包括形成所述工藝和熱交換模塊反應(yīng)表面的微結(jié)構(gòu)，所述工藝和熱交換模塊由所述蓋板以密封所述工藝流體通道系統(tǒng)的方式直接覆蓋。
3.如權(quán)利要求2的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器，其中-所述工藝及熱交換模塊包括板狀工藝子模塊，其前表面為所述反應(yīng)表面，還包括夾在所述工藝子模塊和所述第一框架裝置之間的板狀熱交換子模塊，且-所述熱交換流體通道系統(tǒng)包括形成所述熱交換子模塊的前表面且以密封所述熱交換流體通道系統(tǒng)的方式由所述工藝子模塊后表面覆蓋的微結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器，其中所述熱交換子模塊和所述第一框架裝置由一個部分制成。
5.如權(quán)利要求2的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器，其中-所述工藝及熱交換模塊包括板狀工藝及熱交換子模塊，其前表面為所述反應(yīng)表面，還包括夾在所述工藝及熱交換子模塊和所述第一框架裝置之間的第二蓋板，且-所述熱交換流體通道系統(tǒng)包括形成所述熱交換子模塊的后表面且以密封所述熱交換流體通道系統(tǒng)的方式由所述第二蓋板覆蓋的微結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求5的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器，其中所述工藝及熱交換子模塊由垂直于所述堆疊軸的平面分為包括所述工藝流體通道系統(tǒng)的第一板狀子模塊體以及包括所述熱交換通道系統(tǒng)的第二板狀子模塊體。
7.如權(quán)利要求5或6的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器，其中所述第二蓋板和所述第一框架裝置由一個部分制成。
8.如權(quán)利要求2-6其中一項的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器，其中所述第二框架裝置如此配置， 從而可通過所述透明的蓋板檢視所述工藝流體通道系統(tǒng)。
9.如權(quán)利要求8的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器，其中所述第二框架裝置具有允許所述檢視的觀察窗口。
10.如權(quán)利要求2-7其中一項的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器，其中所述第二框架裝置如此配置， 從而允許所述蓋板通過該第二框架裝置的外部流體連接作為所述工藝流體通道系統(tǒng)的流體入口裝置。
11.如權(quán)利要求2-10其中一項的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器，其中直接覆蓋所述工藝流體通道系統(tǒng)的所述蓋板的表面攜帶催化涂層。
12.如權(quán)利要求2-11其中一項的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器，其中所述反應(yīng)單元具有針對多種流入所述工藝流體通道系統(tǒng)的初級投料的多個初級入口端，以及于流動方向所述多個初級入口端之后，針對流入所述工藝流體通道系統(tǒng)的至少一種次級投料流的至少一個次級入口端。
13.如權(quán)利要求12的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器，其中所述初級和/或次級入口端排列于所述反應(yīng)單元側(cè)表面和/或前和后表面。
14.如權(quán)利要求1-13其中一項的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器，其中所述工藝流體通道系統(tǒng)和/ 或所述熱交換流體通道系統(tǒng)以迂回方式形成。
15.如權(quán)利要求1-14其中一項的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器，其中所述工藝流體通道系統(tǒng)包含沿流經(jīng)其的所述初級投料的流動方向連續(xù)排列的至少一個湍流混合區(qū)和至少一個基本層流滯留區(qū)。
16.如權(quán)利要求1-15其中一項的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器，其中所述第一和第二框架裝置分別具有第一和第二定位裝置，其限定所述反應(yīng)單元與該堆疊軸的相對位置。
17.如權(quán)利要求16的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器，其中所述第一和第二定位裝置分別于所述第一和第二框架裝置的表面形成為彼此面對的凹進(jìn)，其中該凹進(jìn)的內(nèi)周形狀與所述反應(yīng)單元對應(yīng)側(cè)的外周形狀同量。
18.如權(quán)利要求17的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器，其中形成所述第一和第二定位裝置的所述凹進(jìn)為長方形。
全文摘要
一種模塊結(jié)構(gòu)的連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器，該微反應(yīng)器沿其由后至前的堆疊軸包括第一框架裝置(100)、反應(yīng)單元(RU)以及第二框架裝置(200)，其中所述反應(yīng)單元(RU)包括工藝流體通道系統(tǒng)，其用于流入所述反應(yīng)單元的多種投料或反應(yīng)劑的連續(xù)反應(yīng)以形成至少一種流出所述反應(yīng)單元(RU)的產(chǎn)物，且包括熱交換流體通道系統(tǒng)，其用于調(diào)節(jié)所述工藝流體通道系統(tǒng)的溫度環(huán)境，所述第一和第二框架裝置(100、200)各自形成法蘭，且所述第一和第二框架裝置通過多個沿所述第一及第二框架裝置(100、200)外周且處于該外周內(nèi)的拉緊裝置彼此相對壓緊并封裝所述反應(yīng)單元(RU)。
文檔編號B01J19/00GK102405099SQ201080017207
公開日2012年4月4日 申請日期2010年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月12日
發(fā)明者諾伯特·科克曼 申請人:隆薩股份公司