专利名称：高性能微型反应器的制作方法
高性能微型反应器
本申请要求2005年1月7日提交的欧洲专利申请系列号第EP 05290046.1号
的优先权。
背景技术：
发明领域
本发明一般涉及微量反应装置，所述装置是具有用来进行混合和化学反应 的毫米至亚毫米尺寸的内部通道或室的装置，更具体来说，本发明涉及特别最 优化用来以较高物料通过速率(throughput rate)达到放热反应的良好控制的连 续操作的装置。
背景技术：
微量反应技术从广义上理解，包括具有有目的地结构化的特征(例如流动 通道等)的化学反应和生物反应装置，其中一个或多个维度尺寸为毫米级，或 者优选为亚毫米级或微米级。
目前关于这种技术的一个焦点集中于提供一种用来同时进行许多的反应， 进行高通过量的化学或生物筛选的方法。通常采用极小的尺寸和体积，以能够 较廉价快速地平行进行数百个、甚至数千个测试。
微量反应技术的另一个焦点在于使用小通道中能够达到的高表面/体积比 (其比值大于常规的间歇式反应器)，以提供化学实验室工作、处理和生产方 面的优点。具有极高表面/体积比的装置能够在极小的体积内提供极高的传热传 质速率。人们众所周知的可能的优点包括(l)由于较高的产率和纯度获得较高的 生产率和效率，(2)通过显著减小工艺体积提高安全性，(3)可以进行之前的技术 所无法进行的新工艺、新反应、或者新的反应体系，这又可以提供更高的产率 或安全性。在从实验室放大到大规模生产，可能会获得"增量(numbering up)" 而不是"按比例放大"。"增量"是指通过设置更多数量的平行微量反应结构， 无论是在单独的微量反应装置中"内部"设置，还是通过平行排列多个装置而
"外部"设置来增大其容量，从而能够将经过实验室检验的反应直接应用于生 产，在将反应和工艺按比例放大到工业生产尺寸的反应设备时不会花费过多的 时间和其它资源。
人们已经报道或提出了许多种类的微量混合装置。其中一种可被称为"相 间交错"或"层流"混合器，这种混合器依赖于在大规模的平行阵列中使待混合的 反应物流良好分开和交错，通常在此之后进行物流的辐射状或线型的"会聚"
(即窄化)，使得物流能够在扩散的驱动下极快地混合。最近的例子是Hessel等人 在"不同相间交错微型混合器中的层流混合(Laminar Mixing in Different Interdigital Micromixers) " AIChE J. 49， 3 (2003) 566-577, 578陽84A中所讨论的， 由Mikroglas Chemtech GmbH和Institut ftir Mikrotechnik Mainz (IMM)联合开发 的"SuperFocus"混合器，在此混合器中，待混合的物流在基本呈平面型的结构中 相间交错。IMM还开发出了极高物料通过量的被称为"星形层叠器"的层叠板 型微量混合器，其中流体被强制流动在层叠的图形化的钢板之间，通常是流入 中心通道穿过板层叠体，这种结构具有使得层叠流在三维构型中"相间交错" 的作用。由Institut fUr Mikroverfahrenstechnik在Forschungszentrum Karlsruhe
(FZK)报道了类似的在具有三维构型的大规模平行相间交错混合器中的高通过
且 里。
第二类微量混合装置使用一个或多个简单的混合"T形管"，其中两条直 型的通道合并为一，例如Mikroglas Chemtech GmbH(与Fraunhofer ICT联合)提 供的另一种"微型反应器"中的多混合器结构，例如参见Marioth等人的"玻璃制 微型反应器阵列中微流体转递和传热的研究(Investigation of Microfluidics and Heat Transferability Inside a Microreactor Array Made of Glass) ，，， IMRET 5: Proceedings of the Fifth International Conference on Microreaction Technology (Matlosz Ehrfeld Baselt Eds.， Springer 2001)。
第三类微量混合器使用小的碰撞喷射器，例如参见Yang等人的"基于空间 碰撞微型喷射器阵列的快速微型混合器/反应器(A rapid Micro-Mixer/Reactor Based on Arrays of Spatially Impinging Microjets) ，， J. Micromech. Microeng. 14 (2004) 1345-1351。
第四类微量混合器使用主动混合，例如磁力驱动微型搅拌器、压电驱动混 合、其它声能驱动混合、或者任意其它的对待混合流体的主动操作。
第五类微量混合装置使用物流的分开和再合并，产生串联的(而不是大量
平行的)多层层叠流动。 一个例子是Sch6nfeld等人在"具有均匀的"无序"混 合的最优化的分开-再合并的微量混合器(An Optimized Split-and-Recombine Micro-Mixer with Uniform 'Chaotic' Mixing) ，， Lab Chip 2004， 4, 69所述的"履带 式"混合器。
第六类微量混合装置使用各种通道表面特征，在待混合的流体中产生次级 流或"无序平流"。这类混合器的例子包括Strook等人在"用于微型通道的无序混 合器(Chaotic Mixer for Microchannels) " Science 295 1 (2002) 647-65l中所述的 结构(引发无序平流的表面特征)。
第七类微量混合装置使用各种通道构型，例如改变通道的形状、曲率或方 向，在待混合的流体中产生次级流、湍流状效应、或"无序平流"。这类微量混 合装置的例子包括以下文献报道的结构Jiang等人的"弯曲微型通道中的螺旋 流和无序混合(Helical Flows and Chaotic Mixing in Curved Micro Channels)，， AIChE J. 50, 9(2004) 2297-2305,以及Liu等人的"三维螺旋形微型通道中的被动 混合(Passive Mixing in a Three-Dimensional Serpentine MicroChannel) " J. Microelectromech. Syst. 9， 2 (2000) 190-197(分别显示了产生"无序"混合的平 面(即二维)和非平面(即三维)的螺旋形通道)。
已经报道或提出了各种微量反应器。最常用的微型反应器是用来提供一种 或多种反应物的反应(通常包括两种或更多种反应物的混合)、以及通过加热、
冷却或热缓冲进行一定程度反应控制的微量反应装置。示例性的例子包括上
述Marioth等人的使用多个平行的"T形"混合器的玻璃装置(a glass device utilizing multiple "tee" mixers in parallel)中报道的Mikroglas微型反应器； Fraunhofer制得的使用各种混合器构型的"FAMOS，，系统微型反应单元，例如参 见Keoschkerjan等人的"用于化学工程的新颖的多功能微型反应器单元(Novel Multifunction Microreaction Unit for Chemical Engineering) ', Chem. Eng. J 101 (2004) 469-475;美国专利申请公开第2003/0223卯9 Al号的附
图10-12所示的得 自Cellular Process Chemistry (CPC)的"Cytos"微量反应器，其使用具有用于热交 换流体的通道的叠置板构造，得自IMM的另一种叠置板构造，如Richeter等人在 "用于液相反应的挠性多组分微量反应系统(A Flexible Multi-Component microreaction System for Liquid Phase Reactions) "， Proceedings of IMRET 3, 636-634 (Springer Verlag 2000)。所述大规模平行的高物流通过量的三维相间交 错混合器(例如上述得自IMM和FZK的混合器)还可与紧邻的大规模平行高通
过量的热交换器相连，形成高通过量的微型反应系统。
目前"微型反应技术"领域中的努力，无论是针对混合器或完全的微型反应 器装置，即使是目前提出的定义自身，都将注意力集中从在"基于单元内的'工 艺设计'"设计或选择的装置内的微流、使用"大量这样的单元"提供"微流 规模配置的工艺设备"不包括符合更广义的更传统的定义所述的更大尺寸的连
续流反应器所能够获得的益处。例如参见Hessel, Hardt和L6we的Chemical Micro Process Engineering (Wiley VCH, 2004), pp. 5-6; 18-19。
这种注意力的集中是由于人们需要通过使用可预期的有序的微流来控制 流体过程，以及需要通过在单独的装置中获得提高的通过量。如上文中的Hessel， Hardt和L6we所述，"通常即使使用曲折状的混合通道或无序混合器，流体的微 量混合也仅能在中等体积流内完成。在化学工艺技术中，物料通过量通常是一 个重要的问题，出于这种原因，需要超越了在单独的通道中出现两股液流的概 念的微量混合器设计。在摒弃了使得待混合液流被导引只通过单独的层的混合 器构造，而采用多层构造的时候，多层层叠的原理的原理成为可实现的...."
这种努力的对象是细分隔的高度平行的结构，这种结构确实提供了一些潜 在的优点，例如能够在混合器中以极低的压降进行极快的混合，在热交换器中 获得极快、极高的热交换速率，通过内部"增量"有效地提高物料通过量。但 是在颗粒或成膜材料的存在下，这种极为精细的结构还特别容易发生堵塞或结 垢， 一旦发生堵塞或结垢，这种结构可能无法恢复，或者可能需要费力拆卸和 清洁。另外，这些装置的性能对分流通道中的液流平衡很敏感，因此设计或制 造的难题可能导致获得的混合质量或产率低于预期值或所需值。另外，随着装 置的老化，混合质量可能难以保持，这是由于液流中的任何不平衡都会由于最 高通过量通道的差异性腐蚀而随时间放大。另外，即使与快速的高通过量的热 交换器紧密相连的时候，高通过量的极快的混合器(使用三维多层层叠)通常也 无法获得比更常规的工艺提高的产率或生产率。
因此，人们需要提供一种装置，该装置能够避免这些缺点，同时以较低的 压降提供类似的良好的混合，而且具有良好的热交换能力和高通过量。
发明概述
本发明涉及用于一种或多种流体或流体性反应物的混合和反应的微型反 应装置。所述装置包括一个或多个热流缓冲流体通道或多层形式的整体化热控
制能力。所述装置包括单式的混合器，即混合通道，至少一种待混合的反应物
全部通过该混合通道，所述混合通道构建成产生次级流(secondary flow)或湍流 状效应，以促进混合。因而，所述混合通道需要为三维螺旋状，可包括周期性 的或非周期性的障碍物、限制结构或类似的特征。这些装置还包括一体化的停 留时间通道，所述流体在混合通道中进行初始混合之后并在离开所述装置之前 流过所述停留时间通道。所述停留时间通道的压降/体积比优选显著小于混合通 道，更优选至少约小5倍。所述停留时间通道的体积优选至少为l毫升，可能需 要具有更大的体积，例如2毫升、5毫升、甚至10毫升，需要具有足够的体积， 使得流体以所需流速离开混合通道，以在所述装置内停留足够的时间，使得过 程中的反应充分稳定化或完全，使得反应流体通过流体连接器或接头从所述装 置流出的通道不会过分减小反应产率或生产率。所述停留时间通道和单式 (unitary)混合通道与一个或多个缓冲流体通道紧密地热耦联(couple)，以尽可能 快地除去多余的热量。在混合通道中产生的次级流与相连的紧密耦联的高流动 的缓冲流体通道协同作用，防止在混合通道中形成过热点，提高装置的传热能 力(特别是在混合过程中和刚刚进行混合之后)，获得提高的反应控制和选择 性。反应物通道可能需要包含在极薄的体积内，薄的方向的尺寸与次最小尺寸 之比约为1:100，在此薄体积的各侧提供缓冲流体层或通道。所述装置还需要在 混合通道和停留时间通道具有化学惰性或高耐受性的表面。为此，所述装置可 能需要直接由化学惰性或高耐受性的材料形成，这些材料是例如玻璃、陶瓷、 玻璃-陶瓷、耐化学性的聚合物、耐化学性的金属等。
通过这些特征和其它特征，本发明的装置能够优选提供与在20毫升/分钟 流速的反应物流的至少20瓦、更优选至少40瓦的热交换能力，在所述20毫升/分 钟的流速下总停留时间至少为6-10秒(相当于停留时间通道体积约为2-3.33毫 升)，在至少最低20毫升/分钟和更高的流速下，具有至少90%的快速混合性能。 另外，本发明的装置在高达约100毫升/分钟或更高的流速下，可以优选提供约 小于2巴、甚至约小于l巴的低压降。令人吃惊的是，本发明实施方式的装置， 具有热缓冲能力和体积至少为l毫升的一体化停留时间通道，这种装置能够提 供与现有的不包括上述组成的平面构造相间交错的混合器相当或更好的快速 混合和低压降性能。
对本文所述种类的装置的测试表明，使得使用者可以进行高产率、良好控 制的活化芳族化合物的连续自催化硝化反应，在此反应中自催化通常会造成失 控的热量累积、导致发生无法控制的反应。这些测试还显示本发明的装置在热 量方面显著影响所需产物相关产率的能力。
附图简述
图l是可用于根据本发明的微量反应装置的微流体装置结构的截面正视图。
图2是图1实施方式的截面平面图，为了便于说明，在视觉上进行了简化，其 中标示出了反应物流动通道。
图3是标示出预混合通道的图2的视图。
图4是标示出混合通道的图2的视图。
图5是标示出停留时间通道的图2的视图。
图6是可用来形成本发明的装置的结构的截面正视图。
图7是可用来形成本发明的装置的另一种结构的截面正视图。
图8是图1实施方式的另一部分的截面平面图。
图9显示了图1和图7的截面平面示意图，图中显示了由图1和图7表示的结 构叠置组件形成的结构的截面的关系。
图10A和10B分别显示图7和图1结构一部分的放大的截面平面图。 图11是图10B的结构的另一种实施方式。
图12和图13是用于图1中实施方式的装置的缓冲流体通道或室的截面平面图。
图14是图13的结构的另一种实施方式的截面平面图。
图15是图1的实施方式的装置以及两种比较装置中，测得的混合质量作为 流速的函数的图。
图16是图1的实施方式的装置与三种比较装置中，测得的压降作为流速的 函数的图。
图17是图1的实施方式的装置与两种比较装置中，反应流体的总停留时间 作为流速的函数的图。
图18是对于进行各种时间长度的碱腐蚀之后的装置，测得的混合质量作为 流速的函数的图。
图19是缓冲流体和反应流体通道之间传递的能量作为反应通道流体流速 的函数的图。
优选实施方式详述
在任意可能的时候，在所有附图中，相同的编号标示相同的或类似的部分。
图1是根据本发明的微型反应装置10的一个实施方式的一部分的截面平面 图。该截面图中所示的结构包括外壁18,流体通道壁20，以及各种增强或支承 结构24和可用于制造的层识别标记26。所述流体通道壁限定出反应物流体通道 22，提供位于流体通道22的相邻部分壁之间的间隙23。截面图中所示的壁和其 它结构支承在大体上平行于该图所示平面、但不位于该图平面内的平面结构 上。图中所示的壁和其它结构可通过合适的添加或减去材料的方法形成于所述 平面支承结构上，或者如果需要的话，可以与平面支承结构一体化地形成。在 12、 14和16位置提供贯穿所述平面支承结构的孔。在12位置的孔用来提供使反 应物流进入流体通道22的进口，位置14处的孔提供流体离开所述装置的出口。 位置16处的孔提供用于热缓冲流体的通道。
图2是与图1所示相同的截面图，但是其中横截结构用实线标示，为了清楚 图示，其中流体通道22的区域用阴影标出。可将流体通道22进一步分为功能子 通道，包括分别在图3、4和5中示出的预混合子通道或子通道30,混合子通道40, 以及停留时间子通道50。如图所示，不同功能子通道之间的边界可能重叠，实 际上不同种类的子通道的确切边界无需精确绘出。但是混合子通道40通常是可 以通过以下特性与其它的子通道，特别是停留时间子通道50相区别开混合子 通道具有较高的表面积/体积比，在特定流速下较高的压降/体积比，通常小得 多的总体积，或者在使用的时候，混合子通道中产生次级流或湍流状效应通常 大于停留时间子通道中的情况。
在图l的实施方式的微型反应装置中，如图6中一般代表性的结构的截面正 视图所示，流体通道22可能需要设置在支承所述流体通道壁20的两个大致的平 面结构60之间。反应物通道可由两组互补的壁结构62和64毗连而形成，这两组 壁结构各自最初支承在一个平面结构60上。所述限定流体通道22的壁结构可以 在某些位置(例如图6中的位置66)直接相配。当这些结构毗邻并接合形成微 相反应装置的时候，这些限定流体通道22的壁结构在某些其它的位置(例如图 6中的位置68)也可以是不相配的，将流体通道22分成为沿图中的垂直方向叠置 的两个层。
在制造本发明装置的一个所需实施方式和方法中，所述装置由玻璃或玻
陶瓷组成。对于玻璃制装置，平面结构60可包括玻璃基板和壁，其它类似的结 构可包括烧结的玻璃料。例如一种这样的合适的方法见述于美国专利第
6,769,444号，该专利已转让给本申请人。
本发明的装置还可以用其它的材料(例如金属、陶瓷和塑料)以及其它的 方法(例如微加工、用光刻蚀刻或不用光刻的蚀刻等)形成。在一些情况下，所 述壁结构可以如图7所示用包括大致平面的支承结构的相同的整体材料直接形 成，而不是如图6所示夹在大致平面的结构之间的壁和相关的结构。在任意的情 况下，所述装置的最终组装结构整体来说希望通过例如合适的烧结法或其它合 适的方法固结成一体，从而制得气密和液密的最终装置。
在本发明的装置中，微型反应装置中反应物的流体通道与热缓冲流体层或 通道紧密连通。优选的是，如图6和7所示，封闭流体通道22的大致平面的结构 60本身可以夹在被另外的大致平面的结构90限制的两个大体平面的缓冲流体 层或通道70之间。所述流体通道70优选具有低压降，以使得缓冲流体具有高流 速，在为1.5巴的压降下的流速通常至少为200毫米/分钟或更高，优选的是在特 定压力下的流速比反应物流体通道的流速大两倍，最优选至少是其五倍。
图8是与图1所示的第一结构互补的壁和相关结构的第二结构的截面平面 图。在图8所示的与所述壁和相关结构相连并支承所述壁和相关结构的平面结 构中，可以根据需要在各位置使用贯穿所述平面结构的孔，但是在所示的实施 方式中，只在位置16具有用于缓冲流体通孔的孔。在此具体实施方式
中，图8 所示的壁结构与图l所示结构的差异主要仅在于混合子通道区域，这在下文中 将更详细地进行描述。
图9显示了图1和8中所示互补结构的组装体。图9A的第一结构72对应于上 图l所示的结构，该结构如图9B所示进行倒转(该图中从左至右)。图9C显示了 对应于图8结构的第二结构74,如图9D所示将图9B的倒转的结构72置于其上。 图9D显示了所得的重叠结构76，图中两个层都以完全的深色线条标示，不考虑 互相重叠。因此人们可以清楚地看出，在混合子通道40区域具有非匹配互补结 构，其它区域几乎没有或没有不匹配。
图10中显示了混合子通道40的流体通道壁20的横截结构的放大图。图10A 显示了对应于图8和9C显示的互补结构的壁20的结构，图10B显示了对应于图1 和9B所示的第一结构72的壁20。
当流体大致沿着箭头78方向流入混合子通道的时候，结构72和74迫使流体
如小箭头80所示发生周期性的变向。由箭头可以看出，特别是在互补结构74中， 该结构在图9所示的组装步骤之后，己成为图9中最底部的结构，流体流动方向 强烈振荡。另外，在从结构72移动到结构74、返回72、以此类推的过程中，流 体运动也沿着垂直于图10平面的"Z"方向振荡。因此可将混合子通道描述为 三维螺旋形，其在一个以上平面内具有振荡或波动。或者换句话说，所述混合 子通道包括位于一个以上平面内的弯曲或曲线。通过迫使流体经常在一个以上 平面内改变方向，本发明的混合子通道有效地产生次级流和湍流效应，使得子 通道内流体截面明显折叠和拉伸。柱82形式的周期性障碍物也有助于产生次级 流或湍流状效果。
可以有各种混合子通道结构，例如如图ll所示，图中显示的是第一结构72 的另一实施方式。(互补的结构74可类似地变化)。其中不存在柱子，但是抗议使 用通道"收敛"84,即通道宽度周期性减小，有助于发挥类似的功能。
图12和13显示了对图6和7的截面图中所示的缓冲流体层70的支承结构94 的有用的结构。结构94很小，均匀地分散在较大的大致平面的体积中，使得可 以具有极低的压降和相应很高的流速。增强的热交换区域96位于与混合子通道 40紧邻的上方和下方。区域96不具有用来使缓冲流体和混合子通道中的流体最 大热交换的支承结构。在所示的实施方式中，缓冲流体通过缓冲流体入口和出 口93流入上部和下部缓冲流体通道70。缓冲流体完全通过包括所述反应流体通 道的中间层，到达下部通道70。反应物通过流经孔或口92而进入和离开所述装 置。
本发明装置的一个基本原理特征是使用单式的混合器或混合子通道，也即 是说，构设一个混合子通道，使得所述一种或多种反应物流中的至少一种必须 完全通过所述子通道。这种设计避免了将反应物流分流到许多独立的通道中。 这可以更好地阻止发生堵塞，能够在流体物流中包含颗粒的情况下更好地操 作。
本发明装置的另一个基本原理特征是使用混合子通道，该混合子通道的结 构设计成能够在流经的流体中引起次级流或湍流状效应，而不是依赖于保持可 预期的大体上有序的层流区域，例如所谓的"履带式"混合器中的情况，也不是 主要地或排他性地依赖于对液流进行细密的分流(如在大多数非单式混合器的 情况)。具体来说，本发明的装置可能需要使用三维螺旋形通道作为混合子通 道。对于混合，本发明的装置主要依赖于通过混合子通道本身所产生的物理混合，而不是依赖于通道进行精细分流和接触向上物流而进行混合。实际上，所 述接触点优选尽可能靠近三维螺旋形混合子通道。
通过使得混合性能主要依赖于三维螺旋形子通道，使得本发明的装置在使 用过程中，即使随着使用的时间推移，其内部通道发生了一定的腐蚀，却仍然 具有良好的性能。使用这种混合器可以避免平行管道中良好的流动平衡所需的 严格的尺寸公差，从而使得制造较为容易。使用这种混合还有助于装置的反应 控制性能。通过有效地阻止任何一种流体物流在所述混合子通道的中心保留任 意长度的时间，本发明的单式混合器在所述混合子通道中提供了有用的强制对 流。
本发明的形成次级流的混合器与本发明另一基本特征协作，即存在一个或 多个较大的高流动缓冲流体通道，这些通道与所述混合子通道紧密接触地设 置。所述混合子通道中显著的强制对流与所述高流动紧密耦联的缓冲剂通道相 结合，可以改进对反应的控制，例如以改进对不希望有的次级反应或副反应的 控制的形式来提高对反应的控制。在上述实施方式中，所述缓冲流体通道的一 部分直接位于所述混合子通道的上方和下方，使得所述混合子通道的主表面区 域或壁中的两者作为整体与所述缓冲流体通道共用。这使得所述混合子通道和 缓冲流体子通道紧密地热耦联，因此即使在具有高反应物流动和单式混合器或 混合通道时，仍具有良好的热交换性能。
本发明的另一个显著特征是提供了较大体积的停留时间子通道，使得在特 定流速下，反应物能够在单独微量反应装置的良好热控制环境中相对于微量混 合器保留长得多的时间，并且相对于常规的微型反应器保留更长的时间。
一些极快速的高通过量的微量混合器无法实线预期的或所需的产率或其 它性能利益。这种情况一部分可能是由于热控制不足造成的。特别是对于快速 放热反应情况，在没有整体化的热控制情况下进行极快的混合，即使反应物流 入直接耦联的热交换器所需的时间较短，仍然可能会导致副反应或另外的反 应。微型反应器不同于微量混合器，前者通过界定而提供了一定的热控制，但 是如果微型反应器中保持热控制的体积过小，则反应物在微型反应器中热调节 环境中的停留时间将会不足，会对反应产率和/或选择性造成影响。因此，本发 明的装置所提供的停留子通道的体积优选至少为l毫升，当特定的所需反应能
够从较长的停留时间获益的时候，更优选高达2，5或10毫升，或更高。
所述停留时间子通道还优选具有比混合子通道低得多的压降/体积比，优
选比混合子通道大至少两倍，更优选大五倍或更多，从而可以在不显著影响装 置中整体压降的前提下提供所需的停留时间。
能够从这种较大体积的停留时间通道获益的反应的一个例子是在NaOH水 溶液存在下进行酯(乙酸乙酯)的皂化乙酸乙酯+NaOH—乙醇+AcONa(乙酸 钠)。乙酸乙酯和NaOH水溶液将会以相同的流速加入，乙酸乙酯为0.8摩尔/升， NaOH溶液为1.0摩尔/升。乙酸乙酯的完全转化需要一定的时间，但是随着温度 的升高，所需的时间会减少。根据本发明的用于该反应的一种装置的停留时间 子通道内的体积优选等于或大于5毫升，更优选为10毫升，使得在可达到的温度 下(温度通常不应高于反应物或溶剂中一种的常压沸点，以免形成气体和出现其 它问题)，即使流速为10或20毫升/分钟(以获得高效制备和良好的混合)，该反应 也能在所述装置热控制的环境中完成90%或更高。例如，在停留时间体积为IO 毫升、温度为80。C的条件下，在高达大约20毫升/分钟的流速下(该流速足以确 保此处所述的测试样品中良好混合)，进入的乙酸乙酯可以有90%在所述装置 中发生转化。
本发明的装置还优选为各预混合子通道30提供合理的体积，优选至少为 0.1-0.5毫升或更大，这些通道也与缓冲剂流体通道或一条缓冲剂流体通道紧密 耦联。对于许多反应，与上述乙酸乙酯的皂化反应类似，需要反应物在高于或 低于常规反应物存储温度的温度下开始反应，可以用所述预混合子通道和耦联 的缓冲剂流体通道一起，使反应物升温或降温至所需的温度，然后使它们接触 或者对它们进行混合。
本发明的装置希望具有的另一种特征显示于图1中流体通道壁20的形状 在反应物流体通道22的相邻部分之间，各通道具有各自独立的壁，它们不与流 体通道22另外的部分共用。流体通道22相邻部分的壁被间隙23 (优选是空气间 隙)分隔。这种特征会使得装置在使用的时候整体具有各向异性的热导性，热 能在图6和7中的垂直方向的传递要比在图1中的水平方向传递更容易。通过结 合优选使用中等热导性的材料，例如玻璃或玻璃陶瓷材料形成装置的结构，这 种特征有助于防止在流体通道22中形成任何过热点或过冷点，以免它们影响流 体通道22的其它部分，有助于确保热流主要是沿该方向进入(或流出)缓冲流 体通道70,后者以大致平面结构60的形式与流体通道22共享共用的壁。由于壁 20的任意裂口都将处于装置的外部，因此容易检测到，从而提高了安全性，不 会造成反应物或产物流的交叉污染。
如果需要，还可将缓冲剂流体通道70分段，如图14所示，将大致为平面的 体积分割成相邻的大体共平面体积，这显示了图13所示结构的一种替代形式， 用两个缓冲剂流体通道代替一个通道。这种分割开的缓冲剂流体通道的入口可
提供在大体平面微量反应装置的两个相对侧，例如提供在位置93。这种结构例
如可用来对预混合反应物更充分地预热，同时更充分地冷却混合和/或混合后的
反应物流。
本发明另一个优选的特征是反应物流体通道22整体具有低的长宽比。在图 l的实施方式中，图中显示的通道22粗略地显示了它们在图平面内的尺寸，所 述混合子通道在图平面内的尺寸大体为0.5-l毫米，停留时间子通道尺寸大体为 3-5毫米。在垂直于图平面的方向上，所述通道22在非混合子部分中的尺寸优选 为0.5-l毫米。所述通道22的总体积约为5.3毫米，但是在平面结构60之间提供了 更大的封闭体积(通常仅约为0.5-l毫米高)，图1平面内具有约120X 150毫米2 的面积。该体积中常规最高的高度为lmm，该高度和次最小尺寸之间的比值约 为1:100至1:120。通道22整体的小长宽比、或者限定出通道22的体积的小长宽 比，与两侧的缓冲流体通道一起，帮助确保对装置进行良好的热控制。
实施例
Villermaux J.等人在"使用平行竞争反应表征微量混合效率(Use of Parallel Competing Reactions to Characterize Micro Mixing Efficiency)" AlChE Symp. Ser. 88 (1991)6,第286页中描述了使用一种测试方法定量评价两种可混溶性液体的 混合质量。对于本文所述的测试，采用的方法是在室温下制备酰基氯溶液以 及乙酸钾和KI(碘化钾)混合溶液。然后使用注射泵或蠕动泵将这两种流体或反 应物连续注入待测的微量混合器或微型反应器中。
所得的测试反应会得到两种具有不同速度的竞争反应生成具有紫外吸收 性质的终产物的"快"反应和在极快混合条件下占主导地位生成透明溶液的"极 快"反应。这样以来，混合性能与UV透射率相关，理论上完美的或100%的快速 混合会使得产物中具有100n/。的UV透射率。
在测试下由装置中流出的流体流过流通室或比色皿(10微升)，通过测量350 纳米的透射率进行定量。
本文中所讨论的压降数据是使用22。C的水，用蠕动泵获得的。总流速是在 混合器或反应器的出口测得的。使用压力传感器测量上游绝对压力值，微量混
合器或微型反应器的出口对大气压敞开。
性能实施例I:混合性能，压降和停留时间
在上面的图l-5、 8-10、 12和13中所示的本发明实施方式的九种不同的样品 上进行了上述混合测试。图15中绘制的数据100示出作为流速的函数的平均快 速混合性能，图16中绘制的数据200示出作为流速的函数的平均压降。快速混合 使得从略低于20毫升/分钟开始和增大的流速范围下，测得混合性能等于或大于 90%，对应于略小于90毫巴的最小压降。驻留时间或"停留时间"作为流速的函 数以数据300绘制在图17中。
比较例A
如上所述对玻璃形成的流体动力学会聚的最优化的大体平面构型多层层 叠混合器进行测试，该混合器大体上与上述AIChE J. 49， 3 (2003) 566-584中报 道的装置类似。用图15中曲线表示的数据102示出快速混合性能，同一装置的压 降性能由图16中曲线表示的数据202示出。使用虚线标示来区别该比较例的装 置，根据本文所用的术语，该装置仅是一个"混合器"，而不是微型反应器。
令人吃惊的是，本发明的微型反应装置对可混溶液体的快速混合性能超过 了比较例A的装置，比较例A的装置仅设计用来进行快速混合，而没有像本发明 的装置这样提供温度控制或具有停留时间功能。本发明被测的实施方式在任意 给定流速下的混合性能都优于比较例A的装置。另外，本发明的装置达到的较 佳的混合效果不会被增大的压降所抵消。相反的，相对于实施例A的相间交错 混合器，本发明装置的压降性能还获得了改进(即更低的压降)。在较低的压降 下，本发明装置可达到的生产量也更佳。比较例A的装置在约等于和大于30毫 升/分钟的流速下获得大于90%的混合效果，这相当于超过200毫巴的最小压降, 大于上述本发明实施方式中获得相同混合性能所需最小压降的2倍。
比较例B
还如上所述对使用根据上文中Marioth等人所述的平行的多个混合"T形 管"，由玻璃制微型反应装置进行了测试。混合性能结果由图15中的数据104 示出，而压降性能结果由图16中的数据204示出。
在40毫升/分钟的流速下，比较例B的装置达到了约80X的快速混合性能,
这对应于约为92毫巴的压降，略高于本发明的装置达到90%的混合时的压降。 比较例B的装置提供的停留时间与本发明的装置显著不同，见图17中的数据 304。比较例B的装置的停留时间仅约为上述本发明实施方式的八分之一。比较 例B中需要40毫升/分钟的流速以达到90。/。的混合，使得停留时间极短(< l秒)， 因此装置的边界内许多反应无法完成(即使是接近完成)，更不用提在装置的 热缓冲部分中完成了，使得在反应物通过非热缓冲的收集通道、和通过流体接 头处流出的时候，可能造成热控制的损失。
比较例C
如上所述还对高耐腐蚀性不锈钢形成的微型反应装置进行了测试，该装置 与Richter等人在"金属微量反应器部件和整体化系统(Metallic Microreactors: Components and Integrated Systems) ，， Proceedings of IMRET 2, 146-151 AlChe Meeting, New Orleans, USA, 1998中所述的装置类似。混合性能结果由图15的数 据106示出，而压降性能结果由图16中的数据206示出。比较例C装置的停留时间 用图17中数据306标示，巧合的是，其与比较例B的数据相同。
从图中可以看出，比较例C的装置在约等于和大于7.5毫升/分钟的流速下 达到高于90%的快速混合，这对应于约730毫巴的最小压降，比上述本发明实施 方式中获得相同快速混合性能的最小压降大八倍。
性能实施例II:混合的重复性和耐久性
在20毫升/分钟的流速下，对图1-10、 12和13所示的本发明实施方式的九个 不同的样品进行了如上所述的快速混合测试，比较了数值的范围。在20毫升/分 钟的透射百分率为93-95%。相同装置中的重复性也非常好，为±1%。
还对通过上述方法用玻璃形成的本发明装置的样品进行了碱腐蚀，具体操 作是使lN(lM)的NaOH溶液在95eC以20毫升/分钟的速率流过反应物通道。在0、 100、 200和300小时这样的腐蚀之后，测量压降随流速、总内部体积和混合性 能的变化情况。300小时腐蚀之后，内部体积增大了约30%，压降减半。但是如 图17的图表显示，在腐蚀测试过程中混合性能保持稳定，该图表显示了0、 100、 200和300小时之后测得的混合性能随流速的变化情况。
混合性能的耐久性或稳定性相对于具有非单式混合器的常规微型反应器 是一个改进，所述非单式混合器是指将反应物流分流成多股流的混合器，其取
决于这种分流及其均匀平衡，在混合过程中局部地保持所需的化学剂量关系。 本发明人在测试中观察到了这些装置的混合性能的一些不稳定性或变化，这些 变化是由于(特别是在较低流速下)可能发生的分流的变化造成的。这些变化 只会随着腐蚀或其它腐蚀性老化作用而恶化，由于通过更多流体的通道也会经 受更大程度的腐蚀，造成更大的流动不平衡，加快混合性能的变差。
本发明装置显著腐蚀之后的良好混合性能还证明本发明装置的内部特征 提供了一定的可扩大到更大体积的能力，甚至超过当前微型反应装置较大的尺 寸，具有更高的通过量和较低的压降，同时保持基本相同的混合质量。
性能实施例ni:颗粒处理
将碳化硅颗粒分散在水中，使其流过本文所述种类的反应物通道，以作为
输送惰性颗粒能力的测试。测试了三种不同平均粒度的颗粒13,37和105微米, 所有的颗粒的长径比都为2:l至3:l。在18毫升/分钟的流速下，在300克/升的颗粒 加入量之下，对13微米和37微米的颗粒未观察到发生堵塞或压降变化。在25和 50克/升的浓度下检测105微米的颗粒，在25克/升的浓度下未发生堵塞。在50克/ 升的浓度下，几分钟后观察到堵塞。
在本文所述种类的反应物通道中对高锰酸钾进行还原，作为测量对玻璃具 有亲合性的沉淀物(Mn02)的输送能力的测试，所述反应物通道用玻璃形成。在 44克/升的浓度下，当制得的沉淀颗粒基本保持离散，所得的有效粒度为8-10微 米，当粒度为10-100微米的时候，观察到发生聚集。在任意的情况下，在15分 钟的实验过程中，均未观察到发生堵塞。
比较例D
使用粒度为105微米的碳化硅颗粒，在5、 10和50克/升的颗粒加入量之下， 对上述比较例B的装置进行测试。5和50克/升的流体以18毫升/分钟的速率加入, 而10克/升的流体以快50%的速率，即27毫升/分钟的速率加入。尽管比较例B中 装置内多个平行混合通道中的每个通道从横截面尺寸与测试的本发明装置中 单一混合通道的尺寸相同，但是在所有三种测试条件下，比较例B中的装置都发 生了堵塞。堵塞最经常在该装置中多个平行混合通道紧邻的上游的通道或室内 发生。尽管没有对比较例A和C的装置进行颗粒测试，但是这两种装置都具有多 个平行的通道，其横截面远小于容易发生堵塞的比较例B的装置。在相同的测试
条件下，可以预期比较例A和C的装置也会发生堵塞。
性能实施例IV:测量的热交换
在6(TC的温差下进行了水-水试验(热流体在热缓冲流体通道或层中流动， 冷流体在反应通道中流动)。用流过反应物通道的流体的温度升高来计算热交换 能力。图18显示了缓冲剂通道中两种不同流速的数据下部的曲线308表示在 270毫升/分钟的情况，上部的曲线310表示在610毫升/分钟的情况。如图所示， 在略超过100毫升/分钟的反应物流速下，150W的能量被传送到反应物通道流 体。当缓冲剂流体层中的流速为l升/分钟，反应物通道中为100毫米/分钟的时 候，传送了165W的能量。
性能实施例V:反应控制
测试表明根据本发明的种类的装置能够控制相关的放热反应。例如，使 23.5重量％苯酚和6.1重量％乙酸在70.4重量％水中的苯酚溶液以15.76克/分钟 (13.13 1/min)的速率流入根据本发明装置的一个口内，同时使65重量％硝酸的 硝酸溶液以6.76克/分钟(6.63毫升/分钟)的速率流入另一个口内，使得总输入速 率为22.53克/分钟(或者19.75毫升/分钟)，两种反应物均基本处于室温。将60'C 的水以150或200毫升/分钟的速率通入缓冲剂流体通道。结果两种输入的反应物 均从缓冲剂流体接收到足够的能量，基本上在反应物接触的时候立刻开始发生 苯酚的自催化硝化，反应开始后，反应产物的温度升高保持在小于10'C。还观 察到约等于或大于70%的良好的产率。
权利要求
1.一种微流体装置，其包括伸长的主体；限定在所述伸长的主体内的反应物流体通道，所述反应物流体通道具有一个或多个用来接收流体流入所述反应物流体通道的入口，混合子通道，和停留时间子通道，对于给定的流体和流速，所述混合子通道的压降/体积比大于在所述的给定流体和流速条件下所述停留时间子通道的压降/体积比；一种或多种限定在所述伸长的主体中的热缓冲流体通道；对所述反应物流体通道及其所述混合子通道进行安排和设置，使得流过所述一个或多个入口中的至少一个的所有流体都通过所述混合子通道，所述停留时间子通道的体积至少为1毫升。
2. 如权利要求l所述的微流体装置，其特征在于，所述停留时间子通道的 体积至少为2毫升。
3. 如权利要求l所述的微流体装置，其特征在于，所述停留时间子通道的 体积至少为5毫升。
4. 如权利要求l-3中任一项所述的微流体装置, 主体包含玻璃、玻璃-陶瓷或陶瓷材料。其特征在于，所述伸长的
5. 如权利要求l-3中任一项所述的微流体装置， 主体包含玻璃或玻璃-陶瓷材料。其特征在于，所述伸长的
6. 如权利要求l-5中任一项所述的微流体装置， 合子通道，在流经该子通道的流体中引发次级流。其特征在于，设置所述混
7. 如权利要求l-6中任一项所述的微流体装置，其特征在于，所述混合子 通道包括其中具有弯曲结构的通道，所述弯曲结构位于一个以上平面内。
8. 如权利要求l-7中任一项所述的微流体装置，其特征在于，所述反应物 通道具有足够的流动容量，使水能够在2巴的压降下以至少100毫升/分钟的流速 流动，所述一个或多个热缓冲通道中的至少一个的流动容量至少为所述反应物 通道的两倍，所述至少一个热缓冲通道通过与所述混合子通道共用一个或多个 共用壁而与所述混合子通道紧密热耦联。
9. 如权利要求l-8中任一项所述的微流体装置，其特征在于，所述反应物 通道具有足够的流动容量，使水在l巴的压降下以至少100毫升/分钟的流速流 动。
10. 如权利要求l-9中任一项所述的微流体装置，其特征在于，所述一个或 多个热缓冲通道中的至少一个的流动容量至少为所述反应物通道的五倍。
11. 如权利要求1-10中任一项所述的微流体装置，其特征在于，所述一个 或多个热缓冲通道通过与所述混合子通道共用两个或更多个公共壁，而与所述 混合子通道热耦联。
全文摘要
一种微流体反应装置10，其包括全部限制在一个伸长的主体内的热缓冲流体通道[70]和反应物通道[22]，所述反应物通道[22]具有混合子通道[40]和停留时间子通道[50]，所述停留时间子通道[50]的体积至少为1毫升，所述混合子通道[40]为无需精确分流的单式的混合器的形式，以提供良好混合。所述装置优选由玻璃或陶瓷形成。所述单式的混合器[40]构建成在反应物流体中产生次级流，优选通过共用一个或多个共用壁而与缓冲剂流体通道[70]紧密地热耦联。
文档编号B01J19/00GK101102835SQ200680001923
公开日2008年1月9日 申请日期2006年1月6日 优先权日2005年1月7日
发明者C·C·盖尔穆, J·-P·特蒙特, P·卡兹, P·沃尔, Y·P·内德莱克 申请人:康宁股份有限公司