本發(fā)明涉及流體混合結(jié)構(gòu)、連續(xù)反應(yīng)單元、連續(xù)反應(yīng)反應(yīng)器及使用其的方法。

背景技術(shù)：

連續(xù)流技術(shù)可用于例如藥物研究和初始工藝開發(fā)，而不是傳統(tǒng)的批量操作。在一些情況下，使用特定類型的反應(yīng)器，即微反應(yīng)器是有利的，在其中形成的處理流體通道的特定尺寸是相對較小的。有利地，上述類型的反應(yīng)器從較低的流速(微反應(yīng)器)到較高的流速是規(guī)?？勺兊模渲袨榱朔糯蠡蚩s小，流體物理學(xué)的定律需要適當(dāng)?shù)匦薷奶幚砹黧w通道的設(shè)計以實現(xiàn)等效的流態(tài)(流動模式)，并因此實現(xiàn)反應(yīng)條件。例如，微反應(yīng)器的較小尺寸增加了它們的表面-體積比，這增加了壁流體傳熱速率，進而容許更加苛刻的反應(yīng)條件。然而，在較小的處理通道中的合成速率通常導(dǎo)致層流狀態(tài)，其中傳遞現(xiàn)象是擴散驅(qū)動的，因此相對較慢。

wo2009/009129a1描述了一種通過組合平行排的混合器(其中使用的術(shù)語針對本發(fā)明的“混合結(jié)構(gòu)”)的方法，通過平行排的混合器分流增加的流速。在多相反應(yīng)的情況下，該方法存在各種問題。原因是由于連續(xù)和不連續(xù)相之間的移動界面產(chǎn)生的壓力波動，在沒有控制系統(tǒng)的情況下，難以確保混合器的多個平行排之間的流的均勻分布。因此，每排混合器可具有不同的流速和反應(yīng)物比率。此外，wo2009/009129a1中公開的鏟狀流體混合結(jié)構(gòu)具有對稱形狀，其本身具有氣泡再結(jié)合和聚結(jié)的更強烈趨勢的缺點。此外，該結(jié)構(gòu)的對稱曲率特別適用于在特定流速范圍內(nèi)產(chǎn)生類似于平行流的流態(tài)。這種彎曲部分中的離心力將較致密的流體推向外部周邊，這可能有利于將相分離成在多相系統(tǒng)中不足的平行流態(tài)。

在多相系統(tǒng)中，流態(tài)或稱為所謂的流動模式是組分的幾何分布或拓撲。幾何形狀可能強烈地影響可用于相之間的質(zhì)量、動量或能量交換的界面面積。此外，每個相或組分內(nèi)的流將明顯地取決于該幾何分布。

為了提高混合效率，使用多種技術(shù)來產(chǎn)生導(dǎo)致類似于過渡流或湍流而不是層流的流場的二次流態(tài)。這可以例如通過使用處理流體通道的特定幾何形狀的被動混合技術(shù)來完成，處理流體通道包括彎曲部分、收縮區(qū)、膨脹區(qū)、流的分流和重組以及障礙物。

對于單相應(yīng)用，例如接觸元件(例如t接頭)可以用于混合流體組分，接著無障礙物通道以提供停留時間并完成反應(yīng)。在多相應(yīng)用中，這種方法通常導(dǎo)致在接觸元件之后的彈狀流態(tài)或平行/環(huán)形流態(tài)。彈狀流內(nèi)的回流運動使其內(nèi)部均質(zhì)化(即，使得其更均質(zhì)或增強均質(zhì)性)，并降低界面處邊界層的厚度，從而增加了沿通道軸的傳質(zhì)速率。當(dāng)發(fā)生平行流時，質(zhì)量傳遞取決于分子的橫向(正交于通道軸)的擴散，并且僅在其中擴散距離短且相對表面積大的較小幾何形狀下才實現(xiàn)高傳輸速率。

替代地，可以使用結(jié)合多個連續(xù)流體混合結(jié)構(gòu)的較復(fù)雜的微反應(yīng)器。接觸元件隨后用作混合器和停留時間模塊兩者。在整個反應(yīng)器的體積內(nèi)能量的連續(xù)耗散可以產(chǎn)生和保持比彈狀流小的分散度。該方法的缺點是通常較大的壓力損失和/或較短的停留時間。

本發(fā)明的目的是改進形成流過連續(xù)反應(yīng)反應(yīng)器(如微反應(yīng)器)的流體的流體組分的混合行為或性能，因此改進形成流體組分或者是它們的一部分的流體組分或反應(yīng)物的反應(yīng)行為或性能。

該目的通過權(quán)利要求1所述的流體混合結(jié)構(gòu)，權(quán)利要求14所述的連續(xù)反應(yīng)單元，權(quán)利要求22所述的連續(xù)反應(yīng)反應(yīng)器和權(quán)利要求25所述的方法來實現(xiàn)。有益的修改例在從屬權(quán)利要求中限定。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在多相反應(yīng)的情況下，本發(fā)明的流體混合結(jié)構(gòu)及其單個通道特別有用。為了進行放大，可以根據(jù)第3/7功率規(guī)則增加混合器的尺寸，并且反應(yīng)物的流可以由進料泵控制，并且不需要分流。

本發(fā)明的流體混合結(jié)構(gòu)使由至少兩種流體組分組成的流體流的混合改進，其中至少兩種流體組分或它們傳遞的物質(zhì)可以彼此進行反應(yīng)。流體流和物質(zhì)在本文中分別稱為處理流體流和反應(yīng)物。也就是說，本發(fā)明的流體混合結(jié)構(gòu)通過使反應(yīng)物通過所述流體混合結(jié)構(gòu)建立它們的緊密接觸，為反應(yīng)物之間更好的反應(yīng)條件提供了基礎(chǔ)。具體地，本發(fā)明的流體混合結(jié)構(gòu)允許混合多相流體組分以獲得其中一相均勻分散在另一相中的混合物。

通常，待混合的流體組分可以具有相同的相或不同相(單相或多相應(yīng)用)。

根據(jù)本發(fā)明，通過混合至少兩種進料流體流產(chǎn)生的流體流連續(xù)通過流體混合結(jié)構(gòu)。特別地，流體混合結(jié)構(gòu)可以并入連續(xù)反應(yīng)單元中，反應(yīng)單元又可以是連續(xù)反應(yīng)反應(yīng)器的一部分。

根據(jù)本發(fā)明(權(quán)利要求1)，用于混合至少兩種流體組分的流體混合結(jié)構(gòu)具有流入口和流出口，并且包括在流過所述流體混合結(jié)構(gòu)的流體流的流入方向上依次布置的收縮區(qū)、膨脹區(qū)和停留區(qū)，所述流體流由所述至少兩種流體組分構(gòu)成，以及分流器，其布置在由所述膨脹區(qū)和所述停留區(qū)形成的空間中，以使所述流體流分成分別在所述流體混合結(jié)構(gòu)中形成的第一流路徑和第二流路徑中流動的第一子流體流和第二子流體流，并且在所述空間內(nèi)混合所述第一和第二子流體流以產(chǎn)生和排出均質(zhì)化的流體流，其中所述分流器被布置和配置成在所述第一和第二子流體流混合之前使所述第一和第二子流體流中的每個的任何流元件在所述流入方向上具有非零平均流量分量。

本發(fā)明的流體混合結(jié)構(gòu)包括三個區(qū)，第一收縮區(qū)、膨脹區(qū)和停留區(qū)。收縮區(qū)是流橫截面減小的區(qū)域(增加動壓，降低靜壓)，膨脹區(qū)是流橫截面增大的區(qū)域(降低動壓，增加靜壓)，停留區(qū)是橫截面基本恒定的區(qū)域。優(yōu)選地，收縮區(qū)的每個壁沿著直線縱向延伸，以在流入方向上線性減小流橫截面。優(yōu)選地，膨脹區(qū)的每個壁沿著圓弧延伸。根據(jù)本發(fā)明，流經(jīng)流體混合結(jié)構(gòu)的流體流由至少兩種流體組分構(gòu)成。在流入流體混合結(jié)構(gòu)之前，將這兩種流體組分混合到一定但不足的程度。例如，兩種流體組分可以來自不同的進料口，難以混合或甚至不能混溶。根據(jù)本發(fā)明，分流器用于(i)將進入流體混合結(jié)構(gòu)的流體流分開或分流成第一和第二子流體流，以及(ii)與膨脹區(qū)和停留區(qū)的壁一起-混合第一和第二子流體流以改善其混合狀態(tài)，即，使流體流均質(zhì)化。應(yīng)當(dāng)注意的是，除特殊情況外，第一和第二子流體流中的每一個都含有至少兩種流體組分。根據(jù)本發(fā)明，分流器被布置和配置成在所述第一和第二子流體流混合之前使得所述第一和第二子流體中的每一個的任何流元件在所述流入方向上具有非零平均流量分量(flowcomponent)。流元件是相應(yīng)流的任意小的、概念性劃定的部分或區(qū)域，其由其時間依賴速度(矢量)定義并且形成流元件遵循的流動線的基礎(chǔ)。也就是說，分流器被布置和配置成確保第一和第二子流體流中的每個向前流動。換句話說，分流器被布置和配置成使得子流體流中的每個相對于流入方向偏離小于90°的角度。角度小于90°的偏離對于避免形成強離心力是重要的，強離心力可能由于流體的密度差而導(dǎo)致流體聚結(jié)。分流器的布置和配置參數(shù)是其一般形狀(三角形、平行四邊形等)、尺寸、取向和空間內(nèi)的位置。取向和尺寸又取決于空間的大小和流參數(shù)(流體的流速和粘度，多相系統(tǒng)的密度和界面張力)。

有利地，本發(fā)明的流體混合結(jié)構(gòu)避免彎曲并使用上述和下述的混合結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的混合結(jié)構(gòu)經(jīng)實踐證明能夠產(chǎn)生具有表面積高達300,000m²/m³的液滴(相比于14,000m²/m³(由chevalier等人，chim.oggi.26(200)38-24公開)或11,000m²/m³(由nieves-remacha等人，ind.eng.chem.res.51(2012)16251-16262公開))。

根據(jù)有利的修改例(權(quán)利要求2)，所述至少兩個流動路徑在形狀和/或長度方面不同，以在所述空間內(nèi)失相地混合第一和第二子流體。

這里，“失相地(dephasedly)”是指兩個子流體流在它們混合之前由于不同的流路徑而覆蓋不同的距離。當(dāng)仍存在大的液滴時，失相對混合起始很重要，因為它避免了分流器下游那些大的液滴的聚結(jié)。優(yōu)選地，失相通過下列方式實現(xiàn)：或者由于分流器雖然具有鏡像對稱性并且被布置成使得其對稱軸線與流入方向重合，但將分流器相對于該方向偏離軸向放置；和/或?qū)⒕哂羞@種形狀的分流器布置成使得那些軸不重合；和/或分流器具有不同于現(xiàn)有技術(shù)的不對稱形狀。應(yīng)當(dāng)注意，流入方向被定義為流過收縮區(qū)的流體流的平均流動方向。構(gòu)造上，在其縱向截面中的流體混合結(jié)構(gòu)的區(qū)域具有鏡像對稱性的優(yōu)選情況下，流入方向與對稱線重合。分流器可以類似于光學(xué)器件中的分束器，分束器產(chǎn)生兩個光束，兩個光束在它們已經(jīng)覆蓋不同的光路徑之后被合并。

根據(jù)有利的修改例(權(quán)利要求3)，在流體混合結(jié)構(gòu)的縱向截面中，分流器具有多邊形形狀，或與多邊形形狀同態(tài)的形狀。

流體混合結(jié)構(gòu)的縱向截面是基本上平行于流入方向的截面，并且在如上所述的區(qū)的對稱布置中包括其對稱軸線。流體混合結(jié)構(gòu)的縱向截面是與權(quán)利要求3中提出的處理流體通道系統(tǒng)的縱向截面相同的截面，流體混合結(jié)構(gòu)是處理流體通道系統(tǒng)的一部分。也就是說，處理流體通道系統(tǒng)的通道的中心線位于縱向截面的平面中，使得通道的路線可以僅由兩個參數(shù)描述(這通常允許通道的厚度的變化性)。同態(tài)(homeomorph)是在拓撲的數(shù)學(xué)領(lǐng)域中使用的術(shù)語，意味著具有連續(xù)反函數(shù)的拓撲空間之間的連續(xù)函數(shù)。應(yīng)用于本變形例，這意味著分流器的多邊形形狀的任何邊緣優(yōu)選地可以是圓形邊緣。例如，與平行四邊形同態(tài)的形狀可以被描述為火焰，其中火焰的尖端是并非圓形邊緣的相對邊緣之一，而平行四邊形的另一側(cè)邊緣是銳邊，使得能夠定義對角線，所述對角線與流入方向一致，并且其兩側(cè)形成指向與流入方向相反的方向的尖端，并且分別沿著第一和第二子流體流延伸。也就是說，在平行四邊形的情況下，以及在與平行四邊形同態(tài)的形狀的情況下，混合結(jié)構(gòu)具有對角線，即兩個頂點通常將對角線定義為連接兩個非連續(xù)頂點或頂部的線段，在平行四邊形和同態(tài)形狀的情況下，這些頂點彼此面對。優(yōu)選地，同態(tài)形狀可以被認為是通過使另外兩個角變圓(rounding)從平行四邊形創(chuàng)建的。因此，同態(tài)形狀不具有第一側(cè)(第一側(cè)被縮小到點)，而是兩側(cè)的火焰狀形狀，其中兩側(cè)表示第二和第三側(cè)(在上述限定的術(shù)語中)。類似于上述三角形，根據(jù)這種有利的修改例的兩個結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)節(jié)它們在混合結(jié)構(gòu)內(nèi)的相應(yīng)尺寸、位置和取向來適應(yīng)。替代地，同態(tài)形狀可以是具有指向與流入方向相反的方向的圓形側(cè)的液滴狀形狀。優(yōu)選地，液滴可以是不對稱的，包括彎曲整體結(jié)構(gòu)，其尖端指向具有與流入方向成小于90°的角度的方向。

根據(jù)有利的修改例(權(quán)利要求4)，多邊形形狀具有第一側(cè)，其朝向所述收縮區(qū)并且用作將所述流體流分流成所述第一和第二子流體流的擋板，第二側(cè)，其沿所述第一子流體流延伸，以及第三側(cè)，其沿著所述第二子流體流延伸并與所述第二側(cè)連接，以形成指向總體向下流動方向的尖端。

分流器通?？梢耘c指向總體下游方向(即具有在流入方向上的分量的方向)的箭頭相比較，所述下游方向可以由其第二和第三側(cè)形成的頭角的二等分線限定。應(yīng)當(dāng)注意，根據(jù)本修改例，用作擋板的第一側(cè)可以由多于一個平面或彎曲的表面(參見下文)組成，其中這些表面中的兩個相鄰表面可以通過圓形邊緣連接或可以不連接。擋板用作分流器，其如上所述必須以使得子流體流被重定向小于90°的角度的這樣的方式布置和配置。具體地說，在第一側(cè)由垂直于流入方向延伸的單個表面形成的情況下，必須使分流器與第一收縮區(qū)之間的距離相對較大，并且在第一側(cè)是凸形的情況下可以使分流器與第一收縮區(qū)之間的距離相對較小。從上述可以看出，第一側(cè)不允許具有像在處理流體流的上游方向上開口的鏟形或鍬形的凹形形狀。

根據(jù)有利的修改例(權(quán)利要求5)，第二側(cè)和第一側(cè)形成三角形的側(cè)邊。

也就是說，如上所預(yù)期的，第一側(cè)可以是單個表面。這里沒有指定三角形的類型。事實上，三角形可以具有任何形狀，只要(i)第一側(cè)適于用作使進入混合結(jié)構(gòu)的流體流分流的擋板，以及(ii)滿足第一和第二子流體流在其后面混合的邊界條件即可。在失相地混合子流體流的情況下，分別對應(yīng)于第一和第二子流體流的子通道具有不同的形狀、尺寸和/或長度。

根據(jù)有利的修改例(權(quán)利要求6)，所述三角形是等腰三角形。

應(yīng)當(dāng)注意，在等腰三角形的情況下，假如這些區(qū)域和它們的布置是對稱的，則只有通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)分流器的位置和/或取向，才能將第一和第二子流體流失相地混合。優(yōu)選地，三角形分流器垂直地偏離對稱布置和/或旋轉(zhuǎn)出其對稱布置。

根據(jù)有利的修改例(權(quán)利要求7)，三角形是直角三角形，其中第二和第三側(cè)中的一個形成直角邊(cathetus)并且平行于流入方向延伸，并且第二和第三側(cè)中的另一個形成斜邊。

根據(jù)該有利修改例的混合結(jié)構(gòu)可以被認為是通過從等腰三角形開始產(chǎn)生的，所述等腰三角形的對稱軸與混合結(jié)構(gòu)的直線中心線(平行于流入方向)重合，并且所述等腰三角形的頂角偏移使得其第二或第三側(cè)變得平行于中心線以形成直角邊中的一個(而直角邊中的另一個由第一側(cè)形成)。這里應(yīng)當(dāng)提到的是，在第一側(cè)由單個表面(沒有頂點)形成的所有情況下，三角形優(yōu)選不旋轉(zhuǎn)，因為第一側(cè)和流入方向之間的非垂直度可能違反上述邊界條件。

根據(jù)有利的修改例(權(quán)利要求8)，第一側(cè)具有指向與流入方向相反的方向的頂點，所述頂點用作相應(yīng)的分流點。

與上述相反，為了改善分流，第一側(cè)是雙面?zhèn)?。如上所述，在這種情況下，與上述單面?zhèn)惹闆r相比，混合結(jié)構(gòu)可以前進到第一收縮區(qū)。該結(jié)構(gòu)具有三個額外的自由度，兩個位置自由度和一個結(jié)構(gòu)自由度：(i)形成頂點的表面之間的角度，(ii)頂點相對于中心線的距離，和(iii)分流器整體相對于中心線的旋轉(zhuǎn)角度。

根據(jù)有利的修改例(權(quán)利要求9)，該形狀是平行四邊形，其中它的銳角尖端中的一個指向流體流的總體向上流動方向。

總體向上流動方向是具有在與流入方向相反的方向上的分量的方向?？傮w向上流動方向重合可以被定義為與通過其銳角尖端中的一個的平行四邊形的對角線重合。

根據(jù)有利的修改例(權(quán)利要求10和11)，至少兩種流體組分中的至少一種分別是液體或氣體。也就是說，兩種流體組分中的每一種可以是液體或氣體，使得流體流可以是氣體-氣體流、氣體-液體-流或液體-液體流。

根據(jù)有利的修改例(權(quán)利要求12)，所述流體混合結(jié)構(gòu)至少部分地由金屬制成。

金屬具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性(例如大于玻璃的導(dǎo)熱性)，因此允較好的散熱。這又使得能夠與例如玻璃不能耐受的高度濃縮的堿性溶液進行反應(yīng)。

根據(jù)有利的修改例(權(quán)利要求13)，混合結(jié)構(gòu)是其中形成有處理流體通道系統(tǒng)的連續(xù)反應(yīng)單元的一部分，所述處理流體通道系統(tǒng)包含混合結(jié)構(gòu)，所述混合結(jié)構(gòu)用于多種反應(yīng)物的連續(xù)反應(yīng)，或加強作為進料流體流饋送入連續(xù)反應(yīng)單元的流體組分的萃取過程以形成作為產(chǎn)物流體流從連續(xù)反應(yīng)單元流出的至少一種產(chǎn)物。

也就是說，根據(jù)該變形例，迄今為止提到的流體被指定為在連續(xù)反應(yīng)單元的處理流體通道系統(tǒng)中流動的處理流體，其中“反應(yīng)”描述了化學(xué)反應(yīng)。連續(xù)反應(yīng)單元是其中在處理流體通道內(nèi)連續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的裝置，所述處理流體通道形成處理流體通道系統(tǒng)的主要部分，其適于引導(dǎo)多個處理流體，每種處理流體可以是或者液體或者氣體。因此，連續(xù)反應(yīng)單元與所謂的間歇單元形成對比。處理流體通道典型地具有約幾微米至約幾毫米的側(cè)向尺寸，這例如取決于反應(yīng)/反應(yīng)物、連續(xù)反應(yīng)單元的尺寸、流速。根據(jù)本變形例，當(dāng)進料流體流動時，多種反應(yīng)物被饋送入連續(xù)反應(yīng)單元。也就是說，每種進料流體流可以或者自身形成多種反應(yīng)物之一，或者用作輸送多種反應(yīng)物中的一種或多種的載體介質(zhì)。優(yōu)選地，多個進料流體流中的兩個或更多個初始進料流體流可以形成或包含參與第一反應(yīng)以形成第一產(chǎn)物的反應(yīng)物，而在第一、第二等之中間產(chǎn)品已經(jīng)形成之后，多個進料流體流中的一個或多個其它進料流體流可以與通道連接。也就是說，在a1、a2...an是n個進料流體流，其混合以通過發(fā)生的第一化學(xué)反應(yīng)形成第一中間產(chǎn)物流體流p1，然后多個進料流體流中的另外一個可以與p1合并以形成第二中間產(chǎn)物流p2或上述限定的產(chǎn)物流體流p，等等。優(yōu)選地，a1-an初始進料流體流合并以形成p1-pm產(chǎn)物進料流，其中m<n。應(yīng)當(dāng)注意，考慮到進料流體流中的每個可以自身形成多種反應(yīng)物中的一種，或者用作輸送多種反應(yīng)物中的一種或多種的載體介質(zhì)，如上所述，進料流體流的數(shù)量可能與反應(yīng)物的數(shù)量不同。

根據(jù)本發(fā)明(權(quán)利要求14)，連續(xù)反應(yīng)單元在其中形成有包括由根據(jù)權(quán)利要求1至12中的一項所述的至少一個流體混合結(jié)構(gòu)形成的至少一個反應(yīng)通道的處理流體通道系統(tǒng)。

因此，反應(yīng)單元包括處理流體通道系統(tǒng)，所述處理流體通道系統(tǒng)包括至少一個反應(yīng)通道，該反應(yīng)通道又包括至少一個流體混合結(jié)構(gòu)，該至少一個流體混合結(jié)構(gòu)又包括收縮區(qū)、膨脹區(qū)和停留區(qū)。

根據(jù)有利的修改例(權(quán)利要求15)，連續(xù)反應(yīng)單元包括至少一個停留通道。

因此，集合地，根據(jù)該修改例：反應(yīng)單元包括處理流體通道系統(tǒng)，處理流體通道系統(tǒng)包括至少一個反應(yīng)通道和至少一個停留通道，其中至少一個反應(yīng)通道包括至少一個流體混合結(jié)構(gòu)，該至少一個流體混合結(jié)構(gòu)又包括收縮區(qū)、膨脹區(qū)和停留區(qū)。停留通道是不具有使反應(yīng)物有時間相互反應(yīng)的混合結(jié)構(gòu)的通道(上面也稱為“無障礙物”)。然而，即使在停留通道中，由于擴散也會發(fā)生混合。事實上，因為不會促成聚結(jié)，因此停留通道將有利于混合。然而，應(yīng)當(dāng)注意的是，取決于反應(yīng)物在給定環(huán)境中的反應(yīng)性，反應(yīng)在流體混合結(jié)構(gòu)內(nèi)已經(jīng)發(fā)生。也就是說，化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生通常不能與連續(xù)反應(yīng)單元的結(jié)構(gòu)相關(guān)地局部分離。優(yōu)選地，將至少一個反應(yīng)通道和至少一個停留通道對準。替代地，特別是考慮到上述發(fā)明布置進料流體流和產(chǎn)物流體流的可能性，至少一個反應(yīng)通道和至少一個停留通道可以不是線性排列的，而是形成通道網(wǎng)絡(luò)。優(yōu)選地，所述至少一個反應(yīng)通道中的至少一個的至少一部分沿著直線布置。最優(yōu)選地，所述至少一個反應(yīng)通道中的每一個沿著直線布置，即沒有混合結(jié)構(gòu)布置在彎曲的通道中。優(yōu)選地，形成停留通道的處理流體通道的深度比形成反應(yīng)通道的處理流體通道的深度更深，以獲得更多的體積并且實現(xiàn)停留時間。處理流體通道通常具有約幾微米至幾毫米的側(cè)向尺寸，這取決于反應(yīng)/反應(yīng)物、連續(xù)反應(yīng)單元的尺寸、流速等。優(yōu)選地，形成停留通道的處理流體通道的深度為約2mm，而形成反應(yīng)通道的處理流體通道的深度為約1.25mm。

根據(jù)有利的修改例(權(quán)利要求16)，至少一個反應(yīng)通道和至少一個停留通道被替代地布置在所述處理流體通道系統(tǒng)內(nèi)。

也就是說，在形成反應(yīng)通道的多個混合結(jié)構(gòu)m的后面，反應(yīng)通道被布置成像珍珠鏈，其中多個混合結(jié)構(gòu)中的任何一個的出口直接連接到下一個的入口，從而遵循停留通道r：mmmrmmrmmmmr....，其中鏈中的m的數(shù)目原則上是任意的。

根據(jù)有利的修改例(權(quán)利要求17)，處理流體通道系統(tǒng)是包括多個直通道和彎曲通道的曲折狀結(jié)構(gòu)，而根據(jù)另一有利的修改例(權(quán)利要求18)，至少一個反應(yīng)通道被布置在多個直通道之一內(nèi)。

彎曲的通道可以具有任何曲率半徑。優(yōu)選地，彎曲通道是u形轉(zhuǎn)彎，改變流動方向大約180°，以便以具有大的總長度的蛇形的方式容納在相對較小尺寸的連續(xù)反應(yīng)單元內(nèi)。優(yōu)選地，處理流體通道系統(tǒng)由具有簡單幾何縱向形狀并連接流體混合結(jié)構(gòu)的通道組成。優(yōu)選地，形狀可以是圓弧和直線。

根據(jù)有利的修改例(權(quán)利要求19)，連續(xù)反應(yīng)單元具有平面平行板的形狀，并且所述處理流體通道系統(tǒng)的縱向截面平行于所述平面平行板的相對表面。

也就是說，連續(xù)反應(yīng)單元是長方體，其中兩個最大表面彼此平行并且在其間限定容納處理流體通道系統(tǒng)的空間。換句話說，處理流體通道系統(tǒng)嵌入在該空間中。縱向截面平行于兩個外表面。優(yōu)選地，縱向截面平面縱向相交處理流體通道系統(tǒng)。

根據(jù)有利的修改例(權(quán)利要求20)，平面平行板在它們各自的與所述縱向截面重合的連接表面上包括彼此連接的兩個子板。

也就是說，處理流體通道系統(tǒng)通過組合兩個子板來制造，每個子板設(shè)置有一部分處理流體通道系統(tǒng)。優(yōu)選地，由于反應(yīng)單元的平面平行板形狀，通道的任何橫截面都是矩形的。具體地說，在這種情況下，并替代上述情況，處理流體通道完全嵌入在子單元中的僅一個中，而子單元中的另一個用作蓋或封套。優(yōu)選地，蓋是透明的，以允許目視檢查在反應(yīng)單元內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)和混合過程。

根據(jù)有利的改進(權(quán)利要求21)，連續(xù)反應(yīng)單元是連續(xù)反應(yīng)反應(yīng)器的一部分。

優(yōu)選地，連續(xù)反應(yīng)反應(yīng)器包括多個連續(xù)的反應(yīng)單元，每個反應(yīng)單元優(yōu)選地具有平面平行板的形狀。優(yōu)選地，所有這些板被布置和彼此附接以形成堆疊。優(yōu)選地，形成連續(xù)的反應(yīng)反應(yīng)器的多個連續(xù)反應(yīng)單元可操作地連接以用作單個大的連續(xù)反應(yīng)單元。也就是說，連續(xù)反應(yīng)反應(yīng)器可以被認為是折疊的大型連續(xù)反應(yīng)單元。替代地，通過對形成連續(xù)反應(yīng)反應(yīng)器的連續(xù)反應(yīng)單元進行單獨分組，在連續(xù)反應(yīng)反應(yīng)器內(nèi)一次進行一個以上的化學(xué)反應(yīng)。

根據(jù)本發(fā)明(權(quán)利要求22)，連續(xù)反應(yīng)反應(yīng)器包括根據(jù)權(quán)利要求13至19中的一項所述的至少一個連續(xù)反應(yīng)單元。

根據(jù)有利的修改例(權(quán)利要求23)，連續(xù)反應(yīng)反應(yīng)器還包括至少一個熱交換單元，至少一個熱交換單元包括用于容納和引導(dǎo)熱交換流體以熱調(diào)節(jié)處理流體通道系統(tǒng)的溫度的熱交換流體通道系統(tǒng)。

優(yōu)選地，至少一個熱交換單元類似地設(shè)計為至少一個連續(xù)反應(yīng)單元。優(yōu)選地，每個熱交換單元具有平面平行板的形狀。優(yōu)選地，所述至少一個連續(xù)反應(yīng)單元和所述至少一個熱交換單元交替地布置成形成支撐堆疊。優(yōu)選地，所述至少一個熱交換單元是可單獨控制的，以允許至少一個連續(xù)反應(yīng)單元的單獨控制。

根據(jù)有利的修改例(權(quán)利要求24)，反應(yīng)器是微反應(yīng)器。

小規(guī)模的微反應(yīng)器增加了它們的表面-體積比，這又增大了允許更苛刻的反應(yīng)條件的壁-流體傳熱速率。這個優(yōu)點可以通過允許反應(yīng)處理流之間的緊密接觸而擴展到多相反應(yīng)。

根據(jù)本發(fā)明(權(quán)利要求25)，用于混合包含至少兩種流體組分的流體流的方法使用根據(jù)權(quán)利要求1至12中的一項所述的流體混合結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明(權(quán)利要求26)，使用根據(jù)權(quán)利要求13至20中所述的連續(xù)反應(yīng)單元從多種反應(yīng)物連續(xù)形成至少一種作為液體產(chǎn)物流的產(chǎn)物的方法，每種反應(yīng)物作為流體進料流饋送入連續(xù)反應(yīng)單元。

根據(jù)有利的修改例(權(quán)利要求27)，連續(xù)反應(yīng)單元是根據(jù)權(quán)利要求22至24中一項所述的連續(xù)反應(yīng)反應(yīng)器的一部分。

附圖說明

通過參考附圖對優(yōu)選實施方式的以下詳細描述，將更好地理解本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點。在圖中，

圖1a至1d是使用正丁醇作為在sz、鐮刀狀和鏟狀混合結(jié)構(gòu)中具有不同流速的乙酸4-硝基苯酯的堿性水解的溶劑獲得的各種流態(tài)；

圖2a-2c是根據(jù)本發(fā)明的第一至第三實施方式的混合結(jié)構(gòu)中的分流器的變型；

圖3a-3c是根據(jù)本發(fā)明的第四至第六實施方式的混合結(jié)構(gòu)中的分流器的進一步變型；

圖4a-4b是根據(jù)本發(fā)明的第七和第八實施方式的包括串聯(lián)的新穎混合結(jié)構(gòu)的連續(xù)反應(yīng)單元的變型；

圖5是可應(yīng)用本發(fā)明的同一申請人的wo2007/112945a1中公開的反應(yīng)器的立體圖；

圖6a和6b各自示出了使用正丁醇(圖6a)和甲苯(圖6b)作為有機溶劑，針對上述已知混合結(jié)構(gòu)(sz、空間和鐮刀狀結(jié)構(gòu))以及根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的總體kca系數(shù)對總流速的依賴性之間的比較；

圖7a和7b各自示出了使用正丁醇(圖7a)和甲苯(圖7b)作為有機溶劑，針對各種障礙物(包括無障礙物)的總體kca系數(shù)對總流速的依賴性之間的比較；和

圖8a示出了兩個不同的障礙物和沒有障礙物的結(jié)構(gòu)(無障礙物結(jié)構(gòu))，圖8b示出了針對兩種不同障礙物和圖8a所示的無障礙物的結(jié)構(gòu)的總體kca系數(shù)對總流速的依賴性之間的比較。

具體實施方式

首先，參考圖2a代表性地描述(在其他附圖中也示出了所有由圖2a中的附圖標記定義的元件)根據(jù)本發(fā)明的與圖2a和圖3c的所有實施方式相同的具有平面平行板的形狀的流體混合結(jié)構(gòu)10的原理設(shè)計。圖2a至3c示出了流體混合結(jié)構(gòu)10的縱向截面。

圖2a的流體混合結(jié)構(gòu)10包括沿著對稱軸線sa鏡像對稱地布置的收縮區(qū)12、膨脹區(qū)14和停留區(qū)16，該對稱軸線sa與以圖的從下向上的方向通過混合結(jié)構(gòu)10的流體流的流入方向ifd一致。流體混合結(jié)構(gòu)10的高度方向垂直于保護平面。區(qū)12、14和16分別由底部18、20和22，相應(yīng)的蓋(未示出)和側(cè)壁24、26和28分別形成。如圖2a所示，區(qū)12、14和16的縱向截面(俯視圖)分別基本上分別形成三角形、半圓形和矩形。膨脹區(qū)14和停留區(qū)16的組合是空間30，空間30內(nèi)布置有分流器32，分流器32在流入流體混合結(jié)構(gòu)10的流體流進入膨脹區(qū)14之后立即將流體流分流或分開。分流器32將空間30分離成通向圖2a中的分流器32的左側(cè)的左流路徑34，和通向分流器32的右側(cè)的右流路徑36。左流路徑34和右流路徑36(分別用于第一和第二子流體流)各自混合到分流器后面的單個流路徑。如圖2a所示，分流器32與收縮區(qū)12和膨脹區(qū)14之間的界面距離一距離d。距離d取決于之后要描述的分流器32的具體形狀以及流體流的參數(shù)(例如流速)和流體本身(例如粘度)，并且通常通過實驗來確定和優(yōu)化。應(yīng)當(dāng)注意，盡可能地避免通常沿著分流器32的流混合表面38、40發(fā)生并且防止流體流的旋轉(zhuǎn)的死區(qū)。

圖2a至3c示出了分流器32的縱向截面。也就是說，圖2a中的分流器32的(縱向截面)是平行四邊形，在圖2b中接近(！)三角形，在圖2c是矩形，并且在圖3a至3c中的每個是火焰狀結(jié)構(gòu)。

在所有變型中，可以定義通過分流器32的流上游側(cè)頂點42和流下游側(cè)頂點44的對角線d(為了清楚起見，在圖2a中未示出)。對角線d可以相對于對稱軸線sa或流入方向ifd傾斜角度α，如圖2b所示。

如圖2b所示，分流器32具有作為多邊形的特殊情況的四邊形的形狀，其可以被認為是從對稱布置的等腰三角形生成的，等腰三角形的尖端(由形成其頂角的相等長度的兩條側(cè)邊形成)移動到圖2b的右邊，等腰三角形的底邊(其流上游側(cè)作為擋板)形成了彎折或頂點42。

在圖3a至3c中，分流器32具有火焰的形狀，火焰的形狀可以被認為是由同態(tài)產(chǎn)生的，即通過使包圍圖3a至3c所示的“火焰”的矩形連續(xù)變形產(chǎn)生的。從圖3a至3c明顯看出，分流器32的形狀和尺寸可以任意改變以實現(xiàn)最佳的流和混合特性。

圖4a和4b是連續(xù)反應(yīng)單元46的變型，其包括串聯(lián)的本發(fā)明的混合結(jié)構(gòu)10，所述串聯(lián)的混合結(jié)構(gòu)10形成包括用于引入進料流體流的進料口50和用于排出產(chǎn)物流體流的排出口52的處理流體通道系統(tǒng)48。具體地說，處理流體通道系統(tǒng)48包括多個反應(yīng)通道54，每個反應(yīng)通道54由多個混合結(jié)構(gòu)10和多個不具有混合結(jié)構(gòu)10的停留通道56構(gòu)成。具體而言，圖4a所示的連續(xù)反應(yīng)單元46僅具有u形轉(zhuǎn)彎形狀的停留通道56，而處理流體通道系統(tǒng)48的所有直通道通過多個混合結(jié)構(gòu)10形成。具體地說，在u形轉(zhuǎn)彎內(nèi)不設(shè)置混合結(jié)構(gòu)10。相反，在圖4b所示的處理流體通道系統(tǒng)48中，停留通道56也設(shè)置在直通道內(nèi)。類似于圖4a所示的結(jié)構(gòu)，在u形轉(zhuǎn)彎內(nèi)沒有布置反應(yīng)通道54。

圖5是可以應(yīng)用本發(fā)明的同一申請人的wo2007/112945a1(其圖1)中公開的現(xiàn)有技術(shù)的反應(yīng)器的立體圖。在該反應(yīng)器中，附圖標記1至6表示對應(yīng)于本發(fā)明的連續(xù)反應(yīng)單元46的“處理模塊”，附圖標記7表示“熱交換模塊”，其類似于本發(fā)明的有益實施方式-交替布置有處理模塊。也就是說，根據(jù)本發(fā)明，多個本發(fā)明的連續(xù)反應(yīng)單元46可以布置成一起具有多個熱交換單元(在本發(fā)明的術(shù)語中)，其包括確保用于連續(xù)反應(yīng)單元46中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的最佳溫度狀態(tài)的熱交換流體通道系統(tǒng)。

實施例

為了根據(jù)混合性能來評價和比較流體混合結(jié)構(gòu)，已經(jīng)進行了測試反應(yīng)。用于傳質(zhì)研究的合適的測試反應(yīng)必須足夠快以被認為不受動力學(xué)限制。然后將反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化與質(zhì)量傳遞速率成比例，并允許直接計算相間傳質(zhì)系數(shù)。

乙酸4-硝基苯酯的兩相堿性水解：

方案1乙酸4-硝基苯酯的堿性水解

已被使用，這是由于其快速的內(nèi)在動力學(xué)和易于分析。這種快速的液-液反應(yīng)允許從測量的轉(zhuǎn)化率直接計算傳質(zhì)速率及其傳輸系數(shù)。流成像可以識別不同的流態(tài)，并將它們與質(zhì)量傳遞中觀察到的趨勢相聯(lián)系。

將乙酸酯溶于有機溶劑中并通過堿性水溶液水解。將排出物在乙酸、乙腈和水的溶液中淬滅，并通過hplc分析。通過使用正丁醇和甲苯作為有機溶劑，涵蓋了寬范圍的相物理性能，并為許多系統(tǒng)中的流體混合結(jié)構(gòu)性能提供了基準。

圖1a、1b和1c示出了在稱為sz流體混合結(jié)構(gòu)(1a)、鐮刀狀流體混合結(jié)構(gòu)(1b)和鏟狀液體混合結(jié)構(gòu)(1c)的結(jié)構(gòu)中使用正丁醇作為用于具有不同流速的乙酸4-硝基苯酯的堿性水解的溶劑獲得的各種流態(tài)。sz流體混合結(jié)構(gòu)是蛇形流通道(圖1a)，在文獻中是眾所周知的，鐮刀狀流體混合結(jié)構(gòu)(圖1b)是組合三角形障礙物和彎曲部分的混合器，兩者都是由本發(fā)明人開發(fā)的。鏟狀流體混合結(jié)構(gòu)類似于wo2009/009129a1中公開的結(jié)構(gòu)。

從圖1a、1b和1c看出，所有這些結(jié)構(gòu)產(chǎn)生平行流態(tài)，這在混合方面是不利的，因此在反應(yīng)方面是不利的。另外對于鏟狀結(jié)構(gòu)，已經(jīng)被woitalka等人(chem.eng.s.，2014)觀察到在低流速(或長停留時間)下的分層流態(tài)，其對應(yīng)于平行流態(tài)。

如圖1d所示，與上述結(jié)構(gòu)(圖1a至1c)相反，顯然根據(jù)本發(fā)明的混合性能(平行四面體或火炬混合結(jié)構(gòu))不產(chǎn)生平行流態(tài)。此外，在僅高于7ml/min的總流速下通過本發(fā)明獲得了完全分散的流(在本發(fā)明定義為指示高傳質(zhì)速率的不可區(qū)分的乳液)。

通過本發(fā)明實現(xiàn)的混合性能在圖6a和圖6b中更顯然是有利的，其比較了作為有機溶劑的正丁醇(圖6a)和甲苯(圖6b)的情況下與流速成函數(shù)關(guān)系的針對乙酸4-硝基苯酯水解的總體連續(xù)相體積傳質(zhì)系數(shù)kca。在圖6a和6b中，正方形指的是sz混合結(jié)構(gòu)，圓形指的是鏟狀混合結(jié)構(gòu)，三角形指的是鐮刀狀混合結(jié)構(gòu)，菱形是指多邊形(本發(fā)明)混合結(jié)構(gòu)。應(yīng)該注意，當(dāng)觀察到隨著流速增大，傳質(zhì)系數(shù)(kca)減小，清楚地觀察到sz和鏟狀結(jié)構(gòu)的平行流態(tài)的啟動。而且，平行流的域在圖1a至圖1d中描述。

在兩種情況下，可以注意到用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的混合性能在較小的流速下達到較大的傳質(zhì)系數(shù)。這是由于所提出的流體混合結(jié)構(gòu)獨特的兩個特定特征。首先，它依賴于收縮、膨脹和障礙物來消散能量，而不是彎曲部分，如sz、鏟狀或鐮刀狀混合結(jié)構(gòu)或wo2009/009129a1的鏟狀流體混合結(jié)構(gòu)中的彎曲部分。彎曲部分使流體受到促進徑向密度梯度和平行流的形成的離心力，所述平行流在多相系統(tǒng)中是不適當(dāng)?shù)?。其次，它依賴于不對稱的障礙物，制動分散相，然后使其碎片失去同步，防止它們在通過障礙物后聚結(jié)，并且總體以分散相的較小液滴結(jié)束。

在圖7a中顯示了所提出的發(fā)明的不同變化，并進一步與圖7b和7c進行比較。它們描繪了針對使用菱形形狀的障礙物(也在圖6a和6b中描繪)、三角形形狀的障礙物以及不使用障礙物的混合結(jié)構(gòu)總傳質(zhì)系數(shù)作為流速的函數(shù)。無障礙物的結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)明確地說明了特殊設(shè)計的不對稱障礙物如何對通過將分散相分解成兩個并隨后使它的片段失去同步而產(chǎn)生有利的流態(tài)是必要的。在最低流速下，使用障礙物的結(jié)構(gòu)增大至2到3倍。此外，當(dāng)使用正丁醇時，三角形障礙物的鈍面促成下降流態(tài)的形成，與菱形的剖面相比，下降流態(tài)在較低的流速下增大了傳質(zhì)系數(shù)。

圖7a和7b再次比較在針對本發(fā)明結(jié)構(gòu)的各種障礙物(即具有菱形障礙物(菱形)，具有三角形障礙物(三角形)，以及無障礙物(正方形))的這種情況下，正丁醇(圖6a)和甲苯(圖6b)作為有機溶劑情況下，針對乙酸4-硝基苯酯水解的與流速成函數(shù)關(guān)系的總體連續(xù)相體積傳質(zhì)系數(shù)kca。

圖8a示出了具有不同障礙物和無障礙物的結(jié)構(gòu)的兩種結(jié)構(gòu)，圖8b示出了對于兩種不同障礙物和圖8a所示的無障礙物結(jié)構(gòu)的總體kca系數(shù)對于總流速的依賴性之間的比較。應(yīng)當(dāng)注意，盡管在圖8a的中間結(jié)構(gòu)中，面向與流動方向相反的方向的三角形的短直角邊基本上與其正交，但是由于在障礙物前面的停滯點，“所述第一和第二子流體流中的每個在它們的混合之前在所述流入方向(ifd)上具有非零平均流量分量”，如權(quán)利要求1所述。

無障礙物的結(jié)構(gòu)(正方形)的數(shù)據(jù)明確地說明了特殊設(shè)計的不對稱障礙物如何通過將分散相分解成兩個并隨后使它的片段失去同步而產(chǎn)生有利的流態(tài)。在最低流速下，使用障礙物的結(jié)構(gòu)增大至2到3倍。此外，當(dāng)使用正丁醇時，三角形障礙物的鈍面促成下降流態(tài)的形成，與菱形的剖面相比，下降流態(tài)在較低的流速下增大了傳質(zhì)系數(shù)。

附圖標記列表

10流體混合結(jié)構(gòu)

12收縮區(qū)

14膨脹區(qū)

16停留區(qū)

1812的底部

2014的底部

2216的底部

2412的側(cè)壁

2614的側(cè)壁

2816的側(cè)壁

30空間

32分流器

34左流路徑

36右流路徑

38流混合表面

40流混合表面

4232的流上游側(cè)頂點

4432的流下游側(cè)頂點

46連續(xù)反應(yīng)單元

48處理流體通道系統(tǒng)

50進料口

52排出口

54反應(yīng)通道

56停留通道

sa對稱軸

ifd流入方向