CN101102835A - 高性能微型反应器 - Google Patents

高性能微型反应器 Download PDF

Info

Publication number
CN101102835A
CN101102835A CNA2006800019232A CN200680001923A CN101102835A CN 101102835 A CN101102835 A CN 101102835A CN A2006800019232 A CNA2006800019232 A CN A2006800019232A CN 200680001923 A CN200680001923 A CN 200680001923A CN 101102835 A CN101102835 A CN 101102835A
Authority
CN
China
Prior art keywords
passage
fluid
channel
microfluidic device
reaction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA2006800019232A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101102835B (zh
Inventor
P·卡兹
C·C·盖尔穆
Y·P·内德莱克
J·-P·特蒙特
P·沃尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Corning Inc
Original Assignee
Corning Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Corning Inc filed Critical Corning Inc
Publication of CN101102835A publication Critical patent/CN101102835A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101102835B publication Critical patent/CN101102835B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0093—Microreactors, e.g. miniaturised or microfabricated reactors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/40—Mixing liquids with liquids; Emulsifying
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
    • B01F25/421—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions by moving the components in a convoluted or labyrinthine path
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
    • B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
    • B01F25/432—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa
    • B01F25/4322—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa essentially composed of stacks of sheets, e.g. corrugated sheets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
    • B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
    • B01F25/433—Mixing tubes wherein the shape of the tube influences the mixing, e.g. mixing tubes with varying cross-section or provided with inwardly extending profiles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
    • B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
    • B01F25/433—Mixing tubes wherein the shape of the tube influences the mixing, e.g. mixing tubes with varying cross-section or provided with inwardly extending profiles
    • B01F25/4331—Mixers with bended, curved, coiled, wounded mixing tubes or comprising elements for bending the flow
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
    • B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
    • B01F25/433—Mixing tubes wherein the shape of the tube influences the mixing, e.g. mixing tubes with varying cross-section or provided with inwardly extending profiles
    • B01F25/4338—Mixers with a succession of converging-diverging cross-sections, i.e. undulating cross-section
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/30—Micromixers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F28D9/0043—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the plates having openings therein for circulation of at least one heat-exchange medium from one conduit to another
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F28D9/0043—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the plates having openings therein for circulation of at least one heat-exchange medium from one conduit to another
    • F28D9/0056—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the plates having openings therein for circulation of at least one heat-exchange medium from one conduit to another with U-flow or serpentine-flow inside conduits; with centrally arranged openings on the plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0062—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by spaced plates with inserted elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
    • B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
    • B01F25/431—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor
    • B01F25/4317—Profiled elements, e.g. profiled blades, bars, pillars, columns or chevrons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
    • B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
    • B01F25/431—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor
    • B01F25/43197—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor characterised by the mounting of the baffles or obstructions
    • B01F25/431971—Mounted on the wall
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00783—Laminate assemblies, i.e. the reactor comprising a stack of plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00819—Materials of construction
    • B01J2219/00822—Metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00819—Materials of construction
    • B01J2219/00824—Ceramic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00819—Materials of construction
    • B01J2219/00831—Glass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00819—Materials of construction
    • B01J2219/00833—Plastic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00851—Additional features
    • B01J2219/00858—Aspects relating to the size of the reactor
    • B01J2219/0086—Dimensions of the flow channels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00873—Heat exchange
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00889—Mixing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2210/00—Heat exchange conduits
    • F28F2210/10—Particular layout, e.g. for uniform temperature distribution
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/10—Particular pattern of flow of the heat exchange media
    • F28F2250/102—Particular pattern of flow of the heat exchange media with change of flow direction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2260/00—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures
    • F28F2260/02—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures having microchannels

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

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。

Description

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。
发明背景
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。
技术背景
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(1)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 DifferentInterdigital Micromixers)”AIChE J.49，3(2003)566-577，578-84A中所讨论的，由Mikroglas Chemtech GmbH和Institut für 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 für 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量。
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 andHeat 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/ReactorBased 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Schnfeld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-RecombineMicro-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 2951(2002)647-651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 deviceutilizing 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(NovelMultifunction Microreaction Unit for Chemical Engineering)”Chem.Eng.J 101(2004)469-475；美国专利申请公开第2003/0223909 A1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-Componentmicroreaction 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Lwe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Lwe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1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1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1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1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1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璃陶瓷组成。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1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1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，已成为图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11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1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10毫升、温度为80℃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1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0.5-1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0.5-1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0.5-1毫米高)，图1平面内具有约120×150毫米2的面积。该体积中常规最高的高度为1mm，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 ParallelCompeting 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100％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℃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1-5、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80％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(＜1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 AlCheMeeting，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1N(1M)的NaOH溶液在95℃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III：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∶1至3∶1。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(MnO2)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60℃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1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(13.13l/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℃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℃。还观察到约等于或大于70％的良好的产率。

Claims (11)

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1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1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1-3中任一项所述的微流体装置，其特征在于，所述伸长的主体包含玻璃、玻璃-陶瓷或陶瓷材料。
5.如权利要求1-3中任一项所述的微流体装置，其特征在于，所述伸长的主体包含玻璃或玻璃-陶瓷材料。
6.如权利要求1-5中任一项所述的微流体装置，其特征在于，设置所述混合子通道，在流经该子通道的流体中引发次级流。
7.如权利要求1-6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1-7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1-8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1巴的压降下以至少100毫升/分钟的流速流动。
10.如权利要求1-9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。
CN2006800019232A 2005-01-07 2006-01-06 微型反应器 Active CN101102835B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP05290046A EP1679115A1 (en) 2005-01-07 2005-01-07 High performance microreactor
EP05290046.1 2005-01-07
PCT/US2006/000408 WO2006074336A1 (en) 2005-01-07 2006-01-06 High performance microreactor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101102835A true CN101102835A (zh) 2008-01-09
CN101102835B CN101102835B (zh) 2010-05-19

Family

ID=34941880

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2006800019232A Active CN101102835B (zh) 2005-01-07 2006-01-06 微型反应器

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20060171864A1 (zh)
EP (1) EP1679115A1 (zh)
JP (1) JP2008526493A (zh)
KR (1) KR20070106712A (zh)
CN (1) CN101102835B (zh)
CA (1) CA2593145A1 (zh)
WO (1) WO2006074336A1 (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102293075A (zh) * 2008-11-26 2011-12-21 康宁股份有限公司 用于微型结构的热交换器
US8534909B2 (en) 2008-09-29 2013-09-17 Corning Incorporated Multiple flow path microreactor design
CN106093382A (zh) * 2016-07-19 2016-11-09 大连理工大学 一种梳齿式微流体延时器

Families Citing this family (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200738328A (en) 2006-03-31 2007-10-16 Lonza Ag Micro-reactor system assembly
EP1939136A3 (en) * 2006-12-29 2013-03-27 Corning Incorporated High throughput pressure resistant microfluidic devices
US20100104486A1 (en) * 2006-12-29 2010-04-29 Hoysan Steven F High Throughput Pressure Resistant Microfluidic Devices
EP1992404B1 (en) 2007-05-15 2011-03-23 Corning Incorporated Microfluidic device and method for immiscible liquid - liquid reactions
EP1992403B1 (en) 2007-05-15 2011-03-09 Corning Incorporated Microfluidic self-sustaining oscillating mixers and devices and methods utilizing same
CN101687693A (zh) * 2007-05-18 2010-03-31 康宁股份有限公司 玻璃微流体装置及其制造方法
EP2017000B1 (en) 2007-07-11 2012-09-05 Corning Incorporated Process intensified microfluidic devices
KR101040703B1 (ko) 2007-12-12 2011-06-10 주식회사 엘지화학 복수개의 유입 또는 토출 포트를 구비하는 마이크로 채널반응기
EP2077149A1 (en) 2007-12-21 2009-07-08 Corning Incorporated Microreactor assembly incorporating an interconnecting element and diverse fluidic microstructures
EP2095872A1 (en) 2008-02-29 2009-09-02 Corning Incorporated Injector assemblies and microreactors incorporating the same
EP2216093A1 (en) 2009-01-30 2010-08-11 Corning Incorporated In situ formation and deposition of palladium Pd(0) in reactors
TW201114481A (en) 2009-05-11 2011-05-01 Corning Inc Modular reactor and system
DE202010000262U1 (de) 2009-05-12 2010-05-20 Lonza Ag Strömungsreaktor mit Mikrokanalsystem
DE202009017416U1 (de) * 2009-05-12 2010-04-15 Lonza Ag Reaktor und Satz aus Reaktoren
FR2951153A1 (fr) 2009-10-09 2011-04-15 Corning Inc Dispositif microfluidique
CN107028886A (zh) 2009-11-04 2017-08-11 不列颠哥伦比亚大学 含有核酸的脂质粒子及相关的方法
CN104040319A (zh) 2011-06-14 2014-09-10 康宁股份有限公司 混合式微流组件
EP2535105A1 (en) * 2011-06-14 2012-12-19 Corning Incorporated Systems and methods for scale-up of microreactors
WO2013154213A1 (en) * 2012-04-10 2013-10-17 Lg Electronics Inc. Diagnostic cartridge
AU2013344674A1 (en) * 2012-11-14 2015-05-14 Ams Research, Llc Cell delivery device and system with anti-clumping feature and methods for pelvic tissue treatment
CA2906732C (en) 2013-03-15 2023-08-08 The University Of British Columbia Lipid nanoparticles for transfection and related methods
GB2535234A (en) * 2015-02-15 2016-08-17 Avocet Fuel Solutions Inc Fuel additive, fuel and method
CN107533076A (zh) 2015-02-24 2018-01-02 不列颠哥伦比亚大学 连续流微流体系统
EP3288671A4 (en) 2015-04-28 2019-01-16 The University Of British Columbia DISPOSABLE MICROFLUIDIC CARTRIDGE
EP3400097B1 (en) 2016-01-06 2021-01-27 The University Of British Columbia Bifurcating mixers and methods of their use and manufacture
US11035480B2 (en) * 2016-02-24 2021-06-15 Leanna Levine and Aline, Inc. Mechanically driven sequencing manifold
US11185830B2 (en) 2017-09-06 2021-11-30 Waters Technologies Corporation Fluid mixer
CN114207433A (zh) 2019-08-12 2022-03-18 沃特世科技公司 用于色谱系统的混合器
WO2022010665A1 (en) 2020-07-07 2022-01-13 Waters Technologies Corporation Mixer for liquid chromatography
US11988647B2 (en) 2020-07-07 2024-05-21 Waters Technologies Corporation Combination mixer arrangement for noise reduction in liquid chromatography
WO2022066752A1 (en) 2020-09-22 2022-03-31 Waters Technologies Corporation Continuous flow mixer
CN115178199B (zh) * 2022-05-31 2024-04-30 清华大学 无源微流控微反应器以及微流控芯片

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6637463B1 (en) * 1998-10-13 2003-10-28 Biomicro Systems, Inc. Multi-channel microfluidic system design with balanced fluid flow distribution
US7435392B2 (en) 2000-02-03 2008-10-14 Acclavis, Llc Scalable continuous production system
US7485454B1 (en) 2000-03-10 2009-02-03 Bioprocessors Corp. Microreactor
US6645432B1 (en) * 2000-05-25 2003-11-11 President & Fellows Of Harvard College Microfluidic systems including three-dimensionally arrayed channel networks
DE10103425A1 (de) * 2001-01-26 2002-08-01 Basf Ag Statischer Mischer mit geschichtetem Aufbau
KR100425536B1 (ko) * 2001-07-16 2004-03-30 학교법인 포항공과대학교 유체 마이크로칩용 브레드보드
FR2830206B1 (fr) * 2001-09-28 2004-07-23 Corning Inc Dispositif microfluidique et sa fabrication
EP1618372A2 (en) * 2003-04-14 2006-01-25 Cellular Process Chemistry, Inc. System and method for determining optimal reaction parameters using continuously running process
JP2004317439A (ja) * 2003-04-18 2004-11-11 Kyocera Corp マイクロ化学チップ
DE10321472B4 (de) 2003-05-13 2005-05-12 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Fluidik-Modul, Verfahren zu seiner Herstellung und Verfahren zum Betreiben eines Fluidik-Moduls
WO2004103549A2 (en) 2003-05-16 2004-12-02 Velocys Inc. Oxidation process using microchannel technology and novel catalyst useful in same

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8534909B2 (en) 2008-09-29 2013-09-17 Corning Incorporated Multiple flow path microreactor design
CN102202774B (zh) * 2008-09-29 2015-05-20 康宁股份有限公司 多流路微型反应器设计
CN102293075A (zh) * 2008-11-26 2011-12-21 康宁股份有限公司 用于微型结构的热交换器
CN102293075B (zh) * 2008-11-26 2014-06-25 康宁股份有限公司 用于微型结构的热交换器
CN106093382A (zh) * 2016-07-19 2016-11-09 大连理工大学 一种梳齿式微流体延时器
CN106093382B (zh) * 2016-07-19 2018-04-10 大连理工大学 一种梳齿式微流体延时器

Also Published As

Publication number Publication date
JP2008526493A (ja) 2008-07-24
CN101102835B (zh) 2010-05-19
EP1679115A1 (en) 2006-07-12
WO2006074336A1 (en) 2006-07-13
KR20070106712A (ko) 2007-11-05
US20060171864A1 (en) 2006-08-03
CA2593145A1 (en) 2006-07-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101102835B (zh) 微型反应器
Zhang et al. Design and scaling up of microchemical systems: a review
US7939033B2 (en) Process intensified microfluidic devices
Yang et al. Geometric effects on fluid mixing in passive grooved micromixers
US8740448B2 (en) Micromixing chamber, micromixer comprising a plurality of such micromixing chambers, methods for manufacturing thereof, and methods for mixing
EP1944079B1 (en) Microstructure designs for optimizing mixing and pressure drop
CN101678293B (zh) 微流体自持振荡混合器以及使用该混合器的装置和方法
Ehrfeld et al. Microreactors for chemical synthesis and biotechnology—current developments and future applications
Serra et al. Numerical simulation of polymerization in interdigital multilamination micromixers
JPWO2006030952A1 (ja) 流体混合器
JP2004016870A (ja) マイクロリアクター及びそれを用いた化学反応方法
Chen et al. Analysis of chaos and FRET reaction in split-and-recombine microreactors
Green et al. A review of passive and active mixing systems in microfluidic devices
Hessel et al. PROFILE Micro chemical processing at IMM—from pioneering work to customer-specific services
Reschetilowski Principles of microprocess technology
Borovinskaya et al. Microstructural reactors: Concept, development and application
Dundi et al. Simple structured and highly efficient passive T‐type micromixer with circumferential in‐step at entry
Jensen Silicon-based microreactors
Sharma et al. Flow Distribution of Multiphase Flow in Parallel Channels
Ehrfeld et al. Microreaction technology for process intensification and high throughput screening
Duša et al. Design and Simulation of Microfluidic Micro-Mixer with Parallelogram Barriers
Kee Microreactor engineering studies for asymmetric chalcone epoxidation
Kockmann Micro process engineering: Actual state and challenges
Pennella et al. A Survey of microchannel geometries for mixing of species in biomicrofluidics
Fan et al. The Numerical Investigation of an Interdigital Micromixer With the Circular-Sector Obstacles

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant