CN101300067B - 多用途流动模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多用途流动模块，包括叠置在一起的流动板和/或热交换器板，流动板具有流动通道和一个或多个连接口。一个或多个阻挡板连接在流动板或热交换器板上。本发明还涉及一种用于在多用途流动模块中提取、反应、混合或其组合的方法以及多用途流动模块的应用。

Description

多用途流动模块
技术领域
本发明总体涉及一种流动模块、用于多用途流动模块的提取、反应、分离、混合或其组合以及多用途流动模块的应用。
背景技术
其中材料或反应物连续流动到反应器内并且材料或产品连续流出反应器的连续化学反应器的实例通过WO2004/089533、WO03/082460、EP1123735以及EP0701477481披露。存在对于流动模块重要的多种特征，例如设置的灵活性、流动构造、混合性能、温度控制、监测、停留时间等。
因此，在设计和建造多用途流动模块时需要克服的多种问题例如是泄漏、能够视觉检查、流动路径的清洁、调整工艺(process)流动路径以便获得给定流动速度的所需停留时间、接近反应器中间的工艺流、热量传递流动的构造、溶解气体从模块排出、流体的混合等。
因此，本发明的目的在于提供一种适用于所需工艺的多用途流动模块的灵活概念。
另一目的在于提供一种多用途流动模块，该模块具有良好的接近性能，并且容易操作等。
另一目的在于提供一种多用途流动模块，该模块具有良好的热传递性能以及控制温度的机会。
另一目的在于提供一种多用途流动模块，该模块具有适用于化学反应、提取、分离等流体流动特性。
发明内容
因此，本发明通过以较小、可叠置和外部或内部连接或“两维”区段提供平结构的多用途流动模块提供一种所述问题的解决方案，其中每个区段可开口以便露出用于一种或多种流体的此后称为流动通道的流动路径、沟道、凹槽或通道，流动通道可以是流动板中的任何适当的图案或者紧密组装图案。因此，本发明提供一种具有带有流动通道的可叠置和外部或内部连接区段的适用性或灵活性多用途流动模块，以便将材料连续流入模块，并且将材料或产品连续流出模块。多用途流动模块可水平或垂直叠置。
因此，本发明涉及一种多用途流动模块，包括叠置在一起的流动板和/或热交换器板，流动板具有流动通道和一个或多个连接口。一个或多个阻挡板可连接在每个流动板或热交换器板上。本发明还涉及一种用于在多用途流动模块中的提取、反应、混合或其组合以及涉及多用途流动模块的应用。
多用途流动模块的每个区段可包括具有用于工艺流体材料的流动通道的流动板以及一个或多个阻挡板或一个或多个端板。具有配置在一个或多个流动板上或将至少两个板分开的至少两个流动板之间的一个或多个热交换器板。该区段可具有相互串联或并联的流动通道。
按照本发明的可选择实施例，流动模块可包括流动板、阻挡板、端板、压力板以及最后形成流动区段的垫片。一个或多个流动区段可配置成流动通道可相互串联或并联。因此，多用途流动模块包括至少一个流动区段并任选地一个或多个热交换器可连接在任何的流动区段上。热交换器区段可包括连接在一起的热交换器板或者一个或多个阻挡板或者端板。流动区段和/或热交换器区段可通过外部装置或内部装置连接。
按照本发明的一个可选择实施例，多用途流动模块可包括作为分离区段的至少一个整体流动区段。整体流动区段包括制成具有位于单件的流动板侧上的流动通道的以及位于热交换器板侧上的热交换器区域的单件式流动板和热交换器板。一个或多个连接口沿着与流体通道连通的整体流动区段的至少一个外侧连通。垫片和板放置在流动板上以便密封流动通道。按照一个可选择实施例，插入元件和板放置在热交换器板侧上，以便密封流动区段的热交换器区域。整体流动区段的流动通道具有弯曲或折弯区域形式的一个或多个混合区域。按照一个可选择实施例，混合区域是位于流动通道的折弯或弯曲区域处的拐角形式。
按照本发明的另一可选择实施例，流动区段或整体的流动区段可包括流动板、一个或多个阻挡板、垫片、端板和一个或多个热交换器板，每个流动区段可连接在另一流动区段或另一整体流动区段上并叠置在一起，具有串联或并联的流动通道。因此，多用途流动模块包括通过外部装置或内部装置连接在一起的一个或多个流动区段。
按照本发明的另一可选择实施例，多用途流动模块可包括具有流动板、阻挡板和/或垫片的区段，其数量比具有一个或多个热交换器板的区段的数量多，其中每个区段可连接在另一区段上并叠置在一起，具有相互串联或并联的流动通道。因此，多用途流动模块包括具有通过外部装置或内部装置连接在一起的流动板和一个或多个热交换器板区段的一个或多个区段。
按照本发明的另一可选择实施例，多用途流动模块可包括具有流动板、阻挡板、端板或最后垫片的区段，其数量比具有一个或多个热交换器板的区段的数量少。其中每个区段可连接在另一区段上并叠置在一起，具有相互串联或并联的流动通道。因此，多用途流动模块包括通过外部装置或内部装置连接在一起的流动区段和两个或多个热交换器板区段。
按照本发明的另一可选择实施例，多用途流动模块可包括与热交换器区段的数量相同数量的具有流动区段的区段。每个区段可连接在另一区段上，并叠置在一起，具有相互串联或并联的流体通道，并且通过外部装置或内部装置连接在一起。
本发明的流动板可包括用于流体材料的流动通道，并且流动通道可在流动板中切穿、刻入、凹入、压入、蚀刻或所限定技术的组合。流动通道可以在流动板内构成两维图案。流动通道可以紧密图案的形式尽可能长地、尽可能短延伸，或者根据所需停留时间、流速、反应时间等，在流动板内具有任何适当长度。流动通道的长度可以优化并设计成适用于所需工艺。流动通道图案的形状可以例如是迷宫、Z形、蜿蜒通道或者任何其它适当的形状。入口和出口连接在每个流动板内的流动通道的每端上。多用途流动模块可由不同板上的具有不同尺寸的流动通道的板形成。流动通道的长度可以不同，通道可以长或可以短。在板之间，通道还可改变通道有多宽。根据应用，一个板可具有宽通道，另一板可以具有较薄通道。
流动通道可具有至少0.1m2的截面面积。按照一个可选择实施例，截面面积可以至少是0.5mm2。按照另一可选择实施例，截面面积可以至少是1mm2。截面面积可以是1000mm2那样大，或者是10000mm2那样大，但是可以采用适用于所需供应的任何尺寸。按照一个可选择实施例，流动通道的截面面积可以在从大约0.5mm2到大约100mm2的范围内。按照另一实施例，流动通道的截面面积可以在从大约1mm2到大约75mm2的范围内。
沿着流动板的外侧，一个或多个连接口配置在流动板的外侧和流动板的至少一侧、两侧、三侧或者所有四侧上的流动通道之间。任何类型的功能件可连接在连接口上，可以例如是反应物的入口、其它或另外流体的入口、用于所需工艺所需的任何其它介质的入口、用于工艺流体的出口、用于在随后阶段供应到流动通道的中间产品的出口、用于来自于流动通道的工艺流体的测试样品的出口、用于通过紫外线(UV)分光计、红外线(IR)分光计、气相色谱分析装置、质量分光计(MS)、核磁共振NMR等以便识别中间产品或物质并按照“工艺分析技术”(PAT)控制工艺性能的在线连续分析的样品或者批量样品的出口。连接口可安装与流动通道接触的任何类型的传感器单元、热电偶等，以便将信息发送给计算机或控制装置。如果不需要连接在连接通道上的特殊功能，连接口还可在不使用时堵塞，或者连接口可装备安全装置以便压力瞬时或受控地释放。按照本发明的一个可选择实施例，一个或多个连接口可以是喷射口或分配口。
流动板的材料可以选自任何耐腐蚀材料。该材料可以是不锈钢、铁基合金、镍基合金、钛、钛合金、钽、钽合金、钼基合金、锆、锆合金、玻璃、石英、石墨、加强石墨、PEEK、PP、PTFE等，或者流动区段的材料可以是例如柔软PEEK、PP、PTFE等柔软材料，或者是
Figure S2006800397077D00041
等，并且因此垫片可以在多用途流动模块中去除。
按照一个可选择实施例，压力板可具有与流动通道相对应的图案、覆盖流动通道并且用作垫片来密封流动板。
按照本发明另一可选择实施例，在靠近流动通道的每侧上，沿着流动通道的周边可以配置伸出区域，使得垫片贴靠端部或者贴靠阻挡板或者热交换器板闭合流动板，以防止泄漏。
垫片可使得流动板闭合或密封而不泄漏，并垫片可配置成贴靠端板、贴靠阻挡板、隔离体或者贴靠热交换器板覆盖或闭合流动通道。
垫片可以具有比流动板软的材料。因此，沿着流动通道或者压力板的突出部造成足够的接触压力，以便贴靠端板、阻挡板、另一流动板或者贴靠热交换器板密封流动板。
垫片可以是平片材或者具有适当材料的多层片材，这种材料的实例可以是多层的扩展聚四氟乙烯(ePTFE)、聚四氟乙烯(PTFE)、perfuorelatomer或者氟弹性体、聚醚醚酮(PEEK)、聚丙烯(PP)等。垫片的材料可以是例如柔软PEEK、PP、PTFE等柔软材料，或者是
Figure S2006800397077D00051
等，或者垫片可以具有适当金属材料的金属O形圈或密封元件。根据工艺，垫片的材料应该具有良好的耐化学性能，但是如果工艺不需要良好的耐化学性能，那么其它材料也是可以的。垫片材料可以是柔软的，直到夹紧力闭合结构为止，并且该材料可以非常小的横向扩张来变形。因此，垫片可填充密封表面中的任何不完善之处。按照另一可选择实施例，垫片可以成形为与例如通过印刷工具形成的流动通道相对应，或者垫片可以通过外力压缩到所需形状，以便减小垫片在流动通道内凸出，造成截面保持一致，并且减小垫片内流体吸收。
薄膜可以作为选择添加在密封表面之间。多用途流动通道可包括按照本发明的一个可选择实施例作为薄膜的至少一个阻挡板或者至少一个垫片。按照另一可选择实施例，催化剂可添加在垫片或流动通道的表面上。
阻挡板可具有使得热量往复于在一个或多个流动板传递的导热性能，或者阻挡板可以是隔离体，并且因此隔离流动板。阻挡板可位于阻挡的一侧，阻挡板可具有使得热量经由垫片从例如相邻的热交换器板、相邻的流动板或者两者传递到垫片的另一侧上的流动板，或者阻挡板可以是隔离体，并且将流动板和垫片于其它热传递源隔离。
阻挡板实际上将流动板的工艺流体与热交换器板的热传递流体分离，将工艺流体与另一流动板分离或者两者情况。阻挡板可以例如通过铜焊、焊接、粘接或其组合而整体或者永久连接在流动板、热交换器板或者两者上。
按照本发明的一个可选择实施例，阻挡板可以密封或闭合流动板的侧部、热交换器板的两侧或两者。
阻挡板可以包括任何耐腐蚀材料，它们可以是金属、塑料、聚合材料、陶瓷、玻璃等。阻挡板或覆盖板可以选自不锈钢、铁基合金、镍基合金、钛、钛合金、钽、钽合金、锆、锆合金、钼基合金、任何耐腐蚀合金、玻璃、石英、石墨、加强石墨、PEEK、PP、PTFE等。
热交换器板可以是非流体热传递板、可以是珀耳帖元件、可具有位于板内的凹入部、通道或凹槽、可具有覆盖流动板的流动通道的区域的切穿区域或者可以具有切穿通道。
按照本发明的一个可选择实施例，每个通道、凹入部、通道、凹槽或者切穿区域可具有翅片、翼部、结构化包装材料、金属泡沫体等，以便增加热传递区域，并且增强热交换器流体的紊流，从而改善热传递。
按照本发明的一个可选择实施例，通过铜焊、焊接、粘接或其组合，热交换器板可以整体或永久地连接在流动板的阻挡板上。按照另一可选择实施例，每个热交换器板可具有阻挡板、覆盖板、或者位于热交换器板的每侧上的一个阻挡板和一个覆盖板，板可以通过铜焊、焊接、粘接、或其组合永久地连接在热交换器板上。
按照本发明的一个可选择实施例，热交换器板可永久地连接在热交换器板的每侧上的阻挡板上。
热交换器板可由任何耐腐蚀材料形成，并且可以是不锈钢、铁基合金、镍基合金、钛、钛合金、钽、钽合金、钼基合金、锆、锆合金、玻璃、石英、石墨、加强石墨、PEEK、PP、PTFE等。
按照本发明的一个可选择实施例，热交换器入口和出口可连接在热交换器的每端上。
按照本发明另一可选择实施例，入口或出口可包围传感器或热电耦。
按照本发明的一个可选择实施例，热交换器板具有切穿通道、凹入部、通道或凹槽，插入入口管、出口管、或位于热交换器板的相对侧上。入口管、出口管或者都具有插入传感器、插入热电耦或者两者来监测过程，以便在例如计算机或类似设备或两者中产生分析信号。
流动板、加热交换器板、阻挡板、覆盖板和端板可以具有一种相同材料，或者可以具有多种不同材料，所述一种或多种材料可选自任何耐腐蚀材料，或者金属、玻璃、陶瓷、石墨、加强石墨、聚合物、塑料等。按照一个可选择实施例，一种或多种材料可选自不锈钢、铁基合金、镍基合金、钛、钛合金、钽、钽合金、钼基合金、锆、锆合金、玻璃、石英、石墨、加强石墨、PEEK、PP、PTFE等或其组合。
在多用途流动模块的材料是金属或者合金时，模块部件可相互焊接、铜焊、粘接或其组合。如果部件被铜焊，那么铜焊材料可以选自铁基铜焊材料、镍基铜焊材料、黄铜基铜焊材料或者类似于多用途流动模块中的材料的任何适当的材料。
多用途流动模块可通过适用于产生与所需流体的适当性能或工艺相对应的不同工艺信号的热电耦、电极、不同传感器或其组合的帮助来调节和/或控制。工艺信号可通过计算机或产控制信号的任何其它评价装置的帮助来评价，自动控制所采用的工艺、化学反应或优化流速、温度、气体释放、喷射、压力、分布等或其组合，并且因此优化所需工艺或来自于多用途流动模块的产品的生产。
流动板的出口和入口之间或者热交换器板的出口和入口之间的所有连接器必须紧密和牢固，使得没有泄漏发生。市场上具有多种类型的连接器，这是足够的。按照本发明的一个可选择实施例，连接器可以是可分开的夹具连接器，包括两个半件和两个螺钉。可分开的夹具连接器的直径和深度可略微大于衬套的外直径。夹具可制成两个相同的半件或者两个镜像半件，其中两个螺钉位于分型线的相同侧或者分型线的相对侧上。接触点可在连接器半件之间或者每个半件和管道之间形成，这可能由于螺钉的中心线与密封平面偏离放置。按照本发明的一个可选择实施例，锁定可通过例如穿过螺钉孔的保持环、长钉或类似物的某些保持装置连接在夹具连接器半件上。
在通过以受控方式和安全方式以高速将非易混合液体引入通道内的工艺流动而产生细小分布时，关键的是喷嘴具有足够的设计。设计后的喷嘴是分配器或喷射器。喷嘴可安装在流动板和流动通道的侧部之间的任何连接口上，或者喷嘴可靠近流动通道的入口放置，或者放置在流动通道的入口处，其中工艺流动引入通道。一种或多种不易混合的液体相可通过经由喷嘴供应。设计后的喷嘴可以是具有闭合管形式的管嘴的分配器，闭合端部内具有孔直径为(D)的单个孔区域，或者多个(n个)孔具有与孔的总面积除以喷嘴的孔数量n相对应的直径(D)，该直径大于喷嘴内的孔长度或深度(T)，见图17，并且选择比例，使得孔的长度小于孔的直径(T＜＜D)。在分配器使用时，液滴将从分配器喷出，并且在工艺流动中产生锥形液滴。所形成的液滴的尺寸取决于喷嘴的出口处的压差和主要流动导管内的压力。如果孔的长度(T)很大，那么它将非常难以在所述点处形成所需的压力状态。
对于小尺寸的喷嘴来说，长度(T)和直径(D)将非常小并且出现制造极限。制造这种喷嘴的有利方式例如是在薄板上使用蚀刻、激光穿刺或微型钻孔，接着通过激光或电子束环形焊接在管上。喷嘴可产生液滴，液滴尺寸将取决于流动和所选喷嘴直径。
为了增加流过一个喷嘴的流动，可以制成较大的孔，或者穿过喷嘴形成更多的孔。通过使用许多小孔，而不是一个大孔，可以形成较小的液滴。为了确保在每个孔内具有相同的压力状态，有利的是相对于环形焊接有喷嘴的管的主要轴线对称地配置孔。在同心圆上可以定位有多排孔。孔的尺寸可以按照同心圆的半径的流动速度或离开孔的流体粘度来选择。材料离开喷嘴的喷射可以是脉冲模式、连续的，或者特别是以适用于多用途流动模块的应用的间隔喷射。
泵可被连接，以便将流体供应到喷嘴并增压。流体将以锥形方式喷射离开喷嘴。泵可将流体连续泵送到喷嘴或者以脉冲模式为喷嘴供应。脉冲可例如通过泵工作循环或者通过去往喷嘴的供应管线内的阀的控制来产生。泵被适当控制以便保持给定压力水平。如果按照本发明的一个可选择实施例喷嘴以脉冲模式供应，那么重要的是喷嘴和爬出阀之间的容积不随着压力变化。阀的工作循环(即开启时间小于或等于整个周期时间的100％并不等于0％)可以受到控制，以便给出给定的流动速度，如下面所述：
Figure S2006800397077D00081
喷嘴可在脉冲或非脉冲模式下操作，并且用于形成给定平均流动速度下的流体喷射。
喷嘴尺寸被选择成在所得压力下给出足够的流动速度，并且压力水平可设置成给出某种液滴尺寸。这意味着液滴尺寸可通过在恒定流动速度下改变泵压力来调节。泵速度受到控制以便给出流过开启阀的设定流动速度，即非脉冲模式。
工艺流体中包含或产生的任何气体可通过垫片中从薄膜表面到垫片边缘的导管从流动通道中排出或者被脱气。脱气系统可连接在流动通道的出口、流动通道的入口或两者上，或者脱气系统可连接在流动板的侧部上的连接器上。任何类型的脱气系统可连接在多用途流动模块上。
压力释放装置可连接在任何数量的连接口或者流动通道入口、流动部件出口或者流动部件出口和流动部件入口之间。压力释放装置可以是被动或主动的。被动压力释放装置可以是爆裂箔片，但是可以使用任何适当的被动压力释放装置。主动压力释放装置可以是用于抑止(quenching)材料或物质的任何数量的喷射单元，它可以根据来自于装备有监测和控制程序的计算机的指令动作。另一主动压力释放装置可以是热交换器单元的流动调节装置，它也可根据装备有监测和控制程序的计算机的指令动作。又一主动压力释放装置可以是用于工艺材料或添加材料的流动调节装置，它也可根据装备有监测和控制程序的计算机的指令动作。
多用途流动模块可用于进行试验的实验室，其中灵活性是重要特征。多用途流动模块可用作实验设备、用作全面的多用途流动模块或者可用作全面设计的流动模块。按照设计工艺，多用途流动模块可用作反应器、提取器、分离工具、混合设备等或其组合。
此后主要描述多用途流动模块的性能。流动通道的结构是适用于所需工艺的灵活性。它有利于许多工艺，其中在所需流动速度下易混合流体的混合将造成与每个板的所需压力降相对应的均匀和小微量混合时标(timescale)。因此，每个流动板或流动区段的流动通道具有紧凑结构，并且每个通道的长度设计用于流动模块的目的。流动通道具有折弯或弯曲形式的一个或多个混合区域。按照本发明的一个可选择实施例，混合区域可以是位于流动通道的折弯或弯曲区域处的拐角形式。多用途流动模块的结构提供良好的热传递，有利于化学反应、流体混合、提取等调节。高热量传递来自于进入到日常流体的传统对流热传递和经过多用途流动模块的热传导材料的传导热传递的组合。流体在流动通道内的良好混合和重新分配以及高热传递速度的组合降提供流动介质的出色热控制。
多用途流动模块可经由下游流动限制器的结合而在标定和高压力下操作。对于不同的垫片材料来说，当前最大压力将不同，并且可根据多用途流动模块的所选结构和所选材料而变化。
限定用于某种所需工艺的多用途流动模块的另一性能是停留时间分布，并且停留时间分布取决于例如流动速度范围、流体粘度等其它性能。
与例如具有类似圆形截面面积的普通管(plain pipe)相比，在本发明的多用途模块的流动通道内以较低流动速度形成非分层流动。流动通道内的流动图案在低流动速度和高流动速度下是类似的。而普通管不是这种情况。在低流动速度下，与普通管相比，在本发明的多用途流动模块的流动通道中，大面积或大规模混合将更大、更快或两者。实验室规模、小规模或者完全制造规模的多用途流动模块具有类似的流动性能，并且因此流动图案和混合机构是类似的。
为了操作本发明的多用途流动模块，涉及在模块的流动通道内形成栓塞流，通过非分层流动形成。流动通道内的材料流动通过流动通道的结构暴露于混合下，以便在材料流动中形成大或小的涡流。流动通道的结构越密集(intensive)，流体流动中的涡流越多。对于每个液滴、颗粒、分子等来说，栓塞流的原理是每个流动区段的“先入先出”。
按照本发明的一个可选择实施例的多用途流动模块可用于提取、反应、混合或其组合，并且操作模块的方法包括经由一个或多个入口装置将第一材料流引入流动通道、经由流动通道传送第一材料流、将一种或多种另外的材料经由一个或多个另外的连接口任选地引入第一材料流、通过入口分配器、入口阀、出口阀或其组合调节材料流、流动速度、停留时间或其组合，入口分配器、入口阀、出口阀或其组合通过或不通过来自于一个或多个传感器单元的调制信号控制，并且通过一个或多个热电耦来测量温度，并且控制来自于一个或多个热交换器板的热传递。
按照本发明的另一优选实施例，在多用途流动模块中提取、反应、混合或其组合的方法包括经由一个或多个入口装置将第一材料流引入流动通道、经由流动通道传送第一材料流、经由一个或多个另外的连接口将一种或多种材料引入第一材料流、在流动通道中形成栓塞材料流。
该方法包括在流动通道内的流动被调节以便形成流过多用途流动模块的栓塞材料流。栓塞流可通过混合区域的帮助来形成。
一个或多个传感器单元可将信号发送给计算机或数据处理单元，计算机或数据处理单元控制并发送信息到流动调节单元和温度调节单元。
多用途流动模块可用作反应器、提取器和混合器或者用于医药或将被用于医药的化学物质或产品的制造，或者模块可用于制造特殊涉及的化学品。
多用途流动模块的应用可用作实验室设备、试验工厂或者全面工艺设备。
下面将通过附图1-25描述本发明。附图是出于说明本发明的目的，而不打算限制其范围。
附图说明
图1表示按照本发明的一个可选择实施例具有流动通道的流动板；
图2表示按照本发明的另一可选择实施例具有流动通道的流动板；
图3表示按照本发明的另一可选择实施例具有流动通道的流动板；
图4表示按照本发明的一个可选择实施例位于流动通道上的折弯；
图5表示按照本发明的一个可选择实施例的流动区段，具有位于热交换器板顶部上的流动板；
图6表示按照本发明的一个可选择实施例的区段的叠摞；
图7表示按照本发明的一个可选择实施例的流动区段，包括一个垫片、一个流动板、位于热交换器板两侧上的两个阻挡板以及详细的具有伸出区域的流动通道；
图8表示按照本发明一个可选择实施例的流动板；
图9表示按照本发明的一个可选择实施例的热交换器板；
图10表示按照本发明的可选择实施例具有插入的热交换器板的入口管或出口管的截面图；
图11表示通过垫片密封的流动板；
图12表示按照本发明一个可选择实施例的用于通过垫片密封流动板的压力板；
图13表示按照本发明一个可选择实施例的夹具连接器；
图14表示按照本发明一个可选择实施例的夹具连接器的截面图；
图15表示按照本发明一个可选择实施例的夹具连接器以及入口管和出口管的侧视图；
图16表示按照本发明一个可选择实施例的夹具或入口管和出口管的纵向截面图；
图17表示按照本发明一个可选择实施例的设计喷嘴(即分配器)功能以及详细的管嘴；
图18表示按照本发明一个可选择实施例的连接器；
图19表示按照本发明的一个可选择实施例的流动区段的选择实施例，具有位于热交换器板的顶部上的流动板；
图20表示转动180度的图19的流动区段；
图21是表示沿着实例1的流动通道运行的工艺流体的热曲线的视图；
图22是表示停留时间分布相对于实例2的流动速度的流体动力性能；
图23是表示实例3的流动速度和喷嘴尺寸之间关系的视图；
图24是表示实例4的液滴尺寸分布和压力之间关系的视图；
图25是表示实例5的停留时间分布(RTD)的视图。
具体实施方式
图1、2和3的流动板1具有覆盖流动板1的设计曲率的流动通道2。在平流动板的每侧上，流动通道和流动板外侧之间的多个连接器2配置成锚固用于材料或物质的入口或者用于产品的出口，或者连接器可锚固传感器、热电耦或者采样试验样品或工艺样品的设备。流动通道的端部4锚固用于工艺材料的入口或者用于工艺产品的出口。出口端可以在外部或内部连接在图1、2或3未示出的另一流动板上的另一流动通道的入口端上。流动通道的曲率可如图2所示是紧密的，或者如图3所示具有少数弯曲的短部分。流动通道的曲率和长度取决于单位工艺操作的时标、或反应时间等、或热传递。按照本发明的一个可选择实施例，流动通道可具有锐利拐角5，如图4所示，其中锐利拐角位于流动通道的曲率的每个折弯的外侧上，以便在流动通道内形成混合区域。在图5中，反应板1配置在热交换器板6的顶部上，提供具有连接在流动板上的用于处理材料的入口管7以及用于产品的一个出口管8的流动区段。在热交换器板上具有用于热交换器流体的一个入口管9和一个出口管10。根据热传递，热交换器流体可与工艺流动相反流动，或者可与其一起流动，因此入口管和出口管可具有变化的位置。图6表示配置在两个端板11之间的多个流动板区段和热交换器区段。附图还表示流动板的入口管7和出口管8之间以及热交换器板的入口管9和出口管10之间的外部连接器。
流动区段的实例表示在图7中，其中可以是有ePTEF纤维制造的板的任何适当材料的垫片12放置在流动板1的顶部上。阻挡板13可以永久地焊接、铜焊或两者方式或粘接在流动板1以及热交换器板6上。在热交换器板6的相对侧上配置另一阻挡板13。在多个流动区段叠置在一起时，垫片12将贴靠例如附图未示出的热交换器板的阻挡板13密封或闭合流动通道。为了增强阻挡板13和流动板1之间的密封或闭合，靠近流动通道的每个边缘配置伸出区域14，见图7的详细部分。伸出区域14可放置在流动板1的两侧上。
流动板1的一个可选择实例表示在图8中。按照此实例，工艺流体经由入口15引入流动通道，并且一种或多种物质经由入口16添加。物质沿着流动通道混合、提取、分离、反应或其组合，并且经由出口17离开流动板的流动通道。经由多连接器18，工艺流可通过使用用于特定目的的设备来监测。物质或反应物可经由连接器18添加，或者测试样品可经由它们采样。如果连接器不使用，那么它们可被堵塞或密封，以便消除泄漏。根据特定或所需应用，连接器18可连接在模块的一侧或两侧上。
在图9中，按照流动模块的一个可选择实例的热交换器板6与插入元件19形成整体，插入元件具有连接在热交换流体通道20内的翼部或翅片，以便增强热传递。热交换流体通道20连接在用于热交换器流体的一个入口管21和一个出口管22上。热电耦23可插入任何的入口管21或出口管22。热交换器板6和入口管21或出口管22之一之间的连接器的一个可选择实例可以在图10中看到。在热交换器板6的两侧上的是闭合热交换流体通道20和管21或22的阻挡板13。附图还表示管中间的热电耦23的截面图。
在流动板1和端板24之间是放置成闭合或密封多用途模块的垫片12。端板24可通过阻挡板或任何其它适当的板更换。按照一个可选择实施例，图11，压力板25可在垫片12和板24之间与垫片的另一侧上的流动通道相对放置。与截面28相比，具有与流动通道相对应的印制(imprint)或压缩区域26的垫片的部分将造成更加均匀的截面27，截面28没有制备的区域并因此将具有垫片的轮廓29，这是不希望的。如图12所示的压力板25可具有与附图未示出的流动板1的流动通道2的图案镜像的图案30。
按照本发明的一个可选择实施例，在具有一个以上的流动板时，具有流动通道出口和流动通道入口之间的连接的连接器和夹具。图13、14、15和16都表示分成两个半件32的夹具31。图16所示的凸缘33的直径仅仅略微小于夹具31的内直径。在螺钉将半件32挤压在一起时，那么半件将闭合或密封连接器。夹具的半件可制成两个相同的半件或者两个镜像的半件。夹具可设计成具有位于分型线相同侧上的两个螺钉。夹具必须设计成使得图15左侧所示的第二接触点在密封平面的相对端处形成，并且因此将螺钉定位在密封凸缘和第二接触点之间。接触点可在夹具半件之间或者每个半件和管道之间。夹具可通过特殊工具开启或闭合，在定位在窄小空间内时，出于安全原因或者方便，这有时是有利的。螺钉可如图14所示通过例如保持环的某些保持装置经由孔34连接在夹具上，使其不在夹具连接器开启时掉落。
在图17中分配喷嘴35示意表示成具有位于出口侧上的一个或多个孔36的管。分配管插入流动通道中，以便将材料喷射到工艺流体流中。在经过一个或多个孔的高流体速度下，喷射材料将以锥形形式喷射到工艺流体中。喷射材料可以是脉冲模式、连续，或者可以特别适用于多用途流动模块的应用的间隔喷射。在经过一个或多个孔的中间流体速度下，喷射材料将形成进入工艺流体的射流。在经过一个或多个孔的低流体速度下，喷射材料将在管端部处形成移动进入工艺流体的液滴。
喷嘴、入口、出口、传感器等可经由可以是任何类型的连接的连接口3连接在流动通道2上。按照本发明的一个可选择实施例，连接器3可以设计成图18所示的连接器37或者图8所示的连接器18。连接器37可以拆卸地安装或者永久地安装在流动板上。如果连接器37永久安装在流动板上，那么连接器可以铜焊、焊接或者同时铜焊和焊接到流动板上。任何类型的所需功能可连接在连接器3或连接器37上，如果不需要功能，连接器还可被堵塞。
图19表示按照本发明的多用途流动模块的流动区段的可选择实施例。按照此可选择实施例，流动板1、阻挡板13和热交换器板6可以一种材料制成单一整体、实体部件。“单一部件”可以通过火花腐蚀、切削、铣削或模制来制造。这种“单一部件”包括流动通道2和连接口37，连接口与图1-3的连接口3以及图8的连接器16和18相对应。流动通道2和连接口37可以连通连接在流动通道上的任何类型的功能件，如上所述，功能件例如是用于反应物的入口、用于其它或另外流体的入口、用于所需工艺需要的任何其它介质的入口、用于工艺流体的出口、用于在较后阶段供应到流动通道内的中间产品的出口、用于连续在线缝线的样品或者通过紫外线(UV)分光计、红外线(IR)分光计、气相色谱分析装置、质量分光计(MS)、核磁共振NMR等批量样品的出口，以便识别中间产品或物质，并且按照“工艺分析技术”(PAT)控制工艺性能。按照本发明的一个可选择实施例，一个或多个连接口可以是喷射口。“单一部件”同样包括去往流动通道2的入口4和出口4。由于“单一部件”同样包括流动板1和热交换器板6，那么“单一部件”连接在用于热交换器流体的一个入口管21和一个出口管22上。垫片12覆盖流动通道2和板40，可以是阻挡板24和压力板25的组合，板40放置在垫片顶部上以便闭合或密封多用途模块的流动通道。可以是隔离板、覆盖板和密封板的组合的板39密封“单一部件”的热交换器板部分。按照本发明的一个可选择实施例，插入元件38插入“单一部件”和板39之间，插入元件38具有带有翅片的通道，以便增加热传递能力。插入元件38可以是任何适当类型，增加流动区段的热交换器表面并且增强紊流。
图20表示转动180度的图19的整体流动区段。在此附图中，表示插入元件38如何安装在整体单一部分的热交换器板部分6内。热交换器区域6与图7、9和10的热交换器板6相对应。板39放置成密封整体流动区段的热交换器板部分6。按照一个可选择实施例，板39可以是隔离板和阻挡板的组合。板39的材料可以是任何适当类型，并且板被适当选择，以便适用于多用途流动模块的应用。在此附图中，板40具有与附图未示出的流动通道2的图案相对应的凹槽或中空部30。
下面将通过使用实例1-5来描述本发明。数量的目的在于说明本发明多用途流动模块的性能，并且不打算限制本发明的范围。
                    实例1
在实例1中，测试多用途流动模块，模块在1.5-10l/hr(0.1-0.7m/s)下操作。此实例的流动速度是5l/hr。如通过反应混合试验确定那样，水状流体中的微量混合时标是30毫秒。这与每流动板0.5Bbar的压力降相对应。民用流体是具有大约10℃，并且40l/hr的流动速度冷却较热的工艺流体，在模块的初始部分具有5l/hr的流动速度，是用于实现伪平行流构造的大于30℃/s的冷却速度。
流体在通道内的良好混合和重新分布以及高热传递速度的组合相结合，提供出色的反应介质的热控制。压力高达20bar，参考具有
Figure S2006800397077D00161
垫片和HPLC配件的不锈钢反应器。
多用途流动模块的结构还提供良好的热传递，有利于例如化学反应的加热以及更加经常的冷却。图21的视图表示沿着流动通道运行的工艺流体的热曲线。
                    实例2
在此实例中测试多用途模块，该模块的流动通道的尺寸是：平均1.5mm×2mm截面、工艺水力直径2.16mm、流动通道长度3.113m。测试期间，流动速度在1-10l/hr的范围内。
停留时间分布的形状在测试的所有流动速度下是类似的，如图22所示，表示这些情况下的共同流体动力学。图22表示平缓的峰值，较为陡峭的升高以及较长的降低。分布的宽度随着流动速度增加而减小。没有短路或停滞区域，因此在测试流动通道中形成栓塞流。
                    实例3
在实例3中，在多用途流动模块中测试分配喷嘴。对于不同尺寸的喷嘴来说，并对于工艺泵的一定操作压力范围，以连续操作模式测量喷嘴流。
流动范围在图23的视图中总结。视图表示在完全开启阀的情况下不同喷嘴尺寸的流动速度。通过使用操作阀，即脉冲模式，对于每个喷嘴尺寸来说，流动速度可以降低到这些流动的1％以下。
                    实例4
在实例4中，在多用途流动模块中测试分配喷嘴。喷嘴在脉冲模式下操作。喷嘴尺寸被选择成在所得压力下给出足够的流动速度。这意味着液滴尺寸可以通过在恒定流动速度下改变泵压力来调节。
喷嘴在不同压力下操作，并且十二烷喷射到水中的0.2wt％的表面活性剂的溶液中。喷射压力分别是2、4、6和10bar，并且喷嘴尺寸是150微米。阀的工作循环设置成使得流动速度对于所有压力来说都相同。液滴尺寸分布被评估，并且结果在图24中总结。
结论是对于给定喷嘴尺寸和流动速度来说，微量分配器可以在宽范围内选择不同所需液滴尺寸。由于在化学反应中质量传递速度非常取决于两种介质之间的界面表面面积，改变和减小液滴尺寸的能力在改善反应产量或控制中可以是有价值的。
            实例5-停留时间分布(RTD)
RTD提供有关反应器的轴向宏观混合特征的信息。通过使用分配模型的RTD分析可以评价是否近似或偏离栓塞流。在此实例RTD通过激发响应技术来测量。光学探头定位在本发明的一个流动板的工艺侧的入口和出口处，并且在入口探头的上游喷射颜料(dye)的脉冲。
针对范围内所选的每个流动速度进行研究，随着时间推移测量吸收变化，通常造成在几秒钟或几分钟内从每个探头收集成百上千的数据点。这些数据被平均。接着通过对以下等式去卷积，从入口和出口响应确定RTD：
出口响应＝(退出时效(exit age)分布)×(入口响应)。
通过将轴向分布模型与所需流动速度下测量的RTD配合，可以计算每个流动速度的Peclet数，通过如下限定：
Pe＝uL/Da
其中u是平均线性流动速度，L是流动通道的长度并且Da是轴向分布系数。假设峰值形状保持恒定，轴向分布系数是通过流动通道的峰值宽度的增加率。对于理想的栓塞流来说，Pe→∞，并且对于理想反混流来说，Pe→O。这意味着来自于实际技术观点，对于栓塞流来说，Pe＞＞1，并且对于完全的反混流来说，Pe＜＜1。
用于本发明的一个流动的条件是：
流动速度＝50ml/min
喷射颜料的容积＝0.1ml
喷射颜料的浓度＝5.1g/L
测量结果在图25中总结，表示对于一个流动板收集的RTD。入口和出口峰值的形状是类似的，从此数据计算的Peclet数≈200，因此，流动通道内的流动可以认为是栓塞流。

Claims (39)

1.一种多用途流动模块，包括一个或多个外部可连接的流动区段或一个或多个内部可连接的流动区段，每个流动区段包括连接在一起的一个或多个流动板、一个或多个阻挡板、一个或多个覆盖板、一个或多个压力板、端板或其组合，其中每个流动板具有流动通道，该流动通道在该流动通道的每端处具有至少一个入口和至少一个出口，一个或多个连接口配置在流动板的外侧和流动通道之间，其中所述流动通道具有覆盖所述流动板的曲率，其中所述流动通道的曲率具有一个或多个弯曲区域形式的混合区域，并且所述混合区域在所述流动通道的弯曲区域处呈拐角的形式。
2.如权利要求1所述的多用途流动模块，其特征在于，连接口装备有用于瞬时或受控地压力释放的安全装置。
3.如权利要求1或2所述的多用途流动模块，其特征在于，流动通道构造并设计成形成栓塞流。
4.如权利要求1-2任一项所述的多用途流动模块，其特征在于，流动通道具有靠近流动通道的每个边缘配置或者在流动板的一侧或流动板的两侧上沿着流动通道的周边配置的伸出区域。
5.如权利要求1-2任一项所述的多用途流动模块，其特征在于，压力板在与垫片的另一侧上的流动通道相对放置。
6.如权利要求5所述的多用途流动模块，其特征在于，垫片具有与流动通道相对应的印制或压缩区域。
7.如权利要求1-2任一项所述的多用途流动模块，其特征在于，垫片贴靠一个或两个端板、贴靠一个或两个阻挡板、贴靠一个或两个覆盖板、贴靠一个或两个另外的流动板、贴靠一个或两个热交换器板或其组合来闭合或密封流动板。
8.如权利要求1-2任一项所述的多用途流动模块，其特征在于，阻挡板由导热材料或隔离材料制成。
9.如权利要求1-2任一项所述的多用途流动模块，其特征在于，多用途流动模块包括一个或多个流动区段和一个或多个热交换器区段。
10.如权利要求1-2任一项所述的多用途流动模块，其特征在于，热交换器区段包括具有与流动板的流动通道的区域相对应的通道或凹入部的热交换器板。
11.如权利要求1-2任一项所述的多用途流动模块，其特征在于，热交换器区段包括具有与流动板的流动通道的区域相对应的切穿通道或凹槽的热交换器板。
12.如权利要求1-2任一项所述的多用途流动模块，其特征在于，热交换器板具有带有被插入的结构化的包装材料的切穿区域，或者具有翼部或翅片的切穿区域，或者被插入的结构化包装材料和具有翼部、翅片的切穿区域的组合。
13.如权利要求12所述的多用途流动模块，其特征在于，切穿区域为切穿通道。
14.如权利要求1-2任一项所述的多用途流动模块，其特征在于，热交换器区段是非流体热传递构件或珀耳帖元件。
15.如权利要求1-2任一项所述的多用途流动模块，其特征在于，热交换器板在热交换器板的相对侧上具有插入入口管、出口管或两者的切穿区域、通道或凹入部。
16.如权利要求1-2任一项所述的多用途流动模块，其特征在于，热交换器板在热交换器板的相对侧上具有插入入口管、出口管或两者的切穿通道或凹槽。
17.如权利要求1-2任一项所述的多用途流动模块，其特征在于，入口管、出口管或两者具有被插入的热电耦。
18.如权利要求1-2任一项所述的多用途流动模块，其特征在于，一个或多个阻挡板被焊接在至少一个流动板的一个平侧或两个平侧上、至少一个热交换器板的一个平侧或两个平侧上，或者焊接在流动板和热交换器板的组合上。
19.如权利要求1-2任一项所述的多用途流动模块，其特征在于，一个或多个阻挡板被铜焊在至少一个流动板的一个平侧或两个平侧上、至少一个热交换器板的一个平侧或两个平侧上，或者铜焊在流动板和热交换器板的组合上。
20.如权利要求1-2任一项所述的多用途流动模块，其特征在于，流动区段、热交换器区段水平或垂直叠置。
21.一种多用途流动模块，包括具有作为单一部件制造的流动板部分和热交换器板部分的至少一个流动区段，具有带有一个入口和一个出口的流动通道、沿着与流动通道连通的流动区段的至少一个外侧而配置的一个或多个连接口、垫片和用于密封流动通道的板、被插入元件和用于密封热交换器板部分的板，其中所述流动通道具有覆盖所述流动板的曲率，其中所述流动通道的曲率具有一个或多个弯曲区域形式的混合区域，并且所述混合区域在所述流动通道的弯曲区域处呈拐角的形式。
22.如权利要求21所述的多用途流动模块，其特征在于，用于密封流动通道的板和用于密封热交换器板部分的板是一个或多个阻挡板、覆盖板、压力板、端板、隔离板或其组合。
23.如权利要求21所述的多用途流动模块，其特征在于，连接口是：
用于反应物的入口、用于另外流体的入口、用于工艺流体的出口、用于在随后阶段供应到流动通道的中间产品的出口、用于测试样品的出口、喷射口、入口分配器，
装备有用于瞬时或受控地压力释放的安全装置，
装备有热电耦，
被堵塞或其组合。
24.如权利要求21所述的多用途流动模块，其特征在于，至少一个连接口和至少一个入口是入口分配器，在分配器的出口处具有一个或多个孔。
25.如权利要求24所述的多用途流动模块，其特征在于，孔位于分配器的出口处的同心圆内。
26.如权利要求22所述的多用途流动模块，其特征在于，至少一个阻挡板或至少一个垫片是薄膜。
27.如权利要求21所述的多用途流动模块，其特征在于，脱气装置配置在至少一个流动板的出口处。
28.一种用于在如权利要求1-27任一项所述的多用途流动模块中提取、反应、分离、混合或其组合的方法，包括：
将第一材料流经由一个或多个入口装置引入流动通道，
经由流动通道传送第一材料流，
经由一个或多个另外的连接口将一种或多种另外材料任选地引入第一材料流，
通过入口分配器、入口阀、出口阀或其组合的帮助调节材料流、流动速度、停留时间或其组合，其中入口分配器、入口阀、出口阀或其中以脉冲模式或连续操作，并且
通过一个或多个热电耦的帮助来调节温度，并且
控制来自于一个或多个热交换器板的热传递。
29.一种用于在如权利要求1-27任一项所述的多用途流动模块中提取、反应、分离、混合或其组合的方法，包括：
将第一材料流经由一个或多个入口装置引入流动通道，
经由流动通道传送第一材料流，
经由一个或多个另外的连接口将一种或多种另外材料任选地引入第一材料流，
在流动通道中形成材料栓塞流。
30.如权利要求28或29所述的方法，其特征在于，流动通道中的材料流被调节以便形成经过多用途流动模块的材料栓塞流。
31.如权利要求28或29所述的方法，其特征在于，该方法还包括通过混合区域的帮助形成材料栓塞流。
32.如权利要求28或29所述的方法，其特征在于，流动通道中的材料流通过连接在连接口上的IR分光计、UV分光计、质量分光计、气相色谱分析装置或其组合的帮助来识别。
33.如权利要求28或29所述的方法，其特征在于，一个或多个传感器单元、IR分光计、UV分光计、质量分光计、气相色谱分析装置或其组合将信号发送到计算机或数据处理单元，并且计算机或数据处理单元被编程以便处理进入的信息，并且发送用于控制流动调节单元、温度调节单元或其组合的信号。
34.如权利要求1-27任一项所述的多用途流动模块用作反应器的应用。
35.如权利要求1-27任一项所述的多用途流动模块用作提取器或混合器的应用。
36.如权利要求1-27任一项所述的多用途流动模块用作实验室设备、试验工厂设备或者全面设备的应用。
37.如权利要求1-27任一项所述的多用途流动模块用于制造化学品的应用。
38.如权利要求1-27任一项所述的多用途流动模块用于制造用于医药的化学产品的应用。
39.如权利要求1-27任一项所述的多用途流动模块用于制造精炼化学品的应用。
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