CN102421518B - 制造反应器以及反应器组的方法 - Google Patents

Abstract

一种制造具有流道系统的目标反应器的方法，在所述目标反应器中持续流入所述目标反应器的多个反应物混合并相互转化以形成持续流出所述目标反应器的产物的目标体积流率(f₂)，其中基于湍流或过渡性湍流中所述目标反应器的最小水力直径(d_h2)和具有相同流体性类型的流道系统的标准反应器的相应最小水力直径(d_h1)之间的关系式(1)计算d_h2，其中n为非整数，且1＞n≥0，f₁为进行相同相互转化的所述标准反应器的标准体积流率，以及f₂为所述目标体积流率。

Description

制造反应器以及反应器组的方法

技术领域

本发明涉及一种制造反应器尤其是如专利公开号为EP 1839739A1的欧洲专利申请中所披露的微反应器以及反应器组的方法。

背景技术

作为反应器的实施例，在专利公开号为EP 1839739A1的欧洲专利申请中披露了微反应器。反应器是被提供用于一个以上反应物或析出物(通常包括多个反应物的混合物)的反应以及用于通过在混合之前、期间和/或之后加热或冷却或热缓冲所述反应物以在一定程度上控制所述反应物的反应的反应设备。用于在小区域内进行化学反应的其他微反应器可由例如公开号为EP-A-0688242、EP-A-1031375、WO-A-2004/045761和US-A-2004/0109798的专利申请获知。

在反应器中进行的化学反应可分为各种类型的反应。根据根据本发明的方法制造的反应器优选设计为进行称为B型的反应。B型反应，例如维蒂希反应或芳香胺和双乙烯酮的乙酰乙酰化反应，为具有1s至10min范围的通常反应时间的快速及温度敏感反应。对于B型反应，重要的是所述反应温度或温度状况。因此，混合及滞留区的容积必须适应于流速，使得处理反应物在微反应器内于明确定义的条件(即温度状况)下保持明确定义的时间。

研发合适的反应器(如微反应器)中，首先，必须确定在其中发生的化学反应、预期体积流率(即其输出量(每单位时间))、以及-可能作为这些因素的结果-反应器确切类型和原理设计等等。在没有反应器能够满足所有要求的情况下，可以(必须)定制。在已在使用的反应器能够满足除了预期目标体积流率以外的所有要求的情况下，至少有三个选项来得到预期目标体积流率(应该注意而不失一般性的是，在本文中，在适当的时候，其指的是通过目标反应器提高体积流率，又称为“按比例放大”，但是发明的方法理所当然地也适用于降低体积流率，称为“按比例缩小”)。

(1)可以扩大反应物的混合。然而，该过程对例如混合操作、放热、沉淀现象、乳化等是不利的。(2)可以增加反应器的数量，又称为数量放大或平行化。然而，由于化学计量法无法在所有连接的反应器中完全相等，平行化不利地需要强化控制独立微反应器中的每一个的反应参数，所述独立微反应器形成了实际上分开的“反应通道”。此外，涉及的反应器越多，清洁工作就越大量并且清洁所述独立反应器中的每一个的时间安排越复杂。(3)所使用的反应器的尺寸可以被放大。然而，这不能仅仅通过如“延伸”反应器(即其流道系统)来完成，这是因为混沌状态、尤其是在所谓混合区，这种放大将导致流体动力学的变化因而改变了反应条件。对于术语，即为了提高其可能的体积流率以及从而提高其产率(工程方案，而不是调节化学和物理反应参数)的反应器的“尺寸放大”，本文优选使用上述术语“按比例放大”。

发明内容

本发明的目的是提供一种制造目标反应器尤其是微反应器的方法，其通过流入目标反应器的多个反应物或析出物在目标反应器内进行的化学反应获得预期产物的目标体积流率，其是从被设计为产生相同的产物但具有与目标体积流率不同的体积流率的标准反应器开始。

通过根据权利要求1中的特征的方法达到了以上的目的。在从属权利要求中限定了其有利的变体。权利要求5涉及成组的标准反应器和目标反应器，所述目标反应器根据权利要求1的方法制成。

根据本发明(权利要求1)，在一种制造具有流道系统的目标反应器的方法中，其中在所述目标反应器中，持续流入目标反应器的多个反应物混合并相互转化以形成持续流出所述目标反应器的产物的目标体积流率f₂，其中基于湍流或过渡性湍流中目标反应器的最小水力直径dh₂和具有相同流体性类型的流道系统的标准反应器的相应最小水力直径d_h1之间的关系式

$d_{h2}=d_{h1}{\left(\frac{f_2}{f_1}\right)}^{\frac{3-n}{7-n}}---\left(1\right)$

计算dh₂，其中n为非整数，且1＞n≥0，f₁为进行相同相互转化的标准反应器的标准体积流率，以及f₂为目标体积流率。所述最小水力直径位于所述多个反应物混合的区域(以下称为“混合区”)。

在包括串联连接的多个处理板的模块化反应器中，“流道系统”理所当然地为独立处理板中的每一个的“子流道系统”的总和，所述独立处理板通过下述合适的接头相互连接，以及这些子流道系统的第一个和最后一个通过合适的接头分别与一个以上的泵以及一接收容器连接。

因此上述“流体性类型”可具有以下特征或可结合以下特征：(1)流道系统主要向两个维度延伸；(2)流道系统包括：(a)供应通道，至少一个供应通道针对于多个的反应物中的每一个，其合并多个反应物用于反应，(b)曲流流道，(c)至少一个排出通道，其用于排放待大量生产的产物的产物，以及(d)接头(接口)，其用于内部和外部的连接，即微反应器的泵和多个供应通道之间的入口，在超过一个处理板的情况下多个处理板的各对之间的连接接口，以及所述微反应器的至少一个排出通道和产物收集设备(例如，容器或反应后保留容积腔)之间的出口；以及(3)使得曲流流道包括至少两种区域类型的曲流结构的形状和尺寸，曲流流道包括至少一个湍流混合区以及至少一个基本上层流保留区，在所述至少一个湍流混合区中在湍流态下主要发生多个反应物之间的化学反应和多个涡动(此处雷诺数范围在200-2000之间)、以及定义了最小水力直径(所述最小水力直径反过来被视为混合区的特征)，所述至少一个基本上层流保留区的特点是宽度、高度和长度，其主要任务是在层流态下不混合(压降)但进行热交换。作为旁注，应当认识到在保留区也发生混合，尽管混合程度要小得多。在保留区中所观察到的混合效应又称为第二混合。最终，在边缘以弧线形式生成的涡系诱导产生了混合，所述涡系沿着所述通道行进。应当明确注意的是，对于湍流混合区和层流保留区，考虑到它们各自的任务，它们的按比例放大标准是不同的。

因此，在湍流状态下，“对于混合的按比例放大标准”是每单位体积的能量输入。在较高流率下，由方程(1)反映相对于该能量输入的所计算得的水力直径。压降越高所获得的能量损耗越大。压降的主导因素由混合区造成，这是在高流率运行微反应器时必须处理的主要区域。例如，流率从100mL/min升至200mL/min时，混合区的水力直径增大为1.34倍。在滞留区中所述情况是不相同的。本文中，对于本领域技术人员显而易见的是，可以使所述板的几何结构(宽度×高度)保持相同但是长度增大。如上所述，滞留区的主要任务是不混合但进行热交换。因此，对于滞留区的按比例放大标准并非水力直径，而是保持通道几何结构恒定(尽可能的长)。然而，在一些高体积流率的情况下，需要增大通道高度但维持相同的通道宽度在例如从0.5×5mm²至0.5×8mm²或0.5×10mm²的范围内。因为热交换至关重要，所以在该区域中的通道宽度是至关重要的按比例放大因素，并保持从小板到大板的恒定。

因此，本发明的目的在于，基于上述标准反应器的物理量以及目标反应器预期具有的目标体积流率制造目标反应器。如上所述，在本文中是指-不失一般性-由适用本发明原理的由标准反应器按比例放大得到的目标反应器的情况，即f₂＞f₁的情况，理所当然地，同样适用于f₁＞f₂的情况(按比例缩小)。本发明的目的是，或者表示为，避免当体积流率从可得到的或公知的反应器的f₁增大至目标反应器的f₂时多个目标反应器的平行化。如上所示，由混合区的流率以及几何结构所给定的、在混合区的入口和出口之间的压降，而不是通过所述泵促进反应物流动的方式提供的所述入口压力的绝对值，是确定它们之间的混合效率的决定性物理量。事实上，相当于-物理上以及相关术语上-电子学中电阻器的电压降的该压降，是对传递到所述系统的能量，此处是反应物的流动，以及对所述混合效率的度量。具体而言，根据本发明传递到反应物的混合中的能量为大约70％，而对于保留区的相应值为大约25％或更少。剩余部分的能量被传递到所述接头(配件)。有利地，在必要区域(即混合区)内沿着所述流容易测量到压降。

此外，除了上述流道系统，根据本发明，标准反应器是不受限制的；其可为模块化的或非模块化的类型的反应器。在模块化的反应器的情况中，所述流道系统可由EP 1839739A1冲所披露的微反应器中的板状处理模块形成。

下文将简单推导方程(1)。

在长直通道区域中，其中所述流动几乎完全是层流式的(即保留区)，而短通道区域中(即混合区)，其中所述流动接近于完全湍流式，所述流动系统内的压强损失可由包括针对动能和可忽略的势能的项的伯努利方程表示。关于术语，应当注意的是，本文中通道被分为混合区和层流区，混合区和层流区间隔排列并有各自的长度L_i，其中每一个混合区是混合元件的串联(涡系的位置)，犹如绳子上的珍珠。位于混合元件内的所述部分通道中具有重要的有效的水力直径d_h，下文简称为“混合元件内的通道”。由于水力直径d_h，i是引起混合、涡动、以及由此相关联的能量损失的原因，在忽略所述层流区的意义上得到近似值。

具有各自长度L_i和各自水力直径d_h，i的N个混合元件的全部压强损失可由以下方程给出：

$\mathrm{\Δp}=\mathrm{\Σ}(\frac{C_{\mathrm{ji}}}{{\mathrm{Re}}_i^n}\·\frac{L_i}{d_{h,j}}\·\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{w}_i^2)---\left(2\right)$

其中w_i为第i个混合元件内的特征性流体速度，C_f是摩擦系数，Re是指数为n的雷诺数。

每一个混合元件都可以其特征性水力直径d_h以及其长度L为特征。我们发现，在按比例放大或按比例缩小以获得类似流动条件和输入到流动系统的类似能量期间，二者长度比例的比应保持恒定，这导致了类似混合时间中类似的混合效率。对于混合区内的通道，压强损失可由以下方程表示：

$\mathrm{\Δp}=N_i\frac{C_{\mathrm{ji}}}{{\mathrm{Re}}_i^n}\·\frac{L_i}{d_{h,i}}\·\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{w}_i^2---\left(3\right)$

分母中雷诺数Re的指数n取决于混合区通道中的流态。对于完全层流或完全湍流，n分别是1和0。在复合的混合元件中，在直线层流和完全湍流之间的过渡流往往是主要的，这导致了非整数n具有介于0和1之间的值。尤其是在接近0的区域(主要是湍流式或几乎完全湍流式)中，其偏差的公差高于接近1的区域(主要层流式)。对于T形混合区中介于100和1000之间的Re的流态，我们发现指数为大约1/3。

结合方程2和3，并使用近似值f≈d_h ²w(水力直径[m]×平均流体速度[ms^-1])[m³s^-1]，以及其结果如d_h＝(f/w)^1/2和Re＝d_hw/v＝f/vd_h结合方程3，根据以下方程得到水力直径d_h：

$d_h={\left(\frac{N_i{L}_i{C}_f}{2\mathrm{\Δp}}\mathrm{\ρ}{v}^n{f}^{2-n}\right)}^{\frac{1}{5-n}}---\left(4\right)$

其中v是指运动粘度[m²s^-3]，f是指体积流率[m³s^-1]，ρ是指密度[kgm^-3]。

本发明的发明者发现混合效率强烈取决于通道几何结构和局部能量损耗率，所述局部能量损耗率即是在在至少两个流的混合期间所转化的压力能的损失。通道引导所述流动并使所述流发生偏转。除了剪切力，新的流-垂直力作用于流体并生成二次流结构、涡系、以及回流区。为了避免产生疑义，初级流结构是由在微通道中的反应器材料产生的硬编码的流动结构。通过交替混合元件或重复偏转流动，该二次流涡系的快速变化导致有效的流动混合。为了生成这些二次流结构和涡系，流体需要从流体的压强消耗的机械能。因此，我们使用每单位体积的压降来度量混合，用能量损耗率ε来表示：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δpf}}{m}=\frac{\mathrm{\Δpw}}{\mathrm{\ΔL\ρ}}---\left(5\right).$

使用有效通道长度ΔL(超过该值将发生压强损失)等于所有混合元件的长度的总和的近似值时，我们定义ΔL为ΔL＝N_iL_i。在混合通道中损耗的能量越多，混合时间越短，这是由于二次流体结构(即涡系和回流区)更短，其中发生的物质的扩散作为混合最后的度量。物质扩散，即混合时间t_m[s]，可由施密特数Sc、运动粘度v[m²s^-3]和主要物质的扩散率的比来表示：

$t_m=C_m\·\mathrm{Sc}\·{\left(\frac{v}{\mathrm{\ϵ}}\right)}^{\frac{1}{2}}---\left(6\right).$

混合系数C_m由J.R.Bourne在[J.R.Bourne，Org.Process Res.Dev.7，2003，471-508]一文中给出作为数值为17.3的卷吞比率(engulfment rate)。现在可以将水力直径和体积流率以及通常混合时间关联起来：

$d_h={\left(\frac{t_m}{C_m\mathrm{Sc}}\right)}^{\frac{2}{7-n}}{\left(\frac{C_f}{2L_i}{v}^{n-1}{f}^{3-n}\right)}^{\frac{1}{7-n}}---\left(7\right).$

对于微反应器的大多数工业应用，数值为1.0、5.0、20bar的通常压强损失和数值为0.1、0.01、0.001秒的混合时间展现适当的范围。

对于工业应用，微反应器中指数n的合适的值从0(完全湍流)升至大约1/4(过渡性湍流和低湍流)直至大约1/3(层流式涡流)。由于混合效率较小，此处不考虑具有指数n为1的整个层流。

使用水力直径和压降的相关系数：

$\mathrm{\Δp}=\left(\frac{i{L}_i{C}_f}{2}\mathrm{\ρ}{v}^n\right)\frac{f^{2-n}}{d_h^{5-n}}---\left(10\right),$

抵消所述压降所需要的抽运功率可表示为：

$P_p=\mathrm{f\Δp}=\left(\frac{i{L}_i{C}_f}{2}\mathrm{\ρ}{v}^n\right)\frac{f^{3-n}}{d_h^{5-n}}---\left(11\right).$

因此，为了获得类似混合时间，直径和体积流率的比应当按照以上所示的方程1。

$d_{h2}=d_{h1}{\left(\frac{f_2}{f_1}\right)}^{\frac{3-n}{7-n}}---\left(1\right)$

在合适的流态(湍流(n＝0)以及过渡性湍流(n分别＝1/4和1/3))下，指数的实施例分别为3/7＝0.4286(最佳)，11/27＝0.4074以及2/5＝0.4(二者产生仍然可接受的物理参数)。与之相比，在整个层流态下的指数(n＝1，即微反应器混合不充分)为2/6＝0.3333。因此，要获得可接受的、可比较的混合时间以及根据可接受的压降(即要求抽运功率)和能量损耗(即输入到所述流的能量)来表示的效率，指数应在0.4286至0.4的狭窄范围内。

相较不合适的比1，在合适的湍流/过渡性湍流比(例如1/4和1/3)流量所需的最佳水力直径的结果，证明当n在优选n-范围之外时发生巨大变化。根据方程1，在湍流区向过渡性湍流区1/4(75％)和1/3(大约66％)，流量增大10倍，得到的最佳水力直径分别比最佳水力直径小5.0％和6.8％。可忽略该偏差。与在50％湍流和过渡性湍流比流量增大10倍相比较，结果比最佳水力直径小24.5％。

n在优选范围之外时，所需的抽运功率的结果也是显著的。对于10倍增大的流率，减小大约7％的水力直径需要接近双倍抽运功率以在湍流区域获得类似混合时间。减小33％的水力直径需要将近10倍抽运功率。与针对湍流的得自方程1的值相比较，流率增大10倍时，水力直径增大22％，相当于混合时间增加2倍。

因此，更小直径需要更大抽运功率，而更大直径导致更慢混合。

通道的几何结构、流态(由雷诺数确定，(流率×水力直径)/运动粘度的比，其应大于100，优选大于300)以及压降。流道的水力直径或者当量球面直径d_h一般定义为d_h＝4A/U，其中A为横截面积，U为流道横截面的湿周。通过上述雷诺数Re的定义，即R_e：＝ρfd_h/μ，其中d_h为所述水力直径，可建立其与雷诺数Re的联系。其他的量为流体密度ρ，流率f，动态粘度μ。应当注意的是，方程(1)仅适用于湍流，这是在专利号为EP 1839739的欧洲专利中披露的微反应器的按比例显著放大混合区以及其变型中给定了的限制。

尽管标准反应器和目标反应器的原理设计保留不变，但是可使本领域技术人员公知的一些物理变量适当地适应标准反应器体积流率到目标反应器体积流率的体积流率变化。根据本发明将给定尺寸按比例放大到下一个较大尺寸(例如，将DIN A5面积相当处理板(area equivalent process plate)扩大到DIN A4面积相当处理板)最有利的是，混合区中压降的改变介于1/3至1/7的范围间，而混合区的宽度和高度每一次增大1.3至1.4。一般，在按比例放大处理中，最小滞留时间将不能被削减。进一步的变量为曲流结构的“弯曲”的数量、这些弯曲的幅度、以及其宽度和高度、保留区的体积(例如，作为体积流率增加的结果，其不得不放大)。对于保留区的变化，应当注意的是，压降的减小并非保留区放大的线性函数，因为入口也影响压降。

根据本发明的优选方面，目标反应器为微反应器。应当注意的是，本文中微反应器包括至少一个具有上述多个混合元件的混合区，其中每一个混合元件内在反应物混合物通过期间能量损失相等。

根据本发明的第二方面，限定了标准反应器和目标反应器的组，目标反应器可基于标准反应器以及上述保持标准反应器的化学反应性能的方法制得。

应当注意的是，方法和根据本发明制造的反应器优选但不仅限用于医学发展的临床阶段I-III，其中，从阶段I至阶段III，测试所需的人数以及随其待测试的医疗物质的量都增加了。

附图说明

进一步目标、优点以及特征可来自从属权利要求以及本发明所述的实施方式。随附：

图1显示了公知微反应器系统组件的立体视图。

图2显示了图1所示微反应器系统组件旋转180°的立体视图。

图3显示了图1所示微反应器系统的纵截面。

图4显示了图1所示微反应器系统组件的热调节模块的正面剖视图。

图5显示了图4中热调节模块的左视图。

图6显示了图1所示微反应器系统组件的混合模块的正面剖视图。

图7显示了图6中显示为“X”的左上角的放大图。

图8A和8B显示了尺寸为2的标准反应器的处理/混合模块的实施例(图8A)以及按比例放大到尺寸3的目标反应器的处理/混合模块的实施例(图8B)。

图9显示了标准反应器、按比例缩小的目标反应器以及按比例放大的目标反应器的处理模块的三种不同形状流道部分。

图10图示了本发明所应用的不同混合器形状。

具体实施方式

在下文中，将参照作为标准反应器的实例的本发明人在EP 1839739A1中所披露的微反应器描述根据本发明的方法。当然，根据本发明的方法可应用于流体动力学可由与上述微反应器相同的参数确定的任何其他反应器。

一般，标准反应器可为生产预期产物的任何已有反应器，所述反应器包括至少一个湍流态以及至少一个层流态，但具有预期产物的不同(或大于或小于)体积流率。另外，标准反应器可为目标导向型的研发处理的结果以生产预期产物，其研发处理可构成按照本发明的方法的初始步骤。该目标导向型的研发处理可开始于生产预期产物的初始目标，以及因此可包括通过各种阶段从初始反应器原型到能够生产具有预期质量和化学特征性特征的产物的最终反应器原型来设计和构建合适的(标准)反应器的通常工程工艺。换而言之，该目标导向型的处理的主要方面在于达到能够生产预期化学产物而不是特定目标体积流率的产物的反应器原型并可作为标准反应器使用。

根据本发明，使用作为能够生产任何量的预期产物的实施例的包括至少一个湍流态以及至少一个层流态的标准反应器，来制造获得预期目标体积流率的预期产物的目标反应器。换而言之，根据本发明的方法，是从能够生产具有相同质量和相同化学特征性特征但具有与预期目标体积流率不匹配的体积流率的预期产物的适当标准反应器开始。

本发明申请人所研发的针对B型化学反应的标准反应器的实施例为专利公开号为EP 1839739A1的欧洲专利申请中所披露的微反应器。对应于专利公开号为EP 1839739A1的欧洲专利申请中的图1、2、17的本文中的图1至3，显示了该公知微反应器的整体模块化结构。对应于专利公开号为EP 1839739A1的欧洲专利申请中的图3至6的本文中的图4至7，显示出作为该公知微反应器的各种处理模块的实施例的温度调节模块1和混合模块2。

图1、2、3中所示微反应器按顺序包括第一框架装置10，第一热交换模块7，作为处理模块的热调节模块1，第二热交换模块8，作为进一步处理模块的混合模块2，另一第一热交换模块7，作为进一步处理模块的保留模块3，另一第二热交换模块8，分别夹在两个热交换模块7、8之间的进一步保留模块4、5、6，以及第二框架装置9。因此，提供了介于所述第一和第二框架装置10和9之间的交替的第一或第二热交换模块7和8以及处理模块1-6。如图1、2中所示，两根拉杆13相向地推动第一和第二框架装置10和9，从而压紧堆叠的热交换模块7和8以及处理模块1-6。在微反应器系统组件的周围放置拉杆13，在接触热交换模块7和8的框架装置10和9表面中心内提供腔(参见图3)，在微反应器系统组件周围可获得高压。

提供图5和图6所示温度调节模块1作为第一处理模块。所述温度调节模块1包括与第一反应流体入口1C和第一反应流体出口1F连通的第一反应流体通道1A，以及与第二反应流体入口1D和第二反应流体出口1E连通的第二反应流体通道1B。第一反应流体通过第一反应流体入口1C被供应到第一反应流体通道1A。第二反应流体通过第二反应流体入口1D被供应到第二反应流体通道1B。进一步，所述温度调节模块1包括通过焊接等方法相互接合的第一板1M和第二板1N(参见图6)。在所述第一板1M和/或第二板1N的接触表面内，通过蚀刻、铣削等等刻有正弦曲线形的反应流体通道1A和1B。当所述第一反应流体通过所述第一反应流体通道1A朝向所述第一反应流体出口1F流动时，通过夹着所述温度调节模块1的两个热交换模块7和8调节所述第一反应流体的温度。另外，热交换流体流经热交换模块7和8时，通过接触所述温度调节模块的板1M和1N的热交换模块的板7N和8M的热传导，供应热到所述第一反应流体或去除所述第一反应流体的热。

提供图6和7中所示的混合模块2作为第二处理模块。尽管未具体示出，但是所述混合模块2包括类似于上述温度调节模块1的第一板和第二板。在所述混合模块中，提供包括混合段2G和第一保留段2I的反应流体通道2A。与所述反应流体通道2A连通的第一反应流体入口2C，通过外部连接(未图示)，连接到温度调节模块1的第一反应流体出口1F。类似地，与反应流体通道2A连通的第二反应流体入口2D，连接到温度调节模块1的第二反应流体出口1E。因此第一和第二反应流体分别在流经所述温度调节模块1之后流入混合模块2内的通道2A的混合段2G，其中所述两种反应流体相互混合。如图7中的放大图示出的混合段2G的几何结构，可适当地被选择用于以最佳方式混合反应流体。被混合之后，所生成的处理流体流入反应流体通道2A的第一保留段2I，第一保留段2I基本上形成为平坦通道，从而提供处理流体基本上的层流。在混合段2G和第一保留段2I内的混合和滞留期间，可通过夹着所述混合模块2的两个热交换模块8和7对化学反应进行温度控制。

离开反应流体通道2A并通过反应流体出口2E的处理流体，进入各种保留模块3-6，如同之前针对温度调节模块1和混合模块2所述的，在保留模块3-6中通过与每一个保留模块相邻的两个热交换模块7和8对处理流体进行温度控制。在该方式中，反应流体在通过最终处理模块的出口6D离开微反应器系统组件之前可流经所有后续保留模块4-6。

在每一个保留模块3-6内的滞留时间由保留体积(即段(宽度×高度)×容纳处理流体的通道3A-6A长度)除以体积流率来定义。因此，通过提供单一通道的不同宽度、长度和/或高度，可获得不同的滞留时间。通过结合不同的保留模块和不同的通道几何结构，从而几乎可以任意选择滞留时间。

处理模块1-6中的反应流体通道为通过蚀刻、铣削等等所得到的微结构。由于热交换模块7和8被分别制造，它们可被制造为不具有所述微结构，因此降低了成本。此外，由于所述热交换模块7和8不接触反应物，它们不需要抗腐蚀和抗处理高压，因此这使得采用的材料可以针对热传递进行优化。

由于其模块化结构，上述微反应器提供了高适应性，并允许结合不同的混合通道几何结构和不同保留模块，从而提供任意选择的滞留时间，尤其是对于B型反应。通过两个相邻热交换模块7和8对每一个所述处理模块1-6进行温度控制。由于热传递仅通过经过热交换模块7和8的板1M-8M和1N-8N的热传导来实现，所以处理模块1-6非密封或等等是必须的。此外，有利地，处理模块1-6可针对其内所容纳的反应物来优化，例如，抗腐蚀和/或抗压，同时热交换模块7和8不接触反应物，热交换模块7和8可针对热传递和/或密封特征来优化。

对于DIN A5尺寸的微反应器(即具有对应接近DIN A5的板表面积的微反应器)，其具有例如100ml/min的给定流率、大约1844mm的处理模块通道长度、10mm的通道高度以及0.5-2mm的通道宽度，在实施例测试中实现了每个模块滞留时间为6-22sec。因此，可实现高达30min的整体滞留时间。附带地，通过铣削现有的流道系统和改变混合区的尺寸，可用原始DIN A5尺寸的微反应器，即具有未修改的边缘长度，模拟DIN A4尺寸的微反应器。

至于与上述微反应器的结构和运行方式相关的其他技术细节，参照专利公开号为EP 1839739A1的欧洲专利申请。

一般，如上所述，用于作为制造获得预期产物的目标体积流率的目标反应器的起始点的标准反应器具有流道系统，其中持续流入标准反应器的多个反应物混合并相互转化以形成持续流出标准反应器的预期产物的体积流率f₁。(最大)体积流率f₁取决于流道系统(最小水力直径、流道系统长度、压强、温度状况)和反应物(粘度、反应率)的流-相关的一些特征性特征。参照如专利公开号为EP 1839739A1的欧洲专利申请所披露的微反应器，该流道系统可包括例如图4和图5中所示温度调节模块1的流体通道1A和1B，以及图6和图7中所示混合模块2的流体通道2G、2A和2I。

从能够生产具有预期质量和预期特征性特征的产物、但获得不同于目标体积流率f₂的体积流率f₁的标准反应器开始，目标反应器将制造为能够产生相同产物的目标体积流率f₂。标准反应器的体积流率f₁可由测量或计算的方式来确定。在标准反应器为例如如专利公开号为EP 1839739A1的欧洲专利申请所披露的模块化反应器、其由分别包含子流道系统的一些处理模块组合而形成的情况下，对于作为子流道系统的总和的整个流道系统，其中整个流道系统中仅有一个最小水力直径，必须采用根据本发明的方法。

根据本发明的方法提供了由例如测量或计算的方式来确定标准反应器流道系统的最小水力直径d_h1(最小标准水力直径)，以及提供了基于标准反应器的最小水力直径d_h1、标准反应器的标准体积流率f₁和目标反应器的目标体积流率f₂之间明确定义的关系来计算目标反应器的相应最小水力直径d_h2(最小目标水力直径)。

如上所述，根据本范明，优选以下方程满足：

$d_{h2}=d_{h1}{\left(\frac{f_2}{f_1}\right)}^{3/7}---\left(1\right)$

有了计算得到的d_h2之后，本领域技术人员根据各自的需要，容易定义以及改变目标反应器流道系统的剩余设计参数(如长度、形状等)。有了被定义以及改变的目标反应器流道系统的剩余设计参数之后，目标反应器的外形尺寸可相对于标准反应器而发生变化。

图8A和8B反映了基于根据本发明的方法的目的。具体来说，图8A和8B显示了标准反应器和目标反应器的板状处理模块的实施例，其中两个混合模块尺寸不同(外形尺寸)并且相应流道系统和其各自按比例放大或按比例缩小的流道系统的形状(例如路线和长度)相互间也基本上不同。同时，图8A所示混合模块可被视为代表标准反应器，图8B所示混合模块可被视为代表目标反应器。尽管相应流道系统形状不同以及板状处理模块外形尺寸不同，基于这些处理模块的大体结构原理是相同的。如图4至6中所述，图8A和8B中所示每一个模块由在其中合并的具有流道系统-或在以上术语中：“子流道系统”-的两个板构件组成。图8A和8B揭示了所示曲流结构在突出物的平面中延伸，所述突出物的平面-在模块化反应器的情况下，例如-可为相应模块所延伸的平面。图8A和8B中所示混合模块可代替上述混合模块1，被并入到如专利公开号为EP 1839739A1的欧洲专利申请中所述的微反应器的结构中。

图8A和8B分别显示了处于正确的三维关系的尺寸2和尺寸3的微反应器(但是不按照DIN 6：DIN 5的当量面积的比例显示)。在每一种情况中清楚地显示出湍流混合区10和层流保留区20。可见，包括湍流混合区10和层流保留区20的流道系统的原理设计是一致的，尽管曲流结构的弯曲30的数量以及幅度40的尺寸不同。对于结构细节本身，参照专利公开号为EP 1839739A1的欧洲专利申请。

图9显示了不同子流道系统的混合区部分，其中每一种情况中的圆圈为浑浊(turboid)混合元件的横截面。第一列的实施例仅包括浑浊混合元件，第二列包括浑浊混合元件和SL-混合元件的组合，最后列包括浑浊混合元件和SZ-混合元件的组合。术语“SL”和“SZ”为表象性质，它们的结构分别看起来类似于相应的大写字母的组合。图10中显示了其他混合器形式，其中图a)至f)分别被称为T-接头、Y-接头、切向混合器、弯、SZ混合器以及LZ混合器。具体来说，图9从第一行到第四行分别显示了具有根据以下表1中的参数“混合宽度”、“混合高度”、“滞留高度”以及“滞留深度”的尺寸1、尺寸2、尺寸3、尺寸4的各种微反应器处理模块的流道部分的示例性结构，其中尺寸3可被视为代表标准反应器，尺寸1和尺寸2可被视为代表按比例缩小的目标反应器，尺寸4可被视为代表按比例放大的目标反应器。因此，当尺寸2被视为代表标准反应器是，尺寸1被视为代表按比例缩小的目标反应器，尺寸3和尺寸4可被视为代表按比例放大的目标反应器等等。

表1

如上所述，一旦计算出目标反应器流道系统的特征最小水力直径dh2，可使用作为与整体结构原理相关的实施例的标准反应器制造目标反应器。基于具体最小水力直径，目标反应器和标准反应器基本上仅在混合区的几何结构上有所不同；保留区的几何结构可适应性改变。如图8A和8B或图9所示，当以标准反应器为起始制造目标反应器时，尽管基本结构原理保持相同，但是水力直径和流道系统的长度都将变化。考虑到目标反应器的目标体积流率将大于或小于标准反应器的标准体积流率的事实，可定义以及改变目标反应器流道系统的其他结构参数(如长度、弯曲的数量、除了最小水力直径之外的所有其它直径等)，以便建立目标反应器合适的流特征。最终外形尺寸(即目标反应器的尺寸)为定义和适应性修改目标反应器流道系统的所有设计特征的结果。

Claims (5)

1.制造具有流道系统的目标反应器的方法，在所述目标反应器中，持续流入所述目标反应器的多个反应物混合并相互转化以形成持续流出所述目标反应器的产物的目标体积流率(f₂)，其中基于湍流或过渡性湍流中所述目标反应器的最小水力直径(d_h2)和具有相同流体性类型的流道系统的标准反应器的相应最小水力直径(d_h1)之间的关系式

$d_{h2}=d_{h1}{\left(\frac{f_2}{f_1}\right)}^{\frac{3-n}{7-n}}$

计算d_h2，其中n为0或n为非整数且1>n>0，f₁为进行相同相互转化的所述标准反应器的标准体积流率，以及f₂为所述目标体积流率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中d_h2＞d_h1。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述目标反应器为包括具有多个混合元件的至少一个混合区的微反应器。

4.标准反应器和目标反应器的组，所述标准反应器包括流道系统，在所述标准反应器中，持续以湍流态或过渡性湍流态流入所述标准反应器的多个反应物混合并相互转化以形成标准体积流率(f₁)，以及所述目标反应器包括相同流体性类型的流道系统，在所述目标反应器中，持续流入所述目标反应器的多个反应物混合并相互转化以形成目标体积流率(f₂)，其中所述标准反应器的最小水力直径(d_h1)和所述目标反应器的相应最小水力直径(d_h2)满足关系式：

$d_{h2}=d_{h1}{\left(\frac{f_2}{f_1}\right)}^{\frac{3-n}{7-n}}$

其中n为0或n为非整数且1>n>0。

5.根据权利要求4所述的组，其中d_h2＞d_h1。