CN102802779B - 微型反应器 - Google Patents
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Abstract
微型反应器可以包括反应通道、入口和出口，所述反应通道具有至少一个弯曲的微通道，所述至少一个弯曲的微通道具有外弯曲表面和内弯曲表面并且被配置为产生离心力；所述入口被配置为将至少一种反应物提供至所述反应通道中，并且所述出口分叉为第一子出口和第二子出口，所述第一子出口与所述至少一个弯曲的微通道的所述内弯曲表面连通，并且所述第二子出口与所述至少一个弯曲的微通道的所述外弯曲表面连通。
Description
背景
微系统是履行非电子功能如感测和传动的微型器件。微系统包括促进化学和/或生物化学反应的微型反应器，以及进行分离和/或分析操作的一个或多个单元。微型反应器包括具有低于1mm的典型横向尺寸的封闭体以促进化学和/或生物化学反应，并且这种封闭体的最典型的形式是微通道。微型反应器提供对化学和/或生物化学反应更容易的过程控制并且减小不期望的副反应的风险。因此，存在将这种微型反应器应用至多种类型的化学和/或生物化学反应的兴趣。
附图简述
图1是显示了微型反应器的示例性实施方案的示意图。
图1B是图1A中微型反应器的平面图。
图2A是显示了微型反应器的另一个示例性实施方案的示意分解图。
图2B是显示了图2A中微型反应器的3维螺旋形构造的示意图。
图3是显示了微型反应器的再另一个示例性实施方案的示意分解图。
图4A是微型反应器的再又另一个示例性实施方案的示意图。
图4B是图4A中的微型反应器的平面图。
图4C是图4A中包括筛网(meshed)过滤器的微型反应器的示意图。
图4D是图4A中包括挡板的微型反应器的示意图。
详述
在以下详述中，将参考所附附图，所述附图形成详述的一部分。在附图中，除非上下文另外规定，同样的符号典型地标识同样的部分。在详述、附图和权利要求中描述的示例性实施方案并不意欲是限制性的。在不脱离本文所给出主题的精神或范围的情况下，可以采用其它实施方案，并且可以进行其它变更。将容易明白的是如本文一般地描述的，以及在附图中示例的，可以将本公开方面以各种各样的不同构造排列、替换、组合、分离和设计，所有这些在本文中明确地预期。
如本文所使用的，术语“相态”是指物质的物理上不同的形式。例如，物质的相态可以包括物质的任何已知状态，如气相、液相和固相。此外，物质的相态可以包括任何混合状态如气液混合相、气固混合相、液固混合相和气液固混合相。气相下的物质具有比液相下的物质较小的密度，并且液相下的物质具有比固相下的物质较小的密度。因此，用于说明的目的，在下文中将把气相下的物质称为与液体或固相下的物质相比较轻的相态的物质，并且将液相或气液混合相下的物质称为相对于固相下的物质较轻的相态的物质。此外，在下文中将把固相下的物质称为比气相、液相或气液混合相下的物质较重的相态的物质，并且把液相下的物质称为比气相下的物质较重的相态的物质。
如本文所使用的，术语“产物”是指在反应过程中形成的物质。参见例如，国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)化学术语概略(Compendium ofChemical Terminology)，第二版(1997)，其通过引用以其全部内容结合在此。如本文所使用的，术语“一种或多种反应物”是指进入至微型反应器中的原始物质。如本文所使用的，术语“反应”是指其中将一种以上物质转化为另一种或多种物质的过程。如本文所使用的，术语“反应”、“反应的”和“反应中的”意指经历如本文所定义的反应。
至少一种反应物可以通过化学或生物化学反应产生一种或多种产物。可以将反应粗略分类为化合、分解、置换和复分解。以实例的方式，在化合反应中，可以将两种以上的反应物化合以产生单一的产物。在分解反应中，可以将一种反应物分离为两种以上产物。此外，在置换和复分解反应中，两种以上反应物中的组成元素可以交换以便产生两种以上的产物。
在一个实施方案中，微型反应器包括具有至少一个弯曲的微通道的反应通道，所述至少一个弯曲的微通道具有外弯曲表面和内弯曲表面并且被配置为产生离心力；所述入口被配置为将至少一种反应物提供至反应通道中；并且所述出口分叉为第一子出口和第二子出口，所述第一子出口与至少一个弯曲的微通道的内弯曲表面连通，并且所述第二子出口与至少一个弯曲的微通道的外弯曲表面连通。
在一些实施方案中，入口可以连接至反应通道的一端，并且出口可以连接至反应通道的另一端。入口可以形成于一个路径或通道中，而可以将出口形成以分支为两个子出口，即，第一子出口和第二子出口。第一子出口可以从至少一个弯曲的微通道的内弯曲表面伸出，而第二子出口可以从至少一个弯曲的微通道的外弯曲表面伸出。因此，第一子出口可以比第二子出口位于更接近于至少一个弯曲的微通道的中心。
因为反应通道包括所述至少一个弯曲的微通道，离心力可以通过所述至少一个弯曲的微通道的曲率产生。所产生的离心力可以施加至流过弯曲的微通道的物质，如反应物或产物，并且可以将物质从弯曲的微通道的曲率中心移开。
弯曲的微通道中的离心力F可以由公式F＝mv2/r表示，其中m是在弯曲的微通道中流动的物质的质量(或密度)并且r是弯曲的微通道中的曲率半径。因此，施加至流过弯曲的微通道的物质的离心力正比于物质的质量或密度。因此，具有较小密度的较轻相态的物质倾向于沿弯曲的微通道中的内弯曲表面流动，而具有更大密度的较重相态的物质倾向于沿弯曲的微通道中的外弯曲表面流动。
在一些实施方案中，所述至少一个弯曲的微通道的每一个可以具有在亚毫米至毫米的范围内的宽度或深度。例如，深度或宽度值不大于约3mm；约1mm；约0.5mm；或约0.1mm。所述至少一个弯曲的微通道的长度可以是任何尺寸。在一些实施方案中，微通道的长度可以在英寸的数量级。例如，微通道的长度不大于约6英寸；约3英寸；约1英寸或约0.5英寸。
在一些实施方案中，所述至少一个弯曲的微通道的长度尺寸可以是变化的或恒定的。例如，所述至少一个弯曲的微通道被配置为3维螺旋形反应通道或旋风型反应通道。
在一些实施方案中，反应通道的所述至少一个弯曲的微通道的一部分可以具有基本上半圆形或半椭圆形形状。所述至少一个弯曲的微通道的横截面可以是任何形状，例如，但不限定于，矩形、正方形、梯形、三角形、圆形或半圆形。
在一些实施方案中，产物或副产物可以通过所述至少一种反应物或者通过流过反应通道中的至少一个弯曲的微通道的两种以上的反应物之间的反应形成。副产物可以包括从反应产生的任意类型的副产物和/或废弃物。在一些实施方案中，至少一种反应物、产物和副产物可以具有彼此不同的相态。以实例的方式，在反应通道中流动的物质(例如，反应物、产物和/或副产物)可以形成多个相态，如气液混合相、气固混合相、液固混合相和气液固混合相。
当具有至少两个不同的相态的物质流过所述至少一个弯曲的微通道时，依赖于每个物质的相态，物质的每一个可以不同地经受所述至少一个弯曲的微通道中产生的离心力。如上所述，离心力正比于流过所述至少一个弯曲的微通道的每一个物质的质量或密度。因此，在物质即所述至少一种反应物、产物和副产物中，具有较轻的相态的物质归因于施加至其上的相对较小的离心力倾向于沿弯曲的微通道中的内弯曲表面流动，并且因此，可以通过从内弯曲表面伸出的第一子出口收集物质。相反，具有较重相态的物质的物质归因于施加至其上的相对较大的离心力倾向于沿弯曲的微通道中的外弯曲表面流动，并且因此，可以通过从外弯曲表面伸出的第二子出口收集物质。因此，所述至少一种反应物、产物和副产物可以在反应通道的所述至少一个弯曲的微通道中的不同路径中流动，并且因此可以根据其每一个的相态分别将它们从第一子出口和第二子出口收集。作为结果，可以将具有多个物理相态的物质通过使用微型反应器根据其每一个的相态容易地并且有效地彼此分离。
在一个实施方案中，微型反应器可以用于进行多种类型的反应如化学和/或生物化学反应。在一些实施方案中，微型反应器可以用于进行其中产物和/或副产物相对于反应物具有不同的相态的反应。
在一个实施方案中，在微型反应器中流动的所述至少一种反应物可以是在微型反应器中的反应过程中产生产物和/或副产物的任何物质。以实例的方式，所述至少一种反应物可以是具有气相、液相和气液混合相中的任一种的任何物质。由反应过程中流过所述至少一个弯曲的微通道的所述至少一种反应物产生的产物可以具有气相、液相、气液混合相、液固混合相和固相中的任一种。任选地由所述至少一种反应物产生的副产物可以具有液相、液固混合相和固相中的任一种。
在一个实施方案中，微型反应器可以通过使用多种公知的显微机械加工技术如图案化、光刻和蚀刻中的任何一种制造。以实例的方式，微型反应器可以通过在基板如金属、硅、特弗隆(Teflon)(注册商品名)、玻璃、陶瓷、塑料、聚合物等上进行显微机械加工制造。以实例的方式，可以使用LIGA(Lithographic Galvanoformung Abformung)技术使用X射线光刻、使用EPON SU-8(商品名)的高纵横比光刻、微放电机械加工(.mu.-EDM)、硅通过深度活性离子蚀刻(RIE)的高纵横比机械加工、热压印、立体光刻、激光机械加工、离子束机械加工以及使用由坚硬物质如钻石制成的微型工具的机械显微切割作为所述显微机械加工技术。这些技术中的任一种可以以其自身单独使用或以其两种以上的组合使用。对于显微机械加工技术的详细说明，请参见在例如“微型反应器，划时代的合成技术(Microreactors，Epoch-making Technology for Synthesis)”(由Jun-ichi Yoshida编辑并由CMC Publishing Co.，Ltd.出版，2003)和“Fine Processing Technology，Application Volume--Application to Photonics，Electronics andMechatronics--”(由日本Meeting Committee of the Society of PolymerScience编辑并且由NTS Inc.出版，2003)中描述的方法，通过引用以它们的全部内容结合在此。
在另一个实施方案中，微型反应器可以包括具有外弯曲表面和内弯曲表面并且被配置为产生离心力的基本上圆形的反应微通道。微型反应器可以还包括入口和出口，所述入口被配置为将至少一种固体催化剂粒子和至少一种反应物提供至基本上圆形的反应微通道中，并且所述出口与基本上圆形的反应微通道的内弯曲表面连通。所述至少一种反应物可以具有气相、液相和气液混合相中的任一种。
因为微型反应器包括基本上圆形的反应微通道，所以可以通过基本上圆形的反应微通道的曲率产生离心力。因此，可以将离心力施加至流过基本上圆形的反应微通道的所述至少一种固体催化剂粒子和所述至少一种反应物。可以对流过基本上圆形的反应微通道的所述至少一种反应物在微型反应器中经受催化反应以形成包括产物的物质。
在一些实施方案中，可以使用微型反应器进行使用至少一种固体催化剂粒子的任何催化反应。在一些实施方案中，可以使用微型反应器进行使用至少一种固体催化剂粒子和至少一种反应物的催化反应。固体催化剂粒子与具有气相、液相和气液混合相中的任一种的所述至少一种反应物之间的催化反应可以形成具有气相、液相和气液混合相中的任一种的产物。如上所述，可以将离心力不同地施加至在圆形的反应微通道中流动的物质。因此，催化剂粒子和通过催化反应形成的产物可以经受不同的离心力。例如，与所述至少一种反应物和产物比较，流过基本上圆形的反应微通道的所述至少一种固体催化剂粒子可以经受更大的离心力，所述至少一种反应物和产物这两者分别具有气相、液相和气液混合相中的任一种。因此，所述至少一种催化剂固体粒子沿基本上圆形的反应微通道中的外圆形表面流动，因为所述至少一种催化剂固体粒子经受相对较大的离心力，并且因此，它被迫使离开产生离心力处的反应微通道中心。相反，所述至少一种反应物和产物沿基本上圆形的反应微通道中的内圆形表面流动，因为所述至少一种反应物和产物经受相对较小的离心力，并且因此，它们在反应微通道的内弯曲表面中流动。因此，可以将所述至少一种反应物和包括具有气相、液相和气液混合相中的任一种的产物的物质从与内弯曲表面连通的出口收集，而可以将所述至少一种催化剂固体粒子保持在基本上圆形的反应微通道中。
在一些实施方案中，基本上圆形的反应微通道被配置为使所述至少一种固体催化剂粒子沿其外弯曲表面循环。因此，可以将保持在微型反应器中的所述至少一种催化剂固体粒子连续地用于催化反应，只要将至少一种反应物连续地提供至微型反应器中即可。
在一些实施方案中，入口可以相切地连接至基本上圆形的反应微通道的外弯曲表面。出口可以从基本上圆形的反应微通道的内弯曲表面突出。以实例的方式，出口可以在远离入口的位置从基本上圆形的反应微通道的内弯曲表面向基本上圆形的反应微通道的中心突出，以使得可以将所述至少一种反应物基本上通过与所述至少一种固体催化剂粒子在微通道中接触转化为产物。因为出口远离入口，可以使所述至少一种反应物沿基本上圆形的反应微通道循环足够长时间以使得所述至少一种反应物充分接触所述至少一种固体催化剂粒子。
具体而言，入口可以在连接点连接至基本上圆形的反应微通道并且出口可以在分支点从基本上圆形的反应微通道分出。以实例的方式，连接点与分支点之间沿基本上圆形的反应微通道的角度为约250度。例如，但不限定于，连接点与分支点之间沿基本上圆形的反应微通道的角度可以是约250度至约360度，约260度至约360度，约270度至约360度，约280度至约360度，约290度至约360度，约300度至约360度，约310度至约360度，约320度至约360度，约330度至约360度，约340度至约360度，约350度至约360度，约250度至约260度，约250度至约270度，约250度至约280度，约250度至约290度，约250度至约300度，约250度至约310度，约250度至约320度，约250度至约330度，约250度至约340度，或者约250度至约350度。例如，但不限定于，连接点与分支点之间沿基本上圆形的反应微通道的角度可以是约250度，约260度，约270度，约280度，约290度，约300度，约310度，约320度，约330度，约340度，或者约350度。
在一些实施方案中，微型反应器可以还包括过滤装置，所述过滤装置被配置为防止所述至少一种固体催化剂粒子流至出口中。以实例的方式，但不限定于，过滤装置可以包括筛网过滤器或挡板。例如，可以使用金属或玻璃制造筛网过滤器。筛网过滤器可以具有至少小于所述至少一种固体催化剂粒子的粒径的筛目大小，以便防止所述至少一种固体催化剂粒子通过出口流出。
在一些实施方案中，基本上圆形的反应微通道可以具有在亚毫米至毫米的范围内的宽度或深度。以实例的方式，深度或宽度值不大于约3mm；约1mm；约0.5mm；或约0.1mm。基本上圆形的反应微通道的长度可以是任何尺寸。在一些实施方案中，基本上圆形的反应微通道的长度可以是英寸的数量级。以实例的方式，基本上圆形的反应微通道的长度不大于约6英寸；约3英寸；约1英寸或约0.5英寸。在一些实施方案中，基本上圆形的反应微通道的长度尺寸可以变化或者可以是恒定的。在一些实施方案中，基本上圆形的反应微通道的横截面可以是任何形状，例如，但不限定于，矩形、正方形、梯形、三角形、圆形或半圆形。
在再另一个实施方案中，反应方法可以包括：使至少一种反应物流过具有弯曲的微通道的微型反应器；将所述至少一种反应物在弯曲的微通道中转化为至少一种产物；和根据至少一种产物的物理相态，使得所述至少一种产物沿弯曲的微通道的内弯曲表面或弯曲的微通道的外弯曲表面流动。
在一些实施方案中，所述至少一种产物具有较轻的相态下的第一产物和较重的相态下的第二产物。此外，根据至少一种产物的物理相态，使得所述至少一种产物沿弯曲的微通道的内弯曲表面或者弯曲的微通道的外弯曲表面流动可以包括：在弯曲的微通道中产生离心力；以及使得第一产物沿弯曲的微通道的内弯曲表面流动，并且使得第二产物沿弯曲的微通道的外弯曲表面流动。
在一些实施方案中，反应方法可以还包括：通过使用分别与弯曲的微通道的内弯曲表面和外弯曲表面连通的第一出口和第二出口，分开地收集第一和第二产物。
在一些实施方案中，使至少一种反应物流过微型反应器可以包括：使至少一种固体催化剂粒子在弯曲的微通道中流动以引起所述至少一种固体催化剂粒子与所述至少一种反应物之间的催化反应。
在一些实施方案中，所述至少一种反应物和所述至少一种产物的每一种可以具有气相、液相和气液混合相(gas-liquid mixed)中的任一种。此外，根据所述至少一种产物的物理相态，使得所述至少一种产物沿弯曲的微通道的内弯曲表面或弯曲的微通道的外弯曲表面流动可以包括：在弯曲的微通道中产生离心力；和使得所述至少一种产物沿弯曲的微通道的内弯曲表面流动并且进一步使得所述至少一种固体催化剂粒子沿弯曲的微通道的外弯曲表面流动。
在一些实施方案中，反应方法可以还包括：从与弯曲的微通道的内弯曲表面连通的出口收集所述至少一种产物。反应方法可以还包括：将所述至少一种固体粒子通过弯曲的微通道循环。
微型反应器可以用于进行多种类型的反应如化学和/或生物化学反应。以实例的方式，微型反应器可以用于进行其中由反应产生的产物和/或副产物具有相对于反应物不同的相态的反应。
所述至少一种反应物可以是产生至少一种产物，即，第一产物和/或第二产物(例如，副产物)的任意物质。这些产物在反应物在微型反应器中反应的过程中可以具有与所述反应物不同的相态。以实例的方式，所述至少一种反应物可以是具有气相、液相和气液混合相中的任一种的任何物质，从在反应过程中流过所述至少一个弯曲的微通道的所述至少一种反应物产生的产物可以具有气相、液相、气液混合相、液固混合相和固相中的任一种，并且任选地从所述至少一种反应物产生的副产物可以具有液相、液固混合相和固相中的任一种。
例如，但不限定于，具有气相、液相和气液混合相中的任一种的所述至少一种反应物在反应过程中流过所述至少一个弯曲的微通道以形成具有固相的产物和任选的副产物。在这种情况下，具有相对于产物和任选的副产物较轻的相态的所述至少一种反应物倾向于沿所述至少一个弯曲的微通道中的内弯曲表面流动，而产物和任选的副产物倾向于沿所述至少一个弯曲的微通道中的外弯曲表面流动。作为结果，可以从与内弯曲表面连通的第一子出口收集所述至少一种反应物，并且可以从与外弯曲表面连通的第二子出口收集产物和任选的副产物。因此，使用微型反应器用于反应，可以将所述至少一种反应物容易地并且有效地从产物和任选的副产物分离。
例如，但不限定于，所述至少一种反应物和产物可以具有气相、液相和气液混合相中的任一种，并且副产物可以具有固相。在这种情况下，可以从第一子出口收集所述至少一种反应物和产物，并且可以从第二子出口收集副产物。因此，使用微型反应器可以将副产物容易地和有效地从所述至少一种反应物和产物分离。
例如，但不限定于，所述至少一种反应物可以是气相，产物和任选的副产物可以具有液相、固相和液固混合相中的任一种。在这种情况下，所述至少一种反应物可以从第一子出口收集，并且产物和任选的副产物可以从第二子出口收集。因此，使用微型反应器用于反应可以将所述至少一种反应物容易地并且有效地与产物和任选的副产物分离。
例如，但不限定于，所述至少一种反应物和产物可以具有气相中的任一种，副产物可以具有液相、固相和液固混合相中的任一种。在这种情况下，可以从第一子出口收集所述至少一种反应物和产物，并且可以从第二子出口收集副产物。因此，使用微型反应器用于反应可以将所述至少一种反应物和产物容易地并且有效地与副产物分离。
在一些实施方案中，反应方法可以还包括使至少一种催化剂固体粒子流过微型反应器。
在下文中，参考附图，将给出根据本发明的微型反应器的更详细的描述。
图1A是显示了微型反应器的示例性实施方案的示意图，并且图1B是图1A中的微型反应器的平面图。图1A和1B示出了微型反应器100包括反应通道110、入口120和分叉的出口130。反应通道110包括弯曲的微通道112、外弯曲表面114和内弯曲表面116。出口130分叉为第一子出口132和第二子出口134。
参考图1B，入口120可以在连接点C连接至弯曲的微通道112的一端，并且出口130可以从弯曲的微通道112的另一端在分支点B分支。以实例的方式，入口120可以具有直通路的形状，并且具有在亚毫米至毫米的范围内的长度。弯曲的微通道112可以具有基本上半圆形或半椭圆的形形状。以实例的方式，图1B示出了连接点C与分支点B之间沿弯曲的微通道112的角度可以是约180度。角度不限于示出的角度，但是可以如上所述是不同的。此外，图1B示出了出口130可以在分支点B分叉为第一子出口132和第二子出口134，并且因此，出口130可以由基本上V-形通道形成。具有基本上半圆形或半椭圆形形状的弯曲的微通道112的半径和出口130的长度可以分别具有亚毫米至毫米的范围。
在一个实施方案中，弯曲的微通道112的一部分可以是基本上半圆形或半椭圆形形状。以实例的方式，弯曲的微通道112可以具有在亚毫米至毫米范围内的宽度或深度。例如，但不限定于，深度或宽度值不大于约3mm；约1mm；约0.5mm；或约0.1mm。弯曲的微通道112的长度可以是任何尺寸的。以实例的方式，弯曲的微通道112的长度可以是英寸量级的。例如，但不限定于，微通道的长度不大于约6英寸；约3英寸；约1英寸或约0.5英寸。通过另一个实例的方式，弯曲的微通道112的长度尺寸可以变化或者是恒定的。弯曲的微通道112的横截面可以是任何形状，例如，但不限定于，矩形、正方形、梯形、三角形、圆形或半圆形。
微型反应器100可以通过任意已知方法制造。在一个实施方案中，微型反应器100可以通过在基板如硅晶片上进行显微机械加工技术如图案化、光刻和蚀刻制造。以实例的方式，基板如硅晶片可以在其两侧涂布有氮化物，并且涂布在基板的上侧上的氮化物可以使用等离子蚀刻图案化以暴露氮化物涂层下面的基板的所需部分(例如，用于反应通道110的部分)。之后，可以蚀刻基板的上侧上的暴露部分以便形成反应通道110。显微机械加工过的基板的上侧可以通过合适的覆盖物物质，如，不限于，石墨覆盖垫覆盖，以通过反应通道110提供用于输送物质如反应物和产物的防漏导管。
在一个实施方案中，可以通过使用注入器件如注射器、微量加液器或微型泵，将至少一种反应物从反应物储存器或槽引入至微型反应器100的入口120中。之后，所述至少一种反应物可以沿外弯曲表面114和内弯曲表面116两者流动，因为反应尚未在弯曲的微通道112中充分地发生。在所述至少一种反应物在弯曲的微通道112中流动一定时间之后，化学或生物化学反应可以逐渐地进行，并且因此，所述至少一种反应物可以产生产物和任选的副产物。所述至少一种反应物、产物和任选的副产物可以具有至少两种不同的相态。在这种情况下，在所述至少一种反应物、产物和任选的副产物中，较轻相态的物质沿弯曲的微通道112中的内弯曲表面116流动以便被从第一子出口132收集，而较重相态的物质沿弯曲的微通道112中的外弯曲表面114流动以便被从第二子出口134收集。较轻相态的物质可以流动至连接至第一子出口132的一端的较轻相态的物质的储存器或槽中，而较重相态的物质可以流动至连接至第二子出口134的一端的较重相态的物质的储存器或槽中。
在一些实施方案中，可以将至少一种固体催化剂粒子与所述至少一种反应物一起引入至入口120以便促进所述至少一种反应物的反应。之后，所述至少一种固体催化剂粒子可以沿外弯曲表面114流动，因为与气相、液相或气液混合相中的所述至少一种反应物比较，更大的离心力施加至所述至少一种固体催化剂粒子。因此，可以从连接至外弯曲表面114的第二子出口134收集所述至少一种固体催化剂粒子，并且可以再次使用所述至少一种固体催化剂粒子。图2A是显示了微型反应器的另一个示例性实施方案的示意分解图。在一个实施方案中，微型反应器200可以包括四(4)个弯曲的微通道以形成3维螺旋形结构。图2B是显示了图2A中微型反应器的3维螺旋形反应通道的示意图。
图2A和2B示出了微型反应器200包括3维螺旋形反应通道210，所示3维螺旋形反应通道210具有四个弯曲的微通道212、214、216和218和分叉出口230，所述四个弯曲的微通道212、214、216和218通过通路和入口相互连接以使反应物顺次流动至四个弯曲的微通道212、214、216和218中，以及所述分叉出口230使反应物通过四个弯曲的微通道212、214、216和218流出反应通道210。弯曲的微通道212、214、216和218的每一个可以具有外弯曲表面和内弯曲表面，如图1A中所示。此外，弯曲的微通道212、214、216和218的每一个可以具有入口220、252、254和256以从外部或上面的微通道(例如，212、214、216)接受至少一种反应物或产物。此外，弯曲的微通道212、214和216的每一个可以具有通路孔242、244、246以使所述至少一种反应物流至下面的微通道(例如，214、216、218)中。
可以将弯曲的微通道212、214、216和218中的每一个在分开的基板如，但是不限于，硅，或任何可显微机械加工的物质上显微机械加工。可以刻蚀在每个基板上显微机械加工的弯曲的微通道212的每一个的一端214和216，以形成配置为在弯曲的微通道212、214、216和218之间连接的通路孔242、244和246。可以将显微机械加工过的基板连接在一起，同时也可以将每个基板上的弯曲的微通道经由通路孔242、244和246连接至其他基板上的其他一个或多个弯曲的微通道。因此，可以配置与另一个相互连接的弯曲的微通道以形成3维螺旋形反应通道。
详细地，如图2A和2B中所示，可以使用如上所述的标准显微机械加工技术如光刻和蚀刻将弯曲的微通道212显微机械加工在第一基板上。可以将第一基板进一步显微机械加工以形成入口220，以使得入口220接触弯曲的微通道212的一端。可以蚀刻弯曲的微通道212的另一端以形成通路孔242。可以将第二和第三基板显微机械加工以分别形成弯曲的微通道214和216，以及入口252和254，并且之后，使用如上所述的标准显微机械加工技术如光刻和蚀刻，可以蚀刻弯曲的微通道214和216的一端以分别形成通路孔244和246。也可以使用标准显微机械加工技术如光刻和蚀刻，将四个基板显微机械加工以形成弯曲的微通道218、入口256和出口230，并且可以将出口230进一步分叉为第一出口232和第二出口234。这里，可以将弯曲的微通道212的通路孔242形成为与弯曲的微通道214的入口252连通；可以将弯曲的微通道214的通路孔244形成为与弯曲的微通道216的入口254连通；并且可以将弯曲的微通道216的通路孔246形成为与弯曲的微通道218的入口256连通。
接下来，可以将第一基板与第二基板的上侧连接，以使得在第一基板上的弯曲的微通道212的一端处的通路孔242可以与第二基板上的弯曲的微通道214的入口252连通。之后，可以将第二基板的下侧与第三基板的上侧连接，以使得第二基板上的弯曲的微通道214的一端处的通路孔244可以与第三基板上的弯曲的微通道216的入口254连通。随后，第三基板的下侧可以与第四基板的上侧连接，以使得第三基板上的弯曲的微通道216的一端处的通路孔246可以与第四个基板上的弯曲的微通道218的入口256连通。可以将每个在其上显微机械加工有弯曲的微通道的多个基板彼此气密地连接，以便避免任何泄露的物质流过弯曲的微通道212、214、216和218。之后，在其上显微机械加工有第一弯曲的微通道212的第一基板的上侧可以覆盖有配置为用于在弯曲的微通道212中流动的物质提供防漏导管的合适的覆盖物质，如，不限于，石墨覆盖垫。因此，四个弯曲的微通道212、214、216和218可以互相连接以形成3维螺旋形通道，如图2B中所示。对本领域技术人员显而易见的是用于将物质如反应物和产物输送至反应通道中和输送出反应通道的管道可以分别连接至入口220、第一出口232和第二出口234。
对本领域技术人员显而易见的是，可以将各自在分开的基板上显微机械加工的多个弯曲的微通道相互连接以形成3维螺旋形反应通道。当具有至少两种不同的相态的物质流过具有至少两个弯曲的微通道的3维螺旋形反应通道，多相态物质中的较轻相态的物质可以沿弯曲的微通道中的内弯曲表面流动，同时多相物质中较重相态的物质可以沿弯曲的微通道中外弯曲表面流动。反应通道中的长度变得越长，分离效率可以变得越好。因此，在具有至少两个弯曲的微通道的3维螺旋形反应通道中流动的多相物质可以有效地分离为较轻相态的物质和较重相态的物质。
图3给出了显示微型反应器的另一个示例性实施方案的示意分解图。图3示出微型反应器300包括具有四个弯曲的微通道312、314、316和318的反应通道310，从外部接收至少一种反应物的入口320，以及使所述至少一种反应物或产物流出反应通道310的分叉出口330。
反应通道310可以以用于反应通道210的方法基本上相似的方法形成。例如，弯曲的微通道312、314、316和318可以分别具有外弯曲表面和内弯曲表面，并且如上所述，它们可以通过通路孔342、344和346与入口352、354和356相互连接。出口330分叉为第一出口332和第二出口334。与其中弯曲的微通道212、214、216和218具有基本上相同的半径的反应通道210相反，可以形成反应通道310，以随着它越小而具有越小的半径以形成锥体(corn)。例如，在第二基板上显微机械加工的弯曲的微通道314具有比在放置在第二基板上的第一基板上显微机械加工的弯曲的微通道312的半径较小的半径；在第三基板上显微机械加工的弯曲的微通道316具有比放置在第三基板上的第二基板的弯曲的微通道314的半径较小的半径；并且在第四基板上显微机械加工的弯曲的微通道318具有比在放置在第四基板上的第三基板上显微机械加工的弯曲的微通道316的半径较小的半径。因此，在其上各自显微机械加工有渐减半径的弯曲的微通道的第一至第四基板可以被配置为形成旋风型反应通道，如图3中所示。
当具有至少两种不同的相态的物质流过具有至少两个具有渐减的曲率的弯曲的微通道的旋风型反应通道时，较轻相态的物质沿弯曲的微通道中的内弯曲表面流动，而较重相态的物质沿弯曲的微通道中的外弯曲表面流动。反应通道的长度变得越长，分离效率变得越好。因此，可以将在具有至少两个弯曲的微通道的旋风型反应通道中流动的多相物质有效地分离为轻相态的物质和较重相态的物质。
图4A是微型反应器的再又另一个示例性实施方案的示意图，并且图4B是图4A中的微型反应器的平面图。图4A和4B示出了微型反应器400包括基本上圆形的反应微通道410、入口420和出口430。基本上圆形的反应微通道410可以具有外圆形壁412和内圆形壁414。如图4B中所示，入口420可以在连接点C相切地连接至外圆形壁412，并且出口430可以在分支点B从内圆形壁414向基本上圆形的反应微通道410的中心突出。如本文所使用的，“相切地”意指入口420连接至基本上圆形的反应微通道410，以使得所述至少一种反应物和/或所述至少一种固体催化剂粒子可以流动至或引入至基本上圆形的反应微通道410中而对连接点C处的流动具有高的阻力，如图4B中所示。
可以使用标准显微机械加工技术如光刻和蚀刻，在基板上显微机械加工基本上圆形的反应微通道410、连接至基本上圆形的反应微通道410的外圆形壁412的入口420以及从基本上圆形的反应微通道410的内圆形壁414突出的出口430，如对于微型反应器100、200和300所描述的。将出口430的末端蚀刻至基板中以配置为使除催化剂粒子之外的气相、液相或气液混合相下的物质如反应物和产物离开。之后，用配置为用于流过基本上圆形的反应微通道410的物质提供防漏导管的合适覆盖物质如，不限于，石墨覆盖垫覆盖基板的上侧。用于将物质如反应物和产物输送至反应通道中和输送出反应通道的管道可以分别连接至入口420和出口430。
在图4A中，至少一种催化剂固体粒子沿基本上圆形的反应微通道410中的外圆形表面流动，并且保持在基本上圆形的反应微通道410中连续循环用于催化反应。除所述至少一种催化剂固体粒子之外的气相、液相或气液混合相中的物质沿基本上圆形的反应微通道410中的内圆形表面流动，以从微型反应器400通过出口430移除。
在一个实施方案中，可以将所述至少一种催化剂固体粒子和所述至少一种反应物一起或分开地引入至入口420中，并且移动至基本上圆形的反应微通道410中。因为催化反应可以在基本上圆形的反应微通道410中进行，因此所述至少一种反应物产生产物和任选的副产物。虽然所述至少一种催化剂固体粒子具有固相，但是所述至少一种反应物、产物和任选的副产物分别具有气相、液相和气液混合相中的任一种。因此，所述至少一种催化剂固体粒子沿基本上圆形的反应微通道410的外圆形壁412流动，而所述至少一种反应物、产物和任选的副产物沿基本上圆形的反应微通道410的内圆形壁414流动。这是因为所述至少一种催化剂固体粒子经受比所述至少一种反应物、产物和任选的副产物相对大的离心力，并且被迫使离开基本上圆形的反应微通道410的中心。因为出口430从基本上圆形的反应微通道410的内圆形壁414突出，所以沿外圆形壁412流动的所述至少一种催化剂固体粒子保持为沿基本上圆形的反应微通道410的外圆形壁412连续循环。然而，所述至少一种反应物、产物和任选的副产物流动至出口430中并收集在储存器或槽中。
在一些实施方案中，所述至少一种催化剂固体粒子可以被悬浮在微型反应器的基本上圆形的反应微通道中。在其他实施方案中，所述至少一种催化剂固体粒子可以被流化在微型反应器的基本上圆形的反应微通道中。对于本领域技术人员显而易见的是微型反应器可以用于使用至少一种催化剂固体粒子的任何催化反应。
以实例的方式，可以通过如下方法将至少一种催化剂固体粒子装载入微型反应器中：在从微型反应器的基本上圆形的反应微通道的内圆形壁突出的出口抽真空的同时，在压力下将催化剂粒子的悬浮体引入至连接至微型反应器的基本上圆形的反应微通道的入口中或与入口连通的催化剂引入口中，直至基本上圆形的反应微通道被所述至少一种催化剂固体粒子填充。对于本领域技术人员显而易见的是也可以采用用于将至少一种催化剂固体粒子装载入微型反应器中的任何其他方法。
在一些实施方案中，微型反应器可以还包括位于分支点B，配置为防止所述至少一种催化剂固体粒子流至出口中的过滤装置。以实例的方式，过滤装置可以是如，不限于，筛网过滤器或挡板，如图4C和图4D中所示。
图4C是微型反应器400的示意图，所述微型反应器400还包括位于在出口430与基本上圆形的反应微通道410的内圆形壁之间的连接区(例如，图4B中所示的分支点B)处的筛网过滤器432。筛网过滤器432可以被配置为防止所述至少一种催化剂固体粒子流至出口430中。详细地，所述至少一种催化剂固体粒子可以沿基本上圆形的反应微通道410中的外圆形表面流动，而除所述至少一种催化剂固体粒子之外的气相、液相或气液混合相下的物质沿基本上圆形的反应微通道410中的内圆形表面流动。通过筛网过滤器432可以防止所述至少一种催化剂固体粒子流至出口430中以将其保持在基本上圆形的反应微通道410中。因此，所述至少一种催化剂固体粒子保持在基本上圆形的反应微通道410中，以在催化反应过程中连续地循环通过它，而可以将除所述至少一种催化剂固体粒子之外的物质从基本上圆形的反应微通道410通过出口430移除。
图4D是微型反应器400的示意图，所述微型反应器400还包括位于在出口430与基本上圆形的反应微通道410的内圆形壁之间的连接区域处的挡板434。也可以将挡板434配置为防止所述至少一种催化剂固体粒子流至出口430中。挡板通常是设计为抑制或调整流体的流动或光或声的发出的板或机械装置。详细地，所述至少一种催化剂固体沿基本上圆形的反应微通道410中的外圆形表面流动，而除至少一种催化剂固体粒子之外的气相、液相或气液混合相下的物质沿基本上圆形的反应微通道410中的内圆形表面流动。所述至少一种催化剂固体粒子保持在基本上圆形的反应微通道410中以连续地循环通过它以用于催化反应，而可以将除所述至少一种催化剂固体粒子之外的气相、液相或气液混合相下的流体物质从微型反应器400通过从基本上圆形的反应微通道410的内圆形壁突出的出口430移除。
本领域技术人员将理解，对于本文所公开的这个和其他过程和方法，过程和方法中表现出的功能可以以不同的顺序实现。此外，列出的步骤和操作仅作为实例提供，并且一些步骤和操作可以是任选的，被组合为较少的步骤和操作，或者被扩展成附加的步骤和操作而不有损于所公开的实施方案的本质。
本公开不以本申请中描述的具体实施方案的方式受限制，所述具体实施方案意欲作为不同方面的说明。如本领域技术人员将明白的，可以进行许多修改和变更而不背离其精神和范围。除了在本文列举的那些以外，本公开的范围内的功能等价的方法和装置也从以上说明中将对于本领域技术人员是显见的。这些修改和变更也要落入后附权利要求的范围内。本公开仅以后附权利要求，连同这些权利要求授权的全部范围的等价物的方式受限制。应该理解本公开不限于具体的方法、试剂、化合物组合物或生物体系，其当然可以变化。还应该理解的是本文所使用的术语仅是用于描述具体实施方案的目的，并且不意欲是限制性的。
对于本文中基本上任何的复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以按照对于上下文和/或应用是合适的从复数转换为单数和/或从单数转化到复数。为清楚起见，可以在本文明确给出多种单数/复数排列。
本领域技术人员将理解，通常，本文中并且尤其是所附权利要求中(例如，所附权利要求的主体)使用的术语，一般意欲作为“开放性”术语(例如，应该将术语“包括(including)”解释为“包括但不限于”，应该将术语“具有”解释为“至少具有”，应该将术语“包括(includes)”解释为“包括但不仅限于”等)。本领域技术人员还将理解，如果意欲引入特定数量的权利要求列举项，这样的意图将在权利要求中明确地列举，并且在不存在这种列举项的情况下不存在这样的目的。例如，为了有助于理解，以下所附权利要求可以包含引导性的短语“至少一个”和“一个或多个”的使用以引入权利要求列举项。然而，即使当同一个权利要求包含引导短语“一个或多个”或“至少一个”和不定冠词例如“一个”或“一种”时，也不应将这种短语的使用解释为暗示通过不定冠词“一个”或“一种”引入的权利要求列举项将任何包含这样引入的权利要求列举项的特定权利要求限定为仅包含一个这种列举项的实施方案(例如，应将“一个”和/或“一种”解释为意指“至少一个”或“一种或多种”)；这对于用以引入权利要求列举项的定冠词的使用也同样适用。此外，即使明确地叙述特定数量的所引入的权利要求列举项，本领域技术人员也将理解应将这种列举项解释为意指至少所叙述的数目(例如，不带有其他修饰的裸列举项“两个列举项”意指至少两个列举项，或者两个以上列举项)。此外，在使用类似于“A、B和C等中的至少一个”的惯例的那些情况下，通常这种表述意味着本领域技术人员将理解的惯例(例如，“具有A、B和C中的至少一个的体系”将包括但不限于具有单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、和/或A、B和C一起等的体系)。此外，即使明确地叙述特定数量的所引入的权利要求列举项，本领域技术人员将理解应将这种列举项解释为意指至少所叙述的数目(例如，不带有其他修饰的裸列举项“两个列举项”意指至少两个列举项，或者两个以上列举项)。在使用类似于“A、B或C等中的至少一个”的惯例的那些情况下，通常这种表述意味着本领域技术人员将理解的惯例(例如，“具有A、B或C中的至少一个的体系”将包括但不限于具有单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、和/或A、B和C一起等的体系)。本领域技术人员将进一步理解实际上任何表现两个或多个可替换术语的分离性单词和/或短语，不论在说明书、权利要求书还是附图中，都应当被理解为意图包括术语的一个、术语的任何一个或全部两个术语的可能性。例如，应将短语“A或B”理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
此外，在以马库什组的方式描述本公开的特征或方面的情况下，本领域技术人员将认识到从而也以马库什组的成员中的任何单独成员或子组的方式描述了本公开。
如本领域技术人员将理解的，用于任何和所有目的，如以提供书面描述的方面，本文公开的所有范围也包含其任何和所有的可能的子范围和子范围的组合。可以将任何所列举的范围容易地认为是充分地描述并能够将所述范围至少分解为相等的二分之一、三分之一、四分之一、五分之一、十分之一等。作为非限制性实例，可以将本文描述的每个范围容易地分解为第二三分之一、中三分之一和第一三分之一等。如本领域技术人员也将理解的，所有术语如“至多”、“至少”等包括所列举的数字，并且是指可以随后分解为如上述所的子范围的范围。最终，如本领域技术人员将理解的，范围包括每个单独的成员。因此，例如，具有1-3个单元的组是指具有1、2或3个单元的组。相似地，具有1-5个单元的组是指具有1、2、3、4或5个单元的组，等。
从以上可以看出本公开的多个实施方案在本文中用于示例的目的而描述，并且可以做出多种修改而不脱离本公开的范围和主旨。因此，本文所公开的多个实施方案不意欲是限制性的，并有真实的范围和主旨通过后附权利要求给出。
Claims (14)
1.一种微型反应器，所述微型反应器包括：
基本上圆形的反应微通道，所述基本上圆形的反应微通道具有外弯曲表面和内弯曲表面并且被配置为产生离心力；
入口，所述入口被配置为将至少一种固体催化剂粒子和至少一种反应物提供至所述基本上圆形的反应微通道中，其中所述入口相切地连接至所述基本上圆形的反应微通道的所述外弯曲表面；以及
出口，所述出口与所述基本上圆形的反应微通道的所述内弯曲表面连通。
2.权利要求1所述的微型反应器，其中所述出口从所述基本上圆形的反应微通道的所述内弯曲表面突出。
3.权利要求1所述的微型反应器，其中所述至少一种反应物具有气相、液相和气液混合相中的任一种。
4.权利要求3所述的微型反应器，其中所述基本上圆形的反应微通道被配置为使所述至少一种固体催化剂粒子沿所述基本上圆形的反应微通道的所述外弯曲表面流动，并且使所述至少一种反应物沿所述基本上圆形的反应微通道的所述内弯曲表面流动。
5.权利要求1所述的微型反应器，其中所述出口在远离所述入口的位置从所述基本上圆形的反应微通道的所述内弯曲表面突出，以使得将所述至少一种反应物通过与所述至少一种固体催化剂粒子在所述微通道内接触而基本上转化为产物。
6.权利要求1所述的微型反应器，所述微型反应器还包括：
过滤装置，所述过滤装置被配置为防止所述至少一种固体催化剂粒子流动至所述出口中。
7.权利要求6所述的微型反应器，其中所述过滤装置是筛网过滤器。
8.权利要求1所述的微型反应器，其中所述基本上圆形的反应微通道被配置为使所述至少一种固体催化剂粒子沿所述基本上圆形的反应微通道的所述外弯曲表面循环。
9.一种反应方法，所述反应方法包括：
提供权利要求1-8中的任一项所述的微型反应器；
使至少一种反应物从所述微型反应器的入口流过所述基本上圆形的反应微通道；
将所述至少一种反应物在所述基本上圆形的反应微通道中转化为至少一种产物；和
根据所述至少一种产物的物理相态，使得所述至少一种产物沿所述基本上圆形的反应微通道的所述内弯曲表面或者所述基本上圆形的反应微通道的所述外弯曲表面流动。
10.权利要求9所述的反应方法，其中所述至少一种产物具有较轻的相态下的第一产物和较重的相态下的第二产物，并且
其中根据所述至少一种产物的物理相态，使得所述至少一种产物沿所述基本上圆形的反应微通道的所述内弯曲表面或者所述基本上圆形的反应微通道的所述外弯曲表面流动包括：
在所述基本上圆形的反应微通道中产生离心力；和
使得所述第一产物沿所述基本上圆形的反应微通道的所述内弯曲表面流动，并且使得所述第二产物沿所述基本上圆形的反应微通道的所述外弯曲表面流动。
11.权利要求9所述的反应方法，其中使至少一种反应物流过所述基本上圆形的反应微通道包括：
使至少一种固体催化剂粒子在所述基本上圆形的反应微通道中流动，以引起所述至少一种固体催化剂粒子与所述至少一种反应物之间的催化反应。
12.权利要求11所述的反应方法，其中所述至少一种反应物和所述至少一种产物的每一个具有气相、液相和气液混合相中的任一种。
13.权利要求12所述的反应方法，其中根据所述至少一种产物的物理相态，使得所述至少一种产物沿所述基本上圆形的反应微通道的内弯曲表面或者所述基本上圆形的反应微通道的外弯曲表面流动包括：
在所述基本上圆形的反应微通道中产生离心力；和
使得所述至少一种产物沿所述基本上圆形的反应微通道的所述内弯曲表面流动并且进一步使得所述至少一种固体催化剂粒子沿所述基本上圆形的反应微通道的所述外弯曲表面流动。
14.权利要求13所述的反应方法，所述反应方法还包括：
从与所述基本上圆形的反应微通道的所述内弯曲表面连通的出口收集所述至少一种产物。
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