CN103596675A - 流体模块悬挂系统和得到的反应器 - Google Patents

Abstract

一种模块化反应器（10）包括被设置在方向D上延伸的间隔的水平延伸行中的多个平面流体模块（12），模块（12）的主要表面（14、16）大体平行于彼此定向。多个刚性或半刚性的流体连接器（30）各自被放置在模块的面向的主表面（14、16）之间，并且该流体连接器（30）将面向的表面的第一表面（24）上的至少一个流体端口（18a）流体且机械地接合到面向的表面（14、16）的第二表面（26）上的至少一个其他流体端口（18b）。该反应器（10）进一步包括水平延伸的支撑结构（60）和一个或多个悬杆（32），该支撑结构（60）在方向D上、在模块（12）的行的上方延伸，并且悬杆（32）各自从支撑结构（60）支撑多个流体模块（12）中的一个。该悬杆（32）包括具有第一轴线（36）的第一旋转接头（34），该第一轴线（36）被放置在各自模块（12）上方和支撑结构（60）的下方，并且选择性并期望地包括具有第二轴线（40）的第二旋转接头（38），这一个或两个轴线（36、40）与方向D垂直。

Description

流体模块悬挂系统和得到的反应器

相关申请的交叉引用

本申请在35USC§119下要求2011年6月7日提交的美国临时申请序列号61/494409的优先权，其全部内容通过参考合并于此。

技术领域

本公开涉及由单独的流体模块组成的流体反应器的组件，诸如为了为该单独的流体模块提供牢固流体相互连接和牢固的机械支持所包括的连续流反应器，并且更具体地涉及供应牢固支持同时易于使用，而允许模块之间的流体连接的热膨胀。

背景技术

连续流反应器可以对化学制备有用，特别是基于微反应技术的制备。这种反应器通常采取在机械框架内安装有多个流体模块（或者可互换地，“微流模块”）的组件的形式，在模块之间具有流体连接。尽管可能存在任一类型的额外线路的使用，但是每个流体模块通常都包括2个流体线路，一个用于反应物并且一个用于热控制流体。反应物流体通道的特征最小横截面尺寸通常是在亚毫米到1或2厘米范围，提供在这么小的尺寸可获得的热传递和质量传递的优点。

在许多应用中，需要耐刺激性化学制品良好，并且流体模块由玻璃材料、或诸如陶瓷的其它耐腐蚀材料制成。

从化学反应的角度，与传统的成批技术相比，这个技术提供了下列优点：更好的混合效率、更好的体积热传递系数、更好的驻留时间分布、和低滞留量，如果将要发生损耗热控制，那么彻底地减少损耗热控制的任何后果。

在连续流反应器中，比金属不宜受到化学腐蚀的材料的使用，诸如玻璃或碳化硅陶瓷，允许大量不同化学反应的实施。因此，连续流反应器中的流体模块之间的连接也应该不含金属，以便提供能够经得起化学腐蚀的更完整的反应系统。

装配流体模块的最普通的方式是实行几个板材或流体模块的层叠，避免两个邻近板材之间需要连接器，只需垫圈，或甚至形成某种形式的永久密封。不幸地是，在玻璃微流层的非永久层叠的情形中，由于不能无副作用地在玻璃表面机械加工凹槽，所以使玻璃板材紧密需要额外的垫圈支持，并且使垫圈的堆叠紧密所需要的强度通常与玻璃上的容许应力不兼容。

永久叠层（玻璃到玻璃的密封）可以是解决该问题的良好方式，但是其通常限制于某些量的板材，并且将仍旧需要数目减少的连接器。永久叠层也更加适合于制备反应器，其中该产物长期相同，以便可以固定该反应器配置。然而，实验室和中型规模反应不可接受，其中流体模块设置的改变需要容易地实行，以便为临近的过程或反应来优化设备。在产物随时间变化以便存在对适应性的需要并且该反应器可以是多用反应器制造的情形中，可能不需要永久叠层。

因此，需要在邻近流体模块之间可使用的连接管道，无论单个模块本身由一层或许多层组成。

不含金属的或耐腐蚀的管道在化学工业中众所周知并且广泛使用，其例如呈具有内部PTFE层的玻璃衬管道或金属管道的形式。这种管道通常在1/2”的直径下（低于21,3mm的外径）不可使用。因为将驻留在这些直径的连接管道中的流体体积相对大，所以这些市场上可买到的原料对大多数微反应应用没有用。

PTFE管道在市场上以较小直径（例如1/8”，其为3.2mm的外径）出售，但是对于许多应用，该工作压力的范围被无法接受地限制，特别是当与50℃以上的工作温度结合时。因此，使用由PFA形成的较厚的管道，考虑到高达150℃和18巴的工作条件。因为这个管道的壁厚较高从而经得起高压，即使当由于高温，改变该材料的机械刚度时，该连接器也不再是柔性的，而是刚性的或半刚性的。这个刚性导致两个主要约束：

在高温下工作期间，该连接器的热伸长没有通过管道相对低的柔性完全补偿。因此，大的机械应力能够施加至流体模块，其对设备的寿命有负面影响，并且可能导致破坏。

PFA的热膨胀系数能够在20-200℃的范围中的温度上从大约1.2到2.5×10^-4/℃变动，在所关心的温度上的有效平均值大约1.6×10^-4/℃。换句话说，100℃的温度升高能够导致对于初始长度只有100mm的连接器的1.6mm的长度增加。

类似地，在反应器的维护工作或重新配置期间，需要使连接器管道弯曲或替换相邻的流体模块，以便从将其耦合到微流模块的表面上的端口的硬件释放该连接器管道。由于连接器管道几乎不具有或不具有柔性，所以流体模块的替换或乃至垫圈的替换会要求拆开几个流体相互连接，这费时间，并且可能引起需要替换额外的垫圈。

尤其是在第一次装配之后的模块的维护、替换、或重新配置的情形中，应当需要具有反应器组件，其克服来自管道热膨胀的过度应力集中和装配和拆卸中的额外困难两者。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种模块化反应器包括在D方向上延伸的间隔开的水平延伸行中设置的多个平面流体模块，模块的主要表面大体彼此平行定向。多个刚性或半刚性的流体连接器各自被设置在模块的面向的主要表面之间，并且连接器使面向的表面的第一表面上的至少一个流体端口流体且机械地接合到该面向表面的第二表面上的至少一个其他流体端口。该反应器进一步包括在方向D上、在模块的行上方延伸的水平延伸支撑结构，并且包括一个或多个悬杆，每个悬杆都从支撑结构支撑多个流体模块中的一个。该悬杆32包括第一旋转接头，第一旋转接头具有在各自模块上方且支撑结构下方设置的第一轴线，并且期望包括第二旋转接头，第二旋转接头具有第二轴线，这两个轴线与方向D垂直。

本公开通过由具有双旋转轴线的移动组件替换每个模块的刚性支撑，使模块化连续流反应器中的流体模块的装配具有灵活性（柔性），其允许流体模块的旋转以及悬挂器件和模块本身的平行位移两者。

因此，如果到该反应器的至少一个外部连接有一定移动的自由度（例如几度角位移和一或二毫米轴向位移），那么反应器的每个流体模块将略微地移动到这样的位置，以便由于模块（模块之间的耐化学管道）内部的流体连接的热膨胀引起的残余应力非常低。

即使在两端都被固定的情形中，该热膨胀将部分由该管道的柔性吸收，部分由流体模块的微小旋转吸收，与操作器件的任意定位相结合，允许连接点之间的距离增加，使得残余机械应力低。

在维护的情形中，在将替换的部分的一侧上的流体模块能够被容易且轻轻地推开（如果存在固定点，那么在已经从该固定点拆开该反应器之后），允许该连接器拆卸容易，而不需要接触该反应器的其他零件。另外，该流体模块悬挂并且不是由底部支撑，导致该零件仅仅由其重量和最终由于管道的任何约束的自动定位，自动通向全部所应用的强度的平衡位置，并导致得到的应力降低。

将在详细说明中阐述额外的特点和优点，随后在某种程度上，从该描述额外的特点和优点将对本领域技术人员显而易见，或者通过实践如本文中所述的实施例将认识到额外的特点和优点，随后该描述包括详细说明、权利要求以及附图。

应当理解，前述概述及其后的详细说明两者都仅仅是示例性的，并且意图用于提供理解权利要求的本质和特性的综述或构架。包括该附图，从而提供进一步的理解，并且附图被并入本说明书并且构成说明书的一部分。该附图说明了一个或多个实施例，同时该描述用来解释各个实施例的原理和工作。

附图说明

图1是按照本公开的模块化连续流反应器的一个实施例的立面图；

图2是类似于图1中的模块化连续流反应器的另一个实施例的立面图；

图3是按照本公开的实施例的图解立面图；

图4是图3的实施例的一个方面的图解立面图；

图5是图3的实施例的另一个方面的图解立面图；

图6是图3的实施例的还另一个方面的图解立面图；

图7是按照本公开的替代的方面的图解立面图；和

图8是按照本公开的还另一个替代的方面的图解立面图。

具体实施方式

现在将详细参考各个实施例，在附图中说明其实例。任何可能的情况下，遍及附图，将使用相同的附图标记涉及相同或相似零件。

图1是按照本公开的一个方面的模块化连续流反应器的侧立面图。如图1所示，该模块化反应器10包括多个平面流体模块12，每个平面流体模块都可以被支撑在框架11内。每个模块12都具有两个对置的主要的大体平面外表面14、16，在每个所述主表面上都具有一个或多个流体端口18（流体端口在所指示的附图标记18的位置，在图1的侧视图中不可见）。该流体端口18提供了到模块12内侧的一个或多个流体通道（该图中未示出）的流体通路。该模块12被设置在间隔的水平延伸行50中，该延伸行50在方向D上延伸，该模块12的主表面14、16大体上彼此平行定位，以便所述行50中的任一对邻近模块20在每个模块12上具有面向的主表面16、14的关联对22。多个刚性或半刚性连接器30每个都被放置在模块12的面向的主表面对22的第一和第二表面14、16之间。该刚性的或半刚性的连接器30将该面向的表面对的第一表面16上的至少一个流体端口18流体地并机械地接合到该面向的表面对22的第二表面14上的至少一个其他流体端口18。

该反应器10进一步包括水平延伸的支撑结构60和一个或多个悬杆32，该支撑结构在模块12的水平延伸行50上并且在方向D上延伸，并且悬杆32每个都从水平延伸支撑结构60来支撑多个流体模块12中的一个。如图1所示，该支撑结构60可以是较大框架结构61的一部分。

一个或多个悬杆32中的至少多个各自包括第一旋转接头34，该第一旋转接头34的第一轴线36被放置在各自模块12的上方和水平延伸支撑结构60的下方，第一轴线36在垂直于行50延伸的方向D的水平方向上延伸。期望的是，一个或多个悬杆32中的至少多个各自包括第二旋转接头38，该第二旋转接头38的第二轴线40被放置在各自模块12的上方和水平延伸支撑结构60的下方，第二轴线40也在垂直于行50延伸的方向D的水平方向上延伸。

根据本公开的替换方面，在本公开的背景中有用的平面流体模块12可以包括模块12，该模块12由永久接合到较大单个模块中的一个或多个子模块形成，或者由被可逆接合到较大单个模块中的一个或多个子模块形成。根据其它替换的方面，每个第二旋转接头38或每个第一旋转接头34都可以包括诸如图7中所说明的实施例中所示的一个或多个销钩对42。因此，该一个或多个销钩对42容易松开，从而拆卸或装配第一或第二旋转接头34、38，以便各个流体模块12可以从反应器10拆除或插入，而不需要拆除任何邻近的模块12。

钩销对可以如图7的实施例中面向外，或者如图8的实施例中，可替换地位于悬杆32的剩余结构内部。

如上述讨论中所提到的，该多个刚性或半刚性流体连接器30期望是塑料的流体连接器，特别期望是PFA流体连接器或由厚壁PFA管道形成的流体连接器，制成刚性或半刚性连接器。也可以采用比PFA刚性的材料。

如图1的实施例中也可以看出，该反应器10的第一向外表面52被认为是相应于行50中的第一流体模块12a的两个对置的主要的大体平面的外表面14、16的面向外的表面14a，并且第二向外表面54被认为是相应于行50中的最后的流体模块12b的两个对置的主要的大体平面的外表面14、16的面向外的表面16a。根据本公开的一个额外的替换方面，该反应器10进一步包括第一和第二外部流体连接器72、74，第一外部流体连接器72被流体耦合到第一向外表面52上的端口18，并且第二外部流体连接器74被流体连接到第二向外表面54的端口18，其中该第一和第二外部流体连接器72、74的一个是柔性的或可动的流体连接器，并且另一个具有固定位置。例如，在图1和2中表示的实施例中，可以看出这些替换例的效果。在图1中，夹具31或被连到第一外部流体连接器72的其他流体耦合部件机械自由浮动，在图中至少向左和向右浮动，或者也可能非常轻微地向上和向下浮动，或者枢转，以便如图1所示，已经允许第一流体模块12a轻微向左位移，从而补偿该流体连接器30（和任何其他的膨胀部件）的热膨胀。在图2中，相反，由于流体连接器30（和任何其他部件）的收缩，已经向着反应器10内部（图2中向右）拉伸该夹具31和关联的第一外部流体连接器72。在这个方面，图1和图2呈现用于第二外部流体连接器74（如图1中）或将流体连接器74连接到的一些装具（未示出）的固定位置。

图3以图解形式示出了该反应器10和用于流体模块12的支撑系统。如从图1-3能够看出，根据本公开，不再固定该流体模块12，而是该流体模块12从水平延伸的支撑结构60悬挂。为了通过本公开实现的优点，该悬杆32在中央，并且该悬杆32的显著方面是，该悬杆32包括至少一个或两个旋转接头。

在图4中，能够看出，如果该反应器10的流体路径的一端被固定（在图4的情形中，图的左侧），并且另一端自由（右侧，在这个情形中：自由端将移动），那么将发生什么。这在图中没有如此明显，但是在图4右侧上的板材也在比图3中原位置中的略高的位置。该高度增加足够小，以至于由于旋转的应力较低。

在图5中，示出了反应器10中模块12的位置的改变，两端都自由移动。在这个情形中，全部模块12围绕位于中间的模块12略微地移动，从而应对热膨胀，引起不显著的额外应力。另外，如果该模块12在如图所示的两个轴线上旋转，而不是一个轴线，那么该模块12能够保持平行，并且其之间的连接器能够保持与其原位置平行，减少对连接器和密封件的应力。代替两端固定，全部模块上升，通过允许其在中间向上弯曲，从而允许在从左到右流体路径中的整体长度增加。在这种情形中，引起更多转动应力，但是对于相对小的位移，该应力仍旧是小的。需要悬杆中的两个旋转轴线，以便允许这种向上弯曲的曲线的形成。当然，本文中附图仅仅是示意图表示；不应设想，该模块精确地占据所示的位置。然而，这是将发生什么的良好近似。

与两端自由相比，如图5的实例中，如果两端锁定，那么流体连接器30和72的线可以膨胀（即使该膨胀足够小）成曲线，从原始直线弯曲为曲线。特别是为了这个目的，期望的是，每个模块的悬杆都能在两个不同旋转轴线上旋转。

本公开的另一个重要和需要的方面是易于维护和易于接近单独模块。为了拆卸流体连接器，通常必须拧松将O型环或其他垫圈压在各自流体连接器30和各自模块12的表面14或16之间的螺钉。这能够容易完成，而不需要改变该模块12的位置，但是然后需要增加各自的两个邻近模块12之间的距离，因为该流体连接器30通常地被同心插入固定螺钉的夹具中。如图6所示，在本公开的反应器10内可以容易实现距离的这个增加，因为由流体连接器30的仍接合在一起的整组模块12能够简单地向上摆动并离开（在这个情形中，向左）。如果将模块12以在一个轴线上的一个旋转度安装或者在两个分开的轴线上的两个旋转度安装，在某种程度上可能使得这个容易维护。由于其需要的较少努力，并且其不需要移动的模块12之间流体连接器30的任何弯曲，所以两个轴线上的旋转使得工作更容易，该弯曲能够对移动模块12和关联的流体连接器30之间的密封件的紧密性有负面影响。

另外，在特殊实施例中，使至少一个旋转接头呈钩的形式使得实行反应器的维护和重新配置更加容易。

本文中所公开的方法和/或器件通常在实行下列任何过程中有用，这些过程涉及混合、分离、提取、结晶、析出、或其它处理流体或流体的混合物，这些混合物包括微结构内的流体的多相混合物，并且包括流体或包括同时含有固体的流体的多相混合物。该处理可以包括物理过程、被限定为引起有机、无机或有机和无机种类两者的互换的过程的化学反应、生化过程、或任何其它处理形式。可以用所公开的方法和/或器件实行下列非限制性的反应的列表：氧化；还原；置换；消除；添加；配合基交换；金属交换；和离子交换。更准确地说，可以用所公开的方法和/或器件实行下列非限制列表的任何的反应：聚合；烷化；脱烃；硝化；过氧化；硫氧化；环氧化；氨氧化；氢化；脱氢；有机金属反应；贵金属化学/均相催化剂反应；羰化；硫羰基化；烷氧基化；卤化；脱去卤化氢；脱卤；加氢醛化；羧化；脱羧；胺化；芳基化；缩氨酸耦合；醛醇缩合；环化缩合；脱氢环化；酯化；酰胺化；杂环合成；脱水；醇解；水解；氨解；醚化；酶催化合成；缩醛化；皂化；掺杂；季铵化；甲酰化；相转移反应；硅烷化；腈合成；磷酸化；分解；叠氮化学；置换；氢化硅烷化；耦合反应；和酶促反应。

Claims (10)

1.一种模块化反应器（10），包括：

多个平面流体模块（12），每个模块（12）都具有两个对置的主要的大体平面的外表面（14、16），每个所述主要表面上都具有一个或多个流体端口（18），提供到所述模块（12）内的一个或多个流体通道的流体通路，所述模块（12）被设置在在方向（D）上延伸的间隔水平延伸行（50）中，所述模块（12）的主要表面（14、16）大体彼此平行定向，以便所述行（50）中的任何邻近模块对（20）在每个模块上都具有关联的面向的主要表面（24、26）对（22）；

多个刚性或半刚性的流体连接器（30），每个流体连接器都被放置在所述模块（12）的面向的主要表面对（22）的第一和第二表面（24、26）之间，并且将所述面向的表面对的所述第一表面（24）上的至少一个流体端口（18a）流体且机械地接合到所述面向的表面对（22）的所述第二表面（26）上的至少一个其他流体端口（18b）；

水平延伸的支撑结构（60），所述水平延伸的支撑结构在模块（12）的所述水平延伸行（50）上方并且在所述方向（D）上延伸；和

一个或多个悬杆（32），每个悬杆都从所述水平延伸的支撑结构（60）支撑所述多个流体模块（12）中的一个；

其特征在于，所述一个或多个悬杆（32）中的至少多个各自包括具有第一轴线（36）的第一旋转接头（34），所述第一轴线（36）被放置在各自模块（12）上方和所述水平延伸的支撑结构（60）的下方，所述第一轴线在与所述行（50）延伸的方向（D）垂直的水平方向上延伸。

2.根据权利要求1所述的反应器（10），其中所述多个平面流体模块（12）包括由被永久接合到较大单个模块（12）中的一个或多个子模块（13）形成的模块（12）。

3.根据权利要求1所述的反应器（10），其中所述多个平面流体模块（12）包括由被可逆接合到较大单个模块（12）中的一个或多个子模块（13）形成的模块。

4.根据权利要求1-3中任何一项所述的反应器，其特征在于，所述至少多个悬杆（32）各自包括具有第二轴线（40）的第二旋转接头（38），所述第二轴线（36）被放置在各自模块（12）上方和所述水平延伸的支撑结构（60）的下方，所述第二轴线（40）也在与所述行（50）延伸的方向（D）垂直的水平方向上延伸。

5.根据权利要求4所述的反应器（10），其中每个所述第二旋转接头（38）都包括一个或多个销钩对（42），以便所述一个或多个销钩对（42）可以易于松开，从而拆卸所述第二旋转接头（38）。

6.根据权利要求1-4中任何一项所述的反应器（10），其中每个所述第一旋转接头（34）都包括一个或多个销钩对（42），以便所述一个或多个销钩对（42）可以易于松开，从而拆卸所述第一旋转接头（34）。

7.根据权利要求1-6中任何一项所述的反应器（10），其中所述多个刚性或半刚性的流体连接器（30）是塑料的流体连接器。

8.根据权利要求1-7中任何一项所述的反应器（10），其中所述多个刚性或半刚性的流体连接器（30）是刚性的流体连接器。

9.根据权利要求1-8中任何一项所述的反应器（10），其中所述水平延伸行（50）具有第一向外表面（52）和第二向外表面（54），所述第一向外表面（52）相应于所述行（50）中的第一流体模块（12a）的两个对置的主要的大体平面外表面（14、16）的面向外表面（14a），并且所述第二向外表面（54）相应于所述行（50）中的最后流体模块（12b）的两个对置的主要的大体平面外表面（14、16）的面向外表面（16a），所述反应器（10）进一步包括第一和第二外部流体连接器（72、74），所述第一外部流体连接器（72）被流体耦合到所述第一向外表面（52）上的端口（18a），所述第二外部流体连接器（74）被流体耦合到所述第二向外表面（54）上的端口（18b），其中所述第一和第二外部流体连接器（72、74）中的一个外部流体连接器是柔性的或可动的流体连接器，并且另一个外部流体连接器具有固定位置。

10.根据权利要求1-7中任何一项所述的反应器（10），其中所述水平延伸行（50）具有第一向外表面（52）和第二向外表面（54），所述第一向外表面（52）相应于所述行（50）中的第一流体模块（12a）的两个对置的主要的大体平面外表面（14、16）的面向外表面（14a），并且所述第二向外表面（54）相应于所述行（50）中的最后流体模块（12b）的两个对置的主要的大体平面外表面（14、16）的面向外表面（16b），所述反应器（10）进一步包括第一和第二外部流体连接器（72、74），所述第一外部流体连接器（72）被流体耦合到所述第一向外表面（52）上的端口（18a），所述第二外部流体连接器（74）被流体耦合到所述第二向外表面（54）上的端口（18b），其中所述第一和第二外部流体连接器（72、74）都具有固定位置。

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