CN103752242A - 用于化学工艺的通用基础设施 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于进行化学工艺的成套设备，其至少包括用于直接进行转化的构件，其以产物开发构件的形式和/或以至少一个用于产物的连续工业生产的反应器、用于接收和/或提供反应物和/或产物的设备、以及控制转化的装置的形式，它们组合为单一的集成且可运输的功能单元而起基础设施作用，所述成套设备优选地为标准运输集装箱的形式。

Description

用于化学工艺的通用基础设施

本申请是2009年5月14日提交的国际申请号为PCT/EP2009/055858，中国国家申请号为200980135492.2，发明名称为“用于化学工艺的通用基础设施”的发明专利申请的分案申请。

本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的用于进行化学工艺的成套设备(Anlage)。在EP0754084B1中描述了类似的成套设备。

背景技术

从例如化学和制药工业、生物技术等不同工业领域中理论上已知提供可移动的、与位置无关的单元(

Einheiten)形式的生产成套设备的独立模块。

例如，从US2008/0029447A1已知由相同尺寸的多个模块构成的模块化乙醇生产成套设备。各个模块在各情况中设置为集装箱。

例如，从US5,656,491已知用于生产生物技术产品的模块化生产成套设备。所述成套设备包括至少两个可以相互连接以形成功能单元的可移动模块。

例如，从DE19958142A1已知用于生产和利用生物气的可运输的模块化成套设备。该成套设备的各部件，例如发酵器和能源部件设置在至少两个单独的结构元件中，所述结构元件各自容纳在标准运输容器架构中。

由于在上述文献中所描述的生物化学工艺是在低压和低温下进行的，所以所述用于这些工艺的成套设备不能符合任何严格的安全要求。

在微反应技术领域中已知利用模块成套设备进行化学工艺的成套设备可设置为微空间尺度。

由此，通用性的文献EP0754084B1描述了在起基础设施作用的装配板(assembly slab)的基础上构建的模块化化学反应成套设备。所有的成套设备部件设置为可相互组合的功能化模块；对于在所述单元之间的质量传递，所述装配板提供集成的流体路径。

WO01/89681A2也描述了用于设置微反应成套设备的模块化成套设备。连接以形成所述成套设备的设备设计为具有标准化尺寸的统一功能化模块，并将其插入安装框架中。所述安装框架没有集成的流体路径；相反，组织所述设备的接口以使在安装框架中位置相邻的所述模块的各进口和/或出口彼此相邻，以便在模块之间进行直接的质量传递。

上述两种模块化成套设备都是仅为了在微型尺度上的生产能力而设计的。由于吞吐量小和壁厚大，微反应技术可控制有害材料在高温和高压下的危险反应。实际上，这样的微反应成套设备具有一件家具般的尺寸，使其在实验室中可以直立。所需要的安全设施，如灭火单元、抽气或地下水保护、以及能量供应由实验室建筑整体成套设备提供。由于在微空间尺度下的反应所带来的低危险性，实验室中通常所提供的安全基础设施的能力是充分的。因此，将模块化成套设备用于微反应成套设备，而不需要专用的安全设施。

相比传统的大尺度化学成套设备，微反应技术在理论上的缺点是微型成套设备的低生产能力。

技术问题

根据该现有技术，本发明提出了开发在本申请开始处所提及类型的成套设备的问题，从而可以超过实验室规模的产量进行化学反应，同时保持严格的安全预防措施。

技术方案

权利要求1所述的成套设备解决了该技术问题。在从属权利要求中描述了本发明的优选实施方案。

因此，本发明提供用于进行化学工艺的成套设备，其

a)具有至少一个接收和/或提供原料的装置，

b)具有至少一个接收和/或提供产物的装置，

c)具有至少一个将所述原料转化为产物的反应器，

d)具有至少一个控制和/或调节所述转化的装置，

e)其中，所述成套设备是基于基础设施构造的，

f)其中，所述基础设施提供能够通过在所述装置之间和/或所述装置和所述反应器之间交换物质和/或能量和/或信息的集成管道，

g)其中，所述基础设施具有至少一个安装区域，在该安装区域中可固定所述装置和/或反应器和/或辅助设备，

h)其中，所述基础设施是可运输的，

i)其中，所述基础设施在空间上限定出至少一个步入空间(begehbarenRaum)，

k)其中，所述安装区域设置于所述空间内，并且

l)其中，所述基础设施具有灭火剂分配装置。

本发明的基本构想是将所述基础设施放置在一定空间中，在所述基础设施上构件所述成套设备，人可以走入所述空间中，但仍可以低物流成本运输，并同时在所述基础设施中集成所需安全装置，如在所述基础设施中集成灭火剂分配装置。因此，本发明提供的该类型基础设施独立于上级安全成套设备，并因此不必在实验室环境中安装。

因为可独立于其中所进行的工艺而将所述基础设施标准化，所以可将相同的所述基础设施用于多种成套设备。由此减少了资本成本并同时提高了质量。因此，这样的基础设施也是本发明的目的之一。

根据本发明的成套设备的特殊优势是：得益于其通用的基础设施，它可用于多种产品开发阶段；由此，在任何化学工艺开始开发时，都存在在非连续工艺中以小吞吐量评价工艺步骤和参数的实验室阶段。在此，所需工艺的化学性质是关注点。然后进一步开发中试阶段，其中对工程部分进行研究。在相比实验室阶段增大但仍较小的吞吐量下，建立使用与将来的全尺寸成套设备的那些设备功能上相应的设备的连续工艺。其后是“扩大”阶段，在该阶段中使中试工厂中研发的工艺进入生产规模。常规地在此解决相似问题。

这三个阶段可以在相同的基础设施上进行：其初始作为实验室。因此，以实验室规模设置接收和/或提供原料和产物的装置及反应器。在用于测量/控制/调节的装置中收集来自实验室反应的测量结果。然后所述基础设施起到中试工厂的作用。用与大规模设备在功能上相对应的小型设备替代实验室装置。为此还利用用于测量/控制/调节的装置，并继续收集相应于中试工厂的学习过程的数据。最后，所述基础设施起到大规模成套设备的基础的作用。为此，所述设备可根据它们的容量进行扩大，但这导致相似的问题。可选地，根据以相同方式配备的第二基础设施简单复制(gespiegelt)所述成套设备，并设置在所述成套设备旁。同样，还将所得数据复制，使得由于平行化而无需担心相似性问题。

因此，本发明还提供使用这里所讨论的成套设备制备产品的方法，其具有以下步骤：

a)在第一时间段制备第一产物量，并记录控制或调节所述装置的反应器中的反应所需的信息以控制或调节反应；

b)在保留所述基础设施和用于控制或调节反应的装置的同时，增大所述成套设备的容量；

c)在第二时间段制备第二产物量，并读取控制或调节所述装置的反应器中反应所需的信息以控制或调节反应；

其中，所述第二量大于所述第一量，并且所述第二时间段在所述第一时间段之后。

因此，所述基础设施对于化学产品的开发和连续生产都是集成解决方案，其包括原料、副产物和最终产物的供应和处置、控制/调节/空气调节的功能。

所述灭火剂分配装置优选地使在所述空间中分布灭火剂，所述空间还具有所述成套设备的部件的安装区域。如果在此发生火情，利用所述灭火剂分配装置可进行灭火。

所述灭火剂分配装置还可包括围绕所述基础设施的环式管道，其具有多个彼此相隔一段距离设置的喷嘴，用于向所述成套设备喷洒液体。如果在所述空间爆发火情，可向整个成套设备喷洒灭火剂，以使火情不能破坏所述基础设施的周围。

所述基础设施优选地具有至少一个灭火剂连接器，其可从外部接入，并可向灭火剂分配装置添加灭火剂。因此，赶到的消防队仅需向燃烧中的所述基础设施添加灭火剂，而不必装配额外的灭火装备。这加快了灭火速度。

为了使得在所述基础设施的空间中进行包含有毒气体的反应，所述基础设施优选地配有强制通风。

如果环境空气不利于所述空间中的反应，则必须将所述空间设计为密封的。

所述基础设施的空间可下面设有收集盆以防止地下水受到渗漏液体的影响。

所述安装区域有利地具有多个用于容纳所述装置和/或所述反应器和/或辅助设备的容纳装置(Aufnahmen)。这方便了所述装置部件的安装。

在所述安装区域的一个特别优选的实施方案中，所述容纳装置各具有正六边形形状，并且这些正六边形容纳装置以蜂窝状形式彼此边对边地相邻设置。以此方式，可将所述装置以特别节省空间的方式放置在所述安装区域中，并且可使管道较短。由于只产生较小的死时间，这提高了所述成套设备的调整精确性。

由具有两个安装区域的所述基础设施可实现高集成度，所述安装区域在所述空间中相互正交延伸。因此，所述设备可在三维上彼此接近地设置，这节省空间和管路。

为了简化在环境中所述成套设备的安装，所述基础设施具有至少一个朝外的接口，用于导入或放出能量和/或辅助介质和/或副产物。

为了使所述成套设备易于由可得的运输工具运输，所述基础设施应具有标准集装箱，特别是根据ISO668的集装箱的规格。

在另一个根据本发明的实施方案中，将进行反应的构件、控制反应的构件和用于接收和/或提供原料和/或产物的构件安装在优选具有标准尺寸的单个运输集装箱的不同空间中。

作为可运输功能单元的所述基础设施优选地包括至少一个处理空间(Aufarbeitungsraum)、至少一个储存空间和至少一个控制空间。原料容器、产物容器、副产物容器等可保持在所述储存空间中备用。在特别高容量的所述成套设备的情况中，接近工艺的原料容器可容纳在所述成套设备中。

在反应/处理空间中，可设置用于进行工艺和用于处理的实际设备。

除了电能、吹入的空气和废气等所需的接口之外，特别是当进行反应时，根据本发明的装置特别优选地形成完全闭合的功能单元。

在根据本发明的成套设备的一个有利的实施方案中，设置了至少一个闸门室(Schleusenraum)，通过该闸门室可进入所述功能单元或装置。

特别当将要处理对空气和水分敏感的原料时，或特别当将要产生对空气和水分敏感的产物时，可有利地是设置配有强制通风的成套设备。例如，所述处理空间可使用空气进行主动通风，并且根据特定物质的最大工作场所浓度和防爆考虑，通过常规传感器可监测大气。

所述控制空间(Steuertechnikraum)(EMSR Raum)包括用于工艺控制和工艺关停的设备，它们分离地安装在该空间中。这些特别包括过程控制成套设备和其他电学仪器。这些装置用于控制和/或调节根据本发明的反应。

可以已知的方式铺设所述仪器和控制所需的电路盒。但是，优选建议电路盒的排列和形状是以蜂窝的形式。但是，根据在各情况中所进行工艺的技术要求和相关的技术附件，还可提供具有立方形或圆形的典型电路盒。

在本发明的一个优选实施方案中，至少所述储存空间下面设有收集盆。当然，整个功能单元可下面设有收集盆。例如，在收集盆中可提供一个或多个液体传感器，当液体在收集盆中累积时，液体传感器可触发声学和/或光学警报或将所述成套设备关停。

所述储存空间可有利地配有至少一个卷闸门(rolltor versehen)。所提供的卷闸门不需要额外的空间，并且如需要可以从外部自由进入所述储存空间中。

除了卷闸门需要相对少的空间之外，它们还可以相对简单地，即以低操作力将它们开启和关闭。

在根据本发明的一个优选实施方案中，对于各空间设置了至少一个中央灭火剂连接器和至少一个灭火剂分配装置。

在一个优选的实施方案中，可设置管材作为“半固定式灭火管道”。在发生险情的情况中，这使得能够快速地使成套设备“灭活”而不对环境和消防员产生危害。为此，可使用所有已知的灭火介质，如CO₂、氮气、粉末化的Aerosil、Sipernats等。作为灭火剂分配装置的可选方案，各空间还可单独地从外部装配灭火管连接器。由此使得能够按需向不同空间中引入不同灭火剂。例如，在一个所述空间中可能必须使用水而非CO₂作为灭火剂。例如，在所述控制空间中可能必须使用粉末或泡沫而非水或CO₂作为灭火剂。

此外，例如可设置安装在运输集装箱的顶部区域，并具有相互间隔一定距离而安装的喷嘴的环状管道。以此方法，可按需用液体对整个成套设备进行喷洒。按此方法还可从外部通过向所述成套设备喷洒或滴下液体而冷却所述成套设备。

优选地，可将所述成套设备的所有空间或所述功能单元的所有空间单独密封。为此，设置具有电门接点且在火情下自动关闭的门。

所述成套设备有利地设置有至少一个用于辅助介质的连接器。可能的辅助介质是水、气体、水蒸气、加压空气、氮气、电能等。

为了引入辅助介质，可提供至少一个从外部(使用总线(Utility bus))可接入的管束。由此减少了所需的对外部接口数，提高了集合程度并改进了移动性。

实施例

下面借助实施例说明本发明。为此：

图1显示了根据本发明的成套设备的平面图

图1显示了根据本发明的成套设备1的平面图，其以长40英尺(13m)、宽约2.4米和高约2.9米的标准海运集装箱2的形式完全集成在基础设施中。该成套设备符合标准ISO668。

从平面图中可以看出，成套设备1分为多个空间，并且对于所描述的实例，其包括储存空间3、处理空间4、控制空间5(EMSR Raum)和闸门室6。整个成套设备可在防爆区中操作。闸门室6使得不必将在成套设备1中运行的工艺关停就可进入成套设备1。通过门将所有空间密封。因此，当通向处理空间4和控制空间5的门都关闭时，可通过闸门室6从外部进入。在关闭外部门后，如果需要可将通向处理空间和/或控制空间6的门打开。所有的门都装配有门接点，从而例如在闸门室6和处理空间4的门同时打开的情况下可进行所述成套设备的自动关停。

例如，在储存空间3中放置原料或副产物容器。这些是接收和/或提供原料的装置。优选将所述容器放在秤上以能够监测充填水平或通过示差称量测定排出或充入的物质流。在所述储存空间的壁上设置对于平衡的光学显示器。

为了可以简单地替换在储存空间3中所提供的容器，即使在成套设备1运行的过程中，使用为此所提供的卷闸门可从外部将该储存空间3打开。所述卷闸门可以是电动操作或气动操作的。

储存空间3的壁和成套设备1的其他壁优选设置为防火壁。控制室地板装配有符合水保护法要求的盆，并且所述盆具有可收集最大储存容器中的液体量的体积。在所述盆中放置指示储存容器或所述成套设备泄漏，触发警报，并根据需要关停所述成套设备的液体传感器。此外，在所述储存空间中设置防火传感器、气体传感器和成套设备关停和/或紧急关停开关。

使用安装在天花板下的冷却或加热盘管有利地实现整个成套设备的空气调节。有利地将这些盘管设置为横向翅片管，并与冷却水回路连接。作为可选方案，可提供一个或多个空气调节模块。

和所有其他的空间一样，储存空间3在各情况中与灭火管道连接。

在处理空间4中可提供研制化学品的构件和大规模生产这些产品的构件。这些是用于将原料转化为产物的反应器、反应器加热装置、原料容器、热交换器、蒸发器、冷凝器、骤冷台、用于供应冷却/加热介质的恒温器、用于处理/纯化/材料分离的设备，如精馏塔、泵、真空泵等。此外，处理空间4设置有具有配件的必要管件。这些包括温度、压力、液体水平和流体测量装置、调节阀、电磁阀、驱动马达等。这些是本发明的(辅助)设备。

将合适的仪器安置在控制柜中，在优选的实施方案中，所述控制柜分布在处理空间4中。但是，它们也可设置在独立的控制空间5中。对于本发明的目的，所述仪器是控制和/或调节反应的装置。

通过穿过成套设备1的壁的管件将处理空间4中设置的工艺设备与储存空间3的储存容器连接，所述管件优选地设置为金属管。这些管件集成在所述基础设施中，通过所述管件，可在所述设备和/或装置和/或反应器之间交换物质和/或能量和/或信息。

所述成套设备的所有空间可具有以骨架样形式部分支撑所述壁的框架，并且所述框架可附加电子组件、储存容器、工艺设备等以使整个成套设备可运输。

用于该目的的框架组件例如可设置为金属空心型材，其既起着加强所成套设备的作用，又起着连接所述组件和引导并分布管道和管件的作用。

所述空心型材可例如配有标准内螺纹样式，以使其上可以简单的方式紧固各种装置。在本发明中，所述空心型材表示安装区域。

电动和气动管道优选地在为此目的所设置的合适的电缆槽中受到保护和屏蔽。由于处理空间4可密封并强制通风，所以在处理空间4中的设备和仪器不必防爆。

在成套设备1的空间之间的壁上，可设置能够例如从控制空间5观察处理空间4的窗口。

为了成套设备1的空间照明，提供优选以高效发光二极管形式的电子发光构件。这些构件首先节能地提供光，并且还对所有空间进行相同的照明。此外，这些发光构件能够简单地遵照职业卫生指南。除了常规照明外，还提供应急照明，如集成在运输集装箱顶板中。

将处理空间的通风设置为从外部的强制通风。为此，从空气供应成套设备送入空气。作为可选方案，如果不必符合高防爆要求，使用扇吸入并吹入空气。为了通风的目的，还可将处理空间4与例如控制空间5连接。

如上所述，通过设置在运输集装箱外部的成束管件的连接器向所述成套设备供应辅助介质如电能、水、氮气、加压空气等。为了引入能量或辅助介质或副产物，这是向外的接口。所述能量或辅助介质或副产物可从该接口输送至处理空间4，在处理空间4中，在分布站可接收辅助介质。为此所需的管件可以例如导入收集盆上方的中间平面。

通过收集管可合并来自各空间的废气流并一起排出。此外，可提供纯化废气的构件，如气体洗涤器和/或微尘过滤器。通过在运输集装箱顶部上设置的烟囱可排出经纯化的废气。在本发明中，所述烟囱是释放能量和/或辅助介质和/或副产物的向外的接口。

如果在处理空间4中配有电路盒，使用干燥加压空气覆盖或冲扫这些电路盒，以防止在处理空间4出现泄漏时腐蚀性气体渗入所述电路盒中。这将能够早期检测因电力故障可能导致的火情。通过如集成的火情传感器可输送向所述电路盒供应的加压空气的冲扫气流。

控制空间5还可配有强制通风。尤其是因为可能必需冷却电设备，所以这可能是有用的。此外或作为可选方案，在天花板中集成的空气调节单元可配有冷却和/或加热盘管。

Claims (13)

1.用于进行化学工艺的成套设备，其

a)具有至少一个接收和/或提供原料的装置，

b)具有至少一个接收和/或提供产物的装置，

c)具有至少一个将所述原料转化为产物的反应器，

d)具有至少一个控制和/或调节所述转化的装置，

e)其中，所述成套设备是基于基础设施构造的，

f)其中，所述基础设施提供集成管道，借助所述集成管道可以在所述装置之间和/或所述装置和所述反应器之间交换物质和/或能量和/或信息，

g)其中，所述基础设施具有至少一个安装区域，在该安装区域中可固定所述装置和/或反应器，

其特征在于，

h)所述基础设施是可运输的，

i)所述基础设施在空间上限定出至少一个步入空间，

j)所述安装区域设置于所述空间内，

k)所述基础设施具有灭火剂分配装置，并且

l)所述成套设备包括至少一个闸门室，通过该闸门室可进入所述成套设备中。

2.根据权利要求1所述的成套设备，其特征在于所述灭火剂分配装置能够在所述空间中分布灭火剂。

3.根据权利要求1或2所述的成套设备，其特征在于所述灭火剂分配装置包括围绕所述基础设施的环式管道，其具有多个彼此相隔一段距离设置的喷嘴，用于向所述成套设备喷洒液体。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的成套设备，其特征在于所述基础设施具有至少一个灭火剂连接器，该灭火剂连接器可从外部接入而向灭火剂分配装置添加灭火剂。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的成套设备，其特征在于所述空间具备强制通风。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的成套设备，其特征在于所述空间可被密封。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的成套设备，其特征在于所述空间下面设有收集盆。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的成套设备，其特征在于所述安装区域包括多个用于容纳所述装置和/或所述反应器和/或辅助设备的容纳装置。

9.根据权利要求8所述的成套设备，其特征在于至少部分所述容纳装置具有正六边形形状，并且这些正六边形容纳装置以蜂窝状形式彼此边对边地相邻设置。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的成套设备，其特征在于所述基础设施具有两个在所述空间中相互正交延伸的安装区域。

11.根据权利要求1-9中任一项所述的成套设备，其特征在于所述基础设施具有至少一个朝外的接口，用于引入或释放能量和/或辅助介质和/或副产物。

12.根据权利要求1-10中任一项所述的成套设备，其特征在于所述基础设施符合标准集装箱，特别是根据ISO668的集装箱的规格。

13.使用根据权利要求1-12中任一项所述的成套设备制备产物的方法，其特征在于以下步骤：

a)在第一时间段制备第一产物量，并记录控制或调节在所述装置中反应器中反应所需的信息以控制或调节反应，

b)在保留所述基础设施和用于控制或调节反应的装置的同时，增大所述成套设备的容量，

c)在第二时间段制备第二产物量，并读取控制或调节在所述装置的反应器中反应所需的信息以控制或调节反应，

其中，所述第二量大于所述第一量，并且所述第二时间段在所述第一时间段之后。