CN107744786A - 防止连续反应通道系统堵塞的方法及执行该方法的微反应器 - Google Patents

Abstract

防止由在连续反应通道系统中进行的连续反应的副产物引起所述连续反应通道系统堵塞的方法，所述该方法包括以下步骤：通过沿多种工艺流体中的至少一种工艺流体的流动方向将至少一种超声波耦合进入所述至少一种工艺流体，以生成至少一种移动通过所述通道系统的超声波。

Description

防止连续反应通道系统堵塞的方法及执行该方法的微反应器

本申请是申请号为201080021683.9，申请日为2010年8月26日，申请人为隆萨股份公司，发明创造名称为“防止连续反应通道系统堵塞的方法及执行该方法的微反应器”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及防止由在连续反应通道系统中执行的连续反应的副产物引起的所述连续反应通道系统堵塞的方法，和支持用于执行该方法的连续反应通道系统的微反应器。

背景技术

在微反应器连续反应技术中，各种化学物质连续通过微反应器，所述化学物质包括流入该反应器并在其中反应形成流出该微反应器的产物的多种反应物(离析物)。这样的微反应器在例如同一申请人的专利公开号为EP1839739A1的欧洲专利申请中有所揭示。在这些例如金属化反应(其中会发生氢-金属或卤素-金属交换)等化学反应的一些中，在通道系统中存在的水可能与一种或多种化学物质反应，形成了堵塞通道的沉淀物。发生该堵塞的局部概率在整个微反应器中并不相同，但该概率在下文所说的易堵塞区最高，易堵塞区为汇合区和混合区，其中各种反应物交汇在一起，被混合并彼此反应。

应当指出，由于相对于使用干投料而言，即使中等的堵塞也导致压力的上升，并可能导致产率下降，因此仅使用干投料/溶剂，而后者成本很高，因为它涉及大量的干燥步骤。例如，许多醚，如乙醚、甲基叔丁醚(MTBE)、四氢呋喃(THF)，或溶剂例如二甲亚砜(DMSO)，极难与痕量的水分离，因此这种分离也非常昂贵。此外，干燥有时候也会发生问题。例如，已知上述反应(1)会极为剧烈地进行，而其它物质如有机硝酸盐或叠氮化合物甚至是易爆的。有机硝酸盐或叠氮化合物仅作为一般的范例，说明一些物质由于干燥过程很危险而不能被干燥。因此，从这方面考虑，也需要一种不需要干燥的方法。

发明内容

因此，本发明的目的之一是提供防止连续反应通道系统堵塞的方法，该方法与现有方法相比较更便宜，适用于非干燥投料/溶剂的情况，不存在危险，并经济可行。本发明进一步目的是提供执行该方法的微反应器。

上述目的分别通过权利要求1和权利要求8的特征实现。从属权利要求对有利的方面进行了进一步限定。

根据本发明(权利要求1)，防止由在连续反应通道系统中进行的连续反应的副产物引起的所述通道系统堵塞的方法，该方法包括以下步骤：通过沿多种工艺流体中的至少一种工艺流体的流动方向将至少一种超声波耦合进入所述至少一种工艺流体，以生成至少一种移动通过所述通道系统的超声波，其中如本发明所述“防止堵塞”包括“避免堵塞形成”和“去除已形成的堵塞”。因此，至少一种超声波由该通道系统或通道系统的部分引导，并沿着该通道系统或该通道系统的部分达到它的易堵塞区，如同电磁波在光导纤维中被引导一样，该至少一种工艺流体被用作该至少一种超声波的载体介质。优选地，该至少一种超声波尽可能靠近易堵塞区形成，从而减少衰减效应。最优选地，该至少一种超声波在外部生成，但非常靠近该微反应器。对于生成该至少一种超声波的超声探针或装置的具体构造并无限制，只要它能被用于将至少一种超声波传递至一种或多种工艺流体，从而被传输到易堵塞区。通常，根据其应用领域在设计和功率上进行改造的压电换能器可以实现该目的。作为大量实施例中的一个，在文献US2009169428中揭示了一种具有压电换能器的流式细胞的医学应用，其中超声能被应用于连续的悬浮液流。在文献EP1570918A2中揭示了将超声能传输进入增压流体。在文献US5830127中揭示了一种清洁伸长的管状仪器(如内窥镜)的内部通道的方法，包括在内部通道内的液体介质中形成超声波。在文献DE102005025248A1中揭示了一种流体导向系统，其中为了防止该系统的微反应通道中的沉积，超声信号与流动的液体耦合。然而，应当指出，根据本发明，堵塞是在微反应器正常运行过程中被防止的，这可由权利要求1中描述的“在所述通道系统中进行”和“在至少一种工艺流体的流动方向”看出，并且，一种工艺流体或多种工艺流体被用于为该目的将至少一种超声波传输进入微反应器。实验数据显示，一些反应中，当应用该至少一种超声波时，可耐受水含量的限度可被扩展到约500ppm。在此基础上，该至少一种超声波可在与一种或多种工艺流体基本相同或基本相反的方向上行进，其中在该工艺流体流动方向中堵塞位置最接近该微反应器末端时，后一方向可能更有利。

因此，该超声波能并不主要通过该微反应器的外壳传输到易堵塞区，例如，尽管—理所当然地—该外壳及其振动相关的物理特性不能在这方面被完全忽略。例如，微反应器的材料决定了衰减，且部分超声波能可通过外壳从该耦合区传输到易堵塞区。然而，这些可以看作是副作用。大致上，该至少一种超声波的频率优选在16kHz到50kHz或更高的范围内，但应当与微反应器的设计和尺寸、工艺流体的流速和粘度以及发生的化学反应等相适合。在有利的情况下，该频率和/或功率并非保持在恒定值，而是变化的(sweeped)，从而减少由节点表征的驻波形成的风险，在该节点，由于超声能沉积的缺失，沉淀物可能聚集并堵塞流动路径/通道。此外，该频率可以被更高的频率调节，该更高频率也是可变化的。

为了将至少一种超声波以上述方式耦合进入微反应器，本发明采用了定制生产的Branson 400W超声系统，其具有5mm长的超声焊极(sonotrode)，调整频率到约40kHz。当然，也可以等同使用任何其他的超声装置，只要它适于将至少一种超声波传输到正在使用中的流体，此处为流入微反应器的包含反应物的工艺流体，或是流出微反应器的包含一种或多种在微反应器中生成的产物以及可能由于环境还包含一种或多种反应物的工艺流体。

根据本发明的优选实施例(权利要求2)，该多种工艺流体包括至少一种投料流、至少一种产物流和/或至少一种溶剂流。也就是说，根据本发明的方法中，该至少一种超声波可以被耦合进入任何类型的工艺流体，并且进入相当或相同类型的仅一种或多种工艺流体。应当指出，在权利要求1限定的特征“在流动方向中”并不与以下特征相矛盾：该至少一种超声波被耦合进入产物流，因为该产物流可能由于化学或其他原因而在该通道系统中具有特定的路径。

根据本发明的优选实施例(权利要求3)，参与连续反应的化学物质包括多种连续流入该通道系统的反应物，以及通过混合和相互转换该多种反应物在该连续反应中形成并连续流出该通道系统的产物，其中该多种反应物中的至少一种包括与至少一种投料中的水杂质反应形成副产物的包含有碱金属和有机部分的化合物。

根据本发明的优选方面(权利要求4)，所述碱金属选自锂、钠或钾。

一般而言，堵塞的原因是固化的NaOH、LiOH、KOH或RbOH，其在包含碱金属和有机部分的化合物与水杂质的副反应中形成。这些化合物的实施例为甲基锂、乙基锂、丙基锂、异丙基锂、丁基锂、异丁基锂、仲丁基锂、叔丁基锂、戊基锂、异戊基锂、仲戊基锂、叔戊基锂、仲异戊基锂、己基锂、异己基锂、仲己基锂、环己基锂、辛基锂、苯基锂、邻甲苯基锂、简甲苯基锂、对甲苯基锂、三甲基硅烷基甲基锂、苯基钠、邻甲苯基钠、间甲苯基钠、对甲苯基钠、丁基锂/钾-叔丁氧基、丁基锂/钠-叔丁氧基等，优选，异丙基锂、仲丁基锂、叔丁基锂、仲戊基锂、叔戊基锂、仲-异戊基锂、仲己基锂、环己基锂、辛基锂和苯基锂，更优选地是，丁基锂(正、仲或叔)或己基锂。

例如，当金属化反应中的金属是锂时，该反应被称为锂化反应，例如n-BuLi(丁基锂)与水的反应，其中根据如下方程式形成固体LiOH：

C₄H₉Li+H₂O→C₄H₁₀+LiOH (1)

如上所述，LiOH易于在微反应器入口附近形成。一般而言，痕量水杂质足以引起堵塞。尽管通道系统内可耐受水含量的确切限度无法一般性的规定，因为它取决于多种参数，如反应物类型、溶剂类型、它们的流速和化学环境(压强、温度)，但可将10ppm的值作为实际基准。此处，“可耐受”表示在这样的条件下，反应器不会发生“严重”堵塞。

根据本发明的一个实施例(权利要求5)，该至少一种超声波被连续、不连续或“按需求”地耦合进入通道系统。在第一种情况下，该至少一种超声波所需要的能量可以非常低，因为堵塞在开始形成时就被连续停止，不需要控制，而在其他情况下，需要控制来标记即将形成的堵塞并适当的进行抵消。被连续耦合进入通道系统的该至少一种超声波的能量可随时间规律地或不规律地变化或保持不变。在第二种情况下，该至少一种超声波根据预定的或固定的耦合模式被耦合进入通道系统，而在第三种情况下，该耦合模式不固定，但根据当前情况作出调整。该耦合模式可以，例如，通过该至少一种工艺流体的一个特征压强来确定，这样的特征压强可随后用作控制变量(权利要求6)，并将所述特征压强与目标压强范围作比较。该至少一种超声波可随后在，例如，仅当该特征压强在预定目标压强范围之外时被耦合进入该通道系统。该预定的目标压强已通过实验确定为每个投料管中正常压强以上的0和10bar之间的范围，优选在正常压强以上0和10bar之间的范围，最优选0和3之间的范围，其中正常压强是在水敏感性反应中仅采用干投料(投料工艺流体)时系统的压强。正常压强取决于投料流速、尺寸(直径)和投料粘度等。耦合模式还可以通过一些定义耦合时间相对非耦合时间的直角函数来确定。此种情况下的时间安排可以是，例如，与运输投料的泵的脉动或与发生的化学反应相关。替代性地，该至少一种超声波的连续生成可与压强的测定相结合，以使该连续的至少一种超声波应用的强度适应于该微反应器内的堵塞情况。综上所述，被耦合进入通道系统的该至少一种超声波的功率可以是任意的时间函数，既可以是预定的，也可以是随情况变化的。

根据本发明(权利要求8)，执行该方法的微反应器包括至少一种投料通道，所述至少一种投料通道的每一个供应该至少一种工艺流体的一个且在至少一个汇合区域彼此连接；邻近所述汇合区域的混合部分；邻近所述混合部分的滞留部分；卸料通道以及至少一个耦合装置，所述耦合装置用于在流动方向将该至少一种超声波直接耦合进入该至少一种工艺流体。该微反应器可以是，例如EP1839739A1中揭示的微反应器，或者具有类似通道结构并优选用于类似目的的任意其他微反应器。

附图说明

通过下文中对优选具体实施方式的详细说明并结合附图，使得本发明的上述的目的以及进一步的目的、特征和有益效果显而易见。

图1为用于实施如权利要求1到7所定义的方法的根据本发明优选实施例的耦合到超声波发生器的微反应器的板的横截面示意图；和

图2为图1装置的立体示意图。

具体实施方式

图1示意性显示了如EP1839739A1中详细描述的，例如耦合到超声波发生器30的微反应器的板10的横截面的示意图。微反应器板10包括了分为混合区14和滞留区16的迂回通道系统12。微反应器板10包括第一和第二投料口18和20，分别用于连续引入包含了参与该微反应器中发生的连续反应的化学物质的工艺流体的投料流；还包括出口22，在此处排放包含在工艺流体(随后称为反应流体)中的反应产物。超声发生器30包含与通过第一投料口18流入微反应器的工艺流体接触的超声焊极32，并将由超声焊极32的往复运动生成的超声能传输到投料工艺流体或简单的投料流。从图1可以清楚的看到，超声能在微反应器外部该投料流的入口侧耦合。然而，根据通道系统16的确切结构，该超声焊极32与投料流的接触位置也可以位于微反应器的内部。此外，尽管图1中显示的超声波发生器30是Branson^TM发生器，可以采用其他任何超声波发生器，只要它能将超声能传输到进入微反应器的一种或多种投料流。如上所述，该超声波采用投料流作为介质引导通过通道系统12。

图2显示了构建耦合到超声波发生器的微反应器的板10的堆叠(stack)。圈“A”表示入口区，其中化学物质通过第一和第二投料口18、20连续流入通道系统12，以便在其中被混合和化学互换。

附图标记

10 微反应器的板

12 通道系统

14 混合区

16 滞留区

18 第一投料口

20 第二投料口

22 出口

30 超声波发生器

32 超声焊极

Claims (9)

1.防止由微反应通道系统中正在进行的连续反应的副产物引起的所述微反应通道系统堵塞的方法，所述方法包括以下步骤：通过在多种工艺流体中的至少一种工艺流体流入微反应器的入口侧并在流动方向将至少一种超声波直接耦合进入所述至少一种工艺流体的流，以在所述通道系统的通道内生成至少一种移动通过用作超声波传输介质的所述至少一种工艺流体的超声波，

其中所述至少一种超声波被引导进入所述通道系统或其一部分至其易堵塞部位，

其中堵塞在所述微反应器的正常操作期间在所述通道系统内的所述连续反应进行时被防止，

其中所述至少一种超声波被连续、不连续或按需求地耦合进入所述通道系统。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一种超声波耦合进入所述至少一种工艺流体，所述至少一种工艺流体选自至少一种投料流、至少一种产物流和/或至少一种溶剂流。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法在微反应器中进行，其中连续反应利用化学物质进行，包括连续流入所述通道系统的多种反应物，以及通过混合和互变所述多种反应物获得在所述连续反应中形成并连续流出所述通道系统的产物，其中所述多种反应物中的至少一种包括与至少一个投料中的水杂质反应形成所述副产物的包含有机-碱金属化合物的化合物。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述碱金属选自锂、钠或钾。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，其中所述至少一种超声波按需耦合进入所述通道系统，所述至少一种工艺流体的压强被用作控制变量。

6.如权利要求1或2所述的方法，其中所述至少一种超声波的频率在16kHz-50kHz的范围内。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述通道系统为连续反应微反应器中的一部分。

8.执行如权利要求1-7中任一项所述方法的微反应器，所述微反应器包括：

多个投料通道，每一个投料通道用于所述至少一种工艺流体中的一种且与至少一个汇合区连接，其中所述投料通道之一具有投料入口；

邻近所述汇合区的混合部分；

邻近所述混合部分的滞留部分；

邻近所述滞留部分的卸料通道；和

至少一个耦合装置，用于在所述投料入口在至少一种工艺流体的流动方向上将至少一种超声波直接耦合进入所述至少一种工艺流体的流的起始处。

9.如权利要求8所述的微反应器，进一步包括压强感应器，用于检测传输所述至少一种超声波的所述至少一种工艺流体的压强，其中如果所述压强在预定的靶压强范围之外，所述压强用作所述至少一个耦合装置的控制变量。