CN107921400B - 具有可调传热能力的连续流动反应器 - Google Patents

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Abstract

一种流动反应器流体模块(12)包含反应物流体模块(20)，其具有内部工艺流体通道(22)和第一主平坦外表面(24a)，以及在内部工艺流体通道(22)与第一主平坦表面(24)之间的热阻R；热控制流体模块(30)，其具有内部热控制流体通道(32)和第二主平坦外表面(34a)；支撑结构(50)，其支撑反应物流体模块(20)和热控制流体模块(30)；以及间隙(25)，其使第一主平坦表面(24a)与第二主平坦表面(34a)分离。所述间隙(25)包含可互换的或可替换的物质或片材(26)，所述可互换的或可替换的物质或片材(26)在间隙(25)上具有热阻G，其中G不等于R。

Description

具有可调传热能力的连续流动反应器
本申请根据35U.S.C.§119要求2015年6月10日提交的系列号为62/173,932的美国临时申请以及2015年6月12日提交的系列号为62/174,943的美国临时申请的优先权权益，本申请以二者的内容为基础，并通过参考将其全文纳入本文。
背景技术
目前，世界要应付基础设施(例如能源和淡水)不断枯竭，并且意识到原材料成本不断上涨。因此，提高精细化工和药物合成工艺的可持续性和效率已经变得越来越重要。通过使用连续的小尺寸流动反应器来体现的一种解决方案，其能够使用更少的试剂、产生更少的废料、生产量更高、效率更高、安全性增加并且环境影响减少。这种连续流动装置的使用避免了从实验室转向市场规模的生产时与常规“间歇”合成或放大相关的缺点。
连续流动微/毫反应器(工作流体通道截面尺寸在微米至几毫米范围内的反应器)已经证明了由于传热和传质过程的强化能够提高工艺效率。对化学反应的作用是有益的，其使得反应能够在期望的温度和浓度窗口中操作，从而减少副产物的生成。此外，由于连续流动反应器在生产过程中的体积较小，且其可控性较高，因此相对于间歇式反应器而言，与危险化学工艺相关的危害性大大降低。
尽管有这些优点，出于一些原因，部分是由于期望的大的量，可能难以放大到足够的产率。平行操作许多反应器——和/或单个反应器中的许多平行流动路径——是一种解决方案。另一种解决方案是增加通道尺寸和每个通道得到的通量。可以将这两种方法进行组合。
当开发用于在流动反应器中实施的新的反应工艺时，可取的并且常是必要的是初始以小规模进行工作，再将以小规模开发的反应转移到更高通量的反应器。在具有更大通道的更高通量反应器的情形中，一方面，降低了部分传热系数(以及与传热面积相关的总的传热系数)，另一方面，降低了传热比表面积。这两个因素导致了体积传热系数显著下降。结果，在从较小的通道放大到较大的通道期间，用体积传热系数表示的传热性能受到了显著影响，并且因此，化学过程将根据规模以不同的方式进行。
康宁(Corning)AFRTM流动反应器模块通过以下方式克服了这一问题：将热导率相对较低的玻璃用作AFR线中的两个最小模块的模块材料，所述两个最小模块具有小型通道和仅毫克每分钟到高至200克每分钟左右的流速，以及通过将热导率显著更高的碳化硅用作最大模块中的模块材料，所述最大模块具有大型通道和高至几公斤每分钟的流速。结果是，小型实验室规模的反应器的热性能与更大型的生产反应器的热性能足够相似，使得许多化学过程一旦在实验室规模上开发和优化，即可在生产反应器中成功进行而无需改进。将可取的是，将这种放大能力扩展到更大范围的反应器尺寸和材料以及可能的最大范围的反应物或工艺流体。
概述
根据本公开的实施方式，提供了一种流动反应器流体模块，其包含反应物流体模块，所述反应物流体模块具有内部工艺流体通道；以及外表面，所述外表面包含第一主平坦表面。反应物流体模块在位于内部工艺流体通道和第一主平坦表面之间的其的一部分处，还具有热阻R。所述流体模块还包含第一热控制流体模块，其包含内部热控制流体通道和外表面，其中所述外表面包含第二主平坦表面。所述流体模块还包含支撑反应物流体模块和热控制流体模块的支撑结构以及将第一主平坦表面与第二主平坦表面分离的间隙。间隙包含可互换或可替换的物质或片材，并且所述可互换或可替换的物质或片材穿过间隙具有热阻G，其中G不等于R，并且G取决于间隙中实际的物质或片材。间隙可具有不均匀的宽度，并且其中本文所用的间隙宽度考虑的是平均间隙宽度。第一和第二主平坦表面在一些位置甚至可接触。
根据流体模块的一些实施方式，G大于R、大于1.1·R、大于1.2·R、大于1.5·R、大于1.8·R和/或甚至大于2·R。
根据另外的一些实施方式，G对R的比例在0.4至1250的范围内，在1至800的范围内，或者甚至是在1.1至100的范围内。
根据一些实施方式，G在2.5·10-6至0.05m2·K/W的范围内，或者甚至是在2.5·10-4至0.01m2·K/W的范围内。
根据一些实施方式，间隙的平均间隙宽度在1μm至1mm的范围内，或者甚至是在10μm至0.2mm的范围内。
根据一些实施方式，反应物流体模块包含第一和第二板，二者密封在一起包封内部工艺流体通道，并且间隙是物理上可接近的，以允许互换或替换所述可互换或可替换的物质或片材而不拆卸反应物流体模块。
根据一些实施方式，所述间隙是可调整的。
根据一些实施方式，可互换或可替换的物质或片材包含热油脂。
根据一些实施方式，可互换或可替换的物质或片材包含片材和热油脂。
根据一些实施方式，可互换或可替换的物质或片材由空气构成。
根据一些实施方式，可互换或可替换的物质或片材包含聚合物、金属片材、相变材料、气体、固体、液体和多相材料中的一种或多种。
根据一些实施方式，可互换或可替换的物质或片材包含填充聚合物。
根据一些实施方式，反应物流体模块的外表面包含第三主平坦表面，并且流体模块还包含以下两者：1)第二热控制流体模块，其包含内部热控制流体通道和外表面，所述外表面包含第四主平坦表面；和2)位于第三平坦表面和第四平坦表面之间的第二间隙。
根据更多的实施方式，流动反应器包含根据上述任意的实施方式的两个或更多个模块，所述两个或更多个模块彼此流体上连接。
在以下的详述中给出了其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各个实施方式而被认识。
应理解，前面的一般性描述和以下的详述都仅仅是示例性的，并且旨在提供用于理解权利要求的性质和特性的总体评述或框架。附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各个实施方式的原理和操作。
附图简要说明
图1是用于根据本公开的实施方式的流动反应器的流体模块的截面图；
图2是用于根据本公开的实施方式的流动反应器的另一种流体模块的截面图；和
图3是根据本公开的实施方式包含两个或更多个流体模块的流动反应器的图。
详述
在附图中，相关的尺寸、位置和维度仅仅用于例示，而不是按比例绘制。本文中定义的“板”是指无论结构的制造历史如何，均为板状结构的结构或者较大的整体结构的板状半部的结构，以及通过临时或永久连接方式组装而形成更大的结构的部分的板状结构。
图1是用于根据本公开的实施方式的流动反应器的流体模块的截面图。参考图1，流动反应器流体模块(12)包含反应物流体模块(20)，所述反应物流体模块(20)具有内部工艺流体通道(22)；以及外表面(24)，所述外表面(24)包含第一主平坦表面(24a)。(在本文件中，平坦的术语意为大致平坦，高达或包含距离平面高至2mm的表面偏差)。反应物流体模块(20)在位于内部工艺流体通道(22)和第一主平坦表面(24a)之间的其一部分处具有热阻R。
R的值通过R＝δ/k确定，其中δ为反应物流体模块20的第一板(20a)或第一半部(20a)的平均厚度，并且k为相同的板或半部(20a)的热导率。
流体模块(12)还包含第一热控制流体模块(30)，所述第一热控制流体模块(30)包含内部热控制流体通道(32)和外表面(34)，所述外表面包含第二主平坦表面(34a)；支撑反应物流体模块(20)和热控制流体模块(30)的支撑结构(50)；以及将第一主平坦表面与第二主平坦表面分离的间隙(25)。间隙(25)包含可互换或可替换的物质或片材(26)。间隙中的可互换或可替换的物质或片材(26)穿过间隙(25)具有热阻G，并且G不等于R，或者替换性地，可互换或可替换的物质或片材由与反应物流体模块(20)所包含的一种或多种材料不同的一种或多种材料构成。
G的值通过G＝δ/k确定，其中δ为间隙(25)中的材料(26)的平均厚度并且k为材料(26)的热导率。
有利的是，G大于R、大于1.1·R、大于1.2·R、大于1.5·R、大于1.8·R和/或甚至大于2·R。G对R的比例有利地在0.4至1250的范围内，在1至800的范围内，或者甚至是在1.1至100的范围内，并且G自身有利地在2.5·10-6至0.05m2·K/W的范围内，或者甚至是在2.5·10-4至0.01m2·K/W的范围内。这些有利的条件在某些情况中是有利的，但不是必需的。
间隙(25)具有平均间隙宽度，并且平均间隙宽度在1μm至1mm的范围内，或者甚至是在10μm至0.2mm的范围内。
反应物流体模块(20)包含第一和第二板(20a、20b)，二者密封在一起包封内部工艺流体通道(22)。在一些实施方式中，第一和第二板(20a、20b)永久地密封在一起。与反应物流体模块(20)类似，热控制流体模块(30)包含第一和第二板(30a、30b)，二者密封在一起包封内部热控制流体通道(32)。在一些实施方式中，热控制流体模块(30)的第一和第二板(30a、30b)不是永久地密封在一起。由于反应物流体模块(20)是被密封的并且包封内部工艺流体通道(22)，因此间隙是可接近的，以允许互换或替换所述可互换或可替换的物质或片材(26)而不拆卸反应物流体模块(20)。由于热控制流体模块(30)是被密封的并且包封内部热控制流体通道(32)，因此间隙(25)是可接近的，以允许互换或替换所述可互换或可替换的物质或片材(26)而不拆卸热控制流体模块(30)。
根据一些实施方式，间隙的宽度是可调整的，例如通过改变反应物流体模块(20)和热控制流体模块(30)的相对固定位置来调整。根据一些实施方式，该调整还可以通过插入厚度不同于早先的可互换或可替换的物质或片材的可互换或可替换的物质或片材(26)来实现，尤其是如果支撑结构被设计成将模块(20、20)压在一起。或者，间隙(25)可以为恒定尺寸，但是可以将各种材料放置到间隙中以改变G的值。
可互换或可替换的物质或片材(26)可包含片材和热油脂；一种或多种以下物质中的一种或多种：聚合物、金属片材、陶瓷片材、玻璃片材、相变材料、气体、固体、液体和多相材料；或者填充聚合物。可互换或可替换的物质或片材(26)可简单地由空气构成。
图2同样为用于根据本公开的实施方式的流动反应器的流体模块的截面图。参考图2，根据一些实施方式，例如图2所示的实施方式，反应物流体模块包含第三主平坦表面(24b)，并且流体模块(12)还包含以下两者：1)第二热控制流体模块(40)，其包含内部热控制流体通道(42)和外表面(44)，所述外表面(44)包含第四主平坦表面(44a)；和2)位于第三平坦表面(24b)和第四平坦表面(44a)之间的第二间隙(35)。图2的实施方式的双侧构造使模块的传热性能最大化并且更好地模拟了双侧生产规格的流动反应器模块中的条件。
图3是根据本公开的实施方式包含两个或更多个流体模块的流动反应器的图。在图3中，流动反应器(10)包含两个或更多个本文公开类型的模块(12)。在反应器(10)中使用模块(12)，通过充分地增加G使模块(12)中的体积传热系数落在旨在用于生产的较大规格的反应器的体积传热系数计算值(或测量值)的5％、10％或20％内，从而允许反应器(10)——即使是小规模的反应器(10)——紧密匹配各种规格的较大的生产规格的流动反应器的热性能。
有利的是，反应物流体模块(20)的第一和第二板(20a、20b)和第一热控制流体模块(30)的第一和第二板(30a、30b)[以及如果存在，第二热控制流体模块(40)的板(40a、40b)]由高热导率材料形成。这为模块(12)的热性能提供了最广范围的可调整性。有利的是，板材料的热导率为在20℃下至少15W/m·K、在20℃下至少20W/m·K、在20℃下至少30W/m·K或者甚至是在20℃下至少60W/m·K或更高。
有利的是，形成反应物流体模块(20)的第一和第二板(20a、20b)包含碳化硅或者甚至是由碳化硅组成。这允许模块(12)抵抗最广范围的化学环境，包括能够轻易溶解大多数玻璃的高温强碱环境。本公开所提供的调整G并使G大于R的能力在这一情况中甚至更加重要，因为否则碳化硅的高热导率使得小规模反应器中的反应环境，尤其是小规模反应器的热性能相对于大规模反应器的性能来说过高。如果不能增加G，则在小规模SiC流动反应器中设计和优化的热敏反应过程将不能直接简单地放大到大规模SiC流动反应器。仅降低热流体和/或反应物流体的流速不起作用。如本公开的实施方式提供的，由于能够独立于流速选择性地、迅速、轻易且廉价地增加(或降低)G，单个小型实验室的或预备生产的SiC反应器可根据需要匹配各种材料和各种规格的反应器的各种水平的热性能。
本文公开的方法和/或装置通常用于进行任何工艺，所述工艺包括在微型结构中对流体或流体混合物，包括多相流体混合物进行混合、分离、萃取、吸收、蒸馏、结晶、沉淀或其他加工流体或流体的混合物——包括含有多相流体混合物而该多相流体混合物还含有固体的流体或流体混合物。所述加工可以包括物理加工、化学反应、生物化学加工或者任意其他形式的加工过程，所述化学反应被定义为导致有机物、无机物或者有机物和无机物都发生相互转化的加工。以下列出了可以通过所公开的方法和/或装置进行的反应的非限制性实例：氧化；还原；取代；消除；加成；配体交换；金属交换以及离子交换。更具体地，以下列出了可以通过所公开的方法和/或装置进行的反应的任意非限制性实例：聚合；烷基化；脱烷基化；硝化；过氧化；磺化氧化；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；羰基化；硫羰基化；烷氧基化；卤化；脱氢卤化；脱卤化；加氢甲酰化；羧化；脱羧；胺化；芳基化；肽偶联；羟醛缩合；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；酶合成；缩酮化(ketalization)；皂化；异构化；季铵化；甲酰化；相转移反应；硅烷化；腈合成；磷酸化；臭氧解；叠氮化物化学；复分解；氢化硅烷化；偶联反应；以及酶反应。

Claims (13)

1.一种流动反应器流体模块（12），包含：
反应物流体模块（20），其具有内部工艺流体通道（22）和包含第一主平坦表面（24a）的外表面（24），所述反应物流体模块（20）在位于内部工艺流体通道（22）与第一主平坦表面（24a）之间的其一部分处具有热阻R；
第一热控制流体模块（30），其包含内部热控制流体通道（32）和含有第二主平坦表面（34a）的外表面（34）；
支撑结构（50），其支撑反应物流体模块（20）和热控制流体模块（30）；
以及
间隙（25），其使第一主平坦表面与第二主平坦表面分离，所述间隙（25）包含可互换的或可替换的物质或片材（26），所述可互换的或可替换的物质或片材（26）在间隙（25）上具有热阻G，其中G大于R，
其中，反应物流体模块（20）包含第一和第二板（20a、20b），二者密封在一起包封内部工艺流体通道（22），
其中，G的值通过G＝δ/k确定，其中所述δ为间隙(25)中的可互换的或可替换的物质或片材(26)的平均厚度并且所述k为可互换的或可替换的物质或片材(26)的热导率，并且
其中，R的值通过R＝δ/k确定，其中所述δ为反应物流体模块(20)的第一板(20a)的平均厚度，并且所述k为一致的第一板(20a)的热导率。
2.根据权利要求1所述的流体模块（12），其中G大于1.1 · R。
3.根据权利要求1所述的流体模块（12），G与R的比例在大于1且小于等于1250的范围内。
4.根据权利要求1所述的流体模块（12），其中G在2.5·10-5至0.05 m2·K/W的范围内。
5.根据权利要求1所述的流体模块（12），其中，间隙（25）具有平均间隙宽度，所述平均间隙宽度在1 µm至1 mm的范围内。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的流体模块，其中，间隙（25）是可接近的，以允许互换或替换所述可互换或可替换的物质或片材（26）而不拆卸反应物流体模块。
7.根据权利要求6所述的流体模块，其中间隙（25）是可调整的。
8.根据权利要求6所述的流体模块，其中，可互换或可替换的物质或片材（26）包含片材和热油脂。
9.根据权利要求6所述的流体模块，其中，可互换或可替换的物质或片材（26）由空气组成。
10.根据权利要求6所述的流体模块，其中，可互换或可替换的物质或片材（26）包含聚合物、金属片材、相变材料、气体、固体、液体和多相材料中的一种或多种。
11.根据权利要求6所述的流体模块，其中，可互换或可替换的物质或片材（26）包含填充聚合物。
12.根据权利要求6所述的流体模块（12），其中，反应物流体模块的外表面（24）包含第三主平坦表面（24b），并且其中，流体模块（12）还包含以下两者：1) 第二热控制流体模块（40），其包含内部热控制流体通道（42）和外表面（44），所述外表面（44）包含第四主平坦表面（44a）；和2) 位于第三平坦表面（24b）和第四平坦表面（44a）之间的第二间隙（35）。
13.一种流动反应器（10），其包含根据权利要求1所述的两个或更多个模块，所述两个或更多个模块彼此流体上连接。
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