CN110636898B - 用于光化学反应的流反应器 - Google Patents

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Abstract

流反应器具有流体模块，所述流体模块具有第一主外表面。模块含有流体通道且在一波长范围上，透过第一主外表面到流体通道的透射率是至少20％。反应器具有照明模块，所述照明模块包括外壳内的一个或多个辐射源，其可以在所述范围内进行发射。外壳具有背壁和侧壁，以及与背壁相对的开口。侧壁的边缘围绕开口。照明模块放置成使得照明模块的开口面朝流体模块的第一主外表面。侧壁包括伸缩部分，使得从外壳的背壁到侧壁的边缘的距离是可调节的。

Description

用于光化学反应的流反应器
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119，要求2017年03月05日提交的美国临时申请系列第62/467243号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
技术领域
本公开涉及流反应器(flow reactor)以及在其中进行的流动方法，具体地，涉及模块化且灵活的高产出高效光化学流反应器系统。
发明内容
根据本发明的一个方面，流反应器包括：至少第一流体模块(20a)，所述第一流体模块(20a)具有平坦形式，具有在模块的相对侧上的基本平坦形式的第一和第二主外表面(22a、24a)，模块的边缘表面(26a)围绕并连接了所述第一和第二主外表面(22a、24a)，所述第一和第二主外表面(22a、24a)被模块的厚度(t)分开，所述第一流体模块(20a)在其中具有一个或多个流体通道(28a)用于使得工艺流体发生流动，所述第一流体模块在一波长范围上，透过第一主外表面(22a)到所述一个或多个流体通道(28a)中的至少一个具有至少20％的透射率；至少第一照明模块(40a)，所述第一照明模块(40a)包括位于外壳(44a)内的一个或多个辐射源(42a)，它们至少部分在所述一波长范围内进行发射，所述外壳(44a)包括背壁(46a)和从外壳(44a)的背壁(46a)以不平行于外壳的背壁(46a)的方向延伸的侧壁(48a)，所述外壳(44a)具有与背壁(46a)相对的开口(50a)，围绕着开口(50a)与背壁(46a)相对的侧壁(48a)的边缘(52a)，所述边缘(52a)基本位于单平面中，所述第一照明模块(40a)的位置使得所述第一照明模块(40a)的开口(50a)面朝所述第一流体模块(20a)的第一主外表面(22a)；其中，所述第一照明模块(40a)的侧壁(48a)包括伸缩部分(telescopingportion)(49a)，使得从外壳(44a)的背壁(46a)到围绕着开口(50a)的侧壁(48a)的边缘(52a)的所述单平面的距离(D1)是可调节的。
下文讨论了其他变化形式和具体优点，或者它们会是显而易见的。前述总体描述以及以下详细描述代表具体实施方式，旨在提供理解权利要求的性质和特性的总体或框架。
附图说明
图1是本公开实施方式的部分示意性平面图。
图2是图1实施方式的照明模块的某些元素的透视图。
图3和4分别是图1实施方式的照明模块与图1实施方式的流体模块的透视图。
图5示意性显示可用于图1实施方式的流体模块的结构的某些方面。
图6是可用于图1实施方式的流体模块的某些流体通道的平面图。
具体实施方式
图1是至少包括第一流体模块(20a)的流体反应器(10)的部分平面示意图。第一流体模块(20a)在模块的相对侧上具有基本平坦形式的第一和第二主外表面(22a、24a)，模块的边缘表面(26a)围绕并连接了所述第一和第二主外表面(22a、24a)，并且所述第一和第二主外表面(22a、24a)被模块的厚度(t)分隔开。
第一流体模块(20a)在其中具有用于使得工艺流体发生流动的一个或多个流体通道。希望第一流体模块20a包括三层，如图5示意性所示。例如，希望工艺流体层21a位于第一和第二热控流体层23a、25a之间，用于对相对高度放热或吸热反应进行最佳热控制。但是，在替代实施方式中，可以仅使用一层热控层或者不使用热控层。
图6显示第一流体模块20a中，工艺流体层(21a)中的一个或多个流体通道(28a)的平面图。
希望第一流体模块20a是完全或者至少主要由玻璃、透明陶瓷或者玻璃陶瓷形成的，但是也可以是其他透射性材料，从而在至少一些波长范围上(希望是在300至800nm的较大范围内的至少一些波长范围上)，第一流体模块透过第一主外表面(22a)到所述一个或多个流体通道(28a)中的至少一个的透射率是至少20％。
再次参见图1，流体反应器(10)还至少包括第一照明模块(40a)。第一照明模块(40a)的实施方式的透视图如图2所示。
参见图2，第一照明模块(40a)包括一个或多个辐射源(42a)，其至少部分在上文所述的波长范围内进行发射，从而能够使得辐射传输进入所述一个或多个流体通道(28a)。希望所述一个或多个辐射源(42a)是多个半导体发射器(43a)的形式。
所述一个或多个辐射源(42a)或者所述多个半导体反射器(43a)放置在外壳(44a)中，所述外壳(44a)包括背壁(46a)和从背壁(46a)延伸的侧壁(48a)。侧壁(48a)从外壳(44a)的背壁(46a)以不平行于外壳的背壁(46a)的方向延伸。在一些实施方式中，如图2的实施方式所示，背壁(46a)是大致平坦的。此外在一些实施方式中，如图2的实施方式所示，侧壁(48a)从背壁(46a)以基本垂直于背壁(46a)的方向延伸。外壳(44a)具有与背壁(46a)相对的开口(50a)。侧壁(48a)与背壁(46a)相对的边缘(52a)(图2中显示为更粗的黑线)围绕了开口(50a)。边缘(52a)基本位于单平面中。
回过来参见图1，第一照明模块(40a)的位置使得第一照明模块(40a)的开口(50a)面朝第一流体模块(20a)的第一主外表面(22a)。
如图1、3和4所示，第一照明模块(40a)的侧壁(48a)包括伸缩部分(49a)，使得从外壳(44a)的背壁(46a)到围绕开口(50a)的侧壁(48a)的边缘(52a)的单平面的距离(D1)是可调节的。这实现了较低水平的杂散辐射并且还可以容易地实现同时将数个照明模块和数个流体模块组装到一起，而没有对流体模块的表面造成划痕的危险(这由此损坏了表面的透射质量且可能使得流体模块变差)。在目前优先的一些实施方式中，从第一照明模块(20a)的外壳(44a)的背壁(46a)到围绕开口(50a)的侧壁(48a)的边缘(52a)的单平面的距离(D1)是充分可调节至使得第一照明模块(20a)的侧壁(48a)的边缘(52a)与第一流体模块(20a)的第一主外表面(22a)接触，如图1和4所示。
在一个替代实施方式中，根据任意上文所述的流体反应器(10)还可以包括第一反射器(70a)(如图3和4所示)，其放置在第一流体模块(20a)的第二主外表面(24a)上(如所示)或者仅仅面朝第一流体模块(20a)的第二主外表面(24a)，从而将可能向外穿过第一流体模块(20a)的第二主外表面(24a)的辐射反射回第一流体模块(20a)的第二主外表面(24a)。(在图3和4中，反射器70a用虚线表示，以强调其任选的特性。)在使用反射器的实施方式中，流反应器(10)可以至少包括第二流体模块(20b)和第二照明模块(40c)以及第二反射器(70b)(当图3和4的结构一起用于单个流反应器(10)中的时候)。
作为第二主外表面(24a)上的或者面朝第二主外表面(24a)的反射器70a的替代，如图1所示的流反应器(10)还希望至少包括第二照明模块(40b)，所述第二照明模块(40b)放置成使得第二照明模块(40b)的开口(50b)面朝第一流体模块(20a)的第二主外表面(24a)。与第一照明模块(40a)一样，第二(40b)也是如此：从第二照明模块(40b)的外壳(44b)的背壁(46b)到含有第二照明模块(40b)的侧壁(48b)的边缘(52b)的平面的距离(D2)(在此情况下，如图1所示)是可充分调节至使得第二照明模块(40b)的侧壁(48b)的边缘(52b)与第一照明模块(20a)的第二主外表面(24a)接触。
如图1进一步所示，流反应器还可以至少包括第二流体模块(20b)以及至少包括第三和第四照明模块(40c、40d)。
作为额外变化形式，在根据上文所述和替代形式中的流反应器(10)中，第一和第二流体模块(20a、20b)可以被支撑在第一安装结构(30)上，以及第一、第二、第三和第四照明模块(40a、40b、40c、40d)可以被支撑在第二安装结构(60)上，分别如图1示意性所示。在目前优先的替代实施方式中，第一和第二安装结构(30、60)中的至少一个是可相对于彼此移动的，从而同时地将第一流体模块(20a)放置在第一与第二照明模块(40a、40b)之间和将第二流体模块(20b)放置在第三和第四照明模块(40c、40d)之间。这实现了当流体模块和照明模块没有交错(interleave)时它们的易于安装和放置，同时还实现了安装好的流体和照明模块的同时交错。
根据一个目前优先的替代实施方式，上文所述的第一流体模块具有透射性的波长范围是340至600nm。
根据同样如图1所示的另一个目前优选的替代实施方式，根据任意上文所述变化形式或替代形式的流反应器(10)还包括：气体传递结构(100)用于至少向被第一流体模块(20a)的第一主外表面(22a)的至少一部分限定的含气体积提供干燥或者较为干燥的气体或气体混合物(103)，从而能够防止或降低来自第一照明模块的辐射的衰减或阻隔，这是通过在低温下，第一流体模块(20a)的运行过程中的第一主外表面(22a)上的冷凝和/或沉积实现的。气体传递结构(100)还可以是从气体源(104)通向反应器(10)的导管(101)的形式。反应器(10)可以包括外壳(106)，以促进传递干燥或较为干燥的气体或气体混合物。用于围住或装纳气体或气体混合物(103)的外壳(106)可以围住反应器(10)的所有模块(如图1所示)，或者外壳(106)可以通过个体外壳(44a)形成(如图2所示)。
根据另一个目前优选的替代实施方式，用于任意上文所述的变化形式，第一照明模块(40a)的侧壁(48a)具有外表面和内表面(54、56)(如图2所示)，并且在对于第一流体模块(20a)是透射性的波长范围内的一个或多个波长，内表面(54)具有至少80％、希望至少90％的反射率。
根据另一个目前优选的替代实施方式，用于任意上文所述的变化形式，从其第一主外表面(22a)观察，图6所示的第一流体模块(20a)具有：第一主外表面(22a)上的第一区域(80a)，其位于含有用于使得工艺流体流动的所述一个或多个流体通道(28a)的较致密封装的模块(20a)的内体积(90a)的上面(区域(80a)和内体积(90a)在图6中表示为被白色点划线边界和虚线L所限定的区域，图中的线L下方)；和第二区域(82a)，其位于用于使得工艺流体流动的所述一个或多个流体通道(28a)的相对间隔开的布置或者没有它们的模块(20a)的内体积(92a)的上面(区域(82a)和内体积(92a)在图6中表示为被白色点划线边界和虚线L所限定的区域，图中的线L上方)，以及其中，第一照明模块(40a)的开口的形状对应于第一区域(区域(80a))的周界。这实现了将来自第一照明模块(40a)的辐射引导到第一流体模块(20a)中会具有最大有益效果的区域和体积。
本文所揭示的方法和/或装置通常可用来进行任何工艺，所述工艺包括在微型结构中对流体或流体混合物进行混合、分离、萃取、结晶、沉淀或其它的工艺过程，所述流体混合物包括流体的多相混合物，并包括流体或包括还含有固体的流体的多相混合物的流体混合物。加工可以包括物理过程、化学反应(其定义为导致有机、无机或者有机和无机物质两者的相互转化的过程)，并且合乎希望地包括化学过程或反应、物理过程或反应或者生物过程或反应，它们在光(无论何种波长)存在的情况下受到促进，即，光反应，无论是光敏化、光引发(作为光引发的自由基反应、光活化、光催化、光合成或者其他)。潜在感兴趣的光辅助或光促进的反应的非限制性举例包括：光异构化，重排，光还原，环化，2+2环加成，4+2环加成，4+4环加成，1,3-偶极环加成，西格玛回归转移(这可能导致环化)，光氧化，保护基团或连接键的光裂解，光卤化(光氯化、光溴化)，光硫氯化，光硫氧化，光聚合，光亚硝化，光脱羧作用，前维生素D的光合作用，偶氮化合物的分解，Norrish型反应，Barton型反应。此外，以下列出了可以通过所揭示的方法和/或装置进行的反应的非限制举例：氧化，还原，取代，消除，加成，配体交换，金属交换和离子交换。更具体地，以下列出了可以通过所揭示的方法和/或装置进行的反应的任意非限制性举例：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，醇醛缩合，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，甲硅烷化，腈合成，磷酸化，臭氧分解，叠氮化物化学，复分解，氢化硅烷化，偶联反应和酶反应。
前述描述提供了示例性实施方式来帮助理解权利要求的性质和特性。对于本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离所附权利要求的精神和范围的情况下，对这些实施方式进行各种改动。

Claims (16)

1.一种流反应器(10)，该反应器包括：
至少第一流体模块(20a)，所述第一流体模块(20a)具有平坦形式，具有在模块的相对侧上的基本平坦形式的第一和第二主外表面(22a、24a)，模块的边缘表面(26a)围绕并连接了所述第一和第二主外表面(22a、24a)，所述第一和第二主外表面(22a、24a)被模块的厚度(t)分开，所述第一流体模块(20a)在其中具有一个或多个流体通道(28a)用于使得工艺流体发生流动，所述第一流体模块在一波长范围上，透过第一主外表面(22a)到所述一个或多个流体通道(28a)中的至少一个具有至少20％的透射率；
至少第一照明模块(40a)，所述第一照明模块(40a)包括位于外壳(44a)内的一个或多个辐射源(42a)，它们至少部分在所述一波长范围内进行发射，所述外壳(44a)包括背壁(46a)和从外壳(44a)的背壁(46a)以不平行于外壳的背壁(46a)的方向延伸的侧壁(48a)，所述外壳(44a)具有与背壁(46a)相对的开口(50a)，围绕着开口(50a)与背壁(46a)相对的侧壁(48a)的边缘(52a)，所述边缘(52a)基本位于单平面中，所述第一照明模块(40a)的位置使得所述第一照明模块(40a)的开口(50a)面朝所述第一流体模块(20a)的第一主外表面(22a)；
其中，所述第一照明模块(40a)的侧壁(48a)包括伸缩部分(49a)，使得从外壳(44a)的背壁(46a)到围绕着开口(50a)的侧壁(48a)的边缘(52a)的所述单平面的距离(D1)是可调节的。
2.如权利要求1所述的流反应器(10)，其中，所述一个或多个辐射源(42a)包括一个或多个半导体发射器(43a)。
3.如权利要求1所述的流反应器(10)，其中，外壳(44a)的背壁(46a)是大致平坦的，并且外壳(44a)的侧壁(48a)从背壁(46a)以基本垂直于背壁(46a)的方向延伸。
4.如权利要求1所述的流反应器(10)，其中，从第一照明模块(20a)的外壳(44a)的背壁(46a)到围绕开口(50a)的侧壁(48a)的边缘(52a)的单平面的距离(D1)是充分可调节，使得第一照明模块(20a)的侧壁(48a)的边缘(52a)与第一流体模块(20a)的第一主外表面(22a)接触。
5.如权利要求1所述的流反应器(10)，其还包括第一反射器(70a)，所述第一反射器(70a)放置在第一流体模块(20a)的第二主外表面(24a)上或者面朝第一流体模块(20a)的第二主外表面(24a)，从而将可能向外穿过第一流体模块(20a)的第二主外表面(24a)的辐射反射回第一流体模块(20a)的第二主外表面(24a)。
6.如权利要求5所述的流反应器(10)，其还包括第二流体模块(20b)和第二照明模块(40c)以及第二反射器(70b)。
7.如权利要求1所述的流反应器(10)，其还至少包括第二照明模块(40b)，所述第二照明模块(40b)放置成使得第二照明模块(40b)的开口(50b)面朝第一流体模块(20a)的第二主外表面(24a)。
8.如权利要求7所述的流反应器(10)，其中，从第二照明模块(40b)的外壳(44b)的背壁(46b)到含有第二照明模块(40b)的侧壁(48b)的边缘(52b)的平面的距离(D2)是可充分调节，使得第二照明模块(40b)的侧壁(48b)的边缘(52b)与第一照明模块(20a)的第二主外表面(24a)接触。
9.如权利要求7所述的流反应器(10)，其还包括第二流体模块(20b)以及第三和第四照明模块(40c、40d)。
10.如权利要求7所述的流反应器(10)，其中，第一和第二流体模块(20a、20b)支撑在第一安装结构(30)上，以及第一、第二、第三和第四照明模块(40a、40b、40c、40d)支撑在第二安装结构(60)上，以及其中，第一和第二安装结构(30、60)中的至少一个是可相对于彼此移动的，从而同时地将第一流体模块(20a)放置在第一与第二照明模块(40a、40b)之间和将第二流体模块(20b)放置在第三和第四照明模块(40c、40d)之间。
11.如权利要求1所述的流反应器(10)，其中，所述波长范围包括340至600nm的范围。
12.如权利要求1所述的流反应器(10)，其还包括：气体传递结构(100)用于至少向被第一流体模块(20a)的第一主外表面(22a)的至少一部分限定的含气体积(106)提供干燥或者较为干燥的气体或气体混合物(103)，从而能够防止或降低来自第一照明模块的辐射的衰减或阻隔，这是通过在低温下，第一流体模块(20a)的运行过程中的第一主外表面(22a)上的冷凝和/或沉积实现的。
13.如权利要求12所述的流反应器(10)，其中，通过外壳(44a)形成含气体积(106)。
14.如权利要求1所述的流反应器(10)，其中，第一照明模块(40a)的侧壁(48a)具有外表面和内表面(54、56)，并且在所述波长范围内的一个或多个波长，内表面(54)具有至少80％的反射率。
15.如权利要求1所述的流反应器(10)，其中，第一照明模块(40a)的侧壁(48a)具有外表面和内表面(54、56)，并且在所述波长范围内的一个或多个波长，内表面(56)具有至少90％的反射率。
16.如权利要求1-15中任一项所述的流反应器(10)，其中，从其第一主外表面(22a)观察，第一流体模块(20a)具有：第一主外表面(22a)上的第一区域(80a)，其位于含有用于使得工艺流体流动的所述一个或多个流体通道(28a)的较致密封装的模块(20a)的内体积(90a)的上面；和第二区域(82a)，其位于用于使得工艺流体流动的所述一个或多个流体通道(28a)的相对间隔开的布置或者没有它们的模块(20a)的内体积(92a)的上面，以及其中，第一照明模块(40a)的开口的形状对应于所述第一区域的周界。
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