TW200950879A - Injector assmeblies and microreactors incorporating the same - Google Patents

Description

200950879 六、發明說明： • 【發明所屬之技術領域】 本㈣是關於微反應ϋ技術。微反應H-般被稱為微 結構反應器，微通道反應器，或微流體裝置。 【先前技術】 • 不管使用何種名稱，微反應器就是一種能夠限制試樣 以及進行處理之裝置。試樣能夠是移動或靜止的，雖然一 〇般是移動性試樣。在—些情況中，此處理牽涉到化學反應 的分析。在其他情況中，此處理是牽涉到兩個相異反應物 之製造處理的-部分。在又其他的情況中，移動或靜止目 標樣本被局限在微反應器中來作樣本和相關之熱交換流體 之間的熱交換。不管是哪一種情況，限制空間的尺寸通常 都在大約1公釐的等級。微通道是這類限制的最典型形式， 而相較於批式反應器來說，微反應器通常是連續流動反應 器。微通道降低的内部尺寸，在質量和熱轉移速率上提供 〇 了大大的改進。此外，微反應器提供很多超越傳統規模反 應器的優點，包括大大增進能源效率，反應速度，反應產能， . 安全性，可靠性，擴充性等等。 微反應器通常用在反應物包含液體和氣體的化學處理 中，微反應器是設計來混合氣體和液體反應物相位產生一 個或多個特定產物分子。為了執行高產量或高選擇性的氣 體/液體反應，通常需要在反應的氣體和液體相位之間提供 相當高的介面表面積。雖然氣體和液體相位可能顯現各種 程度的互溶性，但是在很多情況中反應物在正常狀況下是 200950879 不互溶的。因此，目前的發明者認為我們需要可以改進產量 -和選擇性的微反應器構件，特別是製造等級的微反應技術， •即使是對相當不互溶的氣體和液體反應物。 【發明内容】 微反應器通常用在反應物包含液體和氣體的化學處理 中’微反應器是設計來混合氣體和賴反應物她產生一 個或多個特定產物分子。為了執行高產量或高麵性的氣 ❹體/液體反應，通常需要在反應的氣體和液體她之間提供 相當高的介面表面積。軸氣體和雜她可能顯現各種 程度的互溶性，但是在很多情況中反應物在正常狀況下是 不互溶的。因此，目前的發明者認為我們需要可以改進產量 和選擇性的微反應ϋ構件，_是製造等級的微反應技術， 即使是對相當不互溶的氣體和液體反應物。 ， 依據本發明一項實施例，所提供的微反應器組件包含 流體微結構和注入器組件。注入器組件包含液體入口，氣 Q體入口，液體出口，氣體出口，從液體入口延伸到液體出口 的液體流部分，以及從氣體入口延伸到氣體出口的氣體流 部分。此外注入器組件在跟流體微結構的微通道輸入埠之 間定義了密封注入介面。注入器組件的配置，使氣體流部 分之氣體出口的放置可以將氣體注入液體出口上游的液體 流部分；注入在液體出口處的液體流部分；或者注入液體出 口下游之液體流部分的延伸。此外，注入器組件的配置使 氣體以一系列氣泡的方式注入液體流部分，或其延伸。所 產生的微反應器組件以及其中所使用的注入器組件可以用 200950879

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注入器組件20。流體微結構1〇可以由各種玻璃，陶竟，玻璃 /_，雜何其㈣合的材料形成，包好個流體微通道 Ο 有個或夕個微通道輸入蟑14和—個或多個微ϋ请輪 氣體出口 28,從液體入口 22延伸到液體出口邡 分30,以及從氣體入口 24延伸到氣體出口 28的 °微反應器產物a . 出口 26的液體流部 口 28的氣體流部分 。微反應器產物Ρ在微通道輸出埠〗6離開組合。 液體入σ 22的配置，在跟賴反絲供絲之間界定 ❽出-個密封，容易„卸接和脫離的介面供應器可以包括另一 〜個流體微結構或液體來源。同樣的，氣體入口 24在跟氣體 •反應物供應器之間界定出一密封，容易喻接和脫離的介面 。在兩種情況中，容易啣接和脫離的介面都可以用任何傳 統，或尚待發展的流體配適來提供，應用任何適合的密封結 構包含但不局限於〇—環，襯墊等等。要注意的是，以這種方 式配置的液體入口或液體出口，在氣體和液體一起流經液 體入口或出口，例如，在圖3—5的實施例或任何實施例中氣 體/液體流被引導過液體入口 22的情況時，不會妨礙注^器 5 200950879 組合20的運作。 注入器組件20跟流體微結構1〇的微通道輸入埠14之間 -界定出一密封注入介面。在圖3-5顯示的實施例中，注入器 組合20的配置’使氣體出口 28的放置可以將氣體注入在液 體出口 26上游的液體流部分30。例如，可以考慮將液體出 口 26放在氣體出口 28下遊方向，距離小於大約2公董的地方 _ ，不過不同的尺寸也可以考慮。注入器組件20也可以配置 ❹成使氣體出口 28的放置可以將氣體注入在液體出口 26處的 液體流部分30;或者如同底下將參考圖6-8作進一步描述的 ，注入液體出口 26下游之液體流部分30的延伸。不管在何 種情況下，注入器組件20的配置都使氣體以一系列氣泡的 方式注入液體流部分30,或其延伸。 雖然注入氣泡的尺寸分佈可以相當廣泛，但是大部分 注入液體流部分30之氣泡的直徑在大約100微米和大約400 微米之間。在本發明的一個實施例中，氣體出口 28的直徑 q 限制在大約60微米，而下游的流體微結構10會橫過氣體出 _ 口產生大約1. 5巴的反壓，因此最普遍的氣泡尺寸落在大約 250微米和大約350微米之間。當橫過氣體出口的反壓達到 大約3. 0巴時，最普遍的氣泡尺寸會落在大約200微米和大 約300微米之間。因此我們可以考慮，適合用來產生這種尺 寸之氣泡的氣體出口直徑，通常_但是未必—小於大約1〇0微 米，更好的是在大約30微米和大約80微米之間。 進一步參考圖3-5顯示的實施例，注入器組件20可以配 置成使液體流部分30定義部分收斂截面，氣體從氣體流部 200950879 /刀40大體上直触域在賴流部分3()部分收减面下游 之液體/瓜将30的非-收敛截面。此外可以將注入器組件 20描述成包含氣體/液體出σ 50,液體流部分3〇和氣體流部 二40在此處相會合(參看圖5)。此氣體/液體出u 5〇可以界 疋在注入器組件2G相對受限的喷嘴部分以促進適當的氣泡 注入，並降低注入氣泡的尺寸分佈。 - 為了進-步促進適當的氣泡注入並讓尺寸分佈最佳化 ❹，可以將庄入器組件2〇配置成在氣體注入液體流部分的 地點附近，也就是氣體出口 28的附近，液體流部分3〇和氣體 流部分40定義大體上共軸的流動路徑。此外，氣體流部分 40的放置和配置也可以考慮讓氣體沿著氣體注入向量％， /主入液體机4分30,此氣體注入向量大體上平行於液體流 部分30在液體出口 26所定義的液體注入向量几。雖然較好 的注入器組件材料是鐵氟龍，PFA，鈦，不錢鋼，赫史特合金 (Hastelloy)，和藍寶石，但是根據本發明的注入器組件也 參可以考慮由玻璃，玻璃/陶究組合，或任何其他適合的傳統， 或尚待發展的材料來建構。 _認為在放置和安纽人騎件2G以絲合到氣體 入口 24的結合流體管道時，讓注入器組件20的氣體入口 24 可以定向到任何不同的位置通常是有利的。因此，根據本 發明之注人器組件的配置讓氣體人口 24可以相對於注入器 組合20的其餘部分主動定向，而不會破壞密封注入介面。 例如，參考圖3注入器組件2〇包含旋轉物體部分21和固定本 體部分23。密封注入介面定義在固定物體部分烈的液體出 200950879 口 26處包含〇-環安裝在注入器組件2〇的〇—環凹槽32上。^ 轉物體部分21和固定物體部分23的配置，讓旋轉物體部分 21可以依照方向箭頭R的指示作主動定向。有一對額外的〇 -環凹槽34, 36沿著旋轉物體部分21和固定物體部分23的介 面部分放置，而〇-環安裝在這些凹槽中，在主動定向期間維 持流體-不漏的密封。類似的結構也可以配備在底下說明 的注入器組件20中，參考圖6-8。

圖3-5也顯示注入器組件2〇的可互換流量調節單元恥 。此可互換流量調節單元6〇可以方便地互換元件以幫忙界 定出液體和氣體流部分3〇, 4〇,因此而提供更多功能的組合 -特別是在有需要改變氣泡的尺寸，分佈，或注入特性時。 —般^說，此可互換流量調節單元⑼包含氣體出口 28和液 體流置限 62。液體流量限制器62放置在紐出口 28的 上游用來調節沿著液體流部分3〇的流體流動。 ❹ 參考圖2,根據本發明的微反應器組件j⑼也可以考慮 包含多個流體微結構1〇,和—個或多個注入器組件2〇，其間 有連通S這些實施例中注入器組件可以包含相同或不 =喷嘴尺寸。此外，每個注入器組件2〇會在跟額外流體 微、的微通道輪出㈣之間界定出—額外的密封介面 ^種方式’液體流部分3〇會從一個流體微結構ι〇的微 ^出埠16延伸到另一個流體微結構ι〇的微通道輸入埠 額夕。類結構可以引進額外的反應物A，B，C，和不同功能的 微結構心在本対，躲摘是本發明不局限 吏用特定微反應器結構或使用特定的微結構。以非限定 200950879 舉例來說，流體微結構10可以配置來分散單一反應物，混合 兩個反應物，提供一個或多個反應物和熱流體之間的熱交 換，或者提供驟冷，水解，滯留時間，或其他類似的功能。流 體承接器15以圖2顯示的方式延伸在各別的微通道輸入和 輸出埠14,16之間。 如果流體微結構1〇是用來混合兩個反應物A，G的話，它 通常會包含流體微通道，用來將反應物散佈遍及多個反應 物流動路徑。然後每個這些反應物流動路徑接下來會直接 導向微結構10内的混合區，在其中讓反應物混合和反應。 流體微結構10也可以包含熱流體微通道，用來在流體微通 道中的反應物流體，和界定出在流體微結構10中之熱流體 微通道的熱流體之間作熱交換。不過，流體微結構10也可 以只作為單一功能微結構，也就是作為流體分佈微結構，熱 交換微結構，反應物混合微結構，或者微通道驟冷或水解微 反應器。 圖6-8顯示本發明的一個實施例，其中注入器組件2〇配 置成將氣體出口 28,放置在流體微結構1〇之流體微通道12 的密封注入介面下游。更具體地說，注入器組件2〇的配置 使液體流部分30的延伸35,至少有一部分存在流體微結構 10中，而氣體流部分40之氣體出口 28的放置可以將氣泡注 入液體流部分30的延伸35中，在流體微結構1〇内。通常，注 入器組件20可以配置成使氣體出口放在密封注入介面下遊 方向距離小於大約2公釐的地方，不過要瞭解的是此值的界 限大大決定於流體微結構的通道結構。 200950879 ® 6-8也顯示出本發明的範圍，並不局限於氣體和液體 流部分30, 40以特定方式出現在注入器組件2〇中。更具體 地說，在圖3-5令氣體流部分4〇的氣體入口 24橫向放置在注 入器組件20的旋轉物體部分21上，而液體流部分的液體 入口 22轴向放置在旋轉物體部分21上。相反的，在圖6_8中 .，液體流部分30的液體入口 22橫向放置在注入器組件2〇的 _旋轉物體部分21上，而氣體入口 24轴向延伸在旋轉物體部 分21上方。還要注意的是，注入器組件的一般方位也就是 ’究竟它是放在流體微結構1〇的上方或下方可以變動決定 於它所使用之特定文件中的要求。以另外的方式綠在 目則發明的任何實施例中，氣泡可以從流體微結構1〇的上 方或下方注入。同樣的，流體微結構10也可以考慮是水平 方位，如圖3-8所示；或垂直方位，在這種情況下注入器組 合20通常-雖然未必-假定是大致水平結構或者任何非-垂 直或非-水平的結構。 〇 本發财實施例的液體和氣體人口 22,24也可以考慮 .配置紐雜人口 H來將沖__或㈣引進狀 器組件20和流體微結構10中以除去在注入器組件2〇喷嘴部 分附近的入陷空氣。在這種情況中，注入器组件2〇僅僅用 來在運作期間將氣體送入流體微結構1〇，而如果從處理的 觀點無法接受無效_的話，可以考慮將注入器的設計除 去液體流部分30。在這種情況下，注入器_ 2〇可能類似 -體成型糾的單部分針狀物，其中的旋轉物_分21被 除去了。 200950879 考圖9,為了協助將本發明的注入器組件％穩固地 女裝在微反應器組件⑽内，可以考慮讓微反級组件⑽ 主誠被驗合夾緊齡7㈣來將各別的流體微 和注人驗件2G共同作肋便在各別的密封注入介 庫：:=:Γ且件20蝴微結構10。圖9顯示的微反 應且件⑽包含-被_合錢猜，在財 ❹ ❹ 構10和注入器組件2g之間的密封以形成-密封注入介 =或者，《構件7〇也可以考慮配置成絲綠構件，其 掩七ί70 74’76箝向彼此提供—壓縮力以提供 ，喻接微流體結構10和注入器組件20之間的密封。 」注意，這裡_將本發_元件以較方式來"配置 的t含特定，質’或以特定方式來作用，這些都是結構上 |，配而不用途上的陳述。具體地說，這裡所提到元件 為此-ί 糾此元件财的實難況，因此應該視 為此7G件之結構特性的明確陳述。 上”上了Μ說月以及界疋本發明，人們瞭解在此所使用"實質 他量峨觀飄或其縣示之本f ^細描述本發·參考特殊實施例之後，我們可以 圍所變動是可能的，但是都不脫離申請專利範 f所界疋出树_細。具體龍，雖然本發明的-些 ^目在這裡被標識雜好，或侧親但是本發明不-—定 要局限在本發明這些較好的方面。 200950879 【圖式簡單說明】 下列本發明特定實施例之詳細說明當連同下列附圖閱 讀時將能夠最佳地瞭解，其中相同的結構以相同的參考符 號說明。 圖1為依據本發明一項實施例微反應器組件之示意圖。 圖2為依據本發明另一項實施例微反應器組件之示意 - 圖。 0 圖3為依據本發明一項實施例注入器組件部份斷面圖。 圖4為顯示於圖3注入器組件之分解圖。 圖5為圖3及4注人ϋ組件氣體/紐流部份圖。 圖6-8顯示出為依據本發明另一項實施例之注入器組 件。 圖9顯示出微反應器組件，其依據本發明一項實施例包 含岑合夾緊構件。 【主要元件符號說明】 ❹ 流體微結構微通道12;微通道輸入埠14;流 .體承接11 15;微通道輸出埠16;注入器組件20;旋轉物體 部分21;液體入口 22;固定物體部分23;氣體入口 24;液 體出口 26;氣體出口 28;液體流部分30;〇_環凹槽32 34 歲液體流部分的延伸35;氣體流部分4〇;氣體/液體出 口 50;可互換流量調節單元6〇;液體流量限 ，牛7。;流體承接器72;炎具手臂74,76;微反： 組合100。 12

Claims (1)

1. 200950879 七、申請專利範圍： ' 1· 一種微反應器組件（100)，其包含流體微結構（10)以及注 入器組件（20)，其中： 流體微結構(10)包含多個流體微通道（12)和至少一個微 通道輸入埠（14)以及至少一個微通道輸出埠（16)，每一個 '都跟流體微通道(12)作流體連通； 注入器組件(20)包含液體入口（22)，氣體入口（24),液體 ^ 出口（26)，氣體出口（28)，從液體入口（22)延伸到液體出口 (26)的液體流部分(30)，以及從氣體入口（24)延伸到氣體 出口（28)的氣體流部分(40); 注入器組件(20)在跟流體微結構(10)的微通道輸入埠 (14)之間界定出注入介面； 注入器組件（20)配置使得氣體流部分(40)之氣體出口 (28)位於可以將氣體注入液體出口（26)上游的液體流部分 (30)注入在液體出口（26)處的液體流部分(30)，或者注入 Q 液體出口（26)下游之液體流部分(30)的延伸部份(35);以 . 及， 注入器組件(20)配置使得氣體注入液體流部分(30)或 其延伸部份為一系列之氣泡。 2.依據申請專利範圍第1項之微反應器組件（1〇〇)，其中微 反應器組件（1 〇〇 )包含多個流體微結構（1 〇 )以及注入器組 件（20)界定出與額外流體微結構(1〇)之微通道輸出埠（16) 的界面，使得液體流部份(30)由微通道輸出埠（16)延伸至 微通道輸入璋（14)。 13 200950879 3·依據申請專利範圍第2項之微反應器組件（100)，其中微 反應器組件（1 〇〇)包含多個流體微結構(丨〇)以及相同或不 同尺寸的注入器板件，其包含液體流部份(30)由相對微通 道輸出埠延伸至對應的微通道輸入埠（14)。 4. 依據申請專利範圍第2項之微反應器組件（100)，其中微 反應器組件（100)包含多個主動或被動組合夾緊構件（7〇) 配置成與各別流體微結構（丨〇 )及注入器組件共同作用以 0 在各別注入界面處啣接注入器組件及流體微結構（10)。 5. 依據申請專利範圍第2項之微反應器組件（1〇〇)，其中 注入器組件(20)包含旋轉性物體部份(21)以及靜止物體 部份(23)配置成允許氣體入口（24)相對於注入器組件（20 )之其餘部份而並不會破壞注入界面。 6. 依據申請專利範圍第2項之微反應器組件（丨〇〇),其中注 入器組件(20)配置成使得注入界面界定於液體出口（26) 處。 Q 7·依據申請專利範圍第2項之微反應器組件（100)，其中注 入器組件（20)配置成使得液體流部份(30)以及氣體流部份 (4〇)實質上界定出同轴流動路徑於氣體注入液體流部份 (30)之點處。 8. 依據申請專利範圍第2項之微反應器組件（1 〇〇)，其中氣 體流部份(40)位於以及配置成沿著氣體注入向量注入氣體 至液體流部份(30)，該沿著氣體注入向量實質上平行於液 體出口（26)處液體流部份(30)界定出液體流向量。 9. 依據申請專利範圍第2項之微反應器組件（100)，其中注 200950879 入器組件(20)配置成使得氣體出口（28)包含出口直徑小於 - 大約100微米。 10.依據申請專利範圍第2項之微反應器組件（100)，其中注 入器組件⑽）配置成使得氣體出口（28)包含出口直徑在30 微米與80微米之間。 11，依據申請專利範圍第2項之微反應器組件（丨〇〇),其中注 入器組件（20)配置成使得注入液體流部份(30)之主要氣泡 ❹氣體之直徑在100微米及400微米之間。 12. 依據申請專利範圍第2項之微反應器組件（1〇〇)，其中注 入器組件(20)配置成使得注入氣泡界定出氣泡尺寸分佈， 其中最普遍的氣泡尺寸會落在2〇〇微米和350微米之間。 13. 依據申請專利範圍第2項之微反應器組件（1〇〇)，其中注 入器組件（20)配置成使得氣體流部份(4〇)之氣體出口位於 注入氣體至液體出口（26)之液體流部份(30)上游處。 14·依據申請專利範圍第2項之微反應器組件（丨〇〇)，其中注 ❹入器組件（20)配置成使得氣體由氣體流部份(4〇)實質上直 - 接地注入至液體流部份(30)非會聚斷面。 15. 依據申請專利範圍第2項之微反應器組件（丨00)，其中注 入器組件（20)配置成使得液流部份(4〇)界定出部份會聚性 斷面以及氣體實質上直接地注入至實質上直接地在液體流 部份(30)會聚斷面下游之液體流部份(3〇)非會聚斷面。 16. 依據申請專利範圍第1項之微反應器組件（1〇〇)，其中： 注入器組件（20)更進一步包含氣體/液體出口（26)，液體 流部份(30)以及氣體流部份(40)會合於該處；以及 200950879 ' 氣體/液體出口（26)界定於注入器組件(20)相對受限的 ' 喷嘴部分中。 17. 依據申請專利範圍第1項之微反應器組件（1〇〇)，其中： 液體流部份(30)之延伸部份(35)至少部份地位於流體微 結構（10)中；以及 '氣體流部份(40)之氣體出口（28)位於將氣體注入至流體 微結構(10)中液體出口（26)下游液體流部份(30)之延伸部 ^ 份（35)。 〇 18. 依據申請專利範圍第1項之微反應器組件（1〇〇)，其中注 入器組件(20)包含可互換流量調節單元(60)，其包含氣體 出口（28)以及形成至少部份液體流部份(30)以及氣體流部 份(40)。 19. 一種注入器組件（20),其包含液體入口（22)，氣體入口 (24)，液體出口（26)，氣體出口（28)，從液體入口（22)延伸 到液體出口（26)的液體流部分(30)，以及從氣體入口（24) Q 延伸到氣體出口（28)的氣體流部分(40);其中： 液體入口（22)配置成界定出一個密封，容易地啣接和脫 離液體反應劑供應源的介面； 氣體入口（24)配置成界定出一個密封，容易地_接和脫 離氣體反應劑供應源的介面； 注入器組件(2〇)配置成使得氣體流部份(4〇)之氣體出 口（28)位於注入氣體至液體出口（26)之液體流部份(3〇) 上游處，進入液體出口（26)處液體流部份(30)，或進入液 體出口（26)液體流部份(3〇)下游之延伸部份(35); 16 200950879 注入器組件（2 0 )配置成使得氣體注入液體流部份(3 〇 ) 或其延伸部份成為一系列氣泡；以及 • /主入器組件(2〇)在液體出口（26)處界定出注入界面 注入界面配置成與流體微結構（1〇)之輸出埠形成界面。 20_ —種微反應器組件（1〇〇)，其包含液體微結構(1〇)以 及注入器組件（20),其中： 流體微結構（10)包含多個流體微通道（12)以及至少一 ❹個微通道輸入埠（14)以及至少一個微通道輸出埠（16)， 每一個都跟流體微通道（12)作流體連通； 注入器組件(20)包含氣體入口（24)，氣體出口（28)，以 及從氣體入口（24)延伸到氣體出口（28)的氣體流部分(40); 注入器組件(20)配置使得氣體流部分(40)之氣體出口（ 28)位於可以將注入界面之氣體下游氣體注入至流體微結 構(10)為一系列氣泡。

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