TW201127484A - Method for preventing plugging of a continuous-reaction channel-system and micro-reactor for carrying out the method - Google Patents

Description

201127484 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種防止由連續反應通道系統中進行的連 續反應的副產物引起所述通道系統堵塞的方法，以及支援用於 實施該方法的連續反應通道系統的微反應器。 【先前技術】 在微反應器連續反應技術中，微反應器被的各種化學物質 連續通過’該化學物質包括流入該微反應器並在其中形成流出 該微反應器的產物的多種反應物（離析物）。該種微反應器揭 露於例如相同申請人的EP1 839 739 A1。在部分化學反應（如 發生氫-金屬或齒素-金屬交換的金屬化反應）中，該通道系統 中存在的水可與一種或多種化學物質反應，形成了堵塞該通道 的沉澱物。發生該種堵塞的局部機率在整個微反應器中並不相 同，但該機率在下文所稱的易堵塞區域最高，易堵塞區域為匯 合和混合區域，其中各種反應物交匯在一起，被混合並彼此反 應。 應當指出，由於相對於使用幹投料，即使中等的堵塞也可 導致壓強的上升’並可能導致產率下降，因而僅使用幹投料/ 溶劑’而後者成本很高，因為它涉及了大量的乾燥步驟。例如， 許多醚（例如，二乙喊、甲基叔頂（Μ·)、四氫咬味（th⑴ 或二甲亞颯（DMSO)等溶劑，極難與痕量的水完全分離，因此這 種分離也非常昂貴。此外，乾燥有時候也會Μ問題。例如， 上述反應⑴已知會極為劇烈地進行，而其他 或疊氣化物甚至是易爆的。有機石肖酸鹽或疊氮化物僅作為一般 201127484 的範例’表明有些物f不能被乾燥，因為乾燥過程是危險的。 因此，從廷個方面考慮，也需要不經過乾燥的方法。 【發明内容】 因此，本發明之-目的是提供防止連續反應通道系統堵塞 的方法，财法相比财方較為便宜，適詩制非幹投料 /溶劑的情況，不存在危險，且是經濟的。 本發明進-步之目的是提供實施該方法的微反應器。 上述目的可分別通過申請專利範圍第1項和申請專利範圍 第8項的特徵實現。附屬中請專利範圍中定義了有利的方面。 為達到上述目的，根據本發明（申請專利範圍第⑷，防 止由連續反應通道“中進行的連續反應㈣產物引起的所 述通道系統的堵塞的方法包括通過在多個工藝流體中的至少 「個工藝流體的流動方向中將至少—個超聲波麵合（_邱邮 、、所述至V >[固工藝流體以生成至少一個移動通過所述通 道系統的超聲波的步驟，其中如本發明所述的“防止堵塞，，包括 “避免堵塞形成”和“去除已經存在的堵塞”。目此，該至少一個 超聲波由該通道系統或該通道系統的部分所引導’並沿著該通 道系統或該通道系統的部分到達它的易堵塞區域，如同電磁波 在光纖維中被引導那樣’該至少—個卫藝流體被用作該至少一 個超聲波的載體介質。優選地，該至少一個超聲波盡可能靠近 該易堵塞區域生成，從而減少衰減作用。最優選地，該至少一 個超聲波在外料成’但非常线職反應^。對於生成該至 少-個超聲㈣超聲探頭或裝置的具體構造並無限制，只要它 能被用於將該至少-個超聲波傳遞至—個或多個卫藝流體，從 而被傳輸至易堵塞區域4。通常’根據其應用領域在設計和功 201127484 率上進行改造的壓電換能器被用於該目的。作為大量實施例中 的一個，在文獻US 2009169428中披露了 一種具有壓電換能器 的流式細胞的醫學應用，其中超聲能被應用至連續的懸浮液 流。在文獻EP 1 570 918 A2中揭露了將超聲能傳輸進入增壓流 體。在文獻US 5,830，127中揭露了一種清潔伸長的管狀儀器（例 如内視鏡）的内部通道的方法，其包括在該内部通道内的液體 介質中生成超聲波。在文獻DE 10 2〇〇5 〇25 248 A1中揭露了一 種流體導向系統，其中為了防止該系統的微通道中的沉積，超 聲信號被耦合進入該流動的流體。然而應當指出，根據本發 明，堵塞是在該微反應器的常規操作中被防止的，這可由申請 專利範圍第1項中的描述“在所述通道系統中進行，，和“在至少一 個工藝流體的流動方向”看出，且一種工藝流體或多種工藝1體 被用於為該目的將至少一個超聲波傳輸進入微反應器。實驗顯 示對於一些反應，當應用該至少一個超聲波時，可耐受水含量 的限度可被擴展至約500 ppm。在此基礎上，該至少一個超聲 波可在與-個或多個卫藝流體基本相同或基本相反的方向上 移動’其中後-方向可能在堵塞位置最接近該微反應器中該工 藝流體流動方向末端時更為有利。 因此，該超聲波能量並不主要通過該微反應器的外殼傳輸 至易堵塞區域’例如’儘管該外殼及其振動相關的物理特性理 所^㈣不能在這個方面被完全，忽略。例如，微反應器的材料 決定了衰減’且部分超聲波能量可通過外殼從該耦合區域傳輸 至易堵塞區域。然而，這被視為副作用。大致上，該至少—個 超聲波的頻率優選在16册至5随2或更高的範圍内，但應當 適合微反應H的設計和尺寸、卫藝流體的流速㈣度以及發生 的化學反應等。有利的情況下’該頻率和/或功率並非保持在恒 201127484 定值’而是變化的（sweeped)，從而減少由節點表徵的駐波形成 的風險’在該節點，由於超聲能沉積的缺失，沉澱物可能聚集 並堵塞流動路徑/通道。此外，該頻率可以被更高的頻率調節， 該更高頻率進而也可變化。 為了將至少一個超聲波以上述方式耦合進入微反應器，本 發明採用了定制生產的Branson 400 W超聲系統，其具有5 mm 長的超聲焊極（sonotrode)，頻率調整至約4〇 kHz ^當然，任意 其他的超聲裝置也可等同使用，只要它適於將至少一個超聲波 傳輸至正使用的流體，此處為流入該微反應器的包含反應物的 工藝流體，或者是流出該微反應器的包含一種或多種在微反應 器内生成的產物以及可能由於環境還包含一種或多種反應物 的工藝流體。 根據本發明的優選方面（申請專利範圍第2項），該多個工 藝流體包括至少一個投料流、至少一個產物流和/或至少一個溶 劑流。即’在根據本發明的方法中，該至少__個超聲波可被麵 合進入任意類型的工藝流體，並且進入相等或相同類型的一個 或多個工藝流體。應當指出，在申請專利範圍i中冑義的特徵“在 流動方向中，，並不與以下特徵相矛盾：該至少_個超聲波被輕合 進入產物流’因為該產物流可能由於化學或其他原因而在該通 道系統中具有特定的路徑。 根據本發明的優選方面（申請專利範圍第3項），來㈣連 續反應的化學物質包括多種連續流人該通道系統的反應物，且 邊^和互變該夕種反應物在該連續反應中形成產物並連 U該通道系統’其中該多種反應物中的至少

:金屬和有機部分的化合物，其與至少一個投料中的水雜質J 應形成副產物。 201127484 、根據本發明的優選方面（申請專利範圍第4項），該驗金屬 選自鐘、納或卸。 一般而言，堵塞的原因是固化的NaOH、LiOH、KOH或 RbOH，其在包含驗金屬和有機部分的化合物與水雜質的副反 應中形成。此類化合物的範例為甲基鐘、乙隸、丙基鐘、異 基鋰了基鐘'異丁基鐘、仲丁基鐘、叔丁基鐘、戍基鐘、 異戊基鐘、仲戊餘、叔戊基鐘、仲異戍餘、己隸、異己 土仲己基鐘、環己基鐘、辛基鐘、苯基鐘、鄰甲苯基鐘、 間甲苯基m甲苯餘、三甲基魏基甲基鐘、苯基納、鄰 甲苯基納、間甲苯絲、.對f苯基納、丁隸/鉀·叔丁氧基、 丁基經/納·叔τ氧基等’優選異丙絲、仲丁驗、仅丁基裡、 仲戊絲、叔絲n異戊絲、仲己基鐘、環己基鐘、辛 基鐘和苯基鐘’更優選丁基鐘（正、仲或叔）或己基鐘。 例如，當金屬化反應中的金屬是鐘時，該反應被稱為經化 反應，例如《-BuLi ( 丁基鐘、盘士 ., 、J丞經J與水的反應，其中根據如下方程 式形成固體LiOH : C4H9Li + H20 —► C4H丨 〇 + LiOH ⑴ ▲如上所述，LiOH易於在微反應器入口附近形成。一般而 言，痕量的水雜質便足以引起堵塞。儘f通道线内可财受水 含量的確切限度無法-般地規定，因為它取決於多種參數，例 如反應物、溶劑（的類型）、它們的流速以及化學環境（壓強、 溫度）’但可將l〇ppm的值作為實際基準。此處，“可耐受,，表示 該種條件下的反應器不會產生“嚴重的，，堵塞。 根據本發明的一個方面（申請專利範圍第5項），至少一個 超聲波被連續地、不連續地或“按需地，，耦合進入通道系統。在 第-種情況下’該至少一個超聲波所需的能量可能非常低，因 201127484 為堵塞在開始形成時便被連續停止，且無需進行控制，而在其 他情況下可能需要進行控制來標示即將形成的堵塞並適當地 抵/肖被連續麵合進人通道系統的該至少—個超聲波的能量可 隨時間規律地或不規律地變化或保持不變。在第二種情況下； 該至少-個超聲波根據狀或固定的輕合模式被搞合進入通 道系統’而在第三種情況下’該耗合模式不固^，但根據當前 的情況而變化。職合模式可以，例如，通過該至少—個工藝 流體的-個的特徵壓強來確定，所述特徵壓強可隨後用作控制 變數（申請專利範圍第6項），並將該特徵廢強與目標壓強範圍 進行比較。該至少一個超聲波可隨後在，例如，僅當該特徵壓 強在狀目標壓強·之外時被柄合進人該通道线。預定的 目才示壓強已通過實驗確定為每條投料管中正常壓強以上的〇和 10 bar之間的範圍，優選在正常壓強以上〇和1〇 bar之間的範 ® >最«0和3 bar之間的範圍’其中正常壓強是在水敏感性 反應中僅採用幹投料（投料工藝流體）時系統的壓強。正常壓 強取決於投料流速、尺寸（直徑）和投料的粘度等。耦合模式 還可通過一些定義耦合時間相對非耦合時間的直角函數進行 確定。在該情況下的時間安排可以是，例如，與傳遞投料的泵 的脈動或與發生的化學反應相關。替代性地，該至少一個超聲 波的連續生成可與壓強的測定相結合，以使該連續的至少一個 超聲波應用的強度適應於該微反應器内的堵塞情況。綜上，被 耦合進入通道系統的該至少一個超聲波的功率可以是任意的 時間函數，既可以是預定的，也可以是隨情況變化的。 根據本發明（申請專利範圍第8項），進行該方法的微反 應器包括至少一個投料通道，其為該至少一個工藝流體的每一 個均提供且在至少一個匯合區域彼此連接；臨近所述匯合區域 201127484 的混合部分；臨近所述混合部分的滯留部分；卸料通道以及至 少一個耦合裝置’其用於將該至少一個超聲波以流動方向直接 耦合進入該至少一個工藝流體。該微反應器可以是，例如，Ep 1 839 739 A1中揭露的微反應器，或者具有類似通道結構並優 選用於相同目的的任意其他微反應器。 【實施方式】 以下結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明。 第1圖示意性地顯示了 EP 1 839 739 A1中更具體描述的，例 如耦合至超聲波發生器30的微反應器板10的橫截面示意圖。微 反應器板10包括了分為混合區14和滞留區丨6的迂回通道系統 12。微反應器板1 〇包括第一和第二投料口丨8和2〇，其分別用於 連續引入包含了參與該微反應器中發生的連續反應的化學物 質的工藝流體的投料流；還包括出口 22，在此排放包含在工藝 々U·體中的反應產物（稱為反應流體）。超聲波發生器3 〇包括了 與通過第一投料口 18流入微反應器的工藝流體接觸的超聲焊 極32，並將由超聲焊極32的往復運動生成的超聲能傳遞至投料 工藝流體或簡單的投料流。由第i圖可明顯看到，超聲能在微 反應器外部該投料流的人口側輕合u，根據通道系統16的 確切結構，該超聲焊極32與投㈣的朗位置可位於微反應器 内部。此外，儘管第i圖中所示的超聲波發生器 發生器，可採用任意其他的超聲波發生器，只要它能將超聲能 傳遞至進人微反應器的―個或多個投料流。如上所述，該超聲 波採用投料流作為介質引導通過通道系統12 ^ 第2圖係繪示構建麵合至超聲波發生器％的微反應器板 10的、堆疊。圈A”表不了人口區，其中化學物質通過第一和第 201127484 二投料Π 18、2G連續流人通道系統12以在其中被混合和化學 互換。 综上所述，雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並 非用以限定本發明，本發明所屬技術.領域中具有通常知識者， 在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作各種之更動與潤飾， 因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為 準。 【圖式簡單說明】 第1圖係繪示根據本發明之較佳實施方式用於實施申請專 利範圍第1至7項之方法之耦合至超聲波發生器的微反應器板 的橫截面示意圖；以及 第2圖係繪示第i圖之裝置的透視示意圖。 【主要元件符號說明】 10 微反應器板 12 通道系統 14 混合區 16 滯留區 18 第一投料口 20 第二投料口 22 出口 30 超聲波發生器 32 超聲焊極 A 圈 10

Claims (1)

1. 201127484 七、申請專利範圍： 1. 一種防止由連續反應通道系統中進行的連續反應的副 產物引起所述通道系統堵塞的方法，所述方法包括通過在多個 工藝流體的至少-個卫藝流體的流動方向中將至少—個超聲 波耦合進入所述至少一個工藝流體以生成至少一個移動通過 所述通道系統的超聲波的步驟。 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中所述多個工藝 流體包括至少一個投料流、至少一個產物流及/或至少一個溶劑 流。 3·如申明專利範圍第1或2項所述之方法，其中於參與所 述連續反應的化學物質包括㈣流人所述通㈣統的多種反 應物’且通過混合和互變所述多種反應物在所述連續反應中形 成產物並連續流出所述通道系統，其中所❹種反應物中的至 少一種包括具有鹼金屬和有機部分的化合物，其與至少一個投 料中的水雜質反應形成所述副產物。 4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中所述驗金屬選 自裡、鈉或卸。 5. 如申請專利範圍第丨或2項所述之方法，其中所述至少 一個超聲波被連續地、不連續地或按需㈣合進人所述通道系 統0 、 丁明寻W靶w地&万沄，其中當所述至少— 個超聲波被按需輕合進人所述通⑽統時，所述至少—個工敲 流體的特徵壓強被用作控制變數。 β 7. 如中請專利範㈣項所述之方法，其中所述通道 系統是連續反應微反應器的一部分。 8. —種進行申請專利範圍第1至7項放中 9卉中一項所述之方法 201127484 之微反應器，所述微反應器包括： 至少一個投料通道，其每一個用於所述至少1工藝流體 中的一種且與至少一個匯合區域連接； 臨近所述匯合區域的混合部分； 臨近所述混合部分的滯留部分； 臨近所述滞留部分的卸料通道；以及 至少，合裝置’其用於將所述至少一個超聲波以流動 方向直接耦合進入所述至少一個工藝流體。 9·如中請專利範圍第8項所述之反應器，進—步包括一壓 強感測器’其用於制傳輸所魅少—個超聲波的所述至少一 個工J體的特徵壓強’其中所述特徵壓強被用作控制變數。 12