專利名稱：混合和壓降最優(yōu)化的微結(jié)構(gòu)構(gòu)造的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及微型反應(yīng)器系統(tǒng)和裝置，更具體涉及用于微型反應(yīng)器系統(tǒng)中的混合器的一類結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
許多多相流體應(yīng)用需要進行混合，或者至少增大界面面積。在微型流體體系中，尺寸通常小于1毫米，使得混合和/或攪拌成為頭等問題。誠然這些應(yīng)用中經(jīng)常包括的典型流動形式是蠕動流，在蠕動流中，兩種起初可混溶或不可混溶的流體幾乎無法自發(fā)地混合(在大規(guī)模的流體體系中，通常利用流體流中的湍流進行混合)。在不進行外加攪拌或機械作用的條件下，增大兩種流體之間的界面面積或者在很小規(guī)模下進行混合是非常困難的，這是由于這些情況下低的雷諾數(shù)，特別對于幾乎是二維的結(jié)構(gòu)更是如此。因此，反應(yīng)過程很大程度上受到擴散的限制。
在微型反應(yīng)器系統(tǒng)中，或者更具體來說，在微型反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)的混合器結(jié)構(gòu)或模件中，必需通過在一路徑中混合液體的理念來產(chǎn)生足夠的液體流動。通常具有反應(yīng)物源或至少多個流體連接，用來在注入?yún)^(qū)遞送反應(yīng)物向上游流動?，F(xiàn)有技術(shù)中的液體通常包括水、水溶液和有機液體溶液。
已經(jīng)研制出各種類型的混合器，在微型系統(tǒng)中進行混合。無論選擇何種混合溶液，混合器可在完整的微型系統(tǒng)中運作。因此混合器所需的特性擴展到混合效率之外，可優(yōu)選改變混合器的尺寸以影響壓降，但是不會影響混合效率，或者至少對混合效率的影響最小。
因此，在這種微型反應(yīng)器系統(tǒng)中，需要在極低壓降下具有最大效率的混合器。另外，需要在此路徑的結(jié)構(gòu)中達到適當(dāng)混合。
本領(lǐng)域已知的用來進行上述所需功能的現(xiàn)有技術(shù)方法包括以下的例子。
例如，一種典型的分流和再合并的方案示于圖1，并在題為“Device forMixing Small Quantities of Liquids”的美國專利第5,904,424 A1號中進行了描述。在此專利中，為了減小反應(yīng)物所需擴散的長度，將入口的反應(yīng)物流分開，并在多層結(jié)構(gòu)中重新合并。
IMM揭示了基于該原理的另外的現(xiàn)有技術(shù)實施方式(參見http://imm.mediadialoa24.de/vO/wseitene/wleistunq/misch2.html)。在這里，IMM的履帶式混合器(caterpillar mixer)的分流-合并的概念包括兩股分離的未混合的流體流，從而形成兩個新的區(qū)域，并在下游重新合并。全部的四個區(qū)域交替有序地彼此相鄰，從而重新形成起初的幾何結(jié)構(gòu)。
還有一種表示離液序列高的溶液的現(xiàn)有技術(shù)的三維流。這些結(jié)構(gòu)通過產(chǎn)生橫向流，無需使用移動混合器元件就解決了混合的問題。另一類似的現(xiàn)有技術(shù)的離液序列高的混合器可參見例如名為“Laminar Mixing Apparatus andMethod”的國際公布第WO03/011443A2號，該專利轉(zhuǎn)讓給Harvard College的校長及校友會會員。在此專利中，通過細微地調(diào)整通道壁的形狀，或通過形成于通道壁上的凹槽，產(chǎn)生螺旋流，使得雷諾數(shù)小于100的流體能夠發(fā)生混合，從而使得在此微型范圍內(nèi)流動的流體得以混合。圖2顯示了類似的現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)。
參見圖3，德國公司Cellular Process Chemistry(CPC)在2001年8月16日公開的名為“Miniaturized Reaction Apparatus”的歐洲專利申請第EP1123734A2號中揭示了一種使用液體栓(liquid slug)和減壓室的構(gòu)造。
下面將描述這些現(xiàn)有技術(shù)的缺點。例如，對于第一個現(xiàn)有技術(shù)的方法，分流合并的結(jié)構(gòu)要求在制造這些結(jié)構(gòu)時具有顯著的尺寸精度。這種精度是必需的，以確保上游流體在每個子通道中等分，然后再合并，使得混合液體的流量比等于由使用者所設(shè)定的進入比。
使用三維或離液序列高的流體的第二種方法存在一些缺點，一個缺點是通常的高度和寬度間的高寬比，另一缺點是技術(shù)成本高，再一個缺點是只能用于液體，不能用于氣-液體系。
第三種現(xiàn)有技術(shù)的方法，液體栓裝置也類似地具有上述方法的所有缺點。該方法唯一的優(yōu)點是由于平行和減壓造成的低壓降有效地減小了尺寸。
上述所有的裝置都極難獲得低的壓降。通常認為這是由于這些現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計試圖通過減小尺寸來提高混合效率，其代價是壓降顯著增大。
因此，需要一種新的方法，該方法要能夠優(yōu)選克服上述的通過調(diào)節(jié)內(nèi)部尺寸來獲得最佳壓降的任何現(xiàn)有技術(shù)方案的缺點；將液體流局限在路徑結(jié)構(gòu)中的幾何障礙物和限制結(jié)構(gòu)處；通過障礙物和減小局部尺寸在路徑結(jié)構(gòu)中達到混合；在障礙物之間具有完全的三維流；在注入處的初始接觸區(qū)域的控制；以及對流體效果的穩(wěn)定性。
在本文中，術(shù)語流體定義為包括可混溶性和不可混溶性的液體-液體、氣體-液體和固體。

發(fā)明內(nèi)容
提供一類在微型反應(yīng)器中的混合器的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的原理包括注入?yún)^(qū)和有效混合區(qū)，所述注入?yún)^(qū)具有一個或多個界面和芯，該區(qū)中兩種或更多種流體達到初始上游接觸，所述有效混合區(qū)包括位于流動路徑中的一系列混合器元件，每個混合器元件設(shè)計成在端部具有一個室，在室內(nèi)設(shè)置有柱之類的障礙物，以減小通常的內(nèi)部尺寸，在通道部分中具有任選的限制結(jié)構(gòu)。另外，優(yōu)選實施方式的構(gòu)造可具有許多的變化，例如可包括注入-混合-注入的設(shè)計，其中在下游進行了另外的流體混合。
本發(fā)明一個實施方式涉及一種混合器設(shè)備，該混合器設(shè)備具有連續(xù)流動路徑的至少一個注入?yún)^(qū)和位于所述流動路徑中的至少一個混合器元件，在注入?yún)^(qū)中大量流體發(fā)生最初的接觸，所述至少一個混合器元件在路徑中有效地混合所述流體。每個混合器元件包括通道部分、位于所述通道部分的端部的室，每個室中還包括至少一個障礙物。
本發(fā)明另一實施方式涉及至少一種設(shè)置在流動路徑中任意位置的障礙物。
本發(fā)明另一實施方式涉及通道部分，該通道部分還包括至少一個限制結(jié)構(gòu)，所述通道部分的半徑為100-5000微米，高度為100-5000微米，寬度為100-10000微米，長度為200-10000微米，所述限制結(jié)構(gòu)的高度為100-5000微米，寬度為50-2500微米。
本發(fā)明另一實施方式涉及所述室在至少一個障礙物存在下減小的內(nèi)部尺寸，增大所述障礙物尺寸能提高混合效率。
本發(fā)明另一實施方式設(shè)計至少一個障礙物，該障礙物的幾何結(jié)構(gòu)為半徑為50-4000微米，高為100-5000微米，具有至少一個所述障礙物的室的內(nèi)部尺寸的進一步特征為半徑為100-5000微米，周長為600微米至30毫米，表面積為3-80毫米2，體積為0.3-120毫米3，高度為100-5000微米。
本發(fā)明另一實施方式涉及至少一個注入?yún)^(qū)，該注入?yún)^(qū)具有至少一個芯，所述至少一個芯內(nèi)的流體向多個界面流過。
本發(fā)明另一實施方式涉及嵌入微型反應(yīng)器系統(tǒng)的混合器設(shè)備，所述系統(tǒng)包括以下的至少一種反應(yīng)物流體源、泵、停留時間區(qū)和輸出過濾器。
本發(fā)明實施方式的另一個方面涉及優(yōu)選由玻璃、陶瓷或玻璃-陶瓷基材制成的混合器設(shè)備。
在以下詳述中將描述本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點，本領(lǐng)域技術(shù)人員通過依照本說明書及其權(quán)利要求書和附圖所述實施本發(fā)明，可以顯而易見地了解到其中一部分的特征和優(yōu)點。
應(yīng)當(dāng)理解，以上一般性描述和以下詳述僅是用來示例說明本發(fā)明，用來提供縱覽或框架，以理解本發(fā)明所要求的特性和特征。
附圖用來幫助進一步理解本發(fā)明，附圖結(jié)合入說明書中，作為說明書的一部分。附圖顯示了本發(fā)明的一個或多個實施方式，附圖和說明書一道用來解釋本發(fā)明的原理和操作。


參照以下附圖進一步說明本發(fā)明，在附圖中圖1是現(xiàn)有技術(shù)的分流和再合并混合器的例子。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)的離液序列高的混合器的例子。
圖3是現(xiàn)有技術(shù)的栓和減壓混合器的例子。
圖4是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的混合器的三維示意圖。
圖5是圖4所示的本發(fā)明優(yōu)選實施方式的混合器樁中心處的截面圖。
圖6a和6b是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的混合器結(jié)構(gòu)的各層的俯視圖。
圖7a和7b示出了圖6a和6b所示的本發(fā)明優(yōu)選實施方式的混合器結(jié)構(gòu)的常規(guī)尺寸。
圖8是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的增大尺寸的另一種混合器結(jié)構(gòu)的俯視圖。
圖8a示出了根據(jù)本發(fā)明另一優(yōu)選實施方式的多芯注入?yún)^(qū)。
圖9-11是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的具有不同尺寸的圖8所示的各種混合器構(gòu)造的壓降與混合質(zhì)量的關(guān)系圖。
圖12示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式，嵌入混合器反應(yīng)器結(jié)構(gòu)中的混合器的俯視圖。
圖13示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的微型反應(yīng)器系統(tǒng)中圖12所示混合器的方框圖。
優(yōu)選實施方式詳述下面將對本發(fā)明優(yōu)選實施方式進行詳述，其例子參見附圖。在可能的情況下，在所有附圖中，相同的編號表示相同或類似的部件。
參見圖4，圖中示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的混合器400的三維圖，該混合器400包括注入?yún)^(qū)410，在該區(qū)中兩種或更多種流體或反應(yīng)物(未顯示)發(fā)生初始的接觸，并如箭頭420所示向上游流動。圖中示出根據(jù)本發(fā)明混合器400的優(yōu)選實施方式的一系列形成類似蛇形結(jié)構(gòu)的混合器元件430，這些元件430包括1)基本為矩形的通道部分435(其角略圓化)；2)位于所述通道部分各端的室440，在所述室內(nèi)設(shè)置有障礙物450。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的另一個方面，所述障礙物450是置于室440內(nèi)的圓柱形的柱或樁，用以減小室440的內(nèi)部尺寸442。
另外，在本發(fā)明另外的優(yōu)選實施方式中，在通道部分435的一側(cè)或兩側(cè)上可具有凹陷狀的限制結(jié)構(gòu)460。在另一優(yōu)選實施方式中，提供了注入-混合-注入結(jié)構(gòu)(圖中未顯示)，在此結(jié)構(gòu)中，在下游完成了進一步的流體混合。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式，所述障礙物450的尺寸范圍包括半徑或相關(guān)尺寸為50-4000微米，高度為100-5000微米。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式，通道部分435的尺寸范圍包括半徑為100-5000微米，高度為100-5000微米，寬度為100-10000微米，長度為200-10000微米。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式，限制結(jié)構(gòu)460的尺寸范圍包括寬度為50-2500微米，高度為100-5000微米。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實施方式，包含障礙物450的室442的內(nèi)部尺寸為半徑為100-5000微米，周長為600微米至30毫米，表面為3-80毫米2，體積為0.3-120毫米3(高度為100-5000微米)。
通常需要減小該內(nèi)部尺寸，以減小發(fā)生反應(yīng)(用于擴散過程)的長度。盡管圖中未顯示，但是預(yù)期如要達到所需的效率，每個室440中可包括一個以上的障礙物450。另外，在一系列混合器元件430的優(yōu)選實施方式中，如果流體流中包含固體顆粒的話，這些固體顆粒將適當(dāng)?shù)亓鬟^所述混合元件。在平行化之后減小了尺寸的結(jié)構(gòu)(例如其中反應(yīng)物流被分流入一個上游通道和多個下游通道的結(jié)構(gòu)中)通常存在固體顆粒流動的其它問題，從而降低混合器的效率。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的障礙物450(在圖4中顯示為柱)的截面圖。柱450形成了供液體或反應(yīng)物流經(jīng)的曲折路徑，從而通過減小內(nèi)部尺寸產(chǎn)生足夠的流動，這些流動包括局部加速液體或反應(yīng)物的流動。圖5示出在室440的空穴512內(nèi)沿箭頭510和520的這種曲折流動。
即使流動基本保持層狀，在柱450中和其周圍的限制物中仍然有高得多的速度，以產(chǎn)生混合。對于圖5中的結(jié)構(gòu)，對于流量分別為1毫升/分到100毫升/分的液體，雷諾數(shù)(水-20℃)可分別為20-2000。
在本發(fā)明的這個優(yōu)選實施方式中，至少由于以下三個顯著的原因產(chǎn)生混合1)當(dāng)雷諾數(shù)約高于20(包括了本發(fā)明的流量范圍)時，經(jīng)過圓柱體之后的流動不穩(wěn)定。應(yīng)當(dāng)注意，盡管對于這些復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)并沒有確切的數(shù)值，但是其數(shù)量級應(yīng)為50-500；2)所述曲折的流動路徑使得慣性發(fā)揮作用，充分混合流體；3)通過減小流體在其中循環(huán)的通道的內(nèi)部尺寸，減小反應(yīng)物流體的厚度，這具有能夠減小發(fā)生擴散的長度的效果，從而減小擴散所需的特征時間。
本發(fā)明考慮了許多其它的混合器元件實施方式，這些實施方式實際上可得到相同的結(jié)果，各種混合器元件結(jié)構(gòu)的形狀將會是用以提高混合能力的設(shè)計選擇。盡管在圖4中，圓柱形柱被描述為障礙物450的優(yōu)選實施方式，但是在本發(fā)明范圍內(nèi)，可以考慮任何能夠?qū)嵤┑钠渌鼛缀谓Y(jié)構(gòu)(三角形、斜方形、菱形等)，這些結(jié)構(gòu)的表面上可包括或不包括凹槽或其它的形狀。還考慮一個混合器400內(nèi)所有障礙物450的幾何形狀不一定相同。對于特殊的混合器設(shè)計，它們可要求完全不同的形狀和尺寸，以任何適于合適和所需的混合的形式交替和/或設(shè)置于通道部分上。另外，通道部分435的形狀并不限于圖4所示的具有圓化角的近似矩形(和圖5中的相應(yīng)橫截面)；本領(lǐng)域普通技術(shù)人員還可考慮本發(fā)明中的通道部分435具有其它形狀，這樣的實施方式仍然包括在本發(fā)明范圍內(nèi)。類似地，除了凹陷狀限制結(jié)構(gòu)460以外，還可考慮采用其它形狀的限制結(jié)構(gòu)460。同樣的，圖5所示的橫截面當(dāng)然可根據(jù)圖4混合器元件的不同形狀進行變化。另外，串聯(lián)設(shè)置的混合器元件的數(shù)量可以為1個至達到所需混合效率的元件最小數(shù)量中的任意數(shù)量。在許多例子中，增加更多的混合器元件未必能提高混合效率。另外，如上所述，例如如下圖7a和7b所示，根據(jù)本發(fā)明新穎的方面，每個混合器元件的尺寸可根據(jù)所需的混合效率具有一個可變化的范圍。
在本發(fā)明另一優(yōu)選的實施方式中，連續(xù)的局部化流動路徑的組合可以將柱或圓柱形的樁450(或其它種類的障礙物)置于通道部分435的中部，或者在具有或不具有限制結(jié)構(gòu)460的室440內(nèi)的通道中除端部以外的任意其它位置，仍然產(chǎn)生所需的混合和適當(dāng)?shù)牧鲃樱蛘呒铀僖后w流過該路徑。另外，在本發(fā)明另一優(yōu)選實施方式中，提供對注入?yún)^(qū)以及流體第一次發(fā)生相互作用的界面區(qū)或接觸區(qū)的新穎控制。在下文中將參照圖6a、6b以及圖8和8a更詳細描述后一種控制。
應(yīng)當(dāng)強調(diào)在本文所述的所有優(yōu)選實施方式中，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過相應(yīng)地改變結(jié)構(gòu)的尺寸，可以將實際混合器結(jié)構(gòu)造成的壓降和混合質(zhì)量調(diào)節(jié)至所需的平衡狀態(tài)，以獲得最佳的性能。
混合通常在‘x-y’平面發(fā)生，因此水平面中的尺寸變化經(jīng)常會影響混合質(zhì)量。高度是垂直的‘z’平面中的尺寸，通常對壓降具有一級影響，對混合質(zhì)量具有次級影響，混合質(zhì)量更大程度地受上述混合器元件430所影響。
下面來看圖6a和6b，圖中顯示了本發(fā)明混合器原理范圍之內(nèi)的一些優(yōu)選設(shè)計結(jié)構(gòu)610至680。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實施方式，混合器400的各層由三個矩形所表示；例如，610a和610b分別表示混合器元件的頂層和底層，而610c表示通過將頂層610a組裝在底層610b之上制得的單一微結(jié)構(gòu)混合器的最終組裝結(jié)構(gòu)。圖6a和6b中所示的層優(yōu)選由玻璃、陶瓷或玻璃-陶瓷基材制成。各種混合器結(jié)構(gòu)優(yōu)選形成于基片上。
在圖6a和6b中顯示了所有混合器的這種頂層、底層和組裝層的三層示意圖，但是混合器680有所不同，混合器680只分別顯示了頂層675和底層680。
如上所述，在本發(fā)明優(yōu)選實施方式中，通過將兩個層結(jié)合起來形成第三組裝層，從而進行制造。但是對于其它設(shè)計的實施方式，可以將具有微型圖案的層與裸露的或涂敷的玻璃基材、陶瓷基材或玻璃-陶瓷基材結(jié)合起來。
在優(yōu)選的實施方式610，615，620，625，630，635，640，645，650，655，665，670和672(代表圖6a和6b中所示的主要實施方式)中，這些結(jié)構(gòu)顯示出串聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合器元件。盡管也可以以相同的設(shè)計原理將兩排串聯(lián)的混合器元件平行放置(圖6b中所示的660和680)，但是由于這樣可能會造成在每個分支662a個662b中流體或反應(yīng)物流量比的偏差(偏離其在入口處的數(shù)值)，這種構(gòu)造可能是不希望采用的。在實施方式660中，每個分支662a和662b中都具有充分的混合效率，但是無法保持化學(xué)計量。但是，這類分流是一種可以有效減小總壓降的常規(guī)方法。
在圖6a和6b中示出的優(yōu)選混合器實施方式的許多結(jié)構(gòu)混合器的構(gòu)造細節(jié)，它們包括混合器元件數(shù)量和尺寸、注入?yún)^(qū)構(gòu)造和通道部分中的限制結(jié)構(gòu)的變化。如下圖9-11中的圖表所示，增加混合器元件的數(shù)量將會增大混合器產(chǎn)生的壓降。這也會增大混合的完全性(或效率)。
下面來參見混合器680，位于頂層675和底層676的區(qū)域685和690表示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的注入?yún)^(qū)。已通過形成來自注入?yún)^(qū)685和690的兩個界面對這些注入?yún)^(qū)685和690進行了改進，以增強混合。流體之間的界面是通過組裝675和676的時，芯677和678中的芯流體產(chǎn)生的。根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實施方式，這些流體在第一相互作用時受到控制。盡管在此實施方式中，存在兩個流體的兩個界面，但是根據(jù)另外的流體的數(shù)量，可以增加流體之間的界面數(shù)。下文中將參照圖8和8a進一步描述包括界面以及單個或多個芯的注入?yún)^(qū)。
下面參見圖7a和圖7b，示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選方面，用于圖6a和6b所示制造實施方式的混合器元件的相應(yīng)優(yōu)選尺寸，例如在710中，示出了圖6a和6b的混合器元件611，646，656或666的半徑、長度等之類的尺寸數(shù)據(jù)。在720中詳細示出了圖6b的實施方式660的注入?yún)^(qū)661的優(yōu)選尺寸。另外在730中，示出了圖6a和6b的混合器元件616或657的優(yōu)選尺寸；在740中，示出了圖6a的混合器元件621的優(yōu)選尺寸；在750中，示出了圖6a的混合器元件626的優(yōu)選尺寸；在760中示出了圖6a的混合器元件631的優(yōu)選尺寸；在770中示出了圖6a中混合器元件636的優(yōu)選尺寸；在780中示出了圖6a中混合器元件641的優(yōu)選尺寸；在790中示出了圖6a中混合器元件651的優(yōu)選尺寸；在792和794中示出了圖6b中混合器元件671和673的優(yōu)選尺寸。
Villermaux J.等人在Use of Parallel Competing Reactions to CharacterizeMicro Mixing Efficiency，AIChE Symp.Ser.88(1991)6，第286頁中描述了一種用來量化兩種可混溶性液體的混合質(zhì)量的測試方法。常規(guī)的測試法是在室溫下制備酰基氯溶液以及與KI(碘化鉀)混合的乙酸鉀溶液。使用注射泵將這些流體或反應(yīng)物連續(xù)注入混合器或反應(yīng)器中(即測試混合性的混合器或反應(yīng)器)。流體連續(xù)地從混合器流出，流過一個流動通室或比色皿(10微升)，通過在350納米處的透光度測定對在流動通室或比色皿中流體進行定量?？梢允占魏螣o關(guān)的液體作為廢物。
在室溫下將該測試法用于本文所述的結(jié)構(gòu)，在理想狀況下本發(fā)明的混合的量化值為100％。使用水和蠕動泵，在22℃下測得壓降數(shù)據(jù)。使用壓力傳感器，在圖4所示的混合器或反應(yīng)器430的出口處，通過測量上游的絕對壓力值，測量總流量，所述混合器430的出口(或下文所示嵌入在微型反應(yīng)器系統(tǒng)中的混合器)對大氣壓力敞開。
圖8示出根據(jù)本發(fā)明另一個優(yōu)選實施方式的一組混合器，這些混合器的半徑為700-1300微米。應(yīng)當(dāng)注意，在圖6a和6b以及圖7a和7b所示的混合器設(shè)計成具有一定的尺寸，使得產(chǎn)生合理的壓降以及合適的混合效率，圖8所示是增大了尺寸、特別是障礙物半徑的設(shè)計，顯示混合效率的提高以及壓降的增大。在圖8中，芯元件822a用來擴展流體第一次發(fā)生相互作用的接觸區(qū)域?；旌掀?22，823，824，826，827和828也具有芯(未標(biāo)示)，但是圖8中其余的混合器未顯示這種芯結(jié)構(gòu)。
參見圖8a，所示為本發(fā)明另一優(yōu)選實施方式中，具有兩個芯801和802的多芯注入?yún)^(qū)的構(gòu)造800。如圖8a中的方向箭頭所示，流體從右向左流動。芯流體804在芯801內(nèi)從右向左流動，流向界面區(qū)807并流過該界面區(qū)807。芯流體805在芯801和芯802的邊界內(nèi)從右向左流動，流向界面區(qū)808并流過該界面區(qū)808。芯流體806在環(huán)形流體區(qū)域803和芯802內(nèi)從右向左流動，流向界面區(qū)809并流過該界面區(qū)809。
芯流體801，802和803保持分開，直到它們到達混合器822的進入?yún)^(qū)822b(圖8所示)才混合起來。如圖8的單芯注入?yún)^(qū)構(gòu)造所示，路徑中進入?yún)^(qū)822b和第一混合器元件800之間的距離通常為1950微米。圖8和8a所示的實施方式通過防止這些芯流體在極為靠近混合器之前互相接觸，然后在混合器處這些流體相互接觸，進入混合器并進行混合，從而有效地控制芯流體。
圖9所示是根據(jù)本發(fā)明另一實施方式對圖8的不同構(gòu)造的比較圖，圖中清楚地顯示壓降與混合效率之間的關(guān)系?？梢钥闯鰣D8的各種混合器的設(shè)計結(jié)構(gòu)隨著壓降的增大，混合效率會相應(yīng)地增大。類似地，在圖10中，曲線圖顯示對障礙物半徑為1200微米(圖8中的混合器827)至1300微米(圖8中的混合器828)的混合器，混合質(zhì)量的提高(超過90％)。另外，圖11的曲線圖顯示隨著障礙物半徑增大，壓降相對提高。
圖12示出反應(yīng)器結(jié)構(gòu)1200中的圖4的混合器400的三維分流圖。根據(jù)本發(fā)明，示出入口1210，流體首先從此處引入反應(yīng)器結(jié)構(gòu)1200，并流過此處至接觸區(qū)1220。還示出了混合器400的頂部區(qū)域1230和底部區(qū)域1235。示出停留時間區(qū)或區(qū)域1240，該區(qū)域1240可以使得流體依據(jù)其從出口1250流出之前的所需流量在微型通道中停留一定的停留時間。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的另一方面，預(yù)期可以在微型反應(yīng)器中將混合器構(gòu)造1200層與熱交換層(未顯示)結(jié)合起來，為反應(yīng)物流體提供合適的熱狀態(tài)。
下面參見圖13，圖中示出位于本發(fā)明的微型反應(yīng)器系統(tǒng)1300內(nèi)的混合器裝置1310的方框圖?；旌掀?310和停留時間區(qū)1320表示上圖12所示的結(jié)構(gòu)1200?；旌掀?310具有反應(yīng)物源1311和1312，以及兩個泵1313和1314。停留時間區(qū)1320是一種微型流體裝置，該裝置通常具有單個通道，使得流體可以依據(jù)所需的流量在微通道中有一定的停留時間。位于停留時間調(diào)節(jié)裝置1320出口處的過濾器1330可以制得產(chǎn)物1340和副產(chǎn)物1350。
應(yīng)當(dāng)注意，上述所有附圖均非實際尺寸，而是表示本發(fā)明優(yōu)選實施方式的精確重現(xiàn)和結(jié)構(gòu)簡圖。
一些預(yù)期可采用本發(fā)明實施方式的商業(yè)用途包括但不限于例如混合可混溶以及不可混溶的水性液體和有機液體的應(yīng)用，將活性氣體與液體相混合的應(yīng)用，用惰性或活性氣體替代一種液體反應(yīng)物的應(yīng)用。另外，所述液體可包含已溶于合適溶劑、或者分散在上述液體中的固體。這種液體的一些非限制性例子包括1)均相氣相反應(yīng)可以將烴(氣體或蒸氣)與空氣混合，然后使其在催化區(qū)反應(yīng)，進行選擇氧化反應(yīng)(丙烯制備丙烯醛，丁烯制備馬來酸酐)?？梢詫N(氣體或蒸氣)與鹵代化合物混合，以進行反應(yīng)生成鹵代烴(氯代苯)。
2)均相液相反應(yīng)可以將水中的醛/酮與氫氧化鈉的水溶液相混合，以進行反應(yīng)，生成醇醛縮合產(chǎn)物(丙醛、乙醛、丙酮)。可將苯酚水溶液與硝酸水溶液混合，以進行反應(yīng)，生成硝化產(chǎn)物。
3)多相液相反應(yīng)可將液態(tài)烴類與硫酸和硝酸的混合物相混合，以進行反應(yīng)，生成硝化產(chǎn)物(甲苯、萘等)?？梢詫⑦^氧化氫與液態(tài)烴混合，以生成選擇性氧化的產(chǎn)物(苯酚氧化成氫醌、鄰苯二酚)。
4)多相氣/液反應(yīng)可以將氣體與液體混合，以溶解，然后被截留(SO2在氫氧化鈉水溶液中)或反應(yīng)(硫酸中的SO3生成發(fā)煙硫酸，然后進行磺化反應(yīng))。臭氧(空氣、氧氣)溶于烴類溶液，然后進行選擇氧化反應(yīng)，而不管該反應(yīng)是均相催化反應(yīng)(環(huán)己烷或?qū)Χ妆窖趸?或是多相催化反應(yīng)(苯酚，枯烯)。
另外，當(dāng)反應(yīng)的一種或多種產(chǎn)物是在叔胺溶劑的存在下與胺和酰氯烴混合并反應(yīng)的固體的時候，可使用后者方案。這可以制得不溶于該混合物的相應(yīng)的酰胺和季銨鹽。
盡管已經(jīng)描述了本發(fā)明的各種優(yōu)選實施方式，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員很顯而易見，可以在不背離本發(fā)明精神和范圍的前提下對本發(fā)明進行各種改變和修改。因此，預(yù)期本發(fā)明包括在所附權(quán)利要求書及其等價內(nèi)容的范圍之內(nèi)全部的本發(fā)明的改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種混合器設(shè)備，所述設(shè)備的特征是連續(xù)流動路徑的至少一個注入?yún)^(qū)，多種流體在該注入?yún)^(qū)發(fā)生最初的接觸；位于所述流動路徑中的至少一個混合器元件，所述至少一個混合器元件有效地混合流經(jīng)所述路徑的所述多種流體。
2.如權(quán)利要求1所述的混合器設(shè)備，其特征在于，所述至少一個混合器元件各自還具有以下特征通道部分，位于所述通道部分端部的室，每個室還包括至少一個障礙物。
3.如權(quán)利要求1所述的混合器設(shè)備，其特征在于，至少一個障礙物設(shè)置在所述流動路徑中的任意位置。
4.如權(quán)利要求2或3所述的混合器設(shè)備，其特征在于，所述通道部分的特征還在于至少一種限制結(jié)構(gòu)，所述通道部分的半徑為100-5000微米，高度為100-5000微米，寬度為100-10000微米，長度為200-10000微米，所述限制結(jié)構(gòu)的半徑為50-2500微米，高度為100-5000微米。
5.如權(quán)利要求2-4中任一項所述的混合器設(shè)備，其特征在于，所述室的內(nèi)部尺寸由于存在至少一個所述障礙物而減小，增大所述障礙物尺寸，能提高所述混合效率。
6.如權(quán)利要求5所述的混合器設(shè)備，其特征在于，所述至少一個障礙物的特征還在于，其具有符合以下條件的任意幾何結(jié)構(gòu)半徑為50-4000微米，高度為100-5000微米；具有至少一個所述障礙物的所述室的內(nèi)部尺寸的特征還在于半徑為100-5000微米，周長為600微米至30毫米，表面積為3-80毫米2，體積為0.3-120毫米3，高度為100-5000微米。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項所述的混合器設(shè)備，其特征在于，所述至少一個注入?yún)^(qū)還包括至少一個芯。
8.如權(quán)利要求1-7中任一項所述的混合器設(shè)備，其特征在于，所述至少一個注入?yún)^(qū)控制著至少一個所述芯中的所述流體流過和流向多個界面。
9.如權(quán)利要求1-8中任一項所述的混合器設(shè)備，其特征在于，所述混合器設(shè)備與微型反應(yīng)器系統(tǒng)結(jié)合，所述系統(tǒng)的特征還在于以下的至少一種反應(yīng)物流體源、泵、停留時間區(qū)和輸出過濾器。
10.如權(quán)利要求1-9中任一項所述的混合器設(shè)備，由玻璃、陶瓷或玻璃陶瓷基材制成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一類用于微型反應(yīng)器中的混合器的構(gòu)造，其設(shè)計原理包括位于連續(xù)流動路徑中的至少一個注入?yún)^(qū)(410)，在注入?yún)^(qū)至少兩種流體完成最初的上游接觸；包括路徑中的一系列混合器元件(430)的有效混合區(qū)(即流體充分流動和最佳的壓降)。每個混合器元件優(yōu)選設(shè)計成在各端部具有一個室，在室內(nèi)設(shè)置障礙物(450)(以減小所述室的常規(guī)內(nèi)部尺寸)，在所述通道部分中具有任選的限制結(jié)構(gòu)(460)。所述障礙物優(yōu)選為圓柱形的柱，但是可為具有一定尺寸范圍的任意幾何結(jié)構(gòu)，可以沿流動路徑串聯(lián)或平行連接，以提供所需的流量、混合和壓降。所述注入?yún)^(qū)可具有兩個或更多個界面，可包括一個或多個芯，從而在流體混合之前控制流體。
文檔編號B01F5/06GK1964777SQ200580018980
公開日2007年5月16日 申請日期2005年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月11日
發(fā)明者P·沃爾, J·-P·特蒙特, Y·內(nèi)德萊克 申請人:康寧股份有限公司