專利名稱：防止連續(xù)反應(yīng)通道系統(tǒng)堵塞的方法及執(zhí)行該方法的微反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及防止由在連續(xù)反應(yīng)通道系統(tǒng)中執(zhí)行的連續(xù)反應(yīng)的副產(chǎn)物引起的所述連續(xù)反應(yīng)通道系統(tǒng)堵塞的方法，和支持用于執(zhí)行該方法的連續(xù)反應(yīng)通道系統(tǒng)的微反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
在微反應(yīng)器連續(xù)反應(yīng)技術(shù)中，各種化學(xué)物質(zhì)連續(xù)通過微反應(yīng)器，所述化學(xué)物質(zhì)包括流入該反應(yīng)器并在其中反應(yīng)形成流出該微反應(yīng)器的產(chǎn)物的多種反應(yīng)物(離析物)。這樣的微反應(yīng)器在例如同一申請人的專利公開號為EP1839739A1的歐洲專利申請中有所揭示。 在這些例如金屬化反應(yīng)(其中會發(fā)生氫-金屬或鹵素-金屬交換)等化學(xué)反應(yīng)的一些中， 在通道系統(tǒng)中存在的水可能與一種或多種化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)，形成了堵塞通道的沉淀物。發(fā)生該堵塞的局部概率在整個微反應(yīng)器中并不相同，但該概率在下文所說的易堵塞區(qū)最高，易堵塞區(qū)為匯合區(qū)和混合區(qū)，其中各種反應(yīng)物交匯在一起，被混合并彼此反應(yīng)。應(yīng)當(dāng)指出，由于相對于使用干投料而言，即使中等的堵塞也導(dǎo)致壓力的上升，并可能導(dǎo)致產(chǎn)率下降，因此僅使用干投料/溶劑，而后者成本很高，因?yàn)樗婕按罅康母稍锊襟E。例如，許多醚，如乙醚、甲基叔丁醚(MTBE)、四氫呋喃(THF)，或溶劑例如二甲亞砜 (DMSO)，極難與痕量的水分離，因此這種分離也非常昂貴。此外，干燥有時候也會發(fā)生問題。 例如，已知上述反應(yīng)(1)會極為劇烈地進(jìn)行，而其它物質(zhì)如有機(jī)硝酸鹽或疊氮化合物甚至是易爆的。有機(jī)硝酸鹽或疊氮化合物僅作為一般的范例，說明一些物質(zhì)由于干燥過程很危險而不能被干燥。因此，從這方面考慮，也需要一種不需要干燥的方法。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的之一是提供防止連續(xù)反應(yīng)通道系統(tǒng)堵塞的方法，該方法與現(xiàn)有方法相比較更便宜，適用于非干燥投料/溶劑的情況，不存在危險，并經(jīng)濟(jì)可行。本發(fā)明進(jìn)一步目的是提供執(zhí)行該方法的微反應(yīng)器。上述目的分別通過權(quán)利要求1和權(quán)利要求8的特征實(shí)現(xiàn)。從屬權(quán)利要求對有利的
方面進(jìn)行了進(jìn)一步限定。根據(jù)本發(fā)明(權(quán)利要求1)，防止由在連續(xù)反應(yīng)通道系統(tǒng)中進(jìn)行的連續(xù)反應(yīng)的副產(chǎn)物引起的所述通道系統(tǒng)堵塞的方法，該方法包括以下步驟通過沿多種工藝流體中的至少一種工藝流體的流動方向?qū)⒅辽僖环N超聲波耦合進(jìn)入所述至少一種工藝流體，以生成至少一種移動通過所述通道系統(tǒng)的超聲波，其中如本發(fā)明所述“防止堵塞”包括“避免堵塞形成” 和“去除已形成的堵塞”。因此，至少一種超聲波由該通道系統(tǒng)或通道系統(tǒng)的部分引導(dǎo)，并沿著該通道系統(tǒng)或該通道系統(tǒng)的部分達(dá)到它的易堵塞區(qū)，如同電磁波在光導(dǎo)纖維中被引導(dǎo)一樣，該至少一種工藝流體被用作該至少一種超聲波的載體介質(zhì)。優(yōu)選地，該至少一種超聲波盡可能靠近易堵塞區(qū)形成，從而減少衰減效應(yīng)。最優(yōu)選地，該至少一種超聲波在外部生成， 但非常靠近該微反應(yīng)器。對于生成該至少一種超聲波的超聲探針或裝置的具體構(gòu)造并無限制，只要它能被用于將至少一種超聲波傳遞至一種或多種工藝流體，從而被傳輸?shù)揭锥氯麉^(qū)。通常，根據(jù)其應(yīng)用領(lǐng)域在設(shè)計(jì)和功率上進(jìn)行改造的壓電換能器可以實(shí)現(xiàn)該目的。作為大量實(shí)施例中的一個，在文獻(xiàn)US20091694^中揭示了一種具有壓電換能器的流式細(xì)胞的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，其中超聲能被應(yīng)用于連續(xù)的懸浮液流。在文獻(xiàn)EP1570918A2中揭示了將超聲能傳輸進(jìn)入增壓流體。在文獻(xiàn)US5830127中揭示了一種清潔伸長的管狀儀器(如內(nèi)窺鏡)的內(nèi)部通道的方法，包括在內(nèi)部通道內(nèi)的液體介質(zhì)中形成超聲波。在文獻(xiàn)DE102005025248A1 中揭示了一種流體導(dǎo)向系統(tǒng)，其中為了防止該系統(tǒng)的微反應(yīng)通道中的沉積，超聲信號與流動的液體耦合。然而，應(yīng)當(dāng)指出，根據(jù)本發(fā)明，堵塞是在微反應(yīng)器正常運(yùn)行過程中被防止的， 這可由權(quán)利要求1中描述的“在所述通道系統(tǒng)中進(jìn)行”和“在至少一種工藝流體的流動方向”看出，并且，一種工藝流體或多種工藝流體被用于為該目的將至少一種超聲波傳輸進(jìn)入微反應(yīng)器。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，一些反應(yīng)中，當(dāng)應(yīng)用該至少一種超聲波時，可耐受水含量的限度可被擴(kuò)展到約500ppm。在此基礎(chǔ)上，該至少一種超聲波可在與一種或多種工藝流體基本相同或基本相反的方向上行進(jìn)，其中在該工藝流體流動方向中堵塞位置最接近該微反應(yīng)器末端時，后一方向可能更有利。因此，該超聲波能并不主要通過該微反應(yīng)器的外殼傳輸?shù)揭锥氯麉^(qū)，例如，盡管-理所當(dāng)然地-該外殼及其振動相關(guān)的物理特性不能在這方面被完全忽略。例如，微反應(yīng)器的材料決定了衰減，且部分超聲波能可通過外殼從該耦合區(qū)傳輸?shù)揭锥氯麉^(qū)。然而，這些可以看作是副作用。大致上，該至少一種超聲波的頻率優(yōu)選在16kHz到50kHz或更高的范圍內(nèi)，但應(yīng)當(dāng)與微反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和尺寸、工藝流體的流速和粘度以及發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)等相適合。在有利的情況下，該頻率和/或功率并非保持在恒定值，而是變化的(swe印ed)，從而減少由節(jié)點(diǎn)表征的駐波形成的風(fēng)險，在該節(jié)點(diǎn)，由于超聲能沉積的缺失，沉淀物可能聚集并堵塞流動路徑/通道。此外，該頻率可以被更高的頻率調(diào)節(jié)，該更高頻率也是可變化的。為了將至少一種超聲波以上述方式耦合進(jìn)入微反應(yīng)器，本發(fā)明采用了定制生產(chǎn)的 Branson 400W超聲系統(tǒng)，其具有5mm長的超聲焊極(sonotrode)，調(diào)整頻率到約40kHz。當(dāng)然，也可以等同使用任何其他的超聲裝置，只要它適于將至少一種超聲波傳輸?shù)秸谑褂弥械牧黧w，此處為流入微反應(yīng)器的包含反應(yīng)物的工藝流體，或是流出微反應(yīng)器的包含一種或多種在微反應(yīng)器中生成的產(chǎn)物以及可能由于環(huán)境還包含一種或多種反應(yīng)物的工藝流體。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例(權(quán)利要求2、，該多種工藝流體包括至少一種投料流、 至少一種產(chǎn)物流和/或至少一種溶劑流。也就是說，根據(jù)本發(fā)明的方法中，該至少一種超聲波可以被耦合進(jìn)入任何類型的工藝流體，并且進(jìn)入相當(dāng)或相同類型的僅一種或多種工藝流體。應(yīng)當(dāng)指出，在權(quán)利要求1限定的特征“在流動方向中”并不與以下特征相矛盾該至少一種超聲波被耦合進(jìn)入產(chǎn)物流，因?yàn)樵摦a(chǎn)物流可能由于化學(xué)或其他原因而在該通道系統(tǒng)中具有特定的路徑。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例(權(quán)利要求3)，參與連續(xù)反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)包括多種連續(xù)流入該通道系統(tǒng)的反應(yīng)物，以及通過混合和相互轉(zhuǎn)換該多種反應(yīng)物在該連續(xù)反應(yīng)中形成并連續(xù)流出該通道系統(tǒng)的產(chǎn)物，其中該多種反應(yīng)物中的至少一種包括與至少一種投料中的水雜質(zhì)反應(yīng)形成副產(chǎn)物的包含有堿金屬和有機(jī)部分的化合物。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面(權(quán)利要求4)，所述堿金屬選自鋰、鈉或鉀。一般而言，堵塞的原因是固化的NaOH、LiOH, KOH或RbOH，其在包含堿金屬和有機(jī)部分的化合物與水雜質(zhì)的副反應(yīng)中形成。這些化合物的實(shí)施例為甲基鋰、乙基鋰、丙基鋰、 異丙基鋰、丁基鋰、異丁基鋰、仲丁基鋰、叔丁基鋰、戊基鋰、異戊基鋰、仲戊基鋰、叔戊基鋰、 仲異戊基鋰、己基鋰、異己基鋰、仲己基鋰、環(huán)己基鋰、辛基鋰、苯基鋰、鄰甲苯基鋰、簡甲苯基鋰、對甲苯基鋰、三甲基硅烷基甲基鋰、苯基鈉、鄰甲苯基鈉、間甲苯基鈉、對甲苯基鈉、丁基鋰/鉀-叔丁氧基、丁基鋰/鈉-叔丁氧基等，優(yōu)選，異丙基鋰、仲丁基鋰、叔丁基鋰、仲戊基鋰、叔戊基鋰、仲-異戊基鋰、仲己基鋰、環(huán)己基鋰、辛基鋰和苯基鋰，更優(yōu)選地是，丁基鋰 (正、仲或叔)或己基鋰。例如，當(dāng)金屬化反應(yīng)中的金屬是鋰時，該反應(yīng)被稱為鋰化反應(yīng)，例如n-BuLi ( 丁基鋰)與水的反應(yīng)，其中根據(jù)如下方程式形成固體LiOH:C4H9Li+H20 — C4H1(l+LiOH (1)如上所述，LiOH易于在微反應(yīng)器入口附近形成。一般而言，痕量水雜質(zhì)足以引起堵塞。盡管通道系統(tǒng)內(nèi)可耐受水含量的確切限度無法一般性的規(guī)定，因?yàn)樗Q于多種參數(shù)， 如反應(yīng)物類型、溶劑類型、它們的流速和化學(xué)環(huán)境(壓強(qiáng)、溫度)，但可將IOppm的值作為實(shí)際基準(zhǔn)。此處，“可耐受”表示在這樣的條件下，反應(yīng)器不會發(fā)生“嚴(yán)重”堵塞。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例(權(quán)利要求5)，該至少一種超聲波被連續(xù)、不連續(xù)或“按需求”地耦合進(jìn)入通道系統(tǒng)。在第一種情況下，該至少一種超聲波所需要的能量可以非常低，因?yàn)槎氯陂_始形成時就被連續(xù)停止，不需要控制，而在其他情況下，需要控制來標(biāo)記即將形成的堵塞并適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行抵消。被連續(xù)耦合進(jìn)入通道系統(tǒng)的該至少一種超聲波的能量可隨時間規(guī)律地或不規(guī)律地變化或保持不變。在第二種情況下，該至少一種超聲波根據(jù)預(yù)定的或固定的耦合模式被耦合進(jìn)入通道系統(tǒng)，而在第三種情況下，該耦合模式不固定，但根據(jù)當(dāng)前情況作出調(diào)整。該耦合模式可以，例如，通過該至少一種工藝流體的一個特征壓強(qiáng)來確定，這樣的特征壓強(qiáng)可隨后用作控制變量(權(quán)利要求6)，并將所述特征壓強(qiáng)與目標(biāo)壓強(qiáng)范圍作比較。該至少一種超聲波可隨后在，例如，僅當(dāng)該特征壓強(qiáng)在預(yù)定目標(biāo)壓強(qiáng)范圍之外時被耦合進(jìn)入該通道系統(tǒng)。該預(yù)定的目標(biāo)壓強(qiáng)已通過實(shí)驗(yàn)確定為每個投料管中正常壓強(qiáng)以上的0和IObar之間的范圍，優(yōu)選在正常壓強(qiáng)以上0和IObar之間的范圍，最優(yōu)選0和3之間的范圍，其中正常壓強(qiáng)是在水敏感性反應(yīng)中僅采用干投料(投料工藝流體)時系統(tǒng)的壓強(qiáng)。正常壓強(qiáng)取決于投料流速、尺寸(直徑)和投料粘度等。耦合模式還可以通過一些定義耦合時間相對非耦合時間的直角函數(shù)來確定。此種情況下的時間安排可以是，例如，與運(yùn)輸投料的泵的脈動或與發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)相關(guān)。替代性地，該至少一種超聲波的連續(xù)生成可與壓強(qiáng)的測定相結(jié)合，以使該連續(xù)的至少一種超聲波應(yīng)用的強(qiáng)度適應(yīng)于該微反應(yīng)器內(nèi)的堵塞情況。綜上所述，被耦合進(jìn)入通道系統(tǒng)的該至少一種超聲波的功率可以是任意的時間函數(shù)，既可以是預(yù)定的，也可以是隨情況變化的。根據(jù)本發(fā)明(權(quán)利要求8)，執(zhí)行該方法的微反應(yīng)器包括至少一種投料通道，所述至少一種投料通道的每一個供應(yīng)該至少一種工藝流體的一個且在至少一個匯合區(qū)域彼此連接；鄰近所述匯合區(qū)域的混合部分；鄰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，所述耦合裝置用于在流動方向?qū)⒃撝辽僖环N超聲波直接耦合進(jìn)入該至少一種工藝流體。該微反應(yīng)器可以是，例如EP1839739A1中揭示的微反應(yīng)器，或者具有類似通道結(jié)構(gòu)并優(yōu)選用于類似目的的任意其他微反應(yīng)器。


通過下文中對優(yōu)選具體實(shí)施方式
的詳細(xì)說明并結(jié)合附圖，使得本發(fā)明的上述的目的以及進(jìn)一步的目的、特征和有益效果顯而易見。圖1為用于實(shí)施如權(quán)利要求1到7所定義的方法的根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的耦合到超聲波發(fā)生器的微反應(yīng)器的板的橫截面示意圖；和圖2為圖1裝置的立體示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1示意性顯示了如EP1839739A1中詳細(xì)描述的，例如耦合到超聲波發(fā)生器30的微反應(yīng)器的板10的橫截面的示意圖。微反應(yīng)器板10包括了分為混合區(qū)14和滯留區(qū)16的迂回通道系統(tǒng)12。微反應(yīng)器板10包括第一和第二投料口 18和20，分別用于連續(xù)引入包含了參與該微反應(yīng)器中發(fā)生的連續(xù)反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)的工藝流體的投料流；還包括出口 22，在此處排放包含在工藝流體(隨后稱為反應(yīng)流體)中的反應(yīng)產(chǎn)物。超聲發(fā)生器30包含與通過第一投料口 18流入微反應(yīng)器的工藝流體接觸的超聲焊極32，并將由超聲焊極32的往復(fù)運(yùn)動生成的超聲能傳輸?shù)酵读瞎に嚵黧w或簡單的投料流。從圖1可以清楚的看到，超聲能在微反應(yīng)器外部該投料流的入口側(cè)耦合。然而，根據(jù)通道系統(tǒng)16的確切結(jié)構(gòu)，該超聲焊極 32與投料流的接觸位置也可以位于微反應(yīng)器的內(nèi)部。此外，盡管圖1中顯示的超聲波發(fā)生器30是Branson 發(fā)生器，可以采用其他任何超聲波發(fā)生器，只要它能將超聲能傳輸?shù)竭M(jìn)入微反應(yīng)器的一種或多種投料流。如上所述，該超聲波采用投料流作為介質(zhì)引導(dǎo)通過通道系統(tǒng)12。圖2顯示了構(gòu)建耦合到超聲波發(fā)生器的微反應(yīng)器的板10的堆疊(stack)。圈“A” 表示入口區(qū)，其中化學(xué)物質(zhì)通過第一和第二投料口 18、20連續(xù)流入通道系統(tǒng)12，以便在其中被混合和化學(xué)互換。附圖標(biāo)記
10微反應(yīng)器的板
12通道系統(tǒng)
14混合區(qū)
16滯留區(qū)
18第一投料口
20第二投料口
22出口
30超聲波發(fā)生器
32超聲焊極
權(quán)利要求
1.防止由連續(xù)反應(yīng)通道系統(tǒng)中進(jìn)行的連續(xù)反應(yīng)的副產(chǎn)物引起的所述連續(xù)反應(yīng)通道系統(tǒng)堵塞的方法，所述方法包括以下步驟通過沿多種工藝流體中的至少一種工藝流體的流動方向?qū)⒅辽僖环N超聲波耦合進(jìn)入所述至少一種工藝流體，以生成至少一種移動通過所述通道系統(tǒng)的超聲波。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述多種工藝流體包括至少一種投料流、至少一種產(chǎn)物流和/或至少一種溶劑流。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，參與所述連續(xù)反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)包括連續(xù)流入所述通道系統(tǒng)的多種反應(yīng)物，以及通過混合和互變所述多種反應(yīng)物在所述連續(xù)反應(yīng)中形成并連續(xù)流出所述通道系統(tǒng)的產(chǎn)物，其中所述多種反應(yīng)物中的至少一種包括與至少一個投料中的水雜質(zhì)反應(yīng)形成所述副產(chǎn)物的包含有堿金屬和有機(jī)部分的化合物。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述堿金屬選自鋰、鈉或鉀。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述至少一種超聲波被連續(xù)、不連續(xù)或按需求地耦合進(jìn)入所述通道系統(tǒng)。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，當(dāng)所述至少一種超聲波被按需求地耦合進(jìn)入所述通道系統(tǒng)時，所述至少一種工藝流體的特征壓強(qiáng)被用作控制變量。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述通道系統(tǒng)為連續(xù)反應(yīng)微反應(yīng)器中的一部分。
8.執(zhí)行如權(quán)利要求1-7所述方法的微反應(yīng)器，所述微反應(yīng)器包括至少一個投料通道，每一個投料通道用于所述至少一種工藝流體中的一種且與至少一個匯合區(qū)連接；鄰近所述匯合區(qū)的混合部分；鄰近所述混合部分的滯留部分；鄰近所述滯留部分的卸料通道；和至少一個耦合裝置，用于在流動方向?qū)⑺鲋辽僖环N超聲波直接耦合進(jìn)入所述至少一種工藝流體。
9.如權(quán)利要求8所述的微反應(yīng)器，其特征在于，進(jìn)一步包括一個壓強(qiáng)感應(yīng)器，用于檢測傳輸所述至少一種超聲波的所述至少一種工藝流體的特征壓強(qiáng)，其中所述特征壓強(qiáng)被用作控制變量。
全文摘要
防止由在連續(xù)反應(yīng)通道系統(tǒng)中進(jìn)行的連續(xù)反應(yīng)的副產(chǎn)物引起所述連續(xù)反應(yīng)通道系統(tǒng)堵塞的方法，所述該方法包括以下步驟通過沿多種工藝流體中的至少一種工藝流體的流動方向?qū)⒅辽僖环N超聲波耦合進(jìn)入所述至少一種工藝流體，以生成至少一種移動通過所述通道系統(tǒng)的超聲波。
文檔編號B01J19/00GK102427876SQ201080021683
公開日2012年4月25日 申請日期2010年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月28日
發(fā)明者多米尼克·羅貝熱, 威廉·奎特曼, 法比奧·拉伊諾內(nèi), 邁克爾·高特斯邦那, 馬庫斯·埃雅爾澤 申請人:隆薩股份公司