流体反应器的制作方法

专利名称：流体反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于实现至少第一流体和第二流体间反应的反应器和实现该反应的方法。
目前，微反应器的应用引起了广泛的关注，所谓的微反应器即反应器上的反应槽垂直于流动方向的尺寸通常在10-10000微米范围。微反应器的优点众多，包括由多种因素引起的全面加强对反应的控制及提升反应效果，这些因素包括例如极短距离上的扩散效应、大的接触表面积以及朝向和远离反应位置的有效热传递。此外，由于在反应通道中只使用少量反应物并且缺少产生烟雾的可能，因而提高了安全性(如在使用氟或氧的反应中)。例如在WO99/22857、Lab on a chip，2001，1，132-137和Chemical Communications，1999，883-884中对微反应器进行了描述。然而，上述参考文献中描述的微反应器只包含单一的微槽或每个槽都有其专用的供应源的少量的槽。在商业应用中，具有一系列单独的、隔离的微槽，且每个微槽都有专用反应物源的反应器是不实用的。
为了有效地放大到商业应用规模，一种方法是优选使用由单一反应物源供应的多槽微反应器。多槽微反应器如W002/09866和Journal ofFluorine Chemistry vol 105(2000)117-128中所述。这些文献中公开了所谓的降膜微反应器，在该微反应器中液体反应物在重力作用下流经平板上的多个微槽形成薄的降膜，而气体反应物在该薄膜上方流动，同时发生液相与气相的反应。此外还公开了所谓的微鼓泡柱，该微鼓泡柱由混合单元和带有微槽的反应单元构成。该混合单元结构复杂，其中包含叉指(inter-digital)微槽阵列用于在液体和气体进入微槽之前将其混合。然而，这些现有技术的多槽微反应器有明显的缺陷。一个缺陷是现有技术设计过于复杂(如向微槽供应反应物的方式)。例如，所述微鼓泡微反应器使用了复杂的混合单元。因而此类微反应器价格昂贵且难以制造。另一个重要的缺陷是此类微反应器的微槽难以更换，这在由于在使用过程中受到腐蚀而需要定期更换微槽的应用中出现问题。另外，在应用所述微鼓泡微反应器的情况下，是在气体和液体进入微槽之前在同一位置将其混合，这使得无法有效地冷却反应物。此外，该微鼓泡塔混合单元的微槽阵列必须与该微反应器的微槽严密结合，而且该混合单元的微槽阵列可能被阻塞，尤其在混合单元与微反应器微槽连接的地方。
本发明的目的是提供改进的多槽微反应器，该微反应器能够减少或者克服上述的各种缺陷，同时提供与至今报道过的装置相比具有明显优点的微反应器。本发明的进一步目的将在下文中描述。
本发明的一个方面提供了用于至少第一流体和第二流体间反应的反应器，该反应器包含带有多条流道的反应板，所述的至少第一和第二流体可在其中反应，和与该反应板平面平行放置的贮存板，其中至少具有用于第一流体的第一贮存器和用于第二流体的第二贮存器，且反应板的多条流道与所述的至少第一和第二贮存器之间以流体方式连接。
本发明的另一方面提供了实现至少第一流体和第二流体间反应的方法，该方法包括下列步骤提供带有多条流道的反应板，其中至少第一流体和第二流体可在该流道中反应；提供与该反应板平面平行的贮存板，该贮存板至少具有用于第一流体的第一贮存器和用于第二流体的第二贮存器；使第一流体占据第一贮存器，使第二流体占据第二贮存器；以及使所述第一和第二流体在所述反应板的多条流道中混合。
所述反应板的多条流道(本文也称之为微槽)可具有任意所需的横截面形状，如圆形、矩形或三角形。当流道的宽度较小时，可能由于例如反应物和/或产物结晶而阻塞，因此在优选实施方案的一种形式当中，优选的横截面大小是其内切圆直径d的范围在10-10000微米。即，直径为d的圆是可包含在该横截面内且不与该横截面边界交叉的最大的圆，因而它必须在至少两个位置与该横截面边界相接触。
在其它实施方案中，所述微槽优选的最大宽度d的范围在10-10000微米，该宽度是在与所述平板平面平行且与第一和第二流体流动方向垂直的方向上测量的。上述宽度范围适用于槽深度(垂直于流动方向和平板平面)超过上述范围的微槽，但更优选的微槽其深度也属于上述范围。
通过在对反应的控制与产物收率之间进行权衡，最终确定特定反应器所选微槽的横截面形式。反应板上的流道数量是可变的，如5、10或15。优选的上述d值(宽度或直径)为不大于1000微米。
所述反应板和贮存板制造简单且造价低廉。根据需要它们可以很容易地装配和拆卸，例如用简单的紧固装置(如螺钉、夹子、夹钳或螺栓)就可以将它们以易拆卸的方式装配在一起。这样使得任何一块平板都可以独立于其它平板进行更换，同时，值得注意的是通常反应板在使用时腐蚀得更快，因此其更换更为频繁。
通常反应板与贮存板基本上是同等延伸的(即其主要尺寸是相同的)且相互层叠成列(即基本对齐)。
反应器的平板可以在水平、竖直或任意中间位置上对齐。通常该反应器的平板是竖直放置的。
流道可与水平方向成任意角度排列，但通常是水平的(当在压力下用反应物进行的初步试验时)，或者是竖直的以避免重力对流动过程造成不利影响。
在气-液反应的情况下，优选地，所使用的流道尺寸和流体压力可以形成所谓的“管流”(也称为环状流，尤其用于圆形横截面的流道)，即液体形成覆盖在流道表面的外管，而气流贯穿该外管的中心，如图8A所示。与之相对的是所谓的“弹状”或“节涌”流，即在流道内的是交替的液体和气体段，如图8B所示。由于气体和液体的混合量及混合速率在管流中达到最大，因此管流对气-液反应特别有利。
反应板的主要横截面(在该平板的平面方向)形状基本上是矩形。通常所述流道与矩形横截面的一对边线平行，当横截面不是正方形时通常与其长边平行。更普遍地，当所主要横截面是细长形状时，该流道与其最长的方向平行。
为了在贮存器中贮存流体以供应所述流道，通常贮存板明显地比反应板厚。通常情况下，但不总是如此，每一贮存器的容积基本上都比其供应的流道的容积更大；其最大可至所用贮存板物理上可容纳的最大体积。第一和第二反应物贮存器的体积可以相同也可以不同。
贮存器的使用可以为流道提供稳定控制的液体反应物流，而且反应器的设计使流体可以在流道中迅速混合。该设计还使反应得以在可控压力的条件下进行，同时其它参数(尤其是温度)也是可控的。因此，例如，当两个或多个反应器串联使用时(如用于分步氟化反应，通常需要较低的初始温度和压力，但需要较高的温度和/或压力来完成反应)，各反应器可以在不同的温度和/或压力下操作。对压力的控制不仅可以控制反应速率，而且通过控制沿流道的压力梯度可以控制反应物在该流道中的流量进而控制其停留时间。然而，在重力作用下流动也是可能的。因此，本发明的反应器还提供了(a)用于控制流道内的压力和/或沿该流道的压力梯度的装置；和/或(b)用于控制流道内和/或贮存器内温度的装置。
可以在反应板的表面形成流道，优选在朝向所述贮存板的表面上形成，从而避免使用顶板(见后面其它相关的实施方案)，以及避免设置特殊装置将流道与贮存器连通。其可以在反应板表面形成诸如凹槽或切口。
可选择地，可以将流道构造成贯穿整个平板厚度的狭缝或细槽。在这种情况下，反应板的厚度可以是例如前述定义的d。需要在反应板背对贮存板的一侧放置额外的平板。该额外的平板可以是第二块贮存板或者简单的封闭平板，但是在每种情况下其安放都应确保可观察到流道(见下文)。
可以通过任何适当的方法在反应板上形成微槽，如铣削操作、化学蚀刻和激光加工。放电加工(Electrical Discharge Fabrication，EDF)技术可用于大批量生产，且可产生形状和尺寸一致的微槽。
用于第一流体的第一贮存器优选包括向其供应第一流体的输入装置。类似优选地，第二贮存器包括向其供应第二流体的输入装置。贮存器相对流道具有更大的容积，从而保证该反应器输入端与流道之间的压力变化最小，进而使流道中的流量更为均匀。使用贮存器的益处在于其使得沿流道的流体压力没有明显变化。
在一类实施方案中，贮存器包括贮存板上的孔洞。该孔洞可以穿过该贮存板从其一端延伸至另一端。该孔洞更多地是沿该贮存板的宽度方向延伸而不是与上述通常与之垂直的沿该贮存板的长度方向延伸。该孔洞基本上是横向延伸的。因此，该贮存器是水平使用的。可见，该贮存器可沿与多个流道(通常沿反应板的长度方向延伸)相交叉的方向延伸。在一个实施方案中，贮存器基本上沿着垂直于流道的方向延伸。
优选但不是必须地，贮存板还包括产物贮存器，流道的输出端与该产物贮存器以流体方式连接连。产物贮存器的容积可小于第一和第二流体贮存器的容积。在极端情况下，产物贮存器可包括用于将流道连接起来的导管，但该导管没有明显的贮存作用。在某些类型的反应中需要此类反应器，例如在分步氟化反应中，其中一个反应器与一个或多个反应器串联使用；在这种情况下，后续反应器的贮存板提供了所需的贮存容量。
可通过在贮存器末端或者在其上形成其它通道来实现外部进出贮存器的通道。将不使用的贮存器开放端封闭。
可通过位于流道与贮存器之间的通道将两者直接连通。这种通道可以是单一的(即公用的)将该贮存器与所有流道连通的通道。其可以是在贮存板表面形成的切割狭缝，该狭缝所形成的深度达到其与贮存器连通。当贮存器是基本上横向穿过贮存板的孔洞时，该狭缝也可以是基本上横向的，从而使其走向与所有的流道交叉。优选地，所形成的横向狭缝并非穿过整个平板宽度，而是距离贮存板两侧至少有微小的距离。狭缝可以从与反应板接触的贮存板表面延伸至贮存器，以及在使用反应器时，在该贮存器的最上端位置与之连通。因为气体可以通过狭缝逸出，所以当贮存器充满反应物时，通过这种方式可以使其中不会存有气泡，从而在反应器内形成更好的流动状态。
用于制造反应板和贮存板的材料可以相同或不同。制造材料的选择取决于所进行的反应的性质。因此，制造贮存板的材料优选为对第一和第二流体反应物具有抗腐蚀性(或经处理后具有抗腐蚀性)的材料，同时反应板优选为对第一和第二流体反应物及其反应产物具有抗腐蚀性的材料。任何一块贮存板和反应板可由单一的大块抗腐蚀块料制成，或者这些板基本上由一种块料制成，且至少对其将与反应物和/或产物接触的表面进行处理(例如用抗腐蚀材料涂覆)从而使其具有抗腐蚀性，例如用于氟化反应时用氟化剂进行处理。
制造用的料材优选为廉价的且对多种物质具有抗腐蚀性的不锈钢材料。其它可能的料材是镍、铜、锆、金、聚四氟乙烯(PTFE)、氟化材料、硅、二氧化硅、玻璃和其它陶瓷材料。适合涂覆钢和其它料材(包括硅、二氧化硅、玻璃和其它陶瓷材料)的抗腐蚀材料包括金、镍、铜、锆、氟化材料和某些聚合物材料如聚四氟乙烯(PTFE)。例如用于氟化反应的反应器可用不锈钢、镍、铜或锆或者其它用氟进行预处理(反应)(从而在不锈钢表面形成惰性氟化物涂层)使其无反应活性或具有抗反应性的适合的材料制成。对某些化学反应，可用大块聚合物材料(如聚四氟乙烯(PTFE))制造反应器。
所述反应器可用于液-液、液-气或气-气反应。通常，对可在反应器中进行的反应类型没有限制。一些例子包括氟化(包括液体反应物与氟气的反应)、硝化、卤化、氧化、氢化、烷基化、酰基化、芳香族亲电反应、有机-金属反应和催化反应。特别地，已发现本发明对氟化反应很有用，如选择性直接氟化(如羰基化合物(如1，3-二羰基化合物)和芳香化合物的氟化)、有机化合物的全氟化、全氟醚和全氟化碳的合成以及包含五氟化硫基团的有机化合物的合成。在某些反应中，可以用氟化氢替代氟气作为流体氟化剂。
使用中反应器可能需要冷却或加热。该反应器可以使用外部冷却或加热装置，或者使用将该反应器整体冷却或加热装置。外部冷却或加热的例子包括将反应器放置在一个环境温度可调的与外界隔离的容器中。
整体冷却或加热装置可以包括在贮存板内的通道，冷却或加热的流体可以在该通道内流动，从而对该贮存板和其中包含的在其进入反应板的流道之前的流体反应物进行冷却或加热。上述通道或在贮存板厚度范围内个别形成的不同专用通道，在用于控制反应物贮存器的温度之后，可用于控制反应板的温度，进而控制反应流体沿流道流动时的温度。因此，例如氟化反应的第一步可能需要冷却，而全氟化过程(例如在串联的反应器中进行)的最后一步可能需要加热。
用适当材料制造或涂覆的反应器也可使用感应加热。
可以在贮存板上形成更多的孔洞，从而减少该平板的重量和/或用于安装固定该平板的支撑装置。
优选在反应板与贮存板之间设置密封装置，从而保证流体被严密地封闭住。该密封装置可以是衬垫形式，并且可以用聚合物材料(如PTFE)制造。
如上所述，当反应板上形成穿透其整个厚度的狭缝形式的流道时，在与所述贮存板相反的一侧需要用顶板将该流道封闭起来。在该反应板与顶板之间可进一步使用密封装置。该顶板可以是透明的从而方便对流道进行观察，或者是不透明的，如不锈钢。
可选择地，可以在反应板与顶板之间安装透明材料制成的观察板。其也可作为进一步的密封装置或者在其上也可安装进一步的密封装置。所述透明材料可以是聚合物材料，如聚三氟氯乙烯(PTFCE)。当安装有观察板时，该顶板上需要切割出一条或多条槽作为观察窗，使得可以透过观察板观察流道。
只要可以观察到流道，就可以进行光化学反应，例如透过上述透明顶板或观察板给予适当的照射。
所述密封板可用第二块反应板替代。这种装置可以作为例如提供通常带双输出端的对称反应器。然而，还可以有其它形式的装置，例如用于在两块反应板内进行不同的反应的装置。这些装置可能需要中心贮存板上的相同或不同贮存器与每一块贮存板连通。这些不同的反应可以是完全独立的或者是连续的(例如在分步氟化反应中，将一块板上的产物作为反应物提供给另一块板；或者将两块反应板上的产物用作(或者作为备用)第三反应器的反应物。)在实验规模和全规模的工厂里可以很便利地将多个反应器并联使用。常规的放大方法是使用更大的容器等方法，与之相比上述可选方法大为简化而且更容易确保实际操作的可靠性。这种方法的有益效果在于，由于各反应器相互独立且可以被隔离开，因此可以在不影响其它反应器连续操作的情况下对某一反应器进行整体或局部维护或者更换。图7是工厂规模或实验工厂规模的多个反应器并联使用的操作简图，下文对该操作进行了具体的描述。
可将单一的供应源的至少一种反应物输送到例如并联反应器上对应的贮存器中。为方便上述的维护/更换，优选将贮存器并联连接到供应源上。可选择地，可将贮存器串联在一起，只有其中一个贮存器直接与供应源连结，这种情况下，优选每个这种贮存器上除具有供流体反应物输入的输入端外，还有与其它这种贮存器的输入端相连的输出端。串联贮存器之间连接装置的流体阻力必须足够小，例如分别用管道将足够大的孔洞连接起来，这种设置的优点在于使多个贮存器一起运作时就像一个大的贮存器。因此，可以缩小独立贮存器的尺寸而不会造成不利影响。也可以将串联、并联组合使用。
可以将多个反应器(无论其是否已经与其它反应器构成并联)串联起来，从而将一个反应器的产物作为另一个反应器的反应物。
除便于制造和维护之外，因为反应体系内任何一点累积的反应物量都比较少，因此本发明的微反应器在高能反应物(如氟化剂、氧化剂和硝化剂)条件下，甚至在加压和/或高温条件下都是相对安全的。
通过仔细阅读并参考本发明的权利要求，以及阅读下列参考附图做出的对优选实施方案的说明，读者可以清楚了解本发明的其它特征和优点。本文附图包括

图1表示本发明反应器的分解立体图；图2表示沿图1中的剖切线A-A剖开的分解纵向剖视图；图2A表示本发明的反应板的平面图；图2B表示本发明的顶板的平面图；图3表示本发明反应器的平面图；图4表示沿图3中的剖切线B-B剖开的纵向剖视图；图5A-5G表示制造本发明贮存板的连续步骤的立体透视图；图6A和6B分别表示本发明反应器的进一步实施方案的平面图和侧视图，其中各贮存器的尺寸相近；图7表示本发明的多个反应器并联用于工厂规模操作的简图；以及图8A和8B表示流动状态的简图管流(图8A)和弹状流(图8B)。
在以下说明中，同样的部件用与其对应的附图标记来表示。
图1和图2所示反应器的贮存板是由主要横截面为矩形，主要表面3a和3b为平面的不锈钢块料2制成。块料2包括相邻的第一和第二流体贮存器，两贮存器分别对应基本上呈圆柱形的贯穿块料的孔洞4、6。第三个基本上呈圆柱形的孔洞8是产物贮存器，其从块料2的一侧穿透到另一侧位于与贮存器4、6相对的另一端。
块料2上的狭缝10a从表面3a延伸向贮存器孔洞4的中心。为满足可能与另一块反应板配套使用的需要，可在块料2上形成类似的狭缝10a’，该狭缝从相对的表面3b延伸向贮存器孔洞4的中心。
块料2上的狭缝10b从表面3a延伸至表面3b，且与贮存器孔洞6在位置14处相切，目的是使其接近或位于贮存器孔洞6的顶端。应用这种方式，当液体贮存在贮存器6中时，贮存器内不含气态物质。
产物孔洞8具有与贮存器4的狭缝10a和10a’类似形式的狭缝10c和10c’。
如图所示，狭缝10a、10b和10c距块料2的边缘均有x的距离。
如果只在贮存板的一侧(如3a侧)设置了反应板，则狭缝10a’和10c’以及狭缝10b的对应部分可以省略，或者简单地在3b侧用空白的顶板(图中未示出)覆盖以封闭这些通道。
使用时，反应器是竖直放置的，即平面3a和3b是竖直平面，且反应物贮存器4和6位于产物贮存器8上方。
贮存器4的狭缝与贮存器的设置方式适用于第一反应物为气体的情况，但对液体反应物并不是最佳的设计，因为气体会在第一反应物贮存器4中形成气团，并影响流体通过贮存器4和狭缝10a、10a’的流动。对液体反应物更好的是狭缝10b与贮存器6的设置方式，该方式通过将狭缝10b设置在贮存器6的顶部避免了气泡的问题。可以制造这样的反应器，其中将第一和第二反应物贮存器4和6以及可选择的反应物贮存器8的狭缝都设计为与该贮存器的最高点连通。这类反应器适用于反应物为气体和/或液体的全部情况，即气-气、液-液和液-气反应。
矩形密封衬垫16是面积基本与块料2相同的聚四氟乙烯(PTFE)薄板，其安装在贮存板2的3a表面与反应板20之间，以保证流体被严密地密封在上述两者之间。衬垫16上带有穿透该衬垫且分别与贮存板的狭缝10a、10b和10c对齐的狭缝18a、18b和18c，从而使流体可以穿过衬垫16流入反应板20。
基本上同等延伸的矩形反应板20安装在贮存板2的3a表面一侧且与该贮存板对齐。反应板20比贮存板2薄得多。
图2A是不锈钢反应板20的平面图。反应板20上带有9条平行的狭缝22，该狭缝穿透整个反应板且具有微槽尺寸，即宽度为10-10000微米。用微槽22宽度为500微米(0.5mm)的反应板20进行了反应试验。反应板上具有通孔21，螺钉可以穿过该小孔拧进贮存板中，从而将反应板与贮存板紧密固定在一起。
微槽22的末端24纵向(即长度方向)延伸至可与狭缝10a交搭的位置，这样使用时第一流体反应物可以从贮存器4中经狭缝10a和衬垫16的狭缝18a流进反应板20的微槽22中。类似地，狭缝10b从第二流体反应物贮存器6经衬垫16的狭缝18b与微槽22连通。微槽22的另一末端26与产物狭缝10c交搭，这样微槽22中的第一反应物和第二反应物的反应产物可以从微槽中经狭缝10c到达产物贮存器8。
透明的聚三氟氯乙烯(PTFCE)观察板30覆盖在反应板上并与之对齐，在使用中，该观察板为反应板20的微槽22中的流体提供了严密的顶部密封，同时方便对微槽进行目视检查。
长宽基本与反应板相同的不锈钢顶板32覆盖在观察板30上对其进行保护。如图2B所示，在顶板32中切割出窗口34，从而使视线可以到达并穿过观察板30。开口34与微槽22对齐，使得通过观察板30可以观察到这些微槽。观察板和顶板上同样有用于螺钉固定的通孔31。
在图3和图4中，由矩形不锈钢块料2构成的贮存板，连同其两侧的两块反应板组成了反应器的核心。贮存板2的制造过程参考图5A-5G具体说明如下。块料2长250mm、宽96mm、厚50mm，其主要表面3a和3b是平面。
沿宽度方向横穿过整个块料2，铣削出直径为40mm的圆柱体孔洞形状的贮存器4。在块料2上靠近贮存器4的位置，沿宽度方向穿过整个块料，铣削出直径为30mm的贮存器6。在块料2上与贮存器4和6相对的一端，穿过整个块料铣削出直径为20mm的圆柱体孔洞形状的贮存器8。贮存器8用于产物收集。
分别从块料2的主要表面3a和3b到贮存器4铣削出2mm宽的狭缝10a和10a’，从而将贮液器4与反应板连通，如下文所述。狭缝10a和10a’长为84mm，因此其末端距离贮存板2的两边各有(x)6mm的距离，如图3所示。从表面3a穿过块料2到表面3b铣削出2mm宽的狭缝10b。如图所示，狭缝10b与贮存器6的上边界14相切。类似地，狭缝10b长84mm，因此其末端距离贮存板2的两边各有6mm。因而狭缝10b成为了连通贮存器6与反应板的反应器微槽的通道。类似地，分别从该块料的表面3a和3b到贮存器8铣削出长84mm、宽2mm的狭缝10c和10c’。同样，狭缝10c、10c’的末端距离贮存板2两边各有6mm。
贮存器4适用于气体反应物。贮存器6适用于液体反应物。应当指出的是图3和图4的反应器是专门为气-液反应设计的。然而，如果进行的是液-液反应，则优选地，两贮存器4和6及其各自的狭缝10a、10b都应该按照贮存器6及与其相切狭缝10b的方式设置。
块料2上带有48个用于拧入4mm不锈钢螺钉42的螺纹孔46，用来将衬垫16、反应板20和顶板32固定在贮存板上。
从贮存板2的顶端45到贮存器4铣削出带内螺纹的通道44，从而提供了向贮存器4中供应第一流体反应物(如气体)的输入端。在输入通道44内连接90°的管件(pipe fitting)46，而1/4”的输入管48则连接到该90°管件46上。管48的另一端(图中未显示)则用于连通第一流体反应物源，如气罐。当第一流体为气体时，在该反应物源与贮存器输入端44之间需安装流量控制器或类似装置(图中未示出)，从而调节流入贮存器4的第一反应物的量和压力。
贮存器4不使用的末端可用不锈钢配件50封闭，例如当该贮存器未与其它反应器的贮存器结合使用时。不锈钢配件50可具有外螺纹部分与贮存器4孔洞的内螺纹部分啮合。不锈钢配件50可带有Swagelock(商品名)接头52，该接头可用封堵组件封闭。
应当指出的是当贮存器与其它串联/并联反应器的贮存器相连结时，其Swagelock接头52可以用于代替一长连接管依次连接到相邻反应器的类似Swagelock接头上。通过这种方式，反应物源只需连接到其中一个反应器的输入端44上。
可选择地，可使用与下述贮存器6相同的方式通过其中一个配件50向贮存器4供应第一流体反应物，从而取代通过输入通道44向贮存器4供应流体的方式，此时输入通道44可以封闭。
贮存器6的末端带有内螺纹部分。带有外螺纹部分的不锈钢配件50啮合在贮存器6的末端。不锈钢配件50上带有Swagelock(商品名)接头52。在其中一个Swagelock接头上连有1/4”管54，再连接到第二流体反应物源(图中未示出)。当第二流体反应物为液体时，可通过注射泵(图中未示出)经管54向贮存器6中输送具有设定流量和压力的反应物。当贮存器6未与其它一个或多个反应器的贮存器结合使用时，另一个Swagelock配件52可用封堵组件封闭。当反应器与其它一个或多个反应器结合使用时，其Swagelock接头52可以代替一长连接管，再连接到相邻反应器上贮存器6的类似Swagelock接头上。通过这种方式，第二反应物源只需连接到其中一个反应器的输入端上。
从贮存板2的底端57到产物贮存器8铣削出输出通道56。通道56带有内螺纹，并与不锈钢管件58相配合，再连接到最终与产物收集贮存器(图中未示出)相通的输出管60上。类似地，产物贮存器8末端带有内螺纹，并与带有Swagelock接头52的不锈钢配件50啮合。同样，可以利用该Swagelock接头将两个或多个反应器的产物贮存器8连接起来。
在贮存板2上，接近贮存器4与贮存器6中间的位置铣削出热电偶孔62，其中可以放置热电偶以测量使用时贮存板2的温度。
分别在靠近表面3a和3b的位置，穿过贮存板2铣削出直径3mm的两组冷却或加热通道64和64’。在每组冷却或加热通道64、64’中最前端都焊接有向各通道输送冷却或加热流体的铜制输入管66。相邻通道的末端用铜制弯管68连接，该弯管将冷却或加热流体从一个通道64、64’输送到下一个通道64、64’。通道的最后端上连有用于排放(可选择循环)冷却或加热流体的输出管70。
在贮存板2的表面3a侧对齐安装PTFE衬垫膜16。与之相对的在贮存板2表面3b侧安装有类似的衬垫。衬垫16带有与贮存板狭缝10a、10b和10c对齐的穿透狭缝18a、18b和18c，因而使流体可穿过衬垫16流入反应板20。
紧靠每块衬垫板16安装有带9条宽500微米(0.5mm)微槽的不锈钢反应板20，其构造与图2a中所示的类似。
这个实施方案中没有观察板，紧靠每块反应板20安装有用于封闭微槽22的不带任何窗口的简单顶板32。
在每块衬垫16、反应板20和顶板32上都有48个与贮存板上的螺纹孔47对齐的通孔。这样，不锈钢螺钉(4mm)42可穿过顶板、反应板和衬垫上的通孔拧入重叠在其后的贮存板2上的螺纹孔40。即使只通过转矩扳手将螺钉42上紧，也可以保证衬垫16对每块反应板20、顶板32和贮存板2有足够的密封程度。
使用时，通过流量控制器将第一流体反应物(如气体从气罐中)经输入管48和输入通道44输送到第一流体贮存器4中。同时，通过注射泵将第二流体反应物(如液体)经输入管54输送到第二流体贮存器6中。当第一流体反应物贮存器4中充满反应物时，该反应物先经狭缝10a和10a’，再经衬垫16上的狭缝18a，进入反应板20的微槽22中。然后第一流体反应物沿该反应板的微槽22朝输出端流动。类似地，在充满贮存器6后，第二流体反应物先沿狭缝10b流出，再经衬垫16上的狭缝18b，进入反应板的微槽22中。然后，在沿微槽朝输出端流动的过程中，第二流体反应物迅速且有效地与所述第一反应物在微槽中混合并发生反应。
当第一流体反应物是气体而第二流体反应物是液体时，所述反应物以管流的形式沿微槽流动，即液体覆盖在微槽内表面形成外管而气体反应物在该液体反应物的中心流动。研究发现，这种流动形式中各相之间的混合程度以及从反应区向反应器的传热效率最高，从而证明其是气-液反应的理想流动形式。已发现，可以应用本发明的反应器有效地进行反应的一个气-液反应是用氟气氟化液体底物的反应。
如果反应物在进入微槽之前需要冷却或加热，则可在贮存板2的通道64、64’中通入冷却或加热流体。研究发现，通过在贮存板中设置冷却或加热通道，使反应物在进入微槽之前在贮存器4和6中停留较长时间，可以有效地将反应物冷却或加热。
可在块料2中铣削出额外的孔洞72，从而减轻该块料的重量。在使用时可将支撑部分(图中未示出)穿过孔洞72以支撑所述反应器。
例如当需要更换反应板时，可将螺钉42取出，使顶板32和反应板20可以拆卸下来。然后将新的反应板安在反应器上，并将顶板32重新安装好。不需要对该反应器的其它部分进行拆卸。可以更换反应器一侧的反应板而不会影响另一侧的反应板。此外，当多个反应器串联或并联使用时，只需简单地将需要维护的反应器与其它反应器隔离开进行维修，同时其它反应器仍在工作。
参考图5A-5G，其中以透视图的形式显示了图1-4中所用的贮存板2的一种可能的制造流程中的连续步骤。首先，在矩形不锈钢块料2(图5A)上钻出通孔4、6和8，其分别构成第一和第二反应物贮存器以及产物贮存器。在该块料上还钻出孔72，以减轻反应器的重量并为其提供支撑装置。然后，参考图5C，在该块料2上贮存器4的两侧切割出与该贮存器相通的前述狭缝10a和10a’。切割出穿透该块料并与贮存器6边界相切的狭缝10b。在该块料上贮存器8的两侧切割出与该贮存器相通的狭缝10c和10c’。参考图5D，分别在该块料2上钻出与贮存器4相通的第一流体反应物输入端44和与贮存器8相通的产物输出端56。下一步是钻出冷却/加热通道64和64’(图5E)以及螺纹孔47(图5F)。最后，在所述贮存器4、6和8中靠近其末端的地方加工出内螺纹部分，这样带螺纹的Swagelock(商品名)配件50可以啮合在该贮存器上，如图5G所示。类似地，在所述输入端44和输出端56上靠近其末端的地方加工出内螺纹，这样Swagelock(商品名)配件50可以啮合在该螺纹上。
图6A和6B的反应器与图3和图4的反应器类似，但其中贮存器4、6和8的孔径比较接近，因此简化了制造过程，而且在给定板厚度的条件下可以获得最大的总贮存容量。此外，狭缝10a位于贮存器4的顶端，类似狭缝10b与贮存器6的位置关系，因此该贮存器4用于液体时不会产生气团问题。该反应器上没有冷却/加热管68，但仍然可以通过其它装置冷却或加热，如冷却器或恒温器。
图7是反应放大操作(即适用于完全规模的工厂或实验工厂操作)的简图。可以理解，实际应用中反应器的数量根据需要进行调整，可以达到数十或数百台。图7中显示将3台反应器110并联用于连续操作。来自单一反应物源A的第一流体反应物A沿主进料通道102流动。来自单一反应物源B的第二流体反应物B沿主进料通道104流动。如图所示，通过从主进料通道102和104分别分出的支进料通道106和108向每一微反应器110的反应物贮存器中输送第一和第二反应物。每一反应器的输出端都连接到支产物通道114上，再输送到主产物通道112上。该主产物通道112最终连接到产物收集装置(图中未示出)。然后，可以用常规的分离方法对该产物进行处理。分别位于通道106和108上的隔离阀126和128以及通道114上的隔离阀134，使得任何指定的反应器110都可以被隔离开用于维护或更换，而其它反应器110可继续工作无需中断。
因此，基本上只考虑使用带一对贮存器的反应器。通常在这种情况下，不需要重点考虑贮存器之间的距离(即一种流体在与第二种流体接触并反应之前，在反应板上流过的距离)大小，虽然很明显两贮存器之间距离越近对减小反应器的总体积就越有利。此处只需要考虑一次反应，即第一和第二流体之间的反应。然而，当然可以为第三种不同的反应流体提供第三贮存器。
在某些情况下，三种反应流体必须或最好同时参与反应，这种情况下，需要将贮存板中相应的贮存器紧靠在一起，这样所述三种流体几乎可以在反应槽内同时混合(将加入反应板的第一流体可以例外，但也出于其它考虑，通常优选将第一贮存器与其它贮存器紧靠在一起)。
然而在其它情况下，需要对反应器进行改造，使得流体在沿同一反应槽流动过程中发生超过一次反应。例如，可能需要在第一与第二流体之间发生第一次反应生成第一产物，然后该产物与第三流体反应生成第二产物。这种情况下，最好保证第一流体与第二流体的组合物有必要的最短持续时间，从而在第三流体加入前使反应进行到所需程度。为实现该目的，无论其是否紧靠所述第一贮存器，该第二贮存器必须距该第三贮存器有一定距离，从而在第一产物与第三流体接触前使产生的该第一产物达到所需的程度，最后从产物贮存器中收集第二产物。该第二贮存器和第三贮存器之间的距离由反应槽内的流速决定，进而由控制参数(如压力和温度/粘度)和必要的持续时间决定。
虽然本文只设计三种流体反应及同时反应或连续发生两个反应的特殊情况，但其中的细节可以扩展到四种或更多种流体和/或超过两个反应的情况，其中后者可以是或不是超过两种流体(或者超过一种流体加上前一步反应的产物)同时进行反应。
下面给出使用本发明反应器进行反应的实施例。
实施例13-羰基丁酸乙酯1的直接氟化
将氟气与氮气的混合气(20％v/v)，以给定的15ml每分钟每微槽的流量，经输入端44和贮存器4通过图3和图4中的9-槽微反应器，其中微槽的尺寸为0.5mm×0.5mm×10cm。用机械注射泵将溶于甲酸(380g，8.26mol)中的3-羰基丁酸乙酯1(270g，2.08mol)原料溶液，以预定的0.5ml每小时每微槽的流量，经底物输入端54和贮存器6注入微反应器微槽中。通过冷却器从外部将该微反应器冷却至5℃。将通过该微反应器和管道之后的过量氟气和挥发性副产物通入装有碱石灰的洗涤器。用外部冷却的FEP管收集液体产物，当所有原料通过微反应器后(总共19小时)，将液体混合产物加入水中。然后经二氯甲烷萃取、饱和NaHCO3溶液洗涤、干燥(MgSO4)以及减压蒸馏除去溶剂，得到含2-氟-3-羰基丁酸乙酯2的无色油状产物(132.8g)(收率为94％，转化率为93％)。使用减压蒸馏或二氧化硅凝胶柱层析对其纯化，得到无色液态的2-氟-3-羰基丁酸乙酯2。通过与标准样品光谱的比较对所得2-氟-3-羰基丁酸乙酯2进行鉴定。
实施例21-甲基-2，4-二硝基苯3的直接氟化 通过与实施例1中所述类似的步骤，将氟气与氮气的混合气(10％v/v)和溶于乙腈/甲酸(比例3∶2，200ml)中的1-甲基-2，4-二硝基苯3(8.0g，44mmol)原料溶液，分别以预定的10ml每分钟每微槽和2ml每小时每微槽的流速通过所述9-槽微反应器。当所有反应物通过该微反应器后，如实施例1中所述进行逐步处理，得到含1-氟-2-甲基-3，5-二硝基苯4(70％)的油状粗产物(11.4g，转化率为40％)。以二乙醚∶40/60汽油＝1∶1的溶液为洗脱剂，用二氧化硅凝胶柱层析纯化，得到黄色油状的1-氟-2-甲基-3，5-二硝基苯4。通过与标准样品光谱的比较对所得1-氟-2-甲基-3，5-二硝基苯4进行鉴定。
实施例33-硝基苯基二硫化物5的氟化 将3-硝基苯基二硫化物5(6.0g，19mmol)溶解在干燥的乙腈(300ml)中并冷却到0℃。搅拌下，将含10％(v/v)氟气的氟氮混合气以75ml/min(20mmol/h)的流量通入该溶液中。1小时后，取1ml样品，比较该样品与内标物(三氟甲苯)的NMR谱图的19F积分，计算得到其3-硝基苯基三氟化硫6(转化率为62％)含量。
氮气保护下，从上述整体氟化装置(150ml)中抽取一部分含3-硝基苯基三氟化硫6的反应混合物，并以7.3ml/h/微槽(0.51mmol 3-硝基苯基三氟化硫/h/微槽)的流量流过维持在20℃的9-槽微反应器。同时，以预定的10ml每分钟每微槽的初始流量通入含氟氮气(10％v/v)。当所有反应物通过该微反应器后，经处理得到含3-硝基-1-五氟化硫代苯7(56％)的橙色油状粗产物(7.3g)。以二氯甲烷为洗脱剂，用二氧化硅凝胶柱层析纯化，得到黄色油状的3-硝基-1-五氟化硫代苯7样品。通过比较该样品与标准样品的光谱，对所得3-硝基-1-五氟化硫代苯7进行鉴定。
实施例4环己醇8的氧化
通过与实施例1中所述类似的步骤，将氟气与氮气的混合气(10％v/v)和溶于乙腈(100ml)中的环己醇8(8.0g，8mmol)原料溶液，分别以预定的10ml每分钟每微槽和1.25ml每小时每微槽的流量通过微反应器。当所有反应物通过该微反应器后，将产物混合物加入稀释的碳酸氢钠水溶液(300ml)中。然后经二氯甲烷萃取、干燥(MgSO4)以及减压蒸馏除去溶剂，得到含环己酮9(74％，转化率84％)的油状产物。通过比较该产物与标准样品的光谱，对所得环己酮9进行鉴定。
实施例5环己酮9的氧化 通过与实施例1中所述类似的步骤，将氟气与氮气的混合气(10％v/v)和溶于甲酸(285ml)和水(15ml)中的环己酮9(23.5g，0.24mol)原料溶液，分别以预定的10ml每分钟每微槽和2.5ml每小时每微槽的流量通过所述微反应器。当所有反应物通过该微反应器后，将产物混合物加入稀释的碳酸氢钠水溶液(300ml)中。然后经二氯甲烷萃取、干燥(MgSO4)以及减压蒸馏除去溶剂，得到含ε-己内酯10(53％，转化率为87％)的油状产物。通过比较该产物与标准样品的光谱，对所得ε-己内酯10进行鉴定。
实施例62，5-双(1，1，2，3，3-六氟丙基)四氢呋喃11的全氟化
通过与实施例1中所述类似的步骤，将氟气与氮气的混合气(50％v/v)和2，5-双(1，1，2，3，3，3-六氟丙基)四氢呋喃11(109.8g，32mmol)分别以给定的20ml每分钟每微槽和0.5ml每小时每微槽的流量通过9-槽微反应器，将该微反应器通过外部冷却保持在0℃。所有反应物通过第一微反应器后，进入与该第一微反应器串联的第二9-槽微反应器，将该第二微反应器通过外部加热至280℃。当所有反应物通过串联的两个微反应器后，将过量氟气和挥发性副产物通入装有碱石灰的洗涤器。用外部冷却的FEP管收集液体产物，当所有原料通过该微反应器后，向液体产物中加入氟化钠。从该氟化钠溶液中蒸出有机物质，得到无色液态的全氟-3，5-双丙基-四氢呋喃12(152g，52％)；其光谱数据与文献值一致。
实施例7双-(1，1，2，3，3，3-六氟丙基)环己烷13的全氟化 通过与实施例1中所述类似的步骤，将氟气与氮气的混合气(50％v/v)和双-(1，1，2，3，3，3-六氟丙基)环己烷13的异构体混合物(50g，0.13mol)分别以预定的20ml每分钟每微槽和0.5ml每小时每微槽的流量通过9-槽微反应器，其中该微反应器通过外部冷却保持在0℃。所有反应物通过第一微反应器后进入与该第一微反应器串联的第二9-槽微反应器，将第二微反应器通过外部加热至75℃。所有反应物通过该第二微反应器后，进入与第一和第二微反应器串联的第三9-槽微反应器，将第三微反应器通过外部加热至275℃。当所有反应物通过上述串联的三个微反应器后，将过量氟气和挥发性副产物通入装有碱石灰的洗涤器。用外部冷却的FEP管收集液体产物，当所有原料通过该微反应器后，向液体产物中加入氟化钠。从该氟化钠溶液中蒸出有机物质，得到无色液态的全氟-双丙基环己烷14(29g，38％)的异构体混合物；其光谱数据与文献值一致。
实施例82，2-二甲基-1，3-二噁烷-4，6-二酮15的直接氟化 通过与实施例1中所述类似的步骤，将氟气与氮气的混合气(10％v/v)和溶于乙腈(175ml)中的2，2-二甲基-1，3-二噁烷-4，6-二酮15(30.0g)的原料溶液，分别以给定的10ml每分钟每微槽和0.5ml每小时每微槽的流量通过9-槽微反应器。当所有反应物通过该微反应器后，如实施例1中所述进行逐步处理，得到含2，2-二甲基-1，3-二噁烷-5-氟-4，6-二酮16(15％)的油状粗产物(12.4g)。通过比较该产物与标准样品的光谱，对所得2，2-二甲基-1，3-二噁烷-5-氟-4，6-二酮16进行鉴定。
权利要求
1.一种用于实现至少第一流体与第二流体间反应的反应器，所述反应器包括其中具有多条流道的反应板，所述至少第一流体和第二流体可以在所述流道中反应；和与所述反应板平面平行放置的贮存板，所述贮存板中至少具有用于第一流体的第一贮存器和用于第二流体的第二贮存器，其中所述反应板上的多条流道与所述至少第一贮存器和第二贮存器之间以流体方式连接。
2.如权利要求1所述的反应器，其中所述流道具有一最大宽度d，其范围在10-10000微米，其中所述最大宽度与所述反应板平面平行且与所述至少第一流体和第二流体的流动方向垂直。
3.如权利要求1所述的反应器，其中所述流道的横截面尺寸为其横截面的内切圆的直径范围d在10-10000微米。
4.如前述权利要求中任一项所述的反应器，其中所述反应板和贮存板是可拆卸的，每块板可以独立更换。
5.如前述权利要求中任一项所述的反应器，其中所述反应板和贮存板基本上是同等延伸的，且彼此层叠并基本上相互对齐。
6.如前述权利要求中任一项所述的反应器，其中所述流道为穿过整个所述反应板厚度的狭缝或槽。
7.如权利要求1-5中任一项所述的反应器，其中所述反应板上的流道形成于所述反应板的表面内。
8.如权利要求7所述的反应器，其中所述流道为所述反应板表面内的凹槽或切口。
9.如前述权利要求中任一项所述的反应器，其中所述流道的横截面形状选自圆形、矩形或三角形。
10.如前述权利要求中任一项所述的反应器，其中每个贮存器的容积基本上大于由其供应的流道的容积。
11.如前述权利要求中任一项所述的反应器，其中所述第一反应物贮存器和第二反应物贮存器具有相同的容积。
12.如前述权利要求中任一项所述的反应器，其中贮存板还包括产物贮存器，其中所述流道的输出端与所述产物贮存器之间以流体形式连接。
13.如权利要求12所述的反应器，其中所述产物贮存器的容积小于所述第一流体贮存器和第二流体贮存器中任意一个的容积。
14.如前述权利要求中任一项所述的反应器，其中所述流道通过位于其与所述一个或两个贮存器之间的通道与该一个或两个贮存器直接连通。
15.如前述权利要求中任一项所述的反应器，其中所述反应器用一材料制成或涂覆，所述材料对所述反应过程具有惰性，或者经钝化处理后对所述反应过程具有惰性。
16.如前述权利要求中任一项所述的反应器，其中所述反应器包括材料选自不锈钢；镍；铜；锆；金；铂；铝；聚四氟乙烯(PTFE)或其它氟化聚合物(优选全氟化的)；氟化材料；硅；二氧化硅；玻璃或其它陶瓷材料；和用至少一种涂覆材料涂覆过的不锈钢，二氧化硅玻璃或其它陶瓷材料，其中所述涂覆材料选自镍，铜，锆，金，铝和氟化聚合物。
17.如前述权利要求中任一项所述的反应器，其中所述反应器包括至少一个对应于第三流体的第三贮存器，其与所述第一贮存器和第二贮存器的所述流道下游之间以流体方式连接。
18.如权利要求17所述的贮存器，其中所述第二贮存器与第一贮存器的所述流道下游之间以流体方式连接，同时所述第三贮存器与紧靠第二贮存器的所述流道之间以流体方式连接。
19.如权利要求17所述的贮存器，其中所述第二贮存器与第一贮存器的所述流道下游之间以流体方式连接，同时所述第三贮存器与远离第二贮存器的所述流道之间以流体方式连接。
20.如前述权利要求中任一项所述的反应器，其中所述反应器包括用于控制至少贮存器或至少一条流道温度的装置。
21.如权利要求20所述的反应器，其中所述控制装置包括在所述贮存板内形成的冷却或加热流体的通道。
22.如前述权利要求中任一项所述的反应器，其中所述反应器包括用于控制所述流道内的压力和/或沿所述流道的压力梯度的装置。
23.一种用于实现至少第一流体和第二流体间反应的方法，所述方法包括下列步骤提供在其中具有多条流道的反应板，其中至少第一流体和第二流体可以在所述流道内反应；提供与所述反应板平面平行的贮存板，其中至少具有用于第一流体的第一贮存器和用于第二流体的第二贮存器；引导第一流体进入所述第一贮存器，引导第二流体进入所述第二贮存器；使所述第一流体与第二流体在所述反应板中的所述多条流道内反应。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述流道的横截面尺寸为其横截面的内切圆的直径d值在10-10000微米。
25.如权利要求23或24中所述的方法，其中所述反应板是竖直放置的。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述流道是竖直的。
27.如权利要求23-26中任一项所述的方法，其中控制所述反应器内的流体流，使得所述的液态反应物和所述的流体反应物以“管流”的形式沿所述流道流动。
28.如权利要求23-27中任一项所述的方法，其中同时使用多个反应器。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述的多个反应器的流道是串联的。
30.如权利要求28或29中任一项所述的方法，其中所述的多个反应器的流道并联连接。
31.如权利要求30所述的方法，其中由单一的供应源向所述多个并联反应器的至少一组类似的贮存器供应所述流体。
32.制造如权利要求1-22中任一项所述的反应器的方法，其中所述贮存板和/或所述反应板是使用放电加工技术制造的。
33.一种如本说明书和其一幅或多幅附图描述的反应器，所述附图包括附图1、2、2A、2B、3、4、5A、5B、5C、5D、5E、5F、5G、6A、6B、7、8A和8B。
34.一种如权利要求1所述的反应器，所述反应器基本上如本文所述。
35.一种如权利要求23所述的方法，所述方法基本上如本文所述。
36.用于实现至少第一流体与第二流体间反应的方法，所述方法基本上如本文中参考一幅或多幅附图所作的说明中所述。
全文摘要
一种用于实现至少两种流体间反应的反应器，包括带有多条供所述流体混合和反应的凹槽或穿透狭缝(22)的反应板(20)和与之层叠的可分离的贮存板(2)，其中贮存器(4、6)通过狭缝(10)a、(10)b向狭缝(22)供应所述流体，以及用于反应产物的收集导管或贮存器(8)和狭缝(10)c。贮存板(2)可位于两块反应板之间，或者单块反应板(20)位于两块贮存板之间。在第二个贮存器(6)之后是否需要放置第三个或更多个贮存器取决于是否需要同时使用多于两种流体，或者取决于前述两种流体在完成第一次反应后是否需要进行第二次反应。本发明还提供了控制狭缝(22)内的压力、沿狭缝(22)的压力变化(和流量)、和/或贮存器(4、6)或狭缝(22)内的温度的装置。可以将多个反应器并联/串联起来，用于放大反应或者进行多个反应或分步反应(如全氟化反应)。
文档编号B81B1/00GK1652865SQ03810517
公开日2005年8月10日 申请日期2003年5月9日 优先权日2002年5月11日
发明者理查德·迪金森·钱伯斯, 达雷·霍林, 格雷厄姆·桑福德 申请人:杜伦大学