[发明专利]高性能微型反应器

说明书

本申请要求2005年1月7日提交的欧洲专利申请系列号第EP 05290046.1号的优先权。

发明背景

发明领域

本发明一般涉及微量反应装置，所述装置是具有用来进行混合和化学反应的毫米至亚毫米尺寸的内部通道或室的装置，更具体来说，本发明涉及特别最优化用来以较高物料通过速率(throughput rate)达到放热反应的良好控制的连续操作的装置。

技术背景

微量反应技术从广义上理解，包括具有有目的地结构化的特征(例如流动通道等)的化学反应和生物反应装置，其中一个或多个维度尺寸为毫米级，或者优选为亚毫米级或微米级。

目前关于这种技术的一个焦点集中于提供一种用来同时进行许多的反应，进行高通过量的化学或生物筛选的方法。通常采用极小的尺寸和体积，以能够较廉价快速地平行进行数百个、甚至数千个测试。

微量反应技术的另一个焦点在于使用小通道中能够达到的高表面/体积比(其比值大于常规的间歇式反应器)，以提供化学实验室工作、处理和生产方面的优点。具有极高表面/体积比的装置能够在极小的体积内提供极高的传热传质速率。人们众所周知的可能的优点包括(1)由于较高的产率和纯度获得较高的生产率和效率，(2)通过显著减小工艺体积提高安全性，(3)可以进行之前的技术所无法进行的新工艺、新反应、或者新的反应体系，这又可以提供更高的产率或安全性。在从实验室放大到大规模生产，可能会获得“增量(numbering up)”而不是“按比例放大”。“增量”是指通过设置更多数量的平行微量反应结构，无论是在单独的微量反应装置中“内部”设置，还是通过平行排列多个装置而“外部”设置来增大其容量，从而能够将经过实验室检验的反应直接应用于生产，在将反应和工艺按比例放大到工业生产尺寸的反应设备时不会花费过多的时间和其它资源。

人们已经报道或提出了许多种类的微量混合装置。其中一种可被称为“相间交错”或“层流”混合器，这种混合器依赖于在大规模的平行阵列中使待混合的反应物流良好分开和交错，通常在此之后进行物流的辐射状或线型的“会聚”(即窄化)，使得物流能够在扩散的驱动下极快地混合。最近的例子是Hessel等人在“不同相间交错微型混合器中的层流混合(Laminar Mixing in DifferentInterdigital Micromixers)”AIChE J.49，3(2003)566-577，578-84A中所讨论的，由Mikroglas Chemtech GmbH和Institut für Mikrotechnik Mainz(IMM)联合开发的“SuperFocus”混合器，在此混合器中，待混合的物流在基本呈平面型的结构中相间交错。IMM还开发出了极高物料通过量的被称为“星形层叠器”的层叠板型微量混合器，其中流体被强制流动在层叠的图形化的钢板之间，通常是流入中心通道穿过板层叠体，这种结构具有使得层叠流在三维构型中“相间交错”的作用。由Institut für Mikroverfahrenstechnik在Forschungszentrum Karlsruhe(FZK)报道了类似的在具有三维构型的大规模平行相间交错混合器中的高通过量。

第二类微量混合装置使用一个或多个简单的混合“T形管”，其中两条直型的通道合并为一，例如Mikroglas Chemtech GmbH(与Fraunhofer ICT联合)提供的另一种“微型反应器”中的多混合器结构，例如参见Marioth等人的“玻璃制微型反应器阵列中微流体转递和传热的研究(Investigation of Microfluidics andHeat Transferability Inside a Microreactor Array Made of Glass)”，IMRET 5：Proceedings of the Fifth International Conference on Microreaction Technology(Matlosz Ehrfeld Baselt Eds.，Springer 2001)。

第三类微量混合器使用小的碰撞喷射器，例如参见Yang等人的“基于空间碰撞微型喷射器阵列的快速微型混合器/反应器(A rapid Micro-Mixer/ReactorBased on Arrays of Spatially Impinging Microjets)”J.Micromech.Microeng.14(2004)1345-1351。