[发明专利]形成微流控反应器的密封通道的方法和包含这种通道的微流控反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种在由具有一定程度的塑性的材料制成的薄片表面形成密封通道方法，所述薄片形成用于微流控反应器的反应器模块。本发明还涉及一种微流控反应器，其包含带有出口和进口并用于提供化学反应空间的密封通道，所述出口和进口均与反应器的外部环境连通，其中，反应器还包括被联接机构保持并夹紧在一起的第一和第二限制件、封闭件和与反应器外部环境连通的冷却腔，所述冷却腔内有一温控单元。

背景技术

在化学工业中，较大尺寸的反应器用于进行不同种类的工业规模的化学反应。然而，为了同样的目的，比那些反应器尺寸小很多的烧瓶被用于实验室规模的实验。在很多情况下，以少量和在短时间内生产希望的反应产物是优选的——例如在研究工作的反应优化阶段。所谓的微流控反应器可以被看作为了该目的的实验室反应器。

在现有技术中，术语“微流控反应器”通常指设有进口和出口并用于容纳具有短时间的暂时停止的连续或间歇流动的反应混合物的密封通道，其中，所述通道垂直于反应混合物的流动方向的尺寸不超过0.5mm。在微流控反应器中，通道的长度和横断面积以及反应混合物的流率按如下方式选择：通道内反应混合物所花费的时间(从现在起称为停留时间)对于所希望的反应完成是充足的。反应的过程或甚至其延迟通常受到外在加热或冷却的影响。因此，微流控反应器通常装备有外部加热/冷却设施。此外，在大多数应用中，微流控反应器通过适当的构造改变适配成能够混合反应混合物的组分(反应物)——例如通过为其装备合适的一体式的混合单元。为了调节通过进口的流率，微流控反应器内反应混合物的流动类型可被选择为层流或紊流。此外，通过在进口和出口安装适当的连接器辅助完成将反应物供入通道和将反应产物从通道中排出。如果反应需要大量的反应物，即，当要产生大量的反应产物时，多个反应器单元流体并行连接，从而在保持微流控反应器的其它好处的同时提高了生产能力。U.S.专利申请No.2003/0003024A1公开了这样的微流控反应器。

反应物在微流控反应器中的混合由于可利用的流动路径的形状和小的横断面积而十分有效，因此，反应混合物中的反应物的局部浓度波动最小或者在实践中可以忽略。通过将气相反应物与液相反应物在微流控反应器中混合，同时可选择地(即在扩散控制反应中)加入小的气泡和液滴，可实现相边界表面与通道体积的高的比率，这对于反应进程具有积极作用。另外，由于相边界表面与通道体积的高的比率，反应混合物的有效温度可被迅速和有效地控制，因此，如果需要，正在进行的反应可简单地通过施加快速冷却而被“冻结”。但是，如果希望在微流控反应器中实现放热反应，则不希望的额外反应的开始可简单地由于快速和有效地排出产生的热量而被阻止。使用微流控反应器的另一优点在于，反应混合物的温度和停留时间可在反应期间的任何时间被立即改变，因此，在任意时刻，可设定用于反应过程的最优反应条件。相应地，以这种方式进行的反应可导致比在没有最优条件时进行的反应中产生更大量和更纯净的反应产物。最后，由于相对较小的通道横断面积和快速、可靠的改变温度的能力，也可以以高的安全水平进行其它的爆炸性化学反应。

现在通常使用的微流控反应器由具有高机械强度和抗腐蚀的金属或玻璃(硅石(silica))制成。用于容纳反应混合物的通道在由所述金属或玻璃制成的所谓的反应器模块的表面中形成。所述形成例如在玻璃的情况下通过光刻工艺或化学离子刻蚀进行，而例如在金属反应器模块的情况下通过机加工和/或模锻方法进行，如例如在U.S.专利申请No.2003/0003024 A1和EP-1,473,077 A2中详细描述的那样。随后，在反应器模块中形成的通道被通常由与反应器模块相同的材料制成的封闭件覆盖，然后反应器模块和封闭件被以密封的方式固定在一起。在玻璃/硅石元件的情况下，通过熔融元件进行密封操作，而在金属元件的情况下，通过将元件焊接在一起或通过在元件外围插入一个或多个由具有化学抗性的材料制成的衬垫并例如通过螺纹连接将所述元件联接在一起来实现密封操作。这些装配过程昂贵、耗时，且一方面需要使用辅助设备(例如熔炉、焊接设备)，而另一方面需要非常先进的制造技术。此外，如果通道需要被清洁，大多数这些反应器不能在不被破坏的情况下被拆开，或拆开十分复杂。

另外，通过上述方法没有经过额外表面处理形成的通道壁在微观上不平整(也就是“有细的纹理/粒状结构”)，这将形成相对较大的表面。因此，通道壁会遭受剧烈作用的反应物、如臭氧的侵袭，或者在特殊情况下，壁的结构可以引起任意反应中间产物或者甚至反应物(臭氧)本身无法控制地被分解。

发明内容