[发明专利]振荡流微反应器

说明书

本发明涉及振荡流微反应器，其尤其适用于悬浮液的处理。

当处理固体材料在液体中的悬浮液时出现问题，这是因为固体材料具有沉淀的倾向。如果发生这种情况，该固体将不再有效地参与反应器中正在进行的过程。

为了避免沉淀，应提供足够的混合能量来保持固体材料在悬浮液中。在间歇反应器中，可以通过搅拌来减少沉淀。然而，在连续的管式反应器中，这通常通过在反应器内部产生足够的紊流来实现，例如通过保持流速在所谓的临界速度以上[Yoram Zimmels，Dept of Civil Eng.Technion，Haifa，Israel，Sedimentation，Ullmann Encyclopedia of Ind.Chem.，Wiley-VCH，DOI10.1002/14356007.b02_12.]。

可以通过对流经反应器的液体施加振荡运动来改善传统的管式反应器的性能。在US 4271007中，在连续流反应器的内壁上固体沉淀物的形成是一个问题。在(液体)重油反应流的局部过热的点上副反应形成固体。这可导致反应器的阻塞。将振荡流施加到整个管式反应器上。这提供试剂流的良好混合，并减少了反应壁上不期望的焦炭的形成。因此，该系统用来避免在反应器中由液体试剂形成固体材料。

超声是可以被用来避免由反应器壁上固体的形成引起的结垢的另一种方法。以与用来清洁实验室仪器的超声处理类似的方法，可以施加超声频率给反应器。也可以使用低于超声的频率。US2005/016851A1和WO02/068112A1描述了这种(超)声技术。然而，这种方法的缺点是，反应器本身被置于运动中。这会损坏试剂软管和产物软管与反应器的连接，造成液体损失的风险。频率越高，磨损的速率越大，相关的风险越高。此外，具体地在大型反应器的情况下，这意味着需要大量能量来移动反应器本身。

US6429268描述了在净低线性液体速度下管内部固定的环状挡板与叠 加在低稳定流上的振荡流的组合如何在整个长度的管式反应器上生成均匀分布的强烈混合。这种稳定流与叠加的振荡流的组合使流体的运输与流体的混合去耦合。这样可以具有与紊流区相对应的混合强度，且没有高线性液体速度的缺点。这种所谓的连续振荡流挡板反应器(COBR)可以处理在短的管长度时需要相对大的停留时间的过程，而在同样混合性能下在传统的管式反应器中，具有高线速的紊流的使用将需要不切实际的长的管长度。US 2008/0316858A1给出了在传统管式反应器中使用不同形状挡板与振荡流组合的另一个例子。该振荡流混合反应器包含设置在管式反应器内的螺旋挡板。该装置适合在低剪切条件下混合两相反应流。给出了结晶过程的一个理论性例子。

在过去的几十年中，已经通过减小直径至毫米以及甚至亚毫米范围来改善了传统连续管式反应器的性能。这导致了传输距离(transfer distance)的减小，同时导致体积传输区域(volumetric transfer area)的增大，这极大地改善了传热能力和传质能力。

微反应器通常是具有在微米至毫米级内的一个或多个特征尺寸的反应器。因此，该术语涵盖微型反应器(微米级反应器)。可以找到微型反应器的描述，例如在V.Hessel和H.″Mikroverfahrenstechnik：Komponenten，Anlagen-konzeption，Anwenderakzeptanz"，Chem.Ing.Techn.74，2002，第17-30、185-207和381-400页；S.Lobbecke等，″The Potential of Microreactors for the Synthesis of Energetic Materials"，31st Int.Annu.Conf.ICT；Energetic Materials-Analysis，Diagnostics and Testing，33，27-30 June 2000，Karlsruhe，Germany中。已经发展了微型反应器、微型混合器、微型热交换器，例如在德国(即：IMM，Mainz，and Forschungszentrum Karlsruhe)和在美国(即：MIT和DuPont)。

微反应器在化学处理强化领域中是公知的，其适用于高放热反应。微反应器的较高的表面积与体积的比例允许高效传质和传热以及精确的温度控制。栓塞流模式和直径与长度的比例允许精确的停留时间的控制。