專利名稱：防止連續反應通道系統堵塞的方法及執行該方法的微反應器的制作方法
技術領域：
本發明涉及防止由在連續反應通道系統中執行的連續反應的副產物引起的所述連續反應通道系統堵塞的方法，和支持用于執行該方法的連續反應通道系統的微反應器。
背景技術：
在微反應器連續反應技術中，各種化學物質連續通過微反應器，所述化學物質包括流入該反應器并在其中反應形成流出該微反應器的產物的多種反應物(離析物)。這樣的微反應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(其中會發生氫-金屬或鹵素-金屬交換)等化學反應的一些中， 在通道系統中存在的水可能與一種或多種化學物質反應，形成了堵塞通道的沉淀物。發生該堵塞的局部概率在整個微反應器中并不相同，但該概率在下文所說的易堵塞區最高，易堵塞區為匯合區和混合區，其中各種反應物交匯在一起，被混合并彼此反應。應當指出，由于相對于使用干投料而言，即使中等的堵塞也導致壓力的上升，并可能導致產率下降，因此僅使用干投料/溶劑，而后者成本很高，因為它涉及大量的干燥步驟。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，干燥有時候也會發生問題。 例如，已知上述反應(1)會極為劇烈地進行，而其它物質如有機硝酸鹽或疊氮化合物甚至是易爆的。有機硝酸鹽或疊氮化合物僅作為一般的范例，說明一些物質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。
發明內容
因此，本發明的目的之一是提供防止連續反應通道系統堵塞的方法，該方法與現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，并經濟可行。本發明進一步目的是提供執行該方法的微反應器。上述目的分別通過權利要求1和權利要求8的特征實現。從屬權利要求對有利的
方面進行了進一步限定。根據本發明(權利要求1)，防止由在連續反應通道系統中進行的連續反應的副產物引起的所述通道系統堵塞的方法，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將至少一種超聲波耦合進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的超聲波，其中如本發明所述“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或通道系統的部分引導，并沿著該通道系統或該通道系統的部分達到它的易堵塞區，如同電磁波在光導纖維中被引導一樣，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。優選地，該至少一種超聲波盡可能靠近易堵塞區形成，從而減少衰減效應。最優選地，該至少一種超聲波在外部生成， 但非常靠近該微反應器。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，從而被傳輸到易堵塞區。通常，根據其應用領域在設計和功率上進行改造的壓電換能器可以實現該目的。作為大量實施例中的一個，在文獻US20091694^中揭示了一種具有壓電換能器的流式細胞的醫學應用，其中超聲能被應用于連續的懸浮液流。在文獻EP1570918A2中揭示了將超聲能傳輸進入增壓流體。在文獻US5830127中揭示了一種清潔伸長的管狀儀器(如內窺鏡)的內部通道的方法，包括在內部通道內的液體介質中形成超聲波。在文獻DE102005025248A1 中揭示了一種流體導向系統，其中為了防止該系統的微反應通道中的沉積，超聲信號與流動的液體耦合。然而，應當指出，根據本發明，堵塞是在微反應器正常運行過程中被防止的， 這可由權利要求1中描述的“在所述通道系統中進行”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入微反應器。實驗數據顯示，一些反應中，當應用該至少一種超聲波時，可耐受水含量的限度可被擴展到約500ppm。在此基礎上，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，其中在該工藝流體流動方向中堵塞位置最接近該微反應器末端時，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器的外殼傳輸到易堵塞區，例如，盡管-理所當然地-該外殼及其振動相關的物理特性不能在這方面被完全忽略。例如，微反應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傳輸到易堵塞區。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選在16kHz到50kHz或更高的范圍內，但應當與微反應器的設計和尺寸、工藝流體的流速和粘度以及發生的化學反應等相適合。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)，從而減少由節點表征的駐波形成的風險，在該節點，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節，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入微反應器，本發明采用了定制生產的 Branson 400W超聲系統，其具有5mm長的超聲焊極(sonotrode)，調整頻率到約40kHz。當然，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到正在使用中的流體，此處為流入微反應器的包含反應物的工藝流體，或是流出微反應器的包含一種或多種在微反應器中生成的產物以及可能由于環境還包含一種或多種反應物的工藝流體。根據本發明的優選實施例(權利要求2、，該多種工藝流體包括至少一種投料流、 至少一種產物流和/或至少一種溶劑流。也就是說，根據本發明的方法中，該至少一種超聲波可以被耦合進入任何類型的工藝流體，并且進入相當或相同類型的僅一種或多種工藝流體。應當指出，在權利要求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入產物流，因為該產物流可能由于化學或其他原因而在該通道系統中具有特定的路徑。根據本發明的優選實施例(權利要求3)，參與連續反應的化學物質包括多種連續流入該通道系統的反應物，以及通過混合和相互轉換該多種反應物在該連續反應中形成并連續流出該通道系統的產物，其中該多種反應物中的至少一種包括與至少一種投料中的水雜質反應形成副產物的包含有堿金屬和有機部分的化合物。根據本發明的優選方面(權利要求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部分的化合物與水雜質的副反應中形成。這些化合物的實施例為甲基鋰、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、環己基鋰、辛基鋰和苯基鋰，更優選地是，丁基鋰 (正、仲或叔)或己基鋰。例如，當金屬化反應中的金屬是鋰時，該反應被稱為鋰化反應，例如n-BuLi ( 丁基鋰)與水的反應，其中根據如下方程式形成固體LiOH:C4H9Li+H20 — C4H1(l+LiOH (1)如上所述，LiOH易于在微反應器入口附近形成。一般而言，痕量水雜質足以引起堵塞。盡管通道系統內可耐受水含量的確切限度無法一般性的規定，因為它取決于多種參數， 如反應物類型、溶劑類型、它們的流速和化學環境(壓強、溫度)，但可將IOppm的值作為實際基準。此處，“可耐受”表示在這樣的條件下，反應器不會發生“嚴重”堵塞。根據本發明的一個實施例(權利要求5)，該至少一種超聲波被連續、不連續或“按需求”地耦合進入通道系統。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，因為堵塞在開始形成時就被連續停止，不需要控制，而在其他情況下，需要控制來標記即將形成的堵塞并適當的進行抵消。被連續耦合進入通道系統的該至少一種超聲波的能量可隨時間規律地或不規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預定的或固定的耦合模式被耦合進入通道系統，而在第三種情況下，該耦合模式不固定，但根據當前情況作出調整。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來確定，這樣的特征壓強可隨后用作控制變量(權利要求6)，并將所述特征壓強與目標壓強范圍作比較。該至少一種超聲波可隨后在，例如，僅當該特征壓強在預定目標壓強范圍之外時被耦合進入該通道系統。該預定的目標壓強已通過實驗確定為每個投料管中正常壓強以上的0和IObar之間的范圍，優選在正常壓強以上0和IObar之間的范圍，最優選0和3之間的范圍，其中正常壓強是在水敏感性反應中僅采用干投料(投料工藝流體)時系統的壓強。正常壓強取決于投料流速、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來確定。此種情況下的時間安排可以是，例如，與運輸投料的泵的脈動或與發生的化學反應相關。替代性地，該至少一種超聲波的連續生成可與壓強的測定相結合，以使該連續的至少一種超聲波應用的強度適應于該微反應器內的堵塞情況。綜上所述，被耦合進入通道系統的該至少一種超聲波的功率可以是任意的時間函數，既可以是預定的，也可以是隨情況變化的。根據本發明(權利要求8)，執行該方法的微反應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該至少一種工藝流體的一個且在至少一個匯合區域彼此連接；鄰近所述匯合區域的混合部分；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將該至少一種超聲波直接耦合進入該至少一種工藝流體。該微反應器可以是，例如EP1839739A1中揭示的微反應器，或者具有類似通道結構并優選用于類似目的的任意其他微反應器。
通過下文中對優選具體實施方式
的詳細說明并結合附圖，使得本發明的上述的目的以及進一步的目的、特征和有益效果顯而易見。圖1為用于實施如權利要求1到7所定義的方法的根據本發明優選實施例的耦合到超聲波發生器的微反應器的板的橫截面示意圖；和圖2為圖1裝置的立體示意圖。
具體實施例方式圖1示意性顯示了如EP1839739A1中詳細描述的，例如耦合到超聲波發生器30的微反應器的板10的橫截面的示意圖。微反應器板10包括了分為混合區14和滯留區16的迂回通道系統12。微反應器板10包括第一和第二投料口 18和20，分別用于連續引入包含了參與該微反應器中發生的連續反應的化學物質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(隨后稱為反應流體)中的反應產物。超聲發生器30包含與通過第一投料口 18流入微反應器的工藝流體接觸的超聲焊極32，并將由超聲焊極32的往復運動生成的超聲能傳輸到投料工藝流體或簡單的投料流。從圖1可以清楚的看到，超聲能在微反應器外部該投料流的入口側耦合。然而，根據通道系統16的確切結構，該超聲焊極 32與投料流的接觸位置也可以位于微反應器的內部。此外，盡管圖1中顯示的超聲波發生器30是Branson 發生器，可以采用其他任何超聲波發生器，只要它能將超聲能傳輸到進入微反應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引導通過通道系統12。圖2顯示了構建耦合到超聲波發生器的微反應器的板10的堆疊(stack)。圈“A” 表示入口區，其中化學物質通過第一和第二投料口 18、20連續流入通道系統12，以便在其中被混合和化學互換。附圖標記
10微反應器的板
12通道系統
14混合區
16滯留區
18第一投料口
20第二投料口
22出口
30超聲波發生器
32超聲焊極
權利要求
1.防止由連續反應通道系統中進行的連續反應的副產物引起的所述連續反應通道系統堵塞的方法，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將至少一種超聲波耦合進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的超聲波。
2.如權利要求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、至少一種產物流和/或至少一種溶劑流。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，參與所述連續反應的化學物質包括連續流入所述通道系統的多種反應物，以及通過混合和互變所述多種反應物在所述連續反應中形成并連續流出所述通道系統的產物，其中所述多種反應物中的至少一種包括與至少一個投料中的水雜質反應形成所述副產物的包含有堿金屬和有機部分的化合物。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述堿金屬選自鋰、鈉或鉀。
5.如權利要求1-4中任一項所述的方法，其特征在于，所述至少一種超聲波被連續、不連續或按需求地耦合進入所述通道系統。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，當所述至少一種超聲波被按需求地耦合進入所述通道系統時，所述至少一種工藝流體的特征壓強被用作控制變量。
7.如權利要求1-6中任一項所述的方法，其特征在于，所述通道系統為連續反應微反應器中的一部分。
8.執行如權利要求1-7所述方法的微反應器，所述微反應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連接；鄰近所述匯合區的混合部分；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，用于在流動方向將所述至少一種超聲波直接耦合進入所述至少一種工藝流體。
9.如權利要求8所述的微反應器，其特征在于，進一步包括一個壓強感應器，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，其中所述特征壓強被用作控制變量。
全文摘要
防止由在連續反應通道系統中進行的連續反應的副產物引起所述連續反應通道系統堵塞的方法，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將至少一種超聲波耦合進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 優先權日2009年8月28日
發明者多米尼克·羅貝熱, 威廉·奎特曼, 法比奧·拉伊諾內, 邁克爾·高特斯邦那, 馬庫斯·埃雅爾澤 申請人:隆薩股份公司