[0001] 本发明涉及一种制造反应器尤其是如专利公开号为EP 1839739A1的欧洲专利申请中所披露的微反应器以及反应器组的方法。

[0002] 作为反应器的实施例，在专利公开号为EP 1839739A1的欧洲专利申请中披露了微反应器。反应器是被提供用于一个以上反应物或析出物(通常包括多个反应物的混合物)的反应以及用于通过在混合之前、期间和/或之后加热或冷却或热缓冲所述反应物以在一定程度上控制所述反应物的反应的反应设备。用于在小区域内进行化学反应的其他微反应器可由例如公开号为EP-A-0688242、EP-A-1031375、WO-A-2004/045761和US-A-2004/0109798的专利申请获知。

[0003] 在反应器中进行的化学反应可分为各种类型的反应。根据根据本发明的方法制造的反应器优选设计为进行称为B型的反应。B型反应，例如维蒂希反应或芳香胺和双乙烯酮的乙酰乙酰化反应，为具有1s至10min范围的通常反应时间的快速及温度敏感反应。对于B型反应，重要的是所述反应温度或温度状况。因此，混合及滞留区的容积必须适应于流速，使得处理反应物在微反应器内于明确定义的条件(即温度状况)下保持明确定义的时间。

[0004] 研发合适的反应器(如微反应器)中，首先，必须确定在其中发生的化学反应、预期体积流率(即其输出量(每单位时间))、以及-可能作为这些因素的结果-反应器确切类型和原理设计等等。在没有反应器能够满足所有要求的情况下，可以(必须)定制。在已在使用的反应器能够满足除了预期目标体积流率以外的所有要求的情况下，至少有三个选项来得到预期目标体积流率(应该注意而不失一般性的是，在本文中，在适当的时候，其指的是通过目标反应器提高体积流率，又称为“按比例放大”，但是发明的方法理所当然地也适用于降低体积流率，称为“按比例缩小”)。

[0005] (1)可以扩大反应物的混合。然而，该过程对例如混合操作、放热、沉淀现象、乳化等是不利的。(2)可以增加反应器的数量，又称为数量放大或平行化。然而，由于化学计量法无法在所有连接的反应器中完全相等，平行化不利地需要强化控制独立微反应器中的每一个的反应参数，所述独立微反应器形成了实际上分开的“反应通道”。此外，涉及的反应器越多，清洁工作就越大量并且清洁所述独立反应器中的每一个的时间安排越复杂。(3)所使用的反应器的尺寸可以被放大。然而，这不能仅仅通过如“延伸”反应器(即其流道系统)来完成，这是因为混沌状态、尤其是在所谓混合区，这种放大将导致流体动力学的变化因而改变了反应条件。对于术语，即为了提高其可能的体积流率以及从而提高其产率(工程方案，而不是调节化学和物理反应参数)的反应器的“尺寸放大”，本文优选使用上述术语“按比例放大”。

[0047] 在下文中，将参照作为标准反应器的实例的本发明人在EP 1839739A1中所披露的微反应器描述根据本发明的方法。当然，根据本发明的方法可应用于流体动力学可由与上述微反应器相同的参数确定的任何其他反应器。

[0048] 一般，标准反应器可为生产预期产物的任何已有反应器，所述反应器包括至少一个湍流态以及至少一个层流态，但具有预期产物的不同(或大于或小于)体积流率。另外，标准反应器可为目标导向型的研发处理的结果以生产预期产物，其研发处理可构成按照本发明的方法的初始步骤。该目标导向型的研发处理可开始于生产预期产物的初始目标，以及因此可包括通过各种阶段从初始反应器原型到能够生产具有预期质量和化学特征性特征的产物的最终反应器原型来设计和构建合适的(标准)反应器的通常工程工艺。换而言之，该目标导向型的处理的主要方面在于达到能够生产预期化学产物而不是特定目标体积流率的产物的反应器原型并可作为标准反应器使用。

[0049] 根据本发明，使用作为能够生产任何量的预期产物的实施例的包括至少一个湍流态以及至少一个层流态的标准反应器，来制造获得预期目标体积流率的预期产物的目标反应器。换而言之，根据本发明的方法，是从能够生产具有相同质量和相同化学特征性特征但具有与预期目标体积流率不匹配的体积流率的预期产物的适当标准反应器开始。

[0050] 本发明申请人所研发的针对B型化学反应的标准反应器的实施例为专利公开号为EP 1839739A1的欧洲专利申请中所披露的微反应器。对应于专利公开号为EP1839739A1的欧洲专利申请中的图1、2、17的本文中的图1至3，显示了该公知微反应器的整体模块化结构。对应于专利公开号为EP 1839739A1的欧洲专利申请中的图3至6的本文中的图4至7，显示出作为该公知微反应器的各种处理模块的实施例的温度调节模块1和混合模块2。

[0051] 图1、2、3中所示微反应器按顺序包括第一框架装置10，第一热交换模块7，作为处理模块的热调节模块1，第二热交换模块8，作为进一步处理模块的混合模块2，另一第一热交换模块7，作为进一步处理模块的保留模块3，另一第二热交换模块8，分别夹在两个热交换模块7、8之间的进一步保留模块4、5、6，以及第二框架装置9。因此，提供了介于所述第一和第二框架装置10和9之间的交替的第一或第二热交换模块7和8以及处理模块1-6。如图1、2中所示，两根拉杆13相向地推动第一和第二框架装置10和9，从而压紧堆叠的热交换模块7和8以及处理模块1-6。在微反应器系统组件的周围放置拉杆13，在接触热交换模块7和8的框架装置10和9表面中心内提供腔(参见图3)，在微反应器系统组件周围可获得高压。

[0052] 提供图5和图6所示温度调节模块1作为第一处理模块。所述温度调节模块1包括与第一反应流体入口1C和第一反应流体出口1F连通的第一反应流体通道1A，以及与第二反应流体入口1D和第二反应流体出口1E连通的第二反应流体通道1B。第一反应流体通过第一反应流体入口1C被供应到第一反应流体通道1A。第二反应流体通过第二反应流体入口1D被供应到第二反应流体通道1B。进一步，所述温度调节模块1包括通过焊接等方法相互接合的第一板1M和第二板1N(参见图6)。在所述第一板1M和/或第二板1N的接触表面内，通过蚀刻、铣削等等刻有正弦曲线形的反应流体通道1A和1B。当所述第一反应流体通过所述第一反应流体通道1A朝向所述第一反应流体出口1F流动时，通过夹着所述温度调节模块1的两个热交换模块7和8调节所述第一反应流体的温度。另外，热交换流体流经热交换模块7和8时，通过接触所述温度调节模块的板1M和1N的热交换模块的板7N和8M的热传导，供应热到所述第一反应流体或去除所述第一反应流体的热。

[0053] 提供图6和7中所示的混合模块2作为第二处理模块。尽管未具体示出，但是所述混合模块2包括类似于上述温度调节模块1的第一板和第二板。在所述混合模块中，提供包括混合段2G和第一保留段2I的反应流体通道2A。与所述反应流体通道2A连通的第一反应流体入口2C，通过外部连接(未图示)，连接到温度调节模块1的第一反应流体出口1F。类似地，与反应流体通道2A连通的第二反应流体入口2D，连接到温度调节模块1的第二反应流体出口1E。因此第一和第二反应流体分别在流经所述温度调节模块1之后流入混合模块2内的通道2A的混合段2G，其中所述两种反应流体相互混合。如图7中的放大图示出的混合段2G的几何结构，可适当地被选择用于以最佳方式混合反应流体。被混合之后，所生成的处理流体流入反应流体通道2A的第一保留段2I，第一保留段2I基本上形成为平坦通道，从而提供处理流体基本上的层流。在混合段2G和第一保留段2I内的混合和滞留期间，可通过夹着所述混合模块2的两个热交换模块8和7对化学反应进行温度控制。

[0054] 离开反应流体通道2A并通过反应流体出口2E的处理流体，进入各种保留模块3-6，如同之前针对温度调节模块1和混合模块2所述的，在保留模块3-6中通过与每一个保留模块相邻的两个热交换模块7和8对处理流体进行温度控制。在该方式中，反应流体在通过最终处理模块的出口6D离开微反应器系统组件之前可流经所有后续保留模块4-6。

[0055] 在每一个保留模块3-6内的滞留时间由保留体积(即段(宽度×高度)×容纳处理流体的通道3A-6A长度)除以体积流率来定义。因此，通过提供单一通道的不同宽度、长度和/或高度，可获得不同的滞留时间。通过结合不同的保留模块和不同的通道几何结构，从而几乎可以任意选择滞留时间。

[0056] 处理模块1-6中的反应流体通道为通过蚀刻、铣削等等所得到的微结构。由于热交换模块7和8被分别制造，它们可被制造为不具有所述微结构，因此降低了成本。此外，由于所述热交换模块7和8不接触反应物，它们不需要抗腐蚀和抗处理高压，因此这使得采用的材料可以针对热传递进行优化。

[0057] 由于其模块化结构，上述微反应器提供了高适应性，并允许结合不同的混合通道几何结构和不同保留模块，从而提供任意选择的滞留时间，尤其是对于B型反应。通过两个相邻热交换模块7和8对每一个所述处理模块1-6进行温度控制。由于热传递仅通过经过热交换模块7和8的板1M-8M和1N-8N的热传导来实现，所以处理模块1-6非密封或等等是必须的。此外，有利地，处理模块1-6可针对其内所容纳的反应物来优化，例如，抗腐蚀和/或抗压，同时热交换模块7和8不接触反应物，热交换模块7和8可针对热传递和/或密封特征来优化。

[0058] 对于DIN A5尺寸的微反应器(即具有对应接近DIN A5的板表面积的微反应器)，其具有例如100ml/min的给定流率、大约1844mm的处理模块通道长度、10mm的通道高度以及0.5-2mm的通道宽度，在实施例测试中实现了每个模块滞留时间为6-22sec。因此，可实现高达30min的整体滞留时间。附带地，通过铣削现有的流道系统和改变混合区的尺寸，可用原始DIN A5尺寸的微反应器，即具有未修改的边缘长度，模拟DIN A4尺寸的微反应器。

[0059] 至于与上述微反应器的结构和运行方式相关的其他技术细节，参照专利公开号为EP 1839739A1的欧洲专利申请。

[0060] 一般，如上所述，用于作为制造获得预期产物的目标体积流率的目标反应器的起始点的标准反应器具有流道系统，其中持续流入标准反应器的多个反应物混合并相互转化以形成持续流出标准反应器的预期产物的体积流率f1。(最大)体积流率f1取决于流道系统(最小水力直径、流道系统长度、压强、温度状况)和反应物(粘度、反应率)的流-相关的一些特征性特征。参照如专利公开号为EP 1839739A1的欧洲专利申请所披露的微反应器，该流道系统可包括例如图4和图5中所示温度调节模块1的流体通道1A和1B，以及图6和图7中所示混合模块2的流体通道2G、2A和2I。

[0061] 从能够生产具有预期质量和预期特征性特征的产物、但获得不同于目标体积流率f2的体积流率f1的标准反应器开始，目标反应器将制造为能够产生相同产物的目标体积流率f2。标准反应器的体积流率f1可由测量或计算的方式来确定。在标准反应器为例如如专利公开号为EP 1839739A1的欧洲专利申请所披露的模块化反应器、其由分别包含子流道系统的一些处理模块组合而形成的情况下，对于作为子流道系统的总和的整个流道系统，其中整个流道系统中仅有一个最小水力直径，必须采用根据本发明的方法。

[0062] 根据本发明的方法提供了由例如测量或计算的方式来确定标准反应器流道系统的最小水力直径dh1(最小标准水力直径)，以及提供了基于标准反应器的最小水力直径dh1、标准反应器的标准体积流率f1和目标反应器的目标体积流率f2之间明确定义的关系来计算目标反应器的相应最小水力直径dh2(最小目标水力直径)。

[0063] 如上所述，根据本范明，优选以下方程满足：

[0064] 有了计算得到的dh2之后，本领域技术人员根据各自的需要，容易定义以及改变目标反应器流道系统的剩余设计参数(如长度、形状等)。有了被定义以及改变的目标反应器流道系统的剩余设计参数之后，目标反应器的外形尺寸可相对于标准反应器而发生变化。

[0065] 图8A和8B反映了基于根据本发明的方法的目的。具体来说，图8A和8B显示了标准反应器和目标反应器的板状处理模块的实施例，其中两个混合模块尺寸不同(外形尺寸)并且相应流道系统和其各自按比例放大或按比例缩小的流道系统的形状(例如路线和长度)相互间也基本上不同。同时，图8A所示混合模块可被视为代表标准反应器，图8B所示混合模块可被视为代表目标反应器。尽管相应流道系统形状不同以及板状处理模块外形尺寸不同，基于这些处理模块的大体结构原理是相同的。如图4至6中所述，图8A和8B中所示每一个模块由在其中合并的具有流道系统-或在以上术语中：“子流道系统”-的两个板构件组成。图8A和8B揭示了所示曲流结构在突出物的平面中延伸，所述突出物的平面-在模块化反应器的情况下，例如-可为相应模块所延伸的平面。图8A和8B中所示混合模块可代替上述混合模块1，被并入到如专利公开号为EP 1839739A1的欧洲专利申请中所述的微反应器的结构中。

[0066] 图8A和8B分别显示了处于正确的三维关系的尺寸2和尺寸3的微反应器(但是不按照DIN 6：DIN 5的当量面积的比例显示)。在每一种情况中清楚地显示出湍流混合区10和层流保留区20。可见，包括湍流混合区10和层流保留区20的流道系统的原理设计是一致的，尽管曲流结构的弯曲30的数量以及幅度40的尺寸不同。对于结构细节本身，参照专利公开号为EP 1839739A1的欧洲专利申请。

[0067] 图9显示了不同子流道系统的混合区部分，其中每一种情况中的圆圈为浑浊(turboid)混合元件的横截面。第一列的实施例仅包括浑浊混合元件，第二列包括浑浊混合元件和SL-混合元件的组合，最后列包括浑浊混合元件和SZ-混合元件的组合。术语“SL”和“SZ”为表象性质，它们的结构分别看起来类似于相应的大写字母的组合。图10中显示了其他混合器形式，其中图a)至f)分别被称为T-接头、Y-接头、切向混合器、弯、SZ混合器以及LZ混合器。具体来说，图9从第一行到第四行分别显示了具有根据以下表1中的参数“混合宽度”、“混合高度”、“滞留高度”以及“滞留深度”的尺寸1、尺寸2、尺寸3、尺寸4的各种微反应器处理模块的流道部分的示例性结构，其中尺寸3可被视为代表标准反应器，尺寸1和尺寸2可被视为代表按比例缩小的目标反应器，尺寸4可被视为代表按比例放大的目标反应器。因此，当尺寸2被视为代表标准反应器是，尺寸1被视为代表按比例缩小的目标反应器，尺寸3和尺寸4可被视为代表按比例放大的目标反应器等等。
表1

[0068] 如上所述，一旦计算出目标反应器流道系统的特征最小水力直径dh2，可使用作为与整体结构原理相关的实施例的标准反应器制造目标反应器。基于具体最小水力直径，目标反应器和标准反应器基本上仅在混合区的几何结构上有所不同；保留区的几何结构可适应性改变。如图8A和8B或图9所示，当以标准反应器为起始制造目标反应器时，尽管基本结构原理保持相同，但是水力直径和流道系统的长度都将变化。考虑到目标反应器的目标体积流率将大于或小于标准反应器的标准体积流率的事实，可定义以及改变目标反应器流道系统的其他结构参数(如长度、弯曲的数量、除了最小水力直径之外的所有其它直径等)，以便建立目标反应器合适的流特征。最终外形尺寸(即目标反应器的尺寸)为定义和适应性修改目标反应器流道系统的所有设计特征的结果。