流體模塊懸掛系統和得到的反應器的製造方法
2023-06-09 12:30:06
流體模塊懸掛系統和得到的反應器的製造方法
【專利摘要】一種模塊化反應器（10）包括被設置在方向D上延伸的間隔的水平延伸行中的多個平面流體模塊（12），模塊（12）的主要表面（14、16）大體平行於彼此定向。多個剛性或半剛性的流體連接器（30）各自被放置在模塊的面向的主表面（14、16）之間，並且該流體連接器（30）將面向的表面的第一表面（24）上的至少一個流體埠（18a）流體且機械地接合到面向的表面（14、16）的第二表面（26）上的至少一個其他流體埠（18b）。該反應器（10）進一步包括水平延伸的支撐結構（60）和一個或多個懸杆（32），該支撐結構（60）在方向D上、在模塊（12）的行的上方延伸，並且懸杆（32）各自從支撐結構（60）支撐多個流體模塊（12）中的一個。該懸杆（32）包括具有第一軸線（36）的第一旋轉接頭（34），該第一軸線（36）被放置在各自模塊（12）上方和支撐結構（60）的下方，並且選擇性並期望地包括具有第二軸線（40）的第二旋轉接頭（38），這一個或兩個軸線（36、40）與方向D垂直。
【專利說明】流體模塊懸掛系統和得到的反應器
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請在35USC§119下要求2011年6月7日提交的美國臨時申請序列號 61/494409的優先權，其全部內容通過參考合併於此。
【技術領域】
[0003]本公開涉及由單獨的流體模塊組成的流體反應器的組件，諸如為了為該單獨的流體模塊提供牢固流體相互連接和牢固的機械支持所包括的連續流反應器，並且更具體地涉及供應牢固支持同時易於使用，而允許模塊之間的流體連接的熱膨脹。
【背景技術】
[0004]連續流反應器可以對化學製備有用，特別是基於微反應技術的製備。這種反應器通常採取在機械框架內安裝有多個流體模塊(或者可互換地，「微流模塊」)的組件的形式， 在模塊之間具有流體連接。儘管可能存在任一類型的額外線路的使用，但是每個流體模塊通常都包括2個流體線路，一個用於反應物並且一個用於熱控制流體。反應物流體通道的特徵最小橫截面尺寸通常是在亞毫米到I或2釐米範圍，提供在這麼小的尺寸可獲得的熱傳遞和質量傳遞的優點。
[0005]在許多應用中，需要耐刺激性化學製品良好，並且流體模塊由玻璃材料、或諸如陶瓷的其它耐腐蝕材料製成。
[0006]從化學反應的角度，與傳統的成批技術相比，這個技術提供了下列優點:更好的混合效率、更好的體積熱傳遞係數、更好的駐留時間分布、和低滯留量，如果將要發生損耗熱控制，那麼徹底地減少損耗熱控制的任何後果。
[0007]在連續流反應器中，比金屬不宜受到化學腐蝕的材料的使用，諸如玻璃或碳化矽陶瓷，允許大量不同化學反應的實施。因此，連續流反應器中的流體模塊之間的連接也應該不含金屬，以便提供能夠經得起化學腐蝕的更完整的反應系統。
[0008]裝配流體模塊的最普通的方式是實行幾個板材或流體模塊的層疊，避免兩個鄰近板材之間需要連接器，只需墊圈，或甚至形成某種形式的永久密封·。不幸地是，在玻璃微流層的非永久層疊的情形中，由於不能無副作用地在玻璃表面機械加工凹槽，所以使玻璃板材緊密需要額外的墊圈支持，並且使墊圈的堆疊緊密所需要的強度通常與玻璃上的容許應力不兼容。
[0009]永久疊層(玻璃到玻璃的密封)可以是解決該問題的良好方式，但是其通常限制於某些量的板材，並且將仍舊需要數目減少的連接器。永久疊層也更加適合於製備反應器，其中該產物長期相同，以便可以固定該反應器配置。然而，實驗室和中型規模反應不可接受， 其中流體模塊設置的改變需要容易地實行，以便為臨近的過程或反應來優化設備。在產物隨時間變化以便存在對適應性的需要並且該反應器可以是多用反應器製造的情形中，可能不需要永久疊層。
[0010]因此，需要在鄰近流體模塊之間可使用的連接管道，無論單個模塊本身由一層或許多層組成。
[0011]不含金屬的或耐腐蝕的管道在化學工業中眾所周知並且廣泛使用，其例如呈具有內部PTFE層的玻璃襯管道或金屬管道的形式。這種管道通常在1/2」的直徑下(低於21，3_ 的外徑)不可使用。因為將駐留在這些直徑的連接管道中的流體體積相對大，所以這些市場上可買到的原料對大多數微反應應用沒有用。
[0012]PTFE管道在市場上以較小直徑(例如1/8」，其為3.2mm的外徑)出售，但是對於許多應用，該工作壓力的範圍被無法接受地限制，特別是當與50°C以上的工作溫度結合時。因此，使用由PFA形成的較厚的管道，考慮到高達150°C和18巴的工作條件。因為這個管道的壁厚較高從而經得起高壓，即使當由於高溫，改變該材料的機械剛度時，該連接器也不再是柔性的，而是剛性的或半剛性的。這個剛性導致兩個主要約束:
[0013]在高溫下工作期間，該連接器的熱伸長沒有通過管道相對低的柔性完全補償。因此，大的機械應力能夠施加至流體模塊，其對設備的壽命有負面影響，並且可能導致破壞。
[0014]PFA的熱膨脹係數能夠在20_200°C的範圍中的溫度上從大約1.2到2.5X 10_4/°C 變動，在所關心的溫度上的有效平均值大約1.6X 10_4/°C。換句話說，IOO0C的溫度升高能夠導致對於初始長度只有100_的連接器的1.6mm的長度增加。
[0015]類似地，在反應器的維護工作或重新配置期間，需要使連接器管道彎曲或替換相鄰的流體模塊，以便從將其耦合到微流模塊的表面上的埠的硬體釋放該連接器管道。由於連接器管道幾乎不具有或不具有柔性，所以流體模塊的替換或乃至墊圈的替換會要求拆開幾個流體相互連接，這費時間，並且可能引起需要替換額外的墊圈。
[0016]尤其是 在第一次裝配之後的模塊的維護、替換、或重新配置的情形中，應當需要具有反應器組件，其克服來自管道熱膨脹的過度應力集中和裝配和拆卸中的額外困難兩者。
【發明內容】
[0017]根據本發明的一個方面，一種模塊化反應器包括在D方向上延伸的間隔開的水平延伸行中設置的多個平面流體模塊，模塊的主要表面大體彼此平行定向。多個剛性或半剛性的流體連接器各自被設置在模塊的面向的主要表面之間，並且連接器使面向的表面的第一表面上的至少一個流體埠流體且機械地接合到該面向表面的第二表面上的至少一個其他流體埠。該反應器進一步包括在方向D上、在模塊的行上方延伸的水平延伸支撐結構，並且包括一個或多個懸杆，每個懸杆都從支撐結構支撐多個流體模塊中的一個。該懸杆 32包括第一旋轉接頭，第一旋轉接頭具有在各自模塊上方且支撐結構下方設置的第一軸線，並且期望包括第二旋轉接頭，第二旋轉接頭具有第二軸線，這兩個軸線與方向D垂直。
[0018]本公開通過由具有雙旋轉軸線的移動組件替換每個模塊的剛性支撐，使模塊化連續流反應器中的流體模塊的裝配具有靈活性(柔性)，其允許流體模塊的旋轉以及懸掛器件和模塊本身的平行位移兩者。
[0019]因此，如果到該反應器的至少一個外部連接有一定移動的自由度(例如幾度角位移和一或二毫米軸向位移)，那麼反應器的每個流體模塊將略微地移動到這樣的位置，以便由於模塊(模塊之間的耐化學管道)內部的流體連接的熱膨脹引起的殘餘應力非常低。
[0020]即使在兩端都被固定的情形中，該熱膨脹將部分由該管道的柔性吸收，部分由流體模塊的微小旋轉吸收，與操作器件的任意定位相結合，允許連接點之間的距離增加，使得殘餘機械應力低。
[0021]在維護的情形中，在將替換的部分的一側上的流體模塊能夠被容易且輕輕地推開 (如果存在固定點，那麼在已經從該固定點拆開該反應器之後)，允許該連接器拆卸容易，而 不需要接觸該反應器的其他零件。另外，該流體模塊懸掛並且不是由底部支撐，導致該零件 僅僅由其重量和最終由於管道的任何約束的自動定位，自動通向全部所應用的強度的平衡 位置，並導致得到的應力降低。
[0022]將在詳細說明中闡述額外的特點和優點，隨後在某種程度上，從該描述額外的特 點和優點將對本領域技術人員顯而易見，或者通過實踐如本文中所述的實施例將認識到額 外的特點和優點，隨後該描述包括詳細說明、權利要求以及附圖。
[0023]應當理解，前述概述及其後的詳細說明兩者都僅僅是示例性的，並且意圖用於提 供理解權利要求的本質和特性的綜述或構架。包括該附圖，從而提供進一步的理解，並且附 圖被併入本說明書並且構成說明書的一部分。該【專利附圖】
【附圖說明】了一個或多個實施例，同時該描 述用來解釋各個實施例的原理和工作。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1是按照本公開的模塊化連續流反應器的一個實施例的立面圖；
[0025]圖2是類似於圖1中的模塊化連續流反應器的另一個實施例的立面圖；
[0026]圖3是按照本公開的實施例的圖解立面圖；
[0027]圖4是圖3的實施例的一個方面的圖解立面圖；
[0028]圖5是圖3的實施例的另一個方面的圖解立面圖；
[0029]圖6是圖3的實施例的還另一個方面的圖解立面圖；
[0030]圖7是按照本公開的替代的方面的圖解立面圖；和
[0031]圖8是按照本公開的還另一個替代的方面的圖解立面圖。
【具體實施方式】
[0032]現在將詳細參考各個實施例，在附圖中說明其實例。任何可能的情況下，遍及附 圖，將使用相同的附圖標記涉及相同或相似零件。
[0033]圖1是按照本公開的一個方面的模塊化連續流反應器的側立面圖。如圖1所示， 該模塊化反應器10包括多個平面流體模塊12，每個平面流體模塊都可以被支撐在框架11 內。每個模塊12都具有兩個對置的主要的大體平面外表面14、16，在每個所述主表面上都 具有一個或多個流體埠 18(流體埠在所指示的附圖標記18的位置，在圖1的側視圖中 不可見)。該流體埠 18提供了到模塊12內側的一個或多個流體通道(該圖中未示出)的 流體通路。該模塊12被設置在間隔的水平延伸行50中，該延伸行50在方向D上延伸，該 模塊12的主表面14、16大體上彼此平行定位，以便所述行50中的任一對鄰近模塊20在每 個模塊12上具有面向的主表面16、14的關聯對22。多個剛性或半剛性連接器30每個都被 放置在模塊12的面向的主表面對22的第一和第二表面14、16之間。該剛性的或半剛性的 連接器30將該面向的表面對的第一表面16上的至少一個流體埠 18流體地並機械地接 合到該面向的表面對22的第二表面14上的至少一個其他流體埠 18。
[0034]該反應器10進一步包括水平延伸的支撐結構60和一個或多個懸杆32，該支撐結構在模塊12的水平延伸行50上並且在方向D上延伸，並且懸杆32每個都從水平延伸支撐 結構60來支撐多個流體模塊12中的一個。如圖1所示，該支撐結構60可以是較大框架結 構61的一部分。
[0035]一個或多個懸杆32中的至少多個各自包括第一旋轉接頭34，該第一旋轉接頭34 的第一軸線36被放置在各自模塊12的上方和水平延伸支撐結構60的下方，第一軸線36 在垂直於行50延伸的方向D的水平方向上延伸。期望的是，一個或多個懸杆32中的至少 多個各自包括第二旋轉接頭38，該第二旋轉接頭38的第二軸線40被放置在各自模塊12的 上方和水平延伸支撐結構60的下方，第二軸線40也在垂直於行50延伸的方向D的水平方 向上延伸。
[0036]根據本公開的替換方面，在本公開的背景中有用的平面流體模塊12可以包括模 塊12，該模塊12由永久接合到較大單個模塊中的一個或多個子模塊形成，或者由被可逆接 合到較大單個模塊中的一個或多個子模塊形成。根據其它替換的方面，每個第二旋轉接頭 38或每個第一旋轉接頭34都可以包括諸如圖7中所說明的實施例中所示的一個或多個銷 鉤對42。因此，該一個或多個銷鉤對42容易鬆開，從而拆卸或裝配第一或第二旋轉接頭34、 38，以便各個流體模塊12可以從反應器10拆除或插入，而不需要拆除任何鄰近的模塊12。
[0037]鉤銷對可以如圖7的實施例中面向外，或者如圖8的實施例中，可替換地位於懸杆 32的剩餘結構內部。
[0038]如上述討論中所提到的，該多個剛性或半剛性流體連接器30期望是塑料的流體 連接器，特別期望是PFA流體連接器或由厚壁PFA管道形成的流體連接器，製成剛性或半剛 性連接器。也可以採用比PFA剛性的材料。
[0039]如圖1的實施例中也可以看出，該反應器10的第一向外表面52被認為是相應於 行50中的第一流體模塊12a的兩個對置的主要的大體平面的外表面14、16的面向外的表 面14a,並且第二向外表面54被認為是相應於行50中的最後的流體模塊12b的兩個對置 的主要的大體平面的外表面14、16的面向外的表面16a。根據本公開的一個額外的替換方 面，該反應器10進一步包括第一和第二外部流體連接器72、74，第一外部流體連接器72被 流體耦合到第一向外表面52上的埠 18，並且第二外部流體連接器74被流體連接到第二 向外表面54的埠 18，其中該第一和第二外部流體連接器72、74的一個是柔性的或可動的 流體連接器，並且另一個具有固定位置。例如，在圖1和2中表示的實施例中，可以看出這 些替換例的效果。在圖1中，夾具31或被連到第一外部流體連接器72的其他流體耦合部 件機械自由浮動，在圖中至少向左和向右浮動，或者也可能非常輕微地向上和向下浮動，或 者樞轉，以便如圖1所示，已經允許第一流體模塊12a輕微向左位移，從而補償該流體連接 器30 (和任何其他的膨脹部件)的熱膨脹。在圖2中，相反，由於流體連接器30 (和任何其 他部件)的收縮，已經向著反應器10內部(圖2中向右)拉伸該夾具31和關聯的第一外部 流體連接器72。在這個方面，圖1和圖2呈現用於第二外部流體連接器74 (如圖1中)或 將流體連接器74連接到的一些裝具(未示出)的固定位置。
[0040]圖3以圖解形式示出了該反應器10和用於流體模塊12的支撐系統。如從圖1-3 能夠看出，根據本公開，不再固定該流體模塊12，而是該流體模塊12從水平延伸的支撐結 構60懸掛。為了通過本公開實現的優點，該懸杆32在中央，並且該懸杆32的顯著方面是， 該懸杆32包括至少一個或兩個旋轉接頭。[0041]在圖4中，能夠看出，如果該反應器10的流體路徑的一端被固定(在圖4的情形 中，圖的左側)，並且另一端自由(右側，在這個情形中:自由端將移動)，那麼將發生什麼。這 在圖中沒有如此明顯，但是在圖4右側上的板材也在比圖3中原位置中的略高的位置。該 高度增加足夠小，以至於由於旋轉的應力較低。
[0042]在圖5中，示出了反應器10中模塊12的位置的改變，兩端都自由移動。在這個情 形中，全部模塊12圍繞位於中間的模塊12略微地移動，從而應對熱膨脹，引起不顯著的額 外應力。另外，如果該模塊12在如圖所示的兩個軸線上旋轉，而不是一個軸線，那麼該模塊 12能夠保持平行，並且其之間的連接器能夠保持與其原位置平行，減少對連接器和密封件 的應力。代替兩端固定，全部模塊上升，通過允許其在中間向上彎曲，從而允許在從左到右 流體路徑中的整體長度增加。在這種情形中，引起更多轉動應力，但是對於相對小的位移， 該應力仍舊是小的。需要懸杆中的兩個旋轉軸線，以便允許這種向上彎曲的曲線的形成。當 然，本文中附圖僅僅是示意圖表示；不應設想，該模塊精確地佔據所示的位置。然而，這是將 發生什麼的良好近似。
[0043]與兩端自由相比，如圖5的實例中，如果兩端鎖定，那麼流體連接器30和72的線 可以膨脹(即使該膨脹足夠小)成曲線，從原始直線彎曲為曲線。特別是為了這個目的，期望 的是，每個模塊的懸杆都能在兩個不同旋轉軸線上旋轉。
[0044]本公開的另一個重要和需要的方面是易於維護和易於接近單獨模塊。為了拆卸流 體連接器，通常必須擰松將0型環或其他墊圈壓在各自流體連接器30和各自模塊12的表 面14或16之間的螺釘。這能夠容易完成，而不需要改變該模塊12的位置，但是然後需要 增加各自的兩個鄰近模塊12之間的距離，因為該流體連接器30通常地被同心插入固定螺 釘的夾具中。如圖6所示，在本公開的反應器10內可以容易實現距離的這個增加，因為由 流體連接器30的仍接合在一起的整組模塊12能夠簡單地向上擺動並離開(在這個情形中， 向左)。如果將模塊12以在一個軸線上的一個旋轉度安裝或者在兩個分開的軸線上的兩個 旋轉度安裝，在某種程度上可能使得這個容易維護。由於其需要的較少努力，並且其不需要 移動的模塊12之間流體連接器30的任何彎曲，所以兩個軸線上的旋轉使得工作更容易，該 彎曲能夠對移動模塊12和關聯的流體連接器30之間的密封件的緊密性有負面影響。
[0045]另外，在特殊實施例中，使至少一個旋轉接頭呈鉤的形式使得實行反應器的維護 和重新配置更加容易。
[0046]本文中所公開的方法和/或器件通常在實行下列任何過程中有用，這些過程涉及 混合、分離、提取、結晶、析出、或其它處理流體或流體的混合物，這些混合物包括微結構內 的流體的多相混合物，並且包括流體或包括同時含有固體的流體的多相混合物。該處理可 以包括物理過程、被限定為引起有機、無機或有機和無機種類兩者的互換的過程的化學反 應、生化過程、或任何其它處理形式。可以用所公開的方法和/或器件實行下列非限制性的 反應的列表:氧化；還原；置換；消除；添加；配合基交換；金屬交換；和離子交換。更準確地 說，可以用所公開的方法和/或器件實行下列非限制列表的任何的反應:聚合；烷化；脫烴； 硝化；過氧化；硫氧化；環氧化；氨氧化；氫化；脫氫；有機金屬反應；貴金屬化學/均相催 化劑反應；羰化；硫羰基化；烷氧基化；滷化；脫去滷化氫；脫滷；加氫醛化；羧化；脫羧；胺 化；芳基化；縮氨酸耦合；醛醇縮合；環化縮合；脫氫環化；酯化；醯胺化；雜環合成；脫水； 醇解；水解；氨解；醚化；酶催化合成；縮醛化；阜化；摻雜；季銨化；甲醯化；相轉移反應；矽烷化；腈合成；磷酸化；分解；疊氮化學；置換；氫化矽烷化；耦合反應；和酶促反應。
【權利要求】
1.一種模塊化反應器(10),包括:多個平面流體模塊(12)，每個模塊(12)都具有兩個對置的主要的大體平面的外表面 (14、16)，每個所述主要表面上都具有一個或多個流體埠( 18)，提供到所述模塊(12)內的一個或多個流體通道的流體通路，所述模塊(12)被設置在在方向(D)上延伸的間隔水平延伸行(50)中，所述模塊(12)的主要表面(14、16)大體彼此平行定向，以便所述行(50)中的任何鄰近模塊對(20)在每個模塊上都具有關聯的面向的主要表面(24、26)對(22)；多個剛性或半剛性的流體連接器(30)，每個流體連接器都被放置在所述模塊(12)的面向的主要表面對(22)的第一和第二表面(24、26)之間，並且將所述面向的表面對的所述第一表面(24)上的至少一個流體埠(18a)流體且機械地接合到所述面向的表面對(22) 的所述第二表面(26)上的至少一個其他流體埠(18b)；水平延伸的支撐結構(60)，所述水平延伸的支撐結構在模塊(12)的所述水平延伸行(50)上方並且在所述方向(D)上延伸；和一個或多個懸杆(32)，每個懸杆都從所述水平延伸的支撐結構(60)支撐所述多個流體模塊(12)中的一個；其特徵在於，所述一個或多個懸杆(32)中的至少多個各自包括具有第一軸線(36)的第一旋轉接頭(34)，所述第一軸線(36)被放置在各自模塊(12)上方和所述水平延伸的支撐結構(60)的下方，所述第一軸線在與所述行(50)延伸的方向(D)垂直的水平方向上延伸。
2.根據權利要求1所 述的反應器(10)，其中所述多個平面流體模塊(12)包括由被永久接合到較大單個模塊(12)中的一個或多個子模塊(13)形成的模塊(12)。
3.根據權利要求1所述的反應器(10)，其中所述多個平面流體模塊(12)包括由被可逆接合到較大單個模塊(12)中的一個或多個子模塊(13)形成的模塊。
4.根據權利要求1-3中任何一項所述的反應器，其特徵在於，所述至少多個懸杆(32) 各自包括具有第二軸線(40)的第二旋轉接頭(38)，所述第二軸線(36)被放置在各自模塊(12)上方和所述水平延伸的支撐結構(60)的下方，所述第二軸線(40)也在與所述行(50) 延伸的方向(D)垂直的水平方向上延伸。
5.根據權利要求4所述的反應器(10)，其中每個所述第二旋轉接頭(38)都包括一個或多個銷鉤對(42)，以便所述一個或多個銷鉤對(42)可以易於鬆開，從而拆卸所述第二旋轉接頭(38)。
6.根據權利要求1-4中任何一項所述的反應器(10)，其中每個所述第一旋轉接頭(34) 都包括一個或多個銷鉤對(42)，以便所述一個或多個銷鉤對(42)可以易於鬆開，從而拆卸所述第一旋轉接頭(34)。
7.根據權利要求1-6中任何一項所述的反應器(10)，其中所述多個剛性或半剛性的流體連接器(30)是塑料的流體連接器。
8.根據權利要求1-7中任何一項所述的反應器(10)，其中所述多個剛性或半剛性的流體連接器(30)是剛性的流體連接器。
9.根據權利要求1-8中任何一項所述的反應器(10)，其中所述水平延伸行(50)具有第一向外表面(52)和第二向外表面(54),所述第一向外表面(52)相應於所述行(50)中的第一流體模塊(12a)的兩個對置的主要的大體平面外表面(14、16)的面向外表面(14a)，並且所述第二向外表面(54)相應於所述行(50)中的最後流體模塊(12b)的兩個對置的主要的大體平面外表面(14、16)的面向外表面(16a)，所述反應器(10)進一步包括第一和第二外部流體連接器(72、74)，所述第一外部流體連接器(72)被流體耦合到所述第一向外表面(52)上的埠(18a)，所述第二外部流體連接器(74)被流體耦合到所述第二向外表面(54) 上的埠(18b)，其中所述第一和第二外部流體連接器(72、74)中的一個外部流體連接器是柔性的或可動的流體連接器，並且另一個外部流體連接器具有固定位置。
10.根據權利要求1-7中任何一項所述的反應器(10)，其中所述水平延伸行(50)具有第一向外表面(52)和第二向外表面(54),所述第一向外表面(52)相應於所述行(50)中的第一流體模塊(12a)的兩個對置的主要的大體平面外表面(14、16)的面向外表面(14a)，並且所述第二向外表面(54)相應於所述行(50)中的最後流體模塊(12b)的兩個對置的主要的大體平面外表面(14、16)的面向外表面(16b)，所述反應器(10)進一步包括第一和第二外部流體連接器(72、74)，所述第一外部流體連接器(72)被流體耦合到所述第一向外表面(52)上的埠(18a)，所述第二外部流體連接器(74)被流體耦合到所述第二向外表面(54) 上的埠(18b)，其中所述第一和第二外部流體連接器(72、74)都·具有固定位置。
【文檔編號】B01J19/00GK103596675SQ201280027466
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2012年6月7日 優先權日:2011年6月7日
【發明者】R·吉代, A·莫裡 申請人:康寧股份有限公司