|
|
больше ...
Термины запроса в документе
Реферат
[RU] 1. Микрореактор модульной структуры для осуществления непрерывной реакции, содержащий расположенные вдоль продольной оси их укладки первую рамную конструкцию, реакционный блок и вторую рамную конструкцию, при этом указанный реакционный блок содержит систему каналов для технологической текучей среды, предназначенную для осуществления непрерывной реакции множества исходных материалов или реагентов, втекающих в указанный реакционный блок с образованием по меньшей мере одного продукта, вытекающего из указанного реакционного блока, и систему каналов для теплообменной текучей среды, предназначенную для регулирования температурных условий в указанной системе каналов для технологической текучей среды, указанные первая и вторая рамные конструкции выполнены в виде фланца и указанные первая и вторая рамные конструкции прижаты друг к другу с помощью множества устройств натяжения, отличающийся тем, что указанная система каналов для технологической текучей среды и указанная система каналов для теплообменной текучей среды предусмотрены внутри технологического и теплообменного модуля, указанный реакционный блок содержит накладную пластину, помещенную между указанным технологическим и теплообменным модулем и второй рамной конструкцией, указанный реакционный блок, содержащий систему каналов для технологической текучей среды, может быть отдельно заменен для того, чтобы приспособить его к множеству технологических проблем, которые должны быть исследованы и решены, и указанная вторая рамная конструкция выполнена с обеспечением осуществления осмотра указанной системы каналов для технологической текучей среды через указанную накладную пластину, которая выполнена прозрачной. 2. Микрореактор по п.1, отличающийся тем, что указанный реакционный блок содержит технологический и теплообменный модуль, и указанная система каналов для технологической текучей среды содержит микроструктуру, которая сформирована на реакционной поверхности указанного технологического и теплообменного модуля, и непосредственно закрыта указанной накладной пластиной с обеспечением уплотнения указанной системы каналов для технологической текучей среды. 3. Микрореактор по п.2, отличающийся тем, что указанный технологический и теплообменный модуль содержит технологический субмодуль в форме пластины, передняя поверхность которого является указанной реакционной поверхностью, и теплообменный субмодуль в форме пластины, размещенный между указанным технологическим субмодулем и указанной первой рамной конструкцией, и указанная система каналов теплообменной текучей среды содержит микроструктуру, которая сформирована на передней поверхности указанного теплообменного субмодуля, и закрыта задней поверхностью указанного технологического субмодуля с обеспечением уплотнения указанной системы каналов теплообменной текучей среды. 4. Микрореактор по п.3, отличающийся тем, что указанный теплообменный субмодуль и указанная первая рамная конструкция интегрированы в один элемент. 5. Микрореактор по п.2, отличающийся тем, что указанный технологический и теплообменный модуль содержит технологический и теплообменный субмодуль в форме пластины, передняя поверхность которого является указанной реакционной поверхностью, и вторую накладную пластину, размещенную между указанным технологическим и теплообменным субмодулем и указанной первой рамной конструкцией, и указанная система каналов теплообменной текучей среды содержит микроструктуру, которая сформирована на задней поверхности указанного теплообменного субмодуля, и закрыта указанной второй накладной пластиной с обеспечением уплотнения указанной системы каналов теплообменной текучей среды. 6. Микрореактор по п.5, отличающийся тем, что указанный технологический и теплообменный субмодуль разделен с помощью пластины, расположенной перпендикулярно по отношению к указанной оси укладки, на первый отдел субмодуля в форме пластины, содержащий указанную систему каналов для технологической текучей среды, и второй отдел субмодуля в форме пластины, содержащий указанную систему каналов теплообменной текучей среды. 7. Микрореактор по п.5 или 6, отличающийся тем, что указанная вторая накладная пластина и указанная первая рамная конструкция интегрированы в один элемент. 8. Микрореактор по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что указанная вторая рамная конструкция выполнена с обеспечением осуществления осмотра указанной системы каналов для технологической текучей среды через указанную вторую рамную конструкцию и указанную накладную пластину. 9. Микрореактор по п.8, отличающийся тем, что указанная вторая рамная конструкция снабжена смотровым окном для обеспечения такого осмотра. 10. Микрореактор по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что указанная вторая рамная конструкция выполнена с обеспечением осуществления внешнего соединения по текучей среде указанной накладной пластины через вторую рамную конструкцию, так что служит в качестве входного средства для текучей среды указанной системы каналов для технологической текучей среды. 11. Микрореактор по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что поверхность указанной накладной пластины, непосредственно закрывающей указанную систему каналов для технологической текучей среды, имеет каталитическое покрытие. 12. Микрореактор по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что указанный реакционный блок снабжен множеством основных входных портов для множества основных исходных материалов, втекающих в указанную систему каналов для технологической текучей среды, и по меньшей мере один дополнительный входной порт, расположенный по направлению потока после указанного множества основных входных портов, для по меньшей мере одного дополнительного исходного материала, втекающего в указанную систему каналов для технологической текучей среды. 13. Микрореактор по п.12, отличающийся тем, что указанные основные и/или дополнительные входные порты расположены на боковых поверхностях и/или на передних и задних поверхностях реакционной установки. 14. Микрореактор по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что указанная система каналов для технологической текучей среды и/или указанная система каналов теплообменной текучей среды выполнены в виде меандра. 15. Микрореактор по любому из пп.1-14, отличающийся тем, что указанная система каналов для технологической текучей среды содержит по меньшей мере одну зону смешения с турбулентным потоком и по меньшей мере одну зону удержания преимущественно с ламинарным потоком, которые расположены последовательно по направлению потока протекающих через нее указанных основных исходных материалов. 16. Микрореактор по любому из пп.1-15, отличающийся тем, что указанные первая и вторая рамные конструкции снабжены первым и вторым средством для позиционирования, соответственно, которые определяют положение указанного реакционного блока по отношению к оси укладки. 17. Микрореактор по п.16, отличающийся тем, что указанные первое и второе средства для позиционирования выполнены в виде углублений в поверхностях указанных первой и второй рамных конструкций, соответственно, друг напротив друга, причем по внутреннему периметру форма углублений соразмерна форме внешнего периметра соответствующей стороны указанного реакционного блока. 18. Микрореактор по п.17, отличающийся тем, что указанные углубления, формирующие указанные первое и второе средства для позиционирования, имеют прямоугольную форму.
Полный текст патента
(57) Реферат / Формула:
1. Микрореактор модульной структуры для осуществления непрерывной реакции, содержащий расположенные вдоль продольной оси их укладки первую рамную конструкцию, реакционный блок и вторую рамную конструкцию, при этом указанный реакционный блок содержит систему каналов для технологической текучей среды, предназначенную для осуществления непрерывной реакции множества исходных материалов или реагентов, втекающих в указанный реакционный блок с образованием по меньшей мере одного продукта, вытекающего из указанного реакционного блока, и систему каналов для теплообменной текучей среды, предназначенную для регулирования температурных условий в указанной системе каналов для технологической текучей среды, указанные первая и вторая рамные конструкции выполнены в виде фланца и указанные первая и вторая рамные конструкции прижаты друг к другу с помощью множества устройств натяжения, отличающийся тем, что указанная система каналов для технологической текучей среды и указанная система каналов для теплообменной текучей среды предусмотрены внутри технологического и теплообменного модуля, указанный реакционный блок содержит накладную пластину, помещенную между указанным технологическим и теплообменным модулем и второй рамной конструкцией, указанный реакционный блок, содержащий систему каналов для технологической текучей среды, может быть отдельно заменен для того, чтобы приспособить его к множеству технологических проблем, которые должны быть исследованы и решены, и указанная вторая рамная конструкция выполнена с обеспечением осуществления осмотра указанной системы каналов для технологической текучей среды через указанную накладную пластину, которая выполнена прозрачной. 2. Микрореактор по п.1, отличающийся тем, что указанный реакционный блок содержит технологический и теплообменный модуль, и указанная система каналов для технологической текучей среды содержит микроструктуру, которая сформирована на реакционной поверхности указанного технологического и теплообменного модуля, и непосредственно закрыта указанной накладной пластиной с обеспечением уплотнения указанной системы каналов для технологической текучей среды. 3. Микрореактор по п.2, отличающийся тем, что указанный технологический и теплообменный модуль содержит технологический субмодуль в форме пластины, передняя поверхность которого является указанной реакционной поверхностью, и теплообменный субмодуль в форме пластины, размещенный между указанным технологическим субмодулем и указанной первой рамной конструкцией, и указанная система каналов теплообменной текучей среды содержит микроструктуру, которая сформирована на передней поверхности указанного теплообменного субмодуля, и закрыта задней поверхностью указанного технологического субмодуля с обеспечением уплотнения указанной системы каналов теплообменной текучей среды. 4. Микрореактор по п.3, отличающийся тем, что указанный теплообменный субмодуль и указанная первая рамная конструкция интегрированы в один элемент. 5. Микрореактор по п.2, отличающийся тем, что указанный технологический и теплообменный модуль содержит технологический и теплообменный субмодуль в форме пластины, передняя поверхность которого является указанной реакционной поверхностью, и вторую накладную пластину, размещенную между указанным технологическим и теплообменным субмодулем и указанной первой рамной конструкцией, и указанная система каналов теплообменной текучей среды содержит микроструктуру, которая сформирована на задней поверхности указанного теплообменного субмодуля, и закрыта указанной второй накладной пластиной с обеспечением уплотнения указанной системы каналов теплообменной текучей среды. 6. Микрореактор по п.5, отличающийся тем, что указанный технологический и теплообменный субмодуль разделен с помощью пластины, расположенной перпендикулярно по отношению к указанной оси укладки, на первый отдел субмодуля в форме пластины, содержащий указанную систему каналов для технологической текучей среды, и второй отдел субмодуля в форме пластины, содержащий указанную систему каналов теплообменной текучей среды. 7. Микрореактор по п.5 или 6, отличающийся тем, что указанная вторая накладная пластина и указанная первая рамная конструкция интегрированы в один элемент. 8. Микрореактор по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что указанная вторая рамная конструкция выполнена с обеспечением осуществления осмотра указанной системы каналов для технологической текучей среды через указанную вторую рамную конструкцию и указанную накладную пластину. 9. Микрореактор по п.8, отличающийся тем, что указанная вторая рамная конструкция снабжена смотровым окном для обеспечения такого осмотра. 10. Микрореактор по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что указанная вторая рамная конструкция выполнена с обеспечением осуществления внешнего соединения по текучей среде указанной накладной пластины через вторую рамную конструкцию, так что служит в качестве входного средства для текучей среды указанной системы каналов для технологической текучей среды. 11. Микрореактор по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что поверхность указанной накладной пластины, непосредственно закрывающей указанную систему каналов для технологической текучей среды, имеет каталитическое покрытие. 12. Микрореактор по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что указанный реакционный блок снабжен множеством основных входных портов для множества основных исходных материалов, втекающих в указанную систему каналов для технологической текучей среды, и по меньшей мере один дополнительный входной порт, расположенный по направлению потока после указанного множества основных входных портов, для по меньшей мере одного дополнительного исходного материала, втекающего в указанную систему каналов для технологической текучей среды. 13. Микрореактор по п.12, отличающийся тем, что указанные основные и/или дополнительные входные порты расположены на боковых поверхностях и/или на передних и задних поверхностях реакционной установки. 14. Микрореактор по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что указанная система каналов для технологической текучей среды и/или указанная система каналов теплообменной текучей среды выполнены в виде меандра. 15. Микрореактор по любому из пп.1-14, отличающийся тем, что указанная система каналов для технологической текучей среды содержит по меньшей мере одну зону смешения с турбулентным потоком и по меньшей мере одну зону удержания преимущественно с ламинарным потоком, которые расположены последовательно по направлению потока протекающих через нее указанных основных исходных материалов. 16. Микрореактор по любому из пп.1-15, отличающийся тем, что указанные первая и вторая рамные конструкции снабжены первым и вторым средством для позиционирования, соответственно, которые определяют положение указанного реакционного блока по отношению к оси укладки. 17. Микрореактор по п.16, отличающийся тем, что указанные первое и второе средства для позиционирования выполнены в виде углублений в поверхностях указанных первой и второй рамных конструкций, соответственно, друг напротив друга, причем по внутреннему периметру форма углублений соразмерна форме внешнего периметра соответствующей стороны указанного реакционного блока. 18. Микрореактор по п.17, отличающийся тем, что указанные углубления, формирующие указанные первое и второе средства для позиционирования, имеют прямоугольную форму.
Евразийское 025581 (13) B1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2017.01.30
(21) Номер заявки 201171398
(22) Дата подачи заявки 2010.05.12
(51) Int. Cl. B01J19/00 (2006.01)
(57) Микрореактор модульной структуры для осуществления непрерывной реакции содержит расположенные вдоль продольной оси первую рамную конструкцию (100), реакционную установку (RU) и вторую рамную конструкцию (200), отличающийся тем, что указанная реакционная установка (RU) содержит систему каналов для обработки жидкости для осуществления непрерывной реакции множества исходных материалов или реагентов, втекающих в указанную реакционную установку с образованием по меньшей мере одного продукта, вытекающего из указанной реакционной установки (RU), и систему каналов жидкостного теплообмена для регулирования температурных условий в указанной системе каналов для обработки жидкости, указанные первая и вторая рамные конструкции (100, 200) выполнены в виде фланца, и указанные первая и вторая рамные конструкции прижаты друг к другу с помощью множества устройств (200) натяжения, расположенных по наружному периметру (и внутри него) указанных первой и второй рамных конструкций (100, 200), и между ними расположена указанная реакционная установка (RU).
Изобретение относится к микрореактору для осуществления непрерывной реакции, в частности, к микрореактору модульной структуры для осуществления непрерывной реакции.
В технологии осуществления непрерывной реакции множество исходных материалов или реагентов, непрерывно втекающих в реактор или микрореактор, участвуют в химической реакции с образованием продукта, непрерывно вытекающего из реактора или микрореактора. Реактор внутри оснащен системой каналов для технологической текучей среды, которая обеспечивает смешение и циркуляцию множества исходных материалов для осуществления химических реакций, в наиболее благоприятной для реакции среде, особенно в специфическом температурном режиме. Система каналов для технологической текучей среды может быть разделена по меньшей мере на одну зону смешения с турбулентным потоком и по меньшей мере одну зону удержания преимущественно с ламинарным потоком, которые расположены соответствующим образом последовательно, одна за другой. В случае если реактор имеет более одной зоны смешения и/или зоны удержания, они также соединены последовательно соответствующим образом. Для того чтобы обеспечить строго определенный температурный режим, реактор, как правило, оборудован системой теплообмена, которая, например, может иметь канальную конструкцию.
Микрореактор описанного выше типа, раскрыт, например, в ЕР 1839739 А1, где микрореактор является микрореактором модульной структуры, содержащим множество технологических модулей и теп-лообменных модулей, расположенных последовательно таким образом, что они образуют ряд. Технологические модули имеют внешнее соединение и образуют протяженную систему каналов потока, с добавлением отдельных подсистем; с помощью теплообменных модулей достигается нагревание или охлаждение в определенном отделе реактора химических веществ (реагентов, продукта), поступающих в систему каналов потока (в настоящем абзаце используется терминология, применяющаяся в документе ЕР 1 839 739 Al, которая не всегда идентична терминологии настоящего документа).
Разработка такого рода реакторов представляет собой сложную задачу, которая не всегда может быть успешно решена, даже на сегодняшний день, с помощью компьютерного моделирования, и требует дополнительных экспериментальных исследований для стимуляции прогресса в данной области.
Задачей настоящего изобретения является создание микрореактора лабораторных масштабов для осуществления на месте исследований технологии непрерывных реакций, что позволяет исследователям достичь большего понимания динамики использующейся текучей среды, что может затем применяться на практике в промышленных масштабах.
Данная задача достигается признаками п. 1 формулы изобретения.
Настоящее изобретение (п. 1 формулы изобретения) относится к микрореактору для осуществления непрерывной реакции, (а) модульной структуры, содержащему расположенные последовательно вдоль направляющей оси (по направлению от задней части к передней): первую рамную конструкцию, реакционный блок, вторую рамную конструкцию, причем (b) реакционный блок содержит систему каналов для технологической текучей среды для осуществления непрерывной реакции между множеством исходных веществ или реагентов, поступающих в реакционный блок, с образованием по меньшей мере одного продукта, вытекающего из реакционного блока, и систему каналов для теплообменной текучей среды для регулирования температурных условий в системе каналов для технологической текучей среды, (с) первая и вторая рамные конструкции выполнены в виде фланца, и первая и вторая рамные конструкции прижаты друг к другу с помощью множества устройств натяжения, расположенных по наружному периметру и внутри него указанных первой и второй рамных конструкций, между которыми расположена реакционный блок (для наглядности и понимания объекта изобретения, раскрытого в п.1 формулы изобретения, см. также фиг. 1).
Комментарии к подпункту (а): модульная структура микрореактора согласно изобретению подразумевает то, что все его структурные элементы (как фланцы, так и реакционный блок) могут быть заменены для того, чтобы адаптировать микрореактор для исследования и решения разнообразных технологических задач. В связи с этим, например, для осуществления различных химических реакций, или в случае, когда текучие среды, поступающие в реакционный блок, имеют различные физические характеристики (различная вязкость, различный температурный режим, режим давления, число Рейнольдса и т.д.), реакционный блок и/или комплекс системы каналов для технологической текучей среды и/или система каналов для теплообменной текучей среды могут быть заменены на элементы другого типа.
Под термином "ось, направленная от задней части реактора к передней" понимаются задние и передние поверхности каждого из элементов микрореактора или их совокупность. В дополнение, под термином "фланец" должен пониматься элемент для соединения или крепления, расположенный преимущественно в плоскости перпендикулярной к оси, направленной от задней части реактора к передней и центрированный по отношению к данной оси, таким образом, что данная ось может рассматриваться как ось симметрии. Кроме того, фланец имеет форму кольца или форму гомеоморфную форме кольца (внутренний и внешний периметры могут быть, например, квадратными или прямоугольными; в этом случае, углы могут быть закругленными или нет).
Комментарии к подпункту (b): что касается расположения в пространстве системы каналов для технологической текучей среды и системы каналов для теплообменной текучей среды относительно друг друга или относительно первой и второй рамной конструкций, то здесь нет специальных ограничений,
пока теплообмен между ними является достаточным для обеспечения необходимых температурных условий для осуществления химических реакций между различными исходными материалами или реагентами, то есть между различными химическими веществами, взаимодействующими внутри микрореактора в системе каналов для технологической текучей среды. Тем не менее, предпочтительно, чтобы одна из систем каналов располагалась в плоскости А, а другая - в плоскости В, причем плоскости А и В параллельны друг другу. Наиболее предпочтительно, чтобы хотя бы некоторые секции систем каналов имели конгруэнтную форму, для того чтобы оптимизировать передачу тепла. Система каналов, например, может быть изготовлена при производстве реакционного блока с помощью соответствующей технологии литья. Предпочтительно, чтобы на боковых поверхностях реакционного блока были предусмотрены соответствующие порты входа и выхода, как показано на фиг. 1.
Комментарии к подпункту (с): в соответствии с настоящим изобретением, для реакционного блока определено пространство, ограниченное первой и второй рамной конструкциями, имеющими конфигурацию фланца, и плоскостями, которые определены находящимися напротив осями двух из множества устройств натяжения, соединяющих первую и вторую рамные конструкции. Предпочтительно, как показано на фиг. 1, чтобы указанные устройства натяжения были расположены между собой на одинаковом расстоянии и не ограждали полностью или не заключали в оболочку реакционный блок для того, чтобы был обеспечен доступ к ее боковым поверхностям для возможности произвести необходимые подсоединения между реакционным блоком и внешними элементами (устройствами, подающими текучую среду в микрореактор, насосами, измерительными устройствами и т.д.). Предпочтительно, чтобы порты входа и выхода являлись промежуточным устройством между внешними системами с гибким трубопроводным соединением (например, с указанными внешними элементами), а система каналов для технологической текучей среды и/или система каналов для теплообменной текучей среды были расположены внутри указанного пространства, для того, чтобы была обеспечена оптимальная защита реакционного блока от механических повреждений. В соответствии с настоящим изобретением, указанные устройства натяжения расположены по наружному периметру и внутри него первой и второй рамных конструкций. Это означает, что максимальную протяженность микрореактора согласно изобретению в плоскости перпендикулярной направляющей оси, обеспечивают первая и вторая рамные конструкции, которые также защищают все остальные элементы от механических повреждений.
Подводя итоги, можно сказать, что микрореактор согласно изобретению обладает следующими тремя основными преимуществами: (1) он имеет модульную структуру, (2) реакционный блок микрореактора защищена первой и второй рамными конструкциями, а также устройствами натяжения, от механических повреждений, и (3) обеспечен легкий доступ снаружи к системам каналов для технологической текучей среды и теплообменной текучей среды.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения (п.2 формулы изобретения), реакционный блок содержит технологический и теплообменный модуль и накладную пластину, которая размещена между указанным технологическим и теплообменным модулем и указанной второй рамной конструкцией. Прежде всего, как указано выше, модульная структура микрореактора согласно изобретению предполагает то, что любой из технологического и теплообменного модуль и накладной пластины может быть по раздельности заменен. Кроме того, накладная пластина служит для того, чтобы "запечатывать" систему каналов для технологической текучей среды, которая сформирована (вырезана или выдавлена) на передней поверхности указанного технологического и теплообменного модуля. То есть, без накладной пластины, каналы, формирующие систему каналов для технологической текучей среды, являются открытыми желобами различной толщины и/или глубины, сформированные с помощью какой-либо технологии механической микрообработки, например, с помощью фрезерования. Затем открытые желоба герметично закрываются накладной пластиной, оставляя открытыми порты входа и выхода на боковых поверхностях реакционного блока для подачи различных исходных материалов или продуктов.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения (п.3 формулы изобретения) технологический и теплообменный модуль содержит субмодули в форме пластины технологический субмодуль и теплообменный субмодуль, что является продолжением концепции микрореактора модульной структуры согласно изобретению, как определено в пп.1 и 2 формулы изобретения. Соединение накладной пластины и технологического субмодуля идентично соединению технологического субмодуля с теплообменным субмодулем (в отношении того, каким образом они изготавливаются, и того, каким образом "запечатаны" соответствующие системы каналов для технологической текучей среды): как система каналов для технологической текучей среды, так и система каналов для теплообменной текучей среды размещены лицом ко второй рамной конструкции и "запечатаны" задней поверхностью прилежащего модуля/пластины, находящейся непосредственно перед ними.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения (п.4 формулы изобретения), теплообменный субмодуль и указанная первая рамная конструкция конструктивно являются одним элементом. Данный признак изобретения поначалу может быть интерпретирован как отступление от концепции микрореактора модульной структуры, так как в этом случае функции двух элементов конструкции интегрируются з один элемент. Тем не менее, даже в этом случае может быть достигнут удовле
творительный эффект нагревания и/или охлаждения множества различных систем каналов для технологической текучей среды с помощью системы каналов для теплообменной текучей среды такого же типа, при условии, что каналы системы для теплообменной текучей среды сконструированы должным образом. То есть объединенный элемент - "теплообменный субмодуль + первая рамная конструкция" (как определено в п.4 формулы изобретения) может быть совмещен с более чем одной системой каналов для технологической текучей среды и пригоден для осуществления химических реакций. Таким образом, то, что на первый взгляд кажется отступлением от концепции модульной структуры, на самом деле способствует большей заменяемости и возможности независимого использования субмодулей/пластин. Кроме того, в случае, когда теплообменный субмодуль и первая рамная конструкция являются одним элементом, снижаются расходы на производство.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения (п.5 формулы изобретения) технологический и теплообменный модуль содержит субмодули в форме пластины технологический субмодуль и теплообменный субмодуль, а также вторую накладную пластину, что является продолжением концепции микрореактора модульной структуры согласно изобретению, как определено в пп.1 и 2 формулы изобретения. Различие между конструкцией, определенной в п.3 формулы изобретения, когда технологический модуль и теплообмена содержит в значительной степени идентичные субмодули (так как в каждом из них предусмотрена система каналов, сформированная на передней поверхности), заключается в том, что технологический модуль и теплообмена в данном случае содержит (i) первый субмодуль, содержащий как систему каналов для технологической текучей среды (сделанную на передней поверхности), так и систему каналов для теплообменной текучей среды (сделанную на задней поверхности), а также (ii) вторую накладную пластину. В данном случае предпочтительным является то, что технологический модуль и теплообменный субмодуль может быть сконструирован способом, наиболее адаптированным к обеим системам каналов. На практике это означает, что для достижения наилучшего результата при проведении и изучении определенных химических реакций требуется система каналов для технологической текучей среды определенного типа, что в свою очередь влечет за собой необходимость в системе каналов для теплообменной текучей среды определенного типа опять-таки, для достижения лучшего результата. Благодаря конструкции по настоящему аспекту настоящего изобретения при выборе конструкции системы каналов для технологической текучей среды обеспечивается наиболее выгодная конструкция системы каналов для теплообменной текучей среды.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения (п.6 формулы изобретения), технологический и теплообменный субмодуль разделен на две части, имеющие форму пластины: первый отдел субмодуля, содержащий систему каналов для технологической текучей среды, и второй отдел субмодуля, содержащий систему каналов для теплообменной текучей среды. Таким образом, структурное деление от большего к меньшему на "основные" компоненты (не принимая во внимание такие элементы, как порты входа и выхода и т.д.) таково: реакционный блок модуль субмодуль часть субмодуля. В соответствии с настоящим аспектом изобретения, реакционный блок разделен на четыре основных компонента, либо, можно сказать, что микрореактор разделен на шесть основных компонентов. Следует отметить, что компоненты также могут быть сгруппированы различным образом. То есть, после того, как была изготовлена система каналов для теплообменной текучей среды, часть тепло-обменного субмодуля, например, может быть соединена со второй накладной пластиной, образуя, таким образом, второй теплообменный модуль (аналогичный теплообменному модулю, который определен в п.3 формулы изобретения, но где система каналов закрыта, и где не требуется дополнительная поверхность для ее "запечатывания").
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения (п.7 формулы изобретения), вторая накладная пластина и указанная первая рамная конструкция конструктивно являются одним элементом. Для данного пункта справедливы соображения, высказанные выше в отношении п.4 формулы изобретения.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения (п.8 формулы изобретения), вторая рамная конструкция сконструирована таким образом, чтобы было возможно производить осмотр системы каналов для технологической текучей среды через накладную пластину, которая является прозрачной. Такой осмотр позволяет производить непосредственное наблюдение за состоянием потока исходных материалов, непрерывно подающихся в реактор, где они смешиваются и взаимодействуют между собой, с образованием продукта, который непрерывно вытекает из реактора; кроме того, такой осмотр позволяет производить определение количества осадка внутри микрореактора, когда микрореактор отключается после заранее заданного периода времени. Исходные материалы, независимо друг от друга могут находиться в жидком или газообразном состоянии, в зависимости только от предполагаемых условий реакции. Так как движение потока исходных материалов (особенно через зону смешения системы каналов для технологической текучей среды) происходит хаотично и зависит от многих параметров, таких как вязкость этих материалов, которая, в свою очередь, зависит от температуры, воздействию которой они подвергаются, скорость потока, которая, в свою очередь, из-за характерной конфигурации (формы и объема) каналов для технологической текучей среды, зависит от входного давления, указанной конфигурации каналов, реакционной кинетики исходных материалов и т.д., непосредственное наблюде
ние за процессом зачастую является предпочтительным по сравнению с компьютерным моделированием, либо, по меньшей мере, такое компьютерное моделирование должно, в первую очередь, основываться на опытных данных, полученных в результате такого наблюдения. Таким образом, при разработке конструкции системы каналов для технологической текучей среды обеспечение возможности производить наблюдение за потоком химических веществ (исходных материалов/реагентов и продукта/продуктов) является чрезвычайно ценным качеством. Накладная пластина в данном аспекте настоящего изобретения может быть либо полностью прозрачной, сделанной из стекла или пластика, например, либо частично и иметь в соответствующих местах вставки из подобных материалов. Предпочтительно в случае, если исходный материал является бесцветным, ему можно придать окраску, для того, чтобы иметь возможность наблюдать за процессом смешения. Предпочтительно химические вещества, не взаимодействующие с исходным материалом, которые добавляются для придания окраски исходному материалу, могут менять цвет в зависимости от температуры. Например, для того, чтобы процесс смешивания был виден на протяжении всей длины канала, можно использовать колориметрические индикаторы ph и реакцию нейтрализации. Для того чтобы получить данные о процессах, происходящих в технологическом модуле, помимо наблюдения невооруженным глазом, наблюдение может также производиться с использованием соответствующих приборов, таких как спектрометр и/или различные фильтры (приборы UV, IR, Раман спектрометр).
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения (п.9 формулы изобретения), вторая рамная конструкция снабжена смотровым окном. Смотровое окно может иметь любую подходящую форму, особенно форму круга или прямоугольную; оно должно быть центрировано относительно направляющей оси.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения (п.10 формулы изобретения), накладная пластина, которая в данном случае является непрозрачной, может быть сконструирована таким образом, чтобы было возможно использовать внешнее соединение по текучей среде накладной пластины через вторую рамную конструкцию, в качестве входного устройства для текучей среды указанной системы каналов для технологической текучей среды. В этом случае существует предпочтительная возможность подсоединять дополнительные устройства подачи материала к системе каналов для технологической текучей среды через переднюю поверхность накладной пластины, так, чтобы месторасположение устройств подачи материала не было ограничено исключительно боковыми поверхностями реакционного блока. Кроме того, каналы, соединяющие систему каналов для технологической текучей среды с внешними устройствами, могут быть укорочены.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения (п. 11 формулы изобретения), поверхность накладной пластины, непосредственно закрывающей систему каналов для технологической текучей среды, имеет каталитическое покрытие. Каталитическое покрытие может быть нанесено только в тех местах, где накладная пластина контактирует с химическими веществами, проходящими через систему каналов для технологической текучей среды. В качестве модификации, каталитическое покрытие может быть изготовлено с использованием не только одного, но и нескольких различных катализаторов, в зависимости от расположения накладной пластины в системе каналов для технологической текучей среды и в реакционной установке в собранном виде. В качестве альтернативы или дополнения, катализаторы могут быть размещены непосредственно в каналах для технологической текучей среды в виде микрогранул или колец Рашига.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения (п.12 формулы изобретения), система каналов для технологической текучей среды имеет множество основных входных портов для множества основных исходных материалов, поступающих в технологический модуль, и по меньшей мере один вспомогательный входной порт, расположенный после указанного множества основных входных портов по направлению потока химических веществ, для подачи по меньшей мере, одного вторичного исходного материала в технологический модуль. Следовательно, можно наблюдать сложные химические реакции, происходящие в системе каналов для технологической текучей среды, где, например, первая реакция происходит при смешивании двух основных веществ, в результате чего формируется первый (промежуточный) продукт, а затем происходит добавление потока вторичного исходного материала и смешение его с первым (промежуточным) продуктом, в результате чего формируется второй промежуточный продукт и т.д. Всякий раз, когда происходит добавление вторичного исходного материала, он, предпочтительно, смешивается с соответствующим количеством продукта, сформированного в результате предыдущей реакции. В качестве альтернативы, возможно, всякий раз при реакции вторичного исходного материала с определенным количеством первичного исходного материала, осуществлять добавку вторичного исходного материала с использованием модуля множественного вливания, как раскрыто в описании ЕР 1839739 А1.
В соответствии с предпочтительным.вариантом осуществления изобретения (п.13 формулы изобретения), основные и/или вспомогательные входные порты расположены на боковых поверхностях и/или на передних и задних поверхностях реакционного блока. Расположение входных портов на боковой поверхности обеспечивает компактность и экономию места конструкции, однако имеет недостаток в том, что исходные материалы не могут быть поданы в любой участок системы каналов для технологической
текучей среды с одинаковой легкостью, особенно, когда между элементами конструкции системы каналов для технологической текучей среды (изгибами системы каналов) наблюдается нехватка пространства. Обратное происходит, когда входные порты располагаются на передних и задних поверхностях реакционного блока. В оптимальном случае преимущества обоих способов могут быть получены, когда элементы системы каналов для технологической текучей среды расположены с меньшей скученностью; таким образом можно обеспечить возможность подсоединения каналов подачи материалов в любую точку системы каналов для технологической текучей среды.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения (п.16 формулы изобретения) первая и вторая рамные конструкции микрореактора для осуществления непрерывной реакции снабжены первым и вторым устройством для позиционирования соответственно, которые определяют положение теплообменного модуля и технологического модуля по отношению к направляющей оси. Благодаря данным устройствам для позиционирования, которые, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения (п. 16 формулы изобретения), сделаны в виде углублений в поверхностях указанных первой и второй рамных конструкций соответственно, возможно точно позиционировать модули, входящие в конструкцию микрореактора, по отношению друг к другу. Это означает, что внешние габариты всех заменяемых элементов в настоящем микрореакторе, должны быть соразмерными внутренним габаритам углублений, сделанных в соответствующих рамных конструкциях, вследствие чего монтаж микрореактора упрощается и положение элементов реактора относительно друг друга становится точно определено.
Структура основных аспектов настоящего изобретения, которые определены в некоторых из пунктов формулы изобретения, комментарии по которым приведены выше, показана на фиг. 18.
При помощи описаний предпочтительных вариантов осуществления изобретения, следующих ниже со ссылкой на приведенные к ним чертежи, наглядно проиллюстрированы задачи настоящего изобретения, его признаки и преимущества, описанные выше и следующие ниже. На чертежах изображены:
на фиг. 1 приведено схематическое изображение в перспективе микрореактора в собранном виде, в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
на фиг. 2А и 2В схематически показан развернутый вид в перспективе микрореактора для осуществления непрерывной реакции в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;
на фиг. 3А и 3В схематически показан развернутый вид в перспективе двух вариантов микрореактора для осуществления непрерывной реакции в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения;
на фиг. 4А и 4В схематически показан развернутый вид в перспективе двух вариантов микрореактора для осуществления непрерывной реакции в соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения;
на фиг. 5 приведено схематическое изображение в перспективе модуля и деталей системы каналов для технологической текучей среды определенного типа, в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 6-15 показаны варианты системы каналов для технологической текучей среды в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 16А и 16В схематически показан развернутый вид в перспективе микрореактора в собранном виде в соответствии с настоящим изобретением, где на фиг. 16В приведено увеличенное изображение системы каналов для технологической текучей среды, а на фиг. 16А - вид на систему каналов для технологической текучей среды через вторую рамную конструкцию;
на фиг. 17 приведены схематические изображения типичных устройств смешивания;
фиг. 18 иллюстрирует основные аспекты настоящего изобретения, определенные в некоторых из пунктов формулы изобретения.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение в перспективе микрореактора 10 для осуществления непрерывной реакции в собранном виде, в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения. Согласно фиг. 1 микрореактор 10 содержит, последовательно расположенные вдоль направляющей оси S по направлению от задней части к передней (направление от задней части к передней показано стрелкой, расположенной сверху от направляющей оси S): первую рамную конструкцию 100, реакционный блок RU и вторую рамную конструкцию 200. Первая и вторая рамные конструкции 100, 200 выполнены в виде фланца, они прижаты друг к другу с помощью четырех болтов 206, которые входят в отверстия 204 во второй рамной конструкции 200 и завинчиваются в четыре отверстия 205 с резьбой соответственно, расположенные по наружному периметру и внутри него указанных первой и второй рамных конструкций 100 и 200 соответственно. Как показано на фиг. 1 оси каждых двух находящихся напротив друг друга болтов 206 определяют плоскости (общим числом четыре), которые вместе с первой и второй рамной конструкциями 100, 200 определяют или ограничивают пространство, в котором размещен реакционный блок RU. В частности, первая рамная конструкция 100 придавливается снизу с помощью болтов 206 к реакционному блоку RU, а вторая рамная конструкция 200 придавливается с помощью болтов 206 к реакционному блоку3 RU сверху (сила прижатия точно определена). Реакционный блок RU содержит систему каналов для технологической текучей среды, для осуществления непрерывной реакции множества исходных материалов или реагентов, втекающих в указанную реакционный блок RU с обра
зованием по меньшей мере одного продукта, вытекающего из указанного реакционного блока RU, и систему каналов для теплообменной текучей среды, для регулирования температурных условий в указанной системе каналов для технологической текучей среды. Хотя на фиг. 1 подробно не показаны данные системы каналов, на боковых поверхностях реакционного блока RU видны входные и выходные отверстия, которые расположены на соответствующих окончаниях систем каналов, через которые проходят исходные материалы и продукт/продукты. Входные и выходные отверстия могут быть оборудованы портами входа и выхода, к которым, в свою очередь, подсоединяется соответствующая система трубопроводного соединения (которая может быть эластичной или жесткой), соединяющая реакционный блок RU с внешними устройствами (устройства для подачи исходного материала, насосы, измерительные устройства и т.д.) между соответствующими двумя болтами 206.
На фиг. 2А схематически показан развернутый вид в перспективе микрореактора 10 модульной структуры для осуществления непрерывной реакции в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения. В микрореакторе 10 по второму варианту осуществления изобретения, реакционный блок RU по первому варианту осуществления изобретения разделен вдоль направляющей оси S по направлению от задней части к передней на: теплообменный субмодуль 400, технологический субмодуль 300 и накладную пластину 500, причем оба субмодуля 300 и 400 и накладная пластина 500 расположены между первой и второй рамными конструкциями 100 и 200, а также герметично прижаты друг к другу с помощью данных рамных конструкций.
Первая и вторая рамные конструкции 100 и 200 сделаны в форме прямоугольных фланцев и содержат: четыре отверстия с резьбой 104 и сквозные отверстия 204 соответственно, которые расположены вокруг направляющей оси S и на равном расстоянии относительно нее, и через которые проходят болты 206 (см. фиг. 1), использующиеся для прижатия субмодулей 300 и 400 и накладной пластины 500 друг к другу, в результате чего получается единый герметичный элемент, именуемый выше как реакционный блок RU. Вторая рамная конструкция 200 снабжена прямоугольным отверстием 203, центрированным по отношению к направляющей оси S, которое позволяет осуществить соединение системы каналов 304 для технологической текучей среды, сформированной на передней поверхности технологического субмодуля 300, с внешними элементами через отверстия 502.
Первая рамная конструкция снабжена углублением 106 прямоугольной формы, в которое при сборке микрореактора плотно входит теплообменный субмодуль 400. Углубление 106 служит в качестве устройства для позиционирования согласно изобретению; оно может быть сделано дополнительно (или исключительно) на второй рамной конструкции 200.
Помимо всего прочего, первая и вторая рамные конструкции 100, 200 могут быть изготовлены из любого подходящего материала, например из алюминия, нержавеющей стали и т.д., который бы мог обеспечить необходимую формоустойчивость микрореактора 10.
Как показано на фиг. 2А, технологический субмодуль 300 и теплообменный субмодуль 400 имеют форму пластины и содержат кольцевые пазы 302 и 402 соответственно, в которые входит соответствующее уплотнительное кольцо круглой формы (не показано), так, что после того как микрореактор 10 будет смонтирован, технологический субмодуль 300 прижимает уплотнительное кольцо, размещенное в пазе 402 теплообменного субмодуля 400, таким образом формируя герметически закупоренный отдел системы каналов 404 для теплообменной текучей среды внутри теплообменного субмодуля 400. Точно так же, после того как микрореактор 10 смонтирован, накладная пластина 500 прижимает уплотнительное кольцо, размещенное в пазе 302 технологического субмодуля 300, таким образом формируя герметически закупоренный отдел системы каналов 304 для технологической текучей среды внутри технологического субмодуля 300. Следует отметить, что данное уплотнительное кольцо круглой формы является всего лишь мерой безопасности, чтобы предотвратить течь и обеспечить герметичность технологического субмодуля 300 и теплообменного субмодуля 400; также следует отметить, что контактирующие поверхности накладной пластины 500 (задняя поверхность) и технологического субмодуля 300 (передняя поверхность), а также контактирующие поверхности технологического субмодуля 300 (задняя поверхность) и теплообменного субмодуля 400 (передняя поверхность) имеют глубину микронеровностей равную 1 мкм или менее. Следовательно, с помощью накладной пластины 500 и технологического субмодуля 300 предотвращается утечка текучей среды, находящейся в соответствующей системе, герметизация системы каналов достигается исключительно при помощи прижимного контакта и другой герметизации не требуется. Кроме того, следует отметить в отношении теплообменного субмодуля 400, в котором не происходит химических реакций, что соответствующие контактирующие поверхности не обязательно должны обладать таким же высоким качеством как указано выше, так как утечка части теплообменной текучей среды из одного отдела канала теплообмена в другой не играет большой роли.
В первом варианте осуществления изобретения, который показан на фиг. 2А, после того как микрореактор 10 смонтирован, технологический субмодуль 300 и теплообменный субмодуль 400 находятся в непосредственном термальном контакте. В частности, для того, чтобы обеспечить оптимальный перенос тепла, направление разветвлений системы каналов 304 для технологической текучей среды выстраивается с учетом системы каналов 404 для теплообменной текучей среды теплообменного субмодуля 400.
Как видно из фиг. 2А, система каналов 404 для теплообменной текучей среды, находящаяся в суб
модуле 400 теплообмена, также как и система каналов 304 для технологической текучей среды, находящаяся в технолгическом субмодуле 300, изготовлены в виде системы разветвленных желобов, которая расположена в соответствующих пазах 302, 402. Помимо всего прочего, теплообменный субмодуль 400 и технологический субмодуль 300 снабжены просверленными отверстиями 316, 416, которые совмещены между собой по направляющей оси S, предназначенные для болтов корпуса (не показаны), которые обеспечивают плотную подгонку и соединение технологических и теплообменных субмодулей 300, 400 между собой, а также возможность их съема и замены. При подобном соединении, теплообменный субмодуль 400 и технологический субмодуль 300 могут рассматриваться как единый элемент, который зажат между первой рамной конструкцией 100 и накладной пластиной 500, прикрепленной ко второй рамной конструкции 200.
В первом варианте осуществления изобретения, который показан на фиг. 2А, теплообменный субмодуль 400 расположен таким образом, что система каналов 404 для теплообменной текучей среды, находящаяся внутри данного субмодуля, повернута передней частью к технологическому субмодулю 300 и "запечатывается" им, технологический субмодуль 300, в свою очередь, расположен таким образом, что система каналов 304 для технологической текучей среды, находящаяся внутри данного субмодуля, повернута передней частью к накладной пластине 500 и "запечатывается" с помощью нее.
На фиг. 2В показан вариант альтернативной конструкции, который идентичен тому, что показан на фиг. 2А, за исключением расположения накладной пластины 500 второй рамной конструкции 200. В варианте конструкции, показанном на фиг. 2В, накладная пластина изготовлена из прозрачного материала, например, из стекла, а отверстие 203 и накладная пластина 500 имеют круглую форму и подогнаны друг к другу, в то время как в варианте, который показан на фиг. 2А. данные элементы имеют прямоугольную форму и также подогнаны друг к другу. Это позволяет производить наблюдения за процессами, происходящими в системе каналов 304 для технологической текучей среды и технологического субмодуля 300 (за движением потока текучей среды, за смешением и за тем, как происходит реакция). Следует отметить, что круглая форма прозрачной накладной пластины 500 является предпочтительной, так как таким образом снижается механическая нагрузка на прозрачную накладную пластину 500, существующая из-за высокого рабочего давления, которому подвергаются исходные материалы, проходящие через систему каналов для технологической текучей среды. В отношении варианта накладной пластины 500, который показан на фиг. 2А, где накладная пластина 500 имеет прямоугольную форму, можно сказать, что в данном варианте, выбор соответствующего материала, из которого она изготовлена, и соответствующей толщины пластины, может быть более произвольным. Как указано выше, выбор формы отверстия 203 во второй рамной конструкции обусловлен не только высоким давлением.
На фиг. 3А и 3В схематически показан развернутый вид в перспективе двух вариантов микрореактора для осуществления непрерывной реакции в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения. Различие между фиг. 3А и фиг. 3В снова состоит в том, что на первой фигуре накладная пластина 500 имеет прямоугольную форму и не является прозрачной, а на второй фигуре накладная пластина 500 имеет круглую форму и является прозрачной. Остальные детали идентичны тем, что показаны на фиг. 2А и 2В, соответственно.
Как показано на фиг. 3А и 3В, технологический субмодуль 300 и теплообменный субмодуль 400, изображенные на фиг. 2А и 2В соответственно, комбинируются и составляют технологический и тепло-обменный субмодуль 700. Другими словами это можно выразить так (опять же в отношении второго варианта осущэствления изобретения): (а) система каналов 404 для теплообменной текучей среды, вместо того, чтобы быть расположенной на передней поверхности теплообменного субмодуля 400, располагается на задней поверхности технологического субмодуля 300, а (b) субтеплообменный модуль превращается во вторую накладную пластину 800, как показано на фиг. 3А. Таким образом, общее количество субмодулей и пластин остается неизменным.
На фиг. 4А и 4В схематически показан развернутый вид в перспективе двух вариантов микрореактора для осуществления непрерывной реакции в соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения. Четвертый вариант осуществления изобретения отличается от третьего тем, что (в отношении третьего варианта осуществления изобретения) технологический и теплообменный субмодуль разделен на две части, имеющие форму пластины: первый отдел субмодуля, содержащий систему каналов 304 для технологической текучей среды, и второй отдел субмодуля, содержащий систему каналов 304 для теплообменной текучей среды. Другими словами это можно выразить так (опять же в отношении второго варианта осуществления изобретения): (а) вместо того, чтобы быть расположенной на передней поверхности теплообменного субмодуля 400, система каналов 404 для теплообменной текучей среды, располагается на задней поверхности второго отдела субмодуля, имеющего форму пластины, который находится между теплообменным субмодулем 400 и технологическим субмодулем 300.
Как более подробно показано на фиг. 5, система каналов 304 для технологической текучей среды разделена на зоны 306 смешения с турбулентным потоком и зоны 308 удержания преимущественно с ламинарным потоком, которые расположены последовательно, одна за другой. На входной стороне такого последовательного соединения расположено множество основных входных портов 310, а на выходной стороне такого последовательного соединения расположен порт 314 выхода. Между входной и выходной
сторонами такого последовательного соединения, в частности, в местах соединения между зоной смешения и зоной удержания, предусматриваются вспомогательные входные порты 312, через которые, как описано выше, в систему каналов для технологической текучей среды могут подаваться вторичные исходные материалы (химические вещества). Как показано на фиг. 1-4В, входные порты 310, 312 и порт 314 выхода выполнены на боковых поверхностях реакционного блока RU, в то время как, в соответствии с альтернативной конструкцией (технологический субмодуль 300'), входные порты 310, 312 и порт 314 выхода расположены внутри кольцевого паза 302.
На фиг. 6-15 показаны варианты системы каналов 304 для технологической текучей среды технологического субмодуля 300' согласно изобретению, показанного на фиг. 5, где в каждом варианте конструкции порты входа и выхода расположены внутри кольцевого паза 302 и выходят на боковую сторону передней или задней поверхности (верхняя или нижняя поверхность на фиг. 5 и плоскость проекции на фиг. 6 и фиг. 15), а паз 302 разделяет переднюю поверхность технологического субмодуля 300' на внутреннюю часть (где расположена система каналов 304 для технологической текучей среды) и внешнюю часть (где располагаются просверленные отверстия 316, предназначенные для крепления 300' технологического субмодуля и теплообменного субмодуля 400 друг к другу).
Все варианты системы каналов для технологической текучей среды, показанные на фиг. 6-8 и фиг. 11-15 содержат множество основных входных портов, расположенных во входной части системы каналов 304 для технологической текучей среды (левая часть фиг. 6, например), один порт 314 выхода, расположенный в конечной части системы каналов 304 для технологической текучей среды (правая часть фиг. 6, например), а также один или более вспомогательных входных каналов 312, расположенных между основными входными портами 310 и портом 314 выхода. Таким образом, по основному направлению потока (например, на фиг. 6 - слева направо), можно рассматривать систему каналов 304 для технологической текучей среды как разделенную на секции смешения Ai (где i=4 на фиг. 6), каждая их которых содержит по меньшей мере одну зону 306 смешения с турбулентным потоком и/или по меньшей мере одну зону удержания 308 с ламинарным потоком, где место соединения конечной части секции Ai с входной частью секции Ai+1 является вспомогательным входным портом 312. Таким образом, в месте соединения секции Ai с секцией Ai+1, к промежуточному продукту Pi, который был получен в результате химической реакции в секции Ai, может быть добавлен дополнительный реагент Rj.
Например, технологический модуль 300', показанный на фиг. 6, содержит два основных входных порта 310, предназначенных для реагентов R1 и R2, которые, взаимодействуя в секции A1, образуют первый промежуточный продукт Р1. Через первый вспомогательный входной порт 312, в месте соединения секций A1 и А2 может быть добавлен дополнительный реагент R3 с образованием второго промежуточного продукта Р2, и так далее, до тех пор, пока продукт Р4 (конечный) не покинет технологический модуль 300' через порт 314 выхода.
Технологические модули 300', изображенные на фиг. 9 и 10, отличаются от модулей, изображенных на фиг. 6-8 и 11-15, тем, что они снабжены тремя независимыми системами каналов 304-1 - 304-3 для технологической текучей среды, каждая из которых имеет два входных порта 310 и один порт 314 выхода. Это позволит производить сравнительное изучение различных реакций или эффектов смешения. Следует отметить, что система каналов 304-1 для технологической текучей среды снабжена двумя зонами 306 смешения, в то время как системы каналов 304-2 и 304-3 для технологической текучей среды выполнены только с одной зоной 306 смешения.
На фиг. 17 в качестве примера приведены различные типичные варианты конструкции элементов смешения (где от а до f дана феноменологическая классификация различных вариантов конфигурации элементов смешения по внешнему виду): Т-контактор, Y-контактор, касательный элемент смешения, элемент смешения с изгибом, SZ элемент смешения и LZ элемент смешения, соответственно. Эти варианты конструкции видны на фиг. 6-16, иллюстрирующих различные модификации изобретения.
Далее приводится более детализированное описание различных вариантов конструкции систем каналов со ссылками на иллюстрирующие фигуры.
На фиг. 8 показаны три различных типа зон 306 смешения (слева направо): более длинная зона смешения, за которой следует более короткий касательный элемент смешения, прямой LZ элемент смешения и SZ зона смешения, имеющая преимущественно форму U -изгиба. Кроме того, в определенных местах на фиг. 8 показаны маленькие значки "откоса" 320, которые указывают на то, что система каналов для технологической текучей среды в этих местах расположена в более чем двух измерениях, то есть указывают место, где соответствующий канал имеет внутренний уклон, причем направление уклона соответствует направлению значков "откоса" 320.
Также на фиг. 10 приведено более детализированное описание секции 304-1. На фигуре слева, где показана зона 306 смешения, также даны выступы 322, расположенные главным образом в средней части каждого из четырех касательных элементов смешения, которые составляют зону 306 смешения. Такого же рода выступы показаны, например, на фиг. 10. Выступы 322 увеличивают эффективность завихрений текучей среды при смешивании. На схеме технологического модуля также показаны значки "откоса", о которых говорилось выше.
Следует отметить, что тот факт, что структура системы каналов 304 для технологической текучей
среды имеет три измерения (как говорилось ранее), можно видеть также из сужения канала на входе в касательный элемент смешения, что показано на фиг. 13, например, и отсутствует на фиг. 10. Сочетание участков системы каналов, которые расположены в трех измерениях и участков, расположенных в двух измерениях, показано на фиг. 15 в элементе смешения справа, где, по направлению потока (в данном элементе смешения - направление сверху вниз) сочетание таково: 2D-3D-2D-3D.
На фиг. 13 показана возможность использования в так называемых "каталитических каналах потока" 318 каталитических веществ (то есть в каналах потока в системе каналов 304 для технологической текучей среды, которые содержат, например, в форме покрытия, катализаторы, по которым происходит движение потока реагентов/продуктов) Это означает, что катализаторы составляют часть корпуса технологического модуля. Заслоны 324 предотвращают попадание частиц катализаторов в систему каналов для технологической текучей среды.
Также важно заметить, что изменение направления движения потока от входа в элемент смешения к выходу из элемента смешения может приводить к идентичным, либо различным результатам смешивания.
При сравнении фиг. 6-15, становится видно, что длина системы каналов 304 для технологической текучей среды, ее ширина, направление, конфигурация и т.д. могут варьироваться вне зависимости друг от друга, таким образом, система каналов 304 для технологической текучей среды может быть модифицирована наиболее эффективно.
На фиг. 16А и 16В схематически показан развернутый вид в перспективе микрореактора в собранном виде в соответствии с настоящим изобретением, где на фиг. 16В приведено увеличенное изображение системы каналов для технологической текучей среды, изображенной на фиг. 16А, где она показана, через вторую рамную конструкцию.
Более определенно, на фиг. 16В приведена конструкция, схематически показанная на фиг. 5. Хорошо видна система каналов 304 потока, содержащая зону 306 смешения, зону 308 удержания, и вспомогательные входные порты 312. Обращают на себя внимание основные порты 310 входа и 316 выхода, при помощи которых микрореактор соединяется с насосом и подходящей емкостью для продукта соответственно.
В отношении материалов, которые используются в первом и втором варианте осуществления изобретения, следует отметить, что, в основном, для изготовления технологического модуля используются твердый материал, обеспечивающий формоустойчивость, а для изготовления теплообменного модуля материал может быть твердым или пластичным, предпочтительно это нержавеющая сталь. Твердыми материалами, использующимися для изготовления технологического модуля, могут быть, например: нержавеющая сталь, сплав Хастеллой и другие сплавы никеля, вольфрам, тантал, титан, керамический материал, графит, плавленый кварц (матовый, полупрозрачный или цветной); пластичными материалами, использующимися для изготовления теплообменного модуля, могут быть, например: полимеры, алюминий, сплавы алюминия, серебро или его сплавы, предпочтительно с алюминием или алюминиевыми сплавами. Твердыми материалами, использующимися для изготовления теплообменного модуля, могут быть, например: нержавеющая сталь, сплав Хастеллой и другие сплавы никеля, а также керамический материал. Материал, использующийся для изготовления прозрачной накладной пластины, может, предпочтительно, быть выбран из группы следующих материалов: полимеры, кремниевое стекло, кварцевое стекло или плавленый кварц. Следует отметить, что все поверхности, даже поверхность стекла, должны быть отшлифованы так, чтобы шероховатость поверхности равнялась 1 мкм.
На фиг. 18 показано схематическое изображение, представляющее случаи осуществления изобретения с первого по четвёртый, с соответствующими иллюстрациями. Кроме того, для лучшего понимания структуры основных пунктов формулы изобретения, некоторые признаки изобретения, определение которых дано в формуле изобретения, обозначены на схеме квадратами, нарисованными пунктирной линией. В частности:
(i) в столбцах, с первого по четвертый, представлены варианты осуществления изобретения, с первого по четвертый, соответственно;
(ii) реакционный блок содержит накладную пластину и технологический и теплообменный модуль (- А), в соответствии со вторым, третьим и четвертым вариантом осуществления изобретения;
(iii) В обозначает систему каналов для технологической текучей среды, а С обозначает систему каналов для теплообменной текучей среды;
(iv) D обозначает признак изобретения, определение которого дано в п.2 формулы изобретения, Е обозначает признак изобретения, как определено в п.3 формулы изобретения, F обозначает признак изобретения, как определено в п.5 формулы изобретения, и G обозначает признак изобретения, как определено в п.6 формулы изобретения.
Список условных обозначений 10 - микрореактор для осуществления непрерывной реакции; 100 - первая рамная конструкция; 104 - отверстия с резьбой; 106 - углубление прямоугольной формы;
200 - вторая рамная конструкция;
203 - отверстие круглой формы;
204 - сквозные отверстия; 206 - болты;
300(') - технологический субмодуль; 302 - кольцевой паз;
304 - система каналов для технологической текучей среды;
306 - зона смешения;
308 - зона удержания;
310 - основные входные порты;
312 - вспомогательные входные порты;
314 - порт выхода;
316 - просверленные отверстия;
318 - каналы потока с каталитическим покрытием;
320 - места уклона;
322 - выступы;
324 - заслоны;
400 - теплообменный субмодуль; 402 - кольцевой паз;
404 - система каналов теплообменной текучей среды;
416 - просверленные отверстия;
500 - накладная пластина;
502 - отверстия;
600 - накладная пластина;
700 - технологический и теплообменный субмодуль; 800 - вторая накладная пластина;
А, В - ориентированность технологического субмодуля 300;
Р - продукты;
R - реагенты;
RU - реакционный блок;
S - направляющая ось.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Микрореактор модульной структуры для осуществления непрерывной реакции, содержащий расположенные вдоль продольной оси их укладки первую рамную конструкцию, реакционный блок и вторую рамную конструкцию, при этом
указанный реакционный блок содержит систему каналов для технологической текучей среды, предназначенную для осуществления непрерывной реакции множества исходных материалов или реагентов, втекающих в указанный реакционный блок с образованием по меньшей мере одного продукта, вытекающего из указанного реакционного блока, и систему каналов для теплообменной текучей среды, предназначенную для регулирования температурных условий в указанной системе каналов для технологической текучей среды,
указанные первая и вторая рамные конструкции выполнены в виде фланца и
указанные первая и вторая рамные конструкции прижаты друг к другу с помощью множества устройств натяжения,
отличающийся тем, что
указанная система каналов для технологической текучей среды и указанная система каналов для теплообменной текучей среды предусмотрены внутри технологического и теплообменного модуля,
указанный реакционный блок содержит накладную пластину, помещенную между указанным технологическим и теплообменным модулем и второй рамной конструкцией,
указанный реакционный блок, содержащий систему каналов для технологической текучей среды, может быть отдельно заменен для того, чтобы приспособить его к множеству технологических проблем, которые должны быть исследованы и решены, и
указанная вторая рамная конструкция выполнена с обеспечением осуществления осмотра указанной системы каналов для технологической текучей среды через указанную накладную пластину, которая выполнена прозрачной.
2. Микрореактор по п.1, отличающийся тем, что
указанный реакционный блок содержит технологический и теплообменный модуль, и указанная система каналов для технологической текучей среды содержит микроструктуру, которая сформирована на реакционной поверхности указанного технологического и теплообменного модуля, и непосредственно закрыта указанной накладной пластиной с обеспечением уплотнения указанной систе
мы каналов для технологической текучей среды.
3. Микрореактор по п.2, отличающийся тем, что
указанный технологический и теплообменный модуль содержит технологический субмодуль в форме пластины, передняя поверхность которого является указанной реакционной поверхностью, и теп-лообменный субмодуль в форме пластины, размещенный между указанным технологическим субмодулем и указанной первой рамной конструкцией, и
указанная система каналов теплообменной текучей среды содержит микроструктуру, которая сформирована на передней поверхности указанного теплообменного субмодуля, и закрыта задней поверхностью указанного технологического субмодуля с обеспечением уплотнения указанной системы каналов теплообменной текучей среды.
4. Микрореактор по п.3, отличающийся тем, что указанный теплообменный субмодуль и указанная первая рамная конструкция интегрированы в один элемент.
5. Микрореактор по п.2, отличающийся тем, что
указанный технологический и теплообменный модуль содержит технологический и теплообменный субмодуль в форме пластины, передняя поверхность которого является указанной реакционной поверхностью, и вторую накладную пластину, размещенную между указанным технологическим и теплообмен-ным субмодулем и указанной первой рамной конструкцией, и
указанная система каналов теплообменной текучей среды содержит микроструктуру, которая сформирована на задней поверхности указанного теплообменного субмодуля, и закрыта указанной второй накладной пластиной с обеспечением уплотнения указанной системы каналов теплообменной текучей среды.
6. Микрореактор по п.5, отличающийся тем, что указанный технологический и теплообменный субмодуль разделен с помощью пластины, расположенной перпендикулярно по отношению к указанной оси укладки, на первый отдел субмодуля в форме пластины, содержащий указанную систему каналов для технологической текучей среды, и второй отдел субмодуля в форме пластины, содержащий указанную систему каналов теплообменной текучей среды.
7. Микрореактор по п.5 или 6, отличающийся тем, что указанная вторая накладная пластина и указанная первая рамная конструкция интегрированы в один элемент.
8. Микрореактор по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что указанная вторая рамная конструкция выполнена с обеспечением осуществления осмотра указанной системы каналов для технологической текучей среды через указанную вторую рамную конструкцию и указанную накладную пластину.
9. Микрореактор по п.8, отличающийся тем, что указанная вторая рамная конструкция снабжена смотровым окном для обеспечения такого осмотра.
10. Микрореактор по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что указанная вторая рамная конструкция выполнена с обеспечением осуществления внешнего соединения по текучей среде указанной накладной пластины через вторую рамную конструкцию, так что служит в качестве входного средства для текучей среды указанной системы каналов для технологической текучей среды.
11. Микрореактор по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что поверхность указанной накладной пластины, непосредственно закрывающей указанную систему каналов для технологической текучей среды, имеет каталитическое покрытие.
12. Микрореактор по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что указанный реакционный блок снабжен множеством основных входных портов для множества основных исходных материалов, втекающих в указанную систему каналов для технологической текучей среды, и по меньшей мере один дополнительный входной порт, расположенный по направлению потока после указанного множества основных входных портов, для по меньшей мере одного дополнительного исходного материала, втекающего в указанную систему каналов для технологической текучей среды.
13. Микрореактор по п.12, отличающийся тем, что указанные основные и/или дополнительные входные порты расположены на боковых поверхностях и/или на передних и задних поверхностях реакционной установки.
14. Микрореактор по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что указанная система каналов для технологической текучей среды и/или указанная система каналов теплообменной текучей среды выполнены в виде меандра.
15. Микрореактор по любому из пп.1-14, отличающийся тем, что указанная система каналов для технологической текучей среды содержит по меньшей мере одну зону смешения с турбулентным потоком и по меньшей мере одну зону удержания преимущественно с ламинарным потоком, которые расположены последовательно по направлению потока протекающих через нее указанных основных исходных материалов.
16. Микрореактор по любому из пп.1-15, отличающийся тем, что указанные первая и вторая рамные конструкции снабжены первым и вторым средством для позиционирования, соответственно, которые определяют положение указанного реакционного блока по отношению к оси укладки.
17. Микрореактор по п.16, отличающийся тем, что указанные первое и второе средства для позиционирования выполнены в виде углублений в поверхностях указанных первой и второй рамных конст
10.
рукций, соответственно, друг напротив друга, причем по внутреннему периметру форма углублений соразмерна форме внешнего периметра соответствующей стороны указанного реакционного блока.
18. Микрореактор по п.17, отличающийся тем, что указанные углубления, формирующие указанные первое и второе средства для позиционирования, имеют прямоугольную форму.
s I
О Lab69474- Q ^ ~405 О
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
025581
- 1 -
(19)
025581
- 1 -
(19)
025581
- 4 -
(19)
025581
- 13 -
025581
- 14 -
025581
- 16 -
025581
- 17 -
025581
- 18 -
|
