TW201117878A - Microchannel reactors - Google Patents

Description

201117878 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明揭軸容-般係關於微通道反應器，以及特別 疋關於微通道反應器以重力輔助流動以及包含火焰障壁層 插入物，其允許馬度放熱反應之處理過程。 【先前技術】 ^微型反應器通常稱為微結構反應器，微通道反應器，微 管路反應ϋ’或微流錄置，試樣被關於其巾以及進行處 理。不論使用的特定術語如何，微型反應器這種裝置都可 以將試樣侷限於其内⑽行處理。賴可為活動或靜態， 但疋通常為活動試樣。在—些情況巾，這賊理涉及化學 反應的分析。在-些其他情財，這種處理是利用兩種性 質不同的反應劑當作製程的部份來執行。在另—些情況中 ，是將活動或靜態的目標試樣侷限在微型反應器内，同時試 樣與關聯的熱交換流體間進行熱交換。不論哪種情況，侷 限的空間尺寸可在大約lmm的等級。微通道是最典型的一 種舰形式，同輕觀絲通妓—種賴流反應器，與 批次（間歇)反應器相反。微通道的内部尺寸在傳質率與傳 …、率方面都&供相當的改進。採用微通道的微型反應器可 提供許多超越習用_反應n的優點，包括能量效表反應 速度，反應產量，安全性，可靠性，可量測性等，都有極大的 改進。 雖说也有優點，{旦有些反應條件也針對微反應器提出 挑戰。例如，面放熱反應只能在控制溫度升高的條件下處 201117878 理。例如，臭氧分解是已知的高爆炸性反應，因此微反應器 可以在微反應器内使用低反應容積和侷限的方式以避免火 焰傳播。另一個話題是兩種相位的流，譬如氣體/液體流， 可能在反應器内導致令人無法接受的高壓降。 【發明内容】 本發明是關於微反應器，尤其是安排作為重力辅助流 動或降膜的彳政反應器，用在譬如臭氧分解反應的危險反應 上特別有用。更者，微反應器可以處理兩種相位（氣體/液 體）的流動，而在反應器内不會有令人無法接受的壓降。 依據本本發明一項實施例，提供一個微通道反應器。 微通道反應器包括微通道外殼，包含多個作為重力輔助流 動的通道，和位於微通道外殼上方的上層微結構。上層微 結構包括氣體供料迴路，液體供料迴路，和至少一個混合 空腔。微通道外殼包含至少一個反應通道，混合空腔和反 應通道成流體連通。氣體供料迴路包含至少一個氣體供 給入口，可用來輸送氣體供料到混合空腔。液體供料迴路 包含至少一個液體供料入口和鄰近混合空腔的液體儲存 槽’在其中液體供料和至少一個液體供料入口成流體連通 。液體儲存槽可用來輸送液體供料到混合空腔。 在進一步的實施例中，混合空腔可包括火焰隔離嵌入 件，可在譬如臭氧分解反應的危險反應中避免火焰傳播。 下列本發明特定實施例之詳鍤說明當連同下列附圖閱 5買時將能夠最佳地暸解，其中相同的結構以相同的參考符 號說明。 201117878 【實施方式】 參考圖1，微通道反應器1也可被稱為降·反應器，其 包括微通道外殼20,和位於微通道外殼2〇上方的上層微結 構10。如圖3所示，微通道外殼20可以是長方形狀；然而其 他型態的外设20譬如圓柱形外毅在此也可被考慮。參考圖 1，微通道外殼20可以包括多個開放端點的通道23,譬如微 通道的直徑小於1mm。如圖1所示，開放端點的通道23是直 的通道，互相平行放置；然而，我們認為在有些工業應用上 可能需要放置非平行設計的彎曲或繞行的通道。像是微管 道外殼20,通道23可以是各種厚度和形狀。例如，通道23可 以是圓形，圓柱形，三角形，六角形，或長方形通道。外殼2〇 的位置最好可使安排在其内的通道23做為重力輔助流動， 也就是說通道不是水平的，最好以45度内或小於垂直的角 度放置，包括垂直位置。 在微通道外殼20的很多通道23中，微通道外殼20可包 括至少一個反應通道22如圖1所示。如圖1的實施例所示， 反應通道22可包括微通道外殼20内兩個或以上相鄰的通道 。以下將會詳細描述，我們將反應通道22設計成可用來混 合下降的氣體和液體供料。雖然我們認為反應通道22可以 是各種形狀和設計，圖3實施例中的反應通道22可包含一個 圓柱形通道位於火焰隔離嵌入件62下方。以下將詳細描述 混合空腔60和火焰隔離嵌入件62。 再參考圖1，微通道外殼20可進一步包括位於相鄰反應 通道22的至少一個冷卻劑通道24。藉由將冷卻劑通道24放 201117878 在相鄰的反應通道22,可使冷卻劑通道24扮演反應通道22 熱交換的角色。因此，冷卻劑通道24對於在反應器1内需要 溫度控制的反應是很有幫助的；然而，並不是所有反應都需 要。就像反應通道22,冷卻劑通道24可包括一個或多個微 通道外殼20的通道23。更者，冷卻劑通道24可根據工業應 用的需求界定出多個形狀。參考圖1和3的實施例，冷卻劑 通道24可界定出一個環，同軸圍繞著圓柱形反應通道22。 雖然本發明將反應通道22和冷卻劑通道24描述成彳占據 微通道外殼20的一個或多個通道23,但這不是反應劑和冷 卻劑通道唯一可見的實施例。例如，反應劑通道和冷卻劑 通道可包含自己的形成結構，和微通道外殼20的通道23是 分開的。 再參考圖1，微通道反應器1的上層微結構1〇可包括一 層或界定出多層結構。如圖1和2的實施例所示，上層微結 構10可包括第一塊板12和位於第一塊板12和微通道外殼2〇 之間的第二塊板14。上層微結構1〇是用來輸送和控制液體 供料54,氣體供料44,或冷卻劑供料到微通道外殼2〇。請大 致參考圖1和6的實施例，上層微結構1〇可包括氣體供料迴 路40,液體供料迴路50,或冷卻劑供料迴路7〇。 如這裡使用的，"迴路”可包括上層微結構1〇的各種元 件，設計用來輸送反應劑到微通道外殼20,譬如入口管，儲 存槽，貯藏器和通道。 再參考圖2,上層微結構1〇也可包括至少一個混合空腔 60,和微通道外殼20的反應通道22成流體連通。如圖所示， 6 201117878 混合空腔60可以是位於上層微結構ίο上方的開放端點結構 。例如，混合空腔60可以位於上層微結構1〇的第二塊板 内如圖2所示。如以下的說明可以利用混合空腔6〇當作分 別來自氣體和液體入口 41，51的氣體供料44和液體供料54 混合的地方。 如圖1，4和6所示，氣體供料迴路4〇包括至少一個氣體 供料入口 41，而且也可包括至少一個氣體儲存槽42，和氣體 供料入口 41成流體連通。可設計氣體供料入口 41來提供混 合空腔60氣體供料。在另一實施例中，可以在輸送到混合 空腔60之前，將氣體供料輸送到氣體儲存槽42。如圖1的實 施範例所示，氣體供料入口 41可以位於第一塊板12内，而氣 體儲存槽42可以位於第二塊板14内，在氣體供料入口 41下 方的位置。雖沒有顯示出來，這裡我們認為可設計各種輸 送裝置來耦合，並輸送氣體供料44到氣體供料入口 41。更 者，如以上的說明，可以是合適的各種氣體供料44成分。 再參考圖1’4和6,液體供料迴路50可包括至少一個液 體供料入口 51，和至少-個液體儲存槽52，和液體供料入口 51成流體連通。如圖2所示，液體儲存槽52相鄰於混合空腔 60’而在進一步的實施例可以位於氣體儲存槽42下方。如 :1和4所示，可運作液體儲存槽52以輸送液體供料55到混 口二腔60。雖然本說明強調是輸送液體供料55到混合空腔 6()’但我們認為至少-部份的液體供料55可能跳過混合空 ，60,直接進入到反應通道22。我們更進一步認為至少一 部份的液體供料55,可能在進入混合空腔6〇之前通過氣體 7 201117878 儲存槽42。 在圖2所示的進一步實施例中，混合空腔6〇可包括至少 一個火焰隔離嵌入件62位於混合空腔60内。火焰隔離欲入 件62可用來避免危險的火焰傳播，通到氣體供料迴路4〇或 液體供料迴路50。如以上所述，反應通道内的反應，譬如臭 氧分解是高可燃性的，因此最好要避免火焰逸出微通道反 應益1到達氣體入口 41或液體入口 51。雖說適合的各種材 料都可避免火焰傳播，火焰隔離嵌入件62可包含的材料，譬 如多孔的玻璃（譬如硼矽酸鹽玻璃）或多孔的陶瓷或玻璃陶 瓷，或譬如碳纖維的纖維材料都允許液體或氣體流進反應 通道22。侧矽酸鹽玻璃可以是c〇rning Inc.公司生產的 Pyrex 7761(鉀鹼硼矽酸鹽碾碎/粉末狀的玻璃）。陶瓷可 以是氧化銘或Celcor，帛在業界蜂驗結構的堇青石材料 可作為汽車觸轉化H的基板。如同熟悉此概術的人所 熟悉的’多孔的玻璃或陶究在微反應器j使用之前，先要執 行其他處理步驟，例如再抽拉。在一項實施例中，ω咖材 料可在8601：以450公克的拉力和2〇毫巴的内部麼力再抽拉 以避免小室破裂。這裡也可考慮其他氧化石夕玻璃和其他陶 究材料。多孔性可根據工業的應用而改變。在一項實施例 中，火焰隔離嵌入件62可包括毛細管或細孔直徑大約在50 到300微米的範圍，最好小於1〇〇微米。 於微二:通道反應器1也可包括下層微結構3。位 g、、、D構。參考圖1和5,下層微結構30 201117878 可包括第三塊板32,位於下層微結構30的底部，以及位於第 三塊板32和微通道外殼20之間的第四塊板34。雖然下層微 結構30類似上層微結構1〇,又更進一步被設計來分離落下 的氣體/液體混合物80,在微通道外殼20的反應通道22内反 應。為了達此目的，下層微結構30包括一個分離的空腔“Ο ，和反應通道22成流體連通也就是說反應的氣體和液體8〇 混合物從反應通道22被輸送到分離的空腔16〇。 參考圖1和5,分離的空腔160可放置在第四塊板34之内 。氣體和液體混合物80可藉著分離的空腔將其分開可 利用重力分離，或其他熟悉此項技術的人所熟知的適合方 式。 類似上層微結構1〇的混合空腔6〇,下層微結構3〇的分 離工腔160包括-個火焰隔離嵌入件162可用來避免火焰從 下層微結構30逸出。雖齡離空腔⑽的火焰隔離嵌入件 162結構和成分上都類似於混合空腔6〇的火焰隔離散入件 62’但分離空腔16〇的火焰隔離嵌入件162也可用來作為分 離器工具。如圖1和5所示，火焰隔離嵌入件162可以-個角 度(請見傾斜邊163)的斜面在火焰隔離嵌入件162最佳的末 献集液體，促使氣體和液體改善的分離。在一個或多個 的實施例中，驗可以是約3G到約6G度，或約45度。再參考 圖1和5,下層微結構30包括至少一個氣體出口 141或至少— 151，兩者都和_腔⑽成流體連通，也就是 虱-σ 141和液體出口 151從分離空腔⑽ 分離的氣體和液體。如圖…重力分離的實施例所示，液 201117878 體出口 151位於分離空腔160下方，而氣體出口 141和分離空 腔160垂直位移。下層微結構30也可包括冷卻劑出口 Hi 包括和上層微結構1〇的冷卻劑入口 71類似的結構。 雖然圖1-5是關於包括一個或兩個反應通道22或混合 空腔60的實施例，但微通道反應器1也可包括數百或數千個 反應通道22。參考圖6和7的實施例，微通道反應器丨可包括 液體迴路50,氣體迴路40和冷卻迴路70可用來供料16個反 應通道22和混合空腔60。 運作上如圖1所示，液體供料54輸送到上層微結構1〇的 液體入口 51，而氣體供料44輸送到上層微結構1〇的氣體供 給入口 41。接著，氣體供料44可以經由氣體儲存槽42輸送 到混合空腔60的火焰隔離嵌入件62。在經由液體入口 51收 到液體供料54時，會傳到鄰近混合空腔60的液體儲存槽52 。在這時，液體會流到火焰隔離嵌入件62。對包括氣體儲 存槽42的實施例而言，我們認為溢流的液體供料55可能會 通過氣體儲存槽42。在輸送到混合空腔60時，混合空腔60 内的液體和氣體供料接著會被送到反應通道22。由於氣體 供料44流動所提供的壓力，我們認為氣體/液體混合物8〇的 液體會主導朝向混合空腔60的壁板和反應通道22。在反應 通道22反應之後，落下的氣體/液體混合物8〇接下來可以下 層微結構30的分離空腔16〇分離。分離的氣體46和分離的 液體56分別經由氣體出口 mi和液體出口 151輸出。為了控 制反應溫度，冷卻劑入口 71的冷卻劑72可經由通道24輸送 以控制鄰近反應通道22的溫度。 201117878 反應器1的元件可由熟悉此項技術的人所熟知的各種 方式加以建構，例如擠製，鑄造，再抽拉或這些的組合。反 應器1的元件（譬如下層微結構30,上層微結構1〇,和微通道 外设20)可包含的材料像是玻璃堇青石，氧化紹，和其他陶 莞或其組合’可修改以形成其内的通道，$腔，和其他結構 。我們認為下層微結構30,上層微結構10,和微通道外殼2〇 可以都包含同樣的材料，或者也可以包含不同的材料。 在形成個別的元件之後，可使用各種技術將下層微結 構30,上層微結構1〇,和微通道外殼2〇组合起來，譬如高溫 ，璃黏結，玻一璃料密封或這些的組合’在產生的微通道反應 器丄内造成高溫麵麟，綱料密封或這些的組合。在一 個高溫玻璃黏結的實施例，上層微結構1()和下層微結構3〇 可以在約81G°C的溫度黏結到微通道外殼2Q。在一個玻璃 原料密封的實施例中，可以發生在比高溫玻璃黏結較低的 溫度，玻璃料可包括任何匹配pyrex 7761的原料或任何使 丨的其他補（譬如氧德原料呈現的熱膨脹係 數(CTE)在約65和75xl(T7/c之間）。 微通道反絲1實_雜紐點。例如，反應器可以 低壓降和高換效騎行大好行化秋 應器的微結構提供優㈣流程序魏聽易安排串列和/ 或平行的反絲。除了_紐翻和分配 結構可使反應器以多個流的體㈣作。例如，可以 T_r)流模式（氣泡顧條_ 體心.蕊和舰_'觀⑪），《及其倾_=^^ 201117878 系運作反應器。如以上進-步的敘述，火焰隔離嵌入件可 使微反應器在危險的反應條件下運作。臭氧分解是火焰傳 播很平常的化學反應例子；然而應該要瞭解，反應器不限定 在這種應用上。 此處揭露的方法錄置，或是根據此處揭露的方法所 製造的裝置’狀任何涉及流體或流航合驗的混合，分 離’萃取，結晶’沉澱或其他處理等製程的進行極有助益。 前述流體或流體混合物包括微結構内的流體多相混合物亦 包括含有隨的流财相混合物所構成喊體或流體混合 物。前述處理可包括物理_，定義為製織可導致有^ 無機，或有機與無機物類互換的化學反應，生化製程，或任 何其他形式的處理。使用本發明方法及/或裝置可以進行 的反應如下列非限制性之：氧化作用；還原作用；取代反應； 消除反應;加成反應；配位體交換;金屬·;及離子交換^ 更明確地說，使用本發明揭露的方法及/或裝置可進行下列 f艮制性清單内的任何反應：聚合作用；烧基化作用；脫烧 ^用；硝化作用；過氧化作用；續化氧化作用；環氧化作用 ，氨氧化作用；氫化作用；脫氫作用；有機金屬反應;貴金屬 化學/均質低反應;絲化_;魏化_;院氧基 化作用；i化紙脫j化糊湖侧 乍用麟用一;芳基化作用縮氨 =;醇義合作用；環化縮合紙脫氫環化作用； 用，用爾化作用；雜環化合物合成;脫水作用；醇解作 用；水解她麟_概_; _齡1_化;皂 201117878 ，·甲醯化作用；相轉移 j作用，臭氧分解作用 J匕;耦聯反應；及酶 化作用；同分異構化作用；季銨化作用；甲趣 反應；甲矽烷基化作用；腈合成;磷酸化作用 ;疊氮化物化學;複分解作用；氫化矽烷化；耒 催化反應。 為了說明與定義本發明，本說明書内使用"大約", 係表示基雜蚊量比較，紐度量或其他絲法而固有 的不確絲m辦肋表錢岐量表示法時 ’可異於所述基準值耐料致論述主生基本功能變 化的容許程度。除此，雖朗謂"至少”使用來料出數種 本發明成份，使賊名詞之成份財受限於單一元素。 在本說明書中名詞之含意或定義某種程度與參考文獻 中所包含名詞之含意献義並不-致，該名詞之含意或定 義將受限於本發明說明書。 雖然本發明在此已湘詳細說明及參考特定實施例加 以說明’人們瞭解列舉性實施例能夠作許多變化以及能夠 設計出其他制而並不會脫離下财料利範圍界定出本 發明精神及原理。特別是，雖然本發明一些項目在此已表 示為優先的或_有益地，已翻本發明並不必需受限於 本發明這些優先情況。 【圖式簡單說明】 圖1依據本發明一項或多項實施例微通道反應器之侧 視斷面圖。 圖2為分解側視斷面圖，其顯示出依據本發明一項或多 項實施例微通道反應器之上層微結構。 13 201117878 圖3是圖1微通道反應器的部份頂部斷面圖，特別顯示 液體迴路，氣體迴路，冷卻迴路，兩個上層微結構的混合空丁 腔,和微通道外殼的反應和冷卻通道。 圖4是圖1微通道反應器的部份侧面斷面圖，特別顯示 從液體迴路溢流的液體供料流到上層微結構的混合空腔。 . 圖5是圖1微通道反應器的部份側面斷面圖，特別顯示 依據本發明一個或多個實施例的下層微結構。 圖6是包括16個混合空腔微通道反應器的液體和氣體 迴路的示意圖。 圖7是包括16個混合空腔微通道反應器的液體，氣體和 冷卻迴路的示意圖。 人們瞭解附圖所揭示實施例只作為範例性以及並非作 為限制申請專利範圍所界定出之本發明。除此，附圖以及 本發明之各別特性將由下列本發明將更能完全清楚以及了 解。 【主要元件符號說明】 微通道反應器1;區塊4;上層微結構1〇;第一塊板 12;第二塊板14;微通道外殼20;反應通道22;通道23; 冷卻劑通道24;下層微結構3〇;第三塊板32;第四塊板 34;氣體供給迴路4〇;氣體供料入口 41;氣體儲存槽π; 氣體供料44;分離的氣體46;液體供料迴路50;液體供料 ' 入口 51;液體儲存槽52;液體供料54;液體供料55;分離 的液體56;混合空腔6〇;火焰隔離嵌入件62;冷卻劑供料 迴路70;冷卻劑人口 71;冷卻劑72;分離之冷卻劑74;氣 201117878 體和液體混合物80;氣體出口 141;液體出口 151;分離空 腔160;火焰隔離嵌入件162;傾斜邊163;冷卻劑出口 171。 15

Claims (1)

1. 201117878 七、申請專利範圍 1. 一種微通道反應器（1)，其包含含有多個通道(23)之微通 道外殼(20)，通道放置成作為重力輔助供料，和位於微通道 外殼(20)上方的上層微結構(1〇)，上層微結構（1〇)包括氣 體供料迴路(40)，液體供料迴路(5〇)，和至少一個混合空腔 (60),其中： 微通道外殼(20)包含至少一個反應通道(22); 混合空腔(60)和反應通道(22)成流體連通； 氣體供料迴路(40)包含至少一個氣體供料入口（41),可 用來輸送氣體供料到混合空腔（6〇);以及 液體供料迴路(50)包含至少一個液體供料入口（51)以及 至少一個液體儲存槽（52)鄰近混合空腔（60)以及與至少一 個液體供料入口（51)成流體連通，其中液體儲存槽（52)可 用來輸送液體供料到混合空腔(60)。 2. 依據申請專利範圍第1項之微通道反應器（1)，其中氣體 供料迴路(40)包含至少一個氣體儲存槽(42)與氣體供料入 口（41)成流體連通，氣體儲存槽(42)位於混合空腔(6〇)上 方以及配置成由氣體供料入口（41)輸送氣體供料至混合空 腔。 3. 依據申請專利範圍第1或2項之微通道反應器（1)，其中上 層微結構(10)包含冷卻迴路(70)。 4. 依據申請專利範圍第1或2項之微通道反應器（1),其中反 應劑通道(22)包含至少一個微通道外殼(20)之通道(23)。 5·依據申請專利範圍第4項之微通道反應器（1 )，其中微通 16 201117878 道外殼(20)更進一步包含至少一個冷卻劑通道(24)位於相 鄰於反應劑通道(22)以及與冷卻迴路(70)成流體連通，其 中冷卻劑通道(24)包含至少一個微通道外殼(2〇)之通道 (23)。 • 6·依據申請專利範圍第1或2項之微通道反應器（1)，其中液 ' 體儲存槽（52)配置成輸送至少部份液體供料經由氣體儲存 槽（42)於輸送至混合空腔（6〇)之前。 7. 依據申請專利範圍第1或2項之微通道反應器（1乂其中混 合空腔（60)包含火焰隔離嵌入件（62)位於混合空腔（6〇)内 側。 8. 依據申請專利範圍第7項之微通道反應器（1 )，其中火焰 隔離嵌入件(62)為多孔性玻璃，玻璃陶瓷，或陶瓷。 9. 依據申請專利範圍第7項之微通道反應器（丨），其中火焰 隔離嵌入件（62)包含硼矽酸鹽玻璃，堇青石，氧化鋁，或其 組合物。 10. 依據申請專利範圍第7項之微通道反應器（丨乂其中火焰 隔離嵌入件(62)包含纖維性材料。 11. 依據申請專利範圍第7項之微通道反應器乂其中火焰 隔離嵌入件(62)包含具有直徑在50-300微米範圍内之毛細 管或孔隙。 12. 依據申請專利範圍第7項之微通道反應器（丨乂其中火焰 • 隔離嵌入件（62)包含具有直徑小於1 〇〇微米之毛細管或孔 隙。 13. 依據申請專利範圍第1或2項之微通道反應器，其中 201117878 上層微結構(10)包含第一塊板（12)以及第二塊板（14)位於 第一塊板(12)與微通道外殼(20)之間。 14. 依據申請專利範圍第丨3項之微通道反應器（丨），其中混 合空腔（60)位於第二塊板（η)中。 15. 依據申請專利範圍第1或2項之微通道反應器（丨），其中 • 更進一步包含下層微結構(30)位於微通道外殼(20)下方， 其中下層微結構(30)包含分離空腔（160)與反應通道(22) 成流體連通。 16. 依據申請專利範圍第丨5項之微通道反應器（丨），其中分 離空腔（160)包含火焰隔離嵌入件（162)。 Π.依據申請專利範圍第16項之微通道反應器（1)，其中火 焰隔離嵌入件（162)以一個角度傾斜以分離氣體及液體。 18. 依據申請專利範圍第丨7項之微通道反應器（丨），其中角 度在30度與60度之間。 19. 依據申請專利範圍第丨5項之微通道反應器（丨），其中下 層微結構(30)包含至少一個氣體出口（14ι)以及至少一個 液體出口（151)，氣體出口（141)以及液體出口（151)與分離 空腔（160)成流體連通,使得氣體出口（丨41)可用來接收由 分離空腔（160)分離之氣體以及液體出口（151)可用來接收 由分離空腔（160)分離之液體。 20. 依據申請專利範圍第丨5項之微通道反應器（丨），其中下 . 層微結構(30)，上層微結構（10)，以及微通道外殼(20)藉由 高溫玻璃黏結，玻璃料密封或其組合加以融合。 18