CN110665445A - 模块化光化学流动反应器*** - Google Patents
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Abstract
一种模块化光化学反应器***包含多个流体模块(20),每一流体模块(20)具有i)中央平面工艺流体层(30)和ii)用于包含流动的热控制流体的两个外部平面热控制流体层(40);和多个照明模块(50),所述多个照明模块(50)中的每一照明模块(50)包括具有第一主要表面和第二主要表面(52,54)的平面形式,且每一照明模块(50)包含至少第一阵列(60)的半导体发射器(70),所述发射器(70)设置成从第一主要表面(52)发射或者穿过第一主要表面(52)发射,其中所述第一阵列(60)的半导体发射器(70)包含至少第一发射器(72)和第二发射器(74),第一发射器(72)能在第一中心波长下发射,且第二发射器(74)能在第二中心波长下发射,所述第一中心波长和第二中心波长彼此不同。
Description
本发明专利申请是国际申请号为PCT/US2015/021622,国际申请日为2015年3月20日,进入中国国家阶段的申请号为201580027243.7,发明名称为“模块化光化学流动反应器***”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉参考
本申请根据35U.S.C.§119要求于2014年03月26日提交的欧洲专利申请系列号14305433.6的优先权权益,本文以该申请为基础并将其全部内容结合于此。
领域
本发明涉及流动反应器和在其中进行的流动过程,具体来说,涉及模块化、灵活和高通量光化学流动反应器***。
背景
本发明的发明人和/或他们的同事之前已经开发了用于进行化学反应的流动反应器。这些流动反应器可通常使用流体模块,其可采用多层玻璃结构的形式。这种流体模块20的一种实施方式的示意图如图1中的透视图所示。在图2和图3中,显示了这种流体模块20的其它实施方式的一些特征的截面示意图。在图1-3中所示类型的流体模块20一般来说具有平面形式和第一主要表面和第二主要表面22,24(在图1的透视图中,表面24在模块20下方)。反应物或工艺流体在“微观通道”里面循环,其通常为在总体平面工艺流体层30之内限定的具有毫米或亚毫米尺度的通道。模块20还包括用于包含流动的热控制流体的两个外部平面热控制流体层40,且工艺流体层30设置在两个热控制流体层40之间。
进口和出口工艺流体端口32实现供应和除去工艺流体(端口32中的一个(在这种情况下是出口端口)在图1中是不可见的,因为其位于朝向下的主要表面24上,与朝向上的端口32相反)。进口和出口热流体端口42实现供应和除去热控制流体。所有进口和出口端口32,42在第一主要表面和第二主要表面中的一种的一个或多个边缘处(在图1所示的实施方式的情况下,在边缘26处)位于第一主要表面和第二主要表面中的一种上,得到不含进口和出口端口的自由表面积22F(和相应的自由表面积24F,在下方且在图1中不可见)。
通过一定范围的不同尺寸的流体模块20,实现从实验室规模放大到生产规模工艺。对于给定的所需流量,为了提供足够的停留时间,需要一定量的内部体积。如有需要,通过串联地连接多个流体模块20以形成反应器,来提供增加的总内部体积。因此,反应器通常包括多个流体模块20。每一流体模块20可具有具体的功能,例如预热、预混合、混合、提供停留时间、淬火等。考虑到模块20可由玻璃形成,光化学是潜在的可用的应用,因为玻璃至少部分地对在UV和可见光光谱中光化学感兴趣的波长是透明的。
概述
本文所述的实施方式包含模块化光化学反应器***,所述***包含多个流体模块,每一流体模块包括:i)用于包含流动的工艺流体的中央平面工艺流体层,ii)用于包含流动的热控制流体的两个外部平面热控制流体层。所述***还包括多个照明模块,所述多个照明模块中的每一照明模块包括具有第一主要表面和第二主要表面的平面形式,且每一照明模块包含至少第一阵列的半导体发射器,所述发射器能在可见光和/或UV波长下发射,其设置成从第一主要表面发射或者穿过第一主要表面发射,其中所述第一阵列的半导体发射器包含至少第一发射器和第二发射器,第一发射器能在第一中心波长下发射且第二发射器能在第二中心波长下发射,所述第一中心波长和第二中心波长彼此不同。
使用半导体发射器(理想地LED)实现使用尖锐地限定的波长,且潜在地增加反应产率或减少可通过在具有更宽的光谱的光源中存在的不利波长促进的不需要的副产物的生成。提供中心波长不同的至少第一发射器和第二发射器实现容易的实验和在两种波长之间的优化,以及潜在地增加可受益于在多于一个波长处的光的反应的性能。
从本文所述的***组装得到的所得反应器是灵活地可重构的和紧凑的,同时良好地隔离发射器的热输出与反应物或工艺流体。本发明的***和由其形成的反应器还提供在不拆卸反应器的情况下切换照明波长的能力,或者更概括地,改变照明的光谱组成,从而更容易实现反应测试和表征。
讨论了其它变化和具体优势,且通过下文的描述,它们将变得明显。以上的总体描述和下面的详细描述代表具体的实施方式,且用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。
附图简要说明
图1是可用于本文所述的***之内的流体模块的一种实施方式的透视图。
图2和3是可用于本文所述的***之内的流体模块的其它实施方式的横截面视图。
图4是可用于本文所述的***之内的照明模块的一种实施方式的展开的组装透视图。
图5A和5B是可用于本文所述的***之内的照明模块的其它实施方式的示意性横截面视图。
图6是可用于本文所述的***之内的照明模块的支撑框架或芯体的一种实施方式的透视图。
图7A和7B是可用于本文所述的***之内的照明模块的发射器阵列的替代实施方式的示意性平面视图显示。
图8是局部组装的反应器的一种实施方式的透视图,其包含本文所述的***的组件。
图9是图8所示反应器的透视图,其包括一些额外的组件。
具体描述
如图9中的透视图所示的一种模块化光化学反应器***(10)包含多个流体模块(20),所述多个流体模块(20)中的流体模块(20)各自具有平面形式(如图1所示),具有第一主要表面和第二主要表面(22,24)。还如图1、图2和3所示,所述多个流体模块(20)中的每一流体模块(20)包括用于包含流动的工艺流体的中央平面工艺流体层(30),和用于包含流动的热控制流体的两个外部平面热控制流体层(40)。工艺流体层(30)设置在两个热控制流体层(40)之间。工艺流体层(30)和两个热控制流体层(40)全部是对UV和/或可见光光谱中的至少一些波长是至少部分辐射透明的。在流体模块(20)的操作中,可理想地使用基本上透明的热控制流体,例如水或乙醇。
所述多个流体模块(20)中的每一流体模块(20)还包含用于供应和除去工艺流体的进口和出口工艺流体端口(32)以及用于供应和除去热控制流体的进口和出口热流体端口(42),进口和出口流体端口(32)1)在第一主要表面和第二主要表面(22,24)中的一种的一个或多个边缘(26)处位于第一主要表面和第二主要表面(22,24)中的一种上,或者2)位于除了流体模块(20)的表面(28)的第一主要表面和第二主要表面(22,24)以外的流体模块(20)的表面(28)上,在任一情况下都得到不含进口和出口端口的第一主要表面和第二主要表面(22,24)的自由表面积(22F,24F),所述自由表面积(22F,24F)占各第一主要表面或第二主要表面(22,24)总面积的至少50%,理想地至少75%。
如图9的透视图所示的模块化光化学反应器***(10)还包括多个照明模块(50),例如如图4的透视图以及图5A和5B的横截面视图的实施方式所示的那些。所述多个照明模块(50)中的每一照明模块(50)包括具有第一主要表面和第二主要表面(52,54)的平面形式,且每一照明模块(50)包含至少第一阵列(60)的半导体发射器(70),所述发射器(70)能在可见光和/或UV波长下发射,其设置成从第一主要表面(52)发射或者穿过第一主要表面(52)发射。此外,所述第一阵列(60)的半导体发射器(70)包括至少第一发射器(72)和第二发射器(74),且第一发射器(72)能在第一中心波长下发射且第二发射器(74)能在第二中心波长下发射,其中所述第一中心波长和第二中心波长彼此不同。
照明模块的一种实施方式的更多细节如图4的分解透视图所示。照明模块(50)的支撑框架或芯体(90)包含用于将冷却流体供应到照明模块50的进口和出口端口94。当按照所示顺序组装和紧固时,芯体(90)与垫圈(64)和盖子(66)一起形成用于冷却发射器的阵列(60)的发射器(70)的换热器96。发射器(70)安装(例如通过焊接或其它安装方法或结构)在安装片材(71)上,其连接到盖子(66)。或者,如图5A和5B的横截面中所示的其它实施方式所示,用于发射器(70)的安装片材(71)自身可作为盖子来覆盖芯体(90)中的流体通道,从而不使用图4的实施方式中所示的分开的盖子(66)。可连接遮光罩或框架(97),从而在其多个侧面上环绕阵列(60),且可将保护性窗户(98)安装到遮光罩(97)。保护性窗户可为石英、玻璃或任意其它所需的相对于照明模块(50)所用的波长透明的材料,且可任选地包含粗糙化结构或相似的光学特征,从而用作光学漫射器来使通过照明模块(50)提供的照明均等。作为另一种任选的替代,窗户(98)和框架(97)还可配合来在阵列(60)之上形成气密性密封,且可用惰性气体如氩气或低反应性气体如氮气来填充密封的体积。这将用于保护发射器免受任何空气传播的一种或多种化学品,其本来存在于保护性窗户(98)之上或其附近。
图5A和5B是照明模块(50)的其它实施方式的示意性横截面视图。在图5A中,可比图4更清楚地得知根据本发明的照明模块(50)可理想地在照明模块(50)的相对的第一主要表面和第二主要表面(52,54)上,包括(发射器70)的第一阵列60和(发射器70)的第二阵列80。单一芯体(90)可具有两个侧面,每一侧面具有用于支撑两个阵列(60,80)中每一个的表面。阵列可通过夹具或突出部分(ledge)(62)来固定。如图5B中概括地显示,本文所述的***还理想地包括只具有一个阵列(60)而不是如图5A所示两个阵列(60,80)的照明模块(50)。
图6显示芯体(90)的一种实施方式的透视图,其包含用于发射器阵列(60)或盖子(66)的支撑表面(91),凹陷进入该支撑表面的是用于包含流动的冷却流体的通道93。
图7A和7B是例如如图4,5A和5B所示的那些照明模块(50)的发射器阵列(60)(和80)的替代实施方式的示意性平面视图显示。在图7A的实施方式中,发射器70是单独封装的发射器(或单独封装LED)78的形式,但在图7B的实施方式中,发射器70是至少两种最少封装在一起的(不同类型72,74,76)发射器(例如“多芯片”LED)的组79的形式。在两种实施方式中,都存在至少第一发射器(72)和第二发射器(74),且第二发射器(74)具有不同于第一发射器(72)的第一中心波长的第二中心波长。任选地,阵列(60)(或(80))还可包括能在第三中心波长下发射的至少第三发射器(76),且第三中心波长不同于第一中心波长和第二中心波长中的每一个。还可使用多于3个不同发射器或发射器类型。此外,分组的发射器(或发射器的组)79可作为单独的发射器,在相同阵列之内使用。
与不同类型的数目以及它们是否封装在一起无关,还理想地通过各控制线和/或输电线(102a,102b,102c)(概括标记为102),可通过开关或控制器或接收器100独立地控制各种不同类似的发射器(72,74,76)。优选地,可通过开关或控制器或接收器独立地控制发射器的各种子阵列,其中每一种由相同波长的发射器形成。可理想地统一地控制阵列上具有相同波长或中心波长的发射器。对各种波长的独立的控制实现容易的反应表征或涉及使用各种波长的其它实验或反应控制,且无须拆卸反应器或任何组件。
发射器(70)理想地是LED。根据一种实施方式,所述阵列包括印刷电路板,该印刷电路板上安装发射器。此外,理想地它们能将至少40mW/cm2均匀的辐射提供到流体模块(20)第一主要表面或第二主要表面(22,24)的自由表面积(22F,24F),更理想地至少50mW/cm2。LED可为高功率LED,或者它们在阵列上的密度可足以获得所需的辐射。可通过阵列上LED的密度或者通过光学漫射器,来取得所需的辐射均匀性程度。
图8和图9显示的透视图显示了一些方法的实施方式,其中可将本发明的***(10)组装成反应器(12)。在图8和图9中,流体模块(20)和照明模块(50)支撑在反应器支架或底座(104)上,在这种情况下是横粱。或者,流体模块(20)和照明模块(50)可支撑在2个独立的支架或底座上,且照明模块(50)和它们的支架或底座可从反应器滑入滑出,以简化***的维护。在这些实施方式中,照明模块(50)包含双侧照明模块(50a)和单侧照明模块(50b)。在图8中,显示的反应器12不含流体模块20。图9显示在照明模块(50)的辐射面之间的多个流体模块(20)的位置。
由***(10)形成的反应器(12)是灵活地可重构的和紧凑的,同时良好地隔离发射器的热输出与反应物或工艺流体,首先因为使用了半导体发射器例如LED,其中与灯泡和其它相似的来源相比能量转化效率合理的高;其次因为使用换热器(96),其能提取甚至多达几百瓦特;以及第三因为流体模块(20)的工艺流体层(30)在两侧面上被热控制流体层(40)环绕,进来的照明通过热控制流体层(40)到达,由此提供显著地隔离通过发射器(70)产生的或在发射器(70)处的任何热量。通过使用换热器(96),由***(10)形成的反应器(12)还使得LED发射器能在低温(低于室温和流体模块操作温度)下操作,这带来增加的发射强度和增加的LED寿命。
本发明的***和由其形成的反应器还提供在不拆卸反应器的情况下切换照明波长的能力,或者更概括地,改变照明的光谱组成,从而更容易实现反应测试和表征。能在下述流动反应器中进行光化学反应是优选的:所述流动反应器是紧凑的,同时就反应器结构或设计以及供应的辐射而言是灵活的。感兴趣的光波长主要是近UV和紫外的300-450nm,但其它UV和可见光波长可也为感兴趣的。
通过经由热控制层(40)从流体模块(20)的两侧照明加工流体层(30),不仅有助于提供热隔离,还能将大量的照明递送到加工流体,且相对于只在流体模块(20)的一个主要表面上的照明,可实现更均匀的通过加工通道深度的渗透。
应指出,在给定的反应器中,不是所有的流体模块(20)需要辐射或受益于辐射,因此在相同反应器中可照明一些流体模块,同时不照明一些流体模块。换句话说,照明是独立地或与流体模块的数目一起地可规模化的。
因此,可使用相同的照明解决方案来进行不同类型的化学反应,无须改变任何设备,也无须任何维护。这不是专用于1个单一波长的设备。
通过使用来自半导体来源的光谱上更窄的光,可更好地理解和因此优化化学反应。半导体来源的精确波长实现获得更多的产物选择性。光源的寿命也应较长。
本发明所揭示的方法和/或装置通常可用来进行任何工艺,所述工艺包括在微型结构中对流体或流体混合物进行混合、分离、萃取、结晶、沉淀或其它的工艺过程,所述流体混合物包括流体的多相混合物,并包括流体或包括还含有固体的流体的多相混合物的流体混合物。加工可能包括一个物理过程,化学反应且该化学反应定义为导致有机物质、无机物质、或有机物质和无机物质相互转化的一个过程,和理想地包括青睐光(具有任何波长)存在的化学、物理、生物过程或反应,即光反应,包括光敏、光引发(如光引发的自由基反应)、光活化、光催化、光合作用等的光反应。潜在的感兴趣的光辅助的或光有利的反应的非限制性列表包括光异构化,重排,光致还原作用,环化,2+2环加成反应,4+2环加成反应,4+4环加成反应,1,3-两极环加成反应,σ迁移(其可导致环化作用),光致氧化,保护基团或接头(linker)的光致断裂,光卤化(光氯化,光溴化),光致氯磺化(photosulfochlorination),光致磺化氧化,光致聚合,光致亚硝化,光致脱羧反应,前维生素D的光合作用,偶氮化合物的分解,诺里什(Norrish)类型反应,巴顿(Barton)类型的反应。此外,下述非限制性列表的反应可使用本文所述的方法和/或装置来进行:氧化;还原;取代;消除;加成;配体交换;金属交换;离子交换。具体来说,下述非限制性列表的任意反应可使用本文所述的方法和/或装置来进行:聚合;烷基化;脱烷基化;硝化;过氧化;磺化氧化;环氧化;氨氧化;氢化;脱氢;有机金属反应;贵金属化学/均相催化剂反应;羰基化;硫羰基化;烷氧基化;卤化;脱氢卤化;脱卤化;加氢甲酰化;羧化;脱羧;胺化;芳基化;肽偶联;醇醛缩合;环化缩合;脱氢环化;酯化;酰胺化;杂环合成;脱水;醇解;水解;氨解;醚化;酶合成;缩酮化(ketalization);皂化;异构化;季铵化;甲酰化;相转移反应;甲硅烷化;腈合成;磷酸化;臭氧分解;叠氮化物化学;复分解;氢化硅烷化;偶联反应;以及酶反应。
前文的描述提供示例性实施方式,以促进理解权利要求的性质和特征。对于本领域的技术人员显而易见的是,可以在不偏离所附权利要求的精神和范围的情况下,对这些实施方式进行各种改动。
Claims (9)
1.一种模块化光化学反应器***(10),其包括:
多个流体模块(20),每一流体模块(20)具有i)中央平面工艺流体层(30)和ii)用于包含流动的热控制流体的两个外部平面热控制流体层(40);和
多个照明模块(50),所述多个照明模块(50)中的每一照明模块(50)包括具有第一主要表面和第二主要表面(52,54)的平面形式,且每一照明模块包含至少第一阵列(60)的半导体发射器(70),所述发射器(70)能在可见光和/或UV波长下发射,其设置成从第一主要表面(52)发射或者穿过第一主要表面(52)发射,其中所述第一阵列(60)的半导体发射器(70)包含至少第一发射器(72)和第二发射器(74),第一发射器(72)能在第一中心波长下发射且第二发射器(74)能在第二中心波长下发射,所述第一中心波长和第二中心波长彼此不同,所述多个照明模块(50)的每一所述照明模块(50)还包括换热器(96),所述换热器(96)在其中包含具有进口端口和出口端口(94)的冷却流体通道(92),所述换热器(96)与第一阵列(60)的发射器(70)热接触,
其中,来自所述多个照明模块(50)的照明模块(50)的进来的照明通过所述多个流体模块(20)的流体模块(20)的所述两个外部平面热控制流体层(40)中的至少一个达到所述多个流体模块(20)的流体模块(20)的中央平面工艺流体层(30)。
2.如权利要求1所述的***(10),其特征在于,所述第一阵列(60)还包括至少第三发射器(76),所述第三发射器(76)能在第三中心波长下发射,所述第三中心波长不同于第一中心波长和第二中心波长中的每一个。
3.如权利要求1或2所述的***(10),其特征在于,发射器(70)包含单独封装的发射器(78)。
4.如权利要求1或2所述的***(10),其特征在于,发射器(70)包括成组(79)封装的发射器,其中所述组(79)包含至少一个第一发射器(72)和至少一个第二发射器(74)。
5.如权利要求1或2所述的***(10),其特征在于,在所述第一阵列(60)之内的至少一个第一发射器(72)连接到第一输电线或第一控制线(102a),在所述第一阵列(60)之内的至少一个第二发射器(74)连接到第二输电线或第二控制线(102b)。
6.如权利要求1或2所述的***(10),其特征在于,所述多个照明模块(50)包括至少一个照明模块(50a),所述至少一个照明模块(50a)自身还包括第二阵列(80)的半导体发射器(70),所述半导体发射器(70)能在可见光和/或UV波长下发射,且设置成从第二主要表面(54)发射或者穿过第二主要表面(54)发射,所述第二阵列(80)的半导体发射器(70)包含至少第一发射器(72)和第二发射器(74)。
7.如权利要求6所述的***(10),其特征在于,所述多个照明模块(50)的所述至少一个照明模块(50a)还包括换热器(96),所述换热器(96)在其中包含具有进口端口和出口端口(94)的冷却流体通道(92),所述换热器(96)与第一阵列(60)的发射器(70)以及第二阵列(80)的发射器(70)热接触。
8.如权利要求1或2所述的***(10),其特征在于,发射器(70)是LED。
9.如权利要求8所述的***(10),其特征在于,LED能将至少40mW/cm2提供到流体模块(20)的第一主要表面或第二主要表面(22,24)的自由表面积(22F,24F)。
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