本發(fā)明涉及化學(xué)反應(yīng)器。特別地，本發(fā)明涉及一種用于執(zhí)行真空閃速熱解(VFP)反應(yīng)的實施為介觀流控反應(yīng)器的設(shè)備，所述設(shè)備具有超聲波噴霧以降低粒徑分布，即增加設(shè)備中連同惰性氣體/試劑氣體給送一起發(fā)生的反應(yīng)所需的溶液/固體試劑的分散度。

背景技術(shù)：

過去的幾十年里對優(yōu)選在盡可能短的時間內(nèi)在高溫和高壓下以受控方式實施反應(yīng)的反應(yīng)器的需求已持續(xù)增長。此類反應(yīng)器已尤其由于日益增長的對迅速和低水平副產(chǎn)品生成的需求而涌現(xiàn)。

這引起一種新型科學(xué)領(lǐng)域，用英文術(shù)語簡稱為“閃速化學(xué)”。實施落入此領(lǐng)域中的反應(yīng)的反應(yīng)器是所謂的閃速反應(yīng)器。J.Yoshida等人歸納了該領(lǐng)域的最重要的特征(參見Flash Chemistry：Fast Chemical Synthesis by Using Microreactors；Chemistry–A European Journal 14(25),pp.7450-7459,2008)。此類裝置的一個顯著特征是可借助于快速反饋實現(xiàn)的快速溫度控制，以及高效的熱交換和/或熱傳遞。由于這種反應(yīng)器中試劑混合物的停留時間短，所以這些反應(yīng)器也能夠執(zhí)行比常規(guī)更有選擇性的反應(yīng)。

為了執(zhí)行化學(xué)反應(yīng)，由于多個原因，選擇溫度是至關(guān)重要的。首先，化學(xué)反應(yīng)速率通過溫度提高(參看例如眾所周知的Arrhenius關(guān)系–K.J.Laidler,Chemical Kinetics,Third Edition(1997),Benjamin-Cummings)。其次，為了開始反應(yīng)，需要將活化能大部分呈熱的形式轉(zhuǎn)移到反應(yīng)混合物。然而，反應(yīng)的溫度越高和/或參與反應(yīng)的化合物(初始反應(yīng)物、產(chǎn)品、溶劑、其它輔助物質(zhì)和添加劑)暴露于高溫的時間越長，反應(yīng)混合物中出現(xiàn)的不希望有的副產(chǎn)品和分解產(chǎn)物的量就越多和越高。溫度的進(jìn)一步升高也將引起達(dá)到反應(yīng)混合物的沸點，這在例如在連續(xù)管狀反應(yīng)器中執(zhí)行的化學(xué)反應(yīng)中是不希望的。因此，當(dāng)要執(zhí)行化學(xué)反應(yīng)時，優(yōu)化特定反應(yīng)的反應(yīng)溫度尤為重要。

在分析學(xué)中，霧化/噴霧化/噴霧是眾所周知的送入樣品的技術(shù)，已知大量用于實現(xiàn)該技術(shù)的途徑。其最早和最普遍的形式之一是氣動霧化，特別是利用高速氣體(所謂的燃燒氣體)的同心氣動霧化。這在火焰原子吸收光譜法中最經(jīng)常使用，其中導(dǎo)入的氣體(例如空氣、氧氣)供應(yīng)火焰的燃燒。然而，在常規(guī)氣動霧化器中，由于過大的物質(zhì)和氣體流將吹熄等離子火焰而發(fā)生問題。為了避免這種情況，已降低樣品和燃燒氣體兩者的流量。這已通過減小霧化器的毛細(xì)管的內(nèi)徑(0.2mm)實現(xiàn)。然而，結(jié)果，霧化效力也發(fā)生了急劇下降。此外，由于毛細(xì)管端部處的沉淀和后續(xù)堵塞，濃度按重量計高于1％的溶液通常變成無效的。

由于得到的一次氣溶膠呈現(xiàn)相當(dāng)不均勻的粒徑分布，所以在霧化器的前方安置有球形碰撞本體。通過迫使所述一次氣溶膠的滴狀物與該本體碰撞，所述滴狀物被進(jìn)一步打碎，同時較大的滴狀物僅被捕捉。這樣得到的二次氣溶膠然后連同輸送氣體一起從同心地安裝的、徑向地定向的擋板通過。結(jié)果，較大的滴狀物再次被捕捉。這樣獲得的三次氣溶膠的粒徑分布將為約5μm。

超聲波霧化已被闡述為進(jìn)一步提高了霧化效力。其核心特征是利用適合于和/或能夠產(chǎn)生具有落入從200kHz至10MHz的頻率范圍內(nèi)的頻率的超聲波的發(fā)生器。通過發(fā)生器的振蕩在液體/氣體界面處形成的波引起氣溶膠生成。這樣引起的平均粒徑分布取決于要霧化的液體的表面張力和密度，以及超聲波源的頻率。超聲波霧化器可分為兩組。在屬于第一組的霧化器的情況下，溶液被引導(dǎo)到耐化學(xué)壓電晶體上，而在另一組的情況下，轉(zhuǎn)移縱向(或壓力)波的介質(zhì)導(dǎo)入溶液與能夠振蕩的壓電晶體之間。與氣動霧化相比，超聲波霧化引起更均勻的粒徑分布。此外，可通過改變超聲波源的頻率來控制滴狀物的物理特性。

在涂層領(lǐng)域中噴霧、尤其是超聲波噴霧被最頻繁地用作可行的技術(shù)手段，其中數(shù)微米的均勻?qū)雍?、再現(xiàn)性和生產(chǎn)率非常重要。當(dāng)應(yīng)用噴霧時，通常對不同幾何形狀的表面施加無機(jī)材料。類似的技術(shù)是化學(xué)氣相沉積(CVD)，其也用于通常通過處于高溫下和真空中的特定無機(jī)化合物來涂覆表面。

國際公報冊No.WO2012/033786公開了一種溶液，其中一種或多種蒸發(fā)非極性物質(zhì)被導(dǎo)入熱解淀積系統(tǒng)中以便形成硫化鎘光伏膜。為此，使用在溶解狀態(tài)下包含鎘、硫和至少一種另外的選定物質(zhì)的溶液。該溶液的所述另外的選定物質(zhì)(乙醇)是非極性的，蒸發(fā)得比水快，但其熱容量比水低。所述混合物設(shè)置在包括一個或多個噴霧頭和一個或多個加熱裝置的熱解淀積系統(tǒng)內(nèi)。期望的層淀積在襯底上，所述襯底離噴霧頭的距離是可調(diào)節(jié)的并且可通過一個或多個加熱裝置控制其溫度。

根據(jù)所述文獻(xiàn)，盡管在熱解淀積系統(tǒng)中實施噴霧/霧化方法，但這種情況下不會發(fā)生有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，因為所采用的工藝基本上基于無機(jī)物質(zhì)。此外，當(dāng)程序完成時不會發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)化。

美國公報冊No.US20030230819教導(dǎo)了一種用于借助于超聲波霧化器將具有低分子量的藥物成分裝入微膠囊中的方法。所采用的設(shè)備包括同軸霧化器、兩個液體入口和一個超聲波發(fā)生器。一種液體流經(jīng)內(nèi)噴嘴，且另一種液體流經(jīng)外噴嘴。兩股流均從同一霧化面通過，其中混合物由于振動能量而被打碎成微液滴。這樣獲得的粒徑分布介于1至100μm之間。超聲波霧化器以低能量操作，并且因此不會損壞生物物質(zhì)，例如血液、抗體和細(xì)菌。

所述過程在存在兩個混合系統(tǒng)的情況下在低溫下發(fā)生，目的在于將有效成分被涂覆。在對于熱解而言常見的情況下不會發(fā)生有機(jī)化學(xué)反應(yīng)。此外，已使用超聲波噴霧系統(tǒng)來實現(xiàn)最佳混合和粒徑；在所述文獻(xiàn)中既未提及也未暗示使用超聲波噴霧來提高化學(xué)活性。

國際公報冊No.WO2013/050402報道了一種能夠制造包含化合物和催化劑的有機(jī)金屬——稱為金屬有機(jī)骨架(MOF)——的設(shè)備。通常，應(yīng)用熱液法，其中晶體從熱金屬(例如金屬鹽)溶液緩慢地生長。隨著晶體緩慢地并以可逆方式生長，所以其中形成缺陷的幾率高。如果發(fā)生這種情況下，則晶體必須再次溶解，這引起晶體落入毫米和微米尺寸范圍內(nèi)。所述文獻(xiàn)還公開了一種方法，其中在存在溶劑的情況下將至少一種金屬離子和至少一種具有二價的有機(jī)配位體供給到噴霧干燥器中。混合物從噴嘴通過并且因此形成的滴狀物通過熱氣體分散。結(jié)果，合成所需的反應(yīng)時間顯著減少，可收集干晶體，并且可避免過濾和進(jìn)一步的處理步驟。

這種與以前的方法相比具有明顯提高的效力的制造方法僅僅涵蓋80至200℃的溫度范圍。此外，其不適用于超聲波噴霧單元，因為要實現(xiàn)的目的不包括小粒徑分布和反應(yīng)混合物的反應(yīng)性的增加。

還從用于處置危險材料的應(yīng)用得知噴霧熱解技術(shù)。特別地，美國專利No.5,359,947教導(dǎo)了一種用于借助于加熱至800℃的熔融金屬破壞包裝的危險和毒性醫(yī)療廢物的系統(tǒng)。該反應(yīng)器包括兩部分式熱解單元和從第一燃燒室通向包裝被給送到其中的第二燃燒室的用于熔融金屬的底部出口。在熔融金屬的表面上熔融的玻璃制品、耐腐蝕鋼(例如注射針的材料)和更多金屬物體溶解，有機(jī)材料燃燒并且分解成它們的成分。熱解產(chǎn)物的路徑被加熱至250℃，并且因此任何病原體和危險材料在所述系統(tǒng)中被破壞。

在廢物破壞的情況下，通常不需要借助于改變溫度、流量和其它參數(shù)來控制復(fù)雜的反應(yīng)路徑。因此，不能將該領(lǐng)域中的噴霧熱解的使用與以下將詳細(xì)描述的技術(shù)進(jìn)行比較。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的

根據(jù)上述，看上去噴霧技術(shù)在普通有機(jī)化學(xué)實驗室中未普遍用于執(zhí)行熱有機(jī)化學(xué)反應(yīng)。其原因尤其是所述技術(shù)的有限實用性和不成熟。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，還顯而易見的是，目前不存在能夠在應(yīng)用或不應(yīng)用惰性氣體或試劑氣體的情況下噴涂——即霧化/噴灑——溶解和/或固相物質(zhì)并因此在熱解系統(tǒng)中執(zhí)行單分子和雙分子反應(yīng)的裝置。

因此，本發(fā)明的目的在于提供一種具有超聲波噴涂單元——即霧化器/噴霧器——的設(shè)備，其用于實施真空閃速熱解(VFP)反應(yīng)，并且尤其涉及該類型的流控反應(yīng)器。

一般而言，初始試劑的常溫混合物借助于泵給送到流控反應(yīng)器中，然后所述混合物在反應(yīng)器內(nèi)被加熱至合適的溫度，在該升高的溫度下發(fā)生期望的化學(xué)反應(yīng)并且然后反應(yīng)混合物被冷卻并從反應(yīng)器引出以進(jìn)行進(jìn)一步處理。流控反應(yīng)器需要使用高性能液相色譜法(HPLC)的領(lǐng)域中通常公知的裝置和設(shè)備，因為HPCL裝置也在高壓力下并且在連續(xù)流動中處理少量液體。因此，與HPLC裝置的單元相同或非常相似的構(gòu)件——例如泵、管道、容器、探測器等——也可用于(微)流控反應(yīng)器中。相應(yīng)地，除非以其它方式對根據(jù)本發(fā)明的流控反應(yīng)器進(jìn)行敘述，否則從現(xiàn)在起，用語“HPLC裝置”指本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的HPLC裝置。例如，當(dāng)提及本發(fā)明的流控反應(yīng)器的泵時，除非以其它方式敘述，否則指現(xiàn)有技術(shù)中已知的HPLC泵。

根據(jù)上述，本發(fā)明的另一個目的在于提供一種利用用于基本上——但不是唯一地——實施VFP反應(yīng)的設(shè)備(從現(xiàn)在起：VFP設(shè)備)的方法，所述方法適合于在關(guān)于溫度和/或壓力的更寬尺度上執(zhí)行有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，優(yōu)選在從常溫擴(kuò)展至1000℃的溫度范圍內(nèi)和/或在從10^-3mbar擴(kuò)展至400bar的壓力范圍內(nèi)。

本發(fā)明的又一個目的在于開發(fā)一種流控反應(yīng)器，其能夠執(zhí)行VFP反應(yīng)并且是優(yōu)選作為介觀流控反應(yīng)器的連續(xù)流動和實驗室規(guī)格反應(yīng)器。

本發(fā)明的又一個目的在于構(gòu)建一種用于本發(fā)明的設(shè)備和方法并且尤其用于上述發(fā)明的流控反應(yīng)器的噴霧(霧化)裝置，其一方面能夠在溶液的噴霧發(fā)生時按需提供均勻的粒徑分布，即落入納米和微米粒度范圍內(nèi)的粒徑分布，而另一方面可不僅用于霧化溶液，而且也適用于使難溶或不可溶的固態(tài)物質(zhì)進(jìn)入熱反應(yīng)。

上述目的通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的介觀流控反應(yīng)器實現(xiàn)。在權(quán)利要求2至15中闡述所述反應(yīng)器的進(jìn)一步優(yōu)選的實施例。

特別地，在一方面，本發(fā)明的目的通過一種連續(xù)流動反應(yīng)器實現(xiàn)，所述連續(xù)流動反應(yīng)器包括隔熱多區(qū)加熱單元、反應(yīng)器管、用于輸送原材料(液體)、惰性氣體/試劑氣體的管道和HPLC泵、用于控制惰性氣體/試劑氣體的方向的控制閥、用于測量和控制惰性氣體/試劑氣體的質(zhì)量流量計、壓力計、用于儲存固體材料的容器(或固體容器)、用于收集轉(zhuǎn)化得到的材料的產(chǎn)品收集器、用于實現(xiàn)真空以及真空泵(用于測量和控制真空度的單元)的使用的真空接口以及配備有產(chǎn)生超聲波的壓電晶體單元和噴嘴的高壓噴霧頭。

更具體地，已開發(fā)一種多功能設(shè)備，其中要轉(zhuǎn)化的原材料在給定真空度和一定溫度下進(jìn)入氣相/蒸氣相(即，具體地，蒸發(fā)和/或升華)。在轉(zhuǎn)化中獲得的產(chǎn)物利用VFP設(shè)備在預(yù)熱區(qū)域中冷凝，在所述VFP設(shè)備中通過穿越大能量屏障而以數(shù)毫秒的接觸時間在高溫下促進(jìn)化學(xué)轉(zhuǎn)化。VFP系統(tǒng)通?？捎糜趩畏肿愚D(zhuǎn)化，這是因為在施加真空的情況下平均自由路徑典型地有利于分子內(nèi)反應(yīng)。超聲波噴霧模塊(或有時也會將它稱為氣動噴霧模塊)也形成根據(jù)本發(fā)明的多功能設(shè)備的一部分；在所述模塊中也可隨著給送惰性氣體/試劑氣體而執(zhí)行雙分子(分子內(nèi))化學(xué)反應(yīng)。

此外，還實現(xiàn)了用于執(zhí)行異質(zhì)催化、雙分子和多相化學(xué)過程的高壓(400bar)和高溫(600℃)模塊。

特別地，已開發(fā)一種具有三個模塊的超聲波VFP設(shè)備，該設(shè)備擴(kuò)展了涉及從常溫至1000℃的溫度并且涉及從10^-3mbar至400bar的壓力的適用參數(shù)的范圍。

配備有形成作為介觀流控反應(yīng)器實施的本發(fā)明的VFP設(shè)備的一部分的超聲波噴霧頭的氣動噴霧模塊由能夠與將處于1000℃的溫度下的惰性氣體和/或其它試劑氣體給送到設(shè)備中相結(jié)合地霧化液相試劑溶液和固體物質(zhì)兩者的單元提供。所述模塊因此適合于使非揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)入反應(yīng)，以及以液相和蒸氣相實施雙分子和同質(zhì)催化反應(yīng)。就HPLC泵、管線的內(nèi)徑和流動性質(zhì)而言，原材料的給送落入微流控機(jī)制內(nèi)。所采用的氣動噴霧模塊因此具有可很好地跟蹤并根據(jù)流量和濃度計算單位時間導(dǎo)入反應(yīng)容積中的材料量的優(yōu)點。

形成實施為介觀流控反應(yīng)器的本發(fā)明的VFP設(shè)備的一部分的氣動噴霧模塊也適合于霧化處于固體狀態(tài)的難溶或不可溶物質(zhì)。由于氣動噴霧頭中的一個或多個電驅(qū)動的壓電晶體的機(jī)械移動，具有較大粒徑(例如，微米，毫米)的固體顆粒材料被打碎?？赏ㄟ^所施加的壓電晶體的發(fā)射頻率改變該機(jī)械運動的強(qiáng)度。所述一個或多個壓電晶體產(chǎn)生也可用于包含固體物質(zhì)的升華的熱需求的熱。這樣打碎的固體物質(zhì)在被給送到反應(yīng)容積中的同時在容器中維持0.2-0.3bar的緩沖壓力，其中在其從反應(yīng)容積通過的同時發(fā)生期望的/計劃的化學(xué)轉(zhuǎn)變/轉(zhuǎn)化。

成功轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)在于，以高速率從配備有優(yōu)選設(shè)計的超聲波噴霧器的氣動噴霧頭離開的分子通過載氣進(jìn)一步加速并且因此高溫反應(yīng)器中僅在數(shù)毫秒(ms)內(nèi)發(fā)生反應(yīng)。引導(dǎo)物質(zhì)和增減——即控制——其滯留時間優(yōu)選通過施加真空并調(diào)節(jié)所導(dǎo)入的載氣/試劑氣體的流量來實現(xiàn)。由于極短的滯留時間，要反應(yīng)的物質(zhì)不會遭受熱分解。優(yōu)選為介觀流控反應(yīng)器的具有超聲波噴霧的本發(fā)明的VFP設(shè)備在寬參數(shù)范圍內(nèi)操作并且擴(kuò)大了可行的化學(xué)反應(yīng)的范圍。該設(shè)備的具有高霧化效力和導(dǎo)入的惰性氣體/試劑氣體的可變性的超聲波噴霧單元允許執(zhí)行更多類型的反應(yīng)。

通過超聲波噴霧單元，可處理具有低濃度或中濃度的溶液。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備適合于連同施加惰性氣體/試劑氣體或真空一起引導(dǎo)固體材料通過超聲波噴霧頭。

在我們的研究中，我們已得到意想不到的結(jié)論，即，即使微米且非納米尺寸的粒子進(jìn)入反應(yīng)，不可蒸發(fā)的物質(zhì)也呈現(xiàn)高反應(yīng)性。

根據(jù)上述，實施為介觀流控反應(yīng)器的VFP設(shè)備具有以下有利特征：

-其適合于在常溫至1000℃的溫度范圍內(nèi)在數(shù)毫秒的滯留時間內(nèi)實施單分子和雙分子反應(yīng)，而導(dǎo)入的惰性氣體沿反應(yīng)器管的壁的螺旋流動指定材料流動的方向并防止材料與反應(yīng)器壁之間的碰撞。

-其內(nèi)尺寸(即，其圓筒形流動截面的直徑)落入從數(shù)毫米至約1cm的尺寸范圍內(nèi)，并且其中也可以以使得超聲波源提供使所述固體物質(zhì)升華所需的熱能并且之后使導(dǎo)入的氣體/真空引導(dǎo)該物體通過反應(yīng)容積的方式使難溶或不可溶固體物質(zhì)也進(jìn)入反應(yīng)。

-除惰性氣體外，也可以已知和受控的流量將其它試劑氣體導(dǎo)入其中作為載氣。

-噴霧頭與超聲波單元和氣動單元結(jié)合以便允許均勻的粒徑分布(＞20μm)。

-噴霧頭的所述超聲波單元的廢熱優(yōu)選用于預(yù)熱導(dǎo)入的氣體，超聲波單元因此用作用于輸入氣體的熱交換器，其有助于維持反應(yīng)區(qū)的溫度并防止其非期望的冷卻。

-所獲得的產(chǎn)品被收集在適當(dāng)?shù)乩鋮s式的產(chǎn)品收集器/產(chǎn)品冷凝器中，所述冷卻優(yōu)選借助于干冰與丙酮的混合物或借助充填有該混合物、液氮或其它溶劑的冷卻裝置、珀爾貼元件(Peltier element)、急冷器、回流冷卻器或本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的任何其它類型的熱交換器實現(xiàn)。所述產(chǎn)品收集器也可構(gòu)成有水冷卻裝置。

-可改變原材料的溶液的流量，技術(shù)構(gòu)造為對溶劑的類型不敏感。

-原材料的溶液的噴霧壓力在從大氣壓至400bar的范圍內(nèi)。

-反應(yīng)器的反應(yīng)容積(優(yōu)選反應(yīng)器管12)的加熱包括至少三個分開檢測和控制的區(qū)T₁、T₂、T₃。所述爐區(qū)的不同溫度由為此專門設(shè)計的隔壁提供。

-設(shè)備中的反應(yīng)器管的加熱基于允許沿反應(yīng)器管的總長度的分區(qū)(zone by zone)的均勻溫度分布的間接加熱原理。該結(jié)構(gòu)允許相當(dāng)快的溫度調(diào)節(jié)，并且因此其防止反應(yīng)混合物內(nèi)形成不利的溫度梯度。

附圖說明

以下參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明，在附圖中

-圖1在示意性截面圖中示出根據(jù)本發(fā)明的實施為介觀流控反應(yīng)器的VFP設(shè)備的一個優(yōu)選示例性實施例；

-圖2在示意性截面圖中示出用于根據(jù)本發(fā)明的VFP設(shè)備中的氣動噴霧模塊的一個可能的示例性實施例；以及

-圖3A和3B分別以曲線方式和表格形式示出用于通過根據(jù)本發(fā)明的實施為介觀流控反應(yīng)器的VFP設(shè)備執(zhí)行的Gould-Jacobs 6π電環(huán)化反應(yīng)(其更多細(xì)節(jié)關(guān)于示例1進(jìn)行論述)的取決于液體流量和超聲波頻率的分離產(chǎn)率。

具體實施方式

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施為高溫介觀流控反應(yīng)器的VFP設(shè)備在圖1中示出。根據(jù)圖1，本發(fā)明的設(shè)備的構(gòu)件——根據(jù)其兩種不同操作模式(i)和(ii)(即分別地溶液和/或固體材料的霧化)——以如下方式連接。

(i)(液相)原材料設(shè)置在容器1中，所述容器1可選地并且在需要的情況下經(jīng)適合于輸送液體的泵2、優(yōu)選HPLC泵和適合于輸送液體的管線3與高壓噴霧頭4(參見圖2)連接，所述高壓噴霧頭配備有壓電晶體單元(其優(yōu)選在超聲波范圍內(nèi)發(fā)射)和具有噴霧末端的噴嘴，所述噴霧末端具有優(yōu)選0.5mm、更優(yōu)選0.2mm并且最優(yōu)選約0.1mm的內(nèi)徑。原材料向噴霧頭4內(nèi)的給送經(jīng)管線3可選地借助于操作泵2發(fā)生。噴霧頭4經(jīng)管道10與惰性氣體和其它試劑氣體的氣體源6連接，其中所述氣體源6由例如一個或多個氣缸或氣體發(fā)生器(就地產(chǎn)生氣體)或其組合提供。在由管道10限定并從氣體源6引向噴霧頭5的惰性氣體和其它試劑氣體的流動路徑中，在氣體流動方向上相繼設(shè)置有控制閥7、質(zhì)量流量計8和壓力計9。噴霧頭4以密封方式與根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的優(yōu)選管狀的反應(yīng)器管12的進(jìn)入側(cè)連接。為了按需調(diào)節(jié)由所述反應(yīng)器管12限定/圍成的反應(yīng)容積的溫度，所述反應(yīng)器管12的全部長度配置在加熱單元11內(nèi)。反應(yīng)器管12的排出側(cè)通向用于冷卻并因此冷凝/沉淀離開熱反應(yīng)容積的轉(zhuǎn)化得到的物質(zhì)的冷卻式的產(chǎn)品收集器13中。最后，真空接口14和真空泵15與產(chǎn)品收集器13的出口連接。

(ii)惰性氣體和其它試劑氣體從氣體源6經(jīng)控制閥7、質(zhì)量流量計8和壓力計9經(jīng)由所述管道10進(jìn)入固體容器5，這種情況下，固體容器5容納固相原材料；這里，所述固體容器5大致成直角地從下方直接連接至噴霧頭4。此外，噴霧頭4與反應(yīng)器管12的進(jìn)入側(cè)直接連接。所述反應(yīng)器管12的全部長度配置在加熱單元11內(nèi)。與操作模式(i)相似，反應(yīng)器管12的排出側(cè)通向用于冷卻并因此冷凝/沉淀自所述反應(yīng)器管12離開的轉(zhuǎn)化得到的物質(zhì)的冷卻式的產(chǎn)品收集器13中。此外，真空接口14和真空泵15與產(chǎn)品收集器13的出口連接。

反應(yīng)器管12——即由所述反應(yīng)器管12界定出的反應(yīng)容積的平均直徑——為至少10mm，優(yōu)選為至少15mm或更多，而其長度可在從10mm擴(kuò)展至2000mm的范圍內(nèi)任意選擇。反應(yīng)容積的比較大的內(nèi)徑的一個優(yōu)點在于，可選地，其可在互相平行的多個反應(yīng)器管之間分隔。這意味著多于一個的反應(yīng)器管12可同時設(shè)置在加熱單元11內(nèi)。這種情況下，自然地，在根據(jù)本發(fā)明的化學(xué)介觀流控反應(yīng)器100的進(jìn)入側(cè)和排出側(cè)需要修改(關(guān)于例如噴霧單元或產(chǎn)品收集器的數(shù)量和布置/連接)。所述反應(yīng)器管12優(yōu)選由從硼硅酸鹽、石英、高硅玻璃、耐腐蝕鋼和哈氏合金材料的群組中選擇的材料制成。

用于收集轉(zhuǎn)化得到的物質(zhì)的產(chǎn)品收集器13優(yōu)選以預(yù)冷卻的大表面積冷凝器或溶劑吸收器的形式提供。惰性氣體/試劑氣體可以是氫氣、氮氣、氧氣等中的任一者。質(zhì)量流量計8、控制閥7和壓力計9用于控制惰性氣體/試劑氣體的壓力和流動。為了引導(dǎo)物質(zhì)的流動并減少滯留時間，采用真空泵15。設(shè)備的用于給送液相原材料的那些構(gòu)件屬于微流控范圍(就它們的相應(yīng)參數(shù)而言)。固相原材料的給送由所述固體容器5通過合適且已知的途徑/手段執(zhí)行。

具有根據(jù)本發(fā)明的實施為介觀流控反應(yīng)器的VFP設(shè)備的超聲波噴霧頭的氣動噴霧模塊的結(jié)構(gòu)在圖2中示出。

用于實施為介觀流控反應(yīng)器的本發(fā)明的VFP設(shè)備中的超聲波噴霧頭4包括一方面經(jīng)原料容器8且另一方面經(jīng)用于輸送惰性氣體/試劑氣體的隔熱氣體管道15彼此連通的霧化器19和超聲波單元25。

在所述原料容器8中設(shè)置有液相和/或固相原材料。超聲波單元25包括一個(可選地多于一個)壓電晶體1。為了接納由于機(jī)械工作而發(fā)生的體積變化，所述至少一個壓電晶體1罩有墊料2。為了保證耐化學(xué)性，壓電晶體1的與原材料接觸的表面覆蓋有陶瓷板3。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的超聲波單元25還用作熱交換器。為此，罩有所述墊料2的壓電晶體1由具有等間隔的溝槽4的鋁塊以筒狀封套的形式套住，其中溝槽4形成在所述塊的背離壓電晶體1的一側(cè)(即塊的外側(cè))。為了提供氣密性，溝槽4覆蓋有推靠在鋁塊的表面上的聚合物/PTFE密封套5。密封套5的外表面由也確保了這樣獲得的在操作中用作熱交換器的單元的壓力緊密性的貼合鋁/鋼質(zhì)外殼6筒狀地套住并支承。惰性氣體/試劑氣體經(jīng)由所述單元的氣體入口7并經(jīng)該單元的氣體進(jìn)入連接部13進(jìn)入超聲波單元25。這樣，惰性氣體/試劑氣體進(jìn)入與氣體進(jìn)入連接部13連通的溝槽4。這里，惰性氣體/試劑氣體的預(yù)熱通過利用在壓電晶體1的操作期間產(chǎn)生的熱(其在某些情況下對反應(yīng)不利)發(fā)生以預(yù)熱流入的惰性氣體/試劑氣體；流入的惰性氣體/試劑氣體沿優(yōu)選螺旋地形成的溝槽4流動，由此吸收由所述壓電晶體1產(chǎn)生的熱并升溫。接下來，所述惰性氣體/試劑氣體經(jīng)超聲波單元25的氣體排出連接部14離開，經(jīng)過氣體管道15并且然后經(jīng)連接和溫度計安裝塊17進(jìn)入霧化器19。所述氣體預(yù)熱也可通過將由合適的結(jié)構(gòu)材料制成的合適(實際上小)的直徑的氣體輸送管插入溝槽4內(nèi)來實現(xiàn)。這里，也應(yīng)當(dāng)考慮傳熱效率的顯著下降。

霧化器19由優(yōu)選從耐腐蝕鋼、石英、硼硅酸鹽、高硅玻璃、哈氏合金材料、PEEK材料和聚四氟乙烯(特氟龍)的群組中選擇的結(jié)構(gòu)材料制成。

惰性氣體/試劑氣體以高速率通過在霧化器19中形成的毛細(xì)管20而形成真空。這樣產(chǎn)生的真空經(jīng)由大致垂直于毛細(xì)管20地延伸并且通向原料容器8中的原料管9從所述原料容器8抽吸由超聲波單元25打碎成小粒子的和/或通過在壓電晶體1和陶瓷板3的表面上產(chǎn)生的熱而升華的小粒徑顆粒物質(zhì)。所述真空然后通過將顆粒物質(zhì)噴霧/霧化到流中來朝反應(yīng)器管22輸送所述顆粒物質(zhì)，其中反應(yīng)器管22以氣密方式沿密封環(huán)21與霧化器19連接。為了提高霧化效率，在溶液的情況下，溶液經(jīng)受由所述超聲波單元25的所述至少一個壓電晶體施加的動態(tài)機(jī)械沖擊。由此，液滴離開溶液的表面，其進(jìn)入運動中并且然后朝毛細(xì)管20輸送，并且然后通過由于惰性氣體/試劑氣體的流動而在原料管9中形成的真空朝反應(yīng)器管22輸送。

原料容器8經(jīng)螺紋連接部12與霧化器19連接。為了避免升華的材料沉淀在冷點上，所述連接部由回火套23套住。如果借助于預(yù)熱惰性氣體/試劑氣體消散的熱量過小，則所述回火套23可在其外側(cè)被冷卻。因此，可簡單地避免由于壓電晶體1操作時產(chǎn)生的熱而發(fā)生的溶液從陶瓷板3的表面的蒸發(fā)。原料容器8中的溫度通過被引導(dǎo)通過熱元件裝配開口10并利用合適的密封環(huán)密封于原料容器8上的溫度計測量。

基于通過經(jīng)密封件18密封在所述連接和溫度計裝配塊17中的溫度計測得的溫度數(shù)據(jù)，在所述惰性氣體/試劑氣體進(jìn)入霧化器19之前還借助于絕熱/管道加熱部16控制惰性氣體/試劑氣體的溫度。為了確保期望溫度的惰性氣體/試劑氣體到達(dá)霧化器19，所述氣體的熱損失的補(bǔ)償和氣體的額外加熱根據(jù)測定的溫度數(shù)據(jù)而在氣體管道15中發(fā)生。由此，能在所述反應(yīng)容積的進(jìn)入點減小跨反應(yīng)容積的溫度梯度。

壓電晶體1連續(xù)通電，或代之以通過與所述壓電晶體的類型匹配的電壓經(jīng)電連接件24周期性地通電。當(dāng)超聲波單元25被致動時，它一次僅能在單個頻率范圍內(nèi)操作。壓電晶體1形成為可更換單元，其因此可根據(jù)要實現(xiàn)的頻率更換。通過向所述壓電晶體施加特定電壓而發(fā)生致動，其中該電壓通過方波信號調(diào)制。根據(jù)方波信號的占空比，聲波將是連續(xù)的或動態(tài)脈沖。

具有超聲波噴霧頭的實施為介觀流控反應(yīng)器的VFP設(shè)備可能基本上用于兩個應(yīng)用領(lǐng)域中：(i)以使得廢熱用于預(yù)熱惰性氣體/試劑氣體的方式霧化具有微米體系下的小粒徑分布的溶液，和(ii)霧化/升華難溶或不可溶固體。然而，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言顯而易見的是，本設(shè)備也可在不對其結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行大幅改動并且因此不超出以下權(quán)利要求的保護(hù)范圍的情況下用于與以上定義的應(yīng)用領(lǐng)域不同的其它應(yīng)用領(lǐng)域中。

在操作模式(i)中，原材料的溶液從下方進(jìn)入超聲波噴霧頭4，其由泵2或由于文丘里原理而被輸送。溶液在由于系統(tǒng)的阻力而積累的壓力下經(jīng)直徑為約0.2mm的管/毛細(xì)管進(jìn)入反應(yīng)器管。惰性氣體/試劑氣體沿所述毛細(xì)管的整個外周給送到系統(tǒng)中，這減小和分散了進(jìn)入反應(yīng)容積的液滴的尺寸。為了進(jìn)一步減少所述液滴的粒徑分布，超聲波噴霧頭4以可在500kHz與5MHz之間自由變化的(操作)頻率操作；這樣，控制了霧化程度。產(chǎn)生超聲波的帶電(live)壓電單元在操作期間發(fā)熱。該廢熱用于預(yù)熱導(dǎo)入的惰性氣體/試劑氣體以便降低由于流入的氣體而引起的溫度梯度。為了實現(xiàn)良好的傳熱，例如通過使所述元件直接或間接接觸而在所利用的壓電晶體與管/管的盤圈(coil)之間建立機(jī)械聯(lián)接；所述間接接觸例如借助于在所述壓電晶體與所述管/管的盤圈之間嵌入具有良好導(dǎo)熱性的材料來實現(xiàn)。這樣，確保了氣體的期望升溫程度。

在操作模式(ii)中，借助于經(jīng)閥7和壓力計9導(dǎo)入的惰性氣體/試劑氣體而在從上方連接至超聲波噴霧頭4的固體容器5中產(chǎn)生并維持約0.2-0.3bar的緩沖壓力。通過利用壓電晶體的機(jī)械功，粒徑分布從毫米范圍和/或數(shù)百微米的范圍減至100至250μm的范圍。這樣，一方面，該物質(zhì)可作為固體流體(即細(xì)粉末狀材料)被處理，而另一方面，壓電晶體的表面上產(chǎn)生的熱誘發(fā)所述物質(zhì)的升華；這樣獲得的氣態(tài)物質(zhì)然后由提供緩沖壓力的惰性氣體/試劑氣體攜帶并流入反應(yīng)容積中。

被加熱的反應(yīng)器管12的加熱通過間接加熱(通過例如紅外線加熱、加熱筒、加熱絲、熱風(fēng)吹送等)提供；因此，能在反應(yīng)容積內(nèi)實現(xiàn)常溫(這里，約20℃至25℃)與至少約1000℃之間的任何溫度。所述被加熱的反應(yīng)容積由具有低傳熱系數(shù)的多層絕緣體包圍。包括多個單獨的反應(yīng)區(qū)的爐的溫度通過每個區(qū)至少一個溫度感測裝置、優(yōu)選通過設(shè)置在爐腔室的給定區(qū)中的溫度傳感器測量。

要加熱到高溫的介觀流控尺寸范圍的反應(yīng)器管12沿其全部長度設(shè)置在加熱單元11內(nèi)，其中所述超聲波噴霧頭4位于進(jìn)入側(cè)，而物質(zhì)沉淀/冷凝產(chǎn)品收集器13的預(yù)冷卻的大表面積位于所述加熱單元11的排出側(cè)。

可選地，真空泵15用于引導(dǎo)物質(zhì)流并且進(jìn)一步減少滯留時間；所述真空泵15可借助于例如合適的管線與物質(zhì)沉淀/冷凝產(chǎn)品收集器13的出口連接。

具有根據(jù)本發(fā)明的超聲波噴霧裝置的實施為介觀流控反應(yīng)器的VFP設(shè)備的一個優(yōu)選的示例性實施例具備以下非限制性的技術(shù)參數(shù)：

-溫度范圍：常溫(即約20℃至25℃)與1000℃之間；

-溫度控制的精度：在100℃以下±3％，而在100℃以上±2％和1000℃以下±2％；

-標(biāo)稱壓力：10^-3mbar與3bar之間；

-惰性氣體/試劑氣體的流量：1至10000ml/min；

-溶液的流量：0.1至1000ml/min；

-溶液的壓力：約1bar(大氣壓)與400bar之間；

-應(yīng)用的超聲波頻率：500kHz與5MHz之間；以及

-反應(yīng)器尺寸：500x 26mm。

以下更詳細(xì)地論述在配備有根據(jù)本發(fā)明的超聲波噴霧裝置的化學(xué)反應(yīng)器中執(zhí)行的一些化學(xué)反應(yīng)以及有關(guān)的測量結(jié)果。本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言顯而易見的是，所述化學(xué)反應(yīng)器在適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行改造(就例如壓力、溫度等而言)的情況下也適合于實施其它化學(xué)反應(yīng)。因此，以下論述的化學(xué)反應(yīng)僅應(yīng)當(dāng)被看作不限制本發(fā)明的化學(xué)反應(yīng)器的應(yīng)用范圍的示例。

實施例

實施例1：Gould-Jacobs 6π電環(huán)化反應(yīng)。

在真空閃速熱解(VFP)裝置中執(zhí)行的Gould-Jacobs 6π電環(huán)化實驗

將200mg量的原材料計量供給到裝置的蒸餾瓶中。然后，將預(yù)熱器的溫度控制單元設(shè)定為150℃，并且將反應(yīng)器的溫度控制單元設(shè)定為450℃。在所設(shè)定的值的實現(xiàn)和穩(wěn)定之后，在系統(tǒng)中形成了10-³mbar的真空。由于該溫度和真空，原材料開始升華并且數(shù)秒之后在預(yù)冷卻至-78℃的并且配置在長度為500mm的反應(yīng)器管的出口處的產(chǎn)品收集器中出現(xiàn)從反應(yīng)器獲得的產(chǎn)品。所獲得的產(chǎn)品通過乙醇和/或二氯甲烷從收集器溶解，并且然后蒸發(fā)。如果有必要，產(chǎn)品接受進(jìn)一步的凈化。

在超聲波真空閃速熱解(UVFP)裝置中執(zhí)行的Gould-Jacobs 6π電環(huán)化實驗

將1390mg量的原材料計量供給到蒸餾瓶中，并且然后在50ml的二甲基乙酰胺(DMA)中溶解。這樣，獲得具有0.1M的濃度的溶液。將反應(yīng)器的溫度控制單元設(shè)定為450℃。將溶液的流量設(shè)定為0.5ml/min，將氮氣流量設(shè)定為2l/min，并且將超聲波單元的頻率設(shè)定為1.7MHz。在已通過HPLC泵開始溶液的流動數(shù)秒之后，在被預(yù)冷卻至-78℃的大表面積產(chǎn)品收集器中出現(xiàn)要收集的產(chǎn)品。只要原材料的溶液已在入口處用盡，產(chǎn)品就從所述收集器排出并蒸發(fā)。如果有必要，產(chǎn)品接受進(jìn)一步的處理。

圖3A和3B分別以曲線方式和表格形式示出在根據(jù)本發(fā)明的實施為介觀流控反應(yīng)器的VFP設(shè)備的情況下的取決于應(yīng)用的流量和頻率的Gould-Jacobs 6π電環(huán)化反應(yīng)的分離產(chǎn)率。當(dāng)優(yōu)化(單純形法)時，僅液體流量和超聲波頻率改變；所有其它參數(shù)保持不變。所獲得的測量結(jié)果清楚地表明，例如在上述化學(xué)反應(yīng)的情況下超聲波的應(yīng)用對反應(yīng)過程發(fā)揮了優(yōu)化效果，即，在應(yīng)用超聲波的情況下可使分離產(chǎn)率最大化。

實施例2：Conrad-Limpach環(huán)化反應(yīng)。

在真空閃速熱解(VFP)裝置中執(zhí)行的Conrand-Limpach環(huán)化實驗

將200mg量的原材料計量供給到裝置的蒸餾瓶中。然后，將預(yù)熱器的溫度控制單元設(shè)定為150℃，并且將反應(yīng)器的溫度控制單元設(shè)定為450℃。在所設(shè)定的值的實現(xiàn)和穩(wěn)定之后，在系統(tǒng)中形成了10^-3mbar的真空。由于該溫度和真空，原材料開始升華并且數(shù)秒之后在預(yù)冷卻至-78℃的并且配置在長度為500mm的反應(yīng)器管的出口處的產(chǎn)品收集器中出現(xiàn)從反應(yīng)器獲得的產(chǎn)品。所獲得的產(chǎn)品通過乙醇和/或二氯甲烷從收集器溶解，并且然后蒸發(fā)。如果有必要，產(chǎn)品接受進(jìn)一步的凈化。

在超聲波真空閃速熱解(UVFP)裝置中執(zhí)行的Conrand-Limpach環(huán)化實驗

將1050mg量的原材料計量供給到蒸餾瓶中，并且然后在50ml的二甲基乙酰胺(DMA)中溶解。這樣，獲得具有0.1M的濃度的溶液。將反應(yīng)器的溫度控制單元設(shè)定為450℃。將溶液的流量設(shè)定為0.4ml/min，將氮氣流量設(shè)定為2l/min，并且將超聲波單元的頻率設(shè)定為2.0MHz。在已通過HPLC泵開始溶液的流動數(shù)秒之后，在被預(yù)冷卻至-78℃的大表面積產(chǎn)品收集器中出現(xiàn)要收集的產(chǎn)品。只要原材料的溶液已在入口處用盡，產(chǎn)品就從所述收集器排出并蒸發(fā)。如果有必要，產(chǎn)品接受進(jìn)一步的處理。

根據(jù)本教導(dǎo)，對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施為介觀流控反應(yīng)器的超聲波VFP設(shè)備也適合于執(zhí)行與VFP反應(yīng)不同的化學(xué)反應(yīng)。