KR100845200B1 - Apparatus for mixing and reacting at least two fluids - Google Patents
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Abstract
적어도 2개의 유체를 혼합 및 반응시키는 신규한 장치가 개시되어 있다. 혼합 챔버에 유체를 공급하여 와류를 생성하는 적어도 2개의 공급 채널을 구비하는 장치에서 우수한 혼합 및 압력 강하 특성이 달성된다. 공급 채널의 정렬은 유체가 챔버 내로 접선 방향 및 반경 방향 양쪽에서 도입되도록 되어 있다. 기체/액체 혼합의 경우에, 특히 유리한 점은 액체 흐름은 접선 방향으로 주입되고 기체 흐름은 반경 방향으로 주입된다는 것이다. 유체의 반응은 혼합 챔버 내에서 일어나거나 혼합 챔버 출구와 유체 연통되는 별개의 반응기에서 일어날 수 있다. 혼합/반응 장치는 특히 신속한 확산이 중요한 반응에 유용하다.A novel apparatus for mixing and reacting at least two fluids is disclosed. Excellent mixing and pressure drop characteristics are achieved in an apparatus having at least two supply channels for supplying fluid to the mixing chamber to create a vortex. Alignment of the feed channel is such that fluid is introduced into the chamber in both tangential and radial directions. In the case of gas / liquid mixing, it is particularly advantageous that the liquid flow is injected tangentially and the gas flow is injected radially. The reaction of the fluid may take place in the mixing chamber or in a separate reactor in fluid communication with the mixing chamber outlet. Mixing / reaction devices are particularly useful for reactions where rapid diffusion is important.
Description
본 발명은 적어도 2개의 유체를 혼합 및 반응시키는 신규한 장치에 관한 것이다. 이 장치는 혼합 챔버와, 상기 혼합 챔버 내로 유체를 접선 방향과 반경 방향에서 모두 공급하는 적어도 2개의 도관을 구비한다. 반응 영역은 혼합 챔버 내에 통합되거나 이 혼합 챔버와 별개로 될 수도 있다. The present invention relates to a novel apparatus for mixing and reacting at least two fluids. The apparatus has a mixing chamber and at least two conduits for supplying fluid into the mixing chamber in both tangential and radial directions. The reaction zone may be integrated into or separate from the mixing chamber.
적어도 2개의 유체를 혼합하는 경우, 가능한 한 신속하게 균일한 분배를 달성하는 것이 그 목적이다. 미세 혼합기, 현대 화학을 위한 신기술(Microreactros, New Technology for Modern Chemistry), Wiley-VCH 2000, p. 41-85에서 W. Ehrfeld, V. Hessel, H. Lowe에 의해 기술된 정적 혼합기를 사용하는 것이 유리하다. 기지의 정적 혼합기는 액체인 경우에 마이크로미터 범위의 두께의 인접한 유체층을 교대로 발생시킴으로써 수 밀리세컨드 내지 1초의 혼합 시간을 달성한다. 기체인 경우에는 확산 상수가 더 높기 때문에 훨씬 더 신속한 혼합을 제공한다. 난류 조건이 조성되는 동적 혼합기와 달리, 정적 혼합기는 기하학적 형태가 미리 정해지므로 유체층의 폭과 확산 경로를 정확하게 결정할 수 있다. 그 결과, 매우 정밀한 혼합 시간의 분배가 달성된다. 이에 의해 선택성, 수율 및 심지어는 안정 성과 관련하여 화학 반응을 최적화시키는 수많은 가능성이 가능해진다. When mixing at least two fluids, the aim is to achieve a uniform distribution as quickly as possible. Micromixers, Microreactros, New Technology for Modern Chemistry, Wiley-VCH 2000, p. It is advantageous to use a static mixer described by W. Ehrfeld, V. Hessel, H. Lowe at 41-85. Known static mixers achieve a mixing time of several milliseconds to one second by alternatingly generating adjacent layers of fluid in the micrometer range in the case of liquids. Gases provide much faster mixing because of the higher diffusion constants. Unlike dynamic mixers, where turbulent conditions are established, static mixers are pre-determined in geometry so that the width and diffusion path of the fluid layer can be accurately determined. As a result, very precise distribution of mixing time is achieved. This opens up numerous possibilities for optimizing chemical reactions in terms of selectivity, yield and even stability.
정적 혼합기의 추가 잇점으로는 구성 요소의 크기가 감소된다는 것이며, 이에 의해 인접한 장비, 예컨대 열 교환기 및 반응기와의 통합이 훨씬 용이하게 될 수 있다. 또한, 한정된 공간 내에서 2개 이상의 구성 요소 사이에 강행된 상호 작용으로 인해 공정의 최적화가 향상될 수도 있다. 정적 혼합기는 액체/액체 혼합물 및 기체/기체 혼합기 뿐만 아니라 액체/액체 유제 및 액체/기체 분산물을 형성하는 데 사용된다. 정적 혼합기는 또한 다상 반응 및 상 이동 반응에 사용하는 것이 알려져 있다. An additional advantage of static mixers is that the size of the components is reduced, which can make integration with adjacent equipment such as heat exchangers and reactors much easier. In addition, the optimization of the process may be enhanced due to the forced interaction between two or more components within the confined space. Static mixers are used to form liquid / liquid mixtures and liquid / gas dispersions as well as liquid / liquid mixtures and gas / gas mixers. Static mixers are also known for use in polyphase reactions and phase transfer reactions.
다중 적층 또는 유체층 형성 원리를 사용하여 작동되는 정적 혼합기는 하나의 평면에 폭이 25-40 미크론인 혼합 채널 구조를 갖는다(상기 문헌의 64-73쪽을 확인하라). 상기 채널은 혼합될 2개의 유체를 반대 방향으로 평행하게 교대로 흐르도록 배치되는 다수의 개별 유체 흐름으로 분기시킨다. 인접한 유체 흐름은 수평면으로부터 수직 상방으로 슬롯을 통해 제거되어 서로 접촉하게 된다. 그러나, 대량 생산에 적합한 구조화 방법을 사용하면, 채널의 기하학적 형상 및 이에 따라 유체층의 폭이 단지 제한된 정도까지 서브미크론 범위로 감소될 수 있다. Static mixers operating using the multiple stacking or fluid bed formation principle have a mixing channel structure of 25-40 microns in width in one plane (see pages 64-73). The channel branches into a plurality of individual fluid flows arranged to alternately flow two fluids to be mixed in parallel in opposite directions. Adjacent fluid flows are removed through the slots vertically upwards from the horizontal plane and contact each other. However, using a structured method suitable for mass production, the geometry of the channels and thus the width of the fluid layer can be reduced to a submicron range to a limited extent.
다중 적층 원리를 사용하는 유체층 크기의 추가 감소는 소위 기하학적 초점 조절에 의해 달성된다. 위험 물질과 반응하는 이 원리를 이용하는 정적 혼합기는 미세 반응 기법(Microreactions Technology); 산업 전망; 미세 반응 기법/IMRET3에 대한 제3 국제 회의의 의사록, W.Ehrfeld, Springer 2000, pp.171-179에서 T. M. Floyd에 의해 설명되어 있다. 혼합될 2개의 유체를 위해 교대로 인접한 채널을 반 원형으로 외측을 향해 외측으로부터 반경 방향으로, 깔때기 형태로 연장되는 챔버 내로 개방시키고 협소하고 긴 채널 내로 합병한다. 적층식 유체 흐름은 챔버 내에서 조합된 다음 협소한 채널로 전달되므로, 개별 유체층의 폭이 감속된다. 이러한 층류 조건 하에서는 혼합이 순수하게 확산된다. 따라서, 유체층의 폭을 서브미크론 범위로 감소시킴으로써 밀리세컨드 범위의 혼합 시간이 달성된다. 이 형상을 갖는 단점으로는 협소한 채널이 완전하고 밀접한 혼합을 달성할 정도로 충분히 길어야 한다는 것이다. 이 때문에 대형 구조를 필요로 하고 비교적 고압 손실을 촉진시킨다.Further reduction of the fluid bed size using the multiple lamination principle is achieved by the so-called geometric focusing. Static mixers using this principle of reacting with dangerous substances include, but are not limited to, Microreactions Technology; Industry prospects; The minutes of the third International Conference on Microreaction Techniques / IMRET3, described by T. M. Floyd in W. Ehrfeld, Springer 2000, pp.171-179. The alternating adjacent channels for the two fluids to be mixed are opened semicircularly outward from the outside into the chamber extending in a funnel form and merging into narrow, long channels. Stacked fluid flows are combined within the chamber and then delivered to narrow channels, thereby reducing the width of the individual fluid layers. Under these laminar flow conditions, the mixture is purely diffused. Thus, the milling time range of mixing time is achieved by reducing the width of the fluid layer to the submicron range. The disadvantage with this shape is that the narrow channel must be long enough to achieve full and intimate mixing. This requires a large structure and promotes relatively high pressure losses.
이들 개시물과 달리, 본 발명의 장치는 적어도 2개의 유체를 신속하고도 균일하게 혼합하는 널리 알려진 문제에 대한 해법을 제공하는 동시에, 저압 강하 특성과 경제적인 구조를 유지한다. 제공되는 효율적인 혼합은 화학 반응과 함께 사용된다. 반응 전에, 상당한 압력 손실 없이 완벽한 혼합을 촉진시키는 와류 또는 혼합 챔버를 활용하는 방식으로 공급 성분들이 혼합된다. 특히 반응물의 극히 양호한 분산이 확산 제한을 극복할 수 있는 반응이 관심사이다. 본 발명은 광범위한 용례에 사용될 수도 있지만, 특히 반응과 결합된 소규모 또는 미세 혼합 작업에 적합하다. Unlike these disclosures, the device of the present invention provides a solution to the well-known problem of quickly and uniformly mixing at least two fluids, while maintaining low pressure drop characteristics and an economical structure. Efficient mixing provided is used with chemical reactions. Prior to the reaction, the feed components are mixed in a manner utilizing a vortex or mixing chamber that promotes perfect mixing without significant pressure loss. Of particular interest is a reaction in which extremely good dispersion of the reactants can overcome diffusion limitations. The invention may be used in a wide variety of applications, but is particularly suitable for small or fine mixing operations in combination with reactions.
본 발명은 적어도 2개의 유체를 혼합 및 반응시키는 혼합/반응 장치 및 고압 강하 및 불충분한 확산의 제한을 극복하는 혼합 방법에 관한 것이다. 혼합은 혼합 챔버 주위에서 접선 방향 및 반경 방향으로 개별 유체의 흐름을 주입하여 전체에 나선형 흐름 경로를 제공함으로써 달성된다. 본 발명은 광범위한 용례에 사용될 수도 있지만, 특히 본 발명은 소규모 혼합 작업 또는 미세 혼합에 적합하다. 본 발명은 또한 반응과 결합될 수도 있다. The present invention relates to a mixing / reaction apparatus for mixing and reacting at least two fluids and a mixing method that overcomes the limitations of high pressure drop and insufficient diffusion. Mixing is accomplished by injecting the flow of individual fluids tangentially and radially around the mixing chamber to provide a spiral flow path throughout. The invention may be used in a wide variety of applications, but in particular the invention is suitable for small mixing operations or fine mixing. The invention may also be combined with a reaction.
제1 실시예에서, 본 발명은 제1 유체 흐름과 제2 유체 흐름을 혼합하는 장치이다. 상기 장치는 상기 제1 유체 흐름을 수용하는 제1 공급관 수용 단부와, 이 제1 공급관 수용 단부의 반대측에 있는 제1 공급관 방출 단부를 갖는 제1 공급관을 구비한다. 상기 장치는 또한 상기 제2 유체 흐름을 수용하는 제2 공급관 수용 단부와, 이 제2 공급관 수용 단부의 반대측에 있는 제2 공급관 방출 단부를 갖는 제2 공급관을 구비한다. 상기 장치는 또한 제1 공급관 및 제2 공급관과 제1 공급관 방출 단부 및 제2 공급관 방출 단부에서 유체 연통되는 혼합 챔버를 구비한다. 제1 공급관 방출 단부와 제2 공급관 방출 단부 중 하나는 혼합 챔버 내에 거의 접선 방향으로 통해 있고, 제1 공급관 방출 단부와 제2 공급관 방출 단부 중 다른 하나는 혼합 챔버 내에 거의 반경 방향으로 통해 있다. 상기 장치는 또한 상기 혼합 챔버의 중심 영역과 유체 연통되어 생성물 흐름을 방출하기 위한 혼합 챔버 출구를 구비한다. In a first embodiment, the invention is a device for mixing a first fluid stream and a second fluid stream. The apparatus has a first supply pipe having a first supply pipe receiving end for receiving the first fluid flow and a first supply pipe discharge end opposite the first supply pipe receiving end. The apparatus also has a second supply line having a second supply line receiving end for receiving the second fluid flow and a second supply line discharge end opposite the second supply line receiving end. The apparatus also has a mixing chamber in fluid communication with the first feed tube and the second feed tube at the first feed tube discharge end and the second feed tube discharge end. One of the first feed pipe discharge end and the second feed pipe discharge end is substantially tangentially through the mixing chamber, and the other of the first feed pipe discharge end and the second feed pipe discharge end is nearly radially through the mixing chamber. The apparatus also has a mixing chamber outlet for fluid communication with the central region of the mixing chamber to release the product flow.
다른 실시예에서, 본 발명은 제1 유체 흐름과 제2 유체 흐름을 혼합하는 장치이다. 상기 장치는 상기 제1 유체 흐름을 수용하는 제1 공급관 수용 단부와, 이 제1 공급관 수용 단부의 반대측에 있는 제1 공급관 방출 단부를 갖는 제1 공급관을 구비한다. 상기 장치는 또한 상기 제2 유체 흐름을 수용하는 제2 공급관 수용 단부와, 이 제2 공급관 수용 단부의 반대측에 있는 제2 공급관 방출 단부를 갖는 제2 공급관을 구비한다. 상기 장치는 또한 내부에 촉매가 배치되어 있는 혼합 챔버를 구비한다. 상기 혼합 챔버는 제1 공급관 방출 단부와 제2 공급관 방출 단부에서 제1 공급관 및 제2 공급관과 유체 연통된다. 제1 공급관 방출 단부와 제2 공급관 방출 단부 중 하나는 혼합 챔버 내에 거의 접선 방향으로 통해 있고, 제1 공급관 방출 단부와 제2 공급관 방출 단부 중 다른 하나는 혼합 챔버 내에 거의 반경 방향으로 통해 있다. 상기 장치는 또한 상기 혼합 챔버의 중심 영역과 유체 연통되어 생성물 흐름을 방출하기 위한 혼합 챔버 출구를 구비한다.In another embodiment, the present invention is a device for mixing a first fluid stream and a second fluid stream. The apparatus has a first supply pipe having a first supply pipe receiving end for receiving the first fluid flow and a first supply pipe discharge end opposite the first supply pipe receiving end. The apparatus also has a second supply line having a second supply line receiving end for receiving the second fluid flow and a second supply line discharge end opposite the second supply line receiving end. The apparatus also has a mixing chamber with a catalyst disposed therein. The mixing chamber is in fluid communication with the first supply pipe and the second supply pipe at the first supply pipe discharge end and the second supply pipe discharge end. One of the first feed pipe discharge end and the second feed pipe discharge end is substantially tangentially through the mixing chamber, and the other of the first feed pipe discharge end and the second feed pipe discharge end is nearly radially through the mixing chamber. The apparatus also has a mixing chamber outlet for fluid communication with the central region of the mixing chamber to release the product flow.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 제1 유체 흐름과 제2 유체 흐름을 혼합하는 장치이다. 상기 장치는 상기 제1 유체 흐름을 수용하는 제1 공급관 수용 단부와, 이 제1 공급관 수용 단부의 반대측에 있는 제1 공급관 방출 단부를 갖는 제1 공급관을 구비한다. 상기 장치는 또한 상기 제2 유체 흐름을 수용하는 제2 공급관 수용 단부와, 이 제2 공급관 수용 단부의 반대측에 있는 제2 공급관 방출 단부를 갖는 제2 공급관을 구비한다. 상기 장치는 또한 제1 공급관 및 제2 공급관과 제1 공급관 방출 단부 및 제2 공급관 방출 단부에서 유체 연통되는 혼합 챔버를 구비한다. 제1 공급관 방출 단부와 제2 공급관 방출 단부 중 하나는 혼합 챔버 내에 거의 접선 방향으로 통해 있고, 제1 공급관 방출 단부와 제2 공급관 방출 단부 중 다른 하나는 혼합 챔버 내에 거의 반경 방향으로 통해 있다. 상기 장치는 또한 상기 혼합 챔버의 중심 영역과 유체 연통되어 제1 유체와 제2 유체의 혼합된 흐름을 방출하기 위한 혼합 챔버 출구를 구비한다. 상기 장치는 또한 입구와 출구가 있고 촉매 보유 공간을 형성하는 반응기를 구비하고, 상기 반응기 입구는 혼합 챔버 출 구와 유체 연통된다. In yet another embodiment, the invention is a device for mixing a first fluid stream and a second fluid stream. The apparatus has a first supply pipe having a first supply pipe receiving end for receiving the first fluid flow and a first supply pipe discharge end opposite the first supply pipe receiving end. The apparatus also has a second supply line having a second supply line receiving end for receiving the second fluid flow and a second supply line discharge end opposite the second supply line receiving end. The apparatus also has a mixing chamber in fluid communication with the first feed tube and the second feed tube at the first feed tube discharge end and the second feed tube discharge end. One of the first feed pipe discharge end and the second feed pipe discharge end is substantially tangentially through the mixing chamber, and the other of the first feed pipe discharge end and the second feed pipe discharge end is nearly radially through the mixing chamber. The apparatus also has a mixing chamber outlet for in fluid communication with the central region of the mixing chamber to release a mixed flow of the first fluid and the second fluid. The apparatus also has a reactor having an inlet and an outlet and forming a catalyst holding space, wherein the reactor inlet is in fluid communication with the mixing chamber outlet.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 제1 유체 흐름과 제2 유체 흐름을 혼합하는 장치이다. 상기 장치는 상기 제1 유체 흐름을 수용하는 제1 공급관 수용 단부와, 이 제1 공급관 수용 단부의 반대측에 있는 제1 공급관 방출 단부를 갖는 제1 공급관을 구비한다. 상기 장치는 또한 상기 제2 유체 흐름을 수용하는 제2 공급관 수용 단부와, 이 제2 공급관 수용 단부의 반대측에 있는 제2 공급관 방출 단부를 갖는 제2 공급관을 구비한다. 상기 장치는 또한 제1 공급관 및 제2 공급관과 제1 공급관 방출 단부 및 제2 공급관 방출 단부에서 유체 연통되는 혼합 챔버를 구비하고, 제1 공급관 방출 단부와 제2 공급관 방출 단부 중 하나는 혼합 챔버 내에 거의 접선 방향으로 통해 있고, 제1 공급관 방출 단부와 제2 공급관 방출 단부 중 다른 하나는 혼합 챔버 내에 거의 반경 방향으로 통해 있다. 상기 장치는 또한 제1 유체 흐름과 제2 유체 흐름의 혼합된 흐름을 혼합 챔버로부터 방출하는 혼합 챔버 출구를 구비하고, 상기 혼합 챔버 출구는 혼합 챔버의 중심 영역과 유체 연통된다. 상기 장치는 또한 입구와 출구가 있고 촉매 보유 공간을 형성하는 반응기를 구비하고, 상기 반응기 입구는 혼합 챔버 출구와 유체 연통된다. In yet another embodiment, the invention is a device for mixing a first fluid stream and a second fluid stream. The apparatus has a first supply pipe having a first supply pipe receiving end for receiving the first fluid flow and a first supply pipe discharge end opposite the first supply pipe receiving end. The apparatus also has a second supply line having a second supply line receiving end for receiving the second fluid flow and a second supply line discharge end opposite the second supply line receiving end. The apparatus also has a mixing chamber in fluid communication with the first supply pipe and the second supply pipe at the first supply pipe discharge end and the second supply pipe discharge end, wherein one of the first supply pipe discharge end and the second supply pipe discharge end is in the mixing chamber. It is through in a nearly tangential direction, and the other of the first feed pipe discharge end and the second feed pipe discharge end is nearly radially through in the mixing chamber. The apparatus also has a mixing chamber outlet for discharging a mixed flow of the first fluid stream and the second fluid stream from the mixing chamber, the mixing chamber outlet being in fluid communication with the central region of the mixing chamber. The apparatus also has a reactor having an inlet and an outlet and forming a catalyst holding space, wherein the reactor inlet is in fluid communication with the mixing chamber outlet.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 적어도 2개의 유체를 혼합하는 층상 조립체이다. 이 층상 조립체는 외부면과 내부면이 있고, 제1 유체와 제2 유체를 층상 조립체 내로 수용하는 제1 공급 채널과 제2 공급 채널을 형성하는 거의 평탄한 덮개층을 구비한다. 상기 제1 공급 채널과 제2 공급 채널은 외부면으로부터 내부면까지 연장되어 제1 입구 포트와 제2 입구 포트를 형성한다. 상기 층상 조립체는 또 한 상부면과 하부면이 있는 거의 평탄한 혼합층을 구비하고, 상기 혼합층의 상부면은 상기 덮개층의 내부면 상에 밀봉 가능하게 배치되어 제1 공급 채널을 형성하며, 이 제1 공급 채널은 제1 공급 채널과 유체 연통되는 제1 공급 채널 수용 단부와 제1 공급 채널 수용 단부 반대측에 있는 제1 공급 채널 방출 단부를 갖는다. 상기 덮개층과 혼합층은 또한 제2 공급 채널과 유체 연통되는 제2 공급 채널 수용 단부와, 이 제2 공급 채널 수용 단부 반대측에 있는 제2 공급 채널 방출 단부를 갖는 제2 공급 채널을 형성한다. 상기 덮개층과 혼합층은 또한 제1 공급 채널 방출 단부 및 제2 공급 채널 방출 단부와 유체 연통되는 혼합 챔버를 형성하고, 상기 제1 공급 채널 방출 단부 또는 제2 공급 채널 방출 단부 중 하나는 혼합 챔버 내에 거의 접선 방향으로 통해 있고 제1 공급 채널 방출 단부 또는 제2 공급 채널 방출 단부 중 다른 하나는 혼합 챔버 내에 거의 반경 방향으로 통해 있다. 상기 덮개층과 혼합층은 또한 혼합 챔버와 유체 연통되어 제1 유체 및 제2 유체의 혼합된 흐름을 혼합 챔버로부터 방출하는 혼합 챔버 출구 채널을 형성한다. In another embodiment, the present invention is a layered assembly mixing at least two fluids. The layered assembly has an outer surface and an inner surface and has an almost flat cover layer forming a first supply channel and a second supply channel for receiving the first fluid and the second fluid into the layered assembly. The first supply channel and the second supply channel extend from the outer surface to the inner surface to form a first inlet port and a second inlet port. The layered assembly also has a substantially flat mixed layer having a top surface and a bottom surface, the top surface of the mixed layer being sealably disposed on an inner surface of the lid layer to form a first feed channel. The feed channel has a first feed channel receiving end in fluid communication with the first feed channel and a first feed channel discharge end opposite the first feed channel receiving end. The cover layer and the mixed layer also form a second supply channel having a second supply channel receiving end in fluid communication with the second supply channel and a second supply channel discharge end opposite the second supply channel receiving end. The cover layer and the mixed layer also form a mixing chamber in fluid communication with the first supply channel discharge end and the second supply channel discharge end, wherein either the first supply channel discharge end or the second supply channel discharge end is in the mixing chamber. It is through in a nearly tangential direction and the other of the first feed channel discharge end or the second feed channel discharge end is in a nearly radial direction within the mixing chamber. The cover layer and the mixed layer are also in fluid communication with the mixing chamber to form a mixing chamber outlet channel that discharges the mixed flow of the first fluid and the second fluid from the mixing chamber.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 적어도 2개의 유체를 혼합하는 층상 조립체이다. 이 층상 조립체는 외부면과 내부면이 있고, 제1 유체와 제2 유체를 층상 조립체 내로 수용하는 제1 공급 채널과 제2 공급 채널을 형성하는 거의 평탄한 덮개층을 구비하며, 상기 제1 공급 채널과 제2 공급 채널은 외부면으로부터 내부면까지 연장되어 제1 입구 포트와 제2 입구 포트를 형성한다. 상기 층상 조립체는 또한 상부면과 하부면이 있는 거의 평탄한 혼합층을 구비하고, 상기 혼합층의 상부면은 상기 덮개층의 내부면 상에 밀봉 가능하게 배치되어 제1 공급 채널을 형성하며, 이 제1 공급 채널은 제1 공급 채널과 유체 연통되는 제1 공급 채널 수용 단부와 제1 공급 채널 수용 단부 반대측에 있는 제1 공급 채널 방출 단부를 갖는다. 상기 덮개층과 혼합층은 또한 밀봉 가능하게 연결되어, 제2 공급 채널과 유체 연통되는 제2 공급 채널 수용 단부와, 이 제2 공급 채널 수용 단부 반대측에 있는 제2 공급 채널 방출 단부를 갖는 제2 공급 채널을 형성한다. 상기 덮개층과 혼합층은 또한 밀봉 가능하게 연결되어 내부에 촉매가 배치된 혼합 챔버를 형성한다. 상기 혼합 챔버는 제1 공급 채널 방출 단부 및 제2 공급 채널 방출 단부와 유체 연통되고, 상기 제1 공급 채널 방출 단부 또는 제2 공급 채널 방출 단부 중 하나는 혼합 챔버 내에 거의 접선 방향으로 통해 있고 제1 공급 채널 방출 단부 또는 제2 공급 채널 방출 단부 중 다른 하나는 혼합 챔버 내에 거의 반경 방향으로 통해 있다. 혼합 챔버 출구 채널은 혼합 챔버와 유체 연통되어 생성물 흐름을 혼합 챔버로부터 방출한다. In another embodiment, the present invention is a layered assembly mixing at least two fluids. The layered assembly has an outer surface and an inner surface and has a substantially flat cover layer forming a first supply channel and a second supply channel for receiving a first fluid and a second fluid into the layered assembly, the first supply channel. And the second supply channel extend from the outer surface to the inner surface to form a first inlet port and a second inlet port. The layered assembly also has an almost flat mixed layer having an upper surface and a lower surface, the upper surface of the mixed layer being sealably disposed on an inner surface of the capping layer to form a first supply channel. The channel has a first supply channel receiving end in fluid communication with the first supply channel and a first supply channel discharge end opposite the first supply channel receiving end. The cover layer and the mixed layer are also sealably connected to a second supply having a second supply channel receiving end in fluid communication with the second supply channel and a second supply channel discharge end opposite the second supply channel receiving end. Form a channel. The cover layer and the mixed layer are also sealably connected to form a mixing chamber in which the catalyst is disposed. The mixing chamber is in fluid communication with the first supply channel discharge end and the second supply channel discharge end, wherein either the first supply channel discharge end or the second supply channel discharge end is in a tangential direction within the mixing chamber and in a first tangential direction. The other of the feed channel discharge end or the second feed channel discharge end is through almost radially within the mixing chamber. The mixing chamber outlet channel is in fluid communication with the mixing chamber to discharge the product flow from the mixing chamber.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 적어도 2개의 유체 흐름을 혼합하는 방법 및 필요에 따라 반응시키는 방법이다. 상기 방법은 제1 유체 흐름을 제1 공급 채널을 통해 유동시켜 제1 유체 흐름을 거의 반경 방향으로 혼합 챔버 내에 주입하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 제2 유체 흐름을 제2 공급 채널을 통해 유동시켜 제2 유체 흐름을 거의 접선 방향으로 혼합 챔버 내에 주입하여 와류를 생성하는 단계와, 혼합된 제1 유체와 제2 유체의 흐름을 상기 와류의 중심부로부터 추출하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 필요에 따라 또한, 혼합된 유체를 반응 챔버에서 반응시키는 단계를 포함한다. In another embodiment, the present invention is a method of mixing at least two fluid streams and reacting as necessary. The method includes flowing a first fluid stream through the first supply channel to inject the first fluid stream into the mixing chamber in a substantially radial direction. The method also includes flowing a second fluid stream through the second supply channel to inject the second fluid stream into the mixing chamber in a substantially tangential direction to produce a vortex, and to provide a flow of the mixed first and second fluids. Extracting from the central portion of the vortex. The method also includes reacting the mixed fluid in a reaction chamber as needed.
이들 및 그 외의 실시예와 목적은 본 발명의 상세한 설명을 읽은 후에 명백하게 될 것이다.These and other embodiments and objects will become apparent after reading the detailed description of the invention.
도 1은 교대로 접선 방향 및 반경 방향으로 다수의 공급관이 통해 있는 혼합 챔버의 평면도.1 is a plan view of a mixing chamber through which a plurality of feed tubes are alternately in tangential and radial directions;
도 2는 혼합 챔버로의 주입 전에 공급관에서 2개의 유체를 예혼합하는 것을 보여주는 평면도.FIG. 2 is a plan view showing premixing two fluids in a feed tube prior to injection into a mixing chamber. FIG.
도 3은 2개의 유체가 혼합되고 공급관이 혼합 챔버 주위에서 접선 방향과 반경 방향 간에 교대로 있는 다수의 공급관을 보여주는 평면도.3 is a plan view showing a plurality of feed tubes in which two fluids are mixed and the feed tubes are alternately tangentially and radially around the mixing chamber;
도 4는 개별 플레이트가 명확성을 기하기 위해 분리되어 있는 적층식 플레이트 구조를 포함하는 정적 혼합기/반응기의 도면으로서, 혼합기 플레이트는 다수의 공급 채널이 교대로 접선 방향과 반경 방향으로 통해 있는 혼합 챔버의 개방 구조를 형성하고, 혼합기 플레이트 아래의 반응 플레이트는 반응기의 개방 구조를 형성한다. FIG. 4 is a diagram of a static mixer / reactor comprising a stacked plate structure in which individual plates are separated for clarity, the mixer plate being of a mixing chamber with multiple feed channels alternately in tangential and radial directions. Form an open structure, and the reaction plate below the mixer plate forms the open structure of the reactor.
도 5는 개별 플레이트가 명확성을 기하기 위해 분리되어 있는 적층식 플레이트 구조를 포함하는 정적 혼합기/반응기의 도면으로서, 혼합기 플레이트는 혼합 챔버 내로 주입되기 전에 2개의 유체가 공급 채널 내에서 예혼합될 수 있게 구성되고, 반응기 상부의 반응 플레이트는 반응기의 개방 구조를 형성한다.FIG. 5 is a diagram of a static mixer / reactor comprising a stacked plate structure in which individual plates are separated for clarity, where the mixer plates may be premixed with two fluids in the feed channel before being injected into the mixing chamber. And the reaction plate on top of the reactor forms an open structure of the reactor.
언급한 바와 같이, 본 발명은 2개 이상의 유체를 혼합 및 반응시키는 장치의 개선에 관한 것이다. 상기 유체는 폭넓게 임의의 기상 물질 또는 액상 물질 또는 이들 물질들의 혼합물일 수 있다. 상기 유체는 또한 용해되거나 분산된 고체 성분을 가지므로, 용해된 고체와 슬러리, 예컨대 고체 촉매 입자를 함유하는 액상 반응물의 슬러리의 용액을 또한 본 발명에 적용할 수 있다. 그 외에 기체/액체 혼합물, 입자가 동반된 기체 및 3상 슬러리와 같은 다상을 포함하는 유체가 또한 적절하다. 본 발명에 따라 반응 전에 달성되는 혼합은 기지의 용해, 유화 및 분산 작업을 포함한다. 따라서, 결과적인 혼합물은 용액, 액체/액체 유제 및 기체/액체 분산물 및 고체/액체 분산물을 포함한다. 본 발명에 따른 혼합/반응 장치 및 방법은 기체/액체 분산물을 형성하는 데 적용되는 것이 유리하고, 이 경우에 혼합 챔버 내로 도입된 적어도 하나의 유체는 기체 또는 기체 혼합물을 함유하고, 도입된 적어도 하나의 추가 유체는 액체, 액체 혼합물, 용액, 분산물 또는 유제를 포함한다.As mentioned, the present invention relates to an improvement in an apparatus for mixing and reacting two or more fluids. The fluid can be broadly any gaseous or liquid substance or a mixture of these substances. Since the fluid also has a dissolved or dispersed solid component, a solution of a slurry of a liquid reactant containing dissolved solids and a slurry, such as solid catalyst particles, can also be applied to the present invention. In addition, fluids comprising a multiphase, such as a gas / liquid mixture, a gas with particles and a three phase slurry, are also suitable. Mixing achieved before the reaction according to the invention includes known dissolution, emulsification and dispersion operations. Thus, the resulting mixture includes solutions, liquid / liquid emulsions and gas / liquid dispersions and solid / liquid dispersions. The mixing / reaction apparatus and method according to the invention is advantageously applied to form a gas / liquid dispersion, in which case at least one fluid introduced into the mixing chamber contains a gas or gas mixture and at least introduced One additional fluid includes a liquid, liquid mixture, solution, dispersion or emulsion.
본 발명에 따른 혼합/반응 장치는 특히 제한된 확산에 특징이 있는 화학 반응을 수행하는 데 사용된다. 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 반응물 흐름은 혼합 챔버 내로 개별적으로 도입되거나 이 혼합 챔버에 이르는 공급관 내에서 예혼합될 수도 있다. 최적의 선택은 반응의 구체적인 물성에 좌우된다. 예컨대, 긴 체류 시간을 필요로 하는 반응은 예혼합을 사용하여 최상으로 달성되지만, 비선택적인 부산물이 촉매 없이 형성될 수도 있는 반응은 혼합 챔버의 반응물 상류 사이에서 접촉을 피함으로써 최상으로 수행된다. 예컨대, 온도 센서나 압력 센서, 유량계, 히터 소자 또는 열 교환기와 같이 화학 반응을 제어하는 장치가 혼합/반응 장치에 통합될 수 있다. 후술되는 상기 혼합/반응 장치의 일실시예에서, 상기 장 치는 밀봉 가능하게 연결된 층의 조립체를 포함하고, 이들 장치는 혼합 챔버의 상부 또는 하부의 층에 배치되어 그 층에 기능상 연결될 수도 있다. 언급한 바와 같이, 이종의 촉매 화학 반응을 수행하기 위해서 상기 혼합/반응 장치는 추가로 촉매 재료를 포함할 수도 있다. Mixing / reaction devices according to the invention are used to carry out chemical reactions which are particularly characterized by limited diffusion. As will be described in detail below, the reactant streams may be introduced separately into the mixing chamber or premixed in a feed tube leading to the mixing chamber. The optimal choice depends on the specific properties of the reaction. For example, reactions requiring long residence times are best achieved using premixing, while reactions where non-selective byproducts may be formed without catalyst are best performed by avoiding contact between reactants upstream of the mixing chamber. For example, devices that control chemical reactions, such as temperature sensors, pressure sensors, flow meters, heater elements, or heat exchangers, may be integrated into the mixing / reaction apparatus. In one embodiment of the mixing / reaction device described below, the device includes an assembly of sealably connected layers, which devices may be disposed in layers above or below the mixing chamber and functionally connected to the layers. As mentioned, the mixing / reaction apparatus may further comprise a catalytic material to effect heterogeneous catalytic chemistry.
밀접한 유체 혼합이 요망되는 화학 반응을 비롯한 특정 용례에 따라, 다양한 기타 유체가 혼합 챔버 내로 도입되는 것이 유리하다. 그러한 보충 유체는, 예컨대 화학 안정제, 유화제, 부식 억제제, 반응 촉진제, 중합화 체인 종결제 등을 포함한다. 심지어는 고체 또는 액상 촉매를 혼합 챔버로 도입하여 원하는 반응을 수행할 수도 있다. 물론, 혼합 및 반응될 유체는 이미 혼합된 보조 물질을 함유할 수도 있다. 촉매를 혼합 챔버 내에 배치하여 혼합 챔버에서 반응이 발생하든지 않하든지 간에 혼합 챔버 내에 형성된 혼합물은 혼합 챔버, 바람직하게는 그 중심 영역과 유체 연통하는 혼합 챔버 출구를 경유하여 제거된다. Depending on the particular application, including chemical reactions where intimate fluid mixing is desired, it is advantageous for various other fluids to be introduced into the mixing chamber. Such replenishment fluids include, for example, chemical stabilizers, emulsifiers, corrosion inhibitors, reaction promoters, polymerization chain terminators, and the like. It is even possible to introduce a solid or liquid catalyst into the mixing chamber to carry out the desired reaction. Of course, the fluid to be mixed and reacted may contain auxiliary substances which have already been mixed. Whether the catalyst is placed in the mixing chamber and reaction occurs in the mixing chamber, the mixture formed in the mixing chamber is removed via the mixing chamber, preferably the mixing chamber outlet in fluid communication with its central region.
반응 전에 적어도 2개의 유체를 혼합하는 본 발명에 따른 혼합/반응 장치는 혼합 챔버와, 이 혼합 챔버 주변에 배치되어 혼합 챔버 내로 유체를 주입하는 적어도 2개의 공급관을 포함한다. 상기 공급관은 한정된 유량으로 도입되는 특정 유체가 내측을 향해 동심으로 흐르는 유체 나선형을 형성하게 되는 방식으로 혼합 챔버 내로 개방되어 있다. 이 와류 형성은 혼합 챔버 내에서의 유체 체류 시간을 상당히 연장시킴으로써, 혼합 특성을 향상시킨다. 원하는 나선형 및 내향 액체 흐름 경로의 달성은 주로 혼합 챔버 내로의 유체 도입 각도 및 유체 동력학 에너지와 상관한다. 반경 방향으로 또는 원통형 혼합 챔버의 경우 그 중심을 향해 직접 도입 되는 유체는 접선 방향으로 충분한 동력학 에너지를 갖는 다른 유체가 작용하지 않으면 나선형 흐름 경로가 나타나지 않게 된다. 본 발명은 혼합될 제1 유체 및 제2 유체를 접선 방향 및 반경 방향으로 도입함으로써 특별한 혼합을 달성한다. 접선 방향 유체의 동력학 에너지 성분은 반경 방향 흐름 성분을 만곡시키는 것이 적절하여 이들 성분이 효과적인 혼합을 가능하게 하도록 충분한 수의 권선을 갖는 전체 나선형 흐름 패턴이 나타나는 것이 바람직하다. 하나의 유체가 접선 방향으로 도입되고 다른 유체가 반경 방향으로 도입되므로, 원하는 나선형 및 내향 흐름 패턴을 제공하도록 접선 방향으로 흐르는 유체의 유체 동력학 에너지 대 반경 방향으로 흐르는 유체의 유체 동력학 에너지의 비율은 0.5 이상인 것이 바람직하다. The mixing / reaction device according to the invention for mixing at least two fluids prior to the reaction comprises a mixing chamber and at least two supply tubes disposed around the mixing chamber for injecting fluid into the mixing chamber. The feed tube is open into the mixing chamber in such a way that certain fluid introduced at a defined flow rate forms a fluid spiral flowing concentrically inward. This vortex formation significantly extends the fluid residence time in the mixing chamber, thereby improving mixing characteristics. The achievement of the desired helical and inward liquid flow paths correlates primarily with the fluid introduction angle and fluid dynamic energy into the mixing chamber. The fluid introduced radially or in the case of a cylindrical mixing chamber directly towards its center will not appear in the helical flow path unless another fluid with sufficient kinetic energy in the tangential direction is acting. The present invention achieves particular mixing by introducing tangential and radial directions of the first and second fluids to be mixed. It is preferred that the kinetic energy components of the tangential fluid bend the radial flow components so that a full helical flow pattern with a sufficient number of turns appears to allow these components to be effective mixed. Since one fluid is introduced in a tangential direction and the other fluid is introduced in a radial direction, the ratio of the hydrodynamic energy of the tangential flow to the fluid dynamic energy of the radial flow is 0.5 to provide the desired spiral and inward flow pattern. It is preferable that it is above.
원하는 나선형 흐름 패턴을 형성하기에 적당한 조건이 성립되면, 나선형의 최외측 권선을 따라 흐르는 유체만이 혼합 챔버의 측방향 내부면과 접촉된다. 혼합 챔버의 형태 및 치수에 따라, 이 유체는 마찰 손실로 인해 혼합 챔버에서 압력 강하의 상당한 부분의 원인이 된다. 반대로, 내부 권선을 포함하는 유체는 회전하는 유체와만 양측부에서 접촉하게 된다. 이 유체는 동일한 방향으로 흐르는 이전 권선 및 다음 권선을 포함한다. 이러한 이유로, 본 발명의 혼합기/반응기에 달성되는 압력 손실은 다중 적층만을 사용하고 대응하는 길이의 혼합 경로를 갖는 정적 혼합기에 가능한 압력 손실보다 작게 된다. 이 경우에, 유체는 양방향에서 교호적인 층으로서 흐른다. 따라서, 직선형 또는 만곡형 경로를 따라 흐르는 인접한 유체 흐름 사이의 마찰 효과가 커지게 된다. 따라서, 반응 전에 유체를 혼합하는 본 발명의 장치를 사용하는 것과 관련된 잇점은 반응 전에 작은 구조 내에서 확산 혼 합에 유용한 큰 접촉 영역 및 긴 체류 시간 뿐만 아니라 적은 압력 손실 관점에서 실현된다. 촉매가 내부에 함유된 미세 혼합기 형태의 간결한 구조가 편리하게 제조될 수도 있지만, 본 발명은 중간 규모 또는 대규모의 작업을 배제하지 않는다. If suitable conditions are established to form the desired helical flow pattern, only fluid flowing along the outermost winding of the spiral is in contact with the lateral inner surface of the mixing chamber. Depending on the shape and dimensions of the mixing chamber, this fluid causes a significant portion of the pressure drop in the mixing chamber due to frictional losses. In contrast, the fluid comprising the inner windings comes into contact with both sides only with the rotating fluid. This fluid includes the previous and next windings flowing in the same direction. For this reason, the pressure loss achieved with the mixer / reactor of the present invention is less than the pressure loss possible with a static mixer using only multiple stacks and having a mixing path of corresponding length. In this case, the fluid flows as an alternating layer in both directions. Thus, the frictional effect between adjacent fluid flows flowing along a straight or curved path is increased. Thus, the advantages associated with using the apparatus of the present invention to mix fluids prior to reaction are realized in terms of large contact areas and long residence times as well as low pressure loss, which are useful for diffusion mixing within small structures prior to reaction. Although a compact structure in the form of a fine mixer in which the catalyst is contained may be conveniently manufactured, the present invention does not exclude medium or large scale operations.
본 발명과 관련된 추가 잇점은 유체 나선 또는 와류의 한 권선과 이전 권선 및 다음 권선 사이의 접촉이 반응물의 확산 혼합에 이바지한다는 것이다. 층류 조건이 혼합 챔버 내부에서 원형 흐름 이동으로부터 조성되는 것이 바람직하다. 그러나, 또한 국부적인 난류 조건이 유체 나선 또는 와류의 전체 내향 흐름으로부터 생길 수 있다. A further advantage associated with the present invention is that the contact between one winding of the fluid spiral or vortex and the previous and next windings contributes to the diffusion mixing of the reactants. It is desirable that the laminar flow conditions be created from circular flow movement inside the mixing chamber. However, local turbulent conditions can also arise from the overall inward flow of fluid helix or vortex.
내향 나선형 흐름 경로를 형성하기 위해, 적어도 하나의 공급관이 혼합 챔버 내로 예각으로 또는 접선 방향으로 개방되도록 배치된다. 더욱이, 유체는 혼합기/반응기로 진입하는 대형 조성물로서 또는 하나 이상의 공급관으로 진입하기 전에 소정 범위로 예혼합된 유체 경계층으로서 도입될 수도 있다. 대체로, 접선 방향으로 지향되는 유체는 혼합 챔버 내로 진입시 층류 조건을 유지하므로, 와류 평면에 대해 수직으로 연장되는 다수의 권선을 갖는 원하는 유체 와류를 형성할 수 있다. To form an inward helical flow path, at least one feed tube is arranged to open at an acute angle or tangential direction into the mixing chamber. Moreover, the fluid may be introduced as a large composition entering the mixer / reactor or as a premixed fluid boundary layer prior to entering one or more feed lines. In general, the tangentially directed fluid maintains laminar flow conditions upon entry into the mixing chamber, thus forming the desired fluid vortex with multiple windings extending perpendicular to the vortex plane.
공급관은 공통 혼합 챔버 둘레의 한 평면에서 개방되도록 배치될 수도 있다. 사용된 공급관의 수에 상관없이 최소 2개가 필요하며, 공급관은 혼합 챔버의 주변 둘에서 대칭적으로 분배되는 것이 바람직하다. 이들 공급관을 사용하여 동일한 반응물 유체를 공급할 수 있는데, 예컨대 반응물(A)은 각 공급관(1, 3)에서 개별적으로 공급되고, 반응물(B)은 공급관(2, 4)에서 공급된다. 이와 달리, 각 공급관이 상이한 유체를 공급할 수 있는데, 예컨대 공급관(1, 2, 3 및 4)이 유체(A, B, C 및 D)를 각각 공급할 수 있다. 또한, 공급 채널은 혼합 챔버 둘레의 복수 개의 평면에 배치될 수 있다. 동일하거나 상이한 유체가 임의의 소정 평면에 배치된 공급 채널에서 혼합 챔버 내로 도입될 수 있다. 따라서, 유체는 일반적인 종류의 혼합 챔버 내로 도입될 수도 있는데, 예컨대 하나의 유체는 혼합 챔버 주위에서 축선 높이가 다양한 공급 채널을 통해 수평면에서 원형 단면을 갖는다. 그러한 구조는 혼합 챔버 내에서 긴 체류 시간에 대응하여 훨씬 긴 유체 나선을 달성할 수 있다. The feed tube may be arranged to open in one plane around the common mixing chamber. Regardless of the number of feed tubes used, at least two are required, and the feed tubes are preferably distributed symmetrically in the two surroundings of the mixing chamber. These feed tubes can be used to supply the same reactant fluid, for example reactant A is fed separately from each feed duct 1, 3, and reactant B is fed from feed ducts 2, 4. Alternatively, each supply can supply a different fluid, for example supply pipes 1, 2, 3 and 4 can supply fluids A, B, C and D, respectively. In addition, the supply channel may be arranged in a plurality of planes around the mixing chamber. The same or different fluids may be introduced into the mixing chamber in the feed channel disposed in any desired plane. Thus, the fluid may be introduced into a mixing chamber of a general kind, for example one fluid having a circular cross section in the horizontal plane through a supply channel of varying axial heights around the mixing chamber. Such a structure can achieve much longer fluid helix in response to a long residence time in the mixing chamber.
혼합 챔버는 형태가 거의 원통형인 것이 바람직하고, 이에 따라 거의 원형 단면을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 단면은 원형이지만 원의 직경이 축선 높이와 함께 감소되거나 증가되어 혼합 챔버의 형태가 실제로는 원통형이 아니라 원뿔인 것도 가능하다. 혼합 챔버의 단면은 거의 수평면으로 확정되는 것이 유리하며, 이 수평면으로부터 혼합 챔버 출구가 거의 수직으로 또는 대체로 수직 방향으로 통해 있다. 물론, 혼합 챔버는 다른 단면 형태, 특히 달걀형 또는 타원형과 같이 둥근 형태를 가질 수도 있다. 심지어는 꼭지점에 통상 형성되는 코너부가 둥글다면 삼각형 또는 그 외의 다각형과 같은 형태도 허용될 수 있다. 둥근 형태나 만곡 형태는 코너부 또는 가장자리가 존재하면 문제가 될 수 있는 "데드(dead)" 영역(즉, 일정한 흐름이 없는 구역)을 방지한다. 원통형으로 형성된 혼합 챔버의 바람직한 경우에, 적어도 공급관이 혼합 챔버 내로 개방되는 영역에서의 공급관의 높이는 혼합 챔버의 높이 이하인 것이 바람직하다.The mixing chamber is preferably substantially cylindrical in shape, and therefore preferably has a substantially circular cross section. It is also possible that the cross section is circular but the diameter of the circle is reduced or increased with the axial height so that the shape of the mixing chamber is actually cone rather than cylindrical. The cross section of the mixing chamber is advantageously determined to be almost horizontal, from which the mixing chamber exits through almost vertically or generally in a vertical direction. Of course, the mixing chamber may have other cross-sectional shapes, in particular rounded shapes such as oval or elliptical. Even shapes such as triangles or other polygons may be acceptable if the corners normally formed at the vertices are rounded. Rounded or curved shapes prevent "dead" areas (i.e. areas with no constant flow) that can be problematic if corners or edges are present. In a preferred case of a mixing chamber formed in a cylindrical shape, it is preferable that at least the height of the supply pipe in the region in which the supply pipe opens into the mixing chamber is equal to or less than the height of the mixing chamber.
바람직한 구조에 있어서, 다수의 공급 채널은 혼합 챔버 내로 접선 방향 및 반경 방향으로 교대로 개방되어 있다. 이 장치의 특정 실시예는 특히 반응될 기체/액체 분산물을 제공하는 데 유용하다. 여기서, 액체 흐름용 공급 채널은 기체 흐름용 공급 채널보다 작은 예각으로 혼합 챔버 내로 최적으로 개방된다. 그 결과, 기체 흐름은 소용돌이치는 액체에 의해 개별 기체 기포로 분쇄된다. 액체용 공급 채널은 혼합 챔버 내로 접선 방향으로 개방되고, 기체용 공급 채널은 혼합 챔버 내로 반경 방향으로 개방되는 것이 특히 바람직하다. 이 구조는 작고 밀접하게 분배된 기포 크기를 갖는 기체/액체 분산물의 형성을 촉진하고, 이에 따라 반응 전에 거의 균일한 혼합물을 제공한다. In a preferred configuration, the plurality of supply channels are alternately open in tangential and radial directions into the mixing chamber. Certain embodiments of this apparatus are particularly useful for providing a gas / liquid dispersion to be reacted. Here, the supply channel for liquid flow is optimally opened into the mixing chamber at an acute angle smaller than the supply channel for gas flow. As a result, the gas stream is broken up into individual gas bubbles by the swirling liquid. It is particularly preferred that the supply channel for the liquid is tangentially open into the mixing chamber and the gas supply channel is radially open into the mixing chamber. This structure promotes the formation of gas / liquid dispersions with small, closely distributed bubble sizes, thus providing a nearly uniform mixture before the reaction.
혼합/반응 장치는 하류 용례에 혼합 유체 흐름을 공급하는 혼합 챔버 출구를 구비한다. 상기 혼합 챔버 출구는 혼합 챔버의 중심 영역, 바람직하게는 그 중심점과 유체 연통되어 혼합 유체를 추출한다. 예컨대, 혼합 챔버가 원통형이어서 원형 단면을 갖는다면, 혼합 챔버 출구는 그 중심으로부터 혼합 유체를 추출한다. 바람직한 실시예에서, 혼합 챔버는 수평 방향으로 배향된 거의 원형 단면을 가지며, 혼합 챔버 출구는 혼합 챔버로부터 상방 또는 하방으로 거의 수직으로 통해 있다. 특정 유체 및 그 특성의 관점에서, 혼합 챔버 및 이 혼합 챔버 내로 개방된 공급 채널의 단면적을 비교해서 출구의 단면적은 다수의 권선을 갖는 내향으로 흐르는 원하는 유체 와류의 형성이 가능하도록 설정된다. 혼합 챔버 출구관은 원형 단면을 갖고, 파이프 또는 튜브의 경우에 혼합 챔버와 혼합 챔버 출구의 직경비는 5보다 크다. The mixing / reaction device has a mixing chamber outlet for supplying a mixed fluid flow to the downstream application. The mixing chamber outlet is in fluid communication with a central region of the mixing chamber, preferably its center point, to extract the mixed fluid. For example, if the mixing chamber is cylindrical and has a circular cross section, the mixing chamber outlet extracts the mixed fluid from its center. In a preferred embodiment, the mixing chamber has a substantially circular cross section oriented in the horizontal direction and the mixing chamber outlet is through almost vertically upwards or downwards from the mixing chamber. In view of the specific fluid and its properties, the cross-sectional area of the mixing chamber and the feed channel opened into the mixing chamber is compared so that the cross-sectional area of the outlet is set to allow the formation of the desired fluid vortex flowing inwardly with multiple windings. The mixing chamber outlet tube has a circular cross section and in the case of a pipe or tube the diameter ratio of the mixing chamber to the mixing chamber outlet is greater than five.
잘 혼합된 반응물의 반응을 수행하도록 사용되는 촉매가 혼합 챔버 내에 배치되지 않거나 유체 흐름으로서 도입되지 않은 경우에는, 혼합 챔버의 하류에 개별 반응기가 필요하다. 이 경우에, 반응기는 통상 촉매 보유 공간 내에 촉매를 포함하게 된다. 또한 촉매는, 예컨대 액상 반응물 슬러리에 분산된 고체로서 반응기 내로 연속 도입되는 것이 가능하다. If the catalyst used to carry out the reaction of the well mixed reactants is not placed in the mixing chamber or introduced as a fluid stream, a separate reactor is required downstream of the mixing chamber. In this case, the reactor will usually contain the catalyst in the catalyst holding space. It is also possible for the catalyst to be introduced continuously into the reactor, for example as a solid dispersed in a liquid reactant slurry.
반응기에서 배출되는 반응 생성물을 분리시키기를 또한 원한다면, 반응기의 하류에 분리기를 통합하는 것이 또한 가능하다. 이 경우에 분리기는 반응 생성물용 입구 뿐만 아니라 오버헤드와 하부 흐름을 각각 위한 적어도 2개의 출구를 갖는다. 반응 급송물, 반응 생성물 및 부산물의 상대적인 휘발성 및/또는 기타 특성에 따라, 또한 바닥 또는 오버헤드 생성물을 다시 혼합 챔버로 재순환시키는 것이 요망될 수도 있다. 재순환 흐름은 접선 방향 또는 반경 방향으로 지향되는 공급관을 통해 혼합 챔버 내로 도입될 수도 있다. 이와 달리, 재순환 흐름을 혼합 챔버로 도입하기 전에 후술하는 방식으로 재순환 흐름을 반응 흐름 중 하나와 예혼합시키는 것도 또한 가능하다. 다른 가능성으로는 별개의 유체 또는 그 일부를 촉매층 바로 상류의 혼합 챔버 출구로 재순환시키는 것이다. 물론, 분리기는 순간 분리, 증류, 막 분리, 추출, 결정화 등을 비롯한 당업계에 공지된 기지의 많은 분리 기법을 사용할 수도 있다. If it is also desired to separate the reaction product exiting the reactor, it is also possible to integrate the separator downstream of the reactor. In this case the separator has not only an inlet for the reaction product but also at least two outlets for the overhead and the bottom stream, respectively. Depending on the relative volatility and / or other properties of the reaction feeds, reaction products and by-products, it may also be desirable to recycle the bottom or overhead product back to the mixing chamber. The recycle flow may be introduced into the mixing chamber through a feed tube directed tangentially or radially. Alternatively, it is also possible to premix the recycle stream with one of the reaction streams in the manner described below before introducing the recycle stream into the mixing chamber. Another possibility is to recycle a separate fluid or part thereof to the mixing chamber outlet immediately upstream of the catalyst bed. Of course, the separator may use any of a number of known separation techniques known in the art, including instantaneous separation, distillation, membrane separation, extraction, crystallization, and the like.
다른 실시예에서는, 하나 이상의 추가 유체가 별개의 공급관 또는 추가 유체가 혼합될 유체 중 하나와 예혼합되는 공급관을 통해 혼합 챔버 내로 진입된다. 그러한 추가 유체는 혼합물을 안정화시키는 보조 물질, 예컨대 유화제를 함유할 수도 있다. 추가 공급 채널을 사용하여 그러한 물질을 공급하면, 공급 채널이 혼합 챔버 내로 접선 방향으로 개방되는 것이 유리하므로, 매 경우에 유체 나선의 인접 한 권선 사이에 추가 유체의 하나의 흐름이 존재한다. 이와 달리, 추가 공급 채널을 사용하여 혼합 챔버 내에 적어도 하나의 유체를 함유하는 유체 와류로 기상 성분을 공급하면, 이들 기체용 공급 채널은 반경 방향으로 또는 접선 방향과 반경 방향 사이의 중간 각도로 혼합 챔버 내로 개방되는 것이 유리하다. 그 결과, 공급되는 기체는 유체 나선에 의해 작은 기체 기포로 분쇄되어 미세하게 분산된다. In another embodiment, one or more additional fluids enter the mixing chamber through a supply tube that is premixed with either a separate supply tube or with the fluid to be mixed. Such additional fluids may contain auxiliary substances, such as emulsifiers, to stabilize the mixture. Feeding such material using an additional feed channel advantageously opens the feed channel tangentially into the mixing chamber, so in each case there is one flow of additional fluid between adjacent windings of the fluid helix. Alternatively, if the gaseous components are fed into a fluid vortex containing at least one fluid in the mixing chamber using additional supply channels, these gas supply channels are either radially or at an intermediate angle between the tangential and radial directions. It is advantageous to open into. As a result, the gas to be supplied is pulverized into small gas bubbles by the fluid spiral and finely dispersed.
전술한 바와 같이, 공급관 중 적어도 하나가 혼합 챔버 내로 유체의 거의 접선 방향 주입을 제공하고, 또한 적어도 하나의 공급관이 거의 반경 방향 주입을 제공하면 대단히 양호한 혼합 특성이 달성된다. 혼합 챔버 내에 나선 또는 와류 형성을 부과하는 접선 방향 유체 운동은 반경 방향으로 흐르는 유체를 분쇄하거나 미세하게 분리시킨다. 반경 방향 흐름은 혼합 챔버의 형태가 원형, 타원형 또는 달걀형이든지 간에 혼합 챔버의 중심을 향하는 유체 흐름을 의미한다. 접선 방향 흐름은 혼합 챔버의 표면에서 또는 표면 근처에서 반경 방향 흐름에 대해 직각으로 지향되는 흐름을 말한다. 거의 접선 방향 또는 반경 방향 흐름은 흐름이 정확하게 접선 방향 또는 반경 방향이 아니라 이들 방향의 30°내에 있는 경우에 본 발명의 우수한 혼합 특성이 또한 달성될 수도 있다는 것을 의미한다. As mentioned above, very good mixing properties are achieved if at least one of the feed tubes provides a nearly tangential injection of fluid into the mixing chamber, and at least one feed tube provides a nearly radial injection. Tangential fluid motion impinging spiral or vortex formation within the mixing chamber breaks up or finely separates the radially flowing fluid. By radial flow is meant a fluid flow towards the center of the mixing chamber, whether the mixing chamber is circular, elliptical or oval. Tangential flow refers to flow directed at right angles to the radial flow at or near the surface of the mixing chamber. Nearly tangential or radial flow means that good mixing properties of the invention may also be achieved when the flow is not exactly tangential or radial but within 30 ° of these directions.
바람직한 실시예에서, 혼합/반응 장치는 교대로 거의 접선 방향 및 거의 반경 방향으로 혼합 챔버 내에 이르는 2개 뿐만 아니라 복수 개의 공급관을 구비한다. 상기 "교대로"라는 용어는 접선 방향으로 지향되는 공급관(T 라 칭함)과 반경 방향으로 지향되는 공급관(R 이라 칭함)이 혼합 챔버 원주 주위에서 적어도 하나의 평면에 TRTR 순서로 놓이는 것을 말한다. 공급 채널은 또한 하나 이상의 평면에서 교대로 놓일 수도 있는데, 예컨대 혼합 챔버의 원주 및 길이 주위에서 2차원의 체스판 방식으로 옵셋될 수도 있다. 수평 평면 및 수직 평면 양쪽에서 유체가 혼합 챔버 내로 도입되는 위치를 변경시킴으로써, 내측을 향해 동심으로 흐르는 다수의 나선 흐름 경로가 형성될 수도 있다. 따라서, 예컨대 이중 또는 심지어는 삼중 나선 종류가 달성될 수도 있다. 이들 유체 나선은 각 권선이 서로 인접하게 놓이는 방식으로 하나의 평면 및 하나의 중심 둘레에 함께 놓인다. In a preferred embodiment, the mixing / reaction apparatus is provided with a plurality of feed tubes as well as two which alternately reach into the mixing chamber in nearly tangential and almost radial directions. The term " alternatively " means that the tangentially directed feed tube (called T) and the radially directed feed tube (called R) lie in TRTR order in at least one plane around the mixing chamber circumference. The feed channels may also be placed alternately in one or more planes, for example in a two-dimensional chessboard manner around the circumference and length of the mixing chamber. By changing the position at which fluid is introduced into the mixing chamber in both the horizontal and vertical planes, multiple spiral flow paths may be formed that flow concentrically inward. Thus, for example, double or even triple helix types may be achieved. These fluid helices lie together around one plane and one center in such a way that each winding lies adjacent to each other.
더욱이, 공급관은 혼합 챔버 주위에서 교호적인 접선 방향 및 반경 방향으로 배치될 뿐만 아니라, 또한 혼합될 제1 유체 및 제2 유체에 대해 교대로 유체 연통되는 것이 바람직하다. 예컨대, 화학 반응을 달성하기 위하여 기체 흐름을 액체 흐름과 혼합하는 것이 요망되는 경우에, 혼합 관점에서 기체 흐름과 액체 흐름이 각각 접선 방향 및 반경 방향으로 혼합 챔버 내에 주입되는 특별한 결과가 달성된다. 임의의 특정한 기구나 이론에 집착하지 않고도, 접선 방향으로 지향되는 액체가 혼합 챔버 내로 진입시에 반경 방향으로 흐르는 기체 흐름을 미세한 기포로 분쇄한다고 생각된다. 전술한 바와 같이, 접선 방향으로 도입되는 유체의 동력학 에너지는 반경 방향으로 도입되는 유체의 동력학 에너지의 적어도 0.5 배인 것이 바람직하다. 이는 내측을 향해 흐르는 나선 또는 와류의 전체적인 형성이 효과적인 혼합에 충분한 체류 시간을 제공하는 것을 보장한다. Furthermore, it is preferred that the feed tubes are not only arranged in alternating tangential and radial directions around the mixing chamber, but also in fluid communication alternately with respect to the first and second fluids to be mixed. For example, where it is desired to mix a gas stream with a liquid stream to achieve a chemical reaction, a special result is achieved in which the gas stream and the liquid stream are injected into the mixing chamber in the tangential and radial directions, respectively, from the mixing point of view. Without sticking to any particular mechanism or theory, it is contemplated that the tangentially oriented liquid breaks the gas stream flowing radially into fine bubbles upon entering the mixing chamber. As mentioned above, the kinetic energy of the fluid introduced in the tangential direction is preferably at least 0.5 times the kinetic energy of the fluid introduced in the radial direction. This ensures that the overall formation of inward spirals or vortices provides sufficient residence time for effective mixing.
전체 공급관이 이들 방향으로 배향될 필요는 없고, 혼합 챔버와 근접하게 유체 연통하여 유체 방향을 혼합 챔버에 충돌시키는 공급관 일부만 배향되는 점에 유념하는 것이 중요하다. 이 이유로, 공급관을 수용 단부와 방출 단부를 각각 갖는 것으로 칭하는 것이 적절하다. 상기 수용 단부는 혼합될 유체 또는 급송물과 유체 연통하고, 방출 단부는 혼합 챔버와 유체 연통되어 유체 흐름을 혼합 챔버에 대해 확실히 지향시킨다. 한가지 가능한 구조에서, 공급 채널은 그 수용 단부로부터 방출 단부까지 전체 길이에 걸쳐 거의 균일한 단면으로 될 수도 있다. 공급관의 수용 단부로부터 방출 단부로의 실질적인 방향 변경이 확실히 가능하며, 다수의 공급관을 위한 혼합 챔버 주위의 공간이 제한되는 경우에는 심지어 요망될 수도 있다. 이와 달리, 혼합을 향상시키기 위해 흔히 요망되는 혼합 챔버로의 유체 가속은 수용 단부로부터 방출 단부로의 방향으로 공급관의 협소한 부분을 통해 편리하게 달성된다. 이러한 방식의 협소한 공급관의 특정한 구조의 변형례는 깔때기, 물방울 또는 삼각형 형태를 갖는 것을 포함한다. It is important to note that the entire feed tube need not be oriented in these directions, but only a portion of the feed tube that is in fluid communication with the mixing chamber to impinge the fluid direction into the mixing chamber. For this reason, it is appropriate to refer to the supply pipe as having a receiving end and a discharge end, respectively. The receiving end is in fluid communication with the fluid or feed to be mixed, and the discharge end is in fluid communication with the mixing chamber to ensure direct fluid flow with respect to the mixing chamber. In one possible configuration, the feed channel may be of approximately uniform cross section over its entire length from its receiving end to its discharge end. Substantial reorientation from the receiving end of the feed tube to the discharge end is certainly possible, and may even be desired if the space around the mixing chamber for multiple feed tubes is limited. Alternatively, fluid acceleration, which is often desired to enhance mixing, is conveniently achieved through the narrow portion of the feed tube in the direction from the receiving end to the discharge end. Variations of the particular structure of the narrow feed duct in this manner include those having a funnel, droplet or triangular form.
다른 바람직한 실시예에서, 제1 유체 및 제2 유체는 혼합 챔버 내로의 주입 전에 혼합될 수도 있다(즉, 예혼합된다). 이 경우에, 장치는 공급 채널 내에서 그러한 혼합을 달성하는 데 필요한 요소들을 더 포함할 수도 있다. 이 예혼합을 수행하는 데 사용되는 공급 채널의 경우, 이 공급 채널은 과도한 압력 강하를 촉진할 만큼 길지 않으면서도 양호한 예혼합을 제공할 정도로 충분히 길어야 한다. 한가지 특정한 방법은 분배용 매니폴드의 사용을 포함하여, 공급 채널에서 예혼합될 흐름이 먼저 분배관을 통해 흐르는 복수 개의 작은 흐름으로 분기된다. 이들 급송물의 작은 흐름 또는 시작 유체는 이후에 공급관 입구 내의 여러 지점으로, 바람직하게는 반복하는 또는 서로 맞물리는 순서의 배열로 지향될 수도 있다. "반복하는 순서"라 함은 2개의 유체(A, B)의 경우에 적어도 하나의 평면에서 반복하는 패턴으 로 서로 이어서 위치되는 것을 의미한다. 예컨대, ABAB의 교차 순서가 반복하는 순서이다. 다른 반복 순서, 예컨대 AABAAB가 가능하다. 더욱이, 2개 이상의 유체 흐름을 예혼합하는 데 동일한 원리를 사용할 수도 있다. 예컨대, 3개의 유체(A, B, C)가 공급 채널에서 혼합되는 경우에, "반복 순서"라는 용어는 또한 개별 유체 경계층의 많은 가능한 순서, 예컨대 ABCABC 또는 ABACABAC를 포함한다. 형성되는 유체층 또는 분배관은 또한 하나 이상의 평면에서 반복 순서로 놓일 수도 있다. 예컨대, 2차원의 체스판 방식으로 옵셋될 수도 있다. 유체 흐름 및 상이한 유체와 관련된 도관은 서로 평행하게 동일한 방향으로 배치되는 것이 바람직하다. In another preferred embodiment, the first fluid and the second fluid may be mixed (ie, premixed) before injection into the mixing chamber. In this case, the apparatus may further comprise the elements necessary to achieve such mixing in the feed channel. In the case of the feed channel used to carry out this premix, the feed channel should be long enough to provide good premix while not long enough to promote excessive pressure drop. One particular method involves the use of a distribution manifold so that the flow to be premixed in the feed channel first branches into a plurality of small flows flowing through the distribution pipe. The small flow or starting fluid of these feeds may then be directed to various points within the feed duct inlet, preferably in an order of repeating or interlocking order. By "repeating order" is meant that two fluids A, B are positioned next to each other in a repeating pattern in at least one plane. For example, the ABAB crossing order is a repeating order. Other repeating orders are possible, such as AABAAB. Moreover, the same principle may be used to premix two or more fluid flows. For example, where three fluids (A, B, C) are mixed in a feed channel, the term "repeat order" also includes many possible orders of individual fluid boundary layers, such as ABCABC or ABACABAC. The fluid layer or distribution tube formed may also be placed in repeating order in one or more planes. For example, it may be offset in a two-dimensional chessboard manner. The fluid flow and conduits associated with different fluids are preferably arranged in the same direction parallel to each other.
혼합 챔버 내로 도입하기 전에 2개 이상의 흐름을 혼합하는 전술한 예혼합 작동을 사용할 때, 혼합될 유체는 공급관으로 급송되기 전에 반복 순서로 교대로 층을 이루거나 배치되는 복수 개의 작은 분배 흐름으로 분기된다. 공급관은 대체로 이 공급관으로 급송되는 개별 분배 흐름의 단면적의 총계보다 상당히 작은 단면적을 갖기 때문에, 예혼합된 흐름을 혼합 챔버 내로 도입되기 전에 "집중된다"라고 칭할 수 있다. 이 집중은 분기된 흐름의 유속을 증가시키고 그 층 두께를 감소시켜 가능한 한 많은 권선과 함께 내측을 향해 흐르는 나선의 혼합 챔버의 형성을 촉진한다. When using the above-described premixing operation in which two or more flows are mixed before introduction into the mixing chamber, the fluid to be mixed is branched into a plurality of small dispensing flows which are alternately layered or arranged in repeating order before being fed to the feed pipe. . Since the feed ducts generally have a cross sectional area considerably smaller than the sum of the cross sectional areas of the individual dispensing flows fed into the feed ducts, the premixed flows may be referred to as "concentrated" before they are introduced into the mixing chamber. This concentration increases the flow rate of the branched flow and decreases the layer thickness to facilitate the formation of a spiral mixing chamber with inward spirals as much as possible.
분배관의 단면적의 총계 대 공급관이 수용 단부에서 병합되는 공급관의 단면적의 비율은 1.5 내지 500이다. 2개 이상의 유체가 이 방식으로 예혼합되면, 배치된 유체 흐름을 수용하여 단일 도관(즉, 공급관)으로 방출하는 데 사용되는 매니폴드는 공급관과 연결되는 만곡면을 갖는 것이 바람직하다. 예혼합이 사용되는 경우 에 최소의 압력 강하를 갖는 최적의 혼합 특성을 제공하기 위하여, 일정한 단면 형상이라 가정하면 전체 공급관에 대해 길이 대 폭의 비율은 1 내지 30이다. 공급관 단면이 변경되는 경우, 예컨대 공급관이 혼합 챔버 근처에서 협소해지는 경우에, 이 비율은 혼합 챔버와 유체 연통되는 공급관 방출 단부의 폭과 관련되는 한에 있어서 적용된다. The ratio of the sum of the cross sectional areas of the distribution pipes to the cross sectional area of the feed pipes in which the feed pipes merge at the receiving end is between 1.5 and 500. If two or more fluids are premixed in this manner, the manifold used to receive and discharge the disposed fluid flow into a single conduit (ie, feed duct) preferably has a curved surface that is connected to the feed duct. In order to provide optimum mixing properties with minimal pressure drop when premixing is used, the ratio of length to width for the entire feed canal is 1 to 30, assuming a constant cross-sectional shape. When the feed pipe cross section is changed, for example when the feed pipe is narrowed near the mixing chamber, this ratio is applied as far as it relates to the width of the feed pipe discharge end in fluid communication with the mixing chamber.
전술한 바와 같이, 내측을 향해 동심으로 흐르는 유체 나선이 형성되고, 그 결과로 생기는 혼합물은 유체 와류의 중심으로부터 제거된다. 예혼합이 사용되는 바람직한 특정 실시예에서, 본 발명의 혼합/반응 장치를 사용하여 반응 전에 3개의 유체가 혼합되며, 제2 유체와 제3 유체는 제2 공급관의 상류에서 예혼합된다. 이 실시예에서, 상기 장치는 제2 유체와 제3 유체를 각각 나누는 복수 개의 제2 분배 도관과 복수 개의 제3 분배 도관을 포함한다. 앞서 설명한 바와 같이, 제2 공급 도관에 아주 근접해 있는 제2 및 제3 유체 흐름의 각 경계층에 혼합 챔버로의 주입 이전에 힘을 가하기 위하여, 반복적인 순서로 배열된 제2 및 제3 유체 분배 도관을 수납하는 데 매니폴드를 사용할 수 있다. 제1 유체는 제1 공급 도관을 통해 혼합되지 않으면서 혼합 챔버에 급송될 수 있다. 이러한 특정 실시예는 제2 및 제3 유체가 혼합 챔버에 접선 방향으로 주입되는 액체이고, 제1 유체가 혼합 챔버에 반경 방향으로 주입되는 가스인 경우에 특히 유익하다.As noted above, a fluid helix that flows concentrically inward is formed, and the resulting mixture is removed from the center of the fluid vortex. In certain preferred embodiments where premixing is used, three fluids are mixed prior to reaction using the mixing / reaction apparatus of the present invention, and the second fluid and the third fluid are premixed upstream of the second feed canal. In this embodiment, the device comprises a plurality of second dispensing conduits and a plurality of third dispensing conduits that respectively divide the second fluid and the third fluid. As described above, the second and third fluid distribution conduits arranged in an iterative order to exert a force prior to injection into the mixing chamber on each boundary layer of the second and third fluid flows in close proximity to the second supply conduit. Manifolds can be used to store the The first fluid may be fed to the mixing chamber without mixing through the first supply conduit. This particular embodiment is particularly advantageous when the second and third fluids are liquids tangentially injected into the mixing chamber and the first fluids are gases injected radially into the mixing chamber.
전술한 광의(廣義)의 장치에 따라 우수한 혼합 특징이 달성되는 특정 타입의 혼합기/반응기는 거의 평행하고 밀봉식으로, 또는 유체 밀봉식으로 결합된 2개 이상의 평면층을 포함한다. 이러한 장치에서, 도관, 혼합 챔버 및 그 밖의 유체 안 내 기구는 인접한 층 사이를 밀봉 연결함으로써 형성된다. 예컨대, 이들 층은 리세스 또는 개구가 압인 가공되어 있거나 또는 절삭 가공되어 있는 플레이트로 형성될 수 있다. 유체 밀봉식 구조로 결합하는 경우, 인접한 플레이트는 상기 리세스 및 개구를 둘러싸서, 가압 조건 하에서 유체 흐름을 수용할 수 있는 채널 등과 같은 구조를 형성한다. 예컨대, 혼합 챔버 등의 일부 구조는 플레이트의 두께 및 챔버의 높이에 따라 2개 이상의 플레이트 사이를 밀봉 연결함으로써 완전하게 형성될 수 있다. 혼합 챔버가 단일 플레이트의 일측면 또는 하나의 표면에 단순히 압입 가공된 것이고 절삭 가공된 것이 아니라면, 혼합 챔버의 유출 구조는 혼합 챔버로부터 이 혼합 챔버가 압입 가공되어 있는 표면에 대향하는 플레이트 표면까지 연장되는 동일한 플레이트에 포함될 수도 있다. 혼합 챔버가 완전히 플레이트에 절삭 가공된 것이라면, 혼합 챔버의 유출 구조는 하나 이상의 다른 플레이트를 밀봉식으로 연결하여 사용할 것을 필요로 한다. 급송 도관 등과 같은 일부 구조는 2개 이상의 플레이트를 완전히 관통한다.Certain types of mixers / reactors, in which good mixing characteristics are achieved in accordance with the above-mentioned broad apparatus, comprise two or more planar layers which are almost parallel and sealed or fluidically coupled. In such devices, conduits, mixing chambers and other fluid guide mechanisms are formed by sealingly connecting between adjacent layers. For example, these layers may be formed from plates which are recessed or recessed or pressed. When joined in a fluid sealed structure, adjacent plates surround the recesses and openings to form structures such as channels that can receive fluid flow under pressurized conditions. For example, some structures, such as mixing chambers, may be completely formed by sealingly connecting two or more plates depending on the thickness of the plate and the height of the chamber. If the mixing chamber is simply indented to one side or one surface of a single plate and not cut, the outlet structure of the mixing chamber extends from the mixing chamber to the plate surface opposite the surface on which the mixing chamber is indented. It may be included in the same plate. If the mixing chamber is fully cut into the plate, the outflow structure of the mixing chamber requires the use of one or more other plates in hermetic connection. Some structures, such as feeding conduits or the like, completely penetrate two or more plates.
임의의 주어진 환경에서 사용되는 각 플레이트의 개수와는 무관하게, 본 발명의 일 실시예에서 혼합기/반응기 장치는 2개의 이상의 불연속층을 포함하고, 이들 층의 기능을 특징으로 한다. 실질적으로 평탄한 여러 층에서 일어나는 구체적인 기능으로는 급송 성분의 분배, 이송 및 혼합 등이 있다. 플레이트가 상기 장치를 형성하는 데 사용되는 특정 경우에서, 개개의 층은 하나 이상의 플레이트를 포함할 수도 있고, 소정의 특별한 성형 기술을 이용하여 가능하면 하나 이상의 기능 또는 하나 이상의 층이 단일 플레이트 형태로 존재할 수도 있다. Regardless of the number of each plate used in any given environment, in one embodiment of the present invention the mixer / reactor device comprises two or more discontinuous layers and features the function of these layers. Specific functions that occur in several substantially flat layers include the dispensing, conveying and mixing of the feed component. In the particular case in which the plates are used to form the device, the individual layers may comprise one or more plates, and if possible using one particular molding technique, one or more functions or one or more layers may be present in the form of a single plate. It may be.
제1 층은 혼합할 외부 유체 흐름을 혼합기/반응기 장치의 내부 구조에 공급하는 데 사용되는 실질적으로 평탄한 커버층이다. 이 커버층은 외부면과 내부면을 모두 구비하고, 제1 및 제2 유체를 조립체 안으로 수용하기 위한 제1 및 제2 급송 채널을 형성한다. 상기 제1 및 제2 급송 채널은 상기 외부면으로부터 내부면까지 연장되어 제1 및 제2 입구 포트를 형성한다. 제2 층은 상면과 하면을 구비하는 실질적으로 평탄한 혼합층으로서, 이 혼합층의 상면은 상기 커버층의 내부면에 밀봉식으로 설치되어 있다. 이들 층 사이를 유체 밀봉식으로 연결하여, 제1 급송 채널과 유통하는 제1 수용 단부 및 이 제1 수용 단부에 대향하는 제1 출구 단부를 구비하는 제1 공급 채널을 형성한다. 또한, 커버층과 혼합층 사이를 밀봉식으로 연결하면, 제2 급송 채널과 유통하는 제2 수용 단부 및 이 제2 수용 단부에 대향하는 제2 출구 단부를 구비하는 제2 공급 채널이 형성된다. 또한, 이러한 연결에 의해 상기 제1 및 제2 공급 채널의 출구 단부과 유통하는 혼합 챔버가 형성되고, 이러한 경우에 제1 또는 제2 공급 채널의 출구 단부 중 하나는 혼합 챔버까지 거의 접선 방향으로 연장되며, 제1 또는 제2 공급 채널의 출구 단부 중 다른 하나는 혼합 챔버까지 거의 반경 방향으로 연장된다. 또한, 상기 두 층 사이를 연결하면, 혼합 챔버와 유통하고 제1 및 제2 유체의 혼합 흐름을 상기 혼합 챔버로부터 방출시키는 혼합 챔버의 유출 채널이 형성된다. 앞서 언급한 바와 같이, 혼합 챔버의 내부에는 촉매를 배치하여 바람직한 화학 반응을 일으킨다. 만약, 촉매가 혼합 챔버 내에 없다면, 혼합된 급송 성분을 별도의 구조에서 반응시킨다.The first layer is a substantially flat cover layer used to supply the external fluid flow to be mixed to the internal structure of the mixer / reactor device. The cover layer has both an outer surface and an inner surface and forms first and second feeding channels for receiving the first and second fluids into the assembly. The first and second feeding channels extend from the outer surface to the inner surface to form first and second inlet ports. The second layer is a substantially flat mixed layer having an upper surface and a lower surface, and the upper surface of the mixed layer is provided sealingly on the inner surface of the cover layer. A fluid seal is connected between these layers to form a first feed channel having a first receiving end in circulation with the first feeding channel and a first outlet end opposite the first receiving end. Further, sealingly connecting between the cover layer and the mixed layer forms a second supply channel having a second receiving end that passes through the second feeding channel and a second outlet end that faces the second receiving end. This connection also forms a mixing chamber which flows with the outlet ends of the first and second feed channels, in which case one of the outlet ends of the first or second feed channels extends almost tangentially to the mixing chamber. And the other of the outlet ends of the first or second feed channel extends almost radially to the mixing chamber. In addition, the connection between the two layers forms an outlet channel of the mixing chamber that flows with the mixing chamber and discharges the mixed flow of the first and second fluids from the mixing chamber. As mentioned earlier, a catalyst is placed inside the mixing chamber to produce the desired chemical reaction. If the catalyst is not in the mixing chamber, the mixed feed component is reacted in a separate structure.
이러한 층 구성에서는, 2개 이상의 플레이트를 연결함으로써 구조가 형성된 다. 홈 또는 블라인드 구멍 등과 같은 리세스는 일평면의 재료에 의해 둘러싸여 있고 이 평면에 수직한 통상의 구조이다. 유체 공급 채널 등과 같은 채널을 형성하는 구조는 플레이트를 부분적으로 또는 완전히 통과하는 소정의 깊이로 연장되는 슬롯으로서 형성될 수 있다. 슬롯 또는 구멍 등과 같은 개구는 일평면의 재료를 통과하고, 다시 말해서 일평면의 재료에 의해 단지 측방이 둘러싸여 있다. 밀봉식으로 다른 층을 적재하면, 그 결과 상기 리세스 및 개구에 의해 형성되는 개방 구조는 공급 채널, 혼합 챔버 또는 급송 채널 등과 같은 유체 안내 구조를 형성한다. 상기 층상 조립체를 외부에 대해 유체 밀봉식으로 폐쇄시키는 커버층 및/또는 베이스층에는 급송 채널이 형성되어 있으며, 이 급송 채널은 혼합할 유체용의 개구나 홈 및/또는 형성된 혼합물용의 하나 이상의 출구 포트일 수 있다.In this layer configuration, the structure is formed by connecting two or more plates. A recess, such as a groove or blind hole, is a conventional structure surrounded by a material of one plane and perpendicular to this plane. The structure forming the channel, such as a fluid supply channel or the like, may be formed as a slot extending to a predetermined depth partially or completely through the plate. Openings, such as slots or holes, pass through one plane of material, that is to say only laterally surrounded by one plane of material. Sealing the other layers sealingly results in the open structure formed by the recesses and openings forming a fluid guide structure such as a feed channel, mixing chamber or feeding channel or the like. A feed channel is formed in the cover layer and / or the base layer that fluidly closes the layered assembly to the outside, the feed channel being an opening or groove for the fluid to be mixed and / or one or more outlets for the formed mixture. It may be a port.
층상 조립체가 적재된 플레이트를 포함하는 경우, 이들 플레이트는 혼합할 공정 유체와 제조되는 반응 생성물에 대해 충분히 비활성인 물질로 제조되어야 한다. 이는 플레이트의 부식, 침식, 변형, 균열 또는 팽창/수축이나, 가압 조건 하에서 유체에 노출됨으로 인해 일어날 수 있는 그 밖의 유해한 결과를 회피하는 데 기여한다. 상기 장치를 구성하는 비활성 물질은 폴리머(예컨대, 폴리염화비닐 또는 폴리에틸렌 등), 금속, 합금, 유리, 석영, 세라믹 및 반도체 물질로 이루어진 그룹에서 선택되는 것이 바람직하다. 혼합 및/또는 반응의 여러 단계에서 필요로 하는 특성에 따라, 여러 플레이트에 대해 동일하거나 상이한 물질을 사용할 수 있다. 선택적으로, 적어도 커버 플레이트, 채널 플레이트, 분배기 플레이트 및 혼합기 플레이트는 혼합 작용을 용이하게 관찰할 수 있도록 투명한 물질, 특히 유리, 석영 유지 또는 감광성 유리로 형성된다. 혼합기/반응기를 소규모 작업에 이용하는 경우, 플레이트의 두께는 10 미크론 내지 5 밀리미터인 것이 바람직하다. 물론, 혼합 챔버의 형성을 위해서는 보다 두꺼운 플레이트가 적절할 것이다. 그 밖의 경우에는, 2개 이상의 플레이트를 사용하여 챔버 또는 긴 채널을 형성한다. 플레이트를 서로 유체 밀봉식으로 연결하는 적절한 방법으로는, 예컨대 프레싱, 용접, 밀봉, 접착식 접합, 또는 양극 접합 등이 있다. 플레이트를 구성하는 적절한 방법으로는, 예컨대 레이저 융제, 스파크 침식, 사출 성형, 스탬핑, 또는 전착 등과 같은 공지의 정밀 기계 공학적 또는 마이크로 기계 공학적 제조 방법이 있다. 또한, 고에너지 방사 및 전착과, 필요에 따라 성형을 이용하는 구조화 단계를 적어도 포함하는 그 밖의 표준적인 산업 방법이 적절할 수도 있다.If the layered assembly comprises loaded plates, these plates must be made of a material that is sufficiently inert to the reaction product to be produced with the process fluid to be mixed. This contributes to avoiding corrosion, erosion, deformation, cracking or expansion / contraction of the plates, or other harmful consequences that may occur due to exposure to the fluid under pressurized conditions. The inert material constituting the device is preferably selected from the group consisting of polymers (eg polyvinyl chloride or polyethylene, etc.), metals, alloys, glass, quartz, ceramics and semiconductor materials. Depending on the properties required in the various stages of mixing and / or reaction, the same or different materials may be used for the different plates. Optionally, at least the cover plate, channel plate, distributor plate and mixer plate are formed of a transparent material, in particular glass, quartz fat or photosensitive glass, so that the mixing action can be easily observed. When using a mixer / reactor for small scale operations, the thickness of the plates is preferably between 10 microns and 5 millimeters. Of course, thicker plates would be appropriate for the formation of the mixing chamber. In other cases, two or more plates are used to form chambers or elongated channels. Suitable methods of fluidically connecting the plates to each other include, for example, pressing, welding, sealing, adhesive bonding, or anodic bonding. Suitable methods for constructing the plate include known precision mechanical or micromechanical manufacturing methods such as, for example, laser flux, spark erosion, injection molding, stamping, or electrodeposition. In addition, other standard industrial methods may be suitable, including at least a structuring step using high energy spinning and electrodeposition and, if desired, molding.
혼합기/반응기 장치가 플레이트 적재식 구성으로 형성되는 본 발명의 특정 실시예에서, 도관 구조는 대개 플레이트에 채널로 형성된다. 공급 채널 및 혼합 챔버의 개방 구조는 혼합기 플레이트의 역할을 하는 하나 이상의 플레이트에 의해 형성된다. 이러한 개방 구조는 혼합기 플레이트에 유체 밀봉식으로 연결되는 커버 플레이트에 의해 폐쇄되고, 이 경우 커버 플레이트에는 혼합할 유체를 상기 혼합기/반응기의 상류에 있는 공급원으로부터 수용하는 급송 채널이 형성된다. 이와 마찬가지로, 후술하는 그 밖의 다양한 플레이트에 의해 형성되는 개방 구조는 하나 이상의 다른 인접 플레이트와 밀봉 연결식으로 결합되는 경우에 폐쇄된다. 또한, 필수적인 것은 아니지만 가능하다면, 커버 플레이트에 채널, 즉 혼합 유체를 방출하기 위한 혼합 챔버의 유출 채널이 형성될 수도 있다. 별법으로서, 추가의 플레이트를 사용하는 경우, 커버 플레이트가 아닌 상기 추가 플레이트에 급송 채널 및/또는 혼합 챔버의 유출 채널이 형성될 수 있다. 이들 플레이트 자체는 일정한 두께 또는 깊이로 가장 용이하게 제조되므로, 이들 플레이트에 형성된 공급 채널 및/또는 혼합 챔버가 동일한 깊이로 이루어진다면 유익할 것이다.In certain embodiments of the invention where the mixer / reactor device is formed in a plate-loaded configuration, the conduit structure is usually formed as a channel in the plate. The open structure of the feed channel and the mixing chamber is formed by one or more plates that serve as mixer plates. This open structure is closed by a cover plate that is fluidly connected to the mixer plate, in which case the cover plate is formed with a feeding channel for receiving the fluid to be mixed from a source upstream of the mixer / reactor. Likewise, the open structure formed by the various other plates described below is closed when it is hermetically coupled to one or more other adjacent plates. Also, if not necessary, but possible, a channel may be formed in the cover plate, ie the outlet channel of the mixing chamber for discharging the mixed fluid. Alternatively, if an additional plate is used, the feed channel and / or the outlet channel of the mixing chamber may be formed in the additional plate rather than the cover plate. Since these plates themselves are most easily manufactured to a constant thickness or depth, it would be beneficial if the feed channels and / or mixing chambers formed in these plates were of the same depth.
전체 장치의 설명에서 언급한 바와 같이, 공급 채널은 그 단면이 균일할 수도 있고, 혼합 챔버로 이어지는 방향으로 (즉, 공급 채널의 각 수용 단부로부터 출구 단부에 이르기까지) 폭이 좁아질 수도 있다. 공급 채널의 폭이 좁아지는가 또는 단면적이 실질적으로 일정하게 유지되는가에 따라, 바람직하게는 공급 채널의 혼합 챔버로 통하는 각 지점에서 측정된 공급 채널의 폭과, 작동 중에 형성되는 유체 소용돌이가 존재하는 평면에서 혼합 챔버의 폭의 비가 1:10 이하인 것이 유익하다. 그 밖에 실질적으로 원통형이거나 거의 원형인 단면을 갖는 혼합 챔버의 경우, 혼합 챔버의 직경과 각 공급 채널의 출구 단부의 폭의 비는 10보다 크다. 원뿔 형상의 혼합 챔버의 경우, 상기 비는 혼합 챔버의 평균 직경을 이용한다.As mentioned in the description of the entire apparatus, the feed channel may be uniform in cross section and narrow in the direction leading to the mixing chamber (ie, from each receiving end to the outlet end of the feed channel). Depending on whether the width of the supply channel is narrow or the cross-sectional area remains substantially constant, the plane in which the width of the supply channel measured at each point into the mixing chamber of the supply channel and the fluid vortex formed during operation are present It is advantageous for the ratio of the width of the mixing chamber to 1:10 or less. In addition, for mixing chambers having substantially cylindrical or nearly circular cross sections, the ratio of the diameter of the mixing chamber to the width of the outlet end of each feed channel is greater than ten. In the case of a conical shaped mixing chamber, the ratio uses the average diameter of the mixing chamber.
전술한 상기 장치의 전체적인 설명 및 기능에 따라, 혼합기 플레이트에는 복수 개의 공급 채널의 개방 구조가 형성될 수도 있으며, 이들 개방 구조는 각각 혼합 챔버와 접선 방향/반경 방향으로 교대로 유통한다. 이와 같은 특별한 경우, 채널 플레이트 및 분배기 플레이트 등과 같은 추가의 플레이트를 사용하면, 제1 및 제2 유체를 공급 채널에 교대로 안내할 수 있다. 상기 채널 플레이트는 한쪽이 혼합기 플레이트에 연결되어, 복수 개의 제1 및 제2 분배 포트의 개방 구조를 형성하며, 이들 개방 구조의 일단부는 각각 상기 분배기 플레이트에 의해 형성된 제1 및 제2 유체 분배 구조와 유통한다. 분배기 플레이트는 혼합기 플레이트에 연결되어 있지 않은 채널링 플레이트의 면에 연결되며, 제1 및 제2 분배 구조는 제1 및 제2 주입 채널과 각각 유체 연통 상태에 있다. 이어서, 유체 분배 구조와 유체 연통 상태에 있지 않는 제1 및 제2 분배 포트의 단부는 각각 별도로 혼합기 플레이트의 공급 채널과 유체 연통 상태에 있어 혼합 챔버의 둘레에 제1 및 제2 유체를 공간적으로 교대로 주입하게 된다. In accordance with the overall description and function of the apparatus described above, the mixer plate may be formed with an open structure of a plurality of supply channels, each of which open alternately with the mixing chamber in a tangential / radial direction. In this particular case, additional plates, such as channel plates and distributor plates, can be used to guide the first and second fluids alternately to the supply channel. One side of the channel plate is connected to the mixer plate to form an open structure of the plurality of first and second dispensing ports, one end of each of which is defined by the first and second fluid distribution structures formed by the distributor plate. Distribute. The distributor plate is connected to the face of the channeling plate, which is not connected to the mixer plate, and the first and second dispensing structures are in fluid communication with the first and second injection channels, respectively. The ends of the first and second dispensing ports, which are not in fluid communication with the fluid dispensing structure, are then in fluid communication with the feed channel of the mixer plate, respectively, to spatially alternate the first and second fluid around the mixing chamber. To be injected.
게다가, 다른 형태의 기능을 위해 채널링 및 분배기 플레이트를 사용하는 것도 명백히 가능하다. 예를 들면, 상기한 광범위하게 정의된 장치에 있어서, 두 가지 유체 흐름이 공급 채널의 상류측에서 예혼합된 다음에 제3의 급송물과 함께 혼합 챔버로 도입될 수 있다. 이 경우, 혼합될 유체 흐름을 제2 및 제3 유체로 칭한다면, 채널링 플레이트는 각 유체 분배 구조와 유체 연통 상태에 있는 복수 개의 제2 및 제3 분배 포트의 개구 구조를 형성한다. 분배 포트는 유리하게는 공급되는 제2 및 제3 유체 각각을 위한 구멍의 열을 형성할 수 있고, 각 구멍은 하나의 공급 채널로 정확하게 할당되어 있다. 따라서, 전술한 바와 같이 예혼합하는 경우, 구멍은 각각 공통 공급 채널을 통해 혼합 챔버로 제2 및 제3 유체를 공급하는 데에 교대로 사용될 수 있다. In addition, it is clearly possible to use channeling and distributor plates for other types of functions. For example, in the broadly defined apparatus described above, two fluid streams may be premixed upstream of the feed channel and then introduced into the mixing chamber together with a third feed. In this case, if the fluid flows to be mixed are referred to as second and third fluids, the channeling plate forms the opening structure of the plurality of second and third dispensing ports in fluid communication with each fluid dispensing structure. The dispensing port can advantageously form a row of holes for each of the second and third fluids to be supplied, each hole being precisely assigned to one supply channel. Thus, when premixed as described above, the holes may be used alternately to supply the second and third fluids to the mixing chamber, respectively, through the common supply channel.
추가로, 혼합기 플레이트는 제1 및 제2 유체의 분할된 흐름을 교대로 받아들여 이들을 단일의 공급 채널로 조합하는 집중 챔버(focusing chamber)를 형성한다. 많은 점에서, 집중 챔버는 본 발명의 일반적 장치에 기재된 매니폴드의 기능과 유사한 기능을 수행한다. 제1 유체는 이 제1 유체를 위해서만 사용되는 별도의 공급 채널을 통해 혼합 챔버 안으로 도입되거나, 다른 두 유체 중 어느 하나와 혼합될 수도 있다. 따라서, 전술한 실시예들은 반응을 수행하는 바람직한 혼합기/반응기 장치를 제시하지만, 공급 채널에서의 유체의 예혼합의 여부에 관계없이 다수 또는 더 많은 수의 흐름이 본 발명에 따라 혼합되어 반응할 수 있는 무제한의 변형례가 실질적으로 존재한다. 게다가, 플레이트는 상이한 형태의 작동을 조장하도록 다양하게 배열될 수 있다. 예를 들면, 혼합 기능이 다수의 공급 채널 또는 주입 흐름의 예혼합을 채용하는 경우, 전술한 바와 같이 분배기 플레이트를 사용하는 것이 바람직하다. 이 분배기 플레이트는 커버 플레이트와 혼합기 플레이트 사이에, 또는 혼합기 플레이트 아래에 배치될 수 있다. 또한, 적절한 유체 안내 구조를 사용하면, 채널링 플레이트가 혼합기 플레이트와 분배기 플레이트 사이에 놓일 필요는 없다. 오히려, 채널링 플레이트는 원하는 바에 따라 상기 플레이트의 위 또는 아래에 놓일 수 있다. In addition, the mixer plate forms a focusing chamber that alternately receives the divided flows of the first and second fluids and combines them into a single feed channel. In many respects, the concentration chamber performs a function similar to that of the manifold described in the general apparatus of the present invention. The first fluid may be introduced into the mixing chamber through a separate supply channel used only for this first fluid, or may be mixed with either of the other two fluids. Thus, while the foregoing embodiments present a preferred mixer / reactor device for carrying out the reaction, multiple or more flows can be mixed and reacted according to the present invention regardless of the premixing of the fluid in the feed channel. There are virtually unlimited variations. In addition, the plates may be arranged in various ways to facilitate different types of operation. For example, if the mixing function employs premixing of multiple feed channels or inlet flows, it is preferable to use a distributor plate as described above. This distributor plate may be disposed between the cover plate and the mixer plate or below the mixer plate. In addition, using an appropriate fluid guide structure, the channeling plate need not be placed between the mixer plate and the distributor plate. Rather, the channeling plate can be placed above or below the plate as desired.
본 발명의 구성 요소는 지금까지 화학적 반응을 생성하는 혼합기/반응기 장치 및 방법을 참조로 기재하였다. 특정 용례 및 공정 조건에 따라, 본 발명은 본 발명의 사상 및 보호 범위에서 벗어남이 없이 본 명세서에 기재된 구성 요소 및 특징부들의 많은 조합 중 임의의 것을 채용할 수 있다. 본 발명의 바람직한 특정 실시예는 도면을 참조로 기재할 것이다. 이들 실시예는 본 발명을 더 명확하게 하고자하는 것이지, 첨부된 청구 범위에 기재된 본 발명의 전체적으로 넓은 보호 범위에 대해 부적절한 한정을 제시하는 것은 아니다. 2개 이상의 도면에서 나타나는 바와 같이, 본 발명의 유사한 특징부는 동일한 도면 부호를 사용하지만, 따옴표(') 를 사용하여 표기되어 있다. The components of the present invention have been described with reference to mixer / reactor devices and methods for generating chemical reactions. Depending on the particular application and process conditions, the present invention may employ any of the many combinations of components and features described herein without departing from the spirit and scope of the invention. Specific preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. These examples are intended to make the invention clearer and not to imply inappropriate limitations on the overall broad scope of protection of the invention as set forth in the appended claims. As shown in two or more figures, similar features of the invention use the same reference numerals, but are indicated using quotation marks (').
도 1은 접선 방향 공급관(10)과 반경 방향 공급관(12)이 연결되어 있는 바람직한 혼합 챔버(14)의 평면도를 나타낸다. 접선 방향으로 향하는 공급관(10)은 적절한 체류 시간 및 혼합을 달성하기에 필요로 하는 회전 또는 나선형 운동을 유체에 부여한다. 접선 방향으로 도입되는 유체의 운동 에너지는 반경 방향으로 도입되는 유체의 운동 에너지에 비해 충분히 커서, 반경 방향으로 도입되는 유체의 일부가 혼합 챔버(14)의 중앙의 혼합 챔버 출구(도시 생략)를 바로 향하는 것에서 나선형 경로를 따르게 전환시킨다. 바람직하게는, 이러한 운동을 초래하기 위해, 접선 방향 유동 유체의 운동 에너지는 반경 방향 유동 유체의 운동 에너지의 적어도 0.5배 커야한다. 따라서, 도 1의 실시예가 액체/기체의 혼합 및 그에 후속한 반응에 사용되는 경우, 유동 액체의 운동 에너지가 기체의 운동 에너지보다 실질적으로 크기 때문에 기체는 반경 방향으로 액체는 접선 방향으로 혼합 챔버 안으로 도입하는 것이 바람직하다. 1 shows a top view of a
초기의 반경 방향 유체는 두 유체의 상대 운동 에너지에 따라 접선 방향 유체만큼 충분히 휘어진 경로로 굽어지거나 그렇지 않을 수 있다. 다시 말해, 초기 반경 방향 유체는 접선 방향 유체만큼 많은 횟수로 혼합 챔버의 출구를 향하는 경로를 따라 휘감길 수 있거나, 더 적은 횟수로 휘감길 수 있다. The initial radial fluid may or may not be bent in a path that is sufficiently curved as the tangential fluid, depending on the relative kinetic energy of the two fluids. In other words, the initial radial fluid can be wound along the path to the outlet of the mixing chamber as many times as the tangential fluid, or less frequently.
대부분의 경우에, 접선 방향 안내 도관은 제1 유체를 위해 구비되며, 반경 방향 안내 도관은 제2 유체를 위해 구비된다. 따라서, 제1 유체는 복수 개의 제1 유체 분배 도관(도시 생략)을 사용하여 각각의 접선 방향 안내 도관(10)으로 분배 될 것이다. 마찬가지로, 제2 유체는 복수 개의 제2 유체 분배 도관(도시 생략)을 사용하여, 각각의 반경 방향 안내 도관(12)으로 분배될 것이다. 도관이 접선 방향 또는 반경 방향으로 안내되는 것을 정하는 것은 공급 챔버에 이르는 도관 방출 단부(18)의 배향에 기초로 한다. In most cases, tangential guide conduits are provided for the first fluid and radial guide conduits are provided for the second fluid. Thus, the first fluid will be dispensed to each
접선 방향 안내 도관(10) 및 반경 방향 안내 도관(12)은 모두 평면도에서는 폐쇄단부를 갖는 것으로 도시되어 있다. 따라서, 해당 수용 단부(16)에서 공급 도관에 주입되는 유체는 도시한 단면에서 위 또는 아래로 들어간다. 물론, 공급 도관이 동일 평면(뿐만 아니라 동일 플레이트) 내의 도관을 통해 주입되는 것이 가능하다. Tangential guiding
도 2에는 접선 방향 공급 도관(10')이 혼합 챔버(14')와 동일 평면 내에 있는 2개의 주입 도관(26, 28)을 통해 주입되는, 본 발명의 실시예가 도시되어 있다. 도 1에서와 같이, 혼합기/반응기 장치는 혼합 챔버(14)와 역시 유체 연통 상태에 있는 반경 방향 공급관(12')을 포함한다. 이 실시예에서, 반경 방향 공급관(12')은 제1 유체(A)를 혼합 챔버로 공급하는 데에 사용될 수 있는 한편, 접선 방향 공급관(10')은 제2 유체(B)와 제3 유체(C)의 혼합 흐름을 공급하는 데에 사용될 수 있다. 제2 유체(B) 및 제3 유체(C) 흐름은 복수 개의 제2 및 제3 유체 분배 도관(20, 22)을 사용하여 많은 수의 보다 작은 흐름으로 각각 분배될 수 있다. 이들 분배 도관은 매니폴드(24)의 출구에서 서로 맞물려, 접선 방향 공급관(10')의 상류측에서 제2 유체(B)와 제3 유체(C)의 예혼합하게 된다. 매니폴드(24)의 입구가 제2 및 제3 분배 도관(20, 22)과 유체 연통 상태에 있지만, 출구는 수용 단부(16')에서 공급관(10')과만 유체 연통 상태에 있고, 상기 단부는 혼합 챔버(14')와 유체 연통 상태에 있지 않다. 혼합 챔버 출구(19)는 혼합 챔버(14')의 단면의 평면의 위로 또는 아래로 연장하여, 혼합 유체의 흐름을 방출시킨다. 2 shows an embodiment of the present invention, in which a tangential supply conduit 10 'is injected through two
도 2에 있어서, 혼합 유체 흐름을 혼합 챔버(14')로 공급하는 공급관(10')은 혼합 대상의 제2 유체(B) 및 제3 유체(C)를 공급하는 데에 사용되는 도관(26, 28) 중 어느 것보다도 협소하다. 또한, 도 2에는 매니폴드(24)의 출구에 이르는 분배 도관(20, 22)의 폭의 합보다도 작은 폭을 갖는 접선 방향 공급관(10')이 도시되어 있다. 물론, 혼합 챔버로 들어가는 유체 속도는 주입 지점에서의 공급관의 면적에 반비례한다. 좁은 공급 채널을 사용하거나, 반경 방향 공급관(12')에 대해 도시한 바와 같이 혼합 챔버(14')에 이르는 방향에서 공급관이 협소하게 되면, 혼합 챔버(14') 안으로의 유체 속도가 가속되며, 혼합 특성이 전체적으로 개선된다. In FIG. 2, a
도 3은 반경 방향 도관(12')을 통해 혼합 챔버(14')로 들어가는 유체가 접선 방향 도관(10')을 통해 들어가는 유체와 유사한 방식으로 예혼합되는, 다른 실시예를 도시한다. 이 경우에, 제4 유체(D)로 유체 연통 상태에 있는 복수 개의 분배 도관(30) 및 제5 유체(E)로 유체 연통 상태에 있는 복수 개의 분배 도관(32)이 이들 유체를 더 작은 흐름으로 분할하는 데에 각각 사용된다. 이들 흐름은 반경 방향 공급관(12')에 이르는 제2 매니폴드(34)의 출구에 서로 맞물리는 상태로 분배된다. 또, 도 2에서와 같이, 각 주입 도관(26', 28', 36, 38)에 비해 비교적 좁은 접선 및 반경 방향 도관(10', 12')으로부터 확인되는 바와 같이, 유체의 속도는 혼합 챔버(14') 안으로 도입되기 전에 증가한다. 또, 혼합 챔버 출구(19')는 혼합 챔버(14')의 단면의 평면의 위로 또는 아래로 연장하여, 혼합 유체의 흐름을 방출시킨다. FIG. 3 shows another embodiment where fluid entering the mixing
도 4에는 도 1의 장치와 일관된 방식으로 유체를 혼합 및 반응시키는 적층 플레이트 장치가 도시되어 있다. 복수 개의 두 가지의 접선 방향 도관(10') 및 반경 방향 도관(12')이 2개의 혼합 챔버(14')와 2개의 별도의 유체 흐름에 의해 교대로 유체 연통 상태에 있어, 하나의 유체는 접선 방향으로만, 다른 하나의 유체는 반경 방향으로만 혼합 챔버(14') 안으로 도입된다. 도 4에는 이해를 돕기 위해 플레이트가 분리 상태로 도시되어 있는 유체 밀폐형 플레이트 적층(fluid tight plate stack)을 포함하는 특정 형태의 혼합기/반응기가 도시되어 있다. 이러한 구성에서, 커버 플레이트(40) 또는 층은 각 유체를 개별적으로 받아들이는 주입 채널(42, 44)의 개구 구조를 형성한다. 이 경우에 상기 채널은 커버 플레이트(40)를 통과해 연장하여 플레이트 아래, 즉 분배기 플레이트(46)와 개별 유체의 유체 연통을 제공하는 구멍 형태이다. 4 shows a laminated plate apparatus for mixing and reacting fluids in a manner consistent with the apparatus of FIG. 1. A plurality of two tangential conduits 10 'and a radial conduit 12' are in fluid communication alternately by two mixing chambers 14 'and two separate fluid flows, so that one fluid Only in the tangential direction, the other fluid is introduced into the mixing chamber 14 'only in the radial direction. 4 shows a particular type of mixer / reactor including a fluid tight plate stack in which the plate is shown in a separated state for ease of understanding. In this configuration, the
분배기 플레이트(46) 또는 층은 그들 각각의 급송 채널(42, 44)과 단지 유체만 연통되는 제1 유체 분배 구조(48) 및 제2 유체 분배 구조(50)의 개방 구조를 형성한다. 이들 유체 분배 구조(48, 50)는 분배기 플레이트(46)를 통하여 연장되고, 복수의 제1 분배 포트(52) 및 제2 분배 포트(54) 양자와 별도의 지점에서 제1 유체 및 제2 유체를 엇갈리게 유체 연통되게 한다. 이들 유체 분배 포트(52, 54)의 개방 구조는 분배기 플레이트(46)의 바로 아래에 있는 한 면에서 연결되는 채널 형성 플레이트(56) 또는 층에 의해 형성된다. 이러한 예시에 따른 유체 분배 포트(52, 54)는 채널 형성 플레이트(56)를 통하여 연장되는 구멍들이다. 따라서, 유체 분배 포트(52, 54)는 일 단부 및 그 반대쪽 단부에서 제1 유체 분배 구조(48) 및 제2 유체 분배 구조(50)와 각각 엇갈리게 유체 연통되며, 또한 접선 방향을 향하는 공급 채널(10') 및 반경 방향을 향하는 공급 채널(12')과 각각 엇갈리게 유체 연통된다. 구체적으로, 유체 분배 포트(52, 54)는 그들 각각의 수용 단부(16')에서 공급 채널(10', 12')과 유체 연통된다. The
도 1에서와 같이, 접선 방향을 향하는 공급 채널(10') 및 반경 방향을 향하는 공급 채널(12')의 방출 단부(18')는 혼합 챔버(14')와 유체 연통되어, 제1 유체 및 제2 유체의 흐름을 그 챔버로 도입한다. 혼합 챔버(14')와, 각각 수용 단부(16') 및 방출 단부(18')가 있는 복수의 공급 채널(10', 12')의 구조는 혼합기 플레이트(58)에 의해 정해지고, 그 상면에서 채널 형성 플레이트(56)의 하면에 연결되어 있다. 공급 채널(10, 12)의 방출 단부(18')는 혼합 챔버(14') 내로 접선 방향 및 반경 방향으로 번갈아 인도된다. 마지막으로, 혼합 챔버(14')의 중앙 영역과 유체 연통되는 혼합 챔버의 출구(19')가 혼합 유체 흐름의 방출을 허용하도록 혼합기 플레이트(58)으로부터 수직으로 연장된다. 이 실시예에서의 혼합 챔버 출구(19')는 추가의 플레이트, 즉 전달 플레이트(60)를 통하여 연장되는 구멍이며, 이 플레이트는 그 상면에서 혼합기 플레이트(58)의 하면과 연결되어 있다. 혼합 챔버의 출구(19') 뿐 아니라 급송 채널(42, 44)에는 전체 처리 계획 내에 있는 추가의 도관과 설비 사이의 연결을 허용하도록 나사가 형성될 수 있다. 그렇지 않으면, 이들은 각종의 피팅과 함께 사용하기에 적합하게 될 수도 있고, 접합, 브레이 징 또는 기타 공지의 수단에 의해 그에 접합될 수도 있다. As in FIG. 1, the tangentially directed
도 4는 혼합 챔버(14')와 공급 채널(10', 12')이 혼합기 플레이트(58)를 완전히 통과하는 경우에 혼합기 플레이트(58)와 전달 플레이트(60) 모두를 사용하는 것을 예시하고 있다. 단지 혼합 챔버의 출구(19')만이 혼합기 플레이트(58)의 양측을 통하여 연장되도록 혼합 챔버(58)와 공급 채널(10', 12')의 구조를 혼합기 플레이트 내에 각인하거나 에칭시킴으로써 도 4의 조립체를 구성하는 것도 가능하다. 따라서, 보다 넓은 의미로 각 층이 별도로 기능하는 것을 특징으로 하는 층상 조립체로서 적층 플레이트 배치를 고려하는 경우에, 도 4에 도시된 바와 같은 혼합층은 혼합기 플레이트(58)와 전달 플레이트(60)를 모두 포함한다. 그러나, 혼합 챔버(14')와 공급 채널(10', 12')을 혼합기 플레이트(58) 내로 각인시킴으로써, 혼합 층은 분명하게 단지 하나의 플레이트를 구비할 수 있다. 마찬가지로, 하나 이상의 플레이트를 이용하여 다른 층을 형성하는 것이 가능하고, 심지어 한층 이상의 기능을 실행하는 단일의 플레이트를 구비하는 것도 가능하다. 4 illustrates the use of both
전술한 바와 같이, 본 발명의 장치는 내부에 촉매를 배치함으로써 혼합 챔버(14') 내에서의 화학 반응을 실행하는 데 사용될 수 있다. 그렇지 않으면, 반응 플레이트(62)의 일단 또는 일면에 입구가 있고 타단에 출구가 있는 반응기(64)의 개방 구조를 형성하는 별도의 반응 플레이트(62)를 이용하여 유체 사이의 반응을 혼합 챔버와 완전히 분리하여 유지할 수 있다. 따라서, 도시된 바와 같은 반응기(64)는 반응 플레이트(62)를 완전히 통과하여 연장된다. 반응기의 입구는 혼합 챔버의 출구(19')와 유체 연통된다. 반응물 유출 채널(68)을 제공하도록 반응 플 레이트(62)의 아래에 지지 플레이트(66)가 위치 결정되어, 반응 생성물을 층상 조립체의 외부로 지향시키거나 그 조립체 내의 다른 구조(예컨대, 분리기)로 지향시킨다. 반응물 유출 채널(68)은 반응기 출구와 유체 연통된다. As mentioned above, the apparatus of the present invention can be used to effect chemical reactions in the mixing chamber 14 'by placing the catalyst therein. Otherwise, the reaction between the fluid and the mixing chamber can be completely transferred using a
반응 플레이트(62)와 전달 플레이트(60) 사이의 밀봉 접속에 의해 형성되는 반응기(64)는 촉매를 내부에 유지하기 위한 수단, 예컨대 스크린 또는 기타 다공질 매체를 구비할 수 있다. 일반적으로, 촉매는 그러한 매체를 반응기(64)의 하부에 배치함으로써 반응기(64) 내에 유지된다. 그러한 매체는, 보다 작은 반응물 유출 채널(68)이 반응기(64)의 유출 개구와 정렬될 때 반응기 내에 형성되는 지지 플레이트(66)의 상면의 링형 표면에 의해 지지된다. 그렇지 않으면, 반응 층을 포함하도록 별도의 반응 플레이트(62)와 지지 플레이트(66)를 이용하는 대신에, 전달 플레이트(60) 아래에 밀봉식으로 배치된 단일의 플레이트를 이용하여 반응 층의 기능을 수행하는 것도 또한 가능하다. 이 경우에, 반응기는 단일의 플레이트를 완전히 통과하지 않으며, 대신에 플레이트 두께 미만의 원하는 깊이로 플레이트에 각인된다. 대신에, 반응기의 출구 채널은 반응기의 하부로부터 플레이트의 대향측으로 관통 연장된다. 도시된 바와 같이, 전달 플레이트(60), 반응 플레이트(62) 및 지지 플레이트(66)는 혼합 기능 및 반응 기능을 분리하기에 충분한 두께를 가지며, 촉매 보유 공간을 제공하고, 반응 기능을 다른 가능한 하류의 기능(예컨대, 순간 불리)과 추가로 분리시킨다. The
도 5는 도 2의 장치에 따라 유체가 혼합되는 방식에 해당하는 다른 플레이트 적층식 정적 혼합기/반응기 장치를 예시하고 있다. 접선 방향을 향하는 공급 채널(10') 및 반경 방향을 향하는 공급 채널(12')은 혼합 챔버(14') 내로 인도되어, 공급 채널(10, 12')의 방출 단부(18')를 통하여 그 챔버와 연통한다. 도 5에서, 제1 유체 급송 채널(42')은 반경 방향을 향하는 공급 채널(12')의 수용 단부(16')와 유체 연통되고, 이는 혼합 챔버(14')로 인도되는 방향으로 협소해진다. 커버 플레이트(40')가 상기 제1 유체 급송 채널(42')의 개방 구조 뿐 아니라, 혼합되는 제2 및 제3 유체를 수용하는 제2 급송 채널(26') 및 제3 급송 채널(28')의 개방 구조를 또한 형성한다. 커버 플레이트는 혼합 챔버(64)의 횡단면을 정하는 평면으로부터 수직 상향으로 연장되는 반응물 유출 채널(68')을 또한 형성한다. 반응물 유출 채널(68')은 반응 생성물을 층상 조립체의 외부로, 또는 그 조립체 내의 추가의 구조(예컨대, 분리기)로 지향시킨다. 반응물 유출 채널(68')은 반응기 출구와 유체 연통된다. FIG. 5 illustrates another plate stack static mixer / reactor device corresponding to the manner in which the fluid is mixed according to the device of FIG. 2. The tangentially directed feed channel 10 'and the radially directed feed channel 12' are guided into the mixing chamber 14 'and through the discharge end 18' of the
도 5의 실시예에서, 반응기는, 반응 플레이트(62')의 일단 또는 한면에 입구가 있고 타단에 출구가 있는 반응기(64')의 개방 구조를 형성하는 별도의 반응 플레이트(62')를 이용하여 혼합 챔버로부터 분리된다. 따라서, 도시된 바와 같은 반응기(64)는 반응 플레이트(62)를 완전히 통과하여 연장된다. 이 경우에, 반응 플레이트(62')는 커버 플레이트(40')의 아래에 배치되고, 반응 플레이트(62)의 하면에 있는 반응기의 입구는 혼합 챔버(14')로부터 상향 연장되는 혼합 챔버의 출구(19')와 유체 연통한다. 반응기(64)의 입구와 유체 연통되는 혼합 챔버 출구(19')를 제공하도록 반응 플레이트(62')의 아래에 전달 플레이트(60')가 배치되어 있다. 혼합 챔버의 출구(19')는 혼합 챔버의 중앙 영역과 유체 연통되어, 유 체의 혼합 흐름을 방출한다. In the embodiment of FIG. 5, the reactor utilizes a separate reaction plate 62 'that forms an open structure of the reactor 64' with one inlet or one end of the reaction plate 62 'and an outlet at the other end. By separating from the mixing chamber. Thus,
혼합 챔버(14'), 접선 방향을 향하는 공급 채널(10') 및 반경 방향을 향하는 공급 채널(12')의 개방 구조를 형성하는 혼합기 플레이트(58')가 커버 판(62)의 바로 아래에서 아래에 연결되어 있다. 이들 공급 채널 각각은 수용 단부(16')와, 이 단부와 반대쪽의 방출 단부(18')를 구비한다. 혼합 챔버(14')와 유체 연통되는 특정 공급 채널의 방출 단부(18')의 작용은 그 공급 채널이 접선 방향을 향하는가 반경 방향을 향하는 가를 결정한다. 혼합기 플레이트(58')는 입구 및 출구가 있는 집중 챔버(24')의 개방 구조를 또한 형성하며, 여기서 집중 챔버의 입구는 서로 맞물리는 순서로 배치되어 있는 복수의 제2 유체 분배 채널(20') 및 복수의 제3 유체 분배 채널(22') 모두와 유체 연통된다. 집중 챔버의 출구는 접선 방향을 향하는 공급 채널(10')의 수용 단부와 유체 연통된다. Just below the
하부면의 혼합기 플레이트(58') 아래에는 복수 개의 제2 분배 포트(54')와 또한 복수 개의 제3 분배 포트(55)를 형성하는 채널링 플레이트(56)가 직접 연결된다. 각 제2 분배 포트(54')의 일단부에는 제2 유체 분배 구조체(50')가 유체 연통된다. 각 제2 분배 포트의 대향 단부는 집중 챔버(24')에 통해 있는 제2 분배 채널(20')과 연통된다. 마찬가지로, 각 제3 분배 포트(55)의 일단부는 제3 유체 분배 구조체(51)와 유체 연통된다. 각 제3 분배 포트(55)의 대향 단부는 집중 챔버(24')와 통해 있는 제3 분배 채널(22')과 유체 연통된다. 이 구조는 혼합 챔버(14') 내로 도입되기 전에 제2 유체와 제3 유체의 예혼합을 가능하게 할 뿐만 아니라 혼합 후에 제2 유체와 제3 유체의 유속을 증가시킬 수 있다.
Below the
결과적으로, 혼합기/반응기는 제2 유체 급송 채널 및 제3 유체 급송 채널(26', 28')과 유체 연통되는 제2 유체 분배 구조체 및 제3 유체 분배 구조체(50', 51)의 개방 구조를 각각 형성하는 기부 플레이트(61')를 포함한다. 도 4의 급송 채널과 달리, 이들 급송 채널(26', 28')은 하나 이상의 단일 플레이트를 통해 연장되어, 사실상 덮개 플레이트(40') 이외에 혼합기 플레이트(58')와 채널링 플레이트(56')를 관통한다. 기부 플레이트(61')의 상부면은 채널링 플레이트(56')의 하부면에 밀봉 가능하게 연결된다. 도 5의 실시예는 복수 개의 제2 분배 채널(20')과 제3 분배 채널(22')을 포함하지만, 또한 분배 채널이 필요없이 제2 분배 포트(54') 및 제3 분배 포트(55)가 집중 챔버(24')의 입구와 직접 연통되는 것도 가능하다. As a result, the mixer / reactor may break open structures of the second fluid distribution structure and the third
다음에, 청구범위에 기재된 넓은 범위를 제한함이 없이 본 발명의 특정 양태를 예시하는 예가 제공된다. In the following, examples are provided to illustrate certain aspects of the invention without limiting the broad scope described in the claims.
예 1-5Example 1-5
적층식 플레이트의 구조를 포함하고 전술한 집진 장치 혼합 원리를 사용하는 정적 혼합기는 유리로 구성되어 여러 조건 하에서 집진 형성이 관측된다. 물 및 공기를 혼합 챔버에 대해 각각 접선 방향 및 반경 방향으로 혼합 챔버 내에 주입하였다. 디지털 화상을 처리하는 고속 카메라를 사용하여 흐르는 액체의 나선 흐름이 달성되는 지를 관측하였다. 물 흐름 내에 기체 기포의 경로를 관측하여 쉽게 판별하였다. 이들 실험의 결과를 표 1에 요약하였다. Static mixers, including the structure of a laminated plate and using the above-mentioned dust collector mixing principle, are composed of glass and dust formation is observed under various conditions. Water and air were injected into the mixing chamber in tangential and radial directions, respectively, relative to the mixing chamber. A high speed camera for processing digital images was used to observe whether a helical flow of flowing liquid was achieved. The path of gas bubbles in the water stream was easily determined by observing. The results of these experiments are summarized in Table 1.
이들 결과로부터, 액체/기체의 동력학 에너지 비율이 0.66 이상인 원하는 나선 흐름 형성을 얻었다. 접선 방향/반경 방향으로 흐르는 유체의 동력학 에너지 비율의 하한은 0.5로 추정된다. 흐름 정체가 층류에서 난류로 변경되면, 접선 방향으로 흐르는 유체의 처리량이 훨씬 많아져 집진 형성을 방지할 수도 있다. 그러나, 이 경우에도 여전히 완전한 혼합이 일어나게 된다. From these results, the desired spiral flow formation was obtained with a dynamic energy ratio of liquid / gas of at least 0.66. The lower limit of the dynamic energy ratio of the fluid flowing in the tangential / radial direction is assumed to be 0.5. When the flow stagnation changes from laminar to turbulent, the throughput of the tangential fluid flows much higher, which can prevent the formation of dust. However, even in this case, complete mixing still occurs.
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