JP2009521308A - 熱交換混合システム - Google Patents
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Abstract
本発明は、少なくとも１つの熱交換区間と、１つまたは２つ以上の混合ユニットを有する少なくとも１つの接続プレートと、接続プレートあたり少なくとも４つの隅部とを有し、各隅部は、行き止まりの通路を有する隅部、貫通通路を有する隅部、1本の通路を有する隅部、または２本の通路を有する隅部のいずれかであって、１つまたは２つ以上の混合ユニットには混合要素が備わっている熱交換混合システムに関する。本発明は、さらに、熱交換混合システムの用途と、流体の混合方法とに関する。
Description
本発明は、熱交換混合システム、熱交換混合システムの使用および、流体を混合する方法に関する。
混合器は、反応物、流体等の間の接触ができるだけ大きいことが重要なさまざまな用途に使用されることが多い。接触は乱流によって改良され、乱流はさまざまな種類の混合要素の使用によって発生する。これらの動作の多くにおいては、熱伝導の必要性から、混合器は熱交換器と通常組み合わされる。
混合器と熱交換器との非常に多くの組み合わせが、１つまたは２つ以上の静的混合要素を備えている中心チューブと、チューブを囲んでいる環状空間と、シェルチューブとを各々が有する協働する組立品を開示した国際公開第９７／２１０６１号パンフレットなどの文献から知られている。環状空間は、連続している複数の区間を構成しており、それによって、熱を処理まで伝導させ、または熱を処理から伝導させることができる。熱交換器の開口に取り付けられている混合要素が国際公開第２００２／４６６７９号パンフレットに開示されている。
１つのブロックまたは並んでいる数個のブロックまたはサブブロックの組を使用して残留時間および／または反応時間を制御することによって流体を処理する装置が米国特許出願公開第２００４／０１０９７９８号明細書に開示されている。
従来技術を組み合わせた混合器熱交換器の問題の１つは、混合器と反応室との間の搬送の長さである。そのため、熱伝導、温度制御が悪化し、装置がかさばる。したがって本発明の目的は、熱収支がより効果的な装置を設計することであり、他の目的はよりコンパクトな混合器熱交換装置を設計することである。
そのため、本発明は、より十分な熱収支を可能にするコンパクトな装置を提供する。したがって、本発明は、少なくとも１つの熱交換区間と、１つまたは２つ以上の混合ユニットを有する少なくとも１つの接続プレートと、接続プレートあたり少なくとも４つの隅部とを有し、以降では隅部または２つ以上の隅部と呼ぶ流体搬送用の各隅部は、行き止まりの通路を有する隅部、貫通通路を有する隅部、1本の通路を有する隅部、または２本の通路を有する隅部のいずれかである熱交換混合システムに関する。１つまたは２つ以上の混合ユニットには混合要素が備わっている。行き止まりの隅部は、ストッパとして作用し、行き止まりの隅部を流体は通過しない。貫通通路を有する隅部は、流体を、他の流体といっさい混合することなく接続プレートを通して通過させる、あるいは貫通通路を有する隅部は、接続プレートの外側から接続プレート内への通路であってもよい。1本の通路を有する隅部は、流体の流れを流入角度に対して任意のあらかじめ設計されている角度に向け、また、1本の通路を有する隅部は、流体の流れを接続プレート内へまたは接続プレート外へ向けるために使用したり、流れを接続プレートを迂回するように向けることができる。２本の通路を有する隅部は、流体の２つの流れを混合することなく異なる方向へ搬送する。２本の通路を有する隅部は、流体の流れを装置に追加するために使用することができる。本発明に従って使用可能な隅部の例は、米国特許第４３７３５７９号明細書と国際公開第９９／５１９２６号パンフレットとに開示されている。本発明は、任意の種類の適切な隅部を有する。隅部は、例えば、接続プレート、混合ユニット、反応区間、熱交換区間、またはそれらの組み合わせに接続されている。流体は、隅部によって接続プレート内へ、または接続プレート外へ搬送されてもよいし、隅部が２本の通路を有する隅部である場合、隅部は処理流体と熱交換用の流体との両方をたとえば接続プレート内へまたは外へ搬送してもよいが、２本の通路を有する隅部は２つの処理流体を２つの混合ユニットへ、２つの反応区間へ、２つの熱交換区間へ、またはそれらの組み合わせへ搬送してもよい。
１つまたは２つ以上の熱交換区間は少なくとも１つの接続プレートの一方または両方の辺上に配置されている熱交換器プレートであってもよいし、２つまたは３つ以上の接続プレートの間に配置されていてもよい。他の代替の実施態様では、熱交換区間は接続プレートの内側であって内部の混合ユニットの外側の空間であってもよいし、熱交換区間は外部に接続されている混合区間を囲んでいてもよい。したがって、少なくとも１つの熱交換区間は少なくとも１つの接続プレートの内側、外側、または両方に配置されていてもよい。さらに他の代替の実施態様では、少なくとも１つの熱交換区間は、少なくとも１つの接続プレートの一方または両方の辺上に配置されている熱交換器プレートと、少なくとも１つの接続プレートの内側、外側、または両方に配置されている熱交換区間との組み合わせとして配置されていてもよい。
代替の一実施態様では、２つ、３つ、または４つ以上の接続プレートが例えば熱交換器プレートの２つまたは３つ以上のパッケージの間で互いに直接接続されていてもよいが、その代わりに、熱交換混合器が熱交換器プレートを有する必要はなく、その代わりに熱交換混合器が熱交換区間を外部、内部、または両方に有していてもよい。
接続プレートは、基本的に正方形または長方形の形状を有していてもよいが、熱交換混合システムの性能が目的の結果をもたらす限り、任意の形状が可能である。接続プレートは、混合ユニット、熱交換用の流体、処理流体、またはそれらの組み合わせを収容可能な部分を有していてもよい。少なくとも１つの接続プレートは、少なくとも１つの接続プレートの外部に接続されているか、少なくとも１つの接続プレートの内部に配置されているか、または少なくとも１つの接続プレートの外部に接続され、かつ少なくとも１つの接続プレートの内部に配置されている、１つまたは２つ以上の混合ユニットを有していてもよい。接続プレートの入口と出口とは、熱交換用の流体または処理流体に隅部を通して接続されており、少なくとも１つの接続プレートは流体用の少なくとも１つの入口と少なくとも１つの出口とを有していてもよい。１つまたは２つ以上の混合ユニットは接続プレートの外部に接続されていてもよい。１つの処理流体は、接続プレート内の混合ユニット内へ搬送され、他の処理流体が外部に配置されている混合ユニット内へ搬送されてもよい。混合された処理流体は、流体が通過する反応ステップまたは物理ステップの種類にすべて依存して、さらに他の混合ユニット内で、１つに組み合わされて混合されてもよい。接続プレートは、１つまたは２つ以上の混合ユニットを内部に収容していてもよく、チューブや他の種類の閉じた通路の内部に存在してもよく、チューブまたは他の種類の閉じた通路を囲んでいる混合ユニットであってもよい。他の代替の実施態様では、接続プレートは、内部に配置されている１つまたは２つ以上の混合ユニットと、熱交換用の流体のための少なくとも１つの入口と少なくとも１つの出口とを収容している。接続プレートは密封されていてもよい。隅部は、少なくとも１つの接続プレートと一体であってもよい。
混合ユニットには混合要素が備わっていてもよい。混合要素は、ウィング、フィン、混合を促進する他の構成を有していてもよく、混合要素は網、発泡金属、メッシュ、フィンなどとすることができる。混合要素は、静止ミキサ、螺旋状ミキサ、右回転および左回転のミキサブレードの組み合わせ、渦ミキサ、動的混合要素、切開オフセットタービュレータ、流れ制御インサート、発泡金属、メッシュ、からなる群から選択されてもよい。混合ユニットは、国際公開第２００４／０４５７６１号パンフレットに開示されているような流れ制御インサートなどの混合要素であってもよい。混合ユニットと混合要素とは任意の適切な合金、ステンレス鋼、ハステロイ（登録商標）、インコネル（登録商標）、フッ素ポリマー、ポリエステル、プラスチック、塩化ビニル（ＰＶＣ）、ナイロン、グラスファイバ、セラミック、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリ（メチル）（メタ）アクリレート、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、またはそれらの組み合わせで製造することができる。
本発明の熱交換システムは、代替の一実施態様によれば、１つまたは２つ以上の隅部に、１つまたは２つ以上の接続プレートの１つまたは２つ以上の辺に沿って、または１つまたは２つ以上の隅部及び１つまたは２つ以上の接続プレートの１つまたは２つ以上の辺に沿って接続されている１つまたは２つ以上の注入ポートを有していてもよい。１つまたは２つ以上の注入ポートは、添加物、反応物等に、または流体等の流れの試験サンプリングや監視に使用することができる。代替の実施態様によれば、注入ポートは、行き止まりの通路を有する隅部、貫通通路を有する隅部、1本の通路を有する隅部、または２本の通路を有する隅部に接続されていてもよい。
熱交換システムは、ろう付けあるいは溶接されていたり、またはこれらの両方がされていてもよく、または装置の複数の部分がろう付けあるいは溶接されていたり、またはこれらの両方がされていてもよく、また装置は少なくとも２つの端部プレートを有する枠内にクランプされていてもよいが、装置が枠内にクランプされている必要はない。
本発明は、反応器として使用可能で、１つまたは２つ以上の熱交換混合システムと少なくとも１つの反応区間とを有する熱交換混合システムにも関する。熱交換混合反応器は最大１０個の熱交換混合システムを有することができる。
熱交換混合システムは、化学合成または化学反応、酸などの希釈などの単位操作、食品用途、農薬、生化学製品に使用することができる。熱交換混合システムは、反応器として使用することができる。
本発明は、少なくとも１つの第１の処理流体と少なくとも１つの第２の処理流体とを搬送するステップを有する流体を混合する連続処理方法にも関する。流体は、溶媒、希釈流体等であってもよく、反応流体であってもよく、反応物、触媒などが添加されている流体であってもよい。流体は、少なくとも１つの第１の隅部を通して、熱交換混合システムの接続プレートの内部に接続されている少なくとも１つの混合ユニット内に導かれてもよいし、少なくとも１つの第１の隅部を通して、熱交換混合システムの接続プレートの外部に接続されている少なくとも１つの混合ユニット内に搬送されてもよい。第１と第２の処理流体は１つに混合されてもよく、熱を混合ユニットに伝導させる、または熱を混合ユニットから伝導させてもよい。混合された処理流体は、他の熱交換混合システムの熱交換区間または反応区間内でさらに処理するように、混合ユニット外へ少なくとも１つの第２の隅部を通して搬送されてもよい。連続処理方法は、内部の熱交換用の流体を少なくとも２つの隅部を通して外部熱交換器プレートへ搬送するステップを有するものであってもよいし、または、連続処理方法は、内部の熱交換用の流体を少なくとも１つの第１の隅部を通して熱交換器プレート内に搬送するステップと、内部の熱交換用の流体をさらなる熱交換のために少なくとも１つの第２の隅部を通して接続プレート外に搬送するステップとを有するものであってもよい。他の代替の実施態様では、連続処理方法は、外部の熱交換用の流体を少なくとも１つの第１の隅部を通して熱交換器プレート内に搬送するステップと、外部の熱交換用の流体を接続プレート外へ少なくとも１つの第２の隅部を通して搬送するステップとを有していてもよい。さらなる代替の実施態様では、連続処理方法は、外部の熱交換用の流体を外部混合ユニットの少なくとも１つの外部調節ユニット内に搬送するステップと、外部の熱交換用の流体を外部混合ユニットの少なくとも１つの外部調節ユニット外に搬送するステップとを有していてもよい。
本発明のさらなる代替の実施態様は特許請求の範囲において定められている。本発明を、図１から１５を用いてより詳細にさらに説明する。図面は本発明の説明を目的としており、その範囲を制限するものではない。
図１は、本発明の代替の一実施形態の熱交換混合システムの部品を定め図示する目的で、本発明を模式的に示している。本システムは、複数の熱交換プレート１と、複数の接続プレート２ａ、２ｂ、および２ｃとを有する。接続プレート２ａは例えば不図示の内部混合ユニットと内部調節装置とを有する接続プレートを表している。接続プレート２ｂは、添加物、反応物などの流れ用に、外部混合ユニット、外部調節装置用に、または、たとえば混合ユニットの内部調節のための追加される熱交換用の流体のための外部接続部分３を有する。接続プレート２ｃは追加される処理流体、反応物、または熱交換用の流体のための隅部４を有する。各接続プレート５は、図２に示しているように、少なくとも４つの隅部６を有しており、少なくとも４つの隅部６は１つまたは２つ以上の混合ユニット７に接続されているか、図２には示していない熱交換用の流体が流れる調節装置に接続されている。混合ユニット７は、接続プレート５内に内蔵されているか、接続プレートの外部に接続されていてもよく、本発明の代替の一実施形態では、混合ユニットが同じ接続プレートの内部と外部とに接続されていてもよい。混合ユニットは、混合要素８から構成されており、混合要素８は混合ユニットの一部であるか、混合ユニットや接続プレート内に追加される別個の部品である。
図３は、接続プレート５に対して配置されている４つの異なる隅部９、１０、１１、および１２を有する代替の接続プレート５を示している。図４の隅部９は行き止まりの隅部であって、接続プレートに接続されたときに、ストッパの役割を果たすことができる。図５の隅部１０は、流体を通過させるための穴１３を有する貫通通路を有する隅部であって、流体を、接続プレート内のいかなる流体とも混合させずに、接続プレートを貫通して通過させることができる。隅部１０は接続プレート内の流体を任意の種類の外部の流体装置に接続したり、接続プレートを本発明の混合装置に追加される追加の流体に接続することもできる。図６の1本の通路を有する隅部１１は１つの流体の流れを穴１３を通過させてチューブ１４に流入させて流出させるように方向を規定したり、流体をチューブ１４を通過させて穴１３から流出させるように方向を規定する。これは、1本の通路を有する隅部は流体を、隣接しているプレートから接続プレート内にまたは接続プレート外へ、または混合ユニット外へ搬送できることを意味している。1本の通路を有する隅部は、流体を本発明の混合装置に追加するために使用することもできる。図７の２つの通路の隅部１２は、２つの流体を互いに分離する壁１５を有する。２つの通路の隅部１２は２つの流体の流れを混合させることなく方向を規定する。２つの通路の隅部１２は、複数の機能を接続プレートや混合装置に追加することができる。２つの通路の隅部を通した流体の流れは、装置に適した任意の方向とすることができる。
図８は、フレーム１６内に複数の熱交換プレート１と複数の接続プレート５とを有する混合装置を示している。２つの端部プレート１７はフレーム１６内で混合装置を安定させている。さまざまな隅部が複数の流体を複数の接続プレート内へまたは複数のプレート外へ向け、つまり、本発明の混合装置の複数の機能に追加するように構成されている。図９の混合装置はフレーム１６内で分離している複数の接続プレート５を示している。この図では、たとえば、隅部１１が流体の接続プレートまたは熱交換プレート１の一方の側からの流れを止め、接続プレートまたは熱交換器プレートの外部から接続プレートまたは熱交換器プレートの内部への流体の流れを追加していることがわかる。
図１０から１５はすべて本発明の混合装置の内部または外部の混合の様々な可能性の概略を示している。図１０の接続プレートは、流体を、外部の混合ユニットであったり、本発明の熱交換混合システム内で処理される追加の流体であったりする外側の流体源に接続する1本の通路を有する隅部１１を２つ備えている。接続プレートは、行き止まりの隅部９または貫通通路を有する隅部１０のいずれか、またはそれらの各々とすることができる２つの隅部も有する。
図１１の接続プレートは内部混合要素８を備えている。図１２は、流体の１つの流れ１８が混合装置または開いている空間に方向が設定されており、流体の他の流れ１９が接続プレート内の内部調節装置に方向が設定されており、流れ１９と混合させることなく流れ１８を内部で調節する接続プレートを示している。図１３では、調節流体の外部の流れが、接続部分２０を通して導かれており、接続部分２０は貫通通路を有する隅部１０であってもよい。調節流体の外部の流れは、混合を行わない反応空間として使用可能な混合ユニットまたは開いている空間内で流体を調節するように、図１３の1本の通路を有する隅部を備えた接続プレート内の内部の調節装置内に導かれる。図１４では、外部の混合ユニット２１が接続プレートに接続されており、図１５では混合ユニット２１は外部の調節装置２２を備えている。
１つまたは２つ以上の注入ポート２３を接続プレートの１つまたは２つ以上の隅部、または１つまたは２つ以上の辺に接続することができる。図１１と１２では、注入ポート２３は隅部に接続されている。図１３は接続プレートの１つの辺に沿って接続されている数個の注入ポート２３を示している。複数の注入ポート２３は、図５、６、または７に示している隅部に接続することができる。
Claims (25)
- 少なくとも１つの熱交換区間と、１つまたは２つ以上の混合ユニットを有する少なくとも１つの接続プレートと、前記接続プレートあたり少なくとも４つの隅部と、を有し、各前記隅部は、行き止まりの通路を有する隅部、貫通通路を有する隅部、1本の通路を有する隅部、または２本の通路を有する隅部のいずれかであって、前記１つまたは２つ以上の混合ユニットには混合要素が備わっている、熱交換混合システム。
- 前記少なくとも１つの熱交換区間は、前記少なくとも１つの接続プレートの一方または両方の側に配置されている熱交換器プレートである、請求項１に記載の熱交換混合システム。
- 前記少なくとも１つの熱交換区間は、前記少なくとも１つの接続プレートの内側、外側、または両方に配置されている、請求項１に記載の熱交換混合システム。
- 前記少なくとも１つの熱交換区間は、前記少なくとも１つの接続プレートの一方または両方の側に配置されている熱交換器プレートと、前記少なくとも１つの接続プレートの内側、外側、または両方に配置されている熱交換区間との組み合わせとして配置されている、請求項１に記載の熱交換混合システム。
- 前記少なくとも１つの接続プレートは、基本的に正方形または長方形の形状を有する、請求項１に記載の熱交換混合システム。
- 前記少なくとも１つの接続プレートは、前記少なくとも１つの接続プレートの外部に接続されているか、前記少なくとも１つの接続プレートの内部に配置されているか、前記少なくとも１つの接続プレートの外部に接続され、かつ前記少なくとも１つの接続プレートの内部に配置されている、１つまたは２つ以上の混合ユニットを有する、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の熱交換混合システム。
- 前記少なくとも１つの接続プレートは、少なくとも１つの流体の入口と少なくとも１つの流体の出口とを有する、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の熱交換混合システム。
- 前記少なくとも１つの接続プレートは、外部に接続されている１つまたは２つ以上の混合ユニットを有する、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の熱交換混合システム。
- 前記少なくとも１つの接続プレートは内部に配置されている１つまたは２つ以上の混合ユニットを有する、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の熱交換混合システム。
- 前記少なくとも１つの接続プレートは、内部に１つまたは２つ以上の混合ユニットと、少なくとも１つの熱交換用の流体の入口と、少なくとも１つの熱交換用の流体の出口とを有する、請求項９に記載の熱交換混合システム。
- 前記少なくとも１つの接続プレートは密封されている、請求項９または１０に記載の熱交換混合システム。
- 前記少なくとも４つの隅部は前記少なくとも１つの接続プレートと一体である、請求項１ないし１１のいずれかに記載の熱交換混合システム。
- 前記混合ユニットの前記静止混合要素は、静止ミキサ、螺旋状ミキサ、右回転および左回転のミキサブレードの組み合わせ、渦ミキサ、動的混合要素、流れ制御インサート、発泡金属、メッシュ、からなる群から選択される、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の熱交換混合システム。
- 前記混合ユニットと前記混合要素とは任意の適切な合金、ステンレス鋼、ハステロイ（登録商標）、インコネル（登録商標）、フッ素ポリマー、ポリエステル、プラスチック、塩化ビニル（ＰＶＣ）、ナイロン、グラスファイバ、セラミック、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリ（メチル）（メタ）アクリレート、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、またはそれらの組み合わせで製造されている、請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の熱交換混合システム。
- １つまたは２つ以上の注入ポートが、１つまたは２つ以上の前記隅部に、１つまたは２つ以上の前記接続プレートの１つまたは２つ以上の辺に沿って、または前記１つまたは２つ以上の前記隅部及び前記１つまたは２つ以上の前記接続プレートの１つまたは２つ以上の辺に沿って、接続されている、請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の熱交換混合システム。
- ２つまたは３つ以上の前記接続プレートが直接互いに接続されている、請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の熱交換混合システム。
- 少なくとも１つの反応区間を有する請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の１つまたは２つ以上の熱交換混合システムを有する、熱交換混合反応器。
- 前記熱交換混合反応器は最大１０個の前記熱交換混合システムを有する、請求項１７に記載の熱交換混合反応器。
- 化学合成または化学反応、酸の希釈の単位操作、食品用途、農薬、生化学製品に対する請求項１から１６のいずかに記載の熱交換混合システムの使用。
- 化学合成または化学反応に対する請求項１７または１８に記載の熱交換混合反応器の使用。
- 少なくとも１つの第１の処理流体と、少なくとも１つの第２の処理流体または少なくとも１つの反応物とを、少なくとも１つの第１の隅部を通して、請求項１から１６のいずれか１項に記載の熱交換混合システムの前記接続プレートの内部に接続されている少なくとも１つの前記混合ユニット内に搬送するステップ、または前記少なくとも１つの第１の処理流体と、前記少なくとも１つの第２の処理流体または前記少なくとも１つの反応物とを、前記少なくとも１つの第１の隅部を通して外部に接続されている少なくとも１つの前記混合ユニット内に搬送するステップと、前記少なくとも１つの第１の処理流体と、前記少なくとも１つの第２の処理流体または前記少なくとも１つの反応物とを混合するステップと、熱を前記混合ユニットに伝導させ、または熱を前記混合ユニットから伝導させるステップと、前記混合された処理流体を、請求項１から１６のいずれか１項に記載の他の熱交換混合システムの前記熱交換区間または反応区間内でさらに処理するように、前記混合ユニット外へ少なくとも１つの第２の隅部を通して搬送するステップと、を有する、流体を混合する連続処理方法。
- 前記方法は、内部の熱交換用の流体を少なくとも２つの隅部を通して外部熱交換器プレートへ搬送するステップを有する、請求項２１に記載の方法。
- 前記方法は、内部の熱交換用の流体を前記少なくとも１つの第１の隅部を通して前記熱交換器プレート内に搬送するステップと、前記内部の熱交換用の流体をさらなる熱交換のために前記少なくとも１つの第２の隅部を通して前記接続プレート外に搬送するステップと、を有する、請求項２１に記載の方法。
- 前記方法は、外部の熱交換用の流体を前記少なくとも１つの第１の隅部を通して前記熱交換器プレート内に搬送するステップと、前記外部の熱交換用の流体を前記接続プレート外へ前記少なくとも１つの第２の隅部を通して搬送するステップと、を有する、請求項２１に記載の方法。
- 前記方法は、前記外部の熱交換用の流体を前記外部混合ユニットの少なくとも１つの外部調節ユニット内に搬送するステップと、前記外部の熱交換用の流体を前記外部混合ユニットの前記少なくとも１つの外部調節ユニット外に搬送するステップと、を有する、請求項２１に記載の方法。
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