JP3225939U - ネットワーク熱交換装置、ネットワーク熱交換方法およびその使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱または吸熱プロセス用の化学反応器を提供する。【解決手段】反応を行うためのネットワークミキサープレート２と熱交換プレート３、４のスタックを備え、ここで、ネットワークミキサープレートは、一連のチャンバーを備え、１つ以上の反応流体をチャンバーを通して順次混合および分割するために、各チャンバーは、少なくとも２つのチャネルによって少なくとも２つの他のチャンバーに相互接続され、熱交換プレートは、熱流体が流れるためのチャネルを備え、熱交換プレートのチャネルとネットワークミキサープレートのチャンバーは、チャンバーとチャネルの間で熱を伝達するために並べられ、ネットワークミキサープレートの各チャンバーは、２つまたは３つのチャネルとチャネルに接続するための２つまたは３つの開口部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、化学反応器／ミキサーに関し、およびメソまたはミクロ構造ミキサーネットワークプレート（以下、ネットワークミキサープレートと呼ぶ）を流れる流体と前記ネットワークプレートに隣接する熱交換プレートとの間の連続熱伝達のためのそれぞれの方法に関する。

本開示は、前記プレートのセットを、任意の数の取り付けられたプレートおよび動作中のプレートを有するモジュールに組み立てることを可能にし、動的で柔軟な生産速度を可能にする。ネットワークプレートは、２つ以上の流体の混合、または流体と触媒の接触に適用されるデバイスであり、一般に化学プロセスに用いられる。化学反応、流体の混合、および材料の相変化は、常に熱の放出または吸収を伴い、多くの場合温度の誘導が最も重要である。前記ネットワークプレート内部の温度制御は、前記プレート内部の高温媒体（例えば、水蒸気）、または低温媒体（例えば、冷却材）を使用して、隣接する熱交換プレートに熱を伝達することにより行われる。本明細書におけるこの熱伝達のデバイスおよび方法は、例えば、気体から液体または固体へのプロセス、または触媒化学反応に適用される。本発明の好ましい応用分野は、化学プロセスおよび装置である。

スタティックミキサーは、連続動作を行うための産業用途で使用されており、１９７０年代から、混和性または不混和性流体の混合、固体粒子の均質化、および熱伝達と物質伝達強化の用途における機械的ミキサーの代替品として標準的な機器となっている。このタイプのミキサーは、製薬、石油化学、食品、化粧品、バイオテクノロジー、水／廃水、製紙およびポリマー産業におけるさまざまな産業プロセスに適用される。スタティックミキサーの横方向の混合を誘導し、流体要素を近接させる能力は、混和性流体の良好な混合の実現、または熱および物質の伝達速度の向上に対する効果をもたらす。これらのミキサーの最も興味深い特徴のひとつは、製品がフローエネルギーだけで混合されることである。したがって、ミキサーを介して流体を圧送するために必要な電力以外の外部電力は必要とせず、さらに、スタティックミキサーは通常、小さなスペースおよび低い設備コストを有し、可動部品を必要としない。ただし、スタティックミキサーを使用すると、通常、システム全体の圧力降下が大きくなり、それだけでなく汚れの可能性が大きくなり、洗浄が比較的難しくなり、コストが高くなる。

多くの化学プロセス／反応では、作動流体温度の効果的かつ正確な制御が主要な要件である。これは、熱伝達率が重要になる高い発熱性または吸熱性の反応にとって特に重要である。層流領域は、一般に熱伝達の観点から効率的でないと考えられているため、ほとんどの熱交換デバイスは乱流領域で動作するように設計されている。一部の著者は、層流の熱伝達を強化する手段として、スタティックミキサーで起こるようなカオス移流を提案している。断面熱伝達の強化は、二次横断流の出現によるものであり、スタティックミキサーの形状によって促進される、分流と結合した横断混合を改善する。結果として、パイプフローの熱伝達に対する支配的抵抗を形成する境界層が事実上排除される。

スタティックミキサーの使用によって引き起こされる熱伝達の強化は新しいトピックではなく、幾人かの著者は、無次元の熱伝達率、ヌセルト数を報告することにより、熱交換装置の設計に役立つ相関の形式におけるさまざまなタイプのスタティックミキサーの使用の利点をすでに明らかにしている。一部の著者は、層流で動作するＫｅｎｉｃｓスタティックミキサーにおいて熱伝達率を２〜３倍向上し得ることを示しているが、Ｓｕｌｚｅｒ ＳＭＸスタティックミキサーにおいては、市販のスタティックミキサーを含む容器において実験的に得られるヌセルト数の相関に関する最初の編成の空のタブＡにおけるものと比較して、熱伝達率を５倍に向上し得ることを示しており、これはＴｈａｋｕｒ ＲＫ、Ｖｉａｌ Ｃ、Ｎｉｇａｍ ＫＤＰ、Ｎａｕｍａｎ ＥＢ、Ｄｊｅｌｖｅｈ Ｇ．らのＳｔａｔｉｃ Ｍｉｘｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ-Ａ Ｒｅｖｉｅｗ． Ｃｈｅｍ． Ｅｎｇ． Ｒｅｓ． Ｄｅｓ． ２００３；８１（７）：７８７−８２６に記載されたものである。スタティックミキサー部品を含む熱交換器は市販されており、現在産業において使用されている。

これらの事実は、本開示により対処される技術的問題を説明するために開示されている。

本開示は、前記プレートのセットを、任意の数の組み込まれたプレートおよび動作中のプレートを有するモジュールに組み立てることを可能にし、動的で柔軟な生産速度を可能にする。ネットワークプレートは、２つ以上の流体の混合、または流体と触媒の接触に適用されるデバイスであり、一般に化学プロセスに使用される。化学反応、流体の混合、および材料の相変化は、常に熱の放出または吸収を伴い、温度の誘導が最も重要である。前記ネットワークプレート内部の温度制御は、前記プレート内部の高温媒体（例えば水蒸気）、または低温媒体（例えば冷却材）を使用して、隣接する熱交換プレートに熱を伝達することにより行われる。熱伝達のこのデバイスおよび方法は、例えば、気体から液体または固体へのプロセス、または触媒化学反応に適用される。本発明の好ましい応用分野は、化学プロセスおよび装置である。本開示の一態様は、反応を実行するためのネットワークミキサープレートと熱交換プレートのスタックを備える発熱または吸熱プロセスのための化学反応器に関し、ネットワークミキサープレートは、各チャンバーが少なくとも２つのチャネルによって少なくとも２つの他のチャンバーへと相互接続される一連のチャンバーを備え、それは前記チャンバーを通して１つ以上の反応流体を混合および分割するためであり、熱交換プレートは、熱流体フローのためのチャネルを備え、熱交換プレートのチャネルおよびネットワークミキサープレートのチャンバーは、前記チャンバーと前記チャネルの間で熱を伝達するように並んでおり、ネットワークミキサープレートの各チャンバーは、２つまたは３つのチャネルと、前記チャネルに接続するための２つまたは３つの開口部を含む球形または円筒形のチャンバーである。

本開示の発熱または吸熱プロセスのための化学反応器は、マイクロリアクターの大きな比表面積を維持し、さらに、主にメソ構造化デバイスにおいて比熱伝達容量を同時に増加させる。

より良い結果を得るための実施形態では、ネットワークミキサーのチャンバーおよびチャネル深さは、０．２５ｍｍから１０ｍｍの間であってもよい。

より良い結果を得るための実施形態では、ネットワークミキサーのチャンバー直径は１ｍｍから５０ｍｍの間であってよく、チャネル幅または直径は０．２５ｍｍから１０ｍｍの間である。

より良い結果を得るための実施形態では、ネットワークミキサーフローのレイノルズ数Ｒｅは１００より大きくてもよく、好ましくは１２５から１０００の間であってもよい。レイノルズ数Ｒｅは、チャネルでＲｅ＝（υ φ）／νとして定義される。ここで、νは流体の動粘度、φはチャネルの幅または直径、υはチャネル内の空間平均流速である。

より良い結果を得るための実施形態では、反応器／ミキサーは、熱交換プレートの間にネットワークミキサープレートが積み重ねられている、２つの熱交換プレートを備えていてもよい。

より良い結果を得るための実施形態では、ネットワークミキサープレートの各チャンバーに相互接続された少なくとも２つのチャネルは、ネットワークミキサープレート内の流体フローの全体の方向に対して斜めであってもよい。

より良い結果を得るための実施形態では、熱交換プレートのチャネルは、蛇行チャネルであってもよい。

より良い結果を得るための実施形態では、熱交換プレートのチャネルは、相互接続された２つ以上のキャビティを備えてもよい。

より良い結果を得るための実施形態では、キャビティはバッフルを備えてもよい。

より良い結果を得るための実施形態では、熱交換プレートは、ネットワークミキサープレートへの、またはネットワークミキサープレートからの、またはネットワークミキサープレートへおよびネットワークミキサープレートからの流体の流れのための、１つ以上の貫通開口部を備える。

より良い結果を得るための実施形態では、本開示の反応器／ミキサーは、各ネットワークミキサープレートが２つの熱交換プレートの間に隣接して配置されるように、複数の前記ネットワークミキサープレートおよび複数の前記熱交換プレートを備えてもよい。

より良い結果を得るための実施形態では、プレートは横方向の入口と横方向の出口を備えてもよい。

より良い結果を得るための実施形態では、プレートは、隣接するプレートに接続する上部入口と下部出口を備えてもよい。

より良い結果を得るための実施形態では、反応器／ミキサーは、前記チャネルおよび／またはチャンバーに液密性を提供するための１つ以上の蓋板を備えてもよい。

より良い結果を得るための実施形態では、ネットワークミキサープレートの各チャンバーは、２つまたは３つのチャネルと、前記チャネルに接続するための２つまたは３つの開口部とを備える、球形または円筒形チャンバーである。

本開示は、一つの流体またはいくつかの流体が、熱を放出または吸収する、化学反応または相変化などの変換を受けるプロセスにおける、熱伝達のための方法および反応器／ミキサーに関する。そのような場合、流体の温度は吸熱または発熱プロセスによって変化するため、流体を適切な温度範囲に制御するために、プロセスに対して熱を供給または除去する必要がある。前記プロセスは、相互接続され開かれた一連のキャビティを有するプレートからなる、メソまたはマイクロ構造ネットワークプレートで行われ、前記キャビティは一般に円筒形または球形であり、以後混合チャンバーと呼ばれる。前記混合チャンバーは、チャネルによって相互接続され、一般に角柱または円筒形である。流体は、相互接続された混合チャンバーとチャネルのネットワークを流れる。１つ以上のチャネルからの流れは、異なるチャネルからの１つ以上の流体が混合される混合チャンバーに入る。混合された１つ以上の流体は、流出する流れを複数の下流の混合チャンバーに分割する１つ以上のチャネルによって、前記混合チャンバーから流出する。最初の列の混合チャンバーは、単一または複数の入口チャネルを介して分配ユニットから流体を受け取る。最後の列の混合チャンバーは、単一または複数の出口ポートを有し得る。図２は、好ましい実施形態におけるネットワークミキサープレート（またはネットワークミキサー）の可能な実施形態を示し、前記プレートは、欧州特許ＥＰ１７２０６４３Ｂ号の例および図面に開示されたスタティックミキサーデバイスであってもよい。

一実施形態では、ネットワークミキサープレートは少なくとも１つの隣接する熱交換プレートに接続され、より典型的には各ネットワークプレートは２つの熱交換プレートの間に積み重ねられる。熱交換プレートは、ネットワークプレート内の流体との熱伝達のために高温または低温の流体が流れる１つ以上のキャビティを有する。熱伝達のための流体は、ネットワークプレートの内側への温度差によって作動し、相変化、例えばネットワークプレートの加熱目的の凝縮または前記プレートの冷却のための蒸発によっても作動し得る。熱伝達の目的で熱交換プレートを流れるこれらの流体を、以降、熱流体と呼ぶ。熱交換プレートのキャビティは、前記熱流体の入口および出口とするために、一つ以上のポートを有する。前記キャビティは、入口および出口ポートに直接接続するか、プレート内の隣接するキャビティに相互接続し得る。各キャビティは、バッフル付き、またはバッフルなしの中空の平行構造であり得る。熱交換プレートには、パイプの通過を目的とする、または注入流をネットワークプレートの入口ポートと出口ポートに接続するチャネルとして機能する、接続スロットを有し得る。前記接続スロットは、熱流体が流れるキャビティから隔離されている。加えて、前記接続スロットは、流体を複数の入口チャンバーに分配するように、またはネットワークプレートの放出チャンバーのいくつかの出口ポートから流体を収集するように設計され得る。

一実施形態では、１つのネットワークプレートおよび１つまたは２つの熱交換プレートの各セットが積み重ねられて、熱交換プレート中のキャビティが整列して、ネットワークプレートのチャンバーおよびチャネルと熱を伝達する。この特定の配置は、以後基本ユニットと呼ばれる。熱交換プレートの配置によっては、基本ユニットに１つ以上の蓋が必要になる場合がある。本発明は、複数の基本ユニットの積み重ねを可能にするモジュール構造を有する。ユニットを積み重ねるには、接続パイプが図１とは異なる配置である必要があり、図１において前記パイプは熱交換蓋の上部から入るが、積み重ねられたユニットでは、前記パイプが異なる基本ユニットから熱交換器を接続する場合またはスタックの上部または下部の基本ユニット用である場合を除き、これらのパイプは平行に入らなければならない。前記基本ユニットは同時に動作し、動作中の基本ユニットの数を利用して生産速度を調整し、動的に設定できる柔軟な生産速度を可能にする。

本発明の理解を容易にするために、本発明の好ましい実施形態を表すいくつかの図が添付されているが、これらは本発明の目的を限定することを意図するものではない。

熱交換デバイスの基本ユニット１のレイアウトである。基本ユニット１は、１つのネットワークプレート２を有し、２つの熱交換プレート（１つは上部３、もう１つは下部４）を積み重ね、それぞれの前記熱交換プレートに蓋部５、６を有する、集合体を備える。この特定の実施形態では、ネットワークプレートに流体を導入するための２つの入口を有し、入口チャネル７は２つの混合チャンバーに流体を導入し、入口チャンバー８は流体を２つの他の混合チャンバーに導入する。ネットワークプレートの出口９は、デバイスの下部にあるパイプである。熱流体はポート１０から上部熱交換プレートに入り、ポート１１から出ていく。 円筒混合チャンバー２２と、前記混合チャンバー２２と接続する角柱チャネル２３とを有し、混合チャンバーの第１列における流体入口２４の可能な配置を識別するネットワークミキサープレート２である。図２におけるネットワークプレート２は、一連の５列の混合チャンバーを有し、第１列に４つの混合チャンバー２２を有する。 ：長さｌと幅ｄの２つの入口角柱チャンバー２３−１と、同じ寸法の２つの出口角柱チャネル２３−２とを有する、直径Ｄ２２の円筒混合チャンバー。前記混合チャンバー２２および角柱チャネル２３-１、２３-２は深さωを有する。 ：伝熱流体循環のためのキャビティ４１の可能な実施形態、チャンバー入口４２および出口４３の識別、油圧通路、接続スロット４４、ならびにネットワークプレートへの入口および出口パイプの可能な構成を有する、熱交換プレート３。このプレート２は、熱流体循環用のキャビティ２にバッフル４５を有する。 ：ジャケット付き攪拌槽５１、蛇行部付き攪拌槽５２、ジャケット付き管型反応器５３、外部熱交換器付き攪拌槽５４、マイクロリアクター５５および本開示の反応器５６の特有の比表面積。 ：ジャケット付き攪拌槽５１、蛇行部付き攪拌槽５２、ジャケット付き管状反応器５３、外部熱交換器付き攪拌槽５４、マイクロリアクター５５および本開示の反応器５６の特有の比熱伝達容量。 典型的な熱交換器に特有の比熱伝達容量、特にジャケット付き攪拌槽５１、蛇行部付き攪拌槽５２、ジャケット付き管型反応器５３、外部熱交換器付き攪拌槽５４、マイクロリアクター５５および本開示の反応器５６の比熱伝達容量。

本開示は、ネットワークプレートおよび熱交換プレートからなるモジュールデバイスに関する。ネットワークプレートは、１以上の流体の流れが混合され順次分割されるチャネルで接続された一連のチャンバーで構成される。ネットワークプレートは、冷源または熱源が導入される内部チャンバーを有する熱交換プレートによって制限される。前記ネットワークプレートおよび熱交換プレートは、必要に応じて持つようにより大きな処理ユニットのモジュールとして組み立てられるように設計されている。

一実施形態では、ネットワークプレートは、欧州特許第１７２０６４３Ｂ号に、すなわちその図面および実施例に記載されているスタティックミキサーであってもよい。

一実施形態では、気体および液体の、２つの流体がネットワークプレートに導入される基本ユニットがある。ネットワークプレートは５列の円筒混合チャンバーを有し、奇数ラインではチャンバーの数は４、偶数ラインではチャンバーの数は３である。前記混合チャンバーは、角柱チャネルによって接続されている。気体は第１ラインの偶数番号の混合チャンバーに導入され、液体は第１ラインの奇数番号の混合チャンバーに導入される。気体は液体に吸収され、冷水などのユーティリティによって除去され、ネットワークプレートに隣接する２つの熱交換プレート内を流れる熱を放出する。液体は、円筒パイプによって混合チャンバーの入口に接続されている上部熱交換プレート中の接続スロットから、混合チャンバーに導入される。気体は、円筒パイプによって混合チャンバーの入口に接続されている下部熱交換プレート中の接続スロットから、混合チャンバーに導入される。気体で飽和した液体混合物は、混合チャンバーの最後の列から熱交換プレートの単一の接続スロットに排出され、そこで、前記チャンバーは、その出口ポートから出る円筒パイプによって接続されている。

別の実施形態において、本発明は、流量が一日を通して変化する、アルカリ性水溶液による酸性ガス状排出物の処理のための大規模生産設備に関する。基本ユニットは、前の適用例で説明された特性を持つ２つの熱交換プレートの間に積層されたネットワークプレートであり、この例における液体はアルカリ水溶液であり、気体はガス状排出物である。ネットワークプレートには５本の円筒混合チャンバーがあり、奇数ラインでは混合チャンバーの数は４つ、偶数ラインでは混合チャンバーの数は３つである。前記混合チャンバーは、角柱チャネルによって接続されている。ガス状流出物は、第１ラインの偶数番号の混合チャンバーに導入され、一方、アルカリ性水溶液は、第１ラインの奇数番号の混合チャンバーに導入される。酸性ガスは液体に吸収され、熱を放出し、熱は、ネットワークプレートの上下にある２つの熱交換プレート内を流れる熱流体や冷水によって除去される。アルカリ性水溶液は、プレートに穿孔された円筒パイプによって混合チャンバーの入口に接続されている、下部熱交換プレートの接続スロットから混合チャンバーに導入される。気体は、プレートに穿孔された円筒パイプによって混合チャンバーの入口に接続されている、下部熱交換プレートの接続スロットから混合チャンバーに導入される。中和ガスで飽和した液体は、ネットワークプレートに形成され、混合チャンバーの最後の列から熱交換プレートの単一の接続スロットに排出され、前記チャンバーは、出口ポートから出る円筒パイプによって接続される。互いに積み重ねられた１００個の基本ユニットの集合体は、積み重ねられた基本ユニット上に気体とアルカリ水溶液を分配するためのパイプマニホールドを有する。液体分配用のパイプマニホールドは、基本ユニットへの接続部にバルブがあり、前記バルブにより、動作中の基本ユニットの数を動的に変更し、このようにして生産速度に合わせてデバイスを調整できる。同様のマニホールド方式が、熱交換プレートを通る冷水の循環に使用されている。

別の実施形態では、液相で起こる触媒吸熱反応に関する。基本ユニットは、２つの熱交換プレートの間に積み重ねられたネットワークプレートである。ネットワークプレートには５列の円筒混合チャンバーがあり、奇数ラインでは混合チャンバーの数は６、偶数ラインでは混合チャンバーの数は５である。前記混合チャンバーは、角柱チャネルによって接続されている。液体は、混合チャンバーの最初のラインに導入される。チャンバーの最初の２つのラインでは、液体がネットワーク内を流れて、反応が発生するために必要な温度に達する。３から５のラインでは、混合チャンバーの壁は、化学反応を開始する触媒でコーティングされている。吸熱反応のための熱は、ネットワークプレートの上下にある２つの熱交換プレートの内側を流れる熱水蒸気ユーティリティによって供給される。液体は、プレートに穿孔された円筒パイプによって混合チャンバーの入口に接続されている下部熱交換プレートの接続スロットから混合チャンバーに導入される。出口の液体は、混合チャンバーの最後の列から熱交換プレートの単一の接続スロットに排出され、ここで、前記チャンバーは、出口ポートから出ている円筒パイプによって接続されている。上部および下部の熱交換プレートには２つのキャビティがあり、第１のキャビティは混合チャンバーの２つの最初の列の隣にあり、反応物の初期温度を設定するのに役立つ。第２のキャビティは、混合チャンバーの３列目から５列目の隣の場所にあり、吸熱反応が起こるための熱を供給する。異なるキャビティで使用される水蒸気ユーティリティは、同じ温度または異なる温度を有し得る。

本開示において、混合チャンバー内を流れる流体は、ネットワークプレート内の熱流体から常に短い距離にあり、これにより、熱伝達に対する固体伝導抵抗が減少する。さらに、ネットワークプレートキャビティに必要な最小スペースで１０００Ｗ．ｍ^−２．Ｋ^−１（最新技術における基準値）より大きい包括的熱伝達率を達成でき、基本ユニットのサイズを最小限とすることができる。

一実施形態では、例えば、金属デバイスでは、製造技術は一般に、混合チャンバーの深さの値ωの可能な範囲を制限する。通常、この深さは、０．２５ｍｍから数ミリメートル、特に０．２５ｍｍから２．５ｍｍの範囲にあり、ここで、ωが１ｍｍを超える場合はメソ構造デバイスであり、ωが１ｍｍ未満の場合はマイクロ構造デバイスである。前記混合チャンバーの小さな深さの値を用いると、熱伝達に利用可能な比表面積が増加する。図３の実施形態のように、角柱チャネルと円筒混合チャンバーを備えたネットワークプレートの熱伝達の比面積は、次式で表せられる。

ここで、ωは混合チャンバーとチャネルの深さ、Ｄは混合チャンバーの直径、ｄは角柱チャネルの入口と出口の幅、ｌは角柱チャネル長である。
図５は、本発明の比表面積と、熱交換器の最新技術を構成する他の参照産業デバイスを示している。本発明により、最新技術（ジャケットまたは蛇行型管状反応器を備えた撹拌槽）と比較して、比表面積が桁違いに大きくなり、新しい競合マイクロリアクターよりも大きな値が得られる。より大きな比表面積と、伝導抵抗の減少により、ネットワークプレート内の流体が熱流体と熱を伝達する能力が高まる。

一実施形態では、熱伝達率を最大化し、機器サイズを最小化する包括的効果は、以下のように定義される比熱伝達容量に統合することができる。

ここで、ｈは熱伝達係数であり、Ａ／Ｖは体積単位あたりの面積比である。図６は、本発明の前記比熱伝達容量を最新のデバイスと比較しており、ここでも、包括的比熱伝達容量が他のすべての熱交換デバイスよりも優れていることが実証されている。

一実施形態では、本開示は、基本ユニットが大型集合体の構築ブロックであるモジュラーデバイスに関する。モジュール性の利点は、スケーラビリティ、柔軟な運用、および産業設備の建設にある。スケーラビリティとは、生産率に関係なく、同じ動作機能、製品特性、熱伝達効率を維持することができるデバイスの能力である。

一実施形態では、スケーラビリティは、特定の用途のための定義された動作範囲内で各ユニットの生産率を維持することによって達成される。生産の増加は、基本ユニットの数を増やすことによって行われる。

一実施形態では、柔軟な動作は、動作中に生産を変更する可能性に関する。連続フローシステムのエネルギー効率と製品特性は、システム内の流体の滞留時間の影響を受ける。汚染管理技術は、一日を通して流量が変化する特定のケースであり、一般に人間の活動の一日のサイクルに依存する。このような場合、このモジュラーデバイスは、アクティブな基本ユニットの数を動的に変更することにより、各基本ユニットの流量を維持し得る。

本発明の別の利点は、大きな産業施設の建設である。このデバイスのモジュール性により、パイプマニホールドに簡単に接続できる積み重ね可能なブロックとして任意の数の基本ユニットを組み立てることにより、大きな部位で標準的な構築が容易になる。ブロックに基づくこの構築原理により、大規模な産業用拠点の簡単かつ迅速な設置が可能になる。

一実施形態において、本開示の化学反応器の熱伝達性能が評価され、定量化された。この実施形態は、過去にＣｏｓｔａ ＭＦ、Ｆｏｎｔｅ ＣＭ、Ｄｉａｓ ＭＭ、Ｌｏｐｅｓ ＪＣＢらによるＨｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＮＥＴｍｉｘ - Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｍｉｃｒｏ−Ｍｅｓｏ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ Ｍｉｘｅｒ ａｎｄ Ｒｅａｃｔｏｒ． ＡＩＣｈＥ Ｊ． ２０１７．において開発された３Ｄスタティックリアクタ用の数値モデルのＣＦＤシミュレーションに基づいている。

反応器の平均単位セルにおけるヌセルト数は、異なるレイノルズ数、および２つの異なる境界条件、つまり一定の壁温度と一定の壁熱流束に対して決定された。どちらの場合も、レイノルズ数の増加とともにヌセルト数が増加することが明らかとなった。流れのパターンが振動的な挙動を示す場合、ホットスポットの存在が減少し、残りは時間とともに更新され、より効率的な混合と熱伝達につながることが観察されている。

その結果、レイノルズ数が大きい場合、平行平板間の流れと比較して、３〜５倍高い熱伝達率を達成し得ることが明らかになっている。最大の対流熱伝達率は、混合チャンバー内のフローが自立振動層流領域に発展するときに達成される。これらのシミュレーションから得られた重要な結果は、臨界レイノルズ数を超えると、チャンバーのネットワークに沿って熱境界層が更新され、本開示の化学反応器の全体的な熱伝達能力が向上することである。

本開示の化学反応器は、不均一触媒反応および気液反応など、高速の界面物質移動が必要な反応を処理するのに特に適した混合デバイスである。

一実施形態では、本開示の化学反応器の比熱伝達容量を他の市販の技術と比較した。本開示の化学反応器は、ジャケットまたは管型反応器を備えた撹拌槽などの工業的に使用されるほとんどの技術よりも２〜５桁大きい比熱伝達容量、およびマイクロリアクターよりもほぼ１桁大きい比熱伝達容量を示すことが明らかとなっている。本開示の性能の化学反応器は、ＣＦＤシミュレーションおよびヌセルト数計算から示される熱伝達率の向上とともに、その非常に大きな表面対体積比によるものである。

一実施形態において、本開示の化学反応器／ミキサーは、流体から／流体に、熱を除去／供給するための優れた技術であり、熱伝達が速度論的に制限されるステップである高速反応に適し、および高い発熱／吸熱反応により、プロセス全体の生産能力が向上する。

本開示は、記載された実施形態や、当業者が多くの可能性を予見するそれらの改良形態に、限定されるものとは決して見なされるべきではない。

上述の実施形態は組み合わせ可能である。

請求項は、本開示の特定の実施形態をさらに説明する。

Claims (14)

1. 反応を行うためのネットワークミキサープレートと熱交換プレートのスタックを備え、
   ここで、前記ネットワークミキサープレートは、一連のチャンバーを備え、１つ以上の反応流体を前記チャンバーを通して順次混合および分割するために、各チャンバーは、少なくとも２つのチャネルによって少なくとも２つの他のチャンバーに相互接続され、
   前記熱交換プレートは、熱流体が流れるためのチャネルを備え、
   前記熱交換プレートの前記チャネルと前記ネットワークミキサープレートの前記チャンバーは、前記チャンバーと前記チャネルの間で熱を伝達するために並べられ、
   前記ネットワークミキサープレートの各チャンバーは、２つまたは３つのチャネルと前記チャネルに接続するための２つまたは３つの開口部とを備える、球形または円筒形のチャンバーである、発熱または吸熱プロセス用の化学反応器。
2. 前記チャンバーおよびチャネルの深さが０．２５ｍｍから１０ｍｍの間である、請求項１に記載の反応器。
3. チャンバーの直径が１ｍｍから５０ｍｍの間であり、チャネルの幅または直径が０．２５ｍｍから１０ｍｍの間である、請求項２に記載の反応器。
4. 流れまたはネットワークミキサーのレイノルズ数が１００より大きく、好ましくは１２５から１０００の間である、請求項１から３のいずれか一項に記載の反応器。
5. ネットワークミキサープレートが熱交換プレートの間に積み重ねられている、２つの熱交換プレートを備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の反応器。
6. 前記ネットワークミキサープレートの各チャンバーに相互接続されたチャネルの少なくとも２つが、ネットワークミキサープレート内の流体の流れの全体方向に対して斜めである、請求項１から５のいずれか一項に記載の反応器。
7. 熱交換プレートの前記チャネルが蛇行チャネルである、請求項１から６のいずれか一項に記載の反応器。
8. 前記熱交換プレートの前記チャネルは、２つ以上の相互接続されたキャビティを備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の反応器。
9. 前記キャビティはバッフルを備える、請求項８に記載の反応器。
10. 前記熱交換プレートは、ネットワークミキサープレートへ、またはネットワークミキサープレートから、またはネットワークミキサープレートへおよびネットワークミキサープレートから流体が流れるのための１つ以上の貫通開口部を備える、請求項１から９のいずれかに記載の反応器。
11. 複数の前記ネットワークミキサープレートと、複数の前記熱交換プレートとを備え、各ネットワークミキサープレートが２つの熱交換プレートの間に隣接して配置される、請求項１から１０のいずれかに記載の反応器。
12. 前記プレートは、側方入口および側方出口を備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載の反応器。
13. 前記プレートは、隣接するプレートと接続するための上部入口および下部出口を備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載の反応器。
14. 前記チャネルおよび／またはチャンバーに液密性を提供するための１つ以上の蓋板を備える、請求項１から１３のいずれか一項に記載の反応器。