JP5006413B2 - 連続流反応器用ミキサー - Google Patents

Description

本開示は概して、ミキサー、及び特に連続した流れの反応器のためのミキサーに関する。

乱流は多くの化学的方法における、化学反応、熱伝導作用、混合、及び燃焼プロセスを促進する。乱流の効果的な使用は、試薬の界面接触を増加させて、反応時間、及び多くの化学材料を製造するための費用と時間を低減することができる。

多くの既存の化学的加工装置は管状反応器を用いて、乱流拡散条件（Ｒｅ＞２０００）の下で２以上の試薬を連続的に混合及び反応させる。試薬を多くの様々な方法で管状反応器内に注入することができる。１つの方法は、試薬が交叉状（例えば９０度）に接触するように試薬を導入することである。他の方法は同軸上に試薬を接触させる。しかしながら、同軸上の方法は、流体が交叉状に接触する場合と比較して、２つの流体の間に迅速混合をもたらすためには不十分である。

そのような乱流反応器の例には、テトラブロモビスフェノール−Ａを製造するための反応スキームに用いられる衝突混合器を例証するＭｉｔｃｈｅｌによる米国特許第４，９０９，９９７号明細書に示されたものが含まれる。乱流反応器の他の例は、Ｒｅｅｄによる米国特許第３，３３２，４４２号明細書；Ｓｈｉｒｔｕｍによる同第５，８４５，９９３号明細書；及びＺａｂｙによる同第５，１１７，０４８号明細書にみることができる。

本開示の実施態様には、最小限の逆混合を伴う迅速混合を提供する連続流反応器用ミキサー、ミキサーを形成する方法、及びその運転方法が含まれる。特に、本開示のミキサーの実施態様は、一次反応体流を、ミキサーの流路内の二次反応体流に噴流として注入される多くのより小さい流れに、複数のポート（孔）を通じて分割することを可能とする。

様々な実施態様において、二次反応体流が移動し且つ一次反応体流が注入される流路は、一定の幅寸法を有して、均一な流量分布及び局所乱流を向上することができる。様々な実施態様において、通常の運転条件で、流路内に注入される一次反応体流が、注入点に向かい合う流路の表面に直接衝突することを確保するように、流路の一定の幅寸法並びにミキサーのポートの大きさ及び数が構成される。

これを達成するために、ミキサーの相対寸法及びあらかじめ定められた比例関係によって、例えば少なくとも０．９、の噴流混合数（Ｊｅｔ Ｍｉｘｉｎｇ Ｎｕｍｂｅｒ）を提供するようにポートの数及び直径を構成することが可能となる。流路の向かい側の壁に相対するポートの数及びポートの位置を組み合わせて少なくとも０．９の噴流混合数を有することは、高速の噴流及び良好な局所的混合を維持しながら、噴流の高い割合の分割を可能とする。本開示のミキサーは、感受性（選択性）をもった高速反応性の流れを混合するために有益であることができる。

本開示による連続流反応器用ミキサーの一実施態様を示す。 本開示による連続流反応器用ミキサーの一実施態様を示す。 本開示による連続流反応器及びミキサーの一実施態様の断面図を示す。 本開示の一実施態様による連続流反応器及びミキサーの一部の断面図を示す。 本開示による連続流反応器用ミキサーの一実施態様を示す。

本開示の実施態様には、不所望の副生成物の生成を減らすことに役立つように、最小限の逆混合を伴う迅速混合を提供する連続流反応器用ミキサーが含まれる。迅速混合を達成するために、ミキサーは、一定の幅寸法を有する流路と流路に通じるポートとを含む。本開示のミキサーの実施態様は、ミキサーの流路内を移動する二次反応体流に、ミキサーのポートを通じて一次反応体流を分割して注入することができる。二次反応体流への一次反応体流の分割及び注入は、試薬の混合長を最小化するために役立つことができる（すなわち非常に短い範囲内で流れの混合を可能とする）。

様々な実施態様では、一次及び二次の反応体流の相対流が、反応物の濃度と所望の反応物の化学量論とに依存し得る。そのような場合に、ポートの数及び大きさ（すなわち分割の割合）を決定して、通常の運転条件で、流路に注入される一次反応体流が、注入点に向かい合う流路の表面に直接衝突することを確保することができる。当該数及び大きさの複数のポートを通じて一次反応体流を注入することはまた、流体の任意の部分の平均滞留時間のばらつきがほとんどない試薬の滞留時間分布を提供する。

一実施態様では、最小限の混合長は、一次反応体流が、二次反応体流への最大限の取り込み（ｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔ）を有することと、ミキサーの流路内で反応体流の乱流混合を発生させるように流路の注入点に向かい合う流路の表面上へ衝突することと、の両方を有することができることを確保するように、ポート及び流路を形作ることに起因する。この種類の混合は、試薬の速い競争反応及び組成の迅速な均質化が求められる工程がある場合に、重要であることができる。

本明細書で用いられるとき、「一次反応体流」は、ミキサーのポートを通じて流路に流れる少なくとも１種の試薬を含む。本明細書で用いられるとき、「二次反応体流」は、完全に流路を通って流れ（すなわち第１端部から第２端部へ）、かつ一次反応体流がその中に噴出する、少なくとも１種の試薬を含む。

様々な実施態様では、一次反応体流の流量は二次反応体流の流量よりも多くあることができる。例えば一次反応体流が、ミキサーから流出する全体積流の大部分を含む流量を有することができる。一具体例では、一次反応体流が二次反応体流の体積流量の少なくとも２倍の流量を有することができる。他の実施態様では、一次反応体流の流量が二次反応体流の流量よりも少量であることができる。例えば、一次反応体流が、ミキサーから流出する全体積流の一部を含む流量を有することができる。

本明細書中の数字は、上一桁が図面番号に対応し、そして残りの桁が図面の要素または部品を特定する、番号付け規則に従う。異なる図面の間の類似の要素または部品は、類似の数字を用いることによって特定され得る。例えば、１１０は図１の要素「１０」のことを言い、そして類似の要素が図２の２１０として参照され得る。明らかなように、バルブの多数のさらなる実施態様を提供するために、本明細書に様々な実施態様で示される要素を追加、交換、及び／または除去することができる。さらに、１つの図面に関する要素の特徴及び／または属性についての記載は、１以上の他の図面に示される要素に適用することができる。図に示される実施態様は、必ずしも一定の縮尺ではない。

本明細書で用いられるように、「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、「ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ（１以上）」、及び「ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ（少なくとも１）」は互換性を有して用いられ、そして文脈が明確に他のものを示していなければ、複数の指示対象を含む。特に断りがなければ、全ての科学的技術的用語は、それらの用語が関連する技術分野で一般に用いられるものと同じ意味を有すると理解される。

図１は、本開示の一実施態様によるミキサー１００の例証を与える。様々な実施態様では、ミキサー１００は細長い内側スリーブ１０２と細長い外側スリーブ１０４とを含む。示されるように、細長い内側スリーブ１０２と細長い外側スリーブ１０４とは、ミキサー１００の第１端部１０８と第２端部１１０との間に延在する。

様々な実施態様では、細長い内側スリーブ１０２が同軸孔１１４を規定する内面１１２を含む。本明細書に記載されるように、同軸孔１１４は、細長い内側スリーブ１０２の第１端部１０８及び第２端部１１０を貫通する、連続流反応器の取り付けシャフトを受け入れるように形作られる。細長い内側スリーブ１０２は、内面１１２に向かい合う外面１１６も含む。一実施態様では、外面及び内面１１２及び１１６が、ミキサー１００の長手軸１１８の周りに同心円状に配置される。

様々な実施態様では、細長い外側スリーブ１０４が、細長い内側スリーブ１０２と同心円状に配置される。細長い外側スリーブ１０４は、第１面１２０及び第１面１２０に向かい合う第２面１２２を含む。細長い外側スリーブ１０４はまた、細長い外側スリーブ１０４の第１及び第２面１２０及び１２２の間を貫通する複数のポート（孔）１２４を含む。

ミキサー１００はさらに、細長い内側及び外側スリーブ１０２、１０４の第１端部１０８及び第２端部１１０を貫通する流路１２６を含む。示されるように、流路１２６は、細長い内側スリーブ１０２の外面１１６の表面と、細長い外側スリーブ１０４の第１面１２０の表面とによって規定され得る。ポート１２４は、流路１２６と、細長い外側スリーブ１０４の第２面１２２の外側の領域との間に流体連通を提供する。

様々な実施態様では、流路１２６は、ミキサー１００の長手軸１１８に直交する環帯（ａｎｎｕｌｕｓ；すなわち環状流路）の断面形状を有することができる。他の断面形状が可能である。さらに、流路１２６は、外面１１６と第１面１２０との間に一定の幅寸法を有する。本明細書に記載されるように、一定の幅寸法はまた、ミキサー１００の他の寸法に対して、あらかじめ定められた比例関係を有することができる。

記載されるように、ポート１２４は、細長い外側スリーブ１０４を貫通して、流路１２６の方へ通じる。一実施態様では、ポート１２４は、流路１２６を規定するのに役立つ細長い外側スリーブ１０４の領域にわたって均一に分布している。他の実施態様では、ポート１２４は、流路１２６を規定するのに役立つ細長い外側スリーブ１０４の領域にわたって不均一に分布している。例えばポート１２４が、ミキサー１００の第１端部１０８及び第２端部１１０の間に広がる勾配状の分布を有することができる。他の構成が可能である。

様々な実施態様では、ポート１２４が、一次反応体流を、二次反応体流に噴流として注入される多数のより小さい流れに分割する。二次反応体流及び組み合わせられた反応体流は、一定の幅寸法の流路１２６に制約されて、均一な流量分布及び局所乱流を向上する。一次反応体流の噴流は、通常の運転条件で向かい側の壁上まで浸透するような大きさにされて、ミキサー１００内において試薬の良好な混合及びターンダウン（ｔｕｒｎｄｏｗｎ）を提供する。

様々な実施態様では、ポート１２４を通じて直交流（すなわち流路１２６内の二次反応体流）に流入する噴流を特性化するために用いられる方法が、式Ｉ：

によって計算される噴流混合数（ＪＭＮ）によって規定され得る。

本明細書に用いられたときに、ＪＭＮの値は、ポート１２４を通る噴流が直交流を通り抜けて向かい側の壁（例えば細長い内側スリーブ１０２の外面１１６）上まで浸透するかどうかの指標となる。例えば約０．０７〜約１．０のＪＭＮ値の場合、噴流は直交流に浸透して、向かい側の壁にぶつかる前に向きを変える。約０．０７未満のＪＭＮの場合、噴流は発生元の壁に沿って留まり、直交流にほとんど浸透しない。１．０以上のＪＭＮ値の場合、噴流は直交流に浸透して向かい側の壁に接触する。

本開示の様々な実施態様では、本明細書に記載するように、相対寸法及びあらかじめ定められた比例関係によって、ポート１２４の直径を、少なくとも０．０７のＪＭＮを提供するような大きさにすることができる。さらなる実施態様では、ポート１２４の直径を、０．０７〜２．０の範囲のＪＭＮを提供するような大きさとすることができる。特定の実施態様では、ポート１２４の直径を、少なくとも１．０〜２．０の範囲内のＪＭＮを提供するような大きさとすることができる。ＪＭＮの他の値もまた可能である。そのようなＪＭＮ値は０．９及び１．０等を含む。

少なくとも０．９のこれらのＪＭＮ値はまた、約０．５秒未満の均質化時間を提供する。本明細書に用いられるときに、「均質化時間（ｔｉｍｅ ｔｏ ｈｏｍｏｇｅｎｅｉｔｙ）」は、一次及び二次反応体流の反応体流が流路内の平均濃度から約５％未満の濃度の相違に達する前に必要な滞留時間、という意味である。一実施態様では、約０．５秒未満の均質化時間は、大きな乱流及び迅速混合が有益な場合に、混合感受性反応及び他の系を有する速反応性の成分を混合するために、有益であることができる。

図１の例が示すように、ポート１２４を、流路１２６の第１及び第２端部１０８、１１０の間に、行及び／または列の形で配置することができる。示されるように、図１に示されたミキサー１００の実施態様は、４個のポートが６行ありそれぞれを有する各区分に分布された１４４個のポート１２４を有する。明らかなように、ポート１２４の数、大きさ、間隔、及び／または分布を、細長い外側スリーブ１０４の機械的完全性を確保するように、及び一次反応体流が細長い内側スリーブ１０２の外面１１６に衝突すること（すなわちＪＭＮが０．９以上）を確保するように、構成することができる。様々な数と形状のポート１２４を有するミキサーが可能である。

さらに、本明細書に記載するように、ポート１２４の数及び全断面積を、十分な分割と二次反応体流への一次反応体流の体積流とを提供するように、選択することができる。様々な実施態様では、ミキサー１００に用いられるポート１２４の数、大きさ、及び形状が、通常の流動条件の下で、ポート１２４からの噴流流体が二次反応体流に浸透して向かい側の壁に衝突するように、流路１２６とともに構成される。

様々な実施態様では、一次反応体流の噴流をポート１２４のそれぞれから供給して、一次反応体流が二次反応体流に取り込まれ、かつ細長い内側スリーブ１０２の外面１１６上に衝突することができるように、ポート１２４のそれぞれの断面形状及び大きさを選択することができる。様々な実施態様では、外面１１６は、一次反応体流が表面１１６上に衝突して２つの反応体流の乱流混合を提供することができる連続した弓形表面として形作られる。

記載されるように、ミキサー１００の流路１２６において迅速混合を最も良好に達成するように、ポート１２４の大きさと断面形状との両方を選択することができる。例えば、本開示のポート１２４は、多くの様々な断面形状を有することができる。これらには、限定されるものではないが、円形、楕円形（すなわち非円形）、及び多角形等が含まれる。さらに、開口部を規定する壁を先細りにすること、または先細りにしないことができる（すなわち、断面積が、第１面１２０から第２面１２２にかけて変化するか、または変化しない）。さらなる実施態様では、ポート１２４の断面形状及び／または大きさが一定である必要はない。例えば、ポート１２４が、所定のミキサー１００用に、様々な断面形状、大きさ、及び外形を有することができる。

様々な実施態様では、ミキサー１００内の特徴が、特徴の１つの寸法を特定することに基づいて他の特徴の寸法を決定することを可能とする、あらかじめ定められた比例関係を有することができる。ミキサー１００についてあらかじめ定められた比例関係を有することは同様に、ポートを通じてほぼ一定の圧力低下を維持しながら、ミキサー１００の大きさを拡大または縮小することに対応することができる。

つまり、例えば、細長い外側スリーブ１０４の内径（第１面１２０から長手軸１１８までの間を測定）を、他の値を決定することができる相対寸法とすることができる。細長い外側スリーブ１０４の内径が基準値１．００を有すると仮定すると、外面１１６において測定される細長い内側スリーブ１０２の直径は０．８１の相対値を有することができる（すなわち細長い外側スリーブ１０４の内径の値の８１％）。

同様に、流路１２６の一定の幅寸法が、細長い外側スリーブ１０４の内径に対して０．０１〜１．０の範囲の相対値を有することができる。１つの特定の実施態様では、流路の一定の幅寸法が、細長い外側スリーブ１０４の内径に対して０．０９の相対値を有する。さらなる実施態様では、ポート１２４の直径が０．０４の相対値を有することができる（すなわち細長い外側スリーブ１０４の内径の値の４％）。さらなる実施態様では、複数のポート１２４のそれぞれが、環状流路１２６の一定の幅寸法に対して０．４の比のそれぞれのポートの直径を有することができる。

その結果、これらの相対値を用いることは、ミキサー１００内の様々な特徴の寸法を、関連した特徴の１つの寸法値を特定することから決定することを可能とする。例えば、流路が約３．２ｃｍの一定幅（すなわち細長い内側スリーブの外面と細長い外側スリーブの第１面との間の距離）を有する場合、第１面１２０の直径は約１３．９ｃｍ、それぞれのポート１２４は約１．４ｃｍの直径、そして細長い内側スリーブ１０２の直径は約１１．３ｃｍの値を有することになる。ひいては、これらの相対値は、使用者の要求に応じてミキサー１００内の特徴を拡大または縮小するために用いられ得る。

他の実施態様では、環状流路１３６の一定の幅寸法が、ミキサー１００内の他の特徴に対してあらかじめ定められた比例関係と関係なく、一定値を有することができる。例えば、環状流路１３６は、連続流反応器１３０内の特徴の他の寸法に関係なく、約３．２ｃｍの一定値を有することができる。

本明細書に記載されるように、ミキサー１００を、細長い内側スリーブ１０２と細長い外側スリーブ１０４とから形成することができる。一実施態様では、内側スリーブ１０２と外側スリーブ１０４との両方が、耐腐食性材料から形成される。本明細書に用いられるように、耐腐食性材料は、接触する試薬（例えば一次及び／または二次反応体流）及び／または試薬から生成される反応物質と耐反応性があるかまたは反応しない材料を含む。そのような試薬には、それらに限定されるものではないが、酸、塩基、ハロゲン、例えば臭素、ヨウ素、塩化亜鉛、及び次亜塩素酸ナトリウムのようなハロゲン塩、有機ハロゲン化物及び有機酸ハロゲン化物、並びに酸無水物等が含まれ得る。

ミキサー１００を形成するために用いられる好適な耐腐食性材料の例には、ポリオキシメチレン、例えばポリテトラフルオロエチレン（例えばテフロン（登録商標））及びポリビニリデンフルオライド（例えばカイナー（登録商標））のようなフルオロポリマー、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリエステルウレタン、ポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリサルフォン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、塩素化ポリ（塩化ビニル）、並びにエチレンクロロトリフルオロエチレンから選択されるポリマーが含まれ得る。

ミキサー１００用の好適な耐腐食性材料のさらなる例には、例えば、酸化物、アルミナ、ジルコニア；例えば炭化物、ホウ化物、窒化物、ケイ化物のような非酸化物；並びに酸化物及び非酸化物の複合材料、から選択される工業用セラミックスのようなセラミックスが含まれ得る。さらに、これらのポリマー及び／またはセラミックスを、最大３０％またはそれ以上のガラス繊維及び／またはカーボンファイバーの強化を用いてまたは用いずに、使用することができる。

図２は、本開示の一実施態様によるミキサー２００を例証する。様々な実施態様では、ミキサー２００は、図１に示された２部分品からなる構造に対して一体構造を有する。本明細書に用いられるとき、「一体構造」には、疲労及び／または腐食が生じる領域をもたらす結合部または継ぎ目（すなわち２つの部分が結合する箇所）を有さない、一体成形の材料から形成される構造が含まれる。

様々な実施態様では、ミキサー２００は細長い内側スリーブ２０２、細長い外側スリーブ２０４、並びに細長い内側及び外側スリーブ２０２及び２０４とつながっている支持壁２０６を含む。示されるように、細長い内側スリーブ２０２、細長い外側スリーブ２０４、及び支持壁２０６は、ミキサー２００の第１端部２０８及び第２端部２１０の間に延在する。

示されるように、細長い内側スリーブ２０２は、本明細書に記載される、連続流反応器の取り付けシャフトを受け入れるように形作られた同軸孔２１４を規定する内面２１２を含む。細長い内側スリーブ２０２はまた、内面２１２に向かい合う外面２１６も含む。一実施態様では、外面及び内面２１２及び２１６は、ミキサー２００の長手軸２１８の周りに同心円状に配置される。

様々な実施態様では、細長い外側スリーブ２０４は、細長い内側スリーブ２０２と同心円状に配置される。細長い外側スリーブ２０４は、細長い外側スリーブ２０４の第１及び第２面２２０及び２２２の間を貫通する複数のポート２２４を有する、第１面２２０及び第１面２２０に向かい合う第２面２２２を含む。

ミキサー２００はさらに、細長い内側及び外側スリーブ２０２、２０４並びに支持壁２０６の第１端部２０８及び第２端部２１０を貫通する流路２２６を含む。示されるように、それぞれの流路２２６を、支持壁２０６の表面、細長い内側スリーブ２０２の外面２１６、及び細長い外側スリーブ２０４の第１面２２０によって規定することができる。ポート２２４は、流路２２６と細長い外側スリーブ２０４の第２面２２２の外側の領域との間に、流体連通を提供する。

様々な実施態様では、流路２２６が、ミキサー２００の長手軸２１８に直交する環帯領域の断面形状を有することができる。他の断面形状が可能である。さらに、流路２２６は外面２１６と第１面２２０との間に一定の幅寸法を有する。明らかなように、一定の幅寸法を、外面２１６と第１面２２０との間に延在する支持壁２０６の長さによって決定することができる。本明細書に記載されるように、一定の幅寸法はまた、ミキサー２００の他の寸法に対してあらかじめ定められた比例関係を有することができる。

記載されるように、ポート２２４は細長い外側スリーブ２０４を貫通して流路２２６の方へ通じる。一実施態様では、本明細書に記載されるように、ポート２２４は、流路２２６を規定するのに役立つ細長い外側スリーブ２０４の領域にわたって、均一に及び／または不均一に分布することができる。例えば、ポート２２４は、ミキサー２００の第１端部２０８と第２端部２１０との間に広がる勾配状の分布を有することができる。

様々な実施態様では、ポート２２４が、流路２２６内を移動する二次反応体流に噴流として注入される多くのより小さい流れに、一次反応体流を分割する。二次反応体流及び組み合わせられた反応体流は、一定の幅寸法の流路２２６に制約されて、均一な流量分布及び局所乱流を向上する。一次反応体流の噴流は、通常の運転条件で向かい側の壁上まで浸透するような大きにされて、ミキサー２００内において試薬の良好な混合及びターンダウンを提供する。

様々な実施態様では、ポート２２４を通じて直交流（すなわち流路２２６内の二次反応体流）に流入する噴流を特性化するために用いられる方法が、本明細書に記載される式Ｉによって計算される噴流混合数（ＪＭＮ）によって規定され得る。一実施態様では、本明細書に記載するように、相対寸法及びあらかじめ定められた比例関係によって、ポート２２４の直径を、少なくとも０．０７のＪＭＮを提供するような大きさにすることができる。さらなる実施態様では、ポート１２４の直径を、０．０７〜２．０の範囲内のＪＭＮを提供するような大きさにすることができる。特定の実施態様では、ポート１２４の直径を、少なくとも１．０〜２．０の範囲内のＪＭＮを提供するような大きさにすることができる。本明細書に記載されるように、少なくとも０．９のこれらのＪＭＮ値はまた、約０．５秒未満の均質化時間を提供する。

図２に示されるように、ポート２２４を、第１及び第２端部２０８，２１０、並びにそれぞれの流路２２６の支持壁２０６の間に、行及び／または列の形で配置することができる。本明細書に記載されるように、それぞれの領域は、一次反応体流の体積が二次反応体流内に導入されるのに十分となる全断面積を有するあらかじめ定められた数のポート２２４を含むことができる。

例えば、図２に示されるように、ミキサー２００は、流路２２６を規定するのに役立つ細長い外側スリーブ２０４のそれぞれの領域に、２４個のポート２２４を含む。示されるように、ミキサー２００には合計６つの流路２２６があり、ミキサー２００には総数１４４個のポート２２４が与えられる。明らかなように、ポート２２４の総数、それらの形状、分布、及び全断面積を、本明細書に記載されるように、ミキサー２００の一次反応体流の所要流量に見合うように調整することができる。

様々な実施態様では、一次反応体流の噴流をポート２２４のそれぞれから供給して、一次反応体流が二次反応体流に取り込まれ、かつ細長い内側スリーブ２０２の外面２１６上に衝突することができるように、ポート２２４のそれぞれの断面形状及び大きさを選択することができる。様々な実施態様では、外面２１６は、一次反応体流が表面２１６上に衝突して２つの反応体流の乱流混合を提供することができる連続した弓形表面として形作られる。

記載されるように、ミキサー２００の流路２２６において迅速混合を最も良好に達成するように、ポート２２４の大きさと断面形状との両方を選択することができる。例えば、本開示のポート２２４は、本明細書に記載されるように、多くの様々な断面形状を有することができる。さらに、開口部を規定する壁を先細りにすること、または先細りにしないことができる（すなわち、断面積が、第１面２２０から第２面２２２にかけて変化するか、または変化しない）。さらなる実施態様では、ポート２２４の断面形状及び／または大きさが一定である必要はない。例えば、ポート２２４が、所定のミキサー２００用に、様々な断面形状、大きさ、及び外形を有することができる。

様々な実施態様では、ミキサー２００内の特徴が、特徴の１つの寸法を特定することに基づいて他の特徴の寸法を決定することを可能とするあらかじめ定められた比例関係を有することができる。ミキサー２００についてあらかじめ定められた比例関係を有することは同様に、ポートを通じてほぼ一定の圧力低下を維持しながら、ミキサー２００の大きさを拡大または縮小することに対応することができる。

つまり、例えば、細長い外側スリーブ２０４の内径（第１面２２０から長手軸２１８までの間を測定）を、他の値を決定することができる相対寸法とすることができる。細長い外側スリーブ２０４の内径が基準値１．００を有すると仮定すると、外面２１６において測定される細長い内側スリーブ２０２の直径は０．８１の相対値を有する（すなわち細長い外側スリーブ２０４の内径の値の８１％）。

同様に、流路２２６の一定の幅寸法が、細長い外側スリーブ２０４の内径に対して０．０１〜１．０の範囲の相対値を有することができる。１つの特定の実施態様では、流路の一定の幅寸法が、細長い外側スリーブ２０４の内径に対して０．０９の相対値を有する。さらなる実施態様では、ポート２２４の直径が０．０４の相対値を有することができる（すなわち細長い外側スリーブ２０４の内径の値の４％）。さらなる実施態様では、複数のポート２２４のそれぞれが、環状流路２２６の一定の幅寸法に対して０．４の比のそれぞれのポートの直径を有することができる。本明細書に記載されるように、その結果、これらの相対値を用いることは、ミキサー２００内の様々な特徴の寸法を、関連した特徴の１つの寸法値を特定することから決定することを可能とする。

他の実施態様では、環状流路２３６の一定の幅寸法が、ミキサー２００内の他の特徴に対するあらかじめ定められた比例関係と関係なく、一定値を有することができる。例えば、環状流路２３６は、連続流反応器２３０内の特徴の他の寸法に関係なく、約３．２ｃｍの一定値を有することができる。

本明細書に記載されるように、ミキサー２００を、一体成形プロセスで形成することができる。言い換えれば、ミキサー２００を一体成形の材料から形成することができる。一体成形はミキサーの継ぎ目のない形成を可能とし、ミキサーを、結合部及び継ぎ目が腐食し得る腐食環境で用いることを可能とする。さらに、ミキサー２００はまた、本明細書に記載するように、強化材を用いてまたは用いずに、多くの様々な耐腐食性材料から形成することができる。

図３は、本開示によるミキサー３００を有する連続流反応器３３０の断面図を示す。様々な実施態様では、連続流反応器３３０は、相隔たりそして環状流路３３６によってつなげられた流入口端部３３２及び流出口端部３３４を含む。連続流反応器３３０はまた、所望の位置に連続流反応器３３０を連結するために用いることができる第１の取り付けブラケット３３８及び第２の取り付けブラケット３４０を含む。

様々な実施態様では、連続流反応器３３０はさらに、第１の外面３４４と取り付けシャフト３４６とを有する細長いコア３４２を含む。示されるように、ミキサー３００は、ミキサー３００の同軸孔３１４を貫通する取り付けシャフト３４６の周りに位置することができる。さらに、ミキサー３００の流路３２６が、連続流反応器３３０を貫通する環状流路３３６の第１区分３４８を規定することができる。

一実施態様では、細長いコア３４２の第１の外面３４４が、第１の円錐形端部３５０及び第１の円錐形端部３５０の反対側にある第２の円錐形端部３５２を規定することができる。これらの円錐形端部３５０、３５２は、流入口端部３３２にて環状流路３３６へ流入し、流出口端部３３４にて環状流路３３６から流出するように、連続流反応器３３０に入る反応体流を通過させるのに役立つことができる。明らかなように、円錐形に加えて、それらに限定されるものではないが、例えば半球形のような非円錐形のような他の形状を、端部３５０及び３５２に用いることができる。

様々な実施態様では、第１及び第２の円錐形端部３５０、３５２、並びに細長いコア３４２を、円錐形端部３５０、３５２、及びそれらのそれぞれの取り付けブラケット３３８、３４０の間に延在する放射状の支持部材３５４を有する取り付けブラケット３３８、３４０に連結することができる。一実施態様では、放射状の支持部材３５４がそれぞれ、細長いコア３４２の長手軸３５６に対してらせんピッチを有することができる。一実施態様では、これは、ミキサー３００に入る前に二次反応体流にらせん状のねじれを与えることができる。

連続流反応器３３０はさらに、ミキサー３００及び細長いコア３４２の少なくとも一部の周りに同心円状に配置された細長いハウジング３６０を含む。示されるように、細長いハウジング３６０は、細長いコア３４２の第１の外面３４４と一緒に、環状流路３３６の第２区分３６４を規定する、第１の内面３６２を含む。一実施態様では、環状流路３３６の第２区分３６４が、ミキサー３００によって規定される第１区分３４８の両側に位置することができる。様々な実施態様では、本明細書に記載されるように、環状流路３３６の第１及び第２区分３４８、３６４の両方が、一定の幅寸法を有することができる。

細長いハウジング３６０はさらに、細長いハウジング３６０の第１の内側面３６８と、細長い外側スリーブ３０４の第２の外面３２２と、によって規定される環状導管３６６を含む。環状導管３６６は、細長い外側スリーブ３０４の第２面３２２の周りに完全に延在することができる。環状導管３６６はさらに、圧力下の流体（例えば一次反応体流）が環状導管３６６に流入することができる注入口３７０を含む。一実施態様では、ポート１２４への適切な流体分布を確保するように、ポート１２４から長手方向に最小限のあらかじめ定められた距離をあけて注入口３７０を配置する。

環状導管３６６はポート３２４と流体連通して、導管３６６内の流動流体を、ミキサー３００のポート３２４を通じて環状流路３３６内に注入することを可能とする。明らかであるように、１以上のさらなる流体供給導管または注入口を、環状導管３６６に動作可能なようにつなげることができる。

様々な実施態様では、環状導管３６６からポート３２４を通じて移動する流体の流量は、必ずしも均一ではない。例えば、一定の注入流圧及び同じ寸法のポート３２４において、注入口３７０に近いポート３２４と比べて、注入口３７０から離れているポート３２４にて体積流量が増加し得る。言い換えれば、注入口３７０から遠い下流にあるポート３２４は、注入口３７０に近い位置にあるポート３２４と比べて、より多い体積流量を有することができる。

ミキサー３００について本明細書に記載されるように、連続流反応器３３０内の様々な特徴は、特徴の１つの寸法を特定することに基づいて特定の特徴の寸法を決定することを可能とする、あらかじめ定められた比例関係を有することができる。つまり、例えば、第１面３２０の直径が基準値１．００を有すると仮定すると、外面３１６において測定される細長い内側スリーブ３０２の直径は０．８１の相対値を有する（すなわち細長い外側スリーブ３０４の内径の値の８１％）。細長いハウジング３６０の外面３７２は１．８の相対値を有する。同様に、環状流路３３６の一定の幅寸法は、細長い外側スリーブ３０４の内径に対して、０．０１〜１．０の範囲の相対値を有することができる。１つの特定の実施態様では、流路の一定の幅寸法が、細長い外側スリーブ３０４の内径に対して、０．０９の相対値を有する。さらなる実施態様では、ポート３２４の直径が０．０４の相対値を有することができる（すなわち細長い外側スリーブ３０４の内径の値の４％）。さらなる実施態様では、複数のポート３２４のそれぞれが、環状流路３２６の一定の幅寸法に対して、０．４の比のそれぞれのポートの直径を有することができる。

その結果、これらの相対値を用いることは、連続流反応器３３０内の様々な特徴の寸法を、関連した特徴の１つの寸法値を特定することから決定することを可能とする。例えば、流路３３６が約３．２ｃｍの一定幅（すなわち細長い内側スリーブ３０２の外面３１６と細長い外側スリーブ３０４の第１面３２０との間の距離）を有する場合、第１面３２０の間で測定される直径は約３５．３ｃｍ、それぞれのポート３２４は約１．４ｃｍの直径、そして外面３１６において測定された細長い内側スリーブ３０２の直径は約２８．６ｃｍの値を有することになる。さらに、細長いハウジング３６０の外面３７２の間で測定される直径は約６３．５ｃｍになる。連続流反応器３３０の他の寸法の例は、約１．５〜約１．８ｍの長さ、及び約２５．４〜約２８．０ｃｍの注入口３７０の直径を含む。

他の実施態様では、環状流路３３６の一定の幅寸法が、ミキサー３００及び／または連続流反応器３３０内の他の特徴に対してあらかじめ定められた比例関係と関係なく、一定値を有することができる。例えば、環状流路３３６は、連続流反応器３３０内の特徴の他の寸法に関係なく、約３．２ｃｍの一定値を有することができる。

様々な実施態様では、連続流反応器３３０の環状流路３３６が、細長い内側スリーブ３０２の第２端部３１０を通る、１０〜１９ｍ³／ｍｉｎの液体体積流量に対応可能な断面積を有する。さらなる実施態様では、連続流反応器３３０の環状流路３３６が、細長い内側スリーブ３０２の第２端部３１０を通る１０ｍ³／ｍｉｎ未満または１９ｍ³／ｍｉｎより多い液体流量を受け入れることができる。

一実施態様では、ポート３２４は、細長い内側スリーブ３０２の第２端部３１０を通る全体積流の３分の２の一次反応体流の体積を受け入れるのに十分な全断面積を有することができる。この体積の一次反応体流を、ポート３２４を通じて噴流として、ミキサー３００の流路３２６内を移動する全体積の残りの３分の１を構成する二次反応体流に注入することができる。言い換えれば、ミキサーに噴流として移動する主たる流れ（ｍａｊｏｒ ｆｌｏｗ）の量は、流路内を移動する従たる流れ（ｍｉｎｏｒ ｆｌｏｗ）の量の少なくとも２倍の流量であることができる。本明細書に記載されるように他の流量比が可能である。

連続流反応器３３０及びミキサー３００の実施態様は、様々な用途に有益である。説明に役立つが制限するものではない用途には、感受性（選択性）をもった高速反応体流の混合を改良することが含まれる。例えば、本開示の連続流反応器及びミキサーの商業的に重要な用途は、オレフィンクロロヒドリン（例えばプロピレンクロロヒドリン）を、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、または水酸化カルシウムのような塩基と反応させてエポキシドを作ることである。本開示の連続流反応器及びミキサーの一具体例には、プロピレンクロロヒドリンと水酸化ナトリウムとから酸化プロピレンを生成することが含まれる。本開示の連続流反応器及びミキサーの実施態様はまた、混和性の液−液反応物、沈殿剤を生成する試薬、溶解固形物、気液系、重合、及び非混和性の液−液系を混合するのに有益であることができる。

本開示の連続流反応器及びミキサーに用いられる生成物及び／または試薬の多くは、とりわけ、用いられるそれらのｐＨ、反応時間、及び／または流量に起因して、強い腐食性を有し得る。そのため、ミキサー及び／または連続流反応器の他の部品（例えば細長いコア及び細長いハウジング）は多くは耐腐食性材料で形成される必要があることが認識される。

さらに、ミキサーが連続流反応器の残りの部分とは異なる材料から形成されることが好ましいことが分かっている。例えば、ミキサーを第１の材料で形成することができ、一方で、細長いコア及び細長いハウジングを第１の材料と異なる第２の材料で形成することができる。本明細書に記載されるように、ミキサーを形成するために好適な第１の材料には耐腐食性ポリマー及びセラミックスが含まれ得る。細長いコア及び細長いハウジングを形成するために用いられる第２の材料に好適な材料には、チタン、チタン合金（例えばグレード７のチタン）、オーステナイトステンレス鋼、フェライトステンレス鋼、析出硬化ステンレス鋼等の群から選択される耐腐食性金属が含まれ得る。１つの特定の実施態様では、ミキサーをフルオロポリマーから形成することができ、そして連続流反応器の残りの部分をグレード７のチタンから形成することができる。他の組み合わせの材料も可能である。

図４は、本開示のさらなる実施態様による連続流反応器４３０及びミキサー４００の一部の断面図を示す。本明細書に記載されるように、ミキサー４００を、連続流反応器４３０の残りの部分の形成に用いられる第２の材料とは異なる第１の材料から形成することができる。そのため、連続流反応器の運転条件が変化するので（例えば温度の変化）、ミキサー４００及び連続流反応器４３０の残りの部分が、様々な割合で、様々な範囲に、拡大及び／または縮小し得る。

図４は、細長い外側スリーブ４０４の第１端部４０８及び第２端部４１０のそれぞれ及び細長いハウジング４６０の間に位置されたＯリング４８０を含むことによる、これらの問題に取り組む方法を示す。一実施態様では、細長い外側スリーブ４０４及び／または細長いハウジング４６０のいずれかまたは両方がさらに、Ｏリング４８０を受けるための環状溝を含むことができる。

さらに、連続流反応器４３０及びミキサー４００が、細長いコア４４２及びミキサー４００の間に位置するプッシャー型シール４８２を含むことができる。プッシャー型シール４８２は、細長いコア４４２とミキサー４００の細長い内側スリーブ４０２との間に位置するバイアス部材４８４を含み、ミキサー４００と細長いコア４４２及び細長いハウジング４６０との間に圧縮力を付与することができる。一実施態様では、バイアス部材４８４は、ベルビルワッシャーであることができる。

図５は、本開示によるミキサー５００の他の実施態様の模式図を示す。ミキサー５００は、ミキサー５００の長手軸５１８に直交する長方形の断面形状を有する流路５２６を有することができる。本明細書に記載されるように、流路５２６は一定の幅寸法を有する。ミキサー５００はまた、流路５２６と、流路５２６の外面５８０及びハウジング５６０によって形成された導管５６６との間に流体連通を提供する。

様々な実施態様では、ポート５２４が、一次反応体流を、二次反応体流に噴流として注入される多数のより小さい流れに分割する。二次反応体流及び組み合わせられた反応体流は、一定の幅寸法の流路５２６に制約されて、均一な流量分布及び局所乱流を向上する。一次反応体流の噴流は、通常の運転条件で向かい側の壁上まで浸透するような大きさにされて、ミキサー５００内において試薬の良好な混合及びターンダウンを提供する。

さらに、導管５６６からポート５５４を通じて移動する流体の流量は、必ずしも均一ではない。例えば、一定の注入流圧及び同じ寸法のポート５２４において、ポート５２４を通じて分割された一次反応体流を注入することが、複数のポートの第２部分（例えば注入口５７０により近いポート５２４）と比べて、複数のポートの第１部分（例えば注入口５７０から最も離れたポート５２４）を通じて分割された一次反応体流のより多い体積流量を提供することができる。言い換えれば、注入口５７０から遠い下流にあるポート５２４は、注入口５７０に近い位置にあるポート５２４と比べて、より多い体積流量を有することができる。

本明細書に記載されるように、本開示のミキサーの実施態様は一体構造を有することができる。様々な方法を、本開示による一体構造を有するミキサーを形成するために用いることができる。例えば、本明細書に記載されるように、ミキサーを、第１の材料の直円柱から形成することができる。第１の材料の直円柱をドリル加工及び／またはフライス加工することによって同軸孔を形成することができる。

ドリル加工及び／またはフライス加工技術はまた、第１の材料の直円柱を貫通する一定幅を有する２以上の流路を形成するために用いられ得る。本明細書に記載されるように、２以上の流路を、第１の材料内に形成された同軸孔と同心円状に配置することができる。ポートをまた、ドリル加工及び／またはフライス加工技術によって直円柱を貫通させて形成して、２以上の流路を直円柱の外面につなぐことができる。他の実施態様では、ミキサーの実施態様が、成形加工、鋳造加工、及び／または焼成加工技術を用いて形成されて一体成形プロセスを提供することができる。

上の記載は、説明に役立つ方法で構成されるが、制限するものではないことを理解すべきである。特定の実施態様が、本明細書に説明されそして記載されるが、当業者は、示された特定の実施態様について代替可能な他の構成も理解するだろう。特許請求の範囲は、従来技術によって制限される範囲を除いて、本開示の様々な実施態様のそのような適合または変更を対象とするように意図される。

前述の詳細な説明では、様々な特徴が、本開示を整備する目的のための典型例に一緒に分類される。この開示の方法は、いずれの請求項の範囲も、特許請求の範囲に明確に示されるよりも多くの特徴を要求する意図を反映するとは解釈されるべきではない。むしろ、次の特許請求の範囲が反映するように、発明の主題は、単一の開示された実施態様の全ての特徴よりも少ないところにある。したがって、次の特許請求の範囲は本明細書によって詳細な説明に導入され、それぞれの請求項がそれ自体で本発明の個々の実施態様として有効である。

Claims (5)

1. 細長い内側スリーブであって、該スリーブの第１端部及び第２端部を貫通して延在する取り付けシャフトを受け入れる同軸孔を規定する内面と、該内面に向かい合う外面とを有する、細長い内側スリーブ；及び
   該細長い内側スリーブと同心円状に配置された細長い外側スリーブであって、第１面と、該第１面に向かい合う第２面と、該細長い外側スリーブの該第１及び第２面を貫通して延在する複数のポートとを有する、細長い外側スリーブ、
   を含む連続流反応器用ミキサーであって、
   該細長い内側スリーブの該外面及び該細長い外側スリーブの該第１面が、該細長い内側スリーブの該第１端部及び該第２端部を貫通して延在する環状流路を規定する、
   連続流反応器用ミキサー。
2. 該環状流路が、該細長い外側スリーブの該第１面の直径に対して０．０９の比の一定の幅寸法を有する、請求項１に記載のミキサー。
3. 該複数のポートのそれぞれが、該環状流路の幅に対して０．４の比の直径を有する、請求項１に記載のミキサー。
4. 該細長い内側スリーブと該細長い外側スリーブとをつなぐ支持壁を含み、該支持壁、該細長い内側スリーブの該外面、及び該細長い外側スリーブの該第１面が、該環状流路を規定する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のミキサー。
5. 該環状流路が、０．０７よりも大きい噴流混合数に対応する断面積を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のミキサー。

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