KR100487991B1 - 기체 기포를 발생시키는 방법 - Google Patents

Abstract

예를 들면, 평균 직경이 약 0.5mm 미만인 작은 기체 기포를 조절가능하게 경제적으로 생성시킴으로써, 기포가 오리피스에서 형성되어 목적하는 작은 기포 크기로 세분되도록 하기에 충분한 속도로 유동하는 액체로 기체를 하나 이상의 오리피스를 통해 압력하에 사출시킴을 포함하여 물질 이동이 향상됨(동일한 환경하에서 통상적으로 큰 기포 발생기에 의해 달성되는 물질 이동과 비교)으로써 적용시 기체의 액체로의 물질 이동이 향상되는 전단 혼합 장치 및 관련 장치가 기재되어 있다.

Description

기체 기포를 발생시키는 방법

본 발명은 일반적으로 전단 혼합 장치 및 다양한 공정에서 이의 용도에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 매우 작은 기포를 발생시키는 전단 혼합 장치 및 액체 매질에 기체를 공급하기 위한 이의 용도에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 이러한 장치와 화학 반응 및 생물학적 반응과 같은 적용에 있어서 반응성 기체의 물질 이동을 향상시키기 위한 이의 용도에 관한 것이다. 이러한 반응성 기체 중의 하나는 산소이다.

문헌[참조: M. Motarjemi and G, J. Jameson, in "Mass Transfer from Very Small Bubbles - The Optimum Bubble Size for Aeration", Chemical Engineering Science, Volume 33, pages 1415-1423 (1978)]에는 기포가, 특히 산소가 물에 용해된 시스템에서 물질의 이동 목적으로 종종 사용된다고 교시되어 있다. 당해 문헌의 제1422면에는 "직경이 1mm 미만인 매우 작은 기포를 다량으로" 제조하기 위한 실용적인 새로운 방법을 개발할 필요성이 제안되어 있다. 문헌[참조: G. J. Jameson, in "Bubbles in Motion", Trans IChemE, Vol. 71, Part A, pages 587-594(November 1993)]에는 기포 및 기체-액체 2상 유동의 연구에 있어서의 존 데이비드슨 교수의 공헌에 대한 개관이 기재되어 있다. 제592면에는 확산기 평균 홀 직경 감소에 의한 작은 기포의 발생에 있어서의 문제점들이 논의되어 있다. 이러한 문제점들은 확산기를 가로지르는 압력 강하의 급격한 증가 및 하수구(sewage pond)와 같은 수역에 존재하는 고체에 의한 홀의 잠재적 차단을 포함한다. 제593면에는 기포 포합이 논의되어 있으며 기포에 힘을 부여하여 오리피스로부터 이를 신속하게 제거함으로써 포합을 방지시킬 필요가 있음에 주목하고 있다. 이러한 힘을 부여하는 가능한 수단은 오리피스 위로의 유체 횡류 또는 오리피스 자체 또는 오리피스 내의 기체로 공급된 진동을 포함한다.

본 발명은 상기한 선행기술의 문제점을 해결함과 동시에 액체에 평균 직경이 작은 기체 기포를 조절 가능하고 경제적으로 생성시키는 것이다.

본 발명의 제1 양태에서, 본 발명은 통상적인 기포 발생 장치에서 확산기 평균 홀 직경을 감소시키는 것에 관한 제임슨에 의해 언급된 문제점들을 일으키지 않음과 동시에 직경이 1mm 미만인 기포를 발생시키는 전단 혼합 장치를 제공하며, 본 발명의 장치는,

하나 이상의 구멍[이를 통해 개방된 제1 말단에서 접수된 유체가 도관을 빠져나간다]이 폐쇄된 제2 말단에 근접한 각각의 도관 내에 한정되는 혼합되는 제1 유체를 접수하기 위한 개방된 제1 말단과 폐쇄된 제2 말단을 갖는, 혼합되는 제1 유체를 운반하기 위한 하나 이상의 도관,

각각의 도관과 함께 및 혼합기 본체에 의해 둘러싸이고 폐쇄된 제1 말단과 혼합기 본체의 제2 말단 사이에 한정된 중공 공간에 대하여 제한된 오리피스를 한정하는 제2 말단을 추가로 갖는, 각각의 도관(들)을 통과하는 상응하는 구멍(들)(각각의 도관 구멍은 소정의 도관과 함께 제한된 오리피스에 사실상 위치한다)을 한정하는 폐쇄된 제1 말단을 갖고 도관(들)을 대략적으로 한정하는 혼합기 본체 및

혼합기 본체의 제2 말단에서 하나 이상의 제한된 오리피스를 통과하고 각각의 제한된 오리피스에 위치한 구멍으로부터 공급된 제1 유체와 전단 방법으로 혼합하는 제2 유체를 공급하기 위한, 혼합기 본체에 의해 둘러싸인 중공 공간과 유체를 통하게 하는 제2 유체 공급 도관을 포함한다.

본 발명의 제2 양태는, 각각의 도관이 각각의 도관의 길이에 걸쳐 하나 이상의 구멍을 한정하는, 혼합되는 제1 유체를 공급하기 위한 하나 이상의 도관 및

제1 말단과 제2 말단을 갖고 제1 말단과 제2 말단 사이에 이를 통해 유체 공급 도관이 유체를 통과시키는 일반적으로 둘러싸여진 중공 공간을 한정하는 혼합기 본체[혼합기 본체의 제1 말단과 제2 말단은 내부에 한정된, 구멍을 지니는 도관을 접수하기 위한 각각의 상응하는 개구를 지녀서 혼합되는 제1 유체를 제공하는 도관(들)의 구멍이 중공 공간과 함께 유체를 통과시키도록 위치한다]를 포함하는 전단 혼합 장치에 관한 것이다.

본 발명의 제3 양태는, 중공 기체 및 액체 접수 서브어셈블리, 기포 발생용 서브어셈블리 및 임의로 핸들을 포함하는 전단 혼합 장치의 제3의 관련된 양태에 관한 것이며, 기체 및 액체 접수 서브어셈블리는 기포 발생용 서브어셈블리에 작동적으로 연결되어 이와 함께 유체를 통과시킨다.

이러한 제3 양태에 있어서의 기체 및 액체 접수용 서브어셈블리는 바람직하게는 액체를 접수하기 위한 개구 입구 말단 및 기포 발생용 서브어셈블리와 함께 유체를 통과시키는 출구 말단을 갖는 중앙 도관 및

일반적으로 중앙 도관에 배치되고 중앙 도관으로부터 이격되어 기체 통과물을 기포 발생용 서브어셈블리에 유동시키기 위한 통로를 한정하며 기포 발생용 서브어셈블리에 대한 통로를 경유하여 기체 통과물을 접수하고 이를 통과시키기 위한 하나 이상의 기체 접수용 통로를 포함하는, 중앙 도관의 출구 말단보다 이의 입구 말단에 근접한 지점에서 중앙 도관과 기밀 관계에 있는 이의 말단 중의 하나에 결합된 기체 접수용 하우징을 포함한다.

이러한 제3의 전단 혼합 장치 중의 기포 발생용 서브어셈블리는 바람직하게는 기밀 관계로 출구 말단에 인접한 중앙 도관에 결합되어 있는 기저 판, 각각 기체 접수용 하우징 및 중앙 도관으로부터 접수된 기체 및 액체를 함유하고 분배하기 위한, 기밀 관계로 기저 판에 결합된 기체 및 액체 분배 하우징, 및 기밀 관계로 기체 및 액체 분배 하우징에 결합된 피복 판을 포함하며, 기체 및 액체 분배 하우징은, 기저 판 및 피복 판이 기포 발생용 서브어셈블리를 상부의 액체 팽창 챔버 및 하부의 기체 팽창 챔버로 분리하는 중앙의 깔때기형 유체 팽창 하우징을 지니고, 깔때기형 유체 팽창 하우징은 내부에 한정된 중앙 도관의 출구 말단에 근접한 중앙 도관의 부분 및 기체 팽창 챔버와 함께 유체를 통과시키는 다수의 구멍 및 액체 팽창 챔버와 함께 유체를 통과시키는 다수의 유체 채널을 갖는 중공 스템으로부터의 외부로 돌출되는 주변 연장부 위에 일반적으로 기밀 밀봉 상태로 조립되는 중공 스템을 가지며, 구멍은 기체 및 액체 전달된 통과물을 혼합하기 위한 유체 채널과 함께 유체를 통과시킨다. 유체 채널은 바람직하게는 중공 스템으로부터 외부로 돌출되는 주변 연장부내에 한정되는 유체 전환기에 의해 서로 분리된다.

본 발명의 제4 양태는, 기체와 액체를 분리시키는 부재 또는 요소내의 하나 이상의 구멍을 통하여 기체를 액체 속으로 도입할 때, 기체 기포를 형성하기에 충분한 압력하에 기체를 위치시키는 단계(a)와

기체와 액체에 대한 임계 웨버 수(critical Weber number)를 초과하는 웨버수를 제공하기에 충분한 선형 유속으로 액체를 구멍을 통하여 유동시킴으로써 목적하는 기포 직경을 수득하는 단계(b)를 포함하는, 평균 직경이 약 0.5mm 미만, 특히 약 0.1mm 미만인 기체 기포를 액체 속에 발생시키기 위한 방법을 제공한다.

이제 도면에 관하여 살펴보면, 도 1, 도 2 및 도 3은 본 발명의 대표적인 3개의 관련 장치의 개략도를 나타낸다. 도 4는 도 3에 나타낸 장치의 또 다른 도면이다. 각종 장치는 눈금으로는 도시하지 않았으며, 크기, 위치 및 구멍 수와 같은 특징들은 한정하기보다는 설명하기 위한 것이다.

도 1은 도면 부호(10)로 일반적으로 나타낸 전단 혼합 장치를 도시한 것이다. 장치(10)는 중공 혼합기 본체(11), 혼합되는 제1 유체를 운반하기 위한 도관(15), 통로(21)를 포함하는 제2유체 공급 도관(20) 및 플러그(25)를 포함한다.

혼합기 본체(11)는 제1 말단(12)과, 제1 말단(12)으로부터 이격된 제2 말단(13)을 갖는다. 혼합기 본체(11)는 제1 말단(12)과 제2 말단(13) 사이에 중공 공간(30)을 둘러싼다. 제2 말단(13)은 내부에 한정된 구멍(14)을 갖는다. 혼합기 본체(11)에 대한 적합한 형태[가시화 목적으로 제2 유체 공급 도관(20)은 무시함]는 하나의 말단[제2 말단(13)]에서 개방되고 개방 말단에 대향하는 말단[제1 말단(12)]에서는 구멍을 제외하고는 폐쇄되어 있는 중공 직 원형 실린더이다. 혼합기 본체가 이와 같이 형성되고 오직 하나의 도관(15)만이 존재하는 경우, 구멍(14) 및 도관(15)은 바람직하게는 혼합기 본체의 축과 동축이다. 2개 이상의 도관(15)이 존재하는 경우, 구멍(14)의 수는 도관(15)의 수와 조화되도록 증가된다.

플러그(25)는 제2 말단에 근접한 혼합기 본체(11)내에 조립한다. 이와 같이 조립하는 경우, 플러그(25)는 바람직하게는 내부에 한정된 하나 이상의 구멍(26) 또는 오리피스(27)를 갖는다. 구멍(26)은 바람직하게 위치시켜 하나의 도관(15)만이 존재하는 경우에는 혼합기 본체와 동축이 되도록 한다. 2개 이상의 도관(15)이 존재하는 경우, 각각의 구멍(26)은 바람직하게는 상응하는 도관(15)과 동축이다.

도관(15)은 제1 말단(16)과, 제1 말단(16)으로부터 이격된 제2 말단(17)을 갖는다. 제1 말단(16)은 개방되어 있으며 바람직하게는 제1 운동성 유체(도시되지 않음)의 공급원에 연결되어 있다. 제2 말단(17)은 폐쇄되거나 캡핑되어 제1 운동성 유체가 이러한 말단을 경유하여 빠져나오지 않도록 한다. 도관(15)은 통과하며, 혼합기 본체(11)의 제1 말단(12)의 구멍(14)내에 조립된다. 구멍(14)내로의 도관(15)의 조립은 바람직하게는 구멍(14)을 통과하는 도관(15)에 대하여 사실상 누출 내성, 바람직하게는 기밀 밀봉을 제공하는 방식으로 성취한다. 도관(15)은 또한 플러그(25)의 구멍(14)을 통과한다. 이와 같이 수행하는 경우, 도관(15) 및 플러그(25)는 조합되어 제2 말단(17) 부근의 위치에서 도관(15)의 길이를 따라 한정된 종방향의 환형 공간의 형태로 중공 공간(30)과 연관되어 제한된 오리피스(27)를 형성한다. 이와 같은 길이 내에서, 도관(15)은 내부에 한정된 다수의 구멍(19)을 갖는다. 각각의 구멍(19)은 제한된 오리피스(27)과 함께 유체를 통과시킨다. 구멍(19)의 수, 크기, 간격 및 위치는 본 발명의 제4 양태에 따라 작동시키는 경우 작은 기포를 제공하기에 충분하다.

제2 유체 공급 도관(20)은 혼합기 본체(11)의 제1 말단(12)과 제2 말단(13) 사이의 중간 지점에서 혼합기 본체(11)에 작동적으로 연결된다. 이와 같이 연결되는 경우, 제2 도관(20)의 통로(21)는 중공 공간(30)과 함께 유체를 통과시킨다. 필요한 경우, 하나 이상의 추가의 유체 공급 도관을 기체(단일 기체 또는 개개 기체들의 혼합물일 수 있음) 또는 도관(들)(15)으로부터의 다수의 기체와 배합되는 혼합기 본체(11)에 추가의 유체(기체 또는 액체이지만, 바람직하게는 액체임)를 제공하는 유사한 방법으로 혼합기 본체(11)에 작동적으로 연결시킬 수 있다.

이제 다시 도 2를 살펴보면, 전단 혼합 장치는 본 발명의 제2 양태에 따라 도시하며, 일반적으로 도면 부호(40)로 나타낸다. 장치(40)는 중공 혼합기 본체(41), 구멍을 지니는 도관(50), 및 통로(61)를 포함하는 유체 공급 도관(60)을 포함한다.

혼합기 본체(41)는 제1 말단(42)과 제1 말단(42)으로부터 이격된 제2 말단(43)을 갖는다. 혼합기 본체(41)는 이의 제1 말단(42)과 제2 말단(43) 사이에 중공 공간(55)을 갖는다. 제1 말단(42)은 내부에 한정된 구멍(44)을 갖는다. 제2 말단(43)은 내부에 한정된 구멍(45)을 갖는다. 각각의 구멍(44)은 바람직하게는 대향하는 구멍(45)과 동축이다. 혼합기 본체(41)의 적합한 형태[가시화 목적으로 유체 공급 도관(60)은 무시함]는 구멍(44 및 45)을 제외하고는 양 말단에서 폐쇄되어 있는 중공 직 원형 실린더이다. 혼합기 본체가 이와 같이 형성되는 경우, 각각의 도관(50)은 바람직하게 정렬시켜 대향하는 구멍(44 및 45)의 쌍의 축과 동축으로 만다.

도관(50)은 제1 말단(51)과, 제1 말단(51)으로부터 이격된 제2 말단(52)을 갖는다. 도관(50)은 통과하며, 혼합기 본체(41)의 구멍(44 및 45)내에 조립된다. 구멍(44 및 45)내로의 도관(50)의 조립은 바람직하게는 구멍(44 및 45)을 통과하는 도관(50)에 대하여 사실상 내누출성, 바람직하게는 기밀 밀봉을 제공하는 방식으로 성취한다. 제1 말단(42)과 제2 말단(43)이 서로 이격되어 있기 때문에, 혼합기 본체(41)는 도관(50)의 길이를 둘러싼다. 이러한 길이내에, 도관(50)은 내부에 한정된 다수의 구멍(54)을 갖는다. 각각의 구멍(54)은 중공 공간(55)과 함께 유체를 통과시킨다. 구멍(54)의 수, 크기, 간격 및 위치는 본 발명의 제4 양태에 따라 작동시키는 경우 작은 기포를 제공하기에 충분하다.

유체 공급 도관(60)은 혼합기 본체(41)의 제1 말단(42)과 제2 말단(43) 사이의 중간 지점에서 혼합기 본체(41)에 작동적으로 연결된다. 이와 같이 연결되는 경우, 도관(60)의 통로(61)는 중공 공간(55)과 함께 유체를 통과시킨다. 필요한 경우, 하나 이상의 추가의 유체 공급 도관을 혼합기 본체(41)에 추가의 유체를 공급하기 위한 유사한 방법으로 혼합기 본체(41)에 작동적으로 연결시킬 수 있다.

압력하의 제1 운동성 유체, 바람직하게는 공기 또는 산소와 같은 기체는 제1 도관(15)의 제1 말단(16)에 작동적으로 연결시킴으로써 공급원(도시되지 않음)으로부터 장치(10)의 도관(15)(도 1에 나타냄) 속으로 유동시킨다. 필요한 제1 운동성 유체는 도관(15)에서 구멍(19)을 경유하여 제한된 오리피스(27)로 공급된다. 제2 운동성 유체, 바람직하게는 물 또는 염수와 같은 액체는 제2 유체 공급 도관(20)으로의 작동적인 연결에 의하여 공급원(도시되지 않음)으로부터 통로(21)로 유동된다. 제2 운동성 유체는 통로(21)로부터 중공 공간(30)으로 유동된다. 중공 공간(30)이 제2 운동성 유체로 충전되는 경우, 유체는 제한된 오리피스(27) 속으로 및 이를 통해 유동된다. 제한된 오리피스(27)는 중공 공간(30)보다 작은 단면적을 갖기 때문에, 제2 운동성 유체는 통로(21)와 중공 공간(30)을 통과하는 이의 속도보다 더 큰 오리피스(27) 통과 속도를 갖는다. 구멍(19)을 통해 유동하는 제1 운동성 유체는 구멍(19)에 의해 도관(15)으로 공급되는 제2 운동성 유체를 사실상 배제시키기에 충분한 압력하에 있다. 압력은 또한 제1 운동성 유체가 기체이고 제2 운동성 유체가 액체인 경우 기포를 발생시키기에 충분하다. 오리피스(27)를 통한 제2 운동성 유체의 유동은 기체와 액체 사이의 계면장력을 극복하기에 충분히 강해서 기포가 작은 기포들로 파괴되는 것으로 밝혀졌다. 운동성 유체가 둘 다 기체 또는 액체인 경우, 장치(10)는 운동성 유체의 혼합을 촉진시키는 것으로 밝혀졌다. 제2 운동성 유체가 액체이고 제1 운동성 유체가 액체중에서 혼화성인 기체인 경우, 장치(10)는 액체 전반에 걸쳐 혼화성 기체의 분산을 촉진시키는 것으로 밝혀졌다.

도 2에 나타낸 장치(40)는 구멍을 지니는 도관(50)을 통해 유동하는 제1 운동성 유체, 바람직하게는 액체를 유체 공급 도관(60)의 통로(61)를 통해 유동하는 제2 운동성 유체, 바람직하게는 기체와 적합하게 배합된다. 장치(10)와 관련하여 명시된 기체 및 액체는 장치(40)에서도 사용된다. 제1 운동성 유체는 도관(50)의 제1 말단(51)과 작동적으로 연결시킴으로써 공급원(도시되지 않음)으로부터 도관(50) 속으로 유동된다. 단면적이 변하지 않기 때문에, 제1 운동성 유체가 도관(50)을 통과함에 따라 유체 유속의 변화는 사실상 없다. 제2 운동성 유체는 유체 공급 도관(60)과 작동적으로 연결되어 공급원(도시되지 않음)으로부터 통로(61) 속으로 유동된다. 제2 운동성 유체는 통로(61)로부터 중공 공간(55) 속으로 유동되며, 이로부터, 구멍(54)을 통해 도관(50) 속으로 유동된다. 제2 운동성 유체는 기포를 발생시키고 제1 운동성 유체가 중공 공간(55) 속으로 공급되지 않도록 하기에 충분한 압력하에 있다. 장치(10)에서, 액체 운동성 유체의 유동은 기체상 운동성 유체가 구멍을 통과하여 액체 운동성 유체와 접촉되는 경우 발생된 기포를 나누기에 충분한 것이 바람직하다. 또한, 장치(40)는 장치(10)와 동일한 목적에 적합하다.

도 3은 일반적으로 도면 부호(100)로 나타낸 본 발명의 전단 혼합 장치의 계속되는 제3의 관련 양태를 나타낸다. 장치(100)는 중공 기체 및 액체 접수용 서브어셈블리(110), 기포 발생용 서브어셈블리(140) 및 임의의 핸들(190)을 포함한다. 핸들(190)은, 존재하는 경우, 장치(100)를 중합 반응기 또는 생반응기와 같은 용기(도시되지 않음)에 설치하는 과정을 촉진시킨다.

접수용 서브어셈블리(110)는 중앙 도관(111) 및 기체 접수용 하우징(120)을 포함한다. 중앙 도관(111)은 개방 입구 말단(112)과 당해 개방 입구 말단(112)으로부터 이격된 출구 말단(113)을 포함하며, 기포 발생용 서브어셈블리(140)와 함께 유체를 통과시킨다. 중앙 도관(111)은 내부에 한정된 액체 전달에 적합한 축방향 통로(114)를 갖는다. 기체 접수용 하우징(120)은 바람직하게는 단일 구조 요소로 이루어지거나, 도 3에 나타낸 경우와 같이 환형 기체 접수용 챔버 하우징(121) 및 환형 기체 운반 하우징(123)을 포함할 수 있다. 기체 접수용 챔버 하우징(121)은 내부에 한정된 하나 이상의 기체 접수용 통로(122)를 갖는다. 통로(122)는 바람직 하게는 내부적으로 스크류 고정되어 기체 공급원(도시되지 않음)으로의 기밀 연결을 촉진시킨다. 기체 접수용 챔버 하우징(121)은 기체 접수용 통로(122)와 함께 유체를 통과시키는 중공 챔버(124)를 둘러싼다. 환형 기체 운반 하우징(123)은 바람직하게는 중앙 도관(111)의 하나 이상의 선형 부분과 함께 작용함으로써 기체 접수용 챔버 하우징(121)으로부터 기포 발생용 서브어셈블리(140)로 기체를 통과시키기 위한 신장된 환형 공간(126)을 형성시킨다. 하우징(123)은 중공 챔버(124) 속에 삽입된 제1 말단(125)과, 제1 말단(125)으로부터 이격된 제2 말단(127)을 갖는다. 하우징(123)은 바람직하게는 이의 제2 말단(127)과 근접하게 외부적으로 스크류 고정된다. 환형 공간(126)은 또한 중공 챔버(124)와 함께 유체를 통과시켜 통로(122)로 공급되는 제1 운동성 유체(바람직하게는 기체)가 중공 챔버(124) 속으로 유동된 다음, 환형 공간(126)을 통해 유동되도록 할 수 있다. 접수용 어셈블리(110)의 성분은 적합한 고정 수단[예: 필렛 용접부(115)]에 의해 서로 작동적으로 연결된다.

기포 발생용 서브어셈블리(140)는 기저 판(141), 기체 및 액체 분배 하우징(150) 및 피복 판(180)을 포함한다. 기저 판(141)은 또한 내부에 한정된 다수의 구멍(142)을 갖는다. 기저 판(141)은 또한 밀봉 수단(146)을 적합하게 포함하는 내부에 한정된 환형 밀봉용 링 하우징(145)을 포함한다. 밀봉 수단(146), 적합하게는 O-링은 기저 판(141)과 하우징(150) 사이에 일반적으로 기밀 밀봉을 제공하는 작용을 한다. 기저 판(141)은 바람직하게는 내부에 추가로 한정된 중앙 또는 축방향 구멍(149)을 갖는다. 구멍(149)은 바람직하게는 내부적으로 스크류 고정되어 기포 발생용 서브어셈블리(140) 및 접수용 서브어셈블리가 도 3에 나타낸 바와 같이 어셈블리되는 경우 하우징(123)의 말단(127)이 구멍(149) 속으로 스크류 고정된다.

분배 하우징(150)은 작동적으로 조합된, 외부 벽(151) 및 중앙 유체 팽창 하우징(160)을 포함한다 하우징(160)은 바람직하게는 중공 스템(170) 및 이러한 중공 스템(170)으로부터 피복 판(180)을 향해 외부로 돌출되는 주변 연장부(161)를 갖는 깔대기(일반적으로 요소의 작은 말단으로부터 연장되는 튜브 또는 중공 스템을 갖는 중공 절두 원추형 요소로 이루어진 기구) 형태이다. 주변 연장부(161)는 바람직하게는 연속 필렛 용접부 또는 만족스러운 기타 결합 수단에 의해 작동적으로 연결되어 있는 것으로부터 외부 벽(151)으로 외부로 연장되는 것이 바람직하다. 중공 스템(170)은 내부에 한정된 내부 환형 공간(171)을 갖는다. 환형 공간(171)은 적합하게는 밀봉 수단(172), 적합하게는 O-링을 포함하여 스템(170)이 도관(111)의 제2 말단(113)에 근접한 중앙 도관(111)의 선형 단편 위에 유연하게 조립되는 경우 일반적으로 기밀 및 유체 치밀 밀봉을 제공한다.

외부로 돌출되는 주변 연장부(161)는 내부에 한정된 다수의 구멍(162)을 갖는다. 연장부(161)는 또한 내부에 한정된 다수의 유체 채널(163)을 갖는다. 각각의 유체 채널(163)은 유체 전환기(164)(도 4에 나타냄)에 의해 인접한 유체 채널(163)로부터 분리된다. 또한, 연장부(161)는 내부에 한정된 다수의 구멍(165)을 갖는다. 구멍(165)은 바람직하게는 유체 전환기(164)(도 4 참조)를 통과하고 바람직하게는 내부적으로 스크류 고정된다.

외부 벽(151) 및 중앙 유체 팽창 하우징(160)의 작동적 조합은 중공 공간(143)을 둘러싼다. 중공 공간(143)은 구멍(162) 및, 장치(100)가 도 3에 나타낸 바와 같이 어셈블리되는 경우, 신장된 환형 공간(126)과 함께 유체를 통과시킨다.

외부 벽(151)은 바람직하게는 플랜지(152)에서 종결된다. 플랜지(152)는 외부로 돌출되는 주변 연장부(161)로부터 이격된다. 플랜지(152)는 내부에 한정된 다수의 구멍(154)을 갖는다. 구멍(154)은 바람직하게는 내부적으로 스크류 고정되고 기저 판(141)에서 상응하는 구멍(142)과 함께 배열된다. 외부 벽(151)은 캡 스크류(144)와 같은 적합한 고정 수단에 의해 기저 판(141)에 작동적으로 연결된다.

피복 판(180)은 내부에 한정된 다수의 구멍(181)을 갖는다. 구멍(181)은 바람직하게는 외부 립(161)에서 상응하는 내부적으로 스크류 고정된 구멍(165)과 함께 축방향으로 배열된다. 피복 판은 바람직하게는 구멍(181 및 165)에 의해 작동적으로 연결된 캡 스크류와 같은 고정 수단(183)에 의해 분배 하우징(150)에 고정된다. 피복 판(180)은 바람직하게는 내부에 한정된 중앙 축방향 유체 전환기(185)를 갖는다. 전환기(185)는 바람직하게는 전방으로 돌출되는 정점을 갖는 콘 형태이며, 장치(100)가 도 3에 나타낸 바와 같이 어셈블리되는 경우 중앙 도관(111)의 축과 축방향으로 배열된다.

피복 판(180) 및 중앙 유체 팽창 하우징(160)은 어셈블리되는 경우 중공 유체 분배 공간(158)을 한정한다. 피복 판(180) 및 팽창 하우징(160)은 또한 유체 채널(163)을 둘러싼다. 분배 공간(158)은 장치(100)가 도 3에 나타낸 바와 같이 어셈블리되는 경우 유체 채널(163) 및 중앙 도관(111)과 함께 유체를 통과시킨다.

핸들(190)이 사용되는 경우, 피복 판(180)은 또한 내부에 한정된 중앙 구멍(188)을 갖는다. 구멍(188)은 바람직하게는 내부적으로 스크류 고정되어 설치의 용이성을 목적으로 외부적으로 스크류 고정된 핸들을 수용한다.

도 4는 분배 하우징(150)의 상부 평면도이다. 유체 채널(163)과 일직선이 되어 있는 구멍(162)을 도시한다. 유체 채널(163)은 적합하게는 톱니와 같은 형태의 유체 전환기(164)에 의해 분리된다.

장치(100)는 제2 운동성 유체(바람직하게는 액체)를 중앙 도관(111)을 통해 공급원(도시되지 않음)으로부터 분배 공간(158) 및 이어서 유체 채널(163)로 전달한다. 동시에, 장치(100)는 공급원(나타내지 않았음)으로부터의 제1 운동성 유체(바람직하게는 기체)를 통로(122), 챔버(124), 환형 공간(126)을 통해 구멍을 경유하여 배출되는 챔버(143) 속으로 전달한다. 장치(10 및 40)에 대하여 기술된 운동성 유체 및 이용물은 장치(100)에 동일하게 잘 적용된다.

운동성 유속 또는 선형(용적측정에 대항함) 유속은 바람직하게는 장치, 장치(10), 장치(40), 장치(100) 또는 이들 중의 어느 하나의 변형과 관련지어 선택함으로써 다음에 추가로 기술한 바와 같이, 장치로 공급되는 특정 기체상 및 액체 운동성 유체에 대한 목적하는 기포 직경 또는 크기에 대하여 임계 웨버 수를 초과하는 웨버 수를 수득한다. 숙련가들은 적합한 장치를 선택하고 불필요한 실험없이 만족스러운 작동 조건을 결정할 수 있다. 숙련가들은 또한 본 발명의 정신과 영역을 넘지 않거나 불필요한 실험없이 본 발명에 기술된 장치에 대한 적합한 변형을 결정할 수 있다.

도 1, 도 2 및 도 3에 기술된 바와 같은 본 발명의 영역내의 장치는 광범위한 적용에 유용하다. 설명적이고 비제한적인 용도는 산소 또는 공기의 폐수 스트림을 처리하는 생반응기에 사용된 물 속으로의 물질 이동을 향상시키고, 하나 이상의 중합 반응 단계에서 산소 활성화된 중합 억제제의 성능을 향상시키며, 일반적으로 액체중의 하나 이상의 기체의 혼화성을 향상시킴을 포함한다. 마지막 관점에서 본 발명의 혼합 장치의 상업적으로 중요한 용도는 용액 공정 또는 특히 계면 공정에서의 폴리카보네이트의 제조시에서의 용도인데, 여기서 포스겐과 같은 기체상 카본산 유도체는 비스페놀 A 및 포스겐을 함유하는 균질한 용액(용액 공정) 속에서 또는 비스페놀 A가 포스겐 반응의 폴리카보네이트 올리고머 생성물을 용해시킬 수 있고 비스페놀 A도 역시 존재하는 유기 염기와 유기 용매(예: 메틸렌 클로라이드)의 수용액 속에 용해되거나 현탁되는 2상 시스템(계면 공정) 중에서 방향족 디하이드록시 화합물 2,2-비스(4-하이드록시페닐)프로판(일반적으로, "비스페놀 A"라고 함)과 같은 디하이드록시 화합물과 반응시킨다. 플러그 유동 및 연속 교반 탱크 반응기를 포함하는, 각종 뱃치식 및 연속식 공정 및 단위 공정의 배열이 당해 분야에 기술되어 있거나 예를 들면, 미국 특허 제4,737,573호 및 제4,939,230호 및 본 발명에서 참고로 인용된 각종 문헌에 공지되어 있다. 폴리카보네이트 분야의 숙련가들에게는, 본 발명의 전단 혼합 장치가 본 발명에서 설정된 유동 형태를 향상시키기 위한 이러한 많은 공정에서 적합하고 바람직하게 사용될 수 있으며, 포스겐이 메틸렌 클로라이드 유기 용매와 함께 공정에서 기포화되는 공지된 계면 공정에 관해서는, 예를 들면, 포스겐의 메틸렌 클로라이드 속으로의 분산을 유의하게 향상시킨다는 것이 자명할 것이다.

추가의 일반적인 양태에서, 당해 분야의 숙련가들에게는, 본 발명이 방법과 장치 모두에서 반응시간을 단축시키는 데 유용하므로, 물질 이동이 제한되는 반응이 역학적으로 신속한 기체-액체 반응 시스템에 있어서, 존재하는 반응기 및 공정으로부터 추가의 생성물의 제조가 잠재적으로 가능하거나 생성물의 소정량을 생성하기 위해 필요한 반응 용기의 수 또는 크기를 감소시키는 데 유용하다(생성물을 제조하기 위한 비용을 상응하게 저하시킴)는 것이 자명할 것이다. 다수의 산화 및 수소화 공정은 익히 인지되는 바와 같이, 이러한 범주로 분류된다.

예를 들면, 한편으로는 프로필렌 옥사이드 및 스티렌과 다른 한편으로는 프로필렌 옥사이드 및 3급-부틸 알콜을 각각 동시 생성시키기 위한 공지된 산업용 공정에서 중간체인 에틸벤젠 하이드로퍼옥사이드 및 3급-부틸 하이드로퍼옥사이드를 생성시키기 위한 산화 공정은 상당한 반응 시간을 포함[참조: 1 내지 4시간의 범위, "Propylene Oxide", Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 3rd Edition, Vol. 19, pp. 257-261 (1982)]하며, 다수의 반응 용기를 포함한다. 이러한 관점에서, 3급-부틸 하이드로퍼옥사이드는 20 내지 30%의 이소부탄 전환율 및 60 내지 80%의 TBHP 선택률 및 20 내지 40%의 TBA 선택률로, 2075 내지 5535kPa의 압력 및 95 내지 150℃의 온도에서 10 내지 30%의 3급-부틸 알콜의 존재하에 이소부탄의 액체 상 공기 산화를 통하여 통상적으로 제조한다. 반응하지 않은 이소부탄 및 생성된 TBA 부분은 생성물 스트림으로부터 분리하고 하이드로퍼옥사이드 형성 반응기로 다시 재순환시킨다[참조: 미국 특허 제4,128,587호]. 에틸벤젠 하이드로퍼옥사이드는 또한 액체 상 산화에 의해 제조하며, 에틸벤젠의 경우 140 내지 150℃에서 30 내지 30psia(206 내지 275kPa, 무수)하에 공기 또는 산소에 의해 수행한다. 하이드로퍼옥사이드로의 전환율은 2 내지 2.5시간의 반응시간에 걸쳐 10 내지 15%인 것으로 기록되어 있다[참조: 미국 특허 제3,351,635호, 제3,459,810호 및 제4,066,706호].

한 가지 추가의 상업적으로 중요한 적용은 상응하는 올레핀 클로로하이드린을 통한 에폭사이드의 제조, 예를 들면, 알릴 클로라이드로부터의 에피클로로하이드린, 부틸렌 클로로하이드린을 통한 부틸렌 옥사이드 및 프로필렌 클로로하이드린을 통한 프로필렌 옥사이드의 제조에 관한 것이다. 따라서, 광범위한 의미에서, 본 발명은 에폭사이드를 제조하는 보다 효과적인 방법을 제공할 수 있거나, 위에서 언급한 바와 같이, 기체의 액체로의 물질 이동을 향상킴으로써 일부 이점이 성취될 수 있는 기타의 2상, 기체-액체 반응 공정을 여전히 보다 광범위하게 촉진시킨다.

올레핀 클로로하이드린 중간체를 통해 에폭사이드를 제조하는 특정 경우에 있어서, 이는 통상적으로 올레핀 클로로하이드린의 형성 및 이후의 에폭시화 단계에 있어서의 수성 알칼리 금속 하이드록사이드와 클로로하이드린과의 접촉에 의해 하나 이상의 에폭사이드를 포함하는 염 수용액을 형성시킴으로써 성취한다. 본 발명의 장치와 방법(이후에 상세히 기술함)은 올레핀 클로로하이드린의 형성을 보조하고 향상시키는데 특히 적합하다.

올레핀 클로로하이드린은, 이러한 관점에서 바람직하게는 염화물이 적은 차아염소산(HOCl) 수용액을 하나 이상의 불포화 유기 화합물과 접촉시켜 하나 이상의 올레핀 클로로하이드린을 함유하는 수성 유기 생성물을 형성시킴으로써 형성된다. "불포화 유기 화합물"은 탄소수가 2 내지 약 10, 바람직하게는 2 내지 8, 보다 바람직하게는 2 내지 6이다. 유기 화합물은 치환되지 않고 치환된 올레핀으로 이루어진 그룹으로부터 선택되고 직쇄, 측쇄 또는 사이클릭, 바람직하게는 직쇄일 수 있다. 적합한 올레핀은 아밀렌, 알렌, 부타디엔, 이소프렌, 알릴 알콜, 신나밀 알콜, 아크롤레인, 메시틸 옥사이드, 알릴 아세테이트, 알릴 에테르, 비닐 클로라이드, 알릴 브로마이드, 메탈릴 클로라이드, 프로필렌, 부틸렌, 에틸렌, 스티렌, 헥센 및 알릴 클로라이드 및 이들의 단독체 및 동족체를 포함한다. 프로필렌, 부틸렌, 에틸렌, 스티렌, 헥센 및 알릴 클로라이드가 바람직한 올레핀이고, 프로필렌, 부틸렌 및 알릴 클로라이드가 보다 바람직하며, 프로필렌이 가장 바람직하다. 올레핀은 바람직하게는 치환되지 않지만, 불활성적으로 치환될 수도 있다. "불활성적으로"라는 용어는, 올레핀이 클로로하이드린 또는 에폭사이드의 형성에 바람직하지 않게 간섭하지 않는 그룹에 의해 치환됨을 의미한다. 불활성 치환체는 염소, 불소, 페닐 등을 포함한다. 에폭사이드화 공정 및 본 발명에서 요약한 유형의 관련된 클로로하이드린 형성 단계에 관한 추가의 상세한 설명은 공동으로 양도된 미국 특허 제5,486,627호 및 제5,532,389호[본 발명에서 참고문헌으로 인용됨]에서 발견할 수 있다.

본 발명의 방법 및 인용된 특허의 바람직한 양태는 염화물이 적은 HOCl 수용액을 사용하지만, 당해 분야의 숙련가들은 본 발명의 방법이 또한, 전형적으로 화학양론적 양의 염화물의 존재하에 차아염소산염 용액의 용도 및 또한 물에 전적으로 또는 부분적으로 용해된 염소 기체의 용도에 적용됨을 익히 인지하게 될 것이다.

최적의 결과에 있어서, 유기 화합물은 전형적으로 염화물이 적은 HOCl에 대한 유기 화합물의 몰비가 0.8을 초과하도록 하기에 충분한 양으로 첨가한다. HOCl의 반응을 완결시키기 위하여, 유기 화합물의 양은 유리하게는 대략 화학양론적 양 이상으로 제공한다. 바람직하게는, 과량의 유기 화합물을 약 0 내지 약 25몰%의 양으로 제공하며, 보다 바람직하게는 약 0 내지 약 10물%의 과량의 유기 화합물을 반응기에 공급한다. 반응하지 않은 유기 화합물은 이후에 다시 재순환시켜 HOCl과 접촉시킨다. 당해 분야의 숙련가들은 화합물이 반응에 필요한 것보다 과량으로 공급되는 경우 반응하지 않은 유기 화합물을 재순환시키는 각종의 공지된 방법을 전적으로 사용할 수 있다.

염화물이 적은 수성 HOCl의 이후의 공급물은, 물 속의 HOCl을 기준으로 하여, 전형적으로 약 1.0 내지 약 10중량%, 바람직하게는 약 2 내지 약 7중량%, 가장 바람직하게는 약 7중량%의 농도로 제공한다. 이는 물 요건과 부산물 형성의 억제 사이의 양호한 균형을 제공한다. 놀랍게도, 본 발명의 전단 혼합 장치를 사용하면, 불용성 유기 상의 형성-부산물 형성이 상당히 증가하는 조건-전에, 본 발명의 전단 혼합 장치를 사용하지 않고 가능한 것보다 약 20% 이상 높은 농도에서 공정을 수행할 수 있다. 물론, 관련된 공정 장치의 크기와 비용을 줄이기 위해서는 물 속에서의 HOCl의 농도를 더 높게 하여 수행하는 것이 바람직하다.

유기 화합물을 클로로하이드린을 형성시키기에 충분한 방법으로 HOCl 용액과 접촉시킬 수 있다. 이는 통상적으로 반응기의 내용물 모두의 균질성이 최대가 되도록 하는 방식으로 유기 화합물과 HOCl 용액을 반응기로 도입함으로써 달성된다. 바람직하게는, HOCl 용액과 유기 화합물과의 접촉은 연속 또는 반연속 반응기에서 일어난다. 연속 관형 반응기와 같은 연속 반응기에서, 반응물을 도입하고 동시에 생성물을 회수한다. 대조적으로, 반연속 반응기의 예는 특정량의 유기 화합물을 반응기에 미리 넣고, HOCl 용액의 연속 공급물을 반응기에 공급한 다음, 클로로하이드린 생성물을 제조하여 반응기에 축적시키는 반응기일 것이다. 플러그 유동 반응기 또는 역혼합 반응기와 같은 연속 반응기에서 혼합하면서 접촉시키는 것이 보다 바람직하다. 플러그 유동 반응기는 반응물을 한쪽 말단에서 도입하고 생성물을 반응기(예: 연속 관형 반응기)를 따라 거의 역혼합되지 않는 다른 쪽 말단에서 회수하는 반응기이다. 역혼합 반응기는 반응 생성물을 공급 물질과 친밀하게 혼합하고 반응 용기 전체에서 균질한 생성물과 반응 농축물을 수득하는 반응기로서 정의된다. 이러한 유형의 연속 반응기의 예는 연속 유동 교반 탱크 반응기(CSTR)이다.

온도, 압력 및 반응 시간의 조건은 중요하지 않다. HOCl과 유기 화합물이 반응하는 조건이 적합하게 사용된다. HOCl 용액을 약 30 내지 60℃, 바람직하게는 약 40℃의 온도에서 반응기로 공급하는 것이 유리하다. 편리하게는, HOCl/유기 화합물 반응의 온도는 보다 낮은 온도가 냉동 또는 다른 냉각을 필요로 하기 때문에 약 40℃ 이상이다. 보다 바람직하게는, 반응 온도는 약 60℃ 이상이다. 바람직하게는, 온도는 약 100℃ 미만, 보다 바람직하게는 약 90℃ 미만(반응기 속의 물과 유기 화합물의 증발을 방지하기 위해), 가장 바람직하게는 약 80℃ 미만(이 온도를 초과하는 온도에서 발생하는 부산물 형성의 목적하지 않는 증가를 방지하기 위해)이다.

플러그 유동 반응기를 사용하는 경우, 올레핀 기체를 HOCl 용액의 유동에 수직인 관을 통해서 HOCl 용액으로 도입한다. 이와 관련하여, 본 발명의 전단 혼합 장치의 고안은 액체 표면 속도(superficial velocity)가 약 15ft/초(4.6m/초) 이상, 바람직하게는 약 22ft/초(6.7m/초) 이상, 보다 바람직하게는 약 30ft/초(9.1m/초) 이상 및 약 100ft/초(30.5m/초) 미만, 바람직하게는 약 50ft/초(15.2m/초) 미만이다. 일단 액체 스트림으로 도입된 기체 표면 속도는 약 3ft/초(0.9m/초) 이상, 바람직하게는 약 6ft/초(1.8m/초) 이상 및 약 30ft/초(9.1m/초) 미만, 바람직하게는 약 20ft/초(6.1m/초) 미만이다. 액체 표면 속도 대 기체 표면 속도의 비는 약 1.0 이상, 바람직하게는 약 1.5 이상 및 약 10 미만, 바람직하게는 약 8 미만이다. 이들 조건을 충족시키기 위해, 기체의 용적이 통상적으로 액체의 용적을 초과함에 따라 본 발명의 전단 혼합 장치의 하나 이상을 필요로 할 수 있다. 다중 장치를 사용하는 경우, 장치 사이에 충분한 공간이 제공되어 약 80% 이상, 바람직하게는 약 90% 이상의 유기물이 추가의 유기물이 액체 스트림에 도입되기 전에 반응시킨다.

반응기로서 CSTR의 사용은 반응기로부터 액체를 제거하고 혼합 장치로 통과시키고 이를 반응 용기로 되돌리는 재순환 라인의 사용에 의해 전단 혼합 장치를 통해 더 높은 액체 용적 유동의 사용을 가능케 한다. 이러한 작동에서 깨끗한 HOCl 용액을 본 발명의 전단 혼합기 전에 재순환 스트림과 혼합하거나 개별 라인을 통해서 CSTR 용기로 도입한다. CSTR 용기는 임의로 통상적인 기계적 교반기와 같은 용기 속에서의 반응물과 생성물의 균일한 분포를 유지시키는 통상적인 보충 혼합 수단이 추가로 제공된다. 이러한 특정 구조의 본 발명의 전단 혼합 장치의 고안은 액체 표면 속도가 약 15ft/초(4.6m/초) 이상, 바람직하게는 약 22ft/초(6.7m/초) 이상, 보다 바람직하게는 약 30ft/초(9.1m/초) 이상 및 약 100ft/초(30.5m/초) 미만, 바람직하게는 약 50ft/초(15.2m/초) 미만이다. 일단 액체 스트림으로 도입된 기체 표면 속도는 약 3ft/초(0.9m/초) 이상, 바람직하게는 약 6ft/초(1.8m/초) 이상 및 약 30ft/초(9.1m/초) 미만, 바람직하게는 약 20ft/초(6.1m/초) 미만이다. 액체 표면 속도 대 기체 표면 속도의 비는 약 1.0 이상, 바람직하게는 약 1.5 이상 및 약 10 미만, 바람직하게는 약 8 미만이다. 하나의 본 발명의 장치만이 이들 요건을 충족시키는데 필요하지만, 반응기 기하학적 구조와 이렇게 사용되는 전단 혼합 장치의 크기에 따라 추가의 장치가 사용되는 것이 바람직할 수 있다고 생각된다.

가장 바람직한 양태에 있어서, CSTR을 사용하는 경우, CSTR은 등온에서 작동하는 반면, 플러그 유동형 반응기는 통상적으로 단열적으로 작동한다. 따라서, 반응열을 재순환 열 교환기 및/또는 반응기 자켓에 의해 CSTR로부터 제거하는 것이 유리하다. 반응기에 대한 외부 가열 또는 냉각을 최소화하기 위해서, 반응열을 원료 공급 온도와 일치시켜 반응열이 공급 온도를 목적하는 반응 온도로 상승시키는 것이 바람직하다. 온도 일치는 당해 분야의 숙련인들에게 공지되어 있다. 예를 들면, 단열적으로 프로필렌과 반응하는 1M의 HOCl 공급 농도(약 5중량%의 HOCl)는 온도를 약 55℃ 상승시킨다. 따라서, 약 90℃의 반응 온도가 바람직하는 경우, 공급 온도는 약 35℃가 유리하다. 공급 온도와 반응 온도 사이의 작은 범위는 냉각을 필요로 하지만, 온도에 있어서의 큰 범위는 가열을 필요로 한다. 온도 조절은 자켓 반응용기, 반응기 내의 잠수성 코일 또는 외부 재순환 라인 속의 열 교환기와 같은 당해 분야의 기술 내의 수단에 의해 달성된다.

편리하게는, 압력은 대략 대기압(약 101kPa) 이상, 바람직하게는 약 2대기압(202.6kPa) 이상이다. 보다 높은 압력은 또한 전체 반응 속도를 증가시키면서 유기 화합물과 HOCl 용액과의 물질 이동을 증가시킨다. 편리하게는, 압력은 약 150psig(1037kPa) 게이지 미만, 보다 바람직하게는 약 100psig(691kPa) 게이지 미만인데, 왜냐하면 보다 낮은 압력 요건이 반응기의 제조 비용을 감소시키고 기체를 반응기에 도입하기 위한 에너지 비용을 감소시키기 때문이다.

클로로하이드린 형성 단계 동안의 반응 시간은 사용되는 반응물, 반응 온도, 목적하는 전환율, 본 발명의 전단 혼합기를 통한 액체 대 기체 용적 비, 과량의 유기 화합물, 반응기 압력, HOCl 공급물에서 염화물의 수준 및 HOCl 공급물 농도에 따라 다양하다. 당해 분야의 숙련인은 HOCl과 유기 화합물과의 반응에 필요한 충분한 시간을 정할 수 있다. 예를 들면, 프로필렌을 위에서 언급한 가장 바람직한 조건하에서 CSTR에서의 유기 화합물로서 사용하는 경우, 반응 시간을 약 2분으로 감소시키는 것이 바람직할 수 있으며, 보다 바람직하게는 약 1분이다. 편리하게는 반응 시간은 예정된 양의 생성물을 생성하는데 필요한 반응 용기의 크기를 최소화 하기 위해서 약 10분 미만, 보다 바람직하게는 약 5분 미만이다. 알릴 클로라이드의 반응은 프로필렌의 반응보다 빠르기 때문에 더 짧은 반응 시간이 필요한 반면, 부틸렌 또는 헥센의 반응은 프로필렌의 반응보다 느리기 때문에 더 긴 반응 시간을 필요로 한다.

CSTR 중의 HOCl의 전환율은 유의하게는 약 90mol% 이상, 바람직하게는 약 98mol% 초과이어서 반응된 HOCl 용액으로부터 물에 의해 희석된 반응기 중의 HOCl 농도가 0.2중량%를 초과하지 않고, 바람직하게는 0.1중량%미만이다. 전환율이 낮을수록, 프로필렌 클로로하이드린(PCH)과 다른 목적하지 않은 부산물과 같은 생성물 클로로하이드린의 산화로부터의 모노클로로아세톤(MCA)과 같은 염소화 케톤의 수율이 높아진다. 유리하게는, 전환율은 CSTR 속에서 약 99.8mol% 미만이며, 더 높은 전환율은 가능하지만 더 긴 잔류 시간을 필요로 하고 따라서 예정된 양의 생성물을 제조하기 위해서 더 큰 장치를 필요로 한다.

따라서, 본 발명의 도입부에서 언급한 모타제미와 제임슨 참조의 발견과 표현된 필요성과 바로 위에서 언급한 기체-액체 적용과 관련하여 본 발명의 방법 양태는 액체 속에서 작은 기체 기포를 생성시키는 것에 관한 것이다. 다수의 적용에 있어서 기포는 바람직하게는 평균 직경이 약 0.5mm이고, 본 발명의 장치와 방법은 이러한 크기의 기포를 이들 적용을 위해 경제적으로 제조할 수 있다는 점에서 독특하고, 다른 적용에 있어서 기포는 바람직하게는 평균 직경이 약 0.1mm 미만인 것이 보다 바람직하다. 본 발명의 범위 내의 장치는 본 방법 양태에 사용하는데 특히 적합하다. 본 방법은 기체를 유동 액체와 접촉시키는 2가지 개별 작용을 포함한다. 하나의 작용은 기체를 액체로부터 분리시키는 요소 또는 부재 속의 하나 이상의 구멍에 의해 기체를 액체, 바람직하게는 운동 액체로 도입하는 경우, 기체 기포를 생성시키기에 충분한 압력 하에 기체를 위치시키는 것이다. 다른 작용은 기체와 액체의 물리적 특성을 고려하여 목적하는 기포 크기에 대한 임계 웨버 수를 초과하는 웨버 수를 제공하기에 충분한 선형 유속으로 구멍(들)을 통과한 유동 액체를 통과시킨다. 실제 문제로서, 이러한 유속은 적어도 구멍에서 초기에 제조된 기포의 세분을 촉진시킨다. 세분은 목적하는 직경을 갖는 작은 기포를 효과적으로 생성시킨다.

따라서, 본 발명의 방법은 액체 속에서 생성되는 기체 기포의 크기를 효과적으로 조절할 수 있다 장치(10, 40, 100) 및 이의 변형은 바람직하게는 본 방법에 사용된다. 또한, 기포 크기 조절은 이러한 물질 이동에 유용한 표면적을 정함으로써 기체로부터 액체로의 물질 이동을 지배한다.

웨버 수라고 하는 무차원 수는 생성된 기포의 크기와 유동 액체와의 관계를 예상하는데 사용된다[참조: G. J. Jameson, in "Bubbles in Motion", refers, at page 588, to earlier work by D. A. Lewis and J. F. Davidson, "Bubble Splitting in Shear Flow", Trans. IChemeE, Vol. 60, pages 283-291 (1982)]. 제임슨은 루이스와 데이비드슨이 소정의 기포 크기를 유지시키기 위해서 또는 충분히 강하다면 기포를 더 큰 크기로 복원시키기 위해서 표면 장력으로 기포를 분할 또는 세분하기 위한 힘의 임계 비를 설명하기 위해서 "임계 웨버 수" 또는 벡리트(Wecrit)를 사용했다고 언급한다. 임계 웨버 수를 초과하면 기포 분할이 일어난다.

본 발명은 기포 크기를 조절하기 위해 기포가 초기에 생성되는 구멍을 통과하여 유동하는 유체에 의해 생성된 전단장을 사용한다. 유동 유체가 충분한 속도를 가지는 경우, 전단장은 임계 웨버 수를 초과하기에 충분히 클 것이며 기포는 분할될 것이다. 기포 분할은 생성된 기포의 크기가 임계 웨버 수를 만족시킬 때까지 계속된다. 웨버 수는 수학식 1로 정의된다.

[수학식 1]

We = r × u² ×d_m/s

위의 수학식 1에서,

r은 액체 밀도이고,

u는 전단장 중의 유체의 속도이며,

d_m은 기포 직경이고,

s는 상 사이의 계면 장력이다.

본 발명은 정수(fresh water)와 같은 포합성 액체 또는 특정 산업 공정으로 제조된 염수 폐수(염화나트륨을 약 0.9중량% 이상 포함하는 폐수는 비포합성으로서 공보 문헌에 보고되어 있다)과 같은 비포합성 액체 또는 예를 들면, 수소 결합과 같은 요소에 따라 포합성이거나 비포합성일 수 있는 단량체 스트림일 수 있는 액체에 유용하다. 본원에서 사용되는 "포합성"은 일단 생성된 기포가 더 큰 기포로 비교적 신속하게 합쳐지는 경향이 있는 것을 의미한다. 본원에서 사용되는 "비포합성"은 일단 형성된 기포가 이의 크기를 유지하는 개별 기포로서 남는 경향이 있는 것을 의미한다.

단량체 스트림 또는 공급 스트림은 적합하게 기체에 의해 활성화되는 중합억제제를 함유한다. 또는, 기체는 중합 반응에서 반응물일 수 있고, 여기서 기체의 액체로의 효과적인 물질 이동이 의도된다. 또 다른 예로서, 기체는 액체 속에서 혼화성인 것일 수 있다.

염수를 함유하는 위에서 언급한 폐수(예를 들면, 산업 공정 폐수는 염화나트륨을 약 3중량% 이상의 수준으로 함유한다)의 통기와 같은 실제 적용에 있어서, 산소의 염수 함유 폐수로의 물질 이동을 촉진시키는 것은 생화학적 반응 속도를 증가시킨다. 다시 말해서, 물질 이동 속도가 향상됨에 따라 산소 활용도는 증가한다. 본 발명의 방법과 장치들은 통상적인 기포 생성기보다 작은 기포를 생성함으로써 물질 이동을 효과적으로 향상시킨다.

에너지의 소비를 통해서 전단장의 생성을 향상시킨다. 에너지 소비는 혼합도관의 압력 강하와 액체의 속도의 제곱에 비례한다. 에너지 소비 대 기포 크기에 대한 실제적인 감소 반환점은 도 6에 나타낸 바와 같이 약 50 내지 약 70kPa의 범위 내에서 나타난다. 물질 이동에 대한 표면적이 에너지 소비의 증가에 따라 계속 증가할지라도 에너지 비용은 물질 이동 증가에 의해 실현되는 이점을 초과할 수 있다. 에너지 비용이 비경제적으로 되는 것을 정하기 위한(및 상응하게는 기포 크기(본 발명에 의해 기술적으로 이를 수 있을지라도 평균 직경이 0.5mm 이하임을 특징으로 하든 하지 않든간에)가 경제적으로 달성 가능한 것을 정하기 위한) 파단점은 최종 용도의 선택에 따라 변할 것이다. 다시 말해서, 산소 활성화된 중합 억제제의 효율성을 향상시키는 최종 용도는 폐수 처리 비용보다 많은 에너지 비용을 감당할 수 있다. 그러나, 일반적으로 본 발명의 방법과 장치는 지금까지 공지된 장치로 가능했던 것보다 작은 기포를 소정의 용도용으로 조절적으로 그리고 경제적으로 생성시킬 수 있고 본 발명의 방법과 장치는 유일하게 매우 작은 기포 크기를 생성시키는 것이 소정의 용도에서 경제적으로 조정될 수는 없지만 매우 작은 기포 크기가 0.5mm 이하, 특히 0.1mm 이하의 평균 기포 직경과 관련되도록 할 수 있다.

다음 실시예는 본 발명의 범위를 추가로 정의하지만 제한하는 것은 아니다. 다른 언급이 없으면 모든 부와 %는 중량을 기준으로 한다.

실시예 1

본 발명의 방법을 단면적이 6inch × 6inch(15.2cm × 15.2cm)이고 높이가 36inch(91.4cm)인 직사각형 아크릴 탱크에서 수행한다. 탱크를 물중의 10중량%의 NaCl 용액으로 29.7inch(75.4cm)까지 충전시킨다. 탱크는 상부가 개방되어 있고 온도는 68℉(20℃)이다.

본 실시예에 사용되는 2상 혼합 장치는 도 1에 나타낸 것과 유사하다. 이는 한쪽 말단은 폐쇄되어 있고 폐쇄된 말단으로부터 120˚ 간격[3/8inch(0.9cm)]으로 뚫린 1/64inch(0.04cm)의 3개의 홀을 갖는 외부직경(OD)이 3/8inch(0.9cm)인 스테인레스 스틸 내부 공기 도관(15)으로 이루어져 있다. 외부 2상 혼합기 본체 부분은 내부 직경(ID)이 0.423inch(1.1cm)로 기계화된 3/8inch(0.9cm)의 PVC 파이프 니플로 이루어져 있다. 장치의 나머지는 1/2inch(1.3cm) PVC 파이프 티, 3/8inch(0.9cm)의 관을 통과하도록 구멍을 뚫은 3/8inch(0.9cm) 관 연결기로의 스데인레스 스틸 1/2inch(1.3cm) 웅형 파이프 드레드 및 2개의 1/2inch(1.3cm) 내지 3/8inch(0.9cm)의 파이프 부싱으로 이루어져 있다. 부싱 중의 하나는 티의 운행 말단 중의 하나에 연결되어 있고, 3/8inch(0.9cm)의 파이프 니플은 부싱에 부착되어 있다. 관 연결기로의 파이프는 관의 팁이, 내부에 1/64inch(0.04cm)의 3개의 홀이 있는 니플의 말단을 지날 때까지 티의 다른 운행 말단과 연결기를 통해서 삽입된 3/8inch(0.9cm)의 관에 연결되어 있다.

2상 혼합 장치는 제2 부싱을 사용하여 탱크 바닥의 중심에 있는 1/2inch(1.3cm)의 자형 파이프 드레드 포트에 연결되어 혼합기는 탱크 상부 수직으로 배기된다. March TE-5C-MD 원심 펌프로부터의 배기 파이프는 티의 나머지 포트에 연결되어 있다. 이러한 펌프의 흡인 파이핑은 탱크의 바닥 코너에 있는 1/2inch(1.3cm)의 자형 파이프 드레드 포트에 연결되어 있다. Wallace와 Tiernan 모델 5120M12333XXL Varea-Meter 유속계는 배기 파이핑에 위치하여 액체 유속을 측정한다. 공기 공급관은 3/8inch(0.9cm)의 관에 연결되어 있고 공기 유속은 Matheson 다층 유동 조절기 모델 8274가 장착되어 있는 Matheson 질량 유동 변환기로 측정한다.

액체 유속은 1.75gallon/분(GPM)(11 × 10^-5m³/초)이고 공기 유속은 1.235표준 리터/분(SLM, 표준 조건은 0℃ 및 압력 760mmHg이다)이다. 이러한 유속에서, 탱크는 작은 기포로 충전되고 우유빛의 거의 불투명한 외관을 갖는다.

두께가 1/8inch(0.3cm)인 흑색 고무 시트를 탱크의 최상부에 걸고 액체 수준 아래 약 1과 1/2ft(0.46m)까지 탱크 아래로 연장시킨다. 이 시트는 탱크 앞 벽의 수 mm 이내에 위치하여 배경막을 형성하여 이러한 얇은 장 속의 개별 기포를 볼 수 있도록 한다. 현미경이 부착된 비디오 카메라를 사용하여 탱크의 아크릴 벽 안의 작은 영역을 비디오테이프 녹화한다. 투명하게 인쇄된 1mm에 그리드를 탱크에 감고 현미경 배율을 조정하기 위해서 또한 비디오테이프 녹화한다.

조그/셔틀 특성이 있는 비디오 카세트 레코더(VCR)를 사용하여 비디오테이프를 보아 비디오 테이프의 개별 프레임을 분석할 수 있다. 비디오테이프 프레임에 나타난 기포를, mm 크기로 비디오 모니터의 스크린에서 측정한다. 1mm 그리드를 나타내는 비디오테이프 프레임도 이런 식으로 보이고 그리드 분할도 동일 모니터에서 측정된다. 이는 배율을 약 60 대 1(측정치 1.0mm = 실제 크기 0.0154mm)로 정한다.

크기가 0 내지 0.046mm인 20개의 기포가, 크기 0.047 내지 0.154mm 범위에 있는 10개, 크기 0.155 내지 0.231mm 범위에 있는 4개 및 크기 0.232 내지 0.385mm 범위에 있는 3개와 함께 하나의 프레임에서 관찰된다. 측정할 수 있는 가장 작은 기포는 0.0154mm이고, 프레임에서 관찰되는 가장 큰 기포는 0.385mm이다.

실시예 2

산소 이동 시험을 문헌[참조: American Society of Civil Engineers(ASCE) clean water non-steady state procedure("A Standard for the Measurement of Oxygen Transfer in Clean Water." Amer. Soc. of Civil Eng., New York, N. Y. (1984)]에 따라서 염수 폐수용으로 고안되고 도 2에 나타낸 장치의 방식으로 제조된 전단 혼합 장치에서 수행한다. 시판중인 공지된 조 기포 확산기에 대한 비교 데이터와 함께 시험 결과를 표 1에 나타낸다.

[표 1]

전단 혼합기와 조 기포 확산기를 직접 비교하기 위해서, α값(2개의 시험된 시스템에 대한 k_La₂₀의 비로 정의한다)을 사용한다. 이러한 경우, 표준 또는 참조 상태는 조 기포 확산기(CBD)를 사용한 정수에 대한 시행 1이다. 시행 1과 7을 사용하면, 정수에서 α값, 즉 k_La₂₀ 전단 혼합기(시행 4)/K_La₂₀ CBD(시행 1)은 3.9이다. 시행 1과 7을 사용하면, 5% 염수에서 a 값, 즉 k_La₂₀ 전단 혼합기(시행 7)/k_La₂₀ CED(시행 1)은 9.6이다.

표 1에 나타낸 데이터는 시판되는 조 기포 확산기에 대한 본 발명의 효율성을 설명한다. 단위(1.0)보다 큰 α값은 조 기포 확산기에 비해 전단 혼합기에 대한 보다 효과적인 물질 이동을 나타낸다. 물질 이동의 증가는 적어도 일부는 표면적이 증가함에 따른 것으로 믿어진다. 표면적이 증가하는 것은 조 기포 확산기에 대한 통상적인 평균 기포 크기보다 작은 전단 혼합기에 대한 평균 기포 크기에 기인한다. 염수 시험 용액에 대한 α값(시행 7)은 정수에서의 조 기포 확산기(시행 1)에 대해 물질 이동이 향상된 것은 적어도 부분적으로는 액체의 비포합성에 기인함을 제안한다. 다시 말해서, 일단 형성된 기포는 다른 기포와 합치거나 포합되기 보다는 이의 일체성을 유지하는 경향이 있다.

실시예 3

단량체 가공시 설치된 기체/액체 전단 혼합기의 요약

10 단계 반응기에서 앞의 7 단계에서의 유리 라디칼 중합체 형성을 제거하기 위해서, 본 발명의 기체/액체 전단 혼합기 7개를 각각의 단계에 하나씩 설치하여 반응 혼합물 속에서 공기 분산성을 향상시킨다. 전단 혼합기는 제1 도관(50)에 하나의 구멍/오리피스(54)가 있음을 제외하고는 도 2(장치 40)에 나타낸 바와 같다. 공기 중의 산소가 이 시스템에서 유리 라디칼 억제제를 활성화시킨다. 이들 전단 혼합기가 설치되기 전, 중합체는 단계 1 내지 10에서 존재하고, 약 0.5ft³(0.014m³)의 중합체가 8시간마다 여과에 의해 수집된다. 기체/액체 전단 혼합기는 11.5SLM 공기 유속으로 그리고 분당 1.0gallon(6.3 × 10^-5m³/초)의 용매 유속으로 작동한다. 전단 혼합기의 오리피스 직경(단일 오리피스(154)의 직경을 참조로 하여)은 3/16inch(0.5cm)이고 오리피스 길이(각각의 혼합기에서 단일 오리피스(54)로부터 도관(50)의 제2 출구 말단(52)까지)는 1inch(2.5cm)이다. 공기와 용매는 주어진 반응기의 외부에서 혼합되고 반응기 속에 위치한 전단 혼합기로 침지 관을 통해서 전달된다. 전단 혼합기의 설치로 중합체는 앞의 7 반응 단계에서 제거되고 중합체 형성은 8시간마다 0.25ft³(0.007m³)으로 감소한다.

이 실시예에서의 혼합기는 기체 기포 형성용으로 하나의 구멍만 가졌지만 추가의 구멍은 이러한 성능을 향상시켜야 한다. 숙련가들은 얼마나 많은 추가의 구멍이 부당한 실험없이 이들 용도에 적합한지를 쉽게 결정할 수 있다.

실시예 4

기체/액체 전단 혼합기를 물이 유리 라디칼 중합에 민감성인 유기 화합물로부터 공기 스트립에 사용되는 2,000gallon(56.5m³) 용기에 설치한다. 공기 중의 산소는 이 시스템 중의 유리 라디칼 억제제를 활성화시킨다. 기체/액체 전단 혼합기(실시예 3에서 사용한 것과 동일)는 분당 4.0 표준 ft³(SCFM)(119.7SLM)의 공기 유속과 분당 50gallon(0.19m³/분)의 재순환 단량체 유속으로 작동한다. 전단 혼합기는 내부 직경이 1inch(2.4cm)이고 길이가 약 4ft(1.2m)이다. 초기 배치는 유기 단량체 중에 물을 약 2중량%로 함유하고 있고, 20시간 이내에 0.0500% 미만으로 공기 스트립된다. 스트립 조건은 80mmHg 절대압력과 60℃이다. 이런 식으로 공기 스트립된 4개의 배치 중에서 어느 것도 중합체를 형성하지 않았다.

실시예 5

직경이 0.6m이고 높이가 4.57m이며 액체 높이가 4.27m인 용기를 산업 폐수 처리 설비로부터 나온 순화된 활성 슬러지로 충전시킨다. 총 현탁 고체(TSS)는 2,600mg/ℓ 이다. 0.086m³의 충전공적(headspace)을 브룩스 인스트루먼트(Brooks Instrument) 질량 조절기(모델 5851 I)에 의해 측정된 5SLM에서 질소 기체로 퍼징한다. 공급액은 체류 시간 6.3시간 동안 0.19m³/시간으로 공급된다. 공급액은 염도가 70g/ℓ (약 7중량%)인 산업용 산소화 탄화수소 플랜트로부터 나온 폐수이다. 기질 농도는 150mg/ℓ 이다. 시스템을 오리피스 직경이 0.005m인 조 기포 스파저(sparger)을 사용하여 브룩스 인스트루먼트 질량 유동 조절기(모델 5851 I)에 의해 측정된 산소 1.14SLPM으로 통기시키고 1시간 동안 고정 상태로 방치한다. 용해된 산소 농도는 인골드 엘렉트로닉스 인코포레이티드(Ingold Electronics Inc.)의 DO센서/변환기(모델 4300)에 의해 측정한 바에 따르면 0.1mg/ℓ 이고, 배기 산소는 텔레다인 어낼리틱 인스트루먼츠(Teledyne Analytic Instruments) 모델 TAI 322 멀티 채널 산소 모니터링 시스템에 의해 측정한 바에 따르면 15.9%이어서, 계산된 산소 이동 효율은 23%이다. 이런 점에서 산소 유동은 산소 유동과 다른 파라미터가 모두 일정한 도 2에 나타낸 바와 같이 본 발명의 대표적인 전단 혼합 장치로 갑작스럽게 전향한다. 배기 산소 농도는 즉시 감소되기 시작하고 생성되는 계산된 산소 이동 효율은 증가하기 시작한다. 7분 후, 이동 효율은 배기 산소 농도가 10.2%인 50%이다. 13분에 이동 효율은 배기 산소 농도가 6.4%인 70%이다. 52분에 이동 효율은 새로운 고정 상태값을 정하는 배기 산소 농도가 2.2%인 90%이다. 이후, 용해된 산소는 고정 상태 값 5mg/ℓ로 신속하게 상승하기 시작한다.

실시예 6 내지 8

실시예 6 내지 8과 비교예 A와 B를 4개의 수직 배플과 1 또는 2개의 임펠러가 달린 교반기가 장착된 30ℓ 들이 수직으로 세운 원통형 CSTR에서 수행한다. 비교예 A와 B에서는 직경이 5inch의 케미니어(Chemineer™) CD-6인 하부 임펠러와 직경 5inch의 라이트닝(Lightning™) A-315인 상부 임펠러를 사용한다. 실시예 6 내지 8은 라이트닝 A-315 임펠러만을 사용한다.

실시예 6 내지 8에 있어서, HOCl 수용액을 임펠러 중심 부근에 연속해서 가한다. 액체를 CSTR 바닥으로부터 펌핑하고 용기의 외벽에 붙어 있는 내부 직경이 0.295inch인 본 발명의 전단 혼합 장치(도 2에 나타냄)에 연결된 재순환 라인(이는 또한 용기 벽을 통해서 전단 혼합 장치로부터 임펠러의 바닥 바로 아래 지점까지 연장되어 있다)을 통해서 CSTR로 되돌아 온다. 올레핀 기체는 내부 직경이 0.295inch인 관을 통해 액체 유동에 수직인 혼합 장치로 들어온다. 생성물을 CSTR에서 일정한 액체 수준을 유지하기 위해서 공급율과 동일한 이율로 용기로부터 계속 제거한다.

비교예 A와 B에 있어서, HOCl 수용액을 저부 임펠러의 중심 부근으로 연속해서 가한다. 올레핀 기체를 직경 1/4inch의 관으로 이루어진 직경 4inch의 스파저 링을 통해서 하부 임펠러 아래로 가한다. 스파저 링은 링 주위에 일정한 간격으로 12개의 1/32inch의 홀을 갖는다. CSTR 내의 일정한 액체 수준을 유지하기 위해서 생성물을 바닥 펌프를 통해 용기로부터 계속해서 제거한다.

실시예 6

본 발명의 전단 혼합 장치를 사용한 프로필렌 클로로하이드린의 제조

위에서 언급한 CSTR을 압력 50psig, 69℃ 및 분당 400회전(rpm)의 교반기 속도로 작동시킨다. HOCl 용액 5.8중량%를 215lb/시간의 물과 함께 255lb/시간으로 가한다. 표면 액체 속도 31ft/초를 제공하는 혼합기를 통해서 3,200lb/시간으로 액체를 재순환시킨다. 프로필렌 기체를 혼합기를 통해서 12.5lb/시간, 표면 기체 속도 10ft/초 및 액체 대 기체 속도 비 3.1로 가한다. 생성물은 483lb/시간으로 CSTR의 바닥으로부터 연속해서 제거된다. 반응 시간은 2분으로 HOCl의 전환율은 99%이고 프로필렌 클로로하이드린 생성물 수율은 프로필렌을 기준으로 하여 98.0%이다.

비교예 A

통상적인 기체 스파저를 사용한 프로필렌 클로로하이드린의 제조

위에서 언급한 CSTR을 압력 50psig, 71℃ 및 560rpm의 교반기 속도로 작동시킨다. HOCl 용액 5.65중량%를 63lb/시간의 물과 함께 115lb/시간으로 가한다. 깨끗한 프로필렌을 링 스파저를 통해서 반응기 충전공적으로부터 나온 재순환 프로필렌 10lb/시간과 함께 4.7lb/시간으로 가한다. 생성물을 183lb/시간으로 연속해서 제거한다. 반응 시간은 12분이고 HOCl의 전환율은 99.8%이며 프로필렌 클로로하이드린 생성물의 수율은 프로필렌을 기준으로 하여 97.5%이다.

실시예 7

본 발명의 전단 혼합 장치를 사용한 부틸렌 클로로하이드린의 제조

부틸렌 기체를 8.1lb/시간으로 사용하여 실시예 6의 방법을 반복한다. 반응 조건은 압력 20psig, 66℃ 및 단일 임펠러에 대해서 교반 속도 400rpm이다. 액체 공급은 HOCl 용액 5.6중량%를 168lb/시간의 물과 함께 150lb/시간이다. 액체를 표면 속도 31.9ft/초에 대해 3,400lb/시간으로 전단 혼합기를 통해서 재순환시킨다. 액체 대 기체 속도 비 2.7을 제공하는 표면 기체 속도는 11.8ft/초이다. 생성물을 CSTR로부터 326lb/시간으로 연속해서 제거한다. 반응 시간은 3분으로 HOCl 전환율은 99.8%이고 부틸렌 클로로하이드린 생성물의 수율은 부틸렌을 기준으로 하여 94.9%이다.

비교예 B

통상적인 기체 스파저를 사용한 부틸렌 클로로하이드린의 제조

링 스파저로 4.7lb/시간으로 공급되는 기체로 부틸렌을 사용하여 비교예 B의 방법을 따른다. 반응 조건은 압력 20psig, 52℃ 및 교반기 속도 550rpm이다. 액체 공급은 HOCl 용액 4.9중량%를 57.5lb/시간의 물과 함께 95.5lb/시간이다. 생성물을 158lb/시간으로 연속해서 제거한다. 반응 시간은 15분이고 HOCl 전환율은 99.5%이고 부틸렌 클로로하이드린 생성물의 수율은 부틸렌을 기준으로 하여 94.2%이다.

실시예 8

본 발명의 전단 혼합 장치를 사용한 헥센 클로로하이드린의 제조

프로필렌 대신에 1-헥센을 7.2lb/시간으로 사용하여 실시예 6의 방법을 다시 따른다. 반응 조건은 압력 3.8psig, 78℃ 및 교반기 속도 480rpm이다. 액체 공급은 HOCl 용액 2.14중량%이다. 반응기로부터 액체를 혼합기를 통해서 표면 액체 속도 29ft/초에 대해서 3,080lb/시간으로 재순환시킨다. 표면 기체 속도는 액체 대 기체 속도 비 1.0에 대해서 29ft/초이다. 생성물을 166lb/시간으로 연속해서 제거한다. 반응 시간은 14.4분이고 HOCl 전환율은 100%이고 헥센 클로로하이드린 생성물의 수율은 헥센을 기준으로 하여 88.2%이다.

본 발명은 통상적인 기포 발생 장치에서 확산기 평균 구멍 직경을 감소시키는 것과 관련된 문제점들을 일으키지 않음과 동시에 직경이 1mm 미만인 기포를 액체 속에 발생시킨다.

도 1은 제1 양태에서 및 이후 언급하는 제1 양태에 따르는, 본 발명의 전단 혼합 장치의 축방향의 개략적인 횡단면도이다.

도 2는 이후 언급하는 제2 양태가 특징인 본 발명의 또 다른 전단 혼합 장치의 축방향의 개략적인 단면도이다.

도 3은 본 발명의 전단 혼합 장치의 제3 양태의 축방향의 개략적인 단면도이다.

도 4는 도 3의 장치의 상부 평면도이다.

도 5는 표 1에 제공된 데이터의 그래프이다. 표 1은 실시예 2에 있어서의 산소 이동 시험 결과와 관련된다. 수직축은 k_La₂₀을 나타내고 수평축은 표준 리터/분(SLM)으로 나타낸 기체 유속을 나타낸다.

도 6은 통상적인 전단 혼합 기술을 사용하여 소정의 기포 직경을 수득하기 위한 압력 강하 또는 에너지 팽창(킬로파스칼)을 나타내는 그래프이다.

Claims (3)

1. 기체와 액체를 분리시키는 부재 또는 요소내의 하나 이상의 구멍을 통하여 기체를 액체 속으로 도입할 때, 기체 기포를 형성하기에 충분한 압력하에 기체를 위치시키는 단계(a)와

   기체와 액체에 대한 임계 웨버 수(critical Weber number)를 초과하는 웨버 수를 제공하기에 충분한 선형 유속으로 액체를 구멍을 통하여 유동시킴으로써 기포 직경이 약 0.1mm 미만인 기포가 액체 속에 형성되는 단계(b)를 포함하여, 액체 속에 기체 기포를 발생시키는 방법.
2. 제1항에 있어서, 액체가 메틸렌 클로라이드이고 기체가 포스겐을 포함하는 방법.
3. 제1항에 있어서,

   기체와 액체를 분리시키는 부재 또는 요소내의 하나 이상의 구멍을 통하여 기상 카본산 유도체를, 디하이드록시 화합물을 함유하는 수성 상과 유기 상을 갖는 액상 반응 혼합물 속으로 도입할 때, 기체 기포를 형성하기에 충분한 압력하에 기상 카본산 유도체를 위치시키는 단계(a)와

   기체와 액체에 대한 임계 웨버 수를 초과하는 웨버 수를 제공하기에 충분한 선형 유속으로 당해 액상 반응 혼합물을 구멍을 통하여 유동시킴으로써 기포 직경이 약 0.1mm 미만인 기포가, 폴리카보네이트가 생성되고 유기 상 속에 용해되어 축적되도록 액상 반응 혼합물 속에 형성되는 단계(b)를 포함하여, 액체 속에 기체 기포를 발생시키는 방법.

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