KR100898065B1

KR100898065B1 - 마이크로 리액터

Info

Publication number: KR100898065B1
Application number: KR1020070105446A
Authority: KR
Inventors: 송상섭
Original assignee: 송상섭
Priority date: 2007-10-19
Filing date: 2007-10-19
Publication date: 2009-05-15
Also published as: KR20090039938A

Abstract

본 발명은 복수의 유체를 혼합하여 반응시키는 마이크로 리액터에 관한 것으로, 특히 서로 혼합될 둘 또는 그 이상의 상태 흐름을 수회 이상 분할 및 교차하는 혼합판을 다수 적층하여 반응시간을 길게 하면서 다량의 반응물을 생성하는 마이크로 리액터에 관한 것이다.

Description

마이크로 리액터{micro reactor}

종래 마이크로 리액터로서, 예컨대 한국공개특허 제2001-0024538호의 공보에 개시된 것이 제안되어 있다(도 1 참조).

종래 적어도 2개의 유체를 혼합하기 위한 마이크로 리액터는, 도 1에 도시한 바와 같이, 각각의 상기 유체를 위한 하나의 유입 통로, 이들 유체의 흐름을 일 회 또는 그 이상 교차 및 분할하는 혼합 구역, 및 혼합물용의 유출 통로를 구비하며, 하우징 하부(2)와 하우징 상부(3)가 서로 대면하는 접속면(6,7) 상에 밀봉식으로 서로 지지되고, 스크류 또는 플랜지 부착 연결 요소에 의한 압축력에 의해서 서로 연결되며, 유입 통로(1a,1b)와 유출 통로(5)가 상기 접속면(6,7)에 의해서 형성된 분할면에 개방되어 있고, 혼합 구역(8)을 형성하는 통로 홈(9,10)은 2개의 접속면 중 적어도 한쪽의 접속면(6 또는 7)에 형성되어 있다.

따라서, 2가지의 유체는 서로 교차, 분할, 교차, 분할, 교체를 수회 거치면서 교체되는 횟수가 많아지기 때문에 그만큼 반응시간도 충분히 길어 혼합률이 매우 높은 우수한 반응혼합물을 얻을 수 있다.

그러나, 전술한 혼합 구역(8)은 하우징 하부(2) 또는 하우징 상부(3)의 접속면에 성형되기 때문에, 적층이 불가능하다. 적층이 불가능하기 때문에 대량생산의 목적으로는 실용성이 없다.

실용성을 가지려면, 위의 혼합 구역(8)을 매우 크게 형성하거나, 마이크로 리액터를 필요한 양만큼 수십 개 이상 제조해야 하는데, 그러면 미세 구역 내에서 반응하는 마이크로 리액터의 본래의 목적에 어긋날 뿐만 아니라 비용도 많이 들고 부피도 매우 커서 점유 스페이스를 많이 차지하는 단점이 있다.

한편, 다른 유형의 종래 마이크로 리액터로서, 예컨대 독일공개특허(DE 199 27 556)의 공보에 개시되어 있다.

도 2a 내지 도 2d에 도시한 바와 같이, 마이크로 리액터는 하우징(10), 분배판(21), 서로 엇갈리게 배치하는 혼합판(20a)(20b), 혼합판(20b)과 혼합판(20a) 사이에 개재되는 중간판(22), 가이드핀(31) 및 커버판(11)으로 구성하여 있다.

하우징(10)에는 제1유입구(12a)와 제2유입구(12b)가 형성되어 있다.

분배판(21)에는 유입구(12a)의 유체A를 통과시키는 리세스(26)와 관통유로공(24a)이 형성되어 있다.

이 관통유로공(24a)에서 나오는 유체A는 분배판(22)의 관통공(24)을 혼합판(20a)의 가장자리(24a)로 나와 센터(23)로 유입된다.

한편, 유입구(12b)의 유체B는 하우징(10)의 측벽을 따라 유동하여 각 중간판(22)의 홈(24b)을 통해 들어가고 서로 겹친 혼합판(20b)의 스타 모양의 관통유로공(25)의 가장자리(24b)로 유체B와 들어와 센터(23)로 유입된다.

따라서, 각 혼합판(20b)(20a)의 센터(23)에는 유체A와 유체B가 혼합되고, 이 혼합된 유체C는 센터(23)를 위쪽으로 유동하여 커버판(11)의 배출구(13)를 통해 나간다.

이처럼 유체A와 유체B는 각 혼합판(20b)(20a)의 센터(23)에서 한 번만 만나서 혼합되고 그 후로는 분할 교체하지 않고 센터(23)에서 배출구(13)로 빠져나가는 유동 구조이다.

그러므로, 다수의 적층으로 다량의 반응물을 생성하여 매우 실용적이지만, 혼합이 센터(23)에서 한 번만 이루어지기 때문에 반응시간이 짧아 반응시간을 필요로 하는 대부분의 화학반응에 부적합하다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 반응시간을 충분히 길게 하면서 다량의 반응물을 얻을 수 있는 실용적이며 소형인 마이크로 리액터를 제공함에 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 청구항1에 기재된 마이크로 리액터는,

제1유체공급구와 제2유체공급구, 혼합물배출구, 상기 제1 및 제2유체공급구와 상기 혼합물배출구 사이를 연결하며 적어도 수회 이상 교차, 분할되는 유로를 갖는 제1혼합판; 제1유체공급구와 제2유체공급구, 혼합물배출구, 상기 제1 및 제2유체공급구와 상기 혼합물배출구 사이를 연결하며 적어도 수회 이상 교차, 분할되는 유로를 갖는 제2혼합판; 상기 제1혼합판과 상기 제2혼합판의 유로를 격리하는 중간판; 적어도 상기 제1혼합판의 상기 제1유체공급구와 연통하는 제1커버판; 적어도 상기 제2혼합판의 상기 제2유체공급구와 연통하는 제2커버판으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의하면, 각 혼합판에 적어도 수회 이상의 교차, 분할을 반복하기 때문에 반응시간을 길게 하여 혼합효율을 매우 높일 수 있고, 또한 다층으로 적층되어 있기 때문에 다량의 반응물을 얻을 수 있어 실용성과 소형 장치를 만족시킬 수 있다.

본 발명의 청구항2에 기재된 마이크로 리액터는,

상기 제1혼합판의 유로 및 제2혼합판의 유로 각각은, 지그재그 형태로 다수 배열 형성되는 표면측 채널유로와; 상기 표면측 채널유로와 병렬로 배치 형성되는 이면측 채널유로와; 상기 표면측 채널유로와 상기 이면측 채널유로가 교차하는 부분에 형성되는 관통유로로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의하면, 혼합판 각각은 단일판으로 구현되어 같은 높이에 대해 최대한 적층이 가능하여 더 많은 양의 혼합물을 생성할 수 있다.

본 발명의 청구항3에 기재된 마이크로 리액터는,

상기 제1혼합판과 제2혼합판 각각은, 혼합물배출구가 형성되고, 직선관통유로와 분할관통유로를 갖는 관통유로가 다수 배치 형성되는 혼합중판과; 상기 제1유체공급구가 형성되는 혼합하판과; 상기 제2유체공급구가 형성되는 혼합상판으로 구성되되, 상기 혼합상판과 상기 혼합하판 각각에는, 상기 첫 번째 관통유로의 직선관통유로와 상기 제1유체공급구 및 제2유체공급구를 연결하고, 상기 첫 번째 관통유로의 분할관통유로와 다음번째 관통유로의 직선관통유로를 연결하는 브리지관통유로가 다수 형성되고; 상기 혼합중판에는 마지막 관통유로의 분할관통유로와 상기 혼합물배출구가 연결되는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의하면, 각 혼합판은 3매가 1조를 이루기 때문에 같은 높이에 대해 혼합판의 적층수가 상대적으로 적지만, 유로가 관통공이고 덜 복잡하기 때문에 제조가 상대적으로 편리하다.

본 발명에 관한 마이크로 리액터는 다수의 교차와 분할을 하는 혼합구역이 다층으로 적층 가능하여 반응시간을 충분히 길게 하여 혼합효율을 높일 뿐만 아니라 다량의 반응물(혼합물)을 생성할 수 있어 실용적인 소형 장치를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의하여 설명하는데, 종래의 것과 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.

도 3a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 마이크로 리액터의 복수층만 도시한 분해 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 혼합판을 도시한 평면도이고, 도 3c는 도 3b의 부분 단면도이다.

도 3a에 도시한 바와 같이, 본 일 실시예에 따른 마이크로 리액터(100)는 제1커버판(110), 제1혼합판(130), 중간판(150), 제2혼합판(170), 제2커버판(190)으로 적층되어 있다.

제1커버판(110)의 일측에는 제1유체(A)가 유입되는 제1유체입구(111)가 천공 형성되어 있다.

제2커버판(190)의 일측에는 제2유체(B)가 유입되는 제2유체입구(191)가 천공 형성되어 있다.

제1유체입구(111)와 제2유체입구(191)는 서로 엇갈리는 위치에 두어 다른 방향에서 제1유체(A)와 제2유체(B)가 유입되는 것이 좋다.

예컨대 본 실시예에서와 같이, 제1유체입구(111)는 1, 3, 5와 같은 홀수 위치에 있고, 제2유체입구(191)는 2, 4, 6과 같은 짝수 위치에 있다.

한편, 제1커버판(110)과 제2커버판(190)의 타측에는 혼합된 유체(C)를 배출하는 혼합물출구(113)(193)가 천공 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 혼합물출구(113)와 혼합물출구(193) 중 어느 하나에만 형성되어도 좋고, 혼합물출구(113)(193) 없이도 혼합판(130)의 혼합물배출구(133) 또는 혼합판(170)의 혼합물배출구(173)를 이용하여도 무방하다.

제1혼합판(130)의 양측에는 도 3b에 도시한 바와 같이, 제1유체입구(111) 및 제2유체입구(191)와 연통하는 유체공급구(131)와, 혼합물출구(113)와 연통하는 혼합물배출구(133)가 천공 형성되어 있다.

유체공급구(131)와 혼합물배출구(133) 사이에는 적어도 수회 이상 교차 및 분할을 반복하는 유로(140)가 형성되어 있다.

유로(140)는 도 3b 및 도 3c에 도시한 바와 같이 지그재그 형태로 다수 배열 형성되는 표면측 채널유로(141)와, 상기 표면측 채널유로(141)와 병렬로 배치 형성되는 이면측 채널유로(143)와, 상기 표면측 채널유로(141)와 상기 이면측 채널유로(143)가 교차하는 부분에 형성되는 관통유로(145)로 구성되어 있다.

또한, 본 실시예에서는 유로(140)가 제1혼합판(130)에 5열로 배치되어 있다.

마찬가지로 제2혼합판(170)에도 제1유체입구(111) 및 제2유체입구(191)와 연 통하는 유체공급구(171)가 천공 형성되어 있다.

유체공급구(171)와 혼합물배출구(173) 사이에는 적어도 수회 이상 교차 및 분할을 반복하는 유로(180)가 형성되어 있다.

유로(180)는 도 3b 및 도 3c에 도시한 바와 같이 지그재그 형태로 다수 배열 형성되는 표면측 채널유로(181)와, 상기 표면측 채널유로(181)와 병렬로 배치 형성되는 이면측 채널유로(183)와, 상기 표면측 채널유로(181)와 상기 이면측 채널유로(183)가 교차하는 부분에 형성되는 관통유로(185)로 구성되어 있다.

이와 같은 유로(140)(180)의 구성에 의하여, 각 유체공급구(131)(171)로 공급된 유체(A)와 유체(B)는 표면측 채널유로(141)(181)와 이면측 채널유로(143)(183)로 분할 유동하다가 관통유로(145)(185)에서 교차 혼합되고, 이 혼합된 유체는 계속해서 표면측 채널유로(141)(181)와 이면측 채널유로(143)(183)로 분할하고 관통유로(145)(185)에서 교차 혼합하는 과정을 반복하다.

따라서, 적어도 수회 이상의 분할과 교차를 통해 반응시간을 충분히 길게 하여 혼합비율을 매우 높여 양질의 혼합물을 얻을 수 있다.

또한, 혼합판(130)과 혼합판(170)이 적층(적층되는 혼합판의 개수는 생산되는 양에 따라 정해질 수 있다)되어 있기 때문에 혼합물의 양을 매우 많이 얻을 수 있어 매우 실용적일 뿐 아니라 박판의 적층 구조이기 때문에 소형으로 취급도 용이하다.

한편, 혼합판(130)과 혼합판(170) 사이에는 중간판(150)이 개재되어 있는 것이 바람직하다.

이 중간판(150)은 제1혼합판(130)의 표면과 제2혼합판(170)의 이면을 격리하여 유체의 교차 분할의 반복을 원활히 행할 수 있다.

또한, 중간판(150)에도 유체유입구(131)(171) 및 유체배출구(133)(173)와 연통하는 연통구(151)(153)가 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 도 4a는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 마이크로 리액터의 단일층만 도시한 분해 사시도이고, 도 4b는 도 4a의 평면도이다.

도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 마이크로 리액터(200)는 제1커버판(210), 혼합판(230), 제2커버판(290)으로 적층되어 있다.

제1커버판(210)의 일측에는 제1유체(A)가 유입되는 제1유체입구(211)가 천공 형성되어 있다.

제2커버판(290)의 일측에는 제2유체(B)가 유입되는 제2유체입구(291)가 천공 형성되어 있다.

제1유체입구(211)와 제2유체입구(291)는 서로 엇갈리는 위치에 두어 다른 방향에서 제1유체(A)와 제2유체(B)가 유입되는 것이 좋다.

한편, 제1커버판(210)과 제2커버판(290)의 타측에는 혼합된 유체(C)를 배출하는 혼합물출구(213)(293)가 천공 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 혼합물출구(213)와 혼합물출구(293) 중 어느 하나에만 형성되어도 좋고, 혼합물출구(213)(293) 없이도 혼합상판(230b)의 혼합물배출구(233b) 또는 혼합하판(230c)의 혼합물배출구(233c)를 이용하여도 무방하다.

혼합판(230)은 혼합하판(230c), 혼합중판(230a), 혼합상판(230b) 3개가 적층 된 구조를 취하고 있다.

혼합중판(230a)에는 직선관통유로(241a~241h)와 2개의 분할관통유로(243a~243h)를 갖는 관통유로(240a~240h)가 직렬로 배치되어 있다.

즉, 직선관통유로(241a~241h) 각각은 혼합중판(230a)의 길이방향으로 형성된 장공이 바람직하다.

분할관통유로(243a~243h) 각각은 직선관통유로(241a~241h)의 하류단에서 양쪽으로 갈라지는 형태로서 경사공(243'), 수평공(243''), 수직공(또는 직선공)(243''')으로 구성되어 있다.

또한, 혼합중판(230a)에는 혼합물배출구(233a)가 형성되고, 이 혼합물배출구(233a)에는 본 실시예의 마지막 관통유로(240h)의 분할관통유로(243h)가 연결되어 있다.

혼합하판(230c)의 일측에는 제1유체입구(211)와 연통하는 제1유체공급구(231c)가 형성되고, 타측에는 혼합물출구(213)와 연통하는 혼합물배출구(233c)가 형성되어 있다.

또한, 혼합하판(230c)에는 도 4b에 도시한 바와 같이, 제1유체공급구(231c)와 직선관통유로(241a)의 상류단을 연결하는 브리지관통유로(244a)가 형성되어 있다.

또한, 혼합하판(230c)에는 분할관통유로(243a~243h)의 하류단과 직선관통유로(241b~241h)의 상류단을 연결하는 브리지관통유로(244b~244h)가 형성되어 있다.

이와 같이, 브리지관통유로(244a~244h)는 지그재그 형태로 배치되어 있다.

마찬가지로, 혼합상판(230b)의 일측에는 제2유체입구(291)와 연통하는 제2유체공급구(231b)가 형성되고, 타측에는 혼합물(C)의 출구(293)와 연통하는 혼합물배출구(233b)가 형성되어 있다.

또한, 혼합상판(230b)에는 도 4b에 도시한 바와 같이, 제2유체공급구(231b)와 직선관통유로(241a)의 상류단을 연결하는 브리지관통유로(245a)가 형성되어 있다.

또한, 혼합상판(230b)에는 분할관통유로(243a~243h)의 하류단과 직선관통유로(243b~243h)의 상류단을 연결하는 브리지관통유로(245b~245h)가 형성되어 있다.

이와 같이, 브리지관통유로(245a~245h)도 지그재그 형태로 배치되어, 도 4b에 도시한 바와 같이 브리지관통유로(244a~244h)와 각각 나란히 배치되게 된다.

이와 같이, 혼합판(230)은 혼합중판(230a), 혼합상판(230b) 및 혼합하판(230c) 3장을 1조로 이루지만, 유로가 관통공이기 때문에 제조가 간단하고 유로 구조가 복잡하지 않다는 장점이 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변경 또는 변형하여 실시할 수 있음은 해당기술분야의 당업자라면 자명하다 할 것이다.

본 발명은 2종류 이상의 유체를 혼합하고 반응시키는 장치에 적용할 수 있다.

도 1은 종래 하우징 하부와 하우징 상부를 포함하는 마이크로 리액터의 분해 사시도,

도 2a는 종래 다른 마이크로 리액터의 분해 단면도.

도 2b 내지 도 2d는 도 2a의 각 부품도.

도 3a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 마이크로 리액터의 복수층만 도시한 분해 사시도.

도 3b는 도 3a의 혼합판을 도시한 평면도.

도 3c는 도 3b의 I-I선을 취하여 본 단면도.

도 4a는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 마이크로 리액터의 단일층만 도시한 분해 사시도.

도 4b는 도 4a의 평면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100,200 : 마이크로 리액터 110,210 : 제1커버판

111,211 : 제1유체입구 113,193;213,293 : 혼합물출구

130 : 제1혼합판 131,171 : 유체공급구

133,173 :혼합물배출구 140,180 : 유로

141,181 : 표면측 채널유로 143,183 :이면측 채널유로

145,185 : 관통유로 150 : 중간판

151,153 : 연통구 170 : 제2혼합판

190,290 : 제2커버판 191,291 : 제2유체입구

230 : 혼합판 230a : 혼합중판

230b : 혼합상판 230c : 혼합하판

241a~241h : 직선관통유로 243a~243h : 분할관통유로

240a~240h : 관통유로 244a~244h;245a~245h: 브리지관통유로

Claims

제1유체공급구와 제2유체공급구, 혼합물배출구, 상기 제1 및 제2유체공급구와 상기 혼합물배출구 사이를 연결하며 적어도 수회 이상 교차, 분할되는 유로를 갖는 제1혼합판;

제1유체공급구와 제2유체공급구, 혼합물배출구, 상기 제1 및 제2유체공급구와 상기 혼합물배출구 사이를 연결하며 적어도 수회 이상 교차, 분할되는 유로를 갖는 제2혼합판;

상기 제1혼합판과 상기 제2혼합판의 유로를 격리하는 중간판;

적어도 상기 제1혼합판의 상기 제1유체공급구와 연통하는 제1커버판;

적어도 상기 제2혼합판의 상기 제2유체공급구와 연통하는 제2커버판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 리액터.
제1항에 있어서,

상기 제1혼합판의 유로 및 제2혼합판의 유로 각각은,

지그재그 형태로 다수 배열 형성되는 표면측 채널유로와,

상기 표면측 채널유로와 병렬로 배치 형성되는 이면측 채널유로와,

상기 표면측 채널유로와 상기 이면측 채널유로가 교차하는 부분에 형성되는 관통유로로 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 리액터.
제1항에 있어서,

상기 제1혼합판과 제2혼합판 각각은

혼합물배출구가 형성되고, 직선관통유로와 분할관통유로를 갖는 관통유로가 다수 배치 형성되는 혼합중판과,

상기 제1유체공급구가 형성되는 혼합하판과,

상기 제2유체공급구가 형성되는 혼합상판으로 구성되되,

상기 혼합상판과 상기 혼합하판 각각에는, 상기 첫 번째 관통유로의 직선관통유로와 상기 제1유체공급구 및 제2유체공급구를 연결하고, 상기 첫 번째 관통유로의 분할관통유로와 다음번째 관통유로의 직선관통유로를 연결하는 브리지관통유로가 형성되고,

상기 혼합중판에는 마지막 관통유로의 분할관통유로와 상기 혼합물배출구가 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로 리액터.