KR101358512B1 - 연속 흐름 반응기용 혼합기, 연속 흐름 반응기, 상기 혼합기 형성 방법 및 상기 반응기 작동 방법 - Google Patents

연속 흐름 반응기용 혼합기, 연속 흐름 반응기, 상기 혼합기 형성 방법 및 상기 반응기 작동 방법 Download PDF

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Abstract

연속 흐름 반응기(330)용 혼합기(100), 이의 형성 방법 및 이의 작동 방법. 혼합기는 1차 반응물 흐름을 복수 개 포트(124)를 통해 상기 혼합기의 채널에서 2차 반응물 흐름으로 제트류로 주입되는 많은 더 작은 흐름으로 세분화시킨다. 채널(126)은 일정한 폭 치수를 가짐으로써 1차 및 2차 반응물 흐름의 평탄한 흐름 분포 및 국지성 난류를 강화시킨다. 채널의 일정한 폭 치수 및 혼합기의 포트의 크기 및 개수는 1차 반응물 흐름이 채널 내로 바로 주입되어 정상적인 작동 조건에서 주입 지점의 반대쪽 채널의 표면(116)에 부딪히도록 구성될 수 있다.

Description

연속 흐름 반응기용 혼합기, 연속 흐름 반응기, 상기 혼합기 형성 방법 및 상기 반응기 작동 방법{MIXER FOR A CONTINUOUS FLOW REACTOR, CONTINUOUS FLOW REACTOR, METHOD OF FORMING SUCH A MIXER, AND METHOD OF OPERATING SUCH A REACTOR}
본 발명은 일반적으로 혼합기, 특히 연속 흐름 반응기용 혼합기에 관한 것이다.
난류는 많은 화학 공정에서 화학 반응, 열-전달 조작, 혼합 및 연소 공정을 촉진한다. 난류의 효과적인 이용은 반응물들의 계면 접촉을 증가시켜 반응 시간 및 많은 화학물질을 생산하는 데 드는 비용 및 시간을 절약할 수 있게 한다.
많은 기존의 화학적 공정 단위들은 난류성 확산 조건(Re > 2000)하에 둘 이상의 반응물들을 연속적으로 혼합시키고 반응시키기 위해 관형 반응기들을 사용한다. 반응물들은 여러 가지 다른 방식으로 관형 반응기 내로 주입될 수 있다. 상기 반응물들을 도입시키는 하나의 접근법은 이들이 소정의 각도(예컨대 90°)로 만나도록 하는 것이다. 또 다른 접근법은 상기 반응물들이 동축으로 만나도록 하는 것이다. 그러나, 이러한 동축 접근법은 유체가 소정 각도로 만나는 경우에 비해 두 유체 간의 급속 혼합을 유도하는 데는 덜 효과적이다.
상기 관형 반응기의 예는 미첼(Mitchel)의 미국 특허 제 4,909,997 호에 예시되어 있으며, 이 특허는 테트라브로모비스페놀-A의 제조를 위한 반응기에 사용된 충돌 혼합기의 예시를 제공하고 있다. 관형 반응기의 다른 예는 리드(Reed)의 미국 특허 제 3,332,442 호, 셔텀(Shirtum)의 미국 특허 제 5,845,993 호 및 제이비(Zaby)의 미국 특허 제 5,117,048 호에서 확인할 수 있다.
발명의 개요
본 발명의 실시양태는 최소의 역-혼합으로 급속 혼합을 제공하는 연속 흐름 반응기용 혼합기 및 이 혼합기의 형성 방법 및 이의 조작 방법을 포함한다. 구체적으로, 본 발명의 혼합기의 실시양태는 복수 개의 포트를 통해 1차 반응물 흐름을 많은 더 작은 흐름들로 세분화하여 상기 혼합기의 채널내 2차 반응물 흐름으로 제트류로 주입할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 2차 반응물 흐름이 관통하여 이동하고 1차 반응물 흐름이 주입되는 상기 채널은 평탄한 흐름 분포 및 국지성 난류를 강화시키도록 일정한 폭 치수를 가질 수 있다. 다양한 실시양태에서, 채널의 일정한 폭 치수 및 혼합기의 포트의 크기 및 개수는 정상적인 작동 조건에서 1차 반응물 흐름이 채널 내로 주입되어 그 주입 지점 반대쪽의 채널 표면상에 바로 충돌하도록 구성된다.
이를 달성하기 위해, 혼합기의 상대적 치수 및 기결정된 비례 관계를 이용하 여 포트들의 개수 및 직경을 크기 조절(sizing)함으로써 예컨대 0.9 이상의 제트 혼합가(Jet Mixing Number)를 제공하도록 할 수 있다. 0.9 이상의 상기 제트 혼합가를 포트의 개수 및 그의 채널 반대쪽 벽의 상대적 위치와 조합함으로써 상기 제트류의 세분화 정도를 더욱 높이는 한편 높은 제트 속도 및 우수한 국지성 혼합을 유지할 수 있다. 본 발명의 혼합기는 민감성(선택성)이고 빠른-반응성 흐름들을 혼합하는 데 유용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연속 흐름 반응기용 혼합기의 한 실시양태를 예시하고 있다.
도 2는 본 발명에 따른 연속 흐름 반응기용 혼합기의 한 실시양태를 예시하고 있다.
도 3은 본 발명에 따른 연속 흐름 반응기 및 혼합기의 한 실시양태의 단면도를 예시하고 있다.
도 4는 본 발명의 한 실시양태에 따른 연속 흐름 반응기 및 혼합기 구역의 단면도를 예시하고 있다.
도 5는 본 발명에 따른 연속 흐름 반응기용 혼합기의 한 실시양태를 예시하고 있다.
본 발명의 실시양태들은 급속 혼합을 최소의 역-혼합으로 제공하여 불필요한 부산물 형성을 줄이는 연속 흐름 반응기용 혼합기를 포함한다. 급속 혼합을 달성하기 위해, 상기 혼합기는 일정한 폭 치수를 갖는 채널 및 상기 채널 내로 개방되는 포트를 포함한다. 본 발명의 혼합기의 실시양태는 1차 반응물 흐름을 혼합기의 포트를 통해 세분화하고 상기 혼합기의 채널을 통해 이동하는 2차 반응물 흐름으로 주입할 수 있다. 1차 반응물 흐름의 2차 반응물 흐름으로의 세분화 및 주입은 반응물들의 혼합 길이를 최소화하는 데 기여할 수 있다(즉, 매우 짧은 공간에서 흐름들을 혼합할 수 있다).
다양한 실시양태에서, 1차 및 2차 반응물 흐름의 상대적 흐름은 반응물들의 농도 및 필요한 반응(들)의 화학양론적 양에 의존할 수 있다. 이 경우, 포트의 개수 및 크기(즉, 세분화 정도)는 정상 작동 조건에서 1차 반응물 흐름이 채널 내로 주입되어 그 주입 지점 반대쪽 채널의 표면에 직접 부딪히도록 결정될 수 있다. 또한, 1차 반응물 흐름의 상기 복수 개 포트의 개수 및 크기를 통한 주입은 임의의 유체 단위의 평균 체류 시간으로부터 매우 작은 편차를 갖는 반응물 체류 시간 분포를 제공한다.
한 실시양태에서, 상기 최소 혼합 길이는, 1차 반응물 흐름이 2차 반응물 흐름과 함께 최대 비말동반(entrainment)을 가질 수 있고 채널의 주입 지점 반대쪽 채널의 표면에 충돌하여 혼합기의 채널내 반응물 흐름들의 난류성 혼합을 일으키도록 하는 방식으로 상기 포트 및 채널을 크기 조절하는 것으로부터 얻는다. 이러한 혼합 유형은 급속한 조성 균질화가 필요한 공정 및 반응물로부터 빠른 경쟁적 반응이 있는 경우에 중요할 수 있다.
본원에 사용된 "1차 반응물 흐름"은 포트를 통해 혼합기의 채널 안으로 흐르는 하나 이상의 반응물을 포함한다. 본원에 사용된 "2차 반응물 흐름"은 1차 반응물 흐름이 내부로 분사된 채널을 통해(즉, 제 1 단부로부터 제 2 단부를 통해) 온전히 흐르는 하나 이상의 반응물을 포함한다.
다양한 실시양태에서, 1차 반응물 흐름의 유량은 2차 반응물 흐름의 그것보다 더 클 수 있다. 예를 들어, 1차 반응물 흐름은 혼합기를 떠나는 총 부피 흐름의 최대량(majority)을 포함하는 유량을 가질 수 있다. 한 특정 실시양태에서, 1차 반응물 흐름은 2차 반응물 흐름의 부피 유량보다 2배 이상인 유량을 가질 수 있다. 다른 실시양태에서, 1차 반응물 흐름의 유량은 2차 반응물 흐름보다 적을 수 있다. 예를 들어, 1차 반응물 흐름은 혼합기를 떠나는 총 부피 흐름의 최소량(minority)을 포함하는 유량을 가질 수 있다.
본원에서 도면은 번호화 규칙에 따르며, 이때 도면에서 첫 번째 숫자(들)는 도면 번호에 해당하고 나머지 숫자들은 요소 또는 구성요소를 나타낸다. 여러 도면 간에 유사한 요소 또는 구성요소는 유사한 숫자들을 사용하여 나타낼 수 있다. 예를 들어, 110은 도 1의 참조 요소 "10"을 나타내고, 도 2에서의 유사한 요소는 210으로 표시될 수 있다. 주지하고 있듯이, 본원에서 다양한 실시양태에서 도시된 요소들을 첨가, 치환 및/또는 제거하여 밸브의 여러 추가적인 실시양태를 제공할 수 있다. 또한, 한 도면에서의 어느 요소에 대한 특징 및/또는 속성의 논의는 하나 이상의 추가적인 도면에 도시된 요소에도 적용될 수 있다. 도면에 도시된 실시양태들은 꼭 실제 척도에 따른 것은 아니다.
본원에 사용된 "한", "하나의", "상기", "하나 이상" 및 "적어도 하나"란 용어는 상호 교환적으로 사용되며 명확히 달리 기재되지 않는 한 복수의 지시대상을 포함한다. 달리 정의되지 않는 한, 모든 과학적 및 기술적 용어들은 이들이 속하는 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해해야 한다. 본 발명의 목적을 위해, 추가적인 특정 용어들은 본원에 전반적으로 정의된다.
도 1은 본 발명의 한 실시양태에 따른 혼합기(100)의 예시를 제공한다. 다양한 실시양태에서, 혼합기(100)는 긴 내부 슬리브(102) 및 긴 외부 슬리브(104)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 긴 내부 슬리브(102) 및 긴 외부 슬리브(104)는 혼합기(100)의 제 1 단부(108)와 제 2 단부(110) 사이에서 연장된다.
다양한 실시양태에서, 긴 내부 슬리브(102)는 축상 개구(114)를 한정하는 내측 표면(112)을 포함한다. 축상 개구(114)는 긴 내부 슬리브(102)의 제 1 단부(108)와 제 2 단부(110)를 통해 연장되는, 본원에서 논의된, 연속 흐름 반응기의 탑재용 샤프트를 수용하도록 구성된다. 긴 내부 슬리브(102)는 또한 내측 표면(112) 반대쪽 외측 표면(116)을 포함한다. 한 실시양태에서, 외측 및 내측 표면(112, 116)은 혼합기(100)의 장축(118) 둘레에 동심원 형태로 배치된다.
다양한 실시양태에서, 긴 외부 슬리브(104)는 긴 내부 슬리브(102)와 함께 동심원 형태로 배치된다. 긴 외부 슬리브(104)는 제 1 표면(120) 및 제 1 표면(120) 반대쪽 제 2 표면(122)을 포함한다. 긴 외부 슬리브(104)는 또한 긴 외부 슬리브(104)의 제 1 및 제 2 표면(120, 122) 사이에서 그리고 이들을 통해 연장되는 복수 개의 포트(124)를 포함한다.
혼합기(100)는 또한 긴 내부 및 외부 슬리브(102, 104)의 제 1 단부(108)와 제 2 단부(110)를 통해 연장되는 채널(126)을 추가로 포함한다. 도시된 바와 같이, 채널(126)은 긴 내부 슬리브(102)의 외측 표면(116) 및 긴 외부 슬리브(104)의 제 1 표면(120)에 의해 한정될 수 있다. 포트(124)는 채널(126)과 긴 외부 슬리브(104)의 제 2 표면(122) 외측 영역 간에 유체 소통을 제공한다.
다양한 실시양태에서, 채널(126)은 혼합기(100)의 장축(118)에 수직인 고리(즉, 환형 채널)의 단면 형상을 가질 수 있다. 다른 단면 형상도 가능하다. 또한, 채널(126)은 외측 표면(116)과 제 1 표면(120) 사이에서 일정한 폭 치수를 갖는다. 본원에서 논의되는 바와 같이, 상기 일정한 폭 치수는 또한 혼합기(100)의 다른 치수에 대해 기결정된 비례 관계를 가질 수 있다.
논의된 바와 같이, 포트(124)는 긴 외부 슬리브(104)를 통해 연장되어 채널(126) 내로 개방된다. 한 실시양태에서, 포트(124)는 채널(126)을 한정하는 것을 돕는 긴 외부 슬리브(104)의 영역을 따라 균일하게 분포된다. 다른 실시양태에서, 포트(124)는 채널(126)을 한정하는 것을 돕는 긴 외부 슬리브(104)의 영역을 따라 비-균일하게 분포될 수 있다. 예를 들어, 포트(124)는 혼합기(100)의 제 1 단부(108)와 제 2 단부(110) 사이에서 연장되는 구배(gradient) 유사 분포를 가질 수 있다. 다른 구성도 가능하다.
다양한 실시양태에서, 포트(124)는 1차 반응물 흐름을 많은 더 작은 흐름들로 세분화하여 2차 반응물 흐름 내로 제트류로 주입된다. 2차 반응물 흐름 및 상기 조합된 반응물 흐름은 일정한 폭 치수의 채널(126)에 구속되어 평탄한 흐름 분포 및 국지성 난류를 강화시킨다. 1차 반응물 흐름의 제트류를 크기 조절하여 정상적인 작동 조건에서 반대쪽 벽으로 침투시킴으로써 혼합기(100)내 반응물들의 우수한 혼합 및 턴다운(turndown)을 제공한다.
다양한 실시양태에서, 포트(124)를 통해 교차 흐름(즉, 채널(126)내 2차 반응물 흐름) 내로 흐르는 제트류를 특징짓는 데 사용되는 방법은 하기 수학식 I에 의해 계산되는 제트 혼합가(JMN)로 정의될 수 있다:
Figure 112009056356255-pct00001
본원에 사용된 JMN 값은 포트(124)를 통한 제트류가 상기 교차 흐름을 가로질러 반대쪽 벽(예컨대, 긴 내부 슬리브(102)의 외측 표면(116))으로 침투하는지를 나타낸다. 예를 들어, JMN 값이 약 0.07 내지 약 1.0인 경우, 제트류는 교차 흐름을 침투해서 반대쪽 벽을 타격하기 전에 약해진다. JMN 값이 약 0.07 미만인 경우, 제트류는 그 기원한 벽을 따라 머무르고, 인지할 정도로는 교차 흐름 내로 침투하지 못한다. JMN 값이 1.0 이상인 경우, 제트류는 교차 흐름을 침투해서 반대쪽 벽에 닿는다.
본 발명의 다양한 실시양태에서, 상대적 치수 및 기결정된 비례 관계는, 본원에 논의된 바와 같이, 포트(124)의 직경을 크기 조절하여 0.07 이상의 JMN을 제 공하도록 한다. 추가 실시양태에서는, 포트(124)의 직경을 크기 조절하여 0.07 내지 2.0 범위의 JMN을 제공하도록 할 수 있다. 특정 실시양태에서는, 포트(124)의 직경을 크기 조절하여 1.0 내지 2.0 범위의 JMN을 제공하도록 할 수 있다. 다른 JMN 값도 가능하다. 이러한 JMN 값은 그 중에서도 특히 0.9 및 1.0을 포함한다.
0.9 이상의 이들 JMN 값은 약 0.5초 미만의 균질화 시간을 제공한다. 본원에 사용된 "균질화 시간"은 1차 및 2차 반응물 흐름이 채널내 평균 농도로부터 약 5% 농도 편차 미만으로 도달하기 전 소요되는 체류 시간으로 한다. 한 실시양태에서, 약 0.5초 미만의 균질화 시간은 혼합-민감성 반응 및 기타 고도의 난류성 및 급속 혼합이 유익한 시스템을 갖는 빠른-반응 성분들을 혼합하는 데 유익할 수 있다.
도 1에 예시된 바와 같이, 포트(124)는 채널(126)의 제 1 및 제 2 단부(108, 110) 사이에서 행 및/또는 열로 배치될 수 있다. 예시된 바와 같이, 도 1에 예시된 혼합기(100)의 실시양태는 각각 6행의 4개 포트를 갖는 섹션으로 분포된 144개 포트(124)를 갖는다. 확인되는 바와 같이, 포트(124)의 개수, 크기, 공간 및/또는 분포는, 긴 외부 슬리브(104)의 기계적 일체성을 확실히 하고 1차 반응물 흐름이 긴 내부 슬리브(102)(즉, JMN이 0.9 이상)의 외측 표면(116)에 확실히 부딪히도록 구성될 수 있다. 다른 개수 및 구성의 포트(124)를 갖는 혼합기도 가능하다.
또한, 포트(124)의 개수 및 총 단면적은 본원에 논의된 바와 같이 1차 반응물 흐름의 2차 반응물 흐름으로의 충분한 세분화 및 부피 흐름을 제공하도록 선택될 수 있다. 다양한 실시양태에서, 혼합기(100)에 사용된 포트(124)의 개수, 크기 및 형상은 채널(126)과 함께 구성되어, 포트(124)로부터의 유체 제트류가 정상적인 흐름 조건하에 2차 반응물 흐름을 침투하여 반대쪽 벽에 확실히 부딪히도록 한다.
다양한 실시양태에서, 각각의 포트(124)의 단면 형상 및 크기는, 1차 반응물 흐름의 제트류가 각각의 포트(124)(여기서 1차 반응물 흐름은 2차 반응물 흐름에 의해 함께 비말동반되어 긴 내부 슬리브(102)의 외측 표면(116)에 부딪힘)로부터 전달될 수 있도록 선택될 수 있다. 다양한 실시양태에서, 외측 표면(116)은, 1차 반응물 흐름이 표면(116)에 부딪혀 상기 두 반응물 흐름의 난류성 혼합을 제공할 수 있도록 연속 아치형 표면으로 구성된다.
언급된 바와 같이, 포트(124)의 크기 및 단면 형상 둘 다 혼합기(100)의 채널(126)에서 급속 혼합을 가장 우수하게 달성하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 포트(124)는 많은 다른 단면 형상을 가질 수 있다. 이의 예로는, 여럿 중에서도 특히, 원형, 타원형(즉, 비-원형) 및 다각형을 포함하나, 이들로 국한되지 않는다. 또한, 상기 개구를 한정하는 벽은 테이퍼링(tapering)되거나 비-테이퍼링될 수 있다(즉, 제 1 표면(120)으로부터 제 2 표면(122)까지 단면적이 변하거나 변하지 않는다). 추가의 실시양태에서, 상기 단면 형상 및/또는 크기는 포트(124)에 대해 일정할 필요는 없다. 예를 들어, 포트(124)는 제공된 혼합기(100)에 대해 다양한 단면 형상, 크기 및 프로파일을 가질 수 있다.
다양한 실시양태에서, 혼합기(100) 특징부는, 그 특징부의 치수가 특징부들 중 하나의 치수를 구체화하는 것을 기초로 하여 결정되도록 하는 기결정된 비례 관계를 가질 수 있다. 또한, 혼합기(100)에 대해 기결정된 비례 관계를 갖는다는 것 은 혼합기(100)의 축척을 축소 또는 확대하면서 포트들을 통해 거의 일정한 압력 강하를 유지하도록 조정하는 것을 포함할 수 있다.
따라서, 예를 들어, 긴 외부 슬리브(104)의 내부 직경(장축(118)을 통해 제 1 표면(120) 사이에서 측정됨)을 상대적 치수로 취해 다른 값들을 결정할 수 있다. 긴 외부 슬리브(104)의 내부 직경이 1.0의 공칭 값을 갖는다고 하면, 외측 표면(116)에서 측정된 긴 내부 슬리브(102)의 직경은 0.81의 상대적 값(즉, 긴 외부 슬리브(104)의 내부 직경 값의 81%)을 가질 수 있다.
유사하게, 채널(126)의 일정한 폭 치수는 긴 외부 슬리브(104)의 내부 직경에 대해 0.01 내지 1.0 범위의 상대적 값을 가질 수 있다. 하나의 특정 실시양태에서, 상기 채널의 일정한 폭 치수는 긴 외부 슬리브(104)의 내부 직경에 대해 0.09의 상대적 값을 갖는다. 추가의 실시양태에서, 포트(124)의 직경은 0.04의 상대적 값(즉, 긴 외부 슬리브(104)의 내부 직경 값의 4%)을 가질 수 있다. 추가의 실시양태에서, 복수 개의 포트(124) 각각은 각각의 포트의 직경이 환형 채널(126)의 일정한 폭 치수에 상대적인 0.4의 비율을 가질 수 있다.
이어서, 이들 상대적 값의 사용은 혼합기(100)의 다른 특징부들의 치수가 그 관계된 특징부들의 하나의 치수 값을 구체화하는 것으로부터 결정될 수 있도록 한다. 예를 들어, 상기 채널이 약 3.2 cm의 일정한 폭(즉, 긴 내부 슬리브의 외측 표면과 긴 외부 슬리브의 제 1 표면 사이의 거리)을 갖는 경우, 제 1 표면(120)의 직경이 약 13.9 cm의 값을 갖고, 각각의 포트(124)가 약 1.4 cm의 직경을 갖고, 긴 내부 슬리브(102)의 직경이 약 11.3 cm일 것이다. 이어서, 이들 상대적 값을 사용 하여 혼합기(100)의 특징부들의 축척을 사용자의 필요에 따라 축소 또는 확대할 수 있다.
다른 실시양태에서, 환형 채널(126)의 일정한 폭 치수는 혼합기(100)의 다른 특징부들에 대해 기결정된 비례 관계와는 무관하게 일정한 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 환형 채널(126)은 연속 흐름 반응기(130)내 다른 특징부들의 치수들과는 무관하게 약 3.2 cm의 일정한 값을 가질 수 있다.
본원에 논의된 바와 같이, 혼합기(100)는 긴 내부 슬리브(102) 및 긴 외부 슬리브(104)로부터 형성될 수 있다. 한 실시양태에서, 내부 슬리브(102) 및 외부 슬리브(104) 둘 다 내부식성 재료로 형성된다. 본원에 사용된 내부식성 재료는 반응에 저항성이거나 그들이 접촉하고 있는 반응물들(예컨대, 1차 및/또는 2차 반응물 흐름) 및/또는 상기 반응물들로부터 형성된 반응 생성물(들)과 반응하지 않는 재료들을 포함한다. 이러한 반응물로는 여럿 중에서도 특히 산, 염기, 할로겐, 할로겐 염 예컨대 브롬, 요오드, 염화 아연 및 차아염소산 나트륨, 유기 할라이드 및 유기 산 할라이드, 및 산 무수물을 포함하나, 이들로 국한되지 않는다.
혼합기(100)를 형성하는 데 사용되는 내부식성 재료의 적합한 예로는 폴리옥시메틸렌, 플루오로중합체 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌(예컨대, 테플론(Teflon®)) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(예컨대, 키나르(Kynar®)), 폴리에틸렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리에스터 폴리우레테인, 폴리프로필렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리설폰, 폴리에터에터케톤, 폴리에터이미드, 염화된 폴리(비닐 클로라이 드) 및 에틸렌 클로로트라이플루오로에틸렌 중에서 선택되는 중합체를 포함할 수 있다.
혼합기(100)용으로 적합한 내부식성 재료의 추가적인 예로는 세라믹 예컨대 산화물, 알루미나, 지르코니아 중에서 선택되는 테크니칼 세라믹; 비-산화물 예컨대 카바이드, 보라이드, 나이트라이드, 실리사이드; 및 산화물과 비-산화물의 복합체를 포함할 수 있다. 또한, 이들 중합체 및/또는 세라믹은 30% 이하 또는 그 초과의 섬유 유리 및/또는 탄소 섬유 강화재와 함께 또는 그것 없이 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 한 실시양태에 따른 혼합기(200)의 예시를 제공한다. 다양한 실시양태에서, 혼합기(200)는 도 1에 예시된 바와 같은 2-피스(piece) 구조와 달리 1-피스 구조를 갖는다. 본원에 사용된 "1-피스 구조"는 피로(fatigue) 및/또는 부식이 일어나는 영역을 제공하는 조인트(joint) 또는 심(seam)(즉, 두 부분이 맞붙는 지점)을 갖지 않는 단편 재료로 형성되는 구조를 포함한다.
다양한 실시양태에서, 혼합기(200)는 긴 내부 슬리브(202), 긴 외부 슬리브(204), 및 긴 내부와 외부 슬리브(202, 204)를 연결하는 지지체 벽(206)을 포함한다. 예시된 바와 같이, 긴 내부 슬리브(202), 긴 외부 슬리브(204) 및 지지체 벽(206)은 혼합기(200)의 제 1 단부(208)와 제 2 단부(210) 사이에서 연장된다.
예시된 바와 같이, 긴 내부 슬리브(202)는 본원에서 논의된 연속 흐름 반응기의 탑재용 샤프트를 수용하도록 구성된 축상 개구(214)를 한정하는 내측 표면(212)을 포함한다. 긴 내부 슬리브(202)는 또한 내측 표면(212) 반대쪽 외측 표면(216)을 포함한다. 한 실시양태에서, 외측 및 내측 표면(212, 216)은 혼합 기(200)의 장축(218) 둘레로 동심원 형태로 배치된다.
다양한 실시양태에서, 긴 외부 슬리브(204)는 긴 내부 슬리브(202)와 동심원 형태로 배치된다. 긴 외부 슬리브(204)는 제 1 표면(220) 및 제 1 표면(220) 반대쪽 제 2 표면(222), 및 긴 외부 슬리브(204)의 제 1 및 제 2 표면(220, 222) 사이에서 그리고 이들을 통해 연장되는 복수 개 포트(224)를 포함한다.
혼합기(200)는 또한 긴 내부 및 외부 슬리브(202, 204) 및 지지체 벽(206)의 제 1 단부(208)와 제 2 단부(210)를 통해 연장되는 채널(226)을 추가로 포함한다. 예시된 바와 같이, 각각의 채널(226)은 지지체 벽(206)의 표면, 긴 내부 슬리브(202)의 외측 표면(216) 및 긴 외부 슬리브(204)의 제 1 표면(220)에 의해 한정될 수 있다. 포트(224)는 채널(226)과 긴 외부 슬리브(204)의 제 2 표면(222) 외측 영역 간에 유체 소통을 제공한다.
다양한 실시양태에서, 채널(226)은 혼합기(200)의 장축(218)에 수직인 환형 부분의 단면 형상을 가질 수 있다. 다른 단면 형상도 가능하다. 또한, 채널(226)은 외측 표면(216)과 제 1 표면(220) 사이에서 취한 일정한 폭 치수를 갖는다. 확인되는 바와 같이, 상기 일정한 폭 치수는 외측 표면(216)과 제 1 표면(220) 사이에서 연장되는 지지체 벽(206)의 길이에 의해 결정될 수 있다. 본원에서 논의되는 바와 같이, 상기 일정한 폭 치수는 또한 혼합기(200)의 다른 치수에 대해 기결정된 비례 관계를 가질 수 있다.
논의된 바와 같이, 포트(224)는 긴 외부 슬리브(204)를 통해 연장되어 채널(226) 내로 개방된다. 한 실시양태에서, 포트(224)는 본원에서 논의된 바와 같 이 채널(226)을 한정하는 것을 돕는 긴 외부 슬리브(204)의 영역을 따라 균일하게 및/또는 불균일하게 분포될 수 있다. 예를 들어, 포트(224)는 혼합기(200)의 제 1 단부(208)와 제 2 단부(210) 사이에서 연장되는 구배 유사 분포를 가질 수 있다. 다른 구성도 가능하다.
다양한 실시양태에서, 포트(224)는 1차 반응물 흐름을 많은 더 작은 흐름들로 세분화하여 채널(226)을 통해 이동하는 2차 반응물 흐름 내로 제트류로 주입된다. 2차 반응물 흐름 및 상기 조합된 반응물 흐름은 일정한 폭 치수의 채널(226)에 구속되어 평탄한 흐름 분포 및 국지성 난류를 강화시킨다. 1차 반응물 흐름의 제트류가 정상적인 작동 조건에서 반대쪽 벽으로 침투하도록 크기 조절됨으로써 혼합기(200)내 반응물들의 우수한 혼합 및 턴다운을 제공한다.
다양한 실시양태에서, 포트(224)를 통해 교차 흐름(즉, 채널(226)에서의 2차 반응물 흐름) 내로 흐르는 제트류를 특징짓는 데 사용되는 방법은 본원에서 논의된 상기 수학식 I에 의해 계산되는 제트 혼합가(JMN)에 의해 정의될 수 있다. 한 실시양태에서, 본원에서 논의된 바와 같은 상대적 치수 및 기결정된 비례 관계는 포트(224)의 직경이 0.07 이상의 JMN 값을 제공하도록 크기 조절될 수 있게 한다. 추가의 실시양태에서, 포트(124)의 직경은 0.07 내지 2.0 범위의 JMN을 제공하도록 크기 조절될 수 있다. 특정 실시양태에서, 포트(124)의 직경은 1.0 내지 2.0 범위의 JMN을 제공하도록 크기 조절될 수 있다. 본원에서 논의된 바와 같이, 0.9 이상의 이들 JMN 값은 또한 약 0.5초 미만의 균질화 시간을 제공한다.
도 2에 예시된 바와 같이, 포트(224)는 각각의 채널(226)의 제 1 및 제 2 단 부(208, 210) 그리고 지지체 벽(206) 사이에서 행 및/또는 열로 배치될 수 있다. 본원에서 논의된 바와 같이, 각각의 영역은 1차 반응물 흐름의 부피가 2차 반응물 흐름 내로 도입되기에 충분한 총 단면적을 갖는 기결정된 개수의 포트(224)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 2에 예시된 바와 같이, 혼합기(200)는 채널(226)을 한정하는 것을 돕는 긴 외부 슬리브(204)의 각각의 영역에 대해 24개의 포트를 포함한다. 예시된 바와 같이, 혼합기(200)에 대해 총 144개의 포트(224) 개수를 제공하는 채널(226)이 혼합기(200)에 총 6개 있다. 확인되는 바와 같이, 포트(224)의 총 개수, 형상, 분포 및 총 단면적은, 본원에서 논의된 바와 같이, 혼합기(200)에 대한 1차 반응물 흐름의 흐름 조건을 만족시키도록 조정될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 포트(224) 각각의 단면 형상 및 크기는 1차 반응물 흐름의 제트류가 포트(224)(여기서 1차 반응물 흐름은 2차 반응물 흐름에 의해 비말동반되고 긴 내부 슬리브(202)의 외측 표면(216)에 부딪힘) 각각으로부터 전달되도록 선택될 수 있다. 다양한 실시양태에서, 외측 표면(216)은 연속 아치형 표면으로 구성되어, 1차 반응물 흐름이 표면(216)에 부딪혀 상기 두 반응물 흐름의 난류성 혼합을 제공할 수 있도록 한다.
언급된 바와 같이, 포트(224)의 크기 및 단면 형상 둘 다 혼합기(200)의 채널(226)에서 급속 혼합을 가장 우수하게 달성하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 포트(224)는, 본원에서 논의된 바와 같이, 많은 다른 단면 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 개구를 한정하는 벽은 테이퍼링되거나 비-테이퍼링될 수 있 다(즉, 단면적이 제 1 표면(220)으로부터 제 2 표면(222)까지 변하거나 변하지 않는다). 추가의 실시양태에서, 상기 단면 형상 및/또는 크기는 포트(224)에 대해 일정할 필요는 없다. 예를 들어, 포트(224)는 주어진 혼합기(200)에 대해 다양한 단면 형상, 크기 및 프로파일을 가질 수 있다.
다양한 실시양태에서, 혼합기(200) 특징부는, 그 특징부의 치수가 특징부들 중 하나의 치수를 구체화하는 것을 기초로 하여 결정되는 기결정된 비례 관계를 가질 수 있다. 또한, 혼합기(200)에 대해 기결정된 비례 관계를 갖는다는 것은, 혼합기(200)의 축척을 축소 또는 확대하면서 상기 포트들을 통해 거의 일정한 압력 강하를 유지하도록 조정하는 것을 포함할 수 있다.
따라서, 예를 들어, 긴 외부 슬리브(204)의 내부 직경(장축(218)을 통해 제 1 표면(220) 사이에서 측정됨)을 상대적 치수로 취할 수 있고, 이에 의해 다른 값들을 결정할 수 있다. 긴 외부 슬리브(204)의 내부 직경이 1.0의 공칭 값을 갖는다고 하면, 외측 표면(216)에서 측정된 긴 내부 슬리브(202)의 직경은 0.81의 상대적 값(즉, 긴 외부 슬리브(204)의 내부 직경 값의 81%)을 가질 수 있다.
유사하게, 채널(226)의 일정한 폭 치수는 긴 외부 슬리브(204)의 내부 직경에 대해 0.01 내지 1.0 범위의 상대적 값을 가질 수 있다. 하나의 특정 실시양태에서, 상기 채널의 일정한 폭 치수는 긴 외부 슬리브(204)의 내부 직경에 대해 0.09의 상대적 값을 갖는다. 추가의 실시양태에서, 포트(224)의 직경은 0.04의 상대적 값(즉, 긴 외부 슬리브(204)의 내부 직경 값의 4%)을 가질 수 있다. 추가의 실시양태에서, 복수 개 포트(224) 각각은 각각의 포트의 직경이 환형 채널(226)의 일정한 폭 치수에 대해 상대적인 0.4의 비율을 가질 수 있다. 이어서, 이들 상대적 값의 사용은, 본원에서 논의된 바와 같이, 혼합기(200)의 다른 특징부들의 치수가 그 관계된 특징부들의 하나의 치수 값을 구체화하는 것으로부터 결정될 수 있도록 한다.
다른 실시양태에서, 환형 채널(226)의 일정한 폭 치수는 혼합기(200)의 다른 특징부들에 대해 기결정된 비례 관계와는 무관하게 일정한 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 환형 채널(226)은 연속 흐름 반응기내 다른 특징부들의 치수들과는 무관하게 약 3.2 cm의 일정한 값을 가질 수 있다.
본원에서 논의된 바와 같이, 혼합기(200)는 1-피스 제조 공정으로 형성될 수 있다. 즉, 혼합기(200)는 단일 피스 재료로 형성될 수 있다. 일단 피스 제조로 심이 없는 혼합기 구조가 허용되면, 상기 혼합기는 조인트 및 심이 오래 견디지 못할 수도 있는 부식성 환경에서 사용될 수 있다. 또한, 혼합기(200)는, 본원에서 논의된 바와 같이, 강화재를 갖거나 갖지 않는 많은 다른 내부식성 재료들로 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 혼합기(300)를 갖는 연속 흐름 반응기(330)의 단면도를 예시하고 있다. 다양한 실시양태에서, 연속 흐름 반응기(330)는 서로 떨어져서 환형 채널(336)에 의해 연결된 유체 유입 단부(332) 및 유체 유출 단부(334)를 포함한다. 연속 흐름 반응기(330)는 또한 바람직한 위치에서 연속 흐름 반응기(330)를 커플링시키는 데 사용될 수 있는 제 1 탑재용 브래킷(338) 및 제 2 탑재용 브래킷(340)을 포함한다.
다양한 실시양태에서, 연속 흐름 반응기(330)는 또한 제 1 외부 표면(344) 및 탑재용 샤프트(346)를 갖는 긴 코어(342)를 추가로 포함한다. 예시된 바와 같이, 혼합기(300)는 혼합기(300)의 축상 개구(314)를 통과하는 탑재용 샤프트(346) 둘레에 위치할 수 있다. 또한, 혼합기(300)의 채널(326)은 연속 흐름 반응기(330)를 통해 연장되는 환형 채널(336)의 제 1 구역(348)을 한정할 수 있다.
한 실시양태에서, 긴 코어(342)의 제 1 외부 표면(344)은 제 1 원추형 단부(350) 및 제 1 원추형 단부 반대쪽 제 2 원추형 단부(352)를 한정할 수 있다. 이들 원추형 단부(350, 352)는 유체 유입 단부(332)에서 연속 흐름 반응기(330)로 들어가는 반응물 흐름을 환형 채널(336) 내로 전환하고 유체 유출 단부(334)에서 환형 채널(336)을 나오도록 보조할 수 있다. 확인되는 바와 같이, 원추형 이외의 다른 형상들도 단부(350) 및 (352)에 사용될 수 있으며, 예를 들어 비-원추형 형상 예컨대 반구 형상을 포함하나, 이로 국한되지 않는다.
다양한 실시양태에서, 제 1 및 제 2 원추형 단부(350, 352) 및 긴 코어(342)는, 원추형 단부(350, 352) 및 이들 각각의 탑재용 브래킷(338, 340) 사이에서 연장되는 반경방향 지지체 부재(354)에 의해 탑재용 브래킷(338, 340)에 커플링될 수 있다. 한 실시양태에서, 반경방향 지지체 부재(354)는 각각 긴 코어(342)의 장축(356)에 대해 나선형 피치(pitch)를 가질 수 있다. 한 실시양태에서, 이는 혼합기(300)에 들어가기 전 2차 반응물 흐름에 나선형 꼬임을 부여할 수 있다.
연속 흐름 반응기(330)는 또한 혼합기(300) 둘레에 동심원 형태로 배치된 긴 하우징(360) 및 적어도 일부의 긴 코어(342)를 추가로 포함한다. 예시된 바와 같이, 긴 하우징(360)은, 긴 코어(342)의 제 1 외부 표면(344)과 함께 환형 채널(336)의 제 2 구역(364)을 한정하는 제 1 내부 표면(362)을 포함한다. 한 실시양태에서, 환형 채널(336)의 제 2 구역(364)은 혼합기(300)에 의해 한정되는 제 1 구역(348)의 어느 쪽에든 위치할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 환형 채널(336)의 제 1 및 제 2 구역(348, 364)은, 본원에서 논의된 바와 같이, 일정한 폭 치수를 가질 수 있다.
긴 하우징(360)은 또한 긴 하우징(360)의 제 1 내부 표면(368)과 긴 외부 슬리브(304)의 제 2 외부 표면(322)에 의해 한정되는 환형 도관(366)을 추가로 포함한다. 환형 도관(366)은 긴 외부 슬리브(304)의 제 2 표면(322) 둘레에서 완전하게 연장될 수 있다. 환형 도관(366)은 또한 압력하의 유체(예컨대, 1차 반응물 흐름)가 환형 도관(366) 내로 흐를 수 있도록 하는 유입구(370)를 추가로 포함한다. 한 실시양태에서, 유입구(370)는 최소 기결정된 거리에 의해 포트(124)로부터 장방향으로 떨어져 위치함으로써 포트(124)에 대해 적당한 유체 분포가 되게 한다.
환형 도관(366)은 포트(324)와 유체 소통함으로써 도관(366)을 흐르는 유체가 혼합기(300)의 포트(324)를 통해 환형 채널(336) 내로 주입되도록 한다. 주지하고 있듯이, 하나 이상의 추가적인 유체 공급 도관 또는 유입구는 환형 도관(366)에 작동가능하게 연결될 수 있다.
다양한 실시양태에서, 환형 도관(366)으로부터 포트(324)를 통해 이동하는 유체의 유량은 반드시 균일할 필요는 없다. 예를 들어, 일정한 유입 유체 압력 및 같은 치수의 포트(324)의 경우, 상기 부피 유량은 유입구(370)에 더 가까운 포 트(324)에 비해 유입구(370)로부터 더 먼 포트(324)에서 증가할 수 있다. 즉, 유입구(370)에서 먼 하류에 있는 포트(324)는 유입구(370)에 더 가까운 포트(324)에 비해 더 큰 부피 유량을 가질 수 있다.
혼합기(300)에 대해 본원에서 논의된 바와 같이, 연속 흐름 반응기(330)의 다른 특징부들은 특정의 특징부들의 치수가 상기 특징부들 중 하나의 치수를 구체화하는 것을 기초로 하여 결정되도록 기결정된 비례 관계를 가질 수 있다. 따라서, 예를 들어, 제 1 표면(320)의 직경이 1.00의 공칭 값을 갖는다고 하면, 외측 표면(316)에서 측정된 긴 내부 슬리브(302)의 직경은 0.81의 상대적 값(즉, 긴 외부 슬리브(304)의 내부 직경 값의 81%)을 갖는다. 긴 하우징(360)의 외부 표면(372)은 1.8의 상대적 값을 갖는다. 유사하게, 환형 채널(336)의 일정한 폭 치수는 긴 외부 슬리브(304)의 내부 직경에 대해 0.01 내지 1.0 범위의 상대적 값을 가질 수 있다. 하나의 특정 실시양태에서, 상기 채널의 일정한 폭 치수는 긴 외부 슬리브(304)의 내부 직경에 대해 0.09의 상대적 값을 갖는다. 추가의 실시양태에서, 포트(324)의 직경은 0.04의 상대적 값(즉, 긴 외부 슬리브(304)의 내부 직경 값의 4%)을 가질 수 있다. 추가의 실시양태에서, 복수 개 포트(324) 각각은 각각의 포트의 직경이 환형 채널(336)의 일정한 폭 치수에 대해 0.4의 비율을 가질 수 있다.
이어서, 이들 상대적 값의 사용은 연속 흐름 반응기(330)의 다른 특징부들의 치수가 그 관계된 특징부들의 하나의 치수 값을 구체화하는 것으로부터 결정될 수 있도록 한다. 예를 들어, 환형 채널(336)이 약 3.2 cm의 일정한 폭(즉, 긴 내부 슬리브(302)의 외측 표면(316)과 긴 외부 슬리브(304)의 제 1 표면(320) 사이의 거리)을 갖는 경우, 제 1 표면(320)의 직경이 약 35.3 cm의 값을 갖고, 각각의 포트(324)가 약 1.4 cm의 직경을 갖고, 외측 표면(316)에서 측정된 긴 내부 슬리브(302)의 직경이 약 28.6 cm일 것이다. 또한, 긴 하우징(360)의 외부 표면(372) 사이에서 측정된 직경이 약 63.5 cm일 것이다. 연속 흐름 반응기(330)의 다른 치수의 예는 약 1.5 내지 약 1.8 미터의 길이, 및 약 25.4 내지 약 28.0 cm의 유입구(370)의 직경을 포함한다.
다른 실시양태에서, 환형 채널(336)의 일정한 폭 치수는 혼합기(300) 및/또는 연속 흐름 반응기(330)의 다른 특징부들에 대해 기결정된 비례 관계와는 무관하게 일정한 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 환형 채널(336)은 연속 흐름 반응기(330)내 다른 특징부들의 치수들과는 무관하게 약 3.2 cm의 일정한 값을 가질 수 있다.
다양한 실시양태에서, 연속 흐름 반응기(330)의 환형 채널(336)은 긴 내부 슬리브(302)의 제 2 단부(310)를 통해 분당 10 내지 19 ㎥의 액체 부피 유량을 수용할 수 있는 단면적을 갖는다. 추가의 실시양태에서, 연속 흐름 반응기(330)의 환형 채널(336)은 긴 내부 슬리브(302)의 제 2 단부(310)를 통해 분당 10 ㎥ 미만 또는 분당 19 ㎥ 초과의 유체 유량을 수용할 수 있다.
한 실시양태에서, 포트(324)는 긴 내부 슬리브(302)의 제 2 단부(310)를 통해 흐르는 총 부피의 2/3의 1차 반응물 흐름 부피를 수용하기에 충분한 총 단면적을 가질 수 있다. 1차 반응물 흐름의 부피는 포트(324)를 통해 2차 반응물 흐름 내로 제트류로 주입될 수 있으며, 이는 혼합기(300)의 채널(326)을 통해 이동하는 총 부피의 나머지 1/3을 채운다. 즉, 상기 혼합기를 통해 이동하는 대량(major) 흐름 부피는 상기 채널을 통해 이동하는 소량(minor) 흐름 부피의 두 배 이상일 수 있다. 본원에서 논의된 바와 같이 다른 유량도 가능하다.
연속 흐름 반응기(330) 및 혼합기(300)의 실시양태는 다양한 용도에 유용하다. 예시적이고 비-제한적인 용도로는 민감성(선택성) 빠른-반응성 흐름의 혼합을 개선하는 것을 포함한다. 예를 들어, 본 발명의 연속 흐름 반응기 및 혼합기의 상업적으로 중요한 용도는 올레핀 클로로히드린(예컨대, 프로필렌 클로로히드린)을 염기 예컨대 수산화 나트륨, 수산화 칼륨 또는 수산화 칼슘과 반응시켜 에폭사이드를 수득하는 것이다. 본 발명의 연속 흐름 반응기 및 혼합기의 용도에 대한 하나의 구체적인 예로는 프로필렌 클로로히드린과 수산화 나트륨으로부터 프로필렌 산화물을 제조하는 것을 포함한다. 본 발명의 연속 흐름 반응기 및 혼합기의 실시양태는 또한 고체, 기-액 시스템, 중합 및 비혼화성 액-액 시스템을 용해시키는, 석출물을 형성하는 반응물인, 혼화성 액-액 반응물을 혼합하는 데 유용할 수 있다.
본 발명의 연속 흐름 반응기 및 혼합기에 사용되는 생성물 및/또는 반응물의 대부분은 다른 요인들 중에서도 특히 이들의 pH, 반응 온도 및/또는 사용되는 유량으로 인해 부식성이 클 수 있다. 이와 같이, 상기 연속 흐름 반응기의 혼합기 및/또는 다른 구성요소들(예컨대, 긴 코어 및 긴 하우징)은 내부식성 재료로 형성될 필요가 있을 것이다.
또한, 상기 혼합기는 상기 연속 흐름 반응기의 나머지와 다른 재료로 형성되 는 것이 바람직하다는 점을 확인하였다. 예를 들어, 상기 혼합기는 제 1 재료로 형성될 수 있는 반면, 상기 긴 코어 및 상기 긴 하우징은 상기 제 1 재료와는 상이한 제 2 재료로 형성될 수 있다. 본원에서 논의된 바와 같이, 상기 혼합기를 형성하기에 적합한 제 1 재료는 내부식성 중합체 및 세라믹을 포함할 수 있다. 상기 긴 코어 및 상기 긴 하우징을 형성하는 데 사용되는 제 2 재료에 적합한 예로는 여럿 중에서도 특히 티타늄, 티타늄 합금(예컨대, 7 등급 티타늄), 오스테나이트계 스테인리스 스틸, 페라이트계 스테인리스 스틸 및 석출 경화형 스테인리스 스틸 중에서 선택되는 내부식성 금속을 포함할 수 있다. 하나의 특정 실시양태에서, 상기 혼합기는 플루오로중합체로부터 형성될 수 있고, 상기 연속 흐름 반응기의 나머지는 7등급 티타늄으로 형성될 수 있다. 금속들의 다른 조합도 가능하다.
도 4는 본 발명의 추가적인 실시양태에 따른 연속 흐름 반응기(430) 및 혼합기(400) 단편의 단면도를 예시하고 있다. 본원에서 논의된 바와 같이, 혼합기(400)는 연속 흐름 반응기(430)의 나머지 부분을 형성하기 위해 사용되는 제 2 재료와 상이한 제 1 재료로 형성될 수 있다. 이와 같이, 상기 연속 흐름 반응기에서 작동 조건(예컨대, 온도)이 변함에 따라, 연속 흐름 반응기(430)의 혼합기(400) 및 그 나머지 부분은 상이한 속도로 그리고 상이한 정도로 확대 및/또는 축소될 수 있다.
도 4는 긴 외부 슬리브(404) 및 긴 하우징(460) 각각의 제 1 단부(408)와 제 2 단부(410) 사이에 위치하는 O-링(480)을 포함시켜 상기 문제들을 해결하는 방법을 예시하고 있다. 한 실시양태에서, 긴 외부 슬리브(404) 및/또는 긴 하우 징(460) 중 하나 또는 둘 다는 또한 환형 홈(groove)을 추가로 포함하여 O-링(480)을 수용할 수 있다.
또한, 연속 흐름 반응기(430) 및 혼합기(400)는 긴 코어(442)와 혼합기(400) 사이에 위치한 추진식(pusher type) 밀봉부(482)를 포함할 수 있다. 추진식 밀봉부(482)는 혼합기(400)의 긴 코어(442)와 긴 내부 슬리브(402) 사이에 위치하여 혼합기(400)와 긴 코어(442) 및 긴 하우징(460) 간에 압축력을 제공하는 바이어싱 부재(484)를 포함할 수 있다. 한 실시양태에서, 바이어싱 부재(484)는 접시 스프링 와셔(Belleville washer)일 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 혼합기(500)의 다른 실시양태의 예시를 제공한다. 혼합기(500)는 혼합기(500)의 장축(518)에 수직인 직사각형 단면 형상을 갖는 채널(526)을 가질 수 있다. 본원에서 논의된 바와 같이, 채널(526)은 일정한 폭 치수를 갖는다. 혼합기(500)는 또한 채널(526) 및 하우징(560)의 외측 표면(580)에 의해 형성된 도관(566)과 채널(526) 사이에 유체 소통을 제공하는 복수 개의 포트(524)를 포함한다.
다양한 실시양태에서, 포트(524)는 1차 반응물 흐름을 많은 더 작은 흐름들로 세분화하여 2차 반응물 흐름 내로 제트류로 주입시킨다. 2차 반응물 흐름 및 상기 조합된 반응물 흐름은 일정한 폭 치수의 채널(526)에 구속되어 평탄한 흐름 분포 및 국지성 난류를 강화시킨다. 1차 반응물 흐름의 제트류는 정상적인 작동 조건에서 반대쪽 벽으로 침투하도록 사이징됨으로써 혼합기(500)에서 상기 반응물들의 우수한 혼합 및 턴다운을 제공한다.
또한, 도관(566)으로부터 포트(524)를 통해 이동하는 유체의 유량은 반드시 균일할 필요는 없다. 예를 들어, 일정한 유입 유체 압력 및 같은 치수의 포트(524)의 경우, 포트(524)를 통해 흐르는 상기 세분화된 1차 반응물 흐름은 복수 개 포트(예컨대, 유입구(570)에 더 가까운 포트(524))의 제 2 부분에 비해 복수 개 포트(예컨대, 유입구(570)로부터 가장 먼 포트(524))의 제 1 부분을 통해 흐르는 더 큰 부피 유량의 세분화된 1차 반응물 흐름을 제공할 수 있다. 즉, 유입구(570)에서 먼 하류에 있는 포트(524)는 유입구(570)에 더 가까운 포트(524)에 비해 더 큰 부피 유량을 가질 수 있다.
본원에서 논의된 바와 같이, 본 발명의 혼합기의 실시양태는 1-피스 구조를 가질 수 있다. 다양한 방법을 사용하여 본 발명에 따른 1-피스 구조를 갖는 혼합기를 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 혼합기는 본원에서 논의된 바와 같은 직원기둥의 제 1 재료로 형성될 수 있다. 상기 직원기둥의 제 1 재료를 통해 드릴링 및/또는 밀링함으로써 축상 개구를 형성할 수 있다.
상기 드릴링 및/또는 밀링 기법은 또한 상기 직원기둥의 제 1 재료를 통해 일정한 폭을 갖는 둘 이상의 채널을 형성하는 데 사용될 수 있다. 본원에서 논의된 바와 같이, 상기 둘 이상의 채널은 상기 제 1 재료로 형성된 축상 개구와 함께 동심원 형태로 배치될 수 있다. 상기 포트는 또한 드릴링 및/또는 밀링 기법에 의해 직원기둥을 통해 형성되어 상기 둘 이상의 채널을 상기 직원기둥의 외부 표면에 연결한다. 다른 실시양태에서, 상기 혼합기의 실시양태는 몰딩, 캐스팅 및/또는 소결 기법을 사용하여 형성되어 1-피스 구조 공정을 제공할 수 있다.
상기한 설명은 예시적인 방식으로 기술되었으며 제한적인 방식으로 기술된 것이 아님을 이해해야 한다. 특정 실시양태가 예시되고 본원에 기재되었지만, 당해 분야 숙련자들은 다른 요소 구성이 상기 특정 실시양태를 대신할 수 있음을 인식할 것이다. 본원 특허청구범위는 본 발명의 다양한 실시양태의 이러한 변경 및 수정까지 포함하는 것으로 의도되며, 단 종래 기술에 의해 제한되는 정도는 제외된다.
이상과 같은 상세한 설명에서, 본 발명의 개시의 능률화를 위해 예시적인 실시양태들에서 다양한 특징부들이 함께 군을 형성하였다. 본 발명의 이러한 개시 방법은 임의의 청구항이 그 청구항에 명확히 기재된 것보다 더 많은 특징부를 필요로 한다는 의도를 반영한 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 하기의 청구범위가 반영하듯이, 본 발명의 청구대상은 단일의 개시된 실시양태의 모든 특징부들보다 적은 특징부에 있다. 따라서, 하기의 청구범위는 본 발명의 상세한 설명에 포함되며, 이때 각각의 청구범위는 그 자체가 본 발명의 개별적인 실시양태로서 존재한다.

Claims (31)

  1. 내측 표면 및 외측 표면을 갖는 긴 내부 슬리브로서, 상기 내측 표면이 상기 긴 내부 슬리브의 제 1 단부와 제 2 단부를 통해 연장되는 탑재용 샤프트를 수용하기 위한 축상 개구(axial opening)를 한정하고, 상기 외측 표면이 상기 내측 표면 반대쪽에 있는, 긴 내부 슬리브; 및
    상기 긴 내부 슬리브와 함께 동심원 형태로 배치된 긴 외부 슬리브로서, 상기 긴 외부 슬리브가 제 1 표면 및 상기 제 1 표면 반대쪽의 제 2 표면, 및 상기 긴 외부 슬리브의 제 1 표면과 제 2 표면을 통해 연장되는 복수 개의 포트를 갖는, 긴 외부 슬리브
    를 포함하며, 여기서 상기 긴 내부 슬리브의 외측 표면과 상기 긴 외부 슬리브의 제 1 표면이 상기 긴 내부 슬리브의 제 1 단부와 제 2 단부를 통해 연장되는 환형 채널을 한정하는, 연속 흐름 반응기용 혼합기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널이 상기 긴 외부 슬리브의 제 1 표면의 직경에 대해 상대적으로 0.01 내지 1.0 범위의 일정한 폭 치수를 갖는, 연속 흐름 반응기용 혼합기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 포트 각각이 상기 환형 채널의 폭에 대해 상대적으로 0.4의 직경을 갖는, 연속 흐름 반응기용 혼합기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 긴 내부 슬리브와 상기 긴 외부 슬리브를 연결하는 지지체 벽을 포함하며, 여기서 상기 지지체 벽, 상기 긴 내부 슬리브의 외측 표면 및 상기 긴 외부 슬리브의 제 1 표면이 상기 환형 채널을 한정하는, 연속 흐름 반응기용 혼합기.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환형 채널이, 0.07 초과의 제트 혼합가(Jet Mixing Number)를 제공하는 단면적을 갖는, 연속 흐름 반응기용 혼합기.
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