KR101484808B1 - 열교환이 행해지는 반응기에서의 필름 강하 방법 및 그 장치 - Google Patents

열교환이 행해지는 반응기에서의 필름 강하 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

셀과 함께 뻗어있는 제 1 다세포형 압출성형된 몸체를 포함하는 반응기를 제공함으로써, 가스의 반응물 스트림과 강하 필름 액체의 반응물 스트림에 영향을 미치는 반응을 행하는 방법이 개시되어 있으며, 상기 셀은 상기 몸체의 제 1 단부로부터 제 2 단부까지 수직 하방으로 평행하게 뻗어있고, 상기 몸체는 상기 몸체의 양단부에서 개방된 제 1 복수의 셀과, 상기 몸체의 일단부나 양단부에서 폐쇄된 제 2 복수의 상기 셀을 구비하고, 상기 제 2 복수의 셀은 하나 이상의 그룹의 연속하는 셀에 배치되고 상기 몸체를 통해 뻗어있는 적어도 하나의 유체 통로를 적어도 부분적으로 형성하도록 상호작동하고, 통로는 제 2 복수의 셀을 따라 전후방으로 뻗어있는 사행 경로를 구비하고, 상기 통로는 상기 몸체의 단부에서 또는 그 근처에서 상기 제 2 복수의 셀 내에서 셀부터 셀까지 측방향으로 연결되고; 또한 제 1 복수의 셀의 중앙으로부터 상하로 유동시키고 적어도 하나의 유체 통로를 통해 제 1 열교환 유체를 유동시키면서, 제 1 복수의 셀의 내부면 아래로 액체의 반응물 필름을 유동시키는 단계가 개시된다. 본 발명을 실행하는 여러 선택적인 장치가 또한 개시되었다.

Description

열교환이 행해지는 반응기에서의 필름 강하 방법 및 그 장치{METHODS AND DEVICES FOR FALLING FILM REACTORS WITH INTEGRATED HEAT EXCHANGE}
본 특허출원은, 2007년 3월 31일 출원되고 "허니콤 연속 유동 반응기(Honeycomb Continuous Flow Reactor)"를 발명의 명칭으로 하는 미국특허출원 60/921,053호와, 2007년 12월 31일 출원되고 "허니콤 연속 유동 반응기용 장치 및 방법(Devices and Methods for Honeycomb Continuous Flow Reactor)"을 발명의 명칭으로 하는 미국특허출원 61/018,119호에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화학 처리와 열교환에 사용되는 허니콤형 반응기에 관한 것이다.
허니콤형 반응기는 유체 통로나 챔버를 전형적으로 하나 이상을 구비한 장치이며, 이 허니콤형 반응기는 안전하고, 효율적이며 환경 친화적인 방식으로 어렵거나, 위험하거나, 불가능한 화학 반응 및 처리를 행하는데 유용하다.
허니콤형 반응기는 "미소유체 장치 및 그 제조방법(Microfluidic Device and Manufacture Thereof)"을 발명의 명칭으로 하는 미국특허 제6,769,444호에 기재된 바와 같이, 2개 이상의 기판 사이의 공간에 오목부나 통로를 형성하도록 고려되고 구성된 프릿(frit)으로 예전에 개발되었다. 상기 특허문헌에 개시된 방법은 제 1 기판을 제공하는 단계, 제 2 기판을 제공하는 단계, 상기 제 1 기판의 마주한 표면에 제 1 프릿 구성부를 형성하는 단계, 상기 제 2 기판의 마주한 표면에 제 2 프릿 구성부를 형성하는 단계, 그리고 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 및 서로 마주한 상기 제 1 및 제 2 기판을 함께 경화시키는 단계를 포함하여, 상기 제 1 및 제 2 기판 사이에 경화된-프릿-형성된 오목부를 성형한다. 따라서, 이러한 상기 기재된 장치는 연속 유동의 화학 반응을 행하는데 유용한 한편, 경우에 따라서는 열 교환 효율, 특히 열 교환력을 높일 수 있으므로 바람직하다.
하지만, 상기 장치는 프릿의 변형에 의해 실링이 제대로 되지 않았고, 산, 연기 및 솔벤트에 대해 충분한 내화학성을 갖지 못했을 뿐만 아니라 복잡한 공정으로 제조되곤 하였다.
본 발명의 일 특징에 따라, 제 1 다세포형 압출성형된 몸체와 함께 향한, 상기 몸체의 제 1 단부로부터 제 2 단부까지 수직 하향 방향으로 평행하게 뻗어있는 셀을 포함하는 반응기를 제공함으로써, 가스의 반응물 스트림과 강하(falling) 필름 액체의 반응물 스트림에 영향을 미치는 반응을 행하는 방법이 개시되어 있으며, 상기 압출성형된 몸체는 상기 압출성형된 몸체의 양단부에서 개방된 제 1 복수의 셀과, 상기 압출성형된 몸체의 일단부나 양단부에서 폐쇄된 제 2 복수의 상기 셀을 구비하고, 상기 제 2 복수의 셀은 하나 이상의 그룹의 연속된 셀에 배치되고, 상기 몸체를 통해 뻗어있는 적어도 하나의 유체 통로를 적어도 부분적으로 형성하도록 상호작동하고, 상기 유체 통로는 상기 제 2 복수의 셀을 따라 전후방을 향하는 사행 경로를 구비하고, 상기 유체 통로는 상기 몸체의 단부에서 또는 그 근처에서, 상기 제 2 복수의 셀 내에서 셀부터 셀까지 측방향으로 연결되고; 그리고 가스의 반응물 스트림을 제 1 복수의 셀의 중심에 상하로 유동시키고 제 1 열교환 유체를 적어도 하나의 유체 통로를 통해 유동시킴으로써 액체의 반응물 필름을 제 1 복수의 셀의 내부면 아래로 유동시키는 방법도 개시되어 있다.
본 발명의 다른 한 특징에 따라, 가스의 반응물 스트림과 강하 필름 액체의 반응물 스트림을 반응시키는데 사용되는 반응기가 개시되어 있다. 본 발명은 상기 압출성형된 몸체의 제 1 단부로부터 제 2 단부까지 수직 하방으로 평행하게 뻗어있는 셀과 같이 뻗어있는 제 1 다세포형 압출성형된 몸체를 구비한다. 상기 압출성형된 몸체는 상기 압출성형된 몸체의 양단부에서 개방된 제 1 복수의 셀과, 상기 압출성형된 몸체의 일단부나 양단부에서 폐쇄된 제 2 복수의 상기 셀을 구비하고, 상기 제 2 복수의 셀은 하나 이상의 그룹의 연속의 셀에 배치되고, 상기 압출성형된 몸체를 통해 뻗어있는 적어도 하나의 유체 통로를 적어도 부분적으로 형성한다. 통로는 제 2 복수의 셀의 셀을 따라 전후방으로 나아가는 사행 경로를 구비하고, 상기 통로는 상기 압출성형된 몸체의 단부에서 또는 그 근처에서 셀부터 셀까지 측방향으로 연결된다. 또한 압출성형된 몸체의 제 1 단부에서 유체를 제 1 복수의 셀로 분배할 수 있도록 구성되고 배치된 유체 공급원이 반응기에 제공되고; 가스를 제 1 복수의 셀을 통해 유동시킬 수 있도록 구성되고 배치된 압출성형된 몸체 위쪽이나 아래쪽에 위치된 가스 공급원; 그리고 열교환 유체를 유동시킬 수 있도록 구성되고 배치된 상기 적어도 하나의 유체 통로와 연결된 열교환 유체 공급원이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀에 수직한 평면에서의 유체 경로를 도시한, 압출성형된 다세포형 몸체, 즉 허니콤으로 이루어진 반응기 부재의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 경로를 보다 상세하게 도시한 도면으로서, 도 1의 압출성형된 다세포형 몸체, 즉 허니콤으로 이루어진 반응기 부재의 측방향 사시도이다.
도 3은 채널 사이의 상호연결을 위해 본 발명에서 사용한 일 방법을 도시한, 압출성형된 몸체의 일단부나 양단부 상에서 폐쇄된 채널의 단면도이다.
도 4는 채널 사이의 상호연결을 위해 본 발명에 사용한 다른 일 방법을 도시한, 압출성형된 몸체의 일단부나 양단부 상에서 폐쇄된 채널의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 셀에 수직한 평면에서의 다른 한 유체 경로를 도시한, 압출성형된 다세포형 몸체, 즉 허니콤을 포함한 반응기 부재의 평면도이다.
도 6은 압출성형된 몸체의 일단부에 연결된 유체 커플러를 도시한, 도 5의 압출성형된 다세포형 몸체나 허니콤을 포함한 반응기 부재의 측방향 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 압출성형된 몸체와 유체 연결을 도시한, 압출성형된 다세포형 몸체, 즉 허니콤을 포함한 본 발명의 반응기 부재의 단면도이다.
도 8은 압출성형된 몸체의 측면에서 인풋 포트 및 아웃풋 포트와 연결된 유체 커플러를 도시한, 압출성형된 다세포형 몸체, 즉 허니콤을 포함한 반응기 부재의 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 압출성형된 몸체와 유체 연결을 도시한, 압출성형된 다세포형 몸체, 즉 허니콤을 포함한 본 발명의 반응기 부재의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 압출성형된 몸체(20)로의 유체 반응물, 가스의 반응물, 및 열교환 유체 이송을 도시한 사시도이다.
도 11은 반응물과 열교환 유체 분배를 도시한 압출성형된 몸체(20)의 단면도이다.
도 12는 2개의 압출성형된 몸체(20A 및 20B)를 포함한 일 실시예의 반응기(10)를 도시한 도면이다.
도 13은 단일의 반응기의 부품으로 배치된 다수의 몸체(20A-20D)를 도시한 사시도이다.
도 14는 화염 장벽 스크린(84)의 위치를 도시한 단면도이다.
도 15 및 도 16은 선택적으로 장착되는 화염 장벽 스크린을 도시한 도면이다.
도 17은 반응물 유체 분배에 도움이 되는 화염 장벽 스크린의 사용을 도시한 단면도이다.
도 18은 화염 장벽 스크린의 변형예로서 다공성 몸체의 화염 장벽(96)의 사용을 도시한 단면도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀에 수직한 평면에서의 다른 한 유체 경로를 도시한, 압출성형된 다세포형 몸체, 즉 허니콤을 포함한 반응기의 평면도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀에 수직한 평면에서의 다른 한 유체 경로를 도시한, 압출성형된 다세포형 몸체, 즉 허니콤을 포함한 반응기의 평면도이다.
도 21은 압출성형된 몸체 내에서 하나의 경로로부터 2개의 경로가 개시되는 상태로, 유체 경로를 매니폴드하거나 분기하는 본 발명에 사용된 방법을 도시한, 압출성형된 몸체의 일단부나 양단부에서 폐쇄된 채널의 단면도이다.
도 22는 압출성형된 몸체의 일단부 상의 인풋 포트에서 압출성형된 몸체 내에서 개시되는 다수의 통로를 도시한 압출성형된 몸체, 즉 허니콤의 일단부의 부분 평면도이다.
도 23은 압출성형된 몸체의 측면에 위치한 인풋 포트에서 압출성형된 몸체 내에서 시작하는 다수의 통로를 도시한, 압출성형된 몸체, 즉 허니콤 구조부의 부분 측면도이다.
도 24는 본 발명의 압출성형된 몸체(20) 내의 열 교환 유동 경로(28)를 형성하는 선택적인 방법을 도시한, 압출성형된 몸체(20)의 일부 단면도이다.
도 25A - 도 25D는 아래 폐쇄된 셀의 패턴에 대응하는, 플러그 즉 연속 플러그 재료(26)에 대한 변형 패턴을 도시한 압출성형된 몸체(20)의 단부의 평면도이다.
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예가 상세하게 기재되었다. 가능하다면, 동일한 부재번호가 동일한 부재나 그와 유사한 부재를 지시하도록 여러 도면에 사용되었다.
본 발명은 필름 반응물을 강하시키는 방법 및 장치에 관한 것이다. 도 1 은 본 발명의 장치와 방법에 사용되는 반응기 부재(12)의 평면도이다. 반응기 부재(12)는 다세포형 압출성형된 몸체(20)를 포함하며, 상기 압출성형된 몸체의 일 실시예는 도 1에 도시되어 있다. 압출성형된 몸체(20)는 상기 압출성형된 몸체의 일단부로부터 다른 단부의 방향으로 평행하게 뻗어있는 복수의 셀을 구비하며, 상기 셀은 도 1에서 도시되어 있다. 셀은 본 실시예에 있어서 몸체의 단부나 상기 단부 근방에 또는 제 2 복수의 셀(24)의 채널 내에 적어도 부분적으로 배치된 어느 정도 연속하는 플러깅(plugging) 재료(26)나 하나 이상의 플러그(26)에 의해, 상기 몸체의 일단부나 양단부에서 폐쇄된 제 2 복수의 셀(24)과 상기 몸체의 양단부에서 개방된 제 1 복수의 셀(22)을 포함한다. 제 2 복수의 셀(24)(폐쇄된 셀)이 하나 이상의 그룹의 연속의 셀에 위치하고(도면에 하나의 그룹으로 도시됨), 압출성형된 몸체(20)를 통해 뻗어있는 유체 통로(28)의 형성을 돕도록 상호작용한다. 통로(28)가 화살표 28로 지시된 일반적인 방향으로 셀(24)을 따라서 상향의 사행 경로를 형성하며, 상기 화살표는 통로와 그 경로를 나타낸다. 통로, 즉 경로(28)가 압출성형된 몸체(20)의 단부(32, 34)에서나 그 근방에서만 셀(24)에 측방향으로 수직하여 뻗어있고, 이 경우 셀(24) 사이의 벽이 짧아지거나 포트 형성되고 그렇지 않으면 통과되거나 돌파되어 셀(24)의 유체 연통을 가능하게 한다.
이러한 셀(24) 사이의 짧은 벽부가 도 3 및 도 4의 단면도에 도시되어 있고, 이 벽부에 의해 통로, 즉 경로(28)가 압출성형된 몸체(20)에서 또는 그 근방에서 셀(24)에 측방향으로 수직하여 뻗어서 연결된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 경로(28)는 셀(24)을 따르는 방향에서 상하로 단일의 셀을 따른다. 선택적으로, 경로(28)는 도 4에 도시된 바와 같이, 셀(24)에 따르는 방향으로, 다수의 연속한 각각의 그룹의 평행한 2개 이상의 셀을 따르며, 여기서 경로는 평행한 2개의 셀을 따른다.
도 1 및 도 2의 반응기 부재의 다른 일 실시예에 있어서, 경로는 도 2에 도시된 바와 같이 셀을 따르는 방향으로 사행일 뿐만 아니라, 도 5의 평면도로 도시된 바와 같이 셀에 수직한 평면에서도 사행이다. 도 5의 평면도에서 복수의 폐쇄된 셀(24)이 상기 셀(24 및 22)에 수직한 평면에서 전반적인 사행 경로로 배치되었다. 따라서 유체 경로(28)는 도 5의 평면 안팎의 방향으로 비교적 고 진동수(frequency)에서, 그리고 상기 도 5의 평면 내에서 비교적 저 진동수에서 사행이다. 이러한 이중 사행 경로 구조부는 총 경로 체적이 커지고 총 경로 길이가 길어지게 하는 한편, 경로와 개방 셀(22) 사이에서 표면적을 크게 유지시키며, 반응기(12)에 대한 총 패키지 크기가 작아질 수 있다.
셀에 수직한 평면에서 폐쇄된 셀의 사행 배치, 즉 도 5에 도시된 배치는 단지 가능한 배치는 아니지만; 여러 배치가 본 출원에 따라 바람직하게 적용가능하다. 그러나, 압출성형된 몸체(20) 내에서 셀의 방향에 수직한 평면인, 도 1이나 도 5의 평면 내의 경로의 형상에 상관없이, 다수의 경로(28)가 단지 하나의 폭이 넓은 셀인 것이 바람직하다. 이는 매우 높은 표면 대 체적 비율을 갖는 유체 경로가 용이하게 제조될 수 있게 한다. 이와 같이 경로(28)의 열 사이에 위치된 개방 셀(22)이 도 5에 도시된 바와 같이, 단지 하나의 폭이 넓은 셀 그룹에 배치되는 것이 바람직하다. 이는 개방 셀을 통하는 유체 경로를 가능하게 하며, 상기 개방 셀은 또한 매우 높은 표면 대 체적 비를 갖는다.
하나의 셀 폭 이상의 그룹(25)에 있어서, 폐쇄된 셀(24)의 추가 셀이, 필요하다면, 도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이, 경로의 입구 및 출구 포트(30) 주위에서 플러그될 수 있다. 이들 추가의 플러그되는 셀이 O링 시일이나 가열된-프릿 시일이나 폴리머 접착제 시일이나 경로(28)로의 유체 연결을 제공하는 임의의 여러 바람직한 실링 시스템용 지지부를 제공하고, 일반적으로 통로, 즉 경로(28)의 부분을 형성하지 않는다. 도 6에 도시된 일 실시예에 있어서, 접근가능한 관(36)이 2개의 그룹(25)의 플러그된 셀에 시일된다.
압출성형된 몸체나 허니콤(20)은 내구성과 화학적 불활성 때문에 압출성형된 유리나, 유리-세라믹이나, 또는 세라믹 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 알루미나 세라믹은 유리와 여러 세라믹보다 강도가 우수하고, 양호한 불활성을 가지며, 열 전도성이 높은 것이 일반적으로 바람직하다. 여러 보다 고 열 전도성 재료도 사용될 수 있다. 다세포형 몸체는 평방 인치당 적어도 200 셀의 셀 밀도를 갖는 것이 바람직하다. 밀도가 높으면 높을수록 열교환 장치의 성능은 더 높아질 수 있다. 평방 인치당 300 이상의 셀이나 450 이상의 셀을 갖는 몸체가 고 성능 장치를 형성하는데 잠재적으로 유리하다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 압출성형된 몸체로의 유체 연결을 도시한, 압출성형된 다세포형 몸체, 즉 허니콤을 포함한 본 발명의 반응기(10)의 일 실시예의 메인 부재의 단면도이다. 도 7의 실시예에 있어서, 유체 하우징(40)은 압출성형된 몸체를 시일(42)을 통해 지지한다. 하우징(40)은 2개의 포트(40A 및 40B)를 포함하도록, 상기 하우징은 압출성형된 몸체를 둘러싸는 단일의 유닛으로 이루어지거나, 또는 중간부(40C)가 선택적으로 생략될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 액체의 필름 반응물 및 가스의 반응물용 반응물 유체 통로, 즉 경로(48)가 하우징(40)과 상호작용하는 개방 채널(22)(도 1 및 도 5에 도시됨)을 통해 형성된다. 압출성형된 몸체(20)의 경로(28)는 유체 커플러(46)를 통과하는 유체 도관(64)에 의해 접근가능하고, 필요한 열 공급원, 즉 싱크(sink)로 작용하는 열교환 유체나 선택적인 반응에 사용된다. 유체 도관(64)이 하우징(40)의 개구(61)를 통과하며, 이 개구(61)에 시일(44)이 사용된다.
도 8은 압출성형된 몸체(20)의 측면에서 인풋 및 아웃풋 포트(30)와 연결되도록 배치된 유체 커플러(46)를 도시한, 압출성형된 다세포형 몸체, 즉 허니콤(20)을 포함한 반응기 부재(12)의 분해 사시도이다. 유체 커플러(46)는 유체 통로(54)를 둘러싸는 돌출된 동심 링(52)을 구비한 유체 커플러 몸체(50)를 포함한다. 탄성 O-링(56)이 조립될 때, 상기 O-링은 압출성형된 몸체(20)의 측면에 형성된 평평면(58)에 대해 압축되는 돌출된 링(52)에 의해 수용된다. 압출성형된 몸체(20) 내의 다수의 벽 구조부는 평평면(58)에 대해 강건한 압축 시일용 지지부를 충분히 제공한다. 가열된-프릿 시일, 폴리머 접착제 시일 등을 포함한 선택적인 실링 방법이 가능하고 본 발명에 적당하다.
도 8의 실시예에 도시된 것과 같은 반응기 부재(12)는 도 9에 도시된 반응기(10)의 바람직한 변형예의 부재를 가능하게 하고, 상기 도 9는 본 발명의 반응기(10)의 다른 일 실시예의 메인 부재의 단면도이다. 도 9의 반응기(10)는 압출성형된 다세포형 몸체, 즉 허니콤(20)을 포함하고, 상기 압출성형된 몸체(20)와 유체 연결되는 측면-포트를 포함한다. 도 8의 실시예의 장점은 시일(44)이 없거나, 2개의 유체 경로(28, 48) 사이를 향한 (시일(44)이나 유체 커플러(46)와 같은) 임의의 시일이 없다는 것이다. 따라서 시일 재료는 각각의 경로의 유체에 대해 독립적으로 최적화되고, 시일이 파손되더라도 2개의 경로(28, 48)로부터의 유체가 혼합되지 않게 된다.
가스의 반응물 스트림을 강하 필름 액체의 반응물 스트림과 반응시키는 반응기는 얇은 강하 필름을 반응기의 관련 표면상에 형성하는 여러 방법이나 수단을 필요로 한다. 본 발명의 일 실시예의 장치와 방법에 따르면, 액상의 반응물은 도 10에 도시된 바와 같이, 예를 들면 하나 이상의 액체 분배관(64)에 의해서 이송된다. 액상의 반응물은 플러그 즉 연속의 플러깅 재료(26)의 표면상에서, 또는 즉, 압출성형된 몸체(20)의 폐쇄된 셀 상의 표면(27) 상에서 유동하거나 강하된다. 도 11의 단면도에 도시된 바와 같이, 액상의 반응물 스트림(62)은 액상의 반응물 스트림(62)을 나타내는 화살표 62로 도시된 흐름 경로를 따르며, 상기 스트림은 압출성형된 몸체(20)의 폐쇄된 셀의 에지 상에서, 그리고 개방 셀의 내측면 아래에서 유동한다. 가스의 반응물 스트림(48)은 이 경우에서는 역류의 흐름으로 개방 셀의 중앙에서 유동하는 한편, 열 공급원이나 열 흡수원으로 작용하는 반응물을 제공하는 반응물 스트림의 형태의 열교환 유체가 통로(28)를 따라서 유동한다. 액체 수집기(66)는 반응물 액상의 스트림(62)을 수집한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 반응기(10)는 도 12에서 개략적으로 단면도로 도시되었다. 각각의 압출성형된 몸체(20A, 20B)를 포함하고 있는 2개의 반응기 부재(12A 및 12B) 각각은 하나가 다른 하나 아래에 위치된 상태이며, 각각의 몸체는 수직 하방으로 뻗어있는 셀과 같이 향해 있다. 각각의 몸체(20A, 20B)는 도 1 - 도 6과 관련하여 상기 기재하고 도시한 바와 같이, 상기 몸체의 양단부에서 개방된 제 1 복수의 셀(22)과, 상기 몸체의 일단부나 양단부에서 폐쇄된 제 2 복수의 셀(24)을 구비한다. 일 변형예로서, 개방 셀(22)은 하나 이상의 촉매 재료를 행해질 필요한 반응에 따라 그 내부면 내에서 또는 그 위에서 포함한다. 도 1 - 도 6에 도시된 사항은 보다 간략하게 나타내기 위해 도 12에서는 도시되지 않았다.
도 1 - 도 6에 도시된 바와 같이, 제 2 복수의 셀(24)은 하나 이상의 그룹의 연속의 셀에 배치되고 압출성형된 몸체(20A, 20B)를 통해 뻗어있는 적어도 하나의 유체 통로(28)를 적어도 부분적으로 형성하도록 상호작동하고, 상기 통로(28)는 제 2 복수의 셀(24)을 따라 전후방으로 나아가는 사행 경로를 구비하고, 상기 통로는 제 2 복수의 셀(24) 내에서, 압출성형된 몸체(20A, 20B)의 단부에서 또는 그 근처에서, 셀부터 셀까지 측방향에서 연결된다.
도 12의 반응기(10)는 반응 유체 스트림(62)을, 액체 분배관(64)을 통해 압출성형된 몸체(20A)의 제 1 단부에 위치한 제 1 복수의 셀(22)로 분배할 수 있도록 배치된 유체 공급원(108)을 더 포함한다. 이송된 유체 스트림(62)은 아래 기재된 반응기(10)의 하우징 부재에 의해 수용된 유체(63)의 환형 링을 형성한다. 이러한 환형 유체 링은 최상의 몸체(20A)의 연속의 플러깅 재료(26A)의 표면(27) 상에서 오버플로한다. 표면(27)으로부터, 유체 스트림(62)은 오버플로하고 몸체(20A)의 개방 셀(22)의 내부 아래로 강하 필름을 형성한다.
몸체(20A)는 개방-셀의 압출성형된 몸체의 짧은 부분의 형태로 스페이서(82)를 통해 몸체(20B)와 연결되며, 본 실시예에 있어서 셀의 크기는 몸체(20A 및 20B)의 크기보다 더 크다. 이에 따라 액상의 반응물 스트림은 몸체의 내측면을 따라 몸체(20B)의 개방 셀로 스페이서를 통해 개방 셀의 몸체(20A) 아래로 유동한다.
반응기(10)에는 가스 입구 관(78)을 통해 연결된 가스 공급원이 제공되며, 가스 반응물 스트림(48)이 양 몸체(20A 및 20B)의 제 1 복수의 셀(22)을 통해 유동할 수 있다. 2개의 열교환 유체 공급원(112)은 몸체(20A 및 20B)의 각각의 유체 통로(28)와 연결되어 상기 통로를 통해 열교환 유체(60)가 유동할 수 있다. 필요하다면, 상이한 유체 또는 적어도 상이한 온도가 2개의 몸체(20A 및 20B)에 사용될 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같은, 실시예는 유체 커플러 몸체(50A 및 50B)를 통해, 열교환 유체 경로에 접근가능한 측면 포트를 사용한다. 도 7에서와 같은 엔드 포트는 선택 사항이다.
몸체(20A 및 20B)를 지지하는 하우징의 구성요소는 가스 출구 관(80)이 뻗어있는 반응기(10)의 최상단부에 위치한 엔드 플레이트(76)와, 가스 입구 관(78)이 뻗어있고, 액체 출구 관(68) 역시 뻗어있는 액체 수집기(66)의 형태의 단부 플레이트를 포함하며, 상기 가스 출구 관에 의해 반응물 가스 스트림(48)이 반응기를 빠져나온다. 하우징의 다양한 섹션이 O-링(72)을 통해 엔드플레이트(76 및 66)에 시일된 튜브 섹션(70)에 의해 형성된다. 몸체(20A 및 20B)의 단부 근처에서, 튜브 섹션(70)은 O-링(72)을 통하여 압출성형된 몸체(20A 및 20B)를 지지하는 장착 링(74)을 시일할뿐만 아니라, 시일(42)을 통해 스페이서(82)를 시일한다. 시일(42)은 탄성 시일, 에폭시-기반의 또는 여러 적당한 재료의 탄성 시일일 수 있다. 도 12의 실시예에 있어서, 최상의 시일(42)이 또한 유체(63)의 환형 저장소나 링을 포함하고, 반응을 위해 유체 입구 관(64)에 실링을 제공한다.
도 13의 사시도에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반응기는 도면에 도시된 바와 같은 몸체(20A-D)와 같은 2개 이상의 다세포형 압출성형된 몸체를 포함하며, 이들 각각은 제 1 몸체(20A) 아래에 위치되고, 도 1 - 도 6에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 유체 통로를 각각 형성하는 각각의 복수의 개방 셀과 각각의 복수의 폐쇄된 셀을 구비한다. 제 1 몸체(20A) 이후 연속하여 몸체(20B-20D)가 각각의 다음의 보다 높은 몸체로부터 유체 반응물 유동과 가스의 반응물 유동 중 하나 또는 양자를 수용하도록 위치되고 배치된다. 열교환 유체 유동(60A-60D)은 각각의 개별 몸체(20A-20D)와 동일하거나 분기될 수 있다. 각각의 몸체(20A-20D)의 개별 수직 길이는 또한 행해질 반응물의 필요에 따라 선택되고: 이들 길이는 보다 짧은 몸체(20C)로 도시된 바와 같이, 길이가 일정할 필요는 없다.
가연성 또는 폭발성 반응물이 사용됨에 따라, 또는 가연성 생산물이나 폭발성 생산물이 생산될 수 있음에 따라, 수개의 강하 필름 반응이 반응기(10) 내에서의 잠재적인 가연 또는 폭발의 진행을 방지하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 범주 내의 다른 한 실시예로서, 화염 장벽 스크린(84)은 도 14에 도시된 바와 같이, 각각의 몸체(20A-20C)의 단부에 위치되어 제공될 수 있다. 스크린(84)은 스크린(84)을 타이트하게 유지시키도록 작용하는 인장 링(86, 88)에 의해서와 같이, 다양한 방식으로 장착될 수 있다. 스크린(84)을 사용함으로써, 반응기 설계와 반응 공학을 목적으로, 몸체(20A-20C)의 길이(즉, 셀의 길이)와 셀의 폭은 제어불능(out-of-control)이나 폭발 반응과 같은 임의의 위험을 피할 수 있도록 선택된다. 다시 말하면, 압출성형된 몸체의 길이는 이러한 최적화의 필요에 따라 상이할 수 있다.
스크린(84)을 장착하거나 체결하는 변형예에는 도 19의 최상부에 도시된 바와 같은 단부면 클램프(90)가 포함되며, 여기서 스크린은 폐쇄된 셀의 상부에서 표면(27)의 한 부품 상에서 클램프된다. 단부면을 클램프하는 것은 또한 도면의 아래쪽에 도시된 바와 같이, 개방 셀을 구비한 압출성형된 몸체(92)의 한 부분의 사용에 의해 달성될 수 있다. 인장 링은 끝-면 클램핑(end-face clamping)과 조합되어 사용되거나 생략될 수 있다.
스크린 장착에 대한 2개의 다른 실시예가 도 16에 도시되어 있고, 상기 도 16에서 최상의 스크린(84)이 폐쇄된 셀의 최상부에 위치한 접착제(94)에 장착된다. 하부 스크린(84)은 압출성형된 플러그(26E)에 통합되어 장착된다. 인장 링은 어느 경우에서는 선택적이지만, 압출성형된 플러그(26E)의 경우에서는 과잉일 수도 있다.
화염 장벽 스크린은 도 17의 단면부에 도시된 바와 같이 반응물 유체(62)의 분배에 도움이 되도록 사용될 수 있다. 최상부 스크린(84)은 위크(wick)를 돕거나 그렇지 않으면 반응물 유체(62)를 유체(63)의 환형 링으로부터 압출성형된 몸체(20)의 폐쇄된 셀의 최상부까지 유도하고, 그리고 상기 도면에 도시된 바와 같이 만곡된 바닥부 스크린이 위크(wick)를 돕거나 그렇지 않으면 반응물 유체(62)를 몸체(20)의 개방 셀의 바닥부로부터 환형 수용 트로프(114)까지 유도한다. 이러한 실시예에 있어서, 가스의 반응물 유동(48)은 비록 반대방향 흐름이 가능하지만, 반응물 유체 이동이 스크린(84)을 따르거나 벗어나도록, 도시된 바와 같이 같은 방향의 흐름이 바람직하다.
화염 장벽 스크린에 대한 변형예로서, 다공성 몸체 화염 장벽(96)이 도 18의 단면부에 도시된 바와 같이 사용될 수 있다. 다공성 몸체는 또한 도시된 바와 같이 반응물 유체 분배를 돕는다.
상기 기재한 바와 같이, 본 발명은 가스의 반응물 스트림과, 강하 필름 액체의 반응물 스트림에 영향을 미치는 반응을 행하는 방법을 제공하는 것임을 알 수 있을 것이다. 본 방법은 적어도 제 1 다세포형 압출성형된 몸체를 포함한 반응기를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 압출성형된 몸체는 몸체의 제 1 단부로부터 제 2 단부까지 수직 하방으로 평행하게 뻗어있는 셀과 같이 향하고 있다. 상기 압출성형된 몸체는 또한 상기 압출성형된 몸체의 양단부에서 개방된 제 1 복수의 셀과 상기 압출성형된 몸체의 일단부나 양단부에서 폐쇄된 제 2 복수의 상기 셀을 구비하고, 상기 제 2 복수의 셀은 상기 압출성형된 몸체를 통해 뻗어있는 하나 이상의 유체 통로를 적어도 부분적으로 형성하도록 작동가능한 하나 이상의 그룹의 연속의 셀에 배치된다. 하나 이상의 통로는 제 2 복수의 셀을 따라 전후방으로 형성된 사행 경로를 구비하고, 상기 통로는 제 2 복수의 셀 내에서, 상기 압출성형된 몸체의 단부에서나 그 근처에서, 셀부터 셀까지 측방향으로 연결된다. 본 방법은 가스의 반응물 스트림을 제 1 복수의 셀의 중앙으로부터 상하로 유동시키고, 적어도 제 1 열교환 유체를 적어도 하나의 유체 통로를 통해 유동시키면서, 액체의 반응물 필름을 제 1 복수의 셀의 내부면 아래로 유동시키는 단계를 더 포함한다. 본 방법은 제 1 복수의 셀의 내부면에 또는 그 내부에 촉매 재료를 구비한 반응기를 제공하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 상이한 열교환 이송에 선택적으로, 그리고 각각의 반응물 이송을 변경시킴으로써 선택적으로, 다수의 연속된 압출성형된 몸체를 사용하는 단계를 포함한다.
열교환 유체(60)를 본 발명의 압출성형된 몸체(20)를 통하는 경로(28)를 따라서 유동시키는 것과 관련된 압력 강하가 특정 반응기나 반응 설계에 대해 매우 큰 경우에, 유동 경로는 통합식 매니폴드 구조부를 통해 다수의 평행한 경로로 분기될 수 있다. 도 19 및 도 20은 압출성형된 다세포형 몸체, 즉 허니콤을 포함한 반응기 부재(12)의 평면도로서, 상기 도면에는 본 발명의 다른 한 일 실시예에 따른 셀(22, 24)에 수직한 평면에 위치한 다른 한 유체 경로(28)가 도시되어 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 이들 실시예는 유체 통로(28) 내에서 유체 경로를 매니폴드하거나 분기시키는 단계를 포함하여, 경로(28)는 셀에 수직한 평면에서 평행한 경로로 분기된다. 도 21은 압출성형된 몸체(20)의 일단부나 양단부에서 폐쇄된 채널(24)의 단면도를 도시한 도면으로서, 유체 경로를 매니폴드하거나 분할하는 본 발명에서 사용한 방법이 도시되어 있으며, 2개의 경로가 셀(24)에 평행한 평면에서 하나로부터 분기되고, 압출성형된 몸체(20) 내에서 개시한다.
도 22는 압출성형된 몸체, 즉 허니콤 구조부의 일단부의 부분평면도로서, 상기 도 22에는 다수의 평행한 통로(28)를 압출성형된 몸체 내에 있어서 압출성형된 몸체의 일단부 상에 위치한 인풋 포트(30)에서 개시시키는 매니폴드 방법과 구성부가 도시되어 있다.
도 23은 압출성형된 몸체의 한 측면에 위치한 벽부 또는 평평면(58) 상에서 압출성형된 몸체 내에서 개시하는 다수의 통로(28)의 다른 일 실시예를 도시한 압출성형된 몸체, 즉 허니콤 구조부의 부분 측면도이다.
도 24는 본 발명의 압출성형된 몸체 내에 열 교환 유동 경로(28)를 형성하는 선택적인 방법을 도시한 도면이다. 도 24의 압출성형된 몸체(20)의 상부에 도시된 일 변형예로서, 외곽 엔드캡(endcap)은 개스킷 또는 여러 실링 재료(104)와 함께 사용될 수 있다. 이러한 특정 변형예에 있어서, 압출성형된 몸체(20)의 셀의 벽부는 수정될 필요가 없다. 도 24의 압출성형된 몸체(20)의 바닥부에 도시된 제 2 변형예로서, 엔드 플레이트(102)에는 외곽 실링 재료(104)가 제공되고, 상기 압출성형된 몸체의 벽부의 길이가 짧아져 실링 재료(104)가 짧아지지 않은 벽의 측면을 파지하게 하는 한편, 셀부터 셀까지의 측방향 통로를 허용한다.
도 25A - 도 25D에는 플러그 또는 연속 플러그 재료(26)에 대한 변형 패턴이 도시되어 있고, 이들 패턴은 아래 폐쇄된 셀의 패턴과 대응한다. 이러한 각각의 경우에 있어서, 폐쇄된 셀 내에 형성된 유체 경로는 셀의 방향을 따라 사행이다. 도 25B에 있어서, 경로는 이중 사행 경로이고, 도 25C에 있어서 경로는 압출성형된 몸체(20) 내에서 평행하게 매니폴드되고, 도 25D에 있어서 경로는 필요하다면, 압출성형된 몸체(20) 외측에 평행하게 매니폴드된다.

Claims (10)

  1. 가스의 반응물 스트림과 강하 필름 액체의 반응물 스트림에 영향을 미치는 반응을 행하는 방법으로서,
    셀과 함께 뻗어있는 제 1 다세포형 압출성형된 몸체를 포함한 반응기를 제공하는 단계; 및
    상기 가스의 반응물 스트림을 제 1 복수의 셀의 중앙에 상하로 유동시키고 제 1 열 교환 유체를 적어도 하나의 유체 통로를 통해 유동시키면서, 액체의 반응물 필름을 상기 제 1 복수의 셀의 내부면 아래로 유동시키는 단계를 포함하고,
    상기 셀은 상기 압출성형된 몸체의 제 1 단부로부터 제 2 단부까지 수직 하방으로 평행하게 뻗어있고, 상기 압출성형된 몸체는 상기 압출성형된 몸체의 양단부에서 개방된 제 1 복수의 셀과 상기 압출성형된 몸체의 양단부나 일단부에서 폐쇄된 제 2 복수의 상기 셀을 구비하고, 상기 제 2 복수의 셀은 하나 이상의 그룹의 연속의 셀로 배치되고 상기 압출성형된 몸체를 통해 뻗어있는 적어도 하나의 유체 통로를 적어도 부분적으로 형성하도록 상호작동하는 것을 특징으로 하는 가스의 반응물 스트림과 강하 필름 액체의 반응물 스트림에 영향을 미치는 반응을 행하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응기를 제공하는 단계는 상기 제 1 복수의 셀의 내부면에 또는 그 위에 촉매 재료를 구비한 반응기를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 반응물 스트림과 강하 필름 액체의 반응물 스트림에 영향을 미치는 반응을 행하는 방법.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 반응기를 제공하는 단계는 적어도 제 2 다세포형 압출성형된 몸체를 구비한 반응기를 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 2 다세포형 압출성형된 몸체는 제 1 다세포형 압출성형된 몸체 아래에 위치되고, 제 2 몸체의 복수의 개방 셀과 제 2 몸체의 복수의 폐쇄된 셀을 구비하여 적어도 하나의 제 2 몸체 유체 통로를 형성하고,
    (1) 액체의 반응물 필름을 유동시키는 단계는 액체의 반응물 필름을 제 2 몸체의 복수의 개방 셀의 내부면 아래로 유동시키는 단계를 더 포함하고,
    (2) 가스의 반응물 스트림을 유동시키는 단계는 가스의 반응물 스트림을 개방 셀의 제 2 몸체의 복수의 셀의 중앙으로부터 상하로 유동시키는 단계를 더 포함하고, 그리고
    (3) 열 교환 유체를 유동시키는 단계는 제 2 열 교환 유체를 적어도 하나의 제 2 몸체 유체 통로를 통해 유동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 반응물 스트림과 강하 필름 액체의 반응물 스트림에 영향을 미치는 반응을 행하는 방법.
  4. 가스의 반응물 스트림과 강하 필름 액체의 반응물 스트림을 반응시키는 반응기로서,
    셀과 함께 뻗어있는 제 1 다세포형 압출성형된 몸체;
    상기 압출성형된 몸체의 제 1 단부에서 유체를 제 1 복수의 셀로 분배할 수 있도록 구성되고 배치된 유체 공급원;
    가스가 상기 제 1 복수의 셀을 통해 유동할 수 있도록 구성되고 배치된 상기 압출성형된 몸체 위쪽이나 아래쪽 중 어느 한쪽에 위치된 가스 공급원; 및
    열 교환 유체가 유체 통로를 통해 유동할 수 있도록 구성되고 배치된 적어도 하나의 상기 유체 통로와 연결된 열 교환 유체 공급원;을 포함하고,
    상기 셀은 상기 압출성형된 몸체의 제 1 단부로부터 제 2 단부까지 수직 하방으로 평행하게 뻗어있고, 상기 압출성형된 몸체는 상기 압출성형된 몸체의 양단부에서 개방된 제 1 복수의 셀과 상기 압출성형된 몸체의 일단부나 양단부에서 폐쇄된 제 2 복수의 상기 셀을 구비하고, 상기 제 2 복수의 셀은 하나 이상의 그룹의 연속하는 셀에 배치되고 상기 압출성형된 몸체를 통해 뻗어있는 적어도 하나의 유체 통로를 적어도 부분적으로 형성하도록 상호작동하는 것을 특징으로 하는 가스의 반응물 스트림과 강하 필름 액체의 반응물 스트림을 반응시키는 반응기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 적어도 하나의 통로는 상기 압출성형된 몸체의 상기 셀에 수직한 평면에서 하나의 셀의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 가스의 반응물 스트림과 강하 필름 액체의 반응물 스트림을 반응시키는 반응기.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 통로는 상기 제 2 복수의 셀의 셀을 따라서 적어도 2번 전후방을 향하는 사행 경로를 갖는 것을 특징으로 하는 가스의 반응물 스트림과 강하 필름 액체의 반응물 스트림을 반응시키는 반응기.
  7. 청구항 4 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 통로는 인풋 포트와 아웃풋 포트를 통해 상기 압출성형된 몸체의 외측으로부터 접근가능하고, 상기 인풋 포트는 상기 압출성형된 몸체의 제 1 단부에 위치되고 상기 압출성형된 몸체의 제 1 단부에서 플러그에 의해 폐쇄된 상기 압출성형된 몸체의 셀에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 가스의 반응물 스트림과 강하 필름 액체의 반응물 스트림을 반응시키는 반응기.
  8. 청구항 4 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 통로는 인풋 포트와 아웃풋 포트를 통해 상기 압출성형된 몸체의 외측으로부터 접근가능하고, 상기 인풋 포트는 상기 압출성형된 몸체의 측면의 벽부에 위치되는 것을 특징으로 하는 가스의 반응물 스트림과 강하 필름 액체의 반응물 스트림을 반응시키는 반응기.
  9. 청구항 4 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압출성형된 몸체의 제 1 단부와 제 2 단부에 위치된 제 1 및 제 2 화염 장벽을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스의 반응물 스트림과 강하 필름 액체의 반응물 스트림을 반응시키는 반응기.
  10. 청구항 4 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 제 2 다세포형 압출성형된 몸체를 더 포함하고,
    상기 압출성형된 몸체 각각은 제 1 몸체 아래에 위치되고, 적어도 하나의 유체 통로를 각각 형성하는 각각의 복수의 개방 셀과 각각의 복수의 폐쇄된 셀을 구비하며, 연속된 상기 몸체는 각각 다음의 보다 높은 몸체로부터의 유체 반응물 유동과 가스의 반응물 유동 중 하나 또는 양자를 수용하도록 위치되고 배치된 것을 특징으로 하는 가스의 반응물 스트림과 강하 필름 액체의 반응물 스트림을 반응시키는 반응기.
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