KR20040020900A - 2개 이상의 유체를 혼합 및 반응시키는 장치 - Google Patents

Abstract

적어도 2개의 유체를 혼합 및 반응시키는 신규한 장치가 개시되어 있다. 혼합 챔버에 유체를 공급하여 와류를 생성하는 적어도 2개의 공급 채널을 구비하는 장치에서 우수한 혼합 및 압력 강하 특성이 달성된다. 공급 채널의 정렬은 유체가 챔버 내로 접선 방향 및 반경 방향 양쪽에서 도입되도록 되어 있다. 기체/액체 혼합의 경우에, 특히 유리한 점은 액체 흐름은 접선 방향으로 주입되고 기체 흐름은 반경 방향으로 주입된다는 것이다. 유체의 반응은 혼합 챔버 내에서 일어나거나 혼합 챔버 출구와 유체 연통되는 별개의 반응기에서 일어날 수 있다. 혼합/반응 장치는 특히 신속한 확산이 중요한 반응에 유용하다.

Description

2개 이상의 유체를 혼합 및 반응시키는 장치{APPARATUS FOR MIXING AND REACTING AT LEAST TWO FLUIDS}

적어도 2개의 유체를 혼합하는 경우, 가능한 한 신속하게 균일한 분배를 달성하는 것이 그 목적이다. 미세 혼합기, 현대 화학을 위한 신기술(Microreactros, New Technology for Modern Chemistry), Wiley-VCH 2000, p. 41-85에서 W. Ehrfeld, V. Hessel, H. Lowe에 의해 기술된 정적 혼합기를 사용하는 것이 유리하다. 기지의 정적 혼합기는 액체인 경우에 마이크로미터 범위의 두께의 인접한 유체층을 교대로 발생시킴으로써 수 밀리세컨드 내지 1초의 혼합 시간을 달성한다. 기체인 경우에는 확산 상수가 더 높기 때문에 훨씬 더 신속한 혼합을 제공한다. 난류 조건이 조성되는 동적 혼합기와 달리, 정적 혼합기는 기하학적 형태가 미리 정해지므로 유체층의 폭과 확산 경로를 정확하게 결정할 수 있다. 그 결과, 매우 정밀한 혼합 시간의 분배가 달성된다. 이에 의해 선택성, 수율 및 심지어는 안정성과 관련하여 화학 반응을 최적화시키는 수많은 가능성이 가능해진다.

정적 혼합기의 추가 잇점으로는 구성 요소의 크기가 감소된다는 것이며, 이에 의해 인접한 장비, 예컨대 열 교환기 및 반응기와의 통합이 훨씬 용이하게 될 수 있다. 또한, 한정된 공간 내에서 2개 이상의 구성 요소 사이에 강행된 상호 작용으로 인해 공정의 최적화가 향상될 수도 있다. 정적 혼합기는 액체/액체 혼합물 및 기체/기체 혼합기 뿐만 아니라 액체/액체 유제 및 액체/기체 분산물을 형성하는 데 사용된다. 정적 혼합기는 또한 다상 반응 및 상 이동 반응에 사용하는 것이 알려져 있다.

다중 적층 또는 유체층 형성 원리를 사용하여 작동되는 정적 혼합기는 하나의 평면에 폭이 25-40 미크론인 혼합 채널 구조를 갖는다(상기 문헌의 64-73쪽을 확인하라). 상기 채널은 혼합될 2개의 유체를 반대 방향으로 평행하게 교대로 흐르도록 배치되는 다수의 개별 유체 흐름으로 분기시킨다. 인접한 유체 흐름은 수평면으로부터 수직 상방으로 슬롯을 통해 제거되어 서로 접촉하게 된다. 그러나, 대량 생산에 적합한 구조화 방법을 사용하면, 채널의 기하학적 형상 및 이에 따라 유체층의 폭이 단지 제한된 정도까지 서브미크론 범위로 감소될 수 있다.

다중 적층 원리를 사용하는 유체층 크기의 추가 감소는 소위 기하학적 초점 조절에 의해 달성된다. 위험 물질과 반응하는 이 원리를 이용하는 정적 혼합기는 미세 반응 기법(Microreactions Technology); 산업 전망; 미세 반응 기법/IMRET3에 대한 제3 국제 회의의 의사록, W.Ehrfeld, Springer 2000, pp.171-179에서 T. M. Floyd에 의해 설명되어 있다. 혼합될 2개의 유체를 위해 교대로 인접한 채널을 반원형으로 외측을 향해 외측으로부터 반경 방향으로, 깔때기 형태로 연장되는 챔버 내로 개방시키고 협소하고 긴 채널 내로 합병한다. 적층식 유체 흐름은 챔버 내에서 조합된 다음 협소한 채널로 전달되므로, 개별 유체층의 폭이 감속된다. 이러한 층류 조건 하에서는 혼합이 순수하게 확산된다. 따라서, 유체층의 폭을 서브미크론 범위로 감소시킴으로써 밀리세컨드 범위의 혼합 시간이 달성된다. 이 형상을 갖는 단점으로는 협소한 채널이 완전하고 밀접한 혼합을 달성할 정도로 충분히 길어야 한다는 것이다. 이 때문에 대형 구조를 필요로 하고 비교적 고압 손실을 촉진시킨다.

본 발명은 적어도 2개의 유체를 혼합 및 반응시키는 신규한 장치에 관한 것이다. 이 장치는 혼합 챔버와, 상기 혼합 챔버 내로 유체를 접선 방향과 반경 방향에서 모두 공급하는 적어도 2개의 도관을 구비한다. 반응 영역은 혼합 챔버 내에 통합되거나 이 혼합 챔버와 별개로 될 수도 있다.

도 1은 교대로 접선 방향 및 반경 방향으로 다수의 공급관이 통해 있는 혼합 챔버의 평면도.

도 2는 혼합 챔버로의 주입 전에 공급관에서 2개의 유체를 예혼합하는 것을 보여주는 평면도.

도 3은 2개의 유체가 혼합되고 공급관이 혼합 챔버 주위에서 접선 방향과 반경 방향 간에 교대로 있는 다수의 공급관을 보여주는 평면도.

도 4는 개별 플레이트가 명확성을 기하기 위해 분리되어 있는 적층식 플레이트 구조를 포함하는 정적 혼합기/반응기의 도면으로서, 혼합기 플레이트는 다수의 공급 채널이 교대로 접선 방향과 반경 방향으로 통해 있는 혼합 챔버의 개방 구조를 형성하고, 혼합기 플레이트 아래의 반응 플레이트는 반응기의 개방 구조를 형성한다.

도 5는 개별 플레이트가 명확성을 기하기 위해 분리되어 있는 적층식 플레이트 구조를 포함하는 정적 혼합기/반응기의 도면으로서, 혼합기 플레이트는 혼합 챔버 내로 주입되기 전에 2개의 유체가 공급 채널 내에서 예혼합될 수 있게 구성되고, 반응기 상부의 반응 플레이트는 반응기의 개방 구조를 형성한다.

이들 개시물과 달리, 본 발명의 장치는 적어도 2개의 유체를 신속하고도 균일하게 혼합하는 널리 알려진 문제에 대한 해법을 제공하는 동시에, 저압 강하 특성과 경제적인 구조를 유지한다. 제공되는 효율적인 혼합은 화학 반응과 함께 사용된다. 반응 전에, 상당한 압력 손실 없이 완벽한 혼합을 촉진시키는 와류 또는 혼합 챔버를 활용하는 방식으로 공급 성분들이 혼합된다. 특히 반응물의 극히 양호한 분산이 확산 제한을 극복할 수 있는 반응이 관심사이다. 본 발명은 광범위한 용례에 사용될 수도 있지만, 특히 반응과 결합된 소규모 또는 미세 혼합 작업에 적합하다.

본 발명은 적어도 2개의 유체를 혼합 및 반응시키는 혼합/반응 장치 및 고압 강하 및 불충분한 확산의 제한을 극복하는 혼합 방법에 관한 것이다. 혼합은 혼합 챔버 주위에서 접선 방향 및 반경 방향으로 개별 유체의 흐름을 주입하여 전체에나선형 흐름 경로를 제공함으로써 달성된다. 본 발명은 광범위한 용례에 사용될 수도 있지만, 특히 본 발명은 소규모 혼합 작업 또는 미세 혼합에 적합하다. 본 발명은 또한 반응과 결합될 수도 있다.

제1 실시예에서, 본 발명은 제1 유체 흐름과 제2 유체 흐름을 혼합하는 장치이다. 상기 장치는 상기 제1 유체 흐름을 수용하는 제1 공급관 수용 단부와, 이 제1 공급관 수용 단부의 반대측에 있는 제1 공급관 방출 단부를 갖는 제1 공급관을 구비한다. 상기 장치는 또한 상기 제2 유체 흐름을 수용하는 제2 공급관 수용 단부와, 이 제2 공급관 수용 단부의 반대측에 있는 제2 공급관 방출 단부를 갖는 제2 공급관을 구비한다. 상기 장치는 또한 제1 공급관 및 제2 공급관과 제1 공급관 방출 단부 및 제2 공급관 방출 단부에서 유체 연통되는 혼합 챔버를 구비한다. 제1 공급관 방출 단부와 제2 공급관 방출 단부 중 하나는 혼합 챔버 내에 거의 접선 방향으로 통해 있고, 제1 공급관 방출 단부와 제2 공급관 방출 단부 중 다른 하나는 혼합 챔버 내에 거의 반경 방향으로 통해 있다. 상기 장치는 또한 상기 혼합 챔버의 중심 영역과 유체 연통되어 생성물 흐름을 방출하기 위한 혼합 챔버 출구를 구비한다.

다른 실시예에서, 본 발명은 제1 유체 흐름과 제2 유체 흐름을 혼합하는 장치이다. 상기 장치는 상기 제1 유체 흐름을 수용하는 제1 공급관 수용 단부와, 이 제1 공급관 수용 단부의 반대측에 있는 제1 공급관 방출 단부를 갖는 제1 공급관을 구비한다. 상기 장치는 또한 상기 제2 유체 흐름을 수용하는 제2 공급관 수용 단부와, 이 제2 공급관 수용 단부의 반대측에 있는 제2 공급관 방출 단부를 갖는 제2공급관을 구비한다. 상기 장치는 또한 내부에 촉매가 배치되어 있는 혼합 챔버를 구비한다. 상기 혼합 챔버는 제1 공급관 방출 단부와 제2 공급관 방출 단부에서 제1 공급관 및 제2 공급관과 유체 연통된다. 제1 공급관 방출 단부와 제2 공급관 방출 단부 중 하나는 혼합 챔버 내에 거의 접선 방향으로 통해 있고, 제1 공급관 방출 단부와 제2 공급관 방출 단부 중 다른 하나는 혼합 챔버 내에 거의 반경 방향으로 통해 있다. 상기 장치는 또한 상기 혼합 챔버의 중심 영역과 유체 연통되어 생성물 흐름을 방출하기 위한 혼합 챔버 출구를 구비한다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 제1 유체 흐름과 제2 유체 흐름을 혼합하는 장치이다. 상기 장치는 상기 제1 유체 흐름을 수용하는 제1 공급관 수용 단부와, 이 제1 공급관 수용 단부의 반대측에 있는 제1 공급관 방출 단부를 갖는 제1 공급관을 구비한다. 상기 장치는 또한 상기 제2 유체 흐름을 수용하는 제2 공급관 수용 단부와, 이 제2 공급관 수용 단부의 반대측에 있는 제2 공급관 방출 단부를 갖는 제2 공급관을 구비한다. 상기 장치는 또한 제1 공급관 및 제2 공급관과 제1 공급관 방출 단부 및 제2 공급관 방출 단부에서 유체 연통되는 혼합 챔버를 구비한다. 제1 공급관 방출 단부와 제2 공급관 방출 단부 중 하나는 혼합 챔버 내에 거의 접선 방향으로 통해 있고, 제1 공급관 방출 단부와 제2 공급관 방출 단부 중 다른 하나는 혼합 챔버 내에 거의 반경 방향으로 통해 있다. 상기 장치는 또한 상기 혼합 챔버의 중심 영역과 유체 연통되어 제1 유체와 제2 유체의 혼합된 흐름을 방출하기 위한 혼합 챔버 출구를 구비한다. 상기 장치는 또한 입구와 출구가 있고 촉매 보유 공간을 형성하는 반응기를 구비하고, 상기 반응기 입구는 혼합 챔버 출구와 유체 연통된다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 제1 유체 흐름과 제2 유체 흐름을 혼합하는 장치이다. 상기 장치는 상기 제1 유체 흐름을 수용하는 제1 공급관 수용 단부와, 이 제1 공급관 수용 단부의 반대측에 있는 제1 공급관 방출 단부를 갖는 제1 공급관을 구비한다. 상기 장치는 또한 상기 제2 유체 흐름을 수용하는 제2 공급관 수용 단부와, 이 제2 공급관 수용 단부의 반대측에 있는 제2 공급관 방출 단부를 갖는 제2 공급관을 구비한다. 상기 장치는 또한 제1 공급관 및 제2 공급관과 제1 공급관 방출 단부 및 제2 공급관 방출 단부에서 유체 연통되는 혼합 챔버를 구비하고, 제1 공급관 방출 단부와 제2 공급관 방출 단부 중 하나는 혼합 챔버 내에 거의 접선 방향으로 통해 있고, 제1 공급관 방출 단부와 제2 공급관 방출 단부 중 다른 하나는 혼합 챔버 내에 거의 반경 방향으로 통해 있다. 상기 장치는 또한 제1 유체 흐름과 제2 유체 흐름의 혼합된 흐름을 혼합 챔버로부터 방출하는 혼합 챔버 출구를 구비하고, 상기 혼합 챔버 출구는 혼합 챔버의 중심 영역과 유체 연통된다. 상기 장치는 또한 입구와 출구가 있고 촉매 보유 공간을 형성하는 반응기를 구비하고, 상기 반응기 입구는 혼합 챔버 출구와 유체 연통된다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 적어도 2개의 유체를 혼합하는 층상 조립체이다. 이 층상 조립체는 외부면과 내부면이 있고, 제1 유체와 제2 유체를 층상 조립체 내로 수용하는 제1 공급 채널과 제2 공급 채널을 형성하는 거의 평탄한 덮개층을 구비한다. 상기 제1 공급 채널과 제2 공급 채널은 외부면으로부터 내부면까지 연장되어 제1 입구 포트와 제2 입구 포트를 형성한다. 상기 층상 조립체는 또한 상부면과 하부면이 있는 거의 평탄한 혼합층을 구비하고, 상기 혼합층의 상부면은 상기 덮개층의 내부면 상에 밀봉 가능하게 배치되어 제1 공급 채널을 형성하며, 이 제1 공급 채널은 제1 공급 채널과 유체 연통되는 제1 공급 채널 수용 단부와 제1 공급 채널 수용 단부 반대측에 있는 제1 공급 채널 방출 단부를 갖는다. 상기 덮개층과 혼합층은 또한 제2 공급 채널과 유체 연통되는 제2 공급 채널 수용 단부와, 이 제2 공급 채널 수용 단부 반대측에 있는 제2 공급 채널 방출 단부를 갖는 제2 공급 채널을 형성한다. 상기 덮개층과 혼합층은 또한 제1 공급 채널 방출 단부 및 제2 공급 채널 방출 단부와 유체 연통되는 혼합 챔버를 형성하고, 상기 제1 공급 채널 방출 단부 또는 제2 공급 채널 방출 단부 중 하나는 혼합 챔버 내에 거의 접선 방향으로 통해 있고 제1 공급 채널 방출 단부 또는 제2 공급 채널 방출 단부 중 다른 하나는 혼합 챔버 내에 거의 반경 방향으로 통해 있다. 상기 덮개층과 혼합층은 또한 혼합 챔버와 유체 연통되어 제1 유체 및 제2 유체의 혼합된 흐름을 혼합 챔버로부터 방출하는 혼합 챔버 출구 채널을 형성한다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 적어도 2개의 유체를 혼합하는 층상 조립체이다. 이 층상 조립체는 외부면과 내부면이 있고, 제1 유체와 제2 유체를 층상 조립체 내로 수용하는 제1 공급 채널과 제2 공급 채널을 형성하는 거의 평탄한 덮개층을 구비하며, 상기 제1 공급 채널과 제2 공급 채널은 외부면으로부터 내부면까지 연장되어 제1 입구 포트와 제2 입구 포트를 형성한다. 상기 층상 조립체는 또한 상부면과 하부면이 있는 거의 평탄한 혼합층을 구비하고, 상기 혼합층의 상부면은 상기 덮개층의 내부면 상에 밀봉 가능하게 배치되어 제1 공급 채널을 형성하며, 이제1 공급 채널은 제1 공급 채널과 유체 연통되는 제1 공급 채널 수용 단부와 제1 공급 채널 수용 단부 반대측에 있는 제1 공급 채널 방출 단부를 갖는다. 상기 덮개층과 혼합층은 또한 밀봉 가능하게 연결되어, 제2 공급 채널과 유체 연통되는 제2 공급 채널 수용 단부와, 이 제2 공급 채널 수용 단부 반대측에 있는 제2 공급 채널 방출 단부를 갖는 제2 공급 채널을 형성한다. 상기 덮개층과 혼합층은 또한 밀봉 가능하게 연결되어 내부에 촉매가 배치된 혼합 챔버를 형성한다. 상기 혼합 챔버는 제1 공급 채널 방출 단부 및 제2 공급 채널 방출 단부와 유체 연통되고, 상기 제1 공급 채널 방출 단부 또는 제2 공급 채널 방출 단부 중 하나는 혼합 챔버 내에 거의 접선 방향으로 통해 있고 제1 공급 채널 방출 단부 또는 제2 공급 채널 방출 단부 중 다른 하나는 혼합 챔버 내에 거의 반경 방향으로 통해 있다. 혼합 챔버 출구 채널은 혼합 챔버와 유체 연통되어 생성물 흐름을 혼합 챔버로부터 방출한다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 적어도 2개의 유체 흐름을 혼합하는 방법 및 필요에 따라 반응시키는 방법이다. 상기 방법은 제1 유체 흐름을 제1 공급 채널을 통해 유동시켜 제1 유체 흐름을 거의 반경 방향으로 혼합 챔버 내에 주입하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 제2 유체 흐름을 제2 공급 채널을 통해 유동시켜 제2 유체 흐름을 거의 접선 방향으로 혼합 챔버 내에 주입하여 와류를 생성하는 단계와, 혼합된 제1 유체와 제2 유체의 흐름을 상기 와류의 중심부로부터 추출하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 필요에 따라 또한, 혼합된 유체를 반응 챔버에서 반응시키는 단계를 포함한다.

이들 및 그 외의 실시예와 목적은 본 발명의 상세한 설명을 읽은 후에 명백하게 될 것이다.

언급한 바와 같이, 본 발명은 2개 이상의 유체를 혼합 및 반응시키는 장치의개선에 관한 것이다. 상기 유체는 폭넓게 임의의 기상 물질 또는 액상 물질 또는 이들 물질들의 혼합물일 수 있다. 상기 유체는 또한 용해되거나 분산된 고체 성분을 가지므로, 용해된 고체와 슬러리, 예컨대 고체 촉매 입자를 함유하는 액상 반응물의 슬러리의 용액을 또한 본 발명에 적용할 수 있다. 그 외에 기체/액체 혼합물, 입자가 동반된 기체 및 3상 슬러리와 같은 다상을 포함하는 유체가 또한 적절하다. 본 발명에 따라 반응 전에 달성되는 혼합은 기지의 용해, 유화 및 분산 작업을 포함한다. 따라서, 결과적인 혼합물은 용액, 액체/액체 유제 및 기체/액체 분산물 및 고체/액체 분산물을 포함한다. 본 발명에 따른 혼합/반응 장치 및 방법은 기체/액체 분산물을 형성하는 데 적용되는 것이 유리하고, 이 경우에 혼합 챔버 내로 도입된 적어도 하나의 유체는 기체 또는 기체 혼합물을 함유하고, 도입된 적어도 하나의 추가 유체는 액체, 액체 혼합물, 용액, 분산물 또는 유제를 포함한다.

본 발명에 따른 혼합/반응 장치는 특히 제한된 확산에 특징이 있는 화학 반응을 수행하는 데 사용된다. 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 반응물 흐름은 혼합 챔버 내로 개별적으로 도입되거나 이 혼합 챔버에 이르는 공급관 내에서 예혼합될 수도 있다. 최적의 선택은 반응의 구체적인 물성에 좌우된다. 예컨대, 긴 체류 시간을 필요로 하는 반응은 예혼합을 사용하여 최상으로 달성되지만, 비선택적인 부산물이 촉매 없이 형성될 수도 있는 반응은 혼합 챔버의 반응물 상류 사이에서 접촉을 피함으로써 최상으로 수행된다. 예컨대, 온도 센서나 압력 센서, 유량계, 히터 소자 또는 열 교환기와 같이 화학 반응을 제어하는 장치가 혼합/반응 장치에 통합될 수 있다. 후술되는 상기 혼합/반응 장치의 일실시예에서, 상기 장치는 밀봉 가능하게 연결된 층의 조립체를 포함하고, 이들 장치는 혼합 챔버의 상부 또는 하부의 층에 배치되어 그 층에 기능상 연결될 수도 있다. 언급한 바와 같이, 이종의 촉매 화학 반응을 수행하기 위해서 상기 혼합/반응 장치는 추가로 촉매 재료를 포함할 수도 있다.

밀접한 유체 혼합이 요망되는 화학 반응을 비롯한 특정 용례에 따라, 다양한 기타 유체가 혼합 챔버 내로 도입되는 것이 유리하다. 그러한 보충 유체는, 예컨대 화학 안정제, 유화제, 부식 억제제, 반응 촉진제, 중합화 체인 종결제 등을 포함한다. 심지어는 고체 또는 액상 촉매를 혼합 챔버로 도입하여 원하는 반응을 수행할 수도 있다. 물론, 혼합 및 반응될 유체는 이미 혼합된 보조 물질을 함유할 수도 있다. 촉매를 혼합 챔버 내에 배치하여 혼합 챔버에서 반응이 발생하든지 않하든지 간에 혼합 챔버 내에 형성된 혼합물은 혼합 챔버, 바람직하게는 그 중심 영역과 유체 연통하는 혼합 챔버 출구를 경유하여 제거된다.

반응 전에 적어도 2개의 유체를 혼합하는 본 발명에 따른 혼합/반응 장치는 혼합 챔버와, 이 혼합 챔버 주변에 배치되어 혼합 챔버 내로 유체를 주입하는 적어도 2개의 공급관을 포함한다. 상기 공급관은 한정된 유량으로 도입되는 특정 유체가 내측을 향해 동심으로 흐르는 유체 나선형을 형성하게 되는 방식으로 혼합 챔버 내로 개방되어 있다. 이 와류 형성은 혼합 챔버 내에서의 유체 체류 시간을 상당히 연장시킴으로써, 혼합 특성을 향상시킨다. 원하는 나선형 및 내향 액체 흐름 경로의 달성은 주로 혼합 챔버 내로의 유체 도입 각도 및 유체 동력학 에너지와 상관한다. 반경 방향으로 또는 원통형 혼합 챔버의 경우 그 중심을 향해 직접 도입되는 유체는 접선 방향으로 충분한 동력학 에너지를 갖는 다른 유체가 작용하지 않으면 나선형 흐름 경로가 나타나지 않게 된다. 본 발명은 혼합될 제1 유체 및 제2 유체를 접선 방향 및 반경 방향으로 도입함으로써 특별한 혼합을 달성한다. 접선 방향 유체의 동력학 에너지 성분은 반경 방향 흐름 성분을 만곡시키는 것이 적절하여 이들 성분이 효과적인 혼합을 가능하게 하도록 충분한 수의 권선을 갖는 전체 나선형 흐름 패턴이 나타나는 것이 바람직하다. 하나의 유체가 접선 방향으로 도입되고 다른 유체가 반경 방향으로 도입되므로, 원하는 나선형 및 내향 흐름 패턴을 제공하도록 접선 방향으로 흐르는 유체의 유체 동력학 에너지 대 반경 방향으로 흐르는 유체의 유체 동력학 에너지의 비율은 0.5 이상인 것이 바람직하다.

원하는 나선형 흐름 패턴을 형성하기에 적당한 조건이 성립되면, 나선형의 최외측 권선을 따라 흐르는 유체만이 혼합 챔버의 측방향 내부면과 접촉된다. 혼합 챔버의 형태 및 치수에 따라, 이 유체는 마찰 손실로 인해 혼합 챔버에서 압력 강하의 상당한 부분의 원인이 된다. 반대로, 내부 권선을 포함하는 유체는 회전하는 유체와만 양측부에서 접촉하게 된다. 이 유체는 동일한 방향으로 흐르는 이전 권선 및 다음 권선을 포함한다. 이러한 이유로, 본 발명의 혼합기/반응기에 달성되는 압력 손실은 다중 적층만을 사용하고 대응하는 길이의 혼합 경로를 갖는 정적 혼합기에 가능한 압력 손실보다 작게 된다. 이 경우에, 유체는 양방향에서 교호적인 층으로서 흐른다. 따라서, 직선형 또는 만곡형 경로를 따라 흐르는 인접한 유체 흐름 사이의 마찰 효과가 커지게 된다. 따라서, 반응 전에 유체를 혼합하는 본 발명의 장치를 사용하는 것과 관련된 잇점은 반응 전에 작은 구조 내에서 확산 혼합에 유용한 큰 접촉 영역 및 긴 체류 시간 뿐만 아니라 적은 압력 손실 관점에서 실현된다. 촉매가 내부에 함유된 미세 혼합기 형태의 간결한 구조가 편리하게 제조될 수도 있지만, 본 발명은 중간 규모 또는 대규모의 작업을 배제하지 않는다.

본 발명과 관련된 추가 잇점은 유체 나선 또는 와류의 한 권선과 이전 권선 및 다음 권선 사이의 접촉이 반응물의 확산 혼합에 이바지한다는 것이다. 층류 조건이 혼합 챔버 내부에서 원형 흐름 이동으로부터 조성되는 것이 바람직하다. 그러나, 또한 국부적인 난류 조건이 유체 나선 또는 와류의 전체 내향 흐름으로부터 생길 수 있다.

내향 나선형 흐름 경로를 형성하기 위해, 적어도 하나의 공급관이 혼합 챔버 내로 예각으로 또는 접선 방향으로 개방되도록 배치된다. 더욱이, 유체는 혼합기/반응기로 진입하는 대형 조성물로서 또는 하나 이상의 공급관으로 진입하기 전에 소정 범위로 예혼합된 유체 경계층으로서 도입될 수도 있다. 대체로, 접선 방향으로 지향되는 유체는 혼합 챔버 내로 진입시 층류 조건을 유지하므로, 와류 평면에 대해 수직으로 연장되는 다수의 권선을 갖는 원하는 유체 와류를 형성할 수 있다.

공급관은 공통 혼합 챔버 둘레의 한 평면에서 개방되도록 배치될 수도 있다. 사용된 공급관의 수에 상관없이 최소 2개가 필요하며, 공급관은 혼합 챔버의 주변 둘에서 대칭적으로 분배되는 것이 바람직하다. 이들 공급관을 사용하여 동일한 반응물 유체를 공급할 수 있는데, 예컨대 반응물(A)은 각 공급관(1, 3)에서 개별적으로 공급되고, 반응물(B)은 공급관(2, 4)에서 공급된다. 이와 달리, 각 공급관이 상이한 유체를 공급할 수 있는데, 예컨대 공급관(1, 2, 3 및 4)이 유체(A, B, C 및D)를 각각 공급할 수 있다. 또한, 공급 채널은 혼합 챔버 둘레의 복수 개의 평면에 배치될 수 있다. 동일하거나 상이한 유체가 임의의 소정 평면에 배치된 공급 채널에서 혼합 챔버 내로 도입될 수 있다. 따라서, 유체는 일반적인 종류의 혼합 챔버 내로 도입될 수도 있는데, 예컨대 하나의 유체는 혼합 챔버 주위에서 축선 높이가 다양한 공급 채널을 통해 수평면에서 원형 단면을 갖는다. 그러한 구조는 혼합 챔버 내에서 긴 체류 시간에 대응하여 훨씬 긴 유체 나선을 달성할 수 있다.

혼합 챔버는 형태가 거의 원통형인 것이 바람직하고, 이에 따라 거의 원형 단면을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 단면은 원형이지만 원의 직경이 축선 높이와 함께 감소되거나 증가되어 혼합 챔버의 형태가 실제로는 원통형이 아니라 원뿔인 것도 가능하다. 혼합 챔버의 단면은 거의 수평면으로 확정되는 것이 유리하며, 이 수평면으로부터 혼합 챔버 출구가 거의 수직으로 또는 대체로 수직 방향으로 통해 있다. 물론, 혼합 챔버는 다른 단면 형태, 특히 달걀형 또는 타원형과 같이 둥근 형태를 가질 수도 있다. 심지어는 꼭지점에 통상 형성되는 코너부가 둥글다면 삼각형 또는 그 외의 다각형과 같은 형태도 허용될 수 있다. 둥근 형태나 만곡 형태는 코너부 또는 가장자리가 존재하면 문제가 될 수 있는 "데드(dead)" 영역(즉, 일정한 흐름이 없는 구역)을 방지한다. 원통형으로 형성된 혼합 챔버의 바람직한 경우에, 적어도 공급관이 혼합 챔버 내로 개방되는 영역에서의 공급관의 높이는 혼합 챔버의 높이 이하인 것이 바람직하다.

바람직한 구조에 있어서, 다수의 공급 채널은 혼합 챔버 내로 접선 방향 및 반경 방향으로 교대로 개방되어 있다. 이 장치의 특정 실시예는 특히 반응될기체/액체 분산물을 제공하는 데 유용하다. 여기서, 액체 흐름용 공급 채널은 기체 흐름용 공급 채널보다 작은 예각으로 혼합 챔버 내로 최적으로 개방된다. 그 결과, 기체 흐름은 소용돌이치는 액체에 의해 개별 기체 기포로 분쇄된다. 액체용 공급 채널은 혼합 챔버 내로 접선 방향으로 개방되고, 기체용 공급 채널은 혼합 챔버 내로 반경 방향으로 개방되는 것이 특히 바람직하다. 이 구조는 작고 밀접하게 분배된 기포 크기를 갖는 기체/액체 분산물의 형성을 촉진하고, 이에 따라 반응 전에 거의 균일한 혼합물을 제공한다.

혼합/반응 장치는 하류 용례에 혼합 유체 흐름을 공급하는 혼합 챔버 출구를 구비한다. 상기 혼합 챔버 출구는 혼합 챔버의 중심 영역, 바람직하게는 그 중심점과 유체 연통되어 혼합 유체를 추출한다. 예컨대, 혼합 챔버가 원통형이어서 원형 단면을 갖는다면, 혼합 챔버 출구는 그 중심으로부터 혼합 유체를 추출한다. 바람직한 실시예에서, 혼합 챔버는 수평 방향으로 배향된 거의 원형 단면을 가지며, 혼합 챔버 출구는 혼합 챔버로부터 상방 또는 하방으로 거의 수직으로 통해 있다. 특정 유체 및 그 특성의 관점에서, 혼합 챔버 및 이 혼합 챔버 내로 개방된 공급 채널의 단면적을 비교해서 출구의 단면적은 다수의 권선을 갖는 내향으로 흐르는 원하는 유체 와류의 형성이 가능하도록 설정된다. 혼합 챔버 출구관은 원형 단면을 갖고, 파이프 또는 튜브의 경우에 혼합 챔버와 혼합 챔버 출구의 직경비는 5보다 크다.

잘 혼합된 반응물의 반응을 수행하도록 사용되는 촉매가 혼합 챔버 내에 배치되지 않거나 유체 흐름으로서 도입되지 않은 경우에는, 혼합 챔버의 하류에 개별반응기가 필요하다. 이 경우에, 반응기는 통상 촉매 보유 공간 내에 촉매를 포함하게 된다. 또한 촉매는, 예컨대 액상 반응물 슬러리에 분산된 고체로서 반응기 내로 연속 도입되는 것이 가능하다.

반응기에서 배출되는 반응 생성물을 분리시키기를 또한 원한다면, 반응기의 하류에 분리기를 통합하는 것이 또한 가능하다. 이 경우에 분리기는 반응 생성물용 입구 뿐만 아니라 오버헤드와 하부 흐름을 각각 위한 적어도 2개의 출구를 갖는다. 반응 급송물, 반응 생성물 및 부산물의 상대적인 휘발성 및/또는 기타 특성에 따라, 또한 바닥 또는 오버헤드 생성물을 다시 혼합 챔버로 재순환시키는 것이 요망될 수도 있다. 재순환 흐름은 접선 방향 또는 반경 방향으로 지향되는 공급관을 통해 혼합 챔버 내로 도입될 수도 있다. 이와 달리, 재순환 흐름을 혼합 챔버로 도입하기 전에 후술하는 방식으로 재순환 흐름을 반응 흐름 중 하나와 예혼합시키는 것도 또한 가능하다. 다른 가능성으로는 별개의 유체 또는 그 일부를 촉매층 바로 상류의 혼합 챔버 출구로 재순환시키는 것이다. 물론, 분리기는 순간 분리, 증류, 막 분리, 추출, 결정화 등을 비롯한 당업계에 공지된 기지의 많은 분리 기법을 사용할 수도 있다.

다른 실시예에서는, 하나 이상의 추가 유체가 별개의 공급관 또는 추가 유체가 혼합될 유체 중 하나와 예혼합되는 공급관을 통해 혼합 챔버 내로 진입된다. 그러한 추가 유체는 혼합물을 안정화시키는 보조 물질, 예컨대 유화제를 함유할 수도 있다. 추가 공급 채널을 사용하여 그러한 물질을 공급하면, 공급 채널이 혼합 챔버 내로 접선 방향으로 개방되는 것이 유리하므로, 매 경우에 유체 나선의 인접한 권선 사이에 추가 유체의 하나의 흐름이 존재한다. 이와 달리, 추가 공급 채널을 사용하여 혼합 챔버 내에 적어도 하나의 유체를 함유하는 유체 와류로 기상 성분을 공급하면, 이들 기체용 공급 채널은 반경 방향으로 또는 접선 방향과 반경 방향 사이의 중간 각도로 혼합 챔버 내로 개방되는 것이 유리하다. 그 결과, 공급되는 기체는 유체 나선에 의해 작은 기체 기포로 분쇄되어 미세하게 분산된다.

전술한 바와 같이, 공급관 중 적어도 하나가 혼합 챔버 내로 유체의 거의 접선 방향 주입을 제공하고, 또한 적어도 하나의 공급관이 거의 반경 방향 주입을 제공하면 대단히 양호한 혼합 특성이 달성된다. 혼합 챔버 내에 나선 또는 와류 형성을 부과하는 접선 방향 유체 운동은 반경 방향으로 흐르는 유체를 분쇄하거나 미세하게 분리시킨다. 반경 방향 흐름은 혼합 챔버의 형태가 원형, 타원형 또는 달걀형이든지 간에 혼합 챔버의 중심을 향하는 유체 흐름을 의미한다. 접선 방향 흐름은 혼합 챔버의 표면에서 또는 표면 근처에서 반경 방향 흐름에 대해 직각으로 지향되는 흐름을 말한다. 거의 접선 방향 또는 반경 방향 흐름은 흐름이 정확하게 접선 방향 또는 반경 방향이 아니라 이들 방향의 30°내에 있는 경우에 본 발명의 우수한 혼합 특성이 또한 달성될 수도 있다는 것을 의미한다.

바람직한 실시예에서, 혼합/반응 장치는 교대로 거의 접선 방향 및 거의 반경 방향으로 혼합 챔버 내에 이르는 2개 뿐만 아니라 복수 개의 공급관을 구비한다. 상기 "교대로"라는 용어는 접선 방향으로 지향되는 공급관(T 라 칭함)과 반경 방향으로 지향되는 공급관(R 이라 칭함)이 혼합 챔버 원주 주위에서 적어도 하나의 평면에 TRTR 순서로 놓이는 것을 말한다. 공급 채널은 또한 하나 이상의 평면에서교대로 놓일 수도 있는데, 예컨대 혼합 챔버의 원주 및 길이 주위에서 2차원의 체스판 방식으로 옵셋될 수도 있다. 수평 평면 및 수직 평면 양쪽에서 유체가 혼합 챔버 내로 도입되는 위치를 변경시킴으로써, 내측을 향해 동심으로 흐르는 다수의 나선 흐름 경로가 형성될 수도 있다. 따라서, 예컨대 이중 또는 심지어는 삼중 나선 종류가 달성될 수도 있다. 이들 유체 나선은 각 권선이 서로 인접하게 놓이는 방식으로 하나의 평면 및 하나의 중심 둘레 함께 놓인다.

더욱이, 공급관은 혼합 챔버 주위에서 교호적인 접선 방향 및 반경 방향으로 배치될 뿐만 아니라, 또한 혼합될 제1 유체 및 제2 유체에 대해 교대로 유체 연통되는 것이 바람직하다. 예컨대, 화학 반응을 달성하기 위하여 기체 흐름을 액체 흐름과 혼합하는 것이 요망되는 경우에, 혼합 관점에서 기체 흐름과 액체 흐름이 각각 접선 방향 및 반경 방향으로 혼합 챔버 내에 주입되는 특별한 결과가 달성된다. 임의의 특정한 기구나 이론에 집착하지 않고도, 접선 방향으로 지향되는 액체가 혼합 챔버 내로 진입시에 반경 방향으로 흐르는 기체 흐름을 미세한 기포로 분쇄한다고 생각된다. 전술한 바와 같이, 접선 방향으로 도입되는 유체의 동력학 에너지는 반경 방향으로 도입되는 유체의 동력학 에너지의 적어도 0.5 배인 것이 바람직하다. 이는 내측을 향해 흐르는 나선 또는 와류의 전체적인 형성이 효과적인 혼합에 충분한 체류 시간을 제공하는 것을 보장한다.

전체 공급관이 이들 방향으로 배향될 필요는 없고, 혼합 챔버와 근접하게 유체 연통하여 유체 방향을 혼합 챔버에 충돌시키는 공급관 일부만 배향되는 점에 유념하는 것이 중요하다. 이 이유로, 공급관을 수용 단부와 방출 단부를 각각 갖는것으로 칭하는 것이 적절하다. 상기 수용 단부는 혼합될 유체 또는 급송물과 유체 연통하고, 방출 단부는 혼합 챔버와 유체 연통되어 유체 흐름을 혼합 챔버에 대해 확실히 지향시킨다. 한가지 가능한 구조에서, 공급 채널은 그 수용 단부로부터 방출 단부까지 전체 길이에 걸쳐 거의 균일한 단면으로 될 수도 있다. 공급관의 수용 단부로부터 방출 단부로의 실질적인 방향 변경이 확실히 가능하며, 다수의 공급관을 위한 혼합 챔버 주위의 공간이 제한되는 경우에는 심지어 요망될 수도 있다. 이와 달리, 혼합을 향상시키기 위해 흔히 요망되는 혼합 챔버로의 유체 가속은 수용 단부로부터 방출 단부로의 방향으로 공급관의 협소한 부분을 통해 편리하게 달성된다. 이러한 방식의 협소한 공급관의 특정한 구조의 변형례는 깔때기, 물방울 또는 삼각형 형태를 갖는 것을 포함한다.

다른 바람직한 실시예에서, 제1 유체 및 제2 유체는 혼합 챔버 내로의 주입 전에 혼합될 수도 있다(즉, 예혼합된다). 이 경우에, 장치는 공급 채널 내에서 그러한 혼합을 달성하는 데 필요한 요소들을 더 포함할 수도 있다. 이 예혼합을 수행하는 데 사용되는 공급 채널의 경우, 이 공급 채널은 과도한 압력 강하를 촉진할 만큼 길지 않으면서도 양호한 예혼합을 제공할 정도로 충분히 길어야 한다. 한가지 특정한 방법은 분배용 매니폴드의 사용을 포함하여, 공급 채널에서 예혼합될 흐름이 먼저 분배관을 통해 흐르는 복수 개의 작은 흐름으로 분기된다. 이들 급송물의 작은 흐름 또는 시작 유체는 이후에 공급관 입구 내의 여러 지점으로, 바람직하게는 반복하는 또는 서로 맞물리는 순서의 배열로 지향될 수도 있다. "반복하는 순서"라 함은 2개의 유체(A, B)의 경우에 적어도 하나의 평면에서 반복하는 패턴으로 서로 이어서 위치되는 것을 의미한다. 예컨대, ABAB의 교차 순서가 반복하는 순서이다. 다른 반복 순서, 예컨대 AABAAB가 가능하다. 더욱이, 2개 이상의 유체 흐름을 예혼합하는 데 동일한 원리를 사용할 수도 있다. 예컨대, 3개의 유체(A, B, C)가 공급 채널에서 혼합되는 경우에, "반복 순서"라는 용어는 또한 개별 유체 경계층의 많은 가능한 순서, 예컨대 ABCABC 또는 ABACABAC를 포함한다. 형성되는 유체층 또는 분배관은 또한 하나 이상의 평면에서 반복 순서로 놓일 수도 있다. 예컨대, 2차원의 체스판 방식으로 옵셋될 수도 있다. 유체 흐름 및 상이한 유체와 관련된 도관은 서로 평행하게 동일한 방향으로 배치되는 것이 바람직하다.

혼합 챔버 내로 도입하기 전에 2개 이상의 흐름을 혼합하는 전술한 예혼합 작동을 사용할 때, 혼합될 유체는 공급관으로 급송되기 전에 반복 순서로 교대로 층을 이루거나 배치되는 복수 개의 작은 분배 흐름으로 분기된다. 공급관은 대체로 이 공급관으로 급송되는 개별 분배 흐름의 단면적의 총계보다 상당히 작은 단면적을 갖기 때문에, 예혼합된 흐름을 혼합 챔버 내로 도입되기 전에 "집중된다"라고 칭할 수 있다. 이 집중은 분기된 흐름의 유속을 증가시키고 그 층 두께를 감소시켜 가능한 한 많은 권선과 함께 내측을 향해 흐르는 나선의 혼합 챔버의 형성을 촉진한다.

분배관의 단면적의 총계 대 공급관이 수용 단부에서 병합되는 공급관의 단면적의 비율은 1.5 내지 500이다. 2개 이상의 유체가 이 방식으로 예혼합되면, 배치된 유체 흐름을 수용하여 단일 도관(즉, 공급관)으로 방출하는 데 사용되는 매니폴드는 공급관과 연결되는 만곡면을 갖는 것이 바람직하다. 예혼합이 사용되는 경우에 최소의 압력 강하를 갖는 최적의 혼합 특성을 제공하기 위하여, 일정한 단면 형상이라 가정하면 전체 공급관에 대해 길이 대 폭의 비율은 1 내지 30이다. 공급관 단면이 변경되는 경우, 예컨대 공급관이 혼합 챔버 근처에서 협소해지는 경우에, 이 비율은 혼합 챔버와 유체 연통되는 공급관 방출 단부의 폭과 관련되는 한에 있어서 적용된다.

전술한 바와 같이, 내측을 향해 동심으로 흐르는 유체 나선이 형성되고, 그 결과로 생기는 혼합물은 유체 와류의 중심으로부터 제거된다. 예혼합이 사용되는 바람직한 특정 실시예에서, 본 발명의 혼합/반응 장치를 사용하여 반응 전에 3개의 유체가 혼합되며, 제2 유체와 제3 유체는 제2 공급관의 상류에서 예혼합된다. 이 실시예에서, 상기 장치는 제2 유체와 제3 유체를 각각 나누는 복수 개의 제2 분배 도관과 복수 개의 제3 분배 도관을 포함한다. 앞서 설명한 바와 같이, 제2 공급 도관에 아주 근접해 있는 제2 및 제3 유체 흐름의 각 경계층에 혼합 챔버로의 주입 이전에 힘을 가하기 위하여, 반복적인 순서로 배열된 제2 및 제3 유체 분배 도관을 수납하는 데 매니폴드를 사용할 수 있다. 제1 유체는 제1 공급 도관을 통해 혼합되지 않으면서 혼합 챔버에 급송될 수 있다. 이러한 특정 실시예는 제2 및 제3 유체가 혼합 챔버에 접선 방향으로 주입되는 액체이고, 제1 유체가 혼합 챔버에 반경 방향으로 주입되는 가스인 경우에 특히 유익하다.

전술한 광의(廣義)의 장치에 따라 우수한 혼합 특징이 달성되는 특정 타입의 혼합기/반응기는 거의 평행하고 밀봉식으로, 또는 유체 밀봉식으로 결합된 2개 이상의 평면층을 포함한다. 이러한 장치에서, 도관, 혼합 챔버 및 그 밖의 유체 안내 기구는 인접한 층 사이를 밀봉 연결함으로써 형성된다. 예컨대, 이들 층은 리세스 또는 개구가 압인 가공되어 있거나 또는 절삭 가공되어 있는 플레이트로 형성될 수 있다. 유체 밀봉식 구조로 결합하는 경우, 인접한 플레이트는 상기 리세스 및 개구를 둘러싸서, 가압 조건 하에서 유체 흐름을 수용할 수 있는 채널 등과 같은 구조를 형성한다. 예컨대, 혼합 챔버 등의 일부 구조는 플레이트의 두께 및 챔버의 높이에 따라 2개 이상의 플레이트 사이를 밀봉 연결함으로써 완전하게 형성될 수 있다. 혼합 챔버가 단일 플레이트의 일측면 또는 하나의 표면에 단순히 압입 가공된 것이고 절삭 가공된 것이 아니라면, 혼합 챔버의 유출 구조는 혼합 챔버로부터 이 혼합 챔버가 압입 가공되어 있는 표면에 대향하는 플레이트 표면까지 연장되는 동일한 플레이트에 포함될 수도 있다. 혼합 챔버가 완전히 플레이트에 절삭 가공된 것이라면, 혼합 챔버의 유출 구조는 하나 이상의 다른 플레이트를 밀봉식으로 연결하여 사용할 것을 필요로 한다. 급송 도관 등과 같은 일부 구조는 2개 이상의 플레이트를 완전히 관통한다.

임의의 주어진 환경에서 사용되는 각 플레이트의 개수와는 무관하게, 본 발명의 일 실시예에서 혼합기/반응기 장치는 2개의 이상의 불연속층을 포함하고, 이들 층의 기능을 특징으로 한다. 실질적으로 평탄한 여러 층에서 일어나는 구체적인 기능으로는 급송 성분의 분배, 이송 및 혼합 등이 있다. 플레이트가 상기 장치를 형성하는 데 사용되는 특정 경우에서, 개개의 층은 하나 이상의 플레이트를 포함할 수도 있고, 소정의 특별한 성형 기술을 이용하여 가능하면 하나 이상의 기능 또는 하나 이상의 층이 단일 플레이트 형태로 존재할 수도 있다.

제1 층은 혼합할 외부 유체 흐름을 혼합기/반응기 장치의 내부 구조에 공급하는 데 사용되는 실질적으로 평탄한 커버층이다. 이 커버층은 외부면과 내부면을 모두 구비하고, 제1 및 제2 유체를 조립체 안으로 수용하기 위한 제1 및 제2 급송 채널을 형성한다. 상기 제1 및 제2 급송 채널은 상기 외부면으로부터 내부면까지 연장되어 제1 및 제2 입구 포트를 형성한다. 제2 층은 상면과 하면을 구비하는 실질적으로 평탄한 혼합층으로서, 이 혼합층의 상면은 상기 커버층의 내부면에 밀봉식으로 설치되어 있다. 이들 층 사이를 유체 밀봉식으로 연결하여, 제1 급송 채널과 유통하는 제1 수용 단부 및 이 제1 수용 단부에 대향하는 제1 출구 단부를 구비하는 제1 공급 채널을 형성한다. 또한, 커버층과 혼합층 사이를 밀봉식으로 연결하면, 제2 급송 채널과 유통하는 제2 수용 단부 및 이 제2 수용 단부에 대향하는 제2 출구 단부를 구비하는 제2 공급 채널이 형성된다. 또한, 이러한 연결에 의해 상기 제1 및 제2 공급 채널의 출구 단부과 유통하는 혼합 챔버가 형성되고, 이러한 경우에 제1 또는 제2 공급 채널의 출구 단부 중 하나는 혼합 챔버까지 거의 접선 방향으로 연장되며, 제1 또는 제2 공급 채널의 출구 단부 중 다른 하나는 혼합 챔버까지 거의 반경 방향으로 연장된다. 또한, 상기 두 층 사이를 연결하면, 혼합 챔버와 유통하고 제1 및 제2 유체의 혼합 흐름을 상기 혼합 챔버로부터 방출시키는 혼합 챔버의 유출 채널이 형성된다. 앞서 언급한 바와 같이, 혼합 챔버의 내부에는 촉매를 배치하여 바람직한 화학 반응을 일으킨다. 만약, 촉매가 혼합 챔버 내에 없다면, 혼합된 급송 성분을 별도의 구조에서 반응시킨다.

이러한 층 구성에서는, 2개 이상의 플레이트를 연결함으로써 구조가 형성된다. 홈 또는 블라인드 구멍 등과 같은 리세스는 일평면의 재료에 의해 둘러싸여 있고 이 평면에 수직한 통상의 구조이다. 유체 공급 채널 등과 같은 채널을 형성하는 구조는 플레이트를 부분적으로 또는 완전히 통과하는 소정의 깊이로 연장되는 슬롯으로서 형성될 수 있다. 슬롯 또는 구멍 등과 같은 개구는 일평면의 재료를 통과하고, 다시 말해서 일평면의 재료에 의해 단지 측방이 둘러싸여 있다. 밀봉식으로 다른 층을 적재하면, 그 결과 상기 리세스 및 개구에 의해 형성되는 개방 구조는 공급 채널, 혼합 챔버 또는 급송 채널 등과 같은 유체 안내 구조를 형성한다. 상기 층상 조립체를 외부에 대해 유체 밀봉식으로 폐쇄시키는 커버층 및/또는 베이스층에는 급송 채널이 형성되어 있으며, 이 급송 채널은 혼합할 유체용의 개구나 홈 및/또는 형성된 혼합물용의 하나 이상의 출구 포트일 수 있다.

층상 조립체가 적재된 플레이트를 포함하는 경우, 이들 플레이트는 혼합할 공정 유체와 제조되는 반응 생성물에 대해 충분히 비활성인 물질로 제조되어야 한다. 이는 플레이트의 부식, 침식, 변형, 균열 또는 팽창/수축이나, 가압 조건 하에서 유체에 노출됨으로 인해 일어날 수 있는 그 밖의 유해한 결과를 회피하는 데 기여한다. 상기 장치를 구성하는 비활성 물질은 폴리머(예컨대, 폴리염화비닐 또는 폴리에틸렌 등), 금속, 합금, 유리, 석영, 세라믹 및 반도체 물질로 이루어진 그룹에서 선택되는 것이 바람직하다. 혼합 및/또는 반응의 여러 단계에서 필요로 하는 특성에 따라, 여러 플레이트에 대해 동일하거나 상이한 물질을 사용할 수 있다. 선택적으로, 적어도 커버 플레이트, 채널 플레이트, 분배기 플레이트 및 혼합기 플레이트는 혼합 작용을 용이하게 관찰할 수 있도록 투명한 물질, 특히 유리,석영 유지 또는 감광성 유리로 형성된다. 혼합기/반응기를 소규모 작업에 이용하는 경우, 플레이트의 두께는 10 미크론 내지 5 밀리미터인 것이 바람직하다. 물론, 혼합 챔버의 형성을 위해서는 보다 두꺼운 플레이트가 적절할 것이다. 그 밖의 경우에는, 2개 이상의 플레이트를 사용하여 챔버 또는 긴 채널을 형성한다. 플레이트를 서로 유체 밀봉식으로 연결하는 적절한 방법으로는, 예컨대 프레싱, 용접, 밀봉, 접착식 접합, 또는 양극 접합 등이 있다. 플레이트를 구성하는 적절한 방법으로는, 예컨대 레이저 융제, 스파크 침식, 사출 성형, 스탬핑, 또는 전착 등과 같은 공지의 정밀 기계 공학적 또는 마이크로 기계 공학적 제조 방법이 있다. 또한, 고에너지 방사 및 전착과, 필요에 따라 성형을 이용하는 구조화 단계를 적어도 포함하는 그 밖의 표준적인 산업 방법이 적절할 수도 있다.

혼합기/반응기 장치가 플레이트 적재식 구성으로 형성되는 본 발명의 특정 실시예에서, 도관 구조는 대개 플레이트에 채널로 형성된다. 공급 채널 및 혼합 챔버의 개방 구조는 혼합기 플레이트의 역할을 하는 하나 이상의 플레이트에 의해 형성된다. 이러한 개방 구조는 혼합기 플레이트에 유체 밀봉식으로 연결되는 커버 플레이트에 의해 폐쇄되고, 이 경우 커버 플레이트에는 혼합할 유체를 상기 혼합기/반응기의 상류에 있는 공급원으로부터 수용하는 급송 채널이 형성된다. 이와 마찬가지로, 후술하는 그 밖의 다양한 플레이트에 의해 형성되는 개방 구조는 하나 이상의 다른 인접 플레이트와 밀봉 연결식으로 결합되는 경우에 폐쇄된다. 또한, 필수적인 것은 아니지만 가능하다면, 커버 플레이트에 채널, 즉 혼합 유체를 방출하기 위한 혼합 챔버의 유출 채널이 형성될 수도 있다. 별법으로서, 추가의플레이트를 사용하는 경우, 커버 플레이트가 아닌 상기 추가 플레이트에 급송 채널 및/또는 혼합 챔버의 유출 채널이 형성될 수 있다. 이들 플레이트 자체는 일정한 두께 또는 깊이로 가장 용이하게 제조되므로, 이들 플레이트에 형성된 공급 채널 및/또는 혼합 챔버가 동일한 깊이로 이루어진다면 유익할 것이다.

전체 장치의 설명에서 언급한 바와 같이, 공급 채널은 그 단면이 균일할 수도 있고, 혼합 챔버로 이어지는 방향으로 (즉, 공급 채널의 각 수용 단부로부터 출구 단부에 이르기까지) 폭이 좁아질 수도 있다. 공급 채널의 폭이 좁아지는가 또는 단면적이 실질적으로 일정하게 유지되는가에 따라, 바람직하게는 공급 채널의 혼합 챔버로 통하는 각 지점에서 측정된 공급 채널의 폭과, 작동 중에 형성되는 유체 소용돌이가 존재하는 평면에서 혼합 챔버의 폭의 비가 1:10 이하인 것이 유익하다. 그 밖에 실질적으로 원통형이거나 거의 원형인 단면을 갖는 혼합 챔버의 경우, 혼합 챔버의 직경과 각 공급 채널의 출구 단부의 폭의 비는 10보다 크다. 원뿔 형상의 혼합 챔버의 경우, 상기 비는 혼합 챔버의 평균 직경을 이용한다.

전술한 상기 장치의 전체적인 설명 및 기능에 따라, 혼합기 플레이트에는 복수 개의 공급 채널의 개방 구조가 형성될 수도 있으며, 이들 개방 구조는 각각 혼합 챔버와 접선 방향/반경 방향으로 교대로 유통한다. 이와 같은 특별한 경우, 채널 플레이트 및 분배기 플레이트 등과 같은 추가의 플레이트를 사용하면, 제1 및 제2 유체를 공급 채널에 교대로 안내할 수 있다. 상기 채널 플레이트는 한쪽이 혼합기 플레이트에 연결되어, 복수 개의 제1 및 제2 분배 포트의 개방 구조를 형성하며, 이들 개방 구조의 일단부는 각각 상기 분배기 플레이트에 의해 형성된 제1 및제2 유체 분배 구조와 유통한다. 분배기 플레이트는 혼합기 플레이트에 연결되어 있지 않은 채널링 플레이트의 면에 연결되며, 제1 및 제2 분배 구조는 제1 및 제2 주입 채널과 각각 유체 연통 상태에 있다. 이어서, 유체 분배 구조와 유체 연통 상태에 있지 않는 제1 및 제2 분배 포트의 단부는 각각 별도로 혼합기 플레이트의 공급 채널과 유체 연통 상태에 있어 혼합 챔버의 둘레에 제1 및 제2 유체를 공간적으로 교대로 주입하게 된다.

게다가, 다른 형태의 기능을 위해 채널링 및 분배기 플레이트를 사용하는 것도 명백히 가능하다. 예를 들면, 상기한 광범위하게 정의된 장치에 있어서, 두 가지 유체 흐름이 공급 채널의 상류측에서 예혼합된 다음에 제3의 급송물과 함께 혼합 챔버로 도입될 수 있다. 이 경우, 혼합될 유체 흐름을 제2 및 제3 유체로 칭한다면, 채널링 플레이트는 각 유체 분배 구조와 유체 연통 상태에 있는 복수 개의 제2 및 제3 분배 포트의 개구 구조를 형성한다. 분배 포트는 유리하게는 공급되는 제2 및 제3 유체 각각을 위한 구멍의 열을 형성할 수 있고, 각 구멍은 하나의 공급 채널로 정확하게 할당되어 있다. 따라서, 전술한 바와 같이 예혼합하는 경우, 구멍은 각각 공통 공급 채널을 통해 혼합 챔버로 제2 및 제3 유체를 공급하는 데에 교대로 사용될 수 있다.

추가로, 혼합기 플레이트는 제1 및 제2 유체의 분할된 흐름을 교대로 받아들여 이들을 단일의 공급 채널로 조합하는 집중 챔버(focusing chamber)를 형성한다. 많은 점에서, 집중 챔버는 본 발명의 일반적 장치에 기재된 매니폴드의 기능과 유사한 기능을 수행한다. 제1 유체는 이 제1 유체를 위해서만 사용되는 별도의 공급채널을 통해 혼합 챔버 안으로 도입되거나, 다른 두 유체 중 어느 하나와 혼합될 수도 있다. 따라서, 전술한 실시예들은 반응을 수행하는 바람직한 혼합기/반응기 장치를 제시하지만, 공급 채널에서의 유체의 예혼합의 여부에 관계없이 다수 또는 더 많은 수의 흐름이 본 발명에 따라 혼합되어 반응할 수 있는 무제한의 변형례가 실질적으로 존재한다. 게다가, 플레이트는 상이한 형태의 작동을 조장하도록 다양하게 배열될 수 있다. 예를 들면, 혼합 기능이 다수의 공급 채널 또는 주입 흐름의 예혼합을 채용하는 경우, 전술한 바와 같이 분배기 플레이트를 사용하는 것이 바람직하다. 이 분배기 플레이트는 커버 플레이트와 혼합기 플레이트 사이에, 또는 혼합기 플레이트 아래에 배치될 수 있다. 또한, 적절한 유체 안내 구조를 사용하면, 채널링 플레이트가 혼합기 플레이트와 분배기 플레이트 사이에 놓일 필요는 없다. 오히려, 채널링 플레이트는 원하는 바에 따라 상기 플레이트의 위 또는 아래에 놓일 수 있다.

본 발명의 구성 요소는 지금까지 화학적 반응을 생성하는 혼합기/반응기 장치 및 방법을 참조로 기재하였다. 특정 용례 및 공정 조건에 따라, 본 발명은 본 발명의 사상 및 보호 범위에서 벗어남이 없이 본 명세서에 기재된 구성 요소 및 특징부들의 많은 조합 중 임의의 것을 채용할 수 있다. 본 발명의 바람직한 특정 실시예는 도면을 참조로 기재할 것이다. 이들 실시예는 본 발명을 더 명확하게 하고자하는 것이지, 첨부된 청구 범위에 기재된 본 발명의 전체적으로 넓은 보호 범위에 대해 부적절한 한정을 제시하는 것은 아니다. 2개 이상의 도면에서 나타나는 바와 같이, 본 발명의 유사한 특징부는 동일한 도면 부호를 사용하지만, 따옴표(')를 사용하여 표기되어 있다.

도 1은 접선 방향 공급관(10)과 반경 방향 공급관(12)이 연결되어 있는 바람직한 혼합 챔버(14)의 평면도를 나타낸다. 접선 방향으로 향하는 공급관(10)은 적절한 체류 시간 및 혼합을 달성하기에 필요로 하는 회전 또는 나선형 운동을 유체에 부여한다. 접선 방향으로 도입되는 유체의 운동 에너지는 반경 방향으로 도입되는 유체의 운동 에너지에 비해 충분히 커서, 반경 방향으로 도입되는 유체의 일부가 혼합 챔버(14)의 중앙의 혼합 챔버 출구(도시 생략)를 바로 향하는 것에서 나선형 경로를 따르게 전환시킨다. 바람직하게는, 이러한 운동을 초래하기 위해, 접선 방향 유동 유체의 운동 에너지는 반경 방향 유동 유체의 운동 에너지의 적어도 0.5배 커야한다. 따라서, 도 1의 실시예가 액체/기체의 혼합 및 그에 후속한 반응에 사용되는 경우, 유동 액체의 운동 에너지가 기체의 운동 에너지보다 실질적으로 크기 때문에 기체는 반경 방향으로 액체는 접선 방향으로 혼합 챔버 안으로 도입하는 것이 바람직하다.

초기의 반경 방향 유체는 두 유체의 상대 운동 에너지에 따라 접선 방향 유체만큼 충분히 휘어진 경로로 굽어지거나 그렇지 않을 수 있다. 다시 말해, 초기 반경 방향 유체는 접선 방향 유체만큼 많은 횟수로 혼합 챔버의 출구를 향하는 경로를 따라 휘감길 수 있거나, 더 적은 횟수로 휘감길 수 있다.

대부분의 경우에, 접선 방향 안내 도관은 제1 유체를 위해 구비되며, 반경 방향 안내 도관은 제2 유체를 위해 구비된다. 따라서, 제1 유체는 복수 개의 제1 유체 분배 도관(도시 생략)을 사용하여 각각의 접선 방향 안내 도관(10)으로 분배될 것이다. 마찬가지로, 제2 유체는 복수 개의 제2 유체 분배 도관(도시 생략)을 사용하여, 각각의 반경 방향 안내 도관(12)으로 분배될 것이다. 도관이 접선 방향 또는 반경 방향으로 안내되는 것을 정하는 것은 공급 챔버에 이르는 도관 방출 단부(18)의 배향에 기초로 한다.

접선 방향 안내 도관(10) 및 반경 방향 안내 도관(12)은 모두 평면도에서는 폐쇄단부를 갖는 것으로 도시되어 있다. 따라서, 해당 수용 단부(16)에서 공급 도관에 주입되는 유체는 도시한 단면에서 위 또는 아래로 들어간다. 물론, 공급 도관이 동일 평면(뿐만 아니라 동일 플레이트) 내의 도관을 통해 주입되는 것이 가능하다.

도 2에는 접선 방향 공급 도관(10')이 혼합 챔버(14')와 동일 평면 내에 있는 2개의 주입 도관(26, 28)을 통해 주입되는, 본 발명의 실시예가 도시되어 있다. 도 1에서와 같이, 혼합기/반응기 장치는 혼합 챔버(14)와 역시 유체 연통 상태에 있는 반경 방향 공급관(12')을 포함한다. 이 실시예에서, 반경 방향 공급관(12')은 제1 유체(A)를 혼합 챔버로 공급하는 데에 사용될 수 있는 한편, 접선 방향 공급관(10')은 제2 유체(B)와 제3 유체(C)의 혼합 흐름을 공급하는 데에 사용될 수 있다. 제2 유체(B) 및 제3 유체(C) 흐름은 복수 개의 제2 및 제3 유체 분배 도관(20, 22)을 사용하여 많은 수의 보다 작은 흐름으로 각각 분배될 수 있다. 이들 분배 도관은 매니폴드(24)의 출구에서 서로 맞물려, 접선 방향 공급관(10')의 상류측에서 제2 유체(B)와 제3 유체(C)의 예혼합하게 된다. 매니폴드(24)의 입구가 제2 및 제3 분배 도관(20, 22)과 유체 연통 상태에 있지만, 출구는 수용단부(16')에서 공급관(10')과만 유체 연통 상태에 있고, 상기 단부는 혼합 챔버(14')와 유체 연통 상태에 있지 않다. 혼합 챔버 출구(19)는 혼합 챔버(14')의 단면의 평면의 위로 또는 아래로 연장하여, 혼합 유체의 흐름을 방출시킨다.

도 2에 있어서, 혼합 유체 흐름을 혼합 챔버(14')로 공급하는 공급관(10')은 혼합 대상의 제2 유체(B) 및 제3 유체(C)를 공급하는 데에 사용되는 도관(26, 28) 중 어느 것보다도 협소하다. 또한, 도 2에는 매니폴드(24)의 출구에 이르는 분배 도관(20, 22)의 폭의 합보다도 작은 폭을 갖는 접선 방향 공급관(10')이 도시되어 있다. 물론, 혼합 챔버로 들어가는 유체 속도는 주입 지점에서의 공급관의 면적에 반비례한다. 좁은 공급 채널을 사용하거나, 반경 방향 공급관(12')에 대해 도시한 바와 같이 혼합 챔버(14')에 이르는 방향에서 공급관이 협소하게 되면, 혼합 챔버(14') 안으로의 유체 속도가 가속되며, 혼합 특성이 전체적으로 개선된다.

도 3은 반경 방향 도관(12')을 통해 혼합 챔버(14')로 들어가는 유체가 접선 방향 도관(10')을 통해 들어가는 유체와 유사한 방식으로 예혼합되는, 다른 실시예를 도시한다. 이 경우에, 제4 유체(D)로 유체 연통 상태에 있는 복수 개의 분배 도관(30) 및 제5 유체(E)로 유체 연통 상태에 있는 복수 개의 분배 도관(32)이 이들 유체를 더 작은 흐름으로 분할하는 데에 각각 사용된다. 이들 흐름은 반경 방향 공급관(12')에 이르는 제2 매니폴드(34)의 출구에 서로 맞물리는 상태로 분배된다. 또, 도 2에서와 같이, 각 주입 도관(26', 28', 36, 38)에 비해 비교적 좁은 접선 및 반경 방향 도관(10', 12')으로부터 확인되는 바와 같이, 유체의 속도는 혼합 챔버(14') 안으로 도입되기 전에 증가한다. 또, 혼합 챔버 출구(19')는 혼합챔버(14')의 단면의 평면의 위로 또는 아래로 연장하여, 혼합 유체의 흐름을 방출시킨다.

도 4에는 도 1의 장치와 일관된 방식으로 유체를 혼합 및 반응시키는 적층 플레이트 장치가 도시되어 있다. 복수 개의 두 가지의 접선 방향 도관(10') 및 반경 방향 도관(12')이 2개의 혼합 챔버(14')와 2개의 별도의 유체 흐름에 의해 교대로 유체 연통 상태에 있어, 하나의 유체는 접선 방향으로만, 다른 하나의 유체는 반경 방향으로만 혼합 챔버(14') 안으로 도입된다. 도 4에는 이해를 돕기 위해 플레이트가 분리 상태로 도시되어 있는 유체 밀폐형 플레이트 적층(fluid tight plate stack)을 포함하는 특정 형태의 혼합기/반응기가 도시되어 있다. 이러한 구성에서, 커버 플레이트(40) 또는 층은 각 유체를 개별적으로 받아들이는 주입 채널(42, 44)의 개구 구조를 형성한다. 이 경우에 상기 채널은 커버 플레이트(40)를 통과해 연장하여 플레이트 아래, 즉 분배기 플레이트(46)와 개별 유체의 유체 연통을 제공하는 구멍 형태이다.

분배기 플레이트(46) 또는 층은 그들 각각의 급송 채널(42, 44)과 단지 유체만 연통되는 제1 유체 분배 구조(48) 및 제2 유체 분배 구조(50)의 개방 구조를 형성한다. 이들 유체 분배 구조(48, 50)는 분배기 플레이트(46)를 통하여 연장되고, 복수의 제1 분배 포트(52) 및 제2 분배 포트(54) 양자와 별도의 지점에서 제1 유체 및 제2 유체를 엇갈리게 유체 연통되게 한다. 이들 유체 분배 포트(52, 54)의 개방 구조는 분배기 플레이트(46)의 바로 아래에 있는 한 면에서 연결되는 채널 형성 플레이트(56) 또는 층에 의해 형성된다. 이러한 예시에 따른 유체 분배 포트(52,54)는 채널 형성 플레이트(56)를 통하여 연장되는 구멍들이다. 따라서, 유체 분배 포트(52, 54)는 일 단부 및 그 반대쪽 단부에서 제1 유체 분배 구조(48) 및 제2 유체 분배 구조(50)와 각각 엇갈리게 유체 연통되며, 또한 접선 방향을 향하는 공급 채널(10') 및 반경 방향을 향하는 공급 채널(12')과 각각 엇갈리게 유체 연통된다. 구체적으로, 유체 분배 포트(52, 54)는 그들 각각의 수용 단부(16')에서 공급 채널(10', 12')과 유체 연통된다.

도 1에서와 같이, 접선 방향을 향하는 공급 채널(10') 및 반경 방향을 향하는 공급 채널(12')의 방출 단부(18')는 혼합 챔버(14')와 유체 연통되어, 제1 유체 및 제2 유체의 흐름을 그 챔버로 도입한다. 혼합 챔버(14')와, 각각 수용 단부(16') 및 방출 단부(18')가 있는 복수의 공급 채널(10', 12')의 구조는 혼합기 플레이트(58)에 의해 정해지고, 그 상면에서 채널 형성 플레이트(56)의 하면에 연결되어 있다. 공급 채널(10, 12)의 방출 단부(18')는 혼합 챔버(14') 내로 접선 방향 및 반경 방향으로 번갈아 인도된다. 마지막으로, 혼합 챔버(14')의 중앙 영역과 유체 연통되는 혼합 챔버의 출구(19')가 혼합 유체 흐름의 방출을 허용하도록 혼합기 플레이트(58)으로부터 수직으로 연장된다. 이 실시예에서의 혼합 챔버 출구(19')는 추가의 플레이트, 즉 전달 플레이트(60)를 통하여 연장되는 구멍이며, 이 플레이트는 그 상면에서 혼합기 플레이트(58)의 하면과 연결되어 있다. 혼합 챔버의 출구(19') 뿐 아니라 급송 채널(42, 44)에는 전체 처리 계획 내에 있는 추가의 도관과 설비 사이의 연결을 허용하도록 나사가 형성될 수 있다. 그렇지 않으면, 이들은 각종의 피팅과 함께 사용하기에 적합하게 될 수도 있고, 접합, 브레이징 또는 기타 공지의 수단에 의해 그에 접합될 수도 있다.

도 4는 혼합 챔버(14')와 공급 채널(10', 12')이 혼합기 플레이트(58)를 완전히 통과하는 경우에 혼합기 플레이트(58)와 전달 플레이트(60) 모두를 사용하는 것을 예시하고 있다. 단지 혼합 챔버의 출구(19')만이 혼합기 플레이트(58)의 양측을 통하여 연장되도록 혼합 챔버(58)와 공급 채널(10', 12')의 구조를 혼합기 플레이트 내에 각인하거나 에칭시킴으로써 도 4의 조립체를 구성하는 것도 가능하다. 따라서, 보다 넓은 의미로 각 층이 별도로 기능하는 것을 특징으로 하는 층상 조립체로서 적층 플레이트 배치를 고려하는 경우에, 도 4에 도시된 바와 같은 혼합층은 혼합기 플레이트(58)와 전달 플레이트(60)를 모두 포함한다. 그러나, 혼합 챔버(14')와 공급 채널(10', 12')을 혼합기 플레이트(58) 내로 각인시킴으로써, 혼합 층은 분명하게 단지 하나의 플레이트를 구비할 수 있다. 마찬가지로, 하나 이상의 플레이트를 이용하여 다른 층을 형성하는 것이 가능하고, 심지어 한층 이상의 기능을 실행하는 단일의 플레이트를 구비하는 것도 가능하다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 장치는 내부에 촉매를 배치함으로써 혼합 챔버(14') 내에서의 화학 반응을 실행하는 데 사용될 수 있다. 그렇지 않으면, 반응 플레이트(62)의 일단 또는 일면에 입구가 있고 타단에 출구가 있는 반응기(64)의 개방 구조를 형성하는 별도의 반응 플레이트(62)를 이용하여 유체 사이의 반응을 혼합 챔버와 완전히 분리하여 유지할 수 있다. 따라서, 도시된 바와 같은 반응기(64)는 반응 플레이트(62)를 완전히 통과하여 연장된다. 반응기의 입구는 혼합 챔버의 출구(19')와 유체 연통된다. 반응물 유출 채널(68)을 제공하도록 반응 플레이트(62)의 아래에 지지 플레이트(66)가 위치 결정되어, 반응 생성물을 층상 조립체의 외부로 지향시키거나 그 조립체 내의 다른 구조(예컨대, 분리기)로 지향시킨다. 반응물 유출 채널(68)은 반응기 출구와 유체 연통된다.

반응 플레이트(62)와 전달 플레이트(60) 사이의 밀봉 접속에 의해 형성되는 반응기(64)는 촉매를 내부에 유지하기 위한 수단, 예컨대 스크린 또는 기타 다공질 매체를 구비할 수 있다. 일반적으로, 촉매는 그러한 매체를 반응기(64)의 하부에 배치함으로써 반응기(64) 내에 유지된다. 그러한 매체는, 보다 작은 반응물 유출 채널(68)이 반응기(64)의 유출 개구와 정렬될 때 반응기 내에 형성되는 지지 플레이트(66)의 상면의 링형 표면에 의해 지지된다. 그렇지 않으면, 반응 층을 포함하도록 별도의 반응 플레이트(62)와 지지 플레이트(66)를 이용하는 대신에, 전달 플레이트(60) 아래에 밀봉식으로 배치된 단일의 플레이트를 이용하여 반응 층의 기능을 수행하는 것도 또한 가능하다. 이 경우에, 반응기는 단일의 플레이트를 완전히 통과하지 않으며, 대신에 플레이트 두께 미만의 원하는 깊이로 플레이트에 각인된다. 대신에, 반응기의 출구 채널은 반응기의 하부로부터 플레이트의 대향측으로 관통 연장된다. 도시된 바와 같이, 전달 플레이트(60), 반응 플레이트(62) 및 지지 플레이트(66)는 혼합 기능 및 반응 기능을 분리하기에 충분한 두께를 가지며, 촉매 보유 공간을 제공하고, 반응 기능을 다른 가능한 하류의 기능(예컨대, 순간 불리)과 추가로 분리시킨다.

도 5는 도 2의 장치에 따라 유체가 혼합되는 방식에 해당하는 다른 플레이트 적층식 정적 혼합기/반응기 장치를 예시하고 있다. 접선 방향을 향하는 공급채널(10') 및 반경 방향을 향하는 공급 채널(12')은 혼합 챔버(14') 내로 인도되어, 공급 채널(10, 12')의 방출 단부(18')를 통하여 그 챔버와 연통한다. 도 5에서, 제1 유체 급송 채널(42')은 반경 방향을 향하는 공급 채널(12')의 수용 단부(16')와 유체 연통되고, 이는 혼합 챔버(14')로 인도되는 방향으로 협소해진다. 커버 플레이트(40')가 상기 제1 유체 급송 채널(42')의 개방 구조 뿐 아니라, 혼합되는 제2 및 제3 유체를 수용하는 제2 급송 채널(26') 및 제3 급송 채널(28')의 개방 구조를 또한 형성한다. 커버 플레이트는 혼합 챔버(64)의 횡단면을 정하는 평면으로부터 수직 상향으로 연장되는 반응물 유출 채널(68')을 또한 형성한다. 반응물 유출 채널(68')은 반응 생성물을 층상 조립체의 외부로, 또는 그 조립체 내의 추가의 구조(예컨대, 분리기)로 지향시킨다. 반응물 유출 채널(68')은 반응기 출구와 유체 연통된다.

도 5의 실시예에서, 반응기는, 반응 플레이트(62')의 일단 또는 한면에 입구가 있고 타단에 출구가 있는 반응기(64')의 개방 구조를 형성하는 별도의 반응 플레이트(62')를 이용하여 혼합 챔버로부터 분리된다. 따라서, 도시된 바와 같은 반응기(64)는 반응 플레이트(62)를 완전히 통과하여 연장된다. 이 경우에, 반응 플레이트(62')는 커버 플레이트(40')의 아래에 배치되고, 반응 플레이트(62)의 하면에 있는 반응기의 입구는 혼합 챔버(14')로부터 상향 연장되는 혼합 챔버의 출구(19')와 유체 연통한다. 반응기(64)의 입구와 유체 연통되는 혼합 챔버 출구(19')를 제공하도록 반응 플레이트(62')의 아래에 전달 플레이트(60')가 배치되어 있다. 혼합 챔버의 출구(19')는 혼합 챔버의 중앙 영역과 유체 연통되어, 유체의 혼합 흐름을 방출한다.

혼합 챔버(14'), 접선 방향을 향하는 공급 채널(10') 및 반경 방향을 향하는 공급 채널(12')의 개방 구조를 형성하는 혼합기 플레이트(58')가 커버 판(62)의 바로 아래에서 아래에 연결되어 있다. 이들 공급 채널 각각은 수용 단부(16')와, 이 단부와 반대쪽의 방출 단부(18')를 구비한다. 혼합 챔버(14')와 유체 연통되는 특정 공급 채널의 방출 단부(18')의 작용은 그 공급 채널이 접선 방향을 향하는가 반경 방향을 향하는 가를 결정한다. 혼합기 플레이트(58')는 입구 및 출구가 있는 집중 챔버(24')의 개방 구조를 또한 형성하며, 여기서 집중 챔버의 입구는 서로 맞물리는 순서로 배치되어 있는 복수의 제2 유체 분배 채널(20') 및 복수의 제3 유체 분배 채널(22') 모두와 유체 연통된다. 집중 챔버의 출구는 접선 방향을 향하는 공급 채널(10')의 수용 단부와 유체 연통된다.

하부면의 혼합기 플레이트(58') 아래에는 복수 개의 제2 분배 포트(54')와 또한 복수 개의 제3 분배 포트(55)를 형성하는 채널링 플레이트(56)가 직접 연결된다. 각 제2 분배 포트(54')의 일단부에는 제2 유체 분배 구조체(50')가 유체 연통된다. 각 제2 분배 포트의 대향 단부는 집중 챔버(24')에 통해 있는 제2 분배 채널(20')과 연통된다. 마찬가지로, 각 제3 분배 포트(55)의 일단부는 제3 유체 분배 구조체(51)와 유체 연통된다. 각 제3 분배 포트(55)의 대향 단부는 집중 챔버(24')와 통해 있는 제3 분배 채널(22')과 유체 연통된다. 이 구조는 혼합 챔버(14') 내로 도입되기 전에 제2 유체와 제3 유체의 예혼합을 가능하게 할 뿐만 아니라 혼합 후에 제2 유체와 제3 유체의 유속을 증가시킬 수 있다.

결과적으로, 혼합기/반응기는 제2 유체 급송 채널 및 제3 유체 급송 채널(26', 28')과 유체 연통되는 제2 유체 분배 구조체 및 제3 유체 분배 구조체(50', 51)의 개방 구조를 각각 형성하는 기부 플레이트(61')를 포함한다. 도 4의 급송 채널과 달리, 이들 급송 채널(26', 28')은 하나 이상의 단일 플레이트를 통해 연장되어, 사실상 덮개 플레이트(40') 이외에 혼합기 플레이트(58')와 채널링 플레이트(56')를 관통한다. 기부 플레이트(61')의 상부면은 채널링 플레이트(56')의 하부면에 밀봉 가능하게 연결된다. 도 5의 실시예는 복수 개의 제2 분배 채널(20')과 제3 분배 채널(22')을 포함하지만, 또한 분배 채널이 필요없이 제2 분배 포트(54') 및 제3 분배 포트(55)가 집중 챔버(24')의 입구와 직접 연통되는 것도 가능하다.

다음에, 청구범위에 기재된 넓은 범위를 제한함이 없이 본 발명의 특정 양태를 예시하는 예가 제공된다.

예 1-5

적층식 플레이트의 구조를 포함하고 전술한 집진 장치 혼합 원리를 사용하는 정적 혼합기는 유리로 구성되어 여러 조건 하에서 집진 형성이 관측된다. 물 및 공기를 혼합 챔버에 대해 각각 접선 방향 및 반경 방향으로 혼합 챔버 내에 주입하였다. 디지털 화상을 처리하는 고속 카메라를 사용하여 흐르는 액체의 나선 흐름이 달성되는 지를 관측하였다. 물 흐름 내에 기체 기포의 경로를 관측하여 쉽게 판별하였다. 이들 실험의 결과를 표 1에 요약하였다.

예	물 유량(ml/hr)	공기 유량(ml/hr)	물/공기의 동력학 에너지 비율	집진 형성(Y/N)
1	100	7,800	0.04	N
2	600	12,000	0.66	Y
3	900	12,000	1.49	Y
4	600	3,600	7.41	Y
5	900	3,600	16.7	Y

이들 결과로부터, 액체/기체의 동력학 에너지 비율이 0.66 이상인 원하는 나선 흐름 형성을 얻었다. 접선 방향/반경 방향으로 흐르는 유체의 동력학 에너지 비율의 하한은 0.5로 추정된다. 흐름 정체가 층류에서 난류로 변경되면, 접선 방향으로 흐르는 유체의 처리량이 훨씬 많아져 집진 형성을 방지할 수도 있다. 그러나, 이 경우에도 여전히 완전한 혼합이 일어나게 된다.

Claims (22)

1. 제1 유체 흐름과 제2 유체 흐름을 혼합하는 장치로서,

   상기 제1 유체 흐름을 수용하는 제1 공급관 수용 단부와, 이 제1 공급관 수용 단부의 반대측에 있는 제1 공급관 방출 단부를 갖는 제1 공급관과,

   상기 제2 유체 흐름을 수용하는 제2 공급관 수용 단부와, 이 제2 공급관 수용 단부의 반대측에 있는 제2 공급관 방출 단부를 갖는 제2 공급관과,

   제1 공급관 및 제2 공급관과 제1 공급관 방출 단부 및 제2 공급관 방출 단부에서 유체 연통되는 혼합 챔버로서, 제1 공급관 방출 단부와 제2 공급관 방출 단부 중 하나는 혼합 챔버 내에 거의 접선 방향으로 통해 있고, 제1 공급관 방출 단부와 제2 공급관 방출 단부 중 다른 하나는 혼합 챔버 내에 거의 반경 방향으로 통해 있는 것인 혼합 챔버와,

   상기 혼합 챔버의 중심 영역과 유체 연통되어 혼합 챔버로부터 제1 유체 흐름 및 제2 유체 흐름의 혼합된 흐름을 방출하기 위한 혼합 챔버 출구

   를 구비하는 것인 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 장치는 층상 조립체에 의해 형성되며, 이 층상 조립체는,

   외부면과 내부면이 있고, 제1 유체와 제2 유체를 층상 조립체 내로 수용하는 제1 급송 채널과 제2 급송 채널을 형성하는 거의 평탄한 덮개층으로서, 상기 제1급송 채널과 제2 급송 채널은 외부면으로부터 내부면으로 연장되어 제1 입구 포트와 제2 입구 포트를 형성하는 것인 덮개층과,

   상부면과 하부면이 있고, 상기 상부면은 상기 덮개층의 내부면 상에 밀봉 가능하게 배치되어 제1 공급관을 제공하는 제1 공급 채널과, 제1 공급관 방출 단부 및 제2 공급관 방출 단부와 유체 연통되는 혼합 챔버와 제2 공급관을 제공하는 제2 공급 채널을 형성하는 거의 평탄한 혼합층과,

   거의 평탄한 층에 의해 형성되고 혼합 챔버와 유체 연통되어 혼합 챔버 출구를 제공하는 혼합 챔버 출구 채널

   을 구비하는 것인 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 덮개층과 혼합층은 유체 밀폐식 적층형 구조의 하나 이상의 플레이트를 구비하는 것인 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플레이트의 두께는 10 ㎛ 내지 5 mm인 것인 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 챔버는 그 내부에 배치된 촉매를 더 구비하는 것인 장치.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 입구 및 출구가 있고 촉매 보유공간을 형성하는 반응기를 더 구비하고, 상기 반응기 입구는 혼합 챔버 출구와 유체 연통되는 것인 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 챔버의 형태는 거의 원통형이고 혼합 챔버의 직경 대 혼합 챔버 출구의 직경의 비율은 5보다 큰 것인 장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 챔버는 혼합 챔버 출구가 거의 수직으로 통해 있는 거의 수평면에서 거의 원형 단면을 갖는 것인 장치.
9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 챔버 출구는 혼합기 플레이트로부터 덮개층의 외부면까지 거의 수직으로 연장되어 제1 유체 및 제2 유체의 혼합된 흐름을 조립체로부터 방출시키는 출구 포트를 형성하는 것인 장치.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

    제1 유체 흐름을 분배하는 복수 개의 제1 유체 분배관과,

    제2 유체 흐름을 분배하는 복수 개의 제2 유체 분배관과,

    제1 유체 분배관 및 제2 유체 분배관과 각각 유체 연통되는 수용 단부와, 혼합 챔버 내로 교대로 거의 접선 방향과 거의 반경 방향으로 통해 있는 방출 단부를 갖는 복수 개의 제1 공급관 및 제2 공급관

    을 더 구비하는 것인 장치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 공급관 또는 제2 공급관 중 적어도 하나는 공급관 수용 단부로부터 공급관 방출 단부로의 방향에서 협소해지고, 제1 공급관 및 제2 공급관의 방출 단부에서 길이 대 폭의 비율은 1 내지 30인 것인 장치.
12. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

    제2 유체 흐름을 분배하는 복수 개의 제2 유체 분배관과,

    제3 유체 흐름을 분배하는 복수 개의 제3 유체 분배관과,

    입구 및 출구가 있는 매니폴드

    를 더 구비하고, 상기 매니폴드 입구는 반복 순서로 배치되는 제2 분배관 및 제3 분배관과 유체 연통되고, 매니폴드 출구는 제2 공급관의 수용 단부와 유체 연통되는 것인 장치.
13. 제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 챔버는 복수 개의 공급 채널과 유체 연통되고, 각 공급 채널에는 수용 단부와 방출 단부가 있으며, 공급 채널의 방출 단부는 혼합 챔버 내로 교대로 거의 접선 방향과 거의 반경 방향으로 통해 있고, 층상 조립체는 상부면과 하부면이 있는 거의 평탄한 분배층을 더 포함하며, 상기 분배층의 상부면은 덮개층의 내부면 상에 밀봉 가능하게 배치되고 분배층의 하부면은 혼합층의 상부면 상에 밀봉 가능하게 배치되며, 상기 분배층은 덮개층과 혼합층 사이에 개재되어,

    일단부에서 제1 유체 분배 구조체와 각각 유체 연통되고 대향 단부에서 유체 공급 채널의 교호적인 수용 단부와 개별적으로 유체 연통되는 복수 개의 제1 분배 포트와,

    일단부에서 제2 유체 분배 구조체와 각각 유체 연통되고 대향 단부에서 유체 공급 채널의 교호적인 수용 단부와 개별적으로 유체 연통되고 제1 분배 포트와는 유체 연통되지 않는 복수 개의 제2 분배 포트

    를 형성하며, 상기 제1 유체 분배 구조체는 제1 급송 채널과 유체 연통되고, 제2 유체 분배 구조체는 제2 급송 채널과 유체 연통되며, 혼합층의 상부면은 분배층의 하부면 상에 밀봉 가능하게 배치되어 공급 채널을 형성하는 것인 장치.
14. 제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 덮개층은 제3 유체를 조립체 내로 수용하는 제3 급송 채널을 더 형성하고, 상기 제3 급송 채널은 덮개층의 외부면으로부터 덮개층의 내부면까지 연장되어 제3 입구 포트를 형성하며, 층상 조립체는 상부면과 입구면이 있는 거의 평탄한 분배층을 더 포함하고, 상기 분배층의 상부면은 덮개층의 내부면 상에 밀봉 가능하게 배치되며 분배층의 하부면은 혼합층의 상부면 상에 밀봉 가능하게 배치되고, 상기 분배층은 덮개층과 혼합층 사이에 개재되어,

    제2 유체 분배 구조체와 유체 연통되는 제2 분배 포트 입구 단부와 제2 분배포트 출구 단부를 각각 갖는 복수 개의 제2 분배 포트와,

    제3 유체 분배 구조체와 유체 연통되는 제3 분배 포트 입구 단부와 제3 분배 포트 출구 단부를 각각 갖는 복수 개의 제3 분배 포트

    를 형성하고, 상기 제2 유체 분배 구조체는 제2 급송 채널과 유체 연통되며, 제3 유체 분배 구조체는 제3 급송 채널과 유체 연통되고, 혼합층의 상부면은 분배층의 하부면 상에 밀봉 가능하게 배치되어 입구와 출구가 있는 집중 챔버를 형성하며, 상기 집중 챔버 입구는 반복 순서로 배치된 제2 분배 포트 출구 단부 및 제3 분배 포트 출구 단부와 유체 연통되고, 집중 챔버 출구는 제2 공급 채널 수용 단부와 유체 연통되는 것인 장치.
15. 적어도 2개의 유체 흐름을 혼합하는 방법으로서,

    제1 유체 흐름을 제1 급송 채널을 통해 유동시켜 제1 유체 흐름을 거의 반경 방향으로 혼합 챔버 내에 주입하는 단계와,

    제2 유체 흐름을 제2 급송 채널을 통해 유동시켜 제2 유체 흐름을 거의 접선 방향으로 혼합 챔버 내에 주입하여 와류를 생성하는 단계와,

    혼합된 제1 유체와 제2 유체의 흐름을 상기 와류의 중심부로부터 추출하는 단계

    를 포함하는 것인 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 제2 유체의 동력학 에너지 대 제1 유체의 동력학 에너지의 비율은 혼합 챔버 내에 유체 와류를 생성하도록 적어도 0.5 인 것인 방법.
17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 혼합 챔버의 형태는 거의 원통형인 것인 방법.
18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 복수 개의 유체 흐름을 복수 개의 급송 채널을 통해 유동시켜 유체 흐름을 교대로 접선 방향과 반경 방향으로 혼합 챔버 내에 주입하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
19. 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 유체 흐름과 제2 유체 흐름을 혼합 챔버 방향의 급송 채널을 통해 가속시키는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
20. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,

    제2 급송 채널을 복수 개의 제2 분배 흐름 사이에 분배하는 단계와,

    제3 유체 흐름을 복수 개의 제3 유체 분배 흐름 사이에 분배하는 단계와,

    혼합 챔버 내에 주입하기 전에 제2 급송 채널에서 반복 순서로 제2 분배 흐름과 제3 분배 흐름을 배치하는 단계

    를 더 포함하는 것인 방법.
21. 제15항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 유체 흐름은 기체이고 제2 유체 흐름은 액체인 것인 방법.
22. 제15항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체의 혼합물을 반응 챔버 내에서 반응시키는 단계를 더 포함하는 것인 방법.