KR20160145036A - 역혼합이 감소된 다단 교반 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다수의 서로 인접한 반응 챔버 및 반응 챔버 중 적어도 하나의 내용물을 혼합하기 위한 교반 요소를 포함하고, 여기서 각각의 쌍의 인접한 반응 챔버들 사이에는 폐쇄 요소에 의해 폐쇄될 수 있는 적어도 하나의 개구가 제공됨으로써, 개방 상태에서는 인접한 반응 챔버들 사이에 유체 연결이 이루어지고 폐쇄 상태에서는 인접한 반응 챔버들이 서로 격리되는, 다단 교반 반응기에 관한 것이다. 폐쇄 요소(300, 310, 320) 중 적어도 하나는 교반 반응기 밖으로 안내되는 작동봉(500, 510, 520)에 연결되어 있다. 작동봉(500, 510, 520)은 회전 및/또는 변위에 의해 적어도 제1 위치와 제2 위치 사이에서 전후로 이동할 수 있고, 여기서 제1 위치에서 작동봉(500, 510, 520)에 연결된 폐쇄 요소(300, 310, 320)는 상기 폐쇄 요소와 연관된 개구를 개방 상태로 만들고, 제2 위치에서 작동봉(500, 510, 520)에 연결된 폐쇄 요소(300, 310, 320)는 상기 폐쇄 요소와 연관된 개구를 폐쇄 상태로 만든다.

Description

역혼합이 감소된 다단 교반 반응기 {MULTI-STAGE STIRRED REACTOR HAVING REDUCED BACK MIXING}
본 발명에 이르게 한 연구는 유럽 연합 제7차 프레임워크 프로그램(European Union's Seventh Framework Programme) FP7/2007-2013의 일부로서의 협약(grant agreement) no. 246461호에 따라 후원되었다.
본 발명은, 다수의 서로 인접한 반응 챔버 및 반응 챔버 중 적어도 하나의 내용물을 혼합하기 위한 교반 요소를 포함하고, 여기서 인접한 반응 챔버들 사이에는 각 경우에 폐쇄 수단에 의해 폐쇄될 수 있는 적어도 하나의 개구가 제공됨으로써 개방 상태에서는 인접한 반응 챔버들 사이에 유체 연결이 이루어지고 폐쇄 상태에서는 인접한 반응 챔버들이 서로 분리되는, 다단 교반 반응기에 관한 것이다.
많은 유형의 화학적 장치의 경우에, 연속적 작동에 있어서, 우수한 혼합과 좁은 체류 시간 분포를 조합하는 것이 유리하다. 우수한 혼합의 이점은 예를 들어 물질 전이 내성의 감소, 더 빠른 균질화 또는 고체의 현탁이다.
좁은 체류 시간 분포는 종종 더 높은 생성물 품질 및 공간 및 시간의 더 나은 사용을 허용한다. 연속적 작동의 이점은 일관성 있는 생성물 품질, 더 높은 자원 효율, 더 짧은 설정(set-up) 시간, 더 높은 자동화 정도 및 더 적은 정체 부피(hold-up volume)를 포함한다.
명시된 요건 프로필의 경우에 가능한 응용분야는, 흡수, 추출 또는 결정화를 위한 화학적 또는 생물학적 반응기 및 장치와 같은 장치를 조작하는 다양한 유형의 공정에서의, 단일상 또는 다중상 액체, 분산액, 기체-액체 혼합물, 초임계 유체 또는 이들 물질의 혼합물의 연속적 가공이다.
많은 화학적 공정에서, 달성가능한 열 교환이 또한 눈여겨봐야 할 매개변수이다. 이러한 맥락에서, 미세구조화된 장치는 매우 높은 비(specific) 열 교환 표면을 달성할 가능성을 제공한다. 그러나, 이러한 장치는 부피가 작기 때문에, 특정한 처리량이 달성되어야 하는 경우에 긴 체류 시간을 갖는 반응에는 적합하지 않다. 또한, 공정에 존재하는 고체로 인한 파울링(fouling) 및 폐색의 위험은, 작은 채널 직경 때문에, 상당한 도전과제이다.
많은 조작 공정에서, 고체, 예를 들어 불균일 촉매 또는 불용성 반응 생성물의 형태를 갖는 고체가 원하는 또는 원치 않는 성분으로서 존재하기 때문에, 현탁된 고체의 취급은 공정 설비에 대한 부가적인 요건을 나타낼 수 있다.
실제로, 규정된 요건 프로필은 직렬로 연결되며 연속적으로 작동하는 교반 반응기의 캐스케이드에 의해 가장 잘 실현될 수 있다. 그러나, 특정한 경우에는, 더 콤팩트한 구조의 장치가 필요할 수 있다. 이러한 응용분야는 예를 들어 콤팩트한 모듈 방식 제조 공장의 시설이다.
밀봉점, 특히 동적 밀봉부를 갖는 밀봉점의 개수를 최소화하는 것이 또한 유리할 수 있다. 이는 예를 들어, 장치가 유해 물질 또는 기체, 예컨대 수소를 함유하므로, 높은 확산계수 때문에, 밀봉을 위해 달리 정밀한 구조가 요구되는 경우이다.
추가로, 특정한 응용분야에서, 유체관을 각각 적합한 교반기에 의해 혼합되고 개구를 통해 서로 연결된 다수의 구획으로 분할함으로써, 규정된 요건 프로필을 또한 충족할 수 있다는 것이 공지되어 있다.
그러나, 이러한 장치의 성능은 작동 조건에 따라 크게 달라진다. 교반기의 빠른 회전 속도, 긴 체류 시간 및 개별 구획들 사이의 큰 개구로 인해 비교적 높은 정도의 역혼합이 초래되고, 따라서 더 넓은 체류 시간 분포가 초래된다 (예를 들어, L. Zhang, Q. Pan, G.L. Rempel, Residence Time Distribution in a Multistage Agitated Contactor with Newtonian Fluids: CFD Prediction and Experimental Validation: Industrial & Engineering Chemistry Research, Ind. Eng. Chem. Res. 46 2007, 3538-3546.).
이러한 종류의 장치는 특히 추출 산업에서 널리 사용되고 있다. 이론상으로는, 연접한 구획들 사이에서 매우 작은 개구를 사용함으로써, 역혼합을 최소화할 수 있다. 그러나, 이러한 경우에, 장치 내에서 압력 손실이 일어나고 고체의 제거가 더 이상 가능하지 않으므로, 이러한 방안은 종종 실제 응용분야에 적합하지 않다.
DE 32 13 628 A1에는 폐쇄된 단부를 갖는 수직이며 긴 원통형인 하우징으로 이루어진 접촉 장치가 기술되어 있는데, 여기서 이는 수평 배플 플레이트(baffle plate)에 의해 다수의 개별 챔버로 분할되고, 배플 벽 내에 축방향으로 중심에 존재하는 동심의 원형 개구를 통해 하나의 챔버로부터 다음의 챔버로 접근이 이루어지고, 하우징 내에서 배플 벽과 동심으로 연장하는 연속적으로 회전가능한 샤프트가 존재하고, 각각의 챔버 내에는 샤프트에 부착된 적어도 하나의 교반기가 존재하고, 여기서 원형 개구 내의 샤프트는 역류 속도 대 개구를 통한 공급물 속도의 비가 1.5 미만이도록 환형 개구를 배플 벽 내에 제공한다. 또한 각각의 챔버를 아릴렌 술피드 중합체의 형성 조건 하에 유지하면서, 폴리(아릴렌 술피드)를 제조하기에 적합한 반응 성분을 상기에 기술된 접촉 용기의 적어도 하나의 제1 챔버에 공급하여, 접촉 장치의 챔버를 통해 공급될 반응 혼합물을 형성하고, 출발 반응 성분이 도입된 챔버로부터 멀리 떨어진 챔버로부터 아릴렌 술피드 중합체를 수득하는, 아릴렌 술피드 중합체를 연속적으로 제조하는 방법이 기술되어 있다. 이러한 종류의 장치에서 달성될 수 있는 역혼합 정도는, 매우 좁은 체류 시간 분포가 요구되는 응용분야, 특히 반응기 부피가 작아서 (수 리터 이하) 실현될 수 있는 단계의 개수가 제한된 경우에, 종종 너무 높다.
WO 2006/126891 (EP 1 904 225)에는, 예를 들어, 저부 플레이트에 의해 분리되며 주로 수직인 칼럼 내에 배열된 여러 개의 반응기 챔버를 포함하는, 적어도 두 개의 성분을 포함하는 교반된 물질 조성물을 연속적으로 처리하기 위한 원통형 반응기가 개시되어 있는데, 물질 조성물의 수송이 정지 상태의 임의의 반응기 챔버로부터 연접한 하부 챔버로 일어나도록 계획되고, 여기서 각각의 반응기 챔버에는 패들(paddle) 기구가 제공된다. 패들 기구는 반응기 챔버와 동심이면서 수직으로 연장된 환형 부재 및 수직 움직임 성분을 챔버 내의 물질에 부여하도록 배열된 적어도 하나의 움직일 수 있는 교반 부재를 포함한다. 수송은 하나의 챔버로부터 다음의 챔버로, 각각의 챔버의 저부 플레이트 내에 슬라이드 플랩을 갖는 개구를 통해 주기적으로 일어나도록 배열된다. 그러나, 이러한 장치는 부가적인 움직이는 부품, 및 따라서 또한 이에 연결된 밀봉부가 각각의 챔버에 제공되어야 한다는 단점을 갖는다.
따라서 특정한 양의 고체를 포함하며 긴 체류 시간을 요구하는 물질 시스템을 조작하는 공정의 경우에, 현재 이용가능한 장치에서 연속적 작동 시에, 우수한 혼합과 좁은 체류 시간 분포의 조합은 불만족스러운 정도로만 실현될 수 있다고 언급될 수 있다.
본 발명에서는 언급된 요건을 조합하는 장치를 제공하는 문제가 논의된다. 바람직하게는, 이러한 장치는 또한 가능한 가장 우수한 비 열 교환 표면을 제공한다.
본 발명에 따라, 이러한 목적은, 다수의 서로 인접한 반응 챔버 및 반응 챔버 중 적어도 하나의 내용물을 혼합하기 위한 교반 요소를 포함하고, 여기서 인접한 반응 챔버들 사이에는 각 경우에 폐쇄 수단에 의해 폐쇄될 수 있는 적어도 하나의 개구가 제공됨으로써 개방 상태에서는 인접한 반응 챔버들 사이에 유체 연결이 이루어지고 폐쇄 상태에서는 인접한 반응 챔버들이 서로 분리되는, 다단 교반 반응기에 의해 달성된다.
상기 반응기는, 폐쇄 수단 중 적어도 하나는 교반 반응기 밖으로 안내되는 작동봉(actuation rod)에 연결되어 있고, 작동봉은 회전 및/또는 변위에 의해 적어도 하나의 제1 위치와 제2 위치 사이에서 전후로 이동할 수 있고, 여기서 제1 위치에서 작동봉에 연결된 폐쇄 수단은 이들에게 할당된 개구를 개방 상태로 만들고 제2 위치에서 작동봉에 연결된 폐쇄 수단은 이들에게 할당된 개구를 폐쇄 상태로 만드는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 교반 반응기는 물론 더 좁은 의미에서는 화학 반응을 위해서 사용될 수 있지만 예를 들어 추출 등을 위해서도 사용될 수 있다.
본질적으로, 본 발명에 따른 다단 교반 반응기는 다수의 챔버로 분할된 유체관으로서 간주될 수 있다. 하나의 챔버로부터 다음의 챔버로의 관류에 이용될 수 있는 개방 영역은 작동봉(들)에 의해 작동되는 개방 및 폐쇄 기구에 의해 동적으로 변화될 수 있다. 개방 상태로부터 폐쇄 상태로의 주기적인 전환에 의해 개별 반응 챔버들 사이의 역혼합이 감소된다.
작동봉은 또한 제1 위치와 제2 위치 사이에서 지체할 수 있고, 따라서 개별 반응 챔버들 사이의 개구는 무단계(step-free) 방식으로 조절될 수 있다.
본 발명에 따른 교반 반응기에서, 존재하는 임의의 고체는 또한 하나의 반응 챔버로부터 다음의 반응 챔버로 수송될 수 있고 반응기로부터 제거될 수 있다.
많은 경우에, 개별 반응 챔버에서 배플을 사용함으로써 개선된 혼합을 달성할 수 있다. 이는 액체의 동방향-회전을 방지하고 챔버 내의 교란을 증가시킨다. 따라서 밀도의 차이로 인한 상 분리를 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 교반 반응기가 가능한 가장 넓은 응용분야에서 사용될 수 있도록 하기 위해, 이것을 모듈 방식으로, 및 따라서 융통성 있는 방식으로 구성할 수 있다. 따라서 큰 변화 없이도 반응 챔버의 개수를 반응기에 맞춰 조정할 수 있도록 반응기를 구성할 수 있다. 이는 반응기 내벽에 단단하게 연결되지 않은 반응 챔버의 저부에 의해 달성될 수 있다. 오히려, 이들은 제거가능한 이격자에 의해 서로 연결되고, 온전한 성분으로서 예를 들어 외부 쉘 내로 도입된다. 따라서 저부 간격은 이격자를 교체함에 의해 용이하게 조정된다. 이러한 구조는, 예를 들어 매우 빠르게 진행되어 개시되는 화학 반응의 경우에서처럼 출구에서보다는 입구에서 더 큰 열 교환 표면이 요구되는 경우에, 챔버의 개수를 조정할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 챔버 크기를 설정할 수 있게 한다.
본 발명의 유리한 개선점 및 추가의 측면은 이후에 요약된다. 맥락상 명확히 반박되지 않는 한, 상기 측면 및 개선점은 원하는 대로 서로 조합될 수 있다.
본 발명에 따른 교반 반응기의 한 실시양태에서, 본 개구 폐쇄 수단은 모두 공통의 작동봉에 연결된다.
본 발명에 따른 교반 반응기의 또 다른 실시양태에서, 교반 요소는 공통의 교반 샤프트에 의해 구동되고 교반 샤프트는 동시에 폐쇄 수단의 작동봉에 해당한다.
본 발명에 따른 교반 반응기의 또 다른 실시양태에서, 작동봉은 변위가능하도록 설계되고 폐쇄 수단은 반응 챔버의 저부에서 스토퍼(stopper)로서 설계된다.
본 발명에 따른 교반 반응기의 또 다른 실시양태에서, 작동봉은 회전가능하도록 설계되고 폐쇄 수단은 개구로부터 피벗작동될 수 있도록 설계된다.
본 발명에 따른 교반 반응기의 또 다른 실시양태에서, 저부 중 적어도 하나는 열 전달 매질이 유동하여 통과하는 열 교환기로서 설계된다. 따라서, 반응기 벽 외에도, 반응 챔버의 저부가 또한 열 수송을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 저부는, 교반 샤프트를 위한 개구 및 존재할 수도 있는 폐쇄 수단을 위한 개구 외에도, 온도 제어 매질이 각각 유입 및 유출할 수 있도록 통과하는 투입 및 유출 포트를 포함하고, 이러한 포트를 통해 개별 저부는 열 전달 매질의 유동의 관점에서 적합한 연결 요소에 의해 서로 연결될 수 있다. 반응기 챔버의 저부에서의 유동 안내는 또한 적합한 내장 부품에 의해 영향받을 수 있다.
본 발명에 따른 교반 반응기의 또 다른 실시양태에서, 반응 챔버 중 적어도 하나는 가열 및/또는 냉각 스파이럴(spiral)을 추가로 포함한다. 이러한 가열 및/또는 냉각 스파이럴은 또한 동시에 반응 챔버 내에서 배플로서 기능할 수 있다.
본 발명에 따른 교반 반응기의 또 다른 실시양태에서, 반응 챔버 중 적어도 하나는 물질이 도입 및/또는 제거될 수 있도록 통과하는 부가적인 투입 및/또는 배출 포트를 포함한다. 다수의 반응 챔버들은 부가적인 투입 및/또는 배출 포트를 통해 서로 연결될 수 있다.
부가적인 투입 및/또는 배출 포트는, 반응 성분을 모두 반응기의 시동 시에 첨가하는 것이 아니라 도중에 반응기에 첨가하기 위해, 바람직할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 화학 반응에서, 바람직하지 않은 부반응 또는 추가의 반응을 억제할 수 있다. 마찬가지로, 그 결과의 물질을 분리하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은, 화학 반응을 본 발명에 따른 교반 반응기에서 수행하고 작동봉 또는 작동봉들을 제1 위치와 제2 위치 사이에서 전후로 이동시키는, 화학 반응의 수행 방법이다.
본 발명에 따른 방법의 한 실시양태에서, 적어도 일부 시간 동안에, 일정한 양의 물질을 반응기에 도입시키고 반응기로부터 제거하면서 반응을 수행한다. 이러한 변형 양태는 핵심어 "일정한 공급 스트림"에 의해 규정될 수 있다. 그러므로, 압축이 되지 않는 반응기 내용물의 경우에, 하나의 반응 챔버로부터 다음의 반응 챔버로 일정한 스트림이 존재할 수 있어야 한다. 본질적으로, 이는 세 가지 수단에 의해 이루어질 수 있는데; 저부와 교반 샤프트 (존재하는 경우) 사이에 간극이 제공되고, 저부와 반응기 재킷 (존재하는 경우) 사이에 간극이 제공되고, 부분적으로 개방된 개방 및 폐쇄 기구가 사용된다. 고체가 존재하는 경우에, 넓어진 개구를 통해 고체를 제거하는 것을 허용하기 위해, 및 다른 상 동안의 역혼합을 억제하기 위해, 개방 및 폐쇄 기구는 주기적으로 작동될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시양태에서, 작동봉 또는 작동봉들이 제1 위치에 있을 때 물질이 반응기에 도입되고 반응기로부터 제거되며, 작동봉 또는 작동봉들이 제2 위치에 있을 때 물질이 도입 또는 제거되지 않는다. 이러한 변형양태는 핵심어 "동적 공급 스트림"에 의해 규정될 수 있다. 반응기는, 개방 및 폐쇄 기구에 의해 적합하게 제어됨으로써 이상적으로 동기화된, 일시적으로 변동가능한 공급 스트림을 사용하여 작동된다. 개방 및 폐쇄 기구가 개구를 넓히도록 작동될 때, 공급 스트림이 또한 증가한다. 따라서, 개방 및 폐쇄 기구가 폐쇄될 때, 공급 스트림이 감소된다. 이러한 작동 방식은, 개방 및 폐쇄 기구가 개방되는 상에서, 장치를 통한 유동이 증가함으로써 개별 반응 챔버들 사이의 역혼합이 억제된다는 이점을 제공한다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시양태에서, 교반 반응기는 하기 특징을 갖는 본 발명에 따른 교반 반응기이다: 반응 챔버 중 적어도 하나는 물질이 도입 및/또는 제거될 수 있도록 통과하는 부가적인 투입 및/또는 배출 포트를 포함하고, 더욱이 다수의 반응 챔버는 부가적인 투입 및/또는 배출 포트에 의해 서로 연결된다. 적어도 하나의 반응 챔버에서 적어도 하나의 작동 상태가 모니터링되고, 작동 상태가 이러한 작동 상태에 대해 미리 결정된 값으로부터 미리 결정된 편차를 보이는 경우에, 이 반응 챔버 내로 개방되어 있는 투입 포트가 폐쇄되고 원래 이들 투입 포트를 통해 수송되는 물질은 다른 반응 챔버 내로 도입된다.
바람직하게는, 모니터링되는 작동 상태는 하나의 반응 챔버에서부터 인접한 반응 챔버까지의 압력 강하이다.
이러한 반응 관리는, 반응 챔버 내에 폐색 또는 다른 장애가 발생한 경우에, 후자를 중단시키고 반응기 내의 물질 스트림이 이러한 챔버를 지나가도록 안내할 수 있게 한다. 따라서, 반응은 하류 부위에서 계속될 수 있다.
끝으로, 본 발명은 또한 화학 반응의 수행에 있어서의 본 발명에 따른 교반 반응기의 용도에 관한 것이다.
본 발명은 하기 도면에 의해 상세하게 도시되지만 이로 제한되는 것은 아니다. 도면에서,
도 1은 제1 구성을 갖는 본 발명에 따른 제1 다단 교반 반응기를 도시하고,
도 2는 제2 구성을 갖는 본 발명에 따른 제1 다단 교반 반응기를 도시하고,
도 3은 제1 구성을 갖는 본 발명에 따른 제2 다단 교반 반응기를 도시하고,
도 4는 제2 구성을 갖는 본 발명에 따른 제2 다단 교반 반응기를 도시하고,
도 5는 제1 구성을 갖는 본 발명에 따른 제3 다단 교반 반응기를 도시하고,
도 6은 제2 구성을 갖는 본 발명에 따른 제3 다단 교반 반응기를 도시한다.
도 1은 개별 반응 챔버가 서로 유체 연결되지 않은, 제1 구성을 갖는 본 발명에 따른 제1 다단 교반 반응기를 도시한다. 반응기는 각각 반응의 반응물 및 생성물을 위한 입구 물질 스트림(700) 및 출구 물질 스트림(710)을 갖는 원통형 탱크의 형태를 취한다.
개별 반응 챔버(100)는 반응기 내부에 존재하고 저부(600)에 의해 서로 분리된다. 각각의 반응 챔버는 챔버의 내용물을 혼합할 수 있는 교반 요소(200)를 갖는다. 이러한 맥락에서, 교반 요소는 모터 (도시되지 않음)에 의해 구동되는 중심 샤프트 상에 배열된다. 하기에 설명되는 바와 같이, 본 발명에 따른 교반 반응기의 이러한 실시양태에서, 구동 샤프트는 동시에 챔버들(100) 사이에서 폐쇄 수단을 작동시키기 위한 작동봉(500)으로서 작용한다.
반응 챔버(100)의 저부(600)는 구동 샤프트 또는 작동봉(500)을 위한 통로를 갖는다. 교반 요소(200) 외에도, 폐쇄 수단(300)이 또한 샤프트/작동봉(500) 상에 존재한다. 도 1에 도시된 작동봉(500)의 제1 위치에서, 폐쇄 수단(300)은 개별 반응 챔버(100)를 폐쇄하여 서로 차단하므로, 물질 교환은 일어날 수 없다. 그러나, 작동봉(500)이 직선으로 움직임으로써, 폐쇄 수단(300)은 개별 저부(600)를 개방할 수 있다.
게다가, 교반 반응기는 가열/냉각 재킷에 의해 둘러싸인다. 열 전달 매질이 입구 물질 스트림(720) 및 출구 물질 스트림(730)을 통해 도입 및 제거될 수 있어서, 반응기 내에서 일어나는 화학 반응의 온도에 영향을 미칠 수 있다.
여기서 도시된 실시양태의 이점은, 교반 샤프트 및 작동봉(500)의 이중 기능으로 인해, 주위에 대해 단 하나의 밀봉부가 요구된다는 사실에 있다.
도 2는 개별 반응 챔버가 서로 유체 연결된, 제2 구성을 갖는 본 발명에 따른 제1 다단 교반 반응기를 도시한다. 교반 샤프트/작동봉(500)이 변위됨으로써, 폐쇄 요소(300)는 저부(600)로부터 떨어지도록 움직였고 개구(400)가 개방되었다.
도 3은 개별 반응 챔버가 서로 유체 연결되지 않은, 제1 구성을 갖는 본 발명에 따른 제2 다단 교반 반응기를 도시한다. 반응기는 각각 반응의 반응물 및 생성물을 위한 입구 물질 스트림(701) 및 출구 물질 스트림(711)을 갖는 원통형 탱크의 형태를 취한다.
개별 반응 챔버(110)는 반응기 내부에 존재하고 저부(610)에 의해 서로 분리된다. 각각의 반응 챔버는 챔버의 내용물을 혼합할 수 있는 교반 요소(210)를 갖는다. 이러한 맥락에서, 교반 요소는 모터 (도시되지 않음)에 의해 구동되는 중심 샤프트(810) 상에 배열된다.
반응 챔버(110)의 저부(610)는 구동 샤프트(810)를 위한 통로를 갖는다. 이러한 경우에 샤프트(810)의 통로를 위한 개구는 적합한 밀봉 또는 베어링 요소에 의해 폐쇄된다.
이러한 반응기에서, 폐쇄 수단(310)은 샤프트(810)와 상이한 작동봉(510)에 연결된다. 도 3에 도시된 작동봉(510)의 제1 위치에서, 폐쇄 수단(310)은 스토퍼의 방식으로 개별 반응 챔버(110)를 폐쇄하여 서로 차단하므로, 물질 교환은 일어날 수 없다. 그러나, 작동봉(510)이 직선으로 움직임으로써, 폐쇄 수단(310)은 개별 저부(610)를 개방할 수 있다.
게다가, 교반 반응기는 가열/냉각 재킷에 의해 둘러싸인다. 열 전달 매질이 입구 물질 스트림(721) 및 출구 물질 스트림(731)을 통해 도입 및 제거될 수 있어서, 반응기 내에서 일어나는 화학 반응의 온도에 영향을 미칠 수 있다.
여기서 도시된 실시양태의 이점은 각각의 밀봉부가 주위에 대해 단 하나의 형태의 움직임 (회전 또는 직선)을 허용하도록 밀봉해야 한다는 것이다.
도 4는 개별 반응 챔버가 서로 유체 연결된, 제2 구성을 갖는 본 발명에 따른 제2 다단 교반 반응기를 도시한다. 작동봉(510)이 변위됨으로써, 폐쇄 요소(310)가 저부(610)로부터 떨어지도록 움직였고 개구(410)가 개방되었다.
도 5는 개별 반응 챔버가 서로 유체 연결되지 않은, 제1 구성을 갖는 본 발명에 따른 제3 다단 교반 반응기를 도시한다. 반응기는 각각 반응의 반응물 및 생성물을 위한 입구 물질 스트림(702) 및 출구 물질 스트림(712)을 갖는 원통형 탱크의 형태를 취한다.
개별 반응 챔버(120)는 반응기 내부에 존재하고 저부(620)에 의해 서로 분리된다. 각각의 반응 챔버는 챔버의 내용물을 혼합할 수 있는 교반 요소(220)를 갖는다. 이러한 맥락에서, 교반 요소는 모터 (도시되지 않음)에 의해 구동되는 중심 샤프트(820) 상에 배열된다.
반응 챔버(120)의 저부(620)는 구동 샤프트(820)를 위한 통로를 갖는다. 이러한 경우에 샤프트(820)의 통로를 위한 개구는 적합한 밀봉 또는 베어링 요소에 의해 폐쇄된다.
이러한 반응기에서, 폐쇄 수단(320)은 샤프트(820)와 상이한 작동봉(520)에 연결된다. 도 5에 도시된 작동봉(520)의 제1 위치에서, 폐쇄 수단(320)은 피벗작동되는 뚜껑의 방식으로 개별 반응 챔버(120)를 폐쇄하여 서로 차단하므로, 물질 교환은 일어날 수 없다. 그러나, 작동봉(520)이 회전함으로써, 폐쇄 수단(320)은 개별 저부(620)를 개방할 수 있다.
게다가, 교반 반응기는 가열/냉각 재킷에 의해 둘러싸인다. 열 전달 매질이 입구 물질 스트림(722) 및 출구 물질 스트림(732)을 통해 도입 및 제거될 수 있어서, 반응기 내에서 일어나는 화학 반응의 온도에 영향을 미칠 수 있다.
도 6은 개별 반응 챔버가 서로 유체 연결된, 제2 구성을 갖는 본 발명에 따른 제3 다단 교반 반응기를 도시한다. 작동봉(520)이 회전함으로써, 폐쇄 요소(320)가 저부(620)로부터 떨어지도록 움직였고 개구(420)가 개방되었다.
도 1 내지 6에 도시된 본 발명에 따른 교반 반응기는 직립형이며 반응물 또는 생성물 스트림의 유동 방향이 아래로부터 위로 향하는 것으로 도시되어 있지만, 본 발명에 따른 교반 반응기의 모든 작동 모드는 원칙적으로 유동 방향 및 장치의 방향과는 무관하다. 기체-액체 혼합물을 느린 유속으로 병류로 운반하기를 원할 경우에, (중력의 방향에 대해) 아래로부터 위로의 관류가 유리할 수 있다. 수평 작동은 액체 상 위에 기체 상이 형성되는 것을 허용하며, 이로써 기체상 부산물이 배출될 수 있다. 한편, 위로부터 아래로의 관류는 고체를 제거해야 하는 경우에 유리하다.

Claims (15)

  1. 다수의 서로 인접한 반응 챔버(100, 110, 120);
    반응 챔버(100, 110, 120) 중 적어도 하나의 내용물을 혼합하기 위한 교반 요소(200, 210, 220)
    를 포함하고,
    여기서 인접한 반응 챔버들(100, 110, 120) 사이에는 각 경우에 폐쇄 수단(300, 310, 320)에 의해 폐쇄될 수 있는 적어도 하나의 개구(400, 410, 420)가 제공됨으로써, 개방 상태에서는 인접한 반응 챔버들(100, 110, 120) 사이에 유체 연결이 이루어지고 폐쇄 상태에서는 인접한 반응 챔버들(100, 110, 120)이 서로 분리되고,
    폐쇄 수단(300, 310, 320) 중 적어도 하나가, 교반 반응기 밖으로 안내되는 작동봉(500, 510, 520)에 연결되어 있고,
    작동봉(500, 510, 520)은 회전 및/또는 변위에 의해 적어도 하나의 제1 위치와 제2 위치 사이에서 전후로 이동할 수 있고,
    제1 위치에서는 작동봉(500, 510, 520)에 연결된 폐쇄 수단(300, 310, 320)이 이들에게 할당된 개구를 개방 상태로 만들고,
    제2 위치에서는 작동봉(500, 510, 520)에 연결된 폐쇄 수단(300, 310, 320)이 이들에게 할당된 개구를 폐쇄 상태로 만드는 것
    을 특징으로 하는 다단 교반 반응기.
  2. 제1항에 있어서, 개구(400, 410, 420)의 본 폐쇄 수단(300, 310, 320)이 모두 공통의 작동봉(500, 510, 520)에 연결된 것인 교반 반응기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 교반 요소(200, 210, 220)가 공통의 교반 샤프트에 의해 구동되고, 교반 샤프트는 동시에 폐쇄 수단(300, 310, 320)의 작동봉(500, 510, 520)에 해당하는 것인 교반 반응기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 작동봉이 변위가능하도록 설계되고, 폐쇄 수단(300, 310, 320)이 반응 챔버(100, 110, 120)의 저부(600, 610, 620)에서의 스토퍼로서 설계된 것인 교반 반응기.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 작동봉이 회전가능하도록 설계되고, 폐쇄 수단(300, 310, 320)이 개구로부터 피벗작동될 수 있도록 설계된 것인 교반 반응기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 저부(600, 610, 620) 중 적어도 하나가, 열 전달 매질이 유동하여 통과하는 열 교환기로서 설계된 것인 교반 반응기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 챔버(100, 110, 120) 중 적어도 하나가 가열 및/또는 냉각 스파이럴을 추가로 포함하는 것인 교반 반응기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 챔버(100, 110, 120) 중 적어도 하나가 부가적인 투입 및/또는 배출 포트를 포함하며, 이를 통해 물질이 도입 및/또는 제거될 수 있는 것인 교반 반응기.
  9. 제8항에 있어서, 다수의 반응 챔버들(100, 110, 120)이 부가적인 투입 및/또는 배출 포트에 의해 서로 연결된 것인 교반 반응기.
  10. 화학 반응을 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에서 청구된 바와 같은 교반 반응기에서 수행하고, 작동봉 또는 작동봉들(500, 510, 520)을 제1 위치와 제2 위치 사이에서 전후로 이동시키는 것을 특징으로 하는, 화학 반응의 수행 방법.
  11. 제10항에 있어서, 적어도 일부 시간 동안에, 일정한 양의 물질을 반응기에 도입시키고 반응기로부터 제거하면서 반응을 수행하는 것인 방법.
  12. 제10항에 있어서, 작동봉 또는 작동봉들(500, 510, 520)이 제1 위치에 있을 때 물질이 반응기에 도입되고 반응기로부터 제거되며, 작동봉 또는 작동봉들(500, 510, 520)이 제2 위치에 있을 때는 물질이 도입 또는 제거되지 않는 것인 방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 교반 반응기가 제9항에서 청구된 바와 같은 교반 반응기이고, 적어도 하나의 반응 챔버(100, 110, 120)에서 적어도 하나의 작동 상태가 모니터링되고, 작동 상태가 이러한 작동 상태에 대해 미리 결정된 값으로부터 미리 결정된 편차를 보이는 경우에, 이 반응 챔버 내로 개방되어 있는 투입 포트가 폐쇄되고 원래 이들 투입 포트를 통해 수송되는 물질은 다른 반응 챔버 내로 도입되는 것인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 모니터링되는 작동 상태가 하나의 반응 챔버(100, 110, 120)에서부터 인접한 반응 챔버까지의 압력 강하인 방법.
  15. 화학 반응의 수행에 있어서의, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에서 청구된 바와 같은 교반 반응기의 용도.
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