KR20170020774A - 화학 반응기를 위한 반응 챔버, 및 그로부터 구성된 화학 반응기 - Google Patents

화학 반응기를 위한 반응 챔버, 및 그로부터 구성된 화학 반응기 Download PDF

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Abstract

화학 반응기를 위한 반응 챔버는 반응기-챔버 케이싱(100), 바닥에 위치한 개구(300)를 갖는 반응-챔버 바닥(200), 및 챔버 내에 위치하고 교반기 샤프트에 연결된 하나 이상의 교반 요소(500)를 갖는 교반기 샤프트(400)를 포함하며, 여기서 교반기 샤프트(400)는 종방향으로 볼 때 시작부(600) 및 말단부(700)를 갖는다. 바닥(200)의 개구(300)에는 그에서 반응 챔버 외부로 돌출된 제거가능한 슬리브(800)가 제공된다. 슬리브(800)는 교반기 샤프트(400)의 회전 축과 정렬되어 배열된다. 슬리브(800)의 내부 직경은 교반기 샤프트(400)의 직경보다 크고, 교반기 샤프트(400)는, 그의 시작부(600)에서 및/또는 그의 말단부(700)에서, 추가의 샤프트에 의해 공급된 토크를 가역적 방식으로 흡수하고/하거나 토크를 추가의 샤프트에 전송하도록 디자인된다. 이러한 반응 챔버를 사용하여 감소된 역혼합을 갖는 모듈형 화학 반응기를 구성할 수 있다.

Description

화학 반응기를 위한 반응 챔버, 및 그로부터 구성된 화학 반응기 {REACTION CHAMBER FOR A CHEMICAL REACTOR, AND CHEMICAL REACTOR CONSTRUCTED THEREFROM}
본 발명을 초래한 작업은 유럽 연합의 제7 체계 프로그램 (FP7/2007-2013) 동안 승인 협약 246461호에 따라 지원받았다.
본 발명은 반응 챔버의 케이싱, 바닥에 위치한 개구를 갖는 반응 챔버의 바닥 및 챔버 내에 위치하고 교반기 샤프트에 연결된 하나 이상의 교반기 요소를 갖는 교반기 샤프트를 포함하는 화학 반응기를 위한 반응 챔버에 관한 것이다. 본 발명은 추가로 본 발명에 따른 반응 챔버를 다수 포함하는 화학 반응기, 및 또한 이러한 반응기에서 화학 반응을 수행하는 방법에 관한 것이다.
많은 화학 장치를 위해, 연속적 작업 방식에서 양호한 혼합과 좁은 잔류 시간 분포를 조합하는 것이 유리하다. 양호한 혼합의 이점은, 예를 들어 물질 전달 내성의 감소, 고체의 더 신속한 균질화 또는 현탁이다.
좁은 잔류 시간 분포는 빈번하게는 더 높은 생성물 품질 및 더 높은 공간-시간 수율을 가능하게 한다. 연속적 작업 방식의 이점은, 특히 생성물 품질의 안정화, 더 높은 자원 효율, 더 짧은 설정 시간, 더 높은 자동화도 및 더 낮은 체류 부피를 포함한다.
상기 요건 프로파일을 적용할 수 있는 가능한 적용은 다양한 공정 공학 장치, 예컨대 화학 또는 생물학 반응기, 및 또한 흡수, 추출 또는 결정화를 위한 장치에서의 단일상 또는 다중상 액체, 분산액, 기체-액체 혼합물, 초임계 유체 또는 상기 물질의 혼합물의 연속적 가공이다.
또한, 많은 화학 공정에서, 달성가능한 열 교환이 고려되어야 하는 변수이다. 여기서, 미세구조 장치는 매우 높은 열 교환 비표면적을 달성할 가능성을 제공한다. 그러나, 그의 낮은 부피 때문에, 이들은 특정한 처리량을 달성하여야 하는 경우에 긴 잔류 시간을 갖는 반응을 위해 적합하지 않다. 또한, 작은 채널 직경 때문에 공정에 존재하는 고체로 인한 오염 및 차단의 위험이 큰 문제이다.
예를 들어 불균질 촉매, 또는 불용성 반응 생성물의 형태의 고체가 많은 공정 공학 공정에서 원하는 또는 원치않는 성분으로서 존재하기 때문에, 현탁된 고체의 취급이 공정 장비의 추가의 요건일 수 있다.
실제로, 규정된 요건 프로파일은 직렬 연결된 연속적으로 작동되는 교반 탱크의 캐스케이드에 의해 가장 용이하게 달성될 수 있다. 그러나, 특정한 조건 하에, 장치의 더 조밀한 구조가 필요할 수 있다. 이러한 적용 경우는, 예를 들어 조밀한 모듈형 제조 플랜트로의 설치이다.
규정된 요건 프로파일은 또한 유동 튜브를 각각 적합한 교반기에 의해 혼합되고 서로에 대해 개구를 통해 연결된 복수의 구획으로 세분함으로써 특정한 적용에서 충족될 수 있는 것으로 추가로 공지되어 있다.
그러나, 이러한 장치의 수행 능력은 작동 조건에 크게 좌우된다. 높은 교반기 회전 속도, 긴 잔류 시간 및 개개의 구획 사이의 큰 개구는 더 높은 역혼합도를 초래하고 따라서 더 넓은 잔류 시간 분포를 초래한다 (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 장치는, 특별히 추출 기법에서 광범위하게 사용된다. 이론상으로는, 역혼합은 접하는 구획 사이에서 매우 작은 개구를 사용함으로써 최소화될 수 있다. 그러나, 이러한 경우 장치에서의 압력 강하가 증가하고 고체의 배출이 더이상 가능하지 않고, 이에 따라 이러한 측정은 실제 사용을 위해 빈번하게 부적합하다.
반응 기법에서의 캐스케이드식 튜브의 사용은, 예를 들어 US 4,370,470 (DE 32 13 628 A1)에 기재되어 있다. 대상은 수평의 배플 플레이트에 의해 복수의 개개의 챔버로 세분된 폐쇄된 말단부를 갖고 배플 벽에서 축 중심인 동심 원형 개구를 통해 하나의 챔버로부터 또 다른 것으로의 접속부를 갖는 수직의 긴 원통형 하우징인 접촉 소자로서, 각각의 챔버에서 샤프트에 고정된 교반기 설비를 하나 이상 갖는 하우징 내의 배플 벽에 동심으로 연장된 연속적으로 회전가능한 샤프트를 갖는 접촉 소자이며, 여기서 원형 개구에서의 샤프트는 개구를 통한 공급 정도에 대한 역유동 정도의 비가 1.5 미만이 되게 하는 방식으로 배플 벽에서 고리형 개구를 형성한다. 기재내용은 폴리(아릴렌 술파이드)를 제조하기에 적합한 반응 성분을 상기 기재된 접촉 용기의 적어도 하나의 제1 챔버로 공급하며, 그 결과 반응 혼합물이 형성되며, 이것이 접촉 소자의 챔버를 통해 안내되면서, 각각의 챔버가 아릴렌 술파이드 중합체의 형성을 위한 조건 하에 유지되고, 아릴렌 술파이드 중합체가 출발 반응 성분이 도입되는 챔버로부터 멀리 위치하는 챔버로부터 수득되는 것인 아릴렌 술파이드 중합체의 연속적 제조 방법을 또한 제공한다. 이러한 장치에서의 달성가능한 역혼합도는 빈번하게는 매우 좁은 잔류 시간 분포를 필요로 하는 적용을 위해; 특히, 반응기 부피가 낮고 (수 리터 이하) 따라서 단계의 실행가능한 개수가 제한되는 경우에 너무 높다.
WO 2006/126891 (EP 1 904 225)은, 예를 들어 베이스 플레이트에 의해 분리된 주로 수직의 컬럼에 배열된 많은 반응기 챔버를 포함하는 2개 이상의 성분을 포함하는 교반 물질 조성물의 연속적 처리를 위한 원통형 반응기로서, 정상 상태에서 임의의 바람직한 반응기 챔버로부터의 물질 조성물의 수송이 하기 접하는 챔버로 진행되게 하기 위해 배열되며, 여기서 각각의 반응기 챔버에는 베인 메커니즘이 제공되는 것인 원통형 반응기를 개시한다. 베인 메커니즘은 반응기 챔버에 동심이고 수직 신장을 갖는 고리형 부재 및 챔버에서의 물질에서 성분의 수직 이동을 유도하기 위해 배열된 하나 이상의 이동가능한 교반기 부재를 포함한다. 수송은 각각의 챔버의 베이스 플레이트에서 슬라이더 플랩을 갖는 개구를 통해 주기적으로 수행하기 위해 하나의 챔버로부터 다음 챔버로 배열된다. 그러나, 이러한 장치는 추가의 이동가능한 부품 및, 그와 연관하여 또한 밀봉부가 각각의 챔버에 제공되어야 할 필요가 있다는 단점을 갖는다.
역혼합을 감소시키기 위해 신장된 갭을 갖는 캐스케이드식 튜브 설치물이 다음의 공개물에 기재되어 있다: [J. R. Couper, Chemical process equipment: Selection and design, 2nd ed., Elsevier, Amsterdam, Boston, 2005, pp. 307-315] 및 [B. C. Xu, W. R. Penney, J. B. Fasano, Interstage Backmixing for Single-Phase Systems in Compartmented, Agitated Columns: Design Correlations, Ind. Eng. Chem. Res. 44 (2005) 6103-6109].
특히 연마 시스템을 위해, 문제의 기재된 제형의 장치에 있어서 더 강한 해결책을 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 여러 시스템으로 그리고 여러 공정 조건 하에 사용 가능하게 하는 방식으로 장치 디자인이 가능한 한 유연한 것이 바람직하다. 이러한 경우, 용어 유연한은 반응기의 총 부피를 유연한 방식으로 변화시키는 특성뿐만 아니라 특정한 적용을 위해 기하구조를 최적화하기 위해 개개의 요소, 예컨대 교반기 또는 배플을 교환시키는 특성을 포함한다.
본 발명의 목적은 상기 요건을 배합한 장치를 제공하는 것이다. 바람직하게는, 상기 장치는 또한 가능한 한 높은 열-교환 비표면적을 제공한다.
본 발명에 따라, 이러한 목적은 반응 챔버의 케이싱, 바닥에 위치한 개구를 갖는 반응 챔버의 바닥, 및 챔버 내에 위치하고 교반기 샤프트에 연결된 하나 이상의 교반기 요소를 갖는 교반기 샤프트를 포함하는 화학 반응기를 위한 반응 챔버로서, 여기서 교반기 샤프트는 종방향으로 볼 때 시작부 및 말단부를 갖는 것인 반응 챔버에 의해 달성된다. 또한 바닥의 개구에, 반응 챔버 외부로 돌출된 제거가능한 슬리브가 제공되며, 슬리브는 교반기 샤프트의 회전 축과 정렬되어 배열되며, 슬리브의 내부 직경은 교반기 샤프트의 직경보다 크고, 교반기 샤프트는, 그의 시작부에서 및/또는 그의 말단부에서, 추가의 샤프트에 의해 제공된 토크를 가역적으로 흡수하고/하거나 토크를 추가의 샤프트에 전송하도록 적합화된다.
본 발명에 따른 반응 챔버를 다수 사용하여, 화학 반응기는 모듈형 방식으로 구축되고 유연하게 적합화되어 요건을 변경할 수 있다. 본 발명에 따른 반응 챔버는 물론 좁은 의미에서의 화학 반응뿐만 아니라 예를 들어 추출 등을 위해 사용될 수 있다.
"반응 챔버의 케이싱"은, 수직 반응 챔버의 경우에, 챔버 내부의 외부 세계에 대한 측면 경계인 반응기 챔버의 부품이다. 원통형 또는 실린더형 반응 챔버의 경우에, 이는 이어서 실린더 케이싱이다. 이에 따라, "반응 챔버의 바닥"은 수직 방향으로 볼 때 외부 세계에 대한 챔버 내부의 하부 경계이다.
모듈형 유용성의 구상에 따라, 반응 챔버에서 반응 챔버의 내용물을 교반하기 위해 교반기 샤프트에 연결된 하나 이상의 교반기 요소를 갖는 하나의 교반기 샤프트가 이미 존재한다. 방사상으로 그리고 접선으로 모두 엄격한 교반 요소를 사용할 수 있다. 교반 요소는 또한 교반기 샤프트로부터 분리가능하도록 그리고 따라서 교환가능하도록 제조될 수 있다.
더욱이, 추가의 내부물이 반응 챔버에 존재할 수 있다. 이들은 두 주요한 목적을 충족시킨다. 첫째로, 이들은 배플로서 기능하고 장치에서의 액체의 공회전을 방지하고 집중 혼합을 지지하며, 둘째로, 이들은 교반기 샤프트의 축방향 및 방사상 베어링 장착을 지지한다. 모듈형 구조 때문에, 다양한 물질 시스템에 대한 신속한 적합화가 구현가능하다. 예를 들어, 비교적 높은 점도의 시스템에서, 큰 비용 없이, 배플이 적합화될 수 있고 앵커 교반기가 사용될 수 있다.
챔버 내부의 외부 세계에 대한 고정된 상부 경계는 또한 "뚜껑"으로 해석되며, 이는 본 발명에 따른 반응 챔버를 위해 절대적으로 필요하지는 않다. 이는 복수의 반응 챔버가 겹쳐서 적층될 수 있고 (그리고 이는 하기 기재된 본 발명에 따른 추가의 화학 반응기를 형성하기 위한 것으로 의도됨) 하나의 반응 챔버의 바닥이 그 하부에 놓인 챔버의 뚜껑으로서 작용할 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 반응 챔버의 바닥은 또한 개구를 갖는다. 이러한 개구를 통해, 교반기 샤프트가 반응 챔버의 내부 밖으로 안내될 수 있고 또한 물질이 챔버로 도입되거나 또는 챔버로부터 배출될 수 있다. 교반기 샤프트의 시작부 및/또는 말단부에서, 상기 교반기 샤프트는 토크를 흡수하거나 또는 전송하도록 디자인된다. 바람직하게는 이는 재분리가능한 형상-맞춤 연결부이다. 이는, 예를 들어 간단한 푸쉬(push)-맞춤 연결부, 예컨대 6각형을 사용하여 실행될 수 있다. 이러한 방식으로, 겹쳐서 적층된 본 발명에 따른 반응 챔버의 경우에, 공유된 교반기 샤프트가 모든 반응 챔버에 대해 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 반응 챔버는 또한 바닥의 개구에 배열된 분리가능한 슬리브를 갖는다. 기하구조 측면에서, 슬리브 (및 따라서 또한 반응 챔버의 바닥의 개구)는 교반기 샤프트의 회전 축과 정렬되어 배열되는데, 이는 겹쳐서 적층된 상기 언급된 반응 챔버의 경우에, 연속적 교반기 샤프트가 수득될 수 있게 하기 위함이다.
더욱이, 슬리브의 내부 직경은 교반기 샤프트의 직경보다 크다 (물론, 교반기 샤프트 상에 장착된 교반기 요소는 직경을 결정하는 경우에 고려하지 않음). 이어서, 심지어 교반기 샤프트가 개구 및 슬리브를 통해 안내되는 경우에도, 물질 전달이 겹쳐서 적층된 챔버 사이에서 수행될 수 있다. 바람직하게는, 슬리브의 내부 직경과 교반기 샤프트의 직경 사이의 차이는 > 0 mm 내지 ≤ 10 mm, 보다 바람직하게는 ≥ 1 mm 내지 ≤ 8 mm, 특히 바람직하게는 ≥ 2 mm 내지 ≤ 7 mm이다. 슬리브가 제거가능하다는 점 때문에, 임의의 반응 시스템에 대해, 슬리브와 교반기 샤프트 사이의 개구를 통한 물질 전달이 개별적으로 적합화될 수 있다.
슬리브가 반응 챔버 외부로 돌출된다는 점의 결과로서, 그의 반응 챔버의 내용물과 슬리브가 이어 돌출되는 후속 반응 챔버의 내용물 사이의 감소된 역혼합을 보장한다. 슬리브가 반응 챔버로부터 개구를 통해 돌출되는 정도는, 그의 내부 직경의 예를 들어 ≥ 10% 내지 ≤ 200%, 보다 바람직하게는 ≥ 20% 내지 ≤ 150%, 특히 바람직하게는 ≥ 30% 내지 ≤ 100%일 수 있으며, 이는 각각의 경우에 바닥의 하부 측면으로부터 측정된다.
본 발명의 추가의 실시양태 및 측면은 하기에 기재되어 있다. 이들은 임의의 방식으로 서로 조합될 수 있으나, 단 그 반대는 문맥으로부터 분명히 유래되지 않는다.
본 발명에 따른 반응 챔버의 실시양태에서, 교반기 샤프트는 슬리브가 반응 챔버 외부로 돌출되고 교반기 샤프트와 슬리브 사이에 갭이 형성되도록 하는 방식으로 슬리브를 통해 반응 챔버 외부로 안내된다.
바람직하게는, 교반기 샤프트와 슬리브 사이의 갭은 > 0 mm 내지 ≤ 5 mm의 폭을 갖는다. 값은 바람직하게는 ≥ 0.5 mm 내지 ≤ 4 mm, 특히 바람직하게는 ≥ 1 mm 내지 ≤ 3.5 mm이다.
본 발명에 따른 반응 챔버의 추가의 실시양태에서, 바닥은 > 0° 내지 ≤ 60°의 수평면에 대한 경사도를 갖는다. 바람직한 경사도는 > 5° 내지 ≤ 50°, 보다 바람직하게는 > 10° 내지 ≤ 45°이다. 이러한 챔버 바닥의 테이퍼링은 반응 챔버 내에서의 고체 수송을 지지하도록 기능한다. 또한, 바닥이 케이싱에 인접해 있는 모서리를 둥글게 할 수 있다.
본 발명에 따른 반응 챔버의 추가의 실시양태에서, 반응 챔버의 케이싱 및 바닥은 가열 및/또는 냉각 케이싱으로서 공동으로 구성된다. 이는, 예를 들어 캐비티를 갖는 이중-벽 구조를 통해, 연속-유동 가열 또는 냉각 매질이 달성될 수 있게 한다. 이러한 실시양태는 일반적으로 가능한 한 큰 열-전달 비표면적이 제공될 수 있으며: 가열 또는 냉각이 측면 벽뿐만 아니라 챔버의 바닥을 통해서도 진행된다는 이점을 갖는다. 외부 열-전달 계수를 최대화하기 위해, 캐비티에서의 유입은 가열 또는 냉각 매질의 전체 유동이 회전으로 파생되고 벽과 가열 또는 냉각 매질 사이의 높은 상대 속도가 달성되게 하는 방식으로 접선으로 진행될 수 있다. 유입 속도는 상응하는 연결부의 직경을 변화시킴으로써 적합화될 수 있다.
본 발명에 따른 반응 챔버의 추가의 실시양태에서, 교반기 샤프트는 반응 챔버 내에 지지된 베어링에 의해 반응 챔버 내에 수용된다.
본 발명에 따른 반응 챔버의 추가의 실시양태에서, 슬리브는 중합체 물질을 포함한다. 적합한 물질은, 특히 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 및 폴리올레핀, 예컨대 폴리에틸렌 (PE) 및 폴리프로필렌 (PP)이다.
편평한 챔버는 작은 구조에서 높은 비표면적 및 매우 많은 스테이지를 달성한다는 이점을 제공한다. 그러나, 너무 편평한 챔버는 소용돌이의 형성을 억제하고 따라서 효과적인 혼합을 방지한다. 따라서, 본 발명에 따른 반응 챔버의 추가의 실시양태에서, 챔버는 ≥ 0.4:1 내지 ≤ 1:1의 높이 대 직경의 비를 갖는다. 직경은 이러한 경우 챔버 내의 가장 낮은 지점으로부터 수직으로 챔버 내의 가장 높은 지점까지 측정된 챔버의 내부 직경 및 내부 높이를 의미하도록 취해진다. 챔버 높이 대 직경의 바람직한 비는 ≥ 0.5:1 내지 ≤ 0.9:1, 보다 바람직하게는 ≥ 0.6:1 내지 ≤ 0.8:1이다. 챔버 내부 직경은, 예를 들어 2 내지 15 cm이다.
본 발명에 따른 반응 챔버의 추가의 실시양태에서, 상기 반응 챔버는 또한 추가의 공급부 및/또는 유출구를 포함하며, 그를 통해 물질이 도입되고/되거나 배출될 수 있다. 추가의 공급부 및/또는 유출구가 바람직할 수 있는데, 이는 반응기의 시작부에서 모든 반응 성분을 첨가하지 않으며, 반응기를 따라 반응 성분을 첨가하기 위함이다. 이러한 방식으로, 예를 들어 화학 반응에서 바람직하지 않은 부반응 또는 2차 반응이 억제될 수 있다. 유사하게, 형성된 물질을 분리해내는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 추가의 측면은 본 발명에 따른 반응 챔버를 다수 포함하며, 여기서 적어도 하나의 제1 반응 챔버 및 하나의 제2 반응 챔버가 서로 이어져 배열되고 제1 반응 챔버를 위한 교반기 샤프트가 제2 반응 챔버의 교반기 샤프트에 연결되어 토크를 전송하는 것인 화학 반응기이다.
바람직하게는, 2 내지 20 개의 개개의 반응 챔버를 사용한다. 복수의 반응 챔버가 추가의 공급부 및/또는 유출구에 의해 서로에 대해 연결되는 것이 추가로 가능하다.
본 발명은 추가로 화학 반응을 본 발명에 따른 반응기에서 수행하는 것인 상기 화학 반응의 수행 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방법의 실시양태에서, 반응은 반응기 내로 도입되고 반응기로부터 배출되는 일정한 양의 물질로 적어도 간헐적으로 수행된다.
본 발명에 따른 방법의 추가의 실시양태에서, 교반 반응기에서, 서로 이어져 배열되는, 물질이 도입되고/되거나 배출될 수 있는 추가의 공급부 및/또는 유출구를 포함하는 본 발명에 따른 제1 반응 챔버 및 물질이 도입되고/되거나 배출될 수 있는 추가의 공급부 및/또는 유출구를 포함하는 본 발명에 따른 제2 반응 챔버가 존재한다. 더욱이, 제1 반응 챔버의 교반기 샤프트는 토크를 전송하기 위해 제2 반응 챔버의 교반기 샤프트에 연결되고 제1 및/또는 제2 반응 챔버에서, 하나 이상의 작동 상태가 모니터링되며, 이러한 작동 상태의 미리 결정된 값으로부터의 작동 상태의 미리 결정된 편차에서, 이러한 반응 챔버로의 공급 개구가 폐쇄되고, 이러한 공급부를 통해 본래 수송되는 물질은 또 다른 반응 챔버에 도입된다.
이러한 경우, 모니터링되는 작동 상태가 하나의 반응 챔버로부터 인접한 반응 챔버로의 압력 강하인 것이 바람직하다.
이러한 반응 절차는 반응 챔버가 차단 및 다른 고장 시 중단되게 하고, 이러한 챔버 둘레의 반응기에서의 물질 스트림을 통과할 수 있게 한다. 따라서, 반응은 이어지는 위치에서 계속될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 추가의 실시양태에서, 반응은 다중상 반응이다. 이는, 예를 들어 액체/액체 시스템뿐만 아니라 고체/액체 시스템을 포함한다.
본 발명은 하기 도면을 참조하여 그에 제한되지 않으면서 보다 상세히 기재될 것이다. 도면에서:
도 1은 상부로부터의 관점에서 그리고 횡단면에서의 본 발명에 따른 반응 챔버를 나타내고,
도 2는 횡단면에서의 겹쳐서 적층된 본 발명에 따른 반응 챔버 다수를 나타내고,
도 3은 본 발명에 따른 화학 반응기를 나타낸다.
도 1은 평면도 (도면의 상부 부분) 및 측면 횡단면도 (도면의 저부 부분)를 갖는 조합도에서 본 발명에 따른 반응 챔버를 나타낸다. 반응 챔버는 케이싱(100), 이러한 경우 33°로 경사진 바닥(200), 및 또한 바닥(200)에서의 개구(300)를 갖는다. 케이싱(100) 및 바닥(200)은 가열 및 냉각 케이싱으로서 공동으로 구성된다. 이러한 목적을 위해, 제2 케이싱(110) 및 제2 바닥(210)을 갖는 이중-쉘 구조물이 사용되며, 이는 캐비티(120)를 함유한다. 이러한 캐비티(120)를 통해, 열 교환을 위한 가열 또는 냉각 매질이 여기서 나타내지 않은 유입구 및 유출구에 의해 안내될 수 있다. 케틀 반응기의 많은 통상의 구조에서와 같이 케이싱뿐만 아니라 또한 챔버 바닥이 매질에 의해 가열되거나 또는 냉각된다.
반응 챔버는 또한 교반기 요소(500)를 구동하기 위한 교반기 샤프트(400)를 갖는다. 교반기 샤프트(400)의 시작부(600)가 도 1에서 상부에 나타나 있고, 말단부(700)가 저부에 나타나 있다. 교반기 샤프트(400)의 시작부(600) 및 말단부(700)는 복수의 반응 챔버가 겹쳐서 적층되는 경우 두 연속적인 반응 챔버의 교반기 샤프트가 회전의 방향으로 형태-맞춤 방식으로 서로 맞물리게 하는 방식으로 각각 수형 및 암형 연결장치 또는 플러그-인 연결부로서 디자인된다. 이어서, 이들은 개개의 챔버의 교반기 요소가 구동될 수 있는 조합된 교반기 샤프트를 형성한다.
반응 챔버 내에서, 교반기 샤프트(400)는 자체가 반응 챔버에서의 상응하는 지지체(1100)를 통해 지지되는 베어링(1000)에 의해 수용된다. 또한, 반응 챔버 내에서, 교반기 요소(500)와 상호작용하여 반응기 내용물의 비교적 높은 혼합을 보장하도록 배플(1200)이 존재한다.
반응 챔버의 바닥(200)의 개구(300)에, 또한 반응 챔버 외부로 돌출된 (여기서 저부에 나타나 있는 바와 같음) 제거가능한 슬리브(800)가 존재한다. 슬리브(800)는 교반기 샤프트(600)의 회전 축과 정렬되어 배열된다. 도 1에서, 회전의 슬리브 및 축은 반응 챔버에서 중심에 있다.
슬리브(800)의 내부 직경은 슬리브(800)의 높이에서의 교반기 샤프트(400)의 직경보다 크다. 또한, 교반기 샤프트(400)는 슬리브(800)를 통해 반응 챔버 외부로 돌출된다. 그 결과, 교반기 샤프트(400)와 슬리브(800) 사이에 갭(900)이 형성되며, 그 갭을 통해, 겹쳐서 적층된 복수의 반응 챔버의 경우에, 물질 전달이 하나의 챔버와 인접한 챔버 사이에서 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 반응 챔버의 사용의 다용성 및 모듈성을 증가시키기 위해, 슬리브(800)뿐만 아니라 교반기 샤프트(400), 베어링(500), 지지체(1100) 및 배플(1200)이 분리가능하고, 따라서 특정한 적용 경우에 대해 적합화된 다른 구조체를 위해 사용가능하다.
도 2는 본 발명에 따른 화학 반응기에서 발생할 수 있는 바와 같이 겹쳐서 적층된 본 발명에 따른 반응 챔버 3 개의 횡단면도를 나타낸다. 개개의 챔버는 도 1에 나타내고 설명된 바와 같다. 볼 수 있는 바와 같이, 반응 챔버는 하나의 챔버의 저부 밀봉부가 그 아래에 놓인 챔버의 상부 밀봉부를 형성하게 하는 방식으로 디자인된다. 그 결과, 화학 반응기는 모듈형 방식으로 구성될 수 있다. 명백히, 밀봉 조성물이 또한 추가로 개개의 반응 챔버 사이에 제공될 수 있다.
회전 방향으로 형태-맞춤 방식으로 서로 맞물리는 교반기 샤프트(400)는, 토크의 전달과 관련하여, 조합된 교반기 샤프트를 형성한다. 이러한 경우, 교반기 샤프트(400)와 슬리브(800) 사이에서 형성된 갭(900)에서 전단력이 또한 발생하고 그를 통해 물질 전달이 인접한 반응 챔버 사이에서 수행될 수 있음을 유념할 수 있다. 따라서, 반응 챔버의 내용물이 철저히 교반되지 않는 "사 구역(dead zone)"이 존재하지 않는다.
갭(900)의 폭 및 따라서 개개의 반응 챔버 사이의 물질 전달은 교반기 샤프트의 직경 및/또는 슬리브(800)의 내부 직경을 사용하여 설정될 수 있다. 실제 이유를 위해, 챔버 사이의 또 다른 갭 폭이 요망되는 경우에 오직 슬리브(800)를 교환하는 것이 바람직하다. 슬리브(800)가 제거가능하다는 점 때문에, 이는 간단한 방식으로 수행된다.
도 3은 본 발명에 따른 반응 챔버를 총 7 개 갖는 본 발명에 따른 화학 반응기를 개략적으로 나타낸다. 반응 챔버는 도 2에 나타낸 배열과 유사한 방식으로 겹쳐서 적층되고 덮개 플레이트(2000) 및 베이스 플레이트(2010)로 상부 및 저부에서 밀봉된다. 배열은 타이 로드(2100) 및 너트(2110)를 사용하여 기계적으로 안정화된다.
교반기 샤프트를 구동하기 위한 토크는 화학 반응기의 내부에서 교반기 샤프트에 대한 커플링(2200)을 사용하여 전송된다. 덮개 플레이트(2000)에서, 또한 접속부(2300) 및 (2310)가 배열되며, 그를 통해 물질 또는 측정 센서가 가장 상부의 반응 챔버로 도입될 수 있다. 이러한 접속부(2320)는 또한 베이스 플레이트(2010)로 통합된 유출구(2400)에 위치한다.
공급물 라인(2500) 및 유출구(2510)를 통해, 개개의 반응 챔버의 가열/냉각 케이싱에 가열 또는 냉각 매질이 제공될 수 있다. 개개의 가열 또는 냉각이 가능하다.
개개의 반응 챔버는 물질 도입, 물질 배출 및 측정 센서를 위해 접속부(2600) 및 (2610)를 통해 접속가능하다. 적합하게 선택된 파이핑 설치물을 통해, 또한, 작업의 실행 동안 고장이 발생하는 경우 반응 챔버의 브릿징이 달성될 수 있다.

Claims (15)

  1. 반응 챔버의 케이싱(100),
    바닥에 위치한 개구(300)를 갖는 반응 챔버의 바닥(200), 및
    챔버 내에 위치하고 교반기 샤프트에 연결된 하나 이상의 교반기 요소(500)를 갖는 교반기 샤프트(400)로서, 여기서 교반기 샤프트(400)는 종방향으로 볼 때 시작부(600) 및 말단부(700)를 갖는 것인 교반기 샤프트(400)
    를 포함하는, 화학 반응기를 위한 반응 챔버이며,
    바닥(200)의 개구(300)에, 반응 챔버 외부로 돌출된 제거가능한 슬리브(800)가 제공되어 있고,
    슬리브(800)가 교반기 샤프트(400)의 회전 축과 정렬되어 배열되고,
    슬리브(800)의 내부 직경이 교반기 샤프트(400)의 직경보다 크고,
    교반기 샤프트(400)가, 그의 시작부(600)에서 및/또는 그의 말단부(700)에서, 추가의 샤프트에 의해 제공된 토크를 가역적으로 흡수하고/하거나 토크를 추가의 샤프트에 전송하도록 적합화된 것
    을 특징으로 하는 것인 화학 반응기를 위한 반응 챔버.
  2. 제1항에 있어서, 교반기 샤프트(400)는, 교반기 샤프트(400)가 반응 챔버 외부로 돌출되고 교반기 샤프트와 슬리브 사이에 갭(900)이 형성되도록 하는 방식으로 슬리브(800)를 통해 반응 챔버 외부로 안내되는 것인 반응 챔버.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 바닥(200)이 > 0° 내지 ≤ 60°의 수평면에 대한 경사도를 갖는 것인 반응 챔버.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 챔버의 케이싱(100) 및 바닥(200)이 가열 및/또는 냉각 케이싱으로서 공동으로 구성된 것인 반응 챔버.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 교반기 샤프트가 반응 챔버 내에 지지된 베어링(1000)에 의해 반응 챔버 내에 수용된 것인 반응 챔버.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 슬리브(800)가 중합체 물질을 포함하는 것인 반응 챔버.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, ≥ 0.4:1 내지 ≤ 1:1의 높이 대 직경의 비를 갖는 반응 챔버.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 교반기 샤프트(400)와 슬리브(800) 사이의 갭(900)이 > 0 mm 내지 ≤ 5 mm의 폭을 갖는 것인 반응 챔버.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 물질이 도입되고/되거나 배출될 수 있는 추가의 공급부(2600) 및/또는 유출구(2610)를 또한 포함하는 반응 챔버.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 반응 챔버를 다수 포함하며, 여기서 적어도 하나의 제1 반응 챔버 및 하나의 제2 반응 챔버가 서로 이어져 배열되고, 제1 반응 챔버를 위한 교반기 샤프트가 제2 반응 챔버의 교반기 샤프트에 연결되어 토크를 전송하는 것을 특징으로 하는 화학 반응기.
  11. 화학 반응을 제10항에 따른 반응기에서 수행하는 것을 특징으로 하는 화학 반응의 수행 방법.
  12. 제11항에 있어서, 반응이, 반응기 내로 도입되고 반응기로부터 배출되는 일정한 양의 물질로 적어도 간헐적으로 수행되는 것인 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 교반 반응기에서, 제9항에 따른 제1 반응 챔버 및 제9항에 따른 제2 반응 챔버가 서로 이어져 배열되고, 제1 반응 챔버의 교반기 샤프트가 제2 반응 챔버의 교반기 샤프트에 연결되어 토크를 전송하고, 더욱이 제1 및/또는 제2 반응 챔버에서 하나 이상의 작동 상태가 모니터링되며, 이러한 작동 상태의 미리 결정된 값으로부터의 작동 상태의 미리 결정된 편차에서, 이러한 반응 챔버로의 공급 개구가 폐쇄되고, 이러한 공급부를 통해 본래 수송되는 물질이 또 다른 반응 챔버에 도입되는 것인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 모니터링되는 작동 상태가 하나의 반응 챔버로부터 인접한 반응 챔버로의 압력 강하인 방법.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 반응이 다중상 반응인 방법.
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