(57)【要約】  少なくとも２つの流体を混合し、反応させるための新規な機器が開示される。良好な混合及び優れた圧力低下特性が、混合チェンバ14に供給して渦をつくりだすための、少なくとも２つの供給チャネル10、12で構成される装置で達成される。供給チャネル10、12の配置は、流体が接線方向及び半径方向の両方で混合チェンバ14内に導入されるようになっている。気体／液体の混合の場合、特に好適であるのは、接線方向に液体ストリームを、半径方向に気体ストリームを注入することである。流体の反応は混合チェンバ14内か、または混合チェンバ14排出口と流体で連通する別の反応器内で生じることが可能である。その混合器／反応器機器は、迅速な拡散が重要である反応のために特に有用である。
2005512760.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の流体ストリームと第２の流体ストリームを混合するための機器において、前記機器が：
第１の流体ストリームを取り入れるための第１の供給導管取入端部を有し、前記第１の供給導管取入端部の反対側に第１の供給導管排出端部を有する第１の供給導管；
第２の流体ストリームを取り入れるための第２の供給導管取入端部を有し、前記第２の供給導管取入端部の反対側に第２の供給導管排出端部を有する第２の供給導管；
第１及び第２の供給導管排出端部で第１及び第２の供給導管と流体で連通する混合チェンバにおいて、第１及び第２の供給導管排出端部のうち一方は略接線方向へその混合チェンバ内に通じ、第１及び第２の供給導管排出端部のうち他方は略半径方向へその混合チェンバ内に通じる混合チェンバ；そして、
混合チェンバから第１及び第２の混合された流体ストリームを排出するための混合チェンバ排出口において、前記混合チェンバ排出口が混合チェンバの中央部と流体で連通している混合チェンバ排出口；
で構成される機器。
【請求項２】
層状組立物として形成される前記機器において、前記組立物が：
外側及び内側の面を有し、第１及び第２の流体を組立物内に取り入れるための第１及び第２の供給チャネルを形成する略平面のカバー層において、第１及び第２の供給チャネルが外表面から内表面へ伸び、第１及び第２の取入口を形成するカバー層；
上側及び下側の面を有する略平面の混合層において、前記混合層の上側の面はカバー層の内側の面上に密閉して配置され、第１の供給導管を提供する第１の供給チャネル、第２の供給導管を提供する第２の供給チャネル、及び、第１及び第２の供給排出端部と流体で連通する混合チェンバを形成する混合層；そして、
略平面の層で形成され、混合チェンバと流体で連通して混合チェンバ排出口を提供する混合チェンバ排出口チャネル；
で構成される請求項１記載の機器。
【請求項３】
前記カバー層及び混合層が、流体密封して積層された配置で１枚以上のプレートで構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の機器。
【請求項４】
前記プレートが１０μｍ〜５ｍｍの厚みを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の機器。
【請求項５】
前記混合チェンバがさらに触媒がその内部に配置されて有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の機器。
【請求項６】
取入口と排出口を有し、触媒保持スペースを形成する反応器でさらに構成され、前記反応器取入口が混合チェンバ排出口と流体で連通していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の機器。
【請求項７】
前記混合チェンバが略円筒形の形状であり、混合チェンバの直径と混合チェンバ排出口の直径の比率が５より大きいことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の機器。
【請求項８】
前記混合チェンバが、混合チェンバ排出口が略垂直に通じる略水平面で略円形断面を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の機器。
【請求項９】
前記混合チェンバ排出口が混合プレートからカバー層の外側の面へ略垂直に伸び、第１及び第２の流体の混合されたストリームを組立物から排出するための排出口を形成することを特徴とする請求項２〜８のいずれか１項記載の機器。
【請求項１０】
前記機器において：
第１の流体ストリームを分配するための複数の第１の流体分配導管；
第２の流体ストリームを分配するための複数の第２の流体分配導管；そして、
前記第１及び第２の流体分配導管とそれぞれ流体で連通する取入端部を有する複数の第１及び第２の供給導管において、前記排出端部が混合チェンバ内へ略接線方向及び略半径方向に交互に通じる複数の第１及び第２の供給導管；
でさらに構成される請求項１〜９のいずれか１項記載の機器。
【請求項１１】
第１及び第２の供給導管の少なくとも１つが、供給導管取入端部から供給導管排出端部への方向に狭まり、第１及び第２の供給導管の長さ対幅の比率が、前記排出端部において、１〜30であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項記載の機器。
【請求項１２】
前記機器において：
第２の流体ストリームを分配するための複数の第２の流体分配導管；
第３の流体ストリームを分配するための複数の第３の流体分配導管；そして、
取入口及び排出口を有するマニホルドにおいて、前記マニホルドの取入口が繰り返しの配列で配置された第２及び第３の分配導管と流体で連通し、前記マニホルドの排出口が第２の供給導管取入端部と流体で連通するマニホルド；
でさらに構成される請求項１〜９のいずれか１項記載の機器。
【請求項１３】
前記機器において、前記混合チェンバが取入端部及び排出端部をそれぞれ有する複数の供給チャネルと流体で連通し、前記供給排出端部が混合チェンバ内へ略接線方向及び略半径方向に交互に通じ、前記積層された組立物が、上部面及び下部面を有する略平面の分配層、カバー層の内側の面上に密閉して配置される前記分配層の上部面、そして、混合層の上部の面上に密閉して配置される前記分配層の下部面でさらに構成され、カバー層と混合層の間に挿入される前記分配層が：
複数の第１の分配口において、それぞれが一方の端部で第１の流体分配構造と流体で連通し、それとは別に、反対側の端部で第１の流体供給チャネルの交互の取入端部と流体で連通する複数の第１の分配口；そして、
複数の第２の分配口において、それぞれが一方の端部で第２の流体分配構造と流体で連通し、それとは別に、反対側の端部で、第１の分配口と流体で連通するのではなく、流体供給チャネルの交互の取入端部と流体で連通する複数の第２の分配口であって、前記第１の流体分配構造が第１の供給チャネルと流体で連通し、前記第２の流体分配構造が第２の供給チャネルと流体で連通し、そして、前記混合層上部面が分配層下部面上に密閉して配置され、供給チャネルを形成する複数の第２の分配口；を形成することを特徴とする請求項２〜９のいずれか１項記載の機器。
【請求項１４】
前記機器において、前記カバー層が第３の流体を組立物に取り入れるための第３の供給チャネルをさらに形成し、前記第３の供給チャネルがカバー層の外表面からカバー層の内表面へ伸びて第３の取入口を形成し、前記積層された組立物が上側の面及び下側の面を有する略平面の分配層でさらに構成され、前記分配層の上側の面がカバー層の内側の面上に密閉して配置され、前記分配層の下側の面が混合層の上側の面上に密閉して配置され、前記カバー層と混合層の間に挿入される分配層が：
それぞれが第２の流体分配構造と流体で連通する第２の分配口取入口端部、及び第２の分配口排出口端部を有する複数の第２の分配口；そして、
それぞれが第３の流体分配構造と流体で連通する第３の分配口取入口端部を有し、第３の分配口排出口端部を有する複数の第３の分配口において、第２の流体分配構造が第２の供給チャネルと流体で連通し、第３の流体分配構造が第３の供給チャネルと流体で連通し、前記混合層上部面が分配層下部面上に密閉して配置されて取入口及び排出口を有する集束チェンバを形成し、前記集束チェンバの取入口が繰り返しの配列で配置された第２及び第３の分配口排出口端部と流体で連通し、そして、前記集束チェンバの排出口が第２の供給チャネル取入端部と流体で連通している複数の第３の分配口；を形成することを特徴とする請求項２〜９のいずれか１項記載の機器。
【請求項１５】
少なくとも２つの流体ストリームを混合するためのプロセスにおいて、前記プロセスが：
第１の流体ストリームを第１の供給チャネルを通って流し、前記第１の流体ストリームを略半径方向へ混合チェンバ内に注入するステップ；
第２の流体ストリームを第２の供給チャネルを通って流し、前記第２の流体ストリームを略接線方向へ混合チェンバ内に注入して渦をつくるステップ；そして、
混合された第１及び第２の流体のストリームを渦の中央部から回収するステップで構成されるプロセス。
【請求項１６】
前記プロセスにおいて、第１の流体の運動エネルギーに対する第２の流体の運動エネルギーの比率が少なくとも0.5であり、混合チェンバ内に流体渦を生じることを特徴とする請求項１５記載のプロセス。
【請求項１７】
前記プロセスにおいて、混合チェンバが略円筒形であることを特徴とする請求項１５又は１６記載のプロセス。
【請求項１８】
前記プロセスにおいて、複数の流体ストリームを複数の供給チャネルを通って流すステップと、前記流体ストリームを接線方向及び半径方向へ交互に混合チェンバ内に注入するステップでさらに構成される請求項１５〜１７のいずれか１項記載のプロセス。
【請求項１９】
前記プロセスにおいて、前記第１及び第２の流体ストリームを供給チャネルを通って混合チェンバの方向へ加速するステップでさらに構成される請求項１５〜１８のいずれか１項記載のプロセス。
【請求項２０】
前記プロセスにおいて、
前記第２の供給チャネルを複数の第２の分配ストリームの中に分配するステップ；
第３の流体ストリームを複数の第３の流体分配ストリームの中に分配するステップ；そして、
混合チェンバへの注入の前に、前記第２及び第３の分配ストリームを繰り返しの配列で第２の供給チャネルに配置するステップでさらに構成される請求項１５〜１９のいずれか１項記載のプロセス。
【請求項２１】
前記プロセスにおいて、前記第１の流体ストリームが気体であり、そして、前記第２の流体ストリームが液体であることを特徴とする請求項１５〜２０のいずれか１項記載のプロセス。
【請求項２２】
前記プロセスにおいて、前記流体の混合物を反応チェンバ内で反応させるステップでさらに構成される請求項１５〜２１のいずれか１項記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも２つの流体を混合及び反応させるための新規な機器に関するものである。本装置は混合チェンバ、流体を接線方向及び半径方向の両方へそのチェンバ内に供給するための少なくとも２つの導管、及び混合された流体ストリームを排出するための混合チェンバ排出口で構成される。反応ゾーンはその混合チェンバの内部またはそれから離れたところに設けられる。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも２つの流体を混合するとき、その目的は、均一な分布を可能な限り迅速に達成することである。W. Ehrfeld, V. Hessel, H. Lowe in Microreactors, New Technology for Modern Chemistry, Wiley-VCH 2000, p. 41-85によって記述された静的混合器を用いることが有益である。周知の静的混合器は、マイクロメータの範囲の厚みの交互に隣接する流体層を生成することによって流体に対して数ミリ秒から１秒の間の混合時間を達成する。気体に対して拡散定数がより高いと、混合はさらにより高速になる。動的混合器とは対照的に、乱流条件が優勢な場合、静的混合器の予め定められた幾何学的構成が流体層の幅及び拡散経路の正確な決定を可能にする。その結果、きわめて近接した分布の混合回数が達成される。このことは、選択性、収率、そして安全性にも関する化学反応の最適化のために数多くの可能性を与える。
【０００３】
静的混合器の別な利点は構成要素のサイズの縮小であり、熱交換器及び反応器のような隣接する機器との組み込みが非常に容易になる。限られた空間の中で２つ以上の構成要素の間で強制的に相互作用させることにより、プロセスの最適化を高めることもできる。静的混合器は液体／液体、及び、気体／気体の混合物だけでなく、液体／液体の乳濁液、及び、液体／気体の分散物の形成にも適用される。静的混合器は多相及び相間移動反応にも用いられている。 
【０００４】
多積層または流体積層の原理を用いる静的混合器の操作は、１つの平面で、25−40ミクロン幅の混ざり合ったチャネルの構造を有する（同上、pp. 64-73）。そのチャネルは混合される２つの流体を、平行に、そして交互に反対方向に流れるようにされた、多数の別々の流体ストリームに分ける。隣接する流体ストリームは、水平面から垂直に上方に溝を通って取り除かれ、互いに接触させられる。しかし、量産に好適な構築方法を用いると、チャネルの幾何学的構成、及びその結果として、流体層の幅は１ミクロン未満の範囲で限られた程度にしか縮小されない。
【０００５】
多積層の原理を用いる流体層サイズを縮小する別の方法は、いわゆる幾何学的集束によって達成される。有害物質を反応させるためのこの原理を用いる静的混合器は、T. M. Floyd et al. in Microreaction technology; industrial prospects; proceedings of the Third International Conference on Microreaction Technology/IMRET3, W. Ehrfeld, Springer 2000, pp. 171-179によって記述されている。混合される２つの流体に対して交互に隣接するチャネルが半円内で外部へ、外側から半径方向に漏斗型に伸び、細くて長いチャネルに合体するチェンバ内に開放する。層状の流体ストリームはそのチェンバ内で混ぜ合わされ、その後、細いチャネルに運ばれるので、個々の流体層の幅は縮小される。これらの層流条件下で、混合は純粋に拡散的である。従って、ミリ秒の範囲の混合回数は流体層の幅を１ミクロン未満の範囲に縮小することによって達成される。この構成の欠点は、細いチャネルが完全で緻密な混合を達成するため十分に長くなければならないことである。このことは大きな構造を必要とし、比較的高い圧力損失を助長する。
【０００６】
これらの開示と対照的に、本発明による装置は、少なくとも２つの流体を高速かつ均一に混合し、同時に圧力低下特性を低く保ち、設計が経済的であるという周知の問題の解決法を提供する。提供される効果的な混合は化学反応と組み合わせて用いられる。反応の前に、供給成分は、顕著な圧力損失なしに完全な混合を促進する渦または混合チェンバを用いて混合される。特に興味深いのは、反応物がきわめて良好に分散すると、拡散の限界を克服することができる反応である。本発明は広範囲の適用に用いることができるが、反応と組み合わされた小規模またはマイクロ混合の操作に特に好適である。
【発明の開示】
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、少なくとも２つの流体を混合し、反応させるための混合器／反応器機器、そして、大きな圧力低下及び不十分な分散という限界を克服する混合の方法に関するものである。混合は個々の流体のストリームを接線方向及び半径方向の両方へ混合チェンバの近傍に注入することによって達成され、全体として螺旋状の流路を供給する。本発明は広範囲の適用に用いることができるが、反応を伴う小規模またはマイクロ混合に特に好適である。本発明は反応と組み合わされてもよい。
【０００８】
第１の実施の形態で、本発明は第１の流体ストリームと第２の流体ストリームを混合するための機器である。その機器は、第１の流体ストリームを取り入れるための第１の供給導管取入端部を有し、その第１の供給導管取入端部の反対側に第１の供給導管排出端部を有する第１の供給導管で構成される。その機器はさらに、第２の流体ストリームを取り入れるための第２の供給導管取入端部を有し、その第２の供給導管取入端部の反対側に第２の供給導管排出端部を有する第２の供給導管で構成される。その機器はさらに、第１及び第２の供給導管排出端部において第１及び第２の供給導管と流体で連通する混合チェンバで構成される。第１及び第２の供給導管排出端部のうち一方は略接線方向へその混合チェンバ内に通じ、第１及び第２の供給導管排出端部のうち他方は略半径方向へその混合チェンバ内に通じる。その機器はさらに、生成物ストリームを排出するための混合チェンバの中央部と流体で連通する混合チェンバ排出口で構成される。
【０００９】
別の実施の形態で、本発明は第１の流体ストリームと第２の流体ストリームを混合し、反応させるための機器である。その機器は、第１の流体ストリームを取り入れるための第１の供給導管取入端部を有し、その第１の供給導管取入端部の反対側に第１の供給導管排出端部を有する第１の供給導管で構成される。その機器はさらに、第２の流体ストリームを取り入れるための第２の供給導管取入端部を有し、その第２の供給導管取入端部の反対側に第２の供給導管排出端部を有する第２の供給導管で構成される。その機器はさらに、触媒をその内部に配置されて有する混合チェンバで構成される。その混合チェンバは、第１及び第２の供給導管排出端部において第１及び第２の供給導管と流体で連通している。第１及び第２の供給導管排出端部のうち一方は略接線方向へその混合チェンバ内に通じ、第１及び第２の供給導管排出端部のうち他方は略半径方向へその混合チェンバ内に通じる。その機器はさらに、生成物ストリームを排出するための混合チェンバの中央部と流体で連通する混合チェンバ排出口で構成される。
【００１０】
別の実施の形態で、本発明は第１の流体ストリームと第２の流体ストリームを混合し、反応させるための機器である。その機器は、第１の流体ストリームを取り入れるための第１の供給導管取入端部を有し、その第１の供給導管取入端部の反対側に第１の供給導管排出端部を有する第１の供給導管で構成される。その機器はさらに、第２の流体ストリームを取り入れるための第２の供給導管取入端部を有し、その第２の供給導管取入端部の反対側に第２の供給導管排出端部を有する第２の供給導管で構成される。その機器はさらに、第１及び第２の供給導管排出端部において第１及び第２の供給導管と流体で連通する混合チェンバで構成される。第１及び第２の供給導管排出端部のうち一方は略接線方向へその混合チェンバ内に通じ、第１及び第２の供給導管排出端部のうち他方は略半径方向へその混合チェンバ内に通じる。その機器はさらに、第１及び第２の流体の混合されたストリームを排出するための混合チェンバの中央部と流体で連通する混合チェンバ排出口で構成される。その機器はさらに、取入口と排出口を有し、触媒保持スペースを形成する反応器で構成され、その反応器取入口は混合チェンバ排出口と流体で連通している。
【００１１】
別の実施の形態で、本発明は第１の流体ストリームと第２の流体ストリームを混合し、反応させるための機器である。その機器は、第１の流体ストリームを取り入れるための第１の供給導管取入端部を有し、その第１の供給導管取入端部の反対側に第１の供給導管排出端部を有する第１の供給導管で構成される。その機器はさらに、第２の流体ストリームを取り入れるための第２の供給導管取入端部を有し、その第２の供給導管取入端部の反対側に第２の供給導管排出端部を有する第２の供給導管で構成される。その機器はさらに、第１及び第２の供給導管排出端部において第１及び第２の供給導管と流体で連通する混合チェンバで構成され、第１及び第２の供給導管排出端部のうち一方は略接線方向へその混合チェンバ内に通じ、第１及び第２の供給導管排出端部のうち他方は略半径方向へその混合チェンバ内に通じる。その機器はさらに、第１及び第２の流体の混合されたストリームを混合チェンバから排出するための混合チェンバ排出口で構成され、その混合チェンバ排出口は混合チェンバの中央部と流体で連通している。その機器はさらに、取入口と排出口を有し、触媒保持スペースを形成する反応器で構成され、その反応器取入口は混合チェンバ排出口と流体で連通している。
【００１２】
別の実施の形態で、本発明は、少なくとも２つの流体を混合するための層状組立物である。その組立物は、外側及び内側の面を有し、第１及び第２の流体をその組立物内に取り入れるための第１及び第２の供給チャネルを形成する略平面のカバー層で構成される。その第１及び第２の供給チャネルは、外表面から内表面へ伸び、第１及び第２の取入口を形成する。その組立物はさらに、上側及び下側の面を有する略平面の混合層で構成され、その混合層の上側の面はカバー層の内側の面上に密閉して配置され、第１の供給チャネルと流体で連通する第１の供給チャネル取入端部、及びその第１の供給チャネル取入端部の反対側に第１の供給チャネル排出端部を有する第１の供給チャネルを形成する。カバー層及び混合層はさらに、第２の供給チャネルと流体で連通する第２の供給チャネル取入端部、及びその第２の供給チャネル取入端部の反対側に第２の供給チャネル排出端部を有する第２の供給チャネルを形成する。カバー層及び混合層はさらに、第１及び第２の供給チャネル排出端部と流体で連通する混合チェンバを形成し、第１及び第２の供給チャネル排出端部のうち一方は略接線方向へその混合チェンバ内に通じ、第１及び第２の供給チャネル排出端部のうち他方は略半径方向へその混合チェンバ内に通じる。カバー層及び混合層はさらに、第１及び第２の流体の混合されたストリームを混合チェンバから排出するための混合チェンバと流体で連通する混合チェンバ排出口チャネルを形成する。
【００１３】
別の実施の形態で、本発明は、少なくとも２つの流体のための層状組立物である。その組立物は、外側及び内側の面を有し、第１及び第２の流体をその組立物内に取り入れるための第１及び第２の供給チャネルを形成する略平面のカバー層で構成され、その第１及び第２の供給チャネルは、外表面から内表面へ伸び、第１及び第２の取入口を形成する。その層状組立物はさらに、上側及び下側の面を有する略平面の混合層で構成され、その混合層の上側の面はカバー層の内側の面上に密閉して配置され、第１の供給チャネルと流体で連通する第１の供給チャネル端部、及びその第１の供給チャネル取入端部の反対側に第１の供給チャネル排出端部を有する第１の供給チャネルを形成する。カバー層及び混合層は密閉して接続され、第２の供給チャネルと流体で連通する第２の供給チャネル取入端部、及びその第２の供給チャネル取入端部の反対側に第２の供給チャネル排出端部を有する第２の供給チャネルをさらに形成する。カバー層及び混合層は密閉して接続され、触媒をその内部に配置されて有する混合チェンバをさらに形成する。混合チェンバは第１及び第２の供給チャネル排出端部と流体で連通し、第１及び第２の供給チャネル排出端部のうち一方は略接線方向へその混合チェンバ内に通じ、第１及び第２の供給チャネル排出端部のうち他方は略半径方向へその混合チェンバ内に通じる。混合チェンバ排出口チャネルは、生成物ストリームを混合チェンバから排出するための混合チェンバと流体で連通している。
【００１４】
さらに別の実施の形態で、本発明は少なくとも２つの流体を混合し、オプションとして反応させるためのプロセスである。そのプロセスは、第１の流体ストリームを第１の供給チャネルを通って流すステップと、その第１の流体ストリームを半径方向へ混合チェンバ内に注入するステップで構成される。そのプロセスはさらに、第２の流体ストリームを第２の供給チャネルを通って流すステップと、その第２の流体ストリームを接線方向へ混合チェンバ内に注入して渦をつくりだすステップと、そして、混合された第１及び第２の流体を渦の中央部から回収するステップで構成される。そのプロセスはさらに、オプションとして、その混合された流体を反応チェンバ内で反応させるステップで構成される。
【００１５】
これら及びその他の実施の形態及び目的は、本発明が詳細に説明された後、より明確になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（発明の詳細な説明）
上述したように、本発明は、２つ以上の流体を混合し、反応させるための改良された機器に関するものである。流体は、広い範囲でいずれの気体または液体物質、あるいは物質の混合物でもよい。流体は固形成分をその中に溶解または分散させて有してもよく、溶解された固形及びスラリーの溶液、例えば、固形触媒粒子を含んでいる液体反応物のスラリーも本発明に適用できる。気体／液体混合物、粒子が混入された気体、及び三相スラリーなど複数の相を含んでいるその他の流体も適切である。反応の前に行われる混合は、本発明によれば、溶解、乳化、及び分散の周知の操作も含んでいる。従って、その結果生じる混合物は、溶液、液体／液体乳濁液、及び気体／液体と固体／液体分散物を含んでいる。本発明による混合器／反応器機器及び方法は、気体／液体分散物の形成に好適に適用され、その場合、混合チェンバ内に導入される少なくとも１つの流体は、気体または気体混合物を含んでおり、導入される少なくとも１つの別な流体は、液体、液体混合物、溶液、分散物、または乳濁液を含んでいる。
【００１７】
本発明による混合器／反応器は化学反応、特に限定された拡散として特徴づけられる化学反応を行うために用いられる。以下に詳細に述べられるとおり、反応物ストリームは混合チェンバに別々に導入されてもよく、またはこのチェンバに通じる供給導管内で予混されてもよい。最適な選択はその反応の固有の性質による。例えば、長い滞留時間を必要とする反応は、予混を用いると最もよく達成されるが、触媒がないときに非選択性副生成物が形成される反応は、混合チェンバの上流の反応物の間の接触を避けることによって最もよく行われる。例えば、温度または圧力センサー、流量計、発熱素子、あるいは熱交換器のような化学反応を制御するための装置を、混合器／反応器機器と一体化することができる。その機器の１つの実施の形態で、後に述べられるが、その機器が密閉して接続された層の組立物で構成されるとき、これらの装置は混合チェンバの上部または下部の層に配置されてもよく、または機能上混合チェンバに接続されてもよい。述べられたように、不均一に触媒作用を及ぼされる化学反応を行うために、混合器／反応器機器は追加的に触媒物質を含んでいてもよい。
【００１８】
流体の入念な混合が望まれる化学反応など特定の適用に応じて、種々のその他の流体を混合チェンバに導入することが有用であろう。そうした補助的な流体には、例えば、化学安定剤、乳化剤、防蝕剤、反応促進剤、重合連鎖停止剤などがある。固体または液体の触媒であっても混合チェンバに導入して望まれる反応を行うことができる。当然のことながら、混合され、反応させられる流体は既に混和用補助物質を含んでいてもよい。混合チェンバ内で形成された混合物は、反応が混合チェンバ内で、その混合チェンバ内に触媒を配置することによって起きるか否かに関わらず、混合チェンバと、好ましくはその中央部で流体によって連通している混合チェンバ排出口を通って取り出される。
【００１９】
反応の前に少なくとも２つの流体を混合するための本発明による混合器／反応器は、混合チェンバ、及び、流体をチェンバ内に注入するための、そのチェンバ周辺部に配置される少なくとも２つの供給導管を含んでいる。その供給導管は、定められた流速で導入される特定の流体が同心円状に内向きに流れる流体螺旋を形成するように混合チェンバ内に開放している。この渦の形成は混合チェンバ内の流体滞留時間をかなり延長し、それによって混合特性を向上させる。望まれる螺旋形で内向きの流動性流路の確立は、主として混合チェンバへの流体導入の角度及び流体の運動エネルギーの両方の作用である。半径方向に導入された流体、または円筒形の混合チェンバの場合、その中央部に向かって直接導入される流体は、接線方向に十分な運動エネルギーを持つ別の流体によって作用されない限り、螺旋形の流路を想定しない。本発明は、混合される第１及び第２の流体を接線方向及び半径方向の両方に導入することによって特に優れた混合を達成する。接線方向の流体運動エネルギー成分は半径方向に流れる成分を曲げるために適当であり、接線方向の流体運動エネルギー成分は、効果的な混合を可能にするため十分な数の巻きを有する、全体として螺旋形フロー・パターンを想定することが望ましい。１つの流体は接線方向に導入され、もう１つの流体は半径方向に導入されることから、接線方向の流体運動エネルギーが半径方向の流体運動エネルギーに対する比率は0.5より大きく、望まれる螺旋形で内向きのフロー・パターンを提供することが好ましい。
【００２０】
望まれる螺旋形フロー・パターンを形成するために適切な条件が確立されるとき、螺旋の最も外側の巻きに沿ったその流体の流れのみが、混合チェンバの側方内面に接触する。混合チェンバの形状及び直径にもよるが、この流体は摩擦損失による混合チェンバ内の圧力低下のかなりの部分の原因となる。内側の巻きで構成される流体は、対照的に、回転する流体のみと両側で接触する。この流体は同じ方向に流れる前後の巻きで構成される。これらの理由のために、本発明による混合器／反応器でもたらされる圧力損失は、多積層だけを用いて、対応する長い混合経路を有する静的混合器で見込まれる圧力損失よりも低い。この場合、流体は反対方向に交互の層として流れる。従って、直線状または湾曲した経路に沿って流れる隣接した流体ストリームの間の摩擦効果はより大きい。反応の前に流体を混合するための本発明による機器を用いることに関連する利点は、従って、低い圧力損失、そして、反応前に小さな構造体の内部で拡散混合のために利用できる接触面積が大きく、滞留時間が長いことの両方に関して実現される。触媒をその内部に含んで有する超小型混合器の形状をとるコンパクトな設計は組み立てに好都合であるが、本発明は中規模、あるいはより大きな規模の運用であっても排除するものではない。
【００２１】
本発明に関連する別の利点は、流体螺旋または渦の１つの巻きとその前後の巻きの間の接触であり、反応物の拡散混合に寄与する。好ましくは、層流条件が混合チェンバ内部の円形流体運動から広がる。しかし、局部的な乱流条件が、流体螺旋または渦の全体として内向きの流れから生じることも可能である。
【００２２】
内向きの螺旋形流路を形成するため、供給導管のうち少なくとも1つは鋭角または接線方向に混合チェンバ内に開放するように配置される。さらに、その流体は、混合器／反応器に入る大量の成分として、または、１つ以上の供給チャネルに入る前にある程度予混された流体境界層として導入されてもよい。一般に、接線方向に向けられた流体は、渦の平面に関して垂直に伸びる多数の巻きを有する、望まれる流体渦を形成するために、混合チェンバに入るとき層流条件を維持する。
【００２３】
供給導管は、一般的な混合チェンバの周囲の１つの平面に開放するように配置される。用いられる供給導管の数に関わらず、最低２本は必要であるが、供給導管は好ましくは混合チェンバの周囲に対称的に配置される。これらの供給導管は同じ反応物流体を供給するために用いられることが可能であり、例えば、反応物Ａは供給導管１及び３のそれぞれに別個に供給され、反応物Ｂは供給導管２及び４に供給されてもよい。あるいは、各導管が異なる流体を供給することができ、例えば、供給導管１、２、３、及び４が流体Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤをそれぞれ供給することができる。さらに、供給チャネルは混合チェンバの周囲の複数の平面に配置されてもよい。同一または異なる流体が任意の平面に配置された供給チャネルで混合チェンバ内に導入されることも可能である。従って、流体を一般的な型の混合チェンバ、例えば、水平面に円形断面を有する混合チェンバに供給チャネルを通じて種々の軸方向の高さで混合チェンバの近傍に導入することができる。そうした設計は、混合チェンバ内でのより長い滞留時間に対応して、さらに長い流体螺旋を得ることができるであろう。
【００２４】
混合チェンバは好ましくは形状が略円筒形であり、従って、好ましくは略円形断面を有する。断面は円形であるが、円の直径が軸方向の高さによって減少または増加し、その混合チェンバの形状が実際には円筒形というより円錐形であることも可能である。混合チェンバの断面は好適に略水平面に固定され、その略水平面から混合チェンバ排出口が略垂直または全体的に垂直方向に通じる。当然のことながら、混合チェンバは別の切断面の形状、特に楕円または長円など曲線的な形状を有してもよい。たとえ三角形やその他の多角形であっても、その頂点で標準的に形成された角が曲線的であれば、許容可能である。曲線的または湾曲した形状は、角や端部が存在すると問題を引き起こす可能性のある『死んでいる』領域（即ち、定流がない領域）を回避する。円筒形の混合チェンバを用いる好ましい場合、供給導管の高さは、少なくとも供給導管が混合チェンバ内に開放する領域において混合チェンバの高さ以下であることが好ましい。
【００２５】
１つの望ましい設計において、複数の供給チャネルが混合チェンバ内に接線方向及び半径方向へ交互に開放している。本機器のこの特定の実施の形態は、反応させる気体／液体分散物を提供するため特に有用である。ここで、液体ストリームのための供給チャネルは、気体ストリームのための供給チャネルよりも鋭角で混合チェンバ内に開放することが最適である。その結果、気体ストリームは、渦を巻く液体によって個別の気泡に分かれる。特に好ましくは、液体用の供給チャネルは混合チェンバ内に接線方向に開放し、気体用の供給チャネルは混合チェンバ内に半径方向に開放する。この配置は、小さく、接近して分布する気泡のサイズを有する気体／液体分散物の形成を促し、その結果、反応の前に実質的に均一な混合物を提供する。
【００２６】
本混合器／反応器機器は、下流での適用のための混合された流体ストリームを供給する混合チェンバ排出口で構成される。その混合チェンバ排出口は、混合チェンバの中央部に、好ましくはその中心点で連通し、混合された流体をそこから回収する。例えば、混合チェンバが円筒形で、従って、円形断面を有するならば、混合チェンバ排出口は混合された流体をその中央部から取り出す。１つの好ましい実施の形態で、混合チェンバは水平に向けられた略円形断面を有し、混合チェンバ排出口はそこから、上方または下方のいずれかへ、略垂直に通じている。混合チェンバの断面積及び混合チェンバ内に開放している供給チャネルの断面積の両方と比較した混合チェンバ排出口の断面積は、特定の流体及びその特性を考慮して設定され、多数の巻きを有する望ましい内向きに流れる流体渦の形成を可能にする。好ましくは、混合チェンバ排出口は、管や筒の場合そうであるように、円形断面を有し、混合チェンバと混合チェンバ排出口の直径の比率は５より大きい。
【００２７】
十分に混合された反応物の反応を行うために用いられる触媒が混合チェンバ内に配置されないか、または流体ストリームとして導入される場合、別な反応器が混合チェンバの下流に必要とされる。この場合、その反応器は通常触媒保持スペース内に触媒を含んでいる。その触媒を、例えば、液体反応物スラリー内に分散された固体として、連続的に反応器内に導入することも可能である。
【００２８】
反応器から出ていく反応生成物を分離することがさらに望まれるならば、反応器の下流に分離器を組み込むことも可能である。この場合の分離器は反応生成物のための取入口、そして、上部及び底部ストリームのそれぞれのために少なくとも２つの排出口を有する。相対揮発度及び／又は、反応物供給、反応生成物、及び副産物などその他の特性に応じて、底部または上部生成物のいずれかを混合チェンバに戻して再利用することも望まれる。再利用ストリームは、接線方向及び半径方向に向けられた供給導管のいずれかを通じて混合チェンバ内に導入される。あるいは、再利用ストリームを混合チェンバに導入する前に、下に述べられる方式で、再利用ストリームを反応物ストリームのひとつと予混することも可能である。別の可能性は、分離された流体、またはその一部分を触媒床の上流で直接混合チェンバへ再利用することである。当然のことながら、分離器は、フラッシュ分離、蒸留、膜分離、抽出、結晶化、その他本技術分野で周知の分離技術をいくつでも用いることができる。
【００２９】
別の実施の形態で、１つ以上の追加的な流体は、別の供給導管、または、追加的な流体が混合される流体のひとつと予混される供給導管のいずれかを通じて混合チェンバ内に入る。そのような追加的な流体は、例えば、乳化剤など混合物を安定させる補助的な物質を含んでいてもよい。さらに供給チャネルがそうした物質を供給するために用いられるならば、供給チャネルは混合チェンバに接線方向に好適に開放し、それぞれの場合に、流体螺旋の隣接する巻きの間に付加的な流体の１つのストリームがあることになる。あるいは、さらに供給チャネルが、少なくとも１つの流体を混合チェンバ内に含んでいる流体渦に気体成分を供給するために用いられるならば、気体用のこれらの供給チャネルは、半径方向、または、接線方向及び半径方向の中間の角度で混合チェンバに好適に開放する。その結果、供給される気体は流体螺旋によって小さな気泡に分かれ、きれいに分散する。
【００３０】
前述したように、供給導管の少なくとも１つが混合チェンバ内に流体の略接線方向への注入を供給し、供給導管の少なくとも１つが略半径方向への注入を供給するとき、驚くべき良好な混合特性が得られる。混合チェンバ内に螺旋または渦の形成を行うのは接線方向の流体の運動であり、それが半径方向に流れる流体を切離またはきれいに分離する。半径方向の流れとは、混合チェンバの形状が円形、長円形、または楕円形であれ、その混合チェンバの中心に向けられた流体の流れを意味する。接線方向の流れとは、この半径方向の流れに直角に向けられ、通常混合チェンバの表面、またはその近傍の流れを意味する。略接線方向または半径方向の流れとは、流れが厳密に接線方向または半径方向ではないが、これらの方向から30°以内のときにも本発明による優れた混合特性が得られることを意味する。
【００３１】
１つの好ましい実施の形態で、混合器／反応器機器は、交互に略接線方向及び略半径方向へ混合チェンバ内に通じる、単に２本ではない、複数の供給導管で構成される。『交互に』という用語は、Ｔで表される半径方向に向けられた供給導管と、Ｒで表される半径方向に向けられた供給導管が、少なくとも１つの平面で混合チェンバの円周の周辺でＴＲＴＲの順に位置することを意味する。供給チャネルも１つ以上の平面に交互に位置することができ、例えば、概ね混合チェンバの円周及び長さの二次元のチェス盤のように戴置される。位置を変えることによって、そこから流体が混合チェンバ内に導入される水平及び垂直な平面の両方で、複数の螺旋形流路が形成され、同心円状に内側へ流れる。従って、例えば、二重または三重螺旋の型がもたらされる。これらの流体螺旋は１つの平面及び１つの中心部の周囲に共に位置し、それぞれの巻きは互いに隣接して位置することになる。
【００３２】
さらに、供給導管は交互に接線方向及び半径方向へ混合チェンバの近傍に配置されるだけでなく、好ましくは、混合される第１及び第２の流体に関して交互の流体で連通している。気体ストリームを液体ストリームと混合する場合、それは、例えば、化学反応を起こさせるために望まれるが、気体及び液体ストリームがそれぞれ接線方向及び半径方向へ混合チェンバ内に注入されるとき、混合に関して非常に優れた結果が得られている。特定のいかなる機序または理論に固執するものではないが、接線方向に向けられた流体は、混合チェンバ内に入るときに半径方向に流れる気体ストリームを細かい気泡に変えると考えられる。前に述べられたように、接線方向に導入された流体の運動エネルギーは半径方向に導入された流体の運動エネルギーの少なくとも0.5倍であることが望ましい。これは、内向きに流れる螺旋または渦の全体としての形成を確実にし、効果的な混合に十分な滞留時間を提供する。
【００３３】
供給導管全体がこれらの方向に向けられる必要はなく、混合チェンバと、隣接する流体で連通し、混合チェンバへの流体の方向に影響を与える一部の供給導管のみに必要であることに注目するのは重要である。この理由のため、供給導管をそれぞれ取入端部及び排出端部を有するものとして述べることが適切である。取入端部は混合される流体、または供給物と流体で連通し、排出端部は混合チェンバと流体で連通して流体の流れを混合チェンバに向ける役割を果たしている。１つの可能な設計で、供給チャネルはその全長にわたってその取入端部からその排出端部まで略同一の断面である。供給導管の取入端部から排出端部まで方向のかなりの変化が確実に可能であり、混合チェンバの近傍に複数の導管のためのスペースが限られているときにはその方が望まれる。あるいは、混合を改善するためにしばしば望まれる、混合チェンバ内への流体の加速は、取入端部から排出端部の方向に供給導管を狭めることによって好都合に達成される。この方式で狭められる供給導管のための特定の設計の選択肢として、漏斗、しずく、または三角の形状を有する供給導管などがある。
【００３４】
別の好ましい実施の形態で、第１及び第２の流体を、混合チェンバへのそれらの注入の前に混合することができる（予混）。この場合、本機器は供給チャネル内でのそのような混合を行うために必要な要素でさらに構成される。この予混を行うために用いられる供給チャネルのため、供給チャネルは、過剰な圧力低下を促進しない限り良好な予混を提供するに十分な長さであるべきである。１つの特定の方法は、分配マニホルドの利用を伴い、供給チャネル内で予混されたストリームは先ず、分配導管を通って流れる複数のより小さなストリームの中で分離される。供給物または出発流体のこれらのより小さなストリームは、その後種々の点で、好ましくは、繰り返しの、または、交互嵌合される配列の配置で、供給導管取入口へ向けられることが可能である。『繰り返しの配列』とは、２つの流体Ａ、Ｂの場合、流体ストリームが互いに隣り合って、反復するパターンで少なくとも１つの平面に位置することを意味する。例えば、ＡＢＡＢという交互の順序は繰り返しの配列である。当然のことながら、その他の繰り返しの配列も可能であり、例えば、ＡＡＢＡＡＢである。さらに、同じ原理が、２つ以上の流体ストリームを予混するために用いられてもよい。例えば、３つの流体、Ａ、Ｂ、Ｃが供給チャネル内で混合される場合、『繰り返しの配列』という用語は、ＡＢＣＡＢＣまたはＡＢＡＣＡＢＡＣのような個々の流体境界層の多くの可能な順序も含むことができよう。流体層またはそれらで形成される分配導管も複数の平面で繰り返しの配列で位置してよい。例えば、それらは二次元のチェス盤のように戴置される。異なる流体に関係する流体ストリーム及び導管は、好ましくは互いに平行に、同方向に配置される。
【００３５】
混合チェンバへの導入の前に２つ以上のストリームを混合するため上に述べられた予混の操作を用いるとき、予混される流体は複数のより小さな分配ストリームに分けられ、その後、供給導管に供給される前に繰り返しの配列で交互に積層または配置される。供給導管は通常、供給導管に供給する個々の分配ストリームの断面積の合計よりもはるかに小さな断面積を有するので、予混されたストリームは、混合チェンバに導入される前に『集束化』されたとみなされる。この集束は、分離されたストリームの流速を増し、それらの層の厚みを減少させ、混合チェンバ内で可能な限り多くの巻きを有する内向きに流れる螺旋の形成を促す。
【００３６】
好ましくは、分配導管の断面積の合計がその取入端部で合体する供給導管の断面積に対する比率は1.5〜500である。２つ以上の流体がこのように予混されるとき、配置された流体ストリームを取り入れ、それらを単一の導管（すなわち、供給導管）に排出するために用いられるマニホルドは、供給導管とそこで接続する湾曲した表面を有することが望ましい。予混を用いる場合、最小限の圧力低下で最適な混合特性を提供するため、供給導管全体に関して、長さ対幅の比率は、一定の断面の幾何学的構成を仮定して、１〜30であることが望ましい。供給導管の断面積が変化する場合、例えば、供給導管が混合チェンバの近傍で狭まっているとき、この比率は、混合チェンバに流体で連通する供給導管排出口の幅に関連付けた範囲で適用される。
【００３７】
前に述べられたように、同心円状に内向きに流れる流体螺旋が形成され、その結果生じる混合物がその流体渦の中心部から取り出される。予混が用いられる１つの特定の好ましい実施の形態において、３つの流体が、反応の前に、本発明による混合器／反応器機器を用いて混合され、第２及び第３の流体は第２の供給導管の上流で予混される。この実施の形態において、その機器は、それぞれ第２及び第３の流体を分離する複数の第２の分配導管及び複数の第３の分配導管で構成される。上に説明されたように、マニホルドが用いられ、混合チェンバへの注入の前に、第２及び第３の流体ストリームの個々の境界層を第２の供給導管のきわめて近傍に押しやるために繰り返しの配列に配置された第２及び第３の流体分配導管を取り入れることができる。第１の流体は、第１の供給導管を通って混合されることなく、混合チェンバ内に供給されることが可能である。この特定の実施の形態は、第２及び第３の流体が液体で、接線方向へ混合チェンバに注入され、第１の流体が気体で、半径方向へ混合チェンバに注入されるとき、特に有利である。
【００３８】
上に述べられて広範に明らかにされた本機器による良好な混合特性を達成する１つの特定の型の混合器／反応器は、互いに密閉して連結されるか、または、流体密封された少なくとも２つの略平面的な層で構成される。そのような機器において、導管、混合チェンバ、及びその他の流体を導く構造物は、隣接する層の間に確立される密閉接続によって形成される。例えば、その層は、プレートに印加されるか、あるいは完全に切り離された凹部または開口部を有するプレートとして形成されてもよい。流体密封の配置で互いに連結されているとき、隣接するプレートはこれらの凹部及び開口部を取り囲み、圧力下で流体ストリームを封じ込めることができるチャネルなどの構造物を形成する。例えば混合チェンバなど一部の構造物は、プレートの厚み及び混合チェンバの高さに応じて、２枚以上のプレートの間の密閉接続によって完全に形成されてもよい。混合チェンバが単一のプレートの１つの側または面に単に印加され、完全に切り離されていないならば、混合チェンバ排出口構造も同じプレートに含まれ、混合チェンバから、その混合チェンバが印加されるプレートの反対側の面へ伸びる。混合チェンバが完全にプレートから切り離されているならば、その混合チェンバ排出口構造は密閉接続されて連結される少なくとも１枚のその他のプレートの使用が必要になろう。供給導管などいくつかの構造物は２枚以上のプレートを完全に通り抜けることができる。
【００３９】
任意の構成のために用いられる個別のプレートの枚数に関わらず、本発明の１つの実施の形態による混合器／反応器機器は、少なくとも２つの別個の層で構成され、それらの作用によって特徴づけられる。種々の略平面の層で生じる特定の作用には、供給成分の分配、チャネリング、及び混合などがある。プレートが本機器を形成するために用いられる特定の場合に、個々の層は１枚以上のプレートで構成されるか、または、ある種の特化した成形技術を用いて、恐らく１つ以上の作用または層が、単一のプレートの形状で存在する。
【００４０】
第１の層は、混合される外部の流体ストリームを混合器／反応器の内部構造に供給するために用いられる略平面のカバー層である。そのカバー層は、外側及び内側の面の両方を有し、第１及び第２の流体を組立物に取り入れるための第１及び第２の供給チャネルを形成する。これら第１及び第２の供給チャネルは、外表面から内表面へ伸び、第１及び第２の取入口を形成する。第２の層は、上側及び下側の面を有する略平面の混合層であり、その混合層の上側面は、カバー層内側面の上に密閉して配置される。層の間の流体密封接続は、第１の供給チャネルと流体で連通する第１の供給チャネル取入端部、及び第１の供給チャネル取入端部の反対側に第１の供給チャネル排出端部を有する第１の供給チャネルを形成する。カバー層と混合層の間の密閉された接続によって、第２の供給チャネルと流体で連通する第２の供給チャネル取入端部、及び第２の供給チャネル取入端部の反対側に第２の供給チャネル排出端部を有する第２の供給チャネルも形成される。さらにこの接続によって、第１及び第２の供給チャネル排出端部と流体で連通する混合チェンバが形成され、そこで第１または第２の供給チャネル排出端部の一方は略接線方向へ混合チェンバ内に通じ、第１及び第２の供給チャネル排出端部のうち他方は略半径方向へその混合チェンバ内に通じる。２つの層の間の接続は、混合チェンバから第１及び第２の流体の混合されたストリームを排出するための混合チェンバと流体で連通する混合チェンバ排出口も形成する。前に述べられたように、混合チェンバは触媒をその内部に配置して有し、望まれる化学反応を行う。触媒が混合チェンバに含まれていないならば、混合された供給成分が別の構造物内で反応させられる。
【００４１】
積層される構成において、構造物は２枚以上のプレートの接続から構成される。溝または止まり穴のような凹部は、１つの平面及びこの平面へ垂直に物質によって囲まれた典型的な構造である。流体供給チャネルのようなチャネルを形成する構造は、プレートを部分的または完全のいずれかで貫く深さに伸びる溝として形成されてもよい。溝または孔のような開口部はその物質を貫通する、すなわち、１つの平面で側面に沿ってのみ物質によって取り囲まれる。凹部及び開口部によって形成される開放構造は、密閉されて他の層で積層する結果として、供給チャネル、混合チェンバ、または供給物のような流体を導く構造を形成する。積層された組立物を外部に対して流体密閉式に閉鎖するカバー層及び／又は基層は、混合される流体及び／又は形成される混合物のための少なくとも１つの排出口に対して、開口部または凹部である供給チャネルを形成する。
【００４２】
積層された組立物が積層されたプレートで構成されるとき、そのプレートは混合される加工流体、及びつくられる反応生成物に関して十分不活性な物質からつくられるべきである。これはプレートの腐食、浸食、変形、亀裂、または伸縮、あるいは加工条件下に流体が暴露されて潜在的に生じるその他の有害な影響の回避に役立つ。好ましくは、本機器が構成されている不活性な物質は、重合体（例えば、ポリ塩化ビニル及びポリエチレンのようなプラスチック）、金属、合金、ガラス、石英、セラミックス、及び半導体物質で構成される群から選択される。同一または異なる物質が、混合及び／又は反応の異なる段階で望まれる特性に応じて、種々のプレートのために用いられる。オプションとして、少なくともカバー層、チャネル・プレート、分配プレート、及び混合器プレートは透明な物質、特にガラス、石英ガラス、または感光ガラスといった透明な物質から形成され、混合の操作の観察に好都合になる。小規模な操作での混合器／反応器の使用のため、プレートは、好ましくは10μｍ〜５ｍｍの範囲の厚みを有する。当然のことながら、より厚みのあるプレートが、混合チェンバの形成のためにより適切であろう。あるいは、２枚以上のプレートを混合チェンバまたは細長いチャネルを形成するために用いられてもよい。プレートを流体密封で互いに接続するために適切な方法には、例えば、加圧成形、溶接、密閉、接着、または陽極結合などがある。プレートを構築するために適切な方法には、例えば、レーザー・アブレーション、放電加工、射出成形、打抜き加工、または電着のような周知の精密機械技術及びマイクロメカニクス製造法などがある。高エネルギー放射及び電着、そして、もし必要であれば、成形を用いる構築のステップで少なくとも構成されるその他標準的な産業上の方法も適切である。
【００４３】
混合器／反応器が積層されたプレート配置として形成される本発明による特定の実施の形態において、導管の構造は一般にプレート内のチャネルとして形成される。供給チャネル及び混合チェンバの開放構造は混合器プレートとして機能する少なくとも１つのプレートによって形成される。これら開放構造は、混合器プレートに流体密封で接続されるカバー・プレートによって閉鎖され、そのカバー・プレートは混合器／反応器の上流で供給原料から混合される流体を取り入れるための供給チャネルを形成する。同様に、後に述べられる種々のその他のプレートによって形成される開放構造は、少なくとも１つの他の隣接するプレートと密閉接続でかみ合うとき、閉鎖される。混合された流体を排出するために、カバー・プレートがチャネル、すなわち、混合チェンバ排出口チャネルを形成することも可能であるが、必須ではない。あるいは、付加的なプレートが用いられるならば、カバー・プレートでなく、これらのプレートが供給チャネル及び／又は混合チェンバ排出口チャネルを形成することができる。そのプレート自体は一定の厚みまたは深さで製造されることが最も便利であるので、これらのプレートによって形成される供給チャネル及び／又は混合チェンバも同一の深さであれば、好都合である。
【００４４】
一般的な機器の説明で言及されたように、供給チャネルは同一の断面であるか、または混合チェンバへ通じる方向に狭まっていてもよい（すなわち、それぞれの取入端部からその排出端部へ）。供給チャネルが狭まっていても、または略一定の断面を保持していても、混合チェンバ内に開放する供給チャネルのそれぞれの点で計測した場合、供給チャネルの幅が、操作の間に形成される流体螺旋の面における混合チェンバの幅に対する比率は好適に１：10以下であることが好ましい。別に述べられたように、形状が略円筒形または、さもなければ略円形の断面を有する混合チェンバの場合、混合チェンバの直径が各供給チャネル排出端部の幅に対する比率は10よりも大きい。円錐形の混合チェンバの場合、この比率は混合チェンバの平均直径に適用される。
【００４５】
前に述べられたような本機器の一般的な記述及び作用に即して、混合器プレートは、それぞれが混合チェンバと交互に接線／半径方向に流体で連通する複数の供給チャネルの開放構造を形成してもよい。この特定の場合において、チャネリング・プレート及び分配プレートのような別のプレートの使用によって第１及び第２の流体を交互に供給チャネルに向けることができる。チャネリング・プレートは１つの面で混合器プレートに接続され、分配プレートによって形成される第１及び第２の流体分配構造とそれぞれが１つの端部において流体で連通する複数の第１及び第２の分配口の開放構造を形成する。分配プレートは混合器プレートに接続されていないチャネリング・プレートの面に接続され、第１及び第２の分配構造は、それぞれ第１及び第２の供給チャネルと流体で連通されている。流体分配構造と流体で連通されていない第１及び第２の分配口の端部は、その後それぞれ別々に混合器プレートの供給チャネルと流体で連通され、混合チェンバの近傍に第１及び第２の流体による空間的に交互の注入を提供する。
【００４６】
さらに、その他の種類の作用のためのチャネリング及び分配プレートを用いることも勿論可能である。例えば、上に述べられた広範に明らかにされた本機器によれば、２つの流体ストリームは、混合チェンバに導入される前に供給チャネルの上流で第３の供給物と予混されてもよい。この場合、予混される流体ストリームを第２及び第３の流体と称すると、チャネリング・プレートはそれぞれの流体分配構造と流体で連通する複数の第２及び第３の分配口の開放構造を形成する。分配口は供給される第２及び第３の流体のそれぞれのための一連の開口部を好適に形成し、各開口部は１つの供給チャネルに正確に割り当てられる。従って、ここで述べられた予混の場合、開口部は、第２及び第３の流体を通常の供給チャネルを通って混合チェンバへ供給するためにそれぞれ交互に用いられる。
【００４７】
加えて、混合器プレートは集束チェンバの開放構造をさらに形成し、第１及び第２の流体の交互に分離されたストリームを取り入れ、それらを単一の供給チャネルと合一する。多くの点で、集束チェンバは、本発明による一般的な機器に関して述べられたマニホルドの作用と類似する作用を果たす。第１の流体は、第１の流体のためのみに用いられる別の供給チャネルを通って混合チェンバに導入されるか、または他の２つの流体のいずれかと混合されることもできる。従って、上に述べられた実施の形態は、反応を行うために好ましい混合器／反応器機器を表すが、供給チャネル内での流体の予混の有無に関わらず、本発明によっていくつかの、または多数のストリームが混合し、反応させられる無数の変形が実際に存在する。さらに、プレートは、異なる種類の操作を促進するために種々の順序で配置することができる。例えば、混合の作用が複数の供給チャネルまたは供給ストリームの予混を組み込むとき、上に述べられたように、分配プレートを用いることが好ましい。この分配プレートは、カバー・プレートと混合器プレートの間、または混合器プレートの下部に位置することができる。また、流体を導く適切な構造を用いると、チャネリング・プレートは混合器プレートと分配プレートの間に位置する必要はない。むしろ、チャネリング・プレートはこれらのプレートの上部または下部に望みどおりに位置することができる。
【００４８】
次に本発明による要素について、化学反応を行うための混合器／反応器機器及びプロセスを参照しながら述べる。特定の適用及びプロセスの条件に応じ、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいて、本発明は、本明細書で述べられる要素及び特徴の組み合わせを任意の数採用することができる。次に本発明による特定の実施の形態を図面を参照しながら述べる。これらの実施の形態は本発明をさらに明らかにするためのものであって、従属請求項で述べられるような本発明の広範な範囲を不当に限定することを意味しない。２つ以上の図で示されるような本発明の類似の特徴には同一の番号が付されるが、ダッシュ記号（’）も用いられる。
【００４９】
図１は好ましい混合チェンバ14の平面図であり、混合チェンバ14はそれに接続される接線方向の供給導管10及び半径方向の供給導管12を有している。接線方向に向けられた供給導管10は適切な滞留時間及び混合を確立するために必要な流体へ渦巻状または螺旋状の運動を与える。接線方向に導入される流体の運動エネルギーは半径方向に導入される流体の運動エネルギーに対して十分に大きく、混合チェンバ14の中央部で混合チェンバ排出口（図示せず）へ直接向かう後者の流体の経路を螺旋状の経路に変える。好ましくは、この運動を達成するため、接線方向に導入される流体の運動エネルギーは、半径方向に導入される流体の運動エネルギーの少なくとも0.5倍である。従って、図１の実施の形態が反応の前の液体／気体混合に用いられるとき、流動する液体の運動エネルギーは通常気体の運動エネルギーよりもかなり大きいので、その気体は半径方向へ、そして液体は接線方向へ混合チェンバに導入される。
【００５０】
２つの流体の相対的な運動エネルギーに応じて、初めに半径方向に向けられた流体は、接線方向に向けられた流体と同じくらい強く巻いている流路に曲げられる場合もあり、そうでない場合もある。すなわち、初めに半径方向に向けられた流体は、その流路に沿って混合チェンバ排出口へ向かう多くの巻きを接線方向に向けられた流体と同じくらい有することもあり、より少ない巻きを有することもある。
【００５１】
多くの場合、接線方向に向けられた導管は第１の流体のために用いられ、半径方向に向けられた導管は第２の流体のために用いられる。従って、第１の流体は、複数の第１の流体分配導管（図示せず）を用いて、接線方向に向けられた供給導管10のそれぞれへ分配されることになる。同様に、第２の流体は、複数の第２の流体分配導管（図示せず）を用いて、半径方向に向けられた供給導管12のそれぞれへ分配されることになる。接線方向あるいは半径方向に向けられた、として導管を指すときは、供給チェンバに通じる導管排出端部18の方向に基づいている。
【００５２】
接線方向に向けられた供給導管10及び半径接線方向に向けられた供給導管12の両方が平面図において閉じた端部を有するものとして示されている。従って、これらの供給導管をそれらの各取入端部16において供給される流体は、示されている断面の上部または下部のいずれかに入る。当然のことながら、供給導管は同一平面（及び同一プレート）内の導管を通って供給することが可能である。
【００５３】
図２は、接線方向に向けられた供給導管10’が混合チェンバ14’と同一の平面で２本の供給導管26、28を通って供給される場合の本発明による１つの実施の形態を示す。図1のように、混合器／反応器機器は、やはり混合チェンバ14’に連通する半径方向に向けられた供給導管12’で構成される。この実施の形態において、半径方向に向けられた供給導管12’は第1の流体Ａを混合チェンバに供給するために用いることができ、接線方向に向けられた供給導管10’は第２及び第３の流体Ｂ、Ｃの混合ストリームを供給するために用いることができる。第２及び第３の流体Ｂ、Ｃストリームは、複数の第２及び第３の流体分配導管20、22を用いて多数のより小さなストリームにそれぞれ分配される。これらの分配導管はマニホルド24の取入口で相互嵌合され、それぞれの接線方向に向けられた供給導管10’の上流で第２及び第３の流体Ｂ、Ｃの予混を提供する。マニホルド24の取入口は、第２及び第３の流体分配導管20、22と流体で連通し、マニホルド24の排出口は供給導管10’のみと、その取入端部16’において流体で連通しており、その取入端部16’は混合チェンバ14’とは流体で連通していない。混合チェンバ排出口19は混合チェンバ14’の断面の平面の上部または下部のいずれかに伸び、混合された流体のストリームを回収する。
【００５４】
図２によれば、混合された流体ストリームを混合チェンバ14’へ供給するための供給導管10’は、混合される第２及び第３の流体Ｂ、Ｃを供給するために用いられる導管26、28のいずれよりも細い。図２には、マニホルド24の取入口に通じる分配導管20、22の幅の合計よりも幅が小さい、接線方向に向けられた供給導管10’も示されている。当然のことながら、混合チェンバへ入る流速は、混合チェンバへの注入点での供給導管の面積に反比例する。細い供給チャネルを用いるか、または混合チェンバ14’に通じる方向に供給導管を狭めると、半径方向に向けられた供給導管12’で示されるように、混合チェンバ14’への流速が増し、一般に混合特性を向上させる。
【００５５】
図３は、半径方向に向けられた供給導管12’を通って混合チェンバ14’に入る流体が、接線方向に向けられた供給導管10’を通って入る流体と同様なやり方で予混されている別の実施の形態を示す。この場合、第４の流体Ｄに流体で連通する複数の分配導管32、及び第５の流体Ｅに流体で連通する複数の分配導管30はこれらの流体をより小さいストリームの中で分離するためにそれぞれ用いられる。これらのストリームは、その後、半径方向に向けられた供給導管12’に通じる第２のマニホルド34の取入口へ相互嵌合の配置で分配される。この場合も、図２のように、流体の速度は、それぞれの供給導管26’、28’、36、38と比べて比較的細い接線及び半径方向に向けられた供給導管10’、12’から見ると、混合チェンバ14’へのそれらの導入の前に増加する。この場合も、混合チェンバ排出口19’は混合チェンバ14’の断面の上部または下部のいずれかへ伸び、混合された流体のストリームを回収する。
【００５６】
図４は、図１の機器に合わせたやり方で流体を混合し、反応させるための積層されたプレートの機器を示す。複数の接線方向及び半径方向に向けられた供給導管10’、12’の両方が、混合チェンバ14’及び２つの別の流体ストリームの両方と交互の流体で連通し、一方の流体は専ら接線方向へ、そして他方の流体は専ら半径方向へ混合チェンバ14’に導入される。図４は、流体密封プレートの積み重ねで構成される特定の型の混合器／反応器を示し、そのプレートは理解を容易にするため別々に示されている。この配置において、カバー・プレート40または層は、各流体を個別に取り入れるための供給チャネル42、44の開放構造を形成する。この場合のチャネルは孔の形状であり、カバー・プレート40を通って伸び、下部のプレート、すなわち、分配器プレート46と個々の流体の流体連通を提供する。
【００５７】
分配器プレート46または層は、それぞれ供給チャネル42、44と専ら流体で連通する第１及び第２の流体分配構造48、50の開放構造を形成する。これらの第１及び第２の流体分配構造48、50は、分配器プレート46を通って伸び、複数の第１及び第２の流体分配口52、54の両方と個々の点で第１及び第２の流体の交互の流体連通を提供する。これら第１及び第２の流体分配口52、54の開放構造は、分配器プレート46の下部に直接１つの面で接続しているチャネリング・プレート56または層によって形成される。第１及び第２の流体分配口52、54は、この図によれば、チャネリング・プレート56を通って伸びる孔である。従って、第１及び第２の流体分配口52、54は、一方の端部で第１及び第２の流体分配構造48、50とそれぞれ交互の流体で連通し、それらの反対側の端部でも、接線方向及び半径方向に向けられた供給導管10’、12’とそれぞれ交互の流体で連通している。特に、第１及び第２の流体分配口52、54は、供給導管10’、12’と、それらの個々の取入端部16’において流体で連通している。
【００５８】
図１のとおり、接線方向及び半径方向に向けられた供給導管10’、12’の排出端部18’は、混合チェンバ14’と流体で連通し、そこへ第１及び第２の流体のストリームを導入する。混合チェンバ14’、及びそれぞれが取入端部16’と排出端部18’を有する複数の供給導管10’、12’の構造は、混合器プレート58によって形成され、その上部面でチャネリング・プレート56の下部面に接続される。供給導管10’、12’の排出端部18’は混合チェンバ14’に接線方向及び半径方向へ交互に通じる。最後に、混合チェンバ排出口19’は混合チェンバ14’の中央部と流体で連通し、混合器プレート58から垂直に伸びて、混合された流体ストリームの排出を可能にする。この実施の形態の混合チェンバ排出口19’は、その頂面で混合器プレート58の底面と接続される別のプレート、すなわち、トランスファ・プレート60を通って伸びる孔である。供給チャネル42、44及び混合チェンバ排出口19’は、全体の加工の枠組みの中で別の導管と装置の間の接続を可能にするために貫通される。それらは、さもなければ種々の接続金具と共に使用するため適合され、あるいは、接着、蝋着、またはその他周知の方法によってそれらに付着されることも可能である。
【００５９】
図４は、混合チェンバ14’及び供給導管10’、12’が混合器プレート58を完全に通って伸びる場合の混合器プレート58及びトランスファ・プレート60の両方の使用を示す。図４の組立物は、構造物である混合器プレート58及び供給導管10’、12’を交換器プレートへ印加またはエッチングすることによって構築することも可能であり、混合チェンバ排出口19’のみが混合器プレート58の反対側へ通り抜けて伸びることになる。従って、積層プレートの配置がより広い意味で、別々の作用によって特徴づけられる各層を有する層状組立物と考えられるならば、図4に示される混合層は、混合器プレート58及びトランスファ・プレート60の両方で構成される。しかし、混合チェンバ14’及び供給導管10’、12’を混合器プレート58に印加することにより、混合層が単一のプレートのみで構成されることは確かに可能である。同様に、１枚以上のプレートを用いてその他の層を形成するか、または、単一のプレートに1枚以上の層の作用を果たさせることすらも可能である。
【００６０】
前に述べられたように、本発明による機器は、触媒を混合チェンバ14’の内部に配置することによって混合チェンバ14’内で化学反応を行うために用いることができる。あるいは、流体間の反応は、反応プレート62の一方の端部または面に取入口を有し、他方の端部に排出口を有する反応器64の開放構造を形成する別の反応プレート62を用いる混合チェンバから完全に切り離された状態で維持される。従って、述べられたような反応器64は反応プレート62を完全に通り抜けて伸びる。反応器取入口は混合チェンバ排出口19’と流体で連通している。支持プレート66は反応プレート62の下部に位置し、積層された組立物から外部へ、または組立物内の付加的な構造物（例えば、分離器）へ反応生成物を導くための反応器流出チャネル68を提供する。その反応器流出チャネル68は反応器排出口と流体で連通している。
【００６１】
反応プレート62とトランスファ・プレート60の間の密閉した接続によって形成される反応器64は、触媒をその内部に保持するため、例えば、篩またはその他多孔質媒体などの手段を有してもよい。一般に、触媒は、そうした媒体を反応器64の底部に戴置することによって反応器64内に保持される。その媒体は、より小さな反応物流出チャネル68が反応器64の排出口開口部と位置整合されるとき、反応器内に形成される支持プレート66の上部面の環状の表面によって支持される。あるいは、反応プレート62及び支持プレート66を用いて反応層が構成されるのではなく、トランスファ・プレート60の下部に密閉して配置された単一のプレートを用いて反応層の作用を実行することも可能である。この場合、反応器は単一のプレートを完全に通り抜けて伸びるのではなく、プレートの厚みより小さい望まれる深さにプレートへ印加される。反応器排出口チャネルはその後反応器の底部からプレートの反対側まで伸びる。示されるように、トランスファ・プレート60、反応プレート62、及び支持プレート66は、混合及び反応の作用を切り離すのに十分な厚みがあり、触媒保持スペースを提供し、さらに反応作用をその他の起こりうる下流での作用（例えば、フラッシュ分離）から切り離す。
【００６２】
図５は、流体が図２の機器によって混合される方法に沿った別の積層されたプレートの静的混合器／反応器機器を示す。接線方向及び半径方向に向けられた供給導管10’、12’は混合チェンバ14’に通じ、供給導管10’、12’の排出端部18’を通って混合チェンバ14’と連通している。図５で、第１の流体供給チャネル42’は、混合チェンバ14’に通じる方向に狭まる半径方向に向けられた供給導管12’の取入端部16’と流体で連通している。カバー・プレート40’は第１の供給チャネル42’の開放構造だけでなく、混合される第２及び第３の流体を取り入れるための第２及び第３の供給チャネル26’、28’の開放構造も形成する。そのカバー・プレートは、反応器64の断面を形成する平面から垂直及び上方に伸びる反応器流出チャネル68’も形成する。反応器流出チャネル68’は、積層された組立物から外部へ、または組立物内の付加的な構造物（例えば、分離器）へ反応生成物を導く。その反応器流出チャネル68は反応器排出口と流体で連通している。
【００６３】
図５の実施の形態で、その反応器は、反応プレート62’の一方の端部または面に取入口を有し、他方の端部に排出口を有する反応器64’の開放構造を形成する別の反応プレート62’を用いる混合チェンバから切り離されている。従って、述べられたような反応器64は反応プレート62を完全に通り抜けて伸びる。この場合の反応プレート62’はカバー・プレート40’の下部に配置され、反応プレート62’の底面の反応器取入口は混合チェンバ排出口19’と流体で連通し、混合チェンバ14’から上方へ伸びている。トランスファ・プレート60’は反応プレート62の下部に位置し、反応器64の取入口と流体で連通している混合チェンバ排出口19’を提供する。その混合チェンバ排出口19’は混合チェンバの中央部と流体で連通し、流体の混合されたストリームを排出する。
【００６４】
カバー・プレート40’の下部にその下側の面で、混合チェンバ14’、接線方向に向けられた供給導管10’、及び半径方向に向けられた供給導管12’の開放構造を形成する混合器プレート58’が直接接続される。これらの供給チャネルのそれぞれが取入端部16’及びその反対側に排出端部18’を有する。混合チェンバ14’に流体で連通している特定の供給チャネル排出端部18’の方向が、その供給チャネルは接線方向または半径方向に向けられるかを決定する。混合器プレート58’は、取入口及び排出口を有する集束チェンバ24’の開放構造を形成し、その集束チェンバ取入口は、相互嵌合される順序で配置された複数の第２の流体分配チャネル20’及び複数の第３の流体分配チャネル22’の両方と流体で連通している。その集束チェンバ取入口は、接線方向に向けられた供給導管10’の取入端部と流体で連通している。
【００６５】
混合器プレート58’の下部にその下側の面で、複数の第２の分配口54’及び複数の第３の分配口55’を形成するチャネリング・プレート56が直接接続される。第２の分配口54’のそれぞれの一方の端部は第２の流体分配構造50’と流体で連通されている。第２の分配口54’のそれぞれの他方の端部は、集束チェンバ24’へ通じる第２の分配チャネル20’と流体で連通されている。同様に、第３の分配口55のそれぞれの一方の端部は第３の流体分配構造51と流体で連通されている。第３の分配口55のそれぞれの他方の端部は、集束チェンバ24’へ通じる第３の分配チャネル22’と流体で連通されている。この配置は、混合チェンバ14’への導入の前に第２及び第３の流体の予混、そして混合後の第２及び第３の流体の流速の増加を可能にする。
【００６６】
最後に、混合器／反応器は、第２及び第３の流体供給チャネル26’、28’と流体でそれぞれ連通している第２及び第３の流体分配構造50’、51の開放構造を形成するベース・プレート61’で構成される。これらの供給チャネル26’、28’は、図４における供給チャネルとは対照的に、単一のプレートよりも突き抜けて伸び、実際には、カバー・プレート40’に加えて混合器プレート58’及びチャネリング・プレート56’を貫通する。ベース・プレート61’の上部面はチャネリング・プレート56’の下部面へ密閉して接続される。図５による実施の形態には複数の第２及び第３の分配チャネル20’、22’が含まれているが、第２及び第３の流体分配口54’、55’が、分配チャネルを必要とせずに、集束チェンバ24’の取入口と直接連通することも可能である。
【００６７】
以下の実施例は、本発明のいくつかの態様を説明するために提供されるものであり、請求項に述べられているような本発明の広範な範囲を限定するものではない。
【実施例】
【００６８】
積層されたプレートの配置で構成され、前に述べられたサイクロン混合の原理を用いる静的混合器をガラスで組み立て、種々の条件下でサイクロンの形成を観察した。水と空気を混合チェンバ内へ、それぞれ混合チェンバに対して接線方向及び半径方向に注入した。デジタル画像処理付き高速度カメラを用いて、流動する液体の螺旋状の流れが確立されたかどうかを観察した。これは、水流内で気泡の経路を観察することから容易に判定された。これらの実験結果を表１にまとめる。
【００６９】
【表１】
2005512760.tif 000003
【００７０】
これらの結果から、望ましい螺旋状の流れの形成が得られ、液体／気体の運動エネルギーの比率は0.66より大きかった。接線方向／半径方向に流動する流体の運動エネルギーの比率の下限は0.5と推定される。流れの形態が層流から乱流へ変わると、接線方向に流動する流体の処理能力(throughput）が非常に高いことはサイクロンの形成を妨げることができることに注目されたい。しかし、この場合にも、完全な混合が行われる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】接線方向及び半径方向へ交互に通じる複数の供給導管を有する混合チェンバの平面図である。
【図２】混合チェンバ内への注入前の供給導管内での２つの流体の予混を示す平面図である。
【図３】２つの流体が混合され、供給導管が混合チェンバの近傍を接線方向及び半径方向に互い違いになっているときの複数の供給導管を示す平面図である。
【図４】透明度を確保するため個々のプレートが隔てられている積層されたプレートの配置で構成される静的混合器／反応器を示す図であり、混合プレートは、接線方向及び半径方向に交互に混合チェンバへ通じる複数の供給チャネルを有する混合チェンバの開放構造を形成し、その混合プレートの下部の反応プレートは反応器の開放構造を形成する。
【図５】透明度を確保するため個々のプレートが隔てられている積層されたプレートの配置で構成される静的混合器／反応器を示す図であり、混合プレートは、混合チェンバへの注入の前に供給チャネル内で２つの流体の予混が可能であるように構成され、その混合プレートの上部の反応プレートは反応器の開放構造を形成する。
【符号の説明】
【００７２】
１０、１２、２６、２８、３６、３８  供給導管（供給チャネル）
１４  混合チェンバ
１６  取入端部
１８  排出端部
１９  混合チェンバ排出口
２０、２２  分配導管(分配チャネル）
２４、３４  マニホルド（集束チェンバ）
３０、３２  分配導管
４０  カバー・プレート
４２、４４  供給チャネル
４６  分配器プレート
４８、５０  流体分配構造
５２、５４、５５  流体分配口
５６  チャネリング・プレート
５８  混合器プレート
６０  トランスファ・プレート
６１  ベース・プレート
６２  反応プレート
６４  反応器
６６  支持プレート
６８  反応器流出チャネル
【図１】
2005512760.tif 000004
【図２】
2005512760.tif 000005
【図３】
2005512760.tif 000006
【図４】
2005512760.tif 000007
【図５】
2005512760.tif 000008
【国際調査報告】
2005512760.tif 000009
2005512760.tif 000010