(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
概ね方形の断面を有しており、一方の端部に入口（１８）を有し、かつ他方の端部に出口（１９）を有している反応器チャンバ（１６）であって、該反応器チャンバの複数の壁のうちの少なくとも１つが伝熱材料または膜から成る、反応器内の反応器チャンバ（１６）用の流れ方向付けインサート（１５）において、
前記インサート（１５）は、前記チャンバの第１の側から前記チャンバの第２の側まで延びて前記第１の側に再び戻ることを数回繰り返す流体用の流路を前記チャンバの前記壁（２０，２１）と共に形成する、複数の列に並べられた複数のユニット（１，１1）を有し、前記複数のユニット（１，１1）は、前記流体が各ユニット同士の間の蛇行した経路内を流れるように配置され、前記各ユニット（１，１1）は、１つの平面（２，２1）と、該平面の反対側の面であって、湾曲した形状、すなわち円筒形状を有する面（５）とを有することを特徴とする、反応器内の反応器チャンバ用の流れ方向付けインサート。
【請求項２】
各ユニット（１，１1）は、前記反応器チャンバの１つの壁または他のユニットの平面（２，２1）に当接するようになっている１つの前記平面（２，２1）を有し、かつ前記反応器チャンバの互いに対向する壁の間の距離よりも短い延長部を有していることを特徴とする、請求項１に記載の流れ方向付けインサート。
【請求項３】
ユニット（１，１1）の各列は、前記反応器の前記壁同士の間を延び、かつ前記壁に当接する画定手段（８）によって隣のユニット列から隔てられていることを特徴とする、請求項１または２に記載の流れ方向付けインサート。
【請求項４】
前記反応器チャンバ内の互いに隣接する２つのユニット（１，１）列の間が連結されており、流体が、形成された空の空間内を一方の列から他方の列へと流れることができるように、ある列の一方の端部と反応器の側面との間および隣のユニット列と反応器の同じ側面との間に開口があることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の流れ方向付けインサート。
【請求項５】
互いに隣接する少なくとも２列における少なくとも２つのユニット（１，１1）は、一方のユニットの円筒状部分における開口（７）が、前記画定手段（８）の開口および残りのユニットの前記円筒状部分の開口（７）と協働し、前記反応器チャンバの一方の端部の入口と前記反応器チャンバ内の任意の位置にあるかまたは前記チャンバを通る流路との間に複数の通路を形成する可能性をもたらすように配置されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の流れ方向付けインサート。
【請求項６】
複数のユニット列（１）および画定手段（８）が一体に作られていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の流れ方向付けインサート。
【請求項７】
複数のユニット列（１1）および境界（３，４）が柱状に一体に作られていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の流れ方向付けインサート。
【請求項８】
前記インサートは、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、炭素、ガラス、または金属で作られていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の流れ方向付けインサート。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の流れ方向付けインサートを含む少なくとも１つの反応器チャンバを備えた反応器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応器チャンバが概ね方形の断面を有し、かつチャンバの一方の端部の入口およびチャンバの他方の端部の出口を有している、反応器内の反応器チャンバ内の流れ方向付けインサートに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
様々な種類の化学反応をまとめて行う従来の反応器は、通常、反応物が供給されて所定の反応時間の間反応させることが可能な適切な寸法の容器の形をしている。この容器は、通常、混合手段を備えている。反応物を加熱または冷却する必要がある場合、容器は、加熱または冷却マントル、あるいは反応物に浸漬された加熱または冷却コイルを備えていてもよい。このような構成の伝熱特性は、混合と同様に不十分である。
【０００３】
反応を連続的に行うのを可能にする他の種類の反応器は、反応物が流される適切な長さのチューブを有するチューブ反応器から成る。このような構成では、特に乱流状態で保持時間を調節するのが可能である。反応物を加熱または冷却する必要がある場合、加熱媒体または冷媒が流し込まれるシェルでチューブを囲んでもよい。
【０００４】
最近では、触媒反応を行うマイクロリアクタとしばしば呼ばれるプレート反応器が市場に現れてきている。このようなマイクロリアクタは、燃料電池に関連してしばしば使用される。このようなマイクロリアクタは、たとえば、反応空間およびヒートベアリング空間を形成する、積み重ねられたテクスチャ加工プレートで構成された小型の触媒反応器を開示する特許文献１に記載されている。このテクスチャは、反応液体を適切に分散させることを目的とした流路の形態であってもよい。
【０００５】
この種の反応器は、大規模に使用することもできる。
【０００６】
流れ方向付けインサートは、流れを分け、かつ流れ方向を絶えず変化させることを確実にするために、多数の分野で公知である。このようなインサートは、様々な材料および構成のものを入手可能な様々な種類の充填材料から成る。特許文献２には、充填材料を通る流体の流れを推進するために乱流を生成するモジュール式充填物を含む反応チューブを備えたこの種のチューブ反応器の例が記載されている。
【特許文献１】欧州特許第１０９１８００号明細書
【特許文献２】国際公開第０１／９４００６号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、反応器チャンバを通過する反応物の流れ状態の流体力学的な厳密な調節を可能にする流れ方向付けインサートを備えた反応器チャンバを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、インサートが、チャンバの第１の側からチャンバの第２の側まで延びて第１の側に再び戻ることを数回繰り返す流体用の流路をチャンバの壁と共に形成する、複数の列に並べられた複数のユニットを有していることと、複数のユニットが、流体が各ユニット同士の間の蛇行した経路内を流れるように配置されていることとによって達成される。流体の流れ方向を頻繁に変える本発明によるインサートは、様々な流速で流れる流体層の発生を効率的に防ぎ、かつ淀み領域が無くなる乱流状態を生じさせる。混合率が高くなり、かつ滞留時間の分布が狭くなる。
【０００９】
流路を通過する流体反応物は、純粋な液体、液体の混合物、粒子を含む液体、あるいは油溶性ガスまたは遊離ガスを含む液体であってもよい。
【００１０】
インサートは、方形の形態および方形の断面を有していてもよい。インサート内の各列の長さは、反応器チャンバ内の２つの対向する壁の間の距離よりもかなり長くてもよい。この互いに対向する壁は、その一方または両方が、冷却流体または加熱流体を流路の外側に通すのを可能にする伝熱材料から成っていてもよい。あるいは、壁の一方または両方が、形成された生成物が膜を通過するのを可能にする適切な孔径の膜から成っていてもよい。これらの種類の壁の組合せも可能である。
【００１１】
方形のインサートをチューブ状またはらせん状に巻くことが望ましい場合にはそうしてもよい。そのような場合、もちろん、反応器チャンバの壁を同じ形状にしなければならない。
【００１２】
本発明の流れ方向付けインサート内のユニットは、有利なことに、各ユニットが、反応器チャンバの１つの壁または他のユニットの平面に当接するようになっている１つの平面を有している。ユニットは、反応器チャンバ内の互いに対向する壁の間の距離よりも短い延長部を有している。
【００１３】
流れ方向付けインサートは、有利なことに、ユニットの各列が、反応器の壁に当接する画定手段によって隣のユニット列から隔てられるように構成されている。
【００１４】
反応器チャンバは、流体が重力の作用によって反応器チャンバを通って流れるように構成することができ、すなわち、チャンバへの入口を出口の上方に配置することができる。もちろん、ポンプ駆動装置によって運ばれる流体をチャンバを通して流すことも可能であり、このことは、チャンバの入口と出口が同じ高さに位置することを意味する。
【００１５】
流れ方向付けインサート内のユニットは、有利なことに、ユニットの平面とは反対側の面が、たとえば円筒形状である、緩やかに湾曲した形状を有している。このようにして、非常に好ましい流れ状態が得られる。
【００１６】
本発明による流れ方向付けインサートでは、反応器チャンバ内の互いに隣接する２つのユニット列の間が連結されており、ある列の一方の端部と反応器の側面との間および隣のユニット列と反応器の同じ側面との間に開口がある。このようにして、流体は、形成された空の空間内を一方の列から他方の列へと流れることができる。
【００１７】
流れ方向付けインサートは、一方のユニットの円筒状部分における開口が、画定手段の開口および残りのユニットの円筒状部分の開口と協働して、インサートの一部またはインサートの全体を通って延びる複数の通路を形成するように配置された、互いに隣接する少なくとも２列における少なくとも２つのユニットを含んでいてもよい。そのような通路は、反応器チャンバの一方の端部の入口と反応器チャンバ内の任意の位置にある流路との間に連結部を形成するのを可能にする。これらの通路は、液体または気体の反応物を流体流れ中に噴射するのに用いることができる。これらの通路はまた、サンプルを収集するか、あるいはたとえば温度または圧力を測定するのに用いることもできる。形成された通路に冷媒または加熱媒体を通すことが望ましい場合にはそうしてもよい。
【００１８】
流れ方向付けインサートは、有利なことに、所望の複数のユニット列および画定手段が一体に作られている。
【００１９】
インサートの所望の材料に応じて、インサートは、たとえば、モールド成形、プレス成形、フライス加工、あるいは鋳造によって製造することができる。
【００２０】
あるいは、流れ方向付けインサートは、複数のユニット列および境界が、共にインサートを形成する一体の柱状に作られていてもよい。このことは、ユニットが、やはり平面に近い緩やかに湾曲した形態を有する場合に必要である。
【００２１】
インサートを作るのに特に適した１つの材料はポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）から成る。他の材料は炭素でも、ガラスでも、金属でもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明による流れ制御インサートについて、流れ方向付けインサートの２つの実施形態を示す添付の図面を参照してさらに説明する。これらの実施形態は、一例としてのみ選択されている。
【００２３】
図１には、列状に配置された同様のユニットと共に反応器チャンバ用のインサートを形成する、一方の側から見た単一のユニット１が示されている。ユニット１は、平面２と、方形の上側および下側の境界３，４とを有している。
【００２４】
ユニット１は、ユニットの断面を示す図２から分かるように、平面とは反対側の面に円筒状部分５を有している。
【００２５】
図３では、ユニット１を側面から見ている。図２および図３から分かるように、境界３および４の延長部によって画定されたユニット内に空き空間６が形成されている。この空き空間は、反応器チャンバを通る流体用のものである。
【００２６】
図４には、反応器チャンバ用のインサートを形成するために９つのユニット１を互いに対してどのように配置するかが示されている。図４から分かるように、図示した９つのユニットは、どの列においても第１および第３のユニットの平面が同じ側に向けられている一方で、各列の第２のユニットは第１および第３のユニットに対して１８０°回転して配置されている。このようにして、ユニットの平面は、反応器チャンバの複数の壁（ここには図示されていない）と共に、流体用の蛇行した形状の流路を形成する領域（表面）を形成する。流体は、各ユニット同士の間およびユニットの円筒状部分５と反応チャンバの壁との間の空き空間６を通って流れる。形成された流路内に流体を流すには、もちろん、流体が流路を迂回しないようにユニットの平面が隣接する壁に当接している必要がある。ユニット１の上側の境界３および下側の境界４は、それらのみが一緒になって、列同士の間に画定手段を形成する。
【００２７】
これらの図では、インサートの各列は単一ユニットで構成されている。もちろん、２つのユニットの平面同士が互いに反対に向けられるユニットを含むインサートを構成することが望ましい場合には、そうすることが可能である。この場合、チャンバ内の滞留時間の分布を正確に調節することはできなくなるが、流れが効率的に分散される。
【００２８】
図５には、互いに隣接する列に配置される２つのユニットが示されている。これらのユニットはどちらも、上側の境界３から下側の境界４までユニットを通って延びる開口７を、ユニットの円筒状部分に有している。このような構成では、噴射された流体の流れが反応器チャンバ内の任意の所望のポイントで第１の流体の流れに付加されるように、入口を反応器チャンバの一方の端部に連結することが可能である。この連結は、開口７を備えたユニットが、ユニットの円筒状部分の表面内の任意の位置にも開口を有し、２つの開口がユニット内のどこかで連結されることによってもたらされる。インサートを通って延びる経路が形成されるように、複数の隣接する列に開口を有する複数のユニットを有することも可能である。
【００２９】
図６には、開口７を備えた複数のユニット１の断面図が示されている。ユニットの個々の境界４が一緒になって画定手段８を形成している。図の右端には、画定手段８内に空洞９がある。この空洞９により、流体が１つのユニット列から隣接するユニット列に流れることが可能になる。
【００３０】
図７は、開口７を備えた３列のユニットを示している。図から分かるように、最上の画定手段８は、隣の画定手段よりもいくらか長く右側に延びている。この空間は、図６に示した空洞９に相当している。反応器チャンバ（壁は図示されていない）を通って流れる流体は、最上のユニット列の左側の端部のすぐ近くに位置する入口（不図示）を通って反応器チャンバに入る。次に、流体は最上列の右側の端部に達するまで、各ユニット間の空き空間６内の蛇行経路内を流れる。次に、流体は、空洞９によって隣の列に流れ、各ユニット間の空き空間を通って右から左に流れる。図から分かるように、対応する空洞が第３の画定手段８内にあり、流体は第３のユニット列に入ることが可能である。この図では、インサートは立てた状態で示されている。もちろん、インサートを水平な反応器チャンバ内に配置することも可能である。
【００３１】
図８には、一体に成形されたユニット１のブロックを有するインサートをどのように反応器チャンバ内に配置するかが示されている。反応器チャンバは、細長い方形の形状の空間を囲んでいる。反応器チャンバの僅かな部分を示しているに過ぎないこの図面には、チャンバの他の壁１０および側壁１１，１２が示されている。反応器チャンバの正面の壁は、図を明確にするために省略されている。図面では、流体が、チャンバの右側端部からどのように来て、各ユニットおよびチャンバの壁で形成された流路内の蛇行経路内をどのように流れるかが分かる。インサートと側壁１２との間に形成された空洞９によって、流体が隣接する下方の列に流れることが可能になっている。
【００３２】
図９には、他の種類のインサートを形成する僅かに異なる形態を有するユニットの実施形態が示されている。ユニット１1は、一方の側から見たものであり、上側の境界３1および下側の境界４1も有している。図１０には、ユニット１1の断面が示されている。図面から分かるように、ユニット１1は、平面２1と円筒状部分５1とを有している。円筒状部分から平面部まで緩やかに湾曲した切換部がある。上側の境界３1および下側の境界４1は、互いに平行な２つの辺を有する台形の形をしている。図１１から分かるように、ユニットの円筒状部分５1の前方に空間６1がある。
【００３３】
図１２には、ユニットが他のユニットに対して互い違いに１８０°回転させられている、反応器チャンバで使用されるインサートの一部を形成するために、ユニットをどのように配置するかが示されている。このインサートの図１２に示されている部分は、図１３に示されているように、所望の数のユニットを有し一体に作られた柱状物１３で構成することが可能である。
【００３４】
図１４には、１列に並べられた複数のユニット１1の断面が示されている。各ユニットの平面２1は、反応器チャンバの壁に当接するようになっている。図面では、ユニット１1の平面２1に近い緩やかに湾曲した部分が、各ユニットの円筒状部分と共に蛇行流路をどのように形成しているのかが理解できる。
【００３５】
図１５には、各列に１０個のユニットを有する３列のユニットの斜視図が示されている。この図では、各ユニットの上側の境界および下側の境界が、各列を隔てる画定手段を形成する上側平面および下側平面を形成するためにどのように協働しているかが分かる。また、各平面２1が、小さな開口１４を有する平面領域をどのように形成しているかも分かる。反応器チャンバの壁は、この平面領域（表面）に当接して、各ユニット間に形成される流路の境界を形成する必要がある。
【００３６】
図１６には、反応器チャンバ１６内のインサート１５が示されている。反応器チャンバは、矩形プレート１７の方形の開口内に位置している。反応器チャンバは、方形の開口の縁と、プレート１７の後方および前方に位置する薄いプレートまたは膜の縁とで境界が定められている。（薄いプレートまたは膜は図１６には示されていない。）チャンバの一方の端部には、反応器チャンバを通る流体用の入口１８があり、反応器チャンバの他方の端部には、その流体用の出口１９がある。
【００３７】
図１７には、反応器の、３つの反応器チャンバ１６を含む部分が示されている。これらの反応器チャンバを囲む壁２０，２１は、この実施形態では伝熱材料で作られた薄いプレートから成っている。反応器チャンバの一方または両方の側面上に、薄いプレートの代わりに膜を用いるのが適切である場合には、そうしてもよい。反応器チャンバの両側に、冷却流体または加熱流体を流すことができる流路２２がある。それらの流路２２の他の側面は、壁２３によって形成されている。流体を冷却または加熱する流路同士の間に、トランジションプレート２４がある。反応器チャンバ１６、媒体を冷却または加熱する流路、およびトランジションプレートは、両側がフレームプレート２５で囲まれており、このパッケージはボルト２６によってしっかりと保持されている。反応器の一方の端部には入口管２７があり、媒体を冷却または加熱する流路を囲むフレームプレート２５および壁には対応する穴がある。反応器チャンバを通過する流体は、入口管２７およびこの穴を通って入り、反応器チャンバ１６の入口１８に到達する。
【００３８】
次に、流体は、第１の最上列内の各ユニット間の蛇行経路内を流れ、その後、次の列を通り、さらに第１の反応器チャンバ内のすべての列を通るまで流れ続ける。続いて、流体は、反応器の下方の端部の穴（不図示）を通過し、第２の反応器チャンバに入る。第２の反応器チャンバでは、流体は、各ユニット間を反応器チャンバの一方の側から他方の側まで流れ、最上列に達するまである列から１つ上の列へと流れる。流体が壁２１，２３の穴およびトランジションプレート２４の開口２８を通って通過することのできる反応器チャンバからの出口１９がある。この実施形態では、各反応器チャンバは直列に連結されている。もちろん、各反応器チャンバを並列に連結するのが望ましい場合には、そうすることも可能である。
【００３９】
反応器チャンバの両側に加熱流路または冷却流路を有するのではなく、膜によって２つの反応器チャンバを互いに隔てることも可能である。加熱流路または冷却流路、反応器チャンバ、膜、反応器チャンバ、および加熱流路または冷却流路が互いの近くに配置されたこのような構成では、第１の反応を第１の反応器チャンバ内で生じさせることができ、最初から存在するかまたは反応中に形成される１つの成分を、膜を通過させ、さらに反応させるかあるいは加熱または冷却することができる。
【００４０】
図示の実施形態では、インサート内のすべてのユニットは同じ大きさおよび形状を有している。もちろん、１つまたは複数の列、あるいは１列の一部のみにおいて、より小さいかまたはより厚い延長部のユニットを使用することも、本発明の範囲内で可能である。上側の境界または下側の境界を厚くすることもでき、その場合、もちろん流路の大きさが変更される。流路の大きさをそのように小さくすると、流量が増大して有利であることもある。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】インサートの一部になる、境界を有する単一のユニットを示す図である。
【図２】インサートの一部になる、境界を有する単一のユニットを示す図である。
【図３】インサートの一部になる、境界を有する単一のユニットを示す図である。
【図４】インサートの一部としてまとめられた、複数のユニットの斜視図である。
【図５】隣接する２列に配置される、開口を備えた２つのユニットの斜視図である。
【図６】ユニットの円筒状部分に開口を備えたユニットの列の断面図である。
【図７】開口を備えた３列のユニットの斜視図である。
【図８】反応器チャンバ内に位置するインサートの一部の斜視図である。
【図９】インサートの一部になる、単一のユニットの他の実施形態を示す図である。
【図１０】インサートの一部になる、単一のユニットの他の実施形態を示す図である。
【図１１】インサートの一部になる、単一のユニットの他の実施形態を示す図である。
【図１２】これらのユニットをインサートの一部としてどのように組み合わせるかを示す斜視図である。
【図１３】これらのユニットをどのようにして柱の形に作るかを示す斜視図である。
【図１４】ユニット列の断面図である。
【図１５】１０個のユニットからなる３列のユニット列がどのようにしてインサートの一部を形成するかを示す図である。
【図１６】前方と後方の両方から見た、プレート内の反応チャンバ内に位置するインサートを示す図である。
【図１７】本発明によるインサートを含む反応チャンバを備えた反応器の一例の一部を示す斜視図である。
【図１】
0004504817.tif 000002
【図２】
0004504817.tif 000003
【図３】
0004504817.tif 000004
【図４】
0004504817.tif 000005
【図５】
0004504817.tif 000006
【図６】
0004504817.tif 000007
【図７】
0004504817.tif 000008
【図８】
0004504817.tif 000009
【図９】
0004504817.tif 000010
【図１０】
0004504817.tif 000011
【図１１】
0004504817.tif 000012
【図１２】
0004504817.tif 000013
【図１３】
0004504817.tif 000014
【図１４】
0004504817.tif 000015
【図１５】
0004504817.tif 000016
【図１６】
0004504817.tif 000017
【図１７】
0004504817.tif 000018