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KR101041045B1 - Micro reactors and process systems using them - Google Patents

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KR101041045B1
KR101041045B1 KR1020080015045A KR20080015045A KR101041045B1 KR 101041045 B1 KR101041045 B1 KR 101041045B1 KR 1020080015045 A KR1020080015045 A KR 1020080015045A KR 20080015045 A KR20080015045 A KR 20080015045A KR 101041045 B1 KR101041045 B1 KR 101041045B1
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

마이크로 반응기가 제공된다.Micro reactors are provided.

본 발명에 따른 마이크로 반응기는 유입채널; 상기 유입채널이 일 측의 중심에 연결되며, 상기 유입채널로부터 유입되는 유체를 평면상에서 분산시키는 발산채널; 및 상기 발산채널의 타 측에 연결되어 상기 발산 채널에서 분산되는 유체가 유입되는 마이크로 채널에 있어서, 상기 발산 채널의 타 측 중심으로부터 먼 거리의 마이크로 채널의 유체이동길이는 상기 발산 채널의 타 측 중심으로부터 가까운 거리의 마이크로 채널의 유체이동길이보다 짧으며, 그 결과 본 발명에 따른 마이크로 반응기는 충분한 에너지 효율을 유지하면서 균일한 유속의 유체 전달이 가능하다. 따라서, 상기 마이크로 채널을 지나 혼합 영역으로 유입되는 반응물질은 각 마이크로 채널마다 동일한 열전달 및 물질 전달을 발생시키므로, 사용자의 공정 제어가 보다 용이하다.Micro reactor according to the invention the inlet channel; A diverging channel connected to the center of one side of the inlet channel and dispersing a fluid flowing from the inlet channel on a plane; And a microchannel connected to the other side of the diverging channel, into which the fluid dispersed in the diverging channel flows, wherein the fluid movement length of the microchannel far from the other center of the diverging channel is the other center of the diverging channel. It is shorter than the fluid travel length of the microchannel at a short distance from the microchannel, and as a result, the microreactor according to the present invention enables the fluid flow at a uniform flow rate while maintaining sufficient energy efficiency. Therefore, the reactants flowing through the microchannels into the mixing zone generate the same heat transfer and mass transfer for each microchannel, thereby making it easier for the user to control the process.

Description

마이크로 반응기 및 이를 이용한 공정 시스템{microreactor and processing system using the same}Microreactor and processing system using the same

본 발명은 마이크로 반응기 및 이를 이용한 공정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 에너지 효율을 가지며 균일한 속도 분포를 가지는 마이크로 반응기 및 이를 이용한 공정 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a microreactor and a process system using the same, and more particularly, to a microreactor having a high energy efficiency and a uniform velocity distribution and a process system using the same.

마이크로반응기란 전자산업의 발달과 함께 발전된 마이크로테크놀로지와 정밀 공학(Precision Engineering)을 적용하여 제작된 소형화 반응 시스템(Miniaturized reaction system)으로 정의될 수 있다. 마이크로반응기는 기본적으로 뛰어난 물질 및 열전달 특성, 균일한 유체흐름의 제공 등의 여러 장점을 지니고 있을 뿐만 아니라 실험실 규모의 개발이 스케일-업(Scale-up)과정 없이 넘버링-업(Numbering-up, 반응기 숫자를 단순히 병렬로 증가시킴) 개념을 적용하여 곧바로 상업생산규모로 적용 가능하다는 점에서 소량다품종이 대부분인 정밀화학분야에서 큰 주목을 받고 있다. 정밀화학공정에 마이크로반응기를 적용 시 화학반응의 측면에서는 다음과 같은 여러 가지의 장점을 기대할 수 있다. 첫 번째는 마이크로반응기는 혼합효율이 매우 뛰어난 연속장치로서 균일한 반응물 비율 유지 및 부반응 억 제 등으로 수율 및 순도의 증대를 기대할 수 있다. 두 번째는 매우 빠른 열교환으로 국부적인 고온점(hot spot)의 생성이 억제되어 부산물의 생성을 최소화하여 반응의 선택성을 높일 수 있다. 세 번째는 미세한 연속공정으로 초정밀 공정제어가 가능하다는 점이다. 네 번째는 안전성의 측면으로 독성이 있거나 폭발성이 있는 반응물을 사용함에 있어서 안전한 공정을 제공한다. 그 외에도 상업적 적용 측면에서 이미 언급한 바와 같이 정밀화학제품의 상업화 과정 중 큰 부담중의 하나인 스케일-업 과정이 필요 없이 바로 상업화 적용이 가능하다는 점이며, 또한 생산규모의 조절이 용이하여 시장상황에 손쉽게 대응가능하고, 장소적 측면에서도 넓은 공간이 필요하지 않고 좁은 공간에서도 설치가 용이하여 필요한 장소에 손쉽게 장비를 설치하여 사용할 수 있는 등 여러 가지 장점을 기대할 수 있다. 이러한 여러 장점이 기대되는 마이크로반응기를 활용하여 화학 및 생물 공정 개발에 이용하고자하는 시도가 최근 꾸준히 확산되고 있다(Wolfgang Ehrfeld, Volker Hessel, Holger Lowe, Microreactors, Wiley-VCH, Weinheim, 2000).The microreactor may be defined as a miniaturized reaction system manufactured by applying microtechnology and precision engineering developed with the development of the electronic industry. Microreactors have fundamental advantages, such as excellent material and heat transfer properties, and uniform fluid flow, as well as the ability to scale-up lab-scale development without the need for scale-up. It is attracting much attention in the field of fine chemistry, where most of small quantity varieties are applied in that it can be directly applied to commercial production scale by applying the concept of simply increasing the number in parallel). The application of microreactors in the fine chemical process can be expected to provide several advantages in terms of chemical reactions. First, the microreactor is a continuous device with excellent mixing efficiency, and can be expected to increase yield and purity by maintaining a uniform reactant ratio and suppressing side reactions. The second is very fast heat exchange, which suppresses the formation of local hot spots, thereby minimizing the formation of by-products and thus increasing the selectivity of the reaction. Third, it is possible to control the ultra-precise process by the minute continuous process. Fourth, in terms of safety, it provides a safe process for using toxic or explosive reactants. In addition, as already mentioned in terms of commercial application, it is possible to apply commercialization immediately without the need for scale-up process, which is one of the heavy burdens in the process of commercializing fine chemicals. It can be easily responded to, and can be expected to have various advantages such as not requiring a large space in terms of location and easy installation in a narrow space. Attempts to develop chemical and biological processes using microreactors with many of these advantages are steadily spreading (Wolfgang Ehrfeld, Volker Hessel, Holger Lowe, Microreactors, Wiley-VCH, Weinheim, 2000).

즉, 복수의 병렬반응기를 설치하여 반응을 시킴으로써 상술한 마이크로 반응기의 장점을 효과적으로 달성할 수 있기 때문에, 마이크로 반응기로 복수의 채널을 가지는 마이크로채널형의 병렬 반응기가 널리 사용된다. 이러한 마이크로채널 반응기의 일 방식으로 매니폴드형의 마이크로채널 반응기가 있는데, 이는 도 1에 나타난다. That is, since the advantages of the microreactor described above can be effectively achieved by installing a plurality of parallel reactors and reacting, a microchannel parallel reactor having a plurality of channels is widely used as the microreactor. One way of such a microchannel reactor is a manifold type microchannel reactor, which is shown in FIG. 1.

도 1을 참조하면, 일반적인 매니폴드형 마이크로채널 반응기는 유입채널이 매니폴드의 일측에 결합하고, 상기 매니폴드의 타측에는 복수의 마이크로 채널이 결합하는 구조를 갖는다. 상기 구조에 의하면, 유입채널에서 유입되는 유체는 매니폴드를 거치면서 마이크로채널로 분산, 유입된다. 이러한 마이크로채널 반응기에서 마이크로채널에서의 유속 제어는 추후 혼합 효율 및 열 전달과 같은 마이크로 반응기의 효과를 달성하는 데 매우 중요하다. 즉, 유속의 불균일한 분포는 수율 및 선택도 등에 있어서 마이크로 반응기의 성능에 영향을 줄 수 있고, 또한 물질 전달 상수의 큰 변화를 초래하고, 해당 설계 수치에서의 체류 시간 역시 변화시키게 된다. 하지만, 종래의 일반적인 마이크로채널 반응기는 유입채널과 먼 거리의 마이크로채널에서의 유속이 가까운 쪽의 마이크로채널의 유속보다 느려지는데, 이것은 거리 및 유입되는 유체와 매니폴드의 타측간의 저항의 증가에 의한 압력강하에 기인하는 것이다.Referring to FIG. 1, a general manifold type microchannel reactor has a structure in which an inlet channel is coupled to one side of a manifold, and a plurality of microchannels are coupled to the other side of the manifold. According to the above structure, the fluid flowing in the inflow channel is dispersed and introduced into the microchannel through the manifold. In such a microchannel reactor, the control of the flow rate in the microchannel is very important for achieving the effects of the microreactor such as the later mixing efficiency and heat transfer. That is, the non-uniform distribution of the flow rate can affect the performance of the microreactor in yield, selectivity, etc., and also cause a large change in mass transfer constant, and also change the residence time in the design value. However, in the conventional general microchannel reactor, the flow rate in the microchannel far from the inflow channel is slower than the flow rate of the near microchannel, which is caused by an increase in the distance and the resistance between the incoming fluid and the other side of the manifold. This is due to the pressure drop.

또 다른 마이크로채널 반응기의 일례로서 유입채널과 마이크로 채널 사이에 제공되는 큰 용적의 유입 챔버를 포함하는 마이크로 반응기가 있다. Another example of a microchannel reactor is a microreactor comprising a large volume inlet chamber provided between the inlet channel and the microchannel.

도 2는 유입챔버를 구비하는 종래의 마이크로 반응기에 대한 단면도이다. 2 is a cross-sectional view of a conventional micro reactor having an inlet chamber.

도 2를 참조하면, 유입채널(210)과 마이크로 채널(230)사이에 큰 용적의 유입챔버(220)가 존재하며, 이러한 유입챔버는 유입되는 유체에 대하여 큰 체제시간을 제공하고, 이로써 유입채널(210)과 마이크로 채널(230)사이의 압력 강하를 감소시키게 된다. 하지만, 이 경우에도 유입채널(210)로부터 먼 거리의 마이크로 채널로 유입되는 유체는 가까운 거리의 마이크로 채널에 비하여 여전히 큰 압력강하를 가지게 되며, 그 결과 각 마이크로 채널간에 흐르는 유체는 균일하지 못한 유속을 가지게 된다. 더 나아가, 이러한 유입챔버(220)에서 유체의 직접적인 경로에 해당 하지 않는 영역(220a, 220b)에서는 유체의 흐름이 발생하기 않게 되어, 반응물의 침전과 같은 문제가 발생할 수 있다.Referring to FIG. 2, there is a large volume of inlet chamber 220 between inlet channel 210 and microchannel 230, which provides a large settling time for the incoming fluid, thereby providing an inlet channel. Reduce the pressure drop between 210 and microchannel 230. However, even in this case, the fluid flowing from the inflow channel 210 into the microchannel at a far distance still has a large pressure drop compared to the microchannel at the far distance, and as a result, the fluid flowing between the microchannels has an uneven flow rate. To have. Furthermore, in the inflow chamber 220, the flow of the fluid does not occur in the regions 220a and 220b that do not correspond to the direct path of the fluid, which may cause problems such as precipitation of the reactants.

도 3은 이러한 침전의 문제를 방지하기 위한 마이크로 반응기에 대한 단면도이다. 3 is a cross-sectional view of a microreactor to avoid this problem of precipitation.

도 3을 참조하면, 유입 챔버(320)는 유입채널(310)로부터 마이크로 채널(330)쪽으로 갈수록 단면적이 일정하게 커지는 방사형 구조를 갖는다. 즉, 종래의 유입 챔버(320)에서 유체의 흐름이 발생하지 않아 적체(stagnation)되는 영역을 유입 챔버로부터 제거하여, 유입 챔버(320)의 모든 영역에서 유체의 흐름이 발생한다. 하지만, 이 경우에도 유입채널로부터 각 마이크로 채널까지의 거리가 상이하므로, 마이크로 채널에 유입되는 유체의 유속은 각각의 마이크로 채널마다 상이하며, 이것은 마이크로 반응기 효율을 떨어뜨린다.Referring to FIG. 3, the inflow chamber 320 has a radial structure in which a cross-sectional area is constantly increased toward the micro channel 330 from the inflow channel 310. That is, the fluid flow does not occur in the conventional inflow chamber 320 and thus removes the stagnant region from the inflow chamber, so that the fluid flow occurs in all regions of the inflow chamber 320. However, even in this case, since the distance from the inlet channel to each micro channel is different, the flow rate of the fluid flowing into the micro channel is different for each micro channel, which reduces the micro reactor efficiency.

이러한 마이크로 반응기의 유속 제어를 위한 다양한 형태의 반응기가 개시되고 있는데, C. Amador는 복수의 병렬 구조를 갖는 반응기를 개시하고 있다(C. Amodor, A. Gavriilidis, P. Angeli, Flow distribution in different microreactor scale-out geometries and the effect of manufacturing tolerances and channel blockage, Chemical Engineering Journal 101(2004) 379-390).Various types of reactors for controlling the flow rate of such microreactors are disclosed, and C. Amador discloses a reactor having a plurality of parallel structures (C. Amodor, A. Gavriilidis, P. Angeli, Flow distribution in different microreactors). scale-out geometries and the effect of manufacturing tolerances and channel blockage , Chemical Engineering Journal 101 (2004) 379-390).

도 4는 Amador에 의하여 개시되는 반응기의 단면도이다.4 is a sectional view of a reactor initiated by Amador.

도 4를 참조하면, 유입채널(410)로부터 유입되는 유체는 복수의 단계를 거치면서 다수의 마이크로 채널(420)로 흐르게 된다. 즉, Amador에 의하여 개시되는 마이크로 반응기는 유입 챔버를 제거하는 대신 유입되는 유체를 2개 유로로 분 할(split)하는 단계를 복수 배치함으로써, 유체 경로의 거리를 동일하게 함과 동시에 다수의 마이크로 채널을 형성할 수 있다. 하지만, 이 경우 흐르는 유체는 많은 수의 분할과정을 통하여 많은 에너지 손실을 가져올 수 있으며, 이는 비경제적이다. Referring to FIG. 4, the fluid flowing from the inflow channel 410 flows through the plurality of microchannels 420 through a plurality of steps. That is, the micro-reactor initiated by Amador divides the incoming fluid into two flow paths instead of removing the inlet chamber, thereby providing a plurality of microchannels at the same time as the distance of the fluid path. Can be formed. However, in this case, the flowing fluid can cause a large amount of energy loss through a large number of splitting processes, which is uneconomical.

상기 살펴본 바와 같이 마이크로 반응기, 특히 복수의 마이크로채널을 구비하는 마이크로 반응기에서 충분한 에너지 효율을 가지고 상기 마이크로채널의 유속을 균일하게 할 수 있는 마이크로 반응기는 현재까지 개시되어 있지 못하는 실정이다.As described above, a microreactor capable of uniformizing the flow rate of the microchannel with sufficient energy efficiency in a microreactor, particularly a microreactor having a plurality of microchannels, has not been disclosed to date.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 과제는 높은 에너지 효율을 가지며 동일한 속도와 압력 프로파일을 갖는 마이크로 반응기를 제공하는 데 있다.Accordingly, the first object of the present invention is to provide a micro reactor having high energy efficiency and having the same speed and pressure profile.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 두 번째 과제는 상기 마이크로 반응기를 이용한 화학 공정 시스템을 제공하는 데 있다.In addition, a second object of the present invention is to provide a chemical process system using the micro reactor.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 유입채널; 상기 유입채널이 일 측의 중심에 연결되며, 상기 유입채널로부터 유입되는 유체를 평면상에서 분산시키는 발산채널; 및 상기 발산채널의 타 측에 연결되어 상기 발산 채널에서 분산되는 유체가 유입되는 복수의 마이크로 채널에 있어서, The present invention in order to solve the above problems; A diverging channel connected to the center of one side of the inlet channel and dispersing a fluid flowing from the inlet channel on a plane; And a plurality of microchannels connected to the other side of the diverging channel, into which the fluid dispersed in the diverging channel flows.

상기 발산 채널의 타 측 중심으로부터 먼 거리의 마이크로 채널의 유체 이동 길이는 상기 발산 채널의 타 측 중심으로부터 가까운 거리의 마이크로 채널의 유체 이동 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 마이크로 반응기를 제공한다.The fluid flow length of the microchannel far from the center of the diverging channel is shorter than the fluid flow length of the microchannel of the distance from the other center of the diverging channel.

상기 형태의 마이크로 반응기에서 복수의 마이크로 채널이 갖는 유체 이동 길이의 차이는 상기 복수 마이크로 채널이 가지는 유체 유입부의 위치를 달리함으로써 달성할 수 있다.The difference in the fluid movement length of the plurality of microchannels in the above-described microreactor may be achieved by changing the position of the fluid inlet of the plurality of microchannels.

또한, 상기 마이크로 채널은 사각형의 덕트 타입이며, 상기 마이크로 채널에 유입되는 유체의 압력은 상기 마이크로 채널이 상기 발산 채널의 타 측 중심에 가까울수록 높으며, 이때 압력은 하기 식에 의하여 결정된다.In addition, the microchannel is a rectangular duct type, the pressure of the fluid flowing into the microchannel is higher as the microchannel near the other center of the diverging channel, the pressure is determined by the following equation.

Figure 112011000453389-pat00053
Figure 112011000453389-pat00053

(상기 식에서 μ는 점도, Q는 유량, a는 발산채널이 갖는 높이의 1/2, α는 유체 흐름 방향에 대하여 발산 채널의 일 면이 이루는 각이고, r은 유입채널과의 마이크로 채널의 유체 유입부 사이의 거리)Where μ is the viscosity, Q is the flow rate, a is 1/2 of the height of the diverging channel, α is the angle of one side of the diverging channel with respect to the fluid flow direction, and r is the fluid of the microchannel with the inlet channel. Distance between inlets)

또한, 상기 마이크로 채널에서 하기 식에 따라 유체의 압력 강하가 일어나며, In addition, the pressure drop of the fluid occurs according to the following equation in the microchannel,

Figure 112011000453389-pat00054
Figure 112011000453389-pat00054

(상기 식에서 μ는 점도, L은 마이크로 채널의 길이, DH는 수력 직경, um은 평균 유속이고, λNC는 비-원형 인자)Where μ is the viscosity, L is the length of the microchannel, D H is the hydraulic diameter, u m is the average flow rate, and λ NC is a non-circular factor)

또한, 유체 흐름 방향을 기준으로 마이크로 채널과 유입채널 사이의 거리 및 상기 발산 채널의 타 측의 중심으로부터 가장 가까이 연결된 마이크로 채널과 유입채널 사이의 거리가 이루는 길이 단차 x 는 하기 식에 의하여 계산된다.In addition, the length step x formed by the distance between the microchannel and the inflow channel with respect to the fluid flow direction and the distance between the microchannel and the inflow channel that is closest to the center of the other side of the diverging channel is calculated by the following equation.

Figure 112008012391491-pat00003
Figure 112008012391491-pat00003

(상기 식에서 w는 마이크로 채널의 너비, e는 마이크로 채널의 두께, λNC는 비-원형 인자, n은 마이크로 채널의 수, α는 유체 흐름 방향에 대하여 발산 채널의 일 면이 이루는 각, r'ref는 발산채널의 타 측의 중심으로부터 가장 먼 거리의 마이크로 채널의 유입부와 유입채널 간의 거리이며, r'는 마이크로 채널의 유체 유입부와 유입채널 간의 거리임)Where w is the width of the microchannel, e is the thickness of the microchannel, λ NC is a non-circular factor, n is the number of microchannels, and α is the angle of one side of the diverging channel with respect to the direction of fluid flow, r ' ref is the distance between the inlet and the inlet channel of the microchannel farthest from the center of the diverging channel, and r 'is the distance between the fluid inlet and the inlet channel of the microchannel)

또한, 상기 마이크로 반응기 내의 유체는 라미나 유체이다. In addition, the fluid in the microreactor is a lamina fluid.

상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 상기 형태의 마이크로 반응기를 하나 이상 포함하는 공정 시스템을 제공한다.In order to solve the second problem, the present invention provides a process system including one or more microreactors of the above type.

본 발명에 따른 공정 시스템은 상기 마이크로 반응기를 둘 이상 포함하며, 이때 상기 마이크로 반응기는 병렬적으로 구성될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 공정 시스템은 화학 또는 생물 공정에 적용될 수 있다.The process system according to the invention comprises at least two microreactors, wherein the microreactors can be configured in parallel. The process system according to the invention can also be applied to chemical or biological processes.

본 발명은 충분한 에너지 효율을 유지하면서, 마이크로채널의 유속을 균일하게 할 수 있는 구조의 마이크로 반응기를 제공할 수 있으며, 그 결과 상기 마이크로 채널을 지나 혼합 영역으로 유입되는 반응물질은 각 마이크로 채널마다 동일한 열전달 및 물질 전달을 발생시키므로, 사용자의 공정 제어가 보다 용이하다.The present invention can provide a micro-reactor having a structure that can make the flow rate of the microchannel uniform while maintaining sufficient energy efficiency, so that the reactant flowing through the microchannel into the mixing region is the same for each microchannel. By generating heat transfer and mass transfer, the user's process control is easier.

본 발명은 유입채널; 상기 유입채널이 일 측의 중심에 연결되며, 상기 유입채널로부터 유입되는 유체를 평면상에서 분산시키는 발산채널; 및 상기 발산채널의 타 측에 연결되어 상기 발산 채널에서 분산되는 유체가 유입되는 마이크로 채널에 있어서, 유체 흐름 방향을 기준으로 할 때, 상기 발산 채널의 타 측 중심으로부터 먼 거리의 마이크로 채널과 상기 유입채널 사이의 거리는 상기 발산 채널의 타 측 중심으로부터 가까운 거리의 마이크로 채널과 상기 유입채널 사이의 거리보다 더 짧은 것을 특징으로 마이크로 반응기를 제공한다.The present invention is an inlet channel; A diverging channel connected to the center of one side of the inlet channel and dispersing a fluid flowing from the inlet channel on a plane; And a microchannel connected to the other side of the diverging channel and into which the fluid dispersed in the diverging channel flows, wherein the microchannel and the inflow of a distance from the center of the other side of the diverging channel are far from each other based on the fluid flow direction. The distance between the channels is shorter than the distance between the inlet channel and the microchannel of a close distance from the other center of the diverging channel provides a micro reactor.

이하 도면을 이용하여 본 발명에 따른 마이크로 반응기를 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the microreactor according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 5a 및 5b는 본 발명에 따른 상기 마이크로 반응기를 나타내는 단면도 및 사시도이다.5A and 5B are a cross-sectional view and a perspective view of the micro reactor according to the present invention.

도 5a 및 5b를 참조하면, 상기 마이크로 반응기는 유입채널(510)과 상기 유입채널이 일 측에 연결하여 상기 유입채널(510)로부터 유입되는 유체를 보다 넓은 면적으로 분산시키는 부채꼴 형태의 발산채널(diverging channel, 520)을 포함하며, 상기 발산채널(520)의 타 측으로는 복수의 마이크로 채널(530)이 연결된다. 이때, 상기 마이크로 반응기는 평면 마이크로 반응기이므로, 유입되는 유체의 수직이동은 없으며, 상기 발산채널(520)에서 유입되는 유체는 일차원적으로 확산, 분산되는데, 이는 아래에서 보다 상세히 설명된다.5A and 5B, the micro reactor includes an inlet channel 510 and an inlet channel having a fan-shaped diverging channel for dispersing the fluid flowing from the inlet channel 510 into a larger area. A diverging channel 520 is included, and a plurality of micro channels 530 are connected to the other side of the diverging channel 520. In this case, since the microreactor is a planar microreactor, there is no vertical movement of the incoming fluid, and the fluid flowing in the diverging channel 520 is diffused and dispersed in one dimension, which will be described in more detail below.

상기 발산채널(520)을 상세히 설명하면, 상기 발산 채널(520)은 침전 (stagnation) 등과 같은 문제를 피하기 위하여 상기 유입채널(510)로부터 상기 복수의 마이크로 채널(530)까지 균일한 경사를 갖는 부채꼴 형태가 바람직하다. 이로써, 반응기 구조에 따른 유체의 압력강하가 최소한으로 유지될 수 있다.Referring to the diverging channel 520 in detail, the diverging channel 520 is a fan shape having a uniform slope from the inlet channel 510 to the plurality of micro channels 530 in order to avoid problems such as stagnation (stagnation). The form is preferred. In this way, the pressure drop of the fluid according to the reactor structure can be kept to a minimum.

또한 본 발명에 따른 마이크로 반응기의 마이크로 채널을 살펴보면, 마이크 로 반응기 타 측(520a)의 중심에 가까운 거리에 연결된 마이크로 채널의 유입부(530a)보다 상기 타 측(520a) 중심에 먼 거리에 연결된 마이크로 채널의 유입부(530b)는 더 짧은 유체 이동길이를 가지는데, 본 발명에서는 상기 마이크로 채널의 유출부의 위치는 평행하게 하는 대신에 발산채널에서 유체가 유입되는 유입부의 위치를 달리함으로써 이러한 유체 이동 길이를 달리하였다. In addition, when looking at the micro-channel of the micro reactor according to the present invention, the micro-reactor connected to a distance farther to the center of the other side 520a than the inlet 530a of the microchannel connected to a distance close to the center of the micro-reactor other side (520a) The inlet portion 530b of the channel has a shorter fluid movement length. In the present invention, the fluid movement length is changed by changing the position of the inflow portion where the fluid enters the diverging channel instead of parallelizing the position of the outlet portion of the microchannel. Was different.

즉, 본 발명에 따른 마이크로 반응기의 마이크로 채널은 상기 발산 채널의 타측 중심으로부터 멀리 위치한 마이크로 채널이 중심에 가까이 위치한 마이크로 채널에 비하여 유체 흐름 방향을 기준으로 유입 채널로부터 더 멀리 떨어져 있는 형태를 가지며, 그 결과 상기 발산 채널의 타 측 중심으로부터 멀어질수록 마이크로 채널은 보다 짧은 길이를 가지게 되고, 그 결과 유체의 이동길이가 짧아진다.That is, the microchannel of the microreactor according to the present invention has a form in which the microchannel located far from the other center of the diverging channel is farther from the inflow channel based on the fluid flow direction than the microchannel located near the center thereof. As a result, the farther away from the other center of the diverging channel, the shorter the microchannel, and the shorter the moving length of the fluid.

그 결과 본 발명은 상술한 보다 긴 경로의 마이크로 채널(중심쪽)이 갖는 보다 큰 압력 강하를 이용하여 마이크로 채널 간의 유속을 동일하게 분포시키게 되는데, 이를 위하여 본 발명에서는 상기 복수의 마이크로 채널의 각 유입부에서는 유체 압력이 상이하다는 점을 이용한다. 즉, 본 발명에 따른 마이크로 반응기에서의 유체의 압력은 상기 유입채널로부터 가까운 거리일수록 높으므로, 본 발명에 따른 마이크로 채널 구성에 있어서, 내측 마이크로 채널의 유입부는 외측 마이크로 채널 유입부에 비하여 높은 압력을 갖는다. 따라서, 본 발명은 이러한 내측 마이크로 채널 유입부의 높은 압력과 외측 마이크로 채널 유입부가 갖는 낮은 압력이 갖는 압력 차이를 상기 마이크로 채널간의 경로차이에 의하여 보상하는 것을 기술적 특징으로 하며, 그 결과 마이크로 채널들 간의 압력차는 없어지고, 동일한 압력을 갖게 된다. As a result, the present invention uses the larger pressure drop of the above-described long path microchannel (center side) to distribute the flow rates among the microchannels equally. In the section, the fluid pressure is different. That is, the pressure of the fluid in the micro reactor according to the present invention is higher the closer the distance from the inlet channel, in the microchannel configuration according to the present invention, the inlet portion of the inner microchannel is higher than the outer microchannel inlet portion Have Accordingly, the present invention is characterized in that the pressure difference between the high pressure of the inner microchannel inlet and the low pressure of the outer microchannel inlet is compensated by the path difference between the microchannels, and as a result, the pressure between the microchannels. The car disappears and has the same pressure.

따라서, 각 마이크로 채널이 동일 위치에서 갖게 되는 동일 압력은 결국 마이크로 채널로부터 유출되는 유체 유량을 동일하게 하며, 사용자의 효과적인 공정 제어를 가능하게 한다.Thus, the same pressure that each microchannel will have at the same location will eventually equalize the flow rate of fluid flowing out of the microchannel and allow for effective process control of the user.

또한, 동일한 유속 및 유량을 갖는 본 발명의 마이크로 반응기를 응용한 공정 시스템이 가능한데, 이러한 공정은 화학 또는 생물 공정일 수 있다.In addition, a process system employing the microreactor of the present invention with the same flow rate and flow rate is possible, which process may be chemical or biological.

이러한 공정 시스템의 일 예로, 하나의 마이크로 반응기를 사용하는 경우 동일한 유속을 갖는 복수의 마이크로 채널 각각에 대하여 상이한 반응(이것은 예를 들면 각각의 마이크로 채널을 흐르는 공통의 반응물에 각기 상이한 또 다른 반응물을 혼합함으로써 달성될 수 있다)을 일으켜, 마이크로 채널마다 상이한 결과물을 얻는 공정 시스템이 가능하다.As an example of such a process system, when using one microreactor, different reactions are performed for each of a plurality of microchannels having the same flow rate (this is, for example, mixing different reactants with different reactants into a common reactant flowing through each microchannel). It is possible to achieve this by means of a process system which produces different results for each microchannel.

또 다른 예로서, 본 발명에 따른 마이크로 반응기를 복수개 병렬적으로 설치한 공정 시스템 또한 가능하다. 하지만, 어떠한 경우에도, 본 발명에 따른 공정 시스템은 전체 화학 반응에 있어 일정한 (homogeneous) 반응물 유입 및 혼합이 가능하다는 장점을 갖는다.As another example, a process system in which a plurality of micro reactors according to the present invention are installed in parallel is also possible. In any case, however, the process system according to the invention has the advantage of allowing homogeneous reactant inflow and mixing in the overall chemical reaction.

이와 같이 모든 마이크로 채널에서 동일한 유속을 갖는 마이크로 반응기의 구성에 있어서, 각 마이크로 유입부의 압력 및 마이크로 채널에서의 압력강하를 구하는 것은 매우 중요하며, 이하 상세히 설명한다.Thus, in the configuration of the micro reactor having the same flow rate in all the micro channels, it is very important to find the pressure of each micro inlet and the pressure drop in the micro channel, which will be described in detail below.

마이크로 채널 유입부 압력Micro Channel Inlet Pressure

본 발명에 따른 발산 채널은 실린더(r,θ, α)함수의 구조로 설명될 수 있다.The diverging channel according to the present invention can be described by the structure of the cylinder (r, θ, α) function.

도 6a 내지 6c는 본 발명의 발산 채널에 대한 함수를 표시한 발산채널의 전면도, 측면 단면도이다.6A-6C are front and side cross-sectional views of the diverging channel showing the function of the diverging channel of the present invention.

도 6a를 참조하면, r은 유입채널로부터의 거리를 나타내며, θ는 발산채널의 중심축으로부터의 각을 의미하며, α는 발산채널의 중심축과 발산채널의 외면이 이루는 각을 의미한다.Referring to FIG. 6A, r denotes a distance from the inflow channel, θ denotes an angle from the central axis of the diverging channel, and α denotes an angle formed between the central axis of the diverging channel and the outer surface of the diverging channel.

또한, 도 6b 및 6c를 참조하면, 상기 발산 채널의 외면(600a, 600b)이 이루는 각은 2α이고, 발산채널의 수직 높이(z)는 2a로 정의된다. 또한, 상기 높이(z)가 0이 되는 지점은 발산 채널의 중간으로 설정한다.6B and 6C, the angle formed by the outer surfaces 600a and 600b of the diverging channel is 2α, and the vertical height z of the diverging channel is defined as 2a. Also, the point at which the height z becomes zero is set to the middle of the diverging channel.

상기 발산 채널의 벽에 접한 곳의 유체는 정지된 것으로서, 즉, 노-슬립(no-slip)상태라 할 수 있다. 더 나아가, z축에서 채널의 높이는 다른 축의 길이 스케일과 비교하여 상대적으로 작은 차수 범위를 가지므로, 충분히 유체가 흘렀을 때의 z축 방향으로의 속도 분포는 포물선 형태를 나타낸다. 또한, 상기 발산채널에서의 유체는 완전한 구배를 나타내게 되는데, 유체 입자들의 수직(z축방향)으로의 속도는 0이며, θ방향으로의 속도 또한 0이다(vθ=vz=0).The fluid in contact with the wall of the diverging channel is stationary, i.e., no-slip. Furthermore, since the height of the channel in the z axis has a relatively small order range compared to the length scale of the other axes, the velocity distribution in the z-axis direction when the fluid flows sufficiently exhibits a parabolic shape. In addition, the fluid in the diverging channel exhibits a perfect gradient, where the velocity of the fluid particles in the vertical (z-axis direction) is zero and the velocity in the θ direction is also zero (v θ = v z = 0).

이러한 실린더형에서 연속방정식은 하기 수학식 1과 같다.The continuous equation in this cylindrical form is shown in Equation 1 below.

Figure 112008012391491-pat00004
Figure 112008012391491-pat00004

즉, rvr은 r에 대하여 독립적이고, 또한 vr은 Z-축 방향에서 포물선형을 나타내므로, 상기 수학식 1은 rvr=θ의 함수, z=f(θ)(a2-z2)라는 식으로 병합될 수 있다.That is, since rv r is independent of r and v r represents a parabola in the Z-axis direction, Equation 1 is a function of rv r = θ, z = f (θ) (a 2 -z 2 ) Can be merged.

상기 f(θ)는 Navier-Strokes 방정식의 해에 의하여 결정되며, 상기 경계 상태로부터, 측벽에서의 속도는 0이 되므로, θ=α: f(+α)=f(-α)=0이 된다.The f (θ) is determined by the solution of the Navier-Strokes equation, and since the velocity at the sidewall becomes 0 from the boundary state, θ = α: f (+ α) = f (−α) = 0 .

유속은 하기 수학식 2 의하여 결정된다.The flow rate is determined by the following equation.

Figure 112008012391491-pat00005
Figure 112008012391491-pat00005

상기 수학식 2로부터 주어진 Q에 대한 f(θ)를 특정할 수 있는데, 여기에서 꼭지점으로부터 발산(diverge)하는 유체는 양(+)의 값을 나타내고, 꼭지점을 향하여 수렴하는 유체는 음(-)의 값을 나타낸다. 따라서, 상기 수학식 2에 의하여 정의되는 Q가 양의 값이면 이는 유체의 유출(outflow)을 나타내며, 음의 값이면 유체의 유입(inflow)을 나타낸다.It is possible to specify f (θ) for Q given from Equation 2, where the fluid diverging from the vertex represents a positive value, and the fluid converging toward the vertex is negative. Indicates the value of. Therefore, if Q defined by Equation 2 is a positive value, it represents an outflow of the fluid, and a negative value represents an inflow of the fluid.

vθ=0이고

Figure 112008012391491-pat00006
일 때 Navier-Stokes 방정식의 r 및 θ 요소는 하기 수학식 3으로 표시된다.v θ = 0
Figure 112008012391491-pat00006
When r and θ elements of the Navier-Stokes equation is represented by the following equation (3).

Figure 112008012391491-pat00007
Figure 112008012391491-pat00007

Figure 112008012391491-pat00008
Figure 112008012391491-pat00008

rvr에 대한 상기 수학식을 치환하면, 아래의 수학식 4가 얻어진다.Substituting the above equation for rv r , the following equation (4) is obtained.

Figure 112008012391491-pat00009
Figure 112008012391491-pat00009

압력을 제거하기 위하여, θ에 대하여 상기 수학식 4의 첫 번째 식을 미분하였고, r에 대하여 두 번째 식을 미분하였으며, 그 결과는 아래의 수학식 5에 나타난다.To remove pressure, The first expression of Equation 4 is differentiated with respect to θ, and the second equation is differentiated with respect to r, and the result is shown in Equation 5 below.

Figure 112008012391491-pat00010
Figure 112008012391491-pat00010

상기 식으로부터 하기 수학식 6을 얻을 수 있다.The following equation (6) can be obtained from the above equation.

Figure 112008012391491-pat00011
Figure 112008012391491-pat00011

이것은 상기 정의된 f(θ)에 대한 세 가지 조건을 필요로 하는 제 3차 상미분 방정식이며, 이것은 독립, 비독립변수를 나타내는 데 있어 유용하다. 무차원화 된 각 Φ, 무차원화 된 유속 변수 F, 및 무차원화 된 채널 높이 ζ는 하기와 같이 정의된다.This is a third-order ordinary differential equation that requires three conditions for f ( θ ) defined above, which is useful for representing independent, non-independent variables. The dimensionless angle Φ, the dimensionless flow rate variable F, and the dimensionless channel height ζ are defined as follows.

Figure 112008012391491-pat00012
Figure 112008012391491-pat00012

Φ는 -1 및 +1 사이의 범위에 있으며, 수학식 6 및 경계 및 표면 상태에 관한 상기 수학식 2 등은 하기의 수학식 7이 된다.Φ is in a range between -1 and +1, and Equation 6 and Equation 2 regarding the boundary and surface states are represented by Equation 7 below.

Figure 112008012391491-pat00013
Figure 112008012391491-pat00013

여기에서 R은 점도 스트레스(μQ의 차수)에 대한 관성(ρQ2) 비를 나타내며, 이것은 레이놀즈 수와 유사한 역할을 수행한다. R은 또한 유출되는 유체인지 또는 유입되는 유체인지에 따라 양(+)의 값을 갖거나 음(-)의 값을 갖는다. 또한,

Figure 112008012391491-pat00014
일 때, R은 0이 된다. Where R represents the ratio of inertia (ρQ 2 ) to viscosity stress (order of μQ), which plays a role similar to the Reynolds number. R also has a positive value or a negative value depending on whether it is an outflowing fluid or an incoming fluid. Also,
Figure 112008012391491-pat00014
When R is 0.

이러한 발산 채널에서 채널 높이는 r과 비교하여 볼 때 상대적으로 적으며, 따라서 꼭지점 부근을 제외하고는 kr은 +값을 갖는다. In this diverging channel, the channel height is relatively small compared to r, so k r has a positive value except near the vertex.

F와 Φ는 단위 크기 차수를 가지며, 더 나아가, F에서의 변화는 크기 차수 단위이고, 이것은 단위 차수의 Φ 변화에 따라 나타난다. 따라서, 변수 F는 단위 크기 차수 f로 예상된다. 상기 수학식 7의 첫 번째 방정식에 나타난 각각의 F는 krα 또는 R을 곱한 단위 차수를 가지며, 이로써 krα 및 R은 상기 수학식 7의 첫 번째 방정식에서의 각 변수의 상대적 중요도를 결정할 수 있다.F and Φ have a unit size order, and furthermore, the change in F is a magnitude order unit, which appears as a change in φ of the unit order. Thus, the variable F is expected to be in unit size order f. Each F shown in the first equation of Equation 7 has a unit order multiplied by k r α or R, whereby k r α and R determine the relative importance of each variable in the first equation of Equation 7 above. Can be.

마이크로 반응기의 발산 채널에서, R의 각 부분의 크기 차수(order of magnitude)는 SI단위로

Figure 112008012391491-pat00015
,
Figure 112008012391491-pat00016
,
Figure 112008012391491-pat00017
, 이 된다.In the diverging channel of the microreactor, the order of magnitude of each part of R is in SI units.
Figure 112008012391491-pat00015
,
Figure 112008012391491-pat00016
,
Figure 112008012391491-pat00017
, Becomes.

대부분의 화학 또는 생물학적 반응에서, 유체의 속도는 아음속에 비하여 상당히 느리므로, R의 물리량 차수는 단위수치보다 상당히 작다. 이와 같이 R이 상대적으로 매우 작으므로, 상기 수학식 7의 첫번째 방정식의 R에 0을 대입하여서 얻어지는 해는 무시하여도 좋을 수준의 오차를 갖는다. 이와 같은 방식으로 얻어진 방 정식은 하기 수학식 8과 같다.In most chemical or biological reactions, the velocity of the fluid is significantly slower than subsonic, so the physical quantity order of R is significantly smaller than the unit value. Thus, since R is relatively small, the solution obtained by substituting 0 into R of the first equation of Equation 7 has a level of error that can be ignored. The equation obtained in this manner is as shown in Equation 8 below.

Figure 112011000453389-pat00062
Figure 112011000453389-pat00062

이제, 비선형 방적식인 상기 수학식 7의 첫 번째 방정식이 선형 방정식인 수학식 7의 두 번째 방정식이 되며, Φ에 대하여 독립적인 계수를 갖게 되며, 일반식은 하기 수학식 9와 같다.Now, the first equation of Equation 7, which is a nonlinear spin equation, becomes the second equation of Equation 7, which is a linear equation, and has an independent coefficient with respect to Φ, and the general equation is represented by Equation 9 below.

Figure 112008012391491-pat00019
Figure 112008012391491-pat00019

수학식 7의 두 번째 및 세 번째 식의 항으로부터, 수학식 9의 방정식은 하기 수학식 10으로 정리될 수 있다.From the second and third terms of Equation 7, the equation of Equation 9 can be summarized as Equation 10 below.

Figure 112008012391491-pat00020
Figure 112008012391491-pat00020

또한, 상기 수학식 10은 하기의 방정식으로 바꾸어 정리할 수 있다.In addition, Equation 10 can be rearranged by the following equation.

Figure 112008012391491-pat00021
Figure 112008012391491-pat00021

반응기가 긴 거리를 갖는 경우 수직 운동은 존재할 수 없으며, 압력 강하를 계산할 때 중력에 의한 영향도 무시될 수 있다. 따라서, 수학식 5를 적분함으로써 압력을 얻을 수 있다. 하지만, 수학식 5의 각 항이 갖는 크기 차수를 고려하여 볼때, 압력은 간단히 얻을 수 있는데, 먼저 수학식 5의 첫 번째 방정식은 하기 수학식 12와 같이 정리될 수 있다.If the reactor has a long distance, no vertical motion can be present, and the effects of gravity can be ignored when calculating the pressure drop. Therefore, the pressure can be obtained by integrating the equation (5). However, considering the magnitude order of each term in Equation 5, the pressure can be simply obtained. First, the first equation of Equation 5 can be summarized as in Equation 12 below.

Figure 112008012391491-pat00022
Figure 112008012391491-pat00022

수학식 12의 각 항이 갖는 크기 차수 또는 범위(SI 단위)는 각각The magnitude order or range (SI unit) of each term of Equation 12 is

Figure 112008012391491-pat00023
,
Figure 112008012391491-pat00024
,
Figure 112008012391491-pat00025
,
Figure 112008012391491-pat00026
,
Figure 112008012391491-pat00027
이다. 따라서, 상기 식의 우변의 첫 번째 및 두 번째 항은 상기 수학식 12의 세 번째 항보다 각각 10-7 및 10-6정도 적다. 따라서, 수학식 5의 두 번째 식에 따른 θ방향의 압력 강하의 차수는 10-5 보다 적다.
Figure 112008012391491-pat00023
,
Figure 112008012391491-pat00024
,
Figure 112008012391491-pat00025
,
Figure 112008012391491-pat00026
,
Figure 112008012391491-pat00027
to be. Thus, the first and second terms on the right side of the equation are 10 −7 and 10 −6 less than the third term in Equation 12, respectively. Therefore, the degree of pressure drop in the θ direction according to the second equation of Equation 5 is less than 10 −5 .

따라서, 3-방향에서의 개략적인 압력 강하는 하기 수학식 13과 같이 정리될 수 있다.Therefore, the rough pressure drop in the 3-direction can be summarized as in Equation 13 below.

Figure 112008012391491-pat00028
Figure 112008012391491-pat00028

상기 수학식으로부터 발산 챔버가 갖는 등압선은 상기 발산 챔버의 유입부( 유입채널이 연결되는 지점)로부터의 거리 r이 반지름이 되는 원호모양을 갖는다. 크기 차수 분석으로부터 상기 발산 챔버에서의 r-방향에서의 압력강하는 압도적이며, 따라서 θ-방향에서의 압력은 θ=0의 경우와 동일한 것으로 가정될 수 있다. 비록 f(θ)가 r,k로 표시되지 않고, r의 함수로 표시되지만, 임의의 r, k에 대하여도 양의 값을 가져야하므로, kr은 k로 대체될 수 있다. 그 결과 상기 수학식 13은 하기의 수학식 14로 간단히 정리될 수 있다.The isobar of the diverging chamber from the above equation has an arc shape in which the distance r from the inlet of the diverging chamber (the point where the inlet channel is connected) becomes a radius. From the magnitude order analysis, the pressure drop in the r-direction in the divergence chamber is overwhelming, so the pressure in the θ -direction can be assumed to be the same as for θ = 0. Although f (θ) is not expressed as r, k but as a function of r, k r can be replaced by k because it must have a positive value for any r, k. As a result, Equation 13 may be simply summarized by Equation 14 below.

Figure 112011000453389-pat00056
Figure 112011000453389-pat00056

마이크로 채널에서의 압력 강하Pressure drop in microchannel

상술한 방법을 통하여 유입부로부터 거리 r의 위치에 있는 마이크로 채널 유입부의 압력을 구할 수 있다. Through the above-described method, the pressure of the microchannel inlet at the position of the distance r from the inlet can be obtained.

따라서, 상기 마이크로 채널 유입부로부터 마이크로 채널로 흐르는 유체에 대하여 발생하는 유체의 압력을 유동 거리에 관하여 구할 필요가 있으며, 이는 하기 상세히 설명된다.Therefore, it is necessary to find the pressure of the fluid generated with respect to the fluid flowing from the microchannel inlet to the microchannel with respect to the flow distance, which will be described in detail below.

본 압력강하의 관계식은 모두 상기 마이크로 채널을 흐르는 유체가 라미나 유체임을 전제하며, 상기 마이크로 채널이 원형인 경우 평균 속도 um을 갖는 라미나 유체의 압력강하는 Hagen-Poiseuille 방정식을 사용하여 측정할 수 있다. 하지만, 비-원형 채널은 비-원형 인자 λNC와 함께 채널 수력 직경DH는 압력 강하 계산을 위한 Hagen-Poiseuille 방정식에 포함되어야 할 필요가 있는데, 여기에서 λNC는 함수 e/w이며, 이것은 상기 마이크로 채널이 덕트 형태인 경우 덕트의 너비와 두께의 비율이다(원형 채널인 경우 상기 λNC=1이된다). 따라서 Hagen-Poiseuille 방정식에 따른 압력강하(길이 L, 너비 w 및 두께 e)는 하기 수학식 15로 정리된다.The pressure drop relations all assume that the fluid flowing through the microchannel is a lamina fluid, and if the microchannel is circular, the pressure drop of the lamina fluid with an average velocity u m can be measured using the Hagen-Poiseuille equation. Can be. However, non-circular channel is non-it is necessary to be included in the Hagen-Poiseuille equation for a circular parameter λ NC and channel hydraulic diameter D H is the pressure drop with the calculated, where λ NC is a function e / w, this If the microchannel is in the form of a duct it is the ratio of the width and thickness of the duct (in the case of a circular channel the λ NC = 1). Therefore, the pressure drop (length L, width w and thickness e) according to the Hagen-Poiseuille equation is summarized by Equation 15 below.

Figure 112011000453389-pat00057
Figure 112011000453389-pat00057

여기에서 수력 직경 DH 및 비-원형성 인자 λNC는 하기 수학식 16으로 구할 수 있다. The hydraulic diameter D H and the non-prototype factor λ NC can be obtained from the following equation (16).

Figure 112008012391491-pat00031
Figure 112008012391491-pat00031

마이크로채널을 거치는 동안 평균 속도 um은 편의를 위하여 하기와 같은 유속으로 전환될 수 있으며, 이때의 압력강하는 하기 수학식 17과 같다.While passing through the microchannel, the average speed u m may be converted to a flow rate as follows for convenience, and the pressure drop at this time is expressed by Equation 17 below.

Figure 112011000453389-pat00058

Figure 112011000453389-pat00061
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압력 강하에 따른 마이크로 채널 길이의 계산Calculation of the microchannel length according to the pressure drop

도 7을 참조하면, 발산 채널의 타 측 중심으로부터 가장 가까운 거리의 마이크로 채널의 유입부(710)와 유입 채널(720) 사이의 거리를 r'ref로 설정한 후 상술한 수학식으로부터 유도된 하기 수학식 18에 따라 상기 가장 가까운 거리의 마이크로 채널에 대하여 구하고자 하는 마이크로 채널이 갖는 유체 흐름 방향에서의 길이 단차 x를 계산하였다.Referring to FIG. 7, the distance between the inlet 710 of the microchannel and the inlet channel 720 of the closest distance from the other center of the diverging channel is set to r ′ ref and then derived from the above-described equation. According to Equation 18, the length step x in the fluid flow direction of the microchannel to be obtained for the closest microchannel is calculated.

Figure 112008012391491-pat00034
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Figure 112008012391491-pat00035
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상기 식에서 w는 마이크로 채널의 너비, e는 마이크로 채널의 두께, λNC는 비-원형 인자, n은 마이크로 채널의 수, α는 유체 흐름 방향에 대하여 발산 채널의 일 면이 이루는 각, r'ref는 발산채널의 타 측의 중심으로부터 가장 가까운 거리의 마이크로 채널의 유입부와 유입채널 간의 거리이며, r'는 돌출 거리 x를 구하고자 하는 특정 마이크로 채널의 유체 유입부와 유입채널 간의 거리이다.Where w is the width of the microchannel, e is the thickness of the microchannel, λ NC is a non-circular factor, n is the number of microchannels, α is the angle of one side of the diverging channel with respect to the direction of fluid flow, r ' ref Is the distance between the inlet and the inlet channel of the microchannel nearest the distance from the center of the other side of the diverging channel, r 'is the distance between the fluid inlet and the inlet channel of the particular microchannel to obtain the projection distance x.

이로써, 발산 채널의 타 측 중심으로부터 가장 먼 거리의 마이크로 채널이 시작되는 지점에서부터 모든 마이크로 채널의 압력과 유속은 동일해진다.In this way, the pressures and flow rates of all the microchannels are the same from the point where the farthest microchannel starts from the other center of the diverging channel.

실시예Example

본 발명에 따른 마이크로 반응기에 흐르는 유체의 유속을 수치해석 프로그램(Computational Fluid Dynamics, CFD)을 이용, 분석하였다. The flow rate of the fluid flowing in the micro reactor according to the present invention was analyzed using a numerical analysis program (Computational Fluid Dynamics, CFD).

도 8a 및 8b는 본 발명에 따른 마이크로 반응기에 대한 유속 분포를 CFD으로 분석한 그래프이다.8a and 8b are graphs analyzed by CFD of the flow rate distribution for the microreactor according to the present invention.

도 8a에서 발산 채널 내의 원호는 등압선을 나타내며, 상기 발산 채널의 내측의 마이크로채널 유입부의 압력이 외측의 마이크로채널 유입부의 압력보다 높은 것을 알 수 있다.In FIG. 8A, the arc in the diverging channel represents an isobar, and it can be seen that the pressure of the microchannel inlet inside the diverging channel is higher than the pressure of the microchannel inlet outside.

도 8b은 상기 마이크로 채널에서의 압력 분포를 나타내는 다이어그램이며, 도 8b를 참조하면, 모든 마이크로 채널에서 유속은 일정하다는 것을 알 수 있다.8B is a diagram showing the pressure distribution in the microchannels, and referring to FIG. 8B, it can be seen that the flow velocity is constant in all the microchannels.

즉, 내측 마이크로 채널의 유입부에서의 상대적으로 높은 압력은 상기 길이 차에 따라 압력 강하에 의하여 떨어지며, 이로써 모든 마이크로 채널간에는 동일압력을 갖게 되고, 그 결과 상기 마이크로 채널간의 유속분포는 동일해진다.In other words, the relatively high pressure at the inlet of the inner microchannel drops due to the pressure drop in accordance with the length difference, thereby making the same pressure between all the microchannels, and as a result, the flow rate distribution between the microchannels is the same.

비교예Comparative example

도 9a 및 9b는 종래의 기술에 따른 마이크로 반응기에 대한 CFD 분석 결과이다.9A and 9B show CFD analysis results for a micro reactor according to the related art.

도 9a를 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로 반응기와 같이 발산 채널의 내측에 결합된 마이크로 채널 유입부의 압력이 외측에 결합된 마이크로 채널 유입부보다 높다는 것을 알 수 있다.9A, it can be seen that the pressure of the microchannel inlet coupled to the inside of the diverging channel, such as the microreactor according to the present invention, is higher than that of the microchannel inlet coupled to the outside.

하지만, 도 9b를 참조하면 종래의 마이크로 채널은 길이가 일정하므로 이러한 압력 차이를 감쇄시킬 수 없으며, 이러한 압력의 차이는 마이크로 채널 전체에 걸쳐서 동일한 양상으로 나타난다.However, referring to FIG. 9B, since the conventional microchannels have a constant length, the pressure difference cannot be attenuated, and the pressure difference appears in the same aspect throughout the microchannel.

도 1은 종래의 기술에 따른 매니폴드형의 마이크로채널 반응기에 대한 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a manifold-type microchannel reactor according to the prior art.

도 2는 종래의 마이크로 반응기에 대한 단면도이다. 2 is a cross-sectional view of a conventional micro reactor.

도 3은 종래 기술에 따른 또 다른 형태의 마이크로 반응기에 대한 단면도이다. 3 is a cross-sectional view of another type of microreactor according to the prior art.

도 4는 Amador에 의하여 개시되는 반응기의 단면도이다.4 is a sectional view of a reactor initiated by Amador.

도 5a 및 5b는 본 발명에 따른 상기 마이크로 반응기를 나타내는 단면도 및 사시도이다.5A and 5B are a cross-sectional view and a perspective view of the micro reactor according to the present invention.

도 6a 내지 6c는 각각 본 발명에 따른 발산 채널의 단면도 및 측면도이다.6A-6C are cross-sectional and side views, respectively, of the diverging channel according to the present invention.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 거리 x 만큼 삽입된 마이크로 채널을 구비하는 마이크로 반응기를 나타내는 단면도이다.FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a micro reactor having a micro channel inserted by a distance x according to an embodiment of the present invention.

도 8a 및 8b는 본 발명에 따른 마이크로 반응기에 대한 유속 분포를 CFD으로 분석한 그래프이다.8a and 8b are graphs analyzed by CFD of the flow rate distribution for the microreactor according to the present invention.

도 9a 및 9b는 종래의 기술에 따른 마이크로 반응기에 대한 CFD 분석 결과이다.9A and 9B show CFD analysis results for a micro reactor according to the related art.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

510.....유입채널 520.....발산채널510 ..... influent channel 520 ..... divergent channel

530.....마이크로 채널530 ..... micro channel

Claims (10)

유입채널; 상기 유입채널이 일 측의 중심에 연결되며, 상기 유입채널로부터 유입되는 유체를 평면상에서 분산시키는 발산채널; 및 상기 발산채널의 타 측에 연결되어 상기 발산 채널에서 분산되는 유체가 유입되는 복수의 마이크로 채널에 있어서, Inflow channel; A diverging channel connected to the center of one side of the inlet channel and dispersing a fluid flowing from the inlet channel on a plane; And a plurality of microchannels connected to the other side of the diverging channel, into which the fluid dispersed in the diverging channel flows. 상기 발산 채널의 타 측 중심으로부터 먼 거리의 마이크로 채널의 유체 이동 길이는 상기 발산 채널의 타 측 중심으로부터 가까운 거리의 마이크로 채널의 유체 이동 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 마이크로 반응기.And the fluid movement length of the microchannel far from the center of the diverging channel is shorter than the fluid movement length of the microchannel of distance from the other center of the diverging channel. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 마이크로 채널 간의 유체 이동 길이의 차이는 상기 복수의 마이크로 채널의 유체 유입부 위치를 달리함으로써 달성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 반응기.Wherein the difference in fluid travel length between the microchannels is achieved by varying the location of the fluid inlets of the plurality of microchannels. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 마이크로 채널은 사각형의 덕트 타입인 것을 특징으로 하는 마이크로 반응기.The micro-reactor is characterized in that the rectangular duct type. 유입채널; 상기 유입채널이 일 측의 중심에 연결되며, 상기 유입채널로부터 유입되는 유체를 평면상에서 분산시키는 발산채널; 및 상기 발산채널의 타 측에 연결되어 상기 발산 채널에서 분산되는 유체가 유입되는 복수의 마이크로 채널에 있어서, Inflow channel; A diverging channel connected to the center of one side of the inlet channel and dispersing a fluid flowing from the inlet channel on a plane; And a plurality of microchannels connected to the other side of the diverging channel, into which the fluid dispersed in the diverging channel flows. 상기 발산 채널의 타 측 중심으로부터 먼 거리의 마이크로 채널의 유체 이동 길이는 상기 발산 채널의 타 측 중심으로부터 가까운 거리의 마이크로 채널의 유체 이동 길이보다 짧고, 상기 유체는 라미나 유체인 마이크로 반응기로서,A fluid flow length of a microchannel far from the center of the diverging channel is shorter than a fluid flow length of the microchannel of a distance from the center of the diverging channel, wherein the fluid is a lamina fluid. 상기 마이크로 채널에 유입되는 유체의 압력은 상기 마이크로 채널이 상기 발산 채널의 타 측 중심에 가까울수록 높으며, 이때 압력은 하기 식에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 마이크로 반응기.The pressure of the fluid flowing into the micro channel is higher as the micro channel is closer to the other center of the diverging channel, wherein the pressure is determined by the following equation.
Figure 112011000453389-pat00059
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(상기 식에서 μ는 점도, Q는 유량, a는 발산채널이 갖는 높이의 1/2, α는 유체 흐름 방향에 대하여 발산 채널의 일 면이 이루는 각이고, r은 유입채널과의 마이크로 채널의 유체 유입부 사이의 거리)Where μ is the viscosity, Q is the flow rate, a is 1/2 of the height of the diverging channel, α is the angle of one side of the diverging channel with respect to the fluid flow direction, and r is the fluid of the microchannel with the inlet channel. Distance between inlets)
유입채널; 상기 유입채널이 일 측의 중심에 연결되며, 상기 유입채널로부터 유입되는 유체를 평면상에서 분산시키는 발산채널; 및 상기 발산채널의 타 측에 연결되어 상기 발산 채널에서 분산되는 유체가 유입되는 복수의 마이크로 채널에 있어서, Inflow channel; A diverging channel connected to the center of one side of the inlet channel and dispersing a fluid flowing from the inlet channel on a plane; And a plurality of microchannels connected to the other side of the diverging channel, into which the fluid dispersed in the diverging channel flows. 상기 발산 채널의 타 측 중심으로부터 먼 거리의 마이크로 채널의 유체 이동 길이는 상기 발산 채널의 타 측 중심으로부터 가까운 거리의 마이크로 채널의 유체 이동 길이보다 짧고, 상기 유체는 라미나 유체이고, 상기 마이크로 채널은 사각형의 덕트 타입인 마이크로 반응기로서,The fluid movement length of the microchannel far from the center of the diverging channel is shorter than the fluid movement length of the microchannel of distance from the other center of the diverging channel, the fluid is a lamina fluid, and the microchannel As a rectangular duct type micro reactor, 상기 마이크로 채널에서 유체의 압력강하는 하기 식에 따라 일어나는 것을 특징으로 하는 마이크로 반응기.The pressure drop of the fluid in the micro channel is characterized in that according to the following formula.
Figure 112011000453389-pat00060
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(상기 식에서 μ는 점도, L은 마이크로 채널의 길이, DH는 수력 직경, um은 평균 유속이고, λNC는 비-원형 인자)Where μ is the viscosity, L is the length of the microchannel, D H is the hydraulic diameter, u m is the average flow rate, and λ NC is a non-circular factor)
유입채널; 상기 유입채널이 일 측의 중심에 연결되며, 상기 유입채널로부터 유입되는 유체를 평면상에서 분산시키는 발산채널; 및 상기 발산채널의 타 측에 연결되어 상기 발산 채널에서 분산되는 유체가 유입되는 복수의 마이크로 채널에 있어서, Inflow channel; A diverging channel connected to the center of one side of the inlet channel and dispersing a fluid flowing from the inlet channel on a plane; And a plurality of microchannels connected to the other side of the diverging channel, into which the fluid dispersed in the diverging channel flows. 상기 발산 채널의 타 측 중심으로부터 먼 거리의 마이크로 채널의 유체 이동 길이는 상기 발산 채널의 타 측 중심으로부터 가까운 거리의 마이크로 채널의 유체 이동 길이보다 짧고, 상기 유체는 라미나 유체이고, 상기 마이크로 채널은 사각형의 덕트 타입인 마이크로 반응기로서,The fluid movement length of the microchannel far from the center of the diverging channel is shorter than the fluid movement length of the microchannel of distance from the other center of the diverging channel, the fluid is a lamina fluid, and the microchannel As a rectangular duct type micro reactor, 유체 흐름 방향을 기준으로 마이크로 채널과 유입채널 사이의 거리 및 상기 발산 채널의 타 측의 중심으로부터 가장 가까이 연결된 마이크로 채널과 유입채널 사이의 거리가 이루는 길이단차 x 는 하기 식에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 마이크로 반응기.The length step x formed by the distance between the microchannel and the inflow channel and the distance between the microchannel and the inflow channel that are closest to each other from the center of the diverging channel based on the fluid flow direction is calculated by the following equation. Micro reactor.
Figure 112011000453389-pat00063
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(상기 식에서 w는 덕트의 너비, e는 덕트의 두께, λNC는 비-원형 인자, n은 마이크로 채널의 수, α는 유체 흐름 방향에 대하여 발산 채널의 일 면이 이루는 각, r'ref는 발산채널의 타 측의 중심으로부터 가장 가까운 거리의 마이크로 채널의 유입부와 유입채널 간의 거리이며, r'은 돌출 거리 x를 구하고자 하는 특정 마이크로 채널의 유체 유입부와 유입채널 간의 거리.) Where w is the width of the duct, e is the thickness of the duct, λ NC is a non-circular factor, n is the number of microchannels, α is the angle of one side of the diverging channel with respect to the direction of fluid flow, r ' ref is The distance between the inflow channel and the inflow channel of the microchannel closest to the center of the diverging channel, and r 'is the distance between the fluid inflow section and the inflow channel of the specific microchannel for which the projection distance x is to be obtained.)
제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 유체는 라미나 유체인 것을 특징으로 하는 마이크로 반응기.And the fluid is a lamina fluid. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 마이크로 반응기를 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 시스템.Process system characterized in that it comprises at least one microreactor according to any one of the preceding claims. 제 8항에 있어서, The method of claim 8, 상기 마이크로 반응기를 둘 이상 포함하며, 이때 상기 마이크로 반응기는 병렬적으로 구성된 것을 특징으로 하는 공정 시스템.And at least two microreactors, wherein the microreactors are configured in parallel. 제 8항에 있어서, The method of claim 8, 상기 공정 시스템은 화학 또는 생물 공정에 적용될 수 있는 것을 특징으로 하는 공정 시스템.Said process system being applicable to a chemical or biological process.
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