DE102012213103A1

DE102012213103A1 - Wasserabscheidesystem

Info

Publication number: DE102012213103A1
Application number: DE201210213103
Authority: DE
Inventors: Shigenori Togashi; Yukako Asano; Yoshishige Endo
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2013-01-31
Also published as: JP2013027798A; CN102898302A; SG187365A1; FR2978359A1; JP5452552B2

Abstract

Wasserabscheidesystem, das Einrichtungen mit einfachen Strukturen umfasst, eine verbesserte Wasserabscheideeffizienz aufweist und mit einer gewünschten, dem System zugewiesenen Reaktionszeit betrieben werden kann. Das Wasserabscheidesystem zur Abtrennung von Wasser aus einer nach einer chemischen Reaktion von Reaktanten erhaltenen Produktlösung umfasst eine Mischeinrichtung 3, der die Reaktanten zugeführt werden und in der sie vermischt werden, eine Einrichtung 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion, die nach der Mischeinrichtung 3 vorgesehen ist und in der die vermischten Reaktanten chemisch ungesetzt werden, eine Einrichtung 6 zur Wasserabscheidung, die nach der Einrichtung 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion angeschlossen ist, um das in der Einrichtung 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion gebildete Wasser abzuscheiden, und eine Steuerung 12 zur Steuerung einer chemischen Reaktionszeit in der Einrichtung 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion. Die Steuerung 12 verkürzt die chemische Reaktionszeit in der Einrichtung 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion, wenn die aus der Einrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion abgegebene Lösung eine große Produktmenge enthält. Demgegenüber verlängert die Steuerung 12 die Reaktionszeit der chemischen Reaktion in der Einrichtung 4, wenn die aus der Einrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion abgegebene Lösung eine kleine Produktmenge enthält.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zur Abscheidung von Wasser.
Stand der Technik
Auf dem Gebiet der Biotechnologie, der Pharmazeutika, der chemischen Synthese und dergleichen wurden in jüngster Zeit in Mikroverfahrenstechnik hergestellte Vorrichtungen zum Mischen von Fluiden in Mikrokanälen (ein so genannter Mikroreaktor) eingesetzt. Eine Besonderheit von Reaktionen unter Verwendung von Mikroreaktoren besteht beispielsweise in der Miniaturisierung von Reaktionssystemen. Da Elemente, die die Fluide aufbauen (d. h. die Ausgangsmoleküle) schnell diffundieren und durch die Miniaturisierung solcher Reaktionssysteme vermischt werden, steigt die auf das Volumen bezogene Oberfläche (d. h. die spezifische Oberfläche) relativ stark an. Infolgedessen sind eine Verkürzung der Reaktionszeit und eine Verbesserung der Ausbeute zu erwarten, da die Effizienz der Reaktion im Vergleich mit einer chargenweisen Reaktion besser ist.
Eine Gleichgewichtsreaktion ist eine der chemischen Reaktionen. Bei der Gleichgewichtsreaktion handelt es sich eine Reaktion, bei der die Reaktionsrate einer Hinreaktion im Verlauf der Reaktion gleich der einer Rückreaktion wird und sich das Zusammensetzungsverhältnis von Reaktanten und Produkten scheinbar nicht ändert.
Eine mögliche Gleichgewichtsreaktion ist eine Reaktion, bei der neben einem Zielprodukt als Produkt Wasser gebildet wird. Als ein Beispiel können besonders die Veresterungsreaktionen genannt werden, bei denen Alkohole mit Carbonsäuren oder ähnliches umgesetzt werden. Bei den Zielprodukten handelt es sich somit um Carbonsäureester. Da diese Reaktionen Gleichgewichtsreaktionen sind, wird das gebildete Zielprodukt, z. B. ein Carbonsäureester, durch gleichzeitig gebildetes Wasser hydrolysiert und wird wieder zu einem ursprünglichen Reaktanten (beispielsweise eine Carbonsäure). Das heißt eine Hinreaktion und eine Rückreaktion laufen gleichzeitig ab.
Wenn in einer solchen Gleichgewichtsreaktion die Geschwindigkeit, mit der das Zielprodukt gebildet wird, extrem viel schneller ist als die Geschwindigkeit, mit der das Zielprodukt hydrolysiert wird, besteht kein Problem hinsichtlich einer normalen Ausbeute. Wenn die zuerst genannte Geschwindigkeit vergleichsweise schneller als die zuletzt genannte Geschwindigkeit ist, wird das Zielprodukt zwar gebildet, jedoch schnell hydrolysiert. Daher ist es schwierig, die Ausbeute des Zielproduktes zu erhöhen.
Daher wird zur Verbesserung der Ausbeute bei einer solchen Umsetzung in Erwägung gezogen, das zusammen mit dem Zielprodukt gebildete Wasser aus dem Reaktionssystem abzutrennen (zu entfernen). Hierdurch kann die Ausbeute verbessert werden, da das Gleichgewicht in Richtung der Bildung des Zielproduktes verschoben wird. Auf diese Weise kann die Ausbeute deutlich erhöht werden.
Als Kunstgriff zum Abtrennen (Entfernen) von Wasser aus der Mischlösung, die wie oben beschrieben das Zielprodukt und Wasser enthält, wird im Allgemeinen eine Destillation durchgeführt. In den vergangenen Jahren hat außer der Destillation die Pervaporation auf sich aufmerksam gemacht. Die Pervaporation ist ein Verfahren, bei dem Trennmembranen mit einer Affinität für eine zur Abtrennung vorgesehenen Substanz (z. B. Wasser) eingesetzt werden. Bei einer speziellen, die Trennmembran einsetzenden Methode wird die Mischlösung auf eine Seite (Zufuhrseite) der Trennmembran gebracht und auf einer gegenüberliegenden Seite (Permeationsseite) unter vermindertem Druck gehalten. Auf diese Weise wird die Verdampfung von Flüssigkeit, die durch die Trennmembran hindurch geht und die andere Seite erreicht, unterstützt; sie kann selektiv permeiren und durch den Unterschied der Permeationsrate jeder Komponente von einer Zielsubstanz getrennt werden.
Die Kunst der Wasserabscheidung wurde mannigfaltig untersucht, Beispielsweise offenbart die ungeprüfte veröffentliche japanische Patentanmeldung Nr. 2007-203210 (im Folgenden als Patentliteraur 1 bezeichnet) ein Membranmodul, das eine röhrenförmige Trennmembran mit einem verschlossenen Ende aufweist, wobei das andere Ende offen ist. Es ist ein Membranmodul offenbart, bei dem das andere Ende der Trennmembran wasserdicht in einer in einem Gehäuse angebrachten röhrenförmigen Scheibe montiert ist; eine Zielsubstanz in einem flüssigen Gemisch oder Gasgemisch, das außerhalb der Trennmembran strömt, durchdringt selektiv die Trennmembran. Es ist ferner ein Membranmodul offenbart, bei dem ein poröser Füllstoff in dem zwischen der Innenseite des Gehäuses und der Außenseite der Trennmembran vorhandener Raum eingefüllt ist.
Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 4,462,884 (im Folgenden als Patentliteratur 2 bezeichnet) offenbart ein Reaktionssystem mit Membranabtrennung, bei dem ein Reaktor, ein Membranmodul, das die in dem Reaktor gebildeten und mit den Reaktanten aus den Edukten verdampfenden verunreinigenden Komponenten abtrennt, eine Heizvorrichtung, die ein Gemisch aus der verdampften verunreinigenden Komponente und dem Bestandteil erwärmt, und ein Zirkulator vorgesehen ist, der zwingend den Dampf des in dem Membranmodul abgetrennten Reaktanten in die flüssige Phase des Reaktors umwälzt, um die aus einer Zeolithmembran gebildete Trennmembran des Membranmoduls zu konfigurieren. Die Heizvorrichtung ist ausgebildet, die Wärme in einer solchen Weise zuzuführen, dass Reaktant und verunreinigende Komponente dampfförmig vorliegen und nicht in dem Membranmodul kondensieren.
Zusammenfassung der Erfindung (zu lösende Aufgabe)
In dem in der Patentliteratur 1 beschriebenen Stand der Technik wird eine Abscheidung durchgeführt, obwohl in der Lösung (Reaktionsflüssigkeit) viel Wasser enthalten ist. Die Abscheideleistung ist daher wegen des in großer Menge enthaltenen Wassers gering. Die Wasserabtrennung erfordert demgemäß viele Abscheidevorgänge.
Außerdem ist es in dem in Patentliteratur 1 beschriebenen Stand der Technik erforderlich, die Lösung auf Verdampfungstemperatur zu erwärmen. Daraus resultieren folglich große Anlagen.
In dem in Patentliteratur 2 beschriebenen Stand der Technik wird vorgesehen, den Reaktanten (Ethanol) und Wasser aus der Reaktionslösung zu verdampfen und das durch das Membranmodul, das die Trennmembran aufweist, fließende Wasser abzutrennen. Nur ein Reaktant wird nach der Wasserabscheidung zum Reaktionsgefäß rückgeführt. In dem in Patentliteratur 2 beschriebenen Stand der Technik ist daher für die Wasserabtrennung ein Zirkulationskreislauf erforderlich. Eine Ausrüstung zur Bildung eines Zirkulationskreislaufs ist jedoch groß und kompliziert. Es kann auch eine Ausrüstung zum Verdampfen von Reaktionsflüssigkeit erforderlich sein und auch hier steigt die Baugröße an.
Die Reaktionslösung kann in Bezug auf die Temperaturregelung durch den Einfluss des rückgeführten (zurück zum Reaktionsgefäß) Reaktanten instabil sein. Hierdurch ist die Steuerung einer Reaktion in dem Reaktionsgefäß schwierig. Als Ergebnis kann die Ausbeute gering sein und es können Nebenprodukte entstehen. Da die Zeitspanne vom Verdampfen des Reaktanten bis zum Beginn der Wasserabscheidung konstant ist, kann die Reaktionszeit nicht einfach durch Verändern der Rückführungszyklen verändert werden. Somit kann die Steuerung der Reaktionszeit eingeschränkt sein.
Ein Gegenstand der Erfindung besteht darin, ein Wasserabscheidesystem anzugeben, bei dem die Effizienz der Abscheidung mit einfacher Ausrüstung verbessert ist und das in Bezug auf die Reaktionszeit in freiem Ermessen konfiguriert werden kann.
Mittel zur Lösung der gestellten Aufgabe
Die Anmelderin hat die oben genannte Aufgabe sorgfältig erwogen. Dabei hat sie eine Lösung für das oben angegebene Problem durch Steuerung des Zeitpunkts für den Beginn der Wasserabscheidung auf der Basis einer Produkt(e)menge gefunden und sie anschließend fertiggestellt.
Wirkung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung gibt ein Wasserabscheidesystem an, das die Abscheideeffizienz mit einfacher Ausrüstung verbessert und das bezüglich der Reaktionszeit beliebig konfigurierbar ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration des Wasserabscheidesystems gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration der in dem Wasserabscheidesystem gemäß der ersten Ausführungsform eingesetzten Wasserabscheideeinrichtung zeigt.
3 ist eine Darstellung zur Erläuterung einer Geschwindigkeitskonstanten bezüglich einer in dem Wasserabscheidesystem gemäß der ersten Ausführungsform ablaufenden Reaktion.
4 ist eine Graphik, die die Änderung der Raten in Abhängigkeit von der Zeit zeigt.
5 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration des Wasserabscheidesystems gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
6 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration der in dem Wasserabscheidesystem gemäß der zweiten Ausführungsform eingesetzten Einrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen zeigt.
7 ist ein Ablaufschema für den Zeitpunkt der Steuerung zur Verbesserung der Effizienz der Wasserabscheidung gemäß der zweiten Ausführungsform.
8 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration des Wasserabscheidesystems gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.
9 ist eine Graphik, in der Ergebnisse von Ausführungsformen dargestellt sind.
Ausführungsformen zur Durchführung der Erfindung
Auch wenn im Folgenden Ausführungsformen (die vorliegenden Ausführungsformen) zur Ausführung dieser Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert werden, sind diese Ausführungsformen nicht auf die folgenden Sachverhalte beschränkt, sondern können durch frei wählbaren Austausch umgesetzt werden, ohne dass der Kern der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
1. Erste Ausführungsform
<Konfiguration>
1 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration eines Wasserabscheidesystems 100 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. Das wie in der 1 dargestellte Wasserabscheidesystem 100 ist ein Wasserabscheidesystem, bei dem Wasser aus einer Produktlösung (Reaktionslösung) abgeschieden wird, die nach chemischer Reaktion von Ölsäure und Methanol erhalten wird. Es werden zwar Ölsäure und Methanol als ein Beispiel für Reaktanten verwendet, es besteht jedoch keine Beschränkung darauf, solange es sich um Reaktanten handelt, die durch chemische Reaktion Wasser bilden.
Wenn Ölsäure und Methanol als Reaktanten chemisch umgesetzt werden (es läuft im Besonderen eine Veresterung ab), werden Methyloleat und Wasser gebildet, wobei Details hierzu nachstehend beschrieben werden. In dieser Ausführungsform wird eine von Wasser verschiedene Komponente unter den gebildeten Komponenten als ”Produkt” bezeichnet. Das in der ersten Ausführungsform verwendete Produkt ist ”Ölsäure”.
Wie in der 1 gezeigt ist, ist ein Wasserabscheidesystem 100 mit einem Behälter 1a für Ölsäure, einem Behälter 1b für Methanol, zwei Pumpen 2a und 2b, einem Mikroreaktor 3 zum Mischen, einem Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion, einem Temperaturregler 5, einem Mikroreaktor 6 zur Wasserabscheidung, einem Temperaturregler 7, einem Druckregelventil 8, einem Produktbehälter 9, einer Kühlfalle 10, einem Dekompressor 11 und einer Steuerung 12 ausgestattet. In der 1 ist eine Rohrleitung als durchgezogene Linie dargestellt, eine gestrichelte Linie bezeichnet eine Leitung für elektrische Signale.
Der Ölsäuretank 1a wird zur Aufbewahrung der als Ausgangsstoff eingesetzten Ölsäure verwendet. Der Methanoltank 1b wird zur Aufbewahrung des als weiteren Reaktanten eingesetzten Methanols verwendet. Es ist weiterhin vorgesehen, die Ölsäure und das Methanol mit den Pumpen 2a und 2b aus diesen Tanks in den Mischmikroreaktor 3 zu leiten.
Die Pumpen 2a und 2b sind beispielsweise als Spritzenpumpe, manuelle Pumpe, Tauchpumpe, Membranpumpe, Schneckenpumpe oder dergleichen ausgebildet. Anstelle einer Pumpe kann auch eine Einrichtung zur Zufuhr einer Lösung unter Ausnutzung eines Wasserdruckunterschieds eingesetzt werden.
Der Mischmikroreaktor 3 (Mischeinrichtung) wird zum Mischen von Ölsäure und Methanol eingesetzt. Der Mischmikroreaktor 3 ist so konzipiert, das die Ölsäure und das Methanol zu ihrer Vermischung zugeführt werden. Die spezielle Gestaltung des Mikroreaktors 3 zum Mischen ist nicht in besonderer Weise eingeschränkt, er kann so ausgeführt sein, dass die Reaktanten schnell vermischt werden. Die Kanalstruktur des Mischmikroreaktors 3 kann beispielsweise Y-förmig, T-förmig sein, eine Struktur für Mehrschichtströmung und dergleichen oder auch ein kommerziell erhältlicher Mikroreaktor.
In der ersten Ausführungsform werden in dem Mischmikroreaktor 3 zwei Arten von Ausgangsstoffen vermischt, er kann jedoch auch so gestaltet sein, dass drei oder mehr verschiedene Ausgangsstoffe vermischt werden. Wenn z. B. drei Typen von Reaktanten vorab vermischt werden, kann anstelle des Mischmikroreaktors 3 ein Mikroreaktor 3 zum Mischen vorgesehen werden, der einen Strömungskanal aufweist, in dem drei verschiedene Ausgangsstoffe vermischt werden. Wenn mehrere Mischmikroreaktoren 3 zum Vermischen von zwei Arten von Ausgangsstoffen in Reihe geschaltet sind, um die Reaktanten der Reihe nach zu vermischen, können die gewünschten Arten (die Anzahl) von Reaktanten vermischt werden.
Der Grad der Gemischbildung in dem Mischmikroreaktor 3 ist nicht speziell beschränkt. Die Ausgangsstoffe können gleichmäßig oder ungleichmäßig (i. e. Emulgieren) vermischt werden.
Es ist im Besonderen keine typische Länge des Kanaldurchmessers des Mischmikroreaktors 3 vorgesehen. The typische Länge sollte möglichst einige Millimeter oder weniger betragen, um einen Effekt auf der Basis einer Reaktion in einem Raum in der Größenordnung von Mikrometern auszunutzen. Es ist auch wünschenswert, wenn die typische Länge im Bereich von einigen Zehn Mikrometern bis einem Millimeter liegt, um die Reaktanten schnell durch molekulare Diffusion mischen zu können.
Es können beliebige Materialien als Strukturelement für den Mischmikroreaktor 3 verwendet werden, solange sie durch eine chemische Reaktion nicht beeinträchtigt werden. Für solche Materialien können als Beispiel Edelstahl, Silicon, Gold, Glas, Hastelloy, Siliconharz, Harze auf Fluorbasis oder dergleichen genannt werden. Neben diesen Materialien können Emaillüberzüge, Metalloberflächenbeschichtungen aus Nickel, Gold und dergleichen, oxidierte Siliconoberflächen und im Hinblick auf Korrosionsbeständigkeit verbesserte Materialien verwendet werden. Im Hinblick auf die thermische Leitfähigkeit und Festigkeit ist es günstig, ein Metall als Strukturelement des Mischmikroreaktors 3 zu verwenden.
Für eine schnelle Umsetzung in einem Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion, wie nachstehend beschrieben, ist es wünschenswert, eine Vorrichtung zur Temperatursteuerung (die nicht dargestellt ist) in dem Mischmikroreaktor 3 sowie eine Rohrleitung, die den Mischmikroreaktor 3 und die Pumpe 2a oder 2b verbindet, vorzusehen und bei einer vorgegebenen Temperatur zu vermischen. Dies führt dazu, dass die Spanne der Temperaturerhöhung oder der Temperaturerniedrigung der Reaktionslösung in dem Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion klein ist. Hierdurch kann die chemische Reaktion effizienter ablaufen.
Der Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion (Einrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion) ist so gestaltet, dass die chemische Reaktion der in dem Mischmikroreaktor 3 vermischten Ausgangsstoffe ablaufen kann. In der ersten Ausführungsform fungiert eine Rohrleitung (Mikrokanal) nach dem Austritt der Reaktionslösung (d. h. ein Gemisch aus Ölsäure und Methanol) aus dem Mischmikroreaktor 3 als Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion. Die Reaktionszeit der chemischen Reaktion kann gesteuert werden, indem die Länge der Rohrleitung oder ein Querschnittsbereich des Strömungskanals verändert wird.
Die oben genannte ”Reaktionszeit der chemischen Reaktion” bedeutet streng genommen die Zeit, die vom Vermischen der Ausgangsstoffe in dem Mischmikroreaktor 3 bis zum Beginn der Wasserabscheidung nach Zufuhr in einen Mikroreaktor zur Wasserabscheidung (wie nachstehend beschrieben) vergeht. Die Verweilzeit in dem Mischmikroreaktor 3 ist außerdem kürzer als die Verweilzeit in dem Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion. Die chemische Reaktion schreitet zwar in dem Mikroreaktor zur Wasserabscheidung noch fort, der Prozess der Wasserabscheidung läuft im Vergleich mit der chemischen Reaktion jedoch bevorzugter ab, da das Gleichgewicht der chemischen Reaktion gleichzeitig mit der Wasserabscheidung verschoben wird. Die ”chemische Reaktionszeit” bedeutet in dieser Beschreibung daher die Verweilzeit innerhalb des Abschnitts 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion.
Die genannte chemische Reaktionszeit kann gesteuert werden, indem eine Länge der Rohrleitung festgelegt und die Menge an Ölsäure und Methanol, die dem Mischmikroreaktor 3 zugeführt wird, gesteuert wird. Da eine Länge und ein Innendurchmesser der Rohrleitung konstant sind, ist die Verweilzeit in dem Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion kürzer, wenn eine große Menge an Reaktionslösung einströmt. Andererseits wird die Verweilzeit in dem Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion länger, wenn eine kleine Menge an Reaktionslösung zugeführt wird. Die chemische Reaktion kann über die oben beschriebenen Zusammenhänge gesteuert werden. In diesem Fall können die Zufuhrflussraten der dem Mischmikroreaktor 3 zugeführten Reaktanten wie nachstehend beschrieben mit Hilfe der Steuerung 12 gesteuert werden.
Die Werkstoffe des Abschnitts 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion sind in keiner besonderen Weise beschränkt. Es kann beispielsweise das gleiche Material wie für den Mischmikroreaktor 3 verwendet werden. Es kann z. B. ein Material für Schläuche wie Teflon (eingetragene Marke) oder ähnliches verwendet werden. Der Strömungskanaldurchmesser des Abschnitts 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion ist in keiner besonderen Weise beschränkt; ein wie für den Mischmikroreaktor 3 erläuterter Strömungskanaldurchmesser kann verwendet werden.
Der Temperaturregler 5 (Steuerung der Temperatur der chemischen Reaktion) dient zur Steuerung der Temperatur zum Zeitpunkt der chemischen Reaktion in dem Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion. Ein spezieller Aufbau des Temperaturreglers 5 ist in keiner besonderen Weise erforderlich. Es können eine Thermostat-Kammer, ein Peltier-Element, eine Mantelheizung oder dergleichen unter Verwendung eines Fluids wie Wasser, eines Wasser/Ethanol-Lösungsmittelgemisches oder Ethylenglykol verwendet werden. Wenn die Temperatur der chemischen Reaktion Raumtemperatur ist, ist es möglich, in Abhängigkeit von den Merkmalen bezüglich der Wärmeregelung der Reaktionswärme und der Mikroreaktoren keine Vorrichtung zur Temperaturregelung vorzusehen.
Der Mikroreaktor 6 zur Wasserabscheidung (Wasserabscheidungseinrichtung) dient zur Wasserabscheidung in der durch den Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion strömenden Reaktionslösung. Die Materialien oder der Strömungskanaldurchmesser des Mikroreaktors 6 zur Wasserabscheidung sind nicht besonders beschränkt. Es können beispielsweise die für den Mischmikroreaktor 3 erläuterten Gesichtspunkte übertragen werden.
Es kann nur ein Mikroreaktor 6 zur Wasserabscheidung vorgesehen werden. Es können auch mehrere, in Reihe geschaltete Mikroreaktoren 6 zur Wasserabscheidung vorgesehen werden. Diese Mikroreaktoren können nach Bedarf in Abhängigkeit von der gewünschten Wasserabscheidungszeit vorgesehen werden. Der Mikroreaktor 6 zur Wasserabscheidung weist, wie weiter unten mit Bezug auf die 2 beschrieben wird, einen punktsymmetrischen Aufbau auf, wobei mehrere Mikroreaktoren 6 zur Wasserabscheidung sogar bei Verknüpfung mehrerer Mikroreaktoren in Reihe auf kleinstem Raum vorgesehen werden können.
Ein spezieller Aufbau des Mikroreaktors 6 zur Wasserabscheidung gemäß der ersten Ausführungsform wird mit Bezug auf die 2 beschrieben.
Der Mikroreaktor 6 zur Wasserabscheidung ist in etwa scheibenförmig und weist am oberen und unteren Ende ein Flanschelement auf. Das Flanschelement ist mit einem Einlass 20d (siehe 2B) zum Abführen von Wasser und einem Auslass 20e zum Abführen von Prozessflüssigkeit nach der Abtrennung des Wassers aus der Reaktionslösung versehen.
Die innere Struktur des Mikroreaktors 6 zur Wasserabscheidung ist wie in der 2B gezeigt ausgebildet. Wie in der 2B dargestellt ist, weisen das obere und das untere Ende des Mikroreaktors 6 zur Wasserabscheidung den gleichen Aufbau auf. Für eine einfachere Erläuterung wird daher hauptsächlich der Aufbau des oberen Endes und der Seite beschrieben.
Der Mikroreaktor 6 zur Wasserabscheidung ist hauptsächlich aus einem ersten Scheibenelement 20 mit Einlässen 20b, 20c, einem zweiten Scheibenelement 21 mit einen hervorstehenden Bereich 21a und einem Mikroreaktorkörper 22, der aus einem Flansch 22a und einem Scheibenelement 22b gebildet wird. Das erste Scheibenelement 20, das zweite Scheibenelement 21 und der Flansch 22a sind mittels einer durch sie hindurchgehenden Schraube 20a (in 2 6 Stück) befestigt.
Zwischen dem ersten Scheibenelement 20 und dem zweiten Scheibenelement 21 sind Dichtungen (O-Ring) 23a, 23b vorgesehen, um Lecks zu verhindern. In gleicher Weise ist zwischen dem zweiten Scheibenelement 21 und dem Flansch 22a eine Dichtung 23c vorgesehen.
Die Trennmembran 24 dient zur Abtrennung von Wasser aus der Reaktionslösung. Die Trennmembran 24 besteht aus einer Zeolithmembran vom T-Typ. Die Trennmembran 24 ist so ausgebildet, dass sie den oberen und unteren vorstehenden Bereich 21a über eine Dichtung (nicht gezeigt) umgibt. Ferner kann die Dichtung zum Verbinden mit dem zweiten Scheibenelement 21 an dem oberen und unteren Ende der Trennmembran 24 befestigt sein. Hierdurch wird Lecks vorgebeugt.
Ein zwischen einer äußeren Oberfläche der Trennmembran 24 und der Innenwandfläche des Scheibenelements 22b gebildete Raum wird zum Reaktionslösungskanal 25 zum Befördern der Reaktionslösung. Ein innerhalb der Trennmembran 24 gebildeter Raum wird durch einen Dekompressor 22 (wie nachstehend beschrieben) unter vermindertem Druck gehalten. Wasser in Dampfform geht durch die Trennmembran 24 hindurch und wird nach außen abgeführt (detailliert nachstehend beschrieben). Das bedeutet, dass der Raum innerhalb der Trennmembran 24 einen Wasserdampfströmungskanal 26 für Wasserdampf bildet.
Der Einlass 20b und der Reaktionslösungskanal 25 und ebenso der Reaktionslösungskanal 25 und ein Auslass 20e sind über Löcher (nicht dargestellt), die im gleichen Abstand in Umfangsrichtung des zweiten Scheibenelements 21 vorgesehen sind, verbunden. Derartige Löcher lassen die Reaktionslösung gleichmäßig in dem Mikroreaktor 6 zur Wasserabscheidung strömen. Dadurch wird ein Strömen entlang eines Pfades mit geringem Druckabfall, d. h. eine so genannte Abkürzung, vermieden.
Der Wasserdampfströmungskanal 26 und der Auslass 20d stehen in ähnlicher Weise (wie in der Figur dargestellt) miteinander in Verbindung. Wasser, das in der über den Einlass 20b in den Reaktionslösungskanal 25 beförderten Reaktionslösung enthalten ist, ist befähigt, durch die Trennmembran 24 hindurchzutreten und über den Wasserdampfströmungskanal 26 und den Auslass 20d nach außen abzufließen. Auf der anderen Seite kann die Prozessflüssigkeit (d. h. die Methyloleat enthaltende Flüssigkeit) nach der Abtrennung des Wassers aus der Reaktionslösung über den Auslass 20 nach außen abzufließen.
Außerdem ist der Einlass 20c des Mikroreaktors 6 zur Wasserabscheidung gemäß der ersten Ausführungsform verschlossen. Wie oben beschrieben weist der Mikroreaktor 6 zur Wasserabscheidung einen punktsymmetrischen Aufbau um das Zentrum der vertikalen (längeren) Richtung des Mikroreaktors 6 zur Wasserabscheidung als Symmetriepunkt auf. Wenn mehrere Mikroreaktoren 6 zur Wasserabscheidung verbunden sind oder wenn die vertikale Richtung verändert wird, ist es möglich, ihn nicht zu verschließen oder nach Bedarf den Einlass oder den Auslass zu verschließen.
Jeder Einlass und Auslass ist so ausgebildet, dass er mit einem Rohr (Rohrleitung) verbunden werden kann. Genauer ist an jedem Einlass und Auslass (nicht dargestellt) ein Schraubenloch für ein Anschlussstück ausgebildet, und das Rohr ist so ausgebildet, dass es mit jedem Einlass und Auslass unter Verwendung eines nicht gezeigten Anschlussstückes verbunden werden kann.
Im Folgenden wird erneut mit Bezug auf 1 ein Gesamtaufbau des Wasserabscheidesystems 100 beschrieben.
Die Vorrichtung zur Temperaturregelung 7 (Wasserabscheidetemperatursteuerungseinrichtung) wird verwendet, um die Temperatur des Mikroreaktors 6 zur Wasserabscheidung zu steuern. Das heißt, sie wird verwendet, um die Temperatur dann einzustellen, wenn das Wasser aus der Reaktionslösung abgetrennt wird. Es ist keine spezielle Konfiguration der Vorrichtung zur Temperaturregelung 7 vorgesehen, beispielsweise können die oben für den Temperaturregler 5 beschriebenen Einrichtungen verwendet werden.
In der ersten Ausführungsform kann das System so gestaltet sein, dass sich die Temperatur der chemischen Reaktion und die Temperatur zum Zeitpunkt der Wasserabscheidung voneinander unterscheiden. Der Temperaturregler 5, 7 kann beispielsweise so ausgeführt sein, dass die Temperatur der chemischen Reaktion höher und die Temperatur der Wasserabscheidung niedriger ist. Da die chemische Reaktion erst über der Aktivierungsenergie abläuft, ist es einfacher, bei einer höheren Reaktionstemperatur zu arbeiten. Auf der anderen Seite wird das Wasser vorzugsweise bei einer niedrigeren Temperatur abgeschieden, da die Trennmembran 24 (siehe 2) im Allgemeinen nur wenig wärmebeständig ist. Daher kann die Temperatur zum Zeitpunkt der chemischen Reaktion und zum Zeitpunkt der Wasserabscheidung unterschiedlich gewählt sein.
Das Druckregelventil 8 ist ein Ventil zum Verbinden des Reaktionslösungskanals 25 mit dem in 2 beschriebenen Auslass 20e. Das Druckregelventil 8 setzt den Reaktionslösungskanal 25 zum Komprimieren unter Druck und verhindert das Verdampfen von Methanol, das einen niedrigen Siedepunkt aufweist. Daher wird die Druckdifferenz zwischen dem Reaktionslösungskanal 25 und dem Wasserdampfströmungskanal 26 groß. Dadurch kann die Wasserabscheidung mittels der Trennmembran 24 begünstigt werden. Wenn die für die Temperaturregler 5, 7 gewünschten Temperaturen niedriger eingestellt sind als die Siedepunkte von Ölsäure und Methanol, ist es möglich, kein Druckregelventil 8 vorzusehen.
Der Produktbehälter 9 ist ein Tank zum Aufbewahren von Prozessflüssigkeit, die das durch die Umsetzung von Ölsäure und Methanol gebildete Methyloleat enthält. Ein spezieller Aufbau des Produktbehälters 9 ist nicht erforderlich, er kann den gleichen Aufbau wie der Ölsäurebehälter 1a und der Methanolbehälter 1b aufweisen. Es kann auch ein Behälter zum Abtrennen oder Rückgewinnen unumgesetzter Ölsäure und unumgesetzten Methanols vorgesehen werden.
Die Kühlfalle 10 ist zum Verbinden mit dem Wasserdampfströmungskanal 26 und dem Auslass 20d, die mit Bezug auf die 2 beschrieben wurden, ausgebildet. Das bedeutet, dass sie zum Abtrennen und Abkühlen von in dem Mikroreaktor 6 zur Wasserabscheidung nach außen abgegebenem Wasserdampf ausgebildet ist. Das dampfförmige Wasser (der Wasserdampf) wird zu flüssigem Wasser; das abgetrennte Wasser kann dann leicht wiedergewonnen werden.
Der Dekompressor 11 wird verwendet, um den Wasserdampfströmungskanal 26 unter vermindertem Druck zu halten. Der Dekompressor 11 fördert die durch die Trennmembran 24 bewirkte Wasserabtrennung. Eine spezielle Ausführung des Dekompressors 11 ist nicht erforderlich, es können beliebige Dekompressoren verwendet werden.
Die Steuerung 12 ist zum Steuern der chemischen Reaktionszeit in dem Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion ausgebildet. Genauer ist die Steuerung ausgebildet, die Flussrate der Reaktanten in den Mischmikroreaktor 3 durch Steuerung der Pumpen 2a und 2b zu steuern. Auf diese Weise wird die chemische Reaktionszeit wie oben beschrieben gesteuert. Zu diesem Zeitpunkt steuert die Steuerung 12 die Flussrate der Reaktanten auf Basis eines Produktanteils in der in den Produktbehälter 9 fließenden Prozessflüssigkeit. Es erfolgt also eine Regelung.
Genauer ist sie ausgebildet, die chemische Reaktionszeit so zu steuern, dass die chemische Reaktionszeit verkürzt wird, wenn eine große Menge an Produkt (Methyloleat) in der Prozessflüssigkeit enthalten ist, und verlängert wird, wenn nur eine geringe Produktmenge darin enthalten ist. Mit anderen Worten ist sie so ausgebildet, dass sie so steuert, dass die chemische Reaktionszeit in dem Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion verkürzt wird, wenn eine große Menge an Methyloleat aus dem Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion abgeführt wird, und verlängert wird, wenn nur eine geringe Menge an Methyloleat aus dem Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion abgeführt wird.
Im Folgenden wird der Grund für die obige Regelung erläutert. Die Steuerung kann eine Menge an gebildetem Methyloleat prognostizieren, da die Steuerung die Flussraten der Reaktanten wie oben beschrieben regelt. Durch Vergleich einer erwarteten Produktmenge mit der tatsächlich gebildeten Produktmenge wird beurteilt, ob eine weitere Steigerung der chemischen Reaktion erforderlich ist, falls die tatsächlich gebildete Menge an Methyloleat geringer als die erwartete Produktmenge ist. Daraufhin wird die chemische Reaktionszeit verlängert. Hierdurch kann mehr Methyloleat und Wasser gebildet werden.
Wenn andererseits die Menge an gebildetem Methyloleat in etwa der tatsächlich gebildeten Menge an Methyloleat entspricht, lässt sich daraus ableiten, dass die Menge an gebildetem Methyloleat auch bei einer längeren chemischen Reaktionszeit nicht ansteigt. Daher wird die Reaktionszeit der chemischen Reaktion durch Steuerung allmählich verkürzt. Durch die Steuerung kann die Reaktionszeit der chemischen Reaktion verkürzt werden.
Das Verfahren zur Bestimmung der gebildeten Menge an Methyloleat ist nicht speziell beschränkt. Das Messverfahren kann beispielsweise die Dichte, das Brechungsvermögen, FT-IR (Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie), HPLC (Hochleistungsflüssigkeitschromatographie), GC (Gaschromatographie) und dergleichen verwenden.
Eine Funktion der Steuerung 12 besteht darin, die Temperatursteuerungsvorrichtungen 5 und 7 zu steuern. Das bedeutet, dass, wenn eine gewünschte Temperatur der Temperatursteuerungsvorrichtungen 5 und 7 in die Steuerung 12 eingegeben wird, die Steuerung 12 ausgebildet ist, die Temperatursteuerungsvorrichtungen 5 und 7 so zu steuern, dass die gewünschte Temperatur erreicht wird.
Ferner ist die Steuerung 12 als CPU (Hauptprozessor), Sequenzer oder dergleichen ausgebildet.
<Funktion und Wirkung>
Im Folgenden werden mit Bezug auf die 3 und 4 die Funktion und die Wirkung beschrieben.
Wie in der 3 gezeigt ist, findet auf der Zufuhrseite der Trennmembran 24 (z. B. Reaktionslösungskanal 25) eine Gleichgewichtsreaktion mit einer Geschwindigkeitskonstanten k1 für die Hinreaktion und einer Geschwindigkeitskonstanten k2 für die Rückreaktion statt. Genauer gesagt findet die Reaktion unmittelbar nach dem Beginn des Mischens der Reaktanten statt, bis das Methyloleat abgetrennt wird. Die Figur ist für eine einfachere Darstellung auf eine Reaktion in dem Mikroreaktor 6 zur Wasserabscheidung beschränkt. Das flüssige Wasser auf der Zufuhrseite permeiert durch die Trennmembran 24, indem es zu Wasserdampf dekomprimiert wird, und erreicht so die Permeationsseite (i. e. den Wasserdampfkanal 26). Die Permeationsgeschwindigkeitskonstante (d. h. die Geschwindigkeitskonstante der Abtrennung) für die Permeation des Wasserdampfes durch die Trennmembran 24 wird als k2 bezeichnet.
Wie in der 4 dargestellt ist, sinkt die Reaktionsgeschwindigkeit für die Hinreaktion (Hinreaktionsgeschwindigkeit) in Abhängigkeit von den Restmengen an Reaktanten, wenn die Reaktionszeit fortschreitet. Wenn die Reaktionsgeschwindigkeit schneller wird, wird auch die in dem Reaktionssystem vorhandene Wassermenge mit fortschreitender Reaktion größer. Andererseits wird die Abtrenngeschwindigkeit schneller, wenn bei der Wasserabscheidung durch die Trennmembran 24 die Wassermenge in der Reaktionslösung ansteigt. Daher wird die Wasserabscheidegeschwindigkeit schneller, wenn eine längere Reaktionszeit die in dem Reaktionssystem vorhandene Wassermenge erhöht.
Im Falle einer Gleichgewichtsreaktion findet jedoch die Rückreaktion genauso statt wie die Hinreaktion. Die Reaktionsrate für die Rückreaktion steigt, wenn die Reaktionszeit länger wird. Wenn die Reaktionszeit lange genug ist, wird irgendwann, auch wenn die Reaktionszeit ansteigt, die Geschwindigkeit der Hinreaktion gleich der Geschwindigkeit der Rückreaktion. Dann schreitet die chemische Reaktion nur schwer fort. Mit anderen Worten sinkt die Wasserbildungsgeschwindigkeit allmählich und die Menge des in dem Reaktionssystem enthaltenen Wassers ändert sich nicht. Eine große Wasserabscheidungseffizienz (i. e. eine hohe Ausbeute) und eine Verkürzung der aufgewandten Zeit bis zum Beginn der Wasserabscheidung kann daher erreicht werden, indem die Reaktionszeit entsprechend der durch das Wasserabscheidesystem 100 erzeugten Produktmenge eingestellt wird. Auch kann eine kompliziertere Apparatur und eine größere Dimensionierung der Apparatur vermieden werden, wenn die Reaktionsflüssigkeit nicht rückgeführt wird. Da die Temperatur der Reaktionsflüssigkeit beständig gesteuert wird, kann das gebildete Nebenprodukt beschränkt werden.
2. Ausführungsform 2
Im Folgenden wird mit Bezug auf die 5 eine Wasserabscheidesystem 200 detailliert beschrieben. Die den Baugruppen (Teilen) des Wasserabscheidesystems 100 in 1 entsprechenden Baugruppen (Teile) sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und es wird auf eine detaillierte Erläuterung verzichtet.
<Konfiguration>
Wie in der 5 dargestellt ist, ist der Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion in dem Wasserabscheidesystem 200 mit drei Vorrichtungen 131, 132 und 133 zur Durchführung einer chemischen Reaktion und drei Kanalsteuereinheiten 141, 142 und 143 ausgestattet. Die Gestaltung der Vorrichtung 13 zur Durchführung einer chemischen Reaktion ist in der 6A dargestellt.
Die Vorrichtung 13 weist einen in einem Substrat 13d eingebetteten Mikrokanal 13b mit einer typischen Länge auf. Wie in der 6A dargestellt ist, weist der Mikrokanal 13b an der Vorderseite ein offenes Ende als Einlass 13a auf, wobei das andere offene Ende an der Rückseite als Auslass 13c ausgebildet ist. Die in den Einlass 13a einströmende Reaktionslösung wird daher durch den Mikrokanal 13b fließen und durch den Auslass 13e ausströmen.
Die Werkstoffe für die Vorrichtung 13 zur Durchführung einer chemischen Reaktion sind in keiner besonderen Weise beschränkt. Es kann beispielsweise das gleiche, wie oben beschriebene Material für den Mischmikroreaktor 3 verwendet werden. Der Strömungskanaldurchmesser der Vorrichtung 13 zur Durchführung einer chemischen Reaktion ist in keiner besonderen Weise beschränkt; es kann ein wie für den Mischmikroreaktor 3 erläuterter Strömungskanaldurchmesser verwendet werden.
Die Struktur des Mikrokanals 13b ist nicht auf den in der 6A gezeigten Aufbau beschränkt, er kann linear oder spiralförmig sein. Ferner kann jede Vorrichtung 13 zur Durchführung einer chemischen Reaktion eine Kanalstruktur besitzen, die sich von den restlichen Vorrichtungen unterscheidet, oder einige Vorrichtungen weisen eine identische Struktur auf und die weiteren Vorrichtungen können mit unterschiedlichen Kanälen versehen sein. Vorzugsweise haben im Hinblick auf eine gleichförmige Wärmeableitung in jeder Vorrichtung 13 zur Durchführung einer chemischen Reaktion und für eine einfache Steuerung der chemischen Reaktion alle Mikrokanäle der Vorrichtungen 13 zur Durchführung einer chemischen Reaktion eine identische Kanalstruktur. Zudem kann die Vorrichtung 13 zur Durchführung einer chemischen Reaktion einstückig ausgeführt oder sie kann zerlegbar sein.
Der Einlass 13a und der Auslass 13c sind zudem um das Zentrum der vertikalen (längeren) Richtung der Vorrichtung 13 zur Durchführung einer chemischen Reaktion punktsymmetrisch angeordnet. Durch eine solche Anordnung von Einlass 13a und Auslass 13c kann die Länge des Mikrokanals 13b in einfacher Weise verändert werden, indem, wie in 6B gezeigt ist, mehrere Lagen von Vorrichtungen verwendet werden. Mehrere Vorrichtungen 13 zur Durchführung einer chemischen Reaktion können darüberhinaus mit einem minimalen Totvolumen verbunden werden.
Jeder Einlass 13a und jeder Auslass 13c weist ferner ein Schraubenloch für die Montage (nicht gezeigt) auf. Mittels der nicht dargestellten Fittings kann die Rohrleitung mit dem Einlass 13a bzw. dem Auslass 13c verbunden werden.
In dem in der 5 dargestellten Wasserabscheidesystem sind mehrere Vorrichtungen 13 zur Durchführung einer chemischen Reaktion über die Kanalsteuerungseinheiten 14 miteinander verbunden. Die Steuerung 12 ist ausgebildet, die Zahl der Vorrichtungen 13 zur Durchführung einer chemischen Reaktion zu verändern, durch die die Reaktionslösung fließt, indem die Kanalsteuerungseinheit 14 geschaltet wird. Die Länge des Mikrokanals 13b kann für eine einfache Steuerung der chemischen Reaktionszeit durch die Konfiguration des Abschnitts 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion in einfacher Weise verändert werden.
Wenn das Gemisch beispielsweise insbesondere durch nur eine Vorrichtung 13 (131) zur Durchführung einer chemischen Reaktion fließen soll, können die Kanalsteuerungseinheiten 141 und 143 so gesteuert werden, dass das Reaktionsgemisch keine der Vorrichtungen 132 oder 133 zur Durchführung einer chemischen Reaktion erreicht. Wenn das Gemisch durch zwei Vorrichtungen 13 zur Durchführung einer chemischen Reaktion (zwei beliebige Vorrichtungen 131, 132 oder 133) oder wenn das Gemisch durch die drei Vorrichtungen 13 zur Durchführung einer chemischen Reaktion (Vorrichtungen 131, 132 oder 133) fließen soll, können die Steuerungseinheiten 14 in gleicher Weise gesteuert werden, um die Kanäle zu verändern. Die Kanalsteuerungseinheiten 14 können also so gesteuert werden, dass die Länge der Mikrokanäle 13b, durch die die Lösung fließt, in einfacher Weise verändert wird.
Als Kanalsteuerungseinheit 14 kann zudem auch in jedem Kanal ein Ventil vorgesehen sein. Durch Steuerung des Ventils können die Kanäle, durch die die Lösung fließt, gesteuert werden. In der 5 sind zwar mehrere Vorrichtungen 13 zur Durchführung einer chemischen Reaktion in Reihe geschaltet, es kann jedoch auch nur eine Vorrichtung 13 zur Durchführung einer chemischen Reaktion verbunden werden.
<Steuerungsverfahren>
Im Folgenden wird mit Bezug auf die 7 das Steuerungsverfahren beschrieben, das in dem in 5 dargestellten Wasserabscheidungssystem 200 verwendet wird. Die Steuerung 12 führt die in dem Ablaufdiagramm der 7 dargestellten Kontrollmaßnahmen aus. Zudem wird die Effizienz der Wasserabscheidung auf der Basis einer Veränderung in der Menge des gebildeten Methyloleats bewertet. Da das Stöchiometrieverhältnis von in der Reaktion gebildetem Methyloleat und Wasser 1:1 ist, bedeutet mehr gebildetes Methyloleat eine erhöhte Abscheidungseffizienz (genauer eine erhöhte Wasserbildungseffizienz).
Nach Schritt 102 startet (Schritt S101) eine Untersuchung zur Verbesserung der Wasserabscheidung. Zu Beginn werden die Ölsäure und das Methanol bei der vorgegebenen Durchflussmenge (d. h. einer bestimmten Reaktionszeit) vermischt (Schritt S102). Nun wird durch die chemische Reaktion Methyloleat und Wasser gebildet. Die Effizienz der Wasserabscheidung wird auf der Basis der aktuell gebildeten Menge an Methyloleat berechnet und mit der theoretischen Effizienz verglichen. Wenn die Wasserabscheidungseffizienz als verbessert (d. h. gut) (Ja in Schritt S103) beurteilt wird, wird die Reaktionszeit als optimiert angesehen und die Optimierungsuntersuchung wird beendet (Schritte S110 und S111). Der Betrieb wird unter dieser Bedingung weitergeführt.
Das Gegenteil ist in Schritt 103 der Fall (Nein in Schritt S103), wenn die Wasserabscheidungseffizienz als nicht verbessert angesehen wird. Wenn die Flussraten von Ölsäure und Methanol veränderbar sind (Ja in Schritt 104) werden die Flussraten verändert, indem die Pumpen 2a und 2b so gesteuert, dass die Schritte 102 und 103 wiederholt werden. Wenn die Flussraten von Ölsäure und Methanol nicht verändert werden können (Nein in Schritt 104, beispielsweise wenn die Pumpen bereits bei maximaler Leistung arbeiten, obwohl die Flussraten verändert werden sollen), wird die Vorrichtung 13 zur Durchführung einer chemischen Reaktion untersucht (Schritt S105).
Genauer wird die Zahl der Vorrichtungen 13 zur Durchführung einer chemischen Reaktion, durch die die Reaktionslösung fließt, festgelegt, indem die Kanalsteuerungseinheit 14 kontrolliert wird. Auf diese Weise wird die Reaktionszeit der chemischen Reaktion neu eingestellt. Nach beendigter Einstellung der Vorrichtungen 13 zur Durchführung einer chemischen Reaktion wird, wenn die Wasserabscheidungseffizienz wie in Schritt S103 als gut beurteilt wird (Ja in Schritt S106), die Reaktionszeit als optimiert angesehen und die Optimierungsuntersuchung wird beendet (Schritte S110 und S111). Der Betrieb wird unter dieser Bedingung weitergeführt.
Wenn in Schritt S106 die Wasserabscheidungseffizienz als nicht gut beurteilt wird (Nein in Schritt S106), wird die Anzahl der Vorrichtungen 13 zur Durchführung einer chemischen Reaktion verändert (Ja in Schritt S107) und die Schritte S105 und S106 werden wiederholt. Dagegen wird in Schritt S107, wenn die Anzahl der Vorrichtungen 13 zur Durchführung einer chemischen Reaktion nicht verändert werden kann (Nein in Schritt 107, beispielsweise wenn bereits alle Vorrichtungen 13 zur Durchführung einer chemischen Reaktion verwendet werden, obwohl die chemische Reaktionszeit erhöht werden soll), die Temperatur der Wasserabscheidung verändert, indem der Temperaturregler 7 (Schritt S108) angesteuert wird. Daraufhin wird die Wasserabscheidungseffizienz beurteilt (Schritt S109). Eine verbesserte Effizienz beendet die Optimierungsuntersuchung (Ja in Schritt S109, Schritt S110 und Schritt S111).
Wenn in Schritt S109 erkannt wird, dass die Wasserabscheidungseffizienz nicht besser ist (Nein in Schritt S109), wird untersucht, ob die Wasserabscheidetemperatur verändert werden kann (Schritt S112). Wenn sie veränderbar ist, werden die Schritte S108 und S109 wiederholt. Wenn sie dagegen nicht verändert werden kann – die Temperatursteuerungsvorrichtung 7 kann beispielsweise bereits bei maximaler Leistung betrieben werden oder die Betriebstemperatur hat bereits die Obergrenze der thermischen Beständigkeit der Trennmembran 24 erreicht – beendet die nicht erreichbare Optimierung der chemischen Reaktionszeit die Untersuchung (Nein in Schritt S112, Schritt S113 und Schritt S111).
3. Ausführungsform 3
Im Folgenden wird mit Bezug auf die 8 eine Wasserabscheidesystem 300 gemäß der dritten Ausführungsform detailliert beschrieben. Die den Baugruppen (Teilen) des Wasserabscheidesystems 100 und 200 in 1 und 5 entsprechenden Baugruppen (Teile) sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und es wird auf eine detaillierte Erläuterung verzichtet.
<Konfiguration>
Das Wasserabscheidesystem 300 weist ein Messgerät 15 (Inline-Messgerät) zur automatischen Messung der Produktmenge (Methyloleat) auf. In der Ausführungsform ist das Messgerät 15 zwischen dem Druckregelventil 8 und dem Produkttank 9 vorgesehen. Das Messgerät 15 kann zwischen dem Mikroreaktor 6 zur Wasserabscheidung und dem Druckregelventil 8 vorgesehen werden.
Die spezielle Konfiguration des Messgeräts 15 ist nicht besonders beschränkt, es können beliebige automatisierte Messvorrichtungen verwendet werden, die für das oben beschriebene Verfahren geeignet sind. Durch das Vorsehen eines solchen Messgeräts kann eine komplizierte Kontrolle vermieden werden, da es nicht nötig ist, dass die Bedienperson die Produktmenge in der Prozesslösung manuell ermittelt. Zudem kann die Zeitverzögerung in der oben beschriebenen selbsttätigen Regelung durch die sofortige Eingabe der gemessenen Produktmenge in die Steuerung 12 deutlich vermindert werden. Folglich wird die Wasserabscheidungseffizienz noch genauer verbessert.
Beispiele
Im Folgenden werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Beispiele noch detaillierter erläutert. Die Beispiele sind jedoch in keiner Weise als den Rahmen der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung einschränkend auszulegen.
Es wurde die Wasserabscheidungseffizienz untersucht. Wasser wurde ausgehend von Ölsäure und Methanol zusammen mit Methyloleat gebildet. Es wurde das Wasserabscheidesystem 100, wie in der 1 gezeigt, in dem Reaktionssystem eingesetzt. Es werden nun die Bedingungen detailliert beschrieben.
Beispiel 1
<Konfiguration>
Bei dem in den Beispielen verwendeten Methanol handelte es sich um ein Methanol mit Sondergüte, das von Wako Pure Chemical Industries, Ltd hergestellt wird. Das in den Beispielen verwendete Methanol wurde mit der von Wako Pure Chemical Industries, Ltd. hergestellten konzentrierten Schwefelsäure mit Sondergüte als Katalysator vermischt. Die vermischte Menge an konzentrierter Schwefelsäure betrug 1,6 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Methanollösung.
Bei der in den Beispielen verwendeten Ölsäure handelte es sich um eine von Wako Pure Chemical Industries, Ltd hergestellte Ölsäure in Wako-Qualität. Die in den Beispielen verwendete Ölsäure wurde unter Verwendung eines von As One Corporation hergestellten Edelstahlsiebs mit eine Siebgröße von 25 μm gesiebt, um mögliche Verunreinigungen zu entfernen. Durch diese Behandlung kann verhindert werden, dass sich verschiedene Poren, wie die Poren der Trennmembran 24 zusetzen.
Das Mischungsverhältnis von Ölsäure und Methanol betrug 7,18:1. Der Überschuss an Methanol wurde verwendet, um die chemische Reaktion zu beschleunigen. Die Flussrate der Ölsäure zu dem Mischmikroreaktor 3 war 0,898 ml/min, die Flussrate von Methanol 0,125 ml/min. Die Zufuhrrate der Pumpen 2a und 2b zusammen war also auf 1,023 ml/min eingestellt.
Der von Hitachi Plant Technologies, Ltd. hergestellte Hitachi Microreactor System Micro Process Server (MPS-α200) wurde zum Zuführen der Reaktanten verwendet. Bei dem Micro Process Server (MPS-α200) handelt es sich um ein System, bei dem für die Zufuhr Spritzenpumpen verwendet werden. Während der Zufuhr wurde der Programmablaufmodus des Micro Process Server (MPS-α200) verwendet, um die beiden Spritzenpumpen (entsprechen den Pumpen 2a und 2b) wiederholt zu betreiben, wobei die Ansaugung und Abgabe abwechselnd erfolgte. Durch diesen Betrieb konnte die Zufuhr der Reaktanten in einem Volumen über der Kapazität der Spritzenpumpe ohne Unterbrechung erfolgen.
Der von Hitachi Plant Technologies, Ltd. hergestellte Microreactor Micro Process Server (CMPS-α04) wurde als Mischmikroreaktor 3 verwendet.
Ferner war der Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion mit einer Rohrleitung aus einem Kunststoff auf Fluor-Basis (von GL Sciences, Inc. hergestellt) mit einem Außendurchmesser von 3 mm, einem Innendurchmesser von 2 mm und einer Länge von 10 m ausgestattet.
Der in der 2 dargestellte Mikroreaktor 6 zur Wasserabscheidung war mit einer Rohrleitung mit einem Innendurchmesser von 16 mm und einer Trennmembran 24 vom Typ der Zeolithmembranen Typ T (hergestellt von Mitsui Engineering & Shipbuilding Co., ltd.) als in der Rohrleitung angeordnete Trennmembran 24 ausgestattet. Die Gesamtlänge des Mikroreaktors 6 zur Wasserabscheidung betrug 331 mm. Die Durchmesser des ersten Scheibenelements 20, des zweiten Scheibenelements 20 und des Flansches 22a betrugen alle 40 mm. Der gemessene Außendurchmesser der T-Typ Zeolithmembran war 12,3 mm und die gemessene Länge der T-Typ Zeolithmembran betrug 300 mm. Die Breite des Reaktionslösungskanals 25 war daher 2 mm oder kleiner (1,85 mm).
Zum Verbinden des Einlasses 20b über den Reaktionslösungskanal 25 mit dem Auslass 20e war das zweite Scheibenelement 21 mit vier, in gleichem Abstand über den Umfang verteilten Löchern mit einem Durchmesser von 0,2 mm ausgestattet. Auf diese Weise entsprach die Zeitspanne, die die Reaktionslösung benötigte, um vom Einlass 20b des Mikroreaktors 6 zur Wasserabscheidung zum Auslass 20e zu fließen, fast dem theoretischen Wert. Aufgrund der Löcher kann die Lösung in geeigneter Weise fließen.
Die quantitative Analyse des Produktes (Methyloleat) und des Ölsäurerestes wurde mit Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) durchgeführt.
<Betriebsbedingungen>
Zunächst wurde der Mischmikroreaktor 3 in ein auf eine Temperatur von 60°C temperaturgeregeltes Bad eingetaucht. In den Reaktor 3 wurde zur Bildung der Reaktionslösung die Ölsäure/Methanol-Lösung mit einer Gesamtzufuhrrate von 1,023 ml/min zugeführt. Die Reaktionslösung strömte durch den in ein temperaturgeregeltes Bad mit einer Temperatur von 60°C eingetauchten Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion (i. e. die am Temperaturregler 5 eingestellte Temperatur entsprach 60°C). Danach strömte die Reaktionslösung mit der gleichen Zufuhrrate durch den in ein temperaturgeregeltes Bad mit einer Temperatur von 60°C eingetauchten Mikroreaktor 6 zur Wasserabscheidung (i. e. die am Temperaturregler 7 eingestellte Temperatur entsprach 60°C). Die Reaktionslösung strömte durch den Reaktionslösungskanal 25. Die Dekompressionsvorrichtung 11 stellte den Druck in dem Wasserdampfströmungskanal 26 auf –0,085 MPa ein, das Wasser in dem Kanal wurde verdampft und abgetrennt. Das abgetrennte Wasser wurde in der mit Eis gekühlten Kühlfalle 10 gesammelt.
Der Startpunkt der Wasserabscheidung wurde auf 31 Minuten nach dem Mischen von Ölsäure und Methanol eingestellt. Das bedeutet, dass 32 Minuten nach dem Mischen damit begonnen wurde, dem Mikroreaktor 6 zur Wasserabscheidung die Reaktionslösung zuzuführen. Ferner wurde die so genannte ”Gestoppter-Fluss-Methode” angewandt, um die Zeitspanne der Wasserabscheidung zu verlängern. Das bedeutet, dass der zugeführte Fluss für 30 Minuten ab 56 Minuten nach dem Mischen unterbrochen und dann wieder aufgenommen wurde.
Die aktuellen Temperaturen des an dem Mischmikroreaktor 3 angebrachten Temperaturreglers (nicht gezeigt) und der Temperaturregler 5 und 7 waren alle auf 60°C eingestellt. Die Temperatur lag etwas unter dem Siedepunkt von Methanol (64,7°C).
Schon kleine Mengen an dampfförmigem Methanol in den Reaktanten können den Kontaktbereich der Reaktanten verkleinern und dadurch die Reaktionsrate vermindern. Um ein solches Problem zu vermeiden, wurde der Druck des Reaktionssystems durch Steuerung des Druckregelventils 8 bei 138 kPa (20 psi) oder mehr gehalten.
Vergleichsbeispiel 1
Die Untersuchung wurde mit der gleichen Vorgehensweise wie oben für die Beispiele beschrieben durchgeführt, außer dass der Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion mit einer Fluorharz-Rohrleitung (hergestellt von GL Sciences, Inc.) mit einem Außendurchmesser von etwa 1,6 mm, einem Innendurchmesser von 1 mm und einer Länge von 0,1 m ausgestattet war. In diesem Fall war der Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion sehr kurz. Die von dem Mischmikroreaktor 3 abgegebene Reaktionslösung wurde unmittelbar dem Mikroreaktor 6 zur Wasserabscheidung zugeführt.
Vergleichsbeispiel 2
In dem Vergleichsbeispiel 2 wurde ein Chargen(Batch)verfahren untersucht. In dem Chargenverfahren wurde eine T-Typ Zeolithmembran, die dekomprimiert werden kann, aufbereitet, indem die Membran zwischen Silicongummistoppern eingefasst wurde. Ein Schlauch wurde in einen der Stopper eingeführt und die Membran dekomprimiert.
100 ml Ölsäure wurden in einem 200-ml-Rundkolben gerührt, dessen Temperatur mit einem Bad auf 60°C gehalten wurde. Während des Rührens wurden 13,9 ml Methanollösung, die 1,6 Gew.-% konzentrierte Schwefelsäure enthielt, zur Bildung der Reaktionslösung während einer Zeitspanne von einer Minute in drei Portionen in den Kolben gegeben. Während der chemischen Reaktion wurde weiterhin gerührt.
Die Länge der zwischen den oberen und unteren Siliconstoppern befestigten Membran war auf 20 mm eingestellt. Der eingeklemmte Teil der Membran war ständig in die Reaktionslösung eingetaucht. Ein Dekompressor hielt den Innendruck der Membran bei –0,085 MPa. Auf diese Weise durchdrang das abzuscheidende und zu verdampfende Wasser in dem System die Membran. Das abgetrennte Wasser wurde in einer mit Eis gekühlten Kühlfalle gesammelt. Die gebildete Menge an Methyloleat in der Reaktionslösung wurde 3 Stunden nach der Wasserabscheidung gemessen.
<Ergebnisse>
9 veranschaulicht die Beziehung zwischen den Ausbeuten und der seit dem Beginn des Mischens vergangenen Zeit, d. h. der chemischen Reaktionszeit. Hier bedeutet der Begriff Ausbeute die gemäß der nachstehend beschriebenen Formel I berechnete Ausbeute an Methyloleat. In Formel 1 bedeutet [Ölsäure] die molare Konzentration der Ölsäure in der Reaktionslösung, [Methyloleat] bedeutet die molare Konzentration des Methyloleats in der Reaktionslösung. Ausbeute [%] = {[Methyloleat]/([Ölsäure] + [Methyloleat])} × 100 1
Wie in der 9A dargestellt ist, wurde in Beispiel 1 vor Beginn der Wasserabscheidung ein Gleichgewichtszustand mit einer Ausbeute von 52% erreicht. Der Beginn der Wasserabscheidung erhöhte die Ausbeute. Die erhöhte Ausbeute war viel größer als die Ausbeute des Vergleichsbeispiels 2 gemäß dem herkömmlichen Verfahren. Bei einer Reaktionszeit von 85 Minuten erreichte die Ausbeute insbesondere 63%, 7% über der des Vergleichsbeispiels 2.
Wie in der 9B dargestellt ist, zeigt ein Vergleich der herkömmlichen Methoden nach den Vergleichsbeispielen 1 und 2 ein fast identisches Verhalten. Das Vergleichsbeispiel 1 umfasste keinen Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion und bei Vergleichsbeispiel 2 handelte es sich um ein herkömmliches Chargen-Verfahren. Zudem wurde in Vergleichsbeispiel 1 keine Wasserabscheidung während der Reaktionszeit von 55 min festgestellt (in den Figuren nicht dargestellt).
Die Geschwindigkeitskonstanten k₁, k_–1 und k₂ in Beispiel 1 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 werden nach der unten beschriebenen Formel 2 (siehe 3) berechnet. Die speziellen Berechnungsformeln sind nachfolgend gezeigt. d[Ölsäure]/dt = –k₁[Ölsäure][Methanol] + k_–1[Methyloleat][ Wasser (l)] d[Methyloleat]/dt = k₁[Ölsäure][Methanol] – k_–1[Methyloleat][Wasser (l)] d[Wasser (l)]/dt = k₁[Ölsäure][Methanol] – k_–1[Methyloleat][Wasser (l)] – k2[Wasser (l)] 2

In der Tabelle 1 ist eine Übersicht der obigen Ergebnisse dargestellt. TABELLE 1

	Reaktionszeit [min]	Ausbeute [%]	Geschwindigkeitskonstante
	Reaktionszeit [min]	Ausbeute [%]	k₁ [l/(mol·s)	k_–1 [l/(mol·s)	k₂ [l/s]
Beispiel 1	31	52	2,0 × 10^–3	3,9 × 10^–3	*
(mit Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion)	85	63	3,9 × 10^–5	7,5 × 10^–5	1,9 × 10³
Vergleichsbeispiel 1	55	52	4,0 × 10^–4	7,9 × 10^–4	*
(ohne Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion)
Vergleichsbeispiel 2	180	56	3,5 × 10^–4	6,9 × 10^–4	1,6 × 10^–5
(Batch-Methode)

”*” in Tabelle 1 gibt an, dass keine Berechnung durchgeführt wurde, da die Wasserabscheidung nicht bestimmt wurde.

Im Folgenden werden Beispiel 1 und die Vergleichsbeispiele 1 und 2 in Bezug auf die Geschwindigkeitskonstanten verglichen. In Beispiel 1 beginnt die Wasserabscheidung nach 31 Minuten Reaktionszeit. In dem Vergleichsbeispiel startet die Wasserabscheidung am Startpunkt der Reaktion. In Vergleichsbeispiel 2 wurde das Batchverfahren durchgeführt. Bei einem direkten Vergleich von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 besteht die Gefahr einer zu großen Vereinfachung. Gleichwohl ist die Geschwindigkeitskonstante der Wasserabscheidung k₂ des Beispiels 1 10³ Mal größer als die des Vergleichsbeispiels 1 und 10⁸ Mal größer als die des Vergleichsbeispiels 2. Das Ergebnis zeigt eindeutig, dass ein Mikroreaktor für die Wasserabscheidung, der mit einem Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion verwendet wird, eine größer Wasserabscheidungseffizienz erreichen kann.
Ferner ist die Geschwindigkeitskonstante der Hinreaktion k₁ vor dem Beginn der Wasserabscheidung (i. e. vor 31 Minuten) in Beispiel 1 größer als die des Vergleichsbeispiels 1 und des Vergleichsbeispiels 2. Aus dem Vergelich ergibt sich klar, dass ein Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion die chemische Reaktionszeit verkürzen kann.
Die oben angegebenen Ergebnisse zeigen, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Wasser wirksam abscheiden können und bei kürzeren chemischen Reaktionszeiten höhere Ausbeuten erzielen.
Bezugszeichenliste

3: Mischmikroreaktor (Mischeinheit)
4: Abschnitt 4 zur Durchführung einer chemischen Reaktion (Einheit für die chemische Reaktion)
5: Temperaturregler (Steuerung der Temperatur der chemischen Reaktion)
6: Mikroreaktor zur Wasserabscheidung
7: Steuerung der Wasserabscheidungstemperatur
12: Steuerung (Steuereinheit)
13: Vorrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion
15: Messgerät (Inline-Messvorrichtung)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007-203210 [0008]
JP 4462884 [0009]

Claims

Wasserabscheidesystem (100, 200, 300) zur Abtrennung von Wasser aus einer nach der chemischen Reaktion von Reaktanten erhaltenen Produktlösung, das umfasst: eine Mischeinrichtung (3) zum Mischen der zugeführten Reaktanten, eine Einrichtung (4) zur Durchführung einer chemischen Reaktion, die nach der Mischeinrichtung (3) angeschlossen ist, um die vermischten Reaktanten chemisch umzusetzen, eine Einrichtung (6) zur Wasserabscheidung, die nach der Einrichtung (4) zur Durchführung einer chemischen Reaktion angeschlossen ist, zur Abscheidung des in der Einrichtung (4) zur Durchführung einer chemischen Reaktion gebildeten Wassers, und eine Steuerung (12) zur Steuerung einer chemischen Reaktionszeit in der Einrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion, worin die Steuerung (12) ausgebildet ist, im Falle einer großen Produktmenge in einer aus der Einrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion abgegebenen Lösung eine chemische Reaktionszeit in der Einrichtung (4) zur Durchführung einer chemischen Reaktion zu verkürzen, und im Falle einer kleinen Produktmenge in einer aus der Einrichtung zur Durchführung einer chemischen Reaktion abgegebenen Lösung eine chemische Reaktionszeit in der Einrichtung (4) zur Durchführung einer chemischen Reaktion zu verlängern.
Wasserabscheidesystem nach Anspruch 1, worin die Steuerung (12) mit einer Funktion zur Steuerung einer Flussrate von Reaktanten, die der Mischeinrichtung (3) zugeführt werden, ausgebildet ist, und die chemische Reaktion gesteuert wird, indem die zugeführte Flussrate gesteuert wird.
Wasserabscheidesystem nach Anspruch 1, worin die Einrichtung (4) zur Durchführung einer chemischen Reaktion einen Mikrokanal zur Steuerung der chemischen Reaktionszeit durch Veränderung einer Länge des Mikrokanals aufweist.
Wasserabscheidesystem (200) nach Anspruch 3, worin die Einrichtung (4) zur Durchführung einer chemischen Reaktion als Vorrichtung mit einem Mikrokanal vorgegebener Länge ausgebildet ist, und die Länge des Mikrokanals festgelegt wird, indem eine Vorrichtung oder mehrere Vorrichtungen in Reihe geschaltet werden.
Wasserabscheidesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das ferner umfasst: eine Einrichtung zur Steuerung der chemischen Reaktionstemperatur (5) zur Steuerung einer Temperatur zum Zeitpunkt der chemischen Reaktion, und eine Einrichtung zur Steuerung der Wasserabscheidetemperatur (7) zur Steuerung einer Temperatur zum Zeitpunkt der Wasserabscheidung, um für die chemische Reaktion und die Wasserabscheidung unterschiedliche Temperaturen einzustellen.
Wasserabscheidesystem (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das ferner ein Inline-Messgerät (15) zur Messung der Produktmenge umfasst.