DE69719721T2

DE69719721T2 - Hochgeschwindigkeits - Kollisions - Reaktionsverfahren

Info

Publication number: DE69719721T2
Application number: DE69719721T
Authority: DE
Inventors: Kazutoshi Mitake; Fuminori Miyake; Megumu Toda; Fumio Yasuda; Tatsuo Yazaki
Original assignee: Hakusui Tech Co Ltd; Genus Corp
Current assignee: Hakusui Tech Co Ltd; Genus Corp
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1997-12-29
Publication date: 2003-10-23
Anticipated expiration: 2017-12-30
Also published as: EP0860201A2; EP0860201B1; EP0860201A3; US6227694B1; DE69719721D1

Description

Gegenstand dieser Erfindung ist ein Hochgeschwindigkeits-Kollisions- Reaktionsverfahren, das eine chemische Reaktion zwischen zwei Arten von Substanzen mittels Hochgeschwindigkeits-Kollision auslöst.
Um zwei oder mehrere reaktive Substanzen zu mischen und umzusetzen, ist ein Verfahren bekannt, das einen Reaktor verwendet, der in diskontinuierlichem Chargenverfahren betrieben wird und eine Rührkammer umfaßt. Bei diesem Verfahren werden zwei oder mehrere Substanzen gleichzeitig oder nacheinander in eine Rührkammer eingeführt und miteinander durch Rühren in der Rührkammer zur Reaktion gebracht. Es ist auch ein Verfahren bekannt, das einen Reaktor verwendet, der einen Rührfluß-Durchlauf umfaßt, wie z. B. einen statischen Mischer. Der Rührfluß- Durchlauf ist mit Rührflügeln ausgestattet, um Turbulenzen zu verursachen. Bei diesem Verfahren werden zwei oder mehrere Substanzen in den Rührfluß-Durchlauf eingeführt und miteinander mittels Rühren im Rührfluß-Durchlauf zur Reaktion gebracht.
Bei dem Verfahren unter Verwendung eines Batch-Reaktors werden zwei oder mehrere Substanzen aus verschiedenen Quellen gleichzeitig oder nacheinander in die Rührkammer, die ein festgelegtes Volumen aufweist, eingeführt und in einem genau festgelegten Zeitraum gerührt, um eine Reaktion zwischen den Substanzen herbeizuführen. Wenn die Reaktion beendet ist oder wenn ein Gleichgewichtszustand erreicht wurde, wird das Produkt herausgenommen. Dieses Verfahren weist jedoch die folgenden Probleme auf. Wenn eine Zustandsänderung im Reaktionssystem auftritt, z. B. durch einen Anstieg der Viskosität der reaktiven Substanz, werden die Substanzen nicht gleichmäßig gerührt und folglich nimmt die Reaktionsausbeute ab. Ebenso wird es schwierig, eine fein dispergierte Mischung herzustellen, wenn ein unvermischbarer Teil entsteht und für lange Zeit in dem Reaktionssystem verbleibt und sich der unvermischbare Teil so zu einer beträchtlichen Masse aggregiert.
Wenn zudem das Reaktionssystem in der Festbettkammer für eine lange Zeit gehalten wird, verursacht das unvermeidlich Veränderungen der physikalischen und chemischen Bedingungen, wie zum Beispiel Veränderungen bei der Menge, der Konzentration und dem pH-Wert der reaktiven Substanzen. Es ist sehr schwierig, das Reaktionssystem unter konstanten Bedingungen zu halten. Bei dem Batch- Reaktionsverfahren wird die Reaktion im Prinzip diskontinuierlich ausgeführt. Um diesen Nachteil auszugleichen, wurde ein Reaktorsystem vorgeschlagen, bei dem mehrere Rührkammern hintereinander geschaltet werden, um eine kontinuierliche Reaktion durchzuführen. In diesem Fall verändert sich jedoch die Konzentration der reaktiven Substanzen beim Durchlauf von der ersten bis zur letzten Kammer. Gewöhnlich nimmt die Konzentration zur letzten Kammer hin ab. Folglich nimmt die Reaktionseffizienz zur letzen Kammer hin ab. Es war daher sehr schwierig, die erforderliche Reaktionseffizienz zu erreichen.
Andererseits weist auch das Verfahren, das den Rührfluß-Durchlauf verwendet, folgende Probleme auf. Bei diesem Verfahren wird der Rührfluß-Durchlauf mit Rührflügeln oder anderen speziellen Elementen ausgestattet, um künstlich Turbulenzen zu erzeugen. Eine erste Substanz fließt in eine Richtung oder zirkuliert im Rührfluß- Durchlauf in einem turbulenten Zustand. Ein Fluß einer zweiten Substanz wird in den Fluß der ersten Substanz eingeleitet, um eine Reaktion zwischen den Substanzen herbeizuführen. Es findet jedoch zwangsläufig Kontakt zwischen der ersten und der zweiten Substanz statt, bevor die zweite Substanz in den Turbulenzbereich eintritt und folglich eine heterogene Reaktion verursacht, wenn auch nur für kurze Zeit. Außerdem kann eine hohe Reaktionseffizienz auch dann nicht erreicht werden, wenn Flüsse von zwei oder mehreren Substanzen gleichzeitig zusammentreffen, um eine homogene Reaktion herbeizuführen.
Es ist ein weiteres Verfahren bekannt, das einen Ejektor verwendet. Bei diesem Verfahren wird ein großer Fluß einer ersten Substanz hergestellt. Eine zweite Substanz wird in den großen Fluß der ersten Substanz bei einer hohen Geschwindigkeit eingebracht, um mit der ersten Substanz zur Reaktion gebracht zu werden. Jedoch ist dieses Verfahren nicht geeignet, wenn die Substanzen eine hohe Viskosität haben oder wenn das Reaktionsprodukt eine hohe Viskosität hat. Zudem ist die Kontrolle des Mischungsverhältnisses der Substanzen sehr schwierig. Demgemäß kann dieses Verfahren nur in einem beschränkten Bereich angewendet werden.
WO 94/07582 offenbart eine Doppelstrahl-Kristallisiervorrichtung, die mit einer Kristallisations- oder Mischkammer (10) mit gegenüberliegenden rechtwinklig angebrachten Armen (11), die wieder entfernbare Strahldüsen (13) haben, ausgestattet ist. Eine Seite der Kammer ist mit einer Vorrichtung ausgestattet, mit der das kristallisierte Produkt aus der Kammer ausgeleitet werden kann, während die andere Seite mit einer Vorrichtung ausgestattet ist, mit der das Kristallisationsvolumen innerhalb der Kammer (10) eingestellt werden kann. Die rechtwinkligen Arme (11) sind innerhalb spezifischer Winkeltoleranzen im Verhältnis zur Längsachse der Kammer angebracht. Eine der Strahldüsen (13) ist an einem Ende mit einer Vorrichtung ausgestattet, die dazu dient, eine Verbindung, die kristallisiert werden soll, von der Kammer zu empfangen oder der Kammer zuzuführen, während ein Ende der anderen Strahldüse (13) mit einer Vorrichtung ausgestattet ist, die ein Kristallisationsmittel für die Verbindung von der Kammer (10) empfangen oder ihr zuführen soll. Die gegenüberliegenden Seiten der beiden Strahldüsen (13) haben eine Vorrichtung, mit der sie entfernbar mit den rechtwinkligen Armen (11) verbunden werden können und die so gesicherten Enden haben einen Abschnitt an der Düsenspitze, der eine Öffnung mit einer länglich geformten Bohrung aufweist. Zwischen den Enden der beiden Strahldüsen (13) werden Vorrichtungen bereitgestellt, um den Abstand der Spitzen der Strahldüsen im Verhältnis zu der Längsachse der Kammer (10) zu justieren.
JP 63 278534 (englische Zusammenfassung) offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung für ein komplexes Mischverfahren mittels Kollision. Weiter wird ein Verfahren offenbart, bei dem man eine Mischung erhält, indem man erstens eine Flüssigkeit mit einer Oberfläche auf der Platte 7 kollidiert, die in der Mischkammer 1 liegt und zweitens mittels linear konzentrischer Kollision in einer zweiten Mischkammer 6. JP 02 261525 (englische Zusammenfassung) offenbart eine Vorrichtung zur Emulgierung, die die Flußdurchgänge 5, 6, 9 und 10 umfaßt, die durch zwei Schichten von Einlageteilen 15 und 16, die aus einem harten Plattenmaterial bestehen, geschlossen werden. In Teil 15, das an der Zulaufseite angebracht ist, werden zwei Durchflußlöcher 15b und 15c, durch die jede Mischflüssigkeit, die aus den Düsen 2 und 3 gesprüht wird, durchfließen kann, in Positionen symmetrisch zum Mittelpunkt der Plattenoberfläche angebracht und ein Rillenabschnitt 15a wird auf einer Seite der Plattenoberfläche angebracht, um die Endabschnitte der Durchflußlöcher zu verbinden. Im Teil 16, das auf der Abflußseite des Teils 15 angebracht ist, mit engem Kontakt zu diesem, wird ein Rillenabschnitt 16a auf der gegenüberliegenden Oberfläche in engem Kontakt mit dem Teil 15 gebildet, um den Rillenabschnitt 15a orthogonal zu durchschneiden für den Abfluß und zwei Durchflußlöcher 16b und 16c werden an beiden äußeren Enden des Rillenabschnitts 16a angebracht, so daß die Emulgierung stattfindet, während Mischflüssigkeit durch die Teile 15 und 16 geleitet wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Hochgeschwindigkeits-Kollisions- Reaktionsverfahren zu liefern, das die Probleme des derzeitigen Standes der Technik überwindet.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, das die Reaktion zwischen zwei oder mehreren reaktiven Substanzen herbeiführt, wobei die ersten und zweiten Einlaßdurchgänge mit kollinearen Umwandungen und einem umwandeten Auslaßdurchgang verbunden werden, um eine Kollisionseinschließung zu bilden, die durch die verbundenen Umwandungen der besagten Durchgänge definiert ist; wobei mindestens ein Reaktant entlang des ersten Einlaßdurchgangs und mindestens ein anderer Reaktant entlang des zweiten Einlaßdurchgangs in die besagte Kollisionseinschließung eingeleitet wird; wobei eine Kollision zwischen diesen beiden eingeführten Reaktanten innerhalb der besagten Kollisionseinschließung bei einer Flußrate von 4 m/s oder darüber herbeigeführt wird und dadurch eine chemische Reaktion abläuft und als Reaktionsprodukt feine Partikel produziert werden und das Reaktionsprodukt aus der Kollisionseinschließung über den besagten Auslaßdurchgang entfernt wird.
Bei diesem Verfahren werden die Flüsse der reaktiven Substanzen bei einer Flußrate von 4 m/s oder darüber miteinander kollidiert, um eine Reaktion herbeizuführen. Folglich können sehr feine Partikel effizienter hergestellt werden. Da die Reaktion zudem in einer sehr kurzen Zeit erreicht wird, können die Bedingungen für die Reaktion einfacher kontrolliert werden.
Die oben genannten sowie andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und der Figuren deutlicher werden.
Fig. 1 ist eine Draufsicht, die einen Hochgeschwindigkeits-Kollisions-Reaktor zeigt, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Querschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 1;
Fig. 4 ist ein Querschnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 2;
Fig. 5 ist eine schematische Zeichnung, die eine erste Hochgeschwindigkeits- Kollisions-Reaktionsart gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Kollisions-Flußrate und dem durchschnittlichen Durchmesser der hergestellten Partikel darstellt;
Fig. 7 ist eine schematische Zeichnung, die eine Flußkontrolle, die für die hergestellten Partikel ausgeführt wurde, darstellt;
Fig. 8 ist eine schematische Zeichnung, die eine weitere Flußkontrolle darstellt, die für die hergestellten Partikel ausgeführt wurde;
Fig. 9 ist eine schematische Zeichnung, die eine weitere Flußkontrolle darstellt, die für die hergestellten Partikel ausgeführt wurde;
Fig. 10 ist eine schematische Zeichnung, die eine zweite Hochgeschwindigkeits- Kollisions-Reaktionsart gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 11 ist eine schematische Zeichnung, die eine dritte Hochgeschwindigkeits- Kollisions-Reaktionsart gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 12 ist eine schematische Zeichnung, die eine vierte Hochgeschwindigkeits- Kollisions-Reaktionsart gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 13 ist eine schematische Zeichnung, die eine fünfte Hochgeschwindigkeits- Kollisions-Reaktionsart gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 14 ist eine schematische Zeichnung, die eine sechste Hochgeschwindigkeits- Kollisions-Reaktionsart gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 15 ist eine schematische Zeichnung, die eine erste Kombination einer Hochgeschwindigkeits-Kollisions-Reaktion und einer Emulsionsdispersion darstellt;
Fig. 16 ist eine schematische Zeichnung, die eine siebte Hochgeschwindigkeits- Kollisions-Reaktionsart gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 17 ist eine schematische Zeichnung, die eine zweite Kombination einer Hochgeschwindigkeits-Kollisions-Reaktion und einer Emulsionsdispersion darstellt;
Fig. 18 ist eine schematische Zeichnung, die eine achte Hochgeschwindigkeits- Kollisions-Reaktionsart gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 19 ist eine schematische Zeichnung, die eine dritte Kombination einer Hochgeschwindigkeits-Kollisions-Reaktion und einer Emulsionsdispersion darstellt und
Fig. 20 ist eine schematische Zeichnung, die eine vierte Kombination einer Hochgeschwindigkeits-Kollisions-Reaktion und einer Emulsionsdispersion darstellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Flüsse von zwei oder mehrere Substanzen in Form einer Flüssigkeit und/oder Gases mit hoher Reaktivität zueinander, so zusammengeführt, daß die Substanzen bei hoher Geschwindigkeit miteinander kollidieren, um miteinander zu reagieren.
Die Fig. 1 bis 4 zeigen einen Reaktor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieser Reaktor ist so gestaltet, daß eine Kollisions-Reaktion zwischen zwei Substanzen möglich ist. Fig. 1 ist eine Draufsicht des Reaktors, Fig. 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 ist ein Querschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 1 und Fig. 4 ist ein Querschnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 2. Dieser Reaktor umfaßt zwei rechteckige Blöcke 1a und 1b, die zu einem Körper zusammengebaut und mit vier Bolzen 2 jeweils an den vier Ecken der Blöcke verbunden werden. Der obere Block 1a ist ausgestattet mit zwei Einlaßteilen 3a und 3b und einem Auslaßteil 4. Die Einlaßteile 3a und 3b sind jeweils mit Einlaßdurchgängen 5a und 5b ausgestattet, die durch die Kanäle 6a und 6b verbunden sind. Wie in Fig. 4 dargestellt, erstrecken sich die Kanäle 6a und 6b in entgegengesetzte Richtungen. Von einem Verbindungsabschnitt 7 der Kanäle 6a und 6b erstreckt sich ein Kanal 8 in lotrechter Richtung zu den Kanälen 6a und 6b. Der Kanal 8 ist mit einem Auslaßdurchgang 9 verbunden, der im Auslaßteil 4 angebracht wird. Demgemäß fließen die Ströme der zwei Substanzen durch die Kanäle 6a und 6b, treffen aufeinander und kollidieren an dem Verbindungsabschnitt 7 und dort findet dann die Reaktion statt. Ein Produkt C der Reaktion fließt durch den Kanal 8 und den Auslaßdurchgang 9 zu einem Reservoir, das außerhalb des Reaktors angelegt ist.
Genauer gesagt werden Materialfluid A und Materialfluid B jeweils in die Einlaßdurchgänge 5a und 5b mit hoher Geschwindigkeit oder hohem Druck eingeführt und zu dem Verbindungsabschnitt 7 durch die Kanäle 6a und 6b geleitet. Die Fluide A und B treffen bei der Flußrate des Strahls aufeinander. In dem schmalen Raum des Verbindungsabschnitts 7 kollidieren die Düsenströme der Fluide A und B bei hoher Geschwindigkeit miteinander. Es entsteht heftige Turbulenz und Hohlsog in dem schmalen Raum des Verbindungsabschnitts 7. Zudem stoßen die Fluide A und B gegen eine innere Umwandung des Verbindungsabschnitts 7. Dementsprechend werden die Fluide A und B bei hoher kinetischer Energie gemischt und führen dadurch in sehr kurzer Zeit eine Reaktion zwischen den Fluiden A und B herbei. Fig. 5 stellt diese Hochgeschwindigkeits-Kollisions-Reaktion schematisch dar.
In dieser Hochgeschwindigkeits-Kollisions-Reaktion können die Reaktionsrate und der Reaktionszustand zwischen den zwei Fluiden A und B in Übereinstimmung mit den Eigenschaften der Fluide einfach kontrolliert werden, indem die jeweiligen Flußraten oder die kinetische Energie der Fluide A und B angepaßt werden. Auch die jeweiligen Zufuhrmengen oder Anteile der Fluide A und B können einfach kontrolliert werden, indem Zufuhrvorrichtungen (Pumpen) für die Fluide A bzw. B angebracht werden.
Bei dieser Hochgeschwindigkeits-Kollisions-Reaktion ist die Flußrate des Materialfluids wichtig. Die Fluide fließen mit einer Rate von 4 m/s oder darüber, vorzugsweise mit 7 m/s oder darüber oder besser noch mit 15 m/s oder darüber. Eine derartige Hochgeschwindigkeits-Kollisions-Reaktion ermöglicht es, feine Partikel in Submikron-Größe herzustellen, die mit den konventionellen Verfahren nicht produziert werden können.
Außerdem könnte es interessant sein ein Bearbeitungsverfahren anzuwenden, das die feinen Partikel daran hindert, sich nach der Reaktion zu verbinden, zum Beispiel indem man die so hergestellten feinen Partikel in einer großen Menge Flüssigkeit für kurze Zeit rührt.
Fig. 6 ist ein Diagram, das die Beziehung zwischen einer Flußrate und einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser darstellt. Diese Beziehung wurde aufgestellt als Bariumchlorid und Natriumsulfat, die als Substanzen verwendet wurden, bei hoher Geschwindigkeit zur Kollision gebracht wurden und in dem Reaktor, der in den Fig. 1 bis 4 dargestellt ist, miteinander zur Reaktion gebracht wurden und dadurch Bariumsulfat produziert wurde. Die Reaktion wurde mit verschiedenen Flußraten durchgeführt und man erhielt für jede Flußrate die durchschnittlichen Partikeldurchmesser des daraus entstandenen Bariumsulfats. Wenn die Flußrate in der Kollisions-Reaktion auf 4 m/s oder darüber festgelegt wurde, wurde ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser von etwa 1,0 um oder darunter erreicht. Wenn die Flußrate auf 7 m/s oder darüber festgelegt wurde, wurde ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser von etwa 0,5 um oder kleiner erreicht. Wenn die Flußrate auf 15 m/s oder darüber festgelegt wurde, wurde ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser von etwa 0,2 um oder kleiner erreicht. Aus den Ergebnissen kann gefolgert werden, daß durch die Hochgeschwindigkeits-Kollisions-Reaktion der vorliegenden Erfindung besonders feine Partikel hergestellt werden können.
Andererseits kann das konventionelle Verfahren, bei dem zwei oder mehrere Substanzen zur Reaktion gebracht werden und Düsenströme von 1 bis 3 m/s verwendet werden, keine Partikel herstellen, deren Größe unter 3 um liegt.
Wie oben beschrieben kann die Hochgeschwindigkeits-Kollisions-Reaktion der vorliegenden Erfindung sehr feine Partikel im Submikronbereich oder Dispersionen, die sehr feine Partikel enthalten, herstellen. Zudem ist es gut, die passende Menge an Dispersionsmittel in ein Reaktionssystem zu geben, um das Folge-Verkleben nach der Reaktion zu verhindern. Auf diese Weise läßt sich eine stabile Dispersion, in der sehr feine Partikel dispergiert sind, herstellen, die so ähnlich aussieht wie eine Emulsion oder eine Lösung.
Die Beziehung zwischen Flußrate und Partikeldurchmesser, die in Fig. 6 dargestellt ist, bezieht sich auf die Herstellung feiner Bariumsulfatpartikel aus Bariumchlorid und Natriumsulfat. Obwohl der Durchmesser der hergestellten Partikel leicht in Abhängigkeit von der Art des für die Substanzen verwendeten Materials, variiert, kann die Beziehung zwischen der Flußrate von Materialfluiden und dem Durchmesser der hergestellten Partikel für verschiedene Arten von Substanzen angewendet werden. Anders ausgedrückt: Der Durchmesser der Partikel variiert deutlich, je nachdem, ob die Flußrate über oder unter 4 m/s liegt. Es wurde bestätigt, daß sehr feine Partikel, die man mit konventionellen Verfahren nicht herstellen konnte, produziert werden können, wenn man Materialfluide bei einer Flußrate von 4 m/s oder darüber kollidieren läßt.
Demgemäß ist ein Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß die Flußrate für die Kollisions-Reaktion von zwei oder mehreren Substanzen bei 4 m/s oder darüber liegt, vorzugsweise bei 7 m/s oder darüber und noch besser bei 15 m/s oder darüber. Der Reaktor, der in den Fig. 1 bis 4 dargestellt ist, ist nur ein beispielhafter Reaktor und das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Verwendung des Reaktors beschränkt, der in den Fig. 1 bis 4 dargestellt wird. Jeder Reaktor kann verwendet werden, solange er so gebaut ist, daß zwei oder mehrere Substanzen bei den oben angegebenen hohen Geschwindigkeiten miteinander kollidieren können, um diese in einem sehr kurzen Zeitraum miteinander zur Reaktion zubringen und die hergestellten Partikel abzuleiten. Solange diese Bedingungen erfüllt werden, können verschiedene Veränderungen hinsichtlich der Zahl und der Größe der Einlaßdurchgänge, der Richtung, in der die Materialsubstanzen zusammengeführt werden, der Form und Struktur des Verbindungsabschnitts und der Richtung des Auslaßdurchgangs, durchgeführt werden.
Der in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Reaktor ist für das erfindungsgemäße Verfahren zu empfehlen, da die Konstruktion sehr einfach ist und daher auch das Design und die Herstellung einfach sind. Speziell umfaßt der Reaktor die oberen und unteren Blöcke 1a und 1b. Der obere Block 1a wird mit den Einlaßdurchgängen 5a, 5b und dem Auslaßdurchgang 9 ausgestattet. Der untere Block 1b wird mit den Einlaßkanälen 6a und 6b, dem Verbindungsabschnitt 7 und dem Auslaßkanal 8 ausgestattet. Demgemäß kann die Zahl der Einlaßdurchgänge und Kanäle, entsprechend der Zahl der Materialsubstanzen leicht verändert werden. Die Einlaßkanäle 6a und 6b, der Verbindungsabschnitt 7 und der Auslaßkanal 8 können auch in dem oberen Block 1a eingebaut werden, anstelle des unteren Blocks 1b oder können sowohl im oberen Block 1a als auch im unteren Block 1b eingebaut werden.
Obwohl es ein Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, das Flüsse von zwei oder mehreren Substanzen im wesentlichen entlang einer Linie bei hoher Geschwindigkeit direkt miteinander zur Kollision gebracht werden, ist die Konstruktion des Auslaßdurchgangs für das Reaktionsprodukt nicht auf dieses bestimmte Modell beschränkt, sondern kann in verschiedenen Anordnungen verändert werden. Wie beispielsweise in den Fig. 7 bis 9 dargestellt, kann ein Reaktionsprodukt C in Übereinstimmung mit den Eigenschaften des Reaktionsprodukts C durch eine andere Anordnung geleitet werden. Um die Größe des Reaktionsprodukts C stärker zu reduzieren oder feinere Partikel zu erhalten, kann ein Drosselungsabschnitt S direkt in Flußrichtung unter dem Verbindungsabschnitt 7 eingebaut werden, wie in Fig. 7 dargestellt oder in Flußrichtung kurz hinter dem Verbindungsabschnitt 7, wie in Fig. 8 dargestellt. Auch kann es, wie in Fig. 9 gezeigt, interessant sein, den Abflußkanal in Flußrichtung unter dem Verbindungsabschnitt 7 zu verbreitern, um den Druck der Abflußseite zu verringern und dadurch die Kollisions-Reaktion zu fördern und das Reaktionsprodukt C gleichmäßig fließen zu lassen.
Zudem können gemäß der vorliegenden Erfindung verschiedene Modifikationen der Hochgeschwindigkeits-Kollisions-Reaktionen, wie im folgenden beschrieben, vorgenommen werden.
Wie in Fig. 10 dargestellt, kann es vorteilhaft sein, zwei Materialsubstanzen A und B in zwei gegenläufigen Richtungen gleichzeitig bei hoher Geschwindigkeit miteinander zur Kollision zu bringen.
Wie in Fig. 11 dargestellt, können die vier Materialsubstanzen A bis D in zwei gegenläufigen Richtungen gleichzeitig bei hoher Geschwindigkeit miteinander zur Kollision gebracht werden.
Wie in den Fig. 12 und 13 dargestellt, können zwei Materialsubstanzen A und B miteinander zur Kollision gebracht werden, indem sie von gegenüber angebrachten Schlitzdüsen bei hoher Geschwindigkeit ausgestoßen werden.
Wie in Fig. 14 dargestellt, wird eine Materialsubstanz A in eine bestimmte Richtung mit einer hohen Flußrate geleitet, während vier Materialsubstanzen B, C, D und E bei einer hohen Flußrate zum Fluß der Substanz A geleitet werden. In diesem Fall liegen die Substanzen B und C und die Flüsse der Substanzen D und E einander gegenüber.
Wie in Fig. 16 dargestellt, können die Materialsubstanzen A und B jeweils in zwei Strombahnen geteilt und an zwei Punkten miteinander zur Kollision gebracht werden. Danach wird das Reaktionsprodukt noch einmal in Flußrichtung darunter zur Kollision gebracht und dann in einer einzigen Strombahn ausgeleitet.
Wie in Fig. 18 dargestellt, werden die Materialsubstanzen A und C und die Materialsubstanzen B und D jeweils auf unterschiedlichen Positionen miteinander zur Kollision gebracht. Danach werden das Reaktionsprodukt AC und das Reaktionsprodukt BD jeweils in zwei Strombahnen geteilt und miteinander an zwei verschiedenen Punkten zur Kollision gebracht. Das Reaktionsprodukt ABCD wird in Flußrichtung weiter unten mit sich selbst zur Kollision gebracht und dann in einer einzigen Strombahn ausgeleitet.
Bei der Reaktionsart, die in Fig. 14 gezeigt wird, kann die Substanz A ein Reaktionsmedium sein und die Substanzen D und E können Primärsubstanzen sein. Vor der Kollisions-Reaktion zwischen den Substanzen D und E, bei der die Substanz A als Reaktionsmedium verwendet wird, können die Substanzen B und C, also zum Beispiel oberflächenaktive Mittel (Dispersionsmittel usw.), Reaktionsbeschleuniger, Reaktionshilfsmittel, Katalysatoren zugefügt werden und in dem Fluß der Substanz A dispergiert werden. Alternativ kann die Substanz A ein Reaktionsmedium sein und die Substanzen B und C können Substanzen aus Primärmaterial sein. Die Substanzen D und E können Reaktionsabstoppmittel, eine sekundäre reaktive Substanz, ein Veredelungsmittel oder ein Modifikationsmittel und ähnliches sein und sie können flußabwärts nach der Reaktion der Substanzen B und C zugegeben werden.
Derartige Beimengungen können bei der Reaktionsart angewendet werden, die in Fig. 16 dargestellt ist. Insbesondere können vor der Kollisions-Reaktion zwischen den Substanzen A und B, die Substanzen C und C', wie z. B. oberflächenaktive Mittel (Dispersionsmittel usw.), Reaktionsbeschleuniger, Reaktionshilfsmittel oder Katalysatoren zu den Substanzen A bzw. B zugefügt werden. Alternativ kann eine Substanz D, wie z. B. ein Reaktionsabstoppmittel, eine sekundäre reaktive Substanz, ein Veredelungsmittel oder ein Modifikationsmittel zu dem Reaktionsprodukt zwischen den Substanzen A und B zugefügt werden.
Eine derartige Beimengung kann auch bei der Reaktionsart angewendet werden, die in Fig. 18 dargestellt wird. Insbesondere können vor der Kollisions-Reaktion zwischen den Substanzen A und B, die Substanzen C und D, wie z. B. oberflächenaktive Mittel (Dispersionsmittel usw.), Reaktionsbeschleuniger, Reaktionshilfsmittel oder Katalysatoren in die Flüsse der Substanzen A bzw. B geleitet werden. Zusätzlich können während der Kollisions-Reaktion zwischen den Reaktionsprodukten AC und BD, die Substanzen E und F, also z. B. oberflächenaktive Mittel (Dispersionsmittel usw.), Reaktionsbeschleuniger, Reaktionshilfsmittel oder Katalysatoren zu den Flüssen der Substanzen AC bzw. BD zugefügt werden. Zudem können die Substanzen G und H, also z. B. Reaktionsabstoppmittel, sekundäre reaktive Substanzen, Veredelungsmittel oder Modifikationsmittel, in den Fluß des Reaktionsprodukts eingebracht werden.
Zudem können, wie in den Fig. 15, 17, und 19 dargestellt, zusätzlich eine Pumpe P, um das Fluid, das Partikel des Reaktionsprodukts enthält, die bei der Reaktion entstanden sind, einem Druck auszusetzen, wie in den Fig. 14, 16, und 18 dargestellt, und einem Dispersionsgerät N eingebaut werden, wie z. B. einem Dispersionsgerät, wie es in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 9-201522 offenbart wird, um so die Stabilität der Dispersion zu erhöhen, die die feinen Partikel enthält.
Fig. 20 zeigt noch eine weitere Kollisions-Reaktionsart der vorliegenden Erfindung. Einem Reaktionsprodukt aus den Substanzen A und B wird ein oberflächenaktives Mittel stromaufwärts und/oder stromabwärts einer Pumpe P zugefügt, das kann z. B. ein Dispergiermittel, ein Reaktionsabstoppmittel, eine Substanz der zweiten Ordnung, ein Veredelungsmittel oder ein Modifikationsmittel sein. Die daraus entstandene Substanz wird in den Dispersionsapparat N eingeführt. Dies wird das Zusammenkleben der sehr feinen Partikel des Reaktionsprodukts zuverlässiger verhindern.
Für die Zufuhr der Materialsubstanzen kann wahlweise eine Tauchkolbenpumpe, eine Schlangenpumpe, eine Diaphragmapumpe, eine Zentrifugalpumpe oder ähnliche, je nach Art und Fließvermögen der Substanz, verwendet werden. Wenn die Materialsubstanz gas- oder nebelförmig vorliegt, kann eine Hochdruckpumpe verwendet werden. Die Flußrate der Materialsubstanzen vor der Kollision wird kontrolliert, indem der Zufuhrdruck der Zufuhrvorrichtung und die Schnittfläche des Flußdurchgangs angepaßt werden. Zudem wird der Abflußdruck des Reaktionsprodukts so eingestellt, daß er sich in einem Bereich zwischen 0,1 und 300 MPa bewegt, indem man die Schnittfläche des Auslaßdurchgangs anpaßt.
Im wesentlichen ist der Strom im Auslaßdurchgang identisch mit dem Strom im Einlaßdurchgang, wenn die Materialsubstanzen in flüssiger Form vorliegen. Wenn jedoch mindestens eine Materialsubstanz gasförmig ist, unterscheidet sich der Strom im Auslaßdurchgang stark oder ist deutlich geringer als der Strom im Einlaßdurchgang, da die gasförmige Substanz nach der Reaktion in flüssigem oder festem Zustand vorliegt. Dementsprechend werden der Zufuhrdruck und die Querschnittfläche des Stroms in Abhängigkeit von einer Phasenänderung nach der Reaktion festgelegt.
Die Hochgeschwindigkeits-Kollisions-Reaktion findet im Verbindungsabschnitt 7 statt; dort wird folglich eine hohe Energiemenge freigesetzt. Die innere Oberfläche des Verbindungsabschnitts 7 ist starkem Reibungsverschleiß unterworfen. Daher muß der Verbindungsabschnitt 7 reibungsresistent sein. Abhängig von den Eigenschaften der Materialsubstanzen und dem Reaktionsprodukt muß der Verbindungsabschnitt 7 auch gegen Säure, alkalische Chemikalien, Lösungsmittel und gegen Hitze beständig sein. Diese Anforderungen werden erfüllt, wenn man die den Chemikalien ausgesetzten Teile des Verbindungsabschnitts 7 aus beständigen Materialien herstellt oder sie damit beschichtet, das kann z. B. mit gesinterten Carbiden, wie z. B. WC, abriebbeständige Keramiken, wie z. B. Zirkon, Aluminiumoxid, Borcarbid, gesintertem Diamant, monokristallinem Diamant geschehen.
Die Hochgeschwindigkeits-Kollisions-Reaktion der vorliegenden Erfindung kann mit einer breiten Palette von Substanzen angewendet werden, die unter Druck zugeführt werden können, wie z. B. flüssige Substanzen, Lösungen, Emulsionen, Suspensionen, Sol-Gel-Flüssigkeiten, Gase, dampfhaltige Gase.
Wie oben beschrieben, werden die Substanzen gemäß der vorliegenden Erfindung im Verbindungsabschnitt 7 bei hoher Geschwindigkeit in einem sehr kurzen Zeitraum miteinander zur Kollision gebracht. Das Reaktionsprodukt wird aus dem Reaktor durch den Auslaßdurchgang 9 ausgeleitet, ohne gleich nach der Reaktion im Reaktionssystem zu verbleiben. Diese Anordnung ist höchst vorteilhaft, wenn man sehr feine Partikel herstellt. Insbesondere beim herkömmlichen Batch-Verfahren und dem Rührfluß-Durchlauf-Verfahren geht die Reaktion zwischen den Substanzen allmählich vonstatten. Folglich findet im Laufe der Zeit eine Veränderung der Reaktionsbedingungen, wie die Substanzkonzentration, statt, was schließlich die Aggregation der Substanzen verursacht. Dagegen findet in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kollision und die Reaktion zwischen den Substanzen in einem extrem kleinen Raum in einem sehr kurzen Zeitraum statt, so daß es möglich ist, sehr feine Partikel herzustellen, ohne daß sich Aggregationen bilden.
Außerdem ist es bei beim herkömmlichen Batch-Verfahren und dem Rührfluß- Durchlauf-Verfahren schwierig, die Temperatur des Reaktionssystems zu kontrollieren, wie z. B. einem vorübergehenden Anstieg oder Abfall der Temperatur, aufgrund der die im Reaktionssystem vorhandenen Menge der Substanz, der Verweilzeit der Substanz im Reaktionssystem, der Größe und Wärmekapazität des Reaktors, die abhängig von jedem Einzelfall variiert. Folglich sind höhere Ausrüstungs- und Energiekosten unvermeidlich. Dagegen findet beim erfindungsgemäßen Verfahren die Kollisions-Reaktion in einem extrem kleinen Raum innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums statt. Die Temperaturkontrolle des schmalen Raums kann sehr viel effizienter ausgeführt werden, indem eine Heiz- und eine Kühlvorrichtung für den schmalen Raum zur Verfügung gestellt werden, wodurch die gleichmäßige Reaktion sichergestellt wird. Überdies kann das erfindungsgemäße Verfahren effektiver angewendet werden, wenn das Reaktionsprodukt dazu neigt, seine Eigenschaften mit der sich ändernden Temperatur ebenfalls zu ändern.
In den Bereichen, in denen feine Partikel gebraucht werden, wie z. B. in der Pharmaindustrie, der Nahrungsmittelindustrie und in der elektronische Werkstoffe produzierenden Industrie, stellt die Verunreinigung durch Fremdstoffe und Bakterien ein großes Problem dar. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die sofortige Reaktion in einem perfekt abgeschlossenen Raum, der vollständig von der Atmosphäre abgetrennt ist. Dementsprechend kann das erfindungsgemäße Verfahren das Problem effektiver und einfacher ausschalten, indem einfach das System, das die Substanz zuführt, von Verunreinigungen freigehalten wird. In der Pharma- und der Nahrungsmittelindustrie wurde auch bestätigt, daß ein sterilisierender Effekt erreicht werden kann, wenn man Hochdruck verwendet. Folglich kann das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich aufgrund der Verwendung von Hochdruck ein Sterilisationsverfahren liefern.
Bei der chemischen Reaktion hängt die Reaktionseffizienz zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit und zwischen einem Gas, einer Flüssigkeit und einem Festkörper größtenteils von der Löslichkeit des Gases in der Flüssigkeit ab. Anders gesagt: Die Reaktionseffizienz wird erhöht, indem man die Konzentration des Gases in der Flüssigkeit erhöht. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Löslichkeit von Gas in einer Flüssigkeit leicht erhöht werden, indem man die Substanzen unter Hochdruck zuführt. Dadurch kann die Effizienz der Reaktion bei der Verwendung einer gasförmigen Substanz einfach erhöht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einem breiten Bereich von Reaktionen angewendet werden, so z. B. bei Flüssig-Flüssig-Reaktionen, bei Gas-Flüssig- Reaktionen, Gas-Gas-Reaktionen, indem man die oben beschriebenen vorteilhaften Merkmale des Verfahrens effektiv nutzt, in verschiedenen Industriezweigen, wie z. B. der Herstellung von Medikamenten, Nahrungsmitteln, Farben, Tinten, Pigmenten, lichtempfindlichen Materialien, magnetischen Aufnahmemedien und dergleichen. Es sollte hier festgehalten werden, daß in der vorliegenden Erfindung der Begriff "Flüssigkeit» nicht nur eine Substanz in Form einer Flüssigkeit, eine Lösung, in der Materialsubstanz in einem beliebigen Lösungsmittel gelöst ist, eine Emulsion, eine Suspension, Latex und dergleichen umfaßt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist außergewöhnlich vorteilhaft bei Reaktionen, bei denen zwei oder mehrere flüssige Substanzen miteinander zur Reaktion gebracht werden, um unlösliche feine Partikel oder eine Emulsion herzustellen. Wie oben beschrieben, kann das erfindungsgemäße Verfahren sehr feine Partikel im Submikronbereich mittels Hochgeschwindigkeits-Kollision herstellen, speziell eine Dispersion, in der die erhaltenen unlöslichen feinen Partikel in einem Lösungsmittel dispergiert sind. Demgemäß kann das erfindungsgemäße Verfahren eine extrem stabile Dispersionsflüssigkeit und -emulsion einfacher herstellen.
Die folgenden Beispiele sind Reaktionen, bei denen das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann. Es ist jedoch selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf diese Reaktionen beschränkt ist.
- Eine Reaktion zwischen einer wässerigen Lösung aus CaCl&sub2;, und einer wässerigen Lösung aus NaCO&sub3;, um feine Partikel aus CaCO&sub3; herzustellen.
- Eine Reaktion zwischen einer wässerigen Lösung aus BaCl&sub2; und einer wässerigen Lösung aus NaCO&sub3;, um feine Partikel aus BaCO&sub3; herzustellen.
- Eine Reaktion zwischen einer wässerigen Lösung aus BaCl&sub2;, und einer wässerigen Lösung aus H&sub2;SO&sub4; (oder NaSO&sub4;), um feine Partikel aus BaSO&sub4; herzustellen.
- Eine Reaktion zwischen einer wässerigen Lösung aus ZnSO&sub4; und einer wässerigen Lösung aus NaCO&sub3;, um feine Partikel aus ZnCO&sub3; herzustellen.
- Eine Reaktion zwischen einer wässerigen Lösung aus ZnSO&sub4; und einer wässerigen Lösung aus Na&sub2;Sx (oder NH&sub4;Sx), um feine Partikel aus ZnS herzustellen.
- Eine Reaktion zwischen einer wässerigen Lösung aus Na&sub2;O·3,3 SiO&sub2; und einer wässerigen Lösung aus H&sub2;SO&sub4;, um SiO&sub2; in Form von Sol herzustellen und
- Eine Reaktion zwischen einer wässerigen Lösung aus ZnSO&sub4; und einer wässerigen Lösung aus NaOH, um feine Partikel aus Zn(OH)&sub2; herzustellen. Feine Partikel aus ZnO erhält man, indem man Zn(OH)&sub2; thermisch zersetzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der folgenden Beispiele detaillierter beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, daß die verschiedenen Veränderungen und Modifikationen für Fachleute auf diesem Gebiet offensichtlich sein werden. Daher sollen sie, außer wenn solche Veränderungen und Modifikationen vom Umfang der vorliegenden Erfindung abweichen, als darin eingeschlossen betrachtet werden.
Unter Verwendung des Reaktors aus Fig. 1 wurden zwei Substanzen durch die jeweiligen Einlaßdurchgänge mit einer bestimmten Geschwindigkeit zugeführt und werden miteinander in dem Verbindungsabschnitt zur Kollision und zur Reaktion gebracht. Das Reaktionsprodukt wurde durch den Auslaßdurchgang ausgeleitet. Der Partikeldurchmesser des Reaktionsprodukts wurde unter Verwendung einer Meßvorrichtung für die Partikelgrößenverteilung mittels Laserdiffraktion "SALD-2000A", hergestellt von Shimazu Corporation, gemessen. Zum Vergleich wurde eine andere Reaktion durchgeführt, bei der ein Tischrührreaktor "AM-9", der im Batch-Verfahren betrieben wird, hergestellt von Nippon Seiki Co., Ltd., verwendet wurde, und die Partikeldurchmesser des Reaktionsprodukts wurden auf die gleiche Weise gemessen. Die beiden Einlaßdurchgänge für die Zufuhr der Substanzen zum Verbindungsabschnitt hatten eine Länge von 7,5 mm und einen Durchmesser von 1,0 mm (d. h. eine Querschnittsfläche von 3,93 · 10&supmin;&sup7; m²). Der Auslaßdurchgang zum Ausleiten des Reaktionsprodukts aus dem Verbindungsabschnitt hatte eine Länge von 15 mm und einen Durchmesser von 1,8 mm (d. h. eine Querschnittsfläche von 1,27 · 10&supmin;&sup6; m²).

BEISPIEL 1 (Beziehung zwischen der Flußrate und der Größe der hergestellten Partikel bei der Produktion von Bariumsulfat)

Untersuchungsproben: Bariumchloriddihydrat (hergestellt von Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
: Natriumsulfat (hergestellt von Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
: ein oberflächenaktives Mittel (ein oberflächenaktives Mittel aus einer Polycarbonsäure, hergestellt von Kao Corporation unter dem Markennamen "Demol EP")
: reines Wasser

Testverfahren

(1) 18 Gew.-% einer wässerigen Lösung von Bariumchlorid und 9 Gew.-% einer wässerigen Lösung von Natriumsulfat wurden jeweils hergestellt.
(2) 300 g der jeweiligen wässerigen Lösungen, die in Schritt (1) hergestellt wurden, wurden mit reinem Wasser auf eine Menge von 400 ml verdünnt.
(3) Die jeweiligen in Schritt (2) hergestellten wässerigen Lösungen wurden unter Druck durch die Einlaßdurchgänge geleitet und bei den Flußraten, die in Tabelle 1 dargestellt sind, zur Kollision gebracht, um eine Dispersionsflüssigkeit zu erhalten, die dispergierte Partikel von Bariumsulfat enthält.
(4) Das oberflächenaktive Mittel wurde in einer wässerigen Lösung von Natriumsulfat so gelöst, daß die Konzentration nach der Reaktion bei 0,1 Gew.-% in der Dispersionsflüssigkeit lag.
Die Testergebnisse werden in Tabelle 1 und Fig. 6 dargestellt. Bei einer Flußrate von weniger als 4 m/s (Vergleichsbeispiel) hatte das Bariumsulfat einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 3 um oder größer. Im Gegensatz dazu, lag der durchschnittliche Partikeldurchmesser bei einer Flußrate von 4 m/s oder darüber nur bei etwa 1 um oder darunter. Bei einer Flußrate von 7 m/s oder darüber, lag der durchschnittliche Partikeldurchmesser bei 0,5 um oder darunter. Bei einer Flußrate von 15 m/s oder darüber, lag der durchschnittliche Partikeldurchmesser bei 0,2 um oder darunter. Tabelle 1

BEISPIEL 2 (Herstellung von Bariumsulfat)

Testverfahren

A: Erfindungsgemäßes Verfahren

(1) 18 Gew.-% einer wässerigen Lösung von Bariumchlorid und 12 Gew.-% einer wässerigen Lösung von Natriumsulfat wurden jeweils hergestellt.
(2) 300 g der jeweiligen wässerigen Lösungen, die in Schritt (1) hergestellt wurden, wurden mit reinem Wasser auf eine Menge von 400 ml verdünnt.
(3) Die entsprechenden wässerigen Lösungen, die in Schritt (2) hergestellt wurden, wurden unter Druck durch die Einlaßdurchgänge geleitet und bei einer Flußrate von 25,5 m/s oder 600 ml/s zur Kollision gebracht, um eine Dispersionsflüssigkeit zu erhalten, die dispergierte Partikel von Bariumsulfat enthält.
(4) Das oberflächenaktive Mittel wurde in der wässerigen Natriumsulfatlösung so gelöst, daß die Konzentration nach der Reaktion bei 0,1 Gew.-% in der Dispersionsflüssigkeit lag.

B: Vergleichsverfahren (Batch-Tischrührreaktor)

(1) 18 Gew.-% einer wässerigen Lösung von Bariumchlorid und 12 Gew.-% einer wässerigen Lösung von Natriumsulfat wurden jeweils hergestellt.
(2) 150 g der jeweiligen wässerigen Lösungen, die in Schritt (1) hergestellt wurden, wurden entnommen.
(3) 100 g reines Wasser wurde in den Reaktor gegeben und gleichzeitig wurden die jeweiligen wässerigen Lösungen, die in Schritt (2) entnommen wurden, in den Reaktor eingebracht, während sich ein Rührwerk mit 5000 U/min drehte und dann 30 Minuten lang in diesem Zustand gehalten.
(4) Das oberflächenaktive Mittel wurde in der wässerigen Natriumsulfatlösung so gelöst, daß die Konzentration nach der Reaktion bei 0,1 Gew.-% in der Dispersionsflüssigkeit lag.
Die Testergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Es wurde festgestellt, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Bariumsulfat in Form von extrem feinen Partikeln hergestellt werden kann, verglichen mit dem herkömmlichen Batch-Rühren. Tabelle 2

BEISPIEL 3 (Herstellung von Bariumcarbonat)

Untersuchungsproben: Bariumchloriddihydrat (hergestellt von Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
: Natriumcarbonat (hergestellt von Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
: ein oberflächenaktives Mittel (ein oberflächenaktives Mittel aus einer Polycarbonsäure, hergestellt von Kao Corporation unter dem Markennamen "Demol EP")
: reines Wasser

Testverfahren

A: Erfindungsgemäßes Verfahren

(1) 18 Gew.-% einer wässerigen Bariumchloridlösung und 9 Gew.-% einer wässerigen Natriumcarbonatlösung wurden jeweils hergestellt.
(2) 300 g der jeweiligen wässerigen Lösungen, die in Schritt (1) hergestellt wurden, wurden mit reinem Wasser auf eine Menge von 400 ml verdünnt.
(3) Die jeweiligen wässerigen Lösungen, die in Schritt (2) hergestellt wurden, wurden unter Druck durch die Einlaßdurchgänge zugeleitet und wurden bei einer Flußrate von 25,5 m/s oder 600 ml/s zur Kollision gebracht, um eine Dispersionsflüssigkeit zu erhalten, die dispergierte Partikel von Bariumcarbonat enthält.
(4) Das oberflächenaktive Mittel wurde in einer wässerigen Natriumcarbonatlösung so gelöst, daß die Konzentration nach der Reaktion bei 0,1 Gew.-% in der Dispersionsflüssigkeit lag.

B: Vergleichsverfahren (Batch-Tischrührreaktor)

(1) 18 Gew.-% einer wässerigen Bariumchloridlösung und 9 Gew.-% einer wässerigen Natriumcarbonatlösung wurden jeweils hergestellt.
(2) 150 g der jeweiligen wässerigen Lösungen, die in Schritt (1) hergestellt wurden, wurden entnommen.
(3) 100 g reines Wasser wurde in den Reaktor gegeben und gleichzeitig wurden die jeweiligen wässerigen Lösungen, die in Schritt (2) entnommen wurden, in den Reaktor eingebracht, während sich ein Rührwerk mit 5000 U/min drehte und dann 30 Minuten lang in diesem Zustand gehalten.
(4) Das oberflächenaktive Mittel wurde in einer wässerigen Natriumcarbonatlösung so gelöst, daß die Konzentration nach der Reaktion bei 0,1 Gew.-% in der Dispersionsflüssigkeit lag.
Die Testergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt. Es wurde festgestellt, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Bariumcarbonat in Form extrem feiner Partikel hergestellt werden kann, verglichen mit herkömmlichem Batch-Rühren. Tabelle 3

BEISPIEL 4 (Herstellung von Calciumcarbonat)

Untersuchungsproben: Calciumchloriddihydrat (hergestellt von Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
: Natriumcarbonat (hergestellt von Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
: ein oberflächenaktives Mittel (ein oberflächenaktives Mittel aus einer Polycarbonsäure, hergestellt von Kao Corporation unter dem Markennamen "Demol EP")
: reines Wasser

Testverfahren

A: Erfindungsgemäßes Verfahren.

(1) 16,5 Gew.-% einer wässerigen Calciumchloridlösung und 1 Gew.-% einer wässerigen Natriumcarbonatlösung wurden jeweils hergestellt
(2) 300 g der jeweiligen wässerigen Lösungen, die in Schritt (1) hergestellt wurden, wurden mit reinem Wasser auf eine Menge von 400 ml verdünnt.
(3) Die jeweiligen wässerigen Lösungen, die in Schritt (2) hergestellt wurden, wurden unter Druck durch die Einlaßdurchgänge zugegeben und wurden bei einer Flußrate von 25,5 m/s oder 600 ml/s zur Kollision gebracht, um eine Dispersionsflüssigkeit zu erhalten, die dispergierte Partikel von Calciumcarbonat enthält.
(4) Das oberflächenaktive Mittel wurde in einer wässerigen Natriumcarbonatlösung so gelöst, daß die Konzentration nach der Reaktion bei 0,1 Gew.-% in der Dispersionsflüssigkeit lag.

B: Vergleichsverfahren (Batch-Tischrührreaktor)

(1) 16,5 Gew.-% einer wässerigen Calciumchloridlösung und 16 Gew.-% einer wässerigen Natriumcarbonatlösung wurden jeweils hergestellt.
(2) 150 g der jeweiligen wässerigen Lösungen, die in Schritt (1) hergestellt wurden, wurden entnommen.
(3) 100 g reines Wasser wurde in den Reaktor gegeben und gleichzeitig wurden die jeweiligen wässerigen Lösungen, die in Schritt (2) entnommen wurden, in den Reaktor eingebracht, während sich ein Rührwerk mit 5000 U/min drehte und dann 40 Minuten lang in diesem Zustand gehalten.
(4) Das oberflächenaktive Mittel wurde in der wässerigen Natriumcarbonatlösung so gelöst, daß die Konzentration nach der Reaktion bei 0,1 Gew.-% in der Dispersionsflüssigkeit lag.
Die Testergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt. Es wurde festgestellt, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Calciumcarbonat in Form von extrem feinen Partikeln hergestellt werden kann, verglichen mit herkömmlichen Batch-Rühren. Tabelle 4

BEISPIEL 5 (Herstellung von Zinksulfid)

Untersuchungsproben: Zinksulfatheptahydrat (hergestellt von Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
: Natriumsulfid (hergestellt von Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
: ein oberflächenaktives Mittel (ein oberflächenaktives Mittel aus einer Polycarbonsäure, hergestellt von Kao Corporation unter dem Markennamen "Demol EP")
: reines Wasser

Testverfahren

A: Erfindungsgemäßes Verfahren

(1) 24 Gew.-% einer wässerigen Zinksulfatlösung und 12 Gew.-% einer wässerigen Natriumsulfidlösung wurden jeweils hergestellt.
(2) 300 g der jeweiligen wässerigen Lösungen, die in Schritt (1) hergestellt wurden, wurden mit reinem Wasser auf eine Menge von 400 ml verdünnt.
(3) Die jeweiligen wässerigen Lösungen, die in Schritt (2) hergestellt wurden, wurden unter Druck durch die Einlaßdurchgänge zugeführt und bei einer Flußrate von 25,5 m/s oder 600 ml/s zur Kollision gebracht, um eine Dispersionsflüssigkeit zu erhalten, die dispergierte Partikel von Zinksulfid enthält.
(4) Das oberflächenaktive Mitte) wurde in einer wässerigen Natriumsulfidlösung so gelöst, daß die Konzentration nach der Reaktion bei 0,1 Gew.-% in der Dispersionsflüssigkeit lag.

B: Vergleichsverfahren (Batch-Tischrührreaktor)

(1) 24 Gew.-% einer wässerigen Natriumsulfatlösung und 12 Gew.-% einer wässerigen Natriumsulfidlösung wurden jeweils hergestellt.
(2) 150 g der jeweiligen wässerigen Lösungen, die in Schritt (1) hergestellt wurden, wurden entnommen.
(3) 100 g reines Wasser wurden in den Reaktor gegeben und gleichzeitig wurden die jeweiligen wässerigen Lösungen, die in Schritt (2) entnommen wurden, in den Reaktor eingebracht, während sich ein Rührwerk mit 5000 U/min drehte und dann 25 Minuten lang in diesem Zustand gehalten.
(4) Das oberflächenaktive Mittel wurde in einer wässerigen Natriumsulfidlösung so gelöst, daß die Konzentration nach der Reaktion bei 0,1 Gew.-% in der Dispersionsflüssigkeit lag.
Die Testergebnisse sind in Tabelle 5 dargestellt. Es wurde festgestellt, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Zinksulfid in Form von extrem feinen Partikeln hergestellt werden kann, verglichen mit herkömmlichem Batch-Rühren. Tabelle 5

BEISPIEL 6 (Herstellung von Zinkhydroxid und Zinkoxid)

Untersuchungsproben: Zinksulfatheptahydrat (hergestellt von Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
: Natriumhydroxid (hergestellt von Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
: ein oberflächenaktives Mittel (ein oberflächenaktives Mittel aus einer Polycarbonsäure, hergestellt von Kao Corporation unter dem Markennamen "Demol EP")
: reines Wasser

Testverfahren

A: Erfindungsgemäßes Verfahren

(1) 24 Gew.-% einer wässerigen Zinksulfatlösung und 12 Gew.-% einer wässerigen Natriumhydroxidlösung wurden jeweils hergestellt
(2) 300 g der jeweiligen wässerigen Lösungen, die in Schritt (1) hergestellt wurden, wurden mit reinem Wasser auf eine Menge von 400 ml verdünnt.
(3) Die jeweiligen wässerigen Lösungen, die in Schritt (2) hergestellt wurden, wurden unter Druck durch die Einlaßdurchgänge zugeführt und bei einer Flußrate von 25,5 m/s oder 600 ml/s zur Kollision gebracht, um eine Dispersionsflüssigkeit zu erhalten, die dispergierte Partikel von Calciumcarbonat enthält.
(4) Das oberflächenaktive Mittel wurde in einer wässerigen Natriumhydroxidlösung so gelöst, daß die Konzentration nach der Reaktion bei 0,1 Gew.-% in der Dispersionsflüssigkeit lag.

B: Vergleichsverfahren (Batch-Tischrührreaktor)

(1) 24 Gew.-% einer wässerigen Zinksulfatlösung und 12 Gew.-% einer wässerigen Natriumhydroxidlösung wurden jeweils hergestellt
(2) 150 g der jeweiligen wässerigen Lösungen, die in Schritt (1) hergestellt wurden, wurden entnommen.
(3) 100 g reines Wasser wurde in den Reaktor gegeben und gleichzeitig wurden die jeweiligen wässerigen Lösungen, die in Schritt (2) entnommen wurden, in den Reaktor eingebracht, während sich ein Rührwerk mit 5000 U/min drehte und dann 30 Minuten lang in diesem Zustand gehalten.
(4) Das oberflächenaktive Mittel wurde in der wässerigen Natriumhydroxidlösung so gelöst, daß die Konzentration nach der Reaktion bei 0,1 Gew.-% in der Dispersionsflüssigkeit lag.
Die Dispersionsflüssigkeiten, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und des Vergleichsverfahrens hergestellt wurden, wurden jeweils bei reduziertem Druck getrocknet und dabei geschüttelt und bei 120ºC eine weitere Stunde lang getrocknet, um feine Zinkoxidpartikel zu erhalten.
Die Größe der Zinkhydroxidpartikel, die in der Dispersionsflüssigkeit enthalten sind und die Größe der Zinkoxidpartikel, die mittels thermischer Zersetzung erhalten wurden, sind in Tabelle 6 dargestellt. Es wurde festgestellt, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Zinkhydroxid und Zinkoxid in Form von extrem feinen Partikeln hergestellt werden kann, verglichen mit dem herkömmlichen Batch-Rühren. Tabelle 6
Wie oben beschrieben, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zwei oder mehrere Substanzen, die miteinander reagieren können durch verschiedene Einlaßdurchgänge zu einem Verbindungsabschnitt geleitet. In dem Verbindungsabschnitt werden die Substanzen bei einer Flußrate von 4 m/s oder darüber miteinander zur Kollision gebracht, um innerhalb einer kurzen Zeitspanne eine Reaktion herbeizuführen. Dementsprechend kann eine gleichmäßige Reaktion mit hoher Effizienz herbeigeführt werden.
Wird bei einer Reaktion ein unlösliches Reaktionsprodukt hergestellt, wie z. B. feine Partikel, Emulsionen oder Latex, ist das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls vorteilhaft, da die Hochgeschwindigkeits-Kollision eine hohe Kollisionsenergie freisetzt und dadurch Turbulenzen und Scherkräfte erzeugt, die dann die Aggregation verhindern. Mit anderen Worten, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Dispersionsflüssigkeit, die sehr feine Partikel im Submikronbereich enthält, mit einer außergewöhnlich hohen Effizienz, hergestellt werden.
Außerdem kann das erfindungsgemäße Verfahren das Reaktionssystem unterkonstanten Bedingungen aufrecht erhalten oder physikalische und chemische Veränderungen, wie z. B. eine Veränderung der Menge und der Konzentration der reaktiven Substanzen oder eine Veränderung des pH-Werts verhindern.
Zudem kann das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund der Hochgeschwindigkeits- Kollision sterilisierende Wirkungen ausüben.
Die Reaktionskammer, in der die Hochgeschwindigkeits-Kollisions-Reaktion stattfindet, ist außerdem sehr klein. Folglich kann die Reaktionstemperatur einfacher und genauer kontrolliert werden, indem Heiz- und Kühlvorrichtungen an der Reaktionskammer angebracht werden.

Claims

1. Verfahren zur Umsetzung von zwei oder mehreren reaktiven Substanzen, umfassend das Verbinden von ersten und zweiten Einlaßdurchgängen mit kollinearen Umwandungen (5a, 5b, 6a, 6b) und einem umwandeten Auslaßdurchgang (8, 9), um eine Kollisionseinschließung (7) zu bilden, welche durch die verbundenen Umwandungen der Durchgänge definiert ist;

Zuführen mindestens eines Reaktanten entlang des ersten Einlaßdurchgangs (5a, 6a) und mindestens eines anderen Reaktanten entlang des zweiten Einlaßdurchgangs (5b, 6b) in die Kollisionseinschließung (7);

Bewirken einer Kollision zwischen den zwei zugeführten Reaktanten in der Kollissionseinschließung (7) bei einer Flußrate von 4 m/s oder höher und dadurch Bewirken einer chemischen Reaktion und Herstellen feiner Partikel als ein Reaktionsprodukt; und

Entfernen des Reaktionsproduktes aus der Kollissionseinschließung (7) durch den Auslaßdurchgang (8, 9).

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Zuführungsschritt und der Entfernungsschritt kontinuierlich und nicht-zyklisch durchgeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die reaktiven Substanzen die Form einer Flüssigkeit und/oder eines Gases aufweisen.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, worin die reaktiven Substanzen anorganische Verbindungen, aufgelöst in spezifischen Lösungsmitteln, sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, worin ein Reaktionsprodukt der Reaktion in den spezifischen Lösungsmitteln unlöslich ist.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, worin die Flüsse der reaktiven Substanzen miteinander entlang einer Linie kollidieren.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, worin die Flüsse der Substanzen bei einer Flußrate von 7 m/s oder höher kollidieren.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend den Schritt der Zugabe eines Dispersionsmittels vor und/oder nach der Kollisionsreaktion.