JP2004121998A

JP2004121998A - マイクロ高圧流体接触装置

Info

Publication number: JP2004121998A
Application number: JP2002290331A
Authority: JP
Inventors: Hajime Kawanami; 川波　肇; Yutaka Ikushima; 生島　豊
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-10-02
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-10-02
Also published as: JP4314359B2

Abstract

【課題】流体試料の使用量が少なくかつ危険性の低いマイクロ高圧流体接触装置を提供する。
【解決手段】少なくとも２つの流体を高圧条件下で接触させるマイクロ高圧流体接触装置であって、少なくとも２つの流体を装置内部へ流入させる少なくとも２つの流体流入路と該流体流入路に連結する少なくとも２つの流体を接触させるとともに該接触液を装置外部へ流出させる１つの流体流出路とを表面に有する耐圧性の基板１と、基板１の表面に密着する耐圧性の被覆板２と、基板１と被覆板２とを保持する凹部を有する保持部３と、保持板３の凹部に収容保持された基板１と被覆板２とを密着押圧する押圧板４と、押圧板４と保持板３との間を圧締めする圧締機構６と、少なくとも２つの流体を装置内部へ流入させる少なくとも２つの流体供給機構５と、該流体流出路で接触した液を装置外部へ排出させる１つの流体排出機構５（３）と、で構成する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも２つの流体を高圧条件下で接触させるマイクロ高圧流体接触装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
少なくとも２つの流体を高圧条件下で接触させる実験を、効率よく、安全にかつ省エネルギー的に行うためには、その反応装置としては、高圧流体の使用量が少なく、かつ容易に破壊されないものが要望される。
試料の使用量の少ない実験装置としては、基板上に微小溝を作り、その基板表面に被覆板を接着剤層を介して積層した構造の微小ケミカルデバイスが知られている（特開２００２−１８２７１号公報、特許文献１）。しかし、このような装置は、低い圧力条件で用いられるもので、高圧条件で適用し得るものではない。
一方、高圧条件で用いられる装置としては、高圧流体セルが知られている（特許第３００７９６８号公報、特許文献２）。このセルは安全性の点ではすぐれているが、その試料の使用量が未だ多いという問題を含む。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１８２７１号公報
【特許文献２】
特許第３００７９６８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、流体試料の使用量が少なくかつ危険性の低いマイクロ高圧流体接触装置を提供することをその課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明によれば、以下に示す装置及び方法が提供される。
（１）少なくとも２つの流体を高圧条件下で接触させるマイクロ高圧流体接触装置において、
（ｉ）少なくとも２つの流体を装置内部へ流入させる少なくとも２つの流体流入路と、該流体流入路に連結する該少なくとも２つの流体を接触させるとともに、該接触液を装置外部へ流出させる１つの流体流出路とを表面に有する耐圧性基板を有すること、
（ｉｉ）該基板の表面に密着させる耐圧性被覆板を有すること、
（ｉｉｉ）該基板と該被覆板との密着体を保持する耐圧性保持部材を有すること、
（ｉｖ）該保持部材は、該密着体を収容保持する凹部を有する保持板と、該保持板の凹部に収容保持された該密着体を押圧する押圧板とからなること、
（ｖ）該保持板の凹部に収容保持された該密着体を該凹部に固定するために該押圧板と該保持板との間を圧締めする圧締機構を有すること、
（ｖｉ）該少なくとも２つの流体を装置内部へ流入させる少なくとも２つの流体供給機構を有すること、
（ｖｉｉ）該流体流出路で接触した液を装置外部へ排出させる１つの流体排出機構を有すること、
を特徴とするマイクロ高圧流体接触装置。
（２）超臨界状態の二酸化炭素と他の流体とを接触装置を用いて接触させる方法において、該接触装置として前記（１）に記載の装置を用いることを特徴とする超臨界状態の二酸化炭素と他の流体とを接触させる方法。
（３）該接触圧力が７．２ＭＰａ以上であり、該温度が３２℃以上である前記（２）に記載の方法。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明のマイクロ高圧流体接触装置（以下、単に装置とも言う）は、その表面に流体流路を有する基板と、該基板の表面に密着させる被覆板とを有する。
該基板は、耐圧性の材料からなるもので、この場合の耐圧性材料には、プラスチック、セラミックス、金属等が包含される。プラスチックとしては、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリエステル、ポリイミド、ポリアミド、ポリスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリカーボネート等が包含される。セラミックスには、サファイア、パイレックス（Ｒ）等が包含される。金属には、銅、アルミニウム、鉄、ステンレススチール等が包含される。
【０００７】
基板の厚さは、その材質によって異なるが、所定高圧に耐え得る厚さであればよく、その材質がプラスチックの場合、２ｍｍ以上、好ましくは３ｍｍ以上、最も好ましくは、４ｍｍ以上である。セラミックスの場合、２ｍｍ以上、好ましくは３ｍｍ以上、最も好ましくは４ｍｍ以上である。金属の場合、１ｍｍ以上、好ましくは２ｍｍ以上、最も好ましくは３ｍｍ以上である。
基盤が四辺形状の板体からなる場合、その１辺の長さは、３ｍｍ以上、特に５ｍｍ以上であれば良い。また、該基板が円状の板体からなる場合、その直径の長さは、３ｍｍ以上、特に５ｍｍ以上であれば良い。
【０００８】
基板は、その表面に、少なくとも２つの流体を装置外部から装置内部へ流入させるための少なくとも２つの流体流入路と、該流体流入路に連結する該少なくとも２つの流体を接触させるとともに、該接触液を装置内部から装置外部へ流出させる１つの流体流出路を有する。接触させる流体の数は、２〜４、好ましくは２である。
【０００９】
流体の流入路及び流出路の形成は、一般的には、細溝の形成に用いられている切削加工で行なうことができるが、プラスチック基板の場合には、成形金型によって行うことができる。
【００１０】
基板表面に形成する流体流路において、その形状は特に制約されないが、通常は、その断面形状が四辺形状（Ｕ字形状）、Ｖ字形状、円弧状等である。その流体流路の深さは、０．０１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、好ましくは、０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下、最も好ましくは、０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下であれば良く、その幅は、０．０１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、好ましくは、０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下、最も好ましくは、０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下であれば良い。その流路１ｃｍ当たりの流路の容積は、１．０×１０^−２ｃｍ^３以下であれば良く、好ましくは、１．０×１０^−３ｃｍ^３以下であれば良い。
基板の平面形状は、四辺形状や円形状等であることができ、特に制約されない。
【００１１】
流体流入路は、装置内部へ流入した流体を装置の中心部方向ヘ導くものであり、通常、直線状の流体流路である。
一方、流体流出路は、各流体流入路の端部へ連結して、流体流入路を通って装置内中心部へ流入した複数の流体を捕集し、相互に接触させるとともに、その接触液（混合液）を装置内部から装置外部へ流出させるものであり、直線状や、ジグザグ状等の流体流路であることができる。
【００１２】
本発明の装置は、基板表面を被覆する被覆板を有するが、この被覆板は、耐圧性の材料からなり、その材質としては、前記基板に関して示したものと同様のものを用いることができる。この被覆板の厚さは、その材質によって異なるが、所定の高圧に耐える厚さであればよく、その材質がプラスチックの場合、１ｍｍ以上、好ましくは２ｍｍ以上、最も好ましくは、３ｍｍ以上である。セラミックスの場合、１ｍｍ以上、好ましくは２ｍｍ以上、最も好ましくは３ｍｍ以上である。金属の場合、０．５ｍｍ以上、好ましくは１ｍｍ以上、最も好ましくは２ｍｍ以上である。
【００１３】
本発明の装置は、前記基板と被覆板との密着体（以下、単に密着体とも言う）を保持する耐圧性保持部材を有する。この場合の密着体において、その基板は被覆板の上面に位置してもよく、また、下面に位置してもよい。
この保持部材は、該密着体を収容保持する凹部を有する保持板と、該密着体を該凹部内部に押圧固定する押圧板とからなる。
【００１４】
該保持板及び押圧板において、その材質は耐圧性のものであればよく、特に制約されない。その具体例としては、基板に関して示した前記各種のものが挙げられる。保持板の厚さは、１ｍｍ以上、好ましくは２ｍｍ以上、最も好ましくは、３ｍｍ以上である。押圧板の厚さは、１ｍｍ以上、好ましくは２ｍｍ以上、最も好ましくは３ｍｍ以上である。金属の場合、０．５ｍｍ以上、好ましくは１ｍｍ以上、最も好ましくは２ｍｍ以上である。
【００１５】
該保持板において、その凹部の形状及び寸法は、該密着体の形状に対応するものであり、例えば、該密着体が円形状のものであれば、断面円形状であり、直方体状のものであれば、断面四辺形状のものである。該凹部の深さは、該密着体の少なくとも一部を収容保持できる深さであればよい。
【００１６】
該押圧版の形状は、該保持板の凹部に収容保持された該密着体を押圧するのに適した形状であればよい。例えば、該密着体の一部が該保持板の凹部上方に突出している場合には、その突出部を下方に押圧することのできる平板状のものであればよい。一方、該密着体の全部が該凹部内部に収容される場合には、その凹部内部に収容された密着体を押圧するための凸部を有する板体形状のものであればよい。
【００１７】
本発明の装置は、該保持板の凹部に収容保持させた該密着体を押圧固定するために、該押圧板と該保持板との間を圧締めする圧締機構を有する。この場合の圧締機構としては、従来公知の各種のものを用いることができる。このようなものには、例えば、押圧板と保持板とを万力やボルト／ネジ等の締具により締付ける圧締機構や、締付け用ネジを、押圧板に形成した透孔を挿通させ、保持板に形成したネジ穴にねじ込むことによって、該押圧板と該保持板とを圧締める機構などが包含される。
【００１８】
本発明の装置は、流体を装置外部から装置内部に流入させるための少なくとも２つの流体供給機構及び流体を装置内部から装置外部へ流出させるための１つ以上の流体排出機構を有する。この場合の流体供給機構や流体排出機構は、基板の側面に形成した流体流路に連絡する開口であることができる他、被覆板に形成した流体流路に連絡する開口や、押圧板の透孔及び被覆板の透孔を挿通し、流体流路に連絡するチューブ状物等であることができる。
【００１９】
本発明の装置は、必要に応じ、押圧板を保持板に仮固定するための仮固定機構を有することができる。このような仮固定機構には、押圧板の透孔を挿通し、保持板に形成された穴にピンを嵌合させる仮固定機構等が包含される。また、押圧板と被覆板との間や、基板と保持板との間、基板と被覆板との間を仮固定するための仮固定機構を有することもできる。
【００２０】
図１に本発明の装置の１例についての組立説明図を示す。
図１（ａ）は、その説明平面図を示す。
図２（ｂ）は、その説明断面図を示す。
図１において、１は表面に流体流路を有する基板、２は被覆板、３は保持板、４は押圧板、５（１）、５（２）は流体供給機構、５（３）は流体排出機構、６（１）〜６（４）は圧締機構、７（１）、７（２）は押圧板と保持板との間を仮止めするための仮止機構を示す。
【００２１】
図２に本発明の装置の他の例についての組立図を示す。
図２において、図１において示したのと同じ符号は同じ意味を有する。
図２に示す装置は、図１に示す装置において、平面形状を円形状にするとともに、その圧締機構の数を６つにしたものである。
【００２２】
図３に本発明の装置のさらに他の例についての組み立て説明図を示す。
図３において、図１において示したのと同じ符号は同じ意味を有する。
図３において、８は基板と押圧板との間を仮固定するための仮止機構を示す。９はパッキンを示す。
この図３に示した装置は、その被覆板２が基板１の下面に位置した透明板からなり、基板上に形成された流体流路を、矢印方向から透視することのできるものである。
【００２３】
図１〜図３において、流体供給機構５（１）、５（２）及び流体排出機構５（３）は、ジョイント方式のチューブ状物からなるもので、その中心部には流体流路を有する。このチューブ状物の１例についての説明図を図４に示す。
図４（ａ）はその説明平面図であり、図４（ｂ）はその説明断面図である。
【００２４】
本発明で用いる基板の１例についての説明平面図を図５に示し、他の例についての説明平面図を図６に示す。
これらの図において、１は基板、ｂ^１、ｂ^２は流体流入路、ｂ^３は流体流出路を示す。
図５及び図６に示した基板において、流体流入路ｂ^１、ｂ^２を通る各流体は、その基板中心部方向へ流れ、流入路ｂ^１、ｂ^２の端部に連結する流体流出路ｂ^３によって捕集され、相互に接触する。この接触液（混合液）は、この流体流出路ｂ^３を通って装置外部へ流出される。
【００２５】
本発明で用いる被覆板について説明図を図７に示す。
図７（ａ）はその説明平面図を示し、図７（ｂ）はその説明断面図を示す。
図７において、ｃ^１〜ｃ^３は、図４に示したジョイント方式のチューブの先端部を挿入固定するための太穴を示し、ｄ^１〜ｄ^３はそれに続く細径の透孔を示す。
【００２６】
本発明の装置は、２つ以上の少量の流体試料を高圧条件下で接触させる接触装置として使用される。この場合、高圧条件は、５ＭＰａ以上、特に８ＭＰａ以上の条件であることができる。その上限値は、基板及び被覆板の材質等にもよるが、通常、２０ＭＰａ程度である。
本発明の装置は、高圧反応装置や、高圧混合装置、高圧抽出装置等として利用される。
【００２７】
次に、本発明の装置を用いた高圧反応の例を図面を参照しながら説明する。
【００２８】
図８は、メタノールと二酸化炭素とを高圧条件下で反応させて、メタノール含有二酸化炭素混合流体を生成させる場合のフローシートの１例を示す。
図８において、２１はメタノールタンク、２３は液化二酸化炭素タンク、３０は本発明による装置、３４は流体貯留タンクを示す。
【００２９】
図８に示したフローシートに従ってメタノールと二酸化炭素とを高圧反応させるには、タンク２１にメタノール、タンク２３に液化二酸化炭素を入れ、圧力計２５、圧力計２６で圧力を監視しながら、ポンプ２２とポンプ２４を介してメタノールと液化二酸化炭素とを、それぞれ、高温ループ２８及び２９を通して本発明による装置３０に導入した。
この場合、メタノール及び液化二酸化炭素の温度は、温度センサー２７で監視した。
【００３０】
装置３０には、温度センサー３１を付設して、混合液の温度を測定した。また、混合液の圧力は、圧力計３２で測定した。
【００３１】
装置３０からの流出液は、圧力制御弁３３を介してタンク３４に導入される。ここで圧力は開放され、未反応の液化炭化水素は気化され、ライン３５を通って排出される。
【００３２】
本発明において、図８に示したフローシートに従って、超臨界状態にある二酸化炭素と他の流体（メタノール等の炭素数１〜６のアルコール、ヘキサン等の炭素数６〜１２の炭化水素、水、その他の流体）とを接触させることができる。
【００３３】
【実施例】
次に本発明を実施例によりさらに詳述する。
【００３４】
実施例１
図８に示したフローシートに従ってメタノールと液化二酸化炭素とを接触させて、メタノール含有二酸化炭素混合体を製造した。また、同様に、メタノールの代わりにプロピレンオキシドを用い、二酸化炭素と反応させ、プロピレンカーボネートを製造した。
この場合、装置３０としては、図１に示した構造のものを用いた。
この装置において用いた基板１としては、図５に示した形状の石英ガラス板（厚さ４ｍｍ）を用い、被覆板２としては、図７に示した形状で石英ガラス板（厚さ４ｍｍ）を用いた。また、基板に形成した流体流路の容積は、１ｃｍ当りの容積で、６．２５×１０^−３ｃｍ^−３であった。
基板１及び被覆板２の密着面は、いずれも鏡面仕上げとした。
【００３５】
本発明による前記構造の装置３０は、１００℃において、９ＭＰａまでの高圧条件に耐えることが確認された。
そして、前記実験から、石英ガラス基板１及び石英ガラス被覆板２を用いることにより、二酸化炭素の臨界温度以上（３２℃以上）で、二酸化炭素の臨界圧力以上（７．２ＭＰａ以上）で反応操作を安全に実施し得ることが確認された。
【００３６】
実施例２
実施例１において、基板１及び被覆板２として各種材質のものを用いた以外は同様にして実験を行なった。
この実験において、１００℃において装置破壊を生じずに安全に使用できる上限圧力（ＭＰａ）を次表に示す。
【００３７】
【表１】

【００３８】
表１において、石英板の厚さは４ｍｍ、サファイア板の厚さは４ｍｍ、パイレックス（Ｒ）板の厚さは５ｍｍ、ＰＥＥＫ板（ポリエーテルエーテルケトン板）の厚さは５ｍｍ、ＰＴＦＥ板（ポリテトラフルオロエチレン板）の厚さは５ｍｍ、ＳＵＳ３１６板の厚さは２ｍｍである。
本発明の装置の場合、被覆板２の方により圧力がかかるため、被覆板２として破壊されにくい材質のものを用いることにより、耐圧性のよりすぐれた装置を得ることができる。
【００３９】
実施例３
実施例１において、装置として図２に示した６つの圧締機構を有する構造のものを用いた以外は同様にして実験を行なった。
その結果を表２に示す。この場合には、装置の耐圧性が実施例１及び実施例２の装置の場合よりも向上することが確認された。
【００４０】
【表２】

【００４１】
実施例４
実施例１において、装置３０として、基板１及び被覆板の形状を、四角形状から均等に押し圧力がかかるように、円形状に変更した図３に示したものを用いた以外は同様にして実験を行なった。その結果を表３に示す。
この場合には、装置の耐圧性が、実施例３の装置の場合よりも向上することが確認された。
【００４２】
【表３】

【００４３】
実施例５
実施例３において、装置内流体の温度及び圧力を下記表４に示すように種々変化させた以外は同様にして実験を行なった。
この場合にも、高圧条件下の反応を安全に実施し得ることが確認された。
【００４４】
【表４】

【００４５】
実施例６
実施例１において、タンク１、タンク２の中身を、メタノール及び二酸化炭素から、それぞれ、（ｉ）ヘキサン及び二酸化炭素、（ｉｉ）水及び二酸化炭素に変更した。これらの場合にも、本発明の装置３０は、超臨界状態で使用可能であることが確認された。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、２つ以上の少量の流体試料を、高圧条件下で、効率よく、省エネルギー的にかつ安全に接触させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマイクロ高圧流体接触装置の１例についての説明組立図を示す。
ａ：説明平面図
ｂ：説明断面図
【図２】本発明のマイクロ高圧流体接触装置の他の例についての説明組立図を示す。
ａ：説明平面図
ｂ：説明断面図
【図３】本発明のマイクロ高圧流体接触装置のさらに他の例についての説明組立図を示す。
ａ：説明平面図
ｂ：説明断面図
【図４】ジョイント方式の流体チューブの説明断面図を示す。
【図５】基板の１例についての説明平面図を示す。
【図６】基板の他の例についての説明平面図を示す。
【図７】被覆板の１例についての説明図を示す。
ａ：説明平面図
ｂ：説明断面図
【図８】本発明のマイクロ高圧流体接触装置を用いて２つの流体を接触させる場合のフローシートの１例を示す。
【符号の説明】
１　　基板
２　　被覆板
３　　保持板
４　　押圧板
５（１）、５（２）　　流体供給機構
５（３）　　　　　　　流体排出機構
６（１）〜６（６）　　圧締機構
７（１）、７（２）　　仮止機構
８　　仮止機構
９　　パッキン
２１　　液化二酸化炭素タンク
２２　　メタノールタンク
３０　　マイクロ高圧流体接触装置
ｂ^１、ｂ^２　　流体流入路
ｂ^３　　　　流体流出路
ｃ^１〜ｃ^３　　太径穴
ｄ^１〜ｄ^３　　細径透孔

Claims

少なくとも２つの流体を高圧条件下で接触させるマイクロ高圧流体接触装置において、
（ｉ）少なくとも２つの流体を装置内部へ流入させる少なくとも２つの流体流入路と、該流体流入路に連結する該少なくとも２つの流体を接触させるとともに、該接触液を装置外部へ流出させる１つの流体流出路とを表面に有する耐圧性基板を有すること、
（ｉｉ）該基板の表面に密着させる耐圧性被覆板を有すること、
（ｉｉｉ）該基板と該被覆板との密着体を保持する耐圧性保持部材を有すること、
（ｉｖ）該保持部材は、該密着体を収容保持する凹部を有する保持板と、該保持板の凹部に収容保持された該密着体を押圧する押圧板とからなること、
（ｖ）該保持板の凹部に収容保持された該密着体を該凹部に固定するために該押圧板と該保持板との間を圧締めする圧締機構を有すること、
（ｖｉ）該少なくとも２つの流体を装置内部へ流入させる少なくとも２つの流体供給機構を有すること、
（ｖｉｉ）該流体流出路で接触した液を装置外部へ排出させる１つの流体排出機構を有すること、
を特徴とするマイクロ高圧流体接触装置。
超臨界状態の二酸化炭素と他の流体とを接触装置を用いて接触させる方法において、該接触装置として請求項１に記載の装置を用いることを特徴とする超臨界状態の二酸化炭素と他の流体とを接触させる方法。
該接触圧力が７．２ＭＰａ以上であり、該温度が３２℃以上である請求項２に記載の方法。