JP2005534495A - 液体−固体接触器を用いた高性能連続反応／分離方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液体―固体接触器を用いた高性能連続反応／分離方法
【解決手段】プロセス材料を複数のカラムのうちの少なくとも１つのカラムに投入するステップを含む反応と分離の方法。各カラムは、別のカラムやカラム群からの流れ、外からのフィードの流れ、外からの溶離液の流れ、あるいはこれらの組み合わさったものを受け入れる少なくとも１つの入口を持ち、また各カラムは別のカラム、カラム群、外からの生成物の流れ、あるいはこれらの組み合わさったものに連絡する少なくとも１つの出口を持つ。各カラムは独自にアップフローやダウンフロー方式で作動でき、かつ、別のカラム、外からのフィードの流れ、外からの溶離液の流れ、外からの生成物の流れ、及びこれらの組み合わさったものを含む集まりの１つに独自に連絡される。

Description

相互参照
本願は、２００２年７月２９日付け共願の米国特許出願第１０／２０７，５８５号（代理人整理番号０２−２５４）の一部継続出願であり、さらに２００２年８月６日付け共願の米国特許出願第１０／２１３，５８０号（代理人整理番号０２−２５４ＣＩＰ）の一部継続出願である。

本発明は、液体−固体接触方式を用いた化学反応と分離の方法に関し、特に複数のカラムを用い、各カラムを独自に接続して並行する流体の流れ、逆行する流体の流れ、あるいは流れ配列の組合せなどにより流れの入口と出口とに対して独自に作動させる化学反応と分離の方法に関する。

連続反応を案内する方法を、同時に起る分離と組み合せて単独の処理技術にすることが近年新たな注目を浴びている。種々の反応／分離技術が研究されており、各段階の開発や商業的可能性に達している。かなりな程度開発された技術には、例えば反応性蒸留技術と反応性クロマトグラフィーとがある。その他の技術、例えば反応膜や反応結晶化の技術もまた開発中である。これらの技術の一部はいくつかの利益、例えば資本コストの削減、高い生産性、生成物の高収量、競争反応進行中の選択性の改良などをもたらしている。例えば、並発反応と蒸留分離プロセスとを実行する反応性蒸留は酢酸メチルの生成で実施されている。この技術は、反応を第１段階として行い別の第２段階として蒸留分離を行う伝統的な２段階処理よりも、５倍少ない投資と５倍低いエネルギーの使用をもたらした。ところが、これらの利点にも拘わらず反応性蒸留技術には温度の感度、共沸混合物の生成などの欠点がある。

反応性クロマトグラフィー方式もまた組み合わされた反応と分離を案内するのに用いられている。いくつかの異なる反応性クロマトグラフィー装置、例えば圧力てんびん（a pressure swing）付き固定床、回転式フィード投入源付き円筒形環状床、向流移動床、並びに模擬式床が研究されている。具体的な反応／分離技術の選択は特定用途の特定要件に基づき行われる。各用途には生成物の収量、純度、プロセスの生産性、材料の取扱いなどついて一連の具体的要件がある（総じて、Vaporciyan, G.G. Kadelec, R.H.AIChEJ.1987,33(8),1334-1343; Fish, B.B.; Carr, R.W. Chem. Eng. Sci. 1989,44, 1773-1783; Carr, R,W., In Preparative and Production Scale Chromatography, Ganetsos, G., Baker, P.E., Eds.; Chromatographic Science Series Vol.61; Marcel Dekker Inc.: New York, 1993; Chapter 18を参照されたい）。伝統的に、連続反応性クロマトグラフィーを実行する好ましい方法は模擬式移動床反応器（「ＳＭＢ」）の配列である。

伝統的ＳＭＢ技術（図１に示した）は、固体分離／触媒の充填剤を充填した多数の床を直列に接続する循環流路を含み、循環液体を床を介して一方向に強制的に循環させる。これにはさらに脱着液体を循環流路へ導入する開口と、強い吸収性成分（抽出物）を運搬する循環液を循環流路から除去する抽出開口と、分離される、あるいは反応して分離される成分を含有した供給原料を循環流路へ導入する供給原料の開口と、弱い吸収性成分（抽残液）を運搬する循環液を循環流路から除去する抽残液の開口とが伴っている。

図１の従来技術で示したように、ＳＭＢプロセスは、組み合わされた反応と分離とを一般的な反応Ａ→Ｂ＋Ｃで示して説明される。プロセスは４つの「領域」を用いて説明される。一般的にＳＭＢ方式のユニットには、必ずしもそうではないが２つの入口と２つの出口とがある。これらの間に画成される範囲は４つの領域をつくる。成分Ａは、領域ＩＩと領域ＩＩＩの間でＳＭＢ装置に供給されるフィード材料１１である。成分Ａは分解して成分Ｂと成分Ｃとを生成する。成分Ｂは例えばより強く吸収された成分であり、したがって領域ＩＩＩと領域ＩＶの間にある抽出出口の方向に固体と共に移動する。抽出出口で成分Ｂは抽出生成物１７として捕集される。成分Ｃはより弱く吸収された成分で、領域Ｉと領域ＩＩの間にある抽残液の出口の方向に液体と共に移動する。抽残液の出口で、成分Ｃは抽残液１９生成物として捕集される。溶離液１５は領域Ｉと領域ＩＶの間で装置に導入され、より強く吸収された成分Ｂを除去して装置に対する液体の担体として作用する。多くの反応が報告されている。すなわち、
ＳＭＢプロセスは平衡に限界のある、液相のエステル化反応から生成物収量を増やすことを実証している。酢酸の、β−フェネチルアルコールでのエステル化は、M. カワセ, T. B. スズキ, K. イノウエ, K. ヨシモト, K. ハシモトによりChem. Eng. Sci.誌 Vol 51, 2971-2976 (1996)で発表されている。酢酸の、エタノールでのエステル化は、M. Mazzotti, A. Kruglov, B. Neri, D. Gelosa, M. MorbidelliによりChem. Eng. Sci.誌 Vol 51, 1827-1836 (1996)で発表され、メタノールでの酢酸のエステル化は米国特許第５，４０５，９９２号及び５，６１８，９７２号に開示されている。

米国特許第５，５０２，２４８号は、平衡に限界のある、酢酸メチルの液相のエステル加水分解反応が、反応性ＳＭＢの使用により著しく増強できることを開示している。

Ray A., Tonkovich, A. L., Aris, R., Carr, R.W.はChem. Eng. Sci.誌 Vol 45, No. 8, 2431-2437 (1990)で、反応性ＳＭＢを使用すれば、メシチレンを水素化する気相の平衡限定反応から生成物収量を著しく増やすことができることを実証している。

A.V. Kruglov, M.C. Bjorklund, R.W. CarrはChem. Eng. Sci.誌 Vol 51, 2945-2950 (1996)で、反応性ＳＭＢがメタンを酸化カップリングする気相反応で生成物収量を増やすことに使用できることを実証している。

フェノールをアセトンで縮合してビスフェノール−Ａと水とを生成し、同時に生成物を分離する可能性は、数字上のシミュレーションにより検討されている（カワセ, M.;イノウエ, Y.; アラキ, K.; ハシモト, K. Catalyst Today誌1999, 48, 199-209）。

米国特許第４，５２２，７２６号 米国特許第４，７６４，２７６号 米国特許第４，８０８，３１７号 米国特許第５，４０５，９９２号 米国特許第５，５０２，２４８号 米国特許第５，６１８，９７２号 米国特許第５，６７６，８２６号 米国特許第６，４３１，２０２号 米国特許出願第１０／２０７，５８５号 米国特許出願第１０／２１３，５８０号 Vaporciyan, G.G. Kadelec, R.H.AIChEJ.1987,33(8),1334-1343 Fish, B.B.; Carr, R.W. Chem. Eng. Sci. 1989,44, 1773-1783 Carr, R,W., In Preparative and Production Scale Chromatography, Ganetsos, G., Baker, P.E., Eds.; Chromatographic Science Series Vol.61 Marcel Dekker Inc.: New York, 1993; Chapter 18 M. カワセ, T. B. スズキ, K. イノウエ, K. ヨシモト, K. ハシモト、Chem. Eng. Sci.誌 Vol 51, 2971-2976 (1996) M. Mazzotti, A. Kruglov, B. Neri, D. Gelosa, M. Morbidelli、Chem. Eng. Sci.誌 Vol 51, 1827-1836 (1996) Ray A., Tonkovich, A. L., Aris, R., Carr, R.W.、Chem. Eng. Sci.誌 Vol 45, No. 8, 2431-2437 (1990) A.V. Kruglov, M.C. Bjorklund, R.W. Carr、Chem. Eng. Sci.誌 Vol 51, 2945-2950 (1996) カワセ, M.;イノウエ, Y.; アラキ, K.; ハシモト, K. Catalyst Today誌1999, 48, 199-209

これらの利点にも拘わらず、伝統的ＳＭＢ技術にはいくつかの欠点がある。伝統的ＳＭＢの配列は常に、直列に接続された複数の床と単向性の流体の流れの使用とを規定する。ＳＭＢの流れ様式はまた、高い圧力降下、移動比の範囲の制限、強く吸収された化学種を除去する難しさ、流れの固体に対する耐性の欠如、分離と反応の両状態を個別に最適化できないなど多くの欠点を生んでいる。この限定された配列は固有的に装置をして、反応／分離の多くの用途、例えば極めて大量の流れ、毒素の除去、反応と分離の状態の個々の最適化とを要する用途、を取り扱えないようにしている。これらの用途に関して、伝統的ＳＭＢ反応器方式は非常に複雑に、非常に高価に、さらに場合によっては実用的でなくなっている。さらに現在の技術はどれも、逆流能力や組合せユニット能力を持つ、直列ではなく並列に配置された接触床を用いる連続的またはほぼ連続的な反応と分離のプロセスを可能としない。

したがって、本発明の１実施形態の目的は、並行する流体の流れや、逆流、組合せユニットの設計、あるいはこれらが任意に組み合わさったものとを供給する、組み合わされた反応と分離とを実行する方法を提供し、多くの従来技術の制約を排除することにある。本発明の実施形態のさらなる目的は、組み合わされた反応／分離のステップを単一の処理ユニットにより実行して、大いに処理コストを削減する一方、処理量も増やす方法を提供することにある。

総じて、本発明は化学的な反応と分離との２つの作用を同時あるいは逐次的に実行し、固体や固体媒質の混合物で充填されかつ直列や並列の配列により独自に接続される複数の床またはカラムを用いて、単一の化合物や多数の化合物の流体混合物を各成分に分離する反応性クロマトグラフィー方法を提供する。化合物は、移動あるいは回転して媒質の流れをシミュレートするカラムやカラム群へ導入される。化合物は、１つのカラムから直列や並列に接続された別のカラムへ至る流体の流れの中を媒質の流れと反対方向に移動し、これにより２つの相の間に向流式に接触が生じる。化合物は、媒質に対するその親和性に基づいて次のカラムで反応し及びまたは分離されて第２の成分を生成する。他のフィード材料すなわち溶離液は成分の性質と予定された反応／分離とにしたがって導入できる。第２の成分はそれから１以上のカラムから抽出されて、生成物、抽出物、抽残液、転換されない第１の成分、あるいはこれらの組み合わさったものとなろう。

プロセスは、接続されたカラムからの流れや、外からの流れのフィード、外からの溶離液の流れ、あるいはこれらの組み合わさったものを受け入れるカラムと、他のカラムや、外からの生成物の流れ、あるいはこれらの組み合わさったものへ接続する少なくとも１つの出口とを利用する。各自のカラムは独自にアップフローやダウンフロー様式で動作でき、独自に他のカラムや、外からのフィードの流れ、外からのクライアントの流れ、外からの生成物の流れ、あるいはこれらの組み合わさったものに接続する。アップフロー様式は流体がカラムの頂部の方向に流動することとして記述でき、ダウンフロー様式はカラムの頂部から下方への総じて垂直方向の流体の流れである。独自に接続されるから、カラムあるいはそれぞれ他のカラムに接続されたカラム群には、複数のカラムやカラム群あるいはその他任意のソース、例えば予めセットされた流れ様式のない、いずれにしろプロセスが必要とするフィード、外在物、事象、外部の生成物など、を含むことができる。外部の生成物は抽残液や抽出物、あるいはその両方であることが多い。各カラムの流れの配列は変更され、例えば逆行する流体の流れにすることができる。他の実施例では、床は組合せユニット設計での配列をつくるように配置される。また別の実施例で、プロセスは並行な流体の流れの配列を提供し、少なくとも１つの床が並列接続される。別の実施例ではプロセスはこれらの配列の組み合わさったものを用いる。

床は、所望の反応の触媒として作用する固体や固体の混合物と、反応生成物やその他所望の成分を除去する吸収剤や分離媒質とを含有するのが好ましい。入手可能な固体触媒や吸収剤は多種多様にある。このような物質には活性炭、シリカゲル、アルミナ、ゼオライト、ジルコニア、チタニア、ケイ酸塩、ケイ藻土、イオン交換樹脂があるが、これらに限定されない。１実施形態では、触媒と吸収剤の両方の機能を十分に果たす固体が好ましい。２以上の固体を使用する場合、一方は触媒機能を果たし他方は分離機能を果たす。これらの材料は強化された反応と分離とを単一の物質に与えるように選択される。さらに、固体が分離媒質としてのみ作用し、触媒を固相の部材とせず液相に溶解させることもできる。

実施形態では、本方法は無勾配溶離や勾配溶離プロセスを使用し、１以上の溶離液を用いて反応生成物、副生物、床からの汚染物質を選択的に脱着する。溶離液は、上記の反応生成物や、副生物、吸収床からの汚染物質を置換できる液体から構成されるかまたはこれらを含有する。溶離液の例として、例えばアルコール、ケトン、エステル、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、エーテル、カルボン酸、ハロゲン化炭化水素、アミド、ニトリル、水、緩衝液がある。溶離液の合剤も同様に使用できる。

本発明の実施例で供給される供給材料は、純な物質や溶液の溶質としての単一の化合物あるいは多数の化合物である。これには多種多様な物質を含むことができ、例えば市販の化学製品、精密化学製品、薬剤、製薬、農薬、食品、香料、香味料、芳香物、放臭剤、着色剤、石油化学製品などがある。

本方法は多種の反応を案内するのに有用である。本発明の実施例では、プロセスは下記の表１に示した１以上の反応により実行される。

（表１）
エステル化：
メタノール＋酢酸δ酢酸メチル＋水
エタノール＋酢酸δ酢酸エチル＋水
ブタノール＋酢酸δ酢酸ブチル＋水
↑↓−フェネチルアルコール＋酢酸δ↑↓−酢酸フェネチル＋水
エステル加水分解：
酢酸メチル＋水δメタノール＋酢酸
酢酸エチル＋水δエタノール＋酢酸
酢酸ブチル＋水δブタノール＋酢酸
↑↓−酢酸フェネチル＋水δ↑↓−フェネチルアルコール＋酢酸
エーテル化：
ｔ−ブチルアルコール＋メタノールδメチルｔ−ブチルエーテル（ＭＴＢＥ）＋水
イソアミレン＋メタノールδｔ−アミルメチルエーテル（ＴＡＭＥ）
異性化：
（オルト、パラ）ビスフェノール−Ａδ（パラ、パラ）ビスフェノール−Ａ
縮合：
フェノール＋アセトンδビスフェノール−Ａ＋水
メタノール＋酢酸δ酢酸メチル＋水
エタノール＋酢酸δ酢酸エチル＋水
ブタノール＋酢酸δ酢酸ブチル＋水
↑↓−フェネチルアルコール＋酢酸δ↑↓−酢酸フェネチル＋水
ｔ−ブチルアルコール＋メタノールδメチルｔ−ブチルエーテル（ＭＴＢＥ）＋水
アミド合成：
アニリン＋無水酢酸δアセトアリニド＋酢酸
脱水：
ｔ−ブチルアルコールδイソブチレン＋水
酸化：
クメン＋酸素δフェノール＋アセトン

実施例において本発明は、流体の流れを固体や固体媒質の混合物を介して連続的あるいはほぼ連続的に給送する液体−固体接触装置と組んで用いられる。ある方式の装置は多数のカラムと複数の弁とを用いる。他の装置は、垂直の塔状に積み重ねられて回転弁により供給される床部分を用いる。多様なこの種装置の概説は、本願に引用して援用する米国特許第５，６７６，８２６号に見ることができる。これらのいずれの液体−固体接触装置も、例えば本発明と共用して所望の連続的あるいはほぼ連続的な反応と分離とを達成することができる。本発明の実施形態のその他の例では、本方法は米国特許第５，６７６，８２６号、４，８０８，３１７号、４，７６４，２７６号、及び４，５２２，７２６号とに開示された装置の１つにより実行できる。方法はまた、本願に引用して援用する米国特許第６，４３１，２０２号に開示された流体給送マルチポート回転弁を使っても実行できる。実施例では、プロセスの媒体はカラムの回転すなわち間欠送りにより「移動」し、これは連続的あるいはほぼ連続的とみなされるほど迅速に行われる。不連続回転などプロセスの案内に選択されたプロセス装備に違いはあってもよく、媒体はやはり連続的あるいはほぼ連続的に移動する。ある環境においては、流れを著しく混乱させない程度の装備に対する軽微な調整はプロセス作用中に可能でさえあり、このプロセスもやはり本発明の範囲に含まれよう。

実施形態では、方法は上述したような、複数の充填されたカラムを有する液体−固体接触装置を用いる。各カラムはディスクに接続するようにされた供給導管と排出導管とを有し、ディスクは供給と排出の各導管に関連する複数の開口を持つ。少なくとも１つのカラムあるいはディスクは軸の周りに回転するように取り付けられ、回転によりディスクの導管と開口とが整列し、これらの間に直接流れが連通する。その結果、複数の供給排出導管がカラムの関連の供給排出の各導管と連通し、同期させた回転により、少なくともカラムとディスクとがプロセス材料を各カラムを介して流動させ、前記流れの材料と反応させて分離させる。

特に、本方法と共用されるとこの装置は、従来技術の組み合わされた反応／分離技術で言及されなかった多種多様な処理の可能性を与える。直列様式と単向性流体の流れにより反応物の溶媒を装置中に押しやる直列接続の伝統的ＳＭＢと違い、本発明は単一領域や多数の領域として、また単一ユニット内の任意の組合せにおいて並行する液体の流れ、逆行する液体の流れ、及び／または組合せユニット配列を組み入れ、これにより従来技術の制約の多くを排除する。これらの特異な可能性は、本発明を従来技術のように直列の床配置や単向性の流体の流れに制限しないことにより、特に有利である。これは、一定量の固体を含有するプロセスの流れの使用を可能にし、強く吸収された化学種を容易かつ経済的に除去する。加えて、この方法の実施形態は溶出の減損を減らし、フィード移動率を増やし、圧力降下を減少させる。これは反応分離プロセスを著しく単純化し、より効率いい作業をもたらす。この柔軟性は伝統的プロセスより有利に生産性を上げ、資本コストと作業コストとを削減し、製品の品質を向上させる。特に、実施例によれば、本発明は平衡の制限された、反応物／生成物抑制プロセスに対して著しい資本コストの節約を提供する。本発明の実施形態のその他の特徴、態様、及び利点は、本発明の以下の詳細な記述と実施例及び添付クレームの精読からよりよく諒解され明らかとなろう。

本発明は、直列、並列、あるいはそのような配列の組合せにより接続された、固体や固体の混合物から成る多数の床またはカラムを用いた化学反応と分離の方法を提供する。反応／分離は同時にあるいは逐次に起ることがある。床は逆流、組合せユニット、並流配列、あるいはこれらの組み合わさったものが保たれるように構成される。実施形態において、本発明は連続的あるいはほぼ連続的な液体−固体接触装置と組んで用いられる。本発明は多様な異種の反応について使用可能である。この方法で取扱い可能ないくつかの反応のタイプの例を上記表１に示してある。以下の例はさらにプロセスのいろいろな配列を示している。当業者は諒解するように、各配列で例示した流れは、単独であるいは任意のその他と組み合せて使用して、表１及びその他で示した反応を実行できる。

実施例１−逆流配列
本連続的反応／分離方法の実施形態によれば、触媒と吸収剤とを充填させた多数のカラムを有するユニットは、反応物の液体の流れ、並びにカラムに固定された固体や固体含有の樹脂の触媒と協働するようにされ、カラムはプロセスと、装置の他の液体の流れに対して液体の流れの方向を変更させる逆流とを促進するように移動する。カラムは反応及びまたは分離、溶離、濃縮の各領域を提供し、この実施例では、連続的あるいはほぼ連続的な液体−固体接触装置を利用して、これらの反応／分離を可能にするプロセス材料の流れの間欠送りをカラムをして可能ならしめる。図２は逆流によりプロセスを案内する１つの可能な配列を示している。これはカラムがアップフロー式に作動する領域ＩＶｂで生じ、ユニットの残りのカラムはダウンフロー式に作動する。これは逆流の使用の一例にすぎない。

逆流配列により設計されたプロセスは多様な使用法を提供する。例えば、これは極めて強く吸収された成分を除去するのに使用できる。図２は逆流での反応を示し、溶離液で分離され除去される１つの弱く吸収された成分と２つの強く吸収された成分（そのうちの１つはより強く吸収された）とを生成している。この方法を用いて、弱吸収成分は液体と共に出口１９の方向へ移動し、そこで抽残液生成物として除去される。２つの強吸収成分は固体の流れと共に抽出物の出口１７、１８の方向へ移動する。２つのうちのより劣る強さで吸収された成分は固体と共に出口１７の方向へ移動し、そこで、入口１５に供給された溶離液Ｉにより装置から溶離され、抽出物Ｉとして出口１７で抽出される。２つのうちのより強く吸収された成分は抽出物Ｉの出口１７を通って出口１８の方向へ移動し続ける。この成分は取入れ口１６に供給された溶離液ＩＩにより溶離され、抽出物ＩＩとして出口１８で抽出される。これらの成分には生成物、副生物、抑制剤、汚染物質などが含まれよう。

エステル化反応は逆流配列の１つの利点を実証する：
アルコール＋カルボン酸τエステル＋水
この実施例では、アルコールとカルボン酸とはカラム１１の頂部に導入されるフィードとして作用する。水は別の強く吸収された化学種と同時に、出口１７の方向へ固体と共に移動する。溶離液Ｉはカラム１５で導入され、出口１７で水を抽出物Ｉ生成物として抽出する。より弱く吸収された生成物のエステルもまた化学反応により発生する。これは液体の流れと共に抽残液の出口１９の方向に移動し、この出口で抽残液生成物として装置から捕集される。この場合アルコールも、取入れ口１５でプロセスに導入される溶離液Ｉとして使用できるだろう。アルコールは出口１７で固相から水を抽出物として除去し、また装置の残部に対する液体の担体としても作用する。

より強く吸収された成分はカラムの頂部で蓄積する。次に溶離液Ｉあるいは別の溶離液である溶離液ＩＩは取入れ口１６で逆流によりプロセスに給送され、このより強く吸収された成分を出口１８で抽出物ＩＩとしてカラムの頂部から溶離する。出口１８で抽出物ＩＩをカラムの頂部から溶離すれば溶離液ＩＩの必要性が排除され、より強く吸収された成分はずっと一連のカラムを通して運搬されて、伝統的ＳＭＢプロセスで要求されたその除去が達成される。代って、領域ＩＶｂに供給された逆流は溶離の時間の長さや、プロセスを完遂させるに必要な溶離液の量を減らし、これにより溶離段階のコスト削減、並びに生産性と効率との改善がもたらされる。さらに、プロセスの実施形態において、この逆流配列はまた２つの異なる溶離液を受け入れて２つの異なる強吸収成分を脱着できる。

逆流配列の使用は先の特別な例に限定されない。当業者ならば理解するように、本発明により、特異な逆流配列を溶離領域、反応領域、分離領域などプロセス内のどこにでも有利に組み入れることができる。伝統的ＳＢＭは単向性の流れにより実行されるから、本技術は伝統的ＳＭＢの範囲の外にある。

逆流配列を組み入れたプロセスの実施形態は、ユーザーにいくつかの利点を提供する。逆流プロセスは例えば、カラムの頂部に蓄積するだろう固体を除去するのに有用であり、したがって一定量の固体を含有するプロセスの流れや、反応／分離プロセスの道筋で固体を形成する可能性のあるプロセスの流れの使用が可能となる。この方法により固体はカラムの頂部から連続的に除去でき、これにより単向性の液体の流れに制限される伝統的ＳＭＢ方式の不利が克服される。伝統的ＳＭＢプロセスは連続的固体の除去を可能としない。固体はユニットに閉じ込められるか、液体の流れを全体的に塞ぐかのどちらかである。

逆流プロセスは、所望の反応や特定成分の吸収強さにしたがって別の領域や多数の領域で効果的に利用できる。これは図２に示した具体的な逆流配列に制限されない。このプロセスの柔軟性と多用性は当業者に理解され多くの各種可能な変形に適応されるだろう。

実施例２−並流配列
本プロセスの別の実施形態では、反応及びまたは分離は、プロセスの一部での並流に備えて共に接続された、一連のカラムと多数のカラムとを介して実行される。図３の実施例に示すように、領域ＩＩの部分は並列配置されている。フィードは、他の直列のカラムに並列に接続されたいくつかのカラム、１１ａ、１１ｂ、１１ｃに導入される。溶離液は取入れ口１５でプロセスに導入され、生成物や副生物を出口１７で抽出する。その間、弱吸収成分の抽残液は液体と共に移動し出口１９で抽出される。プロセス装置の成分は単独でまたは一緒になって、フィード、溶離液、抽残液、抽出物の各流れを含む並流を使用できる。

実施例において、並流プロセスは高い移動率を得る能力を提供する一方、圧力降下の許容範囲とプロセスの反応性能とを維持する。これらの能力は、長いホールドアップ時間と極めて大量の流れとを要する反応に特に有用であることが分かっている。この種の反応は、カラムを直列配列で接続する従来技術の配列を用いて実施すると、高い圧力降下に遭遇することがある。与えられたプロセスの圧力降下の要件は非常に重要な設計のパラメーターである。圧力降下の要件が増えるにつれて装備のコストが増え、ある段階でプロセスは実用にならず不可能にさえなる。本発明の実施形態では、並流プロセスを有利に使用して装備のコストを削減しその生産性を上げる。圧力降下の減少が要求されないプロセスでは、並流配列は与えられた圧力降下で高い生産性を可能にする。

実施例３−ツゥインワン（2-in-1）配列（タイプＡ）
別の実施形態では、本反応及びまたは分離プロセスは、他の領域から離れた独立した領域で反応／分離や、追加の反応／分離を案内するようにされている。この独立したサブプロセスは、図４の実施例について示すように、一区分の機素の中で別途に一まとめに接続された領域Ｖの１つあるいは多数のカラムで起る。この組合せユニット配列を本願で「2-in-1流れ配列」ともいう。2-in-1流れ配列は、各反応／分離をいろいろな状態で実行させることにより反応と分離の作用を最適化する。反応／分離に加えて、別の反応、すなわち反応／分離／反応つまり3-in-1も案内できる。このプロセス配列は2-in-1や3-in-1に限定されず、N-in-1配列における多数の反応と分離とを実行するのに使用できる。ただしＮは１より大きい整数である。

例えば、フィードは先行カラムと直接直列に接続されずに、装置の液体の流れに独自に連絡するカラム１１に給送される。したがって、ユーザーは反応のホールドアップ時間、組成、温度をカラム１１で変えることができ、残りのプロセスに適応できる状態は制限を受けない。

実施例において、2-in-1プロセスの流れは固定床型反応器とＳＭＢ型分離反応器を単一のユニットに組み合せ、分離／反応プロセスの概ね中間にある個別の反応領域を与える。この構成により、図４を参照すれば、フィードは固定床反応器として作用するカラム１１の頂部に導入され、カラム１１は反応生成物をＳＭＢユニットへ送り必要な分離と追加の反応を行わせる。個別の反応は例えば図４に示したように領域Ｖで起る。固定床で反応した生成物を別個のＳＭＢユニットへ送り込む利点は、米国特許第５，６１８，９７２号などの従来技術により、２つのユニットで作用を行うことで部分的に実現されている。この2-in-1流れの組合せは固定床反応器の効力を向上させる一方で、ＳＭＢユニットのコスト効率もまた改善する。本発明はさらに、２つのユニットを単一のユニットに組み合せることでこのプロセスを向上させる。本発明は、この場合物理的に一まとめにされる２つの独立したユニットの維持に関連したコストを排除する。

2-in-1プロセスの実施例をエステル化反応により説明する：
アルコール＋カルボン酸τエステル＋水
アルコールとカルボン酸とはカラム１１へ供給され、領域Ｖで反応して水とエステルとを生成する。水はより強く吸収された生成物であり、したがって固体の流れと共に抽出物の出口１７の方向へ移動し、そこで抽出物Ｉ生成物として溶離される。抽残液生成物のエステルは弱吸収生成物であり、液体と共に抽残液の出口１９の方向へ移動する。この場合、アルコールも取入れ口１５で導入される溶離液Ｉとして使用できる。この2-in-1配列は直接直列に接続されないフィードカラムに備えるから、温度、ホールドアップ時間、及びフィード組成を調節できることにより、ユーザーをして、分離に要求されるプロセスパラメーターから独立して反応領域のプロセスパラメーターを最適化させる。反応と分離とが１つのユニットで実行できる一方でなおそれぞれに対するプロセス条件を個別に最適化できるこの種のプロセスの柔軟性は、自明のことだが直列に接続されたカラムを強いる伝統的ＳＭＢプロセスでは実現されない。

当業者は理解するように、この技術が多種多様な反応、少し名を挙げれば例えばエステル化、エステル加水分解、エーテル化、異性化、縮合、アミド合成、ぺプチド合成、脱水、酸化に有利に応用できる。本発明の使用が図３に示した特定の配列に限定されないこともまた理解されよう。当業者は理解するように、本発明の柔軟性と多用性とにより多くの異なった変形が可能である。

実施例４−2-in-1配列（タイプＢ）
本発明の別の実施形態では、１つまたは多数のカラムは、同じユニット内だが分離プロセス領域から外れた領域に共に接続される。図３に示した2-in-1流れ配列（タイプＡ）は反応領域をＳＭＢ様のプロセスの中間に組み入れている。反応領域の物質の組成は、反応領域の位置に移動する隣接カラムの組成により作用される。カラムは固体の流れの方向に間欠送りする。図５を参照すれば、2-in-1流れ配列（タイプＢ）により、反応領域である領域Ｖは領域Ｉでの溶離から次のカラムを受け取る。例えば、このプロセスは前反応に備えるものである。先駆物質はカラム１２に導入でき、前反応は反応／分離プロセスから外れた領域Ｖで起る。前反応はフィードを生成し、フィードはそれから入口１１で反応／分離プロセスに導入される。前反応プロセスは残りのプロセスからの影響を受けないから、この反応はいろいろな状況下で有利に導かれ、より効率的に実行できる。このプロセスの特徴は反応領域に、すでに一定の組成の物質を含有したカラムではなくきれいなカラムを与えることである。これにより2-in-1（タイプＡ）配列を凌ぐ追加プロセスの最適化が可能となる。この種のプロセスもまた、無限に直列接続されるカラムに依存した伝統的ＳＭＢプロセスから外れている。従来技術の反応性ＳＭＢはこの種の配列の使用に言及しないが、その限られた作用状態では必ずしも都合よくいかないだろう。

この流れ配列による本プロセスの使用は図５に示した特定の配列に制限されない。当業者は理解するように、本発明の柔軟性と多用性とにより多くの異なった変形の2-in-1配列が可能である。

実施例５
以下の実施例は、例えば液体−固体接触装置を伴って、非ＳＭＢ流れ配列により本プロセスを案内することの１つの利益を実証する。具体的に、Calgon Carbon Corporationにより提供される高性能カルーセル−ＳＭＢ（ＨＰＣ−ＳＭＢ）を使用したが、これに限るとみてはいけない。強酸イオン交換樹脂を含有するＨＰＣ−ＳＭＢを使用して、フェノールをアセトンと反応させビスフェノール−Ａ（ＢＰＡ）を生成した。この種の樹脂はとりわけRohm & Haas、Dow、Bayer、ミツビシから入手可能である。Rohm & Haasのアンバーリスト１３１樹脂をこの実験に使用した。結果は表２に示してある。

この実施形態において、ユニットは、直径１１ｍｍ長さ３００ｍｍの、２０個一組のカラムを含有する。図６に示すように、溶離領域（領域ＩＶ）は６つのカラムを含有し、濃縮領域（領域ＩＩＩ）は２つのカラムを、反応領域（領域ＩＩ）は１２のカラムを含有する。ユニットは定温で維持された囲いに収容される。アセトンはフィード入口１１で反応領域に送り込まれ、そこでフェノールとの縮合反応が起りＢＰＡを生成する。強く吸収された水は、反応物の流れに抗する樹脂触媒の向流運動により連続的に反応領域から水選択領域に運ばれる。水溶離領域では、吸収された水が出口１７でフェノールにより樹脂から除去される。樹脂の脱水のためと、十分に余分なフェノールを反応領域へ供給するために、十分な補給フェノールが取入れ口１５で溶離領域に加えられる。水は触媒部位を水和しやすく、樹脂触媒の活動を弱める。

反応領域の下流で、不完全なＢＰＡ生成物と余分のフェノールとが出口１９でプロセスから抽出される。抽出された生成物の一部は随意に再装入領域に通して、樹脂床からフェノールを流し生成物の希釈を低減させることができる。この実施例は生成物の収量と純度との改善を実証する。

伝統的ＳＭＢの流れ配列の使用は、図１に示したように全てのカラムが直流配列により無限に接続されることを必要とする。本プロセスは、直流、並流及び／または逆流の配列を一緒に１つのユニット内で組み合せる。並流配列は図４に示してあり、逆流配列は図２に示してある。この実施例について、図６を参照すれば、反応領域の最初の４つのカラムは並流配列により接続され、残りの８つのカラムは直流配列で配置されている。並流のカラムはまた逆流配列（アップフロー）でも作動する。これは反応物と生成物との分配を改善し、ＢＰＡ生成物の収量を増やし、不純物準位を下げる。生成物の組成は高性能液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）を用いて決定した。表２は、直流と（部分的）並流／逆流の各配列を組み合せるこの実施例から得られた結果の比較を示している。両実験ともフェノールとアセトンに対する同じフィード移動率を使用した。

高いＢＰＡ収量と低い不純物準位はこの反応の２つの望ましい結果である。

先の実施例は本発明の多用性を実証する。説明は、特定の実施例の各配列や配列の組合せについてなされたが、当業者は理解するように本発明の範囲内で多数の変形が可能である。どの与えられた配列も図２乃至５に示したより多、少の領域を含有できる。各領域はどこでも１乃至ゼロから多数のカラムを含有できる。一般的に装置は４つの、場合によっては３つのみの領域を利用する。この実施例で、欠けている領域はゼロ個のカラムを含有する。本発明では、特定の作用領域（逆流、並流など）は装置のどこででも使用でき、図に示した部位に制限されない。１以上の配列がユニット内で使用でき、多数の機能を１つのユニットで組み合せることができる。

当業者は理解するように、このレベルのプロセスの柔軟性は、伝統的ＳＭＢ技術では非常に複雑かつ極めて高価なものになる。上に挙げた利点は資本コストの削減、高い生産性、高い収量、選択性の向上とを招来する。

当業者はさらに理解するように、本発明は多くの異なる反応／分離の用途で使用できる。例えば、本発明は少し名を挙げるとエステル化、エステル加水分解、エーテル化、異性化、縮合、アミド合成、ぺプチド合成、脱水、酸化に使用できるが、これらに限定されない。

前記事項を相当詳細に述べたが、実施例と方法とは説明のために提示したもので制限するためではない。明細書から諒解されるように、本発明の多様な修正、要素の組合せ、変形、等価物、あるいは改良は当業者により成し得るが、それらはやはり添付クレームに規定された本発明の範囲内にある。

一般的なＳＭＢプロセスの従来技術による配列を示した略図である。 本発明の逆流配列を用いた実施形態の略図である。 本発明の並流配列を用いた実施形態の略図である。 本発明の組合せユニットの設計を用いた実施形態の略図である。 本発明の別の組合せユニット設計を用いた実施形態の略図である。 直流配列を、逆流方式を使用する並流配列と組み合せた本発明の実施形態の略図である。

符号の説明

１１ フィード入口
１５ 溶離液入口
１６ 取入れ口
１７、１８ 抽出物出口
１９ 抽残液出口

Claims (15)

1. 以下のステップを含む反応と分離の方法：
   （ａ）第１の成分を複数の領域のうちの第１の領域の少なくとも１つのカラムに導入するステップであって、各前記領域は固体や固体媒質の混合物を含有した１以上のカラムを含み、各前記カラムは、少なくとも１つの入口と１つの出口とを有して先行のカラムや外からの流れに対して直列や並列に可動的に連絡されて媒質の流れをシミュレートし、かつアップフローやダウンフロー方式で作動でき、そして少なくとも１つの前記カラムは少なくとも１つの他のカラムから独立して作動できるステップ、
   （ｂ）前記第１の成分を前記第１の領域から前記媒質の方向あるいは反対方向に、前記第１の領域の別のカラムや第２の領域へ給送するステップであって、前記第１の成分が少なくとも１つの反応物、溶離液、あるいはこれらの組み合わさったものを含むステップ、
   （ｃ）前記第１の成分の反応と分離のうちの少なくとも１つを行い第２の成分を生成するステップであって、前記第２の成分が生成物、抽出物、抽残液、不転換の第１の成分、及びこれらの組み合わさったものから成る集まりの１つを含むステップ、及び、
   （ｄ）前記第２の成分を１以上のカラムから抽出するステップ。
2. 液体―固体接触装置を用いた反応と分離の方法において、
   （ａ）プロセス材料を、媒質で充填した複数のカラムのうちの少なくとも１つのカラムに投入するステップであって、各前記カラムは別のカラムやカラム群からの前記プロセス材料の流れ、外からのフィードの流れ、外からの溶離液の流れ、あるいはこれらの組み合わさったものを受け入れる少なくとも１つの入口と、別のカラムや、カラム群、外からの生成物の流れ、あるいはこれらの組み合わさったものに連絡する少なくとも１つの出口とを持ち、各前記カラムが独自にアップフローやダウンフロー方式により作動でき、かつ、別のカラムや、外からのフィードの流れ、外からの溶離液の流れ、外からの生成物の流れ、及びこれらの組み合わさったものを含む集まりの１つに独自に連絡されるステップと、
   （ｂ）前記プロセス材料を１以上の前記カラムで反応させ分離するステップと、
   （ｃ）材料をそこから抽出するステップと、を含むことを特徴とする方法。
3. 複数の充填されたカラムを有する液体―固体接触装置を用いた方法であって、
   各カラムがディスクに接続するようにされた供給導管と排出導管とを持ち、ディスクが供給と排出の各導管と関連した複数の接続用開口を持ち、前記カラムや前記ディスクが軸の周りを回転するよう取り付けられ、回転により前記導管とディスクの前記開口とが整列して直接これらの間に流れが連通し、その結果複数の供給と排出の導管が、少なくともカラムとディスクの同期回転によりカラムの関連する他の供給と排出の導管と連通する方法において、プロセス材料を各前記カラム中に流動させて前記流動材料を反応させ分離するステップを含むことを特徴とする改良された方法。
4. 流体の流れを給送するマルチポート回転弁付き液体―固体接触装置を用いた方法であって、液体―固体接触装置が、
   （ａ）両表面を具えた第１のヘッドであって、同じ表面に位置して外からの流体の流れに連絡する少なくとも２つの第１の開口を備え、かつ各第１の開口を、第１の開口に対応し第１の開口の反対表面に位置する第２の開口につなげるように関連させた個別の径路を有する第１のヘッドと、
   （ｂ）それぞれが個別の第２の開口と径路とに連通する少なくとも２つの第３の開口を有し、かつ第２の開口を含有する第１のヘッドの表面と接触した表面に配置された回転可能な第２のヘッドであって、前記第３の開口が流体―固体接触媒質を含有する室の入口や出口につながり、室と外からの流体の流れとの間に流体シールを形成する回転可能な第２のヘッドと、
   （ｃ）少なくとも１つの前記ヘッドを回転させ、所定の期間選択された外からの流体の流れを選択された室に相互接続したあと前記外からの流体の流れを別の室に相互接続させる駆動装置と、
   （ｄ）前記外からの流体の流れを多数の、すなわち直列や並列の連続した室に配送したり、他の外からの流体の流れの配送と同時に選択された室を迂回させるように構成した開口と、を具備する方法において、プロセス材料を前記各室中に流動させて前記流動材料を反応させ分離するステップを含むことを特徴とする改良された方法。
5. 請求項１、２、３あるいは４に記載の材料プロセスの流れにおいて反応と分離とを案内する方法において、前記カラムは少なくとも１つの逆流を供給するように構成されることを特徴とする方法。
6. 請求項１、２、３あるいは４に記載の材料流れにおいて反応と分離とを案内する方法において、少なくとも２つの前記カラムは前記流れに並列に接続され、並流配列をもたらすことを特徴とする方法。
7. 請求項１、２、３あるいは４に記載の材料流れにおいて反応と分離とを案内する、分離／反応プロセス領域を伴う方法において、１つあるいは多数のカラムは共に接続されて、前記分離／反応プロセス領域の中に別個の反応領域を提供することを特徴とする方法。
8. 請求項１、２、３あるいは４に記載の材料流れにおいて反応と分離とを案内する、分離／反応プロセス領域を伴う方法において、１つあるいは多数のカラムは前記ユニット内の、前記分離／反応プロセス領域から外れた領域で共に接続されることを特徴とする方法。
9. 請求項１、２、３あるいは４に記載の材料流れにおいて反応と分離とを案内する、分離／反応プロセス領域を伴う方法において、１つ以上の前記カラムは接続されて、逆流、並流から成る集まりから選択された流れ様式、分離／反応プロセス領域の内側の分離された反応領域、前記ユニット内の前記分離／反応プロセス領域から外れた領域にある分離された反応領域、及び任意の１以上のこれらの配列の組み合わさったものを提供することを特徴とする方法。
10. 請求項５に記載の方法において、前記プロセスの流れは、固体を含有するかあるいはプロセスの道筋において固体を形成することを特徴とする方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、前記固体は少なくとも１つのカラムの頂部から除去され、前記除去は連続的あるいは間欠的であることを特徴とする方法。
12. 請求項１に記載の方法において、前記カラムは直列や並列により先行カラムや外からの流れに可動的に接続され、１から次への回転により媒質の流れをシミュレートすることを特徴とする方法。
13. ビスフェノール−Ａを生成するための請求項１、２、３、あるいは４に記載の方法。
14. 請求項１３に記載の方法において、少なくとも２つの前記カラムは直列配列により接続されたカラムに並列に接続され、前記並列カラムは前記媒質の流れと反対の、すなわち前記並列カラムの頂部に向う、流体の流れの方向を持つことを特徴とする方法。
15. 請求項１３に記載の方法において、前記プロセス材料はアセトンであり、溶離液はフェノールであることを特徴とする方法。

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