JP2007307440A - Chemical reaction apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、化学反応を促進するためのマイクロ波照射部を有した化学反応装置に関するものである。 The present invention relates to a chemical reaction apparatus having a microwave irradiation unit for promoting a chemical reaction.
今日、マイクロ波は調理用電子レンジに利用されており、家庭に広く普及している。また、工業的にもゴム加硫、茶葉乾燥、食品殺菌等に利用されている。一方、マイクロ波の化学合成プロセス、特に有機合成反応への応用はこれらに比べ遅かったが、近年、その有用性が認められプロセスへの応用が試みられ始めている。化学反応場にマイクロ波を照射することにより、原料が誘電損失の大きい物質であれば、従来の反応槽外側ジャケットからの伝熟方式よりも急速な温度上昇が可能であり、反応の高速化が可能である。また、反応場に急速にエネルギーを加えることにより、従来の外部伝熱方式では見られなかった目的生成物の選択率の向上も期待できる。そして、マイクロ波を用いた化学反応促進法やそれに使用する化学反応促進装置についての基本構成に関する特許も出願されている(特許文献1)。 Today, microwaves are used in cooking microwave ovens and are widely used in homes. It is also used industrially for rubber vulcanization, tea leaf drying, food sterilization and the like. On the other hand, the application of microwaves to chemical synthesis processes, particularly organic synthesis reactions, was slow compared to these, but in recent years its usefulness has been recognized and application to processes has begun. By irradiating the chemical reaction field with microwaves, if the raw material is a substance with a large dielectric loss, the temperature can be increased more rapidly than the conventional method of ripening from the outer jacket of the reaction vessel, and the reaction speed can be increased. Is possible. In addition, by rapidly applying energy to the reaction field, it is possible to expect an improvement in the selectivity of the target product, which was not seen in the conventional external heat transfer system. And the patent regarding the basic composition about the chemical reaction promotion method using a microwave and the chemical reaction promotion apparatus used for it is applied (patent document 1).
一方、マイクロリアクタは、10〜500μm幅の流路を持つ微小反応装置の総称で、その中で混合、熱交換、化学反応などを行うものである。マイクロリアクタによって、分子レベルの迅速な混合、均一な温度制御が可能で、化学反応の高速化や選択率の向上が期待されている。
しかしながら、マイクロ波照射装置を有した化学反応装置は、原料液の高速加熱が可能であるが、2種類以上の原料液の混合には従来の反応装置と同様、攪拌翼を備えた攪拌機で行うため、反応槽内で分子レベルでは濃度ムラが生じている。このため、反応速度が原料分子の拡散速度に依存している拡散が律速な反応系では、反応の高速化が難しく混合液の反応率が低くなる場合がある。また、局所的に分子レベルで原料が偏在する箇所では、逆に反応が進みすぎて目的生成物ではなく、副生成物が生じてしまうケースもある。 However, a chemical reaction apparatus having a microwave irradiation apparatus can heat a raw material solution at a high speed, but the mixing of two or more raw material liquids is performed by a stirrer equipped with a stirring blade as in the conventional reaction apparatus. Therefore, density unevenness occurs at the molecular level in the reaction vessel. For this reason, in the reaction system in which the reaction rate depends on the diffusion rate of the raw material molecules, the reaction rate of the mixed solution may be low because it is difficult to speed up the reaction. In addition, in a portion where the raw material is unevenly distributed locally at the molecular level, there is a case where the reaction proceeds excessively and a by-product is generated instead of the target product.
一方、マイクロリアクタは微細な流路を備えており、二つ以上の微細流路が交わる点での原料液同士の精密な混合が可能である。また、流路が狭いため流路を外部から加熱・冷却することで精密な温度制御が可能である。マイクロリアクタにおいて化学反応の高速化および反応率の向上が起こる場合は、反応速度で原料分子の拡散が律速な場合であり、化学反応自体が律速な反応系では反応の高速化は望めなかった。また、化学反応で触媒として固体触媒を用いる場合は、閉塞するため用いることができなかった。さらに、化学反応が有機合成の場合、原料液が反応温度以下の沸点の時はガス化した原料液が流路や電磁弁に溜まって流れを妨げたり、原料液がガス化することによる局所的な原料液の濃度ムラが生じたりする。そのため、マイクロリアクタを反応場として適用できない場合もある。 On the other hand, the microreactor has a fine flow path, and can precisely mix the raw material liquids at the point where two or more fine flow paths intersect. In addition, since the channel is narrow, precise temperature control is possible by heating and cooling the channel from the outside. When the speed of the chemical reaction and the improvement of the reaction rate occur in the microreactor, the diffusion of the raw material molecules is rate-determining at the reaction rate. In the reaction system in which the chemical reaction itself is rate-limiting, it is not possible to increase the speed of the reaction. Further, when a solid catalyst is used as a catalyst in a chemical reaction, it cannot be used because of clogging. In addition, when the chemical reaction is organic synthesis, when the raw material liquid has a boiling point lower than the reaction temperature, the gasified raw material liquid accumulates in the flow path or the electromagnetic valve, obstructs the flow, or the raw material liquid is localized due to gasification. May cause uneven concentration of raw material liquid. Therefore, the microreactor may not be applied as a reaction field.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、上記従来技術の欠点を解消し、原料分子の拡散が律速の反応でも反応を高速化し、また混合液の反応率を高くでき、副生成物の生成を抑え、幅広い有機合成反応にも使用できる化学反応装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and eliminates the drawbacks of the prior art described above, speeding up the reaction even when the rate of diffusion of the starting material molecules is rate-limiting, and increasing the reaction rate of the mixed liquid. An object of the present invention is to provide a chemical reaction apparatus that can suppress the production of products and can be used for a wide range of organic synthesis reactions.
請求項1に記載の発明は、2種類以上の原料液を反応槽に供給する原料液供給ラインと、前記原料液供給ラインから前記反応槽に供給された混合液にマイクロ波を照射して混合液の反応を促進するマイクロ波照射装置と、を備えた化学反応装置において、前記原料液供給ラインには、前記2種類以上の原料液をそれぞれ導入する複数の管路であって、管路径がマイクロオーダの微細導入路と、前記2種類以上の原料液が合流するように前記微細導入路同士を接合することにより原料液同士を混合する混合部と、前記混合部で混合した混合液を該混合部から導出する1本の管路であって、管路径がマイクロオーダの微細導出路と、を有するマイクロミキサを具備することを特徴とする。 According to the first aspect of the present invention, a raw material liquid supply line that supplies two or more kinds of raw material liquids to a reaction tank, and a mixed liquid supplied from the raw material liquid supply line to the reaction tank is irradiated with microwaves and mixed. And a microwave irradiation device for promoting a reaction of the liquid, wherein the raw material liquid supply line is a plurality of pipe lines for introducing the two or more kinds of raw material liquids, each having a pipe diameter. A micro-order fine introduction path, a mixing part for mixing raw material liquids by joining the fine introduction paths so that the two or more kinds of raw material liquids merge, and a mixed liquid mixed in the mixing part It is characterized by comprising a micromixer having a single conduit led out from the mixing section and having a fine lead-out passage with a micro-order pipe diameter.
請求項1によれば、マイクロ波を照射するマイクロ波照射装置を具備する化学反応装置において、原料液供給ラインに2種類以上の原料液をそれぞれ通す、管径がマイクロオーダの微細流路と、微細流路を合流し2種類以上の原料液を混合する接点と、を有するマイクロミキサをさらに具備することで、原料分子の拡散が律速である反応系でも、マイクロミキサにより分子レベルでの精密混合を行った後、マイクロ波照射装置でマイクロ波を混合液に照射し反応させるため、混合液の反応率を高くする高効率反応が実現でき、収率が向上するとともに、反応が進みすぎることが少なくなるため副生物が抑えられる。 According to claim 1, in the chemical reaction device including a microwave irradiation device for irradiating microwaves, a fine flow channel having a tube diameter of micro-order, each passing two or more kinds of raw material liquids through the raw material liquid supply line; By providing a micromixer that has a contact point that joins two or more kinds of raw material liquids by joining the microchannels, even in reaction systems where the diffusion of raw material molecules is rate-determined, precise mixing at the molecular level using the micromixer After performing the process, the microwave irradiation device irradiates the mixture with microwaves and reacts, so a high-efficiency reaction that increases the reaction rate of the mixture can be realized, the yield can be improved, and the reaction can proceed too much. By-product is reduced because it decreases.
また、反応が律速である反応系でも、マイクロ波照射装置でマイクロ波を照射することにより、反応速度が高くなり、高速反応が行える。すなわち、分子拡散が律速であり、かつ、反応も律速である反応系に対しても反応速度を速め、高収率が実現できる。 Further, even in a reaction system in which the reaction is rate-determining, the reaction rate is increased and the high-speed reaction can be performed by irradiating the microwave with a microwave irradiation apparatus. That is, even in a reaction system in which molecular diffusion is rate-limiting and the reaction is rate-limiting, the reaction rate can be increased and a high yield can be realized.
そして、反応に固体触媒を用いる場合でも、マイクロミキサにより精密混合を行った後の混合液を化学反応装置の反応槽内に供給し、同時に反応槽内に固体触媒を投入することで反応を行うことができる。 Even when a solid catalyst is used for the reaction, the mixture is mixed after being precisely mixed by the micromixer into the reaction tank of the chemical reaction apparatus, and at the same time, the reaction is performed by introducing the solid catalyst into the reaction tank. be able to.
尚、ここで、マイクロオーダの管径とは、50μm以下の管径であることが好ましい。 Here, the tube diameter of the micro order is preferably a tube diameter of 50 μm or less.
請求項2に記載の発明は、請求項1の発明において、前記マイクロ波照射装置は、前記反応槽内の前記混合液を循環させる循環管を備えるとともに、該循環管を流れる混合液に対してマイクロ波を照射することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the microwave irradiation apparatus includes a circulation pipe that circulates the mixed liquid in the reaction tank, and the mixed liquid that flows through the circulation pipe. It is characterized by irradiating microwaves.
請求項2によれば、マイクロリアクタのみでは適用が難しかった有機系の溶媒を用いる合成反応においても、マイクロミキサにより分子レベルでの精密混合を行った後、循環管を備えたマイクロ波照射装置で、マイクロ波を照射して所定の温度を与えて反応を行うことで、反応率が高く、高速な反応を行うことができる。 According to claim 2, even in a synthesis reaction using an organic solvent, which is difficult to apply only with a microreactor, after performing precise mixing at a molecular level with a micromixer, a microwave irradiation device provided with a circulation tube, By performing the reaction by irradiating microwaves and applying a predetermined temperature, the reaction rate is high and a high-speed reaction can be performed.
請求項3に記載の発明は、請求項1または2の発明において、前記原料液供給ラインは、前記2種類以上の原料液それぞれに対して分岐されており、かつ該分岐ごとに前記マイクロミキサが具備されていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, the raw material liquid supply line is branched with respect to each of the two or more types of raw material liquids, and the micromixer is provided for each branch. It is provided.
請求項3によれば、供給ラインは、2種類以上の原料液それぞれに対して分岐されており、かつ分岐ごとにマイクロミキサが具備されているので、多量の原料液を素早く分子レベルで精密混合を行うことができる。 According to claim 3, the supply line is branched for each of two or more kinds of raw material liquids, and a micromixer is provided for each branch, so that a large amount of raw material liquids can be quickly and precisely mixed at the molecular level. It can be performed.
本発明によれば、原料分子の拡散が律速の反応でも反応を高速化し、また混合液の反応率を高くでき、副生成物の生成を抑え、幅広い有機合成反応にも使用できる。 According to the present invention, even a reaction in which the diffusion of raw material molecules is rate-limiting, the reaction can be accelerated, the reaction rate of the mixed solution can be increased, the production of by-products can be suppressed, and it can be used for a wide range of organic synthesis reactions.
以下、本発明に係る化学反応装置の実施形態を添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of a chemical reaction apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は第1実施形態に係る化学反応装置10の説明図である。図示のように原料液A14と原料液B16は、それぞれ原料液Aタンク18と原料液Bタンク20に貯留している。先ず、原料液供給ライン12において、原料液A14と原料液B16は、原料液A供給ポンプ22と原料液B供給ポンプ24によって、原料液A供給用配管26と原料液B供給用配管28を介して、マイクロミキサ30に移送される。マイクロミキサ30内では、原料液は管径がマイクロオーダの微細流路に導入され、原料液同士を混合するための微細流路の接点で分子レベルの完全混合に近い状態が作り出される。マイクロミキサ30で混合された混合液は、原料液供給用配管32を介し、反応槽34に送られる。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a
反応槽34は外側にジャケットを備えた槽であり、原料液A14と原料液B16とが混合された混合液36の温度を精密に制御するための冷却用のブライン38を外側のジャケットに保持できる。ブライン38は、ブライン槽40に貯められており、クーラ42で所定の温度に冷却されている。ブライン槽40のブライン38は、ブライン供給ポンプ44で反応槽34のジャケット部に送られ、ブライン用配管46を介して、ブライン槽40に戻り循環している。反応槽34に送られた混合液36は、攪拌翼48を備えた攪拌機50で混合され、槽内の温度分布を少なくする。この時、反応に原料液A14と原料液B16以外の固体触媒を要する場合は、混合液36に固体触媒が投入され攪拌される。
The
また、化学反応装置10には、マイクロ波照射装置52が設けられている。反応槽34には、上部にマイクロ波照射装置52の導波管54が接続されており、導波管54のもう一端にはマイクロ波発生器56が設置されている。マイクロ波発生器56で電気エネルギーから変換されたマイクロ波が循環中の混合液36に照射される。
The
マイクロ波が照射された混合液36は、通常の外部加熱方式とは異なり、分極した分子または分子が会合したクラスタのスピン運動により混合液自体が均一に加熱されるため、高速に反応する。反応槽34には、混合液36の代表温度を測定する温度センサ58と温度計60が備えられている。温度計60で検出した混合液36の温度が所定の温度となるよう、温度計60と連動した制御器62でマイクロ波発生器56を制御する。マイクロ波発生器56の制御は、出力を一定としてマイクロ波の出力を稼動・停止を繰り返す方法や、出力を可変として上下させ、混合液36の温度をコントロールする方法がある。
Unlike the normal external heating method, the
このように本発明の化学反応装置10を用いることで、反応速度を高くし、副生物を抑制することが可能である。即ち、原料分子の拡散が律速である反応系において、マイクロミキサ30により分子レベルでの精密混合を行った後、マイクロ波照射装置52でマイクロ波を混合液に照射し反応させるため、混合液の反応率を高くする高効率反応が実現でき、収率が向上するとともに、反応が進みすぎることが少なくなるため副生物が抑えられる。また、反応が律速である反応系でも、マイクロ波照射装置52でマイクロ波を照射することにより、反応速度が高くなり、高速反応が行える。すなわち、分子拡散が律速であり、かつ、反応も律速である反応系に対しても反応速度を速め、高収率が実現できる。そして、反応に固体触媒を用いる場合でも、マイクロミキサ30により精密混合を行った後の混合液を化学反応装置10の反応槽34内に供給し、同時に反応槽34内に固体触媒を投入することで反応を行うことができる。
Thus, by using the
図2はマイクロミキサ30の説明図である。マイクロミキサ30にはマイクロミキサ内チップ30aが1個以上設けられており、マイクロミキサ内チップ30aの2本の微細導入管31a、31aには、原料液A供給用配管26と原料液B供給用配管28とがそれぞれ接続されている。原料液A供給用配管26と原料液B供給用配管28とから注入された原料液A、及び原料液Bはそれぞれ、微細導入管31a、31aを経由して合流部31bにて接触し、分子レベルで精密混合されながら微細導出管31cを流れる。微細導出管31cで混合された混合液は、原料液供給用配管32に送られる。
FIG. 2 is an explanatory diagram of the
図3は第2実施形態に係る化学反応装置70の説明図である。原料液供給ライン12や混合液36の冷却部などは、図1と同様である。図1と異なるのは、マイクロ波照射装置52’であり、混合液36へのマイクロ波の照射方法である。化学反応装置70では、混合液36の一部は、循環ポンプ74で一端反応槽34外の循環管72に送られる。循環管72の中途に位置する導波管54と循環管72が交わる箇所において、マイクロ波発生器56で電気エネルギーから変換されたマイクロ波が循環中の混合液36に照射される。導波管54の後段に配置してある温度センサ58と温度計60でマイクロ波が照射された混合液36の液温が測定され、所定の温度以上になった場合は、温度計60と連動した制御器62でマイクロ波発生器56を制御し、混合液36が一定温度となるようにしている。マイクロ波を照射された混合液36は、反応槽34に戻される。
FIG. 3 is an explanatory diagram of a
このように化学反応装置70を用いることで、マイクロリアクタのみでは適用が難しかった有機系の溶媒を用いる合成反応においても、マイクロミキサ30により分子レベルでの精密混合を行った後、循環管72を備えたマイクロ波照射装置52で、所定の温度を与えて反応を行うことで、反応率が高く、高速な反応を行うことができる。
By using the
図4は、本発明の化学反応装置10,70に係る原料液供給ライン12の他の実施形態である原料液供給ライン12’の説明図である。図示のように原料液A14と原料液B16は、原料液A供給ポンプ22と原料液B供給ポンプ24によって、分岐された原料液A供給用配管26と分岐された原料液B供給用配管28を介して、マイクロミキサ30、30…に移送される。マイクロミキサ30は、管径がマイクロオーダの微細流路で構成されているが、流路が微細なため流すことができる原料液の流量は少量に限られる。そこで、図3に示すように、原料液供給ライン12’にはマイクロミキサ30が2個以上から構成されており、原料液供給ポンプから排出された原料液は分配され、多数のマイクロミキサ30、30…で混合される。尚、ここで、原料液供給ポンプからマイクロミキサ30、30…への原料液の分配が均一に行われない場合は、分岐後の配管に流量計と調節弁を設け、流量が均一になるよう制御しても良い。マイクロミキサ30、30…で混合された混合液は、原料液供給用配管32を介し、反応槽34に送られる。このような原料液供給ライン12’を用いることで、多くの混合液流量を反応槽34に送ることができる。
FIG. 4 is an explanatory diagram of a raw material
図5は、第1実施形態に係る化学反応装置10の別形態の説明図である。これは、原料液A14および/または原料液B16が反応温度以下の沸点を有するものであれば、図5に示すように、反応槽34に還流管76を設置し、反応中に蒸発した混合液36の一部を、還流管76の冷媒管78で冷却することで、液体として反応槽34に戻すことができる。
FIG. 5 is an explanatory diagram of another form of the
図6は、第2実施形態に係る化学反応装置70の別形態の説明図である。反応槽34に還流管76を設置し、反応中に蒸発した混合液36の一部を、還流管76の冷媒管78で冷却することで、液体として反応槽34に戻すことができる。
FIG. 6 is an explanatory diagram of another form of the
また、図7は、第1実施形態に係る化学反応装置10の別形態の説明図である。投入された混合液が反応槽34で反応し、反応後の液(製品)を連続的に製品抜出ポンプ80で製品タンク82に移送することが可能となっている。
Moreover, FIG. 7 is explanatory drawing of another form of the
10、10’、10’’…化学反応装置、12、12’…原料液供給ライン、14…原料液A、16…原料液B、18…原料液Aタンク、20…原料液Bタンク、22…原料液A供給ポンプ、24…原料液B供給ポンプ、26…原料液A供給用配管、28…原料液B供給用配管、30…マイクロミキサ、30a…マイクロミキサ内チップ、31a…微細導入管、31b…合流部、31c…微細導出管、32…原料液供給用配管、34…反応槽、36…混合液、38…ブライン、40…ブライン槽、42…クーラ、44…ブライン供給ポンプ、46…ブライン用配管、48…攪拌翼、50…攪拌機、52、52’…マイクロ波照射装置、54…導波管、56…マイクロ波発生器、58…温度センサ、60…温度計、62…制御器、70、70’…化学反応装置、72…循環管、74…循環ポンプ、76…還流管、78…冷媒管、80…製品抜出ポンプ、82…製品タンク
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記原料液供給ラインには、
前記2種類以上の原料液をそれぞれ導入する複数の管路であって、管路径がマイクロオーダの微細導入路と、
前記2種類以上の原料液が合流するように前記微細導入路同士を接合することにより原料液同士を混合する混合部と、
前記混合部で混合した混合液を該混合部から導出する1本の管路であって、管路径がマイクロオーダの微細導出路と、を有するマイクロミキサを具備することを特徴とする化学反応装置。 Microwave irradiation for irradiating microwaves to the liquid mixture supplied to the reaction tank from the raw material liquid supply line by supplying two or more kinds of raw material liquids to the reaction tank and accelerating the reaction of the mixed liquid A chemical reaction device comprising:
In the raw material liquid supply line,
A plurality of pipelines for introducing the two or more kinds of raw material liquids, respectively, and a micro-introduction channel having a pipeline diameter of micro-order;
A mixing unit for mixing the raw material liquids by joining the fine introduction paths so that the two or more kinds of raw material liquids merge;
A chemical reaction apparatus comprising: a micromixer having a single liquid channel for extracting the mixed liquid mixed in the mixing unit from the mixing unit, and a fine channel having a micro pipe diameter. .
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