JP2008515627A - 微小毛管反応器および該微小毛管反応器を使用した均一に混合できない流体のコントロールされた混合方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の流動性の流体用の少なくとも１本の第１の毛管状の給送管（４）と、第１の流体と本質的に均一に混合できない第２の流動性の流体用の少なくとも１本の毛管状の給送管とを含む、少なくとも１つの第１の静的混合器（２）を含む微小毛管反応器（１）であって、第１および第２の毛管状の給送管が少なくとも１本の第１の輸送管の出発点である領域に流れ込み、第１および第２の流体がそれぞれ層流条件下に輸送可能であり、かつ順次交互に続く不連続な流動性の相部分（プラグ）の形態で移送可能であるように、第１（６）および第２（８）の毛管状の給送管が寸法指定される。本発明は、第１の混合器（２）に対して下流側で第１の毛管状の輸送管（１０）の中へ流入する気体状の第３の流体用の、少なくとも１本の、特に毛管状の第３の給送管（１２）を含む、少なくとも１つの第２の静的混合器（１）を特徴とする。さらに、本発明は多重微小毛管反応器に関する。さらに、本発明は、微小毛管反応器の使用下に少なくとも２種の本質的に互いに混合できない流動性の流体と、少なくとも１種の気体状の流体のコントロールされた混合方法に関する。本発明の方法により、たとえば不飽和アルデヒドを触媒水素添加し、オレフィンをハイドロフォーミングし、かつ有機化合物を均一に触媒酸化することができる。

Description

本発明は、第１の流動性の流体用の少なくとも１つの第１の毛管状の給送管と、第１の流体と本質的に均一に混合できない第２の流動性の流体用の給送管とを含み、第１および第２の毛管状の給送管が少なくとも１つの第１の輸送管の出発点である領域に流れ込み、少なくとも第１および第２の流体がそれぞれ層流条件下に輸送可能であり、かつ順次交互に続く不連続な流動性の相部分（プラグ）の形態で転送可能であるように、第１および第２の毛管状の給送管が寸法指定された、少なくとも１つの第１の静的混合器を含む微小毛管反応器に関する。さらに、本発明は、少なくとも２種の本質的に互いに混合できない流動性の流体と、少なくとも１種の気体状の流体のコントロールされた混合方法に関する。最後に、本発明は、有機化合物の水素添加、ハイドロフォーミング、カルボニル化および酸化のための本発明に係る微小毛管反応器の使用に関する。

微小毛管反応器は、たとえば特許文献１から公知である。この微小毛管反応器は、基本的に２本の給送管と１本の導出管とを備えるＴ−混合器である。２種類の本質的に互いに混合できない液体は、両方の給送管を介して好ましくは互いに前面から供給され、その結果、互いに混合された液体は微小毛管反応器の共通の導出管内で交互に連続する微小な流体ブロック（プラグ）の形態で移送される。それによって、たとえば拡散制御された化学反応を実施できる、混合できない流体成分間に充分な共通の相界面が構築される。もちろん、導出管もしくは給送管の直径は可能な限り小さく選択され、かつ特に１０００μｍの値を超えないことに注意する必要がある。特許文献１によれば、ここに記載された微小毛管反応器を用いて液／気状−、固／液／液−および固／液／気状の反応を実施することができる。固相は、たとえば被膜として導出管の内壁に設けることができる。特許文献１記載の微小毛管反応器を用いて、たとえばベンゼンおよびトルエンのニトリル化に成功する。

その他に、すでにその基本的特徴が特許文献２に記載されている、２つのＴ−混合器内で前面から会合する毛管流を介する混合できない液体の内部混合に関する前記変形態様のほかに、特許文献３および特許文献４に開示されているように、平行の液流を介して２種類の互いに混合できない液体の可能な限り効率的な接触を実施することができる。この場合、本質的に互いに平行に流れる混合できない流体間の物質移動は、相界面での拡散を利用して流れ方向と垂直に実施される。

液／液系中のベンゼンもしくはトルエンのニトロ化に対するＹ字形の微小毛管反応器の使用は、特にG. Dummanら著、Catalysis Today 79-80 (2003年) 433-439（非特許文献１）にも記載されている。

特許文献５によれば、連続的プロセスの実施のために微小毛管反応器はプレートまたはプレート積層体の形態で使用することもでき、それらの表面上に微小な機能空間もしくはチャネルが有り、それらの中で液相が重力および／または毛管力によって少なくとも１つの連続的な毛管糸状に流れる。この装置を用いて、化学反応および物理的プロセスを実施することができ、生成する液体または気体状の成分および反応生成物は液相からコントロールされた連続的な方法で除去することができる。

マイクロリアクター技術はまだ非常に新しいにもかかわらず、すでに分析用途に限らず、同様に商業上の合成方法にも適していることが認識されている（O.Worzら著、Chemical Engineering Science 56 (2001年) 1029-1033（非特許文献２）も参照）。この点に関連しては、前記マイクロリアクター内で非常に大きい表面積／体積比を調整できることが長所であり、その結果、自体非常に速くかつ非常に発熱性の反応を本質的に等温条件下に実施することができる。

それでもなお、マイクロリアクター、特に微小毛管反応器における改良は、それらの適用ポテンシャルをさらに拡張し、かつより良く利用できるようにするためにも望ましいことであろう。
国際公開第０１／６４３３２号Ａ１明細書 米国特許第５，９２１，６７８号明細書 国際公開第９７／３９８１４号明細書 国際公開第９９／２２８５８号明細書 欧州特許第１３２９２５８号Ａ２明細書 G. Dummanら著、Catalysis Today 79-80 (2003年) 433-439 O.Worzら著、Chemical Engineering Science 56 (2001年) 1029-1033

従って、本発明の基礎におく課題は、分析および合成の観点においてより幅広い適用を可能にし、かつそれに加えて液／液／気状系のコントロールされた混合および反応をも非常に効率的な方法で可能にする、先行技術の欠点をもたない微小毛管反応器を提供することである。

さらに、本発明の基礎におく課題は、多相反応、たとえば触媒制御された多相反応を効率的に実施できる液／液／気状系のコントロールされた混合方法を使用可能にすることである。

これに対応して、第１の混合器に対して下流側に、第１の毛管輸送管の中へ流入する気体状の第３の流体用の、少なくとも１本の、特に毛管状の第３の給送管を含む、少なくとも１つの第２の静的混合器を特徴とする微小毛管反応器が見い出された。この場合、同様に第１、第２および／または第３の給送管用の、および／または第１の輸送管から、もしくはその中に延長管を設けてもよい。

一実施形態において、第１および／または第２の混合器は、それぞれ第１、第２もしくは第３の給送管ならびに第１の輸送管が穿孔を利用して挿入された、たとえば合成樹脂材製または金属製の単一の材料ブロックとすることができる。もちろん、この静的混合器は、成形された合成樹脂または金属鋳造部材であってもよい。さらに、もう１つの実施形態において、第１および第２の静的混合器は、単一の材料ブロック内か、または直接並べて設置もしくは連結されることも可能である。もちろん、第１および第２の混合器は空間的に分離して設置してもよく、かつ第１の輸送管は、必要であれば延長管の中間接続により両方の混合器を接続することができる。この静的混合器の中へ流体を供給するために、第１、第２もしくは第３の給送管に密閉接続された適当な第１、第２および第３の延長管を利用してもよい。さらに、第１の輸送管は、同様に第２の混合器からの流出後に第４の延長管に接続されていてもよい。また、第１の混合器から導出される第１の輸送管と、第２の混合器内に挿入される第１の輸送管との間に第５の延長管が中間接続されていてもよい。また、この第４および第５の延長管の内径が本質的に第１の輸送管の内径と一致する場合に有利である。

本発明に係る微小毛管反応器の第１の混合器は、国際公開第０１／６４３３２号Ａ１明細書に記載された静的混合器の機能原理に基づく。従って、互いに混合できない液体は、均一に混合できない流体ブロックが交互に、密着する流体の流れを維持もしくは形成しながら生成されるように、第１および第２の毛管状の給送管内で共通の輸送管の中に移送される。これに対して「交互プラグ−フロー系」の用語も用いられる。

第２の混合器を用いて、気体状の第３の流体を第１または第２の流体のみのプラグの中へ供給することができる。次に、この流体ブロックの中には一般的にそれぞれ気泡がある。好ましくは、この気泡は、隣接する混合できない流体ブロックの相界面間の流体ブロックの内部で振動する。

特に有利な一実施形態において、少なくとも第１の輸送管の内壁および／または少なくとも第１、第２および／または第３の給送管、および／または第１、第２および／または第３の給送管用の延長管および／または第１の輸送管の内壁が少なくとも領域ごとに第１または第２の流体に対してより大きい親和性を有する極性を具備していることを考慮している。驚くべきことに、少なくとも第１の輸送管の内壁の極性が、使用される混合できない流体の極性に適合されるとき、気体状の第３の流体が特にコントロールされ選択的に輸送管の内壁と同一または類似の極性を有する流体ブロック／プラグの中に取り込まれることが判明した。この方法により、どの流体ブロックもしくはセグメントの中へ気体状の流体を運び入れるべきかを第１の輸送管の材料の選別を通して制御することができる。驚くべきことに、それに加えて、少なくとも第１の輸送管および／または第４の延長管の第２の混合器に接続される部分の内壁が少なくとも領域ごとに、たとえばテフロン（登録商標）のような合成樹脂を基材とする、または該合成樹脂からなる、第１および第２の流体に対してより大きい親和性を有する極性を具備している場合も、本発明に係る結果である、単一の極性の流体ブロックの中で気相のコントロールされた選択的供給がすでに達成されていることが判明した。

第１の輸送管の内壁が一部または全部、たとえば第２の混合器に接続される部分で、少なくとも領域ごとに非極性に施されているような、本発明に係る微小毛管反応器が特に好ましいことが実証されている。本発明の意味における非極性もしくは非極性表面とは、試液としての水を用いてたとえば座滴法によって決定された≧９０°の接触角度を有するものと解されるべきである。好ましい非極性表面は接触角度＞９０°である。

ここで、少なくとも第１の輸送管、特にその内壁が少なくとも部分ごとに好ましくは非極性合成樹脂、特にテフロン（登録商標）を含むことを特に考慮することができる。

基本的に、流体成分と反応しない、かつ／または該流体成分によって溶解もしくは溶融されないようなポリマー材料を使用することができる。ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ；テフロン（登録商標））のほかに、ポリオレフィン材料、たとえばポリエチレンまたはポリプロピレン、ポリアミド、ポリオキシアルキレン、たとえばＰＯＭ、ポリスチレン、スチレンコ−ポリマー、たとえばＡＢＳ、ＡＳＡまたはＳＡＮ、ポリフェニレンエーテルまたはポリエステル、たとえばＰＥＴまたはＰＢＴも考えられる。テフロン（登録商標）のような非極性ポリマー材料により、難なく第３の流体としての水素を、本発明に係る微小毛管反応器の第２の静的混合器を介して有機非極性流体の中に取り込むことができる。

本発明に係る微小毛管反応器の特別の長所は、とりわけ好ましくは第１または第２の流体の極性と第１の輸送管の内壁の極性が一致するとき、気体状の流体が連続供給された場合でもコントロールされて再現可能に第１または第２の流体のみの流体プラグの中へのみ到達することにある。気体状の第３の流体が、たとえば水素、酸素または一酸化炭素のような反応気体または水素／一酸化炭素混合気である場合、これを選択的に同様に溶離成分が溶解されて存在しうる非極性有機溶剤プラグの中へ取り込むことができる。一般的に反応は、たとえば水相の中に均一に溶解された水素添加触媒が存在するとき、液／液系の相界面に沿って実施される。

もちろん、同様に、第１の輸送管、特にその内壁が少なくとも部分ごとに金属および／またはガラスを含むことも可能である。

本発明により、別法の一実施形態において同様に第１の輸送管が第３の給送管の前および特に後で恒温状態に制御可能であることを考慮することができる。本発明の意味における第１の輸送管は、１種の流体成分だけではなく、少なくとも２相混合物および第３の流体成分の取り込み後３相混合物が輸送されるような管と解されるべきである。第２の静的混合器内での第３の流体成分の添加後、この第１の輸送管もしくは前記輸送管の延長管の中で化学反応が流動性の流体セグメントの相界面で実施される。特に、第２の混合器内での第３の給送管の流入後の、第１の輸送管もしくは前記第１の輸送管に接続される延長管の全長により、流速に応じて反応時間を制御することができる。

この場合、たとえば第２の混合器の第３の給送管の流入部の下流から始まる第１の輸送管の部分の長さは、延長管有りまたは無しで、０．１〜５０ｍの範囲にあることを考慮することができる。

交互に変わる流体セグメントの生成および維持のために、第１、第２および／または第３の給送管、および／または第１の輸送管および／または少なくとも１本の延長管が、少なくとも部分ごとに１０００μｍを超えない直径、特に５０〜１０００μｍの範囲で有することが特に有利である。好適な断面の大きさは、たとえば４００、５００または７５０μｍの範囲にある。１０００μｍ未満の小さいチャネル径を有する毛管内の流れは、一般に従来の管型反応器において通常の流れ特性から区別される。通常、この毛管内の流れは層流として存在する。基本的に、好ましくは管の全長にわたり層流を維持できるような管が好適である。本発明に係る反応器の管内の前記層流に対して好適な流速は約６〜１５０００μｌ／ｍｉｎの範囲にある。

交互に変わる流体セグメントの生成は、第１の混合器の第１および第２の給送管がそれらの各流入領域で本質的に反対方向に向けられていることによっても促進される。正面から会合する流動性の第１および第２の流体は、上述のように、セグメント状に第１および第２の給送管に対して垂直に延伸する第１の輸送管の中で移送される。

別法として、第１および第２の給送管がその流入部分で本質的に直角に会合することを考慮することができる。

さらに、第１および第２の給送管がそれらの流入部分で９０°から１８０°の間の角度でまたは０から９０°の角度で会合することも可能である。たとえば、第１および第２の給送管ならびに第１の輸送管がＹ字形に形成されていてもよい。

給送管および導出管の前記配列は同様に第２の静的混合器内でも実現することができる。たとえば、好ましい一実施形態は、第３の給送管および第２の混合器の中に有る第１の輸送管を、反対方向に約１８０°の角度で突き合わせることも考慮している。さらに、第２の混合器の第３の給送管がその流入領域で本質的に垂直にまたは０から９０°の間の角度でまたは９０から１８０°の間の角度で第１の輸送管の中に流入することも可能である。一般的に、第２の混合器の管をＴ−部片もしくはＹ−部片として構成することで充分であることが実証されている。特に好ましくは、第３の給送管の流入部分は第１の輸送管の交互に変わる２相混合物を近づける部分と本質的に直角をなす。好ましくは、第１の輸送管は第３の給送管の流入部分との接続領域でその方向を、特に約９０°だけ変え、その結果、第１の輸送管が前記接続領域の下流の部分で、少なくとも第３の管の流入部分と約１８０°の角度を形成する。

特に好ましくは、第１および／または第２の混合器はそれぞれＴ−混合器である。

本発明に係る微小毛管反応器は、分析用途または生成物スクリーニングに使用できるだけでなく、それに加えて化学製品、特に高価値のファインケミカル薬品の商業的製造に適している。その際に、第１の輸送管が少なくとも１つの生成物収容容器の中に流入することを考慮できる。生成物量の増大のために、もちろん複数の本発明に係る微小毛管反応器を互いに平行に運転することもできる。たとえば、微小毛管反応器の第１の混合器が単一の材料ブロック内に有るとき、この単一の材料ブロック内に第１の混合器だけでなく、同時に２またはそれ以上の前記のような第１の混合器を挿入することによって、本発明に係る多重微小毛管反応器複合体を得ることができる。同様の方法で、同一または別の単一材料ブロックの中に多数の並列する第２の静的混合器を、たとえば穿孔によって挿入することもできる。各第２の混合器の出口に、独立の第４の延長管および／または第１の輸送管の独立の部分が接続される。多重微小毛管反応器複合体の中に全ての個別反応器を、たとえば圧力、温度または流速に関して同一の条件下に運転することができる。別法として、各反応器に対して個別的条件を調整することができる。本発明に係る多重微小毛管反応器の最後に挙げた実施形態は、たとえば、ある特別の化学反応に対して、たとえば様々な反応条件および／または触媒の非常に効率的で速いスクリーニングを可能にする。それに応じて、本発明に係る多重微小毛管反応器はコンビナトリケミカルにおける使用に適している。

もう１つの態様に従って、本発明の基礎におく課題は、少なくとも１種の気体状の流体と少なくとも２種の本質的に均一に混合できない流動性の流体のコントロールされた混合方法により、第１の流動性の流体が第１の静的混合器の少なくとも１本の第１の給送管を介して、かつ第２の流動性の流体が第１の静的混合器の少なくとも１本の第２の給送管を介して、少なくとも１本の第１の輸送管の出発点である領域に集まり、その際に第１および第２の流体がそれぞれ層流条件下に輸送され、かつ順次交互に続く不連続の流動性の相部分（プラグ）の形態で第１の輸送管の中で移送されるように、第１および第２の毛管状の給送管および輸送管が寸法指定されており、気体状の第３の流体が第２の静的混合器の第３の、特に毛管状の給送管を介して、第１の混合器に対して下流側に第１の輸送管の中へ供給されることによって解決される。

本発明に係る方法は、特に還元可能の有機化合物の触媒水素添加、有機化合物の触媒酸化、液／液／気多相系におけるハイドロフォーミング反応およびカルボニル化反応に適している。そのために、好ましくは水溶性触媒が使用される。

本発明に係る水素添加反応に対し、溶離物として、たとえばモノ−またはジオレフィンのようなオレフィン、およびα、β−不飽和アルデヒドが考慮される。この水素添加に対して好適な水溶性触媒錯体は当業者に以前から知られている。前記反応において、たとえば１〜２００ｂａｒの範囲の水素圧力で処理することができる。オレフィン、たとえば１−オクテンのような１−アルケンのハイドロフォーミングを介してアルデヒドを得ることができる。好適な触媒は同様に当業者に知られている。例として、１つの触媒系は、ビフェホスリガンドでキレート化されたロジウム錯体を基材とすることを挙げておく。この種の触媒は、たとえば溶剤としての炭酸プロピレン中の［Ｒｈ（ａｃａｃ）（ＣＯ）₂］およびビフェホスリガンドから得ることができる。ハイドロフォーミング反応に使用される水素／一酸化炭素混合気は、「合成ガス」の用語でも知られている。さらに、本発明に係る微小毛管反応器において、たとえばレッペ−カルボニル化の意味において、一酸化炭素の存在下にアルケンおよびアルキンのカルボニル化反応を実施することができる。

本発明は、気体状の生成物がコントロールされてすでに互いに混合された液／液系の中に取り込むことができる驚くべき発見に認識が基づいている。ここで、毛管材料の標定した選択によって気体状の溶離物成分を標定した方法で第１または第２の流動性の相の中へ取り込むことができることが特に長所である。たとえば、この方法により水素を用いる触媒の化学的選択によるα、β−不飽和アルデヒドの水素添加が非常に高い化学的選択性と驚くべき良好な転換（歩留まり）とによって実施することができる。たとえば、長さ３〜１２ｍの第１の輸送管により調整できる約２〜３分のみの反応時間であっても、すでに１０％以上の転換率がある。反応器群もしくは多重微小毛管反応器設備に本発明に係る微小毛管反応器を複数まとめることによって、とりわけ、特に連続運転において、たとえば高価値のファインケミカル薬品の商業的製造を可能にする生成物量を得ることができる。ここで同様に、安全技術的措置を最小限に減らすことができ、同様に発熱反応の場合にコストのかかる冷却システムを省くことができることが有利に影響する。

さらに、本発明に係る微小毛管反応器により３相混合物（液／液／気）の一定の流動特性をコントロールされた方法で再現可能に生成することができる。

さらに、個々のプラグの長さならびに各相間の比交換面積を高精度で調整することに成功する。平均のプラグ長は０．１〜３ｍｍの範囲にある。とりわけ毛管径によっても付与されている流速ならびに滴下−もしくはプラグの大きさを正確にコントロールできるので、本発明に係る微小毛管反応器は、反応速度と選択性への物質輸送の影響を正確に調査およびモデリングできるようにする卓越した装置を提供する。

本発明のその他の長所、特徴および適用可能性は、添付の図面に関連して以下の好ましい一実施例の説明から明らかである。

図１から、直列に配置された第１の混合器２および第２の混合器４を含む本発明に係る微小毛管反応器１の一実施形態が読み取れる。第１の混合器２は、互いに１８０°の角度で伸長し、かつ両者が第１の輸送管１０の中に流入もしくは結合する第１の給送管６および第２の給送管８を含む。管６、８および１０の内径は、図示した実施形態において約０．７５ｍｍである。第１の輸送管１０は、同様に第２の混合器４の構成要素であり、かつ本質的にこの第２の混合器の第１の給送管である。第２の混合器４の中で第３の給送管１２を介して気体状の成分が第１の輸送管１０の中へ取り込まれる。図示した実施形態において、第３の給送管と、第２の混合器４の中に有る第１の輸送管１０との間の角度は１８０°になり、その結果、気体状の成分は正面から液／液体積流に会合する。第１の輸送管１０は、次に第２の混合器４の中で直角に通される。一実施形態において、第１、第２および第３の給送管は、第１、第２および第３の延長管１４、１６もしくは１８と接続することができる。この種の実施態様において、たとえば第１、第２および第３の給送管はそれぞれ本質的に第１もしくは第２の混合器の中に有り、かつ好適な結合部片３０ａ、ｂおよび３２ｃを介して延長管と接続されている。もちろん、第１および第２の混合器２および４の間に有る第１の輸送管１０の部分の中へ結合部片３０ｃおよび３２ａを介して第４の延長管２０を挿入することもできる。第１の輸送管１０の延長管２０として、第２の混合器に接続される部分も考慮される。

図２に、本発明に係る微小毛管反応器１の別法による概略図が図示されている。両方のＴ字形の第１および第２の混合器２および４が本質的に鏡像対称に配置されている。第１の混合器の構成および流路は、図１記載の第１の混合器と同一である。さらに、第２の混合器４の中で第１の輸送管１０の配置は、図１記載の第２の混合器４と一致する。しかし、第２の混合器４の中で、気体状の第３の流体用の第３の給送管１８の流入部分は第２の混合器４の中へ流入する第１の輸送管１０に垂直に通される。気体状の流体成分のこのような供給方式は多くの場合で有利である。

図３は、第２の混合器４の中で第３の給送管１２を介して気体状の成分が取り込まれた後の、第１の輸送管１０の部分の縦断面図を示す。図２から、第１の輸送管１０の中で水相もしくは有機相の流体ブロックもしくはプラグ３４および３６が交互に現れることが読み取れる。個々のプラグは流速に応じて０．７５ｍｍの毛管径で約１．３ｍｍの長さを有する。このような流れパターンの発生は、すでに国際公開第０１／６４３３２号Ａ１明細書に記載されている。水素が第２の混合器４の中で連続的に第１の輸送管１０の２相体積流の中へ取り込まれるにもかかわらず、本発明に係る装置によって、気体状の相３８を、たとえば２つの連続する水相ブロック間で小さい気泡の大きさをもつ有機相ブロックの中に配置もしくは入れることができる。これは、特に少なくとも第２の混合器４の中で伸長する第１の輸送管１０の部分の内壁が水相よりも有機相に対してより大きい親和性を有することによって達成される。次いで、気体状の相の混加後に第１の輸送管１０の中に存在する３相混合物の中で、難なく相界面で所望の化学反応を進行させることができる。

図４は、模式図により本発明に係る微小毛管反応器設備１００の構造を示す。この設備の核心部は、第１の輸送管１０を介して互いに接続された第１の混合器２および第２の混合器４を含む本発明に係る微小毛管反応器１である。第１の延長管１４を介して、ＨＰＬＣ−ポンプ２２を用いて、溶解された形態で溶離物を含有する流動性の有機相が、貯蔵容器４２から第１の混合器２の第１の給送管６の中へ取り込まれる。同じ方法で、たとえば均一に溶解された触媒を含有する水相が貯蔵容器２４から延長管１６を介して第１の混合器２の第２の給送管８の中へプランジャ−もしくは噴射ポンプを利用して供給される。上記の図１について説明したように、混合できない有機および水性の相のコントロールされた混合が実施され、交互に変わるプラグ−フロー系が形成される。第３の給送管１２を介して気体状の成分が第２の混合器４の中で第１の輸送管１０の中へ供給される。これは、たとえば水素貯蔵容器４４からの純水素またはＨ₂／Ａｒ−混合気とすることができる。アルゴンは独立の貯蔵容器４６を介して混合ステーション４８によって混加される。一般的に、アルゴンは、水素による圧力付勢前に繰り返しアルゴンの気体吹付けを実施することによって、第１および第２の流体から酸素を除去するために用いられる。第１の輸送管１０は、第２の混合器４から導出され、続いて図示するようにヒータ４０を利用して一定の温度に保持できる長い区間にわたって伸長させることができる。第１の輸送管１０の分岐を介して多相混合物が好ましくは抜取検査式に、たとえば気体クロマトグラフィーの形態で試料分析２６に供給される。第１の輸送管は生成物収集容器２８に流入する。次に、得られた反応混合物を処理し、かつ所望の反応生成物を単離することができる。管５２を介して、生成物収集容器の中で、本質的に輸送管内の圧力に相当する圧力が調整される。

以下、本発明に係る微小毛管反応器の使用を、例としてα、β−不飽和アルデヒド シトラールおよびプレナールの化学選択的水素添加を利用して詳細に説明する。

そのために、本質的に図４に示したような微小毛管反応器設備を使用した。第１および第２の混合器としてヴァルコ社のＴ−部片を使用した。第１の輸送管１０は内径７５０μｍのＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）−毛管である。有機相は等しい内径をもつ第１の給送管を介してＨＰＬＣ−ポンプＧｙｎｋｏｔｅｋ Ｍ４８０を利用して流速２５０μｌ／ｍｉｎ（分）で給送され、他方、水相の配量は第１の混合器の第２の給送管を介して給送量６００μｌ／ｍｉｎ未満のプランジャポンプを介して実施した。第１の混合器を通過した後、第１の輸送管の中で混合されて存在する２流動相を、第２の混合器の中でヴァルコ社のＴ−部片の形態で水素と接触させた。連続的な水素流は、従来の質量流量調整器（ＭＦＣ）を介して制御し、水素分圧を２．０ＭＰａに調整した。第２の混合器に接続される第１の輸送管の部分は、水加熱装置を利用して一定に６０℃に制御した。有機溶剤としてｎ−ヘキサンもしくはトルエンを使用した。水素添加触媒としてＲｕ（ＩＩ）−ＴＰＰＴＳ−錯体を使用した（ＴＰＰＴＳ：トリフェニルホスヒントリスルフォネート）。この水素添加触媒は、ＲｕＣｌ₃とＴＰＰＴＳから水素（Ｐ_H2＝２．０ＭＰａ）の存在下に温度５０℃および１時間の反応時間で製造した（Ｃ_RU＝０．００５、Ｃ_TPPTS＝０．０５Ｍ）。この水素添加触媒の製造時に緩衝液を用いてｐＨ値７．０を確保した。プレナール（３−メチルクロトンアルデヒド）は０．５Ｍ溶液としてｎ−ヘキサン中に、かつシトラールは０．２５Ｍ溶液としてトルエン中に使用した。これらの溶液をその使用前に、混合物中に溶解された酸素成分を最小限にするため、微小毛管反応器中で約１５分間超音波槽内でガス分を除去した。

触媒相の体積流の０．１９ｍｌ／ｍｉｎから０．５１ｍｌ／ｍｉｎへの上昇時、６０％の反応速度の増大が確認された（０．１５から０．２４×１０^-2ｍｏｌ／Ｌ^-1ｍｉｎ^-1）。さらに顕著な効果は、毛管の内径の１０００から５００μｍへ縮小した場合で観察された（０．１０から０．２５×１０^-2ｍｏｌ／Ｌ^-1ｍｉｎ^-1への反応速度の上昇）。流速の上昇は、一般的にレイノルズ数と共に物質通過率の増大をもたらす。液／液相界面での物質移動が反応動力学をコントロールするものと想定する。低い表面エネルギーをもつ表面物質、たとえばテフロン（登録商標）に対する有機相のより高い親和性の結果、流れ方向と反対の摩擦力が有機プラグの周辺領域に予想される。小さくなる毛管の内径と共に比較的強く顕著になるこの剪断力の帰結としてプラグ内部に内部循環が生じる。毛管径の縮小と共に増大する反応速度が調整されるので、内部循環が物質輸送に同時に影響もしくは加速することが予想される。

上記明細書および図面ならびに請求項に開示された本発明の特徴は、個別的にもそれぞれ任意の組合せでもその様々な実施形態において本発明の実現に対して本質的とすることができる。

本発明に係る微小毛管反応器の概略図である。 本発明に係る微小毛管反応器の別法の概略図である。 本発明に係る微小毛管反応器の輸送管の模式縦断面図である。 本発明に係る微小毛管反応器設備の流れ図である。

符号の説明

１ 微小毛管反応器
２ 第１の混合器
４ 第２の混合器
６ 第１の給送管
８ 第２の給送管
１０ 輸送管
１２ 第３の給送管
１４ 第１の延長管
１６ 第２の延長管
１８ 第３の延長管
２０ 第４の延長管
２２ ＨＰＬＣ−ポンプ
２４ 水相用貯蔵容器
２６ 試料分析
２８ 生成物収集容器
３０ａ、ｂ、ｃ 結合部片
３２ａ、ｂ、ｃ 結合部片
３４ 水性流体ブロック
３６ 有機流体ブロック
３８ 気体状の相
４０ ヒータ
４２ 溶離物貯蔵容器
４４ 水素貯蔵容器
４６ Ａｒ−貯蔵容器
４８ 混合ステーション
５０ プランジャポンプ
５２ 分岐管
１００ 微小毛管反応器設備

Claims (34)

1. 少なくとも１つの第１の静的混合器（２）を含む微小毛管反応器（１）であって、
   第１の流動性の流体用の少なくとも１本の第１の毛管状の給送管（６）と、第１の流体と本質的に均一に混合できない第２の流動性の流体用の少なくとも１本の毛管状の給送管（１８）とを含み、少なくとも第１および第２の毛管状の給送管（６、８）が少なくとも１本の第１の輸送管（１０）の出発点である領域に流れ込み、少なくとも第１および第２の流体がそれぞれ層流条件下に輸送可能であり、かつ順次交互に続く不連続な流動性の相部分（プラグ）の形態で移送可能であるように、少なくとも第１および第２の毛管状の給送管（６、８）が寸法指定された、微小毛管反応器（１）であって、
   第１の混合器（２）に対して下流側に第１の毛管状の輸送管（１０）の中へ流入する気体状の第３の流体用の、少なくとも１本の、特に毛管状の、第３の給送管（１２）を含む、少なくとも１つの第２の静的混合器（４）を特徴とする微小毛管反応器。
2. 第１、第２および／または第３の給送管（６、８、１２）用の、および／または第１の輸送管（１０）からの延長管（１４、１６、１８、２０）を特徴とする、請求項１に記載の微小毛管反応器（１）。
3. 少なくとも第１の輸送管（１０）の内壁および／または少なくとも第１、第２および／または第３の給送管（６、８、１２）および／または第１、第２および／または第３の給送管用の延長管（１４、１６、１８）および／または第１の輸送管（１０）の延長管（２０）の内壁が少なくとも領域ごとに第１または第２の流体に対してより大きい親和性を有する極性を具備していることを特徴とする、請求項１または２に記載の微小毛管反応器（１）。
4. 少なくとも第１の輸送管（１０）の内壁が、特に第２の混合器（４）で下流側に接続される部分で、少なくとも領域ごとに非極性であることを特徴とする、請求項３に記載の微小毛管反応器（１）。
5. 少なくとも第１の輸送管（１０）、特にその内壁が少なくとも部分ごとに好ましくは非極性合成樹脂、特にテフロン（登録商標）を含むことを特徴とする、請求項３または４に記載の微小毛管反応器（１）。
6. 第１の輸送管（１０）、特にその内壁が少なくとも部分ごとに金属および／またはガラスを含むことを特徴とする、請求項３に記載の微小毛管反応器（１）。
7. 第１の輸送管（１０）が第３の給送管（１２）の流入部の上流および／または下流で恒温制御可能であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の微小毛管反応器（１）。
8. 第１、第２および／または第３の給送管（６、８、１２）および／または第１の輸送管（１０）および／または少なくとも１本の延長管（１４、１６、１８、２０）が少なくとも部分ごとに１０００μｍを超えない直径を有することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の微小毛管反応器（１）。
9. 第２の混合器（４）の第３の給送管（１２）の流入部の下流から始まる第１の輸送管（１０）の部分の長さが、延長管有りまたは無しで、０．１〜５０ｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の微小毛管反応器（１）。
10. 第１の混合器（２）の第１および第２の給送管（６、８）がそれらの各流入領域で本質的に反対方向に向けられていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の微小毛管反応器（１）。
11. 第１および第２の給送管（６、８）がそれらの各流入部分で本質的に直角に会合することを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の微小毛管反応器（１）。
12. 第１および第２の給送管（６、８）がそれらの各流入部分で９０から１８０°の間の角度でまたは０から９０°の間の角度で会合することを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の微小毛管反応器（１）。
13. 第２の混合器（４）の第３の給送管（１２）および第１の輸送管（１０）、特にその第３の給送管（１２）の流入部に対して下流側に伸長する部分が反対方向に約１８０°の角度で突き合わせることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載の微小毛管反応器（１）。
14. 第２の混合器（４）の第３の給送管（１２）がその流入部分で本質的に垂直にまたは０から９０°の間の角度でまたは９０から１８０°の間の角度で第１および第２の流体を近づける第１の輸送管（１０）の部分に流入することを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載の微小毛管反応器（１）。
15. 第１および／または第２の混合器（２、４）がＴ−混合器またはＹ−混合器であることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載の微小毛管反応器（１）。
16. 第１の輸送管（１０）が少なくとも１つの生成物収容容器（２８）の中へ流入することを特徴とする、請求項１から１５のいずれか一項に記載の微小毛管反応器（１）。
17. 少なくとも２つの、請求項１から１６のいずれか一項に記載の微小毛管反応器を含む多重微小毛管反応器。
18. 少なくとも２種の本質的に均一に混合できない流動性の流体と、少なくとも１種の気体状の流体のコントロールされた混合方法において、第１の流動性の流体が第１の静的混合器の少なくとも１本の第１の給送管を介して、かつ第２の流動性の流体が第１の静的混合器の少なくとも１本の第２の給送管を介して、少なくとも１本の第１の輸送管の出発点である領域に集まり、その際に第１および第２の流体がそれぞれ層流条件下に輸送され、かつ順次交互に続く不連続の流動性の相部分（プラグ）の形態で第１の輸送管の中で転送されるように、第１および第２の毛管状の給送管および輸送管が寸法指定されている方法であって、
    気体状の第３の流体が、第２の静的混合器の第３の、特に毛管状の給送管を介して、第１の混合器に対して下流側の第１の輸送管の中へ供給されることを特徴とする方法。
19. その中で請求項１から１６のいずれか一項に記載の少なくとも１つの微小毛管反応器または請求項１７に記載の多重微小毛管反応器が使用されることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
20. 少なくとも第１の輸送管の内壁および／または少なくとも第１、第２および／または第３の給送管の内壁が、少なくとも領域ごとに第１または第２の流体に対してより大きい親和性を有する極性を具備していることを特徴とする、請求項１８または１９に記載の方法。
21. 少なくとも第１の輸送管、特にその内壁が、特に第２の混合器に下流側で接続される部分で、少なくとも部分ごとに合成樹脂、特にテフロン（登録商標）を含むことを特徴とする、請求項１８から２０のいずれか一項に記載の方法。
22. 第１の流体が有機相を、かつ第２の流体が水相を含むことを特徴とする、請求項１８から２１のいずれか一項に記載の方法。
23. 第１、第２および／または第３の給送管および／または第１の輸送管および／または少なくとも１本の延長管が少なくとも部分ごとに１０００μｍを超えない直径を有することを特徴とする、請求項１８から２２のいずれか一項に記載の方法。
24. 第２の混合器の第３の給送管の流入部の下流から始まる第１の輸送管の部分の長さが、延長管有りまたは無しで、０．１から５０ｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１８から２３のいずれか一項に記載の方法。
25. 第１の混合器の第１および第２の給送管が本質的にそれらの各流入部分で反対方向に向けられていることを特徴とする、請求項１８から２４のいずれか一項に記載の方法。
26. 第１および第２の給送管がそれらの流入部分で本質的に直角に会合することを特徴とする、請求項１８から２４のいずれか一項に記載の方法。
27. 第１および第２の給送管がそれらの流入部分で９０から１８０°の間の角度でまたは０から９０°の間の角度で会合することを特徴とする、請求項１８から２４のいずれか一項に記載の方法。
28. 第２の混合器の第３の給送管がその流入部分で本質的に垂直にまたは０から９０°の間の角度でまたは９０から１８０°の間の角度で第１および第２の流体を近づける第１の輸送管の部分に流入することを特徴とする、請求項１８から２４のいずれか一項に記載の方法。
29. 第１および／または第２の混合器がＴ−混合器またはＹ−混合器であることを特徴とする、請求項１８から２４のいずれか一項に記載の方法。
30. 気体状の第３の流体が、水素、酸素、一酸化炭素または水素／一酸化炭素混合気を含むことを特徴とする、請求項１８から２９のいずれか一項に記載の方法。
31. 第１もしくは第２の給送管内の第１および第２の流体および／または第１の輸送管内の多相混合物の流速が６〜１５０００μｌ／ｍｉｎの範囲にあることを特徴とする、請求項１８から３０のいずれか一項に記載の方法。
32. 水相および／または有機相のプラグが０．１〜３ｍｍの範囲の長さを有することを特徴とする、請求項１８から３１のいずれか一項に記載の方法。
33. 第１の流体が少なくとも１種の有機性であってかつ水素によって還元可能の溶離物を溶解することにより含む有機相、特にα、β−不飽和アルデヒドを、第２の流体が均一に溶解された水素添加触媒を含む水相を、かつ気体状の第３の流体が水素を含み、または第１の流体が少なくとも１種のオレフィンを溶解することにより含む有機相を、第２の流体が均一に溶解されたハイドロフォーミング触媒を含む水相を、かつ気体状の第３の流体が水素／一酸化炭素混合気を含み、または第１の流体が少なくとも１種の有機性であってかつ酸素によって酸化可能の溶離物を溶解することにより含む有機相を、第２の流体が均一に溶解された酸化触媒を含む水相を、かつ気体状の第３の流体が酸素を含み、または第１の流体が少なくとも１種の有機性であってかつ一酸化炭素によってカルボニル化可能の溶離物を溶解することにより含む有機相を、第２の流体が均一に溶解されたカルボニル化触媒を含む水相を、かつ気体状の第３の流体が一酸化炭素を含むことを特徴とする、請求項１８から３２のいずれか一項に記載の方法。
34. 液／液／気多相系における触媒水素添加、ハイドロフォーミング、酸化またはカルボニル化に対する請求項１から１６のいずれか一項に記載の微小毛管反応器、または請求項１７に記載の多重微小毛管反応器の使用。

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