JP2010234302A - 反応器の合流流路 - Google Patents

Abstract

【課題】バッファ部における反応時間の低減および各分岐流路での反応時間の均一化を図り、生成物の反応
収率を向上させる。
【解決手段】第１の入口流路と複数の第１の分岐流路を備え、前記第１の入口流路から流入した第１の流体を分配して前記複数の第１の分岐流路に供給する第１のバッファ部と、第２の入口流路と複数の第２の分岐流路を備え、前記第２の入口流路から流入した第２の流体を分配して前記複数の第２の分岐流路に供給する第２のバッファ部と、第１の分岐流路に供給された第１の流体と、前記第２の分岐流路に供給された第２の流体を混合して反応させる反応流路とを少なくともそれぞれ備え、少なくとも、前記第１の入口流路は、第１の流体に旋回運動を与えるように第１のバッファ部の中心軸に対してオフセットして配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、化学合成あるいは化学分析などの分野において液体または気体を流路内で混合して反応させる反応器に関する。

近年、化学合成あるいは化学分析の分野において、マイクロ加工（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical System）技術を用いて製作された断面寸法が数十〜数百μｍの流路から構成される反応器が使用されはじめている。この反応器は、マイクロミキサあるいはマイクロリアクタと呼ばれている。

マイクロリアクタは、互いに反応する２種類以上の物質を含む流体を導入し、微細流路内で互いに接触させて化学反応を生じさせる。マイクロリアクタは、流路の幅や高さが小さく、反応部の体積当たりの表面積が大きく、流路の容積が小さいため、物質の混合時間が短く、熱交換速度が速くなり、その結果、反応による副生成物が低減し、反応収率が高くなるという効果を奏する。

特許文献１には、異なる２種類の物質を含む２流体を、それぞれ複数に分割し、円周上に交互に流入させ、中心に向かって合流させることにより、２液間の距離（拡散距離）を低減させて高速混合を図ることのできるマイクロリアクタが示されている。

特許文献１に示すマイクロリアクタのように、それぞれの流体を複数に分割するためには、流体合流部上流の各分岐流路に均一流量で流体を流すためのバッファ部が必要となる。 図６は前記従来のマイクロリアクタを説明する図である。図６に示すように、反応する２種類の流体ａ、流体ｂはリアクタの入口流路１および入口流路２からバッファ部１８およびバッファ部１９に流入する。

図７は、図６に示すマイクロリアクタのＦ−Ｆ’断面を示す図である。図７に示すように、バッファ部１８はドーナツ状であり、入口流路１から流入した流体ａは円周方向に流れ、円周上に複数（図では４個）配置された分岐流路５に流入する。ここで、バッファ部１８は容積が大きいため、各分岐流路５に流入する流量は均一化される。バッファ部１９はリアクタの中心に位置するため円筒形状となる。

入口流路２からバッファ部１９に流入した流体ｂは、円周上に複数配置された分岐流路６に向かって放射上に流れる。バッファ部１９も容積が大きいため、各分岐流路６に流入する流量は均一化される。

図８は、図６に示すマイクロリアクタのＥ−Ｅ’断面を示す図である。分岐流路５および分岐流路６に流入した流体ａおよび流体ｂは、図８に示すように、それぞれ中心に向かって流れ、反応流路９で合流して混合しながら反応する。

ＷＯ９７／０００１２５

ここで、以下の式１〜３に示すような複数段の反応を上記マイクロリアクタ３台を用いて反応させる場合を考える。

Ａ ＋ Ｂ → Ｃ （式１）
Ｄ ＋ Ｅ → Ｆ （式２）
Ｃ ＋ Ｆ → Ｇ （式３）
式１および式２の反応の場合、反応は各リアクタの反応流路９で生じ、バッファ部１８、１９では反応しないため不都合は生じない。しかし、式３の反応の場合、３台目のリアクタには反応液ＣおよびＦが流入する。

式１または式２の反応時間を短時間にする必要がある場合においても、バッファ部１８、１９の容積が大きいため、反応時間が長くなる可能性がある。また、式１または式２の反応時間を正確に設定する必要がある場合においても、図７に示すように、バッファ部１８に流入した流体ａは、複数箇所に配置されたどの分岐流路５に流入するかによって反応時間（流路を通過する時間）が異なることになる。その結果、反応生成物Ｇの収率が低下する可能性が生じる。

また、式１に示す反応において、原料ＡまたはＢが分解性を有するものであれば、バッファ部での分解時間が増大する。また、バッファ部１８において、各分岐流路から反応流路９に合流したときの分解の程度が各流路で異なることになる。その結果、反応生成物Ｃの収率が低下する可能性がある。

本発明は上述したような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、バッファ部における反応時間の低減および各分岐流路での反応時間の均一化を図り、生成物の反応収率を向上させることのできる反応器を提供することにある。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

第１の入口流路と複数の第１の分岐流路を備え、前記第１の入口流路から流入した第１の流体を分配して前記複数の第１の分岐流路に供給する第１のバッファ部と、
第２の入口流路と複数の第２の分岐流路を備え、前記第２の入口流路から流入した第２の流体を分配して前記複数の第２の分岐流路に供給する第２のバッファ部と、
第１の分岐流路に供給された第１の流体と、前記第２の分岐流路に供給された第２の流体を混合して反応させる反応流路とを少なくともそれぞれ備え、
少なくとも、前記第１の入口流路は、第１の流体に旋回運動を与えるように第１のバッファ部の中心軸に対してオフセットして配置した。

本発明は、以上の構成を備えるため、バッファ部における反応時間の低減および各分岐流路での反応時間の均一化を図り、生成物の反応収率を向上させることができる。

本実施形態にかかる反応器を説明する図である。 図１に示す反応器のＡ−Ａ’断面およびＣ−Ｃ’断面の流路構造を説明する図である。 図１に示す反応器のＢ−Ｂ’断面の流路構造を説明する図である。 図１に示す反応器のＤ−Ｄ’断面の流路構造を説明する図である。 図１に示す反応器のＥ−Ｅ’断面の流路構造を説明する図である。 従来のマイクロリアクタを説明する図である。 図６に示す従来のマイクロリアクタのＦ−Ｆ’断面の流路構造を説明する図である。 図６に示す従来のマイクロリアクタのＥ−Ｅ’断面の流路構造を説明する図である。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態にかかる反応器を説明する図である。図１に示すように、反応器１００は、流体ａが流入する流入部構造体１４、流体ｂが流入する流入部構造体１５、合流構造体１６、および反応構造体１７を備える。

流入部構造体１４は、中心軸ｃと同軸に円筒状に形成したバッファ部３、バッファ部３の入口側に形成した流体ａの入口流路１、およびバッファ部３の出口側に放射状に複数本（図では４本）形成した分岐流路５１を備える。なお、図２に示すように入口流路１をバッファ部３の中心線ｃに対してオフセットして配置することにより、入口流路１を介して流入する流体ａに旋回流を発生させることができる。また、バッファ部の入口から出口までの距離は、バッファ部の水力等価直径の５倍以上とするのが望ましい。

流入部構造体１５は、中心軸ｃと同軸に円筒状に形成したバッファ部４、バッファ部４の入口側に形成した流体ｂの入口流路２、およびバッファ部４の出口側に放射状に複数本（図では４本）形成した分岐流路６１を備える。なお、図２に示すように入口流路２をバッファ部４の中心線ｃに対してオフセットして配置することにより、入口流路２を介して流入する流体ｂに旋回流を発生させることができる。また、流入部構造体１５は、前記流入部構造体１４に放射状に形成した流路５１を合流構造体１６に導く誘導流路５２を備える。

合流構造体１６は、円筒状の合流室（反応流路の一部）７０と、前記分岐流路６１に接続する誘導流路６２、円筒状の合流室７０と、前記分岐流路５１に接続する誘導流路５２、前記合流室から放射状に前記誘導流路５２まで形成した複数本（図では４本）の合流流路５３，および前記合流室から放射状に前記誘導流路６２まで形成した複数本（図では４本）の合流流路６３を備える。

反応構造体１７は、前記円筒状の合流室７０に接続する円筒状の反応流路を９を備える。

バッファ室、放射状に形成した分岐流路、誘導流路、合流流路、および反応流路は中心軸ｃに対して線対称に配置されている。また、バッファ部３への入口流路１はバッファ部３の軸方向に対して直角に設置され、さらに図２に示すように、バッファ部３の中心軸からオフセットされている。このため、入口流路１を介し流体ａを供給するとバッファ部３の内部には旋回流１０が発生する。

なお、以上の説明では入口流路１、２はバッファ室３の中心軸に対して垂直（θ＝９０度）に形成したが、バッファ室３の中心軸に対する入口流路１，２の設置角度θは９０度未満に設定することができる。これにより流動抵抗を小さくして圧力損失を低減することができる。

ここで、流入部構造体１４に形成した入口流路１を介してバッファ部３に流体ａを供給すると、バッファ部３において旋回流１０を発生する。これにより、バッファ部内部における流体ａの流れは流路断面内でより均一になる。このため、大容積のバッファ部を設けなくとも、より均一な滞留時間で均一の流量の流体を前記放射状に配置した複数の分岐流路５１に流入させることができる。

同様に、流入部構造体１５に形成した入口流路２を介してバッファ部４に流体ｂを供給すると、バッファ部４において旋回流１０を発生する。これにより、バッファ部内部における流体ｂの流れは流路断面内でより均一になる。このため、大容積のバッファ部を設けなくとも、より均一な滞留時間で均一の流量の流体を前記放射状に配置した複数の分岐流路６１に流入させることができる。

このように旋回流を発生させることにより、図３に示すように、バッファ部３に対して放射方向に複数本（図では４方向に）設置された分岐流路５１には、より均一の滞留時間で均一の流量の流体ａを流入させることができる。同様に、旋回流を発生させることにより、図４に示すように、バッファ部４に対して放射方向に複数本（図では４方向に）設置された分岐流路６１には、より均一の滞留時間で均一の流量の流体ｂを流入させることができる。

合流構造体１６においては、図５に示すように、分岐流路５３および分岐流路６３を介して流入した流体ａおよび流体ｂは、それぞれ中心に向かって流れ、反応構造体１７の反応流路９において合流する。合流した流体は、反応流路９で混合されながら反応する。

なお、反応流路９の内径は限定されないが、好ましくは１０ｍｍ未満である。また、流れは層流または乱流のいずれでもよい。また、反応流路の形状は限定されず、矩形、円形等の任意形状が可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、バッファ部における反応時間の低減および各分岐流路における反応時間（通過時間）の均一化をはかることができる。このため、副反応を抑制して高収率で生産性の高い反応器を提供することができる。

１，２ 入口流路
３，４ バッファ部
５、５１、５２，５３ 分岐流路
６、６１，６２，６３ 分岐流路
９ 反応流路
１０ 旋回流
１４，１５ 流入部構造体
１６ 合流構造体
１７ 反応構造体
７０ 合流室

Claims (4)

1. 第１の入口流路と複数の第１の分岐流路を備え、前記第１の入口流路から流入した第１の流体を分配して前記複数の第１の分岐流路に供給する第１のバッファ部と、
   第２の入口流路と複数の第２の分岐流路を備え、前記第２の入口流路から流入した第２の流体を分配して前記複数の第２の分岐流路に供給する第２のバッファ部と、
   第１の分岐流路に供給された第１の流体と、前記第２の分岐流路に供給された第２の流体を混合して反応させる反応流路とを少なくともそれぞれ備え、
   少なくとも、前記第１の入口流路は、第１の流体に旋回運動を与えるように第１のバッファ部の中心軸に対してオフセットして配置したことを特徴とする反応器の合流流路。
2. 請求項１記載の反応器の合流流路において、
   少なくとも、前記第１のバッファ部、第２のバッファ部は、反応流路の中心軸と同軸に配置され、前記第１および第２の分岐流路は前記中心軸に対して軸対象に配置したことを特徴とする反応器の合流流路。
3. 請求項１記載の反応器の合流流路において、
   バッファ部の入口から出口までの距離は、水力等価直径の５倍以上であることを特徴とする反応器の合流流路。
4. 請求項１記載の反応器の合流流路において、
   入口流路はバッファ部の中心軸に対して９０度未満の角度に設定したことを特徴とする反応器の合流流路。

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