JP2017213519A - Gas-liquid reaction device having micronanobubble generator and gas-liquid reaction method using the gas-liquid reaction device - Google Patents

Gas-liquid reaction device having micronanobubble generator and gas-liquid reaction method using the gas-liquid reaction device Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas-liquid reaction device and a gas-liquid reaction method using the gas-liquid reaction device capable of conducting a gas-liquid reaction in industrial large scale and effectively, and further conducting settlement, operation and maintenance of the device economically and effectively.SOLUTION: The gas-liquid reaction device and the gas-liquid reaction method using the gas-liquid reaction device has a micronanobubble generator in a reaction tank of the gas-liquid reaction device and generates micronanobubble of a reaction gas existing in a gas phase of the reaction tank to a reaction material-containing liquid existing in a liquid phase of the reaction tank by the micronanobubble generator for solving the above described problem. The above described problem is further solved by using a liquid flow method as the micronanobubble generator, supplying the reaction material-containing liquid existing in the liquid phase of the reaction tank with pressure and aspirating the reaction gas from the reaction tank with a negative pressure aspiration.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、反応物質を含有する液体と、反応気体を含有する気体とを、反応槽で反応させる気液反応装置及びこの気液反応装置を用いた気液反応方法に関するものである。   The present invention relates to a gas-liquid reaction device for reacting a liquid containing a reactant and a gas containing a reaction gas in a reaction tank, and a gas-liquid reaction method using the gas-liquid reaction device.

反応物質を含有する液体(以下、「反応物質含有液体」ともいう。)と、反応気体を含有する気体(以下、「反応気体」ともいう。)とを混合して気液反応を高い効率で行うためには、両者の接触面積を大きくすることが重要である。   A liquid containing a reactant (hereinafter also referred to as “reactant-containing liquid”) and a gas containing a reactant gas (hereinafter also referred to as “reactant gas”) are mixed to perform gas-liquid reaction with high efficiency. In order to do this, it is important to increase the contact area between the two.

この要求を満たすために、特許文献1に記載されるような、反応槽内に反応物質含有液体と反応気体を投入して密閉加温し、攪拌により両者の接触面積を大きくして気液反応を行うバッチ式または連続式プロセス法、回転軸に近接して多数のディスクを取り付けたものを反応物質含有液体に一部浸潤する状態で回転させディスク表面に形成される溶液の薄膜に気体を作用させるディスク法、反応気体に反応物質含有液体のジェット流を噴出させて接触反応させるジェット法等が採用されている。   In order to satisfy this requirement, as described in Patent Document 1, a reactant-containing liquid and a reaction gas are introduced into a reaction tank, and the mixture is heated in a sealed manner, and the contact area between the two is increased by stirring to increase the gas-liquid reaction. A batch or continuous process method, in which a large number of disks are mounted close to the rotation axis, and the gas is acted on the thin film of the solution formed on the disk surface by rotating in a state where it partially infiltrates the reactant-containing liquid. For example, a disk method for causing a reaction gas to jet and a jet flow of a reactant-containing liquid to cause a contact reaction, and the like are employed.

工業規模で大量かつ効率的に気液反応を行う方法としては上記バッチ式または連続式プロセス法が有利であるが、気液反応の効率を高くするためには、反応気体雰囲気下で、液相と気相との接触面積を大きくするために激しく撹拌を行うことが必要となる。さらに、気液反応の効率を高くするためには、気液反応を高温・高圧下で行うことも必要となる。
気液反応を効率的に行う技術として、特許文献2には、図7に示すように、ベンゼンをシクロヘキサンにする気液反応において、ベンゼンを含む液体を収容した反応器110から、ポンプ105によりこの液体を抜き出して高せん断装置140に供給し、この高せん断装置140でこの液体に平均気泡直径100μmの水素ガス気泡を含有させて反応器110に還流する気液反応装置が開示されている。また、特許文献3には、図8に示すように、芳香族ニトロ化合物を芳香族アミン化合物にする気液反応において、芳香族ニトロ化合物溶液208をバイアル瓶209からフィルター207を通して抜き出し、水素ガスを導入して水素マイクロバブルを含有させ、触媒固定官に導入して水素化反応を進行させた後、バイアル瓶209に還流する気液反応装置が開示されている。
The batch-type or continuous-type process method is advantageous as a method for carrying out gas-liquid reaction in a large scale and efficiently on an industrial scale. However, in order to increase the efficiency of gas-liquid reaction, the liquid phase is used in a reaction gas atmosphere. In order to increase the contact area between the gas and the gas phase, it is necessary to vigorously stir. Furthermore, in order to increase the efficiency of the gas-liquid reaction, it is also necessary to perform the gas-liquid reaction at a high temperature and a high pressure.
As a technique for efficiently performing a gas-liquid reaction, Patent Document 2 discloses, in a gas-liquid reaction in which benzene is cyclohexane, as shown in FIG. A gas-liquid reaction apparatus is disclosed in which a liquid is extracted and supplied to a high shear device 140, and hydrogen gas bubbles having an average bubble diameter of 100 μm are contained in the liquid by the high shear device 140 and refluxed to the reactor 110. In Patent Document 3, as shown in FIG. 8, in a gas-liquid reaction in which an aromatic nitro compound is converted to an aromatic amine compound, the aromatic nitro compound solution 208 is extracted from the vial 209 through the filter 207, and hydrogen gas is extracted. A gas-liquid reaction apparatus is disclosed which is introduced to contain hydrogen microbubbles, introduced into a catalyst fixing officer and allowed to proceed with a hydrogenation reaction, and then refluxed to the vial 209.

しかしながら、上記特許文献2のような気液反応装置では、気液反応を高い効率で行うためには、反応器110内の圧力を通常5MPa〜20MPaという高圧とする必要があるが、高せん断装置140を含むベンゼンを含む液体の循環経路をこのような高圧力に維持して運転するのは難しく、装置の設置・運転・維持を経済的・効率的に行うのは難しい。   However, in the gas-liquid reaction apparatus as in Patent Document 2, in order to perform the gas-liquid reaction with high efficiency, it is necessary to set the pressure in the reactor 110 to a high pressure of usually 5 MPa to 20 MPa. It is difficult to operate while maintaining the circulation path of the liquid containing benzene containing 140 at such a high pressure, and it is difficult to install, operate and maintain the apparatus economically and efficiently.

また、上記特許文献3のような気液反応装置は、水素マイクロバブルを含有させた芳香族ニトロ化合物溶液208を触媒固定官を通して気液反応を行うため大量に処理することが難しく、また、気液反応を高温・高圧下で行うことが難しいため、工業規模で大量かつ効率的に気液反応を行う装置として適当ではない。   In addition, the gas-liquid reaction apparatus such as Patent Document 3 described above is difficult to process in large quantities because the aromatic nitro compound solution 208 containing hydrogen microbubbles undergoes a gas-liquid reaction through a catalyst fixing agent. Since it is difficult to perform a liquid reaction under high temperature and high pressure, it is not suitable as an apparatus for performing a gas-liquid reaction efficiently on a large scale on an industrial scale.

本発明者等は、工業規模で大量かつ効率的に気液反応を行うことができ、しかも、装置の設置・運転・維持を経済的・効率的に行うことのできる気液反応装置及びこの気液反応装置を用いた気液反応方法を鋭意研究し本発明を成したものである。   The inventors of the present invention can perform a gas-liquid reaction on an industrial scale in a large amount and efficiently, and can perform the installation, operation, and maintenance of the apparatus economically and efficiently, and the gas-liquid reaction apparatus. The present invention has been made by earnestly studying a gas-liquid reaction method using a liquid reactor.

国際公開第2007/100052号International Publication No. 2007/100052 特表2010−531882号公報Japanese translation of PCT publication 2010-53882 特開2014−005217号公報JP 2014-005217 A

本発明の気液反応装置及びこの気液反応装置を用いた気液反応方法の課題は、工業規模で大量かつ効率的に気液反応を行うことができ、しかも、装置の設置・運転・維持を経済的・効率的に行うことのできる気液反応装置及びこの気液反応装置を用いた気液反応方法を提供することにある。   The problem of the gas-liquid reaction apparatus of the present invention and the gas-liquid reaction method using the gas-liquid reaction apparatus is that a gas-liquid reaction can be carried out efficiently and in large quantities on an industrial scale, and the apparatus is installed, operated and maintained. Is to provide a gas-liquid reaction apparatus and a gas-liquid reaction method using the gas-liquid reaction apparatus.

上記課題を解決するため、本発明の気液反応装置及びこの気液反応装置を用いた気液反応方法は、気液反応装置の反応槽内にはマイクロナノバブル発生装置を設けると共に、このマイクロナノバブル発生装置に、反応槽の液相に存在する反応物質含有液体及び反応槽の気相に存在する反応気体を供給し、反応気体のマイクロナノバブルを含有させた反応物質含有液体を液相に供給することを特徴とするものである。   In order to solve the above problems, a gas-liquid reaction apparatus of the present invention and a gas-liquid reaction method using the gas-liquid reaction apparatus are provided with a micro-nano bubble generator in a reaction tank of the gas-liquid reaction apparatus. The reactant containing liquid present in the liquid phase of the reaction tank and the reaction gas present in the gas phase of the reaction tank are supplied to the generator, and the reactant containing liquid containing the micro-nano bubbles of the reaction gas is supplied to the liquid phase. It is characterized by this.

さらに、マイクロナノバブル発生装置としては、図6にその概要を示して後で説明するような、多量のマイクロナノバブルを経済的に発生することのできる液流方式のものを用い、このマイクロナノバブル発生装置に反応槽の液相に存在する反応物質含有液体を加圧して供給し、これにより生じる負圧により反応槽の気相から反応気体を吸い込むようにすることにより、前記課題の解決を一層図ることができる。   Further, as the micro / nano bubble generating device, a liquid flow type device capable of economically generating a large amount of micro / nano bubbles, which will be described later with an outline thereof shown in FIG. 6, is used. The above-mentioned problems can be further solved by supplying the reactant-containing liquid present in the liquid phase of the reaction tank under pressure and supplying the reaction gas from the gas phase of the reaction tank by the negative pressure generated thereby. Can do.

本発明の気液反応装置及びこの気液反応装置を用いた気液反応方法は、次のような優れた効果を奏するものである。   The gas-liquid reaction apparatus of the present invention and the gas-liquid reaction method using this gas-liquid reaction apparatus have the following excellent effects.

バッチ式または連続式プロセス法の気液反応を採用し、気密に密封された反応槽内で、高温・高圧下で気液反応を行うことにより、気液反応を工業規模で大量かつ効率的に行うことができる。   Adopting batch- or continuous-process gas-liquid reactions, and performing gas-liquid reactions at high temperatures and pressures in a hermetically sealed reaction tank, the gas-liquid reactions can be carried out on a large scale and efficiently on an industrial scale. It can be carried out.

また、マイクロナノバブル発生装置を用いて、反応気体のマイクロナノバブルを反応物質含有液体に含有させることにより、激しい撹拌を行うことなく液相と気相との接触面積を大きくでき、気液反応を効率的・経済的に行うことができる。   In addition, by using the micro / nano bubble generator to contain the reaction gas micro / nano bubbles in the reactant-containing liquid, the contact area between the liquid phase and the gas phase can be increased without vigorous stirring, which makes gas-liquid reaction more efficient. Can be done economically and economically.

また、反応気体のマイクロナノバブルを含有させた反応物質含有液体を、マイクロナノバブル発生装置から液相に供給することにより、液相を撹拌することができ、気液反応を効率的・経済的に行うことができる。   In addition, by supplying the reactant-containing liquid containing the reaction gas micro-nano bubbles to the liquid phase from the micro-nano bubble generator, the liquid phase can be stirred, and the gas-liquid reaction can be performed efficiently and economically. be able to.

また、マイクロナノバブル発生装置を反応槽内に設けることにより、反応槽内を安定的に高圧力に維持でき、装置の設置・運転・維持を経済的・効率的に行うことができる。さらに、マイクロナノバブル発生装置として液流方式のものを用い、このマイクロナノバブル発生装置に反応槽の液相に存在する反応物質含有液体を加圧して供給し、これにより生じる負圧により反応槽の気相から反応気体を吸い込み、反応気体のマイクロナノバブルを含有させた反応物質含有液体を液相に供給することにより、液相の反応物質含有液体を一層効率的・経済的に撹拌することができる。   Further, by providing the micro / nano bubble generator in the reaction tank, the inside of the reaction tank can be stably maintained at a high pressure, and the installation, operation, and maintenance of the apparatus can be performed economically and efficiently. Furthermore, a liquid flow type apparatus is used as the micro / nano bubble generator, and the reactant-containing liquid present in the liquid phase of the reaction vessel is pressurized and supplied to the micro / nano bubble generator, and the negative pressure generated thereby causes the gas in the reaction vessel to flow. The reactant-containing liquid in the liquid phase can be stirred more efficiently and economically by sucking the reactant gas from the phase and supplying the reactant-containing liquid containing the reaction gas micro-nano bubbles to the liquid phase.

また、このようなマイクロナノバブル発生装置を用いることにより、マイクロナノバブルの個数平均直径及び総バブル数を、マイクロナノバブル発生装置に供給される反応物質含有液体の圧力、流量だけでなく、反応槽の気相に存在する反応気体の圧力によっても調整することができる。   Further, by using such a micro / nano bubble generator, the number average diameter and the total number of bubbles of the micro / nano bubbles can be determined not only by the pressure and flow rate of the reactant-containing liquid supplied to the micro / nano bubble generator, but also by the gas in the reaction tank. It can also be adjusted by the pressure of the reaction gas present in the phase.

本発明の気液反応装置の第1実施形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows 1st Embodiment of the gas-liquid reaction apparatus of this invention. 本発明の気液反応装置の第2実施形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows 2nd Embodiment of the gas-liquid reaction apparatus of this invention. 本発明の気液反応装置の第3実施形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows 3rd Embodiment of the gas-liquid reaction apparatus of this invention. 本発明の気液反応装置の第4実施形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows 4th Embodiment of the gas-liquid reaction apparatus of this invention. 本発明の気液反応装置の第5実施形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows 5th Embodiment of the gas-liquid reaction apparatus of this invention. 本発明の気液反応装置において好適に用いることのできるマイクロナノバブル発生装置の概要を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the outline | summary of the micro nano bubble generator which can be used suitably in the gas-liquid reaction apparatus of this invention. 従来例である、特許文献2(特表2010−531882号公報)の図1である。It is FIG. 1 of patent document 2 (Japanese translations of PCT publication No. 2010-53882) which is a prior art example. 従来例である、特許文献3(特開2014−005217号公報)の図1である。It is FIG. 1 of patent document 3 (Unexamined-Japanese-Patent No. 2014-005217) which is a prior art example.

以下、本発明の実施形態を、添付の図面も参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。以下の説明においては、還元反応の代表例である有機化合物の水素添加反応を行なう気液反応について主として説明するが、本発明の気液反応装置及びこの気液反応装置を用いた気液反応方法は、これらの油脂、脂肪酸、合成樹脂等の有機化学物質または無機化学物質を使用する気液反応に使用することも当然可能である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited thereto. In the following description, a gas-liquid reaction that performs a hydrogenation reaction of an organic compound, which is a representative example of a reduction reaction, will be mainly described. However, the gas-liquid reaction apparatus of the present invention and a gas-liquid reaction method using the gas-liquid reaction apparatus Can be used for gas-liquid reactions using organic chemicals or inorganic chemicals such as fats and oils, fatty acids and synthetic resins.

1.本発明の一般的な事項
まず、本発明の気液反応装置及びこの気液反応装置を用いた気液反応方法(以下、「本発明の装置及び方法」ともいう。)の一般的な事項について説明する。
1. General Items of the Present Invention First, general items of the gas-liquid reaction device of the present invention and the gas-liquid reaction method using the gas-liquid reaction device (hereinafter also referred to as “device and method of the present invention”). explain.

本発明の装置及び方法は、バッチ式または連続式プロセス法の気液反応であって、気密に密封された反応槽に、反応物質を含有する液体(反応物質含有液体)及び加圧された反応気体を含有する気体(反応気体)を供給して液相及び気相を形成し、気液反応を行うものである。また、気液反応の反応効率を向上させるために、気液反応を高温・高圧下で行うのが好ましい。   The apparatus and method of the present invention is a gas-liquid reaction of a batch type or continuous process method, in which a liquid containing a reactant (reactant-containing liquid) and a pressurized reaction are contained in a hermetically sealed reaction vessel. A gas (reaction gas) containing a gas is supplied to form a liquid phase and a gas phase to perform a gas-liquid reaction. In order to improve the reaction efficiency of the gas-liquid reaction, the gas-liquid reaction is preferably performed at a high temperature and a high pressure.

〇気液反応
本発明の装置及び方法が適用できる気液反応としては、特に制限はなく、通常、高温下または高温・高圧下で行われる既知の気液反応に適用することができる。
例えば、ラジカルカルボニル化反応、オレフィンのヒドロホルミル化反応、直接フッ素化反応、酸素酸化反応(アルコールからアルデヒドを得る反応、アルケンからエポキシを得る反応、光一重項酸素酸化反応、エステルのα位酸化反応等)、水素化反応(還元糖の水素添加による糖アルコール製造、オレフィンの水素化反応、カルボニル化合物の水素化反応、シアノ基の水素化反応、天然油脂の不飽和グリセリドの水素添加による硬化油の製造、不飽和脂肪酸をニッケル触媒により水素添加する反応等)、アルカンの光ハロゲン化反応、Heckカルボニル化反応に適用できる。
O Gas-liquid reaction There is no restriction | limiting in particular as a gas-liquid reaction which can apply the apparatus and method of this invention, Usually, it can apply to the known gas-liquid reaction performed under high temperature or high temperature and high pressure.
For example, radical carbonylation reaction, olefin hydroformylation reaction, direct fluorination reaction, oxygen oxidation reaction (reaction to obtain aldehyde from alcohol, reaction to obtain epoxy from alkene, photosinglet oxygen oxidation reaction, α-position oxidation reaction of ester, etc. ), Hydrogenation reaction (sugar alcohol production by hydrogenation of reducing sugar, hydrogenation reaction of olefin, hydrogenation reaction of carbonyl compound, hydrogenation reaction of cyano group, production of hydrogenated oil by hydrogenation of unsaturated glycerides of natural fats and oils , Reaction of hydrogenating unsaturated fatty acid with nickel catalyst, etc.), photohalogenation reaction of alkane, and Heck carbonylation reaction.

〇反応物質を含有する液体(反応物質含有液体)
本発明の装置及び方法において用いられる反応物質含有液体は、反応物質のみを含有していてもよいし、反応物質及び溶媒を含有していてもよい。
〇 Liquid containing reactive substance (Reactive substance-containing liquid)
The reactant-containing liquid used in the apparatus and method of the present invention may contain only the reactant, or may contain the reactant and solvent.

溶媒としては、水、有機溶媒、イオン液体(イオン性液体、イオン性流体、常温融解塩とも称される)、液体の無機化合物等の1種または2種以上を用いることができる。有機溶媒としては、ヘキサン等の脂肪族系炭化水素、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素、アセトン、ジエチルケトン、メチルエチルケトン等のケトン類、ブチルアルデヒド等のアルデヒド類、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、ジイソブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル類、酢酸エチル、酢酸ブチル、ジ−n−オクチルフタレート等のエステル類、トリエチルアミン、ピロリジン、ピペリジン等のアミン類、ジメチルホルムアミド等のアミド類、ジメチルスルホキシド等のスルホキシド類、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール等のアルコール類、エチレングリコール、プロパンジオール、ブタンジオール等のジオール類、アセトニトリル等のニトリル類、ピリジン等の複素芳香族化合物、四塩化炭素、クロロホルム、ジクロロメタン、ジクロエタン等のハロゲン溶媒、酢酸、蟻酸等のカルボン酸類、スルホン酸類、フロリナート(登録商標)等のフッ素系不活性液体が挙げられ、これらの2種以上の任意の割合の混合溶媒を用いることもできる。液体の無機化合物としては、硫酸、リン酸、亜リン酸等のリン酸類、硝酸、過酸化水素水等が挙げられる。溶媒としては、中でも、水系溶媒と有機溶媒が好ましく、更に好ましくは芳香族炭化水素、炭化水素類やアルコール類が好ましく、特に芳香族炭化水素が好適である。   As the solvent, one or more of water, an organic solvent, an ionic liquid (also referred to as an ionic liquid, an ionic fluid, or a room temperature molten salt), a liquid inorganic compound, or the like can be used. Examples of organic solvents include aliphatic hydrocarbons such as hexane, aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, and xylene, ketones such as acetone, diethyl ketone, and methyl ethyl ketone, aldehydes such as butyraldehyde, diethyl ether, dibutyl ether, Ethers such as diisobutyl ether, tetrahydrofuran and dioxane, esters such as ethyl acetate, butyl acetate and di-n-octyl phthalate, amines such as triethylamine, pyrrolidine and piperidine, amides such as dimethylformamide, sulfoxide such as dimethyl sulfoxide , Alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, diols such as ethylene glycol, propanediol, butanediol, nitriles such as acetonitrile, pyridine, etc. Heteroaromatic compounds, halogen solvents such as carbon tetrachloride, chloroform, dichloromethane, and dichloroethane, carboxylic acids such as acetic acid and formic acid, sulfonic acids, and fluorine-based inert liquids such as florinate (registered trademark), and these two types A mixed solvent having an arbitrary ratio as described above can also be used. Examples of the liquid inorganic compound include phosphoric acids such as sulfuric acid, phosphoric acid and phosphorous acid, nitric acid, hydrogen peroxide water and the like. Among these, an aqueous solvent and an organic solvent are preferable, and aromatic hydrocarbons, hydrocarbons, and alcohols are more preferable, and aromatic hydrocarbons are particularly preferable.

溶媒を用いる場合には、その使用量に制限はなく、用いる反応物質の濃度が溶媒1リットルに対して通常0.001モル以上、好ましくは0.02モル以上、さらに好ましくは0.1モル以上で、20モル以下、好ましくは10モル以下、さらに好ましくは5モル以下となるような量の溶媒を用いることが好ましい。溶媒の量が上記の範囲よりも多いと生産性が低下し、少ないと触媒あるいは反応物質を溶解させてしまう点で不利となる。   When a solvent is used, the amount used is not limited, and the concentration of the reactant used is usually 0.001 mol or more, preferably 0.02 mol or more, more preferably 0.1 mol or more, per liter of the solvent. Therefore, it is preferable to use an amount of the solvent that is 20 mol or less, preferably 10 mol or less, more preferably 5 mol or less. When the amount of the solvent is larger than the above range, the productivity is lowered, and when the amount is smaller, it is disadvantageous in that the catalyst or the reactant is dissolved.

〇反応気体を含有する気体(反応気体)
反応気体としては、オゾン、水素、ヘリウム、フッ素、塩素、一酸化炭素、二酸化炭素、二酸化硫黄、塩化水素ガス、アンモニアガス、メタン、エタン、プロパン、エチレンガス、アセチレンガス等が挙げられ、酸素は一重項酸素及び三重項酸素が挙げられる。また、これらの混合ガス、あるいはこれらの反応ガスと他の気体との混合ガスを用いてもよい。
* Gas containing reaction gas (reaction gas)
Examples of the reaction gas include ozone, hydrogen, helium, fluorine, chlorine, carbon monoxide, carbon dioxide, sulfur dioxide, hydrogen chloride gas, ammonia gas, methane, ethane, propane, ethylene gas, and acetylene gas. Examples include singlet oxygen and triplet oxygen. Moreover, you may use these mixed gas or mixed gas of these reaction gas and other gas.

気体成分中の反応気体の濃度については、特に制限はないが、体積割合で0.01〜100%の範囲から選択され、好ましくは0.1%以上、より好ましくは5%以上で、特に好ましくは10%以上である。反応気体の濃度が上記範囲よりも低いと十分な反応効率を得ることが難しくなる。   The concentration of the reaction gas in the gas component is not particularly limited, but is selected from a range of 0.01 to 100% by volume, preferably 0.1% or more, more preferably 5% or more, particularly preferably. Is 10% or more. If the concentration of the reaction gas is lower than the above range, it is difficult to obtain sufficient reaction efficiency.

〇触媒
本発明の装置及び方法では、気液反応に、触媒を使用してもよいし、使用しなくてもよいが、通常は、触媒を使用した方が気液反応を効率的に行えるため好ましい。
〇Catalyst In the apparatus and method of the present invention, a catalyst may or may not be used for the gas-liquid reaction, but in general, the use of the catalyst can perform the gas-liquid reaction more efficiently. preferable.

触媒としては、周期律表第4〜12族の元素(金属)及びランタノイドから選ばれる元素(金属)の少なくとも一種を含有するものを好適に用いることができ、また、触媒は、シリカ、アルミナ、シリカアルミナ、ゼオライト、活性炭等の多孔質材料の表面に担持させて用いることができる。例えば、還元糖の水素添加反応を行う場合には、ラネーニッケル触媒等を用いることができる。   As the catalyst, one containing at least one element (metal) selected from elements (metals) and lanthanoids of Groups 4 to 12 of the periodic table can be suitably used, and the catalyst is composed of silica, alumina, It can be used by being supported on the surface of a porous material such as silica alumina, zeolite, activated carbon or the like. For example, a Raney nickel catalyst or the like can be used when performing a hydrogenation reaction of a reducing sugar.

触媒を使用する場合、好適には、均一系触媒を、反応槽内の液相に存在する反応物質含有液体に含有させて用いる。触媒の使用量としては、特に制限はないが、反応物質に対して有効成分量として0.1ppm以上、特に1ppm以上、10%以下、特に1%以下とすることが好ましい。   When using a catalyst, it is preferable to use a homogeneous catalyst in a reactant-containing liquid present in the liquid phase in the reaction vessel. The amount of the catalyst used is not particularly limited, but it is preferably 0.1 ppm or more, particularly 1 ppm or more, 10% or less, particularly 1% or less as an active ingredient amount with respect to the reactant.

〇反応条件
本発明の装置及び方法は、上記のように、バッチ式または連続式プロセス法の気液反応を採用し、気密に密封された反応槽内で、通常、高温・高圧下で気液反応を行うものであるが、反応槽内の温度、反応槽内の圧力、反応時間等の条件については、気液反応、反応物質、反応気体の種類等に応じて、最適な範囲を適宜設定することができる。
O Reaction conditions As described above, the apparatus and method of the present invention adopts a gas-liquid reaction of a batch type or a continuous process method, and is usually gas-liquid at high temperature and high pressure in a hermetically sealed reaction tank. Although the reaction is performed, the optimum range is appropriately set for conditions such as the temperature in the reaction vessel, the pressure in the reaction vessel, the reaction time, etc., depending on the type of gas-liquid reaction, reactant, reaction gas, etc. can do.

例えば、還元糖の水素添加反応を行う場合には、反応槽内の温度の下限値を好ましくは20℃以上、より好ましくは50℃以上さらに好ましくは80℃以上、特に好ましくは110℃以上とし、上限値を好ましくは350℃以下、より好ましくは300℃以下、さらに好ましくは250℃以下、特に好ましくは200℃以下とし、水素圧力の下限値を好ましくは0.1MPa以上、より好ましくは0.5MPa以上、さらに好ましくは1MPa以上、特に好ましくは5MPa以上とし、上限値を好ましくは30MPa以下、より好ましくは25MPa以下、さらに好ましくは20MPa以下とし、反応時間を好ましくは30分以上9時間以下とする。   For example, when performing a hydrogenation reaction of reducing sugar, the lower limit value of the temperature in the reaction vessel is preferably 20 ° C. or higher, more preferably 50 ° C. or higher, more preferably 80 ° C. or higher, particularly preferably 110 ° C. or higher, The upper limit is preferably 350 ° C. or lower, more preferably 300 ° C. or lower, further preferably 250 ° C. or lower, particularly preferably 200 ° C. or lower, and the lower limit of the hydrogen pressure is preferably 0.1 MPa or higher, more preferably 0.5 MPa. As described above, it is more preferably 1 MPa or more, particularly preferably 5 MPa or more, the upper limit value is preferably 30 MPa or less, more preferably 25 MPa or less, further preferably 20 MPa or less, and the reaction time is preferably 30 minutes or more and 9 hours or less.

2.本発明の第1の特徴
本発明の装置及び方法は、上記のようなバッチ式または連続式プロセス法の気液反応を行うが、この反応において、反応槽内に設けたマイクロナノバブル発生装置により、反応槽の液相に存在する反応物質含有液体に、反応槽の気相に存在する反応気体のマイクロナノバブルを含有させ、これを液相に供給することを第1の特徴とするものである。
2. First feature of the present invention The apparatus and method of the present invention performs the gas-liquid reaction of the batch type or continuous process method as described above. In this reaction, the micro / nano bubble generating device provided in the reaction vessel, The first feature is that the reactant-containing liquid present in the liquid phase of the reaction vessel contains micro-nano bubbles of the reaction gas present in the gas phase of the reaction vessel and is supplied to the liquid phase.

このように、バッチ式または連続式プロセス法の気液反応を採用し、気密に密封された反応槽内で、高圧下好ましくは高温・高圧下で気液反応を行うことにより、気液反応を工業規模で大量かつ効率的に行うことができる。   As described above, the gas-liquid reaction of the batch type or the continuous type process method is adopted, and the gas-liquid reaction is performed by performing the gas-liquid reaction under a high pressure, preferably at a high temperature and a high pressure in an airtightly sealed reaction tank. It can be carried out in large quantities and efficiently on an industrial scale.

また、マイクロナノバブル発生装置を用いて、反応気体のマイクロナノバブルを反応物質含有液体に含有させることにより、激しい撹拌を行うことなく液相と気相との接触面積を大きくでき、気液反応を効率的・経済的に行うことができる。   In addition, by using the micro / nano bubble generator to contain the reaction gas micro / nano bubbles in the reactant-containing liquid, the contact area between the liquid phase and the gas phase can be increased without vigorous stirring, which makes gas-liquid reaction more efficient. Can be done economically and economically.

また、反応気体のマイクロナノバブルを含有させた反応物質含有液体を、マイクロナノバブル発生装置から液相に供給することにより、特に培養槽撹拌機を設置しなくても液相を適度に撹拌することができ、気液反応を効率的・経済的に行うことができる。   In addition, by supplying the reactant-containing liquid containing the reaction gas micro-nano bubbles to the liquid phase from the micro-nano bubble generator, the liquid phase can be appropriately stirred without particularly installing a culture vessel agitator. It is possible to perform gas-liquid reaction efficiently and economically.

また、マイクロナノバブル発生装置を反応槽内に設けることにより、マイクロナノバブル発生装置を反応槽外部に設ける場合に比べ、反応槽内を安定的に高圧力に維持でき、装置の設置・運転・維持を経済的・効率的に行うことができる。   In addition, by providing the micro / nano bubble generator inside the reaction tank, the inside of the reaction tank can be stably maintained at a high pressure, compared to the case where the micro / nano bubble generator is provided outside the reaction tank. It can be done economically and efficiently.

〇反応気体のマイクロナノバブル
本発明では、反応物質含有液体に反応気体のマイクロナノバブルを含有させるが、本発明の「マイクロナノバブル」とは、「マイクロバブル」及び/又は「ナノバブル」を意味する。「通常の気泡」は水中を急速に上昇して表面で破裂して消えるのに対し、「マイクロバブル」といわれる直径50μm以下の微小気泡は、水中で縮小していって消滅し、この際に、フリーラジカルと共に、直径100nm以下の極微小気泡である「ナノバブル」を発生し、この「ナノバブル」はある程度の長時間水中に残存する。
Reactive gas micro / nano bubbles In the present invention, the reactive substance-containing liquid contains reactive gas micro / nano bubbles. The “micro nano bubbles” of the present invention means “micro bubbles” and / or “nano bubbles”. While “normal bubbles” rapidly rise in water and burst and disappear on the surface, microbubbles with a diameter of 50 μm or less called “microbubbles” shrink in water and disappear. Together with free radicals, “nanobubbles”, which are ultrafine bubbles having a diameter of 100 nm or less, are generated, and these “nanobubbles” remain in water for a certain amount of time.

本発明においては、個数平均直径が100μm以下の気泡を「マイクロバブル」といい、個数平均直径が1μm以下の気泡を「ナノバブル」という。マイクロナノバブル、ナノバブル等の気泡を測定する方法としては、電気的検知帯法、共振式質量測定法、粒子軌跡解析法等が一般に用いられている。   In the present invention, bubbles having a number average diameter of 100 μm or less are referred to as “micro bubbles”, and bubbles having a number average diameter of 1 μm or less are referred to as “nano bubbles”. As a method for measuring bubbles such as micro-nano bubbles and nano bubbles, an electrical detection band method, a resonance mass measurement method, a particle locus analysis method, and the like are generally used.

極微小気泡である「ナノバブル」は、「ウルトラファインバブル」とも呼ばれる。なお、現在、ISO(国際標準化機構)において、ファインバブル技術に関する国際標準の作成が検討されており、国際標準が作成されれば、現在一般的に用いられている「ナノバブル」との呼称が、「ウルトラファインバブル」に統一される可能性もある。   “Nano bubbles”, which are extremely fine bubbles, are also called “ultra fine bubbles”. Currently, in the ISO (International Organization for Standardization), the creation of an international standard for fine bubble technology is being considered, and once the international standard is created, the name of “nanobubble”, which is currently commonly used, There is a possibility that it will be unified into “Ultra Fine Bubble”.

マイクロナノバブルの個数平均直径が大きすぎると、マイクロナノバブルが液相中で上昇するに伴ってマイクロナノバブル内の圧力低下によってマイクロナノバブルが膨張し、その結果、マイクロナノバブルの比表面積(単位重量あたりの表面積)が増加することによって気液反応の促進効果が低くなる。   If the number-average diameter of the micro-nano bubbles is too large, the micro-nano bubbles expand due to a pressure drop in the micro-nano bubbles as the micro-nano bubbles rise in the liquid phase. As a result, the specific surface area of the micro-nano bubbles (surface area per unit weight) ) Increases, the effect of promoting the gas-liquid reaction is reduced.

また、マイクロナノバブルの比表面積を増加させるためには、反応物質と接触させる反応物質含有液体中の単位体積当たりのマイクロナノバブルの数(以下「総バブル数」という。)も重要となる。反応物質含有液体1mLあたりの総バブル数が10個以上、好ましくは10〜10個、より好ましくは10〜1010個となるように発生させることが好ましい。 Further, in order to increase the specific surface area of the micro / nano bubbles, the number of micro / nano bubbles per unit volume (hereinafter referred to as “total number of bubbles”) in the reactant-containing liquid to be brought into contact with the reactant is also important. The total number of bubbles per mL of the reactant-containing liquid is preferably 10 5 or more, preferably 10 6 to 10 9 , more preferably 10 7 to 10 10 .

これらのマイクロナノバブルの個数平均直径及び総バブル数は、気液反応、反応物質、反応気体の種類等に応じて、最適な範囲を適宜設定することができ、後で述べるマイクロナノバブル発生装置の構造、発生条件等により調節・設定することができる。   The number average diameter and the total number of bubbles of these micro / nano bubbles can be appropriately set in an optimum range according to the gas-liquid reaction, the reactant, the type of reaction gas, etc. The structure of the micro / nano bubble generator described later It can be adjusted and set according to the generation conditions.

反応物質含有液体に反応気体のマイクロナノバブルを含有させることにより、反応物質含有液体中に反応気体を長期間残留させることができ、気液反応における物質移動の制限を減少させることができる。マイクロナノバブルの個数平均直径が小さくても反応速度に対して悪影響はないが、反応気体の反応物質含有液体の飽和度には制限があるため、マイクロナノバブルの個数平均直径が小さすぎても経済的には非効率となる。また総バブル数はマイクロナノバブル発生装置の設定条件上発生させることが可能であり、反応物質との反応にあたりマイクロバナノブルが安定に存在できれば、多ければ多いほど好ましい。   By making the reactant-containing liquid contain micro-nano bubbles of the reactant gas, the reactant gas can be left in the reactant-containing liquid for a long period of time, and the restriction of mass transfer in the gas-liquid reaction can be reduced. The reaction speed is not adversely affected even if the number average diameter of the micro / nano bubbles is small, but the saturation of the reactant-containing liquid in the reaction gas is limited, so it is economical if the number average diameter of the micro / nano bubbles is too small. Is inefficient. Further, the total number of bubbles can be generated under the setting conditions of the micro / nano bubble generator, and it is preferable that the number of bubbles is larger as long as the micro-vananoble can stably exist in the reaction with the reactant.

〇マイクロナノバブル発生装置
マイクロナノバブル発生装置としては、公知あるいは市販されている装置を用いることができ、例えば、ある程度の高圧で十分な量の気体を水中に溶解させた後、その圧力を解放してやることで溶解した気体の過飽和条件を作り出す「加圧溶解型マイクロナノバブル発生装置」や、液流を起こして液体と気体からなる混合流体をループ状の流れとして撹拌混合し、液流によって発生した乱流により気泡が細分化する現象を利用した「ループ流式バブル発生ノズル」等を用いることができる。
〇 Micro / nano bubble generation device As the micro / nano bubble generation device, a known or commercially available device can be used. For example, after a sufficient amount of gas is dissolved in water at a certain high pressure, the pressure is released. Turbulent flow generated by a liquid flow that stirs and mixes a mixed fluid consisting of liquid and gas as a loop flow by creating a supersaturated condition of the gas dissolved in For example, a “loop flow type bubble generating nozzle” using a phenomenon that bubbles are subdivided by the above can be used.

3.本発明の第2の特徴
本発明の装置及び方法は、反応槽内に設けるマイクロナノバブル発生装置として液流方式のものを用い、このマイクロナノバブル発生装置に反応槽の液相に存在する反応物質含有液体を加圧して供給し、これにより生じる負圧により反応槽の気相から反応気体を吸い込み、反応気体のマイクロナノバブルを含有させた反応物質含有液体を液相に供給することを第2の特徴とするものである。
3. Second feature of the present invention The apparatus and method of the present invention uses a liquid flow type micro-nano bubble generator provided in a reaction vessel, and the micro-nano bubble generator contains a reactant present in the liquid phase of the reaction vessel. The second feature is that the liquid is pressurized and supplied, the reaction gas is sucked in from the gas phase of the reaction tank by the negative pressure generated thereby, and the reactant-containing liquid containing the reaction gas micro-nano bubbles is supplied to the liquid phase. It is what.

このようなマイクロナノバブル発生装置を用いることにより、反応気体のマイクロナノバブルを含有させた反応物質含有液体の液相への供給を効率的・経済的に行うことができ、液相の反応物質含有液体を一層効率的・経済的に撹拌することができる。   By using such a micro-nano bubble generator, the reactant-containing liquid containing the reaction gas micro-nano bubbles can be efficiently and economically supplied to the liquid phase. Can be stirred more efficiently and economically.

さらに、マイクロナノバブルの個数平均直径及び総バブル数を、マイクロナノバブル発生装置に供給される反応物質含有液体の圧力、流量だけでなく、反応槽の気相に存在する反応気体の圧力によっても調整することができる。   Furthermore, the number average diameter and the total number of bubbles of the micro / nano bubbles are adjusted not only by the pressure and flow rate of the reactant-containing liquid supplied to the micro / nano bubble generator, but also by the pressure of the reaction gas present in the gas phase of the reaction vessel. be able to.

この液流方式のマイクロナノバブル発生装置について、図6を用いて説明する。
マイクロナノバブル発生装置4としては、液流方式、すなわち、液流によりマイクロナノバブルを発生させる方式のものを用いることができ、この液流方式のマイクロナノバブル発生装置の代表的なものとしては、ノズル型のマイクロナノバブル発生装置を挙げることができる。このノズル型のマイクロナノバブル発生装置は図6に示すようなものである。
This liquid flow type micro / nano bubble generator will be described with reference to FIG.
As the micro / nano bubble generating device 4, a liquid flow type, that is, a type of generating micro / nano bubbles by a liquid flow can be used. As a typical example of the liquid flow type micro / nano bubble generating device, a nozzle type is used. And a micro / nano bubble generator. This nozzle-type micro / nano bubble generator is as shown in FIG.

図6において、反応槽の液相に存在する反応物質含有液体E(以下、「液体E」ともいう。)は、加圧されてノズルの入口部11から供給され、管の縮径に伴って流速を上げていき、のど部12で乱流を発生させる。反応槽の気相に存在する反応気体Fは、液体Eの流れによって生じる負圧により、気体入口14から吸引され、吸引部13において液体Eと混合され、のど部12での乱流によりマイクロナノバブルとなる。このようにして形成された、反応気体のマイクロナノバブルを含有する反応物質含有液体Gは、出口部15から、液相に供給される。   In FIG. 6, a reactant-containing liquid E (hereinafter also referred to as “liquid E”) present in the liquid phase of the reaction tank is pressurized and supplied from the inlet 11 of the nozzle. The flow velocity is increased and turbulence is generated at the throat 12. The reaction gas F existing in the gas phase of the reaction tank is sucked from the gas inlet 14 due to the negative pressure generated by the flow of the liquid E, mixed with the liquid E in the suction portion 13, and micro-nano bubbles due to the turbulent flow in the throat portion 12. It becomes. The reactant-containing liquid G containing the reaction gas micro-nano bubbles thus formed is supplied from the outlet 15 to the liquid phase.

4.本発明の実施形態
つぎに、図1〜5を用いて、本発明の第1実施形態(図1)、第2実施形態(図2)、第3実施形態(図3)、第4実施形態(図4)及び第5実施形態(図5)について説明する。
4). Embodiments of the Invention Next, referring to FIGS. 1 to 5, the first embodiment (FIG. 1), the second embodiment (FIG. 2), the third embodiment (FIG. 3), and the fourth embodiment of the invention. (FIG. 4) and 5th Embodiment (FIG. 5) are demonstrated.

第1実施形態乃至第5実施形態ではマイクロナノバブル発生装置4としてノズル型のものを用いているが、このマイクロナノバブル発生装置4が、第1実施形態及び第5実施形態では反応槽1の気相Dに設けられており、第2実施形態では反応槽1の液相Cに設けられており、第3実施形態及び第4実施形態では反応槽1の気相D及び液相Cに跨がって設けられている。第1実施形態及び第5実施形態のように、マイクロナノバブル発生装置4を反応槽1の気相Dに設ける場合には、マイクロナノバブル発生装置4の出口に、反応気体Bのマイクロナノバブルを含有させた反応物質含有液体Aを、液相C内に導いて供給するための配管8を設ける。   In the first to fifth embodiments, a nozzle-type device is used as the micro / nano bubble generation device 4. This micro / nano bubble generation device 4 is a gas phase of the reaction tank 1 in the first and fifth embodiments. D is provided in the liquid phase C of the reaction tank 1 in the second embodiment, and straddles the gas phase D and the liquid phase C of the reaction tank 1 in the third embodiment and the fourth embodiment. Is provided. When the micro / nano bubble generator 4 is provided in the gas phase D of the reaction tank 1 as in the first embodiment and the fifth embodiment, the micro / nano bubbles of the reaction gas B are included at the outlet of the micro / nano bubble generator 4. A pipe 8 is provided for guiding and supplying the reactant-containing liquid A into the liquid phase C.

また、第4実施形態では、反応槽1の液相Cに存在する反応物質含有液体Eをマイクロナノバブル発生装置4に供給するためのポンプとして、他の実施形態のように、反応槽1の外部に設けたポンプ5を用いず、反応槽1の内部に設けたポンプを用いるものであって、例えばポンプインペラ(ポンプ羽根車)を反応槽1の内部に配置するようにしたインターナルポンプ6を用いている。第4実施形態では、マイクロナノバブル発生装置4を反応槽1の気相D及び液相Cに跨がって設けているが、もちろん、第1実施形態及び第5実施形態のように、反応槽1の気相Dに設けることもできるし、第2実施形態のように、反応槽1の液相Cに設けることもできる。   Moreover, in 4th Embodiment, as a pump for supplying the reactive substance containing liquid E which exists in the liquid phase C of the reaction tank 1 to the micro / nano bubble generating apparatus 4, the exterior of the reaction tank 1 is used as in other embodiments. The pump 5 provided in the reaction tank 1 is not used, but the pump provided in the reaction tank 1 is used. For example, an internal pump 6 in which a pump impeller (pump impeller) is disposed in the reaction tank 1 is provided. Used. In the fourth embodiment, the micro / nano bubble generating device 4 is provided across the gas phase D and the liquid phase C of the reaction tank 1. Of course, as in the first embodiment and the fifth embodiment, the reaction tank is used. 1 may be provided in the gas phase D, or may be provided in the liquid phase C of the reaction vessel 1 as in the second embodiment.

また、第5実施形態は、第1実施形態の気液反応装置に、液相Cの反応物質含有液体Aを撹拌するための、反応槽撹拌機7を設けたものである。   In the fifth embodiment, the gas-liquid reactor of the first embodiment is provided with a reaction tank stirrer 7 for stirring the reactant-containing liquid A in the liquid phase C.

まず、図1を参照しながら、本発明の第1実施形態について説明する。
第1実施形態では、次のようにして、反応物質を含有する液体(反応物質含有液体)Aと、反応気体を含有する気体(反応気体)Bとの気液反応を行う。
1)気密に密封された反応槽1に、液体供給装置2から、反応物質を含有する液体(反応物質含有液体)Aを供給し、加圧気体供給装置3から、加圧された反応気体を含有する気体(反応気体)Bを供給し、反応槽の液相C及び気相Dを形成する。
2)反応槽内の温度を、ヒーター等の加熱手段(図示せず)により所定温度まで上昇させ、また、反応槽内の圧力を、加圧気体供給装置3により所定圧力まで上昇させて、反応槽内を高温・高圧状態として、気液反応を開始する。
3)ポンプ5により、反応槽1の液相Cから反応物質含有液体Aを抜き出し、加圧して、
反応槽1の気相Dに設けた、ノズル型のマイクロナノバブル発生装置4に供給する。
4)反応物質含有液体Aの流れによって生じる負圧により、マイクロナノバブル発生装置4に、反応槽1の気相Dから反応気体Aを吸い込む。
5)このようにして、反応気体Bのマイクロナノバブルを含有させた反応物質含有液体Aは、マイクロナノバブル発生装置4の出口に設けられた配管8を通じて、液相C内に導かれて供給される。
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the first embodiment, a gas-liquid reaction between a liquid (reactive substance-containing liquid) A containing a reactive substance and a gas (reactive gas) B containing a reactive gas is performed as follows.
1) A liquid (reactant containing liquid) A containing a reactant is supplied from a liquid supply device 2 to a hermetically sealed reaction tank 1, and a pressurized reaction gas is supplied from a pressurized gas supply device 3. The contained gas (reaction gas) B is supplied to form a liquid phase C and a gas phase D of the reaction tank.
2) The temperature in the reaction vessel is raised to a predetermined temperature by a heating means (not shown) such as a heater, and the pressure in the reaction vessel is raised to a predetermined pressure by the pressurized gas supply device 3 to react. The gas-liquid reaction is started with the inside of the tank at a high temperature and high pressure.
3) The reactant-containing liquid A is extracted from the liquid phase C of the reaction tank 1 by the pump 5 and pressurized.
It is supplied to a nozzle-type micro / nano bubble generator 4 provided in the gas phase D of the reaction tank 1.
4) The reaction gas A is sucked into the micro / nano bubble generating device 4 from the gas phase D of the reaction tank 1 by the negative pressure generated by the flow of the reactant-containing liquid A.
5) In this way, the reactant-containing liquid A containing the micro-nano bubbles of the reaction gas B is guided and supplied into the liquid phase C through the pipe 8 provided at the outlet of the micro-nano bubble generator 4. .

第1実施形態では、バッチ式プロセス法の気液反応を採用し、気密に密封された反応槽1内で、高温・高圧下で気液反応を行うことにより、気液反応を工業規模で大量かつ効率的に行うことができる。   In the first embodiment, the gas-liquid reaction of the batch type process method is adopted, and the gas-liquid reaction is carried out on an industrial scale by performing the gas-liquid reaction at high temperature and high pressure in the airtightly sealed reaction tank 1. And can be performed efficiently.

また、マイクロナノバブル発生装置4を用いて、反応気体Bのマイクロバナノブルを反応物質含有液体Aに含有させることにより、激しい撹拌を行うことなく液相Cと気相Dとの接触面積を大きくでき、気液反応を効率的・経済的に行うことができる。   In addition, by using the micro-nano bubble generating device 4 and containing the reaction gas B micro-vananoble in the reactant-containing liquid A, the contact area between the liquid phase C and the gas phase D can be increased without vigorous stirring. The gas-liquid reaction can be performed efficiently and economically.

また、反応気体Bのマイクロナノバブルを含有させた反応物質含有液体Aを、マイクロナノバブル発生装置4から液相C内に導いて供給することにより、液相Cを撹拌することができ、気液反応を効率的・経済的に行うことができる。
また、マイクロナノバブル発生装置4を反応槽1内に設けることにより、反応槽1内を安定的に高圧力に維持することができ、装置の設置・運転・維持を経済的・効率的に行うことができる。
In addition, the liquid phase C can be stirred by introducing the reactant-containing liquid A containing the micro-nano bubbles of the reaction gas B from the micro-nano bubble generator 4 into the liquid phase C, and the gas-liquid reaction Can be carried out efficiently and economically.
Further, by providing the micro / nano bubble generator 4 in the reaction tank 1, the inside of the reaction tank 1 can be stably maintained at a high pressure, and the installation, operation and maintenance of the apparatus can be performed economically and efficiently. Can do.

さらに、マイクロナノバブル発生装置4として液流方式のものを用い、このマイクロナノバブル発生装置に反応槽1の液相Cに存在する反応物質含有液体Aを加圧して供給し、これにより生じる負圧により反応槽1の気相Dから反応気体Bを吸い込み、反応気体Bのマイクロナノバブルを含有させた反応物質含有液体Aを、液相C内に導いて供給することにより、液相Cの反応物質含有液体Aを一層効率的・経済的に撹拌することができる。
また、このようなマイクロナノバブル発生装置4を用いることにより、マイクロナノバブルの個数平均直径及び総バブル数を、マイクロナノバブル発生装置4に供給される反応物質含有液体Aの圧力、流量だけでなく、反応槽1の気相Dに存在する反応気体Bの圧力によっても調整することができる。
Further, a liquid flow type device is used as the micro / nano bubble generation device 4, and the reactant-containing liquid A present in the liquid phase C of the reaction vessel 1 is pressurized and supplied to the micro / nano bubble generation device. The reactant gas B is sucked from the gas phase D of the reaction tank 1 and the reactant A-containing liquid A containing the micro-nano bubbles of the reactant gas B is introduced into the liquid phase C to be supplied. Liquid A can be stirred more efficiently and economically.
In addition, by using such a micro / nano bubble generating device 4, the number average diameter and the total number of bubbles of the micro / nano bubbles are determined not only by the pressure and flow rate of the reactant-containing liquid A supplied to the micro / nano bubble generating device 4 but also by the reaction. It can also be adjusted by the pressure of the reaction gas B present in the gas phase D of the tank 1.

特に、第1実施形態のように、反応槽1の垂直方向下部から反応物質含有液体Aを抜き出し、反応槽1の垂直方向上部に設けたマイクロナノバブル発生装置4から、反応気体Bのマイクロナノバブルを含有させた反応物質含有液体Aを液相C内に導いて供給することにより、液相Cの反応物質含有液体Aを垂直上下方向に十分に撹拌することができる。   In particular, as in the first embodiment, the reactant-containing liquid A is extracted from the lower part of the reaction tank 1 in the vertical direction, and the micro / nano bubbles of the reaction gas B are removed from the micro / nano bubble generator 4 provided at the upper part of the reaction tank 1 in the vertical direction. By introducing and supplying the contained reactant A liquid A into the liquid phase C, the reactant A-containing liquid A in the liquid phase C can be sufficiently stirred in the vertical and vertical directions.

気液反応を行う反応槽1には、通常、液相Cの反応物質含有液体Aを撹拌するために、図5に示す本発明の第5実施形態のように、反応槽撹拌機7が設けられるが、第1実施形態では、反応物質含有液体Aの循環により液相Cの反応物質含有液体Aを撹拌できるので、反応槽撹拌機7を設置する必要がないか、または、設置したとしても反応槽撹拌機7の駆動に要するエネルギーを低減できるので、装置の設置・運転・維持を経済的・効率的に行うことができる。   In order to stir the reactant A-containing liquid A in the liquid phase C, the reaction tank 1 for performing the gas-liquid reaction is usually provided with a reaction tank agitator 7 as in the fifth embodiment of the present invention shown in FIG. However, in the first embodiment, since the reactant-containing liquid A in the liquid phase C can be stirred by the circulation of the reactant-containing liquid A, it is not necessary to install the reaction tank agitator 7 or even if it is installed. Since the energy required for driving the reaction vessel agitator 7 can be reduced, installation, operation and maintenance of the apparatus can be performed economically and efficiently.

液相Cにおける反応物質含有液体Aの撹拌状況は、反応槽1の容量、反応槽1の形状、液相Cの深さ等によって異なってくるため、液相Cの反応物質含有液体Aの撹拌を良好に行うために、マイクロナノバブル発生装置4の垂直上下方向の設置位置、傾き、設置個数等を調整・設計することができる。   The stirring state of the reactant-containing liquid A in the liquid phase C varies depending on the capacity of the reaction tank 1, the shape of the reaction tank 1, the depth of the liquid phase C, and the like. In order to perform well, it is possible to adjust / design the installation position, inclination, the number of installations, etc. of the vertical and vertical directions of the micro / nano bubble generating device 4.

マイクロナノバブル発生装置4の垂直上下方向の設置位置については、第1実施形態及び第5実施形態のように、反応槽1の気相Dに設けることもできるし、第2実施形態のように、反応槽1の液相Cに設けることもできるし、第3実施形態及び第4実施形態のように、反応槽1の気相D及び液相Cに跨がって設けることもできる。   As for the vertical vertical position of the micro-nano bubble generator 4, it can be provided in the gas phase D of the reaction tank 1 as in the first and fifth embodiments, or as in the second embodiment. It can also be provided in the liquid phase C of the reaction vessel 1, or can be provided across the gas phase D and the liquid phase C of the reaction vessel 1 as in the third and fourth embodiments.

また、マイクロナノバブル発生装置4の傾きについては、例えば、マイクロナノバブル発生装置4の傾きを、反応気体Bのマイクロバブルを含有させた反応物質含有液体Aを、反応槽1の垂直下方向に供給するように設定すれば、主として上下方向に対流するように撹拌を行うことができるし、反応気体Bのマイクロナノバブルを含有させた反応物質含有液体Aを、反応槽1の側壁の接線方向に供給するように設定すれば、螺旋状に下降するように撹拌を行うことができる。   As for the inclination of the micro / nano bubble generating device 4, for example, the reactant containing liquid A containing the micro bubbles of the reaction gas B is supplied vertically downward of the reaction tank 1. With such setting, stirring can be performed mainly so as to convection in the vertical direction, and the reactant-containing liquid A containing the micro-nano bubbles of the reaction gas B is supplied in the tangential direction of the side wall of the reaction tank 1. If it sets so, it can stir so that it may descend | fall spirally.

また、マイクロナノバブル発生装置4の垂直上下方向の設置個数については、例えば、反応槽1の側壁に沿って等間隔に複数個のマイクロナノバブル発生装置4を設置するようにすれば、液相Cの反応物質含有液体Aの撹拌を均質に行うことができる。   The number of the micro / nano bubble generators 4 installed in the vertical vertical direction is, for example, by installing a plurality of micro / nano bubble generators 4 at equal intervals along the side wall of the reaction tank 1. The reactant A-containing liquid A can be stirred uniformly.

気液反応が進行するに伴い、反応槽1の気相Dの圧力が低下してくるため、気相Dの圧力を一定に保ち、気液反応を均質・均一に行うために、反応槽1の気相Dの圧力をセンサーで計測し、この計測値に基づいて、加圧気体供給装置3からの反応気体Bの供給量を制御する供給制御装置を設けることが好ましい。   As the gas-liquid reaction progresses, the pressure of the gas phase D in the reaction tank 1 decreases. Therefore, in order to keep the pressure of the gas phase D constant and perform the gas-liquid reaction homogeneously and uniformly, the reaction tank 1 It is preferable to provide a supply control device that measures the pressure of the gas phase D with a sensor and controls the supply amount of the reaction gas B from the pressurized gas supply device 3 based on the measured value.

また、第1実施形態では、バッチ式プロセス法の気液反応装置を示したが、反応槽1を気密に密封された状態に保持しつつ、反応槽1の液相Cの液体を排出する排出装置を設けることにより、連続式プロセス法の気液反応装置とすることもできる。この場合には、反応物質と反応気体との反応物を含有する反応槽1の液相Cの液体を、排出装置で連続的に排出しつつ、液体供給装置2及び加圧気体供給装置3から、それぞれ、反応物質を含有する液体(反応物質含有液体)A及び加圧された反応気体を含有する気体(反応気体)Bを連続的に供給する。   Further, in the first embodiment, the gas-liquid reaction apparatus of the batch type process method is shown, but the discharge for discharging the liquid phase C liquid in the reaction tank 1 while keeping the reaction tank 1 in an airtightly sealed state. By providing the apparatus, a gas-liquid reaction apparatus of a continuous process method can be obtained. In this case, from the liquid supply device 2 and the pressurized gas supply device 3, while the liquid phase C liquid in the reaction tank 1 containing the reaction product of the reactant and the reaction gas is continuously discharged by the discharge device. , Respectively, a liquid (reactant-containing liquid) A containing a reactant and a gas (reactant gas) B containing a pressurized reaction gas are continuously supplied.

反応槽1の液相Cの液位を一定に保ち、気液反応を均質・均一に行うために、前記排出装置には、反応槽1の液相Cの液位に応じて、液体供給装置2からの反応物質含有液体Aの供給量及び/または反応槽1の液相Cの液体の排出量を制御する排出制御装置を設けることが好ましい。   In order to keep the liquid level of the liquid phase C in the reaction tank 1 constant and perform the gas-liquid reaction uniformly and uniformly, the discharge device includes a liquid supply device according to the liquid level of the liquid phase C in the reaction tank 1 It is preferable to provide a discharge control device for controlling the supply amount of the reactant A-containing liquid A from 2 and / or the discharge amount of the liquid C in the reaction tank 1.

さらに、反応槽1の液相Cに存在する反応物質含有液体Eを、マイクロナノバブル発生装置4に加圧して供給するための手段としては、第1実施形態乃至第3実施形態、第5実施形態のように、反応槽1の外部に設けたポンプ5を用いてもよいし、第4実施形態のように、反応槽1の内部にポンプインペラ(ポンプ羽根車)を有するインターナルポンプ6を用いてもよい。インターナルポンプ6は、一般に、ポンプインペラを一端に固定したポンプシャフトと、このポンプシャフトに連結しこれを回転駆動する電動機とを備えたものであるが、これらポンプインペラ、ポンプシャフト及び電動機の全てを反応槽1の内部に配置することもできるし、ポンプシャフトを反応槽1の壁を貫通するように設け、ポンプインペラを反応槽1の内部に配置し、電動機を反応槽1の外部に配置することもできる。さらに、反応槽1の内部に設けたポンプインペラを、ポンプシャフトのようなポンプインペラに連結して回転駆動する部材に依らず、反応槽1の外部から電磁力、磁力等を印加してポンプインペラを直接回転駆動することもできる。   Furthermore, as means for pressurizing and supplying the reactant-containing liquid E present in the liquid phase C of the reaction tank 1 to the micro / nano bubble generating device 4, the first to third embodiments and the fifth embodiment are provided. As described above, the pump 5 provided outside the reaction tank 1 may be used, or as in the fourth embodiment, the internal pump 6 having a pump impeller (pump impeller) inside the reaction tank 1 is used. May be. The internal pump 6 generally includes a pump shaft having a pump impeller fixed at one end and an electric motor connected to the pump shaft and rotationally driven. The pump impeller, the pump shaft, and the electric motor are all included. Can be arranged inside the reaction tank 1, a pump shaft is provided so as to penetrate the wall of the reaction tank 1, a pump impeller is arranged inside the reaction tank 1, and an electric motor is arranged outside the reaction tank 1. You can also Further, the pump impeller provided by applying electromagnetic force, magnetic force or the like from the outside of the reaction tank 1 does not depend on a member that is rotated and connected to a pump impeller such as a pump shaft. Can also be directly rotated.

このように、本発明の気液反応装置及びこの気液反応装置を用いた気液反応方法は、上記第1の特徴を備えることにより、次のような優れた効果を奏するものである。
〇バッチ式または連続式プロセス法の気液反応を採用し、気密に密封された反応槽内で、高温・高圧下で気液反応を行うことにより、気液反応を工業規模で大量かつ効率的に行うことができる。
〇マイクロナノバブル発生装置を用いて、反応気体のマイクロナノバブルを反応物質含有液体に含有させることにより、激しい撹拌を行うことなく液相と気相との接触面積を大きくでき、気液反応を効率的・経済的に行うことができる。
〇反応気体のマイクロナノバブルを含有させた反応物質含有液体を、マイクロナノバブル発生装置から液相に供給することにより、液相を撹拌することができ、気液反応を効率的・経済的に行うことができる。
〇マイクロナノバブル発生装置を反応槽内に設けることにより、反応槽内を安定的に高圧力に維持でき、装置の設置・運転・維持を経済的・効率的に行うことができる。(具体的には、マイクロナノバブル発生装置の内外圧差を小さくできるため、マイクロナノバブル発生装置の壁厚を小さくできる、既存のマイクロナノバブル発生装置を耐圧構造に変更することなく使用できる等の経済的なメリットがある。また、反応槽の外部に設ける装置、配管等の部材の種類、数等を最小限にできるため、高圧による液漏洩を防止する設備・手間を最小限に抑えることができる。)さらに、マイクロナノバブル発生装置からマイクロバブルを含んだ反応物質含有液体を供給する点までの距離を最小にすることで、配管中のマイクロナノバブルの合一による効率低下を防ぐこともできる。
As described above, the gas-liquid reaction apparatus of the present invention and the gas-liquid reaction method using the gas-liquid reaction apparatus exhibit the following excellent effects by including the first feature.
O Adopting batch-type or continuous process-type gas-liquid reaction, and performing gas-liquid reaction at high temperature and high pressure in an airtightly sealed reaction tank, the gas-liquid reaction is mass and efficient on an industrial scale. Can be done.
〇 By using the micro / nano bubble generator to contain reactive gas micro / nano bubbles in the reactant-containing liquid, the contact area between the liquid phase and the gas phase can be increased without vigorous stirring, and gas-liquid reactions can be carried out efficiently.・ Can be done economically.
〇 By supplying the reactant-containing liquid containing the reaction gas micro / nano bubbles to the liquid phase from the micro / nano bubble generator, the liquid phase can be agitated and the gas-liquid reaction can be carried out efficiently and economically. Can do.
O By providing the micro / nano bubble generator in the reaction tank, the inside of the reaction tank can be stably maintained at a high pressure, and the apparatus can be installed, operated and maintained economically and efficiently. (Specifically, since the internal / external pressure difference of the micro / nano bubble generator can be reduced, the wall thickness of the micro / nano bubble generator can be reduced, and the existing micro / nano bubble generator can be used without changing to a pressure resistant structure. (In addition, since the type and number of components such as equipment and piping provided outside the reaction vessel can be minimized, facilities and labor to prevent liquid leakage due to high pressure can be minimized.) Further, by minimizing the distance from the micro / nano bubble generating device to the point where the reactant containing liquid containing micro bubbles is supplied, it is possible to prevent the efficiency from decreasing due to the coalescence of the micro / nano bubbles in the pipe.

加えて、本発明の気液反応装置及びこの気液反応装置を用いた気液反応方法は、上記第2の特徴を備えることにより、次のような優れた効果を奏するものである。
〇液相の反応物質含有液体を一層効率的・経済的に撹拌することができる。
〇マイクロナノバブルの個数平均直径及び総バブル数を、マイクロナノバブル発生装置に供給される反応物質含有液体の圧力、流量だけでなく、反応槽の気相に存在する反応気体の圧力によっても調整することができる。
In addition, the gas-liquid reaction apparatus of the present invention and the gas-liquid reaction method using the gas-liquid reaction apparatus exhibit the following excellent effects by including the second feature.
O Liquid-phase reactant-containing liquid can be stirred more efficiently and economically.
〇 Adjust the number average diameter and total number of micro-nano bubbles not only by the pressure and flow rate of the reactant-containing liquid supplied to the micro-nano bubble generator, but also by the pressure of the reaction gas present in the gas phase of the reaction tank. Can do.

1 反応槽
2 液体供給装置
3 加圧気体供給装置
4 マイクロナノバブル発生装置
5 (反応槽の外部に設けた)ポンプ
6 (反応槽の内部に設けた)インターナルポンプ
7 反応槽撹拌機
8 反応気体のマイクロナノバブルを含有する反応物質含有液体を液相内部に導いて供給するための配管
A 反応物質を含有する液体(反応物質含有液体)
B 反応気体を含有する気体(反応気体)
C 反応槽の液相
D 反応槽の気相
E 反応槽の液相に存在する反応物質含有液体
F 反応槽の気相に存在する反応気体
G 反応気体のマイクロナノバブルを含有する反応物質含有液体
11 入口部
12 のど部
13 吸引部
14 気体入口
15 出口部
105 ポンプ
110 反応器
140 高せん断装置
207 フィルター
208 芳香族ニトロ化合物溶液
209 バイアル瓶
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reaction tank 2 Liquid supply apparatus 3 Pressurized gas supply apparatus 4 Micro nano bubble generator 5 Pump (provided outside the reaction tank) 6 Internal pump (provided inside the reaction tank) 7 Reaction tank agitator 8 Reaction gas For supplying the reactant-containing liquid containing micro-nano bubbles in the liquid phase and supplying it A Liquid containing reactant (reactant-containing liquid)
B Gas containing reaction gas (reaction gas)
C Liquid phase of reaction tank D Gas phase of reaction tank E Reactant-containing liquid present in liquid phase of reaction tank F Reactant gas present in gas phase of reaction tank G Reactant-containing liquid containing micro-nano bubbles of reaction gas 11 Inlet part 12 Throat part 13 Suction part 14 Gas inlet 15 Outlet part 105 Pump 110 Reactor 140 High shear device 207 Filter 208 Aromatic nitro compound solution 209 Vial

Claims (14)

気密に密封された反応槽と、該反応槽に反応物質を含有する液体を供給する液体供給装置と、該反応槽に加圧された反応気体を含有する気体を供給する加圧気体供給装置とを備えた気液反応装置であって、
前記反応槽内にはマイクロナノバブル発生装置が設けられ、
該マイクロナノバブル発生装置により、前記反応槽の液相に前記気体のマイクロナノバブルを発生させることを特徴とする気液反応装置。
An airtightly sealed reaction vessel, a liquid supply device for supplying a liquid containing a reactant to the reaction vessel, and a pressurized gas supply device for supplying a gas containing a pressurized reaction gas to the reaction vessel; A gas-liquid reactor comprising:
A micro-nano bubble generator is provided in the reaction vessel,
A gas-liquid reactor characterized in that the gas micro-nano bubbles are generated in the liquid phase of the reaction vessel by the micro-nano bubble generator.
前記マイクロナノバブル発生装置には、前記反応槽の液相に存在する前記液体及び前記反応槽の気相に存在する前記気体が供給され、前記気体のマイクロナノバブルを含有させた前記液体を、液相に供給することを特徴とする、請求項1に記載の気液反応装置。   The micro-nano bubble generator is supplied with the liquid present in the liquid phase of the reaction tank and the gas present in the gas phase of the reaction tank, and the liquid containing the micro-nano bubbles of the gas is liquid-phased. The gas-liquid reaction apparatus according to claim 1, wherein the gas-liquid reaction apparatus is supplied to the apparatus. 前記マイクロナノバブル発生装置が、液流を用いて駆動する方式のものであることを特徴とする請求項1または2に記載の気液反応装置。   The gas-liquid reaction apparatus according to claim 1 or 2, wherein the micro / nano bubble generation apparatus is of a system driven using a liquid flow. 前記マイクロナノバブル発生装置に前記反応槽の液相に存在する前記液体を加圧して供給し、これにより生じる負圧により前記反応槽の気相から前記気体を吸い込むことにより、前記液体にマイクロナノバブルを含有させることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の気液反応装置。   The liquid present in the liquid phase of the reaction vessel is pressurized and supplied to the micro / nano bubble generator, and the gas is sucked from the gas phase of the reaction vessel by the negative pressure generated thereby, so that the micro / nano bubbles are introduced into the liquid. The gas-liquid reaction apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the gas-liquid reaction apparatus is contained. 前記マイクロナノバブル発生装置が、前記反応槽の気相に設けられることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の気液反応装置。   The gas-liquid reactor according to any one of claims 1 to 4, wherein the micro / nano bubble generator is provided in a gas phase of the reaction vessel. 前記マイクロナノバブル発生装置が、前記反応槽の液相に設けられることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の気液反応装置。   The gas-liquid reactor according to any one of claims 1 to 4, wherein the micro / nano bubble generator is provided in a liquid phase of the reaction vessel. 前記マイクロナノバブル発生装置が、前記反応槽の気相及び液相に跨がって設けられることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の気液反応装置。   The gas-liquid reactor according to any one of claims 1 to 4, wherein the micro / nano bubble generator is provided across the gas phase and the liquid phase of the reaction vessel. 前記マイクロナノバブル発生装置に前記液体を加圧して供給する手段として、反応槽の外部に設置したポンプを用いることを特徴とする、請求項2〜7のいずれかに記載の気液反応装置。   The gas-liquid reaction apparatus according to any one of claims 2 to 7, wherein a pump installed outside a reaction tank is used as means for pressurizing and supplying the liquid to the micro / nano bubble generation apparatus. 前記マイクロナノバブル発生装置に前記液体を加圧して供給する手段として、反応槽の内部に設置したポンプを用いることを特徴とする、請求項2〜7のいずれかに記載の気液反応装置。   The gas-liquid reaction apparatus according to any one of claims 2 to 7, wherein a pump installed inside a reaction tank is used as means for pressurizing and supplying the liquid to the micro / nano bubble generation apparatus. 前記マイクロナノバブル発生装置に前記液体を加圧して供給する手段として、反応槽の内部に設けたポンプインペラを、反応槽の外部から電磁力、磁力等を印加して回転駆動することを特徴とする、請求項2〜7のいずれかに記載の気液反応装置。   As means for pressurizing and supplying the liquid to the micro / nano bubble generator, a pump impeller provided inside a reaction tank is rotationally driven by applying electromagnetic force, magnetic force, etc. from the outside of the reaction tank. The gas-liquid reaction apparatus in any one of Claims 2-7. 前記加圧気体供給装置は、前記反応槽の気相における前記気体の圧力に応じて、前記気体の供給量を制御する供給制御装置を備えることを特徴とする、請求項1〜10のいずれかに記載の気液反応装置。   The said pressurized gas supply apparatus is provided with the supply control apparatus which controls the supply_amount | feed_rate of the said gas according to the pressure of the said gas in the gaseous phase of the said reaction tank, The one of Claims 1-10 characterized by the above-mentioned. The gas-liquid reactor described in 1. 前記反応槽を気密に密封された状態に保持しつつ、前記反応槽の液相の前記液体を排出する排出装置を備えることを特徴とする、請求項1〜11のいずれかに記載の気液反応装置。   The gas-liquid according to any one of claims 1 to 11, further comprising a discharge device that discharges the liquid in a liquid phase of the reaction tank while maintaining the reaction tank in a hermetically sealed state. Reactor. 前記排出装置は、前記反応槽の液相の液位に応じて前記液体の排出量を制御する排出制御装置を備えることを特徴とする、請求項12に記載の気液反応装置。   The gas-liquid reaction device according to claim 12, wherein the discharge device includes a discharge control device that controls a discharge amount of the liquid in accordance with a liquid level of the liquid phase in the reaction tank. 前記請求項1〜13のいずれかに記載の気液反応装置により、反応物質を含有する液体と反応気体との反応を行うことを特徴とする、気液反応方法。   A gas-liquid reaction method, wherein a reaction between a liquid containing a reactant and a reaction gas is performed by the gas-liquid reaction apparatus according to any one of claims 1 to 13.
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