JP2018505040A - 流体混合構造、連続反応ユニット、連続反応反応器、およびその使用方法 - Google Patents
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Abstract
少なくとも２種の流体成分を混合するための流体混合構造（１０）は、流れ入口ポートおよび流れ出口ポートを有し、流体混合構造（１０）は、収縮ゾーン（１２）、膨張ゾーン（１４）および保持ゾーン（１６）を含み、これらのゾーンは、この順序で、流体混合構造（１０）内を流れかつ少なくとも２種の流体成分から構成される流体流の流入方向（ＩＦＤ）に配置され、流体混合構造（１０）は、膨張ゾーン（１４）および保持ゾーン（１６）によって形成された空間（３０）に配置された流れスプリッタ（３２）を含み、流れスプリッタ（３２）は、流体流を、流体混合構造内に形成された第１の流路および第２の流路をそれぞれを流れる第１の副流体流および第２の副流体流に分割し、かつ第１および第２の副流体流を空間（３０）内で混合して均質化流体流を発生させ放出し、流れスプリッタ（３２）は、第１および第２の副流体流のそれぞれのいかなる流れ要素にも、それらが混合される前に流入方向（ＩＦＤ）で非ゼロ平均流れ成分を持たせるように配置され構成される。【選択図】図２Ａ
Description
本発明は、流体混合構造、連続反応ユニット、連続反応反応器、およびその使用方法に関する。
連続流技術は、たとえば医薬の研究および初期プロセス開発において、伝統的なバッチ操作に代えて使用することができる。ある場合には、特定のタイプの反応器、即ちマイクロリアクタを使用することが有利であり、マイクロリアクタにおいては、内部に形成されるプロセス流体チャネルの特定の寸法が比較的小さい。有利なことに、上述のタイプの反応器は、より小さい流量（マイクロリアクタ）からより大きい流量に至るまで規模を縮小拡大することが可能であり、規模拡大または規模縮小のためには、流体物理の法則で、均等な流動様式（流動パターン）、したがって反応条件が実現されるように、プロセス流体チャネルの設計の適切な修正が必要になる。たとえば、より小さい寸法のマイクロリアクタは、その表面積対体積比を増大させ、壁面−流体熱伝達率が高まることにより、より過酷な反応条件が可能になる。しかし、より小さいプロセスチャネルでの合成速度は、しばしば、輸送現象が拡散により推進されそのため比較的遅い層流様式をもたらす。
ＷＯ２００９／００９１２９Ａ１は、その内部を通ることにより多量の流量が分割される並列の混合機（その明細書で使用されるこの用語は、本発明の「混合構造」に相当する）を組み合わせることによる手法について記載している。この手法は、多相反応の場合、様々な問題に直面する。その理由は、多数の並列の混合機間の流れの均一な分布は、連続相と分散相の間の移動界面によって発生する圧力変動に起因して、制御システムなしでは確実にできないからである。その結果、各列の混合機は、異なる流量および反応物比を有する可能性がある。さらに、ＷＯ２００９／００９１２９Ａ１に開示されているスペード形様流体混合構造は、対称形状を有するが、それ自体が、泡が再度接合し凝集する強力な傾向があるという欠点を有する。加えて、この構造の対称曲率は、流量の特定の範囲に関して、並列流に類似した流動様式を生成するように特に適合させられる。そのような曲率の遠心力は、より稠密な流体を外周に向かって押し、多相システムに不適切な、平行状態の流動様式への相の凝離が生じ易くなる可能性がある。
多相システム内では、流動様式または流動パターンとも呼ばれるものは、成分の幾何学的分布またはトポロジーである。幾何形状は、相間の質量、運動量またはエネルギー交換に利用可能な界面領域に、強力に影響を及ぼす可能性がある。さらに、各相または成分内の流れは、その幾何学的分布に明らかに依存することになる。
混合効率を高めるために、層流ではなく遷移または乱流に似ている流れ場をもたらす二次流動様式を、発生させる技法が使用される。これはたとえば、曲率、収縮ゾーン、膨張ゾーン、流れの分割および再結合、ならびに障害物を含む、プロセス流体チャネルの特定の幾何形状を利用する、受動的混合技法を用いることによって行うことができる。
単相の適用例の場合、接触要素、たとえばＴ接合を使用して、流体成分を混合し、その後、障害物のないチャネルによって滞留時間を設けかつ反応を完了させてもよい。多相の適用例の場合、この手法は一般に、接触要素の後に、スラグまたは平行／環状流様式をもたらす。スラグ流内の再循環運動は、その内部を均質化し（即ち、より均質になりまたは均質性を高める）、界面の境界層の厚さを低減させ、したがってチャネル軸に沿った質量移動速度を増大させる。平行流が生じた場合、質量移動は、分子の側方（チャネル軸に直交する）拡散に依存し、高い移動率が、より小さい幾何形状でのみ実現され、その拡散距離は短くかつ相対表面積は大きい。
あるいは、多数の連続流体混合構造を組み込んだ、より複雑なマイクロリアクタを使用してもよい。そうすると接触要素は、混合機と滞留時間モジュールの両方として役立つ。エネルギーの連続散逸は、反応器の容積全体にわたるスラグよりも小さい分散を、発生し維持する可能性がある。この手法の欠点は、概してより大きい圧力損失および／またはより短い滞留時間である。
本発明の目的は、連続反応反応器、たとえばマイクロリアクタ内を流れる流体を形成する流体成分の混合挙動または性能を改善することであり、結果として、反応挙動、あるいは流体成分または流体成分を形成するもしくはその一部である反応物の挙動を、改善することである。
この目的は、請求項１の流体混合構造、請求項１４の連続反応ユニット、請求項２２の連続反応反応器、および請求項２５の方法によって達成される。有利な修正例は、従属クレームに定義される。
本発明の流体混合構造およびその単一通路は、多相反応の場合に特に有用であることが見出された。規模拡大の場合、混合機のサイズは、３／７乗則に従い増大させることができ、反応物の流れは、供給ポンプによって制御することができ、分割する必要がない。
本発明の流体混合構造は、少なくとも２種の流体成分で構成された流体流の、改善された混合を提供し、これら少なくとも２種の流体成分またはそれらが輸送する物質は、互いに反応してもよいものである。流体流および物質は、それぞれプロセス流体流および反応物と、ここでは呼ばれる。即ち、本発明の流体混合構造は、反応物を流体混合構造内に通すことにより反応物の密接な接触を確立することによって、反応物同士のより良好な反応条件の基礎を提供する。具体的に、本発明の流体混合構造は、１相が別の相に均等に分散している混合物が得られるように、多相流体成分を混合させる。
一般に、混合される流体成分は、同じ相のものまたは異なる相のもの（単相または多相の適用例）であってもよい。
本発明によれば、流体混合構造には、少なくとも２つの供給流の流れを混合することによって発生する流体流が、連続的に通過する。具体的に、流体混合構造は、連続反応ユニットに組み込まれてもよく、それが連続反応反応器の一部になってもよい。
本発明によれば（請求項１）、少なくとも２種の流体成分を混合するための流体混合構造は、流れ入口ポートおよび流れ出口ポートを有し、流体混合構造は、収縮ゾーン、膨張ゾーンおよび保持ゾーンを含み、これらのゾーンはこの順序で、流体混合構造内を流れるかつ少なくとも２種の流体成分から構成される流体流の流入方向に配置されており、流体混合構造は、膨張ゾーンおよび保持ゾーンによって形成された空間に配置された流れスプリッタを含み、流れスプリッタは、流体流を、流体混合構造内に形成された第１の流路および第２の流路をそれぞれを流れる第１の副流体流および第２の副流体流に分割し、かつ第１および第２の副流体流を空間内で混合して均質化流体流を発生させ放出し、流れスプリッタは、第１および第２の副流体流のそれぞれが混合される前のいかなる流れ要素にも、流入方向で非ゼロ平均流れ成分を持たせるように、配置され構成される。
本発明の流体混合構造は、３つのゾーン、第１の収縮ゾーン、膨張ゾーンおよび保持ゾーンを含む。収縮ゾーンは、流れ断面を低減させるゾーンであり（動圧を増加させ、静圧を減少させる）、膨張ゾーンは流れ断面を増大させるゾーンであり（動圧を減少させ、静圧を増加させる）、保持ゾーンは、本質的に一定の断面のゾーンである。好ましくは、収縮ゾーンの壁のそれぞれは、流れ断面直線に沿って長手方向に延びて、流入方向で直線的に減少する。好ましくは、膨張ゾーンの壁のそれぞれは、円の弧に沿って延びる。本発明によれば、流体混合構造内を流れる流体流は、少なくとも２種の流体成分から構成される。流体混合構造内に流れる前に、これら２種の流体成分は、ある特定の、しかし不十分な程度に混合される。たとえば、２種の流体成分は、異なる供給ポートから生じる可能性があり、混合するのが困難である可能性があり、または不混和性である可能性がある。本発明によれば、流れスプリッタは、（ｉ）流体混合構造に進入する流体流を分割しまたは分けて、第１および第２の副流体流にするのに役立ち、（ｉｉ）（膨張ゾーンおよび保持ゾーンの壁と一緒に）第１および第２の副流体流を混合して、それらの混合状態を改善するのに、即ち流体流を均質化するのに役立つ。特殊な状況を除き、第１および第２の副流体流のそれぞれは、少なくとも２種の流体成分を含有することに留意すべきである。本発明によれば、流れスプリッタは、第１および第２の副流体流のそれぞれのいかなる流れ要素にも、それらが混合される前に、流入方向で非ゼロ平均流れ成分を持たせるように、配置され構成される。流れ要素は、その時間依存的速度（ベクトル）によって定義されかつ流れ要素が辿る流線の基礎を形成するそれぞれの流れの、任意に小さい概念的に定められた部分または領域である。即ち、流れスプリッタは、第１および第２の副流体流のそれぞれの順方向の流れが保証されるように、配置され構成される。言い換えれば、流れスプリッタは、副流体流のそれぞれが、流入方向に対して９０°よりも小さい角度で逸れるように、配置され構成される。９０°未満の角度の逸れは、流体の密度差に起因して流体の凝集が誘発され得る強力な遠心力の形成を、回避するのに重要である。流れスプリッタの配置および構成パラメータは、その一般的な形状（三角形、平行四辺形など）、サイズ、向き、および空間内の位置である。これらの向きおよびサイズは、空間のサイズおよび流れパラメータ（流体の流量および粘度、多層系の密度および界面張力）にも依存する。
有利には、本発明の流体混合構造は、曲線を回避し、上記および下記の混合構造を使用する。本発明の混合構造は、最大３００，０００ｍ2／ｍ3の表面積（Chevalier et al., Chim. Oggi. 26 (200) 38-24により公表された１４，０００ｍ2／ｍ3、またはNieves-Remacha et al., Ind. Eng. Chem. Res. 51 (2012) 16251-16262により公表された１１，０００ｍ2／ｍ3に比べて）を有する液滴を発生させることができることが、実験により証明された。
有利な修正例によれば（請求項２）、少なくとも２つの流路は、その形状および／長さが異なって、前記空間内で第１および第２の副流体流を、位相を散逸させるように混合する。
ここで、「位相を散逸させるように」とは、異なる流路に起因して、２つの副流体流が、それらが混合される前に異なる距離を移動することを意味する。位相散逸は、さらに大きい液滴が存在するときの混合開始時に重要であるが、それは流れスプリッタの下流のそれら大きい液滴の凝集が回避されるからである。好ましくは、位相散逸は、流れスプリッタが、鏡面対称を有しかつその対称軸が流入方向と一致するように配置されていてもその方向に対して軸外に配置されること、および／またはそのような形状を有する流れスプリッタが、それらの軸が一致しないように配置されること、および／または流れスプリッタが、従来技術とは異なる非対称形状を有することの、何れかで実現される。流入方向は、収縮ゾーン内を流れる流体流の平均流れ方向と定義されることに留意すべきである。構造的には、その長手方向の断面の流体混合構造のゾーンが鏡面対称を有する好ましい場合には、流入方向は対称軸に一致する。流れスプリッタは、異なる光路を通った後に組み合わされる２本のビームを発生させる、光学部品のビームスプリッタにたとえられてもよい。
有利な修正例によれば（請求項３）、流体混合構造の長手方向の断面において、流れスプリッタは多角形状またはその形状に同相の形状を有する。
流体混合構造の長手方向の断面は、流入方向に本質的に平行な断面であり、上述のゾーンの対称的な配置において、その対称軸を含む。流体混合構造の長手方向の断面は、流体混合構造がその部分である、請求項３で導入されるプロセス流体チャネルシステムの長手方向の断面と同じ断面である。即ち、プロセス流体チャネルシステムのチャネルの中心線は、長手方向の断面の平面内にあり、したがってチャネルのコースは、２つのパラメータのみ（当然のこととして、チャネルの厚さのばらつきは許容される）によって記載することができる。同相は、トポロジーの数学の分野で使用される用語であり、連続逆関数を有する位相空間同士の連続関数を意味する。本修正例に適用される場合、これは流れスプリッタの多角形状の任意の縁部が、好ましくは丸みの付いた縁部であってもよいことを意味する。たとえば、平行四辺形に同相である形状はフレーム（炎形）と記載されてもよく、そのフレームの先端は、丸みの付いた縁部ではない対向する縁部の１つであり、それに対して平行四辺形のその他の側縁は鋭い縁部であり、対角線の定義が可能であり、対角線は流入方向に一致し、その２つの側面は、流入方向とは反対の方向を指し示す先端を形成し、それぞれ第１および第２の副流体流に沿って延びている。即ち、平行四辺形の場合と平行四辺形に同相な形状の場合の両方で、混合構造は対角線を有し、即ち２つの頂点を有し、通常通り対角線を、２つの不連続な頂点または角頂を結ぶ線分と定義する。平行四辺形および同相形状の場合、これらの頂点は互いに対向する。好ましくは同相形状は、他の２つの隅に丸みを付けることによって平行四辺形から創出されると考えられてもよい。したがって同相形状は、第１の辺を持たず（第１の辺は、１点に集中し）、２辺を持つフレーム様形状であり、この２辺は、第２および第３の辺を表す（上記にて定義された専門用語）。上述の三角形と同様に、この有利な修正例による両方の構造は、そのそれぞれの、混合構造内での寸法、位置および向きを調節することによって、適合させることができる。あるいは、同相形状は、丸みの付いた辺が流入方向とは反対を向いている液滴様形状であってもよい。好ましくは液滴は、非対称であってもよく、その先端が、流入方向に対して９０°よりも小さい角度を有する方向を指し示している、曲げ全体構造を含む。
有利な修正例によれば（請求項４）、多角形状は、収縮ゾーンに対向しかつ流体流を第１および第２の副流体流に分割するバッフルとして働く第１の辺と、第１の副流体流に沿って延びる第２の辺と、第２の副流体流に沿って延びかつ第２の辺に接続されてほぼ下降流方向を指し示す先端を形成する第３の辺とを有する。
流れスプリッタは、その第２および第３の辺によって形成されるヘッド角の二分線によって定義され得る、ほぼ下流方向（即ち、流入方向に成分を有する方向）を指し示す矢じりと、一般に比較されてもよい。この修正例によれば、バッフルとして働く第１の辺は、複数の平面または湾曲した表面（下記参照）から構成されてもよく、これら表面の隣接する２つは、丸みの付いた縁部により接続されても接続されなくてもよいことに、留意すべきである。バッフルは、上述のように、副流体流が９０°よりも小さい角度で再度方向付けされるように、配置され構成されなければならない流れ分割機として働く。具体的に、流れスプリッタと第１の収縮ゾーンとの間の距離は、第１の辺が流入方向に直交して延びる単一表面で作製される場合、比較的長くしなければならず、第１の辺が凸形状の場合には、比較的小さくすることができる。上記から、第１の辺は、プロセス流体流の上流方向に開放するスペードまたはシャベルのような、凹形状を持つことができないことが明らかである。
有利な修正例によれば（請求項５）、第２および第１の辺は、三角形の辺を形成する。
即ち、上記にて予測されたように、第１の辺は単一表面であってもよい。三角形のタイプは、ここでは指定しない。事実、三角形は、（ｉ）第１の辺が、混合構造に進入する流体流を流動分割するバッフルとして働くように適合され、（ｉｉ）第１および第２の副流体流が混合される境界条件が満たされる限り、任意の形状を有していてもよい。位相を散逸させるように副流体流を混合する場合、第１および第２の副流体流に対応する副通路はそれぞれ、異なる形状、サイズおよび／または長さを有する。
有利な修正例によれば（請求項６）、三角形は、二等辺三角形である。
二等辺三角形の場合、ゾーンおよびそれらの配置が対称であるなら、第１および第２の副流体流は、流れスプリッタの位置および／または向きを適切に調節することによってのみ、位相を散逸させるように混合できることに留意すべきである。好ましくは、三角形流れスプリッタは、対称的な配置から離れて垂直にシフトされ、かつ／またはその対称的な配置から外れて回転される。
有利な修正例によれば（請求項７）、三角形は直角三角形であり、第２および第３の辺の一方が隣辺を形成しかつ流入方向に平行に延び、第２および第３の辺の他方が斜辺を形成する。
この有利な修正例による混合構造は、その対称軸が混合構造の真っ直ぐな中心線に一致しており（流入方向に平行）かつその第２または第３の辺が中心線と平行になって隣辺の１つを形成するように点角がシフトしている（隣辺のもう１つは、第１の辺によって形成される）、二等辺三角形から開始することによって、創出されると考えてもよい。ここでは、第１の辺が単一表面で作製される（頂点なし）全ての場合に、三角形は、第１の辺と流入方向との間の非直交性がおそらくは上述の境界条件を侵す可能性があるので、好ましくは回転されない。
有利な修正例によれば（請求項８）、第１の辺は、流入方向とは反対の方向を指し示す頂点を有し、この頂点は、それぞれの流れ分割点として役立つ。
上記とは対照的に、第１の辺は、流れの分割を改善するために、２面の辺である。上述のように、この場合、混合構造は、上記にて論じた１面の辺の場合に比べて第１の収縮ゾーンに前進することができる。この構造には、３つの追加の自由度、つまり位置に関する２つの自由度と構造に関する１つの自由度：（ｉ）表面を形成する頂点同士の角度、（ｉｉ）中心線に対する頂点の距離、および（ｉｉｉ）中心線に対する全体としての流れスプリッタの回転角がある。
有利な修正例によれば（請求項９）、形状は、その鋭角状の先端の１つが流体流のほぼ上向きの流れ方向を指し示す、平行四辺形である。
ほぼ上向きの流れ方向は、流入方向とは反対の方向に成分を有する方向である。ほぼ上向きの流れ方向の一致とは、その鋭角先端の１つを通り抜ける平行四辺形の対角線に一致することと定義されてもよい。
有利な修正例によれば（請求項１０および１１）、少なくとも２つの流体成分の少なくとも１つは、それぞれ液体または気体である。即ち、２つの流体成分のそれぞれは、液体または気体の何れかであってもよく、したがって流体流は気体−気体流、気体−液体流、または液体−液体流であってもよい。
有利な修正例によれば（請求項１２）、流体混合構造は、少なくとも部分的に金属で作製される。
金属は、優れた熱伝導率（たとえば、ガラスよりも大きい）を有し、したがって、より良好な放熱が可能になる。このため、たとえばガラスが耐えることのできない高濃度アルカリ溶液との反応を行うことが可能になる。
有利な修正例によれば（請求項１３）、混合構造は、内部にプロセス流体チャネルシステムが形成された連続反応ユニットの一部であり、複数の反応物の連続反応のための、または生成物流体流として連続反応ユニットから流出する少なくとも１種の生成物を形成するための供給流体流として連続反応ユニットに供給される流体成分の抽出プロセスを強化するための混合構造を含む。
即ち、この修正例によれば、これまで述べてきた流体は、連続反応ユニットのプロセス流体チャネルシステムに流入するプロセス流体であると特定され、この「反応」は化学反応である。連続反応ユニットは、そのそれぞれが液体または気体のいずれかであり得る複数のプロセス流体を案内するように適合されたプロセス流体チャネルシステムの本質的な部分を形成するプロセス流体チャネル内で、化学反応が連続的に生ずるデバイスである。したがって連続反応ユニットは、いわゆるバッチ式ユニットとは対照的である。典型的なプロセス流体チャネルは、たとえば反応／反応物、連続反応ユニットのサイズ、流量に応じて、数ミクロン〜数ミリメートル程度の横寸法を有する。本修正例によれば、複数の反応物が、供給流体流として連続反応ユニットに供給される。即ち、供給流体流のそれぞれは、複数の反応物の１種そのものを形成してもよく、または複数の反応物の１種以上を輸送するキャリア媒体として役立ててもよい。好ましくは、複数の供給流体流の２種以上の初期供給流体流が、第１の生成物を形成する第１の反応に関与する反応物を形成しまたは含有してもよく、一方、さらなる複数の供給流体流の１種以上が、第１、第２などの中間体生成物が予め形成された後にチャネルに連結されてもよい。即ち、Ａ１、Ａ２．．．Ａｎが、混合されて第１の化学反応を引き起こすことによって第１の中間体生成物流体流Ｐ１を形成するｎ個の供給流体流である場合、さらなる複数の供給流体流の１種をＰ１と組み合わせて、第２の中間体生成物流Ｐ２または上記で定義された生成物流体流Ｐ等を形成してもよい。好ましくは、Ａ１〜Ａｎ初期供給流体流を組み合わせて、Ｐ１〜Ｐｍ（但し、ｍ＜ｎである）生成物供給流を形成する。供給流体流のそれぞれが、上述のように、複数の反応物の１種そのものを形成してもよく、または複数の反応物の１種以上を輸送するキャリア媒体として役立ててもよい点に鑑み、供給流体流の数は反応物の数と異なってもよいことに留意すべきである。
本発明によれば（請求項１４）、連続反応ユニットには、その内部に、請求項１〜１２の何れか１項に記載の少なくとも１つの流体混合構造によって形成された少なくとも１つの反応通路を含むプロセス流体チャネルシステムが形成されている。
したがって反応ユニットは、少なくとも１つの反応通路を含む、したがって少なくとも１つの流体混合構造、即ち収縮ゾーン、膨張ゾーン、および保持ゾーンを含んだ流体混合構造を含む、プロセス流体チャネルシステムを含む。
有利な修正例によれば（請求項１５）、連続反応ユニットは、少なくとも１つの滞留通路を含む。
したがって、合わせると、本修正例によれば：反応ユニットは、少なくとも１つの反応通路と少なくとも１つの滞留通路とを含むプロセス流体チャネルシステムを含み、この少なくとも１つの反応通路は、少なくとも１つの流体混合構造を含み、即ち収縮ゾーン、膨張ゾーンおよび保持ゾーンを含む。滞留通路は、互いに反応する時間を反応物に与える混合構造がない（上記のように「障害物がない」とも呼ばれる）通路である。しかし滞留通路内であっても、混合は、拡散によって生じることになる。事実、滞留通路では、凝集が促進されないので混合が促されることになる。しかし、所与の環境における反応物の反応性に応じて、反応は、流体混合構造内で予め生じることに留意すべきである。即ち、化学反応の出現は、通常、連続反応ユニットの構造との関連において、局所的に分離させることはできない。好ましくは、少なくとも１つの反応通路および少なくとも１つの滞留通路が配列される。あるいは、特に供給流体流および生成物流体流を配置する上述の本発明の可能性に鑑み、少なくとも１つの反応通路および少なくとも１つの滞留通路は、直線的に配置されなくてもよく、チャネルネットワークを形成してもよい。好ましくは、少なくとも１つの反応通路の少なくとも１つの少なくとも一部は、直線に沿って配置される。最も好ましくは、少なくとも１つの反応通路のそれぞれが、直線に沿って配置され、即ち混合構造は、湾曲した通路に配置されていない。好ましくは、滞留通路を形成するプロセス流体チャネルの深さは、より大きい体積が得られるようにかつより長い滞留時間が可能になるように、反応通路を形成するチャネルよりも深い。プロセス流体チャネルは、典型的には、反応／反応物、連続反応ユニットのサイズ、流量などに応じて、数マイクロメートル〜数ミリメートル程度の横寸法を有する。好ましくは、滞留通路を形成するプロセス流体チャネルの深さは約２ｍｍであり、それに対して反応通路を形成するチャネルの深さは約１．２５ｍｍである。
有利な修正例によれば（請求項１６）、少なくとも１つの反応通路および少なくとも１つの保持通路は、プロセス流体チャネルシステム内に交互に配置される。
即ち、複数の混合構造の何れかの出口が後に続く構造の入口に直接接続される、真珠の首飾りのように配置された、反応通路を形成する複数の混合構造Ｍの後に、保持通路Ｒが続く：ＭＭＭ Ｒ ＭＭ Ｒ ＭＭＭＭ Ｒ．．．．（ここで、この鎖中のＭの数は、原則として任意である）。
有利な修正例によれば（請求項１７）、プロセス流体チャネルシステムは、複数の真っ直ぐな通路および湾曲した通路を含む蛇行様構造であり、別の有利な修正例によれば（請求項１８）、少なくとも１つの反応通路が、複数の真っ直ぐな通路の１つに配置される。
湾曲した通路は、任意の曲率半径を有していてもよい。好ましくは、湾曲した通路は、比較的小さいサイズの連続反応ユニット内に長い全長を蛇様に収容するため、流れ方向を約１８０°変化させるＵターン形である。好ましくは、プロセス流体チャネルシステムは、単純な幾何学的長手形状を有しかつ流体混合構造を接続する、チャネルから構成される。好ましくは、形状は円弧状であっても直線であってもよい。
有利な修正例によれば（請求項１９）、連続反応ユニットは平面平行板の形状を有し、プロセス流体チャネルシステムの長手方向断面は、平面平行板の向かい合う面に平行である。
即ち、連続反応ユニットは直方体であり、２つの最大面が互いに平行で、それらの間には、プロセス流体チャネルシステムが収容される空間が画定される。逆に言えば、プロセス流体チャネルシステムがその空間に埋め込まれている。長手方向断面は、２つの外面に平行である。好ましくは、長手方向断面は、プロセス流体チャネルシステムに対して長手方向に交差する。
有利な修正例によれば（請求項２０）、平面平行板は、長手断面に共に一致するそのそれぞれの接続面で互いに接続された、２つのサブプレートを含む。
即ち、プロセス流体チャネルシステムは、プロセス流体チャネルシステムの一部がそれぞれ設けられている２つのサブプレートを組み合わせることによって、製造される。好ましくは、反応ユニットの平面平行板に起因して、チャネルのどの断面も長方形である。具体的には、そのような場合および上記の代わりとして、プロセス流体チャネルはサブユニットのただ１つに完全に埋め込まれるが、それらの他のものは、カバーまたは蓋として役立つ。好ましくは、カバーは透明で、反応ユニット内で生じる反応および混合プロセスの目視検査が可能になる。
有利な修正例によれば（請求項２１）、連続反応ユニットは、連続反応反応器の一部である。
好ましくは、連続反応反応器は、それぞれが好ましくは平面平行板の形状を有する複数の連続反応ユニットを含む。好ましくは、これらの板の全てが配置されかつ互いに取着されて、積層体を形成する。好ましくは、連続反応反応器を形成する複数の連続反応ユニットは、単一の大型連続反応ユニットとして働くように動作可能に接続される。即ち、連続反応反応器は、折込み型大型連続反応ユニットと考えてもよい。あるいは、複数の化学反応が、連続反応反応器を形成する連続反応ユニットを別々にグループ分けすることによって、その連続反応反応器内で一度に行われる。
本発明によれば（請求項２２）、連続反応反応器は、請求項１３〜１９の何れか１項に記載の少なくとも１つの連続反応ユニットを含む。
有利な修正例によれば（請求項２３）、連続反応反応器はさらに、プロセス流体チャネルシステムの温度を熱で調節するため、熱交換流体を収容し案内するための熱交換流体チャネルシステムを含む少なくとも１つの熱交換ユニットを含む。
好ましくは、少なくとも１つの熱交換ユニットは、少なくとも１つの連続反応ユニットと同様に設計される。好ましくは、それらのそれぞれは、平面平行板の形状を有する。好ましくは、少なくとも１つの連続反応ユニットおよび少なくとも１つの熱交換ユニットは交互に配置されて、固定された積層体を形成する。好ましくは、少なくとも１つの熱交換ユニットは、少なくとも１つの連続反応ユニットの個別制御が可能になるように、別々に制御可能である。
有利な修正例によれば（請求項２４）、反応器はマイクロリアクタである。
小規模のマイクロリアクタは、その表面積対体積比を増大させ、壁面−流体熱伝達率が高まることにより、より過酷な反応条件が可能になる。この利点は、潜在的に、反応プロセス流同士を密接に接触させることによって多相反応に拡げることができる。
本発明によれば（請求項２５）、少なくとも２種の流体成分を含む流体流を混合するための方法は、請求項１〜１２の何れか１項に記載の流体混合構造を使用する。
本発明によれば（請求項２６）、流体供給流として連続反応ユニットにそれぞれ供給される複数の反応物から、請求項１３〜２０の何れか１項に記載の連続反応ユニットを使用して、液体生成物流として少なくとも１種の生成物を連続的に形成するための方法。
有利な修正例によれば（請求項２７）、連続反応ユニットは、請求項２２〜２４の何れか１項に記載の連続反応反応器の一部である。
本発明のその他の目的および利点は、添付図面を参照しつつ、好ましい態様の以下の詳細な説明によってより良く理解されよう。
まず、図２Ａ〜３Ｃの全ての態様に共通する、本発明による平面平行板の形状を有する流体混合構造１０の原理設計について、図２Ａを参照しながら代表的に説明する（図２Ａの参照番号によって定められる全ての要素は、その他の図でも見出される）。図２Ａ〜３Ｃは、流体混合構造１０の長手方向断面を示す。
図２Ａの流体混合構造１０は、図の下から上の方向に混合構造１０を通過する流体流の流入方向ＩＦＤに一致する対称軸ＳＡに沿って鏡面対称的に配置された、収縮ゾーン１２、膨張ゾーン１４および保持ゾーン１６を含む。流体混合構造１０の高さ方向は、保護平面に直交する。ゾーン１２、１４および１６は、それぞれ底部１８、２０および２２、それぞれのカバー（図示せず）、ならびに側壁２４、２６および２８によってそれぞれ形成される。図２Ａに示されるように、ゾーン１２、１４および１６の長手方向断面（上面図）はそれぞれ、三角形、半円および長方形をそれぞれ、本質的に形成する。膨張ゾーン１４と保持ゾーン１６との組合せである空間３０内には、膨張ゾーン１４に進入した直後に、流体混合構造１０に流入する流体流を分割しまたは分ける流れスプリッタ３２が配置されている。流れスプリッタ３２は、空間３０を、図２Ａの流れスプリッタ３２の左側の左流路３４と、流れスプリッタ３２の右側の右流路３６とに分離する。左および右流路（それぞれ、第１および第２の副流体流に関する）３４および３６は、それぞれ混合されて流れスプリッタ３２の後方の単一流路に至る。図２Ａに示されるように、流れスプリッタ３２は、収縮ゾーン１２と膨張ゾーン１４との間の界面から距離ｄだけ離れている。距離ｄは、後述する流れスプリッタ３２の特定の形状、流体流のパラメータ（たとえば、流速）、および流体そのもの（たとえば、粘度）に依存し、通常は実験により決定され最適化される。通常は流れスプリッタ３２の流れ混合表面３８、４０に沿って生じ、かつ流体流が渦巻くのを防止するデッドゾーンは、可能な限り回避されることに留意すべきである。
図２Ａ〜３Ｃは、流れスプリッタ３２の長手方向断面を示す。即ち、図２Ａの流れスプリッタ３２（の長手方向断面）は平行四辺形であり、図２Ｂでは、ほぼ（！）三角形であり、図２Ｃでは長方形であり、図３Ａ〜３Ｃのそれぞれでは、フレーム様構造である。
全ての変形例では、流れスプリッタ３２の流れ上流側頂点４２および流れ下流側頂点４４を通過する対角線ｄが、定められてもよい（明瞭にするために、図２Ａでは示していない）。対角線ｄは、図２Ｂに示すように、対称軸ＳＡまたは流入方向ＩＦＤに対して角度αだけ傾いていてもよい。
図２Ｂで流れスプリッタ３２は、多角形の特殊な場合として四角形の形状を有し、これは、その先端（その頂角を形成する等しい長さの２つの脚によって形成される）が図２Ｂの右側にシフトしており、かつその基部（その流れ上流側がバッフルとして働く）が屈折点または頂点４２を形成している、対称的に配置された二等辺三角形から発生させたと考えることができる。
図３Ａ〜３Ｃでは、流れスプリッタ３２はフレームの形状を有し、これは図３Ａ〜３Ｃに示される「フレーム」に外接する長方形の同相写像によって、即ち長方形を連続的に変形させることによって、発生したと考えることができる。図３Ａ〜３Ｃから、流れスプリッタ３２の形状およびサイズは、最適な流れおよび混合特性が実現されるよう、任意に修正できることが明らかである。
図４Ａおよび４Ｂは、供給流体流を導入するための供給ポート５０、および生成物流体流を放出するための放出ポート５２を含む、プロセス流体チャネルシステム４８を形成する、本発明の混合構造１０の連結をそれぞれ含む、連続反応ユニット４６の変形例である。具体的に、プロセス流体チャネルシステム４８は、複数の混合構造１０からそれぞれが構成される複数の反応通路５４と、混合構造１０のない複数の滞留通路５６とを含む。具体的に、図４Ａに示される連続反応ユニット４６は、Ｕターン形状の滞留通路５６のみ有し、一方、プロセス流体チャネルシステム４８の全ての真っ直ぐな通路は、複数の混合構造１０によって形成される。具体的に、混合構造１０はＵターン内に配置されていない。対照的に、図４Ｂに示されるプロセス流体チャネルシステム４８では、滞留通路５６が真っ直ぐな通路内にも設けられている。図４Ａに示される構造と同様に、反応通路５４はＵターン内に配置されていない。
図５は、本発明を適用することができる、同じ出願人のＷＯ２００７／１１２９４５Ａ１で公表された従来技術の反応器の斜視図（その図１）である。この反応器では、参照番号１〜６が、本発明の連続反応ユニット４６に対応する「プロセスモジュール」を指し、参照番号７は、本発明の有利な態様と同様に、プロセスモジュールと交互に配置された「熱交換モジュール」を指す。即ち、本発明によれば、複数の本発明の連続反応ユニット４６は、熱交換流体チャネルシステムを含む複数の熱交換ユニット（本発明の用語による）と一緒に配置して、連続反応ユニット４６で生ずる化学反応に最適な温度様式を確実にすることができる。
［実施例］
流体混合構造を、それらの混合性能に関して評価し比較するために、試験反応を実施した。質量移動調査に適切な試験反応は、動力学的に制限されないと考えられるように十分速くなければならない。次いで反応物の変換は、質量移動速度に比例し、相間質量移動係数の直接的な計算を可能にする。
流体混合構造を、それらの混合性能に関して評価し比較するために、試験反応を実施した。質量移動調査に適切な試験反応は、動力学的に制限されないと考えられるように十分速くなければならない。次いで反応物の変換は、質量移動速度に比例し、相間質量移動係数の直接的な計算を可能にする。
酢酸４−ニトロフェニルの２相アルカリ加水分解：
を、その迅速な固有の動態および分析のし易さに起因して、使用した。この迅速な液体−液体反応は、測定された変換率からの、質量移動速度およびその輸送係数の直接的な計算を可能にする。流れの撮像により、異なる流動様式を明らかにし、それらを質量移動で観察された傾向に関連付けることが可能になる。
アセテートを有機溶媒に溶解し、アルカリ水溶液によって加水分解する。出口を、酢酸、アセトニトリル、および水の溶液でクエンチ処理し、ＨＰＬＣによって分析する。ｎ−ブタノールおよびトルエンを有機溶媒として使用することによって、広範な相の物理的性質がカバーされ、多くのシステムでの流体混合構造性能に関する基準線が提供される。
図１Ａ、１Ｂ、および１Ｃは、ＳＺ流体混合構造（１Ａ）、鎌状流体混合構造（１Ｂ）、およびスペード流体混合構造（１Ｃ）と呼ばれる構造内で、様々な流量で、酢酸４−ニトロフェニルのアルカリ加水分解の溶媒としてｎ−ブタノールを使用して得られる様々な流動様式を示す。蛇行流チャネルであるＳＺ流体混合構造（図１Ａ）は、文献で周知であり、鎌状流体混合構造（図１Ｂ）は、三角形の障害物と曲線とを組み合わせた混合機であり、両方とも本発明者らにより開発されている。スペード流体混合構造は、ＷＯ２００９／００９１２９Ａ１に開示されたものと同様である。
図１Ａ、１Ｂ、および１Ｃから、これら構造の全ては混合に関して、したがって反応に関して、不利である平行流様式を生成することが明らかである。スペード様構造の場合に加え、Woitalka et al. (Chem. Eng. S., 2014)によって、平行流様式に対応する低流量（または長い滞留時間）での層状化流動様式が観察された。
図１Ｄに示されるように、本発明による混合性能（直方体またはトーチ混合構造）は、上記論じた構造（図１Ａ〜１Ｃ）とは対照的に、平行流動様式を生成しないことが明らかである。さらに、完全分散流、ここでは、高い質量移動速度を示す識別不能なエマルジョンと定義される、が、わずか７ｍＬ／分よりも高い全体流量で、本発明によって得られた。
本発明によって実現された混合性能は、有機溶媒としてのｎ−ブタノール（図６Ａ）およびトルエン（図６Ｂ）の場合に関する流量の関数として、酢酸４−ニトロフェニルの加水分解に関する全連続相容量質量移動係数Ｋcａを比較する図６Ａおよび６Ｂで、より明らかに有利である。図６Ａおよび６Ｂでは、四角形がＳＺ混合構造を指し、円がスペード混合構造を指し、三角形が鎌状混合構造を指し、菱形が多角形（本発明）混合構造を指す。ＳＺおよびスペード構造での平行流様式の開始は、流量の増大と共に質量移動係数（Ｋcａ）の低下が観察されたとき、明らかに観察されることに留意すべきである。また、平行流のドメインも図１Ａ〜１Ｄに示す。
どちらの場合も、本発明の構造で実現された混合性能は、より小さい流量でより大きい質量移動係数に到達することが分かる。これは提示された流体混合構造に独特の、２つの特定の特徴に起因する。第１に、曲線、たとえばＳＺ、スペードもしくは鎌状混合構造、またはＷＯ２００９／００９１２９Ａ１のスペード流体混合構造の代わりに、エネルギーを散逸させるのに、収縮、膨張、および障害物の組合せを利用する。曲線は、流体を、半径方向の密度勾配と、多相システムでは不適切な平行流の形成とを促進させる、遠心力に供する。第２に、分散相を破壊し次いでその断片を脱同期させる非対称障害物を利用し、障害物を通った後のそれらの凝集が防止され、全体として最終的にはより小さい液滴の分散相になる。
提示された本発明の種々の変形例を、図７Ａに表示し、図７Ｂおよび７Ｃでさらに比較する。それらは、菱形（図６Ａおよび６Ｂにも示される）、三角形の形状の障害物を使用する、および障害物のない、混合構造の流量の関数として、全質量移動係数を示す。障害物のない構造に関するデータは、特別に設計された非対称障害物が、分散相を２つに破壊しその後にその断片を脱同期することによって好ましい流動様式を生成するのにどのように必要であるかを、明確に示す。最低流量では、障害物を持つ構造が２〜３倍大きい。さらに、三角形の障害物の凹凸のない面は、液滴流様式の形成を促進し、ｎ−ブタノールを使用したときに菱形のプロファイル付き面に比べてより低い流量で質量移動係数を増大させる。
図７Ａおよび７Ｂは、有機溶媒としてｎ−ブタノール（図６Ａ）およびトルエン（図６Ｂ）の場合の流量の関数として、酢酸４−ニトロフェニル加水分解に関する全連続相容量質量移動係数Ｋcａを再び比較し、この場合、本発明の構造の様々な障害物、即ち菱形の障害物を持ち（菱形）、三角形の障害物を持ち（三角）、および障害物がない（四角形）ものに関する。
図８Ａは、異なる障害物を持つ、および障害物フリー構造の、２つの構造を示し、図８Ｂは、図８Ａに示される２つの異なる障害物と障害物フリー構造との間の、全流量に対する総Ｋcａ係数の依存性の比較を示す。図８Ａの中間構造では、流れ方向とは反対の方向に面する三角形の短い隣辺が、その方向に対して本質的に直交しているが、障害物の正面のよどみ点に起因して、請求項１で定義されるように「第１および第２の副流体流が混合される前のそれら副流体流のそれぞれが、流入方向で非ゼロ平均流れ成分を有する」ことに留意すべきである。
障害物のない構造に関するデータ（四角形）は、特別に設計された非対称障害物が、分散相を２つに破壊しその後にその断片を脱同期させることによって好ましい流動様式を生成するのに、どのように必要であるかを明らかに示す。最低流量では、障害物を持つ構造は２〜３倍大きい。さらに、三角形の障害物の凹凸のない面は、液滴流動様式の形成を促進し、ｎ−ブタノールを使用したときの菱形のプロファイル付き面と比べてより低い流量で質量移動係数を増大させる。
参照番号のリスト
１０ 流体混合構造
１２ 収縮ゾーン
１４ 膨張ゾーン
１６ 保持ゾーン
１８ １２の底面
２０ １４の底面
２２ １６の底面
２４ １２の側壁
２６ １４の側壁
２８ １６の側壁
３０ 空間
３２ 流れスプリッタ
３４ 左流路
３６ 右流路
３８ 流れ混合表面
４０ 流れ混合表面
４２ ３２の流れ上流側頂点
４４ ３２の流れ下流側頂点
４６ 連続反応ユニット
４８ プロセス流体チャネルシステム
５０ 供給ポート
５２ 放出ポート
５４ 反応通路
５６ 滞留通路
ＳＡ 対称軸
ＩＦＤ 流入方向
１０ 流体混合構造
１２ 収縮ゾーン
１４ 膨張ゾーン
１６ 保持ゾーン
１８ １２の底面
２０ １４の底面
２２ １６の底面
２４ １２の側壁
２６ １４の側壁
２８ １６の側壁
３０ 空間
３２ 流れスプリッタ
３４ 左流路
３６ 右流路
３８ 流れ混合表面
４０ 流れ混合表面
４２ ３２の流れ上流側頂点
４４ ３２の流れ下流側頂点
４６ 連続反応ユニット
４８ プロセス流体チャネルシステム
５０ 供給ポート
５２ 放出ポート
５４ 反応通路
５６ 滞留通路
ＳＡ 対称軸
ＩＦＤ 流入方向
Claims (27)
- 少なくとも２種の流体成分を混合するための流体混合構造（１０）であって、
前記流体混合構造（１０）は、流れ入口ポートおよび流れ出口ポートを有し、
前記流体混合構造（１０）は、収縮ゾーン（１２）、膨張ゾーン（１４）および保持ゾーン（１６）を含み、前記収縮ゾーン（１２）、前記膨張ゾーン（１４）および前記保持ゾーン（１６）はこの順序で、前記流体混合構造（１０）内を流れかつ前記少なくとも２種の流体成分から構成される流体流の流入方向（ＩＦＤ）に配置されており、
前記流体混合構造（１０）は、前記膨張ゾーン（１４）および前記保持ゾーン（１６）によって形成された空間（３０）に配置された流れスプリッタ（３２）を含み、前記流れスプリッタ（３２）は、前記流体流を、前記流体混合構造内に形成された第１の流路および第２の流路をそれぞれ流れる第１の副流体流および第２の副流体流に分割し、かつ前記第１および第２の副流体流を前記空間（３０）内で混合して均質化流体流を発生させ放出し、
前記流れスプリッタ（３２）は、前記第１および第２の副流体流のそれぞれのいかなる流れ要素にも、前記副流体流が混合される前に前記流入方向（ＩＦＤ）で非ゼロ平均流れ成分を持たせるように配置され構成される、流体混合構造（１０）。 - 前記少なくとも２つの流路は、形状および／長さが異なって、前記空間（３０）内で前記第１および第２の副流体流を、位相を散逸させるように混合する、請求項１に記載の流体混合構造（１０）。
- 前記流体混合構造（１０）の長手方向の断面では、前記流れスプリッタ（３２）が、多角形状またはその形状に同相の形状を有する、請求項１または２に記載の流体混合構造（１０）。
- 前記多角形状が、前記収縮ゾーン（１２）に対向しかつ前記流体流を前記第１および第２の副流体流に分割するバッフルとして働く第１の辺と、前記第１の副流体流に沿って延びる第２の辺と、前記第２の副流体流に沿って延びかつ前記第２の辺に接続されてほぼ下降流方向を指し示す先端を形成する第３の辺とを有する、請求項３に記載の流体混合構造（１０）。
- 前記第２および第１の辺が、三角形の辺を形成する、請求項４に記載の流体混合構造（１０）。
- 前記三角形が二等辺三角形である、請求項５に記載の流体混合構造（１０）。
- 前記三角形が直角三角形であり、前記第２および第３の辺の一方が隣辺を形成しかつ前記流入方向（ＩＦＤ）に平行に延び、前記第２および第３の辺の他方が斜辺を形成する、請求項５に記載の流体混合構造（１０）。
- 前記第１の辺が、前記流入方向（ＩＦＤ）とは反対の方向を指し示す頂点（４２）を有し、前記頂点（４２）は流れ分割点として役立つ、請求項４に記載の流体混合構造（１０）。
- 前記形状は、その鋭角状の先端の１つが前記流体流のほぼ上向きの流れ方向を指し示す平行四辺形である、請求項３に記載の流体混合構造（１０）。
- 前記少なくとも２つの流体成分の少なくとも１つが液体である、請求項１〜９の何れか１項に記載の流体混合構造（１０）。
- 前記少なくとも２つの流体成分の少なくとも１つが気体である、請求項１〜１０の何れか１項に記載の流体混合構造（１０）。
- 少なくとも部分的に金属で作製されている、請求項１〜１１の何れか１項に記載の流体混合構造（１０）。
- 前記混合構造が、生成物流体流として連続反応ユニット（４６）から流出する少なくとも１種の生成物を形成するために、供給流体流として前記連続反応ユニット（４６）に供給される複数の反応物の連続反応を行うためのプロセス流体チャネルシステム（４８）が内部に形成された前記連続反応ユニット（４６）の一部である、請求項１〜１２の何れか１項に記載の流体混合構造（１０）。
- 請求項１〜１２の何れか１項に記載の少なくとも１つの流体混合構造（１０）によって形成された少なくとも１つの反応通路（５４）を含むプロセス流体チャネルシステム（４８）が内部に形成されている、連続反応ユニット（４６）。
- 少なくとも１つの滞留通路（５６）をさらに含む、請求項１４に記載の連続反応ユニット（４６）。
- 前記少なくとも１つの反応通路（５４）および前記少なくとも１つの保持通路が、前記プロセス流体チャネルシステム（４８）内に交互に配置される、請求項１５に記載の連続反応ユニット（４６）。
- 前記プロセス流体チャネルシステム（４８）が、複数の真っ直ぐな通路および湾曲した通路を含む蛇行様構造である、請求項１４〜１６の何れか１項に記載の連続反応ユニット（４６）。
- 前記少なくとも１つの反応通路（５４）のそれぞれが、前記複数の真っ直ぐな通路の１つの内部に配置される、請求項１７に記載の連続反応ユニット（４６）。
- 前記連続反応ユニット（４６）が、平面平行板の形状を有し、前記プロセス流体チャネルシステム（４８）の長手方向断面が、前記平面平行板の向かい合う面に平行である、請求項１４〜１８の何れか１項に記載の連続反応ユニット（４６）。
- 前記平面平行板が２つのサブプレートを含み、前記２つのサブプレートが、前記長手方向断面に共に一致するそのそれぞれの接続面で互いに接続されている、請求項１９に記載の連続反応ユニット（４６）。
- 前記連続反応ユニット（４６）が、連続反応反応器の一部である、請求項１４〜２０の何れか１項に記載の連続反応ユニット（４６）。
- 請求項１３〜１９の何れか１項に記載の連続反応ユニット（４６）を少なくとも１つ含む、連続反応反応器。
- 前記プロセス流体チャネルシステム（４８）の温度を熱で調節するため、熱交換流体を収容し案内するための熱交換流体チャネルシステムを含む少なくとも１つの熱交換ユニットをさらに含む、請求項２２に記載の連続反応反応器。
- 前記反応器がマイクロリアクタである、請求項２２または２３に記載の連続反応反応器。
- 請求項１〜１２の何れか１項に記載の流体混合構造（１０）を使用する、少なくとも２種の流体成分を含む流体流を混合するための方法。
- 流体供給流として前記連続反応ユニット（４６）にそれぞれ供給される複数の反応物から、請求項１４〜２１の何れか１項に記載の連続反応ユニット（４６）を使用して、液体生成物流として少なくとも１種の生成物を連続的に形成する方法。
- 前記連続反応ユニットが、請求項２２〜２４の何れか１項に記載の連続反応反応器の一部である、請求項２６に記載の方法。
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