JP2020504174A - 第三級アミンの酸化によるアミンオキシドの製造 - Google Patents

Abstract

本発明は、反応流体中に第三級アミンを連続的に導入し、アミンオキシドを搬出しながら、反応器中で第三級アミンを酸化することによってアミンオキシドを製造する方法に関し、ここで適切な表面対体積比および／または対応する表面／体積負荷を伴う適切な流速が、連続プロセスにおいて選択される。反応流体は通常、層流で反応器内で反応される。【選択図】図２

Description

本発明は、アミンオキシドを形成するための第三級アミンの酸化の分野に関する。

得られた紡糸溶液からフィラメント、ステープル繊維、フィルムなどのような紡糸製品を製造するために、セルロースをアミンオキシドの水溶液、例えばＮ−メチルモルホリンＮ−オキシド（ＮＭＭＯまたはＮＭＭＮＯ）の溶液に溶解することができる（国際公開第２０１３／０３０４００号、米国特許第２１７９１８１号明細書、米国特許第３４４７９３９号明細書）。したがって、ＮＭＭＯのようなアミンオキシドに対する需要が高まっている。第三級アミンオキシドのさらなる用途は、界面活性剤、静菌剤、シャンプーおよび洗剤である。

独国特許出願公開第２５５７４５６Ａ１号明細書には、アミンオキシドの製造方法が記載されており、ここで第三級アミンは水の存在下で過酸化水素と反応させる。３０％を超えるアミンオキシド濃度では、生成物の粘度が顕著に増加し、それによってさらなる加工が妨げられる。最小粘度は、６０％を超えるアミンオキシド濃度で達成されることが分かった。

米国特許第３，４４７，９３９号明細書は、Ｎ−メチルモルホリンＮ−オキシド（ＮＭＭＯＮＯ）の不連続的に運転されるバッチ製造を記載しており、ここで反応物Ｎ−メチルモルホリン（ＮＭＭ）は水および３５％過酸化水素の存在下、６７〜７２℃の選択反応温度で、４〜５時間かけて反応し、対応する第三級アミンオキシドＮＭＭＮＯを形成する。過剰の過酸化水素はカタラーゼで酵素的に分解される。形成された反応生成物を共沸ベンゼン−水蒸留および再結晶により精製した。

旧東ドイツ国経済特許第２４６９９７Ａ１号明細書（DD 246997 A1）では、同様のバッチ法が記載されており、ここでは過酸化水素（４５〜５０％）が、激しく撹拌しながら細かく分散した形態で噴霧ディスクまたは注入装置を介して反応物ＮＭＭに導入される。

独国特許出願公開第３６１８３５２Ａ１号明細書による方法では、４〜６時間にわたる過酸化水素による酸化の後に残っているいかなる過酸化物もカタラーゼによって分解される。

欧州特許出願公開第０３０７１８４Ａ２号明細書は、米国特許第４２４７４８０号明細書を参照して、対応するアミンオキシドを形成するための第三級アミンの反応中のニトロソアミン形成の問題に関し、二酸化炭素雰囲気（０．０３〜３ＭＰａ）を使用して、反応は＜４５℃の低温および常圧で行われるべきであることを提案する。

ニトロソアミンの形成は偏在する空気中の窒素酸化物によっても影響を受けることができるので、米国特許第４９９４６１４Ａ号明細書は、空気中の窒素酸化物を避けるために反応タンクの未充填空間を二酸化炭素にさらすことを提案する。反応物を添加する前、反応中、反応後および容器を空にする間に、反応容器を二酸化炭素でフラッシングするまたは二酸化炭素にさらさなければならないので、この種のフラッシングおよび曝露手段は非常に複雑である。

米国特許第５２１６１５４Ａ号明細書は、ニトロソアミンの形成を減少させるために、第三級Ｎ−メチルモルホリン（ＮＭＭ）のＮＭＭＮＯへの転化は、特定の反応物混合物組成および特別な方法パラメータを用いて撹拌タンク中で行われるべきであると提案する。

独国特許第１２２１６４５Ｂ号明細書には、不連続プロセスにおける第三級アミンの酸化が記載されている。ちなみに、乱流プロセス制御による連続酸化が言及されている。

国際公開第２０１３／０３０４００号 米国特許第２１７９１８１号明細書 米国特許第３４４７９３９号明細書 独国特許出願公開第２５５７４５６Ａ１号明細書 米国特許第３，４４７，９３９号明細書 旧東ドイツ国経済特許第２４６９９７Ａ１号明細書 独国特許出願公開第３６１８３５２Ａ１号明細書 欧州特許出願公開第０３０７１８４Ａ２号明細書 米国特許第４９９４６１４Ａ号明細書 米国特許第５２１６１５４Ａ号明細書 独国特許第１２２１６４５Ｂ号明細書

本発明の目的は、高収率、低〜無副生成物および分解生成物、ならびに効率的な転化を可能にする、アミンオキシドを製造するためのスケーラブルなプロセスを提供することである。

本発明は、反応領域として１つ以上の細長い中空体を有する反応器、例えば管で第三級アミンを酸化することによってアミンオキシドを製造する方法に関し、ここで反応器は好ましくは、反応流体中の第三級アミンの連続的な導入およびアミンオキシドの搬出下にある反応管である。この目的のために、適切なプロセスパラメータ、特に適切な表面対体積比または対応する表面／体積負荷を伴う適切な流速が連続プロセスにおいて選択される。特に、ｉ）０．５ｍ^２／ｍ^３以上の表面対体積比−第三級アミンが５０％の程度まで酸化される中空体の少なくとも長さにわたって、ｉｉ）１ｌ／ｍ^２ｈ〜４０ｌ／ｍ^２ｈの比表面負荷（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ ｌｏａｄ）、および／またはｉｉｉ）１，０００ｌ／ｍ^３ｈ〜３０，０００ｌ／ｍ^３ｈの比体積負荷（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｖｏｌｕｍｅ ｌｏａｄ）が中空体が与えられる。これら３つの特徴ｉ）、ｉｉ）およびｉｉｉ）は基本的に本発明による方法を説明することができる代替の定義に関する。いくつかの実施形態では、全てのパラメータｉ）、ｉｉ）およびｉｉｉ）が適用可能である。以下の詳細な説明、および特に好ましい実施形態は、ｉ）、ｉｉ）およびｉｉｉ）の３つのパラメータ全てに等しく関連する。本発明による全ての実施形態および態様は、実際、実験例に示されているように、互いに組み合わせることができる。

中空体での滞留時間とＮＭＭの酸化の場合の転化率との関係を示す。 ポンプ（５，６）を介して反応物（３，４）を供給し、圧力維持バルブ（１１）の後に生成物容器（１２）に放出するマイクロリアクタ（１）を示す。 異なるＣＯ_２を添加した場合の収率曲線を示す。 異なるＣＯ_２を添加した場合の転化率曲線を示す。 Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）Ｃ−２２製の反応器における転化率を示す。 反応を改善するためのリン酸による過酸化水素の安定化を示す。 反応速度に対するＣＯ_２濃度の影響を示す。 反応進行に対する温度の影響、３０重量％のＨ_２Ｏ_２、１重量％のＣＯ_２、および０．１重量％のＨ_２ＰＯ_４を用いた転化率−収率曲線を示す。 製造速度に対する過酸化水素の濃度の影響を示す。 大容量反応器を用いた結果を示す。 第３の反応物（例えばＣＯ_２）のための追加の供給を有する図２と同様のマイクロリアクタを示す。 別々のＣＯ_２供給についての結果を示す。

本発明は、反応流体中に第三級アミンを連続的に導入し、アミンオキシドを搬出しながら、反応器中で第三級アミンを酸化することによってアミンオキシドを製造する方法に関し、ここで適切な表面対体積比および／または対応する表面／体積負荷を伴う適切な流速が、連続プロセスにおいて選択される。連続プロセスは、入口と出口との間に細長い領域を有する細長い中空体中で行われる。本発明によるパラメータおよび構造的特徴は、入口と出口との間、すなわち反応または反応器ゾーンに配設される。反応器は特にミリまたはマイクロ構造化反応器または装置である。中空体は、特に好ましくは管である。特に、ｉ）０．５ｍ^２／ｍ^３以上の表面対体積比−少なくとも、第三級アミンが５０％の程度まで酸化される中空体の長さにわたる、ｉｉ）１ｌ／ｍ^２ｈ〜４０ｌ／ｍ^２ｈの比表面負荷（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ ｌｏａｄ）、および／またはｉｉｉ）１，０００ｌ／ｍ^３ｈ〜３０，０００ｌ／ｍ^３ｈの比体積負荷（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｖｏｌｕｍｅ ｌｏａｄ）が中空体において与えられる。

以前は、第三級アミンオキシドは実験室で少量で、またはバッチプロセスで大量に製造されていた。大規模プラントの目的は、ダウンタイム期間がより短時間であるため、より良い効率の反応実行およびより高い製造レベルを可能にするので、次のバッチプロセスの前の不必要な洗浄工程が結果として回避されるので、可能な限り最大限連続的な方法を使用できるようにすることである。不活性ガス（ＣＯ_２）がバッチプロセスには必要であり、反応流体と一緒に提供されなければならないことがさらに見出された。本発明によるミリまたはマイクロ構造化装置では、ガス領域を形成することなく、または危険をもたらすガス領域を含まず、不活性ガスを管内に直接導入できるので、この問題は解消される。本発明によれば、圧力および温度の両方をより良好に制御することができる。

さらに、連続反応器において、連続的に移動する反応流体を個々の領域に分割することが可能であり、これらの領域では反応は異なる進行段階にある。これらの領域は、圧力および／もしくは温度または温度制御に関して異なって処理されてもよい。そのような領域は、特に最大５０％（ｍｏｌ％）の第三級アミンが酸化される第一の領域（迅速な反応、強い発熱性）、および第三級アミンの残り（所望の収率とは別に）が酸化される第二の領域（より低い反応、より少ない発熱性）である。

「連続」反応またはプロセス制御という用語は、出発材料、すなわち第三級アミンを含有する流体が反応中に連続的に供給され、次いで反応器内で連続的に酸化されることを意味する。用語「連続的に」は、プロセスが停止しなくてもよいことを意味するのではなく、単にアミンオキシドの製造中に反応物が程度の差はあるが均一に供給されることを意味する。連続供給は、酸化反応中に中断されるのが好ましい。あるいは、あまり好ましくはないが、バッチ式供給および／または周期的供給も選択することができる。供給に関して述べたことは生成物、すなわちアミンオキシドの放出にも当てはまる。

反応器は通常ミリまたはマイクロ構造化装置および／または反応本体として細長い中空体を有する反応器、好ましくは管状マイクロリアクタである。適切なマイクロリアクタは、例えば、国際公開第２０１０／０５５０３４号パンフレット（参照により本明細書に組み込まれる）に開示されている。反応器は、反応が行われる１つ以上の平行な細長い中空体を含有してもよい。「中空体」という用語の定義は、予熱のような他の目的のために提供されない限り、反応のための全ての中空体を記載するために使用されるべきである。反応流体は中空体中に運ばれ、これは出発材料（または複数の出発材料）の入口によって制御される。酸化に必要な全ての条件が存在する（反応のための全ての物質が存在する、温度、圧力）とすぐに、流体は反応流体と呼ばれる。

適切な反応器の１つまたは複数の中空体は、必要な寸法に合わせて任意に拡大縮小することができる。しかしながら、第三級アミンの発熱酸化の場合には、必要な温度制御、すなわち熱放出を尊重しなければならない。この目的のために、温度制御流体が中空体の周りにフラッシングされる反応器が最も適している。この種の反応器は国際公開第２０１０／０５５０３４号パンフレットに記載されている。本発明による酸化反応の場合、特定の寸法が有利であることが分かった。特に、反応器の中空体の内径は、好ましくは０．２５ｍｍ〜１０ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍ〜６ｍｍ、特に好ましくは０．８ｍｍ〜４ｍｍである。反応器の中空体の長さは、好ましくは０．５ｍ〜２０ｍ、好ましくは１〜１０ｍ、特に２ｍ〜５ｍである。他の形状もまた可能である。より厚い中空体の場合には、高められた温度交換のためのより大きな表面が必要であってもよい。内部誘導反応流体の温度交換はまた、より低い濃度で反応物を供給することによって、または反応流体のより高い流速によって、または流速を増加させることによって外部誘導温度制御流体を介して、またはより高い熱容量を有する温度制御流体の選択を介して改善されてもよい。

第三級アミンを酸化するために、酸化剤を供給することができる。一群の酸化剤は、例えば過酸化物によって構成され、過酸化水素が最も好ましい。他の過酸化物は例えば過カルボン酸である。他の酸化剤、例えば酸素またはオゾンも使用することができる。第三級アミンは、酸化剤に対するモル比が１：０．９〜１：１．３、好ましくは１：１〜１：１．１で使用されるのが好ましい。

特に好ましい実施形態において、アミンオキシドはＮ−メチルモルホリンＮ−オキシドであり、これはＮ−メチルモルホリンの酸化によって得ることができる。それ故、後者は好ましい第三級アミンである。

本発明によれば、反応流体の酸化は、第三級アミンを５０％（ｍｏｌ％）の程度まで酸化する中空体の長さ（上記で説明したように、第一の領域）に少なくともわたって、０．５ｍ^２／ｍ^３以上の表面対体積比を有するミリまたはマイクロ構造化装置のような反応器中で十分に実施できることを見出した。表面は、中空体の内面によって決定することができる。表面対体積比は、仕様「ｍ^２／ｍ^３」から明らかなように、表面積（ｍ^２）を体積（ｍ^３）で割ることによって数学的に計算される。中空体（反応管）の内部の寸法は、これにより説明される。この変数に関するさらなる背景文献は、Ｎｅａｍｅｔｈｎｅａ ｅｔ ａｌ． （Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ３９（２）， ２０１４： ８９−１０１）に見出すことができる。例えば１ｍ^２／ｍ^３以上、１．５ｍ^２／ｍ^３以上、または２ｍ^２／ｍ^３以上のより高い表面対体積比が特に好ましい。これらの寸法を用いて、第三級アミンの酸化における流速および温度のようなプロセスパラメータは、連続プロセスにおいて非常に効率的に制御できる。バッチ法と比較したこの高い表面対体積比の結果として、大きな体積ベースの熱流（反応物および反応流体の冷却および加熱）および激しい混合が可能になる。したがってこの激しい混合は、反応が非常に特異的および完全に行われることを確実にする。本発明による方法における「アミンが５０％（ｍｏｌ％）の程度まで酸化される中空体の長さにわたる」領域は、アミンの少なくとも半分が酸化される中空体の領域に関連する。これは、使用される反応物質（第三級アミン、任意に過酸化物などの酸化剤）の流速および濃度を選択することによって当業者によって容易に制御することができる。

本発明による方法を特徴付けるためのさらなるパラメータは比表面負荷であり、これは１ｌ／ｍ^２ｈ〜４０ｌ／ｍ^２ｈ、好ましくは５ｌ／ｍ^２ｈ〜３０ｌ／ｍ^２ｈまたは１０ｌ／ｍ^２ｈ〜２０ｌ／ｍ^２ｈの範囲内にあるべきである。比体積負荷は、本発明による方法の代替的またはさらなる特徴的な値であり、１０００ｌ／ｍ^３ｈ〜３００００ｌ／ｍ^３ｈ、好ましくは１５００ｌ／ｍ^３ｈ〜２５０００ｌ／ｍ^３ｈ、特に好ましくは２０００ｌ／ｍ^３ｈ〜２００００ｌ／ｍ^３ｈであるべきである。これらの比負荷は、中空体の体積または中空体の内面に応じて、反応器の寸法表示または反応器表面に対するその中に輸送される流体の寸法表示を示し、それによって反応流体中の反応条件を制御することができる。「比表面負荷」（ｌ／ｍ^２ｈ）および「比体積負荷」（ｌ／ｍ^３ｈ）は既知の用語であり、これらは単位の仕様によってさらに明らかである。表面負荷（また、体積対表面負荷または体積表面負荷）という用語は、Ｈｏｆｆｍａｎｎ ｅｔ ａｌ．（Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｎａｅｒｏｂｉｃ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｎｄ Ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆ Ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｉｎ Ｂｒａｚｉｌ，２０１０）およびＨｅｓｓｅｌ ｅｔ ａｌ．（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｈａｎｄｂｏｏｋ，Ｗｉｌｅｙ−ＶＣＨ，２００９）（質量対表面負荷（ｋｇ／ｍ^２ｓ）として後者に言及されている）による刊行物に使用されている。体積負荷の変数に関するさらなる背景文献は、Ｍａｒｇｅｓｉｎ ｅｔ ａｌ．（ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ），Ｐｒａｘｉｓ ｄｅｒ ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｓｃｈｅｎ Ａｂｌｕｆｔｒｅｉｎｉｇｕｎｇ（Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｗａｓｔｅ Ａｉｒ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｐｒａｃｔｉｃｅｓ），Ｓｐｒｉｎｇｅｒ １９９６，ｐａｇｅ ２９）に見出されることができる。これらの変数は、体積（ｍ^３単位）または中空体の表面積（ｍ^２単位）によって、および時間（ここではｈ単位）によって中空体を通る反応流体の処理量を特定する（ここではｌ＝１０^−３ｍ^３）を特定する。

これらのパラメータ（比表面負荷および比体積負荷ならびにさらに表面対体積比）は、層流であっても、中空体において−特に連続運転用のミリまたはマイクロ構造化管反応器において、効率的な転化および反応が本発明に従って達成されるように選択される。もちろん、これらのパラメータ、例えば３つ全部または表面対体積比（中空体の寸法変数として）を比表面負荷または比体積負荷、好ましくは比表面負荷と組み合わせることができる。

小さな直径を有するまたは特定の表面対体積比を有する管反応器における効率的な反応は容易には最適化されない。一方では、小さい管直径（細管）は効率的な反応（高い表面のための収率および速度）の利点を有する。他方では、小さい管または細管の直径は、細管内で発生する流体発生圧力損失と関連して流体処理量を制限する。結論として、驚くほどよく進行する反応は、これらの利点および不利な点を考慮して、本発明によるパラメータを用いて驚くべきことに決定された。

反応流体は通常、層流で反応器内で転化される。反応流体は、中空体内を層流で導かれるのが好ましい。層流は乱流とは区別されるべきである。乱流は、乱流状態が広範囲に変動する程度で発生する流体の動きである。ここで、高い摩擦および圧力損失が生じ、それは、特に本発明によるミリまたはマイクロ構造化反応器において、より高い熱発生をもたらす。対照的に、層流の場合、乱流状態はない。乱流および層流は、移動する流体の粘度、管の寸法（特性長、断面直径）、および選択した流速によって制御できる。これに対する尺度はレイノルズ数であり、これは−文献では既知であるように−Ｒｅ＝ρｖｄ／ηまたはＲｅ ＝ｖｄ／νとして定義され、ここでρは流体の密度、ｖは流体の流速であり、ｄは中空体の特性長さ（直径、幅または高さ）であり、ηは動的粘度であり、νは動粘度である。２３００〜２５００のレイノルズ数は、通常、層流と乱流との間の遷移領域であり、層流はより低いレイノルズ数で見られる。したがって、本発明による反応流体は、好ましくは、レイノルズ数が２３００以下、好ましくはレイノルズ数が２０００以下、特に好ましくはレイノルズ数が１５００〜１または１２００〜１０での中空体を通る流れに導かれる。以下の実施例では、２〜３０または３〜１１の範囲内のレイノルズ数でさえも提供され、それは同様に好ましい。さらに可能なレイノルズ数は、例えば上述のより低い値と組み合わせて、８００以下、５００以下、３００以下である。

レイノルズ数を計算するための値の例は、既知の材料変数である。例えば、Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ（カタログ番号Ａ１２１５８）製のＮＭＭを使用することができ、これは製品データシートによると、２０℃で０．９１ｍＰａｓの動的粘度ηを有する。０．９２ｇ／ｃｍ^３での密度ρは、２０℃において、＞９２０ｋｇ／ｍ^３である。例えば１ｍｍの中空反応器中の細管直径および０．２１〜０．６２ｍ／分の流体速度で、３〜１０のレイノルズ数が与えられる。製造者および例示的な物質とは無関係に、これらのパラメータは全て、本発明による流体、中空体およびプロセスパラメータの好ましい変数である。

反応流体は、２０℃または反応条件下で、０．１ｍＰａｓ〜１０ｍＰａｓの動的粘度を有することが好ましい。反応流体は、２０℃または反応温度で、０．１ｇ／ｃｍ^３〜２ｇ／ｃｍ^３の密度を有することが好ましい。

第三級アミンからアミンオキシドへの酸化は大きな反応熱を受けるので、ＮＭＭからＮＭＭＯへの場合には断熱温度は最大４００Ｋ、比反応エンタルピーは最大−１６００ｋＪ／ｋｇで上昇し、これは本発明に従って提示された方法を用いて、特に効果的な方法で可能となることができる。ＮＭＭからＮＭＭＮＯへの酸化のようなこのような極めて発熱性の反応の取り扱いは、極めて高い体積比および処理量比熱流を必要とする。これは、本発明による方法では、バッチ反応器中で非常に容易におよび制御されない方法で起こることができる特定の点（ホットスポット）での過熱が回避されることを意味する。本発明による方法の激しいエネルギー散逸は、管反応器内で異なる領域に広がる顕著な温度差（これは、極端に考慮すると、反応の「熱暴走」を意味する可能性があり、さらに反応の選択性に悪影響を及ぼす可能性がある）が生じることなく、第三級アミンからアミンオキシドへの酸化の速度を対応する温度および圧力適応で高めることを可能にする。本発明に従って提示された方法を用いて、アミンオキシドが先行技術と比較してより制御されたプロセス温度およびより高い圧力下で製造できることが見出された。

第二の領域、すなわち既に５０％（ｍｏｌ％）の第三級アミンが酸化された後の領域では、より低い表面対体積比を選択することができ、ここで第一の範囲と重なる値も可能である。第二の領域において、表面対体積比は、好ましくは５ｍ^２／ｍ^３以下、特に好ましくは４ｍ^２／ｍ^３以下、３ｍ^２／ｍ^３以下、または２ｍ^２／ｍ^３以下である。

もちろん、異なる温度条件、特に異なる温度制御、すなわち反応流体からの異なる熱輸送（排除）での他の領域分割も可能である。第三級アミンの酸化の進行に基づくこのような領域分割、すなわち例えば反応の進行次第での反応流体部分への領域分割は、２５％、３３％または５０％の第三級アミンが酸化されている場所に限定する。

適切に寸法を合わせた中空体を用いると、（出発材料を有する）反応流体の流量（または流速）、例えば反応器中の第三級アミンの滞留時間に基づいて、様々なパラメータを調整することができる。滞留時間は、好ましくは０．４分〜１４分、好ましくは０．６〜８分である。個々の領域における反応進行はまた滞留時間によっても制御することができる。滞留時間と酸化との関係は、二次化学反応とほぼ同様に振舞う。二次反応の転化率および滞留時間は、以下の式を介して関連付けられる：
ｋ．．．ｌｍｏｌ^−１ｓ^−１単位の化学反応の速度定数
ｃ_Ａ，０．．．ｍｏｌｌ^−１単位の反応物Ａ（第三級アミン）の開始濃度
τ．．．ｓ単位の滞在時間
Ｘ_Ａ．．．割合としての反応物Ａ（第三級アミン）の転化率

転化に関するこの種の滞留時間は、図１のＮＭＭの場合について示されている。説明したように、滞留時間は流速によって調整することができる。反応が進行するにつれて第三級アミンが消費され、それ故にその濃度が減少し、その結果として反応も遅くなり、それによってその後より少ない熱が放出されるので、流速はまた温度制御および対応する領域への反応器の分割に影響を及ぼす。全ての要因に適している反応流体の好ましい流速は、０．１ｍ／分〜６０ｍ／分、好ましくは１０ｍ／分〜４０ｍ／分、最も好ましくは２０ｍ／分〜２５ｍ／分である。同様に全ての要因に適している反応流体のさらに好ましい流速は、０．１ｍ／分〜２００ｍ／分、好ましくは１０ｍ／分〜１６０ｍ／分、最も好ましくは１０ｍ／分〜１２０ｍ／分である。

異なる領域において異なる流速を選択することも可能である（特に、反応の進行に応じて、上で定義されたように）。異なる領域における異なる中空体の断面によって、異なる流速が与えられる。

この制御に加えて、個々の領域における異なる反応速度をこのように代替的にまたは組み合わせて制御することができる。

比反応熱は、好ましくは５４０ｋＪ／ｋｇ〜１６１０ｋＪ／ｋｇ、好ましくは１１１０ｋＪ／ｋｇ〜１４２０ｋＪ／ｋｇである。この値は、特に好ましくは第一の領域で維持される（上記で定義したように、第三級アミンの５０％までの反応）。

プロセス温度を上げることにより、アミンオキシド製造においてより迅速な反応速度を達成することができる。しかしながら、第三級アミン（例えばＮＭＭ）から、形成されたアミンオキシド（例えばＮＭＭＮＯ）への化学転化の強い発熱性のために、自己促進の危険があり、温度および圧力の制御されない上昇を伴う。ちなみに、制御されていないより高い温度範囲での製品品質は負の影響を受ける。転化反応の選択性が低下し、望ましくない副生成物が形成されてもよい。そのような副生成物は、第三級Ｎ−メチルモルホリン（ＮＭＭ）、例えばモルホリン（Ｍ）およびニトロソモルホリン（ＮＭＯＲ）に基づいてもよい。これらの理由のために、中空体または反応流体中の反応温度は、好ましくは２０℃〜７０℃、好ましくは５０℃〜６５℃、最も好ましくは５５℃〜６５℃、例えば６０℃〜６５℃である。この温度は、反応器の中空体の対応する温度制御ジャケットによって調節することができる。

中空体内の好ましい圧力は、１ｂａｒ〜２００ｂａｒ、好ましくは５ｂａｒ〜１００ｂａｒ、最も好ましくは５０ｂａｒ〜１００ｂａｒである。本発明による反応のための圧力または圧力範囲は、好ましくは（全てｂａｒ単位で）１、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１４０、１６０、１８０、２００またはこれらの圧力の間の値である。これらの圧力で迅速な反応が生じる。さらに、ＣＯ_２はより良好に溶解することができ、したがって高圧で生成物流体とよりよく混合することができる。

中空体は種々の材料、例えば金属、セラミックまたはプラスチックからなることができる。中空体の内壁は酸化反応に影響を及ぼしてもよい。反応器の中空体の内壁は、好ましくはＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉまたはこれらの混合物から選択される１つ以上の金属を含有する。クラス１．４３、１．４４および１．４５の高級鋼は、高度に酸化性の媒体（例えばＨ_２Ｏ_２）に関して良好な耐食性と共に非常に高い熱伝導率を有するので、特に適している。中空体の内壁は、オーステナイト鋼を含有することが好ましい。さらに、中空体材料は、所望の反応圧力に応じて耐圧性であるべきである。高い熱伝導率、高い耐食性および高い耐圧性のこの組み合わせは、通常金属またはセラミック材料を必要とする。プラスチックは付属器具（例えばスタティックミキサ）または追加のコーティングに使用することができる。反応溶液の改善された混合の目的のためにとりわけ使用されるインレーまたは付属器具として、単に高い耐腐食性が要求され、ここでは上述のような材料、特に鉄、チタン、金、白金、セラミック、ガラス、ＰＴＦＥ、ＰＥＥＫなどが使用される。

中空体は任意の形態を想定でき、例えば内側断面は丸形、円形、正方形、半円形、六角形、八角形などであることができる。中空体は、好ましくは管、同様に好ましくは丸形、円形、正方形、半円形、六角形、八角形などの内部断面を有する管である。本発明による反応器は、本明細書では管反応器とも呼ばれる。さらに、任意に選択された距離でまたは散発的に提供される付属器具が可能である。この種の付属器具は、例えば流れの乱流状態を増大させるための、特に管内の流体の混合を改善するための狭窄部またはピンチポイントである。また、１つ以上のスタティックミキサ（例えば混合プレート）または多孔プレートを提供することができる。１ｍｓ〜１ｓの混合時間が好ましい。混合に適した多孔プレートは、例えば、国際公開第２０１０／０５５０３４号パンフレット（参照により本明細書に組み込まれる）の図１４に示されている。適切なピンチポイントは、国際公開第２０１０／０５５０３４号パンフレットの図７および８に示されている。

第三級アミンは、４０％〜１００％、好ましくは５０％〜９９．５％、特に６０％〜９９％、特に好ましくは７０％〜９９％、さらに６０％〜９８％または７０％〜９７％（全て体積％単位）の濃度で反応器に供給することができる。これらの濃度はまた、反応の開始時に存在でき、任意に添加流体の体積に応じて酸化剤または他の添加剤で希釈される。

酸化剤、特に過酸化水素は、好ましくは５〜８０％、好ましくは１０〜７０％、特に２０〜６０％、特に好ましくは３０〜５５％の濃度で中空体中に供給される（全て重量％単位）。その量は、上記の比、特に１：１ｍｏｌ当量の第三級アミン対酸化剤、特に過酸化物が満足されるように第三級アミンと調整させるべきである。

反応流体は、下記式に従って、１０より大きい、好ましくは２０〜２００のボーデンシュタイン数で反応器を通して運ばれることができる
式中、Ｂｏはボーデンシュタイン数であり、ｕは反応流体の流速であり、Ｌは反応器の中空体の長さであり、Ｄ_ａｘは反応流体の軸方向分散流である。この目的のために、所与の反応器／中空体形状を有する適切な流速を選択することができる。ボーデンシュタイン数は、反応器内の逆混合の程度を表す。それは対流（ｕ^＊Ｌ）と軸方向分散流との比である。反応流体を形成するためのアミンおよび酸化剤の導入およびさらなる酸化過程のための適切な混合状態は、選択されたボーデンシュタイン数の範囲で提供される。

好ましくは、ＣＯ_２は、第三級アミンに対して０．５重量％〜２０重量％の量で反応流体に導入される。ＣＯ_２は、アミンまたは酸化剤と一緒にまたは別々に、好ましくは溶液中での事前の飽和の後または問題の溶液中の飽和濃度の少なくとも９０％でマイクロリアクタに導入することができ、またはマイクロリアクタに直接供給することができる。ＣＯ_２の溶解度を増大させるために、ＣＯ_２の溶液は、好ましくは塩基性、例えばｐＨ８〜１１または９〜１０である。ＣＯ_２は、好ましくは第三級アミン中にあり、任意に水に溶解しているか、または反応流体、例えば加圧下での流体中または水中の溶液として直接導入される。ＣＯ_２は、第三級アミンのアミンオキシドへの酸化を、特にＮＭＭからＮＭＭＯの場合には４６０倍まで著しく促進することができる。機構的には、過酸化物（ＲＨＯ_２、特にＨ_２Ｏ_２）とＣＯ_２との反応があり、形成されたペルオキシモノカーボネートＨＣＯ_４ ⁻またはＲＣＯ_４ ⁻は、ＮＭＭからＮＭＭＯへの反応に対して加速的に作用し、すなわちそれ自体は使用される酸化物形態（Ｈ_２Ｏ_２など）と比較してより活性な酸化剤である。したがって、ＣＯ_２はそれ自体反応相手として使用することができるので、高濃度は反応に正の影響を及ぼしてもよい。本発明による反応器を用いた試験では、（例えば、完全に溶解するか、またはほぼ完全に溶解する場合には）特に高い有効ＣＯ_２量を使用できることが分かった。ＣＯ_２は、加圧下、溶解形態で反応流体に供給するのが好ましい。溶解ＣＯ_２の上述のＣＯ_２量が好ましい。本発明による連続システムでは、特に高いＣＯ_２量を達成することができ、これらは反応に対して好ましい効果を有する。例えば、ＣＯ_２量は、反応流体中に導入された第三級アミンまたは別のＣＯ_２溶液に対して、少なくとも０．５％、少なくとも１％、少なくとも２％、少なくとも４％、少なくとも６％、少なくとも８％、少なくとも１０％、または少なくとも１５％であってもよく、全て重量％である。これらの量は全反応流体に関して同様に可能である。

さらに、金属錯化剤、好ましくはホスフェートを、好ましくは０．０１％〜３％、好ましくは０．０３％〜２％、特に好ましくは０．０５％〜１．５％（全て重量％）の量で反応流体に添加することができる。流体中の望ましくない金属は酸化剤を分解し、それ故、第三級アミンに関する反応性を低下させてもよい。それ故、金属錯化剤は、この金属の影響を防止または低減することを意図している。任意の錯化剤、例えばキレート剤が可能である（例えば導入部で述べたように）。驚くべきことに、ホスフェートは同様に、特に鉄を放出することができる鉄含有反応器材料または反応流体に対して表面に干渉作用を及ぼしてもよいその鉄ケーシングの場合に適していることが見出された。これは金属錯化剤によって減少させることができ、その結果約１０％高い収率を達成することができる。

第三級アミンオキシドは、酸化される前に予熱されるのが好ましい。予熱は、特に反応流体において所望される温度、例えば上述の温度から選択される温度まで行われる。予熱は、上記で記載のように反応器または中空体中で行うことができ、適切に高い表面対体積比（例えば上記で示した反応中のものと同様の比）で比較的迅速に行うことができる。予熱は、例えば５秒から５分、好ましくは約１分の期間内に行うことができる。「約」とは、＋／−２０％を意味する。

酸化剤も予熱されてもよい。この目的のために、第三級アミンについて記載された尺度およびパラメータ、例えば５秒〜５分の期間内、好ましくは約１分以内の予熱も選択されてもよい。

所望の反応の進行に続いて、例えば第三級アミン全体または第三級アミンの大部分（例えば９９．５％以上）が酸化された場合、あらゆる残留酸化剤を分解または除去することができる。過酸化物、特に過酸化水素の場合、カタラーゼの使用またはＭｎＯ_２もしくは白金（例えば白金化ニッケル）のような他の触媒による処理が適している。触媒は、本質的に高表面の束または粒子の形態で（例えばＫａｔａｐａｋ（登録商標））または触媒プレートとして使用することができる。

清浄な第三級アミンの代わりに、セルロース繊維の製造中に生成される濃縮蒸気もまた使用することができる。濃縮は、欧州特許第０４４８９２４号明細書に記載されているように逆浸透によって行われる。モルホリンは、欧州特許第０４４８９２４号明細書に記載されているように次の工程で留去され、例えば独国特許出願公開第３５０４８９９Ａ１号明細書に記載されているように、メチル化後に同様に酸化することができる。

本発明に従って製造されたアミンオキシド、好ましくはＮＭＭＯは直接使用することができる。本発明による連続方法は、ここでは同様に連続的に運転される、下流プラントにおける連続的に製造されたアミンオキシドの使用に適している。この種の結合された下流プロセスは、例えばＮＭＭＯまたは他のアミンオキシド中へのセルロースの溶解である。導入部で述べたように、アミンオキシド中のセルロース溶液は、紡糸法（リヨセル法）に使用することができる。ここで、フィラメント、繊維またはフィルムはセルロース溶液から形成および製造することができる。これもまた、溶解プロセスと同様に、本発明による方法とインラインでまたはオフラインで組み合わせることができる。

必要に応じて、本発明に従って製造されたアミンオキシドは、好ましくは酸化剤の分解または除去の後に、濃縮または希釈することができる。得られるアミンオキシドの濃度は、好ましくは２０％〜６０％、特に好ましくは３０％〜５０％（全て重量％）に設定される。この種の組成物は貯蔵または輸送（結合プラントにおけるパイプラインを介した輸送を含む）に非常に適している。セルロースの溶解のためには、より高い濃度に設定するのが好ましい。したがって、生成されたアミンオキシドは、５０％〜９５％、好ましくは６０％〜９０％または７０％〜８０％（全て重量％）の濃度に設定されてもよい。水または任意の他の許容される液体を希釈剤として使用することができる。

生成されたアミンオキシド中にセルロースを溶解および／または紡糸する場合、４％〜３０％、好ましくは８％〜２５％または１０％〜２０％のセルロースを含む溶液を製造することが好ましい（全て重量％）。適切な紡糸溶液は、例えば、以下の組成を有する：セルロース１２．９％、ＮＭＭＯ７６．３％、水１０．８％（全て重量％）（参照により本明細書に組み込まれる国際公開第２０１３／０３０４００号パンフレットを参照）。国際公開第２０１３／０３０４００号パンフレットはまた、本発明に従って使用することができる紡糸方法を記載している。一般に、セルロース溶液は、本発明に従って製造されたアミンオキシドと一緒に押出成形することができ、押出物はガスギャップを通過し、沈殿浴中に導入される。沈殿浴は、セルロースの沈殿のための濃度で沈殿剤、例えば水を含んでいてもよい。一般に既知であるように、ガス流はガスギャップ内に導かれることができる。

したがって、本発明はまた、本発明に従って製造されたアミンオキシドをセルロースを溶解する濃度にし、さらに任意にセルロースをその中に溶解し、さらに任意に溶解セルロースを連続成形体、例えば押出によるフィラメント、糸またはフィルムに成形し、次いで成形体のセルロースが沈殿される方法を含む。

反応器システム：
反応器システムにおける本発明による反応器を図２および図１１に示す。国際公開第２０１０／０５５０３４号パンフレットに記載されているようなマイクロリアクタ（１）を使用した。反応器システムは管反応器（１）を有し、これは反応流体を導き、２つの反応物（第三級アミンおよび酸化剤）を予熱するために使用される。反応物は貯蔵容器（３，４）からポンプ（５，６）を介して反応器（１）に導かれる。そこでは、反応物はゾーン７および８で予熱される。加熱のために温度制御媒体が中空体の周りに導かれる。温度制御媒体はサーモスタット（２）内で加熱または冷却される。予熱された反応物は位置９で合わせられ、それによって反応流体が生成され、中空体、例えば反応管１０を通して導かれる。圧力はポンプ（５，６）と圧力維持バルブ（１１）の両方を介して制御される。生成物は撹拌機を有する容器（１２）に集められる。ここで、さらなる反応、例えば残留アミンの完全酸化または酸化剤の分解を任意に実施することができる。フロースルーセル（１３）を有する測定装置は、生成物の放出を任意にモニターすることができる。

本発明は、本発明のこれらの実施形態に限定されることなく、以下の実施例によってさらに詳細に説明および記載される。これらの実施例の全てのパラメータおよび装置部分はまた、実施例の残りの説明とは無関係に、本発明の上述の主要な態様または好ましい実施形態と組み合わせることができる。

化学品：
実験を実施するために使用された化学品は、様々な供給元から様々な純度で調達された。表１は、試験を実施するために使用された化学品のリストを示す。

図２による反応システム
〔Ｎ−メチルモルホリンへのＣＯ_２の溶解〕
反応速度を増大させるために、反応物１を［Ｆ｝重量％のＣＯ_２で飽和させる。これは、例えばガス導入管または焼結多孔質装置を介してＣＯ_２をＮＭＭ溶液に導入することによって達成された。０．１〜２０ｂａｒの過圧で撹拌しながらＮＭＭにＣＯ_２を溶解させるために、ＮＭＭはまたＣＯ_２雰囲気にさらされた。投与が完了したら、ＣＯ_２を富化した反応物溶液を確認目的で計量し、マイクロリアクタ試験に使用した。

〔マイクロリアクタ内での反応の実行〕
本発明者らが使用したマイクロ反応システムは国際公開第２０１０／０５５０３４号パンフレットに基づいており、表に従って材料［Ａ］から製造された。４−Ｎ−メチルモルホリン（ＮＭＭ）および過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）からのＮ−メチルモルホリンＮ−オキシド（ＮＭＭＮＯ）の合成のためのマイクロリアクタ試験は、マイクロリアクタ中の異なる付属器具で行われた。使用した反応器（１）の特性データは以下の通りである：
容量：可変、最大２６ｍＬまで
細管直径：１ｍｍ、ピンチポイント付き管

ＮＭＭＮＯを形成するためのＮＭＭとＨ_２Ｏ_２との反応は発熱性である（断熱温度上昇３３５Ｋ）ので、この反応の場合、マイクロリアクタ条件および技術設計が熱輸送に十分に適するように選択されることを確実にしなければならず、このようにして、一方では反応システムから反応物ＮＭＭへと熱を供給することができ、他方では反応溶液から熱を除去することができるようにする。これは、十分な寸法のマイクロリアクタ表面によって達成される。反応媒体と温度制御媒体との間の大きな交換面積のおかげで、制御された様式で熱を放出することができ、バッチ法では数時間続く長い投与時間は必要でない。さらに、マイクロリアクタではより小さい反応体積が見出され、それによってこの方法の安全性が著しく高められる。改善されたプロセス制御のために、改善された品質、選択性およびより高い収率が提供できる。さらに、試験装置は、高められた圧力下で作業することを可能にし、それによって材料輸送／相転移はバッチ反応器と比較して著しく改善される。

マイクロリアクタの温度を［Ｂ］℃に制御するために、Ｌａｕｄａ社製のＥＣＯ ＳＩＬＶＥＲ ＲＥ４１５加熱サーモスタット（２）を使用した。１：１の体積比の水／エチレングリコールの混合物を冷却および加熱媒体として使用した。

２つの反応物を２つの貯蔵容器（３，４）に貯蔵した。

化学品の体積流量は、ＳｙｒＤｏｓおよびＨｉＴｅｃＺａｎｇ型の２つのコンピュータ制御ポンプ（５および６）を介して制御され、国際公開第２０１０／０５５０３４号パンフレットに従って、予熱管（７ＮＡ）の後に、挿入型スタティックミキサ（例えば混合プレート）（９）を有する混合モジュールＴ３を介して合わせた。混合モジュールには異なる混合インサートを使用することができる。次いで反応混合物を反応管（１０）に導き、そこで反応が起こる。反応器内の圧力を高め、調整するために、フロースルーセルの前に０〜２０ｂａｒの範囲の圧力維持バルブ（１１）を使用し、［Ｊ］ｂａｒに制御した。セル内でのガスの形成を回避するために、フロースルーセルの後にさらなる圧力維持バルブを設置することができる。圧力維持バルブの組み込みは、これらの望ましくない反応の過程でガスの発生があってもよいので、分解反応および二次反応を最大限に抑制することを意図している。

所望の生成物を撹拌機（１２）を含む容器に集めた。過剰の過酸化水素は、０．５重量％のカタラーゼ溶液をゆっくり滴下ことによって分解し、次いで混合物を過酸化物試験に供した。

［Ｌ］％の転化率および［Ｍ］％の収率で［Ｋ］ ｍｌ／分の処理量を達成することができた。

〔分析〕
生成物の品質は、ＢＲＵＫＥＲからのＡｌｐｈａ分光計を用いてフロースルーセル内でのオンラインＦＴ−ＩＲ測定（１３）によって記録した。反応物と関連することができる１０４５〜１０２８ｃｍ^−１のピークを用いて転化率をモニターした。ＮＭＭＮＯに関連することができるピークは、波数１２５０〜１２１５ｃｍ^−１、９９５〜９６０ｃｍ^−１および９６０〜９２０ｃｍ^−１に現れる。収率を評価するために１２５０〜１２１５ｃｍ^−１のピークを使用した。

反応試料を同様にＨＰＬＣ／ＵＶによってオフラインで分析した。試料を液体クロマトグラフィにより分離し、ＵＶ検出器により測定した。得られたクロマトグラムに基づいて試験を評価した。Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社のＨＰＬＣ１１００を分析に使用した。

較正から得られたクロマトグラムは、１．９４０分の保持時間でＮＭＭＮＯおよび１７．３４１分の保持時間でＮＭＭ、および５．４６１分の保持時間でモルホリンを示した。合成生成参照混合物（ＮＭＭ、ＮＭＭＮＯ、Ｍ）の注入のクロマトグラムは、物質が分離され、互いにきれいに決定できることを示した。

達成されるべき＜１００ｐｐｂの濃度のために、形成されたＮ−ニトロソモルホリン（ＮＭＯＲ）を決定するために、これらの範囲ではＨＰＬＣ／ＵＶシステムの正確度が不十分であるので、質量分析カップリングを伴うガスクロマトグラムを使用した。ＮＭＯＲは、中極性溶媒を使用して生成物から抽出できる。ジクロロメタン（ＤＣＭ）とギ酸エチル（ＥＦ）との１：１混合物の使用は、試料調製において好都合であることが証明された。

生成物は、屈折率１．３３０〜１．４４９で屈折率測定によって同様に決定された。合成されたＮＭＭＮＯの濃度は屈折率に基づいて読み取ることができる。生成物の濃度も密度を介して決定した。

〔ＣＯ_２添加〕
可能な限り最大の転化率および収率のためになぜＣＯ_２が溶解されるべきかを示すことを目的とした試験が行われた。ＮＭＭへのＣＯ_２の添加は、全ての場合において収率に好ましい効果を有していた（＋４０〜７０％、図３および４）ことを見出した。その理由は、Ｎ−メチルモルホリンへのＣＯ_２の溶解度が高いことにある。

滞留時間が短いほど、滞留時間が長い場合よりも温度の上昇が収率に大きな影響を与えた。反応はこのようにして高温でより迅速に進行し、それは可能なより短い滞留時間の結果として製造速度を増加させる。

〔反応を改善するためのリン酸による過酸化水素の安定化〕
過酸化水素は常に高温で分解され、したがって反応溶液を一掃するので、これをリン酸によって抑制することが試みられた。Ｈ_３ＰＯ_４を５〜１０％程度添加することにより、転化率および収率が向上することが分かった（図６）。この効果は滞留時間の増加と共に増強される。リン酸は錯化剤として作用し、触媒作用を及ぼす金属イオンを錯化し、過酸化水素を分解することができる。

〔反応器材料〕
ＮＭＭＮＯの合成は、異なる細管材料を用いて行われた。高耐食性材料Ｈａｓｔｅｌｏｙ（登録商標）Ｃ−２２も試験した。Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ合金は、耐食性に優れたニッケル−モリブデン合金のグループに属し、ニッケル、モリブデン、クロムを多く含むことを特徴とする。これらの材料は、還元媒体における高い耐性を特徴とする。

図５に見られるように、５０℃〜６０℃への温度の上昇は、ＮＭＭの転化率に好ましい効果を有する。これらの試験はＣＯ_２なしで行われた。さらに上昇すると、反応器壁の過酸化水素はＮＭＭと反応できる前に分解する。反応生成物は赤褐色で大量のガス発生がある。金属マスカーを含まないＨａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）Ｃ−２２は、この反応のための反応器材料としてはかなり不適切である。クラス１．４３、１．４４および１．４５の高級鋼では反応が困難なく進行するので、これに対して考えられる理由は、過酸化水素の分解を触媒するモリブデンおよび／またはニッケルの割合が高いことである。材料Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）Ｃ−２２は、本発明に従って使用されないか、またはマスクされることが好ましい。

耐錆性、耐食性鋼の鋼グループ番号１．４０ｘｘから１．４５ｘｘのオーステナイト鋼が好ましい細管材料である。

貴金属、例えば金／白金、または遷移金属チタン／タンタル、ならびに広範囲の異なるポリマー、例えばＰＥＥＫ、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＰＶＤＦ、ＰＭＭＡ、ＰＶＣ、ＰＥＴも同様に、反応器材料、例えば中空体、特にこの反応を実施するための、単離された材料としてのまたは組み合わせた細管、管および混合プレートとして非常に好適である。使用される中空体、管および細管材料もまた、コーティングまたはエナメル加工で使用することができる。

〔反応速度に対するＣＯ_２濃度の影響〕
反応溶液に対するＣＯ_２の添加の好ましい効果をさらに詳細に検討する。定量化するために、異なる重量％のＣＯ_２（溶解し、アミンに対して）で試験を行った。図７に見られるように、反応速度は溶解重量％と共に有意に上昇する。パラメータおよび結果を表６に示す。

〔反応の進行に対する温度の影響〕
可能な限り最高の反応速度を達成するために、さらに選択的な反応を達成するために、４０〜７０℃で試験を実施した（図８）。６０℃までの温度では、ＮＭＭの転化率および収率は大幅に増加する。しかしながら、収率は７０℃で低下し、これは反応の暴走を示し、それ故に６０〜７０℃の間の反応物の分解およびさらに生成物の分解を示す。不連続運転方法とは対照的に、本発明による連続方法は、より大量の製造量で正確な温度制御を可能にし、したがって温度制御温度は反応流体においても効果的に維持することができる。パラメータおよび結果を表７に示す。

〔過酸化水素濃度が製造速度に及ぼす影響〕
反応溶液中のどの濃度の過酸化水素が好都合であるかを決定するために、３０重量％および５０重量％の過酸化水素を用いて同じ試験を行った（図９）。５０重量％の過酸化水素の使用がより好ましいことが照明された。さらに、このようにしてより高濃度のＮＭＭＮＯを得ることができる。本発明によるマイクロ反応システムの利点は、非常に高濃度の過酸化水素の使用が反応熱に関して問題を生じないことである。パラメータおよび結果を表８に示す。

〔大型反応器〕
先の実施例と同じ化学品および同様の試験通過を用いるさらなる実験を、より大きな反応器を用いてのみ行った。

より大きな反応器の設計は、以下の変更を除いて上記で記載された反応器設計と同様である。使用した管の長さは、ピンチポイントの有無にかかわらず、内径１．５〜４ｍｍで２．８ｍであった。使用した管の数は４０本であった。この実験で達成された製造能力は、１００％のＮＭＭＮＯに基づいて１ｋｇ／ｈ〜３ｋｇ／ｈのＮＭＭＮＯであった。この製造能力の結果として、加熱サーモスタットの代わりにクーラーを設置する必要があった（リアクターダイアグラム（２）−（Ｌａｕｄａ：ＥＣＯ ＳＩＬＶＥＲ ＲＥ４１５）を参照）。

１重量％のＣＯ_２をわずかな過剰圧力（０．３ｂａｒ）でＮＭＭに溶解し、次いでＮＭＭ／ＣＯ_２を貯蔵容器（３）に移した。ここで、０．１重量％のＨ_３ＰＯ_４をＨ_２Ｏ_２溶液に添加し、貯蔵容器（４）中に空けた。残りのアプローチは上記で記載の実施例と同一であった。

この実験では、より大きな反応器およびより大きな体積流量によって可能な限り最高の製造能力を達成することを試みた。結果を図１０および表９に示す。

〔図１１による反応システム〕
マイクロリアクタでの直接ＣＯ_２飽和
反応物１の９９％の希釈されていないＮＭＭがコンピュータ制御ポンプ（５）を介して貯蔵容器（３）からマイクロリアクタ（１）へと運ばれ、冷却水を用いて２０℃に温度制御されたという違いを除いて、試験は小型反応器を用いて上記で記載されるように行われた。溶解度試験から決定された最大可溶性ガス体積は、ガスボトル（１５）からマイクロリアクタへ計量バルブ（１４）を介して導かれた。ＣＯ_２飽和部分の圧力を［Ａ］ｂａｒに制御した。

Ｌａｕｄａ社製の２つのＥＣＯ ＳＩＬＶＥＲ ＲＥ４１５加熱サーモスタット（２、１６）を使用して、マイクロリアクタの温度をＴ１＝２０℃またはＴ２＝６５℃に制御した。１：１の体積比の水／エチレングリコールの混合物を冷却媒体および加熱媒体として使用した。

過酸化水素貯蔵容器（４）中で、反応物２、過酸化水素を０．１重量％のＨ_３ＰＯ_４と混合し、貯蔵し、ポンプ（６）を用いてマイクロリアクタ（１）中に運んだ。飽和管（７）および予熱管（８）の後、反応物を混合モジュールＴ３（９）を介して合わせた。国際公開第２０１０／０５５０３４号パンフレットに従って、スタティックミキサ（例えば、混合プレート）を混合モジュールに使用した。次いで反応混合物を反応管（１０）に導き、そこで反応が行われた。反応器内の圧力を上昇させるために、２０ｂａｒの圧力維持バルブ（１１）を反応器出口の後に使用した。圧力維持バルブの組み込みは、これらの望ましくない反応の過程でガスの発生があるので、分解および二次反応を最大限に抑制することを意図していた。

赤外線測定（１３）の後、撹拌機を備えた容器（１２）に所望の生成物を集めた。反応溶液を固定化ＭｎＯ_２上に導くことによって過剰の過酸化水素を破壊した。

［Ｆ］％の転化率および［Ｇ］％の収率で［Ｅ］ｍｌ／分の処理量を達成することができた。結果を図１２および表１２に示す。

Claims (19)

1. 反応流体中に第三級アミンを連続的に導入し、アミンオキシドを搬出しながら、細長い中空体を有する反応器中で第三級アミンを酸化することによってアミンオキシドを製造する方法であって、
   ｉ）０．５ｍ^２／ｍ^３以上の表面対体積比が、少なくとも前記第三級アミンが５０％（ｍｏｌ％）の程度まで酸化される前記中空体の長さにわたって前記中空体中に提供され；
   ｉｉ）前記中空体中に１ｌ／ｍ^２ｈ〜４０ｌ／ｍ^２ｈの比表面負荷が与えられ；および／または
   ｉｉｉ）前記中空体中に１，０００ｌ／ｍ^３／ｈ〜３０，０００ｌ／ｍ^３ｈの比体積負荷が与えられる、方法。
2. 前記第三級アミンが、酸化剤としての過酸化水素に対して、好ましくは１：０．９〜１：１．３、好ましくは１：１〜１：１．１のモル比で使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記アミンオキシドがＮ−メチルモルホリンＮ−オキシドであり、前記第三級アミンがＮ−メチルモルホリンであることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記中空体中の前記反応流体の流速が、０．４分〜１４分、好ましくは０．６分〜８分の前記第三級アミンの滞留時間に設定されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記反応流体の流速が０．１ｍ／分〜２００ｍ／分、好ましくは１０ｍ／分〜１６０ｍ／分、最も好ましくは１０ｍ／分〜１２０ｍ／分であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記中空体中の前記反応流体温度が２０℃〜７０℃、好ましくは４０℃〜６５℃、最も好ましくは５５℃〜６５℃であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記中空体内の圧力が１ｂａｒ〜２００ｂａｒ、好ましくは５ｂａｒ〜１００ｂａｒ、最も好ましくは５０ｂａｒ〜１００ｂａｒであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記反応器の中空体、好ましくは管の内径が０．２５ｍｍ〜１０ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍ〜６ｍｍ、特に好ましくは０．８ｍｍ〜４ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記反応器の中空体、好ましくは管の長さが０．５ｍ〜２０ｍ、好ましくは１ｍ〜１０ｍ、特に２ｍ〜５ｍであることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記反応器の中空体、好ましくは管の内壁が、好ましくはＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉまたはこれらの混合物から選択される１つ以上の金属を含有することを特徴とし、ここで中空体、好ましくは管の内壁が特に好ましくはオーステナイト鋼で構成される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記第三級アミンが、４０％〜１００％、好ましくは５０％〜９９．５％、特に６０〜９９％、特に６０〜９９％、特に好ましくは７０％〜９９％（全て体積％単位）の濃度で前記中空体に供給されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 酸化剤、好ましくは過酸化水素が、５％〜８０％、好ましくは１０％〜７０％、特に２０％〜６０％、特に好ましくは３０％〜５５％（全て重量％単位）の濃度で前記中空体に供給されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記反応流体が、下記式：
    ［式中、Ｂｏはボーデンシュタイン数であり、ｕは前記反応流体の流速であり、Ｌは前記中空体、好ましくは管の長さであり、Ｄ_ａｘは前記反応流体の軸方向分散流である］
    に従って、１０を超える、好ましくは２０〜２００のボーデンシュタイン数で前記中空体を通して運ばれることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法
14. ＣＯ_２が、前記第三級アミンに対して好ましくは０．５重量％〜２０重量％の量で前記中空体に供給されることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 金属錯化剤、好ましくはホスフェートを、好ましくは０．０１％〜３％、好ましくは０．０３％〜２％、特に好ましくは０．０５％〜１．５％（全て重量％）の量で前記反応流体に添加することを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記第三級アミンの酸化が酸化剤を用いて行われ、過剰の酸化剤が分解または除去されることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記アミンオキシドを、セルロースの溶解のための濃度にし、さらに任意にセルロースをその中に溶解させ、さらに任意に前記溶解したセルロースを連続成形体に成形し、前記成形体のセルロースが沈殿されることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記中空体中の前記反応流体が層流で導かれることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記反応流体が、２３００以下のレイノルズ数、好ましくは１０００以下のレイノルズ数、特に好ましくは１〜１００のレイノルズ数で前記中空体を通る流れに導かれることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。