JP3606896B2 - 反応器およびこの反応器の中において実施される共重合法または重合法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業状の利用分野】
本発明は、特に不均一系を混合するのに適した撹拌機構を備えた円筒形の反応器およびこの反応器の中において実施される共重合法または重合法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
種々の成分の連続均一混合と各相間の（例えば気−液、気−液−固、液−固、液−液などの相間の）効率的物質交換を必要とする処理を実施するための円筒形の各種機械的撹拌反応器が業界公知である。機械的撹拌は一般に反応器中に軸方向位置に配置された撹拌器によって実施される。主として撹拌される物質の粘度に対応して特定の撹拌器形状が使用される（タービン、羽根、プロペラなど）（これに関しては、「化学技術の進歩（Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｃｈｅｍｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ）」、Ｖｏｌ．１７、５−８頁、アカデミックプレス、１９９２参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
気−液系の場合、業界公知のすべての撹拌装置の共通の問題点は、これらの相間の物質移動係数が一般に高くなく、撹拌される物質量が時間と共に減少するに従って、この物質移動係数が著しく低下する事にある。これは例えば、単量体の少なくとも一種が気相で存在するエマルジョンまたは懸濁液重合反応の場合であって、この場合には、重合に際して液相の量と液相の固体含有量が徐々に増大する。このようにして気相と液相の間の物質移動が低下し、従って収率が低下する。
【０００４】
また各種の相間において満足な物質交換を生じる事の困難さから、反応器形状がある程度制限される。特に従来の撹拌システムにおいては、熱交換を効率化するために高さ／直径比の高い反応器を使用する事が実際上不可能である。
【０００５】
気−液システムにおいて相間の物質交換を改良するため、液相中にガスを分布する装置（スパージャ）を使用する事が公知である。この種の装置は実際上円環形装置であって、複数の穴を備え、これらの穴を通してガスが泡状に放出される。しかしこれらの装置は閉塞しやすいので頻繁な保守作業を必要とする。これは特に、液相中に固相が存在しあるいは反応中に固相が形成される場合（例えば重合反応の場合）である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
出願人は、特に不均一系の混合に適し、相異なる相間において非常に効率的な物質交換を達成しまた撹拌される物質の量が増大した場合にも物質交換が一定にとどまるように成された新規な型の回転式撹拌装置を発見した。また本発明の撹拌装置においては、特に低い剪断応力値をもって高い混合均一性が得られる。
【０００７】
従って本発明の目的は、特に不均一系を混合するのに適した撹拌機構を備えた円筒形の反応器において、前記撹拌機構は、回転式撹拌装置（１）と回転軸線に対して同軸の駆動軸とを備え、前記回転式撹拌装置は駆動軸に連結されるとともに複数の撹拌要素（２）を有し、これらの撹拌要素（２）は水平断面がＣ形形状となっているとともに回転軸線に対して対称的に配置され、各撹拌要素（２）は下端部（３）、垂直部（４）および上端部（５）からなり、それぞれの撹拌要素（２）は上方連結要素（７）および下方連結要素（６）にまとめて取り付けられ、前記撹拌装置（１）は、反応器の直径（Ｔ）の１／３乃至２／３の範囲内の底部直径（Ｄ）を有し、下端部（３）は、撹拌装置の底部直径（Ｄ）の少なくとも１／５以上の高さ（Ｆ）を有し、垂直部（４）は、反応器の直径（Ｔ）の１／２０乃至１／４の範囲内の幅（Ｇ）を有し、各撹拌要素（２）は、撹拌装置の直径（Ｄ）の３／２と反応器の高さ（Ｖ）との間の範囲内の高さ（Ｌ）を有することを特徴とする反応器を提供することにある。
【０００８】
以下、本発明を図面に示す実施例について詳細に説明するが本発明はこれに限定されるものではない。
【０００９】
【実施例】
図１に図示の撹拌器１は３個の撹拌要素２を有し、これらの撹拌要素２は、装置そのものの回転方向に向かって凹形を成す凹形羽根である。撹拌要素２は回転軸線に対して対称的に配置され、各羽根が他の羽根に対して１２０゜の角度Ａを成す。
【００１０】
各撹拌要素２は下端部３、垂直部４および上端部５から成る。図１に図示のように撹拌装置１は好ましくは上端部５に向かってテーパを成し、そのため下端部３は上端部５より長いので、垂直部４は垂直軸線に対して０゜乃至１０゜の範囲内の角度Ｂを成す。このようなテーパは、反応器内部の軸方向移動をさらに均一に分布させる機能を有する。
【００１１】
３個の撹拌要素２は下方連結要素６と上方連結要素７とによって相互に接合され、これらの連結要素上にそれぞれ撹拌要素の下端部３と上端部５が連結されている。上方連結要素７は、撹拌装置１を回転させるために取付けられた駆動軸に固着されている。
【００１２】
下端部３の下側面は水平面に対して、通常凹形の反応器底部のそれぞれの形状に対応して０゜乃至４５゜の角度Ｃを成す。
【００１３】
本発明の目的を成す撹拌装置のサイズ特性に関しては、これらの特性は主として装置を使用する反応器のサイズに依存している。
【００１４】
直径（Ｔ）と高さ（Ｖ）を有する実質的に円筒形の反応器の場合、本発明の目的の撹拌装置のサイズは好ましくは下記とする。
【００１５】
−撹拌装置１の底部直径（Ｄ）：直径（Ｔ）の１／３乃至２／３；
−撹拌要素２の曲率半径（Ｅ）：直径（Ｔ）の１／３と同等またはこれ以上；
−下端部３の高さ（Ｆ）：直径（Ｄ）の１／５と同等またはこれ以上；
−垂直部４の幅（Ｇ）：直径（Ｔ）の１／２０乃至１／４；
−撹拌要素２の高さ（Ｌ）：直径（Ｄ）の３／２乃至高さ（Ｖ）とほぼ同等の値：
もちろん高さ（Ｌ）の最大値は反応器の特殊形状に依存するが、反応器の中において撹拌装置を自由に回転させる程度でなければならない。
【００１６】
上端部５の高さ（Ｍ）は、通常の状態ではこの高さは撹拌される物質の外部にあるので、撹拌効率には一般に無影響である。しかし高さ（Ｍ）は一般に少なくとも直径（Ｔ）の１／２０に等しい。
【００１７】
前記の値は単に例にすぎず、考慮される不均一系の特性、粘度、密度、固体含有量、相の数などに対応して変動する事ができる。
【００１８】
また前記の実施態様について本発明の主旨の範囲内において、各要素の変更、調整、変形および機能的に同等の他の要素との交換を実施する事ができるのは明かである。
【００１９】
相異なる相間の高物質交換率と低剪断応力との故に、本発明は特に下記の用途に使用される反応器に好適である。
【００２０】
−特にフッ素化オレフィン単量体のエマルジョン重合（共重合）反応、例えばテトラフルオロエチレンのホモポリマーおよびそのヘキサフルオロプロペン、フルオロビニルエーテルとのエラストマーまたはプラストマー共重合体、例えばペルフルオロプロピルビニルエーテルまたはペルフルオロメチルビニルエーテル；フッ化ビニリデンのホモポリマーおよびそのヘキサフルオロプロペン、テトラフルオロエチレン、フルオロビニルエーテル、完全水添されたオレフィン、臭素化および／またはヨウ素化ビニル・コモノマーとのエラストマーまたはプラストマー共重合体などの製造；
−例えばエチレン／テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）またはエチレン／クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＣＴＦＥ）などのポリマー（共重合体）の製造のための、特にフッ素化オレフィン単量体の懸濁液重合反応（共重合反応）；
−薬剤の有効成分の製造用の発酵反応、特に剪断応力感性微生物および／または生成物が存在する反応；
−スラリ製造工程、特に剪断応力感性生成物の存在する工程（例えば、ゼオライト分散系の製造工程）。
【００２１】
前述のように、本発明の撹拌装置は時間的にきわめて一定の反応率を保証し、均一混合と低剪断応力とを示す。特に、エマルジョン重合反応の場合、低剪断応力はきわめて有利である。これは安定な重合ラテックスを生じ、望ましくない重合体凝塊の形成を防止するからである。公知のように、このような凝塊は反応器を汚して保守の問題を生じるのみならず、熱交換効率の低下、重合体の汚染、反応速度の低下などの種々の問題を伴なう。
【００２２】
さらに本発明の撹拌装置は、懸濁重合に際して、５０重量％以上の懸濁固体含有量についても均一混合を成す事ができる。
【００２３】
不均一系の混合に際しての本発明の有効性は下記データから明かである。このデータは本発明の反応器（図３）を、同一回転軸上に配置された２つのラシュトンタービンを使用する先行技術の撹拌装置（図４）と比較する。
【００２４】
図３は本発明の目的を成す撹拌装置の断面を示し、この撹拌装置は反応器８の中に配置され、この反応器の中に一対のじゃま板９が対称的に配置されている。撹拌される液体の水準はＨによって示される。測定に使用される反応器＋撹拌装置システムの各要素の実サイズは下記である。
【００２５】
反応器（図３参照）
Ｔ＝２０２ｍｍ；ａ＝１５０ｍｍ；ｂ＝３６ｍｍ；ｃ＝７ｍｍ；ｄ＝６ｍｍ；ｅ＝６０ｍｍ；ｆ＝１１０ｍｍ；ｇ＝３２４ｍｍ；
撹拌装置（図１および図２参照）
Ａ＝１２０゜；Ｂ＝２．４２゜；Ｃ＝１０゜；Ｄ＝１１２ｍｍ；Ｅ＝６０ｍｍ；Ｆ＝５４ｍｍ；Ｇ＝１４ｍｍ；Ｌ＝４２０ｍｍ；Ｍ＝２０ｍｍ．
図４は先行技術の装置１０の断面図であって、この装置は６枚羽根１２のラシュトンタービンを回転軸１３上に設置して構成され、内部に４枚のじゃま板１５を対称的に配置された反応器１４の中にこの装置１０を配置する。撹拌される液体の水準をＨで示す。測定に使用される反応器＋撹拌装置システムの各要素の実サイズは下記である。
【００２６】
Ｔ＝２０２ｍｍ；ｍ＝２０．２ｍｍ；ｎ＝１００ｍｍ；ｐ＝２５ｍｍ；ｑ＝２０ｍｍ；ｒ＝６７．３ｍｍ；ｓ＝２００ｍｍ。
【００２７】
各撹拌装置＋反応器システムについて、液相（水）と気相（空気）の間の酸素の物質移動係数（ｋ１ ）を「バイオテクノロジー アンド バイオエンジニアリング（”Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ”）」、Ｖｏｌ．ＸＸＩＸ、ｐ．９８２−９９３（１９８７）においてＹ．イマイ、Ｈ．タケイ、およびＭ．マツムラによって記載された方法に従って測定した。反応器の相異なる充填水準において測定が実施された。
【００２８】
測定結果を図５に示す。横座標にはＨ／Ｔ比、すなわち液体高さ（Ｈ）と反応器直径（Ｔ）との比率を示し、縦座標には積ｋ１ ａ・Ｖ１ ・１０１ を示した。ここに、
ｋ１ は物質移動係数（ｍ／ｓｅｃ）、ａは気／液界面比面積（ｍ−１）、Ｖ１ は反応器中の液体体積（ｍ３ ）とする。
【００２９】
図５の３本の曲線はそれぞれ下記を示す。
【００３０】
−本発明による反応器＋撹拌装置システム（図３）、回転速度Ｎ＝５．８秒−１および比電力＝２．０−２．６Ｋｗ／ｍ３ （符号○）、
−先行技術による反応器＋撹拌装置システム（図４）、回転速度Ｎ＝１０秒−１および比電力＝６．５−１０Ｋｗ／ｍ３ （符号△）、
−先行技術による反応器＋撹拌装置システム（図４）、回転速度Ｎ＝６．５秒−１および比電力＝１．８−２．８Ｋｗ／ｍ３ （符号□）。
【００３１】
比電力は剪断応力に関連した量であって、反応器の充填水準に対応して変動する。
【００３２】
【発明の効果】
図５のグラフを比較すれば明かなように、本発明による撹拌装置を使用すれば、反応器充填水準が変動しても気相と液相との間において実質的に一定の物質交換率が得られるが、先行技術の撹拌装置を使用すれば非常に大きな変動を生じる。また比電力を同等として、本発明による装置ははるかに高い相間物質交換率を示す事を注意しよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図２の面Ｘ−Ｘ’にそった本発明の装置の長手方断面図。
【図２】本発明の装置の平面図。
【図３】反応器の中に収容された本発明による撹拌装置の長手方断面図。
【図４】先行技術の撹拌装置および反応器の長手方断面図。
【図５】本発明の撹拌装置と先行技術の撹拌装置を使用した場合の物質交換テスト結果を示すグラフ。
【符号の説明】
１ 撹拌装置
２ 撹拌要素（羽根）
３ 撹拌要素の下部
４ 撹拌要素の垂直部
５ 撹拌要素の上端部
８ 反応器
Ａ 羽根の相互角度
Ｂ 垂直部と回転軸線との角度
Ｃ 下端部の下側面と水平面との角度
Ｄ 下端部の直径
Ｅ 撹拌要素の曲率半径
Ｆ 下端部の高さ
Ｇ 垂直部の幅
Ｈ 液体の水準
Ｌ 撹拌要素の高さ
Ｍ 上端部の高さ
Ｔ 反応器の直径
Ｖ 反応器の高さ

Claims (7)

1. 特に不均一系を混合するのに適した撹拌機構を備えた円筒形の反応器において、
   前記撹拌機構は、回転式撹拌装置（１）と回転軸線に対して同軸の駆動軸とを備え、
   前記回転式撹拌装置は駆動軸に連結されるとともに複数の撹拌要素（２）を有し、これらの撹拌要素（２）は水平断面がＣ形形状となっているとともに回転軸線に対して対称的に配置され、
   各撹拌要素（２）は下端部（３）、垂直部（４）および上端部（５）からなり、それぞれの撹拌要素（２）は上方連結要素（７）および下方連結要素（６）にまとめて取り付けられ、
   前記撹拌装置（１）は、反応器の直径（Ｔ）の１／３乃至２／３の範囲内の底部直径（Ｄ）を有し、下端部（３）は、撹拌装置の底部直径（Ｄ）の少なくとも１／５以上の高さ（Ｆ）を有し、垂直部（４）は、反応器の直径（Ｔ）の１／２０乃至１／４の範囲内の幅（Ｇ）を有し、各撹拌要素（２）は、撹拌装置の直径（Ｄ）の３／２と反応器の高さ（Ｖ）との間の範囲内の高さ（Ｌ）を有することを特徴とする反応器。
2. 各撹拌要素（２）は、曲率半径を有し撹拌装置の回転方向からみて凹面となっている凹形断面の羽根であり、前記曲率半径が反応器の直径（Ｔ）の少なくとも１／３以上となっていることを特徴とする請求項１記載の撹拌機構を有する円筒形の反応器。
3. 撹拌要素（２）は３枚であることを特徴とする請求項１または２記載の撹拌機構を有する円筒形の反応器。
4. 各撹拌要素（２）の下端部（３）は水平方向において上端部（５）よりも長く、各撹拌要素（２）の垂直部（４）は回転軸線に対して０°乃至１０°の範囲内の角度（Ｂ）をなすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の撹拌機構を有する円筒形の反応器。
5. 各撹拌要素（２）の下端部（３）の下側面は水平面に対して、０°乃至４５°の範囲内の角度（Ｃ）をなすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の撹拌機構を有する円筒形の反応器。
6. 各撹拌機構（２）の上端部（５）は、反応器の直径（Ｔ）の少なくとも１／２０以上の高さ（Ｍ）を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の撹拌機構を有する円筒形の反応器。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の撹拌機構を有する円筒形の反応器の中において実施されるエマルジョンまたは懸濁液中でのフッ素化オレフィン単量体の共重合法または重合法。

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