JP4081539B2

JP4081539B2 - 高圧反応システム

Info

Publication number: JP4081539B2
Application number: JP2001256830A
Authority: JP
Inventors: 肇川波; 豊生島; 一雄鳥居
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2001-08-27
Filing date: 2001-08-27
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2021-08-27
Also published as: JP2003062446A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧条件下において高効率で多品種の物質製造・反応を行うことを可能とする高圧反応システムに関するものであり、更に詳しくは、バッチ式で被反応物を高圧下で反応させ、目的化合物を製造する反応システムであって、超臨界流体等の高圧流体中で種々の物質製造・反応等を並列して同時的に複数実施することを可能とする新しい高圧反応システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、高圧条件下で物質製造・反応等を行う方法は、大きく分けてバッチ式と流通式の２方式がある。例えば、超臨界流体を用いる物質製造装置は、従前から行われてきている反応装置１個を用いるバッチ式装置か、あるいは流通式装置のどちらかに属する。これらのうち、流通式装置は、連続的に反応の追跡が可能であるため、先行技術として、例えば、カラムクロマトグラフィー（例えば、特開平０８−３１３５０５等）や多くの製造装置（例えば、特開平０７−３１３９８７等）で構築されている。しかしながら、例えば、生成物質が超臨界流体に溶解せず、抽出できない場合や、生成物質が高沸点で、蒸留等でも反応系外に導出できない場合には、流通式装置はそれらの製造に適さない欠点がある。
【０００３】
一方、バッチ式装置は、様々な反応に適応することができ、先行技術として、例えば、多くの条件下での製造が可能である（例えば、特開平１０−２４４１４７等）。このバッチ式装置は、特に、ろ過行程等で物質の分離が必要な場合には有効である。しかしながら、バッチ式装置は、反応容器が１個であるため、反応毎に製造装置を停止し、開閉して原料を入れたり、あるいは生成物を取り出す必要があり、効率は非常に悪く、例えば、温度、流速、圧力、反応時間等の条件を目的に対応させて、様々な条件下で行う多品種の物質製造・反応や大量合成には不向きであるという欠点を有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、様々な反応に適用することができ、多くの条件下での製造が可能である上記バッチ式装置の利点を生かし、しかも、効率よく、温度、流速、圧力、反応時間等の条件を目的に対応させて自由に制御して多品種の物質製造・反応や大量合成を行うことを可能とする新しい高圧反応システムを開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、高圧流体用ボンベとポンプを有する高圧流体送液部と、反応容器を有する高圧反応部と、及び試料回収容器を含む圧力制御部とを、切り替えバルブを介して並列に配設することにより所期の目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は、様々な製造や反応、反応条件に適応可能なバッチ式装置の利点を活用し、同時に多種多様な条件で効率的な物質製造・反応等を可能にする高圧反応システムを提供することを目的とするものである。
また、本発明は、超臨界流体又は亜臨界流体等の高圧流体中で種々の製造・反応等を並列して同時的に複数実施することにより多品種の物質製造・反応等を可能とする新しい高圧反応システムを提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）原料の異なる高圧反応が可能で、かつ圧力の異なる高圧反応、及び／又は反応温度の異なる高圧反応が可能な高圧反応によりバッチ式で被反応物を高圧下で反応させ、目的化合物を製造する反応システムであって、超臨界流体又は亜臨界流体からなる高圧流体用ボンベとポンプを有する高圧流体送液部、該高圧流体送液部のポンプに切り替えバルブを介して並列に配設した複数の反応容器を有する高圧反応部、反応試料回収容器を含む圧力制御部、及び各反応容器に反応原料を導入する配管を構成要素として含み、１個の高圧流体導入ポンプに複数の反応容器を切り替えバルブを介して並列に配設し、切り換えバルブにより、複数の反応容器に高圧流体の導入ができ、かつ反応容器ごとに異なった反応原料による反応が可能となるようにしたことを特徴とする高圧反応システム。
（２）１個の圧力制御系と複数の反応容器を切り替えバルブを介して並列に配設し、各反応容器内の圧力をほぼ同時に制御できるようにしたことを特徴とする前記（１）に記載の高圧反応システム。
（３）１個の高圧流体導入ポンプに複数の反応容器を１個ないし複数個の切り替えバルブを介して並列に配設し、同時に１個の圧力制御系と複数の反応容器を１個ないし複数個の切り替えバルブを介して並列に配設し、各反応容器内の圧力を制御しながら高圧流体の導入ができるようにしたことを特徴とする前記（１）に記載の高圧反応システム。
（４）第一の切り替えバルブの下位に、２個の切り替えバルブを介して複数の反応容器を並列に設置し、これらを一つの高圧反応系として第一の切り替えバルブに接続したことを特徴とする前記（３）に記載の高圧反応システム。
（５）個々の反応容器を恒温浴に入れ、それぞれ独立に温度制御を行うようにしたことを特徴とする前記（１）から（４）のいずれかに記載の高圧反応システム。
（６）反応容器が２〜１００個であることを特徴とする前記（１）から（５）のいずれかに記載の高圧反応システム。
（７）反応圧力が１〜５０ＭＰａの範囲であることを特徴とする前記（１）から（４）のいずれかに記載の高圧反応システム。
（８）反応温度が３０〜３００℃の範囲であることを特徴とする前記（１）から（４）のいずれかに記載の高圧反応システム。
【０００６】
本発明者らは、従来の、超臨界流体等の高圧流体を用いた、使い勝手が悪く、多数の反応を実施するのに長時間を要する、バッチ式製造装置の効率を向上すべく鋭意研究を行った結果、本発明を開発するに至ったものであり、本発明の高圧反応システムは、高圧流体用ボンベとポンプを有する高圧流体送液部と、複数の反応容器を有する高圧反応部と、試料回収容器を有する圧力制御部と、及び配管構成要素として含み、１個の高圧流体導入ポンプに複数の反応容器を切り替えバルブを介して並列に配設し、複数の反応容器に高圧流体の導入ができるようにしたことを特徴としている。
【０００７】
本発明では、１個の高圧流体導入ポンプに複数の反応容器を並列に接続することで、上記ポンプで各反応容器に高圧流体を導入することが可能となり、バッチ式でありながら、上記反応容器ごとに、種々の条件下での反応が可能となる。
本発明では、上記各反応容器に、温度調節手段、圧力調節手段を設置することが可能であり、それにより、反応容器ごとに、異なった温度、圧力での反応が可能となる。また、上記各反応容器に、反応原料を導入する配管を設置することができ、それにより、反応容器ごとに、異なった反応原料による反応が可能となる。更に、本発明では、高圧流体を反応容器に導入するための配管を設置すること、切り替えバルブと反応容器の間にストップバルブを設置すること、反応容器内の反応生成物を排出する配管を設置すること、これらの系の圧力を制御するための圧力制御装置を設置すること、が適宜可能であり、これらの構成により、反応容器の圧力を一定に保持し、反応生成物を回収することが可能となる。
【０００８】
本発明の高圧反応システムは、例えば、切り替えバルブ２個の間に、複数の反応容器を並列に接続することにより、バッチ式でありながら、種々の条件下での物質製造・反応を同時に行うことができ、これにより、製造時間を大幅に短縮でき、効率的な物質生産が可能になるという特徴を有する。また、本発明に使用する反応容器は、従来の反応容器でも、また、新しい適宜のタイプの反応容器でも使用することが可能であり、かつ、ポンプ１台で２〜１００個の反応容器に高圧流体を導入できる高圧反応システムを提供することができる。また、各反応容器に、例えば、温度調節器、圧力計を設置することにより、それぞれ異なった温度、圧力で物質製造・反応が可能な高圧反応システムを提供することができる。また、各反応容器に反応原料を導入する配管を設置することにより、それぞれ異なった原料を用いた物質製造・反応が可能な高圧反応システムを提供することができる。更に、反応容器と切り替えバルブの間に、ストップバルブを設置することにより、異なる設定反応時間で、適宜、反応を終了できる高圧反応システムを提供することができる。更に、反応容器内の生成物等の試料を排出するための配管、高圧流体を導入するための配管、及び圧力制御装置を設置することにより、反応容器の圧力を一定に保持しながら試料を分取できる高圧反応システムを提供することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の高圧反応システムの一例である実施例を、図面に基づいて説明する。図１は、本発明の高圧反応システムの一例の全体の模式図、及び図２は、本発明の高圧反応システムで用いた反応容器の一例の模式図を示す。
【００１０】
図１における高圧反応システムは、大きく分けて３つの構成要素から成っている。すなわち、上記高圧反応システムは、高圧流体用ボンベとポンプを有する高圧流体送液部（ボンベ１〜配管５の部分）、複数の反応容器を有する高圧反応部（切り替えバルブ６〜配管３２の部分、及び切り替えバルブ６〜システム３５の部分）、及び試料回収容器を含む圧力制御部（圧力制御弁３３〜試料回収容器３４の部分）から構成されている。これらの各部は、高圧流体を使用するに十分な機械的強度があれば良く、高価な耐腐食性の材質で構成される必要はない。すなわち、これらの各部の材質は、特別の材質とする必要はなく、従来用いられているものと同じ材質を使用することができ、例えば、炭素鋼、ステンレススチール等の材質を好適に使用することができる。
【００１１】
本発明において、使用する高圧流体としては、例えば、二酸化炭素が代表的なものとして例示されるが、これ以外にも、例えば、、水素、メタン、エタン、プロパン、メタノール、エタノール等を好適に用いることができ、更には、一酸化炭素、塩素、フッ素、臭化水素、塩化水素、フッ化水素、水、硫化水素、ヘリウム、ヨウ素、クリプトン、窒素、アンモニア、ネオン、酸素、二酸化硫黄、三酸化硫黄、キセノン、ブタン、イソブタン、ペンタン、ネオペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ドデカン、テトラデカン、ヘキサデカン、オクタデカン、エイコサン、エチレン、プロピレン、１, ３−ブタジエン、アセチレン、フレオン−１３、フレオン−１２、フレオン−１１、四塩化炭素、クロロホルム、塩化メチレン、フレオン−２２、フレオン−２１、フレオン−１１４、フレオン−１１３、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、イソブチルアルコール、２−ブタノール、ｔ−ブチルアルコール、アリルアルコール、メチルエーテル、メチルメチルエーテル、エチルエーテル、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、アセトン、エチルメチルケトン、ベンゼン、トルエン、ｏ−キシレン、ｐ−キシレン、ｍ−キシレン、エチルベンゼン等も用いることができる。
【００１２】
上記高圧流体として、超臨界流体、亜臨界流体のいずれも用いることができる。本発明では、使用する高圧流体としては、超臨界流体が最も好ましいが、亜臨界流体も用いることも可能である。例えば、二酸化炭素を用いる場合、これを７．４ＭＰａ以上の圧力下で使用することができ、更に、亜臨界流体の領域である５．０ＭＰａ以上７．４ＭＰａの圧力下で好適に使用することができる。
【００１３】
本発明の高圧反応システムについて、高圧流体として、超臨界二酸化炭素を用いた場合の例を図１及び図２に基づいて説明すると、超臨界二酸化炭素は、二酸化炭素ボンベ１よりストップバルブ２と配管３を通してポンプ４に接続され、更に、配管５を通して第一切り替えバルブ６に導入される。更に、第一切り替えバルブ６から配管７、ストップバルブ８及び配管９を通り、切り替えバルブ１０に導入される。この時、超臨界二酸化炭素の供給速度、供給量をポンプ４とストップバルブ８の併用で制御することができる。この際、第一切り替えバルブ６は、必要でない場合もあり得るが、例えば、同種の反応システムを多段階に接続する場合、すなわち、別経路や多くの流通経路を使用する場合には、第一段階の切り替えバルブとして接続する必要が出てくる。また、必要に応じて、この第一切り替えバルブ６を多段階にし、更に多くの流通経路を確保することもできる。
【００１４】
第一切り替えバルブ６による流路の確保数は、２経路から１００経路まで可能であるが、反応条件の設定等の前準備や故障対策の点から、好ましくは２経路から７０経路、更に好ましくは２経路から４０経路、最も好ましくは２経路から２０経路である。
次に、切り替えバルブ１０に導入された超臨界流体は、配管１１から反応装置１７に、配管１２から反応装置１８に、配管１３から反応装置１９に、配管１４から反応装置２０に、配管１５から反応装置２１に、及び／又は配管１６から反応装置２２に導入される。
この切り替えバルブ１０により、更に多くの流路を確保することも可能であり、それに付随して、同時に、反応装置も２個から１００個まで装備することが可能であり、好ましくは２〜７０個、更に好ましくは２〜４０個、最も好ましくは２〜２０個の反応装置を用いることが可能である。
【００１５】
図２に、それぞれ、反応装置１７、反応装置１８、反応装置１９、反応装置２０、反応装置２１、及び反応装置２２の詳細を模式図として示す。超臨界二酸化炭素は、図１に示されている切り替えバルブ１０から図２の配管３６を通り、ストップバルブ３７に接続される。ストップバルブ３７から配管３８を通り、反応容器３９に接続され、ストップバルブ３７の開閉で超臨界流体の導入が調節できる。反応容器３９には、配管４０、ストップバルブ４１を通り、配管４２から図１に示される切り替えバルブ２９に接続され、ストップバルブ４１の開閉を通して、超臨界二酸化炭素、及び試料等の排出が可能である。また、反応容器には、温度センサー４３、圧力センサー４４が接続されており、常に、反応容器内の温度と圧力が測定できるようになっている。更に、配管４５とストップバルブ４６が接続されており、個々に高圧シリンジポンプ等を接続することで別々に試料を導入でき、また、検出器を接続することで各種測定を行うことが可能となり、あるいは反応中のサンプリング等も可能となる。更に、この反応容器３９全体を恒温浴４７で覆い、温度センサー４９と冷却手段及び発熱体４８を用いることで反応温度の制御を行うことができる。
【００１６】
図１において、各反応容器からの超臨界流体は、配管２３、配管２４、配管２５、配管２６、配管２７、及び／又は配管２８を通り、切り替えバルブ２９に排出される。上記切り替えバルブ１０と切り替えバルブ２９は、電気的に連動しており、バルブ１０の出力ａとバルブ２９の入力ｇ、バルブ１０の出力ｂとバルブ２９の入力ｈ、バルブ１０の出力ｃとバルブ２９の入力ｉ、バルブ１０の出力ｄとバルブ２９の入力ｊ、バルブ１０の出力ｅとバルブ２９の入力ｋ、及びバルブ１０の出力ｆとバルブ２９の入力ｌ、とが必ず組になって接続されている。但し、切り替えバルブ１０と切り替えバルブ２９は、それぞれ手動に切り替えができ、個々の入出力を自由に選択することも適宜可能である。一方、切り替えバルブ２９は、配管３０を通してストップバルブ３１に接続される。すなわち、ストップバルブ８からストップバルブ３１までが、第一の高圧反応部を構成している。
【００１７】
このストップバルブ３１は、第一切り替えバルブ６に接続され、最後に配管３２を経由して圧力制御弁３３から試料回収容器３４に繋がっている。この圧力制御弁３３は、第一の高圧反応部における切り替えバルブ２９で選択された反応容器の内圧を制御できる。更に、切り替えバルブ１０で流通経路を選択し、ストップバルブ８とポンプ４を組み合わせれば、流通式の反応も行うことが可能となる。
第一切り替えバルブ６には、第二の高圧反応システム３５が接続され、第一切り替えバルブ６を制御することによって、高圧条件下での多品種の物質製造・反応を可能とすることができる。
【００１８】
【作用】
本発明は、バッチ式の高圧反応システムとして、1 個のポンプに複数の反応容器を切り替えバルブを介して並列に配設し、複数の反応容器に高圧流体の導入ができるようにしたことを特徴とする高圧反応システムであり、１）通常のバッチ式あるいは流通式では困難であった異なる圧力下での物質製造を同時に行うことができる、２）通常のバッチ式あるいは流通式では困難であった異なる温度での物質製造・反応を同時に行うことができる、３）通常のバッチ式あるいは流通式では困難であった異なる基質を用いた物質製造・反応を同時に行うことができる、４）通常のバッチ式あるいは流通式では困難であった異なる反応時間での物質製造・反応を同時に行うことができる、及び５）前記の１）〜４）の組み合わせによる多様な多品種の物質製造・反応を同時に行うことができる、などの従来の方式では到底得られない格別の効果を奏する新しい高圧反応システムを実現することを可能とするものである。
【００１９】
【実施例】
次に、本発明の高圧反応システムによる高圧反応を実施例に基づいて具体的に説明するが、本実施例は、本発明の好適な一例を説明したものであり、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
（１）圧力の異なる高圧反応
図１に示した構造の高圧反応システムを用いて、１２個の反応装置（反応容器の内容積５０ｍｌ）に、それぞれ、スチレンオキシド（１ｍｍｏｌ）とジメチルホルムアミド（１ｍｍｏｌ）を仕込み、バルブで切り替えて１〜５０ＭＰａの所定圧力の二酸化炭素を導入し、反応温度１２０℃で１５時間反応させた。その後、反応温度を０℃に急速に冷却し、反応を停止させた後、バルブで切り替えながら脱圧し、各反応容器に残った反応生成物をガスクロマトグラフィーによって調べ、原料と生成物のスチレンカーボネートの定量、定性を行った。
【００２０】
（２）結果
表１に、カーボネート収率の結果を示す。本発明の高圧反応システムを用いることにより、１個の反応容器を付属した従来型製造装置で１２日かかっていた圧力の異なる行程についての製造日数を１日に短縮することができ、最適圧力を知るための製造工程の日程を著しく効率化できることがわかった。
【００２１】
【表１】

【００２２】
実施例２
（１）原料の異なる高圧反応
図１の高圧反応システムを用い、６個の反応装置（反応容器の内容積５０ｍｌ）に、それぞれ、表２に示す各種アルキレンオキシド（１ｍｍｏｌ）とジメチルホルムアミド（１ｍｍｏｌ）を仕込み、バルブで切り替えながら圧力８．０ＭＰａの二酸化炭素を導入し、反応温度１２０℃で１５時間反応させた。その後、温度を０℃に急速に冷却し、反応を停止させた後、バルブで切り替えながら脱圧し、各反応容器に残った反応生成物をガスクロマトグラフィーによって調べ、原料と生成物の各種カーボネートの定量、定性を行った。
【００２３】
（２）結果
表２に、カーボネート収率結果を示す。スチレンオキシドからスチレンカーボネートが、（Ｓ）−スチレンオキシドから（Ｓ）−スチレンカーボネートが、（Ｒ）−スチレンオキシドから（Ｒ）−スチレンカーボネートが、フェノキシエチレンオキシドからフェノキシエチレンカーボネートが、メトキシエチレンオキシドからメトキシシエチレンカーボネートが、及び１, ２−オクチルエポキシオクタンから１, ２−オクチルカーボネートが生成した。この高圧反応システムを用いることにより、１個の反応容器を付属した従来型製造装置で６日かかっていた原料の異なる行程についての製造日数を１日に短縮することができ、原料の異なる製造工程の日程を著しく効率化できることがわかった。
【００２４】
【表２】

【００２５】
実施例３
（１）反応温度の異なる高圧反応
図１の高圧反応システムを用い、６個の反応装置（反応容器の内容積５０ｍｌ）にスチレンオキシド（１ｍｍｏｌ）とジメチルホルムアミド（１ｍｍｏｌ）を仕込み、バルブで切り替えながら圧力８．０ＭＰａの二酸化炭素を導入し、３０〜３００℃の所定反応温度で１５時間反応させた。その後、温度を０℃に急速に冷却し、反応を停止させた後、バルブで切り替えながら脱圧し、各反応容器に残った反応生成物をガスクロマトグラフィーによって調べ、原料と生成物のスチレンカーボネートの定量、定性を行った。
【００２６】
（２）結果
表３に、スチレンカーボネート収率結果を示す。本発明の高圧反応システムを用いることにより、１個の反応容器を付属した従来型製造装置で６日かかっていた反応温度の異なる製造行程についての製造日数を１日に短縮することができ、反応温度の異なる製造工程の日程を著しく効率化できることがわかった。
【００２７】
【表３】

【００２８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、１ポンプ、１圧力制御装置を切り替えバルブを用いて複数の反応容器と並列に配設し、複数の反応容器に高圧流体の導入ができるようにした高圧反応システムに係るものであり、本発明により、１）バッチ式の高圧反応システムでありながら付属した反応容器数に対応して作業時間を短縮、効率化することができる、２）また、バッチ式であるため、反応容器は、従来使用されている通常の反応容器でも新たに開発した反応容器でも付属させることができ、目的に応じた選択により、様々な物質製造・反応に用いることができる、３）従って、１ポンプ、１圧力制御装置のみで、同時に温度、圧力、原料等の異なった多くの条件下で物質製造・反応を行うことができ、システムのコストも大幅に低減できる、４）また、本発明の高圧反応システムは、超臨界二酸化炭素や超臨界メタノール等の超臨界液体を用いる物質製造・反応に好適に用いられ得るが、他の高圧液相反応や、高圧気相反応等にも反応装置として用いることができる、という格別の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高圧反応システムの模式図を示す。
【図２】本発明の高圧反応システムのに使用する反応装置の模式図を示す。

Claims

原料の異なる高圧反応が可能で、かつ圧力の異なる高圧反応、及び／又は反応温度の異なる高圧反応が可能な高圧反応によりバッチ式で被反応物を高圧下で反応させ、目的化合物を製造する反応システムであって、超臨界流体又は亜臨界流体からなる高圧流体用ボンベとポンプを有する高圧流体送液部、該高圧流体送液部のポンプに切り替えバルブを介して並列に配設した複数の反応容器を有する高圧反応部、反応試料回収容器を含む圧力制御部、及び各反応容器に反応原料を導入する配管を構成要素として含み、１個の高圧流体導入ポンプに複数の反応容器を切り替えバルブを介して並列に配設し、切り換えバルブにより、複数の反応容器に高圧流体の導入ができ、かつ反応容器ごとに異なった反応原料による反応が可能となるようにしたことを特徴とする高圧反応システム。
１個の圧力制御系と複数の反応容器を切り替えバルブを介して並列に配設し、各反応容器内の圧力をほぼ同時に制御できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の高圧反応システム。
１個の高圧流体導入ポンプに複数の反応容器を１個ないし複数個の切り替えバルブを介して並列に配設し、同時に１個の圧力制御系と複数の反応容器を１個ないし複数個の切り替えバルブを介して並列に配設し、各反応容器内の圧力を制御しながら高圧流体の導入ができるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の高圧反応システム。
第一の切り替えバルブの下位に、２個の切り替えバルブを介して複数の反応容器を並列に設置し、これらを一つの高圧反応系として第一の切り替えバルブに接続したことを特徴とする請求項３に記載の高圧反応システム。
個々の反応容器を恒温浴に入れ、それぞれ独立に温度制御を行うようにしたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の高圧反応システム。
反応容器が２〜１００個であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の高圧反応システム。
反応圧力が１〜５０ＭＰａの範囲であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の高圧反応システム。
反応温度が３０〜３００℃の範囲であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の高圧反応システム。