JP4556849B2

JP4556849B2 - マイクロリアクタシステム

Info

Publication number: JP4556849B2
Application number: JP2005329176A
Authority: JP
Inventors: 朋史白石; 勉河村
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2025-11-14
Also published as: JP2007136253A

Description

本発明は、微細な流路で形成された反応部を備えるマイクロリアクタシステムに係り、特に、複数のリアクタを並列配置したものに用いるに好適なマイクロリアクタシステムに関する。

近年、流路の幅と高さが数μｍから数百μｍの微細流路を有する構造体に、お互いに反応する２種類以上の流体を導入し、微細流路内でお互いに接触させて化学反応を生じさせるマイクロリアクタと呼ばれる反応装置が注目されている。

マイクロリアクタは、反応部の体積当たりの表面積が大きく、流路の幅や高さが小さく、流路の容積が小さい。そのため、マイクロリアクタでは、試薬の混合時間が短くなり、試薬に対する熱交換が速くなり、試薬同士の反応効率が高くなるといった効果が期待できる。マイクロリアクタに関しては、例えば、特開２００３−４７８３９号公報に記載のものが知られている。

特開２００３−４７８３９号公報

このようなマイクロリアクタ１つ当たりに生成される化学物質は毎分数ｍＬ程度であるため、工業的に大量生産を行う場合には、複数のマイクロリアクタを並列させる方法で実現されることが検討されている。このような方法を、マイクロリアクタのナンバリングアップと称している。

マイクロリアクタに関する研究は盛んに行われているが、ナンバリングアップに関連した周辺機器との連携や制御方法といったプラントシステムとしての研究はあまり行われていない。なかでも、ナンバリングアップした複数のマイクロリアクタへ均一に送液する方法の開発が望まれている。

本発明の目的は、マイクロリアクタをナンバリングアップしたマイクロリアクタシステムにおいて、複数のマイクロリアクタへ均一に送液可能なマイクロリアクタシステムを提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、互いに並列に接続される複数のマイクロリアクタと、前記複数のマイクロリアクタの入口に接続される分岐配管とを備え、前記分岐配管は、一つの入口に対して複数の出口と、前記一つの入口からの流路を前記複数の出口に分岐する分岐流路を有し、前記分岐配管は、上段に配置される第１の分岐配管と、該第１の分岐配管の複数の出口のそれぞれに入口が接続された下段側の第２，第３の分岐配管とから構成され、該下段側の第２，第３の分岐配管の複数の出口に前記複数のマイクロリアクタがそれぞれ接続され、さらに、前記下段側に接続された第２の分岐配管の前記分岐流路と、前記第３の分岐配管の前記分岐流路を互いに接続する導圧管を備えるようにしたものである。
かかる構成により、複数のマイクロリアクタへ均一に送液可能なものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記複数の分岐配管は、それぞれ、入口に対して、複数の出口が点対称に配置されているものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記分岐配管の出口と前記複数のマイクロリアクタの入口の間に、流量調整用の微細な流路を備えるようにしたものである。

本発明によれば、マイクロリアクタをナンバリングアップしたマイクロリアクタシステムにおいて、複数のマイクロリアクタへ均一に送液可能となる。

以下、図１及び図２を用いて、本発明の第１の実施形態によるマイクロリアクタシステムの構成について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態によるマイクロリアクタシステムの全体構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態によるマイクロリアクタシステムの全体構成を示すブロック図である。

本実施形態のマイクロリアクタシステムは、１００個並列に配置されたマイクロリアクタ１０−１，１０−２，…，１０−１００と、分岐配管１００Ａ，１１０Ｂと、流量計２０Ａ，２０Ｂと、バルブ３０Ａ，３０Ｂと、ポンプ４０Ａ，４０Ｂと、原料流体貯蔵タンク５０Ａ，５０Ｂと、反応流体貯蔵タンク６０と、入口流路７０Ａ−１，７０Ａ−２，…，７０Ａ−１００，７０Ｂ−１，７０Ｂ−２，…，７０Ｂ−１００と、出口流路７０Ｃ−１，７０Ｃ−２，…，７０Ｃ−１００から構成されている。

ポンプ４０Ａ，４０Ｂは、原料流体貯蔵タンク５０Ａ，５０Ｂに貯蔵された原料流体を、分岐配管１００Ａ，１１０Ｂと入口流路路７０Ａ−１，７０Ａ−２，…，７０Ａ−１００，７０Ｂ−１，７０Ｂ−２，…，７０Ｂ−１００を通って、マイクロリアクタ１０−１，１０−２，…，１０−１００に供給する。ポンプ４０Ａ，４０Ｂの流量は、流量計２０Ａ，２０Ｂとバルブ３０Ａ，３０Ｂにより調整される。マイクロリアクタ１０−１，１０−２，…，１０−１００において、２種類の原液流体が反応し、反応生成物は、出口流路７０Ｃ−１，７０Ｃ−２，…，７０Ｃ−１００を通って、反応流体貯蔵タンク６０に排出される。

ここで、マイクロリアクタシステムにおいて、以下の式（１）に示すように、化学物質Ａと化学物質Ｂが反応して化学物質Ｃが生成する反応を行わせる場合を考える。

Ａ＋Ｂ → Ｃ …（１）

原料流体貯蔵タンク５０Ａに化学物質Ａを含む流体を、原料流体貯蔵タンク５０Ｂに化学物質Ｂを含む流体をそれぞれ同じ濃度で用意する。原料流体貯蔵タンク５０Ａ，５０Ｂから、それぞれの流体を同じ流量で分岐配管１００Ａ，１１０Ｂに供給する。それぞれの流体は、分岐配管で１００個の流れに分岐された後、入口流路７０Ａ−１，７０Ａ−２，…，７０Ａ−１００，７０Ｂ−１，７０Ｂ−２，…，７０Ｂ−１００を通って、マイクロリアクタ１０−１，１０−２，…，１０−１００に供給される。化学物質Ｃを効率よく生成させるためには、マイクロリアクタへ化学物質Ａを含む流体と化学物質Ｂを含む流体をそれぞれ等流量で供給する必要がある。

次に、図２を用いて、本実施形態によるマイクロリアクタシステムに用いる分岐配管の構成について説明する。なお、図１に示した分岐配管１００Ａ，１１０Ｂはそれぞれ同一の構成を有するため、ここでは、分岐配管１００として説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態によるマイクロリアクタシステムに用いる分岐配管の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

分岐配管１００は、同一構成の１１個の分岐配管１１０−０，１１０−１，…，１１０−１０から構成されている。分岐配管１１０−１は、１個の入口に対して１０個の出口を有する構成であり、他の分岐配管１１０−１，…，１１０−１０も同一構成である。例えば、分岐配管１１０−１において、１個の入口０iと、１０個の出口０o-1，０o-2，…，０o-10の間は、分岐流路ＦＳ０で接続されている。分岐配管１１０−１の１０個の出口には、それぞれ、流路管ＦＰ１，ＦＰ２，…，ＦＰ１０によって、１０個の他の分岐配管１１０−１，…，１１０−１０の入口が接続されている。すなわち、単一の分岐配管に対して、複数の分岐配管を２段に接続する構成となっている。従って、分岐配管１００は、１個の出口に対して１００個の出口を有するものと等価となる。

ここで、入口が１個で、出口が複数個のものを用いた場合、その分岐流路の内径や流路長のばらつきにより、各流路の圧力損失に差が生じるため、出口側における流量に偏差が生じる。例えば、１個の分岐配管で、入口が１個で、出口が１００個のものを用いた場合、流量偏差は、３０％程度となる。

それに対して、１個の分岐配管で、入口が１個で、出口が１０個のものを用いた場合、流量偏差は、２〜３％程度である。この入口が１個で、出口が１０個の分岐配管を、図２に示したように、２段配置とした場合、全体としての流量偏差は、５％程度である。従って、入口が１個で、出口が１００個のものを用いた場合に比べて、流量偏差を大幅に低減することができる。

なお、図示の例は、２段配置であるが、３段以上の配置とすることもできる。例えば、入口が１個で、出口が５個の分岐配管を３段配置することで、入口が１個で、出口が１２５個の相当の分岐配管とすることができる。また、同一構成のものを２段配置するものに限らず、第１段の出口の数に対して、第２段の出口の数を変えることもできる。例えば、第１段を入口が１個で、出口が１０個の分岐配管とし、第２段を入口が１個で、出口が５個の分岐配管を１０個配置することで、入口が１個で、出口が５０個の相当の分岐配管とすることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、マイクロリアクタをナンバリングアップしたマイクロリアクタシステムにおいて、複数のマイクロリアクタへ均一に送液可能となる。

次に、図３を用いて、本発明の第２の実施形態によるマイクロリアクタシステムの構成について説明する。本実施形態によるマイクロリアクタシステムの全体構成は、図１に示したものと同様である。
図３は、本発明の第２の実施形態によるマイクロリアクタシステムに用いる分岐配管の構成を示すブロック図である。なお、図１，図２と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態における分岐配管１００’は、図２の分岐配管１００と同様に、同一構成の１１個の分岐配管１１０−０，１１０−１，…，１１０−１０から構成されている。分岐配管１１０−１の１０個の出口には、それぞれ、流路管ＦＰ１，ＦＰ２，…，ＦＰ１０によって、１０個の他の分岐配管１１０−１，…，１１０−１０の入口が接続されている。すなわち、単一の分岐配管に対して、複数の分岐配管を２段に接続する構成となっている。従って、分岐配管１００は、１個の出口に対して１００個の出口を有するものと等価となる。

さらに、本実施形態では、２段目に位置する１０個の分岐配管１１０−１，…，１１０−１０において、隣接する分岐配管の分岐流路を導圧管ＰＰによって接続している。すなわち、分岐配管１１０−１と分岐配管１１０−２を例にすると、分岐配管１１０−１の分岐流路ＦＳ１と、分岐配管１１０−２の分岐流路ＦＳ２とは、導圧管ＰＰ１−２によって接続されている。同様にして、分岐配管１１０−２の分岐流路ＦＳ２に接続された導圧管ＰＰ２−３は、隣接する分岐配管１１０−３の分岐流路に接続されている。また、分岐配管１１０−９の分岐流路に接続された導圧管ＰＰ９−１０は、隣接する分岐配管１１０−１０の分岐流路ＦＳ１０に接続されている。

図２にて説明したように、１個の分岐配管で、入口が１個で、出口が１０個のものを用いた場合、流量偏差は、２〜３％程度である。この分岐配管を、図２に示したように、図２に示したように、２段配置とした場合、全体としての流量偏差は、５％程度である。これは、分岐配管１１０−０と、分岐配管１１０−１，…，１１０−１０とをそれぞれ接続する流路管ＦＰ１，…，ＦＰ１０における流路抵抗の差によって、分岐配管１００の全体のしての流量偏差が単独の場合よりも大きくなることによる。

それに対して、本実施形態では、２段目に位置する１０個の分岐配管１１０−１，…，１１０−１０において、隣接する分岐配管の分岐流路を導圧管ＰＰによって接続している。したがって、流路管ＦＰ１，…，ＦＰ１０における流路抵抗の差があったとしても、分岐流路ＦＳ１，…，分岐流路ＦＳ１０は、それぞれ、導圧管ＰＰによって接続されているため、等圧にできるので、流量偏差を低減できるものである。

以上説明したように、本実施形態によれば、マイクロリアクタをナンバリングアップしたマイクロリアクタシステムにおいて、流量偏差をさらに低減して、複数のマイクロリアクタへ均一に送液可能となる。

次に、図４を用いて、本発明の第３の実施形態によるマイクロリアクタシステムの構成について説明する。本実施形態によるマイクロリアクタシステムの全体構成は、図１に示したものと同様である。
図４（Ａ）は、本発明の第２の実施形態によるマイクロリアクタシステムに用いる単一の分岐配管の構成を示す平面図である。図４（Ｂ）は、本発明の第２の実施形態によるマイクロリアクタシステムに用いる単一の分岐配管の構成を示す正面図である。なお、図１，図２と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態では、分岐配管１００の構成は、図２若しくは図３に示した構成であるが、分岐配管１００の中に用いる分岐配管１１０−１，…，１１０−１１の構成を、図４に示した分岐配管１１０’としているものである。

分岐配管１１０’は、図４に示すように、円柱形状の分岐配管本体の上部の円形の中央に入口ｉが設けられ、円柱の側面に等間隔で１０個の出口ｏ−１，…，ｏ−１０が設けられている。すなわち、入口ｉに対して、出口ｏ−１，…，ｏ−１０は点対称に配置されている。入口ｉと出口ｏ−１，…，ｏ−１０の間は、分岐流路ＦＳで接続されている。分岐流路ＦＳの内径は全て等しくしている。また、入口ｉと各出口ｏ−１，…，ｏ−１０との接続する分岐流路ＦＳの長さは、それぞれ等しくなっている。その結果、入口ｉと各出口ｏ−１，…，ｏ−１０との接続する分岐流路ＦＳの流路抵抗を等しくでき、圧力損失を等しくできる。

図２にて説明したように、１個の分岐配管で、入口が１個で、出口が１０個のものを用いた場合、流量偏差は、２〜３％程度であるが、図４に示すように、分岐配管の流路抵抗を等しくできることで、分岐配管１１０’における流量偏差をさらに低減することができる。したがって、図４に示す分岐配管１１０’を２段接続した場合の全体としての流量偏差も低減することができる。

次に、図５を用いて、本発明の第４の実施形態によるマイクロリアクタシステムの構成について説明する。
図５は、本発明の第４の実施形態によるマイクロリアクタシステムの全体構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態では、図１に示した構成に対して、分岐配管１００Ａ，１１０Ｂと、マイクロリアクタ１０−１，１０−２，…，１０−１００との間に、調整用マイクロ流路８０Ａ，８０Ｂが配置されている。

マイクロリアクタシステムにおいて、マイクロリアクタ１０−１，１０−２，…，１０−１００、入口流路７０Ａ−１，７０Ａ−２，…，７０Ａ−１００，７０Ｂ−１，７０Ｂ−２，…，７０Ｂ−１００と、出口流路７０Ｃ−１，７０Ｃ−２，…，７０Ｃ−１００は、それぞれ全く同じ寸法で製作されることはまれである。マイクロリアクタでは、微細な流路の高さ，幅，長さ（流路断面が長方形の場合）に、出入口の流路では、流路径，長さ（流路断面が円形の場合）に寸法公差が発生する。そのため、それぞれの入口流路から出口流路までの圧力損失に差が生じるため、マイクロリアクタ内で２液が等流量で流れなくなり、反応効率が低下する可能性がある。

そこで、マイクロリアクタシステムの試運転時などに、流量検定を行い、等流量となるように圧力損失を調整用マイクロ流路８０Ａ，８０Ｂにより調整する。図５では、流路径の等しいマイクロ流路を用いて、その長さを調整している。

調整用マイクロ流路の調整方法は他に、流路長さの等しいマイクロ流路を用いてその径を調整する方法もある。

以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、マイクロリアクタをナンバリングアップしたマイクロリアクタシステムにおいて、それぞれのマイクロリアクタの入口に流量計やバルブを設置することなく、安価で単純な配管構造により、複数のマイクロリアクタへ均一に送液することができる。

本発明の第１の実施形態によるマイクロリアクタシステムの全体構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態によるマイクロリアクタシステムに用いる分岐配管の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態によるマイクロリアクタシステムに用いる分岐配管の構成を示すブロック図である。（Ａ）は、本発明の第２の実施形態によるマイクロリアクタシステムに用いる単一の分岐配管の構成を示す平面図である。（Ｂ）は、本発明の第２の実施形態によるマイクロリアクタシステムに用いる単一の分岐配管の構成を示す正面図である。本発明の第４の実施形態によるマイクロリアクタシステムの全体構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０−１，１０−２，…，１０−１００…マイクロリアクタ
２０Ａ，２０Ｂ…流量計
３０Ａ，３０Ｂ…バルブ
４０Ａ，４０Ｂ…ポンプ
５０Ａ，５０Ｂ…原料流体貯蔵タンク
６０…反応流体貯蔵タンク
７０Ａ−１，７０Ａ−２，…，７０Ａ−１００，７０Ｂ−１，７０Ｂ−２，…，７０Ｂ−１００…入口流路
７０Ｃ−１，７０Ｃ−２，…，７０Ｃ−１００…出口流路
８０Ａ，８０Ｂ…調整用マイクロ流路
１００，１００’，１００Ａ，１１０Ｂ，１１０−０，１１０−１０…分岐配管
ＰＰ…導圧管

Claims

互いに並列に接続される複数のマイクロリアクタと、
前記複数のマイクロリアクタの入口に接続される分岐配管とを備え、
前記分岐配管は、一つの入口に対して複数の出口と、前記一つの入口からの流路を前記複数の出口に分岐する分岐流路を有し、
前記分岐配管は、上段に配置される第１の分岐配管と、該第１の分岐配管の複数の出口のそれぞれに入口が接続された下段側の第２，第３の分岐配管とから構成され、
該下段側の第２，第３の分岐配管の複数の出口に前記複数のマイクロリアクタがそれぞれ接続され、
さらに、前記下段側に接続された第２の分岐配管の前記分岐流路と、前記第３の分岐配管の前記分岐流路を互いに接続する導圧管を備えることを特徴とするマイクロリアクタシステム。
請求項１記載のマイクロリアクタシステムにおいて、
前記複数の分岐配管は、それぞれ、入口に対して、複数の出口が点対称に配置されていることを特徴とするマイクロリアクタシステム。
請求項１記載のマイクロリアクタシステムにおいて、
前記分岐配管の出口と前記複数のマイクロリアクタの入口の間に、流量調整用の微細な流路を備えることを特徴とするマイクロリアクタシステム。