JP5300014B2 - Method and apparatus for continuous microwave irradiation to fluid - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、溶液系の化学反応への適用を可能とする流通型マイクロ波利用化学反応装置及びその流通型マイクロ波利用化学反応方法に関するものであり、更に詳しくは、流通する溶液系の化学反応に適用することが可能であり、極性物質だけでなく、トルエンやベンゼン、ヘキサンなどの非極性物質のマイクロ波加熱の適用を可能とする新しい流通型マイクロ波利用化学反応装置及びその方法に関するものである。本発明は、従来、流通する溶液系の化学反応に適用することは難しいとされていたマイクロ波加熱装置及び方法に関して、そのような流通する溶液系の化学反応であってもマイクロ波加熱の適用を可能とする流通型マイクロ波利用化学反応装置及びそのマイクロ波利用化学反応方法に関する新技術を提供するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a flow-type microwave-based chemical reaction apparatus and a flow-type microwave-based chemical reaction method that can be applied to solution-type chemical reactions. The present invention relates to a new flow-type microwave-utilized chemical reaction apparatus and method capable of applying microwave heating not only to polar substances but also to nonpolar substances such as toluene, benzene, and hexane. is there. The present invention relates to a microwave heating apparatus and method that have been conventionally difficult to apply to circulating solution-type chemical reactions, and is applicable to microwave heating even for such circulating solution-type chemical reactions. The present invention provides a new technology relating to a flow-through microwave chemical reaction apparatus and a microwave chemical reaction method.
化学反応場にマイクロ波を照射することで、化学反応が促進できることは、学術論文などで数多く報告されている（非特許文献１）。一例として、安息香酸のエステル化反応は、通常、８時間かかるとされているが、反応場にマイクロ波を照射することで、５分で、同様の反応収率が得られる、との報告がなされている(非特許文献２)。 Many scientific papers have reported that chemical reactions can be accelerated by irradiating a chemical reaction field with microwaves (Non-Patent Document 1). As an example, the esterification reaction of benzoic acid is usually said to take 8 hours, but it has been reported that the same reaction yield can be obtained in 5 minutes by irradiating the reaction field with microwaves. (Non-Patent Document 2).
したがって、化学反応場にマイクロ波を照射することで、反応時間の大幅な短縮や、溶媒や触媒の使用量の削減が可能になることが期待される。しかし、現在、市販されているマイクロ波利用化学反応装置は、その多くがバッチ式のものであり、工業生産に適したフロー型（流通型）の溶液系化学反応への適用は遅れているのが現状である。 Therefore, by irradiating the chemical reaction field with microwaves, it is expected that the reaction time can be greatly shortened and the amount of solvent and catalyst used can be reduced. However, most of the commercially available chemical reactors using microwaves are batch-type, and their application to flow-type (recirculation-type) solution-type chemical reactions suitable for industrial production is delayed. Is the current situation.
更に、電磁波であるマイクロ波の吸収は、物質の誘電率及び誘電損率の大きさに依るため、マイクロ波の利用は、誘電率及び誘電損率の小さい非極性物質のマイクロ波加熱には適していないとされていた。このため、化学反応へのマイクロ波の利用は、物質の誘電率や誘電損率に左右されるため、その適用に制限が生じていた。 Furthermore, since the absorption of microwaves, which are electromagnetic waves, depends on the dielectric constant and dielectric loss factor of the material, the use of microwaves is suitable for microwave heating of nonpolar materials with a low dielectric constant and dielectric loss factor. It was supposed not. For this reason, the use of microwaves for chemical reactions depends on the dielectric constant and dielectric loss factor of the substance, so that its application has been limited.
このように、従来のマイクロ波利用化学反応装置は、バッチ型が主流であり、しかも、工業的な化学物質の製造に適した、フロー系（流通型）の溶液系化学反応へ適用できるものは少ないのが実情である。従来のマイクロ波加熱装置を改良した装置も存在しているが、マイクロ波の利用効率に課題があった。本発明者は、これまで、固体触媒充填型の反応器に適した、電界集中型のマイクロ波照射装置を開発してきており、フロー系の気相反応を、高精度で、かつ高いエネルギー利用効率で実施できることを示してきた。 As described above, the conventional microwave-type chemical reaction apparatus is mainly a batch type, and can be applied to a flow type (distribution type) solution type chemical reaction suitable for industrial chemical production. There are few things. There are devices that improve the conventional microwave heating device, but there is a problem in the utilization efficiency of the microwave. The present inventor has so far developed an electric field concentration type microwave irradiation apparatus suitable for a solid catalyst packed reactor, and performs a gas phase reaction in a flow system with high accuracy and high energy utilization efficiency. Has shown that it can be implemented.
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、流通する溶液系の化学反応に適用することが可能な電界集中型のマイクロ波照射装置などのマイクロ波利用技術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、定存波を形成するシングルモードキャビティを用いることにより、マイクロ波を特定部位に集中して照射できるようにすることと、特定の形状又は構造を有する流通管を用いて、流体と流通管壁の接触面積を広くすることにより、流通する溶液系の化学反応へ適用できる流通型のマイクロ波利用化学反応装置を構築することに成功し、本発明を完成するに至った。 Under such circumstances, the present inventors, in view of the above-described conventional technology, have applied microwave utilization technology such as an electric field concentration type microwave irradiation device that can be applied to a distributed solution-type chemical reaction. As a result of intensive research aimed at developing, by using a single mode cavity that forms a standing wave, it is possible to concentrate microwave irradiation to a specific site, and a specific shape or structure The present invention has succeeded in constructing a flow-type microwave-based chemical reaction apparatus that can be applied to a flowing chemical reaction by widening the contact area between the fluid and the flow pipe wall using the flow pipe having the present invention. It came to complete.
本発明は、流通する溶液系の化学反応に適用することが可能な流通型マイクロ波利用化学反応装置を提供することを目的とするものである。また、本発明は、上記流通型マイクロ波利用化学反応装置を使用して、流通する溶液系の化学反応に適用することが可能なマイクロ波利用化学反応方法を提供することを目的とするものである。 An object of the present invention is to provide a flow-type microwave-based chemical reaction device that can be applied to a distributed solution-type chemical reaction. Another object of the present invention is to provide a microwave-based chemical reaction method that can be applied to a distributed chemical reaction using the flow-type microwave-based chemical reaction device. is there.
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）流通する非極性溶媒を反応溶媒とする溶液を高効率にマイクロ波加熱する流通型マイクロ波利用化学反応装置であって、
マイクロ波発振装置、定在波を形成するシングルモードキャビティ、被加熱対象物質である上記溶液を流通させる流通管、該流通管内の一端に位置する流体を送液する送液ポンプを有し、
上記キャビティは、金属製で内部に円筒型の空間を有し、
上記流通管は、上記円筒型の空間を貫通するようにあるいは該空間の中心軸に沿って貫通するように単数乃至複数本設置されており、上記流通管の内径を大きくても２．９ｍｍのミリメートルサイズ細長チューブ状として非極性溶液系の流体と流通管の内側との接触面積を広くし、
上記流通管を電磁波強度が極大となる部分に位置するように配置して該流通管に流通させた上記溶液にマイクロ波が集中して照射されるようにしたことを特徴とする非極性溶媒を反応溶媒とするマイクロ波利用化学反応装置。
（２）上記流通管の材質が、ガラス、石英、アルミナ、プラスチック、フッ素樹脂、又はポリエーテルケトンである、前記（１）に記載のマイクロ波利用化学反応装置。
（３）電界強度が極大となる部位が、円筒の中心部分であり、円筒軸に沿っては、電界強度が一様な定在波を形成させる構造を有する、前記（１）又は（２）に記載のマイクロ波利用化学反応装置。
（４）前記（１）から（３）のいずれかに記載の装置を使用して、流通管に保持もしくは流通させた非極性溶媒を反応溶媒とする溶液にマイクロ波を集中して照射することで、マイクロ波エネルギーを効率よく加熱に利用することを特徴とするマイクロ波利用化学反応方法。
（５）定在波を形成したマイクロ波照射空間内に、非極性溶媒を反応溶媒とする溶液を保持もしくは流通させ、マイクロ波照射により加熱する、前記（４）に記載のマイクロ波利用化学反応方法。
（６）電界もしくは磁界が集中している部分に、流通管を設置し、その内部に保持もしくは流通させた非極性溶媒を反応溶媒とする溶液を、マイクロ波照射により加熱する、前記（４）に記載のマイクロ波利用化学反応方法。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) A flow-type microwave-based chemical reaction apparatus that microwaves a solution using a non-polar solvent as a reaction solvent with high efficiency,
A microwave oscillation device, a single mode cavity that forms a standing wave, a flow pipe that circulates the solution that is the material to be heated, a liquid feed pump that feeds a fluid located at one end of the flow pipe,
The cavity is made of metal and has a cylindrical space inside,
One or a plurality of the flow pipes are installed so as to penetrate the cylindrical space or along the central axis of the space, and the flow pipe has an inner diameter of 2.9 mm at most. Increase the contact area between the nonpolar solution-based fluid and the inside of the flow pipe as a millimeter-sized elongated tube.
A non-polar solvent characterized in that the above-mentioned flow tube is disposed so as to be positioned at a portion where the electromagnetic wave intensity becomes maximum, and microwaves are concentrated and irradiated on the above-mentioned solution circulated through the flow tube. A chemical reaction device using microwaves as a reaction solvent .
( 2 ) The chemical reaction apparatus using microwaves according to ( 1) , wherein the material of the flow pipe is glass, quartz, alumina, plastic, fluororesin, or polyetherketone.
(3) the electric field strength is maximum and Do that part position is a central portion of the cylinder, I is along the cylindrical axis, having a structure in which electric field strength is to form a uniform standing wave, the (1) or The chemical reaction apparatus using microwaves according to (2) .
( 4 ) Using the apparatus according to any one of (1) to ( 3 ) above, irradiating the concentrated microwave on a solution containing a nonpolar solvent held or circulated in a flow tube as a reaction solvent A microwave-based chemical reaction method characterized by efficiently using microwave energy for heating.
( 5 ) The microwave-based chemical reaction according to ( 4 ), wherein a solution containing a nonpolar solvent as a reaction solvent is held or circulated in a microwave irradiation space in which a standing wave is formed, and is heated by microwave irradiation. Method.
( 6 ) A flow pipe is installed in a portion where an electric field or a magnetic field is concentrated, and a solution containing a nonpolar solvent held or circulated therein as a reaction solvent is heated by microwave irradiation, ( 4 ) The chemical reaction method using microwaves described in 1.
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、円筒型のマイクロ波照射空間に、適切な波長のマイクロ波を照射することにより、中心部分の強度が強く、中心軸上では均一の電界強度分布を有する定在波を形成すること、そして、その部位に、特定の形状又は構造を有する石英ガラス製などの流通管である反応管を配置して、マイクロ波を照射する構成としたこと、それにより、マイクロ波を反応管の反応部位に集中的かつ均一に照射するようにすることで、内部の流体や触媒をマイクロ波で効率よく均一に加熱することができ、反応管内の電界分布及び温度を自動的に制御することができる、新しい流通型マイクロ波利用化学反応装置を構築することを可能としたものである。
Next, the present invention will be described in more detail.
The present invention forms a standing wave having a strong central portion and a uniform electric field intensity distribution on the central axis by irradiating a cylindrical microwave irradiation space with a microwave having an appropriate wavelength. In addition, a reaction tube, such as a quartz tube made of quartz glass having a specific shape or structure, is arranged at the site to irradiate microwaves, whereby microwaves are reacted in the reaction tube. By irradiating the site intensively and uniformly, the internal fluid and catalyst can be heated efficiently and uniformly with microwaves, and the electric field distribution and temperature in the reaction tube can be automatically controlled. Therefore, it is possible to construct a new distribution-type microwave chemical reaction apparatus.
誘電率及び誘電損失が小さい物質（非極性物質）は、電磁波の吸収が少ないため、従来、マイクロ波加熱をすることができなかったが、化学反応では、例えば、非極性物質のトルエンやベンゼン、ヘキサンなども多く利用するため、これらの物質へのマイクロ波加熱の適用が望まれている。 Substances with a low dielectric constant and dielectric loss (non-polar substances) have been unable to be heated by microwaves because they absorb less electromagnetic waves. However, in chemical reactions, for example, non-polar substances such as toluene and benzene, Since hexane and the like are often used, application of microwave heating to these substances is desired.
一般に、物質がマイクロ波によって加熱されるときの発熱は、次式で表される。 In general, heat generation when a substance is heated by microwaves is expressed by the following equation.
この中で、｜Ｅ｜［Ｖ／ｍ］，｜Ｈ｜［Ａ／ｍ］は、それぞれマイクロ波の電界強度、磁界強度であり、σ［Ｓ／ｍ］は電気伝導度、ｆ［１／ｓｅｃ］はマイクロ波の周波数、ε０［Ｆ／ｍ］は真空中の誘電率、ε’’は誘電損率、μ０［Ｈ／ｍ］は真空の透磁率、μ’’は磁気損率、である。 Among these, | E | [V / m] and | H | [A / m] are the electric field strength and magnetic field strength of the microwave, respectively, σ [S / m] is the electric conductivity, and f [1 / sec] is the microwave frequency, ε 0 [F / m] is the dielectric constant in vacuum, ε ″ is the dielectric loss factor, μ 0 [H / m] is the magnetic permeability in vacuum, and μ ″ is the magnetic loss factor. .
このうち、上記式１の右辺の第２項で表される電界による発熱及び第３項で表される磁界による発熱が、マイクロ波加熱に大きな影響を与えることが多い。ここでは、第２項の電界による発熱を例にとり、本発明の特徴を詳しく説明するが、本発明は、上記式１の第１項や第３項についても、同様に当てはまるものである。 Of these, the heat generated by the electric field represented by the second term on the right side of Equation 1 and the heat generated by the magnetic field represented by the third term often have a great influence on the microwave heating. Here, the heat generation by the electric field of the second term is taken as an example, and the features of the present invention will be described in detail. However, the present invention also applies to the first and third terms of the above formula 1.
マイクロ波加熱による発熱量を大きくするには、誘電損率ε’’が大きい物質を選ぶか、電界強度を大きくすることが有効であることが、上記式１から分かる。このため、誘電損率の小さい物質（非極性物質）のマイクロ波加熱は難しい。このような物質を加熱するには、電界強度Ｅを大きくするか、物質の誘電損率を見かけ上大きくすることが有効であることが分かる。 From the above formula 1, it can be seen that it is effective to select a substance having a large dielectric loss factor ε ″ or increase the electric field strength in order to increase the amount of heat generated by microwave heating. For this reason, microwave heating of a substance having a low dielectric loss factor (non-polar substance) is difficult. In order to heat such a substance, it can be seen that it is effective to increase the electric field strength E or to increase the dielectric loss factor of the substance apparently.
電界強度Ｅを大きくするためには、マイクロ波を特定の部位に集中させるように照射すること、見かけ上の誘電損率を大きくするためには、被加熱対象物質と流通管（即ち、反応管壁）との間の相互作用を有効に用いること、を実現することが必要とされる。 In order to increase the electric field strength E, the microwave is irradiated so as to concentrate on a specific part, and in order to increase the apparent dielectric loss rate, the substance to be heated and the flow pipe (that is, the reaction pipe) It is necessary to achieve effective use of the interaction with the wall.
一般に、電界強度を高めるためには、大型のマイクロ波発生器を利用する必要があるが、そのために、装置の大型化や価格が上がるなど課題があり、また、マイクロ波の漏えいや部分的な異常加熱が起こるなど、装置設計も困難になってしまうなどの課題がある。マイクロ波を集中させ、特定の部位に電界強度が極大になるマイクロ波照射方法を構築することで、上記問題を解決しつつ、電界強度を大きくすることが可能となる。 In general, in order to increase the electric field strength, it is necessary to use a large microwave generator. However, there are problems such as an increase in the size and price of the device, and leakage of microwaves and partial There is a problem that the device design becomes difficult, such as abnormal heating. By concentrating microwaves and constructing a microwave irradiation method in which the electric field strength is maximized at a specific site, it is possible to increase the electric field strength while solving the above problems.
本発明では、マイクロ波を特定の部位に集中して照射できる機構として、定存波を形成するシングルモードキャビティを用いる方法を採用した。シングルモードキャビティ中では、電磁界強度の強い場所と弱い場所の時間変化がないため、強い場所にマイクロ波の被加熱対象物質を配置することで、効果的なマイクロ波加熱が可能になる。 In the present invention, a method using a single mode cavity that forms a standing wave is adopted as a mechanism capable of concentrating and irradiating a microwave on a specific site. In a single mode cavity, there is no time change between a strong electromagnetic field intensity and a weak electromagnetic field intensity. Therefore, an effective microwave heating can be performed by arranging a microwave heating target material in a strong area.
本発明では、シングルモードキャビティの空胴共振器として、例えば、ＴＭ０１０シングルモードキャビティの他に、ＴＭ１１０モードキャビティ、ＴＭ２１０モードキャビティ、ＴＭ０２０モードキャビティなどが用いられる。また、流通管しては、内径２．９ｍｍ以下のミリメートルサイズの流通管、例えば、１．５ｍｍ以上２ｍｍ以下、１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下、０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下の流通管が用いられる。 In the present invention, as a cavity resonator of a single mode cavity, for example, a TM110 mode cavity, a TM210 mode cavity, a TM020 mode cavity and the like are used in addition to a TM010 single mode cavity. As the distribution pipe, a millimeter-sized distribution pipe having an inner diameter of 2.9 mm or less, for example, a distribution pipe having a diameter of 1.5 mm to 2 mm, 1 mm to 1.5 mm, and 0.5 mm to 1 mm is used.
本発明では、上述のような、内径がミリメートルサイズの流通管を用いることが重要である。流通管の外径及び長さについては、特に制限されるものではなく、また、キャビティ内に配置される流通管の形状及び構造についても、適宜設計することができる。 In the present invention, it is important to use a flow pipe having an inner diameter of millimeter size as described above. The outer diameter and length of the flow pipe are not particularly limited, and the shape and structure of the flow pipe disposed in the cavity can be designed as appropriate.
本発明では、キャビティ内に配置する流通管の本数は、単数に限らず、複数配置することも適宜可能であり、また、複数の流通管を適宜の接続方法で接続して配置することで、流通する溶液に対するマイクロ波加熱効率を向上させることが可能である。後記する実施例に示されるように、単数の流通管を配置する方式に限らず、電界強度が極大となる場所に対応して、２〜４本の流通管を配置する方式や、単数であっても、螺旋型の流通管を配置する方式など、適宜の方式を採用することができる。 In the present invention, the number of flow pipes arranged in the cavity is not limited to a single one, and a plurality of flow pipes can be appropriately arranged, and a plurality of flow pipes are connected and arranged by an appropriate connection method. It is possible to improve the microwave heating efficiency for the flowing solution. As shown in the examples to be described later, the method is not limited to a method in which a single flow pipe is arranged, but a method in which 2 to 4 flow pipes are arranged corresponding to a place where the electric field strength is maximized, or a single flow pipe. However, an appropriate method such as a method of arranging a spiral flow pipe can be employed.
また、本発明では、流通管の内側が、非平滑形状及び／又は構造に加工されていることが重要である。具体的には、例えば、流通管の内側の形状及び／又は構造が、細長チューブ状、扁平状、ひだ状形状、又は多孔構造に加工したもの、流通管と同材料又は非同一材料の粒子もしくはロッド状物質を充填したもの、などが例示される。 In the present invention, it is important that the inside of the flow pipe is processed into a non-smooth shape and / or structure. Specifically, for example, the inner shape and / or structure of the flow pipe is processed into an elongated tube shape, a flat shape, a pleated shape, or a porous structure, particles of the same material or non-identical material as the flow pipe or Examples include those filled with a rod-like substance.
更に、本発明では、流通管を細くする、表面をひだ状にする、流通管内に空隙のある物質を充填する、表面に帯電した物質をコーティングする、表面に帯電した状態に保つことができるように化学処理又は物理処理する、あるいはこれらの組み合わせにより、流体と接する面を増やすように加工された形状及び／又は構造を、少なくとも被加熱対象物質と接触する流通管の内側部分に形成することが例示される。 Furthermore, in the present invention, the flow pipe can be made thin, the surface can be pleated, a substance with voids in the flow pipe can be filled, the surface can be coated with a charged substance, and the surface can be kept charged. The shape and / or structure processed so as to increase the surface in contact with the fluid by chemical treatment or physical treatment, or a combination thereof, may be formed at least on the inner part of the flow pipe in contact with the material to be heated. Illustrated.
本発明では、流通管を２．９ｍｍ以下のミリメートルサイズに細くすることにより、所期の効果が得られるが、流通管の内側に対して、上述のような、流通管の内側と流通する溶液との接触面積を拡大できる適宜の加工を施すことで、更にその効果を向上させることができる。 In the present invention, the desired effect can be obtained by narrowing the flow pipe to a millimeter size of 2.9 mm or less. However, the solution that flows through the inside of the flow pipe as described above with respect to the inside of the flow pipe The effect can be further improved by performing an appropriate process that can increase the contact area with.
図１に、代表的なシングルモードキャビティの構造として、円筒の中心軸に沿って均一な電磁界分布（ＴＭ０１０シングルモード）が形成されるように設計した、円筒型ＴＭ０１０キャビティ及びその電界強度分布を示す。円筒型ＴＭ０１０では、円筒の中心軸部分に電界集中部位がある。この他にも、多くの形式のシングルモードキャビティがあり、本発明は、いずれの形式のシングルモードキャビティについても使用可能である。 FIG. 1 shows a cylindrical TM010 cavity designed to form a uniform electromagnetic field distribution (TM010 single mode) along the central axis of the cylinder as a typical single mode cavity structure and its electric field strength distribution. Show. In the cylindrical type TM010, there is an electric field concentration portion in the central axis portion of the cylinder. There are many other types of single mode cavities, and the invention can be used with any type of single mode cavity.
マイクロ波を特定の部位に集中するもう一つの方法として、電磁波を反射し、特定の位置に焦点を結ぶミラー型の構造も考えられる。先行技術として、例えば、楕円型の反射面を有したマイクロ波照射空間に関して、楕円の一つの焦点から供給したマイクロ波をもう一方の焦点に集中照射することができるマイクロ波照射装置（特許文献１）、が開発されている。 As another method of concentrating the microwaves on a specific part, a mirror type structure that reflects an electromagnetic wave and focuses on a specific position is also conceivable. As a prior art, for example, with respect to a microwave irradiation space having an elliptical reflection surface, a microwave irradiation apparatus that can irradiate a microwave supplied from one focal point of an ellipse to the other focal point (Patent Document 1) ), Has been developed.
本発明では、見かけの誘電損率を大きくする方法として、被加熱対象物質とそれを保持する容器（流通管）壁面とに生じる相互作用を用いることを一つの特徴としている。例えば、帯電した壁面近傍の被加熱対象物質の分子は、壁面の電荷により、誘電分極が生じる。誘電分極は、電荷の偏りが生じる現象であり、この電荷の偏りにより、マイクロ波の吸収が高くなる。 In the present invention, as a method for increasing the apparent dielectric loss factor, one feature is to use an interaction that occurs between a substance to be heated and a wall surface of a container (circulation pipe) that holds the substance to be heated. For example, dielectric polarization occurs in the molecules of the material to be heated near the charged wall surface due to the wall surface charge. Dielectric polarization is a phenomenon in which a charge bias occurs, and microwave absorption increases due to this charge bias.
前述の現象は、帯電した壁面でなくても起き得る。すなわち、壁面を構成する分子は、その分子内で電荷の分布があり、正電荷の強い場所や負電荷の強い部位などがある。例えば、テフロン（登録商標）は、炭素（Ｃ）とフッ素（Ｆ）から構成されているが、炭素は正電荷、フッ素は負電荷の分布が強くなっている。 The aforementioned phenomenon can occur even when the wall surface is not charged. That is, the molecules constituting the wall surface have a charge distribution within the molecules, and there are places with a strong positive charge and sites with a strong negative charge. For example, Teflon (registered trademark) is composed of carbon (C) and fluorine (F), and carbon has a positive charge distribution and fluorine has a negative charge distribution.
被加熱対象物質を保持する容器としては、マイクロ波を透過しやすいものが望ましく、該容器の材質としては、例えば、ガラス、石英、アルミナ、テフロン（登録商標）、プラスチック、ＰＥＥＫなどがあげられる。しかし、本発明は、これらに限定されるものではなく、これらと同等の材質のものであれば、同様に使用することができる。 As the container for holding the material to be heated, it is desirable that the material easily transmits microwaves. Examples of the material of the container include glass, quartz, alumina, Teflon (registered trademark), plastic, PEEK, and the like. However, the present invention is not limited to these, and can be used in the same manner as long as they are made of the same material as these.
図２に、本発明で使用される流通管ないし容器の形状例を示す。この図に示されるように、流通管としては、例えば、細長チューブ状や扁平状に形成したもの、流通管の内側をひだ状や多孔質構造に加工したもの、あるいは、粒子やロッド状の物質を充填したもの、が例示される。これらの形状及び／又は構造を組み合わせることも、適宜可能である。 FIG. 2 shows an example of the shape of the flow pipe or container used in the present invention. As shown in this figure, as the flow tube, for example, a tube-shaped or flat tube shape, a flow tube whose inside is processed into a pleat or porous structure, or a particle or rod-shaped substance Is used. Combinations of these shapes and / or structures are also possible as appropriate.
本発明では、容器表面による誘電分極を高めるために、被加熱対象物質と容器の接触面積を広くする手段が採用される。例えば、容器を小さくすることにより、被加熱対象物質の体積当たりの表面積を高める方法、また、容器もしくは流通管を、図２に示すように、細長くする方法、扁平にする方法、その他、表面をひだ状や多孔質構造に加工する方法、更に、容器内に粒子やロッドの固体物質を充填する方法、などが採用される。 In the present invention, means for increasing the contact area between the substance to be heated and the container is employed to increase the dielectric polarization due to the container surface. For example, a method of increasing the surface area per volume of the material to be heated by reducing the size of the container, a method of making the container or the distribution pipe elongated as shown in FIG. A method of processing into a pleated or porous structure, a method of filling a solid material such as particles or rods into a container, and the like are employed.
本発明では、前述のように、電界を集中させた部位に、容器もしくは流通管に保持した被加熱対象物質を配置することで、非極性溶媒をもマイクロ波加熱することが可能である。本発明では、溶液系の流体を流通させる流通管が用いられるが、該流通管は、通常の流通管や容器状の流通管であってもよい。本発明では、流通管もしくは容器を含めて流通管と云うが、本明細書では、これを容器もしくは流通管と記載して説明することがある。 In the present invention, as described above, the non-polar solvent can also be microwave-heated by disposing the material to be heated held in the container or the flow tube at the site where the electric field is concentrated. In the present invention, a flow pipe for flowing a solution-based fluid is used, but the flow pipe may be a normal flow pipe or a container-like flow pipe. In the present invention, a distribution pipe including a distribution pipe or a container is referred to as a distribution pipe. However, in the present specification, this may be described as a container or a distribution pipe.
本発明は、非極性物質を加熱できる特徴を有するだけでなく、マイクロ波の吸収がよい物質であっても、更に、マイクロ波の吸収量を増加させることができる。そのため、本発明では、従来の方法よりも、マイクロ波の持つエネルギーを、高い効率で、物質の加熱に利用することができるという作用効果が得られる。 The present invention not only has a feature of heating a nonpolar substance, but can further increase the amount of microwave absorption even if the substance has good microwave absorption. Therefore, in the present invention, it is possible to obtain an operational effect that the energy of the microwave can be used for heating the substance with higher efficiency than the conventional method.
本発明は、マイクロ波を照射することにより、化学反応を促進させる装置及び方法を提供するものである。本発明において、化学反応の促進とは、反応温度の低温化や、反応収率の向上、反応選択性の向上、反応時間の短縮、副生物発生の抑制、溶媒使用量の削減、触媒使用量の削減、原料使用量の削減、使用エネルギーの削減などを含む。本発明を、電界を例にとって説明したが、磁界についても、誘電分極を、磁気誘導に、電荷を、磁荷に、正電荷及び負電荷を、Ｎ極、Ｓ極に読み替えれば、電界と同様に適用可能である。 The present invention provides an apparatus and method for promoting a chemical reaction by irradiating microwaves. In the present invention, the promotion of chemical reaction means lowering of reaction temperature, improvement of reaction yield, improvement of reaction selectivity, reduction of reaction time, suppression of by-product generation, reduction of solvent usage, catalyst usage Reductions in energy consumption, raw material consumption, and energy consumption. The present invention has been described by taking an electric field as an example. However, with respect to a magnetic field, if the dielectric polarization is read as magnetic induction, the charge is converted into a magnetic charge, the positive charge and the negative charge are read as N pole and S pole, the electric field and The same applies.
本発明では、電界集中型のマイクロ波照射装置の電界集中部に、例えば、ガラス細管を配置して、該ガラス細管に、流通する溶媒を通過させることで、エネルギー効率よく、迅速に、溶媒をマイクロ波加熱することができ、また、溶媒に、反応基質や触媒を混合すれば、迅速な化学反応を行うことができる。マイクロ波照射により、収率、選択率の向上や、有機溶媒や触媒使用量の削減が可能な反応系と組み合わせることで、エネルギー及びコストパフォーマンスの高い化学反応器を構築することができる。 In the present invention, for example, a glass thin tube is disposed in the electric field concentrating portion of the electric field concentration type microwave irradiation device, and the flowing solvent is passed through the glass thin tube, so that the solvent can be efficiently and quickly supplied. Microwave heating can be performed, and if a reaction substrate or a catalyst is mixed in a solvent, a rapid chemical reaction can be performed. A chemical reactor with high energy and cost performance can be constructed by combining with a reaction system capable of improving yield and selectivity and reducing the amount of organic solvent and catalyst used by microwave irradiation.
本発明により、次のような効果が奏される。
（１）本発明により、流通する溶液系の化学反応に適用することが可能な流通型マイクロ波利用化学反応装置及び方法を提供することができる。
（２）本発明の装置により、例えば、アセトン、トルエン、ヘキサンなどの非極性溶媒をもマイクロ波加熱により加熱することが可能となる。
（３）流通する溶液系の被加熱対象物質を、連続的に、しかも短時間で、マイクロ波加熱することが可能である。
（４）マイクロ波電力を、効率よく、熱エネルギーに変換して、極性物質及び非極性物質を、効率よくマイクロ波加熱することを可能とするマイクロ波加熱装置を提供することができる。
（５）本発明の流通型マイクロ波利用化学反応方法を流通する溶液系の化学反応に適用することにより、従来法と比べて、より低い温度で、同様の化学反応を進行させることができる。
（６）本発明の流通型マイクロ波利用化学反応方法を流通する溶液系の化学反応に適用することにより、従来法と比べて、より高い反応収率で、化学反応を進行させることができる。
（７）本発明の流通型マイクロ波利用化学反応方法を流通する溶液系の化学反応に適用することにより、従来法と比べて、より高い反応選択性で、化学反応を進行さることができる。
The present invention has the following effects.
(1) According to the present invention, it is possible to provide a flow-type microwave-based chemical reaction apparatus and method that can be applied to a distributed solution-type chemical reaction.
(2) With the apparatus of the present invention, for example, nonpolar solvents such as acetone, toluene, hexane and the like can be heated by microwave heating.
(3) It is possible to microwave-heat the solution-type target material to be circulated continuously and in a short time.
(4) It is possible to provide a microwave heating apparatus that efficiently converts microwave power into heat energy and efficiently heats polar substances and nonpolar substances.
(5) By applying the flow-type microwave-based chemical reaction method of the present invention to a distributed chemical reaction, a similar chemical reaction can be allowed to proceed at a lower temperature than in the conventional method.
(6) By applying the flow-type microwave-based chemical reaction method of the present invention to a distributed chemical reaction, the chemical reaction can be advanced with a higher reaction yield than the conventional method.
(7) By applying the flow-type microwave-based chemical reaction method of the present invention to a distributed chemical reaction, the chemical reaction can proceed with higher reaction selectivity than the conventional method.
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。 EXAMPLES Next, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited at all by the following Examples.
本発明の実施例の一形態として、図３に、マイクロ波利用化学反応装置の構成例を示す。図３の装置は、マイクロ波発振器・制御器６、ＴＭ０１０キャビティ２、送液ポンプ３、からなる。キャビティは、内部に円筒型の空間を有する金属製の空胴共振器として構成したものである。この空間は、ＴＭ０１０と呼ばれる定在波が形成できるように、その内寸を適宜設定することができる。 As an embodiment of the present invention, FIG. 3 shows a configuration example of a chemical reaction apparatus utilizing microwaves. The apparatus shown in FIG. 3 includes a microwave oscillator / controller 6, a TM010 cavity 2, and a liquid feed pump 3. The cavity is configured as a metal cavity resonator having a cylindrical space inside. The internal dimensions of this space can be appropriately set so that a standing wave called TM010 can be formed.
円筒空間の中心軸に沿って貫通するように、石英ガラス管から構成される反応管を設置した。流体が、この石英ガラス管を流通できるように、片側に、送液ポンプ３を取り付けた。石英ガラス管の反対側には、流体の温度を計測できるように、温度計５として熱電対を取り付けた。また、内部の電界強度を計測するために、電界モニター４を取り付けた。 A reaction tube composed of a quartz glass tube was installed so as to penetrate along the central axis of the cylindrical space. A liquid feed pump 3 was attached to one side so that the fluid could flow through the quartz glass tube. A thermocouple was attached as a thermometer 5 on the opposite side of the quartz glass tube so that the temperature of the fluid could be measured. An electric field monitor 4 was attached in order to measure the internal electric field strength.
マイクロ波発振器、制御器６として、周波数を調整できる半導体式マイクロ波発振器を用いた。マイクロ波発振器の発振周波数は、キャビティ内にＴＭ０１０の定在波が維持できる周波数となるように、電界モニター４からの信号を適切に制御して調整した。 As the microwave oscillator and the controller 6, a semiconductor microwave oscillator capable of adjusting the frequency was used. The oscillation frequency of the microwave oscillator was adjusted by appropriately controlling the signal from the electric field monitor 4 so that the TM010 standing wave could be maintained in the cavity.
反応管としては、内径１ｍｍ、外径２ｍｍ、長さ２００ｍｍの石英ガラス管を用いた。このうち、長さ方向の１００ｍｍの部分をキャビティ内に入れ、この部分にマイクロ波が照射されるようにした。 As the reaction tube, a quartz glass tube having an inner diameter of 1 mm, an outer diameter of 2 mm, and a length of 200 mm was used. Among these, a 100 mm portion in the length direction was placed in the cavity, and microwaves were irradiated to this portion.
本実施例では、溶液系の液体として、図４に示す溶媒を用いた。マイクロ波加熱しやすい例として、エチレングリコール、エタノール、メタノール、及び水を用いた。また、従来、マイクロ波加熱が難しいとされている非極性物質の例として、アセトン、トルエン、及びヘキサンを用いた。図には、本実施例の結果と併せて、文献（越島哲夫著、「マイクロ波の新しい工業利用技術」、株式会社エヌ・ティー・エス、５頁、発行日：２００３年１１月１日）に示されているマイクロ波加熱の文献値を載せている。 In this example, the solvent shown in FIG. 4 was used as the solution-based liquid. As an example that facilitates microwave heating, ethylene glycol, ethanol, methanol, and water were used. Moreover, acetone, toluene, and hexane were used as an example of the nonpolar substance conventionally considered that microwave heating is difficult. In the figure, together with the results of the present example, the literature (written by Tetsuo Koshishima, “New Industrial Utilization Technology of Microwave”, NTS Corporation, p. 5, issue date: November 1, 2003) The literature values of microwave heating shown in (1) are listed.
ここでは、出力５００Ｗの電子レンジタイプのマイクロ波照射装置内に、それぞれの液体（初期温度２０℃）を１０ｍｌ入れ、マイクロ波照射３０秒、及び６０秒間で到達した、３０秒後、６０秒後の到達温度を示している。極性溶媒では、加熱できているが、非極性物質は、初期温度の２０℃からほとんど加熱できていないことが分かる。 Here, 10 ml of each liquid (initial temperature 20 ° C.) is placed in a microwave type microwave irradiation device with an output of 500 W, and reaches 30 seconds and 60 seconds of microwave irradiation, after 30 seconds and 60 seconds. Shows the temperature reached. It can be seen that the polar solvent can be heated, but the nonpolar substance is hardly heated from the initial temperature of 20 ° C.
図５に、溶液として水を用い、送液ポンプにより送液したときの、マイクロ波を照射してからの温度上昇の時間変化を示す。図には、本発明装置による結果と、比較のため、市販のマイクロ波加熱装置に、同様の反応管を取り付けた装置（市販装置）による結果を示す。 FIG. 5 shows the time change of the temperature rise after irradiation with microwaves when water is used as the solution and the liquid is supplied by the liquid supply pump. In the figure, the result of the device of the present invention and the result of a device (commercial device) in which a similar reaction tube is attached to a commercially available microwave heating device are shown for comparison.
本発明装置では、出力１４Ｗのマイクロ波電力の投入により、２０秒で７０℃の温度上昇がみられたが、市販装置では、送液速度０．５ｃｃ／ｍｉｎ、マイクロ波電力２００Ｗの条件でも、２６℃にしか到達していないことが分かる。これは、本発明では、反応管部分にマイクロ波が集中し照射されているため、マイクロ波電力を、効率よく熱に変換できていることを示すものと考えられる。 In the device of the present invention, a temperature increase of 70 ° C. was observed in 20 seconds by applying microwave power with an output of 14 W. However, in a commercially available device, even under the conditions of a liquid feeding speed of 0.5 cc / min and a microwave power of 200 W, It can be seen that the temperature reached only 26 ° C. This is considered to indicate that microwave power is efficiently converted into heat because microwaves are concentrated and irradiated on the reaction tube portion in the present invention.
各種液体のマイクロ波加熱効率として、図６に、各種液体に対して投入したマイクロ波出力に対して到達した上昇温度を、まとめて示す。 As microwave heating efficiencies of various liquids, FIG. 6 collectively shows rising temperatures reached with respect to the microwave output input to the various liquids.
これは、各種液体を送液ポンプで２．５ｍｌ／ｍｉｎもしくは３．６ｍｌ／ｍｉｎで送液し、図３に示すキャビティを利用し、マイクロ波を照射したときの、出口での液体の温度を測定した結果を示すものである。液体がマイクロ波照射空間を通過する滞留時間は、１．３秒から１．９秒ときわめて短いにもかかわらず、液体が加熱できていることが分かる。 This is because the liquid temperature at the outlet when various liquids are fed at 2.5 ml / min or 3.6 ml / min with a liquid feed pump and microwaves are irradiated using the cavity shown in FIG. The measurement results are shown. It can be seen that the liquid can be heated even though the residence time of the liquid passing through the microwave irradiation space is as short as 1.3 seconds to 1.9 seconds.
極性溶媒のエチレングリコールでは、１９Ｗのマイクロ波を１．９秒間のみ照射しているにもかかわらず、１６４℃もの温度上昇がみられる。また、非極性溶媒のヘキサンでも、１６．７Ｗのマイクロ波照射で４９．７℃の温度上昇がみられ、これまで難しいとされていた非極性溶媒でも、本発明装置を用いれば、マイクロ波加熱が可能であることが分かる。 In the case of ethylene glycol, which is a polar solvent, a temperature increase of 164 ° C. is observed even though the microwave of 19 W is irradiated only for 1.9 seconds. Even in the case of hexane, which is a nonpolar solvent, a temperature increase of 49.7 ° C. is observed by microwave irradiation of 16.7 W, and even if a nonpolar solvent, which has been considered difficult so far, can be heated by using the apparatus of the present invention. It is understood that is possible.
各種液体に対して投入したマイクロ波電力に対して到達した温度を、図７にまとめて示す。いずれの液体も、マイクロ波電力に対して、比例的に温度上昇がみられ、マイクロ波電力をコントロールすることで、液体の加熱を調整できることが分かる。 The temperatures reached with respect to the microwave power input to the various liquids are collectively shown in FIG. It can be seen that the temperature rises proportionally with respect to the microwave power in any liquid, and the heating of the liquid can be adjusted by controlling the microwave power.
図８に、本発明装置で、マイクロ波電力がどの程度液体の加熱に利用されているかを整理した結果を示す。加熱に使われた単位時間あたりのエネルギーは、水の比熱をＣｗ、温度変化をΔＴ、流速をＦとするとの温度上昇から、
Ｐｓｏｌｖｅｎｔ＝Ｃｗ×ΔＴ×Ｆ （式２）
と表すことができる。
FIG. 8 shows the result of organizing how much microwave power is used for heating the liquid in the apparatus of the present invention. The energy per unit time used for heating is Cw as the specific heat of water, ΔT as the temperature change, and F as the flow rate.
P solvent = Cw × ΔT × F (Formula 2)
It can be expressed as.
このエネルギーに対して照射したマイクロ波電力Ｐｍｗと比較し、マイクロ波エネルギー利用効率
η＝Ｐｓｏｌｖｅｎｔ／Ｐｍｗ （式３）
を算出した。
Compared with the microwave power Pmw irradiated for this energy, the microwave energy utilization efficiency η = P solvent / P mw (Equation 3)
Was calculated.
表１に、各種溶媒の加熱効率について、電子レンジの場合と本発明装置（開発品）を比較した結果を示す。 Table 1 shows the result of comparison between the case of the microwave oven and the device of the present invention (developed product) regarding the heating efficiency of various solvents.
以上の実施例より、マイクロ波を集中させ、表面積が多くなるように工夫した流通管に液体を流通させることで、マイクロ波エネルギーを、効率よく加熱に利用できることが示された。特に、これまで、マイクロ波加熱が難しいとされていた、非極性溶媒のマイクロ波加熱も可能であることが示された。 From the above examples, it was shown that the microwave energy can be efficiently used for heating by concentrating the microwaves and circulating the liquid in the circulation tube designed to increase the surface area. In particular, it has been shown that microwave heating of a non-polar solvent, which has been considered difficult to perform by microwave heating, is possible.
本実施例では、ＴＭ１１０モードとなるキャビティを用いた他は、実施例１と同様にして、実験を行った。図９に、本実施例は、電磁波の照射手段として用いたＴＭ１１０モードとなるキャビティ、及びその電界強度分布を示す。この場合、電界強度が極大となる場所が２か所あり、その部分に２本の反応管を配置することで、同時に２本の反応管による合成反応を実施した。 In the present example, an experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that a cavity serving as a TM110 mode was used. FIG. 9 shows a cavity that becomes a TM110 mode used as electromagnetic wave irradiation means, and its electric field strength distribution. In this case, there were two places where the electric field strength became maximum, and two reaction tubes were arranged in that place, so that the synthesis reaction was simultaneously performed using the two reaction tubes.
その結果、電磁波の照射手段としては、本実施例に示す形態でも、同様の結果を得ることができること、片側の反応管の出口を、もう一つの反応管の入口に接続することで、反応管を流通する反応溶液に対し、２倍の時間で電磁波を照射することができ、反応溶液の滞留時間を２倍にすることができることが分かった。 As a result, as the electromagnetic wave irradiation means, the same result can be obtained even in the form shown in this embodiment, and the reaction tube is connected by connecting the outlet of one reaction tube to the inlet of another reaction tube. It was found that an electromagnetic wave can be irradiated in a time twice as long as the reaction solution flowing through the reaction solution, and the residence time of the reaction solution can be doubled.
本実施例では、ＴＭ２１０モードとなるキャビティを用いた他は、実施例１と同様にして、実験を行った。図１０に、本実施例は、電磁波の照射手段として用いたＴＭ２１０モードとなるキャビティ、及びその電界強度分布を示す。この場合、電界強度が極大となる場所は、４か所あり、４本の反応管に同時に電磁波を照射することができること、また、反応管の接続方法を工夫すれば、反応溶液の滞留時間を４倍とすることもできることが分かった。 In the present example, an experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that a cavity serving as a TM210 mode was used. FIG. 10 shows the cavity used in the TM210 mode used as electromagnetic wave irradiation means and the electric field strength distribution thereof. In this case, there are four places where the electric field intensity becomes maximum, and it is possible to irradiate electromagnetic waves simultaneously to the four reaction tubes, and if the connection method of the reaction tubes is devised, the residence time of the reaction solution can be reduced. It turned out that it can also be 4 times.
本実施例では、ＴＭ０２０モードとなるキャビティを用いた他は、実施例１と同様にして、実験を行った。図１１に、本実施例は、電磁波の照射手段として用いたＴＭ０２０モードとなるキャビティ、及びその電界強度分布を示す。この場合、中心の電界強度が最も強いが、その外周にも、電磁波強度が極大となる場所がある。この部分に、螺旋型の反応管を配置することで、反応溶液を長い時間電磁波照射することができることが分かった。 In the present example, an experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that a cavity in the TM020 mode was used. FIG. 11 shows a cavity that becomes a TM020 mode used as electromagnetic wave irradiation means and the electric field strength distribution thereof. In this case, although the strongest field intensity at the center, to the periphery, there is a place where the electromagnetic wave intensity becomes maximum. It was found that the reaction solution can be irradiated with electromagnetic waves for a long time by arranging a spiral reaction tube in this portion.
（１）実験装置・方法
図１２に示す、円筒型空胴共振器（内径８４ｍｍ、長さ１００ｍｍ）の中心軸に、外径２ｍｍ、内径１ｍｍのガラス管（パイレックス（登録商標）製）を設置し、上部から送液ポンプにより各種溶媒（水、エチレングリコール）を送液した。空胴共振器にマイクロ波を照射すると、図１３に示す電界強度分布に示されるように、ガラス管部分に電界が集中し、効率的にガラス管内の溶媒を加熱することができた。
(1) Experimental apparatus and method A glass tube (made by Pyrex (registered trademark)) with an outer diameter of 2 mm and an inner diameter of 1 mm is installed on the central axis of a cylindrical cavity resonator (inner diameter: 84 mm, length: 100 mm) as shown in FIG. Then, various solvents (water, ethylene glycol) were fed from above using a liquid feed pump. When the cavity resonator was irradiated with microwaves, as shown in the electric field strength distribution shown in FIG. 13, the electric field concentrated on the glass tube portion, and the solvent in the glass tube could be efficiently heated.
ガラス管出口部分に、熱電対（Ｋ型、太さφ０．２５ｍｍ）を挿入し、溶液の温度を測定した。表２に示す実験条件で、溶液を送液し、温度制御をしたときのマイクロ波照射電力（パワー）を調べた。表２に、実験条件及び結果を示す。 A thermocouple (K-type, thickness φ0.25 mm) was inserted into the exit portion of the glass tube, and the temperature of the solution was measured. Under the experimental conditions shown in Table 2, the solution was fed and the microwave irradiation power (power) when the temperature was controlled was examined. Table 2 shows the experimental conditions and results.
（２）水の加熱試験
図１４に、出口温度を５０℃及び９０℃になるように、マイクロ波照射強度をフィードバック制御したときの結果を示す。図より、例えば、５０℃の設定温度に対して、±１℃程度で制御できていることが分かる。水の温度上昇から、加熱に使われた単位時間あたりのエネルギーは、水の比熱をＣｗ、温度変化をΔＴ、流速をＦとすると、
Ｐｓｏｌｖｅｎｔ＝Ｃｗ×ΔＴ×Ｆ
と表すことができる。
(2) Heating test of water FIG. 14 shows the results when the microwave irradiation intensity is feedback controlled so that the outlet temperatures are 50 ° C. and 90 ° C. From the figure, it can be seen that, for example, control is possible at about ± 1 ° C. with respect to a set temperature of 50 ° C. From the temperature rise of water, the energy per unit time used for heating is C w as the specific heat of water, ΔT as the temperature change, and F as the flow rate.
P solvent = Cw × ΔT × F
It can be expressed as.
このエネルギーに対して、照射したマイクロ波電力Ｐｍｗと比較し、マイクロ波エネルギー利用効率（η＝Ｐｓｏｌｖｅｎｔ／Ｐｍｗ）を算出すると、５０℃加熱のとき、η＝９３％、９０℃加熱のとき、η＝８２％となり、マイクロ波エネルギーが、効率的に水の加熱に利用がされていることが示された。 When this energy is compared with the irradiated microwave power P mw and the microwave energy utilization efficiency (η = P solvent / P mw ) is calculated, η = 93% and 90 ° C. heating at 50 ° C. heating When η = 82%, it was shown that the microwave energy was efficiently used for water heating.
図１５に、送液速度を変えたとき、水を加熱するのに必要なマイクロ波出力エネルギーを示す。実線は、エネルギー利用効率１００％のときの理論値を示す。理論値を示すプロットは、いずれも実線に近く、本システムのマイクロ波エネルギーの利用効率が高いことが判る。なお、この図より、処理量に対して、必要なマイクロ波電力を計算することができる。例えば、１００ｍｌ／ｍｉｎ（１４０ｋｇ／ｄａｙに相当）の速さで流れる水を、９０℃まで加熱するのに必要なマイクロ波発振器の容量は、６００Ｗ程度であることが判る。 FIG. 15 shows microwave output energy necessary for heating water when the liquid feeding speed is changed. The solid line indicates the theoretical value when the energy utilization efficiency is 100%. The plots showing the theoretical values are all close to the solid line, and it can be seen that the utilization efficiency of the microwave energy of this system is high. From this figure, the required microwave power can be calculated with respect to the processing amount. For example, it can be seen that the capacity of the microwave oscillator necessary for heating water flowing at a rate of 100 ml / min (corresponding to 140 kg / day) to 90 ° C. is about 600 W.
（３）エチレングリコールの加熱試験
図１６に、エチレングリコールをマイクロ波加熱したときの昇温特性を示す。このときの送液速度は、２．５ｍｌ／ｍｉｎであり、マイクロ波照射空間を通過する滞留時間は、１．９秒である。目標温度を３０秒ごとに、５０，１２０，１４０，１６０，１８０℃とステップ状に変えた。出口でのエチレングリコールの温度が、目標温度に追随しており、制御性が高いことが分かる。２．５ｍｌ／ｍｉｎのとき、１８０℃に昇温するのに、３２．６Ｗ必要であった。
(3) Heat test of ethylene glycol FIG. 16 shows the temperature rise characteristics when ethylene glycol is heated by microwaves. The liquid feeding speed at this time is 2.5 ml / min, and the residence time passing through the microwave irradiation space is 1.9 seconds. The target temperature was changed in steps of 50, 120, 140, 160, and 180 ° C. every 30 seconds. It can be seen that the temperature of ethylene glycol at the outlet follows the target temperature and is highly controllable. At 2.5 ml / min, 32.6 W was required to raise the temperature to 180 ° C.
以上詳述したように、本発明は、流通型マイクロ波利用化学反応装置及びその方法に係るものであり、本発明により、溶液系の化学反応へ適用することを可能とする流通型マイクロ波利用化学反応装置及び方法を提供することができる。本発明の装置により、例えば、アセトン、トルエン、ヘキサンなどの非極性溶媒をもマイクロ波加熱により加熱することができ、これらを、連続的に、しかも短時間でマイクロ波加熱することが可能である。本発明は、マイクロ波電力を効率よく熱エネルギーに変換して、溶液系の化学反応の溶液自体を効率よく加熱することを可能とする流通型マイクロ波利用化学反応装置及び流通型マイクロ波利用化学反応方法を提供するものとして有用である。 As described above in detail, the present invention relates to a flow-type microwave utilizing chemical reaction apparatus and method, and according to the present invention, the flow-type microwave can be applied to a solution-type chemical reaction. Chemical reactors and methods can be provided. With the apparatus of the present invention, for example, nonpolar solvents such as acetone, toluene, and hexane can be heated by microwave heating, and these can be microwaved continuously and in a short time. . The present invention relates to a flow-type microwave-use chemical reaction apparatus and a flow-type microwave-use chemistry that can efficiently convert microwave power into thermal energy and efficiently heat the solution-based chemical reaction solution itself. It is useful as providing a reaction method.
（図１の符号）
１ 円筒型ＴＭ０１０キャビティ
２ マイクロ波照射口
３ ＴＭ０１０キャビティ内に誘起される電界分布（半径方向）
（図２の符号）
１ 細長チューブ
２ 扁平
３ ひだ
４ 多孔質
５ 充填（粒子）
６ 充填（ロッド）
（図３の符号）
１ マイクロ波照射口
２ ＴＭ０１０キャビティ
３ 送液ポンプ
４ 電界モニター
５ 温度計
６ マイクロ波発振器・制御器
(Reference in FIG. 1)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cylindrical TM010 cavity 2 Microwave irradiation port 3 Electric field distribution induced in TM010 cavity (radial direction)
(Reference in FIG. 2)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Elongated tube 2 Flat 3 Fold 4 Porous 5 Packing (particle)
6 Filling (rod)
(Reference in FIG. 3)
1 Microwave Irradiation Port 2 TM010 Cavity 3 Liquid Pump 4 Electric Field Monitor 5 Thermometer 6 Microwave Oscillator / Controller
Claims (6)
マイクロ波発振装置、定在波を形成するシングルモードキャビティ、被加熱対象物質である上記溶液を流通させる流通管、該流通管内の一端に位置する流体を送液する送液ポンプを有し、
上記キャビティは、金属製で内部に円筒型の空間を有し、
上記流通管は、上記円筒型の空間を貫通するようにあるいは該空間の中心軸に沿って貫通するように単数乃至複数本設置されており、上記流通管の内径を大きくても２．９ｍｍのミリメートルサイズ細長チューブ状として非極性溶液系の流体と流通管の内側との接触面積を広くし、
上記流通管を電磁波強度が極大となる部分に位置するように配置して該流通管に流通させた上記溶液にマイクロ波が集中して照射されるようにしたことを特徴とする非極性溶媒を反応溶媒とするマイクロ波利用化学反応装置。 A flow - type microwave-based chemical reaction device that heats a solution using a non-polar solvent as a reaction solvent with high-efficiency microwaves,
A microwave oscillation device, a single mode cavity that forms a standing wave, a flow pipe that circulates the solution that is the material to be heated, a liquid feed pump that feeds a fluid located at one end of the flow pipe,
The cavity is made of metal and has a cylindrical space inside,
One or a plurality of the flow pipes are installed so as to penetrate the cylindrical space or along the central axis of the space, and the flow pipe has an inner diameter of 2.9 mm at most. Increase the contact area between the nonpolar solution-based fluid and the inside of the flow pipe as a millimeter-sized elongated tube.
A non-polar solvent characterized in that the above-mentioned flow tube is disposed so as to be positioned at a portion where the electromagnetic wave intensity becomes maximum, and microwaves are concentrated and irradiated on the above-mentioned solution circulated through the flow tube. A chemical reaction device using microwaves as a reaction solvent .
The micro tube according to claim 4 , wherein a flow tube is installed in a portion where an electric field or a magnetic field is concentrated, and a solution using a nonpolar solvent held or circulated therein as a reaction solvent is heated by microwave irradiation. Wave-based chemical reaction method.
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