JP5648986B2 - Fluid processing apparatus and fluid processing method - Google Patents
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Description
本発明は、少なくとも二つの被処理流体を反応させる流体処理装置及び流体処理方法に関する。 The present invention relates to a fluid processing apparatus and a fluid processing method for reacting at least two fluids to be processed.
マイクロ化学プラントは、マイクロスケールの空間内での混合、化学反応、分離などを利用した装置であり、大型タンク等を用いた従来のバッチ方式のプラントと比較して多くの有利点を備える。例えば複数の流体の混合や化学反応を短時間かつ微量の試料で行えること、装置が小型である為実験室レベルで生成物の製造技術を確立できればナンバリングアップを行うことで容易に量産用の設備化が出来ること、爆発などの危険を伴う反応にも適用可能であること、多品種少量生産を必要とする化合物の生成などにも容易に適応できること、需要量に合わせた生産量の調整が容易に出来ることなどである。このため化学工業や医薬品工業の分野では、流体の混合もしくは反応を行い材料や製品を製造するための好適な流体処理装置として注目され、近年その研究開発が盛んに行なわれている。 A microchemical plant is a device that utilizes mixing, chemical reaction, separation, etc. in a microscale space, and has many advantages over a conventional batch-type plant using a large tank or the like. For example, it is possible to mix multiple fluids and perform chemical reactions with a small amount of sample in a short time, and because the equipment is small, if the production technology of the product can be established at the laboratory level, the equipment for mass production can be easily obtained by numbering up. Can be applied to reactions involving dangers such as explosions, can be easily adapted to the production of compounds that require high-mix low-volume production, and production volume can be easily adjusted to meet demand It can be done. For this reason, in the fields of chemical industry and pharmaceutical industry, it has been attracting attention as a suitable fluid processing apparatus for producing materials and products by mixing or reacting fluids, and its research and development has been actively conducted in recent years.
マイクロ化学プラントにおける代表的な流体処理装置としてマイクロミキサやマイクロリアクタが挙げられる。マイクロミキサやマイクロリアクタは、それぞれ流路幅が数十μm〜1mm程度のオーダーである微少な流路を有し、この流路に導かれた複数種類の流体を互いに接触させることで混合もしくは反応を生起するものである。 A typical fluid processing apparatus in a microchemical plant includes a micromixer and a microreactor. Micromixers and microreactors each have a small flow channel with a flow channel width on the order of several tens of μm to 1 mm, and mixing or reacting by bringing a plurality of types of fluids led to this flow channel into contact with each other. It is what happens.
しかしながら、一般的なマイクロミキサやマイクロリアクタを用いる場合にはマイクロ化学デバイス及びシステムの利点は数あるにも関わらず、実際にはマイクロ流路が狭くなればなるほどその圧力損失は流路の4乗に反比例すること、つまり実際には流体を送り込むポンプが無いくらい大きな送液圧力が必要となること、また生成物が流路に詰まる現象や反応によって生じる泡によるマイクロ流路の閉鎖など、その問題も多い。さらにナンバリングアップで解決されて来たスケールアップについても実際には積層可能数は数十が限界であり、自ずと製品価値の高い製品に的が絞られやすい。本発明はこの様な問題に鑑みてなされたものであり、薄膜中で直接反応させることにより、温度の均一性が高く、反応容器の攪拌における均一性が高いことから所望の反応状態を容易に実施出来、さらに自己排出性により生成物の詰まりも無く、大きな圧力も必要とせず、また生産性が高く、ナンバリングアップでない従来のスケールアップを可能とする流体処理装置の提供を目的とする。 However, in the case of using a general micromixer or microreactor, despite the advantages of microchemical devices and systems, in fact, the smaller the microchannel, the more the pressure loss becomes the fourth power of the channel. There are also problems such as being inversely proportional, that is, a liquid feeding pressure that is so large that there is no pump that actually feeds the fluid, and the phenomenon that the product clogs the flow path and the micro flow path is closed by bubbles generated by the reaction. Many. Furthermore, with regard to scale-up that has been solved by numbering-up, the number of stackable layers is actually limited to several tens, and it is easy to focus on products with high product value. The present invention has been made in view of such problems, and by reacting directly in a thin film, the temperature uniformity is high, and the uniformity in stirring of the reaction vessel is high, so that the desired reaction state can be easily achieved. It is an object of the present invention to provide a fluid processing apparatus that can be implemented and does not clog products due to self-discharge, does not require a large pressure, has high productivity, and enables conventional scale-up without numbering up.
具体的には、特許文献1〜6に記載された装置を改良した流体処理装置を提供する。 Specifically, the fluid processing apparatus which improved the apparatus described in patent documents 1-6 is provided.
なお、上記の各文献に記載の装置は、液体と液体、又は液体と粉体の混合物を攪拌槽に投入して攪拌するための装置であって、あらかじめ混合すると発熱したり有害な副生成物が発生してしまうような物質の組み合わせには使用できないという問題があった。 The apparatus described in each of the above-mentioned documents is an apparatus for stirring a liquid and liquid or a mixture of liquid and powder into a stirring tank, and generates heat or harmful by-products when mixed in advance. There is a problem that it cannot be used for a combination of substances that may cause the occurrence of the problem.
また、特許文献1及び2に記載の発明においては、上記混合物とは別に、添加物を攪拌槽に投入できるようにされているが、添加物投入のためのパイプの先端が攪拌槽の内部空間に設けられているため、上記の混合物に添加物を加える場合、落下した添加物が攪拌用の羽根に当たって攪拌槽内に不均一に飛び散ること等により、上記混合物に対して添加物が均一に混合できない恐れがある。よって、少なくとも二つの被処理流体を反応させようとする場合、このような方法ではうまくいかない可能性がある。
In addition, in the inventions described in
本発明は、反応物を含む少なくとも二つの被処理流体を薄膜状態とした上で反応させる流体処理装置において、次の手段を備えたものを提供する。The present invention provides a fluid processing apparatus in which at least two fluids to be processed including a reactant are reacted in a thin film state, which includes the following means.
本発明に係る流体処理装置は、少なくとも、中心軸に直交する断面形状が円形である内周面を有する攪拌槽と、上記攪拌槽の上記内周面と同心で、外端が上記攪拌槽の上記内周面と僅かな間隙を在して付設される攪拌具とを有し、上記撹拌槽には、少なくとも二箇所の流体入口と、少なくとも一箇所の流体出口とを備え、上記流体入口のうち一箇所からは、上記被処理流体のうち、反応物の一つを含む第一の被処理流体を上記攪拌槽内に導入し、上記流体入口のうちで上記以外の一箇所からは、上記反応物とは異なる反応物の一つを含む第二の被処理流体を、上記第一の被処理流体とは異なる流路より上記攪拌槽内に導入するものである。 Fluid treatment apparatus according to the present invention, at least the cross-sectional shape perpendicular to the central axis and agitation tank having an inner peripheral surface is circular, in the inner peripheral surface concentric with the stirring tank, the outer end of the stirring tank and a mixing tool which is attached to Mashimashi a slight gap between the inner peripheral surface, in the above stirring tank, a fluid inlet of the at least two positions, and a fluid outlet of at least one place, the fluid inlet from out one place, among the treated fluid, a first fluid to be treated containing one of the reactants is introduced into the stirring tank, from one place other than the above of the above fluid inlet, the A second treated fluid containing one of the reactants different from the reactant is introduced into the agitation tank through a flow path different from the first treated fluid .
そして、上記攪拌槽と上記攪拌具との少なくとも一方が他方に対し、上記中心軸を中心として高速回転し、上記高速回転に伴う、上記撹拌槽内に導入された上記被処理流体の回転により、上記被処理流体を遠心力で上記攪拌槽の中心軸を取り巻くように上記内周面に圧着させ、薄膜状態を形成し、上記形成された薄膜中で少なくとも上記第一の被処理流体と上記第二の被処理流体とに含まれる上記反応物同士を反応させるものである。 Then, at least one of the stirring tank and the mixing tool is relative to the other, and high-speed rotation about said central axis, due to the high speed rotation, the rotation of the object to be processed fluid introduced into the agitation tank, the treated fluid is crimped to the inner peripheral surface so as to surround the center axis of the stirring tank by a centrifugal force, to form a thin film state, at least the first fluid to be treated and the second in thin film which is the formed The reactants contained in the second fluid to be treated are reacted with each other.
なお、上記の「中心軸」とは仮想の軸である。より詳しくは、攪拌槽のうち少なくとも被処理流体が薄膜となる部分が回転対称形状に形成されており、その対称中心に一致する仮想の軸である。攪拌具あるいは攪拌槽はこの中心軸を中心に回転する。よって、この中心軸に一致する現実の軸体が攪拌槽内に存在することは必須ではない。 The “center axis” is a virtual axis. More specifically, at least a portion of the stirring tank where the fluid to be treated is a thin film is formed in a rotationally symmetric shape, and is a virtual axis that coincides with the center of symmetry. The stirrer or stirring tank rotates around this central axis. Therefore, it is not essential that an actual shaft body corresponding to the central axis exists in the stirring tank.
上記薄膜の膜厚は、上記遠心力によって規定されるものであり、上記第一の被処理流体用の流体入口と、上記第二の被処理流体用の流体入口との上記少なくとも二箇所の流体入口は、上記攪拌槽における、上記中心軸を取り巻く面である側面に共に備えられたものであるか、あるいは、上記中心軸に交わる面である端面と上記側面とに各々備えられたものである。 The film thickness of the thin film is defined by the centrifugal force, and the fluid in at least two places, the fluid inlet for the first fluid to be treated and the fluid inlet for the second fluid to be treated. The inlets are provided on both sides of the agitation tank, which are the surfaces surrounding the central axis, or are provided on the end surface and the side surfaces that intersect the central axis. .
上記第一の被処理流体用の流体入口から上記攪拌槽内に導入された上記被処理流体が上記薄膜状態を形成する。The fluid to be treated introduced from the fluid inlet for the first fluid to be treated into the stirring tank forms the thin film state.
他方、上記第二の被処理流体用の流体入口は、上記撹拌槽の上記内周面のうち、上記攪拌槽内に導入された上記第一の被処理流体が上記薄膜状態を形成する部分に開口されており、且つ、上記中心軸の軸方向において、上記攪拌具から離れた位置にあって上記薄膜状態の上記第一の被処理流体が層流状態を形成する位置に設けられる。On the other hand, the fluid inlet for the second fluid to be processed is a portion of the inner peripheral surface of the stirring tank where the first fluid to be processed introduced into the stirring tank forms the thin film state. An opening is provided at a position away from the stirring tool in the axial direction of the central axis and at a position where the first fluid to be processed in the thin film state forms a laminar flow state.
上記第二の被処理流体の上記攪拌槽への導入は、上記撹拌槽内での上記被処理流体の流れ方向に沿うようになされ、上記攪拌槽に対する導入角度につき、上記中心軸の軸方向と直交する断面における、上記攪拌槽の径方向を基準とした角度(α1)が0°〜90°であり、且つ、上記攪拌槽の中心軸に沿う断面における仰角(β1)が0°〜90°である。The second treated fluid is introduced into the agitation tank along the flow direction of the treated fluid in the agitation tank, and the introduction axis with respect to the agitation tank has an axial direction of the central axis. The angle (α1) with respect to the radial direction of the stirring tank in the cross-section orthogonal is 0 ° to 90 °, and the elevation angle (β1) in the cross section along the central axis of the stirring tank is 0 ° to 90 °. It is.
本発明は、上記の攪拌槽が固定されており、上記の攪拌具が回転するものとして実施することができる。 This invention can be implemented as said stirring tank being fixed and said stirring tool rotating.
上記攪拌槽は、上記中心軸が垂直方向を向くように配位されており、上記第一の被処理流体用の流体入口は、上記攪拌槽の下側端面に設けられたものとすることもできる。 The stirring tank is coordinated to the central axis is oriented vertically, the first fluid inlet for fluid to be treated is also the one provided on the lower end surface of the stirring tank it can.
上記攪拌槽は、上記中心軸が垂直方向を向くように配位されており、上記攪拌槽からの上記各被処理流体の排出が、上記撹拌槽内での上記被処理流体の流れ方向に沿うようになされ、上記攪拌槽に対する排出角度につき、上記流体出口の中心を通る水平断面における、上記攪拌槽の径方向を基準とした角度(α2)が0°〜90°であることも望ましい。 The stirring tank, said central axis being coordinated so as to face the vertical direction, the discharge of each of the fluid to be treated from the stirring tank is along the flow direction of the fluid to be treated in the above stirring tank adapted, per ejection angle with respect to the stirring tank, in a horizontal section through the center of the fluid outlet, it is also desirable angle relative to the radial direction of the stirring tank ([alpha] 2) is 0 ° to 90 °.
上記攪拌具の外端における、上記攪拌槽の上記内周面に対する周速度が5m/s以上とすることもできる。
上記攪拌具の外端における、上記攪拌槽の上記内周面に対する上記間隙は、3mm以下とすることができる。
The peripheral speed with respect to the said internal peripheral surface of the said stirring tank in the outer end of the said stirring tool can also be 5 m / s or more.
At the outer end of the mixing tool, the gap relative to the inner peripheral surface of the stirring tank can be a 3mm or less.
本発明は、反応物を含む少なくとも二つの被処理流体を薄膜状態とした上で反応させる流体処理方法において、上記の流体処理装置を用い、上記高速回転に伴う、上記撹拌槽内に導入された上記被処理流体の上記回転により、上記被処理流体を遠心力で上記攪拌槽の上記中心軸を取り巻くように上記内周面に圧着させ、上記薄膜状態を形成し、上記形成された薄膜中で少なくとも上記第一の被処理流体と第二の被処理流体とに含まれる反応物同士を反応させるものであり、上記薄膜の膜厚は、上記遠心力によって規定されるものであり、上記第一の被処理流体が上記攪拌槽内にて上記薄膜状態とされ、この薄膜状態の上記第一の被処理流体に直接、上記第二の被処理流体が加えられることを特徴とする流体処理方法を提供する。 The present invention is a fluid treatment method in which at least two fluids containing reactants are reacted in a thin film state, and is introduced into the agitation tank accompanying the high-speed rotation using the fluid treatment device. By the rotation of the fluid to be treated, the fluid to be treated is crimped to the inner peripheral surface so as to surround the central axis of the agitation tank by centrifugal force to form the thin film state, and in the formed thin film The reactants contained in at least the first fluid to be treated and the second fluid to be treated are reacted with each other, and the thickness of the thin film is defined by the centrifugal force . The fluid treatment method is characterized in that the fluid to be treated is brought into the thin film state in the stirring tank, and the second fluid to be treated is directly added to the first fluid to be treated in the thin film state. provide.
上記第一の被処理流体と上記第二の被処理流体の導入量によって、上記攪拌槽内における上記各被処理流体の流れの速度ならびに滞留時間を調整することができる。 The introduction amount of the first fluid to be treated and the second fluid to be treated, it is possible to adjust the speed and residence time of the flow of each fluid to be treated in the stirred tank.
本発明は、断面形状が円形である内周面を有する攪拌槽と、攪拌槽の内周面と僅かな間隙を在して付設される攪拌具とを有し、流体入口のうち一箇所からは、反応物の一つを含む第一の被処理流体を攪拌槽内に導入し、流体入口のうち他の一箇所からは、上記反応物とは異なる反応物の一つを含む第二の被処理流体を導入するものであり、攪拌槽と攪拌具との少なくとも一方が他方に対して高速回転することにより、該被処理流体を遠心力で攪拌槽の内周面に圧着させて薄膜状態を形成し、当該形成された薄膜中で少なくとも上記第一の被処理流体と第二の被処理流体とに含まれる反応物同士を反応させることを特徴とし、これにより、第一の被処理流体の薄膜中に直接、少なくとももう一方の被処理流体を独立した別流路より直接投入し、反応させることができるので、反応の高速均一化を可能とする。
また本発明の装置は、分子拡散を重要視し均一反応を目的とする場合などに有効である。
The present invention has a stirring tank having an inner peripheral surface having a circular cross-sectional shape, and a stirring tool provided with a slight gap from the inner peripheral surface of the stirring tank, and is provided from one of the fluid inlets. is the first fluid to be treated containing one of the reactants are charged to a stirred vessel, from another one location of the fluid inlet, a second containing one different reactant with the reactant A fluid to be treated is introduced, and at least one of the stirring tank and the stirring tool rotates at a high speed with respect to the other so that the fluid to be treated is pressed against the inner peripheral surface of the stirring tank by a centrifugal force to form a thin film state. And reacting at least the reactants contained in the first treated fluid and the second treated fluid in the formed thin film, whereby the first treated fluid is characterized in that Directly put at least the other fluid to be treated directly into the thin film from an independent flow path, Since it is possible to respond, to allow high-speed homogenization of the reaction.
The apparatus of the present invention is effective in the case where molecular diffusion is important and a uniform reaction is aimed.
特に上記流体入口のうち少なくとも一箇所が、上記撹拌槽の内周面のうち、当該流体入口以外から攪拌槽内に導入された被処理流体が上記の薄膜状態を形成する部分に開口されている。このようにして、被処理流体を導入する箇所が固定されているため、反応状態の管理が容易である。 In particular, at least one of the fluid inlets is opened in a portion of the inner peripheral surface of the agitation tank where the fluid to be treated introduced into the agitation tank from other than the fluid inlet forms the thin film state. . In this way, since the location where the fluid to be treated is introduced is fixed, the reaction state can be easily managed.
また、被処理流体が撹拌槽の内周面に薄膜状に保持されるから、撹拌槽の外面から加熱または冷却する場合であっても、熱伝導が迅速かつ均一に行なわれ、反応条件に重要な影響を与える熱的因子に関しても利点があり、これによっても、反応において高速均一化を可能とする。 In addition, since the fluid to be treated is held in the form of a thin film on the inner peripheral surface of the agitation tank, even when heating or cooling from the outer surface of the agitation tank, heat conduction is performed quickly and uniformly, which is important for reaction conditions. There are also advantages with regard to thermal factors that have a significant impact, which also allows for high speed homogenization in the reaction.
また、薄膜状態の被処理流体を反応するときに、当該薄膜の外側を減圧することにより、被処理流体中に含まれている空気や溶存酸素など、また被処理流体から発生する気体、低沸点の有機溶剤などの脱気もしくは脱溶剤が可能となり、容易に所望とする反応状態をなしうる。 In addition, when reacting a fluid to be processed in a thin film state, the outside of the thin film is decompressed, so that air or dissolved oxygen contained in the fluid to be processed, gases generated from the fluid to be processed, low boiling point, etc. Thus, it is possible to degas or remove the organic solvent, and the desired reaction state can be easily achieved.
すなわち本発明における、少なくとも二つの流体を反応させる流体処理装置においては、これまで不可欠であった予備混合工程を不要とし、かつ、予備混合状態における各種反応物の不均等配位や不均等熱履歴、不均等エネルギー投下の影響を排除し、常に新しい反応場を与えるため、均一な反応物を得ることが可能となった。またさらに、自己排出性により生成物の詰まりもなく大きな圧力を必要とせず生産性が高くスケールアップが可能となった。 That is, in the fluid processing apparatus for reacting at least two fluids in the present invention, the premixing step that has been indispensable so far is not necessary, and the non-uniform coordination and non-uniform heat history of various reactants in the premixed state. In order to eliminate the effects of non-uniform energy drop and always provide a new reaction field, it became possible to obtain a uniform reaction product. Furthermore, the self-discharging property does not cause clogging of the product and does not require a large pressure, resulting in high productivity and scale-up.
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態の一例について説明する。各図において、「1」は流体処理装置である。「2」は攪拌槽であり、「3」は攪拌槽2の蓋で、この蓋3に軸受け及び密封装置4が取り付けられて駆動軸5を支持している。軸5の下端には、攪拌具として攪拌羽根6が固定されている。「7」は攪拌羽根6の駆動用モータで、モータ軸7−1が軸5に接続されている。
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, “1” is a fluid processing apparatus. “2” is a stirring tank, “3” is a lid of the stirring
図1に示した例では、攪拌槽2は円筒状のものであるが、攪拌槽2の形状はこれに限られるものではなく、少なくとも、中心軸に直交する断面形状が円形である内周面を有していれば良く、例えば円錐状、円錐台状(図4参照)、弾丸状、半円球状、球状などであっても良い。上記のように攪拌槽を円錐状などの、中心軸に直交する断面形状が変化するものとした場合は、図4に示すように、上側をより大径としても良いし、その逆に、下側をより大径としても良く、その他種々のパターンで断面形状を変化させたものとできる。
In the example shown in FIG. 1, the
また、中心軸に沿う方向の断面における内周面の形状も、図1に示すように直線であっても良いし、放物線などの曲線であっても良く、被処理流体の攪拌に支障がない範囲において種々の形状で実施することができる。 Further, the shape of the inner peripheral surface in the cross section in the direction along the central axis may be a straight line as shown in FIG. 1 or a curve such as a parabola, and there is no problem in stirring the fluid to be processed. It can be implemented with various shapes in the range.
また、図1に示した例では、攪拌槽2が上下方向に、つまり、攪拌槽2の中心軸が垂直方向を向くように配位されているが、これに限定されるものではなく、攪拌槽2の中心軸が斜め方向を向くように配位されていても良い。また、攪拌具の回転速度を速めるなどして、攪拌槽2内で被処理流体を薄膜状態とすることができるのであれば、攪拌槽2の中心軸が水平方向を向くように配位されていても良い。
In the example shown in FIG. 1, the stirring
攪拌槽2の下側端面である底部8には、反応物を含む流体であって、攪拌槽2に導入される少なくとも二つの被処理流体の内、第一被処理流体L1を通すための第一導入管11が接続される。この第一被処理流体L1は、図示しないが第一被処理流体L1が入ったタンクからの圧力気体による送液やポンプなどの手段により第一導入管11に通される。この第一導入管11の先端は攪拌槽2に開口している。この部分が第一流体入口11aである。この第一流体入口11aよりも上流側には第一バルブ11−1が設けられている。この第一バルブ11−1は第一被処理流体L1の流量を調整するためのものである。そして、この第一バルブ11−1と共に、第一導入管11における流体入口11aよりも下流側に第二バルブ11−2が設けられている。この第二バルブ11−2は、第一被処理流体L1として別途の流体を追加して送液する場合や、反応処理が終了した場合、あるいは清掃時にドレンバルブとして利用するものである。上記により、攪拌槽2に第一被処理流体L1を導入する第一導入路P1が構成される。
The bottom 8 which is the lower end surface of the stirring
攪拌槽2の下部側面部9aには、上記少なくとも二つの被処理流体の内、上記第一被処理流体L1とは異なる第二被処理流体L2を通すための第二導入管12が接続される。この第二被処理流体L2は、図示しないが第二被処理流体L2が入ったタンクからの圧力気体による送液やポンプなどの手段により第二導入管12に通される。この第二導入管12の先端は、上記攪拌槽2の内周面に開口している。この部分が第二流体入口12aである。上記により、第一導入路P1とは異なる流路であって、攪拌槽2に第二被処理流体L2を導入する第二導入路P2が構成される。
Connected to the lower
攪拌槽2の上部側面部9bには、所望の反応状態となった被処理流体の排出管13が接続され、排出路P3より該被処理流体が排出される。上記と同様、この排出管13の先端は攪拌槽2の内周面に開口している。この部分が流体出口13aである。攪拌槽2の内部では、図2(A)に矢印で示したように、被処理流体が重力に抗して上昇するようになっているため、この排出管13は上記の各導入管11,12よりも上方に設けられている。
The upper
図1に示した例では、第一導入管11が攪拌槽2の底部8に設けられ、第二導入管12が攪拌槽2の下部側面部9aに設けられ、排出管13が攪拌槽2の上部側面部9bに設けられているが、本発明はこの例の構成に限られるものではない。例えば、三つ以上の被処理流体を攪拌槽2に導入するために、図4及び5に示すように導入管を三つ以上設けても良い(図上の11,12',12")。また、複数の流体入口が、攪拌槽2の側面に共に備えられたものであるか、あるいは、攪拌槽2の端面に共に備えられたものであっても良い。また、排出管を二つ以上設けても良い。
In the example shown in FIG. 1, the
この例では、攪拌槽2の内面は滑らかな表面状態とされている。このようにすることにより、攪拌羽根6の回転に伴い、攪拌槽2内に被処理流体の流れを円滑に生じさせることができ、駆動用モータ7の負荷を低減することができる。逆に、被処理流体の種類によっては、攪拌槽2の内面に凹凸や固定羽根を設けることにより、攪拌槽2内における被処理流体に渦流を発生させるなどして流れを乱し、これによって反応を促進できるものとしても良い。
In this example, the inner surface of the stirring
蓋3には、バルブ14−1を介して調整用パイプ14が貫通している。攪拌槽2内を減圧状態にする場合は、バルブ14−1より真空源に接続すれば良いし、攪拌槽2内を不活性ガス雰囲気などにする場合は、バルブ14-1を不活性ガス源に接続すれば良い。またこれらの措置が不必要な場合は、調整用パイプ14を設置しなくても良い。また、減圧及び不活性ガス雰囲気の両方が必要な場合は調整用パイプ14を複数本設置すれば良い。
The
図1に示した例では、上記排出管13の下方位置に、攪拌槽2の内方に突出するフランジ状の堰板15が設けられている。この堰板15は、この例では攪拌槽2の内周面を上下に二分するように設けられており、攪拌槽2の下半分における反応後の被処理流体が、各導入管11,12からの被処理流体の供給に伴って、この堰板15を乗り越えて攪拌槽2の上半分に移動する。このように堰板15を設けることにより、攪拌槽2の下半分において薄膜状態とされた被処理流体の膜厚が、攪拌層2の内周面から内側方向に突出した堰板15の寸法と一致する。よって、堰板15の寸法を調整することにより、上記被処理流体の薄膜を所望の膜厚とした上で反応させることができる。なお、この堰板15については本発明において必須ではなく、省略しても良い。また、この例における堰板15は、図示のように攪拌槽2の上半分部分と下半分部分との間に挟まれるように水平に設けられているが、攪拌槽2の内周面に溶接などにより直接取り付けられたものや、攪拌槽2と一体に形成されたものであっても良い。また、この堰板15を伸縮可能な構造としておき、被処理流体の種類などによって、攪拌槽2の内周面からの突出寸法を変更できるようにしても良い。また、水平ではなく、例えば螺旋状に設けても良い。
In the example shown in FIG. 1, a flange-shaped
図1に示した例は、堰板15を攪拌槽2内の一箇所に設けたものであるが、図5に示すように導入管12を三つ以上設けた場合などにおいては、二箇所以上に堰板15を設けておき、複数の被処理流体が攪拌槽2内で順次加えられ、反応していくようにしても良い。
In the example shown in FIG. 1, the
また攪拌槽2には、反応に最も適した温度条件とするために、攪拌槽2内の被処理流体を加熱あるいは冷却するための温度調整機構を設けても良い。図1に示した例では、攪拌槽2の外面に流体状の熱媒体を流通できるジャケット16を設けているが、これに限らず、電気ヒーターやペルチェ素子など、電気的もしくは化学的に加熱あるいは冷却作用をなすことのできる素子を攪拌槽2に取り付けても良い。
The stirring
上記の他、攪拌槽2に温度や圧力、また、薄膜の波打ちや偏りなどを感知するセンサーを設けても良い。
In addition to the above, the
この例では攪拌具として、攪拌槽2の内周面と同心に設けられた駆動軸5の下端に攪拌羽根6が設けられている。この攪拌羽根6は、駆動軸5から径外方向に延びる腕部6−1を備えている。腕部6−1の外端には攪拌作用を良好にするための突片6−2が設けられている。図1に示した例では、図示左側の突片6−2は腕部6−1から上側に折り返すようにして設けられており、図示右側の突片6−2は腕部6−1から下側に折り返すようにして設けられている。この突片6−2は、被処理流体を攪拌槽2の内周面に沿って周方向に強制的に移動させるためのものであるため、外端形状が攪拌槽2の内周面に沿うように設けることが望ましい。よって、図示した以外に種々の形状で実施することができる。そして、この突片6−2の外端と攪拌槽2の内周面との間には、僅かな間隙Sが設けられている。この間隙Sは、3mm以下、好ましくは2mm以下、より好ましくは1mm以下とされる。
In this example, a
この攪拌羽根6を駆動モータ7により高速回転させると、上記第一導入路P1に属する第一導入管11より攪拌槽2内に導入された第一被処理流体L1は、攪拌羽根6の高速回転の遠心力により攪拌槽2の内周面に圧着されて薄膜状態を形成する。ここで、第一被処理流体L1は攪拌槽2の底部8に接続された第一導入管11から順次導入されていくため、これに伴い、上記のように薄膜状態とされた第一被処理流体L1には、図2(A)に示すような上向きスパイラル状の流れが発生する。なお、このスパイラル状の流れの速度は攪拌槽2への第一被処理流体L1の導入速度に比例する。この形成された薄膜状態の第一被処理流体L1中に直接、第二被処理流体L2を、上記第一導入路P1から独立した別流路である第二導入路P2に属する第二導入管12より攪拌槽2内に導入することで所望の反応状態とできる。攪拌羽根6の高速回転に伴い、薄膜状態の第一被処理流体L1もまた攪拌槽2の内周面に沿って高速回転するため、短時間で充分に上記状態とすることができる。
When the
ここで上記「高速回転」とは、遠心力により被処理流体が攪拌槽2内で薄膜状態を形成できる回転数をいい、具体的には攪拌羽根6の外端における周速度が5m/s以上、好ましくは10m/s以上、より好ましくは20m/s以上を意味する。
Here, the “high speed rotation” means a rotation speed at which the fluid to be processed can form a thin film state in the
上記のように第二導入管12の第二流体入口12aは、撹拌槽2の内周面のうち、上記第一導入管11から攪拌槽2に導入された第一被処理流体L1が上記の薄膜状態を形成する部分に開口されているため、第一被処理流体L1の薄膜中に第二被処理流体L2を直接加え、各被処理流体L1,L2中の反応物同士を直接反応させることができる。
As described above, the second
このように本発明は、薄膜中での直接反応を可能としたものであるから、反応の高速均一化が可能である。また、これまでの流体処理で不可欠であった予備混合工程を不要とし、かつ、予備混合状態における反応物の不均等配位や不均等熱履歴、不均等エネルギー投下の影響を排除し、常に新しい反応場を与えるため、均一な反応物を得ることが可能となった。 As described above, since the present invention enables direct reaction in a thin film, the reaction can be made uniform at high speed. In addition, the premixing process, which has been indispensable in conventional fluid processing, is unnecessary, and the effects of non-uniform coordination of reactants, non-uniform heat history, and non-uniform energy injection in the pre-mixed state are eliminated. Since a reaction field is provided, a uniform reaction product can be obtained.
本発明の流体処理装置1は、第一被処理流体L1と第二被処理流体L2の導入量により、攪拌槽2内における各被処理流体L1,L2の流れの速度ならびに滞留時間を調整できるので、所望の反応状態にすることが簡単に出来得る。
The
また、被処理流体が反応などにより結晶析出を伴う場合、攪拌具の回転速度を調整することにより、析出した結晶を、所望の粒径と粒径分布を有するものとできる。 When the fluid to be treated is accompanied by crystal precipitation due to reaction or the like, the precipitated crystal can have a desired particle size and particle size distribution by adjusting the rotation speed of the stirring tool.
なお、本発明は、薄膜中で各被処理流体L1,L2が反応することを主とするものであるが、上記薄膜外での反応を排除するものではなく、付加的に薄膜外での反応がなされても良い。 In addition, although this invention is mainly what each to-be-processed fluid L1, L2 reacts in a thin film, it does not exclude reaction outside the said thin film, and reaction outside a thin film in addition. May be made.
図1に示した例は、攪拌槽2が固定されており攪拌羽根6が高速回転するものであるが、これとは逆に、攪拌羽根6を固定して攪拌槽2を高速回転させても構わないし、攪拌羽根6と攪拌槽2を両方回しても構わない。
In the example shown in FIG. 1, the stirring
また、図1に示した例では、攪拌羽根6が一組のみ設けられたものとされているが、図5に示すように複数組設けられたものとしても良い。また、一組の攪拌羽根6当たりの腕部6−1の数量も、適宜設定して良い。
Further, in the example shown in FIG. 1, only one set of stirring
この例では攪拌具として、図1に示したような攪拌羽根6を用いたが、羽根の形状を有するものに限られるものではなく、図4に示すような、攪拌槽2の内周面に沿うように設けた回転円筒6’としても実施できる。この回転円筒は中空で、貫通孔6’−1を多数有するものとされており、攪拌羽根6と同様、高速回転により被処理流体を薄膜状態とできる。
In this example, the
本発明は、上記のように薄膜状態を形成した第一被処理流体L1中に、第一導入路P1から独立した別流路である第二導入路P2より第二被処理流体L2を直接導入することを最大の特徴とするので、以下さらに詳しく説明する。 In the present invention, the second treated fluid L2 is directly introduced into the first treated fluid L1 formed in the thin film state as described above from the second introducing passage P2, which is a separate flow path independent of the first introducing passage P1. Since this is the greatest feature, it will be described in more detail below.
攪拌槽2内における、攪拌羽根6などの攪拌具の位置と、第一導入路P1とは別流路である第二導入路P2より第二被処理流体L2を直接導入する導入位置との相対的関係は、目的とする反応状態に応じて調整する。すなわち、攪拌具の近傍における、薄膜状態とされた被処理流体は概ね乱流状態を形成し、均一混合下での反応などを目的とする場合有効であるし、攪拌具から離れた位置における薄膜状態の被処理流体は概ね層流状態を形成するため、分子拡散を重要視し均一反応を目的とする場合などに有効である。
The relative position between the position of the stirring tool such as the
また、攪拌槽2内において薄膜状態とされた第一被処理流体L1中に直接、独立した別流路である第二導入路P2より第二被処理流体L2を導入するための第二導入管12は、攪拌槽2に対して、図2(B)に示すように、第二流体入口12aの中心を通る水平断面X1(図1参照)における、攪拌槽2の径方向を基準とした角度α1を持って取り付けられている。α1は0°〜90°、より望ましくは、20°〜70°とされており、薄膜状態とされた第一被処理流体L1の、攪拌槽2の内周面に沿う流れ方向(図2(B)上の矢印方向)に、第二被処理流体L2の導入方向が対向することがなく、上記第一被処理流体L1の流れを必要以上に乱さない。
Further, a second introduction pipe for introducing the second treated fluid L2 directly from the second introduction path P2 which is an independent separate flow path into the first treated fluid L1 in a thin film state in the
また、この第二導入管12は攪拌槽2に対して、攪拌槽の中心軸と上記流体入口の中心とを通る垂直断面において、仰角β1を持って取り付けられている。β1は0°〜90°、より望ましくは、10°〜50°とされており、図1に示すように攪拌槽2が配位された場合において、薄膜状態とされた第一被処理流体L1の攪拌槽2内における上向きスパイラル状の流れ方向(図2(A)上の矢印方向)に、第二被処理流体L2の導入方向が対向することがなく、上記第一被処理流体L1の流れを必要以上に乱さない。
The
この第二導入管12は攪拌槽2に対して、第一被処理流体L1の上記水平流れ方向に対する上記角度α1の方向性と上記垂直流れ方向に対する上記角度β1の両方の方向性とを両方有した方がより好ましい。このように第一被処理流体L1の流れ方向に対して順方向の位置関係とすることにより、第一導入路P1から独立した別流路である第二導入路P2より導入される第二被処理流体L2の導入に関して、ポンプなどの移送手段に関する動力は低減されるし、拡散条件を重要視する場合などにも有効である。
The
そして、各被処理流体L1,L2が薄膜状態中で反応が所望状態になった後に攪拌槽2から排出される排出管13は、水平断面X2(図1参照)における、攪拌槽2の径方向を基準とした角度α2を持って取り付けられている。Α2は0°〜90°、より望ましくは、40°〜80°とされている。理由は、処理後流体への泡の混入防止や、攪拌槽2内の薄膜状態を乱さない為である。
And the
さらに、上記流体処理装置1において第二導入管12の第二流体入口12aにおける直径が20μm〜3000μm、好ましくは50μm〜1000μmである。これによって、反応速度が速く、析出を伴う反応の場合であっても、第二流体入口12a付近で析出した物質が第二流体入口12aを塞ぐような問題が発生せず、さらに第二流体入口12aから導入される第二被処理流体L2の流れによって攪拌槽2内に生まれるスパイラル状で層流である流れが乱れることを最小限に抑えた。これにより均一な反応において良好な結果を得ることができる。
Further, in the
また、上記に示したように、きわめて簡単な構造のため、かつ、被処理流体が接液する箇所が少ないため、流体処理装置1に不調が発生しにくく、歩留まりが向上し、洗浄性や滅菌性に優れている。
Further, as described above, since the structure is very simple and there are few places where the fluid to be treated comes into contact with the fluid, the
また、攪拌槽2内にセラミック製、樹脂製、金属製、ガラス製などの小径メディア(ボールやビーズなど)を混入させ、被処理流体と該メディアとを一緒に高速回転させても構わない。これは特に、被処理流体が反応などにより結晶析出を伴う場合、析出した結晶を微細化する効果がある。
Further, a small-diameter medium (such as a ball or a bead) made of ceramic, resin, metal, glass, or the like may be mixed in the
本発明の流体処理装置1に適する被処理流体の例を以下に例示する。攪拌槽2中で被処理流体に含まれる反応物の反応がなされるものとしては、特に限定はされないが、酸化反応、還元反応、中和反応、加水分解反応、脱水反応、縮合反応、重合反応、置換反応、転移、付加反応、カップリング反応、吸着反応などの各種反応やラジカル反応やアシル化反応、ニトロ化反応、インドール反応、ヒドロキシル化反応、ジアゾ化反応などに代表される有機化合物の反応などが挙げられる。
Examples of fluids to be processed that are suitable for the
特に上記のうち、反応により結晶析出を伴うものとしては、特に限定はされないが、金属イオンを還元剤で還元して金属固体、または金属粒子を析出させる場合の還元反応や、四塩化チタンやチタンイソプロポキシドのようなセラミック原料を加水分解してセラミック粒子またはセラミックの前駆体を析出させる場合の加水分解反応、またはバリウムイオンを含む溶液と硫酸イオンを含む溶液を混合して硫酸バリウムが析出する場合に代表されるような中和反応などが挙げられる。また、ナノドット、量子ドット、ナノクリスタルに代表される化合物半導体のように、陽イオンと陰イオンが反応し、化合物半導体粒子が析出する場合なども挙げられる。さらに、シアン顔料の濃硫酸溶液を水に加えた時にシアン顔料粒子が析出する場合のアシッドペースティング処理のような場合にも実施できるし、また、薬物粒子が溶解している溶液を、その薬物粒子の溶解度が低い溶媒に投入し、薬物粒子を析出させる場合、つまりある物質に対する溶解度の高い溶媒(良溶媒)と良溶媒に対して溶解度の低い溶媒(貧溶媒)をもちいて析出を行う方法なども実施できる。さらに、その溶解度の差を利用した析出の場合には、上記のように各々の溶媒に対する物質の溶解度の差を利用しても実施できるし、例えば温度変化によって溶解度が変化する場合には、例えば高温状態で溶解している物質の溶液に、低温の溶液を混合する事で、液全体の溶解度を下げ、物質を析出させても実施できる。その他溶解度に変化を与える要因としては、溶液のpHなども挙げられる。 Of those described above, those accompanied by crystal precipitation by the reaction are not particularly limited. However, reduction reactions in the case where metal ions are reduced with a reducing agent to precipitate metal solids or metal particles, titanium tetrachloride or titanium Barium sulfate is precipitated by hydrolyzing ceramic raw materials such as isopropoxide to precipitate ceramic particles or ceramic precursors, or by mixing a solution containing barium ions and a solution containing sulfate ions. Examples thereof include neutralization reactions as typified by cases. Moreover, the case where a cation and an anion react, and a compound semiconductor particle precipitates like the compound semiconductor represented by the nanodot, the quantum dot, and the nanocrystal, etc. are mentioned. Furthermore, it can be carried out in the case of an acid pasting process in which cyan pigment particles are precipitated when a concentrated sulfuric acid solution of cyan pigment is added to water, and a solution in which drug particles are dissolved is used as the drug. When putting drug particles into a solvent with low particle solubility, that is, using a solvent (good solvent) with high solubility in a substance and a solvent (poor solvent) with low solubility in a good solvent. Etc. can also be implemented. Furthermore, in the case of precipitation using the difference in solubility, it can be carried out using the difference in solubility of the substances in each solvent as described above . For example, when the solubility changes due to temperature change, By mixing a low-temperature solution with a solution of a substance dissolved in a high temperature state, the solubility of the whole liquid is lowered and the substance can be precipitated. Other factors that change the solubility include the pH of the solution.
1 流体処理装置
2 攪拌槽
3 攪拌槽の蓋
4 密封装置
5 駆動軸
6 攪拌具(攪拌羽根)
7 駆動用モータ
8 攪拌槽の底部
11 第一導入管
12 第二導入管
13 排出管
L1 第一被処理流体
L2 第二被処理流体
P1 第一導入路
P2 第二導入路
P3 排出路
S 間隙
α1 被処理流体の導入角度(水平断面)
α2 被処理流体の排出角度(水平断面)
β1 被処理流体の導入角度(仰角)
DESCRIPTION OF
7 Driving
α2 Discharge angle of fluid to be treated (horizontal section)
β1 Introduction angle (elevation angle) of fluid to be treated
Claims (8)
少なくとも、中心軸に直交する断面形状が円形である内周面を有する攪拌槽と、
上記攪拌槽の上記内周面と同心で、外端が上記攪拌槽の上記内周面と僅かな間隙を在して付設される攪拌具とを有し、
上記撹拌槽には、少なくとも二箇所の流体入口と、少なくとも一箇所の流体出口とを備え、
上記流体入口のうち一箇所からは、上記被処理流体のうち、反応物の一つを含む第一の被処理流体を上記攪拌槽内に導入し、上記流体入口のうちで上記以外の一箇所からは、上記反応物とは異なる反応物の一つを含む第二の被処理流体を、上記第一の被処理流体とは異なる流路より上記攪拌槽内に導入するものであり、
上記攪拌槽と上記攪拌具との少なくとも一方が他方に対し、上記中心軸を中心として高速回転し、
上記高速回転に伴う、上記撹拌槽内に導入された上記被処理流体の回転により、上記被処理流体を遠心力で上記攪拌槽の中心軸を取り巻くように上記内周面に圧着させ、薄膜状態を形成し、上記形成された薄膜中で少なくとも上記第一の被処理流体と上記第二の被処理流体とに含まれる上記反応物同士を反応させるものであり、
上記薄膜の膜厚は、上記遠心力によって規定されるものであり、
上記第一の被処理流体用の流体入口と、上記第二の被処理流体用の流体入口との上記少なくとも二箇所の流体入口は、上記攪拌槽における、上記中心軸を取り巻く面である側面に共に備えられたものであるか、あるいは、上記中心軸に交わる面である端面と上記側面とに各々備えられたものであり、
上記第一の被処理流体用の流体入口から上記攪拌槽内に導入された上記被処理流体が上記薄膜状態を形成し、
上記第二の被処理流体用の流体入口は、上記撹拌槽の上記内周面のうち、上記攪拌槽内に導入された上記第一の被処理流体が上記薄膜状態を形成する部分に開口されており、且つ、上記中心軸の軸方向において、上記攪拌具から離れた位置にあって上記薄膜状態の上記第一の被処理流体が層流状態を形成する位置に設けられ、
上記第二の被処理流体の上記攪拌槽への導入が、上記撹拌槽内での上記被処理流体の流れ方向に沿うようになされ、上記攪拌槽に対する導入角度につき、上記中心軸の軸方向と直交する断面における、上記攪拌槽の径方向を基準とした角度(α1)が0°〜90°であり、且つ、上記攪拌槽の中心軸に沿う断面における仰角(β1)が0°〜90°であることを特徴とする流体処理装置。 In a fluid processing apparatus in which at least two fluids to be processed including reactants are reacted in a thin film state,
At least a stirring tank having an inner peripheral surface having a circular cross-sectional shape orthogonal to the central axis,
In the inner peripheral surface concentric with the stirring tank, and a mixing tool which outer end is attached to Mashimashi a slight gap between the inner peripheral surface of the stirring tank,
The stirring tank includes at least two fluid inlets and at least one fluid outlet,
From one point of the said fluid inlet, of the fluid to be treated, a first fluid to be treated containing one of the reactants is introduced into the stirring vessel, one place other than the above of the above fluid inlet from the second fluid to be treated containing one different reactants and the reactants are those which introduced into the stirring vessel from different flow paths from the above first fluid to be treated,
At least one of the stirring tank and the mixing tool is relative to the other, and high-speed rotation about said central axis,
Due to the high speed rotation, the rotation of the object to be processed fluid introduced into the agitation tank, is crimped to the inner peripheral surface so as to surround the center axis of the stirring tank of the fluid to be treated in the centrifugal force, a thin film state forming a, which react the reactants to each other contained in at least the first fluid to be treated and the second fluid to be treated in a thin film which is the formed,
The film thickness of the thin film is defined by the centrifugal force ,
The at least two fluid inlets of the fluid inlet for the first fluid to be processed and the fluid inlet for the second fluid to be processed are on the side surface that is the surface surrounding the central axis in the stirring tank. Or both provided on the end surface and the side surface that intersect the central axis,
The fluid to be treated introduced from the fluid inlet for the first fluid to be treated into the stirring tank forms the thin film state,
The fluid inlet for the second treated fluid is opened to a portion of the inner peripheral surface of the stirring tank where the first treated fluid introduced into the stirring tank forms the thin film state. And in the axial direction of the central axis, provided at a position away from the stirring tool and at a position where the first fluid to be processed in the thin film state forms a laminar flow state,
The second treated fluid is introduced into the agitation tank along the flow direction of the treated fluid in the agitation tank, and the axial direction of the central axis is determined with respect to the introduction angle with respect to the agitation tank. The angle (α1) with respect to the radial direction of the stirring tank in the cross-section orthogonal is 0 ° to 90 °, and the elevation angle (β1) in the cross section along the central axis of the stirring tank is 0 ° to 90 °. fluid treatment apparatus, characterized in that it.
上記第一の被処理流体用の流体入口は、上記攪拌槽の下側端面に設けられたことを特徴とする請求項1又は2に記載の流体処理装置。 The stirring tank, said central axis being coordinated so as to face the vertical direction,
The fluid processing apparatus according to claim 1 , wherein the fluid inlet for the first fluid to be processed is provided on a lower end surface of the stirring tank.
上記攪拌槽からの上記各被処理流体の排出が、上記撹拌槽内での上記被処理流体の流れ方向に沿うようになされ、
上記攪拌槽に対する排出角度につき、上記流体出口の中心を通る水平断面における、上記攪拌槽の径方向を基準とした角度(α2)が0°〜90°であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の流体処理装置。 The stirring tank, the central axis are coordinated so as to face the vertical direction,
Discharge of the respective fluid to be treated from the stirring tank is made along the flow direction of the fluid to be treated in the above stirring tank,
Per discharge angle with respect to the stirring tank, according to claim 1, characterized in that in a horizontal section through the center of the fluid outlet, the angle relative to the radial direction of the stirring tank ([alpha] 2) is 0 ° to 90 ° 4. The fluid processing apparatus according to any one of 3 .
請求項1〜6の何れかに記載の流体処理装置を用い、
上記高速回転に伴う、上記撹拌槽内に導入された上記被処理流体の上記回転により、上記被処理流体を遠心力で上記攪拌槽の上記中心軸を取り巻くように上記内周面に圧着させ、上記薄膜状態を形成し、上記形成された薄膜中で少なくとも上記第一の被処理流体と第二の被処理流体とに含まれる反応物同士を反応させるものであり、
上記薄膜の膜厚は、上記遠心力によって規定されるものであり、
上記第一の被処理流体が上記攪拌槽内にて上記薄膜状態とされ、この薄膜状態の上記第一の被処理流体に直接、上記第二の被処理流体が加えられることを特徴とする流体処理方法。 In a fluid processing method in which at least two fluids containing reactants are reacted in a thin film state,
Using the fluid treatment device according to any one of claims 1 to 6,
Due to the rotation of the fluid to be treated introduced into the stirring tank accompanying the high-speed rotation, the fluid to be treated is crimped to the inner peripheral surface so as to surround the central axis of the stirring tank by centrifugal force. The thin film state is formed, and at least the reactants contained in the first treated fluid and the second treated fluid are reacted in the formed thin film,
The film thickness of the thin film is defined by the centrifugal force ,
The first treated fluid is in the thin film state in the agitation tank, and the second treated fluid is directly added to the first treated fluid in the thin film state. Processing method.
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