JPWO2011016443A1

JPWO2011016443A1 - 反応装置

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Publication number: JPWO2011016443A1
Application number: JP2011525891A
Authority: JP
Inventors: 成正山住; 米倉　正浩; 正浩米倉; 太田　英俊; 英俊太田
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2009-08-04
Filing date: 2010-08-03
Publication date: 2013-01-10
Anticipated expiration: 2030-08-03
Also published as: CN102472590B; SG178178A1; CN102472590A; US8721982B2; WO2011016443A1; US20120128545A1; JP5249419B2

Abstract

簡単な構造で温度制御の精度を向上させることができると共に、熱媒の使用量を減少させることのできる反応装置であって、反応液１２を収容する反応槽１３の外壁に当接した状態の熱媒流通管１５を設ける。熱媒流通管１５の下端部に液熱媒の流入部を、熱媒流通管１５の上端部に前記液熱媒又は液熱媒が気化したガス熱媒の流出部をそれぞれ設ける。熱媒流通管１５と反応槽１３の外壁との間に生じる隙間に充填材２２を充填する。充填材２２を、該充填材２２の内部を液体が流下可能な材料で形成し、前記流出部を充填材２２に向けて液熱媒を流出させる方向に形成する。熱媒流通管１５の外周に、該熱媒流通管１５を反応槽１３の外壁に押し付けるための押え部材１６を備える。熱媒流通管１５を設けた反応槽１３の外周を気密に覆う外槽１４を備える。

Description

本発明は、反応槽に収容した反応液を熱媒にて冷却又は加熱して反応させる反応装置に関する。

有機合成や晶析等の化学反応プロセスでは、反応液を所定温度に保持することが要求される。そのため、反応槽の外側にジャケットを設け、該ジャケットと反応槽との間に熱媒を流通可能とした二重構造のジャケット式の容器が使用される。そして、所定温度の熱媒をジャケット内に供給し、反応槽内の反応液を所定の温度に調節していた（例えば特許文献１参照。）。

特開２００６−２７１４３１号公報

室温より高い温度に反応液温度を保持する場合は、ヒータなどによって熱媒を加熱することで熱媒温度を比較的容易に調整できるため、温度制御も十分な精度を得ることができるが、低温、特に−９０℃以下の超低温領域での冷却源としては一般的に温度が−１９６℃の液体窒素が用いられており、熱媒温度と制御温度との温度差が大きいため、温度制御精度に問題があった。

また、液体窒素をジャケット内に供給して初期冷却を行う際、反応槽内の反応液が設定温度に冷却された時点で液体窒素の供給を停止しても、ジャケット内には大量の液体窒素が滞留しており、この滞留した液体窒素が気化するまで冷却が進行してしまうことから、設定温度に対するアンダーシュートが発生するという問題もあった。さらに、反応槽との熱交換に寄与せずに気化してジャケット内から排出されてしまう液体窒素も多く、特に、初期冷却時における液体窒素の使用量が多くなっていた。

そこで本発明は、簡単な構造で温度制御の精度を向上させることができると共に、熱媒の使用量を減少させることのできる反応装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の反応装置は、反応液を収容する反応槽の外壁に当接した状態の熱媒流通管を設けるとともに、前記熱媒流通管の下端部に液熱媒の流入部を、前記熱媒流通管の上端部に前記液熱媒又は液熱媒が気化したガス熱媒の流出部をそれぞれ設けている。

さらに、好ましくは、前記熱媒流通管が、前記反応槽の底部側から上部側に向かって螺旋状に巻回されている。また、前記熱媒流通管と前記反応槽外壁との間に生じる隙間に充填材を充填し、特に、前記充填材を、該充填材の内部を液体が流下可能な材料で形成するとともに、前記流出部を前記充填材に向けて液熱媒を流出させる方向に形成している。また、前記熱媒流通管の外周に、該熱媒流通管を反応槽の外壁に押し付けるための押え部材を備え、前記熱媒流通管を設けた反応槽の外周を気密に覆う外槽を備え、さらに、前記熱媒が液体窒素である。

また、本発明の反応装置は、反応液を収容する反応槽の外壁に、内部を液体が流下可能な充填材を介して熱媒流通管を設けるとともに、前記熱媒流通管の下端部に液熱媒の流入部を、前記熱媒流通管の上端部に前記液熱媒又は液熱媒が気化したガス熱媒の流出部をそれぞれ設けている。

本発明の反応装置によれば、熱媒流通管に導入する熱媒の量を、従来のジャケット構造のものに比べて少なくでき、少量の熱媒によって効率よく反応槽を冷却又は加熱することができるとともに、温度制御精度を向上させることができる。特に、熱媒として液体窒素を使用して超低温に冷却する際のアンダーシュートの発生を抑えることができる。

本発明の第１形態例を示す反応装置の断面正面図である。同じく反応槽の正面図である。図２のIII−III断面図である。同じく押え板の上部取付状態を示す断面図である。同じく押え板の下部取付状態を示す断面図である。図２のVI−VI断面図である。同じく要部の断面図である。本発明の第２形態例を示す反応槽の断面図である。本発明の第３形態例の要部を示す反応槽の断面図である。

図１乃至図７に示す本発明の反応装置の第１形態例において、この反応装置１１は、反応液１２を収容する反応槽１３の外側に外槽１４を設けたものであって、反応槽１３の外壁には、熱媒、例えば液体窒素を流通させる１本の熱媒流通管１５が、反応槽１３の底部側から上部側へ向かって螺旋状に巻回され、押え部材１６によって反応槽１３の外壁に押し付けられている。

反応槽１３は、上部が開口した有底円筒状の金属製、例えばステンレス製の容器であって、反応槽１３の上部外周には反応槽フランジ１３ａが設けられ、反応槽１３の上部開口は、ボルト１７で反応槽フランジ１３ａに着脱可能に固定される蓋部材１８によって覆われている。反応槽１３の底部中央には、外槽１４の底部に向けて排出管１９が突設されている。

外槽１４は、反応槽１３を収容可能な大きさの有底円筒状の金属製、例えばステンレス製の容器であって、底部中央には、前記排出管１９が貫通する筒状部１４ａが設けられている。また、前記蓋部材１８には、モータ２０ａに連結した回転軸２０ｂの先端に撹拌翼２０ｃを備えた撹拌機２０が設けられるとともに、図示しない温度センサ挿入部や薬品注入部等が適宜設けられている。

熱媒流通管１５は、反応槽１３と外槽１４との間の空間部を通り、反応槽１３の底部よりも下方に延出した後、反応槽１３の底部中央側に立ち上がり、反応槽１３の底部側から上部側へ向かって螺旋状に巻回されて巻回部１５ａを形成している。熱媒流通管１５の終端部には、熱媒流通管１５の開口端を閉塞するキャップ２１が装着されるとともに、最も上部に巻回される１周部分には、熱媒流通管１５内を上昇した液体窒素又は該液体窒素が気化した低温の窒素ガスを熱媒流通管１５内から反応槽１３の外壁に向けて流出させる複数の流出孔１５ｂが設けられている。

この流出孔１５ｂは、水平方向に対して斜め下方に向けて、例えば斜め下方約４５度の角度で液体窒素を反応槽１３の外壁に向けて流出させるものであって、反応槽１３の周方向に対して１６個が等間隔で設けられている。このような流出孔１５ｂを設けることにより、熱媒流通管１５に供給されて流出孔１５ｂから流出する液体窒素を反応槽１３の外壁に沿って流下させることができ、流下する液体窒素と反応槽１３の外壁とで直接的に熱交換させて反応槽１３を効果的に冷却することができる。なお、図７では、熱媒流通管１５の最も上部に巻回される１周のみに複数の流出孔１５ｂが設けられているが、反応槽１３の高さ方向の１／３より上方、好ましくは最も上部に巻回される３周より上部に流出孔１５ｂを設ける構成としても良い。

熱媒流通管１５は、銅やステンレス等で形成することができ、熱媒流通管１５の形状は、断面長円形状、断面円形状、断面楕円形状等の任意の形状とすることができるが、断面長円形状とすることにより、反応槽１３との接触面積を向上させて熱交換効率を向上させることができる。

熱媒流通管１５の内周と反応槽１３の外壁との間に生じる隙間には、熱媒流通管１５の熱を反応槽１３の外壁に効率よく伝達するための充填材２２が充填されている。この充填材２２は、前記隙間に封じ込められた状態になる空気や窒素ガス等の気体による熱伝達低下を解消するためのものであって、熱媒流通管１５や反応槽１３の材料に比べて熱伝導率が同等かそれ以上の材料、例えば、銅、アルミニウム、黄銅、ステンレス、焼結金属、伝熱セメント等からなる充填材２２を充填することにより、熱媒流通管１５と反応槽１３との間の伝熱効率を向上させることができる。また、前記充填材２２として、内部を液体が流下可能な材料、例えば、銅ウール、アルミウール、黄銅ウール、ステンレスウール、焼結金属等を用いることにより、流出孔１５ｂから流出した液体窒素が飛散することを防止できるとともに、反応槽１３の外壁に沿って流下する液体窒素の流下時間を延ばすことができるので、熱交換効率を更に向上させることができる。

熱媒流通管１５を反応槽１３の外壁に押し付けるための押え部材１６は、該押え部材１６の上端が熱媒流通管１５の巻回部１５ａよりも上方の反応槽１３の外壁と、押え部材１６の下端が巻回部１５ａよりも下方（底面中央側）の反応槽１３の外壁とに取付ネジ１６ａ，１６ａにてそれぞれ固定される帯状の板材であって、４枚の押え部材１６が反応槽１３の周方向に等間隔に取り付けられ、巻回部１５ａ内周部分を反応槽１３の外壁外周面に確実に当接するように押し付けている。

このように形成された反応装置１１を用いて低温反応を行う際には、反応槽１３内に反応液１２を収容し、撹拌機２０で反応液１２を撹拌しながら熱媒流通管１５に液体窒素を供給する。これにより、液体窒素により冷却されて低温となった巻回部１５ａと反応槽１３との接触部分で直接的な熱交換が行われ、さらに、巻回部１５ａとの接触で低温となった充填材２２を介して反応槽１３との間接的な熱交換が行われ、反応槽１３内の反応液１２が所定温度に冷却される。

熱媒流通管１５への液体窒素の供給量は、反応槽１３内の反応液１２の温度を温度センサにて測定し、該温度センサで測定した温度に基づいて熱媒流通管１５に設けた弁を開閉したり、弁の開度を調節したりすることによって制御される。巻回部１５ａを上昇した液体窒素や気化した窒素ガスは、流出孔１５ｂから反応槽１３の外壁に向けて流出し、反応槽１３と外槽１４との間の空間を冷却した後、外槽１４に設けた排出口（図示せず）から外部に導出される。

反応液１２を冷却するために用いられる液体窒素量は、最大でも、熱媒流通管１５の末端部に設けた流出孔１５ｂまでを満たす量とすることができ、従来のジャケット方式でジャケット内に滞留する液体窒素量に比べて大幅に少なくなることから、初期冷却に必要な液体窒素量を大幅に少なくできるとともに、反応液１２が設定温度に冷却された時点で液体窒素の供給を停止することにより、熱媒流通管１５内に滞留している液体窒素が少ないため、設定温度に対するアンダーシュートの発生を抑えることができる。また、設定温度付近で冷却中は、ジャケット方式に比べて小容積の熱媒流通管１５内に液体窒素を供給すればよいことから、液体窒素の使用量も少なくすることができるとともに、液体窒素の供給量を容易に最適化できるので、温度制御精度の向上も図れる。

さらに、熱媒流通管１５を反応槽１３の外周に螺旋状に巻回することにより、巻回部１５ａを十分に長くすることができ、巻回部１５ａ内での液体窒素の滞留時間を延ばすことができるので、巻回部１５ａに供給した液体窒素を効率よく熱交換に寄与させることができる。また、反応槽１３の外周を気密に覆う外槽１４を設けることにより、反応槽１３と外槽１４との間の空間の温度を反応装置１１を設置した雰囲気の温度より低く保つことができるので、熱媒流通管１５による冷却効果を更に向上させることができる。

図８は本発明の第２形態例を示すもので、第１形態例と同様の構成要素を示すものには、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

本形態例では、熱媒流通管１５の巻回部１５ａを反応槽１３の外壁に押し付ける押え部材として、巻回部１５ａの外周面を覆う円筒状の押え板２５を鉛直面で２分割した形状を有する一対の半割体２５ａ，２５ａを用い、半割体２５ａ，２５ａの端部同士を複数のボルト２５ｂとナット２５ｃとによって締結することにより、巻回部１５ａを反応槽１３の外壁に密接させるようにしている。

このような押え板２５で熱媒流通管１５を反応槽１３に押し付けることにより、熱媒流通管１５及び充填材２２と反応槽１３の外壁との間の伝熱効率をより向上できるとともに、充填材２２の内部を流下する液体窒素による冷却効果を更に向上させることができる。

図９は本発明の第３形態例を示すもので、第１形態例と同様の構成要素を示すものには、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

反応液を収容する反応槽の外壁にシート状の充填材２２を巻き付け、その上からシートを押し付けるような状態で熱媒流通管を設けることにより、熱媒流通管と反応槽の外壁の隙間を充填材で充填する。熱媒流通管と反応槽の外壁が、内部を液体が流下可能な材料なシート状充填材を介して接した場合であっても、実質的に当接している状態となり、第１形態例と同様に液体窒素による冷却効果を得ることができる。

このシート状の充填材としては、熱媒流通管１５や反応槽１３の材料に比べて熱伝導率が同等かそれ以上の材料であり、内部を液体が流下可能な構造、例えば、銅ウール、アルミウール、黄銅ウール、ステンレスウール、焼結金属等を用いることができる。また、シートの厚さは、熱媒流通管で押し付けられる前の状態で、熱媒流通管の径（反応槽の径方向に対する径）に対して±３０％、さらには±１０％の厚さのものを用いることが好ましく、熱媒流通管を押し付けることにより、押し付けられる前の厚さから２０％ほどに圧縮される。

なお、上述の各形態例では、熱媒として液体窒素を用いているが、本発明はこれに限ることなく、どのような熱媒でもよく、反応液の温度を上昇させるものであってもよい。また、熱媒流通管を複数本用いることもでき、反応槽の外壁に蛇行状に設けることも可能である。さらに、外槽の下部に熱媒導入口を、上部に熱媒排出口をそれぞれ設け、従来のように、外槽内に熱媒を直接導入可能な構造を備えているものでもよい。

図１に示す反応装置において、反応槽１１として、一般的な１０リットル反応槽（口径約２１５ｍｍ、液深約２５０ｍｍ）を使用して冷却実験を行った。熱媒流通管１５には、市販の銅製パイプを使用し、銅製パイプと反応槽外壁との間には、市販の銅ウールを充填した。なお、外槽１３は、従来のジャケット式の１０リットル反応槽に使用されているジャケット（外槽）をそのまま使用した。

実験例１
反応槽の外周に口径９．５３ｍｍの銅製パイプ、２２ｍを巻回し、反応液温度を−９０℃に設定して銅製パイプに液化窒素を供給した。

実験例２
反応槽の外周に口径６．３５ｍｍの銅製パイプ、３４ｍを巻回し、実験例１と同様に、反応液温度を−９０℃に設定して銅製パイプに液化窒素を供給した。

実験例３
反応槽の外周に口径６．３５ｍｍの銅製パイプ、１７ｍを反応槽下半部に巻回し、実験例１と同様に、反応液温度を−９０℃に設定して銅製パイプに液化窒素を供給した。

実験例４
比較例として、銅製パイプを巻回しない状態で同じ装置をジャケット式として使用し、実験例１と同様に、反応液温度を−９０℃に設定してジャケット内に液化窒素を供給した。

実験例１〜４における初期冷却時間（０〜-９０℃（ｍｉｎ））、制御精度（ΔＴ℃）、初期冷却での液化窒素使用量（ｋｇ）を表１に示す。

実験例１は、初期冷却時間が最も短く、液化窒素使用量も少ないが、制御精度が実験例２及び実験例３に比べて僅かに劣っていた。実験例２及び実験例３は、初期冷却時間及び液化窒素使用量が実験例１に比べて劣るものの、優れた制御精度を得ることができた。実験例２の初期冷却時間が実験例３に比べて長いのは、パイプが長いことによる流路抵抗の増加や、パイプ全体への液化窒素の供給時間が異なるためである。また、実験例３で液化窒素使用量が実験例２に比べて僅かに多くなっているのは、パイプが短いため、熱交換に寄与せずに流出した液化窒素量が僅かに多くなった影響である。しかし、いずれの実験例においても、従来のジャケット式による実験例４と比較すると、制御精度、液化窒素使用量が大幅に改善されていることがわかる。

１１…反応装置、１２…反応液、１３…反応槽、１３ａ…反応槽フランジ、１４…外槽、１４ａ…筒状部、１５…熱媒流通管、１５ａ……巻回部、１５ｂ…流出孔、１６…押え部材、１６ａ…取付ネジ、１７…ボルト、１８…蓋部材、１９…排出管、２０…撹拌翼、２０ａ…モータ、２０ｂ…回転軸、２０ｃ…撹拌翼、２１…キャップ、２２…充填材、２５…押え板、２５ａ…半割体、２５ｂ…ボルト、２５ｃ…ナット

Claims

反応液を収容する反応槽の外壁に当接した状態の熱媒流通管を設けるとともに、前記熱媒流通管の下端部に液熱媒の流入部を、前記熱媒流通管の上端部に前記液熱媒又は液熱媒が気化したガス熱媒の流出部をそれぞれ設けた反応装置。
前記熱媒流通管が、前記反応槽の底部側から上部側に向かって螺旋状に巻回されている請求項１記載の反応装置
前記熱媒流通管と前記反応槽外壁との間に生じる隙間に充填材を充填した請求項１又は２記載の反応装置。
前記充填材を、該充填材の内部を液体が流下可能な材料で形成するとともに、前記流出部を前記充填材に向けて液熱媒を流出させる方向に形成した請求項３記載の反応装置。
前記熱媒流通管の外周に、該熱媒流通管を反応槽の外壁に押し付けるための押え部材を備えている請求項１乃至４のいずれか１項記載の反応装置。
前記熱媒流通管を設けた反応槽の外周を気密に覆う外槽を備えている請求項１乃至５のいずれか１項記載の反応装置。
前記熱媒が液体窒素である請求項１乃至６のいずれか１項記載の反応装置。
反応液を収容する反応槽の外壁に、内部を液体が流下可能な充填材を介して熱媒流通管を設けるとともに、前記熱媒流通管の下端部に液熱媒の流入部を、前記熱媒流通管の上端部に前記液熱媒又は液熱媒が気化したガス熱媒の流出部をそれぞれ設けた反応装置。