JPWO2019187497A1 - フロー式リアクター及びこれを有する製造設備 - Google Patents

Abstract

本発明の課題は、内温を測定可能な新たなフロー式リアクターを提供することにある。本発明に係るフロー式リアクターは、チューブ状反応ラインと、前記チューブ状反応ラインの１箇所以上に設けられた内温測定部と、を有し、前記内温測定部では温度計の感温部が前記チューブ状反応ラインに挿入されていることを特徴とする。

Description

本発明は、フロー式リアクター及びこれを有する製造設備に関するものであり、更に詳しくは、チューブ状反応ラインと、前記チューブ状反応ラインの１箇所以上に設けられた内温測定部と、を有し、前記内温測定部では温度計の感温部が前記チューブ状反応ラインに挿入されていることを特徴とするフロー式リアクターに関するものである。

マイクロフロー式リアクターは、反応場として、一般にサブミリメートルオーダーの微小流路を有する化学反応装置である。マイクロフロー式リアクターは、その微小な反応場に起因して、高速混合性能（例えば、微小な反応空間で２液を混合すると、２液の物質拡散距離が短くなるため、物質移動が格段に高速化される）、除熱性能（例えば、マイクロフロー式リアクターは、反応場が微細なため、熱効率が極めて高く温度制御が容易である）、反応制御性能、界面制御性能等の特有の効果を有するため、近年注目が集まっている。またマイクロフロー式リアクター技術によれば、プロセス全体のコンパクト化に伴う安全性能の向上や、大幅な設備費削減、既存のプロセスへの組み込みによるプロセス強化（マイクロ・イン・マクロ）、既存の生産方式では製造できなかった物質を製造可能にする等、種々の効果が期待される。

しかしながら、前記マイクロフロー式リアクターは、一度に処理できる量に限界があることが問題である。そこで、処理量を増大させて実用化にも対応できるよう、フロー式リアクターによるプロセス開発も行われている。フロー式リアクターとは、マイクロフロー式リアクターの特徴を損なわない範囲で流路径をミリ〜センチメートルオーダーまで大きくして操作性を高めた化学反応装置であり、主に、原料送液部、反応部、及び運転制御部から構成される（例えば、特許文献１など）。

特表２０１３−５４３０２１号公報

従来は、フロー式リアクター内の内温測定は通常実施されず、代わりに、フロー式リアクターの外壁の温度を測定するか、もしくはフロー式リアクターの温調設備の温度を測定するのみで、フロー式リアクターの温度を制御していた。しかし本発明者らが検討したところ、フロー式リアクターは容量に対する伝熱面積が大きく、除熱効率や加熱効率が高いという利点はあるものの、除熱効率及び加熱効率の高さ故、局所的に反応が進行した場合にそこでの局所的な熱のコントロールが難しいことが分かった。特にリアクターとしてチューブ状のものを用いると、流路が長いため、内温を正確に把握することが難しく、局所的な反応の進行を検知することは不可能である。また近年の精密合成においては、フロー式リアクターの内温の厳密な管理に対する需要は高まりつつある。

こうした状況下、本発明者らは、チューブ状反応ラインを有するフロー式リアクターにおいて、前記チューブ状反応ライン中の温度をより正確に測定可能なフロー式リアクターの提供を、発明の課題として掲げた。

本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、チューブ状反応ラインと、前記チューブ状反応ラインの１箇所以上に設けられた内温測定部と、を有し、前記内温測定部では温度計の感温部が前記チューブ状反応ラインに挿入されていることを特徴とするフロー式リアクターであれば、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明に係るフロー式リアクターは、以下の点に要旨を有する。
［１］ チューブ状反応ラインと、
前記チューブ状反応ラインの１箇所以上に設けられた内温測定部と、を有し、
前記内温測定部では温度計の感温部が前記チューブ状反応ラインに挿入されていることを特徴とするフロー式リアクター。
［２］ 前記チューブ状反応ラインが曲線状であり、且つ、その一部に直線流路を有し、
前記直線流路に前記内温測定部が存在する［１］に記載のフロー式リアクター。
［３］ 前記チューブ状反応ラインが螺旋状であり、
前記直線流路が、前記螺旋状のチューブ状反応ラインの螺旋軸と略平行である［２］に記載のフロー式リアクター。
［４］ 前記チューブ状反応ラインの一部が、流入側流路、中間流路及び流出側流路の連続する３つの流路から構成されており、前記直線流路が前記中間流路であり、且つ、前記中間流路が前記螺旋状のチューブ状反応ラインの螺旋軸と略平行である［３］に記載のフロー式リアクター。
［５］ 前記流入側流路及び前記流出側流路が、それぞれ直線状流路である［４］に記載のフロー式リアクター。
［６］ 前記チューブ状反応ラインの全長のうち入口から５０％までに相当する前半位置に、少なくとも１箇所以上の前記内温測定部がある［１］〜［５］のいずれか１項に記載のフロー式リアクター。
［７］ 前記内温測定部を２箇所以上有し、前記前半位置に過半数以上の内温測定部がある［６］に記載のフロー式リアクター。
［８］ 前記チューブ状反応ラインの流路の相当直径が０．１ｍｍ以上５０ｍｍ以下である［１］〜［７］のいずれか１項に記載のフロー式リアクター。
［９］ 更に、前記チューブ状反応ラインの上流側に設けられた原料送液部と、
前記チューブ状反応ラインでの反応生成物を排出する排出部と、
前記チューブ状反応ラインの温度制御を行う温調設備と、を有する［１］〜［８］のいずれか１項に記載のフロー式リアクター。
［１０］ 前記内温測定部で測定された温度に基づき、前記温調設備の温度制御を行う［９］に記載のフロー式リアクター。
［１１］ 前記温調設備が、前記チューブ状反応ラインの一部又は全部と接触可能な流体と、前記流体を収容する容器を有し、
前記内温測定部で測定された温度に基づき、前記流体の温度及び／または供給量を制御する［９］または［１０］に記載のフロー式リアクター。
［１２］ 前記流体の温度及び／または供給量の制御が、前記内温測定部での測定温度を入力情報とするプログラム処理に基づいて行われる［１１］に記載のフロー式リアクター。
［１３］ 前記原料送液部が２以上であり、
更に、前記原料送液部からの原料を混合する混合部を有し、
前記混合部が、前記２以上の原料送液部の末端と、前記チューブ状反応ライン入口の間に設けられる［９］〜［１２］のいずれか１項に記載のフロー式リアクター。
［１４］ ［１］〜［１３］のいずれか１項に記載のフロー式リアクターを有する製造設備。

本発明によれば、内温を測定可能な新たなフロー式リアクターが提供される。

図１は、本発明で採用するフロー式リアクターの構成の一例を示す概略図である。 図２−１は、温度計３ａの感温部３ｂが挿入されているチューブ状反応ライン１の一例を示す拡大概略図である。 図２−２は、温度計３ａの感温部３ｂが挿入されているチューブ状反応ライン１の他の例を示す拡大概略図である。 図２−３は、温度計３ａの感温部３ｂが挿入されているチューブ状反応ライン１の他の例を示す拡大概略図である。

以下、必要に応じて図示例を参照しつつ、本発明をより詳細に説明する。

＜フロー式リアクター１０＞
図１は、本発明で採用するフロー式リアクター１０の構成の一例を示す概略図であり、最も基本的な一例である。この基本例の様に、本発明に係るフロー式リアクター１０は、チューブ状反応ライン１と、前記チューブ状反応ライン１の１箇所以上に設けられた内温測定部２と、を有し、前記内温測定部２では温度計３ａの感温部３ｂが前記チューブ状反応ライン１に挿入されていることを特徴とする。フロー式リアクター１０では、液がチューブ状反応ライン１を送液される間に反応が進行する。本発明では、温度計３ａの感温部３ｂが前記チューブ状反応ライン１に挿入されていることにより、反応液の温度を直接測定することが可能となり、これにより、前記チューブ状反応ライン１中の温度をより正確に測定できるようになった。

また、本発明に係るフロー式リアクター１０は、更に、前記チューブ状反応ライン１の上流側に設けられた原料送液部３１と、前記チューブ状反応ライン１での反応生成物を排出する排出部３２と、前記チューブ状反応ライン１の温度制御を行う温調設備３３と、を有していてもよい。フロー式リアクター１０に温調設備３３を設けることにより、チューブ状反応ライン１の温度管理が可能となる。

更に本発明は、前記フロー式リアクター１０を有する製造設備も包含する。

本明細書において「フロー式リアクター」は、反応場として、マイクロメートルからセンチメートルオーダーの細い流路を有する化学反応装置をいう。フロー式リアクターでは、反応場が極小化されるため、高速で熱や物質の移動が可能となる、迅速な混合が可能となる、流路長により反応時間を制御できる等、通常のバッチ式リアクターにはない特徴を有する。一方、プロセス面からは、設備を小型化できるため設備費の削減が可能となる、使用エネルギー量を極小化できるため変動費の削減が可能となる、危険物質を取り扱う場合に危険物質の使用量を極少化できるため安全性が飛躍的に高まる等の特徴を有する。

＜内温測定部２＞
図２−１は、温度計３ａの感温部３ｂが挿入されているチューブ状反応ライン１の拡大概略図である。図２−１に示すように、内温測定部２は、温度計３ａ及び前記温度計３ａの感温部３ｂを有する。内温測定部２は、更に前記温度計３ａを支持するための支持体３ｃを有していてもよい。

温度計３ａの径は、チューブ状反応ライン１に挿入できる径であれば特に限定されず、一般的には０．１〜４ｍｍであり、好ましくは２ｍｍ以下である。

また反応液の温度を感度良くより正確に測定するために、前記感温部３ｂ（特に前記感温部３ｂの先端）は、チューブ状反応ライン１の壁面に接触することなく設置されていることが好ましい。

本発明に係るフロー式リアクター１０は、前記内温測定部２を２箇所以上（好ましくは３箇所以上、好ましくは１０箇所以下、より好ましくは５箇所以下）有することが望ましい。複数の内温測定部２を設けることによって、チューブ状反応ライン１の複数箇所において反応液の温度を監視できるようになるため、チューブ状反応ライン１の温度管理及び温度制御をより厳密に行うことが可能となる。

本発明に係るフロー式リアクター１０では、チューブ状反応ライン１の全長のうち入口から５０％（好ましくは４０％、より好ましくは３０％）までに相当する前半位置に、少なくとも１箇所以上の前記内温測定部２があることが望ましい態様である。一般的な化学反応では、反応熱により、反応開始直後に反応液の温度が上昇する。そのため、チューブ状反応ライン１の全長のうち、前半位置に前記内温測定部２を設けておけば、反応開始直後の反応液中の温度管理を厳密に行うことができるようになる。これによりチューブ状反応ライン１の温度制御をより精密に行うことが可能となり、フロー式リアクター１０の安全性が高まり、更に反応収率や反応選択性等も向上する。

本発明に係るフロー式リアクター１０は、前記内温測定部２を２箇所以上有し、更に前記前半位置に過半数以上の内温測定部２があることが望ましい。チューブ状反応ライン１の前半位置により多くの内温測定部２を設けることにより、反応開始直後の反応液の温度変化をより詳細に測定することが可能となる。

なお内温測定部２は、前記前半位置以外にも、チューブ状反応ライン１の全長のうち出口から５０％（好ましくは４０％、より好ましくは３０％）までに相当する後半位置に設けることも可能である。

＜チューブ状反応ライン１＞
本明細書において「チューブ状反応ライン」とは、中が空洞で細長い筒状のリアクターをいう。前記チューブ状反応ライン１においては、流路断面は円形であることが望ましい。

チューブ状反応ライン１の長さは、好ましくは１ｃｍ以上、より好ましくは１０ｃｍ以上である。またチューブ状反応ライン１の長さの上限は特に制限されないが、好ましくは５００ｍ以下、より好ましくは３００ｍ以下である。チューブ状反応ライン１の長さは、反応液の滞留時間などに応じて適宜決定するとよい。

チューブ状反応ライン１の形状は、チューブ状反応ライン１の長さやフロー式リアクター１０の設置スペース等を考慮して適宜選定すればよく特に限定されるものではないが、螺旋状（コイル状）等の曲線状、直線状が好ましい。曲線状のチューブ状反応ライン１は、特にフロー式リアクター１０の省スペース化に寄与する。チューブ状反応ライン１が特に螺旋状の場合、螺旋軸２０は、重力方向と略平行にしてもよく、重力方向と略垂直にしてもよいが、より好ましくは重力方向と略平行である。螺旋軸２０が重力方向と略平行であれば、図１に示すように、螺旋状のチューブ状反応ライン１を吊り下げて設置することができ、反応後のチューブ状反応ライン１の取り換え作業が容易となる。

本発明に係るフロー式リアクター１０では、前記チューブ状反応ライン１が曲線状であり、且つ、その一部に直線流路４を有し、前記直線流路４に前記内温測定部２が存在することが望ましい態様である。前述の通り、曲線状のチューブ状反応ライン１は、フロー式リアクター１０の省スペース化に寄与する。しかしながら、曲線状のチューブ状反応ライン１全体が曲線状であると、温度計３ａの感温部３ｂをチューブ状反応ライン１に挿入することが難しく、また感温部３ｂがチューブ状反応ライン１の壁面に接触しやすくなるため、反応液の温度を正確に測定することが困難となる。そのため、曲線状のチューブ状反応ライン１の一部に直線流路４を設け、内温測定部２を該直線流路４に設けると、内温測定部２が、チューブ状反応ライン１中を流れる反応液の流れを阻害することがなく、また感温部３ｂがチューブ状反応ライン１の壁面に接触し難くなるため好ましい。

前記直線流路４の流路長は、感温部３ｂを収められる程度に長いことが望ましい。前記直線流路４の流路長は、例えば、温度計３ａの径に対して好ましくは３〜１０倍、より好ましくは５〜８倍の長さを有することが望ましい。具体的に、前記直線流路４の流路長は、例えば、好ましくは１〜１００ｍｍ、より好ましくは５〜５０ｍｍである。

前記チューブ状反応ライン１が螺旋状の場合、前記直線流路４は、螺旋軸２０と略平行に設けられてもよく（例えば、図１）、螺旋の旋回面上に設けられてもよい。直線流路４を螺旋軸２０と略平行に設ける場合、直線流路４は、螺旋が描く円の内側、外側、または円周上（例えば、螺旋の径が周期によって異なる場合等）に設けられることが好ましい。また直線流路４を螺旋の旋回面上に設ける場合、直線流路４は、螺旋が描く円の内側または外側に設けられることが好ましい。前記直線流路４を螺旋の旋回面上に設けると、チューブ状反応ライン１の流路を密に形成でき、フロー式リアクター１０の省スペース化が可能となる。

特に本発明に係るフロー式リアクター１０では、前記チューブ状反応ライン１が螺旋状であり、前記直線流路４が、前記螺旋状のチューブ状反応ライン１の螺旋軸２０と略平行であることがより望ましい態様である。前記チューブ状反応ライン１が特に螺旋状であれば、小さなスペースに、より長尺のチューブ状反応ライン１を収めることが可能となる。また、前記直線流路４を、前記螺旋状のチューブ状反応ライン１の螺旋軸２０と略平行にすることで、図１に示すように、チューブ状反応ライン１を支える支持体（図１では、原料送液部３１と排出部３２がこの機能を兼ねる）と温度計３ａを支える支持体が、交差することなくフロー式リアクター１０に取り付けられるため、反応後、チューブ状反応ライン１の交換が容易となる。特にチューブ状反応ライン１の螺旋軸２０が重力方向と略平行であれば、螺旋状のチューブ状反応ライン１と内温測定部２を吊り下げて設置できるため、装置を簡略化できる。

図２−１に示すように、前記チューブ状反応ライン１の一部は、流入側流路１１、中間流路１２及び流出側流路１３の連続する３つの流路から構成されており、前記直線流路４が前記中間流路１２であることが望ましい。中間流路１２を直線状にすることで、温度計３ａの挿入が容易となる。特に、前記中間流路１２が前記螺旋状のチューブ状反応ライン１の螺旋軸２０と略平行であると、チューブ状反応ライン１の交換時に中間流路１２が妨げとならず、交換が容易となるため好ましい。

前記流入側流路１１及び前記流出側流路１３の形状は特に限定されず、例えば、図２−１に示すようにそれぞれ直線状流路であってもよく、図２−２に示すようにそれぞれ曲線状流路であってもよいが、好ましくはそれぞれ直線状流路である。前記流入側流路１１及び前記流出側流路１３も直線状にすることで、装置設計がより容易となる。

前記３つの流路間の角度は特に限定されず、前記流入側流路１１及び前記中間流路１２のなす角、並び前記中間流路１２及び前記流出側流路１３のなす角は、例えば、図２−１に示すようにそれぞれ８５〜９５度（すなわち、略９０度）であってもよく、図２−３に示すようにそれぞれ９５度超であってもよく、またはそれぞれ８５度未満であってもよいが、好ましくはそれぞれ８５〜９５度（より好ましくは９０度）である。角度を前記範囲内に調整することにより、装置設計がより容易となる。

前記チューブ状反応ライン１において、反応液の流れ方向は図２−１に示すように、感温部３ｂを上流とし温度計挿入部３ｄを下流とするＡ方向、または温度計挿入部３ｄを上流とし感温部３ｂを下流とするＢ方向のいずれであってもよい。ただし、図２−１において反応液の流れ方向がＢ方向の場合は、流入側流路１１と記載されている流路が流出側流路に、流出側流路１３にと記載されている流路が流入側流路となる。特にＡ方向は、感温部３ｂに対して反応液が正面から流れてくるため、より正確な温度測定に適している。なお、前記温度計挿入部３ｄとは、前記チューブ状反応ライン１内に存在している前記温度計３ａのうち、前記チューブ状反応ライン１内に存在している前記温度計３ａの先端から最も遠い部位をいう。

また前記流入側流路１１及び前記流出側流路１３の流路長は、それぞれ、装置設計の観点から、好ましくは５〜１００ｍｍ、より好ましくは１０〜５０ｍｍである。

前記チューブ状反応ライン１の流路の相当直径は、圧力損失や処理量を鑑みれば、好ましくは０．１ｍｍ以上、より好ましくは１．０ｍｍ以上、更に好ましくは１．５ｍｍ以上、好ましくは５０ｍｍ以下、より好ましくは２０ｍｍ以下、更に好ましくは１５ｍｍ以下である。
なお本発明において「流路の相当直径」とは、流路の断面と等価とみなした円管に相当する直径のことを指す。すなわち、流路の相当直径Ｄｅは、下記式（ｉ）で表される。
Ｄｅ＝４Ａｆ／Ｗｐ …（ｉ）
（式中、Ａｆ：流路断面積、Ｗｐ：濡れ縁長さ（断面にある壁面の長さ）である）

チューブ状反応ライン１の流路の相当直径は、チューブ状反応ライン１全体で一様であってもよく、チューブ状反応ライン１の途中で変更されていてもよい。チューブ状反応ライン１の流路の相当直径が一様であれば、反応液の流れが阻害されることなく、反応がムラなく進行する。一方、混合性能や除熱性能などの諸条件を考慮すれば、チューブ状反応ライン１の流路の相当直径は、チューブ状反応ライン１の途中で変更されていてもよい。前記流路の相当直径の変更部位は任意でよく、前記流路の相当直径の変更回数に制限はなく、必要に応じて一回または複数回変更してもよい。また、前記流路の相当直径は徐々に変化してもよいし、ある一点を境に大きく変化させてもよい。前記流路の相当直径は、上流側の流路の相当直径と比較して細くてもよいし、太くてもよく、反応に応じて適宜設計すればよい。流路の設計は以下の例に限定されるものではないが、例えば、チューブ状反応ライン１の流路の相当直径が細くなるほど混合性能は向上するため、反応開始直後（すなわち、後述する混合部３６直後）のチューブ状反応ライン１の流路の相当直径は細くしておき、十分に混合された後にチューブ状反応ライン１の流路の相当直径を太くすることも可能である。

チューブ状反応ライン１の管厚みは、チューブ状反応ライン１全体で一様であってもよく、チューブ状反応ライン１の途中で変更されていてもよい。チューブ状反応ライン１の管厚みを薄くすれば熱が逃げやすい構造となり、除熱性能が向上する。また、チューブ状反応ライン１の管厚みが薄ければ、冷却効果も高くなる。なお、前記チューブ状反応ライン１の管厚みとは、チューブ状反応ライン１の流路を構成する材質の厚みのことを指す。

チューブ状反応ライン１の外径は、チューブ状反応ライン１全体で一様であってもよく、チューブ状反応ライン１の途中で変更されていてもよい。前記チューブ状反応ライン１の外径が細くなるほど除熱性能も向上するため、例えば、精密な温度制御が必要な箇所については、チューブ状反応ライン１の流路の相当直径及びチューブ状反応ライン１の外径を共に細くしてもよい。また、前記流路の相当直径のみ太くして、チューブ状反応ライン１の外径は一様とすることで、チューブ状反応ライン１の管厚みを薄くして熱が逃げやすい構造にしても良い。

なお、本発明におけるチューブ状反応ライン１の外径とは、チューブ状反応ライン１の外側の相当直径のことを指す。本発明において「外側の相当直径」とは、チューブ状反応ライン１の断面と等価とみなした円管に相当する直径のことを指す。すなわち、外側の相当直径Ｄｅ’は、下記式（ｉｉ）で表される。
Ｄｅ’＝４Ａｆ’／Ｗｐ’ …（ｉｉ）
（式中、Ａｆ’：チューブ状反応ライン１の断面積、Ｗｐ’：チューブ状反応ライン１の外周である）

チューブ状反応ライン１の内壁は、生成物の特性に応じて、例えば、金属、シリコン、ガラス、セラミックス等の無機物、または樹脂等の有機物等から構成されていることが好ましい。

チューブ状反応ライン１は、チューブ状反応ライン１内に反応原料を投入する入口及びチューブ状反応ライン１内で生成した生成物をチューブ状反応ライン１外へ排出するための出口を有している。これら入口と出口の設置位置は特に限定されるものではなく、入口は、出口と同じ高さ、出口よりも高い位置、または出口よりも低い位置のいずれの位置に設置されていてもよいが、入口が、出口よりも低い位置に設置されていれば、反応液に含まれる気泡は、反応液の流れと共にチューブ状反応ライン１上部から排出されるため、チューブ状反応ライン１の内壁に気泡が付着し難くなり、反応液中の原料を効率よく接触させることが可能となる。

＜原料送液部３１＞
本発明に係るフロー式リアクター１０は、更に前記チューブ状反応ライン１の上流側に設けられた原料送液部３１を有することが望ましい。原料送液部３１とは、前記チューブ状反応ライン１で用いる原料を送る部位に相当する。

本発明に係るフロー式リアクター１０は、反応の方式によって２以上（例えば、３つ）の原料送液部３１を有していてもよい。２以上の原料送液部３１が存在する場合、片方又は両方の原料送液部３１から供給される原料は、前もって別の原料を予備混合器で混合させ、必要に応じてその後反応させた結果物であってもよい。また図示しないが、チューブ状反応ライン１から排出される反応液は、次のフロー式リアクター１０の原料として用いてよい。反応原料（予備反応物を含む）は、これら原料送液部３１を通じてチューブ状反応ライン１内に供給される。反応原料は、通常、気体または液体（溶液を含む）の形態で供給される。

前記原料送液部３１が２以上存在する場合、本発明に係るフロー式リアクター１０は、更に、前記原料送液部３１からの原料を混合する混合部３６を有していることが望ましい。混合部３６が存在する場合、前記混合部３６は、前記２以上の原料送液部３１の末端と、前記チューブ状反応ライン１入口の間に設けられ、混合部３６で得られた混合液は、チューブ状反応ライン１入口を通じて、チューブ状反応ライン１内に反応液として供給される。混合部３６は好ましくは管であり、前記管の内径は、好ましくは０．０１ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。

混合部３６には、原料を充分に撹拌するために、公知の混合器が備えられていてもよく、前記混合器としては、例えば、Ｔ字型ミキサー、Ｙ字型ミキサー、スタティックミキサー、ヘリックス型ミキサーなどが挙げられる。

原料送液部３１において、反応原料は、ダイヤフラムポンプなどの送液制御部により供給されることが望ましい。送液制御部の数は特に限定されず、原料送液部３１の数と同じか、或いは、これ以上であっても、これ以下であってもよい。送液制御部はポンプに限定されず、例えば、反応原料の仕込容器を加圧したものも使用できる。

原料送液部３１は、好ましくは管（チューブ状）であり、前記管の内径は、好ましくは０．０１ｍｍ以上、より好ましくは０．１ｍｍ以上であり、好ましくは５０ｍｍ以下である。

＜温調設備３３＞
本発明に係るフロー式リアクター１０は、更に前記チューブ状反応ライン１の温度制御を行う温調設備３３を有することが望ましい。フロー式リアクターはバッチ式に比べて比表面積が大きく伝熱性能が良いため、迅速に温度を調節することが可能である。そのため温調設備３３を設けると、反応液の迅速な温度管理が可能になるため好ましい。また温調設備３３の存在により、熱により反応を開始させる系や、温度を下げて副生成物の生成を抑制させる系等において、反応収率や品質を向上させることができる。

本発明に係るフロー式リアクター１０においては、前記内温測定部２で測定された温度に基づき、前記温調設備３３の温度制御を行うとよい。内温測定部２では、チューブ状反応ライン１中の反応液の温度を直接測定するため、反応液の温度が正確に測定される。正確に測定された反応液の温度を温調設備３３にフィードバックすることにより、チューブ状反応ライン１の温度制御を更に厳密に行うことが可能となる。

前記温調設備３３は、前記チューブ状反応ライン１の温度制御が可能であれば具体的な態様は特に限定されない。温調設備３３の具体的な態様としては、例えば、チューブ状反応ライン１の一部又は全部を温度調節の可能な流体の中に位置させる態様；チューブ状反応ライン１の一部又は全部を多層構造にして（例えば、二層管など）、層の内側、外側、またはその両方から温度調節する態様；などが挙げられる。

本発明のフロー式リアクター１０において前記温調設備３３は、チューブ状反応ライン１を温度調節の可能な流体の中に位置させる態様、換言すると、前記温調設備３３は、前記チューブ状反応ライン１の一部又は全部と接触可能な流体３４と、前記流体３４を収容する容器３５を有し、前記内温測定部２で測定された温度に基づき、前記流体３４の温度及び／または供給量を制御することが望ましい。チューブ状反応ライン１の一部又は全部と接触可能な流体３４の温度や供給量を直接制御することにより、流体３４と接触しているチューブ状反応ライン１の温度を均一に調整することが可能となる。

前記チューブ状反応ライン１の一部又は全部と接触可能な流体３４としては、水；メタノール、エタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール等から選ばれる少なくとも１種以上のアルコールを含むアルコール類またはこれらの水溶液；塩酸、硫酸、リン酸、酢酸、クエン酸等から選ばれる少なくとも１種以上の酸を含む酸性水溶液；水酸化ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウムから選ばれる少なくとも１種以上の塩基を含むアルカリ性水溶液；過酸化水素水、次亜塩素酸ナトリウム水溶液、亜塩素酸ナトリウム水溶液などの酸化性水溶液；チオ硫酸ナトリウム水溶液、亜硫酸ナトリウム水溶液などの還元性水溶液；などが例示できる。これらの流体３４の状態は、特に限定されず、流体３４の温度に応じて、気体または液体のいずれであっても好ましい。これらの流体３４であれば、温度の制御が容易である。
更にチューブ状反応ライン１中に、例えば、アクリニトリル、アクロレイン、亜硫酸ガス、アルシン、アンモニア、一酸化炭素、塩素、クロロメチン、クロロブレン、五フッ化ヒ素、五フッ化リン、酸化エチレン、三フッ化窒素、三フッ化ホウ素、三フッ化リン、シアン化水素、ジエチルアミン、ジシラン、四フッ化硫黄、四フッ化珪素、ジボラン、セレン化水素、トリメチルアミン、二硫化炭素、フッ素、ブロモメチル、ホスゲン、ホスフィン、モノゲルマン、モノシラン、モノメチルアミン、硫化水素等の毒性物質が存在し、仮にチューブ状反応ライン１内に含まれる内容液がチューブ状反応ライン１の外部へ漏出した場合であっても、水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、酸化性水溶液または還元性水溶液等の流体３４はクエンチ剤としても機能するため、安全性も確保できる。

本発明に係るフロー式リアクター１０においては、前記流体３４の温度及び／または供給量の制御が、前記内温測定部２での測定温度を入力情報とするプログラム処理に基づいて行われることが望ましい。プログラム処理の導入により、内温測定部２での測定温度をより速やかに温調設備３３にフィードバックできるため、チューブ状反応ライン１中の反応液の温度をより厳密に管理できるようになる。

図１に示すように、フロー式リアクター１０には、前記流体３４を撹拌するための撹拌翼３７が設けられていてもよい。

また温調設備３３により、前記原料送液部３１及び／又は前記混合部３６の温度を調整することも可能である。前記原料送液部３１及び／又は前記混合部３６の温度を前記温調設備３３により調整する態様は、チューブ状反応ライン１の場合と同様に、原料送液部３１及び／又は前記混合部３６を温度調節の可能な流体の中に位置させる態様；原料送液部３１及び／又は前記混合部３６を多層構造にして（例えば、二層管など）、層の内側、外側、またはその両方から温度調節する態様；などが挙げられる。

＜排出部３２＞
本発明に係るフロー式リアクター１０は、更に前記チューブ状反応ライン１での反応生成物を排出する排出部３２を有することが望ましい。排出部３２により、チューブ状反応ライン１内で生成した反応生成物だけでなく、未反応原料も流通する。排出部３２は、チューブ状反応ライン１出口に接続していることが望ましい。

排出部３２は好ましくは管であり、前記管の内径は、好ましくは０．０１ｍｍ以上、より好ましくは０．１ｍｍ以上であり、好ましくは５０ｍｍ以下である。排出部３２より回収される反応液は、その後、適切に処理されることが望ましい。

なお原料送液部３１、混合部３６および排出部３２は、ステンレス鋼、ハステロイ、チタン、銅、ニッケル、アルミニウムなどの金属；ガラス、セラミックスなどの無機材料；ＰＥＥＫ樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂等の樹脂；から構成されていることが好ましく、前記樹脂には、導電性が付与されていてもよい。耐食性、耐熱性および耐久性の観点から、金属、特にハステロイが好ましい。原料送液部３１、混合部３６および排出部３２は、単層構造または多層構造のいずれであってもよいが、液漏れ防止の観点から、原料送液部３１、混合部３６および排出部３２の一部または全部が多層構造であることが望ましい。
混合部３６の形状は時に複雑になることがあるため、精密な加工が必要なときには、加工性のよい金属や樹脂を用いるとよい。

なお図１の例では、前記原料送液部３１は、それぞれの原料を蓄える原料貯蔵容器（図示しない）に接続していることが好ましい。そして、原料送液部３１には、それぞれ送液制御部（図示しない）が設置されることが好ましく、混合液は、これら送液制御部によって生じた圧力によってチューブ状反応ライン１を流通する。またチューブ状反応ライン１から排出される反応液は、反応液貯蔵容器に一旦蓄えられるようになっていることが好ましい。

＜製造設備＞
本発明のフロー式リアクター１０は、例えば、流体の化学反応操作の一例である、化学反応操作、抽出操作、分離操作、精製操作などに使用できる。すなわち本発明は、前述したフロー式リアクター１０を有する製造設備も包含する。

本発明のフロー式リアクター１０に使用可能な反応溶媒としては、例えば、ｎ−ヘキサン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン等の脂肪族炭化水素系溶媒；ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素系溶媒；ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、４−メチルテトラヒドロピラン、メチル−ｔｅｒｔ−ブチルエーテル、１，４−ジオキサン、シクロペンチルメチルエーテル等のエーテル系溶媒；塩化メチレン、クロロホルム、１，１，１，−トリクロロエタン、クロロベンゼン等のハロゲン系溶媒；酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル等のエステル系溶媒；アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン系溶媒；アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル等のニトリル系溶媒；Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン等のアミド系溶媒；などが例示される。これらの反応溶媒は、単独でまたは２種以上を混合して使用してもよい。

本発明のフロー式リアクター１０では、種々の化学反応が実施でき、特に制限はない。フロー式リアクター１０による反応は閉鎖性が高いため、例えば、アクリロニトリル、アクロレイン、亜硫酸ガス、アルシン、アンモニア、一酸化炭素、塩素、クロロメチン、クロロブレン、五フッ化ヒ素、五フッ化リン、酸化エチレン、三フッ化窒素、三フッ化ホウ素、三フッ化リン、シアン化水素、ジエチルアミン、ジシラン、四フッ化硫黄、四フッ化珪素、ジボラン、セレン化水素、トリメチルアミン、二硫化炭素、フッ素、ブロモメチル、ホスゲン、ホスフィン、モノゲルマン、モノシラン、モノメチルアミン、硫化水素などの毒性物質を用いた反応にも適用可能である。

反応時におけるチューブ状反応ライン１内の温度は、反応溶媒の沸点以下で凝固点以上であれば特に制限されず、好ましくは−８０℃以上、より好ましくは−６０℃以上、更に好ましくは−４０℃以上であり、好ましくは２００℃以下、より好ましくは１８０℃以下、更に好ましくは１６０℃以下である。
チューブ状反応ライン１における反応液の流速は、好ましくは２ｍ／ｓ以下、より好ましくは１ｍ／ｓ以下、更に好ましくは０．８ｍ／ｓ以下である。
また反応時間（滞留時間）は、好ましくは６０分以下、より好ましくは３０分以下、更に好ましくは１５分以下である。

本願は、２０１８年３月２７日に出願された日本国特許出願第２０１８−０６０１２１号に基づく優先権の利益を主張するものである。２０１８年３月２７日に出願された日本国特許出願第２０１８−０６０１２１号の明細書の全内容が、本願に参考のため援用される。

１ チューブ状反応ライン
２ 内温測定部
３ａ 温度計
３ｂ 感温部
３ｃ 支持体
３ｄ 温度計挿入部

４ 直線流路
１０ フロー式リアクター
１１ 流入側流路
１２ 中間流路
１３ 流出側流路
２０ 螺旋軸
３１ 原料送液部
３２ 排出部
３３ 温調設備
３４ 流体
３５ 容器
３６ 混合部
３７ 撹拌翼
Ａ、Ｂ 反応液の流れ方向

Claims (14)

1. チューブ状反応ラインと、
   前記チューブ状反応ラインの１箇所以上に設けられた内温測定部と、を有し、
   前記内温測定部では温度計の感温部が前記チューブ状反応ラインに挿入されていることを特徴とするフロー式リアクター。
2. 前記チューブ状反応ラインが曲線状であり、且つ、その一部に直線流路を有し、
   前記直線流路に前記内温測定部が存在する請求項１に記載のフロー式リアクター。
3. 前記チューブ状反応ラインが螺旋状であり、
   前記直線流路が、前記螺旋状のチューブ状反応ラインの螺旋軸と略平行である請求項２に記載のフロー式リアクター。
4. 前記チューブ状反応ラインの一部が、流入側流路、中間流路及び流出側流路の連続する３つの流路から構成されており、前記直線流路が前記中間流路であり、且つ、前記中間流路が前記螺旋状のチューブ状反応ラインの螺旋軸と略平行である請求項３に記載のフロー式リアクター。
5. 前記流入側流路及び前記流出側流路が、それぞれ直線状流路である請求項４に記載のフロー式リアクター。
6. 前記チューブ状反応ラインの全長のうち入口から５０％までに相当する前半位置に、少なくとも１箇所以上の前記内温測定部がある請求項１〜５のいずれか１項に記載のフロー式リアクター。
7. 前記内温測定部を２箇所以上有し、前記前半位置に過半数以上の内温測定部がある請求項６に記載のフロー式リアクター。
8. 前記チューブ状反応ラインの流路の相当直径が０．１ｍｍ以上５０ｍｍ以下である請求項１〜７のいずれか１項に記載のフロー式リアクター。
9. 更に、前記チューブ状反応ラインの上流側に設けられた原料送液部と、
   前記チューブ状反応ラインでの反応生成物を排出する排出部と、
   前記チューブ状反応ラインの温度制御を行う温調設備と、を有する請求項１〜８のいずれか１項に記載のフロー式リアクター。
10. 前記内温測定部で測定された温度に基づき、前記温調設備の温度制御を行う請求項９に記載のフロー式リアクター。
11. 前記温調設備が、前記チューブ状反応ラインの一部又は全部と接触可能な流体と、前記流体を収容する容器を有し、
    前記内温測定部で測定された温度に基づき、前記流体の温度及び／または供給量を制御する請求項９または１０に記載のフロー式リアクター。
12. 前記流体の温度及び／または供給量の制御が、前記内温測定部での測定温度を入力情報とするプログラム処理に基づいて行われる請求項１１に記載のフロー式リアクター。
13. 前記原料送液部が２以上であり、
    更に、前記原料送液部からの原料を混合する混合部を有し、
    前記混合部が、前記２以上の原料送液部の末端と、前記チューブ状反応ライン入口の間に設けられる請求項９〜１２のいずれか１項に記載のフロー式リアクター。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載のフロー式リアクターを有する製造設備。

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