(57)【要約】【課題】  目的は、多層流れにおける両端部分の混合性能を向上させ、流体成分を高速に混合させることができる反応収率の高い反応器を提供することにある。【解決手段】  物質Ａを含む流体１と、物質Ｂを含む流体２とを交互に配置した多層流を合流部３を経て反応流路４に流入させ、反応流路４の下流には曲がり管６が設置され、曲がり管６によって曲がる方向は流れの多層化方向と直角方向であり、反応流路４入口から曲がり管６入口までの距離８は、２流体の混合時間と流体の断面平均流速を乗じて算出される混合距離未満となるように構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の物質を含む第１の流体と、第２の物質を含む第２の流体を交互に配置して多層状態で合流させる合流部と、該合流部に接続され多層状態で合流された流体を混合させながら反応させる反応流路とを備え、該反応流路の一部に少なくとも一箇所以上の曲がり部または折れ曲がり部を有する反応器。
【請求項２】
前記反応流路の入口から前記曲がり部の入口までの距離が、前記第１の流体と第２の流体の物質の混合距離未満である請求項１に記載の反応流路。
【請求項３】
前記混合距離は、層流条件の場合、第１，第２の物質の拡散距離の２乗を物質の分子拡散係数で除した混合時間と流体の断面平均流速を乗じて算出される距離であり、乱流条件の場合、第１，第２の物質の拡散距離の２乗を流体の乱流拡散係数で除した混合時間と流体の断面平均流速を乗じて算出される距離である請求項２に記載の反応流路。
【請求項４】
前記曲がり部の曲がりの方向は、流体の多層化方向を軸としたとき、その軸に直角な方向である請求項１から３のいずれかに記載の反応流路。
【請求項５】
反応流路の多層方向の幅が１０mm未満である請求項１から４のいずれかに記載の反応器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学合成や化学分析などの分野において液体または気体を流路内で混合して反応させる流体混合流路および反応流路を備えた反応器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化学合成や化学分析の分野において、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）と呼ばれるマイクロ加工技術により製作された、断面寸法が数十〜数百μｍの流路から構成される反応器が使用されはじめている。このような反応器は、マイクロミキサ、又はマイクロリアクタと呼ばれる。
【０００３】
マイクロリアクタでは、互いに反応する２種類以上の物質をそれぞれ含む流体を合流させ、微細流路内で互いに接触させて化学反応を生じさせる。マイクロリアクタは、流路の幅や高さが小さく、反応部の体積当たりの表面積が大きく、流路の容積が小さいため、物質の混合時間が短く、熱交換が速くなり、その結果、反応による副生成物が低減し、反応収率が高くなるといった効果がある。
【０００４】
そして、〔特許文献１〕に記載のように、二種類の流体をそれぞれ複数の流れに分割して供給し、これらの流れを異種成分が交互に隣接するように合流させて、縮流することにより交互に配置して多層状態にしたときの１層分の流れの幅である拡散距離を小さくして、高速混合することにより反応吸収率を向上させるものがある。
【０００５】
又、〔特許文献２〕に記載のように、複数の流体を供給する供給路と、合流させてから流動させる流動路とを共通の面内に設け、この流動路を共通面内で１８０°又は９０°方向転換させて、その湾曲部分で流体を攪拌し、混合する流体成分の接触界面を増やし、反応収率の向上を図るものがある。
【０００６】
【特許文献１】WO 02/16017 A2
【特許文献２】特開２００５−７７３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
〔特許文献１〕に記載の従来の技術では、混合させようとする異種の流体成分が交互になる多層流が流路に形成されることになる。この多層流の外側の層であって流路に接している流体成分の単層のうち、外側半分は混合すべきもう一方の流体が存在しなくなり混合が不均一になり、反応収率が低下する問題がある。
【０００８】
〔特許文献２〕に記載の従来の技術では、〔特許文献１〕と同様の問題があるが、流動路の湾曲部分において、断面内に二次流れが生じるが、多層流の両側の外側の層同士が十分に混合せず反応収率が低下する問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、多層流れにおける両端部分の混合性能を向上させ、反応収率の高い反応器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の反応器は、多層流れにおける両端部分の混合性能を向上させるため、物質Ａを含む流体と物資Ｂを含む流体を交互に配置させて多層状に合流させる合流部と、これら流体中の物質を混合させながら反応させる反応流路を有し、反応流路には、多層流を形成する方向と直角方向に曲がり部が設けられ、曲がり部が設置される位置は、混合時間ｔmと流体の断面平均流速Ｖを乗じて算出される混合距離Ｌm未満となるように構成する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、反応流路に曲がり部を設けて、反応流体の混合性を促進させることにより副反応を抑制し、高い反応収率を実現できる反応器を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の各実施例では、それぞれ異種の物質を含む複数の流体を２層以上の多層状に流して合流させる合流部と、これらの流体を混合させながら反応させる反応流路を有し、反応流路の流体を多層化した方向の幅は１０mm未満であり、流体を多層化した方向と直角方向に曲がり部が設けられており、また、反応流路入口から曲がり部入口までの距離は、流体の混合時間と流体の断面平均流速を乗じて算出される混合距離未満となる構造にする。
これにより、流路全体の混合時間が短縮され、反応における副生成物が低減されて、高い反応収率を実現できる反応器を提供することができる。
【実施例１】
【００１３】
本発明の実施例１を図１により説明する。図１は、実施例１の反応器の構成図である。
【００１４】
本実施例では、物質Ａを含む流体１と、物質Ｂを含む流体２とが交互となるように配置され、それぞれ５つの流入部から１０層の多層流となって合流部３に流入する例について説明する。
【００１５】
合流部３は、多層方向の距離が徐々に小さくなる縮流構造となっており、流入部から流入した１０層の多層流は、合流部３で多層化方向が縮流されて矩形の反応流路４に流入する。反応流路４は、矩形形状の直管５ａから円形形状の曲がり管６に接続するための継手７、継手７に接続された円形形状の直管５ｂ、直管５ｂに接続され多層流の積層方向とは直角の方向に曲げられた曲がり管６、曲がり管６に接続された円形形状の直管５ｃで構成されている。
【００１６】
合流部３から矩形形状の直管５ａに流入した隣接する２流体は混合し始め、混合した部分から反応が始まる。曲がり管６において、多層流は、多層化された方向と直角方向に曲がり角度１２の１８０°で曲げられる。ここで、反応流路４の入口から曲がり管６の入口までの距離８は、隣接する２流体の混合時間と流体の断面平均流速を乗じて算出される混合距離未満となっている。このため、後述する主生成物Ｒと物質Ｂの副反応が生じにくい。
【００１７】
多層流が反応流路４の下流側に流れるに従って混合は進むが、曲がり管６に流入すると流体に働く遠心力の作用により、図２に示すように流路断面内では二次流れ９が発生する。反応流路４の中央の流体は、曲がり管６の曲率半径の大きい外側方向に移動し、曲がり管６の外側壁面近傍の流れは、曲がり管６の曲率半径の小さい内側方向に移動する。
【００１８】
その結果、図１の矢視Ａ−Ａ′断面である図３に示すように、直管５内を多層状に流れていた流体のうち混合し難い両端の流体１０と流体１１は、図１の矢視Ｂ−Ｂ′断面である図４に示すように、二次流れにより合流して混合する。これにより、流路全体の混合時間が短縮され、反応収率が向上する。
【００１９】
ここで、物質Ａが含まれる流体１と物質Ｂが含まれる流体２とが反応すると、数１に示すように主生成物Ｒが生成され、数２に示すように、主生成物Ｒと物質Ｂが反応して副生成物Ｓが生成される逐次反応を考える。
【００２０】
（数１）
Ａ＋Ｂ → Ｒ                                 （１）
【００２１】
（数２）
Ｒ＋Ｂ → Ｓ                                 （２）
【００２２】
マイクロリアクタの反応流路４に、物質Ａを含む流体１と物質Ｂを含む流体２の２流体を流した場合の各物質の混合時間ｔmは、数３で表される。
【００２３】
（数３）
ｔm＝Ｗ2／Ｄ                                 （３）
【００２４】
ここで、Ｄは拡散係数であり、層流条件では流体中の物質の分子拡散係数、乱流条件では乱流拡散係数を表す。また、Ｗは拡散距離であり、物質Ａを含む流体１と物質Ｂを含む流体２をそれぞれ多数の層状の流れに分割して、それらを交互に配置することで多層流れとしたとき、１層当たりの幅（または隣り合う層の中心間距離）を表す。
【００２５】
数３から分るように、混合時間は拡散距離Ｗの２乗に比例するため、流路幅が小さく多層流れの層数が多いほど混合時間が短くなる。
【００２６】
一方、数１の主反応および数２の副反応の反応速度定数をそれぞれのｋ1［Ｌ／（molｓ）］およびｋ2［Ｌ／（molｓ）］、物質Ａおよび物質Ｂの濃度を等濃度として反応させる場合の初期濃度をＣ0［mol／Ｌ］とすると、生成物Ｒの反応時間ｔrは数４で与えられる。
【００２７】
（数４）
ｔr＝１／（ｋ1Ｃ0）                         （４）
【００２８】
マイクロ流路内での数１および数２に示す逐次反応では、数５に示すように数３の混合時間と数４の反応時間の比である混合反応数φが減少するほど、反応律速の状態に近づき、原料Ａに対する目的物質Ｒの生成量である反応収率は増大する。
【００２９】
（数５）
φ＝ｔm／ｔr＝ｋ1Ｃ0Ｗ2／Ｄ                 （５）
【００３０】
したがって、主生成物Ｒの反応収率を向上させるためには、多層流の各層当りの幅を薄くすることにより拡散距離Ｗを小さくし、混合反応数φを小さくすればよいことが分る。このことから、本実施例では、合流部３の層数を増やし、縮流を大きくすることにより混合反応数φを小さくし、反応収率を向上させることができる。
【００３１】
又、単に多層流としただけでは、多層状に配置した流体１と流体２が隣接する部分の物質Ａと物質Ｂは混合するが、流路の両端部分では物質Ａを含む流体１と物質Ｂを含む流体２が混合しないまま半分ずつ余ってしまう。このため、流路全体で両物質の混合が完了するためには、流路のそれぞれの端部分の物質が反対の端部分まで拡散する必要があり、混合時間が長くなる。しかし、本実施例によれば、二次流れにより短時間で混合することができる。
【００３２】
多層化方向の流路幅は限定されないが、好ましくは１０mm未満がよい。また、流れは層流または乱流のどちらでもよく、反応流路の形状は、矩形，円形等の任意形状が適用できる。また、曲がり管６の曲率半径および曲がりの角度は限定されないが、曲がり管６の曲率半径は小さく、曲がりの角度が大きいほど二次流れは強くなり、混合性が増大する。
【００３３】
本実施例のように、曲がりの方向は多層化の方向と直角方向にすることにより、多層流れの両端の混合し難い流体１と流体２の混合は速くなるが、これ以外の方向でも曲がり管を設置しない場合より効果はある。
【００３４】
このように、本実施例によれば、副反応を抑制して高収率で生産性の高い反応器を提供できる。
【実施例２】
【００３５】
本発明の実施例２を図５により説明する。図５は、実施例２の反応器の構成図である。
【００３６】
本実施例の反応器は、実施例１と同様に構成されているが、反応流路の構成が異なる。
本実施例では、反応流路４は矩形形状であり、合流部３に接続される反応流路４の直管５ａに、多層流の積層方向とは直角の方向に直管５ｄが設置された構造となっている。
【００３７】
直管５ｄの流路は、直角に折れ曲がった曲がり管であるが、この場合も流体に遠心力が働くため、曲がり管６と同様に二次流れが生じ、多層流れの両端の混合し難い流体１と流体２の混合は促進される。
【００３８】
図５では、９０°の直角曲がり部が一箇所の場合を示しているが、直管５ｄのさらに下流側に、合流部３の下流側の直管５ａと平行となるように直管を設置すると、実施例１と同様の効果を得ることができる。
【００３９】
多層化方向の流路幅は限定されないが、好ましくは１０mm未満がよい。また、流れは層流または乱流のどちらでもよく、反応流路の形状は、矩形，円形等の任意形状が適用できる。
【００４０】
また、流路の折れ曲がる角度，折れ曲がる回数、および隣接した折れ曲がり部までの距離に関しては限定されないが、折れ曲がる角度が小さく、折れ曲がる回数が多く、隣接した折れ曲がり部までの距離が短いほど二次流れが強くなり、混合性が増大する。
【００４１】
本実施例のように、折れ曲がりの方向は多層化の方向と軸が直角方向にすることにより、多層流れの両端の混合し難い流体１と流体２の混合は速くなるが、これ以外の方向でも折れ曲がり管を設置しない場合より効果はある。
【００４２】
本実施例によれば、副反応を抑制して高収率で生産性の高い反応器を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
医薬品，化学工業製品の合成プロセスにおける流体中に含まれる複数の物質の反応において反応収率を向上させ、生産量を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施例１である反応器の構成図。
【図２】図１の矢視Ｂ−Ｂ′断面の二次流れを示す模式図。
【図３】図１の矢視Ａ−Ａ′断面の多層流の状態を示す模式図。
【図４】図１の矢視Ｂ−Ｂ′断面の２流体の混合状態を示す模式図。
【図５】本発明の実施例２である反応器の構成図。
【符号の説明】
【００４５】
１，２  流体
３  合流部
４  反応流路
５  直管
６  曲がり管
７  継手
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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