适于小流量流动反应的化学反应系统及装置
阅读说明：本技术 适于小流量流动反应的化学反应系统及装置 (Chemical reaction system and device suitable for small-flow reaction ) 是由 梶田理 于 2020-04-09 设计创作，主要内容包括：一种使至少两种液体接触的方法,其包括如下步骤：将包含至少两种液体的均相系或非均相系的液体经由供给流路向具有内径为微米尺寸或毫米尺寸的循环流路的管型容器连续地供给,使所供给的液体在循环流路中流动并循环,将循环后的液体从管型容器经由排出流路连续地抽出,向管型容器供给的液体的流量(cm～(3)/分钟)为0.01～500,在循环流路中循环的液体的流量(m～(3)/秒)根据R-(e)×ν×A/D-(H)计算出,R-(e)为1000以上,ν为循环的液体的运动粘性系数(m～(2)/秒),A为循环流路的截面的面积(m～(2)),D-(H)为水力直径且根据式子：4×A/P计算出,并且P为循环流路的截面的周长(m)。(A method of contacting at least two liquids, comprising the steps of: continuously supplying a homogeneous or heterogeneous liquid containing at least two kinds of liquids to a tubular container having a circulation channel with an inner diameter of micrometer or millimeter via a supply channel, circulating the supplied liquid while flowing through the circulation channel, continuously withdrawing the circulated liquid from the tubular container via a discharge channel, and supplying the liquid to the tubular container at a flow rate (cm [% ]) of the liquid 3 A flow rate (m) of the liquid circulating in the circulation flow path is 0.01 to 500/min 3 Per second) according to R e ×ν×A/D H Calculating out R e Is more than 1000, v is the kinematic viscosity of the circulating liquidCoefficient of performance (m) 2 Second), A is the area (m) of the cross section of the circulation channel 2 )，D H Hydraulic diameter and according to the formula: 4 xA/P, and P is the circumferential length (m) of the cross section of the circulation flow path.)
技术领域
本发明涉及用于使小流量的流动中的适于化学反应、液液提取等的至少两种液体接触的方法及装置。
背景技术
微米或毫米化学工艺是适于多品种少量生产的化学工艺。特别是，用于医药品、医药品中间体的制造、研究室规模下的有机化合物的合成等。微米或毫米化学工艺由微米尺寸或毫米尺寸的反应器、微米尺寸或毫米尺寸的分离装置(微米尺寸或毫米尺寸的蒸馏塔、微米尺寸或毫米尺寸的提取装置等)、微米尺寸或毫米尺寸的混合机、微米尺寸或毫米尺寸的泵等构成。作为在微米或毫米化学工艺中使用的装置的特征，可以列举：(1)通道内(细管内、在甲板上形成的细槽部分内)的流体(气体、液体)的流动为层流；(2)流体的每单位体积的表面积较大。若流动为层流，则在非相容性的两种液体、高粘度的两种液体等中，有时不能充分进行液液接触。
另一方面，已知有各种环式反应器。例如，专利文献1公开了一种二氯乙烷的制造方法，在该方法中，在环式的液体循环型反应器中加入以二氯乙烷等氯化烃为主要成分的液体反应介质，向其中导入乙烯和氯并使其反应，一边使液体反应介质循环一边制作二氯乙烷，该方法的特征在于，设置液体循环流路的液量调节阀，将液体循环流速控制在50～150cm/秒的范围。
专利文献2公开了一种环式两相体系固定化酶反应器，其特征在于，具备填充有固定化酶的固定床反应装置、将由该固定床反应装置得到的反应产物分离为低比重产物和高比重产物这两相的两相分离槽、将该两相分离槽的低比重产物相的一部分返送到该固定床反应装置的配管、将由该固定床反应装置得到的反应产物向两相分离槽供给的配管、向该两相分离槽供给低比重底物及高比重底物的各配管、以及从该两相分离槽排出低比重产物及高比重产物的各配管。
专利文献3公开了一种用于在环式反应器内在两相的液态反应混合物中利用催化剂对至少一种醛进行羟醛缩合的方法，其中，所述反应器具有反应区域、以及存在其正上方的静置区域，在所述反应区域中产生分散于含有催化剂的连续的水相的含醛相，使来自所述反应区域的两相的反应混合物的流动上升至所述静置区域并一体化，在所述静置区域的上部区域形成连续的有机相。
专利文献4给出了如下教导：为了实施连续的方法而具备混合机构的流动用管或具备用于混合的高速旋转泵的环型反应器是合适的，提取处理也能够在同一装置中实施。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭61-27号公报
专利文献2：日本特开平8-24624号公报
专利文献3：日本特表2016-503432号公报
专利文献4：日本特开平6-128189号公报
发明内容
发明要解决的课题
本发明的目的之一在于，提供一种用于使小流量的流动中的适于化学反应、液液提取等的至少两种液体接触的方法及装置。
用于解决课题的方案
为了实现上述目的而进行了研究，结果发现了包含以下方案的本发明。
〔1〕一种使至少两种液体接触的方法，其中，
所述使至少两种液体接触的方法包括如下步骤：
将包含至少两种液体的均相系或非均相系的液体经由供给流路向具有内径为微米尺寸或毫米尺寸的循环流路的环管型容器连续地供给；
使所供给的液体在从供给流路与循环流路的连接部到排出流路与循环流路的连接部为止的范围内以成为紊流的流量在循环流路中循环；以及
将循环后的液体从环管型容器经由排出流路以满足质量平衡的流量连续地抽出。
〔2〕一种使至少两种液体接触的方法，其中，
所述使至少两种液体接触的方法包括如下步骤：
将包含至少两种液体的均相系或非均相系的液体经由供给流路向具有内径为微米尺寸或毫米尺寸的循环流路的环管型容器以0.01～500cm3/分钟的流量连续地供给；
使所供给的液体在从供给流路与循环流路的连接部到排出流路与循环流路的连接部为止的范围内以根据Re×v×A/DH计算出的流量(m3/秒)在循环流路中循环；以及
将循环后的液体从环管型容器经由排出流路以满足质量平衡的流量连续地抽出，
Re为1000以上，
N(m2/秒)为循环的液体的运动粘性系数，
A(m2)为从供给流路与循环流路的连接部到排出流路与循环流路的连接部为止的范围内的循环流路的截面的面积，
DH(m)为根据4×A/P计算出的长度，并且
P(m)为从供给流路与循环流路的连接部到排出流路与循环流路的连接部为止的范围内的循环流路的截面的周长。
〔3〕根据〔1〕或〔2〕所述的使至少两种液体接触的方法，其中，
供给流路及排出流路的内径为微米尺寸或毫米尺寸。
〔4〕根据〔1〕至〔3〕中任一项所述的使至少两种液体接触的方法，其中，
所述使至少两种液体接触的方法还包括如下步骤：将至少两种液体混合而得到均相系或非均相系的液体。
〔5〕一种用于使至少两种液体接触的装置，其中，
所述用于使至少两种液体接触的装置具备：
环管型容器，其具有内径为微米尺寸或毫米尺寸的循环流路；
供给流路，其与循环流路连接，用于使包含至少两种液体的均相系或非均相系的液体向环管型反应器以0.01～500cm3/分钟的流量连续地供给；
容积式泵，其用于使所供给的液体在从供给流路与循环流路的连接部到排出流路与循环流路的连接部为止的范围内以根据Re×v×A/DH计算出的流量(m3/秒)在循环流路中流动并循环；以及
排出流路，其与循环流路连接，用于将循环后的液体从环管型容器以满足质量平衡的流量连续地抽出，
Re为1000以上，
N(m2/秒)为循环的液体的运动粘性系数，
A(m2)为从供给流路与循环流路的连接部到排出流路与循环流路的连接部为止的范围内的循环流路的截面的面积，
DH(m)根据4×A/P计算出，并且
P(m)为从供给流路与循环流路的连接部到排出流路与循环流路的连接部为止的范围内的循环流路的截面的周长。
〔6〕根据〔5〕所述的用于使至少两种液体接触的装置，其中，
供给流路及排出流路的内径为微米尺寸或毫米尺寸。
〔7〕根据〔5〕或〔6〕所述的用于使至少两种液体接触的装置，其中，
所述用于使至少两种液体接触的装置还具备调液器，所述调液器用于将至少两种原料液体混合而得到包含至少两种液体的均相系或非均相系的液体。
〔8〕根据〔5〕至〔7〕中任一项所述的用于使至少两种液体接触的装置，其中，
供给流路具有搅拌液体的机构。
〔9〕根据〔5〕至〔8〕中任一项所述的用于使至少两种液体接触的装置，其中，
循环流路具有搅拌液体的机构。
发明效果
根据本发明，即使在小流量的流动中也能够高效地进行液液接触，因此适于化学反应、液液提取等。根据本发明，能够任意地设定滞留时间，因此即使在反应速度缓慢的化学反应等中，也能够实现高反应率。本发明的装置在紧凑性、安全性方面优异。
在本申请中，均相系的液体是如水和甲醇、水和丙酮等那样相容性相互高的至少两种液体的混合液。在本申请中，非均相系的液体是如水和油、水和甲苯等那样非相容性相互高的至少两种液体的液液混相的液体或乳液(乳浊液)。非均相系的液体大多一方的液体形成连续相，另一方的液体形成分散相。
在内径为微米尺寸或毫米尺寸的流路中，分散相的尺寸大的非均相系的液体有时两个液相交替地流动。将这样的流动称为节涌流(Slug flow)或平推流(活塞流)。若成为节涌流的状态，则有时两个液相的相互接触频率变低。本发明的方法及装置不仅适用于均相系的液体，也适用于非均相系的液体。在本申请中，微米尺寸或毫米尺寸是指在本技术领域中具有公知常识的人通常所称呼的尺寸，例如是指1μm以上且小于1000mm的尺寸，优选10μm以上且100mm以下的尺寸，更优选100μm以上且50mm以下的尺寸，进一步优选0.3mm以上且10mm以下的尺寸，更进一步优选0.5mm以上且5mm以下的尺寸。
附图说明
图1是示出本发明的装置的一例的概念图。
图2是示出本发明的装置的另一例的概念图。
图3是示出本发明的装置的另一例的概念图。
图4是示出本发明的装置的另一例的概念图。
图5是示出在例1～3中使用的实验装置的概念图。
图6是示出在例4中使用的实验装置的概念图。
具体实施方式
参照附图对本发明进行说明。
本发明的装置具有：供给流路1、环管型容器、以及排出流路5。
供给流路1是从分别贮存至少两种液体的容器到环管型容器(以下，有时称为环管型反应器)为止的部分。供给流路1的内径没有特别限制，但优选为微米尺寸或毫米尺寸。
根据需要，可以在供给流路1设置泵、吸附装置、脱水装置、脱气装置、过滤器(滤布等)、搅拌装置、调液器、温度调节器、冷却器、加热器等。作为搅拌装置，优选使用静止型混合装置(也称为静态混合器。)。
在图1所示的装置中，第一液体以流量Q1从第一贮存容器(未图示)供给，第二液体以流量Q2从第二贮存容器(未图示)供给，两种液体在合流部10处混合，以流量QF在连接部2处向循环流路3out、3ret流入。在合流部10及连接部2中，为了促进两种液体的混合，可以使用市售的搅拌装置(例如可以列举日曹工程股份的“毫米反应器”等)，也可以设置喷射器等装置。需要说明的是，喷射器是指能够利用高压流体的力吸入低压的流体(液体、气体)并将其以中压排出的装置。在伴随混合而不产生体积变化的情况下，流量QF是流量Q1与流量Q2的总和。调液器用于将至少两种原料液混合而得到包含至少两种液体的均相系或非均相系的液体。用于将至少两种原料液混合而得到包含至少两种液体的均相系或非均相系的液体的调液器可以是能够由T形接头等形成的简单的合流部10，也可以是微米反应器或毫米反应器那样的混合器，还可以是具备容器和搅拌机构的乳化器、分散器等。
环管型反应器具有循环流路。循环流路是从与供给流路1连接的部位即连接部2开始，经由与排出流路5连接的部位即连接部4而再次返回到连接部2的环型的流路。需要说明的是，在本申请中，为了简化说明，将从连接部2到连接部4的范围称为往流路3out，将从连接部4到连接部2的范围称为返流路3ret，将环型的流路整体称为循环流路。循环流路优选至少往流路3out的内径为微米尺寸或毫米尺寸，更优选往流路3out和返流路3ret的内径均为微米尺寸或毫米尺寸。
在循环流路中，也可以根据需要设置泵、过滤器(滤布等)、搅拌装置、冷却器、加热器、温度调节器等。泵优选设置于返流路3ret。泵P从能够使液体以准确的流量流动的方面考虑，优选容积式泵。作为容积式泵，可以举出：活塞泵、柱塞泵、隔膜泵等往复泵；齿轮泵、叶片泵、螺旋泵等旋转泵。其中，从也能够应对微小流量的方面考虑，优选柱塞泵。如图3所示，作为搅拌装置，优选将在线混合器6设置于往流路3out。作为搅拌装置，优选使用静止型混合装置。在连接部2中，为了促进来自供给流路1的液体与来自返流路3ret的液体的混合，如图2所示，可以设置喷射器8等装置，也可以设置市售的混合器(例如可以列举日曹工程股份有限公司制造的“毫米反应器”等)。
另外，可以将填充物9填塞到循环流路内，优选填塞到往流路3out内(参照图4)。通过填充物能够促进混合。填充物可以是无助于化学反应的物质，也可以是有助于化学反应的物质。作为有助于化学反应的填充物，可以举出催化剂、吸附剂等。填充物的形状没有特别限制，例如可以举出粒状、针状、板状等。在图1所示的装置中，在存在由化学反应等引起的体积变化ΔV的情况下，往流路3out中的液体的流量QR是来自供给流路1的液体的流量QF、来自返流路3ret的液体的流量Qc、ΔV的总和。
排出流路5是从连接部4开始到本发明装置的系统外的流路。在排出流路5中，也可以根据需要设置泵、气液分离器、液液分离器、破乳化器、过滤器(滤布)、搅拌装置、温度调节器、冷却器、加热器、阻尼器、背压调整器等。排出流路5的内径没有特别限制，但优选为微米尺寸或毫米尺寸。在图1所示的装置中，排出流路5中的液体的流量QE是从往流路3out中的液体的流量QR减去返流路3ret中的液体的流量Qc而得到的。为了抑制由往复泵产生的脉动，可以适当地使用阻尼器12。
在图1所示的装置中，循环流路、供给流路1及排出流路5是大致笔直的流路，但也可以是线圈状、锯齿状的流路。
本发明的方法包括如下步骤：经由供给流路1向具有内径为微米尺寸或毫米尺寸的循环流路的环管型容器连续地供给包含至少两种液体的均相系或非均相系的液体，使所供给的液体以在从供给流路1与循环流路的连接部2到排出流路5与循环流路3的连接部4的范围(往流路3out)内成为紊流的流量在循环流路中循环，并且将循环后的液体从环管型容器经由排出流路5以满足质量平衡的流量连续地抽出。
在本发明的一个实施方式中，供给流路1中的液体的流量QF由从贮存容器供给的至少两种液体的供给量决定，但其流动的状态可以是层流，也可以是紊流。需要说明的是，层流是指流体有规则地运动的流动，在截面圆形的直管中，是指流体的流线始终与管轴平行的流动。
在本发明的一个实施方式中，往流路3out中的液体的流量QR是使往流路3out中的液体的流动成为紊流的范围。紊流是指流体的速度、压力等不规则地变动的流动。通过设为得到紊流的流量，可促进液液接触。
在本发明的优选实施方式中，供给流路中的液体的流量QF通常设定为0.01～500cm3/分钟，更优选设定为0.1～100cm3/分钟，进一步优选设定为1～50cm3/分钟。另外，在本发明的优选实施方式中，往流路3out中的液体的流量QR设定为根据Re×ν×A/DH计算出的流量(m3/秒)。
需要说明的是，Re为1000以上，优选为1300以上，更优选为1800以上，
ν(m2/秒)是循环的液体的运动粘性系数，
A(m2)是从供给流路1与循环流路3的连接部2到排出流路5与循环流路3的连接部4的范围内的循环流路的截面的面积，
DH(m)是根据4×A/P计算出的长度，并且
P(m)是从供给流路1与循环流路3的连接部2到排出流路5与循环流路3的连接部4的范围内的循环流路的截面的周长。
需要说明的是，排出流路5中的液体的流量QE是满足质量平衡的流量。另外，环管型反应器中的平均滞留时间是将循环流路的容量除以流量QF或QE而得到的值。Re是在化学工学领域中被称为雷诺数的无量纲数，是由Re＝(DH×QR)/(ν×A)定义的值。雷诺数越大，则流动越有成为紊流的倾向。
接着，通过实验例示出本发明的效果。
(例1)
使用图5所示的实验装置进行了液液接触的实验。
准备通过由1/8英寸管(外径3.18mm，内径2.17mm)形成的螺旋直径为200mm的螺旋形状的往流路3out、以及由1/8英寸管形成的返流路3ret构成的容量20ml的循环流路。
在返流路3ret中安装有循环用泵3B(日本精密科学(株)制双柱塞泵，NP-HX-200，最大喷出压力10MPa)、以及脉动衰减阻尼器12(1/2英寸-PFA管(内径9mm))。在往流路3out的入口与返流路3ret的出口的连接部2连接有供给流路1。在往流路3out的出口与返流路3ret的入口的连接部4连接有排出流路5。虽未图示，但在排出流路5中安装有背压调整器(氮气加压，惰性气体密封压力控制自动阀)。
使用无脉动柱塞泵(日本精密科学(株)制，NP-KX-500，最大喷出压力35MPa)，将92ppm的苯甲酸的甲苯溶液1A及80ppm的4-甲氧基苯酚钠盐的水溶液1B分别以5.0ml/分钟经由供给流路1向循环流路连续地供给。将通过了往流路3out的液体的一部分以10ml/分钟经由排出流路5连续地排出。循环流路中的平均滞留时间约为2分钟。使用循环用泵将通过了往流路3out的液体的剩余部分以50.0ml/分钟经由返流路3ret向往流路3out的入口连续地供给。往流路3out中的雷诺数为670。需要说明的是，雷诺数根据式子：Re＝ρ×u×D÷μ来计算出。在此，p为流体密度，u为管内的流体线速度，D为配管内径，μ为流体粘度。
甲苯在水中溶解约0.5g/L(25℃)。水相对于甲苯稍微溶解。苯甲酸在甲苯溶液中大部分以2分子缔合体的形式存在，稍微含有非缔合苯甲酸分子。苯甲酸在水中溶解3.4g/L，在水溶液中，大部分以非缔合苯甲酸分子的形式存在，包含稍微进行离子解离的物质。4-甲氧基苯酚在水中以约40g/L(25℃)溶解。
在水溶液中的4-甲氧基苯酚钠盐与甲苯溶液中的苯甲酸接触时，产生如下的化学反应，生成4-甲氧基苯酚和苯甲酸钠盐。
NaOC6H4OCH3+C6H5COOH→HOC6H4OCH3+C6H5COONa
4-甲氧基苯酚容易溶解在甲苯中，苯甲酸钠容易溶解在水中，因此生成的苯甲酸钠的一部分从甲苯相移动到水相，生成的4-甲氧基苯酚的一部分从水相移动到甲苯相。
在从液液接触的开始经过了15分钟时，用气相色谱图的内标法分别对经由排出流路排出的水相及甲苯相中的4-甲氧基苯酚进行了定量。反应率为74.5％，提取率为48.9％。
需要说明的是，
反应率是根据式子：反应率＝(Qb+Qa)/(Q1B)×100计算出的值。
提取率是根据式子：提取率＝(Qa)/(Q1B)×100计算出的值。
Qb＝排出的水相中的4-甲氧基苯酚的质量流量
Qa＝排出的甲苯相中的4一甲氧基苯酚的质量流量
Q1B＝供给的水溶液1B中的换算成4-甲氧基苯酚的质量流量
(例2)
使用循环用泵将从往流路3out的出口经由返流路3ret向往流路3out的入口供给的液体的流量从50.0ml/分钟变更为100.0ml/分钟，除此以外，以与例1相同的方法进行了液液接触。往流路3out中的雷诺数为1240，循环流路中的平均滞留时间约为2分钟。反应率为75.9％，提取率为53.2％。
(例3)
使用循环用泵将从往流路3out的出口经由返流路3ret向往流路3out的入口供给的液体的流量从50.0ml/分钟变更为150.0ml/分钟，除此以外，以与例1相同的方法进行了液液接触。往流路3out中的雷诺数为1800，循环流路中的平均滞留时间约为2分钟。反应率为100.0％，提取率为69.5％。
(例4)
使用了图6所示的实验装置。
准备由1/8英寸管(外径3.18mm，内径2.17mm)形成的螺旋直径为200mm的螺旋形状的容量20ml的单向流路3pr。
在单向流路3pr的入口连接有供给流路1。在流路3pr的出口连接有排出流路5。虽未图示，但在排出流路中安装有背压调整器(氮气加压，惰性气体密封压控制自动阀)。
使用无脉动柱塞泵(日本精密科学(株)制，NP-KX-500，最大喷出压力35MPa)，将92ppm的苯甲酸的甲苯溶液1A及80ppm的4-甲氧基苯酚钠盐的水溶液1B分别以5.0ml/分钟经由供给流路1向单向流路3pr连续地供给。将通过了单向流路3pr的液体以10ml/分钟经由排出流路5连续地排出。单向流路3pr中的雷诺数为110，单向流路3pr中的平均滞留时间约为2分钟。反应率为73.9％，提取率为50.0％。
(例5)
向分液漏斗加入92ppm的苯甲酸的甲苯溶液75ml和80ppm的4-甲氧基苯酚钠盐的水溶液75ml，使其振动约2～3分钟。然后，将分液漏斗静置。反应率为78.3％，提取率为57.4％。
本发明的装置不限于附图所示的实施方式，将构成本发明的装置的各部分的形状、大小、颜色、材质变更而得的装置、或在本发明的装置中追加了公知或惯用的部件而得的装置也包含在本发明的技术范围内。
附图标记说明：
1...供给流路；
2...供给流路与循环流路的连接部；
3out...往流路；
3ret...返流路；
4...排出流路与循环流路的连接部；
5...排出流路；
6、7...在线混合器(in-line mixer)；
8...喷射器；
9...填充物；
10：合流部；
P...容积式泵；
12...脉动衰减阻尼器；
3B...循环用泵；
3pr...单向流路。
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