專利名稱：反應(yīng)裝置及反應(yīng)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在化學(xué)合成和化學(xué)分析等領(lǐng)域中，使液體或氣體在流路內(nèi)混合而反應(yīng) 的反應(yīng)裝置及反應(yīng)設(shè)備。
背景技術(shù)：
近年來，在化學(xué)合成和化學(xué)分析領(lǐng)域中，開始使用利用稱作MEMS (Micro Electro Mechanical System)的微型加工技術(shù)制作而成的剖面尺寸為幾十 幾百μ m的流路所構(gòu) 成的反應(yīng)器。這種反應(yīng)器稱為微型混合器或微型反應(yīng)器。在微型反應(yīng)器中，使分別包含彼此反應(yīng)的兩種以上的物質(zhì)的流體合流，使其在微 細(xì)流路內(nèi)彼此接觸而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。微型反應(yīng)器的流路寬度和高度小，反應(yīng)部的每單位體 積的表面積大，流路容積小，因此，物質(zhì)的混合時(shí)間短且熱交換快，其結(jié)果是，具有反應(yīng)所引 起的副產(chǎn)物降低、反應(yīng)收獲率高的效果。在專利文獻(xiàn)1中，記載有如下的高溫高壓微型混合器使第一反應(yīng)溶液導(dǎo)入管、流 出管、混合部的中心軸一致，且相對于其中心軸旋轉(zhuǎn)對稱地配置，并且設(shè)置有不交叉于中心 軸上的一點(diǎn)且具有偏置的兩根第二反應(yīng)液導(dǎo)入管。另外，在專利文獻(xiàn)2記載的現(xiàn)有技術(shù)中，為了減小在混合流路中流動(dòng)的兩種流體 的間隔，在混合流路的上游將各個(gè)流體分割成多個(gè)，而使兩種流體交替流入，并在縮流部縮流。專利文獻(xiàn)1日本特開2008-1M53號公報(bào)專利文獻(xiàn)2W002/16017在專利文獻(xiàn)1記載的高溫高壓微型混合器中，向中心軸導(dǎo)入第一反應(yīng)液，由于設(shè) 置有不交叉于中心軸上的一點(diǎn)且具有偏置的兩根第二反應(yīng)液導(dǎo)入管，因此，不易形成多層 狀的流動(dòng)，存在用于混合的距離變長的問題。另外，在專利文獻(xiàn)2記載的微型混合器中，下游的混合流路中的兩種流體的間隔 可以通過增加流體的分割數(shù)而成為多層狀來減小。但是，在縮流部的上游，對于各流體的流 入口寬度，若考慮加工精度及流路的閉塞，通常為500 μ m至幾mm的范圍，因此，為了增加層 數(shù)，縮流部入口的寬度變大，直至混合流路入口的距離變長，因此存在到達(dá)混合流路以前在 縮流部鄰接的不同種類的流體間開始混合及反應(yīng)的可能性。若在擴(kuò)散距離W大的縮流部發(fā) 生反應(yīng)，則存在副產(chǎn)物的比例增大而收獲率減少的問題。在此，擴(kuò)散距離W為每一層的寬度 或相鄰層的中心間距離。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種反應(yīng)裝置及反應(yīng)設(shè)備，從而能夠去除像擴(kuò)散距離W大 的縮流部這樣的流路，在擴(kuò)散距離W小的混合流路開始混合及反應(yīng)而提高收獲率，從而進(jìn) 行大量處理。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的反應(yīng)裝置通過使多層流引起的擴(kuò)散距離的降低效果、紊流引起的物質(zhì)擴(kuò)散的增大及回旋流引起的攪拌效果共同作用，從而提高混合性能，相 對于使包含彼此不同種類的物質(zhì)的多個(gè)流體混合的圓筒形狀的混合流路，使將多個(gè)流體向 混合流路引導(dǎo)的入口流路以入口流路的中心軸不與混合流路的中心軸相交的方式與混合 流路連接。另外，混合流路是設(shè)定為紊流條件的流路。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，通過使多個(gè)流體在混合流路內(nèi)的半徑方向上以多層狀流動(dòng)而減少擴(kuò) 散距離，在紊流及回旋流的效果的共同作用下促進(jìn)多個(gè)流體的混合性，從而抑制副反應(yīng)，能 夠以高的反應(yīng)收獲率實(shí)現(xiàn)大量處理。


圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施例1的反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)的立體圖。圖2是從上游側(cè)觀察圖1所示的反應(yīng)裝置而得到的側(cè)視圖。圖3是圖1的向視Ι-Γ剖視圖。圖4是表示本發(fā)明的實(shí)施例1的反應(yīng)裝置的變形例的立體圖。圖5是表示本發(fā)明的實(shí)施例1的反應(yīng)裝置的變形例的立體圖。圖6是表示本發(fā)明的實(shí)施例1的反應(yīng)裝置的制作方法的立體圖。圖7是表示與本發(fā)明的實(shí)施例1相當(dāng)?shù)姆磻?yīng)裝置的分析體系的立體圖。圖8是表示比較例的T字型反應(yīng)裝置的分析體系的立體圖。圖9是表示反應(yīng)裝置的混合性能的分析結(jié)果的圖。圖10是表示本發(fā)明的實(shí)施例2的反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)的縱向剖視圖。圖11是表示本發(fā)明的實(shí)施例2的反應(yīng)裝置的制作方法的立體圖。圖12是表示本發(fā)明的實(shí)施例3的反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)的立體圖。圖13是表示本發(fā)明的實(shí)施例4的反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)的立體圖。圖14是表示從上游側(cè)觀察圖13所示的反應(yīng)裝置而得到的側(cè)視圖。圖15是表示本發(fā)明的實(shí)施例4的反應(yīng)裝置的變形例的立體圖。圖16是表示圖13所示的反應(yīng)裝置的制作方法的立體圖。圖17是表示圖15所示的反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)的立體圖。圖18是表示圖17所示的反應(yīng)裝置的出口部件的結(jié)構(gòu)的俯視圖及剖視圖。圖19是表示圖17所示的反應(yīng)裝置的流路部件的結(jié)構(gòu)的俯視圖及剖視圖。圖20是表示圖19所示的流路部件的中心部的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖21是表示圖17所示的反應(yīng)裝置的緩沖部件的結(jié)構(gòu)的俯視圖及剖視圖。圖22是表示與本發(fā)明的實(shí)施例4相當(dāng)?shù)姆磻?yīng)裝置的分析體系的立體圖。圖23是表示反應(yīng)裝置的混合性能的分析結(jié)果的圖。圖M是本發(fā)明的實(shí)施例5的反應(yīng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖。符號說明1混合流路2、3 入 口流路4、5 流體6回旋流
8混合流路出口9反應(yīng)裝置10密封板11、31 緩沖部12、32緩沖部入口流路13結(jié)構(gòu)物
14臺座
15熱介質(zhì)流路
16熱介質(zhì)
18原料貯藏箱
19泵
20壓力計(jì)
21開閉閥
22流量調(diào)節(jié)閥
23流量計(jì)
24恒溫槽
25反應(yīng)流路
26生成物貯藏箱
41出口部件42流路部件43緩沖部件45、46導(dǎo)入流路
具體實(shí)施例方式使用

本發(fā)明的各實(shí)施例。實(shí)施例1利用圖1至圖9說明本發(fā)明的實(shí)施例1。圖1是本實(shí)施例的反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，圓筒形狀的混合流路1的端部被密閉，在被密閉的端部側(cè)設(shè)有入口流 路2和入口流路3，所述入口流路2用于將包含物質(zhì)A的流體4導(dǎo)入混合流路1，所述入口 流路3用于將包含物質(zhì)B的流體5導(dǎo)入混合流路1。入口流路2和入口流路3在混合流路 1的流動(dòng)方向上間隔開設(shè)置多個(gè)，如圖2所示，入口流路2和入口流路3配置在相對于混合 流路1的中心軸偏置δ距離的位置。入口流路2和入口流路3設(shè)置在相對于混合流路1 的中心軸以直角相交的同一平面上，彼此位于相反方向，在圖1所示的例子中，流路形成為 矩形。在此，圓筒形狀可以為近似為圓形的多邊形，為了便于說明，將包含這些形狀的形狀 稱為圓筒形狀。另外，入口流路2與入口流路3設(shè)置在相對于混合流路1的中心軸以直角 相交的同一平面上是包含入口流路2與入口流路3的一部分在平面上的定義。在圖1所示的例子中，包含物質(zhì)A的流體4從3條入口流路2流入圓筒形狀的混 合流路1，包含物質(zhì)B的流體5從3條入口流路3流入圓筒形狀的混合流路1。從入口流路 2流入的流體4以沿圓筒形狀的方式流動(dòng)，從入口流路3流入的流體5以沿流體4的流動(dòng)的方式流入。如上所述，入口流路2和入口流路3設(shè)置在相對于混合流路1的中心線以直角相 交的同一平面上，入口流路2的中心軸與入口流路3的中心軸從混合流路1的中心軸偏置 δ，因此，從入口流路2流入的流體4與從入口流路3流入的流體5在混合流路1成為回旋 流6。另外，入口流路2與入口流路3在混合流路1的流動(dòng)方向上間隔開配置，因此，如 圖3所示，圖1的混合流路1的向視I-I ’剖面所示的流動(dòng)形成流體4與流體5在半徑方向 上交替構(gòu)成層的回旋流。若成為這種流動(dòng)，則兩種流體的擴(kuò)散距離減少，通過回旋流的效果 提高混合性。使混合流路內(nèi)的流動(dòng)在紊流條件下進(jìn)行，從而，通過紊流混合進(jìn)一步提高混合 性能。在此，包含物質(zhì)A的流體4和包含物質(zhì)B的流體5發(fā)生反應(yīng)時(shí)，如式1所示，生成 主產(chǎn)物R。如式2所示，主產(chǎn)物R和物質(zhì)B反應(yīng)而生成副產(chǎn)物S。(式1)Α+Β — R(1)(式2)R+B — S(2)在微型反應(yīng)器中，流路的水力等效直徑小，表示流體的慣性力與粘性力之比的無 因次數(shù)即雷諾數(shù)小，因此，流動(dòng)成為層流。從而，將包含在流體中的多個(gè)物質(zhì)混合的情況下， 通過物質(zhì)的分子擴(kuò)散而加速混合。使包含物質(zhì)A的流體4和包含物質(zhì)B的流體5這兩種流 體流動(dòng)的情況下的各物質(zhì)的混合時(shí)間tm[s]以式3表示。(式3)tm = ff2/D(3)在此，D[m2/s]為擴(kuò)散系數(shù)，表示在層流條件下流體中的物質(zhì)的分子擴(kuò)散系數(shù)， W[m]為擴(kuò)散距離(多層流的每一層的寬度或相鄰層的中心間距離)。由式3可知，混合時(shí)間與擴(kuò)散距離W的平方成比例，因此，流路寬度越小混合時(shí)間 越變短。另外，若流動(dòng)從層流向紊流轉(zhuǎn)變，則式3的擴(kuò)散系數(shù)D成為紊流擴(kuò)散系數(shù)。紊流擴(kuò) 散系數(shù)與分子擴(kuò)散系數(shù)相比，成為幾千倍大的值，因此，與層流條件相比，通過成為紊流條 件能夠縮短混合時(shí)間。另外，若式1的主反應(yīng)及式2的副反應(yīng)的反應(yīng)速度常數(shù)分別設(shè)定為kjm3/ (kmol · s)]及1 [m3/ (kmol · s)]、且物質(zhì)A及物質(zhì)B的濃度設(shè)定為等濃度反應(yīng)時(shí)的初始濃 度設(shè)為CUkmol/m3]，則主產(chǎn)物R的反應(yīng)時(shí)間tjs]由式4獲取。(式4)L=IZ(Ii1Cci)(4)微型流路內(nèi)的式1及式2所示的逐次反應(yīng)中，如式5所示，式3的混合時(shí)間與式4 的反應(yīng)時(shí)間之比即混合反應(yīng)數(shù)Φ越減少，越接近反應(yīng)速率控制的狀態(tài)，作為目的物質(zhì)的主 產(chǎn)物R相對于物質(zhì)A的生成量即反應(yīng)收獲率增大。(式5)φ = tm/tr = Ii1C0W2A)(5)從而可知，為了提高主產(chǎn)物R的反應(yīng)收獲率，通過減薄多層流的每個(gè)層的寬度而減小擴(kuò)散距離W，減小混合反應(yīng)數(shù)Φ即可。由此，在本實(shí)施例中，入口流路2和入口流路3 在混合流路1的流動(dòng)方向上間隔開配置，從而能夠減小混合反應(yīng)數(shù)Φ而提高反應(yīng)收獲率?；旌狭髀?的內(nèi)徑?jīng)]有限定，優(yōu)選的是設(shè)定為小于10mm。另外，流動(dòng)可以為層流、 紊流的任一種，但如上所述，紊流的混合性能高。在圖1中，入口流路2、入口流路3的形狀 以矩形示出，但也可以適用圓形等任意形狀。在圖1中，以入口流路設(shè)置在相對于混合流路1的中心軸以直角相交的同一平面 上為例進(jìn)行了說明，但如圖4所示，也可以將入口流路2和入口流路3從相對于混合流路1 的中心軸直角相交的同一平面錯(cuò)開設(shè)置。為了提高反應(yīng)裝置的生產(chǎn)率，需要與反應(yīng)收獲率一起增大處理量。在圖5所示的 示例中，通過將入口流路2、入口流路3以相對于混合流路1的中心軸成小于90度的角度設(shè) 置，從而降低流體4與流體5流入混合流路1時(shí)的壓力損失，由此使處理流量增大。圖6示出了本實(shí)施例的反應(yīng)裝置的具體流路的制作方法的一例。反應(yīng)裝置9由矩 形的結(jié)構(gòu)物構(gòu)成，從混合流路出口 8側(cè)加工圓筒狀的孔而形成混合流路1。從反應(yīng)裝置9的 兩側(cè)的側(cè)面加工多個(gè)與混合流路1成直角的孔而形成入口流路2和入口流路3。此時(shí)，入口 流路2和入口流路3形成在從混合流路1的中心軸偏置的位置上。為了使流體以均勻的流 量流入各入口流路2、入口流路3，將加工有成為暫時(shí)貯存流體的空間的緩沖部11和緩沖部 入口流路12的密封板10設(shè)置在反應(yīng)裝置9的兩側(cè)的側(cè)面。反應(yīng)裝置的材料可以為金屬、玻璃、塑料等，并沒有限定。另外，對于反應(yīng)裝置9與 密封板10的連接，可使用隔著0型密封圈等密封件的螺栓緊固，或?yàn)榻饘俚那闆r下可使用 焊接或擴(kuò)散接合。如上所述，根據(jù)本實(shí)施例，能夠提高多個(gè)流體的混合性，因此，能夠提供抑制副反 應(yīng)由此收獲率高且生產(chǎn)率高的混合流路。圖7示出了圖1的變形例。圖7是本實(shí)施例的反應(yīng)裝置的立體圖，在圖7所示的 示例中，入口流路2和入口流路3各設(shè)置4個(gè)。利用對圖7所示的示例的數(shù)值分析結(jié)果，說明上述本實(shí)施例的效果。在該數(shù)值分析中，分別設(shè)置四個(gè)的入口流路2及入口流路3的流路截面為 250 μ mX 250 μ m的正方形，流路長度為10mm?；旌狭髀?的流路截面為直徑Imm的圓形， 流路長度為80_。入口流路2及入口流路3的入口流速設(shè)定為3. 333m/s時(shí)，入口流路2及 入口流路3的雷諾數(shù)成為830從而成為層流條件，混合流路1的雷諾數(shù)成為2120從而成為 紊流條件。此時(shí)，混合流路出口的流量為lOOmL/min。作為比較例分析了 T字型反應(yīng)裝置。圖8是表示比較例的T字型反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu) 的立體圖。形成為T字型的入口流路2和入口流路3為圓形的中空流路，與混合流路1的 端部對置而各設(shè)置一個(gè)。在該數(shù)值分析中，入口流路2及入口流路3的流路截面為直徑Imm的圓形，流路長 度為10mm?；旌狭髀?的流路截面為直徑Imm的圓形，流路長度為80mm。入口流路2及入 口流路3的入口流速設(shè)定為1. 061m/s時(shí)，入口流路2及入口流路3的雷諾數(shù)成為1060從 而成為層流條件，混合流路1的雷諾數(shù)成為2120從而成為紊流條件。此時(shí)，混合流路的平 均流量為100mL/min。需要說明的是，流體4與流體5的物性相同，密度為103kg/m3、粘度為10_3Pa · S。并且，在流體4中以lkmol/m3的濃度混合作為同位素指示劑的物質(zhì)A，將物質(zhì)A的分子擴(kuò)散 系數(shù)設(shè)為10-9m2/S。通過如此設(shè)置，對本實(shí)施例的反應(yīng)裝置與T字型反應(yīng)裝置實(shí)施數(shù)值分析時(shí)，得到 了圖9所示的分析結(jié)果。圖9示出了流體的濃度不均沿混合流路1的流動(dòng)方向減少的狀 況。需要說明的是，濃度不均由式6獲得。在式6中，Cav為流路截面處的物質(zhì)A的平均濃 度[kmol/m3]，C為流路截面處的物質(zhì)A的局部濃度[kmol/m3]，u為流路截面處的局部流速 [m/s]。式6的積分符號表示對流路截面進(jìn)行積分。(式6)
權(quán)利要求
1.一種反應(yīng)裝置，其具備圓筒形狀的混合流路，其用于使包含彼此不同種類的物質(zhì)的多個(gè)流體混合； 入口流路，其從該混合流路的中心軸偏置設(shè)置且使所述流體流入所述混合流路。
2.一種反應(yīng)裝置，其具備圓筒形狀的混合流路，其用于使包含彼此不同種類的物質(zhì)的多個(gè)流體混合； 入口流路，其在相對于該混合流路的中心軸成直角相交的平面上從所述中心軸偏置設(shè) 置，且使所述流體流入所述混合流路。
3.一種反應(yīng)裝置，其具備 圓筒形狀的混合流路；第一入口流路，其從所述混合流路的中心軸偏置設(shè)置，用于使包含第一物質(zhì)的流體流 入所述混合流路；第二入口流路，其設(shè)置在將所述第一入口流路相對于所述混合流路的中心軸旋轉(zhuǎn)而得 到的位置上，使包含第二物質(zhì)的流體流入所述混合流路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)裝置，其中，入口流路的流動(dòng)方向相對于混合流路的流動(dòng)方向以小于90度的角度配置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)裝置，其中，入口流路相對于包含同一物質(zhì)的各流體在相對于混合流路的中心軸旋轉(zhuǎn)而得到的位 置上設(shè)置多個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)裝置，其中，入口流路相對于包含同一物質(zhì)的各流體在混合流路的流動(dòng)方向上間隔開設(shè)置多個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)裝置，其中，在繞混合流路的中心軸的旋轉(zhuǎn)方向上按順序設(shè)有包含多個(gè)不同種類的物質(zhì)的多個(gè)流 體的入口流路。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)裝置，其中， 在所述混合流路的中央部設(shè)置有結(jié)構(gòu)物。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的反應(yīng)裝置，其中，設(shè)置在所述混合流路的中央部的結(jié)構(gòu)物形成為截面積隨著朝向所述混合流路的下游 側(cè)而減小。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)裝置，其中，具備具有所述混合流路的結(jié)構(gòu)體，在該結(jié)構(gòu)體形成有多條使熱介質(zhì)流通的流路。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)裝置，其中，具備具有所述混合流路的結(jié)構(gòu)體，在該結(jié)構(gòu)體的表面形成有多個(gè)熱交換用的散熱片。
12.—種反應(yīng)設(shè)備，其具備貯存包含不同種類的物質(zhì)的多個(gè)流體的多個(gè)箱；設(shè)置在與多個(gè)箱分別連接的各配管上且向混合流路輸送流體的泵；用于調(diào)整向所述混合流路輸送的流體的流量的流量調(diào)節(jié)器；權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)裝置；與所述混合流路的出口側(cè)連接且使混合后的流體反應(yīng)的反應(yīng)流路；貯存來自該反應(yīng)流路的生成物的箱；對所述混合流路及反應(yīng)流路進(jìn)行溫度管理的溫度控制裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有混合流路的反應(yīng)裝置及反應(yīng)設(shè)備，從而在使包含彼此不同種類的物質(zhì)的多個(gè)流體混合而反應(yīng)的情況下，在圓筒形狀的混合流路內(nèi)在半徑方向上形成多層流，使紊流混合及回旋流所引起的攪拌效果共同作用而提高混合性能，以高收獲率、高效率生產(chǎn)出反應(yīng)生成物，其中，混合包含彼此不同種類的物質(zhì)的多個(gè)流體(4)和流體(5)的混合流路(1)為圓筒形狀，將流體(4)和流體(5)導(dǎo)入混合流路(1)的入口流路(2)和入口流路(3)從混合流路(1)的中心軸偏置設(shè)置多個(gè)。
文檔編號B01J19/24GK102131576SQ200980133129
公開日2011年7月20日 申請日期2009年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月25日
發(fā)明者河村勉, 白石朋史, 近藤健之 申請人:株式會(huì)社日立工業(yè)設(shè)備技術(shù)