JP2000509330A - 分散混合物を製造する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明の課題は、少なくとも２つの相からなる分散混合物を製造する方法および装置を提案することである。この課題は、第一相ならびに第二相を部分流に分割して、第一相の部分流は第一平坦層中に存在し、第二相の部分流は第二平坦層中に存在し、第一平坦層内の第一相の部分流を分散過程および混合過程を開始させるため、第二相の部分流に一定の角度で供給し、その際平坦層は平行におよび重なり合って配置されている方法、および２つの箔を含み、それぞれ箔の片側に溝の平行群が設けられている少なくとも１つの基本ユニットからなり、その際基本ユニット中に２つの箔は双方の箔の溝を備える側が重なり合って存在し、互いに一定の角度を形成する装置によって解決される。

Description

【発明の詳細な説明】 分散混合物を製造する方法および装置 本発明は、請求項１および請求項２記載の分散混合物を製造する方法および装 置に関するものである。 分散とは、１つの物質が他の物質中に細かく分かれ、かつできるだけ微細に分 布していることを示している。出来上がった混合物は分散液と呼ばれる。分散液 中には、１つ以上の分散分配された相（内相）が、連続相（外相）中に存在して いる。分散相が連続相中に完全に溶解する場合には、分散液は直ちに均質な混合 物に変わる。化学的処理技術の範囲から分散によって製造される分散液の代表例 は、次のものである： ◆液−液系： エマルション（分散相：液体、連続相：液体）；例：水中油滴型エマルション 、油中水滴型エマルション ◆気一液系： − 通気した液体ないしは溶融液（分散相：気体、連続相：液体）、たとえばフ ォーム − 霧（分散相：液体、連続相：気体） ◆液−固系： 懸濁液（分散相：固体、連続相：液体）、懸濁液の場合、たとえば固相は分散 過程において過飽和に溶解した物質の沈殿によって生じる。 分散は、エマルション製造の場合のように分散の純物理的過程である；分散過 程は、たとえば初めの一次分散工程としてまたは２相以上の反応系において化学 反応を実施する場合の一次分散に後接された再分散工程として使用される。 化学反応を実施する場合、物質輸送の速度対動力学の比は、ある程度まで分散 過程の強さにより、つまり反応に関与する相の間の相界面の拡大により決まり、 反応経過を促進することができる。それで、非常に迅速な化学反応の場合、通例 反応に関与する相の間の物質輸送は、化学反応の速度、それと共に達成しうる反 応器効率のためには決定的である。それに応じて、分散させる場合の重要な課題 は、反応容積あたりできるだけ多数の相界面、つまりできるだけ小さい分散粒子 （たとえば液滴、気泡）を形成し、それに必要なエネルギー消費を最小にするこ とである。 工業的分散法は、１以上の成分を均等かつ再現可能に連続相中に分散および分 配することを目的とする。その際、目的の大きさは就中分散相のための定義され た粒度を有する分散液の再現可能な製造、分散相および連続相の間の相応に大き い比容積の相界面ならびに狭い粒度分布である。分散させるために使用される分 散装置は、分散という使命が最小のエネルギー消費で、つまり高い効率で達成さ れるように構成および設計されなければならない。 現在、分散させるために多数の分散装置が使用される。原則的には、動的分散 装置および静的分散装置が区別される。 動的分散装置は、一般に分散相ならびに連続相を運動させ、その際エネルギー 供給は運動相の乱流流動エネルギーを介して行われる。静的分散装置においては 、一般に分散相だけを運動させる。 液−液系用の動的分散装置は、たとえばノズル、後接された噴射分散装置と組 合されたノズル、撹拌機ならびにローターステータ系であり、気−液系用の動的 分散装置はたとえばインゼクターないしはエゼクター、ベンチュリ管および撹拌 機ならびに液−固系用の動的分散装置はたとえば沈降ノズルおよび撹拌機である 。 液−液系、気−液系ならびに固−液系用の静的分散装置は、たとえば挿入管、 有孔底、金属、ゴムまたはプラスチックからなり、選択的に脈動板を有する多孔 板、管分配リングならびにガラスまたは金属からなる焼結板であり；焼結板はと くに気−液系に対して使用される。 公知動的分散装置を使用する場合、分散相の分散が立体的に広がる乱流剪断野 中で行われ、その際局所エネルギー散逸率（Energiedissipationsraten）の不均 一分布が分散相の広い粒度分布を生じることにより不利な結果につながる。分散 相の小さい粒子寸法および 相応に大きい比容積の相界面を有する分散液の製造のためには、比較的大きいエ ネルギー消費が必要である。 現在使用可能な分散装置は、動的運転装置に比べて多くの場合にエネルギー的 に有利に挙動する、つまり形成される比容積の相界面対達成されるエネルギー消 費の比は大きい。しかし、静的装置を用いて無条件に達成しうる比容積の相界面 は通例小さい。 ＤＥ４４１６３４３Ａ１号は、箔のスタックから構成されている静的マイクロ ミキサーを記載する。箔の一方の側には傾斜溝のそれぞれ平行な群が設けられて いる。箔は、各第二の箔における傾斜溝が双方の隣接する箔の溝に対し鏡像的に 延在するように堆積されている。溝は隣接する箔の平坦な面と一緒に閉じた通路 を形成する。マイクロミキサーを用い、流体を互いに混合できる。混合は、傾斜 通路が交互にそれぞれ一方の流体で圧力負荷されるように行われる。マイクロミ キサーから流体が出る際に微細な流体噴流が形成し、該噴流は互いに完全に混合 する。従って、マイクロミキサーにおいては混合は装置の外部で行われる。 ＤＥ４４３３４３９Ａ１号の対象は、上述したＤＥ４４１６３４３Ａ１号に記 載されている装置を用いて化学反応を実施する方法である。 ＤＥ３９２６４６６Ａ１号には、流体の混合がマイクロ反応器内部で行われる マイクロ反応器が記載され ている。中間箔中に存在する横方向に延在し、混合空間を形成する溝により、２ つの反応成分ＡおよびＢは部分流に分割される。２つの流体の流れは、中間箔の 直接下方ないしは上方に延在する平行な微細通路（Mikrokanaelen）中に案内さ れ、中間箔中の横方向に延在する溝中で互いに混合される。中間箔下方の通路は 、中間箔上方の通路に対し直角に配置されている。構造的に、Ａ用の箔、横方向 に延在する溝を有する中間箔およびＢ用の箔からなる箔トリプレットが生じる。 このトリプレットは、積み重ねてスタックにできることが多い。 公知マイクロ反応器においては、まだ混合されない流体は、異なる長さの通路 を通って、横方向に延在する溝に突き当たるまで流れる。これから、マイクロ反 応器の内部に少なくとも１つの不完全な混合が生じる。さらに、双方の物質流の それぞれ一成分は横方向に延在する溝を通過し、それぞれ他の物質流用の溝の内 部をさらに案内される。これは、当該成分に高い圧力損失をまねくので、公知マ イクロ反応器は、記述した実施形を修正せずに使用することはできない。 ＷＯ−Ａ９６３０１１３号から、混合すべき液体が入口通路に入り、ここで少 なくとも２つの分岐する、１平面内にある微細通路（Ｍｉｋｒｏｋａｎａｅｌｅ ）に分割され、該平面に対し９０°回転した合流エレメントにより再び互いに合 流し、合流エレメントから 、該平面内にある他の微細通路中に導入される少量の液体を混合する装置が公知 である。該他の微細通路は、もう１つのこのような装置の入口通路を形成しうる 。該装置は、混合すべき液体成分用の別個の入口通路を含有しない。 本発明の課題は、少なくとも２つの相からなる分散混合物を製造する方法およ び装置を提案することであり、その際混合物は装置の内部で形成される。相の分 散の際には、僅小な圧力降下が生じるべきである。 この課題は、本発明により請求項１に記載した方法および請求項２に記載した 装置により解決される。他の請求項には、装置の好ましい構成が記載されている 。 本発明による方法においては、第一相ならびに第二相はとくに平行な部分流に 分割される。第一相の部分流は第一平坦層中に存在し、第二相の部分流は第二平 坦層中に存在する。それぞれの平坦層の内部で、第一相の部分流は第二相の部分 流に対し、分散過程および混合過程が開始する角度で案内される。第一および第 二平坦層は、互いに平行に配置され、互いに直接隣接している。 平坦層の厚さは、１０００μｍ以下、とくに３００μｍ以下である。 本発明による装置は、少なくとも１つの基本ユニットから構成されている。基 本ユニットは２つの、それ ぞれ一方の側に平行な溝の一群が設けられている箔からなる。これは、たとえば ＤＥ３７０９２７８Ａ１号に記載されているような加工ダイヤモンドを用いるフ ライス削りによって行なうことができる。箔あたりの溝の数は、原則的に無制限 であってもよく；これはとくに２および３００の間の範囲内にあり、その際基本 ユニットの双方の箔中の溝の数が等しい必要はない。 本発明による装置の箔中の溝の長さは、装置のそれぞれの使用領域に応じて選 択することができる。一般に、溝の長さは２および５０ｍｍの間である。 原則的に、溝の断面はほぼ任意で、たとえば半円形、三角形または台形であっ てもよい。しかし、好ましい実施形においては溝は断面がほぼ長方形である。双 方の相用の溝は、幅および高さがとくに１０および１０００μｍの間であり、し かしとくに好ましくは１０および３００μｍの間である。分散相用の溝をできる だけ短くし、溝の寸法につき記載されたバンド幅内で、連続相の溝よりも大きく するのが有利である。溝の間のウエブ幅はとくに１０および２０００μｍの間、 とくに好ましくは１０および５００μｍの間である。 双方の箔は、箔のそれぞれ溝を備える側が重なりおよび上方の箔の溝および下 方の箔の溝が互いに一定の角度、とくに直角を囲むように積み重ねられる。 溝は、とくに箔の全面にわたり延在している。従って、２つの箔を記載された 方法で積み重ねる場合、基 本ユニットの側面に、双方の溝群のそれぞれの始端および終端に相当する２群の 開口が出現する。箔がたとえば正方形であり、溝が２つの縁に対し平行に延在す る場合、箔を、溝が互いに直角を囲むように積み重ねる際に、基本ユニットの各 側面に１群の開口が見える。基本ユニットの側面にある開口は、相ないしは分散 液の入口孔および出口孔として使用される。通例１つの出口孔だけが設けられる ので、残りの３つの入口孔は設定された分散過程に応じて接続することができる 。 工業的分散過程には、多数、たとえば５０個の基本ユニットが積み重ねられる 。この場合には、装置の側面にある互いに相応する開口が一緒に入口孔および出 口孔に接続される。 本発明による装置においては、各相は多数の部分流に分割される。異なる相の 部分流は、約９０°の角度で案内され、従って部分流は共通の流動縁範囲内で接 触する。ここで、分散相が転向され、連続相に分配される微小剪断面（Mikrosch erflaechen）が形成する。 最小容積に対して局所的に働く剪断力に基づき、双方の相の間の微小剪断面の 範囲内に比容積の大きいエネルギー散逸率が出現する。その際、一方の流れから 微小容積が剪断され、他方の流れで連行される。連続相および分散相の間の、分 散過程が開始する剪断勾配は、１０から０００μｍの溝の好ましい寸法およびこ れから生じる高い速度勾配においては極めて高い。 微小剪断面の寸法は、基本ユニットの双方の箔中の溝ａおよびｂの幅から生じ る。超小型構造技術がミクロン範囲内の寸法に基づき提供する利点を分散過程お よび混合過程に有効に利用できるようにするために、微小剪断面の寸法はとくに ５００μｍ以下であるべきである。この場合、最小の微小剪断容積に限られる比 エネルギー散逸率（spezifische Energiedissipationsrate）は、公知装置にお けるよりも大きい。 双方の相が化学的に互いに反応せず、互いに可溶でもない場合には、多数の部 分流に相の分配に基づき、連続相中に分散相の微細分配が形成される。双方の相 が付加的に化学的に互いに反応する場合には、連続相中での分散相の微細分配に より、化学反応の進行に関する最適の開始条件が形成された。 本発明による装置は、最小量ならびに工業的装入量に対して使用できる。微細 通路の数の変化により、マイクロ分散装置１ｃｍ³中に数万の微小剪断面を収納 することができる。 もう１つの利点は、本発明による装置中で実施される化学反応における収率、 選択性および生成物品質の改善である。装置を用いて、粒度分布の調節可能性の ため新しい性質プロフィルを有する生成物を得ることができる。もう１つの利点 は、装置の非常に小さい内部寸法に認められる、それというのもそれにより安全 性のための費用および装置の運転内容積を強く減少できるからである。後接され たマイクロ熱交換器では、熱を有効に導出することができる。 有効な熱排出のほかに、２相以上の混合物を接続された微細通路中へ導入する ことにより、僅少の通路寸法に基づき大きい速度勾配およびそれと共に大きい剪 断力が生じ、これが凝結の抑圧ならびに粒度スペクトルの比較緩和（Vergleichm aessigung）が生じうるという利点を有する。 装置の好ましい適用分野として、液−液系でのエマルションの製造、さらにた とえば通気した液体、気泡、霧および懸濁液（沈殿法からのもの）のような分散 液の製造が挙げられる。その際、本来の分散プロセスに化学反応が接続できる。 他の適用分野は、狭い粒度分布調節の目的で分散液の均質化、たとえば凝結によ る相分離を抑えるための分散液の再分散ならびに液体ないしは気体の均質化であ る。 次に、本発明を図につき詳説する。 図１は本発明による装置の１実施形の構造を示し； 図２は微小剪断面を示し； 図３は接続の種々の可能性を示し； 図４は本発明による装置とマイクロ熱伝達器の組合せを示し； 図５は本発明による装置、通常の２段ノズルおよび後接された噴射分散装置を 有する１段ノズルとの比較 図を示し； 図６は平均動的圧力損失に関連する平均的液滴の大きさを示す。 図１は、本発明による装置の１実施形の構造を概略的に示す。図１ａおよび１ ｂにはそれぞれ、２つの正方形の面に対し平行に延在する、断面が長方形の溝を 有する正方形の箔が図示されている。双方の箔は、矢印により示唆されているよ うに、積み重ねられる。図１ｃには、２つの基本ユニットのスタックが図示され ている。溝は、スタックの各側面に、入口孔および出口孔として利用される開口 を形成する。図示された実施形において、連続相Ａは裏側から装置に流入する。 分散相Ｂは、これに対し直角な双方の側面に供給される。生成物Ｐは、装置から 前方右方に流出する。 図２には、微小剪断面が概略的に図示されている。分散相Ｂ用の溝１は、連続 相Ａ用の溝２と交差する。交差点に微小剪断面３が形成し、その大きさは双方の 溝の幅ａおよびｂによって与えられている。 図３は、相の種々の接続可能性を示す。相Ａ（連続相）およびＢ（分散相）の 案内は、装置の内部で種々に形成することができる。それで、ＡおよびＢの供給 は図１に対し交換されていてもよい（図３ａ）。Ｂの供給は両側で行なう必要は なく、片側で行なうこともできる（図３ｂ）。他の接続可能性は、ＡおよびＢが それぞれ相対する側から流入することにある（図３ｃ ）。図３ａ〜３ｃに図示した接続は、たとえば２相以上の多重分散が必要な場合 、任意に直列に配置することができる。複数装置の直列接続は、平行に経過する 化学反応の反応時間のために大きい相界面を維持すべき場合、つまり凝結による 不可逆的相分離を再分散により抑えなければならないときでも有利である。 強い発熱反応または吸熱反応においては、１以上の直列に配置された図４によ るマイクロ熱伝達器の後接が推奨される。このために適当なマイクロ熱伝達器は 、ＤＥ３７０９２７８Ａ１号に記載されている。複数の直列に接続されたマイク ロ熱伝達器の場合、個々の熱伝達器の比容積の熱交換効率は化学反応のそれぞれ の局部熱生産に適合させることができる。通例、熱生産は反応路に沿って減少す るので、マイクロ熱伝達器の比容積の熱交換効率はたとえば微細通路の寸法を増 大することにより相応に減少することができる。これから、溝を貫流する際に明 らかに僅かな圧力損失が生じる。図４には、連続相は再びＡで表わされ、分散相 はＢで表われ、冷却剤または加熱剤はＤで表わされている。本発明による装置４ は、概略的に左方に図示されている。右方にはマイクロ熱伝達器５が存在し、こ れは装置４から分配帯域６により分離されている。 次に、本発明を例につき詳説する。 例１ ： 液−液系におけるマイクロ分散装置の分散挙動を判 断するために、パラフィン油Ｗ１５（動的粘度１５ｍＰａｓ）を蒸留水で２０℃ で乳化する。エマルションの安定化のために、油相に乳化剤を添加する（ＨＬＢ １１．５、油相に対して１０質量％）。エマルションの製造は、パラフィン油お よび水を別個に分散装置に供給することにより連続的に行なう。パラフィン油対 水の容積流比は、３０：７０である。乳化プロセスは、水中油滴型エマルション を生じる。実験の主目的は、エマルション製造に必要なエネルギー消費を最小に することであった。図５ａによるマイクロ分散装置を使用した。 使用したマイクロ分散装置は次の規格を有する： − 流路Ａ：それぞれ７７個の微細通路を有する金属箔７７個；従って微細通路 合計２５４１個；通路幅１００μｍ、通路の高さ７０μｍ、通路の長さ１４ｍｍ 、２つの平行な微細通路間のウエブ幅３０μｍ − 流路Ｂ：それぞれ３９個の平行な微細通路を有する３３個の金属箔、従って 合計１２８７個の微細通路、２つの平行な微細通路間のウエブ幅６０μｍ − 微小剪断面の数：９９０９９個 − 活性構成部材の容積：１ｃｍ³ − 材料：特殊鋼１．４３０１。 マイクロ分散装置の作業能力を判断できるようにするため、同じ実験条件下で エマルションを、２段ノズル（図５ｂ）を用いるかないしは後接された噴射分散 装置を有する１段ノズル（図５ｃ）を用いて製造した。 実験１〜４においては、マイクロ分散装置の使用下に種々の流れ案内実施形を 試験した（図６）： −実験ＶＩ：油供給は流路Ｂにより両側で、水供給は流路Ａにより片側で −実験Ｖ２：水供給はＢにより両側で、油供給はＡにより片側で −実験Ｖ３：油供給はＡにより両側で、水供給はＢにより片側で −実験Ｖ４：水供給はＡにより両側で、油供給はＢにより片側で 実験５〜７においては、種々の慣用ノズルを試験した： −実験Ｖ５：２段ノズル、第１ノズルの直径：０．３ｍｍ、第２ノズルの直径 ：０．４ｍｍ −実験Ｖ６：２段ノズル、第１ノズルの直径：０．６ｍｍ、第２ノズルの直径 ：１．１ｍｍ −実験Ｖ７：後接された噴射分散装置を有する１段ノズル、直径０．６ｍｍ、 周囲に２個の０．８ｍｍの孔を有する噴射分散装置： 図６には、光回折により確かめた液滴の大きさの中央値（ディメンションμｍ ）が乳化過程にとり重要な平均動的圧力損失Ｐｍ（ディメンションＰａ）に対し てプロットされている。その際、マイクロ分散装置の 微細通路中に起きる壁面摩擦は考慮されていない。平均動的圧力損失は、液体Ａ 及びＢの容積流量についての測定によって判明した。 Ｐ_m＝（ｒ／２ｕ²）_A ^*Ｖ_A／Ｖ_ges＋（ｒ／２ｕ²）_B ^*Ｖ_B／Ｖ_ges Ｐ_m＝平均動的圧力損失 ｒ＝流体密度 ｕ＝微細通路中の流体速度 Ｖ_A=流体Ａの容積流量 Ｖ_B=流体Ｂの容積流量 Ｖ_ges＝Ｖ_A＋Ｖ_B に相応する液体Ａ及びＢの容積流量についての測定によって判明した。 プロットは、特定の平均的液滴の大きさの製造のためにマイクロ分散装置を使 用する場合には、慣用装置の場合よりも明らかに僅少な動的圧力損失（率約１０ ０）が必要であることを示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴィルヘルム ビーア ドイツ連邦共和国 エッゲンシュタイン― レオポルツハーフェン グラーベナー ヴ ェーク 10 (72)発明者 ゲルト リンダー ドイツ連邦共和国 カールスルーエ シュ テファン―ロッホナー―ヴェーク ２ (72)発明者 エルハルト ヘルマン ドイツ連邦共和国 レーフエルクーゼン フェリックス―フォン―ロール―シュトラ ーセ 11デー (72)発明者 ベルント クリンクジーク ドイツ連邦共和国 ベルギッシュ グラー トバッハ オーバーフォルバッハ 10 (72)発明者 ベルント クルムバッハ ドイツ連邦共和国 レーフエルクーゼン ヘルマン―エーレルス―シュトラーセ 62

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも１つの第一相および第二相を有する分散混合物の製造方法におい て、 ａ）第一相ならびに第二相を部分流に分割し、 ｂ）第一相の部分流は第一平坦層中に存在し、第二相の部分流は第二平坦層中 に存在し、 ｃ）第一平坦層中の第一相の部分流を、分散過程および混合過程を開始させる ために、一定の角度で第二平坦相中の部分流に供給し、その際 ｄ）第一相の部分流と第二相の部分流との交差点で、部分流を合流および混合 し、 ｅ）平坦層は平行におよび直接に重なり合って配置されている、 分散混合物の製造方法。 ２．少なくとも１つの第一相および第二相からなる分散混合物の製造装置におい て、 − ２個の箔を含み、 − それぞれ箔の片側に溝の平行群が設けられているすくなくとも１つの基本 ユニットからなり、その際基本ユニット中で、２つの箔は、 − 双方の箔の溝を備える側が重なり合って存在しおよび − 互いに一定の角度を形成するように構成されている、分散混合物の製造装 置。 ３．９０°の角度を有する、請求項２記載の装置。 ４．溝が平行に箔の２つの縁に延在する、長方形の箔を有する、請求項３記載の 装置。 ５．幅および深さが１０および１００μｍの間にある溝を有する、請求項２から ４までにいずれか１項記載の装置。 ６．装置の生成物出口に後接されたマイクロ熱交換器を有する、請求項２から５ までのいずれか１項記載の装置。