JP2004508171A - 化学プロセス及びプラント - Google Patents

Abstract

リチウム金属のような材料の粒子とヘキサン溶液中のブチルクロライドのような試薬との化学反応を行うプラントであって、一の反応生成物が固体材料であり、反応容器（１２）を含む。いくつかの超音波変換器（１６）が、該容器に超音波を照射するための容器（１２）の壁に取り付けられ、該容器が、各変換器が液体中に少なくとも０．１ｍ厚で照射する程十分大きく、各変換器が３Ｗ／ｃｍ^２以下で照射し、及び変換器が互いに十分に近接しており、多くの変換器が、容器内のパワー損失が少なくとも１０Ｗ／リットルで２００Ｗ／リットル以下であるように十分高い。高強度の超音波は、リチウムクロライドが容器（１２）の中のリチウム金属粒子の表面をきれいにすることを確保する。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粒子形態の材料と液体との反応を含む化学反応を行うための方法及び装置であって、この反応の生成物が、粒子材料の上にコーティングを形成する傾向がある固体であるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は、アルカリ金属を含む反応に特に好適であり、この金属は、高度に反応性であるが、軟らかいので、ポンピングするのが容易ではない。そのような金属との化学反応は、不活性液体の懸濁液中における粒子形態の金属で行われてもよく、この液体は金属が反応する材料に対する溶媒として行動する。例えば、リチウム金属は、ブチルクロライドと、ヘキサンのような溶媒の溶液中で反応させてもよい。金属粒子表面における塩の層の形成は、この反応を抑制し得る。金属がいつも曝露されているようにすることも望まれるが、別にこの反応はそうしなくとも起こり、例えば、ブチルクロライドは所望の生成物、ブチルリチウムと反応し得る。
【０００３】
本発明に従い、第１材料と試薬との化学反応を行う方法が提供され、この反応は、粒子形態の第１材料と試薬を含む液体との間で行われ、一つの反応生成物は固体材料であり、この方法は、プラント中における第１材料と試薬とを接触する工程であって、このプラントは、少なくとも１つの反応容器と、この容器に超音波を照射するためのこの容器の壁に取り付けられた複数の超音波変換器とを含み、この容器は、各変換器が液体中に少なくとも０．１ｍ厚で照射するのに十分大きく、各変換器は、３Ｗ／ｃｍ^２以下で照射し、及び、この変換器は、互いに十分近接しており、いくつかの変換器は、容器内のパワー損失が少なくとも１０Ｗ／リットルで２００Ｗ／リットル以下であるように十分高い工程、反応容器の中身を撹拌する工程、変換器を活動させる工程とを含む。
ここで与えられるパワーの値は、変換器に伝えられる電力の値であるが、これは、測定が比較的容易である。電力を音響パワーに変換する際、及び音響パワーを変換器から容器内の液体に伝える際のロスは避けられないが、正確に評価することは困難である。変換器は、電力から音響パワーに変換する際、典型的に少なくとも９０％の効率である。
各変換器によって照射されるパワーは、例えば、１〜２Ｗ／ｃｍ^２の範囲にあってもよい。これは、超音波クリーニングバス中で使用されるのと同様の超音波パワー強度であり、キャビテーションを達成するために要求される閾値より高い。より高いパワー、例えば、１０Ｗ／ｃｍ^２を達成することも可能であるが、本発明で特定される低強度超音波は、更に液体を通して伝播し得、変換器内の応力が減少する。
【０００４】
すべての変換器を、同時に活動させてもよく、又は、これとは別に変換器の群を連続的に活動させてもよい。変換器は、すべて同一周波数、例えば、２０ｋＨｚですべて活動させてもよく、又これとは別に、変換器の群が、異なる周波数、例えば２０ｋＨおよび４０ｋＨｚで活動してもよい。実際の操作の周波数は、通常、重要ではないが、１４０ｋＨｚ又はさらに２００ｋＨｚ程度の高さであってもよく、このような高い周波数は、キャビテーション・エロージョンのリスクを減少する傾向にある。
リチウム金属とブチルクロライドとの反応に対し、リチウム金属の粒子は好ましくは、１ｍｍの大きさよりも大きく、例えば、３ｍｍ〜１０ｍｍ、又は約５ｍｍである。リチウムクロライドの粒子は、化学反応によって形成され、リチウム粒子の表面から超音波照射によって取り除かれ；これら粒子は、典型的に０．１ｍｍの大きさより小さい。好ましくは、容器は、出口ポートを有し、ここを通して容器からの液体が抽出され得、及び、好ましくは、この出口ポートは、粗いメッシュ又は濾過器を備えていて、リチウム粒子が容器内に保持される。
本発明は、ここで、例示目的のみとして、及びｎ−ブチルリチウムを製造するための化学プラントを示す付随的な図面を参照することによって更にかつより詳細に記載される。
【０００５】
【発明の実施の形態】
Ｎ−ブチルリチウムは、ブチルクロライドとリチウム金属との、例えば、ブチルクロライド用の溶媒としてのヘキサン中の反応によって製造される。ここで、リチウム金属は、懸濁され得る。この反応は、非常に微細なリチウム金属粒子を使用して行われてもよいが、そのような微細な金属粒子の製造及び使用は、危険かもしれない。リチウム金属の大きな粒子の使用は、現実的でないように見える。これは、リチウムクロライドが、更なる反応を抑制する表層を形成するからである。
化学プラント１０は、２つの実質的に同一の反応容器１２，１３を含み、それぞれは可変速度多段階撹拌機１４を備える。それぞれは、更に、温度調節ジャケット１５を備える。それぞれは、ステンレススチールで壁厚２ｍｍであり、この壁の外側は多数の変換器モジュール１６が備えられている（例えば、５０〜１００の間、うち２つを示す。比率によらない）。各変換器モジュール１６は、２０ｋＨｚで共振する５０Ｗ圧電性変換器１６ａからなり、これには円錐形フレアチタンカップリングブロック１６ｂが備えられ、これによって壁の外側に結合され、各ブロック１６ｂの幅広末端（そこに壁が結合されている）は、例えば６３ｍｍの直径であり、各変換器モジュール１６は、直径６３ｍｍの円周にわたって５０Ｗで照射、即ち、１．６Ｗ／ｃｍ^２の強度で照射される。モジュール１６は、各容器１２又は１３の実質的に壁全体を被覆する配列を形成する。全変換器１６ａからのエネルギーは、容器１２又は１３の全容量に分散され、いくつかの変換器モジュール１６は、粉体密度が好ましくは、約５０又は６０Ｗ／リットルである。
【０００６】
すべての変換器１６ａは、上述したように、２０ｋＨｚで共振してもよいが、これとは別に、そのいくつかは、代わりに４０ｋＨｚのような異なる周波数で共振してもよい。すべての変換器１６ａは、同時に活動してもよく、又は、これとは別に近接した変換器１６ａの一群が、連続的に活動してもよい。例えば、容器の一面のすべての変換器１６ａが、その後に逆の面のすべての変換器１６ａが、共通の群として活動してもよい。
各容器１２，１３は、さらに、粗いメッシュによって被覆された出口ポート１８を提供し、直径２ｍｍ未満の粒子だけが通過し得る。出口ダクト１９は、バルブ２０、インラインフィルターユニット２２、ポンプ２４，及びカットオフバルブ２６を備え、第１容器１２の出口ポート１８と第２容器１３の入口とを接続する。第２容器１３の出口ポート１８は、同様に、バルブ３０，及びインラインフィルターユニット３２がある出口ダクト２９を提供する。ポンプ２４の下流で、カットオフバルブ３６を有する再循環ダクト３４は、ダクト１９と容器１２の再循環入口とを接続する。
【０００７】
第１容器１２は、それぞれヘキサン、ブチルクロライド、及びリチウム金属の粒子用の入口４０、４１、及び４２、並びに還流冷却器４３を備える。これは、さらに、温度計４４を備える。第２容器１３は、同じくそれぞれヘキサン及びリチウム金属の粒子用の入口４０及び４２、還流冷却器４３、並びに温度計４４を備える。それぞれの場合において、リチウム金属は、例えば、直径約５ｍｍに細かくされ；その正確な形及びサイズは、重大ではなく、リチウムは大きなブロックであってもよく、例えば、０．１ｍ立方、または、例えば１０ｍｍ直径と０．１ｍ長の棒、または、例えば、直径５ｍｍ又は１０ｍｍの棒から２０ｍｍ長でカットした円筒形部分であってもよい。装置は、さらに、容器１２及び１３をアルゴンでパージするために提供される。
プラント１０の使用において、アルゴンでパージされた後、第１容器１２はヘキサン及びリチウム金属粒子で、入口４０及び４２を通してチャージされ、攪拌器１４を作動させて容器１２の中身を徹底的に混合及び循環させる。容器１２を、ジャケット１５を使用して、５０℃の温度に最初に加熱する。ブチルクロライドは、その後入口４１を通して徐々に加える。ブチルクロライドは、リチウム金属と発熱的に反応し、所望の生成物、ブチルリチウムを生成し、さらに、リチウムクロライドを生成する。容器１２の温度は、ブチルリチウムを添加する速度を調節することによって、必要であれば、クーラントをジャケット１５に供給することによってコントロールされる。ヘキサンの温度は、その沸点６９℃に上昇してもよいが、蒸発するヘキサンは、冷却器４３によって容器１２に戻される。容器１２の壁の超音波変換機モジュール１６を活動させ、中身を高強度の超音波、例えば、６０Ｗ／リットルにかけ、リチウム金属粒子の表面からリチウムクロライドの小さな粒子を取り除く。
【０００８】
バルブ２０及び３６を開き（及びバルブ２６を閉じ）、及びポンプ２４を活動させることによって、容器１２からの液体をフィルター２２を通して再循環してもよい。リチウム金属粒子は、出口ポート１８でのメッシュを通過するには大きすぎるので容器１２中に残る。フィルター２２は、典型的な大きさで１μｍ〜１００μｍの粒子の形態のリチウムクロライドをこのようにして取り除く。バルブ２０及び２６を開き（及びバルブ３６を閉じ）、ポンプ２４を活動させることによって、容器１２からの液体は、代わりに第２容器１３中に渡される。これは、第２容器１３をアルゴンで最初にパージし、これをヘキサン及びリチウム金属でチャージした後に行われる。したがって、第２容器１３に運ばれる未反応ブチルクロライドは、これと反応する大過剰のリチウム金属にさらされる。これは、副反応のリスクを抑制する。第２容器１３は、さらに、第１容器１２と同様にして高強度の超音波にかけられる。
最後に、ブチルリチウムのヘキサン溶液を第２容器１３の出口ダクト２９を通し、リチウムクロライドの粒子を除去するフィルター３２を通して放出し、非常に大きな粒子のリチウム金属を出口ポート１８の粗いメッシュによってトラップする。
【０００９】
本発明の範囲内ではあるが、化学反応プラントは上述のものと異なっていてもよいことが理解され、いくつかの詳細は、含まれる化学試薬に依存するだろう。例えば、上記反応において、代わりの溶液、例えば、８１℃で沸騰するシクロヘキサンを使用してもよい。プラントも異なってよく、例えば、容器１２及び１３は、代わりにポリテトラフルオロエチレンのような異なる材料でできていてもよく、超音波変換器モジュール１６は、容器に間接的に結合されていてもよく、わずかに大きな同心の壁に結合されていてもよく、内壁及び外壁の間のスペースは、容器で使用されるヘキサンのような溶液よりもキャビテーションに対する高い閾値を有するオリーブオイルのようなカップリング液で満たされている。同心の壁の間のギャップは、好ましくは超音波の波長の１／４であり、ギャップ中のオイルは、ヘキサン中のチタンカップリングブロックと溶液のインピーダンスを適合させる一助となり、多くの適用されたパワーが容器内の反応液体に入る。

Claims (7)

1. 第１材料と試薬との化学反応を行う方法であって、該反応が、粒子形態の第１材料と該試薬を含む液体との間で行われ、一の反応生成物が固体材料であり、前記方法が第１材料と試薬とをプラント中において接触する工程であって、該プラントが少なくとも一の反応容器（１２）と、超音波を該容器中に照射するために容器（１２）の壁に取り付けられた多数の超音波変換器（１６）とを含み、該容器（１２）が、各変換器（１６）が液体中に少なくとも０．１ｍ厚で照射する程十分大きく、各変換器（１６）が３Ｗ／ｃｍ^２以下で照射し、及び変換器（１６）が互いに十分に近接しており、多くの変換器（１６）が、容器（１２）内のパワー損失が少なくとも１０Ｗ／リットルで２００Ｗ／リットル以下であるように十分高い工程、反応容器（１２）の中身を撹拌（１４）する工程、及び変換器（１６）を活動させる工程、を含むことを特徴とする方法。
2. 各変換器（１６）によって照射されるパワーが１〜２Ｗ／ｃｍ^２の範囲内にある、請求項１に記載の方法。
3. 変換器（１６）が、同時に活動する、請求項１又は２に記載の方法。
4. 変換器（１６）の群が、連続して活動する、請求項１又は２に記載の方法。
5. 容器（１２，１３）自体又はそれぞれが、出口ポート（１８）を有し、これを通して液体が容器（１２，１３）から抽出され得、この出口ポート（１８）が、粗いメッシュ又は濾過器を備え、第１材料の粒子が容器（１２，１３）中に保持される、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 第１材料が、リチウム金属と、ブチルクロライドを含む試薬とであり、リチウム金属の粒子が１ｍｍよりも大きい、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. リチウム金属の粒子が、３ｍｍ〜２０ｍｍの大きさである、請求項６に記載の方法。

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