JP2014210250A - 処理装置及び処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】処理槽の熱容量が大きい場合であっても、処理温度を厳密且つ高精度に制御しながら抽出、分離、反応といった化学的な操作を行う。【解決手段】本発明の処理装置１は、処理温度を制御しつつ原料流体を処理する処理装置１であって、原料流体を導き入れて内部で処理を行う処理部材２と、この処理部材２を収容すると共に処理部材２内で処理した処理生成物を貯留する処理槽３と、を具備していて、処理部材２の内部には、この処理部材２の内部に設けられて原料流体を流通させる微細流路１０と、微細流路１０の原料流体とは異なる温度とされた熱媒を流通させる熱媒流路１１とが、熱交換可能となるように隔離されて配備されていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、処理温度を細緻に調整しつつ原料流体に対して抽出、分離、反応などの化学的な処理を行うことができる処理装置及び処理方法に関する。
例えば、有機化合物の合成などを行う場合のように、処理槽の内部に供給された原料流体に対して、処理温度を細緻に調整しつつ抽出、分離、反応といった化学的な処理を行う場合がある。このような場合は、反応槽の内部に温調機構を設けて処理の温度（反応温度）を厳密に制御する必要があり、温調機構としてコイル状の熱交換器や温調用ジャケットなどが用いられる。
例えば、熱交換器は、処理槽に貯留された原料流体に浸漬して用いられるものであり、熱伝導性に優れた金属などで形成された配管を螺旋状に曲げて形成されている（図５（ｂ）を参照）。この螺旋状に曲げられた配管の内部には加熱または冷却された熱媒を流通できるようになっており、配管の管壁を通じて熱媒と原料流体とが熱交換することで原料流体の温度を所望の処理温度に調整することが可能となっている。
また、温調用ジャケットは、処理槽の周囲を取り囲むように配設された中空の部材であり、内部には熱媒が滞留可能となっている。それゆえ、熱交換器同様に、ジャケットの内部に所望の温度の熱媒を供給すれば処理槽の槽壁を介して熱媒と原料流体とが熱交換され、原料流体の温度を目標とする処理温度に調整することが可能となる。
なお、このような熱交換器や温調用ジャケットを用いた温調機構の場合、熱交換器の表面や温調用ジャケットが取り付けられた処理槽の内壁面だけが他の場所より加熱されたり冷却されたりするので、処理槽の内部に大きな温度ムラが発生しやすくなる。それゆえ、上述した温調機構を設ける場合には、非特許文献１に示すような攪拌手段を設けて処理槽の内部を攪拌し、処理槽の内部で原料流体の温度ができる限り均等になるように処理を行うのが一般的である。
飯泉新吾、「改訂四版 化学工学便覧」、丸善株式会社、昭和５３年１０月２５日発行、昭和５５年１２月２５日第２刷発行、ｐ．１３２２−１３２３
ところで、上述した攪拌翼などを反応槽に設けて原料流体の攪拌を行う場合であっても、処理槽の熱容量が大きい場合は加熱や冷却に多大な時間が必要となる。特に、上述した熱交換器や温調用ジャケットでは、コイルやジャケットの表面に大きな伝熱面積を確保しようとしても、大きくできる伝熱面積には自ずと限界があり、加熱や冷却のスピードアップを図ろうとしてもあまり効果が得られない場合も多い。
無論、攪拌翼による攪拌を強くしたり、原料流体と熱媒との温度差をさらに大きくしたりすれば、加熱や冷却のスピードアップも期待できる。しかし、攪拌が強くなり過ぎると、用いる原料流体の種類によっては、原料流体が細分化されてしまい、細分化された原料流体を元の単一な原料流体に分離するのにかえって時間がかかる場合もある。また、原料流体と熱媒との温度差を大きくし過ぎると、原料流体が熱分解などを起こす場合があり、かかる手段を採用することが困難となる場合もある。
それゆえ、攪拌翼による攪拌を用いたとしても、実際には原料流体の温度を短時間で調整したり、温度を精度良く制御したりすることは困難であった。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、処理槽の熱容量が大きい場合であっても、処理温度を厳密且つ高精度に制御しながら抽出、分離、反応といった化学的な操作を行うことができる処理装置及び処理方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の処理装置は、処理温度を制御しつつ原料流体を処理する処理装置であって、前記原料流体を導き入れて内部で処理を行う処理部材と、この処理部材を収容すると共に処理部材内で処理した処理生成物を貯留する処理槽と、を具備していて、前記処理部材の内部には、この処理部材の内部に設けられて前記原料流体を流通させる微細流路と、前記微細流路の原料流体とは異なる温度とされた熱媒を流通させる熱媒流路とが、熱交換可能となるように隔離されて配備されていることを特徴とする。
なお、好ましくは、前記処理部材は、前記微細流路及び熱媒流路を複数備えた多流路部材であるとよい。
なお、好ましくは、前記多流路部材の微細流路には、前記熱媒流路の熱媒との間に熱交換を行うことで、前記原料流体の温度を調整しつつ原料流体の反応を行う反応流路が設けられているとよい。
なお、好ましくは、前記原料流体は、１種類または２種類以上の流体から形成されているとよい。
なお、好ましくは、前記反応槽には、密度が異なると共に互いに相溶しない２種類の原料流体が上下２層に分かれて貯留されており、前記多流路部材の微細流路には、前記反応槽の下部から取り入れられた下層の原料流体を流通させつつ反応させる反応流路と、前記反応槽の上部から取り入れられた上層の原料流体を、前記導入流路の途中に合流させる合流流路と、が設けられているとよい。
一方、本発明の処理方法は、原料流体を導き入れて内部で処理を行う処理部材と、この処理部材を収容すると共に処理部材内で処理した処理生成物を貯留する処理槽と、を具備した処理装置を用いて、処理温度を制御しつつ原料流体を処理するに際しては、前記処理部材の内部に、前記原料流体を流通させる微細流路と、この微細流路の原料流体とは異なる温度とされた熱媒を流通させることにより、前記微細流路内の原料流体の処理温度を調整することを特徴とするものである。
本発明の処理装置及び処理方法によれば、処理槽の熱容量が大きい場合であっても、処理温度を厳密且つ高精度に制御しながら抽出、分離、反応といった化学的な操作を行うことができる。
第１実施形態の処理装置を示す図であり、（ａ）は処理開始時の処理装置を示し、（ｂ）は処理終了時の処理装置を示している。 第２実施形態の処理装置を示す図であり、（ａ）は処理開始時の処理装置を示し、（ｂ）は処理終了時の処理装置を示している。 第３実施形態の処理装置を示す図である。 多流路部材における単板部材の積層状態を示した図である。 処理槽内部での原料流体の温度分布を（ａ）従来の処理装置と、（ｂ）本発明の処理装置とで比較した図である。
以下、本発明に係る処理装置を図を基に説明する。
［第１実施形態］
図１に示すように、本実施形態の処理装置１は、少なくとも１種類以上の原料流体を用いて、原料流体を所定の処理温度に調整しながら、抽出、分離、反応といった化学的な操作（化学的な処理）を行うものとなっている。
なお、上述した化学的な操作としては、次のようなものを考えることができる。
例えば、化学的な操作として「反応」を行う処理装置１、言い換えれば反応装置１には、２種類以上の原料流体を混合させた上で所定の処理温度で化学反応させることにより、反応生成物Ｃを得るような処理装置を考えることができる。また、この反応装置１には、装置内に導入する原料流体が１種類だけ（言い換えれば混合を行わないもの）であっても、所定の処理温度に加熱等することで原料流体の化学反応を行わせるものも含まれる。
また、化学的な操作として「抽出」を行う処理装置１には、互いに混じり合うことがな
い水のような重液と、重液より比重が小さな油のような軽液とを流路内で接触させ、軽液（油）に含まれる抽出対象の物質を、重液（水）に移動して、抽出対象の物質を水溶液として取り出すような装置（液液抽出装置）を考えることができる。
なお、以降の第１実施形態〜第３実施形態では、２種類以上の原料流体を混合させた上で所定の処理温度で化学反応させる反応装置１を例に挙げて、本発明の処理装置を説明する。
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、第１実施形態の反応装置１は、原料Ａと原料Ｂとの２種類の原料流体を混合しつつ反応させて、反応生成物Ｃ（処理生成物）を生成させるものとなっている。この反応装置１は、原料Ａ及び原料Ｂを導き入れて内部で混合しつつ反応を行う処理部材と、この処理部材内での反応で得られた反応生成物Ｃを貯留する反応槽３（処理槽）と、を具備している。なお、以降では、処理部材として後述する微細流路１０及び熱媒流路１１が複数設けられた多流路部材２を用いた例を挙げて、本発明の処理装置１を説明する。
また、２種類の原料流体のうち、一方の原料流体（以降、原料Ａという）は、反応槽３の外部に設けられた原料槽４に貯留されている。また、他方の原料流体（以降、原料Ｂという）は、反応槽３の内部に予め貯留されている。そして、上述した多流路部材２は反応槽３の内部に原料Ｂに浸漬した状態で収容されており、また原料槽４と反応槽３との間には複数の配管から構成された処理配管５が配設されていて、原料槽４の原料Ａや反応槽３の原料Ｂなどを槽間で移動できるようになっている。
以降では、まず、第１実施形態の反応装置１を構成する反応槽３、原料槽４、これらの槽の周囲に配設された処理配管５について説明する。
反応槽３（処理槽）は、上方に向かって開口した有底円筒状の容器であり、２種類の原料流体やこれらが反応して得られる反応生成物Ｃを内部に貯留可能となっている。この反応槽３の上方開口は、必要に応じて図示しない蓋などで閉鎖可能となっている。反応槽３の内部には、原料流体や反応生成物Ｃに浸漬された状態で上述した多流路部材２が収容可能となっている。
具体的には、反応槽３に収容されている原料流体は反応の進行状況に合わせて種類が変化するようになっており、処理開始時と処理終了時とでは反応槽３に収容されている原料流体の種類は異なっている。つまり、図１（ａ）に示すように反応を開始する前は、反応槽３に収容されている原料流体は、原料Ｂのみである。ところが、反応が開始されると、多流路部材２の内部で反応生成物Ｃが生成され、生成した反応生成物Ｃが逐次反応槽３に貯留されていくので、反応槽３に収容されている流体は原料Ｂと反応生成物Ｃとが混合した状態となる。やがて、図１（ｂ）に示すように原料流体の殆どが反応生成物Ｃに変化すると、反応槽３に収容されている流体は反応生成物Ｃのみとなる。なお、この反応槽３に収容される原料流体の種類の変化については、後ほど詳しく説明する。
原料槽４は、反応槽３の外部に、反応槽３とは別に設けられた槽である。原料槽４の内部には、上述した原料Ａが貯留されている。この原料槽４と反応槽３との間や、反応槽３の周囲には、上述した処理配管５が配設されている。
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、処理配管５は、次に示す第１配管６〜第３配管８の３つの配管を組み合わして構成されている。
第１配管６は、入側が原料槽４に連結され、出側が反応槽３内の多流路部材２に連結されていて、原料槽３から多流路部材２に向かって原料Ａを供給する構成とされている。第１配管６の途中には、原料Ａ（原料流体）を原料槽４から反応槽３に向けて圧送するポンプＡと、このポンプＡに送られる流体の供給元を原料槽４（原料Ａ）から第３配管８に切り替える切替弁９とが配備されている。
具体的には、この切替弁９は、図１（ａ）に示すように原料槽４に原料Ａが残っている場合は、原料槽４の原料ＡをポンプＡ側に送るように調整されている。しかし、図１（ｂ）に示すように原料槽４の原料Ａがすべてなくなったら、後述する第３配管８を経由して反応槽３内の流体（反応生成物Ｃと未反応の原料流体との混合物）を第１配管６に合流させて、反応生成物ＣをポンプＡ側に送るように切り替える構成となっている。
第２配管７は、入側が反応槽３の内部に配備されていて、出側が多流路部材２に連結されており、反応槽３内に予め貯留された原料Ｂや反応生成物Ｃを吸い込んで、再び多流路部材２の内部に供給可能な構成とされている。この第２配管７の吸い込み側（入側）の端部は、反応槽３の内部における低い位置に設けられており、処理開始時に反応槽３内に予め貯留されていた原料Ｂを吸い込み可能な位置に取りつけられている。第２配管７の途中には、この第２配管７に沿って原料Ｂまたは反応生成物Ｃを圧送するポンプＢが配備されている。
具体的には、この第２配管７は、反応槽３の内部に設けられた入側から一旦反応槽３の外部に向かって伸び、反応槽３の外部に設けられたポンプＢを経由した後、多流路部材２の内部に再び戻る経路に沿って配設されている。つまり、図１（ａ）に示すように反応槽３に貯留された流体が殆ど原料Ｂである場合は、この原料Ｂが第２配管７を流通する。しかし、図１（ｂ）に示すように反応槽３に原料Ｂに加えて反応生成物Ｃも貯留されるようになると、原料Ｂと反応生成物Ｃとの混合物が第２配管７を流通するようになる。それゆえ、第２配管７は、多流路部材２と反応槽３との間で原料流体を循環させつつ反応を行わせる配管ということもできる。
第３配管８は、原料槽４の原料Ａが第１配管６によって殆ど多流路部材２に送られて反応した後で、反応槽３内に貯留された未反応の原料Ａを再び多流路部材２の内部に供給して反応率を高める為に用いられる。この第３配管８の入側（吸い込み側）の端部は、反応槽３の内部における高い位置に取り付けられており、反応がある程度進行して反応槽３内に大量の反応生成物Ｃが貯留され、反応槽３内の液面が所定の高さより高くなった場合に、はじめて原料流体や反応生成物Ｃを吸い込み可能とされている。
多流路部材２（処理部材）は、上述した反応槽３（処理槽）の内部に収容された部材であり、原料流体を内部に導き入れて、内部で原料流体の化学反応を行うことができるようになっている。具体的には、この多流路部材２の内部には、多流路部材２の内部に設けられて原料流体を流通させる微細流路１０が設けられている。この微細流路１０の内部では、供給された原料Ａと原料Ｂとが混合されて反応を起こし、反応生成物Ｃが生成されている。また、多流路部材２の内部には、微細流路１０の原料流体とは異なる温度とされた熱媒を流通させる熱媒流路１１が配備されている。そして、本発明の反応装置１（処理装置）は、微細流路１０と熱媒流路１１とが多流路部材２の内部で互いに熱交換可能となるように隔離されて配備されていることを特徴としている。
次に、本発明の特徴である多流路部材２、及びこの多流路部材２を構成する微細流路１０及び熱媒流路１１について説明する。
図４に示すように、多流路部材２は、第１配管６から供給された原液Ａと、第２配管７から供給された原液Ｂとを微細流路１０内で接触させて反応を行い、得られた反応生成物Ｃを取り出すものであり、上下方向に沿って長尺な板状の本体１２を備えている。
多流路部材２の本体１２は、原料流体である原料Ａや原料Ｂ、あるいは反応生成物Ｃに対して耐食性や耐熱性を備えた金属、合成樹脂、またはセラミックスなどで形成されており、板厚方向に厚みを持った厚板形状（角形状）の外観を備えている。多流路部材２の本体１２の内部には、この本体１２を上下方向または水平方向に貫通する微細流路１０が板厚方向に複数本に亘って形成されており、それぞれの微細流路１０の内部で原液Ａと原液Ｂとを接触させて反応（処理）を行うことができる構成となっている。なお、このような微細流路１０としては、具体的には、０．１ｍｍ〜５．０ｍｍ程度の幅を備えたものが挙げられる。
また、多流路部材２の内部では、板厚方向に隣り合う微細流路１０の間には、微細流路１０を流通する原料流体や反応生成物Ｃの温度を調整する熱媒流路１１が、それぞれ設けられている。この熱媒流路１１も、微細流路１０に対応して多流路部材２の本体１２を上下方向または水平方向に貫通するように複数本に亘って設けられている。つまり、多流路部材２の内部では、板厚方向に沿ってある微細流路１０のすぐ隣りに熱媒流路１１が配備され、さらにこの熱媒流路１１のすぐ隣りに別の微細流路１０が配備されるといったように、微細流路１０と熱媒流路１１とが交番に配置された構造となっている。
具体的には、上述した微細流路１０のそれぞれは、多流路部材２の本体１２を上下に貫通するように形成された反応流路１３と、本体１２内を水平方向に伸びる合流流路１４とを組み合わせたものとなっている。
図４に示すように、反応流路１３は、第１配管６を通じて供給された原料Ａを流路に沿って案内しつつ流路内で反応させて、反応生成物Ｃを生成するものである。この反応流路１３は、本体１２の内部を上下方向に貫通するように形成されている。つまり、反応流路１３は、本体１２の底面に開口した第１取入口１５を備えており、この第１取入口１５には上述した第１配管６が連結していて、原料槽４から取り入れられた（吸い込まれた）原液Ａを本体１２の内部を通って上方に向かって案内できるようになっている。また、反応流路１３は、本体１２の上面に、反応済みの反応生成物Ｃを取り出す取出口１６を有しており、取出口１６から取り出された反応生成物Ｃを反応槽３に送り出して貯留できるようになっている。
合流流路１４は、第２配管７を通じて供給された原料Ｂを、反応流路１３を流れる原液Ａに合流させるものである。この合流流路１４は、本体１２の内部を反応流路１３とは直交する方向、つまり水平方向に沿って多流路部材２の本体１２を貫通するように形成されている。具体的には、多流路部材２の本体１２の側面には第２取入口１７が開口しており、この第２取入口１７から本体１２内を水平方向に伸びるように合流流路１４は形成されている。また、第２取入口１７には、上述した第２配管７が連結されており、この第２配管７を経由して送られてきた原液Ｂを合流流路１４内に供給することができるようになっている。また、合流流路１４は、反応流路１３の上下方向の途中に合流口１８を備えていて、合流流路１４を流れる原料Ｂを合流口１８から反応流路１３に合流させることができる構成となっている。
一方、熱媒流路１１は、上述した微細流路１０（反応流路１３及び合流流路１４）を流れる原料流体の温度を調整するものであり、多流路部材２の本体１２の内部における微細流路１０から板厚方向に沿って所定の距離だけ離れた位置に形成されている。また、熱媒流路１１は、微細流路１０に対して平行になるように配備されており、微細流路１０に交わることがないようになっている。
つまり、微細流路１０と熱媒流路１１とは板厚方向に薄い隔壁を介して隣接するように配備されており、この熱媒流路１１に微細流路１０の原料流体とは異なる温度とされた熱媒を流通させれば、熱媒流路１１を流れる熱媒と微細流路１０を流れる原料流体との間に熱交換が可能となる。それゆえ、この微細流路１０に隣接した熱媒流路１１を流れる熱媒の温度を調整することで、微細流路１０を流れる流体の温度を精度良く調整することが可能となる。
上述した微細流路１０や熱媒流路１１を多流路部材２の内部に複数形成する場合には、次のような方法を採用することができる。
すなわち、図４に示すように、水平方向の幅に比べて上下方向の高さの方が大きい長方形の単板部材２０及び隔離板２１を複数枚に亘って用意する。そして、板厚方向に沿ってある単板部材２０の隣に隔離板２１を配備し、この隔離板２１の隣に別の単板部材２０を配備するといったように、単板部材２０と隔離板２１とを交番に積層して、多流路部材２の内部に上述した微細流路１０や熱媒流路１１を複数本に亘って形成している。
具体的には、この単板部材２０は、隔離板２１と同じ高さ及び幅を備えた板状の部材であり、隔離板２１よりも厚く形成されている。また、単板部材２０には、上述した微細流路１０を形成する為の第１単板部材２２と、熱媒流路１１を形成する為の第２単板部材２３とがある。これらの第１単板部材２２及び第２単板部材２３も、板厚方向に交番に現れるように配備されている。
第１単板部材２２は、おもて面（表面）に、反応流路１３を形成するための第１溝２４が、上下方向に沿って形成されている。また、第１溝２４は、水平方向に所定の間隔をあけて複数条に亘って形成されており、断面の形状が窪んだ溝（図例では半円状に窪んだ溝）として形成されていて、原料流体（原料Ａ）を上下方向に沿って案内できるようになっている。
また、第１単板部材２２の裏面には、合流流路１４を形成するための第２溝２５が、上下方向に所定の距離をあけて複数条に亘って形成されている。この第２溝２５は、第１溝２４とは直交するように水平方向に沿って形成されている。この第２溝２５も、断面の形状が窪んだ溝として形成されていて、凹状に窪んだ部分を取って原料流体（原料Ｂ）を水平方向に沿って案内できるようになっている。
さらに、第２溝２５は、下側に位置するものより上側に位置するものの方が長く形成されており、設置位置が上側になればなるほど第２取入口１７から離れた位置にある反応流路１３に原料流体を合流できるようになっている。
また、第１単板部材２２の内部には、おもて面の第１溝２４と、裏面の第２溝２５とを結ぶ貫通孔２６が形成されている。この貫通孔２６は、おもて面の第１溝２４と裏面の第２溝２５とが交差する位置に形成されており、板厚方向に沿って形成されている。つまり、貫通孔２６は、貫通孔２６を介して第２溝２５を流れる原料流体（原料Ｂ）を第１溝２４を流れる原料流体（原料Ａ）に合流できるようになっていて、第１溝２４における貫通孔２６の開口が上述した「反応流路１３に対する合流流路１４の合流口１８」とされている。
上述した構成を備える第１単板部材２２に対して、第２単板部材２３は、おもて面（表面）及びうら面（裏面）の双方に、熱媒流路１１を形成するための第３溝２７を、上下方向または水平方向に沿って複数条に亘って備えている。この第３溝２７の形成方向は、表裏いずれも上下方向に沿って形成されていても良いし、左右方向に沿って形成されていても良い。なお、図例では、第２単板部材２３のおもて側の第３溝２７は上下方向に沿って形成されており、第２単板部材２３の裏側の第３溝２７も上下方向に沿って形成されている。これらの第３溝２７は、第１溝２４や第２溝２５と同様に、断面の形状が窪んだ溝（図例では半円状に窪んだ溝）として形成されていて、熱媒を上下方向または水平方向に沿って案内できるようになっている。
隔離板２１は、おもて面とも裏面とも溝が形成されていない平板であり、第１単板部材２２と第２単板部材２３との間に積層されることで、第１溝２４〜第３溝２７の開口を閉鎖して上述した反応流路１３、合流流路１４及び熱媒流路１１を形成できるようになっている。
つまり、第１単板部材２２のおもて面に隔離板２１を積層すれば、隔離板２１により第１溝２４の開口が閉鎖され、第１溝２４を反応流路１３として利用できるようになる。また、第１単板部材２２の裏面に隔離板２１を積層すれば、隔離板２１により第２溝２５の開口が閉鎖され、第２溝２５を合流流路１４として利用できるようになる。さらに、第２単板部材２３のおもて面及び裏面に隔離板２１を積層すれば、隔離板２１により第３溝２７の開口が閉鎖され、第３溝２７を熱媒流路１１として利用できるようになる。
それゆえ、板厚方向に沿って、ある第１単板部材２２の隣に隔離板２１、この隔離板２１の隣に第２単板部材２３、この第２単板部材２３の隣に別の隔離板２１、この隔離板２１の隣に別の第１単板部材２２というように板厚方向に、第１単板部材２２、第２単板部材２３、隔離板２１を交互に積層すれば、これらの板部材の貼合わせ部分に反応流路１３、合流流路１４及び熱媒流路１１が複数設けられた多流路部材２を容易に形成することが可能となる。
次に、上述した反応装置１（処理装置）を用いて反応操作を行う方法、言い換えれば本発明の反応方法（処理方法）について説明する。
例えば、反応槽３の下側に原液Ｂが貯留されており、原液槽４に原液Ａが貯留された反応装置１において、原液Ａと原液Ｂとを反応させて反応生成物Ｃを取り出す場合を考える。
図１（ａ）に示すように、まず原液槽４の内部に貯留された原液ＡをポンプＡを用いて第１配管６内に吸い込み、この第１配管６を通じて反応槽３の内部に収容された多流路部材２に圧送する。この第１配管６の入側は原料Ａが貯留された原料槽４に連結されており、また第１配管６の出側は多流路部材２の内部に形成された微細流路１０、正確には反応流路１３の第１取入口１５に連結されている。それゆえ、ポンプＡ及び第１配管６を用い
れば、第１配管６に取り入れられた原料槽４の原液Ａを、反応流路１３に供給することが可能となる。
一方、反応槽３の内部に予め貯留されていた原液ＢはポンプＢを用いて吸い出され、第２配管７を通じて反応槽３の内部に収容された多流路部材２に圧送される。つまり、第２配管７の入側は原料Ｂが貯留された反応槽３の下部に取り付けられており、また第２配管７の出側は多流路部材２の内部に形成された微細流路１０、正確には合流流路１４の第２取入口１７に連結されている。それゆえ、ポンプＢ及び第２配管７を用いれば、第２配管７に取り入れられた反応槽３の原液Ｂを、合流流路１４に供給することが可能となる。
このようにして反応流路１３に供給された原料Ａと、合流流路１４に供給された原料Ｂとは、合流口１８よりも上側（下流側）に位置する反応流路１３内で混合されて反応し、反応により反応生成物Ｃが生成される。
一方、多流路部材２の内部には、微細流路１０に対して板厚方向に距離をあけて隔離された位置に、上述した熱媒流路１１が形成されている。この熱媒流路１１には所定の反応温度に温度調整された熱媒を供給可能となっていて、熱媒を熱媒流路１１に流通させることで微細流路１０を流れる原料流体を所定の反応温度に調整できるようになっている。
具体的には、微細流路１０の反応流路１３から隔離板２１の厚み分だけ隔離した位置に熱媒流路１１が形成されており、この熱媒流路１１を流通する熱媒から供給される熱を用いて、反応流路１３を流れる原料Ａを所定の反応温度に加熱したり冷却したりすることが可能となっている。
また、反応流路１３とは反対側に向かって、微細流路１０の合流流路１４から隔離板２１の厚み分だけ隔離した位置にも熱媒流路１１が形成されており、この熱媒流路１１を流通する熱媒から供給される熱を用いて、合流流路１４を流れる原料Ｂを所定の反応温度に加熱したり冷却したりすることが可能となっている。
それゆえ、熱媒流路１１に熱媒を供給すれば、微細流路１０に隣接して配備された熱媒流路１１を流通する熱媒から微細流路１０に熱が伝達して、原料Ａと原料Ｂとを予め定められた反応温度に正確に保持しつつ確実に反応を行わせることが可能となる。
このようにして反応流路１３の内部での反応により生成した反応生成物Ｃは、微細流路１０の上端に形成された取出口１６から多流路部材２の外部に取り出され、取り出された反応生成物Ｃは反応槽３に貯留される。それゆえ、図１（ｂ）に示すように反応が進めば、原料槽４の原料Ａがすべて反応槽３に移動し、微細流路１０の内部で反応に用いられて、反応済みの原料流体が反応槽３に貯留されることになる。
なお、微細流路１０を１回だけ流通させただけでは反応が完遂しない場合、言い換えれば反応槽３に未反応の原料流体が残っている場合は、反応槽３に貯留された反応生成物Ｃと未反応の原料Ａ及び原料Ｂとを第２配管７や第３配管８を通じて再び多流路部材２の内部に供給し、原料Ａと原料Ｂとの反応率を高めることも可能である。
上述した反応装置１を用いれば、原料槽４の原料Ａと、反応槽３の原料Ｂとが、微細流路１０に細かく分配された上で反応させられるため、攪拌翼などを用いて攪拌を行わなくても２種類の原料流体同士を微細流路１０の内部で確実に混合して反応させることが可能となる。それゆえ、攪拌翼を用いた場合のように、原料流体同士が細分化するといった不具合を発生させることがない。
また、微細流路１０に隣接した多流路部材２の内部には、微細流路１０を流れる原料流体を加熱又は冷却可能な熱媒を流通させる熱媒流路１１が形成されており、微細流路１０と熱媒流路１１とは非常に大きな熱交換面積を確保しつつ熱交換可能となっている。また、微細流路１０と熱媒流路１１とは、いずれも多流路部材２の内部に設けられていて、外部の温度の影響を受けにくい構造となっている。それゆえ、この熱媒流路１１に熱媒を流通させれば、微細流路１０の原料流体を選択的に且つ短時間で精度良く目標の反応温度に調整することが可能となり、反応槽４の温調に多大な時間を要することもなくなる。
例えば、図５（ｂ）に示すように、金属製の配管をコイル状に曲げて、この配管中に熱媒を供給することにより温度調整を行う従来の反応槽１０３では、攪拌翼を用いて攪拌を行っても反応槽１０３の内部の温度勾配（図において槽壁と槽中央との間の温度差ｄＴ１
として示されるもの）は大きなものとなる。つまり、図５（ｂ）の例では、温調用の配管１１１が設けられた反応槽１０３の内壁面の近傍は温度が高いが、逆に配管１１１から離れた反応槽１０３の中央側は、外気温の影響を大きく受けて温度が低くなり、槽内で温度の差が非常に大きくなって均一な温度条件で反応などの処理を進めることが困難になる。
しかしながら、図５（ａ）に示すように、多流路部材２を用いて温調を行えば、反応槽３の内部の温度勾配（図において槽壁と槽中央との間の温度差ｄＴ２として示されるもの）は小さくなり、外気温の影響を受けにくい状態で反応が行われるので、原料流体の温度をほぼ均一にした状態で反応などの処理を行うことが可能となる。
以上のことから、第１実施形態の反応装置１を用いれば、反応槽３（処理槽）の熱容量が大きい場合であっても、処理温度を厳密且つ高精度に制御しながら、短時間で抽出、分離、反応といった化学的な操作を行うことができる。
［第２実施形態］
次に、図２を用いて、第２実施形態の反応装置１を説明する。
図２に示すように、第２実施形態の反応装置１は、第１実施形態のように原料Ｂを反応槽３に予め貯留しているのではなく、原料Ａと同様に原料Ｂも原料槽４に貯留する構成とされている。
つまり、第２実施形態の反応装置１には、原料Ａを貯留する第１原料槽３０に加えて、原料Ｂを貯留する第２原料槽３１が設けられている。これらの第１原料槽３０及び第２原料槽３１は、いずれも反応槽３の外部に、反応槽３とは別の槽として設けられており、それぞれの槽から個別に原料流体（原料Ａ及び原料Ｂ）を反応槽３の内部に収容された多流路部材２に供給できるようになっている。
また、第２実施形態の反応装置１では、第１実施形態の第１配管６に加えて、第２原料槽３１と合流流路１４の第２取入口１７との間に第２配管７が配備されていて、この第２配管７を通じて第２原料槽３１に貯留された原料Ｂを合流流路１４の第２取入口１７に送る構成とされている。
つまり、第２実施形態の反応装置１では、図２（ａ）に示すように、反応開始時には反応槽３に全く反応生成物Ｃや原料流体は貯留されていない。やがて、ポンプＡ及びポンプＢを駆動させて、ポンプＡを用いて原料Ａを第１配管６を通じて多流路部材２（反応流路１３の第１取入口１５）に圧送すると共に、ポンプＢを用いて原料Ｂを第２配管７を通じて多流路部材２（合流流路１４の第２取入口１７）に圧送する。そうすると、第１取入口１５から供給された原料Ａが反応流路１３に沿って移動すると共に、第２取入口１７から供給された原料Ｂが合流流路１４に沿って移動し、合流口１８より上方の反応流路１３の内部で両原料が混合し合って反応し、反応により生成した反応生成物Ｃが取出口１６を介して反応槽３に取り出されて貯留される。
やがて、図２（ｂ）に示すように、第１原料槽３０中に貯留されていた原料Ａと、第２原料槽３１に貯留されていた原料Ｂとがいずれもなくなったら、原料Ａと原料Ｂとが反応することで得られた反応生成物Ｃが反応槽３を満たすようになる。
このとき、原料Ａと原料Ｂとの反応が完全に終了していない場合、言い換えれば反応槽３の内部に原料Ａや原料Ｂが未反応状態で残っている場合には、第１実施形態と同様に原料Ａと原料Ｂとの反応を完遂させるために反応槽３の原料流体を第１配管６〜第３配管８を用いて再び多流路部材２に帰還させ、多流路部材２の内部でさらに反応を進行させる。
上述した第２実施形態の反応装置１は、例えば原料Ａまたは原料Ｂを所定の反応温度で最初に全量反応させ、全量反応させた後で循環しつつ反応を完遂するのが望ましいような原料流体などに用いることができる。また、原料Ｂに揮発しやすい液体が用いられている場合には、第１実施形態の反応装置では、原料Ｂが反応槽中で揮発してガス化し、原料Ｂを多流路部材中に供給しにくくなる場合がある。このような場合にも、第２実施形態の反応装置は好適に用いることができる。
［第３実施形態］
次に、図３を用いて、第３実施形態の反応装置１を説明する。
図３に示すように、第３実施形態の反応装置１は、反応槽３の内部に、密度が異なると
共に互いに相溶しない２種類の原料流体が上下２層に分かれて貯留したものである。つまり、多流路部材２の微細流路１０には、反応槽３の上部から取り入れられた上層の原料流体（原料Ａ）を流通させつつ反応させる反応流路１３と、反応槽３の下部から取り入れられた下層の原料流体（原料Ｂ）を、反応流路１３の途中の合流口１８に合流させる合流流路１４と、が設けられている。
このような多流路部材２を用いて反応を行えば、合流口１８よりも上方の反応流路１３の内部で、上層の原料Ａと、下層の原料Ｂとが２相流状態で接触し合って反応し、反応により生成した反応生成物Ｃを原料Ａまたは原料Ｂのいずれかに溶解した状態で取り出すことができる。
第３実施形態の反応装置１は、２種類の原料流体が水と油のように互いに相溶しない場合であって、反応生成物Ｃを例えば水溶させた状態で取り出したい場合などに、有効に用いることができる。
以上述べたように、本発明の処理装置（反応装置１）及び処理方法（反応方法）によれば、処理槽（反応槽３）の熱容量が大きい場合であっても、処理温度（反応温度）を厳密且つ高精度に制御しながら抽出、分離、反応といった化学的な操作を確実に行うことができるようになる。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
例えば、上述した第１実施形態〜第３実施形態では、処理部材として多流路部材２を用いた例を挙げた。しかし、処理部材としては微細流路１０及び熱媒流路１１が１本ずつ設けられたもの（単流路部材）を用いても良い。
１ 反応装置（処理装置）
２ 多流路部材
３ 反応槽（処理槽）
４ 原料槽
５ 処理配管
６ 第１配管
７ 第２配管
８ 第３配管
９ 切替弁
１０ 微細流路
１１ 熱媒流路
１２ 多流路部材の本体
１３ 反応流路
１４ 合流流路
１５ 第１取入口
１６ 取出口
１７ 第２取入口
１８ 合流口
２０ 単板部材
２１ 隔離板
２２ 第１単板部材
２３ 第２単板部材
２４ 第１溝
２５ 第２溝
２６ 貫通孔
２７ 第３溝
３０ 第１原料槽
３１ 第２原料槽
１０３ 従来の装置に設けられた反応槽
１１１ 従来の装置に設けられた温調用の配管
Ａ 原料
Ｂ 原料
Ｃ 反応生成物

Claims (6)

  1. 処理温度を制御しつつ原料流体を処理する処理装置であって、
    前記原料流体を導き入れて内部で処理を行う処理部材と、この処理部材を収容すると共に処理部材内で処理した処理生成物を貯留する処理槽と、を具備していて、
    前記処理部材の内部には、この処理部材の内部に設けられて前記原料流体を流通させる微細流路と、前記微細流路の原料流体とは異なる温度とされた熱媒を流通させる熱媒流路とが、熱交換可能となるように隔離されて配備されていることを特徴とする処理装置。
  2. 前記処理部材は、前記微細流路及び熱媒流路を複数備えた多流路部材であることを特徴とする請求項１に記載の処理装置。
  3. 前記多流路部材の微細流路には、前記熱媒流路の熱媒との間に熱交換を行うことで、前記原料流体の温度を調整しつつ原料流体の反応を行う反応流路が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の処理装置。
  4. 前記原料流体は、１種類または２種類以上の流体から形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の処理装置。
  5. 前記反応槽には、密度が異なると共に互いに相溶しない２種類の原料流体が上下２層に分かれて貯留されており、
    前記多流路部材の微細流路には、前記反応槽の下部から取り入れられた下層の原料流体を流通させつつ反応させる反応流路と、前記反応槽の上部から取り入れられた上層の原料流体を、前記導入流路の途中に合流させる合流流路と、が設けられていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の処理装置。
  6. 原料流体を導き入れて内部で処理を行う処理部材と、この処理部材を収容すると共に処理部材内で処理した処理生成物を貯留する処理槽と、を具備した処理装置を用いて、処理温度を制御しつつ原料流体を処理するに際しては、
    前記処理部材の内部に、前記原料流体を流通させる微細流路と、この微細流路の原料流体とは異なる温度とされた熱媒を流通させることにより、前記微細流路内の原料流体の処理温度を調整することを特徴とする処理方法。
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