JP4634433B2 - 噴射型混合反応装置 - Google Patents

Description

本発明は、混合反応装置に関し、特に、化学製品を大規模に生産するときの、原料を高速混合することができる噴射型混合反応装置に関するものである。

並列して同時に行われる反応又は連続して同時に行われる反応を伴う化学プロセスにおいては、反応生成物又は中間物はさらに原料と反応され、望ましくない副産物又は不純物が生産されることがある。

この場合、反応物質質の最初の混合が、目標製品の収率及び分離、すなわち製品の選択性に重要な影響を及ぼす。特に、反応物質質の混合の割合が化学反応の割合と同じかそれよりも小さい場合にそうである。

一方、エネルギーが消費されるようなプロセスでは、反応物質質における混合効率の影響を受ける。

したがって、高速混合効率を備えた混合反応装置が、全プロセスの中で考慮されるべきである。

例えば、アミンのホスゲン化によるイソシアン酸塩（ＭＤＩ又はＴＤＩ）の製造では、プロセスは、主として、いわゆる低温ホスゲン化段階及び高温ホスゲン化段階を含んでいる。上記低温ホスゲン化段階では、モノアミン又はポリアミンとホスゲンとは、例えば、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トルエン、塩素化されたナフタリン、又は１，２，４-トリクロロベンゼン等の不活性溶媒にそれぞれ溶解される。そして、そこで、０〜９０℃の範囲における低温で反応される。この段階では、主生成物又は中間生成物は、塩化カルバミルクロライド（ＲＮＨＣＯＣｌ）、アミンハイドロクロライド（ＲＮＨ_２・ＨＣｌ）及び少量の尿素を含んでいる。

主反応は以下のとおりである。

ＲＮＨ_２＋ＣＯＣｌ_２→ＲＮＨＣＯＣｌ＋ＨＣｌ （１）
ＲＮＨ_２＋ＨＣｌ→ＲＮＨ_２・ＨＣｌ （２）
ＲＮＨ_２＋ＲＮＨＣＯＣｌ→ＲＮＣＯ＋ＲＮＨ_２・ＨＣｌ （３）
ＲＮＨ_２＋ＲＮＣＯ→ＲＮＨＣＯＮＨＲ （４）
低温ホスゲン化段階では、モノアミン又はポリアミンは、最初に、反応（１）に示すように、ホスゲンと反応して、塩化カルバミルと塩酸とを生成する。反応（１）は、高速反応での発熱を伴う反応である。一方、反応（１）から生成された塩酸は、モノアミン又はポリアミンとの高速反応（２）を導き、アミン・塩酸塩を生成する。上記塩化カルバミル及びアミン・塩酸塩は、溶媒に対して不溶性の物質であり、固体が析出する。

ホスゲンとアミンとのミクロ混合の効率が低い場合、すなわち、アミンが、混合反応装置のあるゾーンにおいてホスゲンに対して過剰に存在する場合には、その過剰のアミンは、反応（３）及び反応（４）によって、塩化カルバミル又はイソシアン酸塩と反応する。

そして、反応系において、不溶性の粘着性物質であり、かつ混合反応装置に栓をする可能性のある尿素を副産物として生成する。

このプロセスは、複雑な連続的、同時反応を含んでおり、主反応は、数ミリ秒又はそれ以内の反応時間で瞬間的に生じる。そして、その生成物は、不溶性の副産物を生成する原料物質と反応することによって、さらに、高速反応を促進する。

それゆえ、２つの反応物質質における最初の混合効率は、目標製品の収率及び目標製品の選択性に大きな影響を及ぼす。

そこで、液体の反応物質質の高速混合を達成することができ、目標製品の収率及び選択性を増加させることができ、粘着性の副産物の生成を低減し得る混合反応装置を設計することが必要である。

ここで、２つのクロス・フロー流れによって流体の高速混合を促進する可能性がある。

例えば、１つの流体流れが、複数の小さな穴を通して、他の流体流れに注入される。上記他の流体流れに注入される穴を通した流れは、多くの小さな流れに分割されるので、穴を通した流れは、主流れに急速に囲まれ、２つの流れに高速混合を与える。

例えば、特許文献１には、イソシアン酸塩の製造プロセスが開示されている。特許文献１におけるアミンのホスゲン化のための混合反応装置は、図７に示すように、噴射型の管型反応装置であり、アミン溶解物質はパイプ壁の小さな穴を通してホスゲン流れにクロスして注入されるので、反応物質の高速混合を達成することができるようになっている。

しかしながら、管型反応装置の詳細な構造は、特許文献１には、記述されていない。特許文献１では、単に、２つの流れのフローパラメーターとして、レイノルズ数が２１００以上であることが示されているだけである。

さらに、特許文献１に開示された混合反応装置では、大規模な反応物質の高速混合を達成することができないので、望まない副産物を低減するために、多くの溶媒及びホスゲンが使用され、その溶媒及びホスゲンの使用によってエネルギー消費が増大されることが予想させる。

また、バイエルの特許文献２では、図８に示すように、イソシアン酸塩の生成のために、他の噴射型混合反応装置が開示されている。特許文献２に開示された噴射型混合反応装置では、１つの流体流れ（モノアミン又はポリアミン）が、同じ水平ラインで反応装置のネックに配された穴を通して、他の流れ（ホスゲン）にクロスして注入されており、これによって、２つの反応物質の流れの高速混合を達成している。

この良好な混合効率は、反応装置のネック部分の設計と流体のクロス・フロー衝突から生まれるものであり、混合流れの乱流を増強し、混合プロセスを急がせている。

上記特許文献２に開示された混合反応装置を使用することによって、アミンに対する溶媒とホスゲンとのモル比が著しく低減できるものとなる。

上述の記述によって、パイプの周りに配された複数の穴を通してクロス・フローの方法で１つの流体流れが他の流れに注入されることが、良好な混合効率を達成できるかに見える。

しかしながら、注入された流れは、流体の抵抗のためにメインの流体流れに対して、流体の抵抗のために、ある深さしか届かない。つまり、優れた混合効率は小さなパイプの場合にのみ達成することができるのであり、そのことは、プラントのスケールを制限する。

詳細には、穴から注入された流れでは、混合パイプの直径が十分に大きい場合には、混合パイプの中心に直ちには達しない。

したがって、プラントのスケールが大きい場合には、メインの流れへ混合するための長距離か長時間が必要となる。それゆえ、大規模工場では、反応物質の最初の混合のための優れた混合を備える混合反応装置の設計が必要である。
米国特許第３，２２６，４１０号明細書（１９６５年１２月２８日特許） 米国特許第５，１１７，０４８号明細書（１９９２年５月２６日特許）

本発明の目的は、２つの反応物質流れを大規模で瞬間的に混合することができ、サイド反応を抑制して目的生成物の収率と選択性とを増大し得る噴射型混合反応装置を提供することにある。

本発明の混合反応装置は、次の設計思想に基づいている。

例えば、ガスからガス、又は液体から液体のような２つの流体流れが、多数の穴を通して噴出することによりクロスして混合されます。流体流れのうちの１つ（流れＡ）は、長方形、又は長方形状の断面を有する偏平パイプの中を流れる。そして、偏平パイプには、一連の噴射穴が規則正しく配されている。

また、他方の流体流れ（流れＢ）は、上記噴射穴を通ることにより、多数の流れに分割され、ある角度で偏平パイプ中の流れＡにクロスして注入される。

流れＡのためのフロー・チャンネルは、偏平パイプとして設計されているので、流れＢは、流れＡの中に非常に高速で分散することができる。それゆえ、大規模における２つの流れの混合プロセスを促進することができる。

本発明の噴射型混合反応装置は、第１供給ポートと、第２供給ポートと、外側ケーシングと、内側ケーシングと、複数の噴射穴と、混合反応路とを備え、上記内側ケーシングは、外側ケーシングの内側に設けられ、外側ケーシングの下部には、上記内側ケーシングを備えたバッファー室が形成され、上記第１供給ポートは、一方のフロー・チャンネルを形成する内側ケーシングに接続され、上記第２供給ポートは、他方のフロー・チャンネルを形成する上記バッファー室に接続され、上記噴射穴は、内側ケーシングの壁における、バッファー室の下部に位置する部分に設けられ、上記混合反応路は、内側ケーシングの内部における上記噴射穴よりも下側に設けられ、上記内側ケーシングの断面は、長方形又は長方形状となっていることを特徴としている。

また、本発明の噴射型混合反応装置では、前記内側ケーシングの断面は、完全な４つの直角を備えた長方形、長方形の一対の対向部分がアーチ形又は台形となった長方形状、蝶形、又は軸形からなるグループから選ばれた１つの形であることが好ましい。

また、本発明の噴射型混合反応装置では、前記内側ケーシングの断面における２つの長手方向の直線間の垂直距離ｌ_１ 、及び上記２つの長手方向の直線における長手方向長さｌ_２ は、流れＡの物理化学的な特性に基づいて決定されるべきである。

例えば、垂直距離ｌ_１ は、５〜５０ｍｍが好ましい。より好ましくは８〜３０ｍｍである。

また、長手方向長さｌ_２ は、垂直距離ｌ_１ よりも大きく、かつ流れＢの物理化学的な特性、粘度及び流速に基づいて決定されるべきである。

さらに、垂直距離ｌ_１ 及び長手方向長さｌ_２ は、流れＢが噴射穴を通してできるだけ速く偏平パイプ中の流れＡの中心に到達するように設計すべきである。

また、本発明の噴射型混合反応装置では、内側ケーシングの噴射穴の形は、特に制限されない。例えば、噴射穴の形は、円、楕円、正方形、長方形、菱形等の形として設計することができる。

また、噴射穴の特定のサイズ及び数は、噴射穴を通り抜ける流れＢの流量及び速度によって決定されるべきである。例えば、噴射穴が円形である場合、噴射穴の相当直径ｄ_１は、０．５〜１５ｍｍが好ましく、２〜１０ｍｍがより好ましい。噴射穴が正方形である場合、四角い穴の一辺の長さｄ_１は、０．５〜１５ｍｍが好ましく、２〜１０ｍｍがより好ましい。噴射穴が、楕円又は長方形状の場合、楕円形の穴の長軸又は長方形形の穴の長手方向長さｄ_１は、０．５〜１５ｍｍが好ましく、２〜１０ｍｍがより好ましい。そして、長軸対短軸の比率は、１〜１０：１が好ましく、１〜４：１がより好ましい。

本発明では、前述したように、噴射穴のパラメータであるｄ_１は、噴射穴が異なる形として設計されている場合、それらの相当直径と呼んでいる。

本発明の噴射型混合反応装置では、噴射穴の軸の方向は、内側ケーシングの流れに垂直な方向に対する角度βが、０〜７０°であることが好ましく、０〜４５°であることがより好ましい。

また、複数の噴射穴は、内側ケーシングの壁に、同じ水平線位置に配されている。すなわち、各噴射穴から混合反応路の出口への距離は等しくなっている。

２つの隣接する噴射穴間の距離ｄ_２は、ｄ_２／ｄ_１＝１．１〜８が好ましく、ｄ_２／ｄ_１＝１．５〜３がより好ましい。

また、複数の噴射穴は、前記内側ケーシングの断面における２つの長手方向において、互いに対向して配されているか又は互い違いに配されていることが好ましい。

さらに、混合反応装置のケーシングにおける噴射穴の数は、２〜１００が好ましく、４〜６０がより好ましい。

また、本発明の噴射型混合反応装置では、各噴射穴の中心と混合反応路の出口との距離であるパラメータｈ_１は、反応物質である流れＡ及び流れＢの混合反応路における滞在時間ｔによって決定される。すなわち、
ｈ_１＝ｕ_Ａ＋Ｂ×ｔ
となる。

ここで、ｕ_Ａ＋Ｂは混合流れの平均速度であり、ｔは混合反応路における混合反応物質流れの滞在時間である。２つの反応物質の流れは、混合された後に、１つの混合流れとなる。そして、その混合流れに基づいて、滞在時間が混合流れに基づいて推定される。

本発明の噴射型混合反応装置では、例えば、内側ケーシングの断面における寸法、噴射穴のサイズ及び数等の、混合反応装置の構造上のパラメータは、特に、次式によって与えられる。

ｕ_Ｂ ／ｕ_Ａ ＝（Ｑ_Ｂ ／ｎ・Ｓ_ｈ ）／（Ｑ_Ａ ／Ｓ_Ａ ）＝１〜２０
ただし、
ｕ_Ａ ：混合前の流れＡの内側ケーシング内の流速（ｍ／ｓ）
ｕ_Ｂ ：噴射穴通過時の流れＢの流速（ｍ／ｓ）
Ｓ_Ａ ：内側ケーシングの内側部分の断面積（ｍ^２ ）
Ｓ_ｈ ：各噴射穴の断面積（ｍ^２ ）
ｎ ：噴射穴の数
Ｑ_Ｂ ・Ｑ_Ａ ：流れＡ及び流れＢの時間当たりの流量（ｍ^３ ／ｈ）
上記ｕ_Ｂ ／ｕ_Ａ のより好ましい値は２〜１６であり、３〜１０がさらにより好ましい。流れＡ及び流れＢが粘度２００ｍＰａ・ｓ以下の液体であるときは、流れＡの流速ｕ_Ａ は１〜４０ｍ／ｓが好ましく、３〜２０ｍ／ｓがより好ましい。一方、流れＡ及び流れＢがガスであるときは、流れＡの流速ｕ_Ａ は２〜１５０ｍ／ｓが好ましく、５〜４０ｍ／ｓが好ましい。

本発明の噴射型混合反応装置では、供給ポートの数に制限はない。したがって、例えば、２つの供給ポートが内側ケーシング及びバッファー室に接続される。また、特定の適用又は用途によって２つ以上の供給ポートが設けられていてもよい。

例えば、異なる原料が異なる供給ポートを通して導入することができるように、２つの供給ポートがバッファー室に別々に接続される構成であってもよい。

本発明の噴射型混合反応装置では、バッファー室のパイプは、流れＡと流れＢとを混合する前に、流れＡが充分乱れた状態で流れるように、第１供給ポートと内側ケーシングとの間に形成されることが好ましい。

本発明では、バッファー室の寸法は、特に制限していない。したがって、バッファー室の寸法は、流れの物理的特性及びフローパターンによって決定される。

同様に、本発明では、混合反応装置の他の構造上の寸法、例えば、内側ケーシングと外側ケーシングとの間の結合、及び混合反応路の長さに対する内側ケーシングの長さの比率等は、当業者によって、随時、設計することができる。

本発明の噴射型混合反応装置は、従来の高速混合反応装置と比較して、以下の効果を奏する。
（１）２つの流れが、互いにクロスして衝突し、次に、長方形又は長方形状の断面を有する偏平パイプの中で混合される。したがって、混合プロセスの時間は、数ミリセカンドとなる。
（２）本発明の噴射型混合反応装置は、ガス対ガス又は液体対液体のような２つの流体の高速混合に使用することができる。

従来の循環的なクロス部を有する噴射型混合装置（又は反応装置）に比較して、本発明の偏平パイプを備えた噴射型混合反応装置は、容易に規模を拡大することができると共に、ある特別の製品の生成のために大規模で使用することができる。すなわち、そのプロセス中においては、常に高速反応が生じている。
（３）混合反応装置の混合反応路では、混合された流体は、逆流を最小に抑えて、押し出し流れで流れる。
（４）本発明では、反応時間を異ならせる場合には、混合反応路の長さを変更することができる。

本発明の一実施形態について図１ないし図６に基づいて説明すれば、以下の通りである。尚、本発明は、本実施の形態に制限されるものではない。

本実施の形態の噴射型混合反応装置は、図１に示すように、第１供給ポート１ａと、第２供給ポート１ｂと、外側ケーシング２と、バッファー室３と、内側ケーシング４と、複数の噴射穴５と、混合反応路６とを備えている。

上記外側ケーシング２の下部には、内側ケーシング４を備えたバッファー室３が形成されている。

上記第１供給ポート１ａは、一方のフロー・チャンネルを形成する内側ケーシング４に接続され、上記第２供給ポート１ｂは、他方のフロー・チャンネルを形成するバッファー室３に接続されている。

上記噴射穴５は、内側ケーシング４の壁における、バッファー室３の下部に位置する部分に設けられている。

上記内側ケーシング４は、長方形又は長方形状の断面を有する偏平パイプである。具体的には、長方形又は長方形状の断面とは、完全な４つの直角を備えた長方形、長方形の一対の対向部分がアーチ形、台形、若しくは１枚の蝶羽状の形となった長方形状、又はそれらが偏平した長方形状からなるグループから選ばれた１つの形であればよい。上記１枚の蝶羽状の形とは、曲線の曲率が一定ではなく、滑らかな曲線にもないっていないような形を含むものである。

上記混合反応路６は、内側ケーシング４の下側への流れにおいて、噴射穴５よりも下側に設けられている。

本実施の形態では、複数の噴射穴５は、内側ケーシング４の壁に、同じ水平線位置に配されている。そして、各噴射穴５と混合反応路６の出口との距離は等しいことが好ましい。

また、複数の噴射穴５は、図３に示すように、内側ケーシング４の断面における２つの長手方向において、例えば、互いに対向して配されている。ただし、図４に示すように、互い違いに配することも可能である。

さらに、噴射穴５の形は、図５に示すように、円、楕円、正方形、長方形及び菱形からなるグループから選ばれた１つの形を採用することができる。

また、噴射穴５の軸の方向は、図６に示すように、内側ケーシング４の壁に対して垂直か、又は内側ケーシング４の流れの方向に対して鋭角に形成されていることが好ましい。

すなわち、上記噴射穴（５）の軸の方向は、内側ケーシング（４）の流れに垂直な方向に対する角度βが、０〜７０°が好ましく、０〜４５°がより好ましい。

さらに、２つの隣接する噴射穴５の距離ｄ_２と、噴射穴５の相当直径ｄ_１との関係は、
ｄ_２／ｄ_１＝１．５〜３
であることが好ましい。

上記噴射型混合反応装置では、図１に示すように、以下の方法で操作される。

まず、２つの反応物質の流れＡ及び流れＢが、第２供給ポート１ｂ及び第２供給ポート１ｂを通して、噴射型混合反応装置の内側ケーシング４及びバッファー室３に導入される。そして、流れＡ及び流れＢはそれぞれ、内側ケーシング４とバッファー室３とに沿って下側に流れる。流れＢは、バッファー室３で一様に分配され、次いで、噴射穴５を通して内側ケーシング４の偏平部分にクロスして流れＡに注入さる。２つの流れは、内側ケーシング４の混合反応路６で互いに混合され反応される。本実施の形態では、混合プロセスの時間は、数ミリセカンドである。それは、多数の穴を通したクロス・フローの影響によるものである。

混合反応路６は、押し出し流れの反応装置として設計されていると共に、混合された流れの逆流が最小に抑えられるようになっている。混合反応路６の出口では、反応生成物が集められ、目的生成物を得るために分離される。

次に、本実施の形態の噴射型混合反応装置における実施例を以下に示す。尚、この実施例は、本発明の範囲を制限するものではない。

まず、流れの効率的な混合を評価する実験的方法として、レーザー誘起蛍光（ＬＩＦ：Laser Induce Fluorecence）技術がある。この実験では、蛍光性のトレーサーとしていくつかの蛍光物質（例えば、ローダミンＢ、ローダミン６Ｇ、アセトン等）が使用される。トレーサーがレーザー光線によって励起されると、発光スペクトルが放射される。放射された蛍光は、ハイパス光学フィルターによってレーザー光線から分けられ、次に、高解像度のＣＣＤカメラによって捕らえられる。トレーサー濃度がある値未満である場合、そのトレーサー濃度は、対応する、ＣＣＤカメラの画素に示される灰色のグレイ値に対して線形の関係を持つ。したがって、測定中の蛍光強度は、混合プロセスで行われたトレーサー濃度に変換することができる。

本実施例では、流れの効率的な混合を評価する実験的方法として、レーザー誘起蛍光（ＬＩＦ：Laser Induce Fluorecence）技術を使用した。液体混合プロセスについては、ローダミンＢが蛍光性のトレーサーとして使用した。この場合、レーザーの波長は５３２ｎｍである。一方、ガス混合プロセスについては、アセトンが蛍光性のトレーサーとして使用した。この場合のレーザーの波長は２６６ｎｍである。実験で使用される高速ディジタル・カメラは、１２８０×１０２４ピクセルである。

本実施例では、図１に示す内側ケーシング４の長手方向長さｌ_２が１００ｍｍのものを使用した。また、２つの長手方向の直線間の垂直距離ｌ_１は１８ｍｍである。内側ケーシング４の断面は、図４に示される。外側ケーシング２の内径は１６０ｍｍである。噴射穴５は、直径５ｍｍの円形である。噴射穴５の数は、２２である。

噴射穴５の軸方向は内側ケーシング４の壁に垂直である。噴射穴５の中心と混合反応路６の出口との間の高さｈ_１は、１００ｍｍである。また、噴射穴５は、図２又は図３に示すように、互いに対向して配されている。

トレーサーであるローダミンＢは、第２供給ポート１ｂに接続された供給パイプの上流において、１００μｇ／Ｌで連続的に注入される。尚、供給パイプは、第２供給ポート１ｂに入る前に、流れによってトレーサー混合を充分に行なうための十分な長さを有している。

第２供給ポート１ｂのゲージ圧は３．５ｋｇ／ｃｍ^２である。トレーサーの流量は２５ｍ^３／時間である。一方、トレーサーを含まない水が、３０ｍ^３／時間の一定の割合で第１供給ポート１ａへ導入される。第１供給ポート１ａのゲージ圧は３．５ｋｇ／ｃｍ^２である。

そして、トレーサーであるローダミンＢを含む物質と含まない物質との２つの物質との流れの効率的な混合を評価するために、ＬＩＦ技術を使用した。また、混合プロセスにおける混合の程度を評価するために、混合反応路６における混合流体の分離強度（ＩＯＳとして表わされる）を使用した。このＩＯＳは、混合プロセスが完全に終了したときには０．０の値となる一方、２つの流体が完全に分離されているときには、つまりＣＣＤカメラの各画素のトレーサー濃度が０又は１であるときには、１．０の値となる。

ここで、ＩＯＳが５％の値を持っている場合に、つまり、２つの流れが９５％まで混合された場合に、混合プロセスが、完了すると一般的に考えられている。そして、２つの流れが９５％まで混合されるのにかかる時間が、９５％混合期間と呼ばれる。

本実施例では、混合距離は、２つの流れのコンタクト・ポイントから計算して５３ｍｍとなった。また、９５％混合期間は、約７．１ｍｓであった。

また、同じ噴射型混合反応装置において、第２供給ポート１ｂにおけるトレーサーを含む水の流量が５０ｍ^３／ｈｒであり、トレーサーを含まない第１供給ポート１ａの水の流量が６０ｍ^３／ｈｒである場合には、混合距離は６２ｍｍとなる。また、９５％混合期間は、約４．２ｍｓとなった。

〔比較例１〕
図７に示す噴射型混合反応装置を使用して比較実験を行なった。内側ケーシングの断面は、円形である。この円形断面は、実施例１における内側ケーシング４の円形断面と同じである。また、噴射穴５の配列、実験における流れの流量、供給方法等の他の噴射型混合反応装置の寸法も、実施例１において言及されたものと同一である。

本比較例でも、実施例１と同様に、トレーサーであるローダミンＢを含む水と含まない水との２つの水の流れの効率的な混合を評価するために、ＬＩＦ技術を使用した。

その結果、トレーサーを含む水の流量が２５ｍ^３／ｈｒであり、トレーサーを含まない水の流量が３０ｍ^３／ｈｒである場合、９５％まで混合するために必要な混合距離は２８５ｍｍであった。また、９５％混合期間は、約３８．１ｍｓであった。

本実施例では、図１に示す内側ケーシング４の長手方向長さｌ_２が１２０ｍｍのものを使用し、２つの長手方向の直線間の垂直距離ｌ_１を２０ｍｍとしたものを使用した。

内側ケーシング４の断面は、図４に示される。外側ケーシング２の内径は２００ｍｍである。噴射穴５は、直径６ｍｍの円形である。噴射穴５の数は、２２である。

噴射穴５の軸と内側ケーシング４の流れの方向とは垂直な方向との間の鋭角の角度βは
５°である。

噴射穴５の中心と混合反応路６の出口との間の高さｈ_１は、２００ｍｍである。また、噴射穴５は、図４に示すように、互い違いに配されている。

本実施例では、アセトン蒸気が、トレーサーとして使用されている。このアセトン蒸気は、第２供給ポート１ｂに接続された供給パイプの上流において、流れＢ（空気）に連続的に導入される。尚、供給パイプは、第２供給ポート１ｂに入る前に、流れによってトレーサー混合を充分に行なうための十分な長さを有している。

第２供給ポート１ｂの空気のゲージ圧は１・２ｋｇ／ｃｍ^２である。トレーサーを含む空気の流量は、第２供給ポート１ｂにおいて８０ｍ^３／時間（標準状態）である。一方、トレーサーを含まない空気を、１２０ｍ^３／時間の一定の割合で第１供給ポート１ａへ導入した。第１供給ポート１ａの空気のゲージ圧は１．２ｋｇ／ｃｍ^２である。

そして、トレーサーであるアセトンを含む物質と含まない物質との２つの物質の混合効率について、ＬＩＦ技術を用いて評価した。

その結果、２つのガス流れが９５％まで混合されるのに必要な混合距離は４２ｍｍであり、９５％混合期間は、２．１ｍｓであった。

〔比較例２〕
図７に示す噴射型混合反応装置を使用して比較実験を行なった。内側ケーシングの断面は、円形である。この円形断面のは、実施例２における内側ケーシング４の円形断面と同じである。また、噴射穴５の配列、実験における流れの流量、供給方法等の他の噴射型混合反応装置の寸法も、実施例２において言及されたものと同一である。

本比較例でも、実施例２と同様に、トレーサーであるアセトンを含むガスと含まないガスとの２つのガスの混合プロセスについて、レーザー誘起蛍光技術を用いて評価した。

その結果、トレーサーを含む空気の流量が８０ｍ^３／ｈｒ（標準状態）であり、トレーサーを含まない空気の流量が１２０ｍ^３／ｈｒである場合、９５％まで混合するために必要な混合距離は２４８ｍｍであった。また、９５％混合期間は、約１２．４ｍｓであった。

ポリメチレン−ポリフェニル−イソシアン酸塩（重合体のＭＤＩ）を生成するプロセスでは、原料のポリメチレン−ポリフェニル−ポリアミンとホスゲンとの最初の混合は、最終生成物（ｐＭＤＩ）の質及び収率に大きな影響を及ぼす。一般に、２つの反応物質流れの混合時間は、副反応を禁じ、かつ目標製品の収率を増大させるように、ミリセカンドレベルであるべきである。

本実施例では、図１に示す本実施の形態の噴射型混合反応装置を、重合体のＭＤＩの生成するために使用した。

具体的には、内側ケーシング４の長手方向長さｌ_２が１００ｍｍのものを使用した。また、２つの長手方向の直線間の垂直距離ｌ_１は１２ｍｍとした。内側ケーシング４の断面は、図４に示される。外側ケーシング２の内径は２００ｍｍとした。噴射穴５は、直径６ｍｍの円形である。噴射穴５の数は、２４である。

さらに、噴射穴５の軸方向は内側ケーシング４の壁に垂直である。噴射穴５の中心と混合反応路６の出口との間の高さｈ_１は、３００ｍｍとした。また、噴射穴５は、図４に示すように、互い違いに配されている。

本実施例では、流量１２０００ｋｇ／ｈｒのポリメチレン−ポリフェニル−ポリアミンと、流量４００００ｋｇ／ｈｒのクロロベンゼンとが、第２供給ポート１ｂを通して混合されて連続的に導入される。

そして、ホスゲン溶液（溶媒としてのクロロベンゼンに対してホスゲンが５０ｗｔ％含まれる）が、第１供給ポート１ａから流量４８０００ｋｇ／ｈｒで連続的に導入される。

反応混合物は、噴射型混合反応装置の出口に集められ、次に、９０℃、１０５℃、１１５℃及び１２０℃の温度を有する４つの撹拌タンクで次の反応が継続される。各タンクの容量は４０ｍ^３である。その後、製品、ホスゲン及び溶剤を含む混合物は、一連のパックされたタワーの中で分離される。このときの、重合体のＭＤＩの収率は９８．１ｗｔ％であった。

本実施例でも、図１に示す噴射型混合反応装置を使用して、重合体のＭＤＩを生成した。

本実施例では、内側ケーシング４の長手方向長さｌ_２を２００ｍｍとした。また、２つの長手方向の直線間の垂直距離ｌ_１は１０ｍｍとした。内側ケーシング４の断面は、図４に示される。外側ケーシング２の内径は２８０ｍｍである。噴射穴５は、直径４ｍｍの円形である。噴射穴５の数は、５２である。

また、噴射穴５の軸と内側ケーシング４の流れに垂直な方向に対する鋭角の角度βは、１０°である。

噴射穴５の中心と混合反応路６の出口との間の高さｈ_１は、３００ｍｍである。また、噴射穴５は、図４に示すように、互い違いに配されている。

本実施例では、流量１６０００ｋｇ／ｈｒのポリメチレン−ポリフェニル−ポリアミンと、流量４８０００ｋｇ／ｈｒのクロロベンゼンとが、第２供給ポート１ｂを通して混合されて連続的に導入される。

そして、ホスゲン溶液（溶媒としてのクロロベンゼンに対してホスゲンが５０ｗｔ％含まれる）が、第１供給ポート１ａから流量６００００ｋｇ／ｈｒで連続的に導入される。

反応混合物は、噴射型混合反応装置の出口に集められ、次に、９０℃、１０５℃、１１５℃及び１２０℃の温度を有する４つの撹拌タンクで次の反応が継続される。各タンクの容量は５０ｍ^３である。その後、製品、ホスゲン及び溶剤を含む混合物は、一連のパックされたタワーの中で分離される。このときの、重合体のＭＤＩの収率は９８．３ｗｔ％であった。

本発明は、化学製品を大規模に生産するときの、原料を高速混合することができる噴射型混合反応装置に適用することができる。

本発明における噴射型混合反応装置の実施の一形態を示す縦断面図である。 上記噴射型混合反応装置の構成を示すものであり、図１のａ−ａ線断面図である。 上記噴射型混合反応装置の他の構成を示すものであり、図１のａ−ａ線断面図である。 上記噴射型混合反応装置のさらに他の構成を示すものであり、図１のａ−ａ線断面図である。 上記噴射型混合反応装置における内側ケーシングの各種形態を示す断面図である。 上記内側ケーシングに形成されている噴射穴の角度を示す要部断面図である。 従来の噴射型混合反応装置の構成を示す断面図である。 従来の他の噴射型混合反応装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ａ 第１供給ポート
１ｂ 第２供給ポート
２ 外側ケーシング
３ バッファー室
４ 内側ケーシング
５ 噴射穴
６ 混合反応路

Claims (8)

1. 第１供給ポート（１ａ）と、
   第２供給ポート（１ｂ）と、
   外側ケーシング（２）と、
   内側ケーシング（４）と、
   複数の噴射穴（５）と、
   混合反応路（６）とを備え、
   上記内側ケーシング（４）は、外側ケーシング（２）の内側に設けられ、
   外側ケーシング（２）の下部には、上記内側ケーシング（４）を備えたバッファー室（３）が形成され、
   上記第１供給ポート（１ａ）は、一方のフロー・チャンネルを形成する内側ケーシング（４）に接続され、
   上記第２供給ポート（１ｂ）は、他方のフロー・チャンネルを形成する上記バッファー室（３）に接続され、
   上記噴射穴（５）は、内側ケーシング（４）の壁における、バッファー室（３）の下部に位置する部分に設けられ、
   上記混合反応路（６）は、内側ケーシング（４）の内部における上記噴射穴（５）よりも下側に設けられ、
   上記内側ケーシング（４）の断面は、長方形又は長方形の一対の対向部分がアーチ形となった形状となっていることを特徴とする噴射型混合反応装置。
2. 前記内側ケーシング（４）の断面は、長方形の一対の対向部分がアーチ形となった形状であることを特徴とする請求項１記載の噴射型混合反応装置。
3. 前記内側ケーシング（４）の断面における２つの長手方向の直線間の垂直距離ｌ_１ は、５〜５０ｍｍであると共に、
   上記２つの長手方向の直線における長手方向長さｌ_２ は、
   ｕ_Ｂ ／ｕ_Ａ ＝（Ｑ_Ｂ ／ｎ・Ｓ_ｈ ）／（Ｑ_Ａ ／Ｓ_Ａ ）＝１〜２０
   ただし、
   流れＡ：上記第１供給ポート（１ａ）を通って上記内側ケーシング（４）に導入される流れ
   流れＢ：上記第２供給ポート（１ｂ）を通って上記バッファー室（３）に導入される流れ
   ｕ_Ａ ：混合前の上記流れＡの内側ケーシング（４）内の流速（ｍ／ｓ）
   ｕ_Ｂ ：噴射穴通過時の上記流れＢの流速（ｍ／ｓ）
   Ｓ_Ａ ：内側ケーシング（４）の内側部分の断面積（ｍ^２ ）
   Ｓ_ｈ ：各噴射穴の断面積（ｍ^２ ）
   ｎ ：噴射穴の数
   Ｑ_Ｂ ・Ｑ_Ａ ：上記流れＡ及び上記流れＢの単位時間当たりの流量（ｍ^３ ／ｈ）
   上記流れＡ及び上記流れＢが粘度２００ｍＰａ・ｓ以下の液体であるときは、上記流れＡの流速ｕ_Ａは１〜４０ｍ／ｓであり、上記流れＡ及び上記流れＢがガスであるときは、上記流れＡの流速ｕ_Ａ は２〜１５０ｍ／ｓ
   の関係を満たすことを特徴とする請求項１及び２の何れか１項に記載の噴射型混合反応装置。
4. 前記内側ケーシング（４）の断面における２つの長手方向の直線間の垂直距離ｌ_１ は、８〜３０ｍｍであると共に、
   上記２つの長手方向の直線における長手方向長さｌ_２ は、
   ｕ_Ｂ ／ｕ_Ａ ＝３〜１０
   ただし、上記流れＡ及び上記流れＢが粘度２００ｍＰａ・ｓ以下の液体であるときは、上記流れＡの流速ｕ_Ａ は３〜２０ｍ／ｓであり、上記流れＡ及び上記流れＢがガスであるときは、上記流れＡの流速ｕ_Ａ は５〜４０ｍ／ｓ
   の関係を満たすことを特徴とする請求項３記載の噴射型混合反応装置。
5. 前記噴射穴（５）の形は、円、楕円、正方形、長方形及び菱形からなるグループから選ばれた１つの形であると共に、
   上記噴射穴（５）の軸の方向は、内側ケーシング（４）の流れに垂直な方向に対する角度βが、０〜７０°であることを特徴とする請求項４記載の噴射型混合反応装置。
6. 前記噴射穴（５）の軸の方向は、前記角度βが、０〜４５°であることを特徴とする請求項５記載の噴射型混合反応装置。
7. 前記複数の噴射穴（５）は、内側ケーシング（４）の壁に、同じ水平線位置に配されていると共に、
   各噴射穴（５）から混合反応路（６）の出口への距離は等しく、
   かつ、２つの隣接する噴射穴（５）の距離ｄ_２と、噴射穴（５）の相当直径ｄ_１との関係は、
   ｄ_２／ｄ_１＝１．１〜８
   であり、
   上記複数の噴射穴（５）は、前記内側ケーシング（４）の断面における２つの長手方向において、互いに対向して配されているか又は互い違いに配されていることを特徴とする請求項６記載の噴射型混合反応装置。
8. 前記２つの隣接する噴射穴（５）の距離ｄ_２と、噴射穴（５）の相当直径ｄ_１との関係は、
   ｄ_２／ｄ_１＝１．５〜３
   であることを特徴とする請求項７記載の噴射型混合反応装置。

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