バッチリアクター

バッチリアクターは、非連続反応が行われる化学反応器であり、つまり、反応物、生成物、溶媒は、目標の反応変換が達成されるまで、反応中に容器に出入りしない。拡大解釈すると、この表現は、固体溶解、生成物混合、バッチ蒸留、結晶化、液体/液体抽出など、化学反応を伴わない他のバッチ流体処理操作にも不適切に使用されている。ただし、このような場合、それらはリアクターとは呼ばれず、むしろそれらが実行する機能に固有の用語（結晶化装置、バイオリアクターなど）で呼ばれることがある。 ^[1]

多くのバッチプロセスは、特に特殊化学品や医薬品の製造では、研究室からのスケールアップに基づいて設計されます。この場合、プロセス開発により製造プロセスのレシピが作成されますが、これは料理で使用されるレシピと多くの類似点があります。^[2]一般的なバッチ反応器は、撹拌機と一体型の加熱/冷却システムを備えた圧力容器で構成されています。容器のサイズは、1 L未満から15,000 L以上までさまざまです。これらは通常、鋼、ステンレス鋼、グラスライニング鋼、ガラス、または特殊合金で製造されています。液体と固体は通常、反応器の上部カバーの接続部から投入されます。蒸気とガスも上部の接続部から排出されます。液体は通常、底部から排出されます。

バッチリアクターの利点は、その汎用性にあります。単一の容器で、封じ込めを破ることなく、一連の異なる操作を実行できます。これは、毒性のある化合物や非常に強力な化合物を処理する場合に特に便利です。

通常の撹拌機の配置は、中央に取り付けられた駆動軸と頭上駆動ユニットです。インペラーブレードはシャフトに取り付けられています。さまざまなブレード設計が使用され、通常、ブレードはリアクターの直径の約 3 分の 2 を覆います。粘性のある製品を扱う場合、ブレードと容器の壁の間に狭い隙間があるアンカー形のパドルがよく使用されます。

ほとんどのバッチ反応器ではバッフルも使用されます。これは回転する撹拌機によって生じる流れを分散させる固定ブレードです。容器のカバーに固定するか、側壁の内側に取​​り付けます。

撹拌機ブレードとバッフルの設計が大幅に改善されたにもかかわらず、大型バッチリアクターでの混合は、最終的に適用できるエネルギー量によって制限されます。大型容器では、5 W / L を超える混合エネルギーは、冷却システムに許容できない負荷をかける可能性があります。撹拌機の負荷が高いと、シャフトの安定性の問題も発生する可能性があります。混合が重要なパラメータである場合、バッチリアクターは理想的なソリューションではありません。高速撹拌機、超音波混合機、またはスタティックミキサーを備えた小型のフローシステムを使用すると、はるかに高い混合速度を実現できます。

バッチ反応器内の製品は通常、処理中に熱を放出または吸収します。貯蔵された液体を撹拌する動作でも熱が発生します。反応器の内容物を所望の温度に保つには、冷却ジャケットまたは冷却パイプによって熱を加えたり除去したりする必要があります。バッチ反応器の加熱と冷却には、加熱/冷却コイルまたは外部ジャケットが使用されます。熱伝達流体はジャケットまたはコイルを通過して熱を加えたり除去したりします。

化学および製薬業界では、容器の洗浄が容易になるため、外部冷却ジャケットが一般的に好まれます。これらのジャケットの性能は、次の 3 つのパラメータによって定義されます。

• ジャケット温度を変更するための応答時間。
• ジャケット温度の均一性。
• ジャケット温度の安定性。

熱伝達係数も重要なパラメータであると言えます。ただし、外部冷却ジャケットを備えた大型バッチリアクターは、設計上、熱伝達に厳しい制約があることを認識する必要があります。理想的な熱伝達条件でも、100 W/L を超える性能を達成するのは困難です。対照的に、連続リアクターは10,000 W/L を超える冷却能力を発揮できます。熱負荷が非常に高いプロセスの場合、バッチリアクターよりも優れたソリューションがあります。

温度制御の高速応答とジャケットの均一な加熱と冷却は、製品またはプロセスが温度に非常に敏感な結晶化プロセスまたは操作にとって特に重要です。バッチ反応器の冷却ジャケットには、単一外部ジャケット、ハーフコイル ジャケット、定流量熱ジャケットなど、いくつかの種類があります。

シングルジャケット設計は、容器を囲む外側のジャケットで構成されています。熱伝達流体はジャケットの周囲を流れ、ノズルから高速で注入されます。ジャケット内の温度は、加熱または冷却を制御するために調整されます。

シングルジャケットは、おそらく最も古い外部冷却ジャケットの設計です。試行錯誤されたソリューションであるにもかかわらず、いくつかの制限があります。大型容器では、冷却ジャケット内の流体の温度を調整するのに何分もかかることがあります。その結果、温度制御が遅くなります。熱伝達流体の分布も理想からは程遠く、加熱または冷却は側壁と底部皿の間で変化する傾向があります。考慮すべきもう 1 つの問題は、熱伝達流体の入口温度です。これは (温度制御バルブに応じて) 広い温度範囲で振動し、ジャケット入口ポイントで高温または低温のスポットを引き起こす可能性があります。

ハーフコイルジャケットは、容器の外側にハーフパイプを溶接して半円形の流路を作ります。熱伝達流体は、プラグフロー方式で流路を通過します。大型のリアクターでは、熱伝達流体を送るために複数のコイルが使用される場合があります。シングルジャケットと同様に、ジャケット内の温度は加熱または冷却を制御するために調整されます。

ハーフ コイル ジャケットのプラグ フロー特性により、ジャケット内の熱伝達流体のより速い置換が可能になります (通常 60秒未満)。これは、良好な温度制御に望ましいことです。また、熱伝達流体の良好な分散も実現し、側壁と底部皿の間の不均一な加熱または冷却の問題を回避します。ただし、シングル ジャケット設計と同様に、入口の熱伝達流体も温度の大きな振動 (温度制御バルブへの応答) の影響を受けやすくなります。

定流量冷却ジャケットは比較的最近開発されたものです。これは単一のジャケットではなく、20 個以上の小さなジャケット要素が連続して配置されています。温度制御バルブは、必要に応じてこれらのチャネルを開閉することで動作します。このように熱伝達面積を変えることで、ジャケット温度を変えずにプロセス温度を調節できます。

定流量ジャケットは、流路の長さが短く、熱伝達流体の速度が高いため、温度制御応答が非常に高速です (通常 5 秒未満)。ハーフ コイル ジャケットと同様に、加熱/冷却フラックスは均一です。ジャケットは実質的に一定の温度で動作するため、他のジャケットに見られる入口温度の振動はありません。このタイプのジャケットの珍しい特徴は、プロセス熱を非常に高感度に測定できることです。これにより、ユーザーは反応速度を監視して、終点の検出、添加速度の制御、結晶化の制御など を行うことができます。

バッチリアクターは、プロセス産業、廃水処理（未処理の流入水の生物学的酸素要求量（BOD）の低減に効果的であることから）、 ^[3]製薬産業、小規模生産、飲料製品の発酵誘発、反応速度論や熱力学の実験などの実験室用途などでよく使用されます。バッチリアクターの一般的な問題は、比較的コストが高く、製品品質の点で信頼性が低いことです。

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