連続反応炉

連続リアクター（フローリアクターとも呼ばれる）は、物質を流れる流れとして運びます。反応物は連続的にリアクターに供給され、連続した生成物の流れとして出てきます。連続リアクターは、食品、化学、製薬業界におけるさまざまな化学プロセスや生物学的プロセスに使用されています。連続リアクター市場を調査すると、機械の形状やタイプが驚くほど多様であることがわかります。しかし、この多様性の下には、リアクターの機能を決定する比較的少数の重要な設計上の特徴があります。連続リアクターを分類する場合、システム全体ではなく、これらの設計上の特徴に注目する方が役立ちます。

反応器は、バッチ反応器と連続反応器の 2 つの大まかなカテゴリに分けられます。 ^[1]バッチ反応器は、完全なバッチサイクルの全在庫を処理するのに十分な大きさの撹拌タンクです。場合によっては、バッチ反応器は、1 つの化学物質を容器に投入し、2 番目の化学物質をゆっくりと追加する半バッチモードで操作されることがあります。連続反応器は、通常、バッチ反応器よりも小さく、製品を流れるストリームとして処理します。連続反応器は、バッフルの有無にかかわらずパイプとして、または一連の相互接続されたステージとして設計できます。2 つのオプションの利点を以下で検討します。

• バッチリアクターは非常に汎用性が高く、化学反応に加えて、さまざまな単位操作（バッチ蒸留、保管、結晶化、液液抽出など）に使用されます。
• 業界内にはバッチ反応器の大規模な設置基盤があり、その使用方法は十分に確立されています。
• バッチリアクターは、スラリーや汚れやすい製品などの扱いにくい材料の取り扱いに優れています。
• バッチ反応器は、多くの種類の遅い反応に対する効果的かつ経済的なソリューションです。

• 多くの化学反応の速度は、反応物の濃度に依存します。^{[2]連続反応器は、優れた}熱伝達能力により、一般に非常に高い反応物濃度に対応できます。プラグフロー反応器には、反応物と生成物の分離が大きいため、濃度プロファイルが向上するという追加の利点があります。
• 連続反応器はサイズが小さいため、より高い混合速度が可能になります。
• 連続反応器からの出力は、実行時間を変更することで変更できます。これにより、製造業者の操作の柔軟性が向上します。

反応器内の熱伝達率は、次の関係から決定できます。

${\displaystyle q_{x}=UA(T_{p}-T_{j})}$

どこ：

q _x : プロセスによって放出または吸収される熱 (W)

U : 熱交換器の熱伝達係数 (W/(m ² K))

A : 熱伝達面積（m ²）

T _p : プロセス温度 (K)

T _j : ジャケット温度 (K)

リアクターの設計の観点から見ると、熱伝達能力はチャネル サイズに大きく影響されます。チャネル サイズによって単位体積あたりの熱伝達面積が決まるからです。チャネル サイズはさまざまな方法で分類できますが、最も広い意味では、次のカテゴリに分類されます。

工業用バッチ反応器：1～10 m ² /m ³（反応器の容量による）

実験室用バッチ反応器: 10～100 m ² /m ³ (反応器の容量による)

連続反応器（非マイクロ）：100～5,000 m ² /m ³（チャネルサイズによる）

マイクロリアクター：5,000～50,000 m ² /m ³（チャネルサイズにより異なる）

直径の小さいチャネルには、熱伝達能力が高いという利点があります。しかし、その反面、流量能力が低く、圧力降下が大きく、詰まりやすくなる傾向があります。多くの場合、マイクロリアクターの物理的構造と製造技術により、洗浄と詰まり解消が非常に困難になります。

温度制御は化学反応器の重要な機能の 1 つです。^[3]温度制御が不十分だと、収量と製品の品質の両方に重大な影響を与える可能性があります。また、反応器内で沸騰や凍結を引き起こし、反応器が完全に機能しなくなる可能性があります。極端な場合、温度制御が不十分だと過度の圧力が発生し、機器が破壊され、潜在的に危険になる可能性があります。

バッチリアクターでは、熱交換面によって追加または除去される熱 (qx) がプロセス材料によって生成または吸収される熱 (qp) と等しい場合に、良好な温度制御が実現されます。チューブまたはプレートで構成された流動リアクターの場合、qx = qp の関係を満たしても、プロセス熱の放出/吸収率がリアクター内のさまざまなポイントで異なるため、良好な温度制御は実現されません。出口温度を制御しても、リアクター内のホットスポット/コールドスポットを防ぐことはできません。発熱または吸熱活動によって生じるホットスポットまたはコールドスポットは、温度センサー( T) をホットスポット/コールドスポットが存在するポイントに移動することで排除できます。ただし、これにより、温度センサーの下流で過熱または過冷却が発生します。

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  リアクターを温度制御の単一ステージとして扱うと、ホットスポット/コールドスポットが生成される。
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  温度センサーを移動することで、ホットスポット/コールドスポットをなくすことができます。ただし、これにより、温度センサーの下流で過冷却または過熱が発生します。

さまざまなタイプのプレート型またはチューブ型リアクターでは、製品温度の単純なフィードバック制御が使用されています。ユーザーの観点から見ると、このアプローチは、ホットスポット/コールドスポットの影響によって安全性、品質、または収量が損なわれないプロセスにのみ適しています。

マイクロリアクターはチューブまたはプレートで、流路の直径が小さい（通常は 1 mm 未満）という重要な特徴があります。マイクロリアクターの重要な点は、単位体積（製品）あたりの熱伝達面積（A）が非常に大きいことです。熱伝達面積が大きいということは、Tp - Tj の値を低くして qx の値を高くできることを意味します。Tp - Tj の値が低いと、発生する可能性のある過冷却の程度が制限されます。したがって、熱伝達流体（または製品）の温度を調節することで、製品温度を制御できます。

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  製品と熱伝達流体間の温度差を制限することで過熱/過冷却を防止します。

プロセス温度を制御するためのフィードバック信号は、製品温度または熱伝達流体の温度になります。多くの場合、熱伝達流体の温度を制御する方が実用的です。

マイクロリアクターは効率的な熱伝達装置ですが、チャネルが狭いため、圧力降下が大きく、流量が制限され、詰まりやすくなります。また、洗浄や分解が困難または不可能な方法で製造されることも少なくありません。

連続反応器内の状態は、製品が流路に沿って通過するにつれて変化します。理想的な反応器では、流路の設計はこの変化に対応するように最適化されています。実際には、これは反応器を一連の段階に分割することによって実現されます。各段階では、表面積と容積の比率または冷却/加熱フラックスを変更することによって、理想的な熱伝達状態を実現できます。したがって、プロセス熱出力が非常に高い段階では、極端な熱伝達流体の温度を使用するか、表面積と容積の比率が高くなっています (またはその両方)。一連の段階として問題に取り組むことで、他の場所で過熱や過冷却を起こすことなく、ホットスポット/コールドスポットで極端な冷却/加熱状態を適用できます。これの重要性は、より大きな流路を使用できることです。より大きな流路は、より高い速度、より低い圧力降下、および閉塞傾向の減少を可能にするため、一般的に望ましいものです。

混合は連続反応器のもう一つの重要な分類機能です。混合が良好であれば、熱と物質の移動の効率が向上します。

リアクター内の軌道に関して言えば、連続リアクターの理想的な流れの状態はプラグフローです (これによりリアクター内の滞留時間が均一になるため)。ただし、混合によって流体の軸方向の動きと半径方向の動きが生じるため、良好な混合とプラグフローの間にはある程度の矛盾があります。チューブ型リアクター (静的混合の有無にかかわらず) では、プラグフローを著しく損なうことなく、適切な混合を実現できます。このため、これらのタイプのリアクターはプラグフローリアクターと呼ばれることもあります。

連続反応器は、混合メカニズムに基づいて次のように分類できます。

拡散混合は、製品内の濃度または温度勾配に依存します。このアプローチは、チャネルの厚さが非常に薄く、熱が伝導によって伝熱面との間で伝達されるマイクロリアクターで一般的です。より大きなチャネルや、一部の種類の反応混合物 (特に混和しない流体) では、拡散による混合は実用的ではありません。

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  単純なチューブを反応器として使用できます。小口径システムは通常、拡散による混合に依存しています。

連続リアクターでは、生成物は連続的にリアクターに送り込まれます。このポンプは、混合を促進するためにも使用できます。流体の速度が十分に速い場合、乱流状態が存在します (これにより混合が促進されます)。この方法の欠点は、圧力降下が高く、最小流量が高い長いリアクターが必要になることです。これは、反応が遅い場合や生成物の粘度が高い場合に特に当てはまります。この問題は、スタティック ミキサーを使用することで軽減できます。スタティック ミキサーは、混合を促進するために使用されるフロー チャネル内のバッフルです。乱流状態の有無にかかわらず機能します。スタティック ミキサーは効果的ですが、比較的長いフロー チャネルが必要であり、比較的高い圧力降下が発生します。振動バッフル付きリアクターは、プロセス フローの方向が循環するスタティック ミキサーの特殊な形式です。これにより、リアクターを通過する正味流量が低い静的混合が可能になります。これには、リアクターを比較的短く保つことができるという利点があります。

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  スタティックミキサーは乱流の有無にかかわらず混合を可能にする
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  振動バッフルリアクターは、静的混合と流れ方向の循環を組み合わせて使用​​します。

一部の連続リアクターでは、製品移送ポンプではなく機械的な撹拌を使用して混合を行います。これによりリアクターの設計が複雑になりますが、汎用性とパフォーマンスの点で大きな利点があります。独立した撹拌により、製品のスループットや粘度に関係なく、効率的な混合を維持できます。また、長いフロー チャネルや大きな圧力降下も不要になります。

機械式撹拌機に関連するあまり望ましくない特徴の 1 つは、強い軸方向の混合が発生することです。この問題は、リアクターを小さなプラグフロー チャネルで区切られた一連の混合ステージに分割することで対処できます。

このタイプの連続反応器の最もよく知られた形式は、連続撹拌タンク反応器 (CSTR) です。これは基本的に、連続フローで使用されるバッチ反応器です。単段 CSTR の欠点は、起動時と停止時に比較的生成物が無駄になる可能性があることです。反応物は、生成物が豊富な混合物にも追加されます。プロセスの種類によっては、これが品質と収量に影響する可能性があります。これらの問題は、多段 CSTR を使用することで管理されます。大規模な場合、従来のバッチ反応器を CSTR ステージに使用できます。

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