マストランスファーと反応速度

化成品開発をスケールアップするには、撹拌プロセスの基本的を理解することが不可欠です。撹拌は、親和性または非親和性の相の不均一性を軽減または除去するプロセスです。その目的は、温度または濃度勾配を軽減または除去すること、または複数の相の良好な分散を確保することです。良好な撹拌は、副反応または副生成物の形成、多相系でのマストランスファーの向上、または高いヒートトランスファーの確保など、複数の理由から推奨されます。撹拌効率は、撹拌する試薬の性質、撹拌器やリアクタの設計、撹拌方法だけではなく、滴下チューブの位置や添加操作にも影響を受けます[Handbook of Industrial Mixing, Science and Practice. Paul, E. Wiley (2004)]。試薬が複数の相（液相、気相、または固相）に存在する撹拌タンク内の化学反応では、最適なマストランスファーを得るために界面での広範囲な接触が必要です。撹拌が不適切または不十分な場合、その結果として遅い反応速度、低い収率、不十分な選択性、または不純物濃度の上昇につながることがあり、製造コストが大幅に増加します。マストランスファーと反応速度は競合することがあり、全体的な反応速度に寄与します。プロセスのスケールアップと最適化では、撹拌が反応速度に与える影響を定量化する必要があります。ラボリアクタは、プロセスの有意義な特性評価とスケールアップが可能な条件の下で操作しなければなりません。

多くの場合、化学プロセスの開発とスケールアップは課題の多い作業です。撹拌速度や形状、撹拌装置の設計などの機械的測定だけに頼っていると、小規模リアクタと大規模リアクタで性能と撹拌を適合させることが難しくなります。小規模リアクタでのプロセスの動力学を解析するには、実際の反応系でマストランスファー係数を直接測定するアプローチの方が一貫性があります。自動化され、制御された複数の実験をパーソナル有機合成装置内で平行して実行することにより、マストランスファーの相関関係を確認し、気/液界面領域とリアクタ容積をすばやく調整する方法が提供されます。その結果、プロセスのスケールアップとスケールダウンに必要な希望の条件を実現できます。 

多相系では、相間のマストランスファーがスケールアップとリアクタ性能の鍵となり、撹拌器の羽根と流体との相互作用により伝わる機械的な力が非常に重要です。これが、さまざまな相の分散の度合いと、その間のマストランスファーに影響を与えます。早い反応速度を持つ生成物の反応と競合する副生成物の反応が単相での液相プロセスでは、液体乱流のレベルが化学プロセス全体の選択性と収率に影響を与えることがあります。

そのような系では、単位体積あたりの機械的な力によって乱流のレベルとプロセスの性能が決まります。羽根と撹拌タンクの特定の形状について、一般的な撹拌の性能曲線が得られます。これにより、液相に加わる羽根の力を特性評価します。

一般的な力性能曲線（レイノルズ数（Re）対力数（Np）、右に示す）はリアクタの容積には左右されません。したがって、スケールアップと系の特性評価は容易です。無次元のレイノルズ数は、リアクタの流体の流れ（層流型または乱流型）を示します。これは、プロセス流体に固有の粘性力と慣性力（羽根が流体に与える力）の比を表すものです。粘性力の方が大きく、Re < 10の場合、流量は流体の粘性によって制御され、フローパターンは層流になります。羽根の力の方が大きく、Re> 2,000-10,000の場合、流量は粘性に左右されずに密度に比例するため、乱流になります。乱流型への厳密な転移点は、リアクタの形状と、リアクタに含まれるバッフルなど、「乱流」を促進する要素の存在に左右されます。自動合成機は、流体とリアクタ-羽根の各影響の検討を簡単に実施できる手段です。 

ウェビナー 「撹拌の重要性」（Ray Machado博士、rm2 Technologies LLC社、Air Products and Chemicals社）の例では、自動合成機での反応速度を高めるために撹拌を最適化しています。デンプン存在下でS₂O₃^-2とI₂の反応を使用し、主反応と競合する副生成物の反応が発生する場所を見せることで、撹拌が試薬の分散に与える影響を示しています。このビデオでは、黒く見える物質がヨウ素とデンプンの反応の副生成物です。しかし、デンプン-ヨウ素複合体が溶液中のチオ硫酸塩と反応すると、直ちに透明に戻ります。撹拌、供給速度、供給場所はすべて一次反応速度に影響を与えます。供給管が羽根に近づくほど、または撹拌速度が上がるほど、副生成物の形成量が少なくなります。また、撹拌速度が上がると、副生成物の量もすばやく減少します。

気液反応を実行する場合に特性評価の必要がある最も基本的で最も重要な速度プロセスは、液相への気体のマストランスファーです。スケールアップ戦略は、形状、撹拌速度、またはその他の撹拌特性を一致させるのではなく、小規模から大規模へのマストランスファー係数、klaを一致させることです。ホワイトペーパー「Fundamentals of Mass Transfer and Kinetics for the Hydrogenation of Nitrobenzene to Aniline（ニトロベンゼンからアニリンへの水素化におけるマストランスファーと反応速度の基本）」では、マストランスファー係数の計算ステップの概要を示し、接触水素化における撹拌の研究で間違えやすい情報を指摘しています。 

ウェビナー、「The Importance of Mixing: Comparing Lab and Large Scale(撹拌の重要性:研究室と大規模の場合の比較)」 でRay Machado氏は、反応速度、ヒートトランスファー、熱力学、相間のマストランスファー、固体または気体の撹拌の最適化に撹拌が与える影響について説明しています。撹拌は、収率、選択制、副生成物の形成に影響を与えることがあります。ウェビナーでは、スケールアップの基本的なパラメータを測定し、計算する方法に関するアドバイスを提供します。

プロセス開発とスケールアップを行う自動合成機 が、撹拌とマストランスファーをリアルタイムで解析し、最適化する方法を提供します。撹拌の制御は自動化され、あらかじめプログラミングできるため、1日を通じてすべての反応パラメータを記録しながら、安全に実験を行うことができます。安全で非常に正確な高精度の測定と制御により必要な実験の回数が大幅に削減され、スケールアップが効率的になります。

• ヒートトランスファーとスケールアップ
• 撹拌が晶析に与える影響
• 化学反応速度論

Nalas Engineering社のDavid Ford氏が、反応熱量測定およびプロセス分析技術を使用して、高速で高発熱性の酸化ニトロ化反応について調べました。この反応は、当初はバッチプロセスとして開発されましたが、撹拌、収率、ヒートトランスファーに対応するために、フローリアクタを2つの連続フロー撹拌タンクリアクタ（CSTR）と続けて使用する連続プロセスが開発されました。