CN105163842B - 化学反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种化学反应装置，能够减少在反应器内部微波集中在一部分位置的情况，并且能够使微波更均匀地照射到内容物。化学反应装置(1)具备：平流式反应器(13)，液态内容物以在上方具有未填充空间的状态沿水平方向流动；微波发生器(14)，用于产生微波；以及波导管(15)，将微波发生器(14)产生的微波传送到反应器(13)的未填充空间。而且，反应器(13)的上方侧相对于内容物的流动方向具有弯曲形状。

Description

化学反应装置

技术领域

本发明涉及对反应器内的液态内容物照射微波的化学反应装置。

背景技术

以往，通过对内容物照射微波(电磁波)以进行内容物的加热等的化学反应装置为人所知(例如，参考专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开第2011-235262号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

以往使用加热器进行的加热为外部加热，通过热传导或辐射、对流等从物质的表面向内部逐渐加热。另一方面，使用微波进行的加热具有使物质本身自行发热的内部加热的特征。但是，当在反应器中照射微波时，存在微波集中在一部分位置的情况。当发生这样的微波集中时，存在反应器内的一部分区域被异常加热的问题。另外，作为这样的微波集中的结果，会产生未照射微波的位置，存在内容物未被适当加热的问题。

本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种化学反应装置，其能够向反应器的内容物尽量均匀地照射微波。

为了达成上述目的，基于本发明的化学反应装置具备：反应器，具有沿水平的一个方向延伸的形状，且液态内容物以在上方具有未填充空间的状态被投入到该反应器中；微波发生器，用于产生微波；以及波导管，将微波发生器产生的微波传送到反应器的未填充空间；其中，反应器的上方侧相对于反应器的长度方向具有弯曲形状。

根据这样的结构，能够在反应器内部更均匀地照射微波。

另外，在基于本发明的化学反应装置中，反应器的上方侧可以相对于与反应器的长度方向正交的方向具有拱形形状。

根据这样的结构，能够避免微波集中在未填充空间的一部分区域的现象，能够在反应器内部更均匀地照射微波。

另外，在基于本发明的化学反应装置中，入射到未填充空间的微波与内容物的液面之间的夹角可以在30～75度的范围内。

根据这样的结构，能够更均匀地向内容物照射微波。

另外，在基于本发明的化学反应装置中，微波可以照射到与反应器的长度方向正交的方向上的中央位置。

另外，基于本发明的化学反应装置具备：反应器，具有沿水平的一个方向延伸的形状，且液态内容物以在上方具有未填充空间的状态被投入到该反应器中；微波发生器，用于产生微波；以及波导管，将微波发生器产生的微波传送到反应器的未填充空间；其中，入射到未填充空间的微波与内容物的液面之间的夹角在30～75度的范围内。

根据这样的结构，能够更均匀地向内容物照射微波。

另外，在基于本发明的化学反应装置中，入射到未填充空间的微波与内容物的液面之间的夹角可以为45度。

另外，在基于本发明的化学反应装置中，反应器可以是内容物沿反应器的长度方向流动的平流式反应器，或者也可以是批量(batch)式反应器。

发明效果

根据基于本发明的化学反应装置，能够在反应器内部减少微波集中在一部分位置的情况，并且能够使微波更均匀地照射到内容物。

附图说明

图1是示出基于本发明的第一实施方式的化学反应装置的结构的图。

图2是示出该实施方式中的反应器的内部结构的一例的图。

图3是示出该实施方式中的反应器的形状的图。

图4A是该实施方式中的反应器的纵截面图。

图4B是该实施方式中的反应器的纵截面图。

图4C是该实施方式中的反应器的纵截面图。

图5是示出该实施方式中的模拟的反应器的截面形状的图。

图6A是示出该实施方式中的模拟结果(θ＝15°)的图。

图6B是示出该实施方式中的模拟结果(θ＝30°)的图。

图6C是示出该实施方式中的模拟结果(θ＝45°)的图。

图6D是示出该实施方式中的模拟结果(θ＝60°)的图。

图6E是示出该实施方式中的模拟结果(θ＝75°)的图。

图6F是示出该实施方式中的模拟结果(θ＝90°)的图。

图7A是示出该实施方式中的模拟结果(弯曲形状)的图。

图7B是示出该实施方式中的模拟结果(平板形状)的图。

图8A是示出该实施方式中的模拟结果(拱形形状)的图。

图8B是示出该实施方式中的模拟结果(平板形状)的图。

具体实施方式

以下，利用实施方式对基于本发明的化学反应装置进行说明。此外，在以下的实施方式中，标注有相同附图标记的构成要素是相同或等同的构成要素，有时对其省略重复的说明。

(第一实施方式)

参照附图，对基于本发明的第一实施方式的化学反应装置进行说明。在基于本实施方式的化学反应装置中，反应器的上方侧相对于反应器的长度方向具有弯曲形状，另外，相对于与长度方向正交的方向具有拱形形状。

图1是示出基于本实施方式的化学反应装置1的结构的图。基于本实施方式的化学反应装置1具备混合部12、反应器13、微波发生器14、波导管15、微波控制部16、催化剂分离部17以及处理液贮存槽18。

混合部12使原料和固体催化剂混合。混合部12也可以使原料等和反应剂混合。原料可以含有多种物质。例如，当在反应器13中进行酯化反应时，原料可以是油脂和乙醇。如图1所示，上述原料和固体催化剂可以通过泵11供给到混合部12，或者也可以通过其他方法供给到混合部12。例如，混合部12可以通过使叶片状构件或翼状构件、螺旋状构件旋转从而对两种以上的物质进行混合。此外，虽然在本实施方式中对与原料混合的催化剂是固体催化剂(即非均相催化剂)的情况进行说明，但是，催化剂也可以是液态催化剂(即均相催化剂)。另外，固体催化剂可以在反应器13内形成流化床，或者也可以不形成流化床。另外，上述固体催化剂的形状任意。例如，固体催化剂的形状可以是无定型的粒状、圆柱状(例如，可以是中空的，也可以是非中空的)、球状、丸状、环状、壳状等。另外，上述固体催化剂例如可以具有微波吸收性或微波敏感性，或者也可以不具有这些特性。在固体催化剂具有微波吸收性或微波敏感性的情况下，当在后述的反应器13的内部照射微波时，固体催化剂被微波加热，从而促进该固体催化剂附近的化学反应。此外，该微波吸收性或微波敏感性取决于被照射的微波的频率、反应器13的内部温度等。即，在所使用的微波频率以及使原料发生反应的反应器13的内部温度方面，介质损耗系数越高，微波吸收性也越高。因此，例如可以采用含有这种微波吸收性较高的物质的固体催化剂。例如，在照射2.45GHz的微波的情况下，作为具有微波吸收性的物质，能够举出除了富勒烯以外的碳类(例如石墨、碳纳米管或活性炭等)、铁、镍、钴或铁素体等。因此，固体催化剂可以含有具备这种微波吸收性的物质。具体而言，固体催化剂可以是将具有这种微波吸收性或微波敏感性的物质与金属或金属氧化物组合而成的组合物，也可以是将具有这种微波吸收性或微波敏感性的物质与碱催化剂或酸催化剂等催化剂组合而成的组合物，或者还可以是将具有微波吸收性或微波敏感性的物质、碱催化剂或酸催化剂等的催化剂、以及金属或金属氧化物组合而成的组合物。对于上述物质的组合，例如可以通过物理吸附来进行，可以通过化学结合来进行，也可以通过合金化来进行，或者还可以通过其他方法来进行。另外，在混合部12中，为了应对反应器13中的反应，可以进行预加热，或者也可以不进行预加热。在进行该预加热的情况下，优选将混合部12中的预加热的温度控制成使得原料等在进入反应器13的时刻达到期望的温度或者实现期望的温度幅度。另外，当在混合部12中不进行预加热时，可以在反应器13中进行与该预加热相对应的加热。将由混合部12混合后的原料和固体催化剂投入到反应器13中。

反应器13是具有向水平的一个方向延伸的形状的反应器，且液态内容物以在上方具有未填充空间的状态被投入到该反应器13中。即，反应器13具有向一个方向延伸的形状，并将其长度方向设置为水平方向。该反应器13可以是流式反应器，或者也可以是批量式反应器。在前者的情况下，反应器13是液态内容物以在上方具有未填充空间的状态沿水平方向流动的平流式反应器。此外，内容物的流动方向为反应器13的长度方向。本实施方式中，主要对反应器13为流式反应器的情况进行说明。在图1所示的反应器13中，图中的左右方向为反应器13的长度方向，内容物从图中的左侧向右侧流动。因此，内容物被投入到反应器13的上游侧、即图中的左侧。反应器13的内容物例如是原料和催化剂的混合物。由混合部12混合后的原料和催化剂在该反应器13的内部流动。此外，通过反应器13中的化学反应由原料产生生成物，因而可以认为反应器13的内容物中含有生成物。即，可以说该内容物为原料和/或生成物。另外，由于在内容物的上方存在未填充空间，因此，内容物通常是气体以外的物质。另外，由于内容物是在反应器13内部具有流动性且液面平坦的物质，因此内容物是固体(例如，粉体或粒状体等)以外的物质。因此，内容物是液态物质。例如，该液态内容物可以是如水或油、水溶液、胶体溶液等那样流动性较高的物质，或者也可以是如浆(slurry)或悬浊液那样流动性较低的物质。另外，在反应器13内部，由于内容物的液面优选为水平液面，因此，液态内容物优选具有如下程度的流动性：即使该液态内容物的流动性较低，也无需从外部施加振动，而液面会在经过一定时间后变为水平液面。即，液态的内容物优选具有即使没有来自外部的振动其表面也能够发生变形的程度的流动性。此外，液面的水平状态可以是完全的平坦，或者也可以是有细微的凹凸而整体呈现平坦的程度。这是因为在内容物的流动性不高的情况下，有可能无法达到完全的平坦。反应器13的内壁优选由反射微波的物质构成。作为反射微波的物质，例如有金属。关于该反应器13的内部结构将在后文中进行描述。此外，所谓反应器13的长度方向为水平方向，既可以是指反应器13的长度方向严格地形成为水平方向，也可以是指包含使内容物从上游侧向下游侧流动的程度、或者测量误差或设计误差等误差的程度、反应器13的长度方向自水平方向倾斜的情况在内。

微波发生器14用于产生微波。基于本实施方式的化学反应装置1可以具备一个微波发生器14，或者也可以具备两个以上的微波发生器14。该微波的频率并未受到限定，例如，可以是2.45GHz、5.8GHz、24GHz、913MHz，也可以是300MHz至300GHz范围内的其他频率。另外，在化学反应装置1具备两个以上的微波发生器14时，各微波发生器14产生的微波频率可以相同，或者也可以不同。在后者的情况下，例如，可以在反应器13的流动方向的上游侧照射频率A的微波，而在下游侧照射频率B的微波，或者也可以在反应器13的流动方向上的相同位置照射频率A、B的微波。此外，频率A和频率B为不同的频率。

波导管15将微波发生器14产生的微波传送到反应器13的未填充空间。如图1所示，波导管15的个数可以与微波发生器14的个数相同。另外，波导管15可以具有分支，用于将微波传送到未填充空间的两个以上的位置。此外，优选使用规格与微波发生器14产生的微波的频率相对应的波导管15。

微波控制部16根据后述的温度测定部25测定的温度，控制对反应器13进行照射的微波的输出(功率)。通过该微波控制部16的控制，能够将反应器13的内部维持在期望的温度或期望的温度幅度。

催化剂分离部17使催化剂从反应器13中的反应后的生成物分离。在与原料混合的催化剂是固体催化剂的情况下，例如，可以通过过滤器来分离固体催化剂，也可以通过使固体催化剂和生成物之中的一方沉淀的方式来分离固体催化剂。另外，在固体催化剂中含有磁性体的情况下，可以通过使用磁铁吸附固体催化剂的方式来分离固体催化剂。此外，能够适当地再次利用分离出来的固体催化剂。另外，在使用液态催化剂的情况下，可以通过在催化剂分离部17中进行蒸馏或提取、中和的方式来分离催化剂。

将在催化剂分离部17中分离出催化剂的生成物投入到处理液贮存槽18。然后，适当地分成最终的制造物和副生成物等。例如，当原料为游离脂肪酸、且在反应器13中进行了酯化反应时，将会得到作为制造物的生物柴油燃料和作为副生成物的水。在该情况下，使用酸催化剂。另外，例如当原料为甘油三酸酯、且在反应器13中进行了酯交换反应时，将会得到作为制造物的生物柴油燃料和作为副生成物的甘油。在该情况下，使用碱催化剂。

另外，在反应器13的后部，可以具备用于对反应器13中的反应后的物质进行冷却的未图示的冷却器，或者也可以不具备冷却器。在前者的情况下，例如，该冷却器可以对反应器13中的反应后的物质进行水冷。

图2是示出基于本实施方式的反应器13的内部结构的一例的图。如图2所示，优选相对于反应器13的长度方向(例如，图2中左右方向)整体存在未填充空间22，但也可以不这样设置。在图2中，反应器13的内部由隔板21分隔成多个室31、32、33、34。该多个室31、32、33、34是以串联方式相连的室。如前所述，在反应器13的内部，在上方存在未填充空间22。对于该未填充空间22，经波导管15照射由微波发生器14产生的微波。另外，虽然图2中示出了反应器13内部存在单一的未填充空间的情况、即在所有的室31～34中共用未填充空间的情况，但是也可以不是这样的情况。即，可以在所有的室中的至少一部分的两个以上的室中共用未填充空间，或者也可以在所有的室中不共用未填充空间。在这种情况下，未填充空间由各隔板21隔断。各波导管15可以设置在各室32、33、34的中央附近的位置，或者也可以不这样设置。在前者的情况下，例如，通过一个波导管15传输到未填充空间22的微波主要照射存在于该波导管15的下方的室。此外，由于微波在未填充空间传导，因此，例如由位于室32位置的波导管15传输的微波经未填充空间对室31和室33的内容物也形成照射。此外，波导管15可以设置在隔板21的位置、即隔板21上方的位置。这样，通过一个波导管15传输到未填充空间22的微波主要照射由位于与该波导管15相对应的位置处的隔板21分隔而成的两个室。此外，在多个室中共用未填充空间的情况下，被传输到该共用的未填充空间的微波对共用该未填充空间的多个室的内容物20形成照射。隔板21可以是微波透过性的隔板，也可以是微波吸收性的隔板，或者还可以是反射微波的隔板。作为使微波透过的材料，例如有铁氟龙(注册商标)、石英玻璃、陶瓷、氮化硅氧化铝等。因此，微波透过性的隔板21可以由这种使微波透过的材料构成。另外，作为吸收微波的材料，例如有除了富勒烯以外的碳类等。因此，微波吸收性的隔板21可以由这种吸收微波的材料构成。另外，作为反射微波的材料，例如有金属。因此，不使微波透过的隔板21可以由这种反射微波的材料构成。另外，隔板21可以由微波透过性材料、微波吸收性材料、微波反射性材料中的任意两种以上的材料组合而成。

另外，如图2所示，化学反应装置1还可以具有用于旋转搅拌反应器13内的内容物20的一个以上的搅拌单元23。虽然图2中示出了在各室31～34中存在搅拌单元23的情况，但是，也可以不这样设置。可以在一个以上的室中不存在搅拌单元23。另外，虽然图2中示出了搅拌单元23为叶片状的情况，但这只不过是示意性地示出了搅拌单元23而已，例如，可以通过使叶片状构件、翼状构件、或棒状旋转构件旋转来进行该搅拌。该旋转构件可以是微波透过性构件，可以是微波吸收性构件，可以是微波反射性构件，或者也可以由微波透过性材料、微波吸收性材料、微波反射性材料中的任意两种以上的材料组合而成。例如，可以通过使安装在轴上的旋转构件与轴的旋转相应地旋转来进行上述旋转，或者也可以如磁力搅拌器(Magnetic stirrer)那样利用磁性使旋转构件旋转。在使用轴的前者的情况下，该轴可以单独地分别设置于每个室，或者也可以使用在多个室中通用的轴。在利用磁性的后者的情况下，通过磁铁使棒状或叶片状、翼状等的旋转构件(磁性搅拌件)旋转。此外，搅拌单元23对内容物进行的搅拌可以用于使内容物沿着从上游朝向下游的方向、或其相反的方向流动，或者也可以不这样使用。此外，旋转搅拌已经是公知的方法，因而省略它们的详细说明。

在此，针对搅拌单元23旋转搅拌反应器13的内容物的理由进行简单说明。搅拌单元23搅拌内容物的第一个理由是为了通过微波均匀地加热内容物。虽然也取决于内容物的种类或内容物的温度，但是由于关键还是取决于某种微波渗透的深度，因而需进行搅拌，以使内容物整体被微波均匀地照射从而实现均匀加热。另外，如果未填充空间22中的内容物的表面积增大，则能够更高效地对内容物照射微波。所以，搅拌内容物的第二个理由是为了进一步扩大微波的照射面积。因此，搅拌单元23对内容物进行的搅拌优选达到使得在未填充空间22中的内容物的表面产生波纹的程度，但也可以不达到这种程度，因为有时只要根据第一个理由进行搅拌，其结果就足以使内容物整体被充分加热。另外，由于这样使用搅拌单元23对原料等进行搅拌，因而，即使在原料中含有密度不同的两种以上物质的情况下，也能够将两者适当地混合并使它们产生反应。例如，在竖流式反应器中，即使欲使乙醇和废油这样的密度不同的物质产生反应，两者也很容易发生分离，但是，在如本实施方式这样在反应器为平流式反应器13、且存在搅拌单元23的情况下，则能够将两者适当地混合并使它们产生反应。

另外，如图2所示，反应器13还可以具有温度测定部25。即，基于本实施方式的化学反应装置1可以具备测定反应器13的内部温度的温度测定部25。优选地，反应器13的内部温度即为反应器13的内容物的温度。虽然图2中示出了在各室31～34中存在温度测定部25的情况，但是也可以不这样设置。可以在一个以上的室中不存在温度测定部25。另外，虽然图2中示意性地示出了温度测定部25，但是，例如温度测定部25可以通过热电偶来测定温度，可以通过红外线传感器来测定温度，可以通过光纤来测定温度，还可以通过其他方法测定温度。温度测定部25所测定的温度被传送到微波控制部16，并被用于控制由微波发生器14产生的微波的输出功率。被传送到微波控制部16的温度严格地讲是表示温度的数据。另外，如前所述，该控制是用于将各室31～34的温度维持在期望的温度或期望的温度幅度的控制。例如，如图2所示，当向隔板21的位置照射微波时，例如可以利用处于被照射微波的位置的隔板21分隔的两个室中的一方的温度来对在该位置照射的微波的输出功率进行控制，或者也可以利用双方的温度来进行该控制。在前者的情况下，例如可以利用温度较低的一方进行控制，也可以利用温度较高的一方进行控制，或者还可以利用预先设定的室的温度进行控制。在后者的情况下，例如可以利用两者的平均温度进行控制，或者还可以利用与两者的室容量相对应的加权平均(即，考虑到与室容量相对应的所占比重的平均)温度进行控制。

在此，对反应器13的上方侧的形状进行说明。如图1、图2所示，反应器13的上方侧相对于反应器13长度方向(例如，图1、图2中的左右方向)具有弯曲形状。该弯曲形状为向上凸起的弯曲形状。即，反应器13的顶面侧的形状为如下形状：长度方向的中央附近的未填充空间22的上下方向(垂直方向)高度最高，而未填充空间22的上下方向高度向反应器13的两端逐渐降低。此外，反应器13的两端为反应器13的流入孔侧以及排出孔侧。该弯曲形状例如可以是半椭圆形状或圆弧形状等。另外，严格地讲，该反应器13的上方侧的形状是指反应器13内部(即未填充空间22)的上方侧的形状。在以下的说明中也相同。另外，反应器13的流动方向可以认为是平流式反应器13的长度方向。

图3是从反应器13的长度方向观察反应器13时的外观图，图4A是图1的IVA-IVA线截面图，图4B是图1的IVB-IVB线截面图。在图4A、图4B中，虽然示出了搅拌单元23的轴23a以及旋转部件23b，但是根据截面的位置，也有可能是不存在旋转部件23b的截面。另外，在这些截面图中，反应器13的上方侧的形状为拱形形状。即，反应器13的上方侧相对于与反应器13的长度方向正交的方向具有拱形形状。此外，与长度方向正交的方向可以认为是与长度方向正交的方向之中的水平方向。该拱形形状为向上凸起的拱形形状。即，反应器13的顶面侧的形状为如下形状：与反应器13的长度方向正交的方向的中央附近的未填充空间22的上下方向(垂直方向)高度最高，而未填充空间22的上下方向高度向反应器13的侧面逐渐降低。该拱形形状例如可以是半圆形状，也可以是半椭圆形状，还可以是其他的拱形形状。另外，由于反应器13的上方侧形成为沿长度方向弯曲的形状，因此，图4A的未填充空间的高度低于图4B的未填充空间的高度。此外，如图4A、图4B所示，反应器13的下方侧的截面形状可以是向下凸起的半圆形状，或者也可以是其他形状。通过形成为前者的形状，在旋转部件23b以轴23a为中心旋转的情况下，也能够使旋转部件23b与反应器13的内部不产生干涉，并且能够减少旋转部件23b与反应器13之间的间隙，因此，能够进一步减少未被搅拌而滞留在反应器13的一部分区域中的内容物。此外，如图4A、图4B所示，在反应器13的纵截面中，在上方侧的拱形形状与下方侧的半圆形状之间可以存在水平方向的宽度不发生变化的区域。而且，可以设置成，当内容物20的液面位于该区域时，即使液面的高度发生变化，该液面的面积也不变。

图4C是对入射到未填充空间22的微波与内容物20的液面之间的夹角进行说明的图。另外，在图4C中省略了搅拌单元23。该微波与内容物20的液面之间的夹角θ优选在30～75度(deg)的范围内。如后述所述，通过形成该范围内的夹角，能够更均匀地向内容物20照射微波。此外，该微波与内容物20的液面之间的夹角θ进一步优选为45度。在此，45度可以包含偏离45度的角度在内，偏离的程度为测量误差或设计误差等误差的程度。另外，可以使微波照射到与内容物20的流动方向正交的方向(例如图4C的左右方向)上的液面的中央位置。即，如图4C所示，可以向内容物20的液面的左右方向的中央照射微波。由此，在液面发生反射的微波将在反应器13的顶面侧被反射，容易再次照射到内容物20。此外，中央可以包含偏离中央的位置在内，偏离的程度为测量误差或设计误差等误差的程度。另外，微波照射到该中央位置可以认为是如下状况：当沿着长度方向延长用于传送该微波的波导管15时，使该被延长的波导管与内容物的液面相交的位置为该中央位置。

此外，如图4C所示，在入射到未填充空间的微波与内容物20的液面之间的夹角θ为45°的情况下，通常在图2的未填充空间中能够观察到波导管15的开口部，但是，为了便于说明而在图1、图2中示出了θ＝90°的波导管15。

接下来，对隔板21进行说明。投入到反应器13中的原料等的内容物20在各室31～34之间流通，并最终从下游(例如，图2的反应器13的右端)输出。另外，该隔板21存在供内容物流通的流路。该流路是内容物主要从反应器13的上游侧(例如，图2的左侧)流向下游侧(例如，图2的右侧)的流路，但是一部分也可以从下游侧流向上游侧。例如，该隔板21的流路可以是内容物在隔板21的上方溢流的流路，或者也可以是内容物在隔板21的间隙流动的流路。该隔板21例如可以是日本特开2013-103160号公报中示出的隔板。另外，当在反应器13的内部存在多个隔板21时，各隔板21可以是相同形状，或者也可以是不同的形状。

此外，反应器13内整体的液面高度取决于反应器13的流出孔的位置。通常，由于液面高度比该流出孔的位置更高，因而能够根据该流出孔的位置来决定液面的下限。另外，各室的液面高度取决于该室与相邻的后方的室之间的流路的高度。在这种情况下，通常由于各室的液面高度与从该室流出的流路的位置相同，因而也能够根据该流路的位置来控制液面高度。另外，通常反应器13的流出孔的高度与内容物从各室向后方侧流出的流路的高度大致相同。

另外，反应器13的壁面可以通过隔热材料覆盖。由此，能够防止向外部释放反应器13内部的热量。

接下来，对基于本实施方式的化学反应装置1的动作进行简单说明。原料和催化剂通过泵11被供给到混合部12。然后，在混合部12中进行混合，并投入到反应器13中。可以事先确定向该反应器13中供给原料等的供给速度。

供给到反应器13中的原料等一边被搅拌单元23搅拌一边从上游侧流向下游侧。这时，由微波发生器14产生的微波经波导管15被传输到反应器13的未填充空间22，从而对原料等进行照射。其结果是原料等被加热，从而促进了原料等的反应。此外，通过温度测定部25测定各室31～34的温度，并通过未图示的路径将各室31～34的温度传送到微波控制部16。然后，微波控制部16对微波发生器14的输出功率进行控制，以使各室31～34的温度达到期望的温度或期望的温度幅度。

将从反应器13中输出的生成物投入到催化剂分离部17，并使催化剂分离。然后，通过泵11将分离出催化剂后的生成物投入到处理液贮存槽18，在处理液贮存槽18中，分离出作为目标物的制造物和副生成物。这样，得到最终的制造物。另外，通过反复进行这种处理，可以依次生成作为目标物的制造物。此外，如果反应器13构成为在未填充空间的上方可打开和关闭的结构，那么，例如在想确认反应器13内部的状况或者想对反应器13内部进行维护时，通过打开反应器13的上部就能够进入反应器13的内部。

另外，对于催化剂分离部17中的催化剂的分离处理以及处理液贮存槽18中的制造物和副生成物的分离处理，可以在每当投入生成物时就依次进行，或者也可以在投入的生成物积存到一定的量之后再统一进行。即，虽然反应器13中的处理是以流式(流通式)来进行处理，但是在其后部的催化剂分离部17、处理液贮存槽18中进行的处理可以是以流式来进行，或者也可以是以批量式来进行。此外，流式也被称作连续式。

另外，无论在基于本实施方式的化学反应装置1中所进行的化学反应是何种化学反应，只要是由照射微波本身引起的化学反应、或者由与照射微波相应的加热引起的化学反应即可。例如，可以是基于酯化、酯交换生成生物柴油燃料，也可以是生成作为酯的油墨原料，还可以是其他化学反应。另外，可以与照射微波一并地照射超声波，或也可以不一并地照射超声波。

(模拟结果)

接下来，对模拟结果进行说明。该模拟使用高频三维电磁场解析软件“ANSYS(注册商标)HFSS”进行。此外，在各模拟结果中，颜色较浅的位置(发白的位置)为微波强度较大的位置，颜色较深的位置(发黑的位置)为微波强度较小的位置。

模拟1

在该模拟中，使入射到未填充空间的微波与内容物的液面之间的夹角θ从15°变化至90°。图6A～图6F是分别与θ＝15°、30°、45°、60°、75°、90°相对应的模拟结果。此外，在各模拟结果中，无论在长度方向上还是在与长度方向正交的方向上都将反应器的上方侧的形状设为平板。即，将反应器的截面形状设置为如图5所示的形状。另外，在图6A～图6F中，分别用箭头指示出了内容物的液面位置。另外，在图6A～图6F中，反应器的长度方向分别为图中的左右方向。因此，在图6A～图6F中是从与图1、图2相同的方向观察反应器。在图6A中示出的θ＝15°时，大量的微波在液面发生反射，不会渗透到液体中。另外，图6A中，在中央附近存在向上下延伸的微波较弱的区域，该部分没有被适当照射微波。另外，在图6F中示出的θ＝90°时，虽然微波也渗透到了液体中，但是该液体中的微波斑点较大，存在微波集中的位置和不集中的位置。另外，与图6A的情况相同，在图6F中，在中央附近也存在向上下延伸的微波较弱的区域。图6B～图6E分别与θ＝30°、45°、60°、75°相对应，由图6B～图6E可知，在液体中微波的强度分布比较均匀。由此可知，作为照射微波的角度优选为θ＝30～75°的范围。特别是在图6C示出的θ＝45°的情况下，液体中的微波的强度分布均匀，并且，进一步在反应器的上方也不存在微波集中。由此可知，进一步优选在θ＝45°附近照射微波。因此，在以下的模拟2、3中设置成θ＝45°。此外，微波的照射方向可以认为是用于传送该微波的波导管的长度方向。

模拟2

在该模拟中，对在反应器13的长度方向上反应器的上方侧具有弯曲形状的情况和不具有弯曲形状的情况进行了比较。图7A为反应器13的上方侧在长度方向上具有弯曲形状时的模拟结果，图7B是不具有弯曲形状、即反应器的上方侧在长度方向上不具有弯曲形状而是平板时的模拟结果。此外，在两种情况中，在与长度方向正交的方向上，将反应器的上方侧的形状设置为平板。即，将反应器的截面形状设置为如图5所示的形状。另外，通过图7A、图7B图中的箭头示出了内容物的流动方向。因此，在图7A、图7B中是从与图1、图2相同的方向观察反应器。另外，在图7A、图7B的两个图中，反应器的内部被不透过微波的隔板分成了七个室。而且，在该两个图中，左数第一个室和左数第四个室的上方分别连接有波导管。在图7A中，在连接有该波导管15的位置的室中的微波强度最大，但是，在除此以外的室中也被均匀地照射微波。另一方面，在图7B中，与连接有波导管的位置的室无关，在左数第一个和左数第三个室中的微波强度较大，并且右数第一个室完全没有被导入微波。由此，当在长度方向上反应器的上方侧的形状为弯曲形状时，更均匀地向各室中照射微波，微波的集中也比较少。另一方面，当在长度方向上反应器的上方侧的形状为平板形状时，微波集中而无法进行均匀的照射。由此可知，通过使反应器13的上方侧相对于长度方向具有弯曲形状，有效地减少了微波的集中，并进一步有效地使微波均匀地照射。

模拟3

在该模拟中，对在与反应器13的长度方向正交的方向上反应器的上方侧为拱形形状的情况和不是拱形形状的情况进行了比较。图8A是反应器13的上方侧在与长度方向正交的方向上具有拱形形状时的模拟结果，图8B是不具有拱形形状、即反应器的上方侧在与长度方向正交的方向上是平板时的模拟结果。此外，在两个情况中，在长度方向上，反应器的上方侧的形状为平板。即，反应器在长度方向的任意位置处的截面为相同的形状。另外，在图8A、图8B的两个图中，通过箭头指示出了内容物的液面位置。另外，在图8A、图8B中是从与图3相同的方向观察反应器。此外，在图8A、图8B中，透视了隔板。如图8A中所示，当在与长度方向正交的方向上反应器13的上方侧具有拱形形状时，在该反应器13的上方侧几乎观察不到微波集中。与之相对地，如图8B中所示，当在与长度方向正交的方向上反应器的上方侧不具有拱形形状时，在该反应器的上方侧存在微波集中的位置。特别是在图8B的右上位置，在反应器的上表面附近微波集中，有可能导致反应器的上面板被异常加热。由此可知，通过将反应器13的上方侧的形状设置成相对于与长度方向正交的方向呈拱形形状，有效地减少了未填充空间中的微波集中。

此外，根据模拟结果3可以认为，当反应器13的内壁存在以90°或小于90°的角度(锐角)弯曲的位置(例如，图8B的右上的位置等)时，有可能在该位置发生微波集中。由此，可以认为，在反应器13的内部整体或者至少在反应器13的未填充空间中，优选使反应器13的内壁以超过90°的角度(钝角)连续。

如上所述，根据基于本实施方式的化学反应装置1，通过将反应器13的上方侧的形状在反应器13的长度方向上设置成弯曲形状，或者在与长度方向正交的方向上设置成拱形形状，能够减少除内容物以外的位置、例如未填充空间等中的微波集中，并且能够更均匀地向内容物照射微波。作为其结果，适当地加热内容物，并促进与内容物相关的化学反应。此外，在单模式(single mode)的情况下，由于使用微波的驻波，因此容易掌握电场或磁场集中的位置，但是，在多模式(multi mode)的情况下，非常难以掌握电场或磁场集中的位置。但是，通过形成如本实施方式的化学反应装置1的反应器13那样的形状，即使是多模式，也能够减少未填充空间等中的微波集中。另外，可以认为能够减少非目标位置处的微波集中，由此能够提高能量效率。

另外，通过将入射到未填充空间的微波与内容物的液面之间的夹角θ设置在30°～75°的范围内，能够更均匀地向内容物照射微波。进一步，通过将该夹角θ设置成45°，上述效果会变得更加显著，并且能够减少未填充空间中的微波集中。

另外，通过向与反应器13的长度方向正交的方向上的液面的中央位置照射微波，当在内容物的液面发生反射的微波在反应器13的上方侧被反射时，能够提高该被反射的微波照射到内容物的可能性。

此外，上述说明中，主要对在反应器13内流动的内容物照射微波的情况进行了说明，但是也可以不是这样的情况。例如，在反应器13中填满内容物，并在停止投入内容物后经未填充空间向内容物照射微波，在结束照射该微波后，可以将新的内容物投入到反应器13中，从而排出反应后的内容物。然后，可以交替反复使内容物这样的流动和照射微波。即使在该情况下，由于内容物向水平方向流动，因此可以认为该反应器13是平流式反应器。另外，在该情况下，在向反应器13投入新的内容物时，也可以向内容物照射微波。另外，如上述所述，也可以将反应器13用作批量式反应器。在将反应器13用作批量式反应器的情况下，例如，可以在反应器13的底部设置用于排出内容物的排出孔。

另外，在本实施方式中，对存在用于混合原料和催化剂的混合部12的情况进行了说明，但是也可以不存在混合部12。例如，在使用事先混合好的原料和催化剂、在反应器13中也进行混合时、在反应器13内流动的固体催化剂滞留于反应器13内时、代替在反应器13内流动的固体催化剂而使用固定床的固体催化剂时、或者在不使用催化剂时等，化学反应装置1可以不具备混合部12。此外，在使用固定床的固定催化剂时，通常该固定床的固体催化剂存在于反应器13的内部。该固定床的固体催化剂例如可以粘着在反应器13的内壁，或者也可以通过在反应器13的内部填充成催化剂填充层或柱(column)等的方式来固定该固体催化剂。该固体催化剂的形状例如可以是无定型的粒状、圆柱状(例如，可以是中空，也可以是非空心)、球状、丸状、环状、壳状、蜂窝状、发泡体状、纤维状、布状、板状或其他形状。

另外，在本实施方式中，虽然对反应器13如图2所示那样具有以串联方式相连的四个室31～34的情况进行了说明，但是该室的个数可以是一个，或者也可以是两个以上。通常，室的数量越多，越能够有效地防止原料发生短路而从反应器13的流入孔直接流向流出孔的现象。

另外，在本实施方式中，虽然对化学反应装置1具备温度测定部25和微波控制部16的情况进行了说明，但是也可以不这样设置。例如，通过将微波的输出功率设定为预定值，从而能够将反应器13的内部温度能够维持在期望的温度或温度幅度，在这种情况下可以不利用温度来进行微波输出功率的控制。

另外，在本实施方式中，虽然对反应器13的后端具备催化剂分离部17的情况进行了说明，但是也可以不这样设置。例如在通过其他的装置分离催化剂时、在反应器13内流动的固体催化剂滞留于反应器13内时、代替在反应器13内流动的固体催化剂而使用固定床的固体催化剂时、在通过反应器13进行的化学反应不使用催化剂时等，在基于本实施方式的化学反应装置1中可以不进行催化剂的分离，在这种情况下也可以不具备催化剂分离部17。

另外，在本实施方式中，虽然对将原料和催化剂混合后投入到反应器13的情况进行了说明，但是也可以不这样设置。例如，可以只将原料投入到反应器13中。另外，在不进行原料和催化剂的混合的情况下，可以仅使原料在反应器13的内部流动。即，反应器13的内容物例如可以是多种原料的混合物。另外，即使在不进行原料和催化剂的混合的情况，例如，当在反应器13内流动的固体催化剂滞留于反应器13内时，也可以使原料和催化剂在反应器13的内部流动。另外，在不进行原料和催化剂的混合时，混合部12例如可以使原料混合，或者也可以使原料(基质)和反应剂混合。另外，如前所述，在不需要对该原料等进行混合的情况下，化学反应装置1可以不具备混合部12。

另外，在本实施方式中，虽然对具备用于搅拌反应器13内的原料的一个以上的搅拌单元23的情况进行了说明，但是也可以不这样设置。例如，在反应器13构成为能够容易地向原料整体照射微波的结构的情况(例如，反应器13的内径较小的情况等)下，可以不设置搅拌单元23。

另外，在本实施方式中，虽然对化学反应装置1具备处理液贮存槽18的情况进行了说明，但是也可以不这样设置。例如，对于从化学反应装置1输出的生成物和副生成物的混合物，可以在其他装置中进行生成物的提取等。

另外，本实施方式中，虽然对反应器13的上方侧的形状在反应器13的长度方向上为弯曲形状的情况进行了说明，但是也可以不这样设置。另外，虽然对反应器13的上方侧的形状在与反应器13的长度方向正交的方向上为拱形形状的情况进行了说明，但是也可以不这样设置。例如，反应器13的上方侧的形状可以是在反应器13的长度方向上为弯曲形状、而在与反应器13的长度方向正交的方向上不为拱形形状，也可以是在反应器13的长度方向上不为弯曲形状、而在与反应器13的长度方向正交的方向上为拱形形状，或者还可以是在反应器13的长度方向上不为弯曲形状、并在与反应器13的长度方向正交的方向上不为拱形形状。

另外，在本实施方式中，虽然对入射到未填充空间的微波与内容物的液面之间的夹角在大于等于30度且小于等于75度的范围内的情况进行了说明，但是也可以不这样设置。该夹角可以是该范围以外的角度。

另外，在本实施方式中，虽然对使微波照射到与反应器13的长度方向正交的方向上的中央位置的情况进行了说明，但是也可以不这样设置。可以向除此以外的位置照射微波。

另外，本发明不限于以上的实施方式，能够进行各种变更，当然，这些变更也包含在本发明的范围内。

产业上的利用可能性

通过以上说明可知，根据基于本发明的化学反应装置，可获得能够减少在反应器内部微波集中在一部分位置、并且能够使微波更均匀地照射到内容物的效果，例如作为通过微波对内容物进行加热的化学反应装置是非常有用的。

Claims (6)

1.一种化学反应装置，其特征在于，具备：

平流式反应器，液态内容物以在上方具有未填充空间的状态沿水平方向流动；

微波发生器，用于产生微波；以及

波导管，将所述微波发生器产生的微波传送到所述反应器的未填充空间；

其中，所述反应器具有向所述内容物的流动方向延伸的形状，所述反应器的上方侧相对于所述内容物的流动方向具有向上凸起的弯曲形状，在所述反应器的与所述流动方向正交的方向的纵截面中，在上方侧与下方侧之间存在水平方向的宽度不发生变化的区域。

2.根据权利要求1所述的化学反应装置，其特征在于，

所述反应器的上方侧相对于与所述流动方向正交的方向具有拱形形状。

3.根据权利要求1或2所述的化学反应装置，其特征在于，

入射到所述未填充空间的微波与所述内容物的液面之间的夹角在30～75度的范围内。

4.根据权利要求3所述的化学反应装置，其特征在于，

入射到所述未填充空间的微波与所述内容物的液面之间的夹角为45度。

5.一种化学反应装置，其特征在于，具备：

平流式反应器，液态内容物以在上方具有未填充空间的状态沿水平方向流动，内壁由反射微波的物质构成；

微波发生器，用于产生微波；以及

波导管，将所述微波发生器产生的微波传送到所述反应器的未填充空间；

其中，入射到所述未填充空间的微波与所述内容物的液面之间的夹角在30～75度的范围内，

所述反应器具有向所述内容物的流动方向延伸的形状，所述反应器的上方侧相对于与所述内容物的流动方向正交的方向具有拱形形状，在所述反应器的与所述流动方向正交的方向的纵截面中，在上方侧与下方侧之间存在水平方向的宽度不发生变化的区域，

所述微波照射到与所述流动方向正交的方向上的液面的中央位置。

6.根据权利要求5所述的化学反应装置，其特征在于，

入射到所述未填充空间的微波与所述内容物的液面之间的夹角为45度。