JP2002168738A

JP2002168738A - 触媒性能評価装置

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Publication number: JP2002168738A
Application number: JP2000366717A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yano; 浩之矢野; Hidenori Hinako; 英範日名子
Original assignee: Asahi Kasei Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2002-06-14
Anticipated expiration: 2020-12-01
Also published as: JP4504552B2

Abstract

(57)【要約】【課題】多数の触媒について、迅速且つ効率的に触媒
性能を自動評価できる装置で、且つ多岐に亘る反応や反
応条件に対応可能な装置を提供する。【解決手段】内部に複数の触媒を充填することができ
る反応容器と、該反応容器の内部に反応ガスを供給する
手段と、該反応ガスが前記複数の触媒に接触することに
より生成される複数の各々の触媒に対応する生成ガスを
個別に吸引することによって分取する分取装置と、前記
生成ガスの吸引量を制御することが可能な吸引装置と、
前記生成ガスの種類及び濃度に応じた信号を検出する分
析器と、前記分取装置と前記分析器と前記吸引装置とが
流路切換装置を介して連結されていることを特徴とする
触媒性能評価装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、反応ガスを触媒に
接触させて反応させ、生成される生成ガスを採取し、そ
の種類及び濃度を分析することにより、触媒性能評価を
行う装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】気相接触化学反応に用いる固体触媒の活
性、生成物の選択性などの触媒性能を実験室規模で評価
する方法として、従来より固定層反応器を用いた管型流
通式反応法が広く用いられている。

【０００３】この流通式反応法による触媒評価は、触媒
を充填した固定層反応器を電気炉や恒温槽等の加熱装置
を用いて所定の反応温度へ設定し、固定層反応器内に反
応ガスを流通させ、生成物や未反応物の種類や濃度を、
ガスクロマトグラフ、マススペクトルなどでオンライン
で分析したり、いったん生成物や未反応物をトラップし
た後に、得られた生成物と未反応物を、ガスクロマトグ
ラフ（ＧＣ）、質量分析法（ＭＳ）で分析するなどの方
法で行われている。

【０００４】触媒評価においては、扱う反応が多岐に亘
るため、多種多様な反応条件と生成物に対応できること
が求められる。例えば、反応の種類については、無機性
のガスを扱う反応から、有機性化合物を扱う反応まで多
岐に亘り、また、生成物の種類から見れば、分子量の差
の小さい生成物が複数種生成する反応もあれば、分子量
の差の大きい生成物が複数種、生成する反応まで考えら
れる。

【０００５】これらの生成物は、熱伝導度式ガスクロマ
トグラフ（ＧＣ−ＴＣＤ）、水素炎イオン化式ガスクロ
マトグラフ（ＧＣ−ＦＩＤ）、ＭＳなど、汎用分析法の
いずれでも分析可能なものもあれば、これらのいずれか
１つのみで分析可能なもの、又は複数を組み合わせるこ
とで初めて、分析できるものがある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ＭＳ単独のオンライン
分析法では、数秒で分析可能という利点を有するが、例
えば、異性化反応や酸化反応といった、多数の異なる種
類の生成物が生成する反応では、親イオンやフラグメン
トイオンが異なる場合が多く、ＭＳ単独では十分な分析
ができないことが多い。

【０００７】一方、ＧＣ−ＦＩＤ、ＧＣ−ＴＣＤ等のオ
ンライン分析法では、分析は早くても数分程度を必要と
するといった不利な点はあるが、分離カラムや温度など
の分析条件を適正に選択すれば、同一分子量の生成物や
ＭＳ分析では同定出来ないフラグメントを有する生成物
を分離して分析できるなどの利点を有している。

【０００８】上記のように、それぞれの分析法には長短
があるために、反応や触媒を変えた際に、目的に適した
分析器が備えられている場合はよいが、そうではない場
合、触媒性能評価装置そのものを使うことができなくな
るため、別の触媒性能評価装置一式を別途、導入するこ
とが必要で、実験スペースやコストの面などで問題があ
った。

【０００９】また、オンライン分析法での分析では、通
常１つの反応器には１種類の触媒を充填し、その反応器
と分析機器を直結するか、又は高々４〜５個程度の反応
容器を１つの分析機器につなぐため、反応条件にもよる
が、一日に評価可能な触媒数は多くても１０サンプル程
度に留まらざるを得ない。

【００１０】触媒の研究開発における初期の探索段階に
おいては、多数の触媒に対して迅速且つ効率的にスクリ
ーニングを行い、早期に開発の方向付けを行うことが非
常に重要であるが、上記通常法では触媒評価に時間がか
かり効率が悪く、また反応器を増してその数に応じた分
析機器を増設しても、コスト等の面では有利ではない。

【００１１】そのため、最近、コンビナトリアルケミス
トリーの概念に基づき、ＸＹＺ三軸稼動ロボットを利用
した触媒性能評価装置も提案されている（Ａｎｇｅｗ．
Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．３８、２７９５（１９９９
年）；３８、４８３（１９９９）；Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅ
ｍ．１１１、５０８（１９９９））。

【００１２】しかしながら、ＸＹＺロボットを用いて、
分析装置を連結させる場合には、吸引によって生成ガス
を分析装置に導入することが多いが、生成ガスの流量に
応じた吸引ができなければ、生成ガス以外に空気なども
一緒に吸引してしまうため、分析精度が著しく低下する
ことになる。そのため、分析装置の特性上、生成ガスの
流量が制約を受けることもあり、触媒探索を促進する上
での障害になっていた。

【００１３】以上のような状況から、多数の触媒を迅速
且つ効率的に性能評価を行い得る自動化された触媒性能
評価装置の開発が望まれていた。

【００１４】本発明は、上記従来技術の課題を解決すべ
くなされたものであり、多数の触媒について、迅速且つ
効率的に触媒性能を自動評価できる装置で、且つ多岐に
亘る反応や反応条件に対応可能な装置を提供することを
目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、
本発明は、（１）反応ガスを触媒に接触させて生成ガス
を生成する反応容器と、前記反応ガスを前記反応容器に
供給する供給手段と、前記生成ガスの種類及び濃度に応
じた信号を検出する分析器と、を備えた触媒性能評価装
置において、前記反応容器は、内部に複数の触媒を充填
することが可能な充填部分と、前記複数の触媒に前記反
応ガスを接触させることにより生成される各々の触媒に
対応する複数の生成ガスを個別に採取することが可能な
採取部分とを有し、前記採取部分から前記複数の生成ガ
スを個別に吸引することによって分取する分取装置と、
前記生成ガスの吸引量を制御することが可能な吸引装置
と、を備え、前記分取装置と前記分析器と前記吸引装置
とが流路切換装置を介して連結されていることを特徴と
する触媒性能評価装置、（２）前記吸引装置が、真空ポ
ンプと流量制御装置を備えていることを特徴とする
（１）に記載の触媒性能評価装置、（３）前記流路切換
装置が、複数の接続ポートを有するバルブを備えている
ことを特徴とする（１）又は（２）に記載の触媒性能評
価装置、（４）前記分取装置が、前記採取部分に適宜接
続される吸引部分を備えたＸＹＺ三軸稼動ロボットであ
ることを特徴とする（１）から（３）のうちのいずれか
に記載の触媒性能評価装置、（５）前記分析器からの出
力信号を順次入力する演算装置を備えることを特徴とす
る（１）から（４）のうちのいずれかに記載の触媒性能
評価装置、（６）前記反応容器が、多数の貫通孔を並列
に配列した多管式管型反応器であって、管内部に触媒充
填層を備えることを特徴とする（１）から（５）のうち
のいずれかに記載の触媒性能評価装置、（７）前記反応
容器を加熱するための加熱装置を備えていることを特徴
とする（１）から（６）のうちのいずれかに記載の触媒
性能評価装置、（８）前記分取装置と、前記流路切換装
置と前記吸引装置と、を制御するための演算装置を備え
ていることを特徴とする（１）から（７）のうちのいず
れかに記載の触媒性能評価装置、（９）（８）に記載の
触媒性能評価装置において、さらに、前記生成ガスが流
通する生成ガス流路の温度調節を行うための流路温度調
節器を備え、前記演算装置は、さらに前記流路温度調節
器も制御すること、を特徴とする触媒性能評価装置、
（１０）（８）又は（９）に記載の触媒性能評価装置に
おいて、さらに、前記流路切換装置の温度調節を行うた
めの切換装置温度調節器を備え、前記演算装置は、さら
に前記切換装置温度調節器も制御すること、を特徴とす
る触媒性能評価装置、を提供するものである。

【００１６】本発明に係わる触媒性能評価装置におい
て、特に特徴的な構成は、（Ａ）生成ガスの吸引量を制
御することが可能な吸引装置を備えること、（Ｂ）分取
装置と分析器と吸引装置とが流路切換装置を介して連結
されていること、である。

【００１７】（Ａ）の特徴を備えた構成にすることによ
って、生成ガスの吸引量を任意に且つ正確に制御するこ
とが可能となり、反応ガス流量すなわち反応接触時間を
任意に変えることが可能となり、多種多数の触媒や異な
る反応などに対応することができる。具体的には、真空
ポンプと流量制御装置からなる構成を例示できる。

【００１８】（Ｂ）の特徴を備えた装置にすることによ
って、汎用の分析器を任意に接続することが可能であ
る。すなわち、多種多数の触媒や異なる反応条件に対応
することができる。具体的には、図２のように分取装置
と分析器と吸引装置とを接続した六方バルブを例示でき
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照しつつ具体的に説明するが、本発明はこれに限
定されるものではない。

【００２０】まず、本発明に係わる触媒性能評価装置の
構成について説明する。図１は、本発明に係わる触媒性
能評価装置の一実施形態を表す概念図である。

【００２１】図１において、１は触媒性能評価装置の全
体を指している。触媒性能評価装置１は、本発明の充填
部分に対応する触媒毎に独立した複数の触媒充填孔２３
と各々の触媒充填孔２３に続く生成ガス取り出し口であ
る採取部分２４とを備えた反応容器２、反応容器２の内
部へ反応ガスを供給する供給手段としての反応ガス供給
管３及び反応ガス供給量制御装置４、反応容器２及び反
応ガス供給管３の末端を加熱するための電気炉または恒
温槽などの加熱装置５、触媒と反応ガスが接触して生成
された生成ガスを個別に分取する分取装置であるＸＹＺ
三軸稼動ロボット６、生成ガスの種類及び濃度に応じた
信号を検出するための分析器９、保温用ヒーターを備
え、ＸＹＺ三軸稼動ロボット６から分析器９に至る生成
ガス流路１０、生成ガスを吸引するための吸引装置８、
吸引装置８と分析器９を連結するための流路切換装置１
１、分析器９からの出力信号を自動的に取り込む演算装
置１２、生成ガス流路１０を保温する保温用ヒーターの
温度調節を行うための流路温度調節器１３、流路切換装
置１１の温度調節を行うための切換装置温度調節器１４
と、ＸＹＺ三軸稼動ロボット６と吸引装置８と流路切換
装置１１と流路温度調節器１３と切換装置温度調節器１
４とを制御するための制御装置７と、を備えている。

【００２２】（反応容器）反応容器２は、空気が侵入し
て分析精度が低下することを防止するために、反応ガス
導入部を備えた蓋２１と受器２２とから構成し、蓋２１
と受器２２との間にパッキング材を挿入してボルト類で
固定することによって密封構造とすることが好ましい。

【００２３】蓋２１の上部には、反応容器２の内部へ反
応ガスを供給するための反応ガス供給管３が取り付けら
れている。受器２２は、所定の間隔を隔てて配置された
複数の触媒充填孔２３と各々の触媒充填孔に対応する生
成ガス取り出し口である採取部分２４とを備えている。
触媒充填孔２３及び採取部分２４の数は任意に選ぶこと
ができるが、好ましくは３０〜３００であり、触媒充填
孔２３の配置はマトリックス状であっても、同心円状で
あってもよい。

【００２４】なお、複数の触媒を充填するための反応容
器２の形態は、図１のように複数の管を並列に配列する
形態に限らない。例えば容器内を反応ガスの流通方向に
平行な平板状の仕切によって複数の区画に分け、夫々の
区画の両端の開口部分に反応ガスの出入り口を設けるな
どでも良く、複数の異なる一定条件（触媒の種類や、密
度等）下で触媒と反応して生成した生成ガスを個別に取
り出すことができれば良い。

【００２５】（ＸＹＺ三軸稼動ロボット）ＸＹＺ三軸稼
動ロボット６としては、例えば、電動式ＸＹ二軸ユニッ
ト６１とエア駆動式Ｚ軸ユニット６２とから成り、エア
駆動式Ｚ軸ユニット６２に生成ガス流路１０の先端部を
備えた形態が挙げられる。ＸＹＺ三軸稼動ロボット６
は、制御装置７によって作動制御される。

【００２６】（吸引装置）吸引装置８は、真空ポンプ８
１と生成ガス吸引量を制御するための流量制御装置８２
とトラップ８３とから構成できる。ＸＹＺ三軸稼動ロボ
ットに取り付けた生成ガス流路１０の先端部を、制御装
置７で指定した位置の採取部分２４へ内挿させ、吸引装
置８を稼動させることによって、指定した位置の生成ガ
スを分析器９に導くことが可能である。生成ガス吸引量
は、流量制御装置８２によって採取部分２４におけるガ
ス流量以下に設定されることによって、生成ガスのみを
吸引することができ、空気の混入による分析精度の低下
を抑え、正確な触媒性能評価を行うことが可能である。
吸引装置８は、制御装置７によって作動制御できる。

【００２７】（流路切換装置）流路切換装置１１は、複
数の接続ポートを有する六方バルブなどのマルチポジシ
ョンバルブが好ましい。マルチポジションバルブへ生成
ガス流路１０を接続することで、生成ガス流路１０を接
続ポート数の流路へ分岐させ、その一つを選択すること
によって、吸引装置８や分析器９への流路切換が可能で
ある。また、接続ポート数の流路分岐が可能であるた
め、分析器を増設することが容易で、多角的な触媒性能
評価を行うことができ、装置としての拡張性を高めるこ
とができる。流路切換装置１１は、制御装置７によって
作動制御される。

【００２８】図２から図４に、流路切換装置１１の構成
の具体例を示す。これらの図において、１１０は六方バ
ルブ、１１１及び１１２は三方バルブ、１１３はサンプ
リングラインを示している。

【００２９】図２においては、六方バルブ１１０の実線
部分の流路を連通させて吸引装置を作動させれば、生成
ガスは分取装置から接続ポートｂ、接続ポートａを経由
して分析器９に導入され、接続ポートｄ、接続ポートｃ
を経由して吸引装置に吸引される。また、破線部分の流
路を連通させれば、分析器９を通さずに生成ガスを吸引
装置に吸引させることもできる。

【００３０】図３においては、六方バルブ１１０の実線
部分の流路を連通させて吸引装置を作動させれば、生成
ガスは分取装置から接続ポートａ、接続ポートｂを経由
して三方バルブ１１１に至る。ここで三方バルブ１１１
の連通状態によって、生成ガスを分析器９に導入するこ
ともできるし、分析器９を通さずにショートカットさせ
ることもできる。その後、生成ガスは接続ポートｃ、接
続ポートｄを経由して吸引装置に吸引される。六方バル
ブ１１０の破線部分の流路を連通させた場合も同様であ
る。

【００３１】図３のように構成すれば、より多くの分析
器を同時に接続しておき、生成ガスの種類に応じて分析
器を使い分けることが可能となる。

【００３２】図４には、特に分析器９としてＧＣを用い
る場合の構成を示している。この場合、先ず六方バルブ
１１０の実線部分の流路を連通させて吸引装置を作動さ
せれば、生成ガスは分取装置から接続ポートｂ、接続ポ
ートａ、サンプリングライン１１３、接続ポートｄ、接
続ポートｃをこの順に経由して吸引装置に吸引される。
次に、六方バルブ１１０の破線部分の流路を連通させれ
ば、分析器９が備えるボンベ等からＨｅ、Ｎ₂、Ａｒ等
のキャリアガスを接続ポートｆに送り込むことで、サン
プリングライン１１３内に残留している生成ガスを接続
ポートｄ、接続ポートｅを経て分析器９に導入すること
ができる。

【００３３】（分析器）分析器９は、生成ガスの種類や
必要とする分析の精度に応じて、適宜変更または増設し
てよい。本実施形態における分析器９は、ＧＣ、ＭＳま
たはガスクロマトグラフ質量分析計（ＧＣ／ＭＳ）が好
ましい。本実施形態におけるガスクロマトグラフ分析
は、反応原料と目的生成物のみを検出するべく、分離カ
ラムや温度などの分析条件を調整することで、一回の分
析時間を数分とすることもできる。生成物の検出器には
ＴＣＤ、ＦＩＤのほか、電子捕獲式検出器（ＥＣＤ）な
どの汎用の分析技術を好適に用いることができる。

【００３４】（制御装置）本実施形態における制御装置
７は、ＸＹＺ三軸稼動ロボット６と吸引装置８と流路切
換装置１１と温度調節器１３と温度調節器１４の制御、
演算装置１２の制御を行うために用いられ、分析条件の
設定、分析状況の表示、通信設定、装置メンテナンスな
どを行うプログラムが組み込まれた、汎用のパーソナル
コンピュータとされ、ＸＹＺ三軸稼動ロボット６と吸引
装置８と流路切換装置１１と温度調節器７と温度調節器
１３とケーブルを介して結線されたインターフェイスボ
ードが装着されている。なお、制御装置７を専用装置と
して構成することも可能である。本実施形態における演
算装置１２は、分析器９からの出力信号を自動的に取り
込むプログラムが組み込まれた、汎用のパーソナルコン
ピュータとされ、分析器９とケーブルを介して結線され
たインターフェイスボードが装着されている。なお、演
算装置１２を専用装置として構成することも可能であ
る。

【００３５】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明にかかる触
媒性能評価装置は、多種多数の触媒について、迅速且つ
効率的に触媒性能評価を行い得る装置で、且つ多岐に亘
る反応や反応条件に対応可能で、実験精度の向上と自動
化による省力化を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る触媒性能評価装置の一実施形態を
表す概念図である。

【図２】本発明に係る流路切換装置の接続形態を表す概
念図である。

【図３】本発明に係る流路切換装置の他の接続形態を表
す概念図である。

【図４】本発明に係る流路切換装置の他の接続形態を表
す概念図である。

【符号の説明】

１触媒性能評価装置２反応容器３反応ガス供給管４反応ガス供給量制御装置５加熱装置６ＸＹＺ三軸稼動ロボット７制御装置８吸引装置９分析器１０生成ガス流路１１流路切換装置１２演算装置１３流路温度調節器１４切換装置温度調節器２１反応容器蓋部２２反応容器受器部２３触媒充填孔２４採取部分６１電動式ＸＹ二軸ユニット６２エア駆動式Ｚ軸ユニット８１真空ポンプ８２流量制御装置８３トラップ１１０六方バルブ１１１，１１２三方バルブ１１３サンプリングライン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応ガスを触媒に接触させて生成ガスを
生成する反応容器と、前記反応ガスを前記反応容器に供
給する供給手段と、前記生成ガスの種類及び濃度に応じ
た信号を検出する分析器と、を備えた触媒性能評価装置
において、前記反応容器は、内部に複数の触媒を充填す
ることが可能な充填部分と、前記複数の触媒に前記反応
ガスを接触させることにより生成される各々の触媒に対
応する複数の生成ガスを個別に採取することが可能な採
取部分とを有し、前記採取部分から前記複数の生成ガス
を個別に吸引することによって分取する分取装置と、前
記生成ガスの吸引量を制御することが可能な吸引装置
と、を備え、前記分取装置と前記分析器と前記吸引装置
とが流路切換装置を介して連結されていることを特徴と
する触媒性能評価装置。
【請求項２】前記吸引装置が、真空ポンプと流量制御
装置を備えていることを特徴とする請求項１に記載の触
媒性能評価装置。
【請求項３】前記流路切換装置が、複数の接続ポート
を有するバルブを備えていることを特徴とする請求項１
又は２に記載の触媒性能評価装置。
【請求項４】前記分取装置が、前記採取部分に適宜接
続される吸引部分を備えたＸＹＺ三軸稼動ロボットであ
ることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１
項に記載の触媒性能評価装置。
【請求項５】前記分析器からの出力信号を順次入力す
る演算装置を備えることを特徴とする請求項１から４の
うちのいずれか１項に記載の触媒性能評価装置。
【請求項６】前記反応容器が、多数の貫通孔を並列に
配列した多管式管型反応器であって、管内部に触媒充填
層を備えることを特徴とする請求項１から５のうちのい
ずれか１項に記載の触媒性能評価装置。
【請求項７】前記反応容器を加熱するための加熱装置
を備えていることを特徴とする請求項１から６のうちの
いずれか１項に記載の触媒性能評価装置。
【請求項８】前記分取装置と、前記流路切換装置と前
記吸引装置と、を制御するための演算装置を備えている
ことを特徴とする請求項１から７のうちのいずれか１項
に記載の触媒性能評価装置。
【請求項９】請求項８に記載の触媒性能評価装置にお
いて、さらに、前記生成ガスが流通する生成ガス流路の
温度調節を行うための流路温度調節器を備え、前記演算
装置は、さらに前記流路温度調節器も制御すること、を
特徴とする触媒性能評価装置。
【請求項１０】請求項８又は９に記載の触媒性能評価
装置において、さらに、前記流路切換装置の温度調節を
行うための切換装置温度調節器を備え、前記演算装置
は、さらに前記切換装置温度調節器も制御すること、を
特徴とする触媒性能評価装置。