JP2005169213A - Microreactor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a microreactor which easily forms a very small reaction space (microspace) and makes the resident time and flow of a reaction fluid constant as much as possible. <P>SOLUTION: A plurality of flat plates 2 provided with inlets and outlets for a reaction fluid are laminated, and a gasket 4 is arranged between the plates so that a microspaces 20 of 10-1,500 μm in height (H) may be formed, and at least one microspace formed between the two flat plates has a ratio of a flow channel width (W) to the height (H) of 20-10,000. The microreactor is applicable, for example, to a synthesis of hydrogen from methanol by arranging a catalyst element comprising a methanol-converting catalyst in a front stage microspace as a reaction part and arranging a hydrogen separation membrane in a latter stage microspace as a separation part. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、マイクロリアクター、すなわち微小な反応空間が形成された反応装置に関する。   The present invention relates to a microreactor, that is, a reaction apparatus in which a minute reaction space is formed.

特表2001−524019号公報JP-T-2001-524019 「マイクロリアクターズ」, WILEY-VCH, p30, 2000"Microreactors", WILEY-VCH, p30, 2000 「エレメントアセンブルによる汎用型マイクロリアクターの開発」,C316、第67回化学工学会年会発表予稿集"Development of a general-purpose microreactor by element assembly", C316, Proceedings of the 67th Chemical Engineering Society Annual Meeting

シリコン、ガラス、金属、プラスチック等の基材に、切削加工、エッチング、成型等の各種手法により凹部を形成し、これを流体経路や分離用ゲルチャンネルとするマイクロケミカルデバイスが知られている(例えば、非特許文献1)。また、特許文献1には、少なくとも一枚の平面の流体経路及び流体の入口と出口を備えるマイクロリアクターにおいて、該流体経路が互いに対向配置された金属製側壁と、これら側壁間に延在する別の金属製又はプラスチック製側壁とに区画され、前記平面が互いに及び/又は開放した流体経路を密閉する閉塞手段と、蝋付け又は接着によって結合されたマイクロリアクターが提案されている。しかしながら、従来のマイクロリアクターは、その空間容積と内部表面積の比を大きく取るために、流路高さHと流路幅Wの比W/Hが小さく、また装置への流通量や滞留時間を大きく取るために、一面あたりに複数の流路を設けたり、流路長を長く湾曲させたりしたものが多い。そのため、積層される薄板の形状は、複雑であって、加工にも高度な技術や長い工程を必要とし、コスト的にも不利である。   There is known a microchemical device in which a concave portion is formed on a base material such as silicon, glass, metal, plastic, etc. by various methods such as cutting, etching, molding, and this is used as a fluid path or a gel channel for separation (for example, Non-Patent Document 1). Further, in Patent Document 1, in a microreactor including at least one planar fluid path and a fluid inlet and outlet, a metal side wall in which the fluid path is arranged opposite to each other, and another extending between the side walls. A microreactor has been proposed which is partitioned by metal or plastic side walls and closed by brazing or gluing, with closing means sealing the fluid paths open to each other and / or the planes. However, the conventional microreactor has a small ratio W / H between the flow path height H and the flow path width W in order to increase the ratio between the space volume and the internal surface area. In order to make it large, there are many cases where a plurality of flow paths are provided on one surface or the flow path length is long and curved. For this reason, the shape of the laminated thin plates is complicated, requires advanced techniques and long processes for processing, and is disadvantageous in terms of cost.

非特許文献2には、薄い円筒形のマイクロ空間を多数積層されたマイクロリアクターが記載されているが、マイクロ空間への反応流体の入り口及び出口の形状が細孔であり、反応流体の流れが一定とならず、滞留時間が長いものや短いものが混在するという問題があった。   Non-Patent Document 2 describes a microreactor in which a large number of thin cylindrical microspaces are stacked, but the shape of the inlet and outlet of the reaction fluid into the microspace is a pore, and the flow of the reaction fluid is There was a problem in that it was not constant and a long residence time or a short residence time was mixed.

本発明の目的は、微小な反応空間(マイクロ空間)を簡便に形成することができ、反応流体の滞留時間や流れを可及的に一定にすることができるマイクロリアクターを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a microreactor in which a minute reaction space (microspace) can be easily formed and the residence time and flow of the reaction fluid can be made as constant as possible.

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究を行い、平板でガスケットを挟み込む構造において、流路幅と流路高さに特定の比率をもたせることによって、マイクロ空間を簡便に形成することを可能にした本発明を完成した。   The inventors of the present invention have made extensive studies to achieve the above object, and in a structure in which a gasket is sandwiched between flat plates, a micro space is easily formed by giving a specific ratio to the channel width and channel height. This completes the present invention.

すなわち、本発明は、反応流体の入出口を備えた複数の平板が積層され、平板間には高さ(H)10〜1500μmのマイクロ空間が形成されるようにガスケットが配置され、2枚の平板間に形成される少なくとも一つのマイクロ空間は、流路幅(W)/高さ(H)の比が20〜10000であることを特徴とするマイクロリアクターである。   That is, according to the present invention, a plurality of flat plates each having a reaction fluid inlet / outlet are stacked, and a gasket is arranged between the flat plates so that a micro space with a height (H) of 10 to 1500 μm is formed. At least one microspace formed between the flat plates is a microreactor characterized in that the ratio of channel width (W) / height (H) is 20 to 10,000.

また、本発明は、少なくとも一つのマイクロ空間が、高さ(H)、流路幅(W)に対応する幅(W)、長さ(L)の薄い直方体形状であり、この一つのマイクロ空間を構成する一方の平板に反応流体のスリット状の入口を備え、反応流体下流側にある他方の平板に反応流体のスリット状の出口を備え、スリット状の入口又は出口の長辺幅(Y)/短辺幅(X)の比が4〜100であり、長辺幅(Y)が幅(W)の80%以上である前記のマイクロリアクターである。   Further, according to the present invention, at least one micro space has a thin rectangular parallelepiped shape having a height (H), a width (W) corresponding to the channel width (W), and a length (L). Is provided with a slit-like inlet of the reaction fluid on one flat plate and a slit-like outlet of the reaction fluid on the other flat plate on the downstream side of the reaction fluid, and the long side width (Y) of the slit-like inlet or outlet The ratio of the short side width (X) is 4 to 100, and the long side width (Y) is 80% or more of the width (W).

更に、本発明は、少なくとも一つのマイクロ空間内に、取り外し自在の平板状で、高さ(H)の1/10〜9/10の厚み(T)を有する触媒エレメントが装着されていることを特徴とする前記のマイクロリアクターである。   Further, according to the present invention, a catalyst element having a thickness (T) of 1/10 to 9/10 of a height (H) is mounted in at least one micro space. A microreactor as described above.

また、本発明は、2組以上の平板とガスケットを交互に積層することで、流路幅(W)/高さ(H)の比が20〜10000である複数のマイクロ空間を直列に配列してなる前記のマイクロリアクターである。
更に、本発明は、2組以上の平板とガスケットを交互に積層する際、厚みの異なるガスケットを使用することで、流路幅(W)/高さ(H)の比が異なるマイクロ空間を直列に配列してなる前記のマイクロリアクターである。
In the present invention, two or more pairs of flat plates and gaskets are alternately stacked, so that a plurality of microspaces having a flow path width (W) / height (H) ratio of 20 to 10,000 are arranged in series. The microreactor as described above.
Furthermore, in the present invention, when two or more pairs of flat plates and gaskets are alternately laminated, by using gaskets having different thicknesses, microspaces having different flow path width (W) / height (H) ratios are connected in series. A microreactor as described above.

また、本発明は、マイクロ空間に触媒エレメント、分離手段又は両者を装入することで、反応、分離又は両者を行う前記のマイクロリアクターである。
更に、本発明は、複数のマイクロ空間に異なる触媒エレメント、分離手段又は両者を装入することで、反応、分離又は両者を行う前記のマイクロリアクターである。
Further, the present invention is the above-described microreactor that performs reaction, separation, or both by inserting a catalyst element, separation means, or both into a microspace.
Furthermore, the present invention is the above-described microreactor that performs reaction, separation, or both by loading different catalyst elements, separation means, or both into a plurality of microspaces.

また、本発明は、マイクロ空間に装入された触媒エレメントの厚み(T)と空間の高さ(H)との差で表される反応空間幅(R)が50〜500μmである前記のマイクロリアクターである。
更に、本発明は、触媒エレメントの厚み(T)が20〜300μmである前記のマイクロリアクターである。
また、本発明は、触媒エレメントが金属触媒担持炭素膜である前記のマイクロリアクターである。
In the present invention, the reaction space width (R) represented by the difference between the thickness (T) of the catalyst element charged in the micro space and the height (H) of the catalyst is 50 to 500 μm. It is a reactor.
Furthermore, the present invention is the above microreactor in which the thickness (T) of the catalyst element is 20 to 300 μm.
The present invention is also the above microreactor in which the catalyst element is a metal catalyst-supporting carbon membrane.

更に、本発明は、前記の触媒エレメントを装入したマイクロ空間からなる反応部に、触媒エレメントとしてメタノール転化触媒を配置して改質反応部とし、分離手段に水素分離膜を配置して分離部とすることを特徴とする水素の合成方法である。
ここで、反応温度を180〜380℃とすること、又は、改質反応部を構成する一つのマイクロ空間の流路幅が20mm以上であり、このマイクロ空間における滞留時間を2秒以内とすることは好ましいことである。
Furthermore, the present invention provides a reforming reaction section by placing a methanol conversion catalyst as a catalyst element in a reaction section comprising a micro space charged with the catalyst element, and a separation section by placing a hydrogen separation membrane in the separation means. This is a method for synthesizing hydrogen.
Here, the reaction temperature is 180 to 380 ° C., or the flow width of one micro space constituting the reforming reaction section is 20 mm or more, and the residence time in this micro space is within 2 seconds. Is preferred.

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明のマイクロリアクターの基本構造の一例を示す断面図であり、図2は、マイクロリアクターの中間段に配置されてマイクロ空間を構成する平板の平面図であり、図3は、本発明のマイクロリアクターに触媒エレメント及び分離膜を配置したときの断面図である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the basic structure of the microreactor of the present invention, FIG. 2 is a plan view of a flat plate that is arranged in an intermediate stage of the microreactor and forms a micro space, and FIG. It is sectional drawing when a catalyst element and a separation membrane are arrange | positioned at the microreactor of this invention.

図1において、マイクロリアクターは、底部の平板1、中間部に配置される複数の平板2及び上部の平板3と、各平板間に配置される複数のガスケット4により複数のマイクロ空間20を形成している。そして、反応流体の入口5を底部平板1の孔7に接続して、出口6を上部平板3の孔9に接続して備えている。また、中間部に配置される複数の平板2には、入口及び出口兼用のスリット8が設けられ、入口5から装入された反応流体が、複数のマイクロ空間20を順次通過して、最後に出口6から排出されるようになっている。ここで、各平板は、これらを一体化してマイクロリアクターとするため、ガスケット4が配置される位置より外側の四隅に、ボルト10を通すための孔が設けられ、ボルト10とナット11により締め付けられて一体化され、且つ、マイクロ空間20の気密が保持される。   In FIG. 1, the microreactor forms a plurality of micro spaces 20 by a flat plate 1 at the bottom, a plurality of flat plates 2 and an upper flat plate 3 arranged in the middle, and a plurality of gaskets 4 arranged between the flat plates. ing. The reaction fluid inlet 5 is connected to the hole 7 of the bottom flat plate 1 and the outlet 6 is connected to the hole 9 of the upper flat plate 3. In addition, the plurality of flat plates 2 arranged in the intermediate portion are provided with slits 8 that serve both as an inlet and an outlet, and the reaction fluid charged from the inlet 5 sequentially passes through the plurality of microspaces 20, and finally It is discharged from the outlet 6. Here, in order to integrate these flat plates into a microreactor, holes for passing bolts 10 are provided at the four corners outside the position where the gasket 4 is arranged, and are tightened by bolts 10 and nuts 11. And the airtightness of the micro space 20 is maintained.

図1において、マイクロ空間20は複数あるが、1以上であればよく、好ましくは3〜50の範囲である。必要な数のマイクロ空間を形成するために少なくとも必要なガスケット4の数は同数であり、平板の合計数はそれより1つ多い数である。   In FIG. 1, there are a plurality of micro spaces 20, but one or more micro spaces 20 may be used, and the range is preferably 3 to 50. At least the number of gaskets 4 required to form the required number of microspaces is the same, and the total number of flat plates is one more than that.

図1に示すように、マイクロ空間20の高さHはガスケット4の厚みで制御可能であり、幅は平板の大きさとガスケット4を配置する位置で制御可能である。中間部に配置される任意の平板22は、上流側に隣接して配置される平板21と1つのマイクロ空間24を構成すると同時に、下流側に隣接して配置される平板23とで1つのマイクロ空間25を構成している。したがって、任意の平板22に設けられるスリット8は、上流側マイクロ空間24からの出口であると同時に、マイクロ空間25の入口でもある。   As shown in FIG. 1, the height H of the micro space 20 can be controlled by the thickness of the gasket 4, and the width can be controlled by the size of the flat plate and the position where the gasket 4 is disposed. An arbitrary flat plate 22 arranged in the middle portion constitutes one micro space 24 with the flat plate 21 arranged adjacent to the upstream side, and at the same time, one flat plate 23 arranged adjacent to the downstream side. A space 25 is formed. Therefore, the slit 8 provided in the arbitrary flat plate 22 is not only an outlet from the upstream microspace 24 but also an inlet of the microspace 25.

図2において、中間部に配置される任意の平板22の周囲には、四角形のリング状のガスケット4が配置され、それに囲まれた内部がマイクロ空間を形成する。また、ガスケットに囲まれた内側の平板22の一端には、スリット8が設けられ、そこから上流側のマイクロ空間24からの反応流体が流れ込み、平板22と23間で構成されるマイクロ空間25を他端側に流れて、点線で表される平板23に設けられるスリット8'から下流側のマイクロ空間26に流出する。ここで、流路幅Wは図2において、幅Wをいい、流路長は、長さXをいう。また、図2において、平板22の四隅に設けられている点線はボルト10及びナット11の位置を示す。
なお、図面においては平板及びガスケットが四角形のものを例示しているが、これらが多少変形していても差し支えない。しかし、四角形ないしほぼ四角形のものが好ましい。
In FIG. 2, a rectangular ring-shaped gasket 4 is arranged around an arbitrary flat plate 22 arranged in the intermediate portion, and the interior surrounded by the gasket forms a micro space. In addition, a slit 8 is provided at one end of the inner flat plate 22 surrounded by the gasket, from which the reaction fluid from the upstream micro space 24 flows, and the micro space 25 formed between the flat plates 22 and 23 is formed. It flows to the other end side and flows out from the slit 8 ′ provided in the flat plate 23 represented by the dotted line to the micro space 26 on the downstream side. Here, the flow path width W in FIG. 2 refers to the width W, and the flow path length refers to the length X. In FIG. 2, dotted lines provided at the four corners of the flat plate 22 indicate the positions of the bolt 10 and the nut 11.
In the drawings, the flat plate and the gasket are illustrated as rectangular, but they may be slightly deformed. However, a rectangular or almost rectangular shape is preferable.

本発明でいうマイクロ空間は、高さHが10〜1500μmであり、流路幅Wは、W/H=20〜10000の関係を満足する値であり、200μm〜15mの範囲であるが、好ましくは高さHが0.1〜1.0mmであり、流路幅Wが10〜200mmの範囲で、W/H=100〜2000の範囲である。また、流路長Xは流路幅Wの0.5〜2.0倍の範囲が好ましく、同様に10〜200mmの範囲にあることがよい。
マイクロ空間を通過する反応流体は、空間内の流路において均一な速度での層流を形成することが好ましい。ガスケットの厚さ、すなわち高さHが1500μmを超えると高さ方向への分布が生じやすく、W/Hが20未満であっても同様の傾向がある。
The microspace in the present invention has a height H of 10 to 1500 μm, and a channel width W is a value satisfying the relationship of W / H = 20 to 10,000, and is in the range of 200 μm to 15 m, preferably The height H is 0.1 to 1.0 mm, the flow path width W is in the range of 10 to 200 mm, and W / H = 100 to 2000. The channel length X is preferably in the range of 0.5 to 2.0 times the channel width W, and is preferably in the range of 10 to 200 mm.
The reaction fluid passing through the micro space preferably forms a laminar flow at a uniform speed in the flow path in the space. When the thickness of the gasket, that is, the height H exceeds 1500 μm, distribution in the height direction is likely to occur, and the same tendency exists even when W / H is less than 20.

平板としては、四角形ないしほぼ四角形のものが好ましく使用される。ガスケットも平板と相似形であって、やや小さめのものが好ましく使用される。マイクロ空間は、平板の大きさ及びガスケットの大きさによって定まる。ガスケットの厚みにより、空間の高さHが定まり、ガスケットの横幅Wにより流路幅Wが定まり、ガスケットの長さ方向の幅Lにより流路長Xがほぼ定まる。そして、平板の大きさにより、ガスケットの最大大きさが定まるが、ガスケットの最小大きさは任意に定まる。   As the flat plate, a rectangular or substantially rectangular plate is preferably used. The gasket is preferably similar in shape to a flat plate and is slightly smaller. The micro space is determined by the size of the flat plate and the size of the gasket. The height H of the space is determined by the thickness of the gasket, the flow path width W is determined by the lateral width W of the gasket, and the flow path length X is substantially determined by the width L in the length direction of the gasket. The maximum size of the gasket is determined by the size of the flat plate, but the minimum size of the gasket is arbitrarily determined.

マイクロ空間への反応流体の入口及び出口となるスリット8は、ガスケットで囲まれた空間内の平板に設けられるが、長さ方向の端側に設けられ、入口のスリット8とその下流側の平板に設けられる出口スリット8は、平行又はほぼ平行に設けられる。ここで、長さ方向とは、反応流体の流れる方向をいい、横幅方向とは、流路幅方向をいい、流路幅Wはガスケットの横幅と一致し、流路長Xは、入口のスリットとその下流側の平板に設けられる出口スリットまで幅をいう。スリットは長方形又はほぼ長方形であることがよいが、長辺Aと短辺Bは、A/Bの比が4〜100、好ましくは10〜50であることがよい。また、長辺Aは流路幅Wと近い値であることが望ましく、反応流体の流れを一定にするためには80%以上であることがよい。同様に流路長Xは、マイクロ空間を有効利用するために、ガスケットの長さ方向の幅Lの80%以上であることがよい。   The slit 8 serving as the inlet and outlet of the reaction fluid to the micro space is provided on the flat plate in the space surrounded by the gasket, but provided on the end side in the length direction, the inlet slit 8 and the flat plate on the downstream side thereof. The exit slits 8 are provided in parallel or substantially in parallel. Here, the length direction refers to the direction in which the reaction fluid flows, the width direction refers to the flow path width direction, the flow path width W coincides with the width of the gasket, and the flow path length X is the slit at the inlet. And the width to the exit slit provided in the flat plate on the downstream side. The slit may be rectangular or almost rectangular, but the long side A and the short side B may have an A / B ratio of 4 to 100, preferably 10 to 50. The long side A is desirably a value close to the flow path width W, and is preferably 80% or more in order to make the flow of the reaction fluid constant. Similarly, the flow path length X is preferably 80% or more of the width L in the length direction of the gasket in order to effectively use the micro space.

本発明のマイクロリアクターは、マイクロ空間を少なくとも1つ有するが、上記のように3〜50の範囲が好ましい。また、本発明でいうマイクロ空間を外れる空間を必要により有することもできる。更に、複数のマイクロ空間が、それぞれ異なる高さH及び流路幅Wを有していてもよく、それによって、各マイクロ空間における滞留時間を調整することができる。   The microreactor of the present invention has at least one microspace, but the range of 3 to 50 is preferable as described above. Moreover, it can also have the space which remove | deviates from micro space said by this invention if needed. Furthermore, the plurality of microspaces may have different heights H and flow path widths W, whereby the residence time in each microspace can be adjusted.

複数の平板の形状は、目的に応じ任意の形状としてよいが、ガスケットを安定して固定するのに十分な大きさであることがよい。平板の形状をガスケットの外周よりも格段に大きくすることで、反応容積に対する伝熱面積を広げ、反応に必要な加熱や生成熱の除熱をするためのフィン型熱交換器の機能をもたせることも可能である。ガスケットも任意の形状でよいが、流路内における均一な速度での層流を維持するには、その内周が矩形であることがよい。平板に設けられるスリットも、ガスケット内周の相対する辺に沿う位置に配置されるのがより好ましい。   The shape of the plurality of flat plates may be any shape depending on the purpose, but is preferably large enough to stably fix the gasket. By making the shape of the flat plate much larger than the outer periphery of the gasket, the heat transfer area for the reaction volume is expanded, and the function of a fin-type heat exchanger for removing the heat necessary for the reaction and removing the generated heat is provided. Is also possible. The gasket may have an arbitrary shape, but in order to maintain a laminar flow at a uniform speed in the flow path, the inner periphery thereof is preferably rectangular. It is more preferable that the slits provided in the flat plate are also arranged at positions along opposite sides of the gasket inner circumference.

平板及びガスケットの材質は、使用する条件により任意に選定できる。使用する材質としては、ステンレス等の金属や、ガラス、石英、セラミックスや、フッ素樹脂、PEEK等のプラスチックが挙げられるが、平滑性、加工性、低価格などの観点から金属が好ましい。ガスケットは気密性を与えるものであれば、金属等の材質であってもよいが、ゴム等は高温反応用には適さない。なお、マイクロ空間を構成する部分の平板表面にはスリットやボルト孔の他に、必要により触媒を固定したりするための凹凸等を設けてもよいが、溝等は設けないことが簡便である。   The material of the flat plate and the gasket can be arbitrarily selected depending on the conditions to be used. Examples of the material to be used include metals such as stainless steel, glass, quartz, ceramics, plastics such as fluororesin and PEEK, and metals are preferable from the viewpoint of smoothness, workability, and low cost. The gasket may be made of a material such as metal as long as it provides airtightness, but rubber or the like is not suitable for high temperature reaction. In addition to slits and bolt holes, irregularities for fixing the catalyst may be provided if necessary on the flat plate surface of the portion constituting the micro space, but it is convenient not to provide grooves or the like. .

図1に示すように、2組以上の平板2とガスケット4を交互に積層し、複数のマイクロ空間20を直列に配置することで、長い滞留時間を必要とする場合など、反応容積を自在に且つ簡便に増やすことが可能である。平板面積を増大して反応容積を増やすには、平板とガスケット間の密閉性を維持する点で限界がある。本発明は、二つのマイクロ空間の隔壁を1枚の平板で兼用できることから、装置をコンパクトにできる図1の構造が適している。また、部材加工の容易さや経済性においても有利である。   As shown in Fig. 1, two or more pairs of flat plates 2 and gaskets 4 are alternately stacked, and a plurality of microspaces 20 are arranged in series, so that a long reaction time is required, etc. And it can be increased easily. In order to increase the reaction volume by increasing the flat plate area, there is a limit in maintaining the sealing property between the flat plate and the gasket. The present invention is suitable for the structure shown in FIG. 1 because the apparatus can be made compact because the partition walls of the two microspaces can be shared by a single flat plate. Moreover, it is advantageous also in the easiness of member processing, and economical efficiency.

また、使用目的に応じてガスケット4の厚みを変えることで、マイクロ20の高さHを任意に調節できる。反応の種類、条件、反応物流量の変化に対し、適合する反応空間を容易に形成できる。特に、積層型の装置においては、複数の反応空間の中の特定の段に対し、厚みの異なるガスケットを用いることで、異なる反応容積、滞留時間、線速度を設定することが可能となり、反応の促進、遅延、終結などを行うのに有利となる。   Moreover, the height H of the micro 20 can be arbitrarily adjusted by changing the thickness of the gasket 4 according to the purpose of use. A reaction space suitable for changes in reaction type, conditions, and reactant flow rate can be easily formed. In particular, in a stacked type apparatus, it is possible to set different reaction volumes, residence times, and linear velocities by using gaskets having different thicknesses for specific stages in a plurality of reaction spaces. It is advantageous for promoting, delaying, closing, etc.

更に、図3に示すように、マイクロ空間20に触媒エレメント27を装着又は充填し、固体触媒反応用マイクロリアクターとすることができる。この触媒エレメント27は、マイクロ空間内に収まるような薄板状、繊維状、粒状など、任意の形状を選択することができるが、必要によりバインダー等により一体化して、マイクロ空間に1又は少数の触媒エレメントを装入することがよい。触媒エレメントは劣化して、交換が必要となる場合が多いので、板状やハニコム状等に一体化された形状とし、その交換を容易とさせることがよい。触媒エレメントと平板とが作る高さ方向の空間幅(反応空間幅R)を出来る限り均一化し、反応空間内に安定した層流を達成するには薄板状が好ましい。触媒エレメントの触媒種は、使用目的に応じて、さまざまな種類のものが選択することができ、各段ごとに異なる触媒種を装填することも可能である。触媒エレメントの厚みTは20〜300μmの範囲、好ましくは50〜250μmの範囲とすることがよい。また、マイクロ空間の高さHに対する触媒エレメントの厚みTの比は0.1〜0.9の範囲、好ましくは0.2〜0.8の範囲がよい。   Furthermore, as shown in FIG. 3, a catalyst element 27 is mounted or filled in the microspace 20 to provide a solid catalytic reaction microreactor. The catalyst element 27 can be selected in any shape such as a thin plate shape, a fiber shape, and a granular shape that can be accommodated in the micro space. It is better to insert the element. Since the catalyst element is often deteriorated and needs to be replaced, it is preferable that the catalyst element has a shape integrated in a plate shape, a honeycomb shape, or the like so that the replacement is easy. In order to make the space width in the height direction (reaction space width R) formed by the catalyst element and the flat plate as uniform as possible and achieve a stable laminar flow in the reaction space, a thin plate shape is preferable. Various types of catalyst elements can be selected depending on the purpose of use, and different catalyst types can be loaded for each stage. The thickness T of the catalyst element is in the range of 20 to 300 μm, preferably in the range of 50 to 250 μm. The ratio of the thickness T of the catalyst element to the height H of the micro space is in the range of 0.1 to 0.9, preferably in the range of 0.2 to 0.8.

この触媒エレメントと共に又は触媒エレメントとは別に分離手段をマイクロ空間内に設けることができる。触媒エレメントと共に分離手段を設ければ、反応と反応生成物の分離、精製を行うことができる。分離手段としては、吸着(クロマト分離等を含む)、イオン交換、ろ過(分離膜等による処理を含む)などの手段がある。このような目的に使用される材料としては、活性炭やシリカゲル、ゼオライト、イオン交換樹脂、気体分離膜、各種フィルター等が挙げられる。同一反応器内に反応用触媒と分離手段をそれぞれ複数配置して、複数の反応(例えば、分解反応と酸化反応、2種類の水素化反応等)及び分離精製を行うことも可能である。   Separation means can be provided in the micro space together with the catalyst element or separately from the catalyst element. If a separation means is provided together with the catalyst element, the reaction and the reaction product can be separated and purified. Examples of the separation means include adsorption (including chromatographic separation and the like), ion exchange, and filtration (including treatment with a separation membrane and the like). Examples of materials used for such purposes include activated carbon, silica gel, zeolite, ion exchange resin, gas separation membrane, and various filters. It is also possible to perform a plurality of reactions (for example, a decomposition reaction and an oxidation reaction, two types of hydrogenation reactions, etc.) and separation and purification by arranging a plurality of reaction catalysts and separation means in the same reactor.

本発明のマイクロリアクターの組み立て方法も、図1に示すようにボルト10とナット11で固定する方法の他に、クランプで両端を挟み込む方法、ある大きさの筐体に必要数のユニットを組み込む方法などさまざまな形態を採ることができる。いずれの場合も、容易に装置を組み立て分解することが可能で、多目的に使用する場合には、各段の組み替えや入れ替え、使用中、使用後の位置調整や分解清掃などがきわめて簡単な操作で行える。更に、一体型の触媒エレメントを用いる場合には、触媒の装着や不要触媒の除去、触媒の交換などにきわめて有効な操作性を発揮する。   The method of assembling the microreactor of the present invention is not only the method of fixing with bolts 10 and nuts 11 as shown in FIG. 1, but also the method of sandwiching both ends with clamps, and the method of incorporating the required number of units into a certain size housing It can take various forms. In either case, it is possible to easily assemble and disassemble the device.When using it for multiple purposes, it is very easy to reposition and replace each stage, adjust the position during use, disassemble and clean, etc. Yes. Furthermore, when an integrated catalyst element is used, operability that is extremely effective for attaching a catalyst, removing an unnecessary catalyst, exchanging a catalyst, and the like is exhibited.

本発明のマイクロリアクターの使用例としては、活性炭膜を用いた特定有機成分の吸着除去や揮発性有機化合物(VOC成分)の分解反応、メタノール改質による水素製造などが挙げられる。なかでも、燃料電池用の水素製造装置は、もっとも好ましい使用例である。メタノールをはじめとする炭化水素を原料とした改質反応で水素を製造する装置は、近年、燃料電池の旺盛な研究開発に後押しされ、さまざまなものが開発、提案されている。したがって、本発明でいう反応流体は化学反応を生じるものに限られず、吸着成分やろ過成分等を含有するものを含むと理解される。   Examples of the use of the microreactor of the present invention include adsorption removal of a specific organic component using an activated carbon membrane, decomposition reaction of a volatile organic compound (VOC component), and hydrogen production by methanol reforming. Especially, the hydrogen production apparatus for fuel cells is the most preferable use example. In recent years, various devices for producing hydrogen by reforming reactions using hydrocarbons such as methanol as raw materials have been developed and proposed by vigorous research and development of fuel cells. Therefore, it is understood that the reaction fluid referred to in the present invention is not limited to those that cause a chemical reaction, but includes those that contain an adsorption component, a filtration component, and the like.

本発明のマイクロリアクターは、自動車搭載用や小型電子機器用を意図したオンサイト型小型反応装置として特に優れている。銅系触媒を用いるメタノールの水蒸気改質反応やニッケル系触媒を用いる分解反応では、改質ガス中にH2、CO2の他に副生成物として数%のCOが含まれるため、燃料電池スタックのアノードに使用されている白金系触媒の被毒原因となり、電池出力が大幅に低下してしまう。そのため、CO濃度をできるだけ少なくするように、反応に適した温度に冷却した後にCOの選択酸化を行う酸化部を有するものも多いが、本装置は、同一反応器内に炭素膜や無機膜の水素分離膜を装填するなどした分離・精製部を併設することが可能で、CO濃度のきわめて低い水素を一つの装置で製造・回収することができる。   The microreactor of the present invention is particularly excellent as an on-site small reactor intended for use in automobiles or small electronic devices. In the steam reforming reaction of methanol using a copper-based catalyst and the decomposition reaction using a nickel-based catalyst, the reformed gas contains several percent of CO as a by-product in addition to H2 and CO2, so the anode of the fuel cell stack As a result, poisoning of the platinum-based catalyst used in the battery will greatly reduce battery output. For this reason, in order to reduce the CO concentration as much as possible, many of them have an oxidation part that performs selective oxidation of CO after cooling to a temperature suitable for the reaction. However, this apparatus has a carbon film or an inorganic film in the same reactor. A separation / purification unit loaded with a hydrogen separation membrane can be provided, and hydrogen with a very low CO concentration can be produced and recovered with one apparatus.

図3によりメタノール改質反応用リアクターとして応用例を説明する。反応流体であるメタノールガスと水蒸気とからなる原料ガスは入口5を通って、底部平板1の孔7から第1のマイクロ空間20に導入される。この空間にはメタノール改質触媒を担持した触媒エレメント27が装填されており、原料ガス成分は、触媒エレメントに接触しながら反応し、その上の平板2に設けられた流路末端の孔8を通って第2のマイクロ空間(反応空間)へと移動し、触媒エレメントと接触して反応する。この移動を順次行い、所望の反応を終了させる。反応が終了するマイクロ空間の下流側には、水素分離膜28を設置したマイクロ空間(分離空間)を1以上設け、ここに反応生成ガスを流して、分離、精製を行う。   An application example will be described with reference to FIG. 3 as a reactor for methanol reforming reaction. A source gas composed of methanol gas and water vapor as a reaction fluid passes through the inlet 5 and is introduced into the first microspace 20 from the hole 7 of the bottom plate 1. In this space, a catalyst element 27 carrying a methanol reforming catalyst is loaded, and the raw material gas component reacts while contacting the catalyst element, and passes through the hole 8 at the end of the flow path provided in the flat plate 2 thereon. It moves through to the second micro space (reaction space) and reacts in contact with the catalytic element. This movement is sequentially performed to complete the desired reaction. At least one micro space (separation space) in which the hydrogen separation membrane 28 is installed is provided on the downstream side of the micro space where the reaction is completed, and separation and purification are performed by flowing a reaction product gas therethrough.

メタノール改質反応の触媒エレメントとしては、銅、亜鉛、鉄やニッケル、パラジウム等の金属を担持した炭素膜やシリカ膜が使用できるが、好ましくは炭素膜である。この炭素膜は、金属含有有機薄膜の焼成などにより比較的簡便に調製することが可能であり、有機薄膜のキャスト条件や焼成条件などを制御することにより、所望の厚さの膜を調製するのに適している。有利には、ポリイミド又はポリイミド前駆体溶液に金属触媒又は金属化合物触媒を分散させ、これを膜状に成形し、乾燥、炭化させることにより得られた触媒である。   As the catalyst element for the methanol reforming reaction, a carbon film or a silica film carrying a metal such as copper, zinc, iron, nickel, palladium or the like can be used, and a carbon film is preferable. This carbon film can be prepared relatively easily by firing a metal-containing organic thin film, etc., and a film having a desired thickness can be prepared by controlling the casting conditions and firing conditions of the organic thin film. Suitable for Advantageously, it is a catalyst obtained by dispersing a metal catalyst or metal compound catalyst in a polyimide or polyimide precursor solution, forming it into a film, drying and carbonizing.

メタノール改質の反応温度は、180〜380℃、好ましくは230〜280℃である。反応温度が180℃より低いと十分な転化率が得られず、380℃より高いと分解反応が進行し、水素の回収量が減少する。反応温度を維持するためにリアクター全体をオーブンなどで加熱してもよいし、各段の平板をヒーターで直接加熱してもよい。また、改質反応部の滞留時間は20秒以内が好ましい。反応温度が180℃でも滞留時間が20秒を超えると、生成物の分解割合が高くなり、水素選択性が急激に低下する。   The reaction temperature for methanol reforming is 180 to 380 ° C, preferably 230 to 280 ° C. When the reaction temperature is lower than 180 ° C., a sufficient conversion rate cannot be obtained. When the reaction temperature is higher than 380 ° C., the decomposition reaction proceeds and the amount of hydrogen recovered decreases. In order to maintain the reaction temperature, the entire reactor may be heated in an oven or the like, or the flat plate in each stage may be directly heated with a heater. The residence time in the reforming reaction section is preferably within 20 seconds. If the residence time exceeds 20 seconds even at a reaction temperature of 180 ° C., the decomposition rate of the product increases, and the hydrogen selectivity rapidly decreases.

触媒エレメント27の上部には空隙を設けることが好ましく、この空隙の高さは、50〜500μm、好ましくは100〜200μmである。これが500μmより大きいと、原料ガスと触媒エレメントとの接触が十分できないので、メタノールの転化率が下がる。一方、50μmより小さいと、反応生成物の触媒表面への再吸着や分解反応が進行し、水素選択率が大きく低下する。
また、触媒エレメントを配置する1つのマイクロ空間の流路幅は50mm以上が好ましく、全触媒エレメントと接触する滞留時間は20秒以下が好ましい。
It is preferable to provide a space above the catalyst element 27, and the height of this space is 50 to 500 μm, preferably 100 to 200 μm. If this is larger than 500 μm, the contact between the raw material gas and the catalyst element is not sufficient, and the conversion rate of methanol decreases. On the other hand, if it is smaller than 50 μm, the resorption or decomposition reaction of the reaction product on the catalyst surface proceeds, and the hydrogen selectivity is greatly reduced.
Further, the flow path width of one micro space in which the catalyst elements are arranged is preferably 50 mm or more, and the residence time in contact with all the catalyst elements is preferably 20 seconds or less.

最後に、反応部から分離・回収部へと進入し、水素分離膜28又は更に吸着剤層を通過させて、水素を分離し、COを吸着させ、高純度の水素が回収される。水素分離膜及び吸着剤には公知のものが使用可能である。   Finally, the reaction unit enters the separation / recovery unit, passes through the hydrogen separation membrane 28 or further the adsorbent layer, separates hydrogen, adsorbs CO, and collects high-purity hydrogen. Known hydrogen separation membranes and adsorbents can be used.

本発明のマイクロリアクターは、平板とガスケットを交互に積層するだけで、任意のマイクロ空間を簡便に形成することができ、製作コストの大幅な低減を実現した。使用目的に応じ、ガスケットの厚みを変えることで、反応空間の高さを任意に調節でき、反応の種類、条件、反応流体流量の変化に対し、適合する反応空間を容易に形成できる。また、積層型の装置においては、複数の反応空間の中の特定の段に対し、厚みの異なるガスケットを用いることで、異なる反応容積、滞留時間、線速度を設定することが可能となり、反応の促進、遅延、終結などを行うのに有利となる。そして、本発明のマイクロリアクターは、自動車搭載用や小型電子機器用を意図したオンサイト型小型反応装置として特に優れている。また、本装置は、同一反応器内に炭素膜や無機膜の水素分離膜を装填するなどした分離・精製部を併設することが可能で、CO濃度のきわめて低い水素を一つの装置で製造・回収することができる。   In the microreactor of the present invention, an arbitrary micro space can be easily formed by simply laminating plates and gaskets alternately, and the manufacturing cost has been greatly reduced. By changing the thickness of the gasket according to the purpose of use, the height of the reaction space can be arbitrarily adjusted, and a reaction space suitable for changes in reaction types, conditions, and reaction fluid flow rates can be easily formed. In addition, in a stacked apparatus, it is possible to set different reaction volumes, residence times, and linear velocities by using gaskets with different thicknesses for specific stages in a plurality of reaction spaces. It is advantageous for promoting, delaying, closing, etc. The microreactor of the present invention is particularly excellent as an on-site small reactor intended for use in automobiles and small electronic devices. In addition, this device can be equipped with a separation / purification unit such as a carbon membrane or an inorganic membrane hydrogen separation membrane in the same reactor. It can be recovered.

図1〜3に示す形状で、次の構成を有するメタノール改質器を製作した。
金属製平板として、SUS304製、50mm×50mm、厚さ500μmの平板を使用し、この平板のガスケット内辺に沿った位置に1mm×32mmのスリットを切ったものを用いた。ガスケットとして、SUS304製、外辺が34mm×34mmで、幅2mmの四角なリング状で、厚さ200μm、500μm、1000μmの3種を用いた。
触媒エレメントとして、ニッケル及び銅を担持した32mm×32mm、厚さ150μmの炭素膜(金属担持量約20wt%、平均0.05g/枚)を用い、水素分離膜として、ミクロ多孔質炭素膜を用いた。
メタノール改質器は、メタノール改質部を9段、21段の2ケース、分離精製部を2段とした。温度調節器を備えたオーブン内に改質器全体を設置し、180℃から380℃で改質反応を行った。ガス流量は、1段あたりの平均滞留時間が0.84秒になるよう調節した。
結果を表1に示す。なお、水素収量は使用したメタノールに対するmol/molである。
A methanol reformer having the following configuration was manufactured in the shape shown in FIGS.
As the metal flat plate, a flat plate made of SUS304, 50 mm × 50 mm, thickness 500 μm was used, and a 1 mm × 32 mm slit was cut at a position along the inner side of the gasket. Three types of gaskets made of SUS304, having a square ring shape with an outer side of 34 mm × 34 mm and a width of 2 mm, having a thickness of 200 μm, 500 μm, and 1000 μm were used.
A 32 mm x 32 mm, 150 μm thick carbon membrane carrying metal and nickel is used as the catalyst element (metal loading is about 20 wt%, average 0.05 g / sheet), and a microporous carbon membrane is used as the hydrogen separation membrane. It was.
The methanol reformer has 9 stages of methanol reforming sections, 2 cases of 21 stages, and 2 stages of separation and purification sections. The entire reformer was installed in an oven equipped with a temperature controller, and a reforming reaction was performed at 180 to 380 ° C. The gas flow rate was adjusted so that the average residence time per stage was 0.84 seconds.
The results are shown in Table 1. The hydrogen yield is mol / mol based on the methanol used.

Figure 2005169213
Figure 2005169213

ガスケットとして、SUS304製、34mm×34mm、幅2mmのもので、厚さ500μmと1500μmの2種を用い、触媒エレメントとして、ニッケルを担持した32mm×32mm、厚さ150μmの炭素膜(金属担持量約20wt%、平均0.05g/枚あたり)を用いた以外は、前記実施例と同様な構成とした。
改質器は、メタノール改質部を9段、25段の2ケース、分離精製部を2段とした。反応は温度調節器を備えたオーブン内に反応器全体を設置し、150℃から450℃で行った。ガス流量は、1段あたりの平均滞留時間が0.84秒になるよう調節した。
結果を表2に示す。なお、水素収量は使用したメタノールに対するmol/molである。
Two types of gaskets, SUS304, 34 mm x 34 mm, width 2 mm, with a thickness of 500 μm and 1500 μm, are used as catalyst elements, and a 32 mm × 32 mm, 150 μm thick carbon film carrying nickel (about the amount of metal supported) 20 wt%, average 0.05 g / sheet) was used, and the configuration was the same as in the previous example.
The reformer has 9 stages of methanol reforming sections, 2 cases of 25 stages, and 2 stages of separation and purification sections. The reaction was carried out at 150 to 450 ° C. by placing the entire reactor in an oven equipped with a temperature controller. The gas flow rate was adjusted so that the average residence time per stage was 0.84 seconds.
The results are shown in Table 2. The hydrogen yield is mol / mol based on the methanol used.

Figure 2005169213
Figure 2005169213

マイクロリアクターの基本構造の一例を示す断面図Sectional view showing an example of basic structure of microreactor マイクロリアクターの中間段に配置される平板の平面図Plan view of the flat plate placed in the middle stage of the microreactor マイクロリアクターの触媒エレメント及び分離膜を配置したときの断面図Cross-sectional view of the microreactor catalyst element and separation membrane

符号の説明Explanation of symbols

1 底部の平板
2 平板
3 上部の平板
4 ガスケット
5 反応流体の入口
6 出口
7、8、9 孔
10 ボルト
11 ナット
20 マイクロ空間
1 Bottom plate
2 flat plate
3 Upper plate
4 Gasket
5 Reaction fluid inlet
6 Exit
7, 8, 9 holes
10 volts
11 Nut
20 micro space

Claims (13)

反応流体の入出口を備えた複数の平板が積層され、平板間には高さ(H)10〜1500μmのマイクロ空間が形成されるようにガスケットが配置され、2枚の平板間に形成される少なくとも一つのマイクロ空間は、流路幅(W)/高さ(H)の比が20〜10000であることを特徴とするマイクロリアクター。   A plurality of flat plates each having a reaction fluid inlet / outlet are stacked, and a gasket is arranged between the two flat plates so that a micro space with a height (H) of 10 to 1500 μm is formed between the flat plates. At least one microspace has a ratio of channel width (W) / height (H) of 20 to 10,000. 少なくとも一つのマイクロ空間が、高さ(H)、流路幅(W)に対応する幅(W)、長さ(L)の薄い直方体形状であり、この一つのマイクロ空間を構成する一方の平板に反応流体のスリット状の入口を備え、反応流体下流側にある他方の平板に反応流体のスリット状の出口を備え、スリット状の入口又は出口の長辺(A)/短辺(B)の比が4〜100であり、長辺幅(A)が幅(W)の80%以上である請求項1記載のマイクロリアクター。   At least one microspace has a thin rectangular parallelepiped shape with a height (H), a width (W) corresponding to the flow path width (W), and a length (L), and one flat plate constituting this one microspace The reaction fluid is provided with a slit-like inlet of the reaction fluid, the other flat plate on the downstream side of the reaction fluid is provided with a slit-like outlet of the reaction fluid, and the long side (A) / short side (B) of the slit-like inlet or outlet The microreactor according to claim 1, wherein the ratio is 4 to 100, and the long side width (A) is 80% or more of the width (W). 少なくとも一つのマイクロ空間内に、取り外し自在の平板状で、高さ(H)の1/10〜9/10の厚み(T)を有する触媒エレメントが装着されていることを特徴とする請求項1又は2記載のマイクロリアクター。   2. A catalyst element having a thickness (T) of 1/10 to 9/10 of a height (H) is mounted in at least one micro space. Or the microreactor of 2. 2組以上の平板とガスケットを交互に積層することで、流路幅(W)/高さ(H)の比が20〜10000である複数のマイクロ空間を直列に配列してなる請求項1〜3のいずれかに記載のマイクロリアクター。   A plurality of microspaces having a flow path width (W) / height (H) ratio of 20 to 10,000 are arranged in series by alternately laminating two or more sets of flat plates and gaskets. 4. The microreactor according to any one of 3. 2組以上の平板とガスケットを交互に積層する際、厚みの異なるガスケットを使用することで、流路幅(W)/高さ(H)が異なるマイクロ空間を直列に配列してなる請求項4記載のマイクロリアクター。   5. When two or more sets of flat plates and gaskets are alternately laminated, by using gaskets having different thicknesses, microspaces having different channel widths (W) / heights (H) are arranged in series. The microreactor as described. マイクロ空間に触媒エレメント、分離手段又は両者を装入することで、反応、分離又は両者を行う請求項1〜5のいずれかに記載のマイクロリアクター。   The microreactor according to any one of claims 1 to 5, wherein the reaction, separation, or both are performed by inserting a catalyst element, separation means, or both into the microspace. 複数のマイクロ空間に異なる触媒エレメント、分離手段又は両者を装入することで、反応、分離又は両者を行う請求項6に記載のマイクロリアクター。   The microreactor according to claim 6, wherein the reaction, separation, or both are performed by inserting different catalyst elements, separation means, or both into a plurality of microspaces. マイクロ空間に装入された触媒エレメントの厚み(T)と空間の高さ(H)との差で表される反応空間幅(R)が50〜500μmである請求項6又は7記載のマイクロリアクター。   The microreactor according to claim 6 or 7, wherein a reaction space width (R) represented by a difference between a thickness (T) of the catalyst element charged in the microspace and a height (H) of the space is 50 to 500 µm. . 触媒エレメントの厚み(T)が20〜300μmである請求項6〜8のいずれかに記載のマイクロリアクター。   The microreactor according to any one of claims 6 to 8, wherein the catalyst element has a thickness (T) of 20 to 300 µm. 触媒エレメントが金属触媒担持炭素膜である請求項6〜9のいずれかに記載マイクロリアクター。   The microreactor according to any one of claims 6 to 9, wherein the catalyst element is a metal catalyst-supported carbon membrane. 請求項6〜10のいずれかに記載のマイクロリアクターの触媒エレメントを装入した反応部に、触媒エレメントとしてメタノール転化触媒を使用して改質反応部とし、分離手段に水素分離膜を使用して分離部とすることを特徴とする水素の合成方法。   A reaction part charged with the catalyst element of the microreactor according to any one of claims 6 to 10 is used as a reforming reaction part using a methanol conversion catalyst as a catalyst element, and a hydrogen separation membrane is used as a separation means. A method for synthesizing hydrogen, characterized by comprising a separation unit. 反応温度を180〜380℃とする請求項11記載の水素の合成方法。   The method for synthesizing hydrogen according to claim 11, wherein the reaction temperature is 180 to 380 ° C. 改質反応部を構成する一つのマイクロ空間の流路幅が50mm以上であり、滞留時間を20秒以内とする請求項11又は12記載水素の合成方法。   The method for synthesizing hydrogen according to claim 11 or 12, wherein the flow path width of one micro space constituting the reforming reaction section is 50 mm or more and the residence time is 20 seconds or less.
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