JP2005519832A - 気相触媒反応用の誘導加熱反応器 - Google Patents

Abstract

誘導コイル（３）により誘導加熱可能な中空円筒形状の多孔性触媒（１）を含むＨＣＮ製造のための装置および対応する方法。

Description

本発明は、誘導加熱をエネルギー源として用いるＨＣＮの調製の高温気相触媒プロセスおよびそのプロセスを実施する新規な装置に関する。

誘導加熱は、交番磁場を与えて、サセプタとして知られている材料中の、渦電流として知られている電流を誘導することにより導電性材料を選択的に加熱してサセプタを加熱する非接触方法である。誘導加熱は、金属を加熱する、すなわち、溶融、精製、加熱処理、溶接およびはんだ付けする目的で、長年にわたって冶金工業において用いられている。誘導加熱は、５０Ｈｚと低いＡＣ電力線周波数から数十ＭＨｚの周波数まで広い範囲の周波数で行われている。

ある誘導周波数で、長い導電性通路が対象に存在していると、誘導磁界の加熱効率が増加する。大きな固体ワークピースは、低い周波数で加熱され、小さな対象には高い周波数が必要である。加熱されるあるサイズの対象については、誘導磁界が対象における所望の強度の渦電流を生成しないため、周波数が低すぎると加熱が非効率となる。逆に、周波数が高すぎると、誘導磁界中のエネルギーが対象に浸透せず、渦電流が表面またはその近傍で誘導されるだけであるため、加熱が不均一となる。しかしながら、ガス透過性金属構造の誘導加熱は先行技術においては知られていない。

先行技術の気相触媒反応プロセスでは、反応ガス分子を触媒表面と最大限接触させるために、触媒の表面積が広いことが要求される。先行技術のプロセスでは、一般的に、必要な表面積を得るために、好適に担持された多孔性触媒材料または多くの小さな触媒粒子のいずれかを用いている。これらの先行技術のプロセスは、必要な熱を触媒に与えるために、伝導、放射または対流に頼っている。化学反応の良好な選択性を達成するために、反応物質の全ての部分を均一な温度および触媒環境としなければならない。吸熱反応については、熱分配レートを、触媒床の全体積にわたってできる限り均一にする必要がある。伝導、対流および放射のいずれも、熱分配の必要なレートおよび均一性を与える能力が元々限られている。

先行技術の代表例である（特許文献１）には、金属担体に非導電性の触媒小粒子を載せたり、触媒をドーピングして導電性を与えることが教示されている。金属担体またはドーピング材料は誘導加熱され、これが触媒を加熱する。この特許には、触媒床の中央を通る強磁性体コアを用いることが教示されている。強磁性体コアの好ましい材料はシリコン鉄である。反応に有用なのは約６００℃までであるが、（特許文献１）の装置は高温ではいくつか制限を受ける。強磁性体コアの透磁率は、高温では大幅に下がる。（非特許文献１）によれば、鉄の透磁率は６００℃で下がり、７５０℃まで効力を示す。（特許文献１）の構成では、触媒床の磁界は、強磁性体コアの透磁率に応じて異なるため、かかる構成だと、７５０℃を超え、ＨＣＮの製造に必要とされる１０００℃を超える温度に達する温度まで触媒を効率的に加熱できない。

（特許文献１）の装置はまた、ＨＣＮの調製に化学的に好適ではないとも考えられる。ＨＣＮはアンモニアと炭化水素ガスを反応させることにより製造される。鉄は高温でアンモニアを分解させることが知られている。（特許文献１）の反応チャンバー内の強磁性体コアおよび触媒担体に存在する鉄が、アンモニアを分解して、ＨＣＮを形成するアンモニアと炭化水素の所望の反応を促進するよりも阻害すると考えられる。

シアン化水素（ＨＣＮ）は、化学および採鉱工業において多くの用途について重要な化学薬品である。例えば、ＨＣＮは、アジポニトリル、アセトンシアノヒドリン、シアン化ナトリウムおよび殺虫剤、農業製品、キレート化剤および家畜飼料製造の中間体を製造するための原材料である。ＨＣＮは２６℃で沸騰する高毒性の液体であり、それ自体は厳しい梱包および輸送規制を受ける。ある用途において、ＨＣＮは大規模ＨＣＮ製造設備からは離しておく必要がある。ＨＣＮのかかる場所への出荷には大きな危険を伴う。用いられる場所でＨＣＮを製造すれば、輸送、保管および取扱いで生じる危険が排除される。先行技術のプロセスを用いた小規模の現場でのＨＣＮ製造は経済的に実施できない。しかしながら、本発明のプロセスおよび装置を用いると、小規模でも、大規模でも、現場でＨＣＮを製造することが技術的にも経済的にも実施できる。

ＨＣＮは、水素、窒素、炭素を含有する複数の化合物を高温で触媒を用いて、または用いずに接触させると製造できる。例えば、ＨＣＮは、一般的に、アンモニアと炭化水素の高吸熱反応により作成される。ＨＣＮを作成するのに、３つの商業的なプロセス、ブラウザウレアウスメタンウントアンモニアック（Ｂｌａｕｓａｕｒｅ ａｕｓ Ｍｅｔｈａｎ ｕｎｄ Ａｍｍｏｎｉａｋ）（ＢＭＡ）、アンドリューソー（Ａｎｄｒｕｓｓｏｗ）およびシャウニガン（Ｓｈａｗｉｎｉｇａｎ）プロセスがある。これらのプロセスは、発熱および熱伝達方法とは区別され、触媒を用いるかどうかも別のことである。

アンドリューソー（Ａｎｄｒｕｓｓｏｗ）プロセスは、反応器体積内で炭化水素ガスと酸素の燃焼による発熱を用いて、反応熱を与える。ＢＭＡプロセスは、外燃プロセスによる発熱を用いて、反応器壁の外側表面を加熱することによって反応器壁の内側表面を加熱して、反応熱を与える。シャウニガンプロセスは、流動床の電極を流れる電流を用いて反応熱を与える。

アンドリューソープロセスにおいては、天然ガス（メタン中の高炭化水素ガス混合物）、アンモニア、および酸素または空気の混合物を白金触媒を存在させて反応させる。触媒は、一般的に、複数の層の白金／ロジウム金網を有している。酸素の量は、反応物質の部分燃焼によって、十分なエネルギーが与えられて、１０００℃を超える操作温度、かつＨＣＮ形成反応に必要とされる熱で反応物質を予熱するようなものとする。反応生成物はＨＣＮ、Ｈ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ_２、および分離しなければならない微量の高ニトリルである。

ＢＭＡプロセスにおいては、アンモニアとメタンの混合物が、高温耐火材料でできた非多孔性セラミック管内を流れる。各管の内部は白金粒子で裏打ちまたはコートされている。管は高温炉内に配置され外部加熱される。熱は、セラミック管から壁の一体部分である触媒表面へと伝わる。反応物質が触媒と接触する際に、１３００℃で反応は行われる。必要な熱流束は、高温の反応、大きな反応熱、そして触媒表面のコーキングが反応温度より低い温度で生じ、触媒を不活性化させるという事実のために高い。各管の直径は約１インチであるため、製造要件に適合させるためには多数の管が必要である。反応生成物はＨＣＮと水素である。

シャウニガンプロセスにおいては、プロパンとアンモニアからなる混合物の反応に必要なエネルギーは、非触媒コーク粒子の流動床に浸漬した電極間を流れる電流により与えられる。シャウニガンプロセスにおいて、触媒、酸素または空気がないということは、一般的に、１５００℃を超える極めて高温で反応を行わなければならないことを意味している。高温だと、プロセスを構成する材料がさらに大きな制限を受ける。

上述したように、ＨＣＮはＮＨ_３とＣＨ_４またはＣ_３Ｈ_８のような炭化水素ガスと、Ｐｔ族金属触媒を存在させて反応させることにより製造できることは公知であるが、ＨＣＮ製造、特に小規模製造の経済性を改善するために、かかるプロセスおよび関連プロセスの効率を改善する必要が尚あった。用いる貴金属の量の割にＨＣＮ製造レートを最大にしながら、用いるエネルギーとアンモニアの導通を最小にすることが特に重要である。さらに、触媒は、コーキングのような望ましくない反応が促進されることによって、ＨＣＮの製造に悪影響を及ぼすものであってはならない。その上、このプロセスで用いる触媒の活性および寿命を改善するのが望ましい。ＨＣＮ製造における投資の大部分が白金族触媒であるということがポイントである。本発明は、先行技術では間接的に行っていた触媒の加熱を直接行うため、これらの目的が達成される。

前述した通り、比較的長い導電性通路を有する対象物に高出力レベルで良好で均一な熱分配を与えるのには、比較的低周波数の誘導加熱を行うことが知られている。反応エネルギーを発熱気相触媒反応に与えるとき、最小のエネルギー損失で熱が直接触媒に分配される必要がある。表面積の広いガス透過性触媒塊に均一かつ効率的に熱を分配するための必要条件は、誘導加熱の能力と対立すると思われる。本発明は、触媒が新規な構造化形態にある反応構成により得られた意外な結果に基づくものである。この構造形態は、１）均一な触媒の効率的な直接誘導加熱を促す効率的な長い導電性通路長さと、２）表面積の広い触媒という特徴を組み合わせたものであり、これらの特徴が協働して発熱化学反応を促す。反応チャンバー中の鉄を完全に排除することにより、ＮＨ_３と炭化水素ガスの反応によるＨＣＮの製造が促進される。

ＧＢ２２１０２８６号明細書 エリクソンＣ．Ｊ．（Ｅｒｉｃｋｓｏｎ， Ｃ． Ｊ．）、「工業用加熱ハンドブック（Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｈｅａｔｉｎｇ ｆｏｒ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ）」、８４−８５頁

本発明は、以降「触媒／サセプタ」と呼ばれる装置、触媒構成、および白金族金属触媒を存在させて気相中でアンモニアと低級アルカンを反応させることによりＨＣＮを調製するプロセスに関する。本発明によれば、ガス透過性シリンダの形態で１種類以上の白金族金属を含む触媒／サセプタは、誘導加熱用のサセプタと、ＨＣＮの調製のための触媒としての２つの機能を果たす。このように、触媒／サセプタを誘導加熱により加熱すると、加熱された触媒がＨＣＮの調製に必要な熱を反応物質に与える。円筒形状の触媒／サセプタは、多孔性発泡体のようなガス透過性固体、または多層のガス透過性フィラメント構造から構成されていてもよい。本発明の触媒／サセプタは触媒活性を有しているばかりでなく、低周波数で誘導加熱されるのに十分に長く、同時に反応器体積当たり十分な表面積の導電性通路を有している。反応容器またはその一部等を加熱することなどによって伝導、放射および／または対流により触媒を加熱する先行技術のプロセスよりも、触媒の誘導加熱に頼ることによって、かなりの利点が実現される。

本発明によれば、触媒／サセプタとして機能する白金俗金属対象物における導電性通路の有効長を増大するように、プロセスおよび反応器が設計されている。本発明の目的は、この増大した効率的な導電性通路長を利用して、可能な最低誘導周波数で誘導加熱をすることである。さらに、本発明の目的は、触媒／サセプタにおける温度変化を最小にし、かつ触媒／サセプタのガスフロー変化を最小にすることである。さらに本発明の他の目的は、資本費と製造コストの低いプロセスおよび装置を提供することである。本発明のさらに他の目的は、滞留時間を短くし、ＨＣＮの収率を上げ、コーク、Ｎ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯおよびＣＯ_２をはじめとする副生成物を削減または排除することである。前述した目的は全て本発明により実現される。

本発明のプロセスにおいて、１〜６個の炭素原子を含有するアルカンを、誘導加熱により加熱される触媒／サセプタでアンモニアと反応させる。メタン中高天然ガスを用いるのが好ましいが、天然ガスを利用できない場所ではプロパンを用いてもよい。反応温度は９５０〜１４００℃、好ましくは１０００〜１２００℃、最も好ましくは１０５０〜１１５０℃である。かかる温度は、５０Ｈｚ〜３０ＭＨｚ、好ましくは５０Ｈｚ〜３００ｋＨｚ、最も好ましくは５０Ｈｚ〜３ｋＨｚの周波数での誘導加熱により得られる。ＨＣＮ製造レートは、速度論により１０５０℃未満に制限されており、１０００℃未満の温度だと炭化水素は触媒表面にコークを形成する恐れがある。反応レートは高温だと早いが、温度は触媒／サセプタの軟化点および担体構造により制限される。さらに、１２００℃を超える温度だと、メタンと反応せずに、アンモニアは窒素と水素を優先的に分解する可能性がある。アルミナまたは水晶のような反応器材料は、高反応温度および急な熱勾配に耐えるものを選択する。

本発明は、誘導コイルで周囲を囲んだシリンダ形態の触媒／サセプタを利用するものである。触媒／サセプタの外径はできる限り大きいのが好ましい。触媒／サセプタの外径対誘導コイルの内径の比率は０．０５と小さくすることができるが、この比率は０．５を超えるのが好ましく、実用上は１．０に近いのが最も好ましい。このように、触媒／サセプタ内の渦電流通路ができる限り長いと、あるサイズの反応器について可能な最低誘導周波数を用いることができる。

固体円筒形状の触媒／サセプタの最内領域は、外側領域よりもあまり効率的に誘導加熱されない。この加熱効率の減少は、（１）シリンダの内側部分の短い電流通路長さ、および（２）シリンダの外側部分の遮蔽効果によるものである。従って、環形状の断面を有する中空シリンダ形状が触媒／サセプタに好ましい。シリンダの壁の内側部分はあまり効率的に誘導加熱されないため、中空円筒形状の触媒／サセプタの壁の厚さは、一般的に、外径の約四分の一以下である。誘導加熱効率の減少を部分的に補うために、円筒形状の触媒／サセプタの内側部分は、任意で、シリンダの外側部分よりも高い導電性を有する材料から構成されていてもよい。

本発明の円筒形状の触媒／サセプタは、可能な最低誘導周波数、反応器体積当たりの高触媒活性および高電力効率の必要性に取り組むものである。反応器の構成および本発明のプロセスにより、大規模と小規模の両方の製造規模で経済性が改善される。可能な最低誘導周波数を用いるには、触媒／サセプタ内の渦電流通路をできる限り長くしなければならない。従って、本発明によれば、反応器のサイズに比べて大きな触媒／サセプタを用いる。触媒／サセプタの外側寸法対反応器の内側寸法の比率はできる限り高くしなければならない。

本発明の円筒形状の触媒／サセプタの構造はいくつかの形態を採り得る。円筒形状の触媒／サセプタは、多孔性発泡体のようなガス透過性固体、または多層のガス透過性フィラメント構造から構成されていてもよい。フィラメント構造は、ブレード、織または編布（例えば、ガーゼ）またはボビン巻きフィラメントであってもよい。ガス透過性多層は、互いに積み重ねたリングの形態、同心のシリンダの形態であってもよいし、または互いに巻き付けられた触媒／サセプタ多層の形態を採ることもできる。巻き付けられた多層は、効率的な誘導加熱が生じる良好な層間導電性を有していなければならない。このように、円筒形状の触媒／サセプタは、反応器周囲の寸法に匹敵する渦電流通路を有している。

誘導磁界に配置すると、円筒形状の触媒／サセプタは直接加熱され、誘導磁界の強度を制御することによりその温度を容易に制御することができる。触媒／サセプタの温度を制御することによって、所望の化学反応を選択的に促進し、望ましくない反応のレートを抑制することができる。円筒形状の触媒／サセプタは、白金そのもの等の白金族金属または白金／ロジウムまたは白金／イリジウム等の白金合金から構成されている。触媒／サセプタの温度は、誘導磁界の強度を制御し、反応物質ガスのフローレートを制御することによって正確に制御してもよい。触媒にコークが形成されたり、アンモニアガスが自発的に分解したり、または後に分離しなければならない望ましくない生成物が形成されるといった先行技術のプロセスの問題を排除しながら、このように高収率でＨＣＮが形成される。

本発明における当該の化学プロセスにおいては、電力レベルの要件が大きい。年間１０００ポンドの製造レートの一般的な中規模のＨＣＮプラントで、少なくとも３．０メガワット（ＭＷ）の電力レベルの誘導源が必要である。この電力レベルだと、３ｋＨｚ以下の低周波数システムが経済的であり商業的に利用可能である。

（図面の詳細な説明）
図１は、本発明の原理を示す概略図である。実質的に円筒形状の触媒／サセプタ１が、実質的に非導電性の反応器壁２内に配置されている。前記円筒形状の触媒／サセプタ１はガス透過性で、環形触媒／サセプタ周囲およびその内部を円形通路で流れる渦電流を誘導するのに必要な電気的特性（バルク導電性およびシリンダ周囲の連続した導電性通路）を有している。誘導コイル３（一般的に流体冷却されている）が触媒／サセプタ１と反応器壁２を囲んでいる。コイル３中の交流Ｉ_ｃは、交番磁場Ｂを誘導し、これが交流Ｉ_ｃに実質的に平行な面で触媒／サセプタ１中に渦電流Ｉ_ｅを誘導する。誘導電流Ｉ_ｅが加熱を生じさせ、渦電流が大きければ大きいほど熱が発生する。触媒／サセプタ１の半径が増大するにつれて、大きな渦電流が生成される。触媒／サセプタ環周１の外径が反応器２の直径に近づくにつれて、低周波数を用いると触媒／サセプタ環周を効率的に加熱することができる。

図２において、ガス透過性触媒／サセプタ１は、ボビン巻きワイヤ、編ワイヤメッシュ、織ワイヤメッシュ、螺旋巻きソックスまたはスリーブ、またはブレードワイヤから構成されている。ワイヤは、白金族金属または合金、例えば、白金または白金／ロジウム金属合金から構成されている。触媒／サセプタ１は、水晶またはセラミックのような環形ガス不透過性、非導電性の耐高温性シリンダ４と５の間に配置されている。シリンダ４は両端で開いているが、シリンダ５は上端部で閉じている。シリンダ４と５は、反応ガス６を導いて、触媒／サセプタ１を流れることができるように配置され、協働する。水冷誘導コイル３により誘導される交番磁場は、触媒／サセプタ１中に電流を誘導し、これを加熱する。反応物質６は、汚染容器７の上部に入り、軸方向にシリンダ４と５の間を通過して、熱い触媒／サセプタ１と接触して、所望の反応を引き起こす。ＨＣＮおよび水素を含む製品ガス８が、汚染容器７を出る。壁４および５が非導電性であるため、誘導磁界は触媒／サセプタを加熱するが、壁は加熱しない。

図３に、本発明の他の実施形態を示す。触媒／サセプタ１は、ガス透過性で、ボビン巻きワイヤ、編ワイヤメッシュ、織ワイヤメッシュ、螺旋巻きソックスまたはスリーブ、またはブレードワイヤから構成されている。触媒／サセプタ１は、ガス不透過性シリンダ９とガス透過性シリンダ１０との間に配置されている。ガス不透過性のシリンダ９は上端部で開いており、ガス不透過性環形ショルダ１１に接続されている。シリンダ１０は上部でガス不透過性蓋１２により閉じている。触媒／サセプタ１の外径は、シリンダ９の内径より小さいため、環形通路１３が得られる。反応物質６は、通路１３に入って、誘導加熱されるにつれて、ガス透過性触媒／サセプタ１を放射状に通過する。その後、生成物ＨＣＮおよび水素８が、シリンダ１０のガス透過性壁から中央通路１４へと出る。反応物質ガスが触媒／サセプタ１を均一に流れるように、ガス透過性シリンダ１０の特性を選ぶ。

図４に、図３の反応器と同様の構成および操作の反応器を示す。しかしながら、図４においては、触媒／サセプタ１は、互いに積み重ねられた触媒／サセプタ材料のガス透過性環１５を有している。リングは、図２および３に関して上述したフィラメント構造のタイプで構成されている。

図５に、図４の反応器と同様の構成および操作の反応器を示す。しかしながら、図５においては、積み重ねられたリング１５が自立形であるためガス透過性シリンダ１０はない。

図６に、図３〜５の反応器と同様の構成および操作の反応器を示す。しかしながら、図６において、触媒／サセプタ１は、ガス透過性白金族金属発泡体１６から構成されている。

図７に、触媒／サセプタが外側領域１Ａと内側領域１Ｂから構成されている、図３の反応器と同様の構成および操作の放射状フロー反応器を示す。内側領域１Ｂは、領域１Ａより高い導電率を有している。一実施形態において、これは、外側領域１Ａの層より高カウントメッシュ（すなわち、単位面積当たりワイヤが多い）の内側領域１Ｂのガーゼの円筒層を作成することにより達成される。他の実施形態において、これは、重いワイヤゲージの内側領域１Ｂの層を作成することにより達成される。

図８Ａおよび８Ｂに、図２の反応器と同様の構成および操作の軸方向フロー反応器を示す。誘導コイル３は反応器入口近傍に第１の領域３Ａと、反応器出口近傍に第２の領域３Ｂを有している。これらの構成によって、反応器入口近傍に高熱流束を分配して、反応物質ガスの冷却効果を補って、触媒／サセプタの温度をより均一にする誘導磁界が生成される。第１の実施形態においては、図８Ａに示すように、単一誘導コイル３を与え、領域３Ａにおけるコイルの巻きは、領域３Ｂのコイルの巻きよりも互いに間隔が近い。第２の実施形態においては、図８Ｂに示すように、２つの別個の誘導コイル３Ａ’および３Ｂ’が与えられている。各コイルは別個に電圧を加えられる。コイル３Ａ’はより多くの電流を流すため、反応器入口近傍の触媒／サセプタの領域においてより多くの熱を生成する。

図２〜６の反応器において、触媒／サセプタの最外部分、すなわち、領域１、１５および１６は、円筒形状の触媒／サセプタの中央部分近傍の内側部分に比べて優先的に誘導加熱される。誘導加熱触媒／サセプタを有する反応器を良好に動作させるには、反応器入口の触媒を十分熱くして、触媒作用を促し、冷却反応物質ガスにより接触させるときにコーキング反応を最小にさせる必要がある。図７および８に、触媒／サセプタ（図７）または誘導コイル（図８）の特性を修正することにより、触媒／サセプタの温度の均一性を良好に制御する構成を示す。

図３〜７の放射状フロー反応器構成の場合には、反応器の化学反応効率を更に高めるために、中空シリンダ触媒／サセプタ１の内部を、任意で、導電性とする必要のないガス透過性触媒材料で充填してもよい。

以下の実施例により本発明をさらに説明するが、これらに限られるものではない。

（実施例１）
本実施例は、本発明の触媒／サセプタを、低誘導周波数での誘導加熱により均一かつ高効率的に加熱できることを示すものである。図２と同様にして、円筒形状の触媒／サセプタを、白金合金ガーゼ片を水晶管の周囲に３６回巻きつけることにより構築した。白金合金は９０％の白金と１０％のロジウムを含んでいた。ガーゼは８０メッシュ織であり、幅は４０．６ｃｍ（１６インチ）、ワイヤサイズは０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）であった。白金ガーゼのバルク固有抵抗を測定したところ８５×１０^−６オーム−ｃｍであった。従って、最大誘導加熱効率が、誘導加熱工業で用いられる最低周波数である周波数４２５Ｈｚで得られる。水晶管の外径は３０．５ｃｍ（１２インチ）であった。得られた触媒／サセプタの内側半径は１５．２４ｃｍ、厚さは約０．６ｃｍであった。触媒／サセプタ構造を、水冷誘導コイルに配置した。このコイルは１７巻きで銅管直径１．９ｃｍ（０．７５インチ）、高さ５５．９ｃｍ（２２インチ）、内径４３ｃｍであった。誘導コイルを、３５キロワット（ｋＷ）の電力レベルで周波数３ｋＨｚで操作される誘導電源、ニュージャージー州ランコカスのインダクトサームコーポレーション（Ｉｎｄｕｃｔｏｔｈｅｒｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｒａｎｃｏｃａｓ，ＮＪ）製型番ＶＩＰパワートラック（Ｍｏｄｅｌ ＶＩＰ Ｐｏｗｅｒ−Ｔｒａｋ）（１７０ｋＷの最大電力）に接続した。誘導加熱効率は約８９％であった。本実施例のいわゆる「参照深さ」（シリンダの外側表面から渦電流が表面値の３７％まで減じる深さまでの距離）を計算したところ２．１ｃｍであり、全厚０．６ｃｍより実質的に大きかった。本実施例によれば、環周厚さにわたる誘導加熱は実質的に均一であるということが示されている。このように、円筒形状の触媒／サセプタの内側表面での加熱は、外側表面での加熱より僅か１１パーセント低いだけである。

（実施例２〜８）
図３に示した誘導加熱連続放射状フロー固定床反応器において、ややモル過剰のアンモニアをメタンと反応することにより、ＨＣＮを調製した。この実験で用いた触媒／サセプタは、直径０．００３インチ、８０メッシュガーゼの９０／１０Ｐｔ／Ｒｈワイヤの単一シリンダであった。シリンダの外径は１．２５インチ、高さは１．５インチであった。２３層のＰｔ／Ｒｈガーゼを直径１インチの約４０パーセント（％）の開口部でできた穿孔水晶管（図３のガス透過性管１０）周囲に巻きつけることによりシリンダを構築した。触媒／サセプタの巻かれた厚さは合計で約０．１２〜０．１３インチであった。触媒／サセプタの単一シリンダを同心のシリンダとして大きな誘導コイルシリンダ内側に装着した。反応物質を放射状で触媒／サセプタに供給したところ、生成物ガスが穿孔水晶管の中央から排出された。穿孔水晶管中央において単一バルク出口ガス温度をモニタリングし、誘導電源に入力される電力を調整して所望の温度に維持することにより温度を制御した。誘導加熱を９７ｋＨｚの一定周波数で供給した。反応条件、変換率および収率を表１に示す。

（実施例９〜１６）
実施例９〜１６は、単一触媒／サセプタシリンダを通る軸方向フロー構成の性能を示すものである。図２に示した誘導加熱連続フロー固定床反応器において、ややモル過剰のアンモニアをメタンと反応させることにより、ＨＣＮを調製した。この実験で用いた触媒／サセプタは、外径０．７５インチ×内径０．５０インチ×高さ１．５０インチの９０／１０Ｐｔ／Ｒｈガーゼの単一シリンダであった。２３層のＰｔ／Ｒｈのガーゼを直径１．３ｃｍ（０．５０インチ）の固体水晶管周囲に巻きつけることにより触媒／サセプタを構築した。断面積０．２４５インチ^２の円筒形状の触媒／サセプタを、内径０．７５インチの水晶反応器管内部に挿入し、密着させた。反応器管をやや大きな誘導コイルシリンダ内部に配置した。反応物質を軸方向に触媒に供給したところ、生成物ガスが２本の穿孔水晶管間に形成された環周を通して排出された。０．５０インチの水晶管中央において単一バルク出口温度をモニタリングし、誘導発電機に入力される電力を調整して所望の温度に維持することにより温度を制御した。誘導加熱を９０ＫＨｚの一定周波数で供給した。反応条件、変換率および収率を表２に示す。

（実施例１７〜２６）
図３に示した反応器構成と同様の誘導加熱連続フロー固定床反応器において、過剰のアンモニアをメタンと反応することにより、ＨＣＮを調製した。反応器は、供給マニホルドおよび生成物分配ユニット（図示せず）を接続するための適切な取付部品を備えた直径５．０８ｃｍ、長さ６０ｃｍの外側水晶シリンダから構成されていた。外側反応器シリンダは、上部が封止された１インチ当たり８０ポア（ｐｐｉ）のアルミナ発泡体管（外径２．５ｃｍ、長さ７．８ｃｍ）で覆われた、厚さ０．０２ｃｍの２０層の４０メッシュ、９０／１０Ｐｔ−Ｒｈガーゼから構成された触媒／サセプタ床を密閉していた。反応物質、メタンおよびアンモニアが上部から反応器に入って、円筒形状の触媒／サセプタ床を放射状に流れた。ＨＣＮ、未反応メタンおよび／またはアンモニア、および副生成物を含む生成物ストリームが、多孔性アルミナ管を透過して、多孔性アルミナ管内部の中空円筒形状の空間を通して反応器から排出された。反応器供給システムは、２種類までのガス供給物を一定のフローレートで反応ゾーンに供給できるように設計されていた。ブルックス質量流量制御器を用いてガスを計量およびモニターした。ガスクロマトグラフィーにより生成物を識別し定量した。触媒床を水冷銅誘導コイルで加熱した。誘導加熱は１２６ｋＨｚの一定周波数で行い、前方反射電力を調整して所望の合計出力を得た。反応条件、変換率および収率等を表３に示す。

（実施例２７〜３２）
誘導加熱連続フロー固定床反応器において、ややモル過剰のアンモニアをメタンと反応することにより、ＨＣＮを調製した。反応器は、触媒／サセプタ床を密閉している外側水晶シリンダからなっていた。それぞれ厚さ０．３ｃｍ、直径２．５４ｃｍ、多孔率４０ｐｐｉの６つの白金発泡体ディスクから構成された触媒／サセプタ床を同心の円筒形状の触媒ホルダーの他方の上部に配置した。ブルックス質量流量制御器により反応物質、メタンおよびアンモニアを計量およびモニターし、表４に示すフローレートで上部から反応器に導入した。ガスは円筒形状の触媒／サセプタ床を通して下方へ流れ、誘導加熱により加熱され、ＨＣＮ、未反応メタンおよび／またはアンモニア、水素およびその他副生成物を含む生成物ストリームは水晶反応器の下部の反応ゾーンに残った。触媒床を１４２ｋＨｚの一定周波数で誘導加熱した。前方反射電力を調整して所望の合計出力を得た。反応条件、変換率および収率等を表４に示す。

本発明により実現される誘導加熱技術の原理を示す図。本発明の様々な特定の実施形態は図２〜８に示される。 触媒／サセプタがフィラメント構造層から構成されている軸方向フロー反応器を示す。 触媒／サセプタがフィラメント構造層から構成されている放射状フロー反応器を示す。 触媒／サセプタがガス透過性リングの積み重ねから構成されている放射状フロー反応器を示す。 ガス透過性リングが自立形である軸方向フロー反応器を示す。 触媒／サセプタが金属発泡体から構成されている軸方向フロー反応器を示す。 触媒／サセプタがそれぞれ異なる導電率を有する２つの環形領域から構成されている放射状フロー構成を示す。 誘導コイルが、それぞれ異なるコイル間隔を有する２つのセクションから構成されている軸方向フロー構成を示す。 誘導コイルが、それぞれ異なる大きさの電流が流れる２つの別個のコイルから構成されている軸方向フロー構成を示す。

Claims (27)

1. 実質的にガス不透過性の非導電性材料から構成された反応チャンバーと、
   実質的に環形状の断面を有していて、前記反応チャンバー内に配置され、非導電性シリンダを囲む中空円筒形状の導電性ガス透過性触媒／サセプタと
   を含み、
   前記触媒／サセプタが、交流を供給可能な電源により電圧を加えることが可能な誘導コイルに囲まれており、
   前記触媒／サセプタが、化学反応を生じさせるのに十分な温度まで前記誘導コイルにより生成された交番磁場によって誘導加熱可能であることを特徴とするＨＣＮの調製のための高温、気相、触媒化学反応を実施する装置。
2. 前記非導電性シリンダが実質的にガス不透過性であって、それにより、前記ガスを前記触媒／サセプタを通して軸方向に流すことができることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記非導電性シリンダが実質的にガス透過性であって、それにより、前記ガスを前記触媒／サセプタを通して放射状に流すことができることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記誘導コイルが、その長さ全体にわたって均一な間隔を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記誘導コイルのエネルギー沈積強度が、前記円筒形状の触媒／サセプタの長さに沿って変わることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記誘導コイルは、２つ以上のセクションから構成され、ここで、前記セクションの各々が、他の１つまたは複数のセクションの各々と異なる大きさの電流を流すことを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記誘導コイルは、２つ以上のセクションから構成され、ここで、前記セクションの１つのコイル間隔が、他の１つまたは複数のセクションの各々のコイル間隔と異なることを特徴とする請求項５に記載の装置。
8. 前記触媒／サセプタが、多数の連続的なガーゼラップから構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記触媒／サセプタが、触媒金属発泡体から構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 前記触媒／サセプタが、互いに積み重ねられた複数の環形状のガーゼのリングから構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 前記触媒／サセプタが、異なるバルク導電率を有する同心の環状層から構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 前記触媒／サセプタが、１つまたは複数の白金族金属から構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
13. 前記触媒／サセプタの外径が、前記誘導コイルの内径の０．１〜０．９であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
14. アンモニアと、１〜６個の炭素原子を有するガス状炭化水素とを、実質的に円筒形状の導電性ガス透過性の触媒白金族金属触媒／サセプタを含む触媒構造体に通過させる工程を含み、前記触媒／サセプタが、中空であり、非導電性シリンダを囲んでいて、周囲の軸に垂直な面の前記周囲に連続した導電性通路を有していて、５０Ｈｚ〜３０ＭＨｚの周波数で、反応物質を反応させるのに十分な温度まで誘導加熱コイルにより加熱され、触媒活性を促進させるのに十分な誘導加熱効率を有するのに十分なバルク電気抵抗を有することを特徴とするＨＣＮの調製方法。
15. 前記アンモニアと前記炭化水素を、前記触媒／サセプタを通して軸方向に流すことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記アンモニアと前記炭化水素を、前記触媒／サセプタを通して放射状に流すことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. 前記誘導コイルが、その長さ全体にわたって均一な間隔を有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
18. 前記誘導コイルのエネルギー沈積強度が、前記円筒形状の触媒／サセプタの長さに沿って変わることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
19. 前記誘導コイルは、２つ以上のセクションから構成され、ここで、前記セクションの各々が、他の１つまたは複数のセクションの各々と異なる大きさの電流を流すことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記誘導コイルは、２つ以上のセクションから構成され、ここで、前記セクションの１つのコイル間隔が、他の１つまたは複数のセクションの各々のコイル間隔と異なることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
21. 前記触媒／サセプタが、多数の連続的なガーゼラップから構成されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
22. 前記触媒／サセプタが、触媒金属発泡体から構成されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
23. 前記触媒／サセプタが、互いに積み重ねられた複数の環形状のガーゼのリングから構成されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
24. 前記触媒／サセプタが、異なるバルク導電率を有する同心の環状層から構成されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
25. 前記触媒／サセプタが、１つまたは複数の白金族金属から構成されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
26. 前記触媒／サセプタの外径が、前記誘導コイルの内径の０．１〜０．９であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
27. 前記炭化水素がメタンを含む請求項１４に記載の方法。

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