JP2009262018A

JP2009262018A - 反応装置

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Publication number: JP2009262018A
Application number: JP2008112281A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Miyahara; 将章宮原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-04-23
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2009-11-12

Abstract

【課題】原料及び触媒を加熱するための加熱機構であるヒーターなどが消費する電力の増加や、原料及び触媒を加熱した後の排熱の冷却処理による電力の増加を抑制すること。
【解決手段】導入された原料を第１反応媒体とするための第１反応室１と、前記第１反応室１よりも高い温度を有する第２反応室２と、前記第１反応室１と前記第２反応室２とを連通するとともに、前記第１反応室１から前記第２反応室２へ前記第１反応媒体を供給するための連結管３と、前記第２反応室２の熱量を前記第１反応室１へ伝熱するための伝熱手段４と、を具備した。
【選択図】図１

Description

本発明は、反応装置に関するものである。

近年、精密加工技術の進歩発展により、マイクロテクノロジーとよばれる新しい概念が登場してきた。特に、マイクロ化学プラントは、従来の工業的物質生産の方式を変革するものとして、化学産業だけでなく関連する医療、製薬、バイオ関連、食品産業などからも大きな期待が寄せられている。

このマイクロ化学システム（プラント）は、マイクロ加工技術によってつくられた幅数μｍから数百μｍのマイクロ流路を基本に、各種のマイクロ反応器（マイクロリアクター等）の機能デバイスから構成されるシステムである。そして、このマイクロ化学システムは熱移動や物質移動速度が格段に大きく、化学反応の効率を飛躍的に増大させる可能性を有する。
特開２００３−２６０２号公報

しかしながら、化学反応の効率を高めるために、原料及び触媒を加熱するための加熱機構や、反応生成物を冷却するための冷却機構を備えれば、装置が複雑化するだけでなく、反応装置の消費電力が増加するおそれがあった。

そこで、簡易な構成で、且つ消費電力を抑制した反応装置が望まれていた。

本発明の実施形態にかかる反応装置は、導入された原料を第１反応媒体とするための第１反応室と、前記第１反応室よりも高い温度を有する第２反応室と、前記第１反応室と前記第２反応室とを連通するとともに、前記第１反応室から前記第２反応室へ前記第１反応媒体を供給するための連結管と、前記第２反応室の熱量を前記第１反応室へ伝熱するための伝熱手段と、を具備した。

本発明の実施形態にかかる反応装置は、第２反応室の熱量を第１反応室へ伝熱するための伝熱手段を具備したことから、第２反応室の廃熱を第１反応室へ有効に利用することができるため、簡易な構成で、且つ消費電力を抑制した反応装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態にかかる反応装置を添付図面に基づき説明する。

図１は、第１反応室１と第２反応室２を有する。第１反応室１と第２反応室２とは、連結管３によって連通される。また、第２反応室２に設けられた伝熱手段４は、第２反応室２の熱量を第１反応室１へ伝熱するためのものである。

ここで、第２反応室２は、第１反応室１よりも高い温度であるため、例えば図１に示す伝熱手段４を介して、第２反応室２の熱量は、第２反応室２から第１反応室１へ伝熱する。

その結果、第１反応室１に導入された原料は、第２反応室２の廃熱によって熱せられることから、従来よりも消費電力を抑制して、第１反応媒体を生成することができる。

以上のように、本実施形態にかかる反応装置によれば、第１反応室１に加熱機構を設けなくてもよくなり、簡易な構成で、且つ消費電力を抑制した反応装置を提供することができる。

以下、本実施形態にかかる反応装置について、各構成要素に分けて詳細に説明する。

（第１反応室）
第１反応室１は、反応器の一部としての機能を有する。

第１反応室１を構成する材料としては、例えば、ＳＵＳ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金等のＦｅ系合金、無酸素銅等からなる金属材料を用いることができる。

また、第１反応室１を構成する材料としては、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）質焼結体、炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）質焼結体、ガラスセラミックス等のセラミック材料、又はポリイミド等の高耐熱の樹脂材料等の絶縁材料を用いることもできる。

特に、第１反応室１が金属材料から成る場合、絶縁材料から成る場合と比較して、外部からの衝撃に対する応力緩和効果を有する点と、温度勾配が生じることに対して高い熱衝撃耐性を有する点という２点から信頼性の高い反応室とすることができる

また、第１反応室１が絶縁材料から成る場合、金属材料から成る場合と比較して、ヒーター抵抗体などを別途絶縁部を設けることなく具備することが可能となることから、異なる部材どうしの組み合わせを低減でき、信頼性の高い反応室とすることができる。

以下、第１反応室１が金属材料からなる場合の製造方法を説明する。

第１反応室が金属材料から成る場合は、切削法、プレス法、ＭＩＭ（ＭｅｔａｌＩｎｊｅｃｔｉｏｎＭｏｌｄ）法等により所定の形状に形成される。

また、第１反応室１は、反応器１０の小型化、低背化を可能とするために、厚みを薄くすることが好ましいが、強度を維持すべく、機械的強度である曲げ強度は２００ＭＰａ以上とするのが好ましい。第１反応室の曲げ強度を２００ＭＰａ以上とすることで、荷重が加わった際に破壊、変形等が生じることを抑制できる。

第１反応室１が金属板から構成される場合、６枚の金属板を準備し、金属板どうしを従来周知のはんだや金属ロウ材等による接合や、シームウェルド、エレクトロンビームやレーザー等による接合を採用することができる。

なお、ロウ材により金属板どうしを接合する場合は、ベース体と板状部材のどちらかに予めロウ材を溶着させる。又は、金型等を用いて打ち抜き加工等で枠状に形成したロウ材をベース体と板状部材との間に載置する。

その後、封止炉あるいはシームウェルダーで接合すれば良い。

次に、第１反応室１が絶縁材料からなる場合について、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体とガラスセラミックスとを例示してその製造方法を説明する。

第１反応室１は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体から成る場合、以下の手順で作製することができる。

まず、酸化アルミニウム粉末に、希土類酸化物粉末や酸化アルミニウム粉末等の焼結助剤を添加、混合して、酸化アルミニウム質焼結体の原料粉末を調製する。次いで、この原料粉末に有機バインダおよび分散媒を添加、混合してペースト化し、このペーストをドクターブレード法によって、あるいは原料粉末に有機バインダを加え、プレス成形、圧延成形等によって、所定の厚みのグリーンシートを作製する。その後、所定枚数のシート状成形体を位置合わせして積層圧着して、この積層体を、例えば非酸化性雰囲気中、焼成最高温度が１２００〜１５００℃の温度で焼成して、目的とするセラミック製の第１反応室を得る。

なお、セラミックグリーンシート積層法に代えて、従来周知の粉末成形プレス法を用いても良い。

第１反応室１は、ガラスセラミックスから成る場合、以下の手順で作製することができる。

ガラスセラミックスは、ガラス成分とフィラー成分とを混合してなるものである。

ガラス成分としては、例えばＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ、Ｓｒ、Ｍｇ、ＢａまたはＺｎを示す）、ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は同一または異なってＣａ、Ｓｒ、Ｍｇ、ＢａまたはＺｎを示す）、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^１Ｏ−Ｍ^２Ｏ系（但し、Ｍ^１およびＭ^２は前記と同じである）、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３はＬｉ、ＮａまたはＫを示す）、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｍ^３ _２Ｏ系（但し、Ｍ^３は前記と同じである）、Ｐｂ系ガラス、又はＢｉ系ガラス等が挙げられる。

また、フィラー成分としては、例えばＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、ＴｉＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、又はＡｌ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２から選ばれる少なくとも１種を含む複合酸化物（例えばスピネル、ムライト、コージェライト）等が挙げられる。また、第１反応室１の内壁には、耐食性、耐熱性、又は反応触媒５の担持強度を向上させるために、被覆コーティングすることが好ましい。被覆コーティング材料としては、例えばＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、ＴｉＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、又はＡｌ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２から選ばれる少なくとも１種を含む複合酸化物（例えばスピネル、ムライト、コージェライト）等のセラミックス材料を用いることができる。特に、Ａｌ_２Ｏ_３の場合は、耐衝撃性、耐高温性を備え、且つ、安価である点から好ましい。

また、本実施形態にかかる第１反応室１には、原料導入管を有する。

原料導入管の形状としては、通常は筒状に形成すればよいが、これに限定されるものではなく、楕円形や、流体の流れ方向にその辺部を合わせることができる角状のもの、例えば、正方形，長方形であってもよい。

特に、筒状の形状であれば、原料の角部への溜まりや、流体の流れが安定しやすいため、原料の一部が導入管に滞ることを抑制できる。

（第２反応室）
第２反応室２は、第１反応室２と同様に反応器の一部としての機能を有する。

第２反応室２は、第１反応室１と同様の材料を用いることができる。

第２反応室２は、第１反応室１よりも高い温度となることから、例えばＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、ＴｉＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、又はＡｌ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２から選ばれる少なくとも１種を含む複合酸化物（例えばスピネル、ムライト、コージェライト）等のセラミックス材料を使用することが好ましい。

（連結管）
連結管３は、第１反応室１と第２反応室２とを連通するものである。また、連結管３は、第１反応室１で生成した第１反応媒体を第２反応室２へ供給するものである。

連結管３の形状は、上述した原料導入管と同様に種々様々な形状を用いることができる。

連結管３を構成する材料は、ＳＵＳ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金等のＦｅ系合金や、無酸素銅等の金属材料を用いることができる。また、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）質焼結体、炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）質焼結体、ガラスセラミックス等のセラミック材料、ポリイミド等の高耐熱の樹脂材料等の絶縁材料で形成してもよい。特に、連結管３が金属材料から成る場合、絶縁材料から成る場合と比較して、外部からの衝撃に対する応力緩和効果を有する点と、温度勾配が生じることに対して高い熱衝撃耐性を有する点という２点から、薄く細い形状を形成しやすいという効果を有する。

また、連結管３が絶縁材料から成る場合、ヒーター抵抗体などを別途絶縁部を設けることなく具備することが可能となるため、異なる部材どうしの組み合わせ低減でき、信頼性の高い反応室とすることができる。

なお、第１反応室１及び第２反応室２には、連結管３を接続するための貫通穴を有する。貫通穴は、切削工具類や、レーザー加工機等を用いて形成することができる。また、第１反応室１又は第２反応室２がセラミックスから成る場合は、セラミックスグリーンシートをプレス加工で打ち抜くことで貫通穴を形成することができる。また、半割り構造の部品をはめ合わせて貫通穴を形成しても構わない。

（伝熱手段）
伝熱手段は、第２反応室２の熱量を第１反応室１へ伝熱するためのものである。

例えば、図１に示すように、伝熱手段は、第２反応室２内部と第１反応室１の外表面とを接触するように配される。

この場合、第２反応室２の熱量は、伝熱手段を介して第１反応室１の壁面に伝熱される。その結果、第２反応室２の廃熱を第１反応室１へ有効に利用することができる。

また、図２に示すように、伝熱手段は、第２反応室２から第１反応室１内部にかけて設けられた伝熱部材であることが好ましい。伝熱手段は、第１反応室１内部に配されるため、より効率的に第２反応室２の廃熱を第１反応室１へ利用できる。

なお、伝熱部材は、金属からなることが好ましく、単に熱伝導率が他の部材と比較して高いだけではなく、外部からの衝撃に対する応力緩和効果と、温度勾配が生じることに対して、高い熱衝撃耐性を有することで、薄く細い形状を形成しやすいことから、厚いものから、細いものまで伝熱量を調整することが可能となるため、伝熱に関わる熱設計が容易である。

以下、伝熱手段が排出管４の機能を兼ねる場合について説明する。

すなわち、図２に示すように、伝熱部材は、第１反応室１を貫通するように設けられ、第２反応室２で生成された生成物を第２反応室２外部へ排出するための排出管４である。

この場合、第１反応室１内部における排出管４の表面積は、第１反応室１を貫通しない場合と比較して広くなる。それゆえ、排出管４によって、第１反応室１内部を均一に加熱することができる。

排出管４の形状は、上述した原料導入管と同様に種々様々な形状を用いることができる。

また、排出管３を構成する材料は、上述した連通管３と同様に種々様々な材料を用いることができる。

排出管４と第２反応室２とを接合するために、第２反応室２には貫通穴を有する。貫通穴は、切削工具類や、レーザー加工機等を用いて形成することができる。また、第２反応室２がセラミックスから成る場合は、セラミックスグリーンシートをプレス加工で打ち抜くことで貫通穴を形成することができる。排出管４と第２反応室２との接合は、熱溶着、圧着、耐熱性を有する接着剤による接着、Ａｕ系やＡｇ系の等の各種ロウ材による接合、硼珪酸ガラス等のガラスによる接合、又は同時焼結等の各種方法を用いることができる。

（反応触媒）
反応触媒５は、Ｎｉ系、Ｃｕ／ＺｎＯ系、Ｐｔ／ＺｎＯ系、Ｐｄ／ＺｎＯ系の触媒から構成される。

反応触媒５は、第１反応室１内に設けられ、第１反応室１に導入された原料を第１反応媒体とするためのものである。

反応触媒５を設けることで原料が触媒と反応し、反応速度を高めることができる。

反応触媒５は、大別して発熱反応触媒と吸熱反応触媒とが挙げられる。反応触媒５が吸熱反応触媒の場合、吸熱反応によって第１反応室１の温度は低下しようとするため、通常であれば、第１反応室の温度を上昇させるための加熱機構を具備し、それによって得られる熱エネルギーにより、触媒反応の為の温度を維持し続ける必要がある。本実施形態によれば、伝熱手段によって第２反応室２から第１反応室１へ伝熱がより一層効率的に行われることから、吸熱反応触媒が機能する温度に昇温されるため、安定した触媒反応を維持することが可能となる。

次に、反応触媒５の配置箇所について以下に説明する。

例えば、反応触媒５は、第１反応室１内部に位置する伝熱部材（排出管４）の表面に設けられていること好ましい。この場合、伝熱部材（排出管４）表面は、最短距離で第２反応室２と第１反応室１とを結ぶため、伝熱ロスを抑制した状態で第２反応室２の熱量を第１反応室１へ伝熱することができる。

また、伝熱部材（排出管４）は、その表面が繊維状の面を有しており、反応触媒５は、該繊維状の面に担持されていれば、反応触媒５が伝熱部材（排出管４）から剥離することを抑制できる。それゆえ、反応触媒５が第１反応室１内部で飛散し、偏って第１反応室１内部に留まることを抑制できるため、第１反応室１内部で均一に原料を反応させ、高品質な第１反応媒体を生成することができる。

なお、繊維状の面を構成する材料は、例えばＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、ＴｉＯ_２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、又はＡｌ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２から選ばれる少なくとも１種を含む複合酸化物（例えばスピネル、ムライト、コージェライト）等のセラミックス材料や、ＳＵＳ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金等のＦｅ系合金、無酸素銅等からなる金属材料を用いることができる。

さらに、図３に示すように、第１反応室１の内壁、原料導入管、連結管３に反応触媒５を設ければ、第１反応室１の空間を有効に利用して、反応触媒５の設置面積を増加させることができるため、高効率に第１反応媒体を生成することができる。なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることは何ら差し支えない。

本発明の第１実施形態にかかる反応装置を示す断面構造図である。本発明の第２実施形態にかかる反応装置を示す断面構造図である。本発明の変形例を示す断面構造図である。

符号の説明

１・・・・・第１反応室
２・・・・・第２反応室
３・・・・・連結管
４・・・・・排出管（伝熱手段、伝熱部材）
５・・・・・反応触媒
１０・・・・反応装置

Claims

導入された原料を第１反応媒体とするための第１反応室と、
前記第１反応室よりも高い温度を有する第２反応室と、
前記第１反応室と前記第２反応室とを連通するとともに、前記第１反応室から前記第２反応室へ前記第１反応媒体を供給するための連結管と、
前記第２反応室の熱量を前記第１反応室へ伝熱するための伝熱手段と、
を具備した反応装置。
前記伝熱手段は、前記第２反応室から前記第１反応室内部にかけて設けられた伝熱部材であることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
前記伝熱部材は、前記第１反応室を貫通するように設けられ、前記第２反応室で生成された生成物を前記第２反応室外部へ排出するための排出管であることを特徴とする請求項２に記載の反応装置。
前記第１反応室内部に設けられた反応触媒をさらに有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の反応装置。
前記反応触媒は、吸熱反応触媒であることを特徴とする請求項４に記載の反応装置。
前記反応触媒は、前記第１反応室内部に位置する前記伝熱部材の表面に設けられていることを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の反応装置。
前記伝熱部材は、その表面が繊維状の面を有し、該繊維間に前記反応触媒が担持されていることを特徴とする請求項６に記載の反応装置。
前記伝熱部材は、金属からなることを特徴とする請求項２乃至請求項７のいずれかに記載の反応装置。