JP2010207735A - 流体へのマイクロ波連続照射方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】流通する被加熱対象物質を高効率にマイクロ波加熱する流通型マイクロ波利用化学反応装置であって、マイクロ波発振装置、シングルモードキャビティ、被加熱対象物質である溶液系の流体を流通させる流通管、該流通管内の一端に位置する流体を送液する送液ポンプを有し、上記キャビティは、金属製で内部に円筒型の空間を有し、上記流通管は、上記円筒型の空間を貫通するようにあるいは該空間の中心軸に沿って貫通するように単数乃至複数本設置されており、上記流通管の内側が、細管状乃至非平滑状の形状及び/又は構造に加工されており、流通管に流通させた被加熱対象物質にマイクロ波が集中して照射されるようにしたマイクロ波利用化学反応装置、及びマイクロ波利用化学反応方法。
【選択図】図3
Description
(1)流通する被加熱対象物質を高効率にマイクロ波加熱する流通型マイクロ波利用化学反応装置であって、マイクロ波発振装置、シングルモードキャビティ、被加熱対象物質である溶液系の流体を流通させる流通管、該流通管内の一端に位置する流体を送液する送液ポンプを有し、上記キャビティは、金属製で内部に円筒型の空間を有し、上記流通管は、上記円筒型の空間を貫通するようにあるいは該空間の中心軸に沿って貫通するように単数乃至複数本設置されており、上記流通管の内側が、細管状乃至非平滑状の形状及び/又は構造に加工されており、流通管に流通させた被加熱対象物質にマイクロ波が集中して照射されるようにしたことを特徴とするマイクロ波利用化学反応装置。
(2)上記流通管の内側の細管状の内径が大きくても2.9mmのミリメートルサイズ細長チューブ状であり、流通管の内側の非平滑状の形状及び/又は構造が、扁平状、ひだ状形状、又は多孔構造であるか、あるいは、流通管と同材料又は非同一材料の粒子もしくはロッドを充填した構造である、前記(1)に記載のマイクロ波利用化学反応装置。
(3)電界もしくは磁界が集中している部位において、被加熱対象物質と接触する流通管を細くする、流通管の表面をひだ状にする、流通管内に空隙のある物質を充填する、表面に帯電した物質をコーティングする、表面を帯電した状態に保つことができるよう化学処理する、表面を帯電した状態に保つことができるよう物理処理する、あるいはこれらの組み合わせにより、流体と接する面を増やすように加工された形状及び/又は構造を有する流通管が設置されている、前記(1)又は(2)に記載のマイクロ波利用化学反応装置。
(4)上記流通管の材質が、ガラス、石英、アルミナ、プラスチック、フッ素樹脂、又はポリエーテルケトンである、前記(1)から(3)のいずれかに記載のマイクロ波利用化学反応装置。
(5)シングルモードキャビティの構造として、金属製の円筒状の管壁とその両端を塞ぐ側壁を有する円筒型空胴共振器を有しており、円筒内部の特定部分の電界強度が極大となり、管壁部分では電界強度が0となり、かつ円筒軸に沿っては、電界強度が一様な定在波を形成させる構造を有する、前記(1)から(4)のいずれかに記載のマイクロ波化学反応装置。
(6)電界強度が極大となる特定部位が、円筒の中心部分であり、円筒軸にそっては、電界強度が一様な定在波を形成させる構造を有する、前記(1)から(5)のいずれかに記載のマイクロ波化学反応装置。
(7)前記(1)から(6)のいずれかに記載の装置を使用して、流通管に保持もしくは流通させた溶液系の被加熱対象物質にマイクロ波を集中して照射することで、マイクロ波エネルギーを効率よく加熱に利用することを特徴とするマイクロ波利用化学反応方法。
(8)定在波を形成したマイクロ波照射空間内に、被加熱対象物質を保持もしくは流通させ、マイクロ波照射により加熱する、前記(7)に記載のマイクロ波利用化学反応方法。
(9)電界もしくは磁界が集中している部分に、流通管を設置し、その内部に保持もしくは流通させた被加熱対象物質を、マイクロ波照射により加熱する、前記(7)に記載のマイクロ波利用化学反応方法。
(10)上記マイクロ波利用化学反応方法で、非極性溶媒をも加熱する、前記(7)から(9)のいずれかに記載のマイクロ波利用化学反応方法。
本発明は、円筒型のマイクロ波照射空間に、適切な波長のマイクロ波を照射することにより、中心部分の強度が強く、中心軸上では均一の電界強度分布を有する定在波を形成すること、そして、その部位に、特定の形状又は構造を有する石英ガラス製などの流通管である反応管を配置して、マイクロ波を照射する構成としたこと、それにより、マイクロ波を反応管の反応部位に集中的かつ均一に照射するようにすることで、内部の流体や触媒をマイクロ波で効率よく均一に加熱することができ、反応管内の電界分布及び温度を自動的に制御することができる、新しい流通型マイクロ波利用化学反応装置を構築することを可能としたものである。
(1)本発明により、流通する溶液系の化学反応に適用することが可能な流通型マイクロ波利用化学反応装置及び方法を提供することができる。
(2)本発明の装置により、例えば、アセトン、トルエン、ヘキサンなどの非極性溶媒をもマイクロ波加熱により加熱することが可能となる。
(3)流通する溶液系の被加熱対象物質を、連続的に、しかも短時間で、マイクロ波加熱することが可能である。
(4)マイクロ波電力を、効率よく、熱エネルギーに変換して、極性物質及び非極性物質を、効率よくマイクロ波加熱することを可能とするマイクロ波加熱装置を提供することができる。
(5)本発明の流通型マイクロ波利用化学反応方法を流通する溶液系の化学反応に適用することにより、従来法と比べて、より低い温度で、同様の化学反応を進行させることができる。
(6)本発明の流通型マイクロ波利用化学反応方法を流通する溶液系の化学反応に適用することにより、従来法と比べて、より高い反応収率で、化学反応を進行させることができる。
(7)本発明の流通型マイクロ波利用化学反応方法を流通する溶液系の化学反応に適用することにより、従来法と比べて、より高い反応選択性で、化学反応を進行さることができる。
Psolvent=Cw×ΔT×F (式2)
と表すことができる。
η=Psolvent/Pmw (式3)
を算出した。
図12に示す、円筒型空胴共振器(内径84mm、長さ100mm)の中心軸に、外径2mm、内径1mmのガラス管(パイレックス(登録商標)製)を設置し、上部から送液ポンプにより各種溶媒(水、エチレングリコール)を送液した。空胴共振器にマイクロ波を照射すると、図13に示す電界強度分布に示されるように、ガラス管部分に電界が集中し、効率的にガラス管内の溶媒を加熱することができた。
図14に、出口温度を50℃及び90℃になるように、マイクロ波照射強度をフィードバック制御したときの結果を示す。図より、例えば、50℃の設定温度に対して、±1℃程度で制御できていることが分かる。水の温度上昇から、加熱に使われた単位時間あたりのエネルギーは、水の比熱をCw、温度変化をΔT、流速をFとすると、
Psolvent=Cw×ΔT×F
と表すことができる。
図16に、エチレングリコールをマイクロ波加熱したときの昇温特性を示す。このときの送液速度は、2.5ml/minであり、マイクロ波照射空間を通過する滞留時間は、1.9秒である。目標温度を30秒ごとに、50,120,140,160,180℃とステップ状に変えた。出口でのエチレングリコールの温度が、目標温度に追随しており、制御性が高いことが分かる。2.5ml/minのとき、180℃に昇温するのに、32.6W必要であった。
1 円筒型TM010キャビティ
2 マイクロ波照射口
3 TM010キャビティ内に誘起される電界分布(半径方向)
(図2の符号)
1 細長チューブ
2 扁平
3 ひだ
4 多孔質
5 充填(粒子)
6 充填(ロッド)
(図3の符号)
1 マイクロ波照射口
2 TM010キャビティ
3 送液ポンプ
4 電界モニター
5 温度計
6 マイクロ波発振器・制御器
Claims (10)
- 流通する被加熱対象物質を高効率にマイクロ波加熱する流通型マイクロ波利用化学反応装置であって、マイクロ波発振装置、シングルモードキャビティ、被加熱対象物質である溶液系の流体を流通させる流通管、該流通管内の一端に位置する流体を送液する送液ポンプを有し、上記キャビティは、金属製で内部に円筒型の空間を有し、上記流通管は、上記円筒型の空間を貫通するようにあるいは該空間の中心軸に沿って貫通するように単数乃至複数本設置されており、上記流通管の内側が、細管状乃至非平滑状の形状及び/又は構造に加工されており、流通管に流通させた被加熱対象物質にマイクロ波が集中して照射されるようにしたことを特徴とするマイクロ波利用化学反応装置。
- 上記流通管の内側の細管状の内径が大きくても2.9mmのミリメートルサイズ細長チューブ状であり、流通管の内側の非平滑状の形状及び/又は構造が、扁平状、ひだ状形状、又は多孔構造であるか、あるいは、流通管と同材料又は非同一材料の粒子もしくはロッドを充填した構造である、請求項1に記載のマイクロ波利用化学反応装置。
- 電界もしくは磁界が集中している部位において、被加熱対象物質と接触する流通管を細くする、流通管の表面をひだ状にする、流通管内に空隙のある物質を充填する、表面に帯電した物質をコーティングする、表面を帯電した状態に保つことができるよう化学処理する、表面を帯電した状態に保つことができるよう物理処理する、あるいはこれらの組み合わせにより、流体と接する面を増やすように加工された形状及び/又は構造を有する流通管が設置されている、請求項1又は2に記載のマイクロ波利用化学反応装置。
- 上記流通管の材質が、ガラス、石英、アルミナ、プラスチック、フッ素樹脂、又はポリエーテルケトンである、請求項1から3のいずれかに記載のマイクロ波利用化学反応装置。
- シングルモードキャビティの構造として、金属製の円筒状の管壁とその両端を塞ぐ側壁を有する円筒型空胴共振器を有しており、円筒内部の特定部分の電界強度が極大となり、管壁部分では電界強度が0となり、かつ円筒軸に沿っては、電界強度が一様な定在波を形成させる構造を有する、請求項1から4のいずれかに記載のマイクロ波化学反応装置。
- 電界強度が極大となる特定部位が、円筒の中心部分であり、円筒軸にそっては、電界強度が一様な定在波を形成させる構造を有する、請求項1から5のいずれかに記載のマイクロ波化学反応装置。
- 請求項1から6のいずれかに記載の装置を使用して、流通管に保持もしくは流通させた溶液系の被加熱対象物質にマイクロ波を集中して照射することで、マイクロ波エネルギーを効率よく加熱に利用することを特徴とするマイクロ波利用化学反応方法。
- 定在波を形成したマイクロ波照射空間内に、被加熱対象物質を保持もしくは流通させ、マイクロ波照射により加熱する、請求項7に記載のマイクロ波利用化学反応方法。
- 電界もしくは磁界が集中している部分に、流通管を設置し、その内部に保持もしくは流通させた被加熱対象物質を、マイクロ波照射により加熱する、請求項7に記載のマイクロ波利用化学反応方法。
- 上記マイクロ波利用化学反応方法で、非極性溶媒をも加熱する、請求項7から9のいずれかに記載のマイクロ波利用化学反応方法。
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