JP2013252487A - マイクロリアクタ - Google Patents

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Abstract

【課題】媒体流路の形状を工夫することで、反応流路の発熱または吸熱を適切にバランスさせ、反応流体と熱媒体との熱交換の効率向上を図る。
【解決手段】マイクロリアクタ１００は、反応対象となる流体である反応流体が流通する反応流路１１０と、反応流路と並行して設けられ、反応流路を流通する反応流体と熱交換する熱媒体が流通する媒体流路１２０と、を備え、反応流路のうち、反応による発熱または吸熱が相対的に大きい部分に隣接する媒体流路の断面積は、発熱または吸熱が相対的に小さい部分に隣接する媒体流路の断面積より小さいことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、微小な空間を反応場とするマイクロリアクタに関する。
マイクロリアクタ（microreactor）は、微小な空間を反応場とする反応装置であり、このような小さな空間を反応場とすることで分子同士の衝突頻度や熱の移動速度を高め、反応速度や収率を向上させることができる。
かかるマイクロリアクタでは、例えば、断面が小さな反応流路を設け、反応流路内に触媒を配し、その反応流路に反応対象となる反応流体を流通させて反応を促進する。このような反応によって生じた熱は、反応流路に並行して設けられた媒体流路を流通する熱媒体を通じて回収される。
例えば、特許文献１には、反応流路に接して設けられた媒体流路に冷却ガスを流通させ、反応流路を流通する改質ガスを効率よく冷却する技術が開示されている。また、特許文献１の技術では、媒体流路における、反応流路の出口に対応する領域にのみ伝熱促進材を充填することで、反応流路の入口と出口の冷却効率を異ならせている。
特許第３９００５７０号
従来のマイクロリアクタでは、反応流路や媒体流路の断面が流通方向に一定となるように形成されているため、発熱反応において、反応流路の発熱による温度推移によっては、発熱が低い部分に隣接する媒体流路の部分では、熱媒体の吸熱能力に余力を残し、発熱が高い部分に隣接する媒体流路の部分では、熱媒体が熱を吸収しきれず過度に温度上昇が生じ、マイクロリアクタにおける温度分布が偏ってしまっていた。かかる状況下では、温度対策を余儀なくされたり、マイクロリアクタの耐久性に影響を及ぼすことがある。
また、吸熱反応においては、吸熱が低い部分に隣接する媒体流路の部分では、熱媒体の伝熱能力に余力を残し、吸熱が高い部分に隣接する媒体流路の部分では、熱媒体が伝熱しきれず吸熱反応を効率よく進行させることができないおそれがあった。
そこで本発明は、このような課題に鑑み、媒体流路の形状を工夫することで、反応流路の発熱または吸熱を適切にバランスさせ、反応流体と熱媒体との熱交換の効率向上を図ることが可能なマイクロリアクタを提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本発明のマイクロリアクタは、反応対象となる流体である反応流体が流通する反応流路と、反応流路と並行して設けられ、反応流路を流通する反応流体と熱交換する熱媒体が流通する媒体流路と、を備え、反応流路のうち、反応による発熱または吸熱が相対的に大きい部分に隣接する媒体流路の断面積は、発熱または吸熱が相対的に小さい部分に隣接する媒体流路の断面積より小さいことを特徴とする。
反応流路における反応による発熱または吸熱が相対的に大きい方から小さい方にかけて、媒体流路の断面積が漸増するように形成されていてもよい。
反応流路のうち、反応による発熱または吸熱が相対的に大きい部分に近い媒体流路の開口面積は、発熱または吸熱が相対的に小さい部分に近い媒体流路の開口面積より小さいとしてもよい。
反応流路のうち、反応による発熱または吸熱が相対的に大きい部分の断面積は、発熱または吸熱が相対的に小さい部分の断面積より大きいとしてもよい。
反応流路における発熱または吸熱が相対的に大きい方から小さい方にかけて断面積が漸減するように形成されていてもよい。
反応流路のうち反応による発熱または吸熱が相対的に大きい部分に近い開口面積は、発熱または吸熱が相対的に小さい部分に近い開口面積より大きいとしてもよい。
反応流路の内壁の少なくとも一部には、触媒層が配され、反応流路のうち、反応による発熱または吸熱が相対的に大きい部分における触媒層の厚みは、発熱または吸熱が相対的に小さい部分の触媒層の厚みより大きいとしてもよい。
媒体流路における熱媒体の流通方向は、反応流路における反応流体の流通方向と対向していてもよい。
本発明によれば、媒体流路の形状を工夫することで、反応流路の発熱または吸熱を適切にバランスさせ、反応流体と熱媒体との熱交換の効率向上を図ることが可能となる。
第１の実施形態におけるマイクロリアクタの概略的な構成を示した横断面図である。 反応流路における発熱反応を説明するための説明図である。 反応流路における吸熱反応を説明するための説明図である。 第２の実施形態におけるマイクロリアクタの概略的な構成を示した横断面図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
（第１の実施形態：マイクロリアクタ１００）
マイクロリアクタ１００では、微細加工により形成された管（筒）形状のマイクロチャンネル流路を反応場とすることで反応速度や収率を向上させることができる。また、対流や拡散態様を任意に構成することで迅速混合や能動的に濃度分布をつける等が可能になり、反応条件の厳密な制御ができる。
図１は、マイクロリアクタ１００の概略的な構成を示した横断面図である。マイクロリアクタ１００は、反応流体（気液を問わない）が図１中実線矢印で示す方向に流通する、例えば、幅および高さの少なくとも１辺が１ｍｍ以下となる断面矩形の反応流路１１０と、熱媒体が図１中破線矢印で示す方向に流通する、例えば、幅および高さの少なくとも１辺が１ｍｍ以下となる断面矩形の媒体流路１２０とを含んで構成され、反応流路１１０と媒体流路１２０とは、流通する反応流体と熱媒体とが熱交換可能に、熱伝壁１３０を介し並行して設けられている。ただし、反応流体の流通方向と熱媒体の流通方向とは対向している。このように反応流路１１０と媒体流路１２０とを並行させる構成により、反応流体の発熱反応による熱を熱媒体で迅速に吸収したり、熱媒体から迅速に伝熱して反応流体の吸熱反応を促進したりすることができる。
また、反応流路１１０の内壁の少なくとも一部、望ましくは、内壁全てに、反応を促進する触媒からなる触媒層１１２が配される。触媒層１１２の厚さは、反応流路１１０の熱伝壁距離が例えば２００μｍ〜６ｍｍ（触媒層１１２を除く）程度であった場合に、５０μｍ以上となる。以下、発熱反応と吸熱反応に分けて本実施形態の作用を説明する。
図２は、反応流路１１０における発熱反応を説明するための説明図である。特に図２（ａ）には、隣接する反応流路１１０と媒体流路１２０との組み合わせを、図２（ｂ）には各流路の温度勾配を示す。
図２（ａ）を参照すると、反応流体は、反応流路１１０内を流通しつつ触媒層１１２に接触して発熱反応を起こす。発熱反応としては、例えば、下記の化学式１や化学式２の反応が挙げられる。
ＣＯ＋３Ｈ２ → ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ…（化学式１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋Ｈ２ …（化学式２）
また、化学式１の発熱反応には、触媒層１１２にＮｉを担持したＡｌ２Ｏ３やＲｕを担持したＡｌ２Ｏ３等の触媒が用いられ、化学式２の発熱反応には、触媒層１１２にＣｕ−Ｚｎ系の触媒やＦｅ−Ｃｒ系の触媒等が用いられる。
このとき、反応流路１１０における温度推移は、図２（ｂ）に実線で示すように、反応流路１１０の入口（開口部１１０ａ）付近で最大となり、出口（開口部１１０ｂ）付近で最小となる。これは、反応流路１１０に流入してきたばかりの反応流体には未反応の物質が多く含まれるため反応頻度が高くなるのに対し、反応流体が反応流路１１０を流通するに連れて反応が進行し、反応流路１１０から流出するころには、ほとんどの物質が反応しきって反応頻度が低くなるからである。
したがって、反応頻度の高い反応流路１１０の入口付近で発熱が相対的に大きくなり、出口付近では相対的に小さくなる。このようにして生じた熱が図２（ａ）の白抜き矢印に示したように媒体流路１２０に伝達される（白抜き矢印の幅は伝熱の大きさを示す）。ただし、媒体流路１２０を単に流路断面が一定となるように形成してしまうと、反応流路１１０の反応熱が低い部分に隣接する媒体流路１２０の部分では、熱媒体の吸熱能力に余力を残し、反応流路１１０の反応熱が高い部分に隣接する媒体流路１２０の部分では、温度上昇を熱媒体が吸収しきれず、反応流路１１０において過度に温度上昇が生じてしまう。そこで、本実施形態では、反応流路１１０における温度推移に応じて、媒体流路１２０の吸熱の仕事推移を変化させ、熱のバランスをとる。
具体的に説明すると、本実施形態にかかるマイクロリアクタ１００は、反応流路１１０における発熱が相対的に大きい方から小さい方にかけて（開口部１１０ａから開口部１１０ｂにかけて）、媒体流路１２０の断面積が漸増するように形成されている。すなわち、媒体流路１２０における熱媒体の入口（開口部１２０ａ）から出口（開口部１２０ｂ）にかけて流路を徐々に狭くする。
こうすることで、反応流路１１０における発熱が相対的に大きい部分に対応する媒体流路１２０の断面が、反応流路１１０における発熱が相対的に小さい部分に対応する媒体流路１２０の断面に対して狭くなり、流量が同一の場合、流速が高まるので、反応流路１１０における発熱が相対的に大きい部分に対応する媒体流路１２０では、伝熱容量の高い熱媒体と媒体流路１２０内面との接触頻度が高まり、図２（ｂ）の破線で示すように、効率よく熱交換が為される。したがって、熱媒体が熱を吸収しきれずマイクロリアクタ１００が過度に温度上昇するのを防止できる。
一方、反応流路１１０における発熱が相対的に小さい部分に対応する媒体流路１２０の断面は、反応流路１１０における発熱が相対的に大きい部分に対応する媒体流路１２０の断面より広くなり流速は相対的に低くなるが、反応流路１１０における発熱が相対的に小さい部分に対応する媒体流路１２０では、もともと吸熱能力に余力を残しており、さほどの吸熱を要さないので、流速が低くても問題にならない。
図３は、反応流路１１０における吸熱反応を説明するための説明図である。特に図３（ａ）には、隣接する反応流路１１０と媒体流路１２０との組み合わせを、図３（ｂ）には各流路の温度勾配を示す。
図３（ａ）を参照すると、反応流体は、反応流路１１０内を流通しつつ触媒層１１２に接触して吸熱反応を起こす。吸熱反応としては、例えば、下記の化学式３の反応が挙げられる。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ２…（化学式３）
また、化学式３の発熱反応には、触媒層１１２にＮｉを担持したＡｌ２Ｏ３やＲｕを担持したＡｌ２Ｏ３等の触媒が用いられる。
このとき、反応流路１１０における温度推移は、図３（ｂ）に実線で示すように、流通方向に進むに連れて大きくなり、その温度勾配（単位移動距離における上昇温度）は、反応流路１１０の入口（開口部１１０ａ）付近で最大となり、出口（開口部１１０ｂ）付近で最小となる。これは、発熱反応同様、反応流路１１０に流入してきたばかりの反応流体には未反応の物質が多く含まれるため反応頻度が高くなるのに対し、反応流体が反応流路１１０を流通するに連れて反応が進行し、反応流路１１０から流出するころには、ほとんどの物質が反応しきって反応頻度が低くなるからである。
したがって、反応頻度の高い反応流路１１０の入口付近では、吸熱のため相対的に多くの伝熱量を要し、出口付近では伝熱量が相対的に少なくて済む。このようにして熱媒体の熱が図３（ａ）の白抜き矢印に示したように反応流路１１０に伝達される（白抜き矢印の幅は伝熱の大きさを示す）。また、ここでも、反応流路１１０における温度推移に応じて、媒体流路１２０の伝熱の仕事推移を変化させ、熱のバランスをとる。
吸熱反応においても、発熱反応同様、反応流路１１０における吸熱が相対的に大きい方から小さい方にかけて（開口部１１０ａから開口部１１０ｂにかけて）、媒体流路１２０の断面積が漸増するように形成する。すなわち、媒体流路１２０における熱媒体の入口（開口部１２０ａ）から出口（開口部１２０ｂ）にかけて流路を徐々に狭くする。
こうすることで、反応流路１１０における吸熱が相対的に大きい部分に対応する媒体流路１２０の断面が、反応流路１１０における吸熱が相対的に小さい部分に対応する媒体流路１２０の断面に対して狭くなり、流量が同一の場合、流速が高まるので、反応流路１１０における吸熱が相対的に大きい部分に対応する媒体流路１２０では、熱媒体と媒体流路１２０内面との接触頻度が高まり（熱伝達率が高まり）、図３（ｂ）の破線で示すように、効率よく熱交換が為される。したがって、熱媒体が熱を放出しすぎてマイクロリアクタ１００の部分温度が過度に低下するのを防止できる。
上記では、媒体流路１２０の断面積が漸増するように形成するとしたが、反応流路１１０のうち反応による発熱または吸熱が相対的に大きい部分に隣接する媒体流路１２０の断面積を、発熱または吸熱が相対的に小さい部分に隣接する媒体流路１２０の断面積より小さくすること、すなわち、反応流路１１０の発熱や吸熱が大きい部分に対応する媒体流路１２０を狭くすることでも本実施形態の目的を達成することができる。
また、結果的に、図２や図３に示すように、反応流路１１０のうち反応による発熱または吸熱が相対的に大きい部分に近い媒体流路１２０の開口部１２０ｂの開口面積（出口面積）は、発熱または吸熱が相対的に小さい部分に近い媒体流路１２０の開口部１２０ａの開口面積（入口面積）より小さくなる。
（第２の実施形態：マイクロリアクタ２００）
上述した第１の実施形態では、媒体流路１２０について、流通方向に対し断面の大きさを異ならせた。第２の実施形態では、媒体流路１２０のみならず、反応流路１１０についても流通方向に対し断面の大きさを異ならせている。
図４は、マイクロリアクタ２００の概略的な構成を示した横断面図である。マイクロリアクタ２００は、第１の実施形態におけるマイクロリアクタ１００同様、反応流路１１０と媒体流路１２０とを含んで構成され、反応流路１１０と媒体流路１２０とは、流通する反応流体と熱媒体とが熱交換可能に、熱伝壁１３０を介し並行して設けられている。ただし、第１の実施形態と異なり、反応流路１１０を、発熱または吸熱が相対的に大きい方から小さい方にかけて（開口部１１０ａから開口部１１０ｂにかけて）断面積が漸減するように形成する。
反応流路１１０の形状をこのように形成することで、反応流路１１０のうち、反応による発熱または吸熱が相対的に大きい部分における触媒層１１２の厚みを、発熱または吸熱が相対的に小さい部分の触媒層１１２の厚みより大きくすることができ、反応流体の流速を高めなくとも、反応をより促進させることが可能となる。
ここでは、反応流路１１０の側面に触媒層１１２を配し、反応流路１１０の中心には触媒層１１２のない貫通路を設けているが、触媒を反応流路１１０に充填することもできる。この場合も、反応による発熱または吸熱が相対的に大きい部分において、触媒の絶対量を高めることができるので、反応をより促進させることができる。
また、上記では、反応流路１１０の断面積が漸減するように形成するとしたが、反応流路１１０のうち反応による発熱または吸熱が相対的に大きい部分の断面積を、発熱または吸熱が相対的に小さい部分の断面積より大きくすること、すなわち、反応流路１１０の発熱や吸熱が大きい部分を広くすることでも本実施形態の目的を達成することができる。
また、結果的に、図４に示すように、反応流路１１０のうち反応による発熱または吸熱が相対的に大きい部分に近い開口部１１０ａの開口面積（入口面積）は、発熱または吸熱が相対的に小さい部分に近い開口部１１０ｂの開口面積（出口面積）より大きくなる。
本実施形態では、上述したように、媒体流路１２０における熱媒体の流通方向と、反応流路１１０における反応流体の流通方向とが対向している。したがって、反応流路１１０の断面積が大きい部分と媒体流路１２０の断面積が小さい部分が対応し、また、反応流路１１０の断面積が小さい部分と媒体流路１２０の断面積が大きい部分が対応するので、図４に示すように、配置的なバランスがとれ、各流路を平行に設けることができる。そのため、かかるマイクロリアクタ２００の設置や、流路開口と他の装置との接続にも有利である。
以上説明したように、本実施形態によれば、媒体流路の形状を工夫することで、反応流路の発熱または吸熱を適切にバランスさせ、反応流体と熱媒体との熱交換の効率向上を図ることが可能となる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上述した実施形態においては、各流路の断面積を漸増させたり、漸減させる例を挙げて説明したが、断面積の推移は、連続していなくてもよく、反応流路１１０のうち、反応による発熱または吸熱が相対的に大きい部分に、媒体流路１２０の断面積が相対的に小さい部分が対応し、反応による発熱または吸熱が相対的に小さい部分に、媒体流路１２０の断面積が相対的に大きい部分が対応しさえすればよい。
本発明は、微小な空間を反応場とするマイクロリアクタに利用することができる。
１００、２００ …マイクロリアクタ
１１０ …反応流路
１１２ …触媒層
１２０ …媒体流路

Claims (8)

  1. 反応対象となる流体である反応流体が流通する反応流路と、
    前記反応流路と並行して設けられ、該反応流路を流通する反応流体と熱交換する熱媒体が流通する媒体流路と、
    を備え、
    前記反応流路のうち、反応による発熱または吸熱が相対的に大きい部分に隣接する前記媒体流路の断面積は、前記発熱または吸熱が相対的に小さい部分に隣接する前記媒体流路の断面積より小さいことを特徴とするマイクロリアクタ。
  2. 前記反応流路における反応による発熱または吸熱が相対的に大きい方から小さい方にかけて、前記媒体流路の断面積が漸増するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロリアクタ。
  3. 前記反応流路のうち、反応による発熱または吸熱が相対的に大きい部分に近い前記媒体流路の開口面積は、前記発熱または吸熱が相対的に小さい部分に近い前記媒体流路の開口面積より小さいことを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロリアクタ。
  4. 前記反応流路のうち、反応による発熱または吸熱が相対的に大きい部分の断面積は、前記発熱または吸熱が相対的に小さい部分の断面積より大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のマイクロリアクタ。
  5. 前記反応流路における発熱または吸熱が相対的に大きい方から小さい方にかけて断面積が漸減するように形成されていることを特徴とする請求項４に記載のマイクロリアクタ。
  6. 前記反応流路のうち反応による発熱または吸熱が相対的に大きい部分に近い開口面積は、前記発熱または吸熱が相対的に小さい部分に近い開口面積より大きいことを特徴とする請求項４または５に記載のマイクロリアクタ。
  7. 前記反応流路の内壁の少なくとも一部には、触媒層が配され、
    前記反応流路のうち、反応による発熱または吸熱が相対的に大きい部分における触媒層の厚みは、前記発熱または吸熱が相対的に小さい部分の触媒層の厚みより大きいことを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載のマイクロリアクタ。
  8. 前記媒体流路における前記熱媒体の流通方向は、前記反応流路における前記反応流体の流通方向と対向していることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のマイクロリアクタ。
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