JP2015142904A - 化学反応装置、及び化学反応方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、触媒層にガスを流通させることによって行われる化学反応を促進することができる化学反応装置等を提供することを目的とする。
このような構成により、マイクロ波を用いた加熱を行うことによって、触媒層における反応を促進することができる。また、ジャケットが存在することにより、触媒層からの熱放射(熱輻射)によって、触媒層の外周側の温度が低下することを抑制できる。その結果、触媒層の温度分布をより均一にすることができ、ジャケットがない場合と比較して、より反応が促進されることになる。
このような構成により、ジャケットに照射されたマイクロ波が触媒層にまで適切に透過することになり、触媒層が適切に加熱されることになる。
このような構成により、ジャケットにマイクロ波吸収能の低い物質が含まれることになり、ジャケットがマイクロ波の少なくとも一部を透過することになる。
このような構成により、ジャケットに照射されたマイクロ波の少なくとも一部が、ジャケットの空間を介して透過することになる。
このような構成により、粒状物質の間に空間が存在することになる。
このような構成により、ハニカム形状物自体、及びハニカム形状物の間に空間が存在することになる。
このような構成により、300℃以上に加熱される場合には、熱放射の影響が大きくなるが、ジャケットを備えたことにより、触媒層の温度分布をより均一に保持できることになる。
本発明の実施の形態1による化学反応装置について、図面を参照しながら説明する。本実施の形態による化学反応装置は、触媒層の外周面を取り囲むジャケットを設け、そのジャケットを介して触媒層にマイクロ波を照射するものである。
なお、図2A〜図2Cを用いてジャケット13にマイクロ波を照射する一例について説明したが、それ以外の方法によってマイクロ波を照射してもよいことは言うまでもない。
次に、本実施の形態による化学反応装置1を用いたエチルベンゼン(C6H5C2H5)の脱水素反応の実施例、及び比較例について説明する。その実施例等においては、触媒としてマグネタイトを用い、エチルベンゼンを脱水素化してスチレン(C6H5C2H3)を生成した。そして、そのスチレンの収率を測定すると共に、触媒層12の中心付近と、触媒層12の外周付近との温度を測定し、触媒層12の温度分布がどれぐらい均一であるのかについても測定した。
触媒は、前述のようにマグネタイト(ALDRICH社製,IRON(II,III)OXIDE,粒子径<5μm,ペレットサイズ:760〜1000μm)を用いた。また、マイクロ波の照射は、図2Cで示される楕円形状のリアクター16を用いて行った。マイクロ波発生器14として、M2design社製の半導体ソリッドステート式マイクロ波発信器(周波数2.45GHz)を使用した。なお、リアクター16の長半径は60mmであり、短半径は52mmであり、高さは50mmであった。
実施例1の触媒、化学反応装置1、原料ガスを用いて、エチルベンゼンからスチレンへの脱水素反応を行った。
二酸化炭素の流量を13ml/minに設定し、触媒層12が600℃になるようマイクロ波の出力を調整した後、原料ガスを供給した。その温度で2時間保持した。また、反応開始から20分ごとに改質ガスの組成をガスクロマトグラフにて算出することでスチレンの収率(%)を算出した。なお、その算出においては、改質ガスに含まれる各組成の炭化水素、内部標準として加えたドデカンの体積分率(Vol%)を分析により計測した後、ドデカン(0.5ml, 2.2mmol)を内部標準として各物質のモル量を算出した。その結果であるスチレンの収率(%)を次表に示す。
実施例1の化学反応装置1において、ジャケット13を取り外した以外は、実施例1と同様にマイクロ波加熱を行った。すなわち、図4Aで示されるように、ジャケット13の装着されていない反応管11の触媒層12に直接、マイクロ波を照射した。そして、マイクロ波を照射しながら触媒層12の中心温度T1と、触媒層12の境界温度T2とを測定した。触媒層12の中心温度は、実施例1と同様に、光ファイバー温度計で測定し、境界温度T2は、中心温度の測定位置と同じ高さにおける触媒と石英製の反応管11との界面である触媒温度と定義し、その境界温度は、放射温度計(ジャパンセンサー社製,FTK9−P220R−5R61;標的サイズφ2.2mm)で測定した。
比較例1で用いた石英反応管11における触媒層12を取り囲むように真空管ジャケットを備えた反応装置を用いる以外は、比較例1と同様の実験条件にてマイクロ波加熱を実施した。その結果、触媒層12の中心温度と、触媒層12の境界温度との温度差は、比較例1の結果と差異がなく、触媒層12の半径方向に置いて大きな温度勾配の存在していることが確認された。すなわち、石英ガラスで構成したマイクロ波透過性の真空ジャケット(断熱層)によって熱伝導を抑制するだけでは触媒層12から外気への熱移動を効果的に抑制することは困難であることが分かった。したがって、触媒層12の温度をより均一に保つためには、実施例1のように、マイクロ吸収性を有するジャケット13によって熱放射(熱輻射)を抑制する必要のあることが分かった。
触媒層12の加熱を電気炉によって行う以外は実施例2と同様の手法にてエチルベンゼンの脱水素反応におけるスチレンの収率を求めた。すなわち、図4Bで示されるように、反応管11の触媒層12の位置を管状炉51によって加熱した。なお、熱電対により測定した電気炉の炉内温度と、光ファイバー温度計により測定した触媒層12の中心温度との温度差は2℃以内に収まっていた。反応結果を表2に示す。表2から、同一反応温度におけるエチルベンゼンの脱水素反応において、マイクロ波加熱の方が電気炉加熱よりもスチレンの収率の高いことがわかる。したがって、マイクロ波加熱による触媒層12の直接加熱により反応性が向上していることが確認された。
比較例1の反応装置を用いた以外は、実施例2と同様にエチルベンゼンの脱水素反応を行った。すなわち、ジャケットなしの反応装置において、マイクロ波加熱によるエチルベンゼンの脱水素反応を行った。その結果を表2に示す。表2から、同一反応条件(反応温度、反応容器、原料ガス、GHSV)でのエチルベンゼンの転化率は、マイクロ波加熱の方が低いことがわかる。これは、二重構造を有しない反応管11での反応の場合には、マイクロ波加熱では触媒層12からの熱放射によって触媒層12に大きな温度勾配が発生するためであると考えられる。すなわち、光ファイバー温度計によって測定された触媒層12の中心温度を反応温度として規定した本実験では、マイクロ波加熱の場合には反応管11壁面に向かって触媒層12の温度が低下し、それに伴いその部位に接触するエチルベンゼンの反応速度が低下することによって、全体として反応性が低下していると考えられる。
11 反応管
12 触媒層
13 ジャケット
14 マイクロ波発生器
Claims (7)
- ガスが流通するマイクロ波透過性の反応管と、
前記反応管の内部に配置された、マイクロ波吸収性を有する固定床の触媒層と、
前記触媒層に応じた前記反応管の外周面を取り囲み、マイクロ波を一部吸収し、一部透過するジャケットと、
前記ジャケットにマイクロ波を照射するマイクロ波発生器と、を備え、
前記触媒層は、前記マイクロ波によって300℃以上に加熱される、化学反応装置。 - 前記ジャケットのマイクロ波吸収効率は、前記触媒層のマイクロ波吸収効率よりも小さい、請求項1記載の化学反応装置。
- 前記ジャケットには、マイクロ波吸収性を有する物質が充填されており、
充填された前記物質には空間が存在する、請求項1または請求項2記載の化学反応装置。 - 前記ジャケットには、マイクロ波吸収性を有する粒状物質が充填されている、請求項3記載の化学反応装置。
- 前記ジャケットには、マイクロ波吸収性を有する円筒形状物、球形状物、板形状物、またはラッシングリング形状物が充填されている、請求項3記載の化学反応装置。
- 前記触媒層は、前記マイクロ波によって300〜1000℃の範囲に加熱される、請求項1から請求項5のいずれか記載の化学反応装置。
- ガスが流通するマイクロ波透過性の反応管と、前記反応管の内部に配置された、マイクロ波吸収性を有する固定床の触媒層と、前記触媒層に応じた前記反応管の外周面を取り囲み、マイクロ波を一部吸収し、一部透過するジャケットとを用いて行われる化学反応方法であって、
前記反応管にガスを流通させるステップと、
前記ジャケットにマイクロ波を照射するステップと、を備え、
前記触媒層において前記ガスを反応させ、
前記触媒層は、前記マイクロ波によって300℃以上に加熱される、化学反応方法。
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