JP4022635B2 - Chemical reactor - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロ波の照射によって反応物質の化学反応を促進させる化学反応炉に関するものである。 The present invention relates to a chemical reactor that promotes a chemical reaction of a reactant by irradiation with microwaves.
従来、被照射物にマイクロ波を照射することにより、該被照射物に含まれる分子を振動させて当該分子同士に摩擦熱を発生させたり、当該分子同士の反応を促進させたり等することで該被照射物を加熱可能であることが知られている。このため、様々な被照射物をマイクロ波により加熱する提案がなされている。 Conventionally, by irradiating the irradiated object with microwaves, the molecules contained in the irradiated object are vibrated to generate frictional heat between the molecules, or to promote the reaction between the molecules. It is known that the irradiated object can be heated. For this reason, proposals have been made to heat various objects to be irradiated by microwaves.
例えば、特許文献1にはマイクロ波により油脂を加熱する油脂加熱装置が記載されている。この油脂加熱装置は、四角箱状をなす外殻体と、該外殻体を貫通する流通管とを備えている。前記外殻体には、該外殻体の内部にマイクロ波を導入するためのマイクロ波導入口が透設されている。前記流通管の内側には油脂が流通されている。そして、当該油脂加熱装置は、前記マイクロ波導入口から導入されたマイクロ波を前記流通管の外側から照射することにより、該流通管の内側の油脂を均一に加熱するよう構成されている。 For example, Patent Document 1 describes an oil and fat heating apparatus that heats oil and fat by microwaves. This oil and fat heating device includes an outer shell body having a square box shape and a flow pipe penetrating the outer shell body. The outer shell body is provided with a microwave inlet for introducing a microwave into the outer shell body. Oils and fats are distributed inside the distribution pipe. And the said fats and oils heating apparatus is comprised so that the fats and oils inside this distribution pipe may be heated uniformly by irradiating the microwave introduce | transduced from the said microwave inlet from the outer side of the said distribution pipe.
特許文献2には、流動性のある液体や薬液等の液体を加熱する液体加熱装置が記載されている。この液体加熱装置は、四角箱状をなす3つの外殻体と、これら外殻体を貫通する移送管とを備えている。該移送管は、その内側で前記液体を流通させることにより、各外殻体へ移送するものである。各外殻体は、それぞれ加熱部、冷却部及び加圧部とされている。該加熱部は、マイクロ波を前記移送管の外側から照射し、液体の加熱を行うものである。そして、当該液体加熱装置は、加圧状態下の前記液体を加熱し、直ちに冷却することで、該液体の組成を変化させることなく加熱殺菌するように構成されている。 Patent Document 2 describes a liquid heating apparatus that heats a liquid such as a fluid liquid or a chemical liquid. This liquid heating apparatus includes three outer shell bodies that form a rectangular box shape, and a transfer pipe that passes through these outer shell bodies. The transfer pipe transfers the liquid to each outer shell body by circulating the liquid inside. Each outer shell is a heating unit, a cooling unit, and a pressurizing unit. The heating unit irradiates microwaves from the outside of the transfer tube to heat the liquid. The liquid heating apparatus is configured to heat and sterilize the liquid under pressure without changing the composition of the liquid by heating and immediately cooling the liquid.
特許文献3には、被照射物として反応物質を用い、該反応物質にマイクロ波を照射することで該反応物質の化学反応を促進させる方法が記載されている。該反応物質は、アルカリ性水溶液と、廃プラスチックとからなる。該廃プラスチックにはマイクロ波吸収特性に優れた原料粉末と、アルカリ性水溶液に接することで水素を発生させる金属粉末とが担持されている。この発生した水素によって廃プラスチックの脱塩素化を行うとともに、マイクロ波の照射により該脱塩素化を促進するようになっている。また、この方法では、箱状をなす外殻体が用いられる。そして、該外殻体の内部にアルカリ性水溶液を貯留するとともに、廃プラスチックを収容し、マイクロ波を照射するよう構成されている。
ところで、上記従来の加熱装置等は、マイクロ波を被照射物が収容される流通管等の外側から、あるいは被照射物に直接的に照射していた。ここで、該従来の加熱装置等を化学反応炉として転用し、被照射物を反応物質として、マイクロ波の照射によって該反応物質の化学反応を促進させる場合、該反応物質は、例えば有機溶媒等のように極性を有するものが多く、大半がマイクロ波に対して高い吸収特性を示す。このような反応物質においては、高い吸収特性によりマイクロ波を照射部分の表面のみで吸収してしまうため、マイクロ波が内奥(中心)まで達しにくい。従って、当該化学反応炉は、マイクロ波が照射された表面では化学反応が促進されるものの、反応物質の内奥(中心)では化学反応が促進されておらず、反応率の低下を招くものとなる。一方、当該化学反応炉においては、流通管等の径を細くしたり、反応物質を少量としたり等することで、マイクロ波が反応物質の内奥(中心)まで達するように構成することが可能となる。しかし、このような場合には、反応率は向上するものの、反応物質の処理量の低減が避け難いものとなっていた。 By the way, the said conventional heating apparatus etc. irradiate the to-be-irradiated object directly with the microwave from the outside of the flow pipe etc. in which the to-be-irradiated object is accommodated. Here, when the conventional heating device or the like is diverted as a chemical reaction furnace and the irradiated material is used as a reactant and the chemical reaction of the reactant is promoted by microwave irradiation, the reactant is, for example, an organic solvent or the like Most of them have polarities, and most exhibit high absorption characteristics with respect to microwaves. In such a reactive substance, microwaves are absorbed only by the surface of the irradiated portion due to high absorption characteristics, so that it is difficult for the microwaves to reach the inner depth (center). Therefore, in the chemical reactor, although the chemical reaction is promoted on the surface irradiated with microwaves, the chemical reaction is not promoted in the inner part (center) of the reactant, and the reaction rate is lowered. Become. On the other hand, the chemical reactor can be configured so that the microwave reaches the inside (center) of the reactant by reducing the diameter of the flow pipe or the like, or by reducing the amount of the reactant. It becomes. However, in such a case, although the reaction rate is improved, it is difficult to avoid a reduction in the amount of the reaction material.
本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、反応物質の処理量を低減させることなく、反応率の向上を図ることが可能な化学反応炉を提供することにある。 The present invention has been made paying attention to such problems existing in the prior art. An object of the present invention is to provide a chemical reaction furnace capable of improving the reaction rate without reducing the throughput of the reactants.
上記の目的を達成するために、請求項1に記載の化学反応炉の発明は、気体、液体及び粉体のうち少なくとも何れか1種を含む反応物質にマイクロ波を照射し、該反応物質の化学反応を促進させる化学反応炉であって、筒状の外殻体と、該外殻体の内側に収容された筒状の隔壁体とを備え、前記外殻体と前記隔壁体との間に形成される空間を反応室として該反応室に前記反応物質を収納するとともに、マイクロ波を透過する透過材料で前記隔壁体を形成し、該隔壁体の内側にマイクロ波を照射する照射手段を配設し、該照射手段から該隔壁体を介して前記反応物質にマイクロ波を照射するように構成し、前記外殻体又は前記隔壁体には、前記反応室と連通する導入路及び排出路を設け、該導入路から前記反応物質を導入しつつ該反応物質を該排出路から排出することにより、該反応物質を前記反応室で流通させるとともに、前記外殻体の内面又は前記隔壁体の外面には、その軸線方向に対して平行又は螺旋状に延びる溝又は突条からなるガイド部を設け、前記反応物質の流通方向を一定方向に案内することを要旨とする。 In order to achieve the above object, the invention of a chemical reactor according to claim 1 irradiates a reactant containing at least one of gas, liquid, and powder with microwaves, and A chemical reaction furnace for promoting a chemical reaction, comprising a cylindrical outer shell and a cylindrical partition housed inside the outer shell, between the outer shell and the partition An irradiation means for accommodating the reactant in the reaction chamber as a reaction chamber, forming the partition body with a transmission material that transmits microwaves, and irradiating the inside of the partition body with microwaves; And arranged to irradiate the reactants with microwaves from the irradiating means through the partition body, and the outer shell body or the partition body has an introduction path and a discharge path communicating with the reaction chamber. And introducing the reactant from the introduction path, By discharging from the exit path, the reactant is circulated in the reaction chamber, and a groove or a ridge extending on the inner surface of the outer shell body or the outer surface of the partition body in parallel or spirally with respect to the axial direction thereof. The gist of the present invention is to provide a guide portion composed of the following to guide the flow direction of the reactant in a certain direction .
上記構成によれば、反応物質を収納する反応室は、筒状の外殻体と筒状の隔壁体との間に形成される空間によって形成されている。そして、外殻体の内径と隔壁体の外径との差、つまり反応室の高さを調整することで、反応物質にマイクロ波を吸収させつつ、一部のマイクロ波が該反応物質を透過するように構成することが可能となる。従って、マイクロ波が反応物質の表面のみで吸収されることを抑制することが可能である。一方、反応物質の処理量は、外殻体の内径と隔壁体の外径とを任意に調整することで増減させることが可能である。また、処理量の増加又は軽減に伴って隔壁体の外径を拡大又は縮小した場合、外径の拡大又は縮小に応じて隔壁体の内面の面積、つまりマイクロ波の照射面積も拡大又は縮小されるため、処理量の増減によるマイクロ波の照射量への影響は、無視可能な程度の極僅かなものとなる。従って、反応物質の処理量を低減させることなく、反応率の向上を図ることが可能な化学反応炉を提供することができる。
また、反応物質を流通させることにより、該反応物質の一部で局所的にマイクロ波が吸収されることを抑制することができる。さらに、反応物質の流通方向を一定方向とすることで、マイクロ波を反応物質全体に均一に吸収させることができる。
According to the above configuration, the reaction chamber for storing the reactant is formed by a space formed between the cylindrical outer shell and the cylindrical partition. Then, by adjusting the difference between the inner diameter of the outer shell body and the outer diameter of the partition wall, that is, the height of the reaction chamber, the microwaves are allowed to pass through the reactants while the reactants absorb the microwaves. It becomes possible to comprise. Therefore, it is possible to suppress the microwave from being absorbed only on the surface of the reactant. On the other hand, the processing amount of the reactant can be increased or decreased by arbitrarily adjusting the inner diameter of the outer shell body and the outer diameter of the partition wall body. In addition, when the outer diameter of the partition wall is enlarged or reduced as the processing amount increases or decreases, the area of the inner surface of the partition wall, that is, the microwave irradiation area is also enlarged or reduced according to the increase or decrease of the outer diameter. Therefore, the influence on the microwave irradiation amount due to the increase / decrease in the processing amount is negligibly small. Therefore, it is possible to provide a chemical reaction furnace capable of improving the reaction rate without reducing the amount of the reactant processed.
Further, by circulating the reactant, local absorption of microwaves by a part of the reactant can be suppressed. Furthermore, the microwave can be uniformly absorbed by the entire reactant by setting the flow direction of the reactant to a constant direction.
請求項2に記載の化学反応炉の発明は、請求項1に記載の発明において、前記外殻体の内面又は前記隔壁体の外面には、前記反応物質の化学反応を促進する触媒を収容する触媒収容部を設けたことを要旨とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the chemical reactor according to the first aspect , wherein a catalyst for promoting a chemical reaction of the reactant is accommodated in the inner surface of the outer shell or the outer surface of the partition wall. The gist is that a catalyst housing portion is provided.
上記構成によれば、反応物質を触媒に接触させることで、該反応物質の一部が未反応となることを抑制することができる。その結果、反応物質の化学反応を均質に促進させることが可能である。 According to the above configuration, the anti JSAP quality is brought into contact with the catalyst, it is possible to prevent the portion of the reaction mass is unreacted. As a result, the chemical reaction of the reactant can be promoted uniformly.
請求項3に記載の化学反応炉の発明は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記隔壁体の内側又は前記反応室の内部で発生した光を検出する光検出手段と、該光検出手段による検出結果に応じてマイクロ波の照射を停止する停止手段とを設けたことを要旨とする。 The invention of a chemical reaction furnace according to claim 3 is the invention according to claim 1 or claim 2 , wherein the light detection means for detecting light generated inside the partition body or inside the reaction chamber, The gist of the present invention is to provide stop means for stopping microwave irradiation according to the detection result of the light detection means.
請求項4に記載の化学反応炉の発明は、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の発明において、前記反応室の内部で発生した音波を検出する音波検出手段と、該音波検出手段による検出結果に応じてマイクロ波の照射を停止する停止手段とを設けたことを要旨とする。 The invention of a chemical reactor according to claim 4 is the invention according to any one of claims 1 to 3 , wherein a sound wave detecting means for detecting a sound wave generated inside the reaction chamber, and the sound wave The gist is that stop means for stopping the microwave irradiation is provided according to the detection result of the detection means.
上記構成によれば、反応物質の沸騰、突沸等による加熱、マイクロ波の局所集中等によるアーク放電等のような光の発生を伴う異常は、光検出手段によって検出することができる。また、反応物質の沸騰、突沸等のような音の発生を伴う異常は、音波検出手段によって検出することができる。そして、これら光検出手段又は音波検出手段の検出結果に応じ、マイクロ波の照射を停止する停止手段を設けたことにより、異常が生じた際には反応物質の加熱を迅速に停止することができる。その結果、反応物質を安定して加熱することが可能である。 According to the above configuration, abnormalities accompanying the generation of light, such as heating due to boiling of reactants, bump heating, arc discharge due to local concentration of microwaves, and the like can be detected by the light detection means. Abnormalities accompanied by the generation of sound such as boiling of the reactant and bumping can be detected by the sound wave detecting means. And by providing a stop means for stopping the microwave irradiation according to the detection results of the light detection means or the sound wave detection means, the heating of the reactant can be stopped quickly when an abnormality occurs. . As a result, the reactant can be stably heated.
請求項5に記載の化学反応炉の発明は、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の発明において、前記外殻体、前記隔壁体及び前記反応物質で前記マイクロ波を伝送する導波管を構成するものとして、該導波管は、基本モードのマイクロ波のみを伝送するものであることを要旨とする。 The invention of a chemical reactor according to claim 5 is the invention according to any one of claims 1 to 4 , wherein the microwave is transmitted by the outer shell body, the partition body, and the reactant. The gist of the waveguide is that it transmits only fundamental mode microwaves.
上記構成によれば、外殻体、前記隔壁体及び前記反応物質からなる導波管を共鳴型のものとすることができる。その結果、マイクロ波を共鳴させることができ、該マイクロ波の減衰又は損失を抑制することが可能である。 According to the above configuration, the outer shell body, the partition wall body, and the waveguide made of the reactive substance can be of a resonance type. As a result, the microwave can be resonated and the attenuation or loss of the microwave can be suppressed.
請求項6に記載の化学反応炉の発明は、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の発明において、前記外殻体、前記隔壁体及び前記反応物質で前記マイクロ波を伝送する導波管を構成するものとし、真空条件下におけるマイクロ波の波長を基準波長として、該導波管は、該基準波長の2倍以上の波長を有するマイクロ波を伝送するものであることを要旨とする。 The invention of a chemical reactor according to claim 6 is the invention according to any one of claims 1 to 4 , wherein the microwave is transmitted by the outer shell body, the partition body, and the reactant. It is assumed that a waveguide is constructed, and the wavelength of microwaves under vacuum conditions is a reference wavelength, and the waveguide transmits microwaves having a wavelength twice or more of the reference wavelength. And
上記構成によれば、外殻体、前記隔壁体及び前記反応物質からなる導波管が非共鳴型のものとなり、高次モードのマイクロ波を好適に伝送することができる。その結果、マイクロ波を隔壁体の内面全体に散乱させることができる。 According to the above configuration, the outer shell body, the partition wall body, and the waveguide made of the reactive substance are non-resonant, and can suitably transmit higher-order mode microwaves. As a result, the microwave can be scattered over the entire inner surface of the partition wall.
請求項7に記載の化学反応炉の発明は、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の発明において、前記外殻体と前記隔壁体との間に仕切材を設け、該隔壁材で前記反応室を複数の反応室に区画するとともに、該該隔壁材をマイクロ波を透過する透過材料で形成したことを要旨とする。 Invention of the chemical reactor of claim 7 is the invention according to any one of claims 1 to 6, the partition member provided between the partition wall member and the outer shell, the partition wall The gist is that the reaction chamber is divided into a plurality of reaction chambers by a material, and the partition material is formed of a permeable material that transmits microwaves.
上記構成によれば、反応室を複数とすることで、単位時間当たりの処理量を増加させたり、処理に係る時間の短縮化等を図ることができる。その結果、処理効率の向上を図ることが可能である。 According to the above configuration, by providing a plurality of reaction chambers, it is possible to increase the amount of processing per unit time, shorten the processing time, and the like. As a result, it is possible to improve processing efficiency.
以上詳述したように、本発明によれば、反応物質の処理量を低減させることなく、反応率の向上を図ることが可能な化学反応炉を提供することができる。 As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide a chemical reaction furnace capable of improving the reaction rate without reducing the throughput of the reactant.
以下、本発明を具体化した一実施形態について説明する。
この実施形態における化学反応炉は、反応物質の化学反応を促進させるためのものである。この反応物質は、気体、液体及び粉体のうち少なくとも何れか1種を含むものである。すなわち、反応物質は、気体、液体又は粉体のみからなる単体、あるいは液体及び粉体、気体及び粉体、液体及び気体等からなる混合体である。また、当該反応物質は、極性を有する分子を含んでおり、マイクロ波を吸収する性質を有している。そして、当該反応物質は、マイクロ波を吸収することによって発熱し、化学合成、化学分解等の化学反応を起こす。なお、反応物質が混合体である場合、その混合体を構成する少なくとも何れか1つがマイクロ波を吸収する性質を有するものであればよい。また、マイクロ波とは、周波数が300MHz〜300GHzであり、波長が1mm〜1mの電磁波である。
Hereinafter, an embodiment embodying the present invention will be described.
The chemical reactor in this embodiment is for accelerating the chemical reaction of the reactants. The reactant includes at least one of gas, liquid, and powder. That is, the reactant is a simple substance composed of only gas, liquid or powder, or a mixture composed of liquid and powder, gas and powder, liquid and gas, or the like. The reactant includes a molecule having polarity and has a property of absorbing microwaves. The reactants generate heat by absorbing microwaves and cause chemical reactions such as chemical synthesis and chemical decomposition. In the case where the reactant is a mixture, it is sufficient that at least one of the reactants has a property of absorbing microwaves. Further, the microwave is an electromagnetic wave having a frequency of 300 MHz to 300 GHz and a wavelength of 1 mm to 1 m.
図1は、当該化学反応炉10の側断面図である。当該化学反応炉10は、外殻体11と、該外殻体11の内側に収容された隔壁体12とを備えている。これら外殻体11及び隔壁体12は、それぞれ円筒状に形成されている。外殻体11は、その内径が前記隔壁体12の外径よりも大きくなるように形成されている。また、該隔壁体12は、外殻体11に対し、それぞれの軸線が一致するように、同心状に配設されている。従って、外殻体11と隔壁体12との間には、一定の高さとなるように空間が形成されている。そして、当該空間を反応室13とし、前記反応物質は該反応室13に収納されている。
FIG. 1 is a side sectional view of the
前記外殻体11において、一端(図1中で右端)の外面には、導入管21が接続されている。この導入管21は、円筒状に形成されており、その内部が導入路22とされている。一方、外殻体11において、他端(図1中で左端)の外面には、排出管23が接続されている。この排出管23は、円筒状に形成されており、その内部が排出路24とされている。該導入路22及び排出路24は、前記反応室13と連通されている。そして、前記反応物質は、導入路22から反応室13へ導入されつつ、該反応室13を介して排出路24から外方へ排出されることにより、該反応室13で流通されている。なお、前記外殻体11は、前記該導入管21が下向きに、前記排出管23が上向きとなるように配設される。これは、排出管23を下向きとした場合、万有引力等の影響により、反応物質の排出時の流速が導入時に比べて速くなり、反応室13内で気泡等が形成されてしまうおそれがあるためである。
In the
前記外殻体11の内面には、ガイド部としての案内溝31が設けられている。この案内溝31は、螺旋状をなすように複数が平行に形成されている。前記反応物質は、この案内溝31により、その流通方向が一定方向となるように案内されている。また、これら案内溝31の内側には、前記反応物質の化学反応を促進するための図示しない触媒が収容されている。つまり、当該案内溝31は、反応物質の流通方向を案内するガイド部としての機能と、触媒を収容する触媒収容部としての機能とを兼ね備えている。そして、反応物質は、当該案内溝31によって流通方向を案内される際、触媒へ接触することにより、その化学反応が促進されるよう構成されている。
A
当該化学反応炉10は、前記外殻体11及び隔壁体12をそれぞれ複数連結することによって構成されている。この実施形態では、各2つの外殻体11及び隔壁体12をそれぞれ複数連結することにより、化学反応炉10が形成されている。前記外殻体11は、マイクロ波を反射可能な反射材料で形成されている。当該反射材料としては、鉄、アルミニウム、銅等の金属、ステンレス鋼、ジュラルミン等の合金が挙げられる。前記隔壁体12は、マイクロ波を透過可能な透過材料で形成されている。当該透過材料としては、ガラス等の無機材料、陶器、磁器、セラミックス等の焼成体等が挙げられる。また、該隔壁体12は、マイクロ波によって自己発熱可能な自己発熱材料で形成することが好ましい。これは、反応物質がマイクロ波の照射のみならず、隔壁体12の自己発熱によっても加熱されるためである。この自己発熱材料として、マグネシア、ジルコニア、酸化鉄等の金属酸化物、炭化ケイ素等の無機材料、ムライト系材料、窒化ケイ素系材料、アルミナ等が挙げられる。
The
当該化学反応炉10において、両端の開口は蓋体41によってそれぞれ閉塞されている。これら蓋体41のうち、他端側の蓋体41の中心部には入射孔42が透設されている。この他端側の蓋体41の外面において、前記入射孔42と対応する位置には、入射導波管43が接続されている。また、一端側の蓋体41の内面には、反射体44が取着されている。この反射体44は、前記反射材料により、円錐状に形成されている。
In the
前記入射孔42、入射導波管43、反射体44等により、照射手段が構成されている。この照射手段において、前記入射導波管43は、図示しないマイクロ波発振器(例えば、マグネトロン等)から出力されたマイクロ波を前記入射孔42を介して隔壁体12の内側に照射するものである。また、前記反射体44は、化学反応炉10の一端側に達したマイクロ波を前記隔壁体12の内面へと反射するものである。そして、入射導波管43から照射された又は反射体44によって反射されたマイクロ波は、隔壁体12を透過して前記反応室13に達することにより、反応物質に照射されるよう構成されている。なお、反応物質を透過したマイクロ波は、外殻体11で反射されることにより、反応物質に照射されるよう構成されている。
The
前記外殻体11には、音波検出手段を構成する沸騰センサ51が取着されている。この沸騰センサ51は、前記反応室13において、反応物質の沸騰を検知するものである。すなわち、反応物質は、マイクロ波の照射により加熱された際、沸騰又は突沸する場合がある。このように反応物質が沸騰又は突沸した場合、該沸騰又は突沸した箇所にマイクロ波の電界が集中したり、該箇所が局所的に加熱されたり、アーク放電が生じたり等することで、前記隔壁体12が破損してしまうおそれがある。そこで、当該沸騰センサ51は、反応室13内の音波及び圧力を検出し、沸騰を検知するよう構成されている。
A boiling
具体的に、当該沸騰センサ51は、圧力を検出するピエゾ素子及び音波を検出するマイクロフォンを備えている。前記ピエゾ素子は、沸騰又は突沸による前記隔壁体12への衝撃圧力の上昇を検出するものである。マイクロフォンは、沸騰又は突沸時に発生する気泡又は蒸気による反応物質の流音の大小又は高低の変化を検出するものである。
Specifically, the boiling
前記反射体44には、光検出手段を構成する光センサ52が取付けられている。この光センサ52は、前記隔壁体12の内側、すなわち該隔壁体12の内面及び反射体44の表面で発生した光を検出するものである。この光は、隔壁体12が局所的に加熱されたり、アーク放電が発生したり等することによって生じるものである。
The
上記の沸騰センサ51及び光センサ52は、図示しない制御部に電気的に接続されている。この制御部は、停止手段を構成するものであり、前記マイクロ波発振器に電気的に接続されている。すなわち、当該制御部には、沸騰センサ51及び光センサ52からの検出結果が出力されている。そして、該制御部は、これらの検出結果から反応物質の沸騰、アーク放電等が検知された場合、マイクロ波発振器へ停止信号を出力し、マイクロ波の照射を停止するよう構成されている。
The boiling
なお、反応物質の沸騰に対する限界値を高めるためには、反応物質を乱流境界層をもつように流通させることが好ましい。この乱流境界層をもつ流通をレイノルズ数で評価した場合、レイノルズ数が2000以上の流通である。そして、当該化学反応炉10において反応物質は、前記案内溝31により、レイノルズ数が2000以上となるように流通されている。
In order to increase the limit value for the boiling of the reactant, it is preferable that the reactant is circulated so as to have a turbulent boundary layer. When the circulation having the turbulent boundary layer is evaluated by the Reynolds number, the Reynolds number is 2000 or more. In the
当該化学反応炉10においては、各1つの外殻体11及び隔壁体12と、これらの間に存在する反応物質とで1基のモジュール60を構成している。この実施形態では2基のモジュール60で化学反応炉10が構成されている。そして、各モジュール60の間には、略板状の仕切材53が介装されている。この仕切材53は、前記隔壁体12の内側に照射されたマイクロ波を遮蔽することのないよう、前記透過材料によって形成されている。また、当該仕切材53は、各モジュール60毎に反応室13を区画しており、当該化学反応炉10は、複数の反応室13を有している。
In the
前記モジュール60は、マイクロ波を伝送する導波管として機能している。この実施形態で当該モジュール60は、基本モード(TE11)のマイクロ波のみを伝送する共鳴管型の導波管として機能している。そして、該モジュール60は、マイクロ波を共鳴させながら、各モジュール60同士で伝送しあうことにより、マイクロ波は減衰又は損失することなく各モジュール60の隔壁体12へ好適に照射されている。
The
前記モジュール60を共鳴管型の導波管として機能させる場合、前記反応物質によるマイクロ波の減衰を考慮して、化学反応炉10の寸法形状が設定される。この設定においては、マイクロ波の周波数及び波長と、反応物質の誘電率及び誘電損失係数と、隔壁体12の誘電率及び誘電損失係数と、反応物質の処理量、処理速度及び処理温度とが基礎の数値とされる。当該化学反応炉10においては、外殻体11、反応物質及び隔壁体12から構成される三層構造の断面を有する有限の長さの空間中にマイクロ波が放射される。一般的には、該三層構造を境界条件として、マクスウェルの電磁波動方程式の数値解析によって当該化学反応炉10の寸法形状が設定される。
When the
ここで、前記反応物質がマイクロ波の吸収に優れたものであることから、当該化学反応炉10においては、外殻体11の外面上で電磁界がほぼゼロとなるまで減衰しているものと仮定することができる。そこで、当該化学反応炉10では、自由空間に放射される波動の解を利用することで、概略設計を行うことが可能となる。
Here, since the reactant is excellent in microwave absorption, the
波動の伝搬は、F(X)×exp(−Ki×X)×Sin(ωt+Kr×X)の形状となる。なお、ωは角周波数、Krは波数ベクトルの実数部、Kiは波数ベクトルの虚数部、Xは位置ベクトルを示す。実際には、自由空間ではなく、円筒状の外殻体11と反応物質とが存在する空間ではあるが、基本モード(TE11)のマイクロ波であれば、波数ベクトルの実数部、すなわち伝搬の方向と波長が大きく変化することはない。従って、波数ベクトルの虚数部により、マイクロ波のエネルギーの減衰が決定される。そして、当該化学反応炉10は、波数ベクトルの虚数部が1/eの近似値となるように、その長さが設定される。
Wave propagation takes the form of F (X) × exp (−Ki × X) × Sin (ωt + Kr × X). Is the angular frequency, Kr is the real part of the wave vector, Ki is the imaginary part of the wave vector, and X is the position vector. Actually, it is not a free space but a space where the cylindrical
具体的に、当該化学反応炉10においては、反応物質の流量が5〜50L/minであり、導入時の最大圧力が10kg/cm2(0.98MPa)である。マイクロ波は、強度が1.5kWであり、2.45GHzである。外殻体11の寸法形状は、内径が直径で225mm、長さが440mmである。隔壁体12の寸法形状は、内径が直径で90mm、長さが440mmである。反応室13の高さは、(225−90)÷2で67.5mmである。そして、化学反応炉10の全長が941mmである。この際、反射体44におけるマイクロ波の反射率は2%以下となる。
Specifically, in the
なお、反応室13の高さは、反応物質に対するマイクロ波の浸透深さ以下とすることが好ましい。この浸透深さとは、反応物質の表面から内奥までマイクロ波が達することが可能な深さをいう。なお、この浸透深さは、マイクロ波の周波数又は温度に応じて変化する数値である。例えば、反応物質が水を含む場合、常温の水に対する2.45GHzのマイクロ波の浸透深さは、1cmである。従って、反応物質が水を含む場合には、反応室13の高さを1cm以下とすることが好ましい。
Note that the height of the
次に、前記化学反応炉10の作用について以下に記載する。
さて、当該化学反応炉10においては、マイクロ波が入射導波管43から隔壁体12の内側に照射される。このマイクロ波は、外殻体11、隔壁体12及び反応室13の反応物質で構成されるモジュール60で共鳴することにより、基本モード(TE11)のみが伝送される。そして、基本モード(TE11)のマイクロ波は、前記隔壁体12を透過し、反応室13内で反応物質に照射される。該反応物質は、照射されたマイクロ波を吸収することにより、加熱され、化学反応が促進される。反応物質に吸収されず、該反応物質を透過したマイクロ波は、外殻体11の内面で反射され、再び反応物質に照射され、吸収される。また、再び反応物質を透過したマイクロ波は、隔壁体12を透過した後、該隔壁体12の対向側で隔壁体12を透過して反応物質に吸収される。さらに、化学反応炉10の内奥まで達したマイクロ波は、反射体44によって隔壁体12の内側へ反射されることにより、上記と同様に反応物質に吸収される。従って、マイクロ波は、化学反応炉10の内部から外部へ漏れ出すことはなく、ほぼ全てが反応物質に吸収される。
Next, the operation of the
In the
前記の実施形態によって発揮される効果について、以下に記載する。
・ 実施形態の化学反応炉10によれば、隔壁体12の内側に照射されたマイクロ波は、化学反応炉10の内部から外部へ漏れ出すことはなく、ほぼ全てが反応物質に吸収される。加えて、当該化学反応炉10は、反応物質によるマイクロ波の減衰を考慮した上で、各モジュール60が導波管として機能するように寸法形状が設定されている。従って、マイクロ波の一部が反応物質を確実に透過するようになっており、該反応物質の表面でのみ化学反応が促進されることはない。このため、反応率の向上を図ることができる。
The effects exhibited by the above embodiment will be described below.
-According to the
・ また、反応物質によるマイクロ波の減衰が考慮されていることから、処理量の増減によるマイクロ波の照射量への影響を、ほぼ皆無とすることができる。
・ また、隔壁体12を透過材料であるセラミックスで形成した場合、該セラミックスは圧縮応力に強く、引っ張り応力に弱いという性質を有している。従来例のようにセラミックス製の隔壁体12の内側に反応物質を流通させた場合には、反応物質の突沸、沸騰等によって内圧が高まれば、該内圧により隔壁体12の内面に引っ張り応力が加わり、隔壁体12が破損してしまうおそれがある。しかし、当該化学反応炉10によれば、反応物質が隔壁体12の外面上を流通することから、突沸、沸騰等により隔壁体12に加わる応力は、圧縮応力となる。従って、隔壁体12の破損を抑制することができる。
-In addition, since the attenuation of microwaves due to the reactants is taken into account, the influence on the microwave irradiation amount due to the increase or decrease in the processing amount can be almost eliminated.
In addition, when the
・ また、外殻体11の内面に凹設された案内溝31により、反応物質は外殻体11の周面に沿って螺旋状をなすように軸線方向へ流通されている。また、案内溝31の内側には触媒が収容されており、この案内溝31に反応物質が接触する際、触媒により化学反応が促進されている。従って、反応物質の化学反応を均質に促進させることができる。
The reaction material is circulated in the axial direction so as to form a spiral along the peripheral surface of the
・ また、当該化学反応炉10は、沸騰センサ51及び光センサ52が異常を検出した際、マイクロ波の照射を迅速に停止するよう構成されている。従って、反応物質を安定して加熱することができる。
The
・ また、各モジュール60を共鳴型の導波管として機能するよう構成することで、該マイクロ波の減衰又は損失を抑制することができる。
・ また、当該化学反応炉10は、2つの反応室13を備えることで処理効率の向上を図ることができる。
In addition, by configuring each
In addition, the
なお、本実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・ 図2に示すように、化学反応炉10を構成する各モジュール60は、真空条件下におけるマイクロ波の波長を基準波長として、該基準波長の2倍以上の波長を有するマイクロ波を伝送する導波管として機能させてもよい。図2に示す化学反応炉10は、図1に示す化学反応炉10と寸法のみが異なる。具体的には、反応物質の流量が300L/minであり、導入時の最大圧力が10kg/cm2(0.98MPa)である。マイクロ波は、強度が200kWであり、84GHzである。外殻体11の寸法形状は、内径が直径で225mm、長さが212.5mmである。隔壁体12の寸法形状は、内径が直径で190mm、長さが212.5mmである。反応室13の高さは、(225−190)÷2で17.5mmである。そして、化学反応炉10の全長が486.1mmである。この際、反射体44におけるマイクロ波の反射率は0.3%以下となる。そして、当該構成によれば、各モジュール60は非共鳴型の導波管として機能し、高次モードのマイクロ波を好適に伝送することが可能となる。そして、高次モードのマイクロ波を使用した場合には、該マイクロ波を隔壁体12の内面全体に広く散乱させることができる。
In addition, this embodiment can also be changed and embodied as follows.
As shown in FIG. 2, each
・ 反射体44に代え、反射物質から形成された複数枚の羽根を有するスターラーファン等としてもよい。
・ 前記仕切材53を省略し、各モジュール60の反応室13同士を連通させることにより、当該化学反応炉10が1つの大きな反応室13を備えるよう構成してもよい。
Instead of the
The
・ 実施形態では2基のモジュール60を連結して化学反応炉10を構成したが、1基のモジュール60のみで化学反応炉10を構成してもよい。1基のモジュール60で化学反応炉10を構成する場合、当該モジュール60の他端に入射導波管43を接続し、一端に反射体44を取着する。また、3基以上のモジュール60を連結して化学反応炉10を構成してもよい。3基以上のモジュール60で化学反応炉10を構成する場合、該化学反応炉10の他端に位置するモジュール60に入射導波管43を接続し、該化学反応炉10の一端に位置するモジュール60に反射体44を取着する。
In the embodiment, the
・ 前記モジュール60は、必ずしも導波管としての機能を有する必要はなく、各モジュール60同士でマイクロ波を伝送しあわないよう構成してもよい。
・ 前記沸騰センサ51は、マイクロフォンのみで構成し、音波のみを検出するよう構成してもよい。また、沸騰センサ51は、反応物質の沸騰を検出可能であれば、隔壁体12に設けてもよい。
The
The boiling
・ 前記光センサ52を省略してもよい。あるいは、光センサ52を隔壁体12の内面、外殻体11の内面等に設けてもよい。
・ 前記触媒は案内溝31に収容されることに限らず、反応室13で反応物質の流路上に案内溝31とは別に触媒収容部を設けてもよい。例えば、網体の内部に触媒を収容し、これを反応室13内に配設したり等してもよい。
The
The catalyst is not limited to be accommodated in the
・ 前記案内溝31は、外殻体11の内面に設けることに限らず、隔壁体12の外面に設けてもよい。また、ガイド部は、案内溝31に限らず、外殻体11又は隔壁体12の軸線方向に延びるものとしたり、あるいは突条等で形成してもよい。
The
10…化学反応炉、11…外殻体、12…隔壁体、13…反応室、22…導入路、24…排出路、31…ガイド部としての案内溝、43…照射手段を構成する入射導波路、44…照射手段を構成する反射体、51…音波検出手段を構成する沸騰センサ、52…光検出手段を構成する光センサ。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
筒状の外殻体と、該外殻体の内側に収容された筒状の隔壁体とを備え、前記外殻体と前記隔壁体との間に形成される空間を反応室として該反応室に前記反応物質を収納するとともに、マイクロ波を透過する透過材料で前記隔壁体を形成し、該隔壁体の内側にマイクロ波を照射する照射手段を配設し、該照射手段から該隔壁体を介して前記反応物質にマイクロ波を照射するように構成し、
前記外殻体又は前記隔壁体には、前記反応室と連通する導入路及び排出路を設け、該導入路から前記反応物質を導入しつつ該反応物質を該排出路から排出することにより、該反応物質を前記反応室で流通させるとともに、前記外殻体の内面又は前記隔壁体の外面には、その軸線方向に対して平行又は螺旋状に延びる溝又は突条からなるガイド部を設け、前記反応物質の流通方向を一定方向に案内することを特徴とする化学反応炉。 A chemical reaction furnace for irradiating a reactant containing at least one of gas, liquid and powder with microwaves to promote a chemical reaction of the reactant,
A cylindrical outer shell and a cylindrical partition housed inside the outer shell, the reaction chamber having a space formed between the outer shell and the partition as a reaction chamber The partition body is formed of a permeable material that transmits microwaves, and irradiation means for irradiating microwaves is disposed inside the partition body, and the partition body is separated from the irradiation means. Configured to irradiate the reactant with microwaves ,
The outer shell body or the partition body is provided with an introduction path and a discharge path communicating with the reaction chamber, and the reactant is discharged from the discharge path while introducing the reactant from the introduction path, While allowing the reactants to flow in the reaction chamber, the inner surface of the outer shell body or the outer surface of the partition wall body is provided with a guide portion made of a groove or a ridge extending in a spiral or parallel to the axial direction, A chemical reaction furnace characterized by guiding the flow direction of reactants in a certain direction .
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