JP5682001B1 - 化学反応装置、及び化学反応方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】反応管の内部に設けられた触媒層における反応を促進できる化学反応装置を提供する。【解決手段】化学反応装置１は、ガスが流通するマイクロ波透過性の反応管１１と、反応管１１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１２と、触媒層１２に応じた反応管１１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１３と、ジャケット１３にマイクロ波を照射するマイクロ波発生器１４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波を触媒層に照射する化学反応装置等に関する。
従来、反応管の内部に配置された触媒層にガスを流通させることにより、その触媒を用いた化学反応が行われていた。そのような化学反応の一例として、脱水素反応がある。例えば、特許文献１には、触媒を用いてアルカンを脱水素化することについて記載されている。
特表２０１１−５２９７８１号公報
そのような触媒を用いたガスの反応において、その反応をより促進したいという要望があった。
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。
上記目的を達成するため、本発明による化学反応装置は、ガスが流通するマイクロ波透過性の反応管と、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、触媒層に応じた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、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、を備えたものである。
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。
また、本発明による化学反応装置では、ジャケットのマイクロ波吸収効率は、触媒層のマイクロ波吸収効率よりも小さくてもよい。
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。
また、本発明による化学反応装置では、ジャケットは、マイクロ波吸収能の高い物質とマイクロ波吸収能の低い物質との混合物を含んでいてもよい。
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。
また、本発明による化学反応装置では、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、充填された物質には空間が存在してもよい。
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。
また、本発明による化学反応装置では、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てもよい。
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。
また、本発明による化学反応装置では、ジャケットには、マイクロ波吸収性を有するハニカム形状物が充填されていてもよい。
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。
また、本発明による化学反応装置では、触媒層は、マイクロ波によって３００℃以上に加熱されてもよい。また、触媒層は、マイクロ波によって３００〜１０００℃の範囲に加熱されてもよい。
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。
本発明による化学反応装置等によれば、マイクロ波加熱によって、触媒層における反応を促進できる。また、ジャケットにより、触媒層からの熱放射を抑制でき、触媒層の温度分布をより均一にすることができ、触媒層における反応が促進されることになる。
本発明の実施の形態１による化学反応装置の構成を示す模式図 同実施の形態による化学反応装置におけるマイクロ波の照射方法の一例を示す図 同実施の形態による化学反応装置におけるマイクロ波の照射方法の一例を示す図 同実施の形態による化学反応装置におけるマイクロ波の照射方法の一例を示す図 同実施の形態における脱水素反応を行う化学反応装置の一例を示す図 比較例１，４の反応装置を示す図 比較例３の反応装置を示す図
以下、本発明による化学反応装置等について、実施の形態を用いて説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素及びステップは同一または相当するものであり、再度の説明を省略することがある。
（実施の形態１）
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。
図１は、本実施の形態による化学反応装置１の構成を示す模式図である。本実施の形態による化学反応装置１は、反応管１１と、触媒層１２と、ジャケット１３と、マイクロ波発生器１４とを備える。
反応管１１は、ガスが流通するマイクロ波透過性の管である。反応管１１は特に限定されないが、例えば、石英管、またはセラミック管などを用いることができる。その反応管１１の内部には、触媒層１２が配置されている。その触媒層１２は、マイクロ波吸収性を有する固定床である。触媒層１２がマイクロ波吸収性を有するため、マイクロ波を照射することによって、触媒層１２を加熱することができる。触媒層１２には、例えば、担体に担持された触媒が充填されていてもよい。その担体と触媒との組み合わせは、例えば、マイクロ波吸収性を有する担体と、その担体と比較してマイクロ波吸収性の低い触媒との組み合わせであってもよく、マイクロ波吸収性を有する触媒と、その触媒と比較してマイクロ波吸収性の低い担体との組み合わせであってもよく、マイクロ波吸収性を有する担体と触媒との組み合わせであってもよい。マイクロ波吸収性を有する物質は特に限定されないが、例えば、シリコンカーバイドやマグネタイトであってもよく、後述するマイクロ波吸収性を有する物質であってもよい。また、マイクロ波吸収性の低い物質は特に限定されないが、例えば、シリカ、アルミナ、またはジルコニア等であってもよい。その触媒層１２において行われる反応にもよるが、触媒層１２は、例えば、マイクロ波によって３００℃以上に加熱されてもよく、４００℃以上に加熱されてもよい。また、触媒層１２は、例えば、マイクロ波によって３００〜１０００℃の範囲に加熱されてもよい。
ジャケット１３は、触媒層１２に応じた反応管１１の外周面を取り囲むものである。すなわち、反応管１１の触媒層１２の部分がジャケット１３によって覆われることが好適である。また、ジャケット１３は、マイクロ波を一部吸収し、一部透過する。すなわち、ジャケット１３にマイクロ波が照射された場合に、少なくとも一部のマイクロ波がジャケット１３の内側に存在する触媒層１２にまで透過するようになっている。マイクロ波によって触媒層１２が加熱されるようにするためである。なお、ジャケット１３のマイクロ波吸収効率は、触媒層１２のマイクロ波吸収効率よりも小さくてもよい。ジャケット１３にマイクロ波を照射した場合であっても、触媒層１２にマイクロ波が照射され、触媒層１２が適切に加熱されるようにするためである。
ジャケット１３の形状は問わない。ジャケット１３は、例えば、図１で示されるように、中心軸の位置に反応管１１が通過する円柱状の空間を有する円柱形状であってもよく、中心の位置に反応管１１が通過する空間を有する直方体や立方体などの形状であってもよく、その他の形状であってもよい。また、ジャケット１３は、それ自体がマイクロ波を一部吸収し、一部透過する物質によって構成されたものであってもよく、または、マイクロ波透過性を有する容器部材と、その容器部材に収容されるマイクロ波を吸収する物質とを備えたものであってもよい。本実施の形態では、後者の場合について主に説明する。また、マイクロ波を一部吸収し、一部透過するようにするため、ジャケット１３は、マイクロ波吸収能の高い物質とマイクロ波吸収能の低い物質との混合物を含んでいてもよい。マイクロ波吸収能の高い物質は、マイクロ波吸収性を有する物質であり、マイクロ波吸収能の低い物質は、マイクロ波吸収性を有する物質よりもマイクロ波の吸収能の低い物質であると考えてもよい。そのようにすることで、ジャケット１３に照射されたマイクロ波のうち、マイクロ波吸収能の高い物質に照射されたマイクロ波はジャケット１３で吸収されることになる。一方、マイクロ波吸収能の低い物質を介して、マイクロ波が透過することになり、その透過したマイクロ波が触媒層１２に照射されることになる。また、ジャケット１３が容器部材とその容器部材に収容される物質とを備える場合に、ジャケット１３の容器部材には、マイクロ波吸収性を有する物質が充填されてもよい。その場合に、充填された物質には空間が存在してもよい。マイクロ波がジャケット１３を透過しやすくするためである。その空間は、物質内に存在してもよく、物質と物質との間に存在してもよい。そのマイクロ波吸収性を有する物質は、例えば、マイクロ波吸収性を有する粒状物質であってもよく、マイクロ波吸収性を有するハニカム形状物であってもよく、その他の形状物（例えば、円筒形状物、球形状物、板形状物、ラッシングリング形状物等）であってもよい。マイクロ波吸収性を有する物質がマイクロ波吸収性を有する粒状物質である場合には、その粒状物質の間の空間を介して、マイクロ波がジャケット１３を透過することになる。その粒状物質の直径は特に限定されないが、例えば、１ｎｍ〜１ｍｍの範囲であってもよく、それ以外であってもよい。また、マイクロ波吸収性を有する物質がマイクロ波吸収性を有するハニカム形状物や円筒形状物等である場合には、そのハニカム形状物等内の空間、または複数のハニカム形状物等の間の空間を介して、マイクロ波がジャケット１３を通過することになる。なお、マイクロ波吸収性を有する物質は特に限定されないが、例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が照射される場合には、マイクロ波吸収性を有する物質として、フラーレンを除くカーボン類（例えば、グラファイト、カーボンナノチューブ、または活性炭など）や、鉄、ニッケル、コバルト、銅、フェライト、Ｓｉ３Ｎ４、ＣｏＯ、Ｃｏ３Ｏ４、ＣｕＯ、ＳｉＣ、ＦｅＯ、Ｆｅ３Ｏ４、ＷＣ、ＭｎＯ２、またはＴｉＯ２等がある。また、それらのマイクロ波吸収性を有する物質と比較してマイクロ波吸収性の低い物質は特に限定されないが、例えば、シリカ、アルミナ、またはジルコニア等であってもよい。
ここで、触媒層１２の周囲にジャケット１３を設けるようにする理由について簡単に説明する。触媒層１２から反応管１１の外部への熱移動を抑制することにより、触媒層１２の温度をより均一にすることができ、その結果として触媒層１２における反応を促進できると考えられる。そのため、触媒層１２からの熱移動を抑制することが必要となる。その熱移動としては、熱伝導と熱放射が考えられるが、実施例、比較例を用いて後述するように、熱伝導を抑制しても、熱移動を抑制することはできない。したがって、触媒層１２からの熱移動は、主に熱放射によって行われていることが分かる。その熱放射による熱移動量はステファン−ボルツマンの法則に従い、触媒層１２の温度をＴ１とし、触媒層１２の外周の温度をＴ２とした場合に、（Ｔ１ ４−Ｔ２ ４）に比例することになる。したがって、触媒層１２の温度Ｔ１が３００℃以上などのように、高温になる場合には、熱放射による熱移動が大きくなる。また、その式から、Ｔ２を上げることによって、熱放射を抑制できることも分かる。したがって、触媒層１２の周りにジャケット１３を設け、そのジャケット１３をも加熱することによって、触媒層１２からの熱放射を抑制できることになる。なお、ジャケット１３の加熱によって触媒層１２を加熱することを目的としているのではないため、マイクロ波照射時のジャケット１３の温度は、触媒層１２の温度よりも低くてもよい。ただし、両温度は近いことが好適である。
マイクロ波発生器１４は、ジャケット１３にマイクロ波（ＭＷ）を照射する。ジャケット１３に照射されるマイクロ波は、シングルモードであってもよく、マルチモードであってもよい。また、そのマイクロ波の周波数は特に限定されないが、例えば、２．４５ＧＨｚであってもよく、５．８ＧＨｚであってもよく、２４ＧＨｚであってもよく、９１５ＭＨｚであってもよく、その他の３００ＭＨｚから３００ＧＨｚの範囲内の周波数であってもよい。また、一の周波数のマイクロ波が照射されてもよく、二以上の周波数のマイクロ波が照射されてもよい。
このような化学反応装置１を用いて、反応管１１に連続的に反応対象のガスを供給し、マイクロ波発生器１４によって発生されたマイクロ波をジャケット１３に照射することによって、ガスが触媒層１２において反応するようにできる。その反応は、触媒を用いた任意のものであってもよい。その結果、固定床流通式触媒反応を行うことができる。なお、触媒層１２の温度が一定の範囲となるように、マイクロ波発生器１４によるマイクロ波の出力（パワー）が制御されてもよい。
ここで、マイクロ波発生器１４がジャケット１３にマイクロ波を照射するいくつかの方法について簡単に説明する。図２Ａは、リアクターを用いてマイクロ波を照射する方法について説明するための図である。図２Ａにおいてジャケット１３に照射されるマイクロ波はマルチモードである。図２Ａでは、化学反応装置１は、反応管１１と、触媒層１２と、ジャケット１３と、マイクロ波発生器１４と、導波管１５と、リアクター１６とを備える。マイクロ波発生器１４で発生されたマイクロ波は、導波管１５を介してリアクター１６に伝送される。導波管１５は、マイクロ波発生器１４が発生するマイクロ波の周波数に応じた規格のものを用いることが好適である。リアクター１６の内部には、反応管１１の一部と、触媒層１２と、ジャケット１３とが存在する。反応管１１が通過するリアクター１６の箇所において、マイクロ波が漏れないように構成されていることが好適である。また、リアクター１６の内壁は、マイクロ波を反射する物質で構成されていることが好適である。マイクロ波を反射する物質は特に限定されないが、例えば、金属であってもよい。なお、図２Ａでは、リアクター１６内部に反応管１１、触媒層１２、及びジャケット１３を備えたセットが１個だけ存在する場合について示しているが、２以上のセットがリアクター１６内部に存在してもよい。
図２Ｂは、導波管を用いてマイクロ波を照射する方法である。図２Ｂにおいてジャケット１３に照射されるマイクロ波はシングルモードである。図２Ｂでは、化学反応装置１は、反応管１１と、触媒層１２と、ジャケット１３と、マイクロ波発生器１４と、導波管２１と、プランジャ２２と、アイリス２３と、スリースタブチューナ２４とを備える。なお、図２Ｂには記載していないが、出力アンテナ１４ｃと、アイリス２３との間に、方向性結合器や、マイクロ波の入射波の電力と反射波の電力とを取得するパワーモニタが存在してもよい。
マイクロ波発生器１４は、マグネトロン１４ａと、同軸型出力回路１４ｂと、出力アンテナ１４ｃとを有している。マグネトロン１４ａで発生されたマイクロ波は、同軸型出力回路１４ｂを介して、導波管２１内の出力アンテナ１４ｃに伝送され、出力アンテナ１４ｃから放射される。そのマイクロ波は、スリースタブチューナ２４によって負荷との整合が調整され、アイリス２３を介してジャケット１３に照射される。なお、アイリス２３とプランジャ２２とを調整することにより、導波管（キャビティ）２１内のマイクロ波を共振状態とすることができる。その結果、導波管２１内に単一の定在波が形成されることになる。なお、導波管２１内にジャケット１３等を入れることによって定在波の位置がずれるため、ジャケット１３等を入れた状態においてアイリス２３やプランジャ２２を調整することが好適である。また、この図２Ｂの化学反応装置１においても、反応管１１が通過する導波管２１の位置において、マイクロ波が漏れないように構成されていることが好適である。このようなシングルモードのマイクロ波を照射することによってマイクロ波を集中させることができ、大電力を必ずしも用いなくてよいことになる。なお、図２Ｂにおいて、Ｈｍａｘの位置は、磁場が最大となる位置であり、Ｅｍａｘの位置は、電場が最大となる位置である。したがって、触媒層１２やジャケット１３が誘電体である場合には、ジャケット１３等は、Ｅｍａｘの位置に配置されることが好適である。また、触媒層１２やジャケット１３が磁性体である場合には、ジャケット１３等は、Ｈｍａｘの位置に配置されてもよい。
図２Ｃは、断面が楕円形状であるリアクター１６の一例を示す図である。図２Ｃにおいて、反応管１１の長さ方向に直交する方向のリアクター１６の断面が、楕円形状となっている。そして、楕円形状の一方の焦点位置に、反応管１１やジャケット１３の中心軸が位置し、他方の焦点位置に、マイクロ波発生器１４の出力アンテナ１４ｃが位置するように構成されている。その結果、出力アンテナ１４ｃから放射されたマイクロ波の電場が、他方の焦点位置であるジャケット１３等の位置に集中することになり、より効率よくマイクロ波を照射することができるようになる。なお、リアクター１６の楕円形状における長半径の長さは、出力アンテナ１４ｃから放射されるマイクロ波の波長に応じて、他方の焦点位置にマイクロ波の電場や磁場が集中するように選択されることが好適である。例えば、マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚである場合（波長が１２ｃｍである場合）には、楕円形状の長半径が６ｃｍであってもよい。そのようにすることによって、リアクター１６の側面の一点から出力アンテナ１４ｃ及び反応管１１の中心軸までの各距離の和が、一波長に等しくなり、出力アンテナ１４ｃから放射されたマイクロ波の電場が反応管１１やジャケット１３の位置に集中することになる。また、この図２Ｃの化学反応装置１においても、反応管１１が通過するリアクター１６の位置において、マイクロ波が漏れないように構成されていることが好適である。
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。
［実施例］
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。
実施例１ ジャケットを用いたマイクロ波加熱の温度測定
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。
反応管１１としては、マイクロ波を透過させる石英製反応管を用いた。その反応管１１の外径は１０ｍｍ、内径は８ｍｍであった。その反応管１１の下から石英ウール（高さ５ｍｍ）、石英砂（高さ５ｍｍ）を敷き詰めることで固定床を形成し、その上部に上述の触媒を敷き詰めることによって、鉛直方向の高さが２０ｍｍである触媒層１２を形成させた。その反応管１１には原料ガスを下部から導入し、触媒層１２を通過したガスが上部から反応系外へ排出される流路とした。
また、図３で示されるように、ジャケット１３は、外径２０ｍｍ、内径１８ｍｍの石英管である容器部材１３ａの内部に、反応管１１の触媒層１２を覆う高さまでシリコンカーバイド（ＳｉＣ）ペレット（和光純薬社製，粒子径５０ｎｍ，ペレットサイズ：５３〜１０６μｍ）であるマイクロ波吸収性を有する物質１３ｂを充填させることによって構成した。ジャケット１３内のＳｉＣペレットの高さは、触媒層１２の高さと同じ２０ｍｍとした。触媒層１２とジャケット１３との温度測定にはそれぞれ光ファイバー温度計４１，４２（Ｍｉｃｒｏｍａｔｅｒｉａｌｓ社製，ＯｐｔｏＴｅｍｐ２０００（ファイバー先端１ｍｍ））を使用した。光ファイバー温度計４１，４２のファイバー先端を温度測定の対象部分に挿入することによって反応中の温度をモニターした。触媒層１２については、触媒層１２の中央の位置、すなわち鉛直方向の中心であり、水平面内の中心である位置の温度を測定した。ジャケット１３については、鉛直方向は触媒層１２の温度測定位置と同じ高さであり、水平方向は反応管１１とジャケット１３の石英管との中間である位置の温度を測定した。その触媒層１２の測定温度を、触媒反応における反応温度とした。また、マイクロ波加熱においては、その触媒層１２の測定温度に応じてマイクロ波発生器１４の照射出力を制御することによって温度制御を行った。
原料ガスとして、エチルベンゼン、二酸化炭素を用いた。二酸化炭素（７８０ｍｌ／ｈ）を、バルブ３２をコントロールするマスフローコントローラ３１で流量制御し、送水ポンプ３３から供給されたエチルベンゼン（２．５ｍｌ／ｈ）を気化器３４において気化（７６０ｍｌ／ｈ）した気体と混合した後、反応管１１に供給した。反応管１１から排出された改質ガスを０℃の氷浴（ｉｃｅ ｂａｔｈ）３５のトラップ管にて冷却し、貯めた生成物を２０分間ずつサンプリングし、ガスクロマトグラフ分析のために内部標準としてドデカン０．５ｍｌを加え、液体組成の分析を行う設計とした。本実施例では加圧は行わず、常圧で実験操作を行った。
上述の原料ガスを反応管１１に供給しながら、マイクロ波を照射し、触媒層１２の中心温度Ｔ１と、ジャケット１３の中心温度Ｔ２とを測定した。触媒層１２の中心温度Ｔ１と、ジャケット１３の中心温度Ｔ２との温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）を次の表に示す。次表で示されるように、触媒層１２の中心温度が４００℃以上である場合には、温度差は約４５〜９０℃となり、触媒層１２の温度の方が高かった。
Figure 0005682001
実施例２ ジャケットを用いたマイクロ波加熱による脱水素反応
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。
Figure 0005682001
比較例１ ジャケットを用いないマイクロ波加熱の温度測定
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。
触媒層１２の中心温度Ｔ１と境界温度Ｔ２との温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）を次の表に示す。次表から、触媒層１２の半径方向において大きな温度勾配の存在していることが確認された。したがって、マイクロ波照射により触媒層１２を４００℃以上に加熱する際に触媒層１２内の温度勾配を抑制するためには、ジャケット１３を備えた二重構造とすることによって、外気温度との大きな温度差から生じる触媒層１２からの熱放射を抑制する必要のあることが確認された。
Figure 0005682001
実施例１の結果から、触媒層１２の中心位置と、触媒層１２の境界位置との温度差は、表１で示される温度差以下であると考えられる。したがって、実施例１、比較例１の結果を比較することによって、触媒層１２を取り囲むようにマイクロ波吸収性を有するジャケット１３を設けることによって、触媒層１２における温度分布をある程度一定に保つことができていることが分かる。
比較例２ 真空ジャケットを有する反応装置を用いたマイクロ波加熱
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。
比較例３ 電気炉加熱による脱水素反応
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４ ジャケットを用いないマイクロ波加熱による脱水素反応
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。
表２で示されるマイクロ波加熱の２個の結果（実施例２，比較例４）を比較することによって、ジャケット１３を有している反応装置の方が、反応性が高く、脱水素反応を促進できていることが分かる。したがって、触媒層１２における反応性を向上させるには、ジャケット１３によって取り囲まれた触媒層１２をマイクロ波によって加熱することが必要であることが確認された。
なお、ここでは触媒層１２を用いた反応の一例として、エチルベンゼンの脱水素反応について説明したが、それ以外の反応を行うことができることは言うまでもない。例えば、触媒層１２を用いたｎ−プロパンの脱水素反応によってプロピレンを生成してもよく、触媒層１２を用いたその他のアルカンの脱水素反応を行ってもよく、または触媒層１２を用いて脱水素反応以外の反応を行ってもよい。脱水素反応以外の反応は特に限定されないが、例えば、酸化反応などであってもよい。なお、触媒層１２の触媒などを含む反応条件としては、反応させるガスに適したものを使用することは言うまでもない。その触媒層１２を用いた反応は、既知の種々のものとすることができ、触媒、原料ガス、その流量、温度、時間、圧力などの反応条件、反応生成物からの目的物の分離、採取などは既知のものであってもよい。
以上のように、本実施の形態による化学反応装置１によれば、触媒層１２を取り囲むようにジャケット１３を設けることにより、触媒層１２の温度分布がより均一となり、反応が促進されることになる。また、マイクロ波加熱を行うことによって、電気炉加熱の場合と比較して、触媒層１２における反応を促進することができる。ガスが触媒層１２で反応するのに必要な活性化エネルギーをマイクロ波により触媒層１２に効率よく供給できるからであると考えられる。また、ジャケット１３がマイクロ波を一部吸収し，一部透過するものとすることによって、触媒層１２を取り囲むジャケット１３を介して触媒層１２にもマイクロ波を適切に照射することができることになり、触媒層１２を反応に適した所望の温度にすることができる。
また、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。
以上より、本発明による化学反応装置等によれば、触媒層における反応を促進できるという効果が得られ、例えば、脱水素反応を行う化学反応装置等として有用である。
１ 化学反応装置
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)

  1. 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、
    前記ジャケットは、マイクロ波吸収能の高い物質とマイクロ波吸収能の低い物質との混合物を含んでいる、化学反応装置。
  2. 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、
    前記ジャケットには、マイクロ波吸収性を有するハニカム形状物が充填されている、化学反応装置。
  3. 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または請求項２記載の化学反応装置。
  4. 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、請求項１から請求項３のいずれか記載の化学反応装置。
  5. 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４記載の化学反応装置。
  6. 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、
    前記ジャケットは、マイクロ波吸収能の高い物質とマイクロ波吸収能の低い物質との混合物を含んでいる、化学反応方法。
  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、
    前記ジャケットには、マイクロ波吸収性を有するハニカム形状物が充填されている、化学反応方法。
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