JPWO2013183137A1 - 燃料合成方法及び燃料合成装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、燃料の合成において、複数の原料の接触面積を増大するとともに、原料同士が接触する界面近傍に触媒を集中し、マイクロ波のエネルギーの利用効率を高めることを目的とする。アルコールと触媒とを混合して含触媒原料液を作製した後、含触媒原料液に油脂を混合して混合液を作製し、混合液にマイクロ波を照射することにより、油脂を構成する脂肪酸とアルコールとが結合した脂肪酸エステルを合成する。
Description
本発明は、燃料の合成方法及び燃料の合成装置に関する。
地下資源の原油を製油所で精製して作られる軽油、重油等は、原油から精製する過程及び燃料として燃焼する過程において二酸化炭素を排出し、地上の二酸化炭素量を増加させる。そして、この二酸化炭素の増加は、地球温暖化の一因と考えられている。このため、地球温暖化防止の観点から、植物性油脂を原料とするバイオディーゼル燃料が注目されている。
バイオディーゼル燃料は、植物由来又は動物由来の油脂(トリグリセリド)を主原料として製造される燃料であって、ディーゼルエンジンを稼働させる液体燃料の代替品である。油脂の主成分はトリグリセリドである。植物由来の場合、大気中の二酸化炭素を吸収した植物が太陽のエネルギーを用いた光合成により生体内で合成し、生体内に蓄えた油脂を主原料とするものである。
大気中の二酸化炭素を吸収して作られた油脂を主原料としたバイオディーゼル燃料は、燃料として燃焼したとしても、発生する二酸化炭素が再び植物に吸収されるため、二酸化炭素の循環がなされ、地上の二酸化炭素量は増加しないと考えられている。この考えは、カーボンニュートラルと呼ばれており、近年大きな注目を集めている。
バイオディーゼル燃料は、様々な製造方法によって製造することができる。その方法の一つに、植物性油脂とメタノールとを触媒の存在下でエステル交換反応させることにより、バイオディーゼル燃料の主成分となる脂肪酸メチルエステル(FAME)を合成するものがある。
例えば、特許文献1には、植物又は動物由来の脂肪酸を、イオン液体の存在下でエステル化する方法が記載されている。特許文献1には、イオン液体は、溶媒及び/又は触媒として作用すると記載されている。
特許文献1に記載の方法においては、原料である油脂、アルコール及びイオン液体の混合方法は、通常の磁気攪拌機の攪拌子によるものであり、互いに混ざり合わない油脂とアルコールとの界面積が大きくならないため、反応に時間を要する点で改善の余地があった。この問題は、原料である油脂とアルコールとの界面近傍にイオン液体が十分に接触しにくいこととも関連がある。
また、加熱方法に関しては、従来のヒーター加熱の場合、反応容器全体を加熱するため、エネルギー効率が低い。マイクロ波による加熱の場合も、水を含まない反応液に対しては、マイクロ波のエネルギーが吸収されにくいという課題があった。
本発明は、燃料の合成において、複数の原料の接触面積を増大するとともに、原料同士が接触する界面近傍に触媒を集中し、マイクロ波のエネルギーの利用効率を高めることを目的とする。
本発明の燃料合成方法は、アルコールと触媒とを混合して含触媒原料液を作製した後、含触媒原料液に油脂を混合して混合液を作製し、混合液にマイクロ波を照射することにより、油脂を構成する脂肪酸とアルコールとが結合した脂肪酸エステルを合成することを特徴とする。
本発明によれば、液体の油脂に触媒を含むアルコールの微小液滴を分散することができ、マイクロ波のエネルギーの利用効率を高めることができ、反応を迅速に進行させることができる。
本発明は、燃料合成方法及び燃料合成装置に関するものである。以下では、例として、バイオディーゼル燃料の合成について説明するが、他の燃料の合成にも適用可能である。
以下、本発明の実施形態に係る燃料合成方法及び燃料合成装置について説明する。
前記燃料合成方法は、アルコールと触媒とを混合して含触媒原料液を作製した後、含触媒原料液と油脂とを混合して混合液を作製し、混合液にマイクロ波を照射することにより、油脂を構成する脂肪酸とアルコールとが結合した脂肪酸エステルを合成することを特徴とする。
前記燃料合成方法において、混合液は、油脂に含触媒原料液の液滴が分散したものであることが望ましい。
前記燃料合成方法において、触媒は、イオン液体であることが望ましい。
前記燃料合成方法において、イオン液体の比誘電損率は、メタノールの比誘電損率よりも大きいことが望ましい。
前記燃料合成方法において、触媒は、固体であることが望ましい。
前記燃料合成方法において、マイクロ波の照射は、混合液を標準気圧以上に加圧して行い、混合液の温度を標準沸点以上にすることが望ましい。
前記燃料合成方法において、マイクロ波を照射した混合液に、少なくとももう一度マイクロ波を照射することが望ましい。
前記燃料合成方法において、マイクロ波の照射は、混合液の導入を停止し、混合液が滞留した状態で行い、その後、混合液を入れ替え、再び混合液の導入を停止し、混合液が滞留した状態でマイクロ波を照射することが望ましい。
前記燃料合成装置は、アルコール及び触媒を含む含触媒原料液と油脂とを混合して混合液を作製する混合部と、混合液にマイクロ波を照射するマイクロ波照射部とを備え、マイクロ波照射部は、油脂を構成する脂肪酸とアルコールとが結合した脂肪酸エステルを合成する機能を有することを特徴とする。
前記燃料合成装置において、混合液は、油脂に含触媒原料液の液滴が分散したものであることが望ましい。
前記燃料合成装置は、さらに、アルコールと触媒とを混合して含触媒原料液を作製する予混合部を備えたものであることが望ましい。
前記燃料合成装置においては、マイクロ波照射部における混合液を加圧可能とすることが望ましい。
前記燃料合成装置は、さらに、マイクロ波照射部を通過した混合液をマイクロ波照射部に還流する流路を備えたものであることが望ましい。
前記燃料合成装置において、マイクロ波照射部は、導入を停止し滞留している混合液にマイクロ波を照射することが望ましい。
以下、実施例について図面を用いて説明する。
図1は、本実施例の燃料合成装置の概略構成を示したものである。
本図に示す燃料合成装置は、複数の薬液を混合するための混合器101(混合部)と、マイクロ波照射部100とを備えている。混合器101には、原料タンク130aが配管201aを介して接続され、薬液タンク130bが配管201bを介して接続されている。原料タンク130aは、原料である油脂をためておくものである。また、薬液タンク130bは、原料であるメタノールと、触媒とを混合した含触媒原料液をためておくものである。混合器101においては、配管201aから導入される油脂と、配管201bから導入される含触媒原料液とが合流して混合されるようになっている。混合器101の内部の流路の幅(流路の直径又は最小寸法)は、数十μm〜数百μmであることが望ましい。このような流路においては、容易に含触媒原料液の微小液滴が油脂に分散された状態となる。
さらに、油脂と含触媒原料液とが、いずれかの流れの中に噴射される構造であることが望ましい。これにより、撹拌を促進し、含触媒原料液を分散することができる。
また、このような流路を有する混合器101を用いることにより、含触媒原料液の微小液滴の粒径を制御することができ、かつ、粒径を均一にすることができる。
マイクロ波照射部100は、図示しないマイクロ波発振機と、導波管501と、スタブチューナー103と、可動短絡板104と、反応管102とを含む構成である。反応管102は、導波管501を貫通するように配置されている。反応管102の入口側と混合器101とは、配管203で接続されている。また、反応管102の出口側は、配管205を介して生成液タンク130dに接続されている。マイクロ波照射部100における反応により得られた燃料を含む液は、配管205を介して生成液タンク130dに送られるようになっている。
配管201aには、原料タンク130aの油脂を送液するための送液ポンプ105aが設置してあり、配管201bには、薬液タンク130bの含触媒原料液を送液するための送液ポンプ105bが設置してある。原料タンク130a、薬液タンク130b及び生成液タンク130dにはそれぞれ、攪拌機131a、131b、131dが配置してあり、それぞれの液を撹拌できるようになっている。
反応管102の入口側及び出口側にはそれぞれ、温度計測部108a、108bが設けてある。ここで、温度計測部108a、108bとしては、熱電対、赤外線放射温度計、光ファイバー温度計などを用いることができる。このうち、光ファイバー温度計は、感温部に蛍光物質を設け、この蛍光物質に励起用の光を照射し、発生した蛍光をセンサによって検出することにより温度を測定するものである。このため、光ファイバー温度計は、マイクロ波照射環境下でもマイクロ波の影響を受けず、また、電磁界分布にも影響を与えずに詳細に温度を計測できるため、特に望ましい。本実施例においては、Neoptix製、T/Guard、T1 sensorの光ファイバー温度計を用いた。
原料である油脂は、送液ポンプ105aにより原料タンク130aから混合器101に導入される。また、メタノールと触媒との混合物である含触媒原料液は、送液ポンプ105bにより薬液タンク130bから混合器101に導入される。混合器101内においては、油脂と含触媒原料液とが混合され、含触媒原料液に含まれるメタノールの微小液滴が油脂に分散された状態の混合液が得られる。
図2は、この混合液の微視的な状態を模式的に示したものである。
本図に示すように、配管203においてメタノール112の微小液滴が油脂111に分散された状態となる。
その後、この混合液は、図1に示す反応管102に導入され、マイクロ波の照射を受け、加熱され、反応する。図1に示す温度計測部108bで反応後の混合液の出口温度を計測し、所望の温度になるようにマイクロ波の出力を調整する。ここで、触媒は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ触媒が望ましい。触媒がアルカリ触媒の場合、触媒は、メタノール112に溶解した状態で分散されている。すなわち、メタノール112は、含触媒原料液である。
本実施例の構成によれば、油脂111とメタノール112との界面積が大きくなるため、反応を迅速化することが可能となる。
油脂111とメタノール112との混合液にマイクロ波を照射すると、メタノールがマイクロ波の大部分を吸収し、加熱される。これは、周波数2.45GHzのマイクロ波の温度25℃における比誘電損率が、油脂の場合に0.1以下であるのに対し、メタノールの場合、約13であり、比誘電損率に比例する発熱量が、メタノールの方が大きくなるためである。よって、油脂を加熱することなく、メタノールのみを加熱することができる。したがって、混合液全体を加熱する必要がなく、使用するエネルギーを抑えることができる。
また、混合液の反応により生成した燃料成分(バイオディーゼル)の主成分である脂肪酸メチルエステルは、油脂111に溶解しやすいため、油脂111(油脂相)に移動する。油脂111は、比誘電損率が小さく、マイクロ波をほとんど吸収しないため、マイクロ波によりほとんど加熱されず、その温度は、反応が進行する界面よりも低い。
したがって、本実施例によれば、生成物の不必要な加熱を抑制することができ、生成物の分解を抑制することができる。
ここで、マイクロ波照射部100について詳細に説明する。
マイクロ波発振機から発振されたマイクロ波は、可動短絡板104まで入射し、可動短絡板104で反射する。このとき、入射波と反射波とが干渉することにより、マイクロ波照射部100内には定在波が生成する。物質に吸収されるマイクロ波エネルギーは、電界強度の二乗に比例するため、この生成した定在波の電界強度が強くなる部分に反応管102を設置すると、反応管102内を流れる反応液に効率よくマイクロ波を吸収させることが可能となる。
また、スタブチューナー103は、マイクロ波照射部100内のインピーダンスを調整するために設置されている。なお、マイクロ波照射部100内のインピーダンスが調整できれば、スタブチューナー103でなくてもよく、例えばEHチューナーなどでもよい。
さらに、可動短絡板104は、マイクロ波の進行方向に可動としてあり、その位置を調節することで、定在波の位置を微調整することができ、反応管102内を流れる反応液に効率よくマイクロ波を吸収させることが可能となる。
反応管102は、マイクロ波を透過しやすく、比誘電損率の小さい材料で構成するのが好ましい。具体的には、ガラス、樹脂、セラミックなどである。また、その形状は、直管、螺旋管、多重螺旋管などが好ましいが、これらに限られるものではない。また、本実施例においては、矩形の導波管501を用いたが、導波管501は、円筒形など他の形状でもよい。また、マイクロ波の伝送手段としては、導波管の代わりに同軸ケーブル等の伝送装置を用いてもよい。
単なる電子レンジに反応管102を入れただけでは、マイクロ波は電子レンジ内を乱反射するため、反応液にマイクロ波を効率的に吸収させることはできないが、前記の構成によると、マイクロ波を反応液に集中的に照射することができ、効率的に反応液を加熱することが可能となる。
図8は、混合器の例を示したものである。
本図において、混合器300は、導入部301、分散部302及び排出部303を合わせて形成するようになっている。導入部301と分散部302との間には、パッキン304を挟み、分散部302と排出部303との間には、パッキン305が挟むようになっている。これらを重ね、ボルト306で締め付けることにより、固定し、液漏れを防止することができる。
導入部301には、油脂流入口311及び含触媒原料液流入口312が設けてあり、これらを介して流入した油脂と含触媒原料液とが合流し、分散部302で混合液となり、排出部303から流出する。
本実施例においては、導入部301の流路の内径は、2.5mmとした。
分散部302には、内径0.10mm、長さ0.30mmのオリフィスが設けてある。液が流路の細い領域(オリフィス)から太い領域に流れ、流路が急拡大することにより、油脂と含触媒原料液との混合が促進され、所望の混合液(分散液)が得られる。
本図において、油脂は、ヒマワリ油であり、連続相である。一方、含触媒原料液は、メタノールに触媒が分散した分散相である。
本実施例における燃料合成装置の構成は、実施例1と同様である。触媒をイオン液体とした点が異なる。よって、本実施例においては、図1に示す薬液タンク130bに、原料であるメタノールと、触媒の機能を有するイオン液体とを混合した含触媒原料液が貯留してある。なお、含触媒原料液には、更に水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ触媒を加えてもよい。
ここで、イオン液体とは、液体状態の塩をいい、狭義には、カチオン及びアニオンを成分とし、常温常圧で液体の化合物をいう。
イオン液体は、カチオンの種類によってピリジン系、脂環族アミン系及び脂肪族アミン系に類別される。カチオンの具体例としては、イミダゾール環を有する1,3-ジアルキルイミダゾリウムイオン及び1,3,5-トリアルキルイミダゾリウムイオン、ピリジン環を有する1-アルキルピリジニウムイオンが挙げられる。また、アニオンの具体例としては、テトラフルオロボレート(BF4 -)、ヘキサフルオロホスフェート(PF6 -)等が挙げられる。
このイオン液体は、不揮発性、不燃性、安定性などの様々な優れた特徴を有している。その中で、イオン液体を新規な界面活性剤と捉える考え方がある。
例えば、イミダゾリウム型のイオン液体の場合、イミダゾリウム環に結合したアルキル基のひとつに長鎖のアルキル基を用いると、陽イオン性界面活性剤と類似した化学構造になる。したがって、このようなイオン液体を水に溶かすと、界面活性剤と同様の分子集合体を形成する。例えば、このようなイオン液体として、1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate(C4mimBF4と略記される。以下、同様の略記法を用いる。)、C8mimCl、C8mimI、C4mimC8SO4、C9mimBr、C10mimBr、C10mimCl、C12mimBr、C12mimCl、C12mimBF4、C14mimBr、C16mimBrなどがある。アルキル鎖がC8以上になると、通常の界面活性剤と同様にミセルが形成されやすくなる。
図3は、このような特徴を有するイオン液体を選択して使用した場合に、図1に示す混合器101を通過して生じた混合液の微視的な状態を示したものである。
本図において、配管203を流れる油脂111中には、メタノール112の微小液滴が生じている。そして、油脂111とメタノール112との界面にイオン液体115の分子が規則的に配列され、逆ミセルを形成した状態となる。
マイクロ波による加熱に関しては、実施例1と同様であり、マイクロ波の大部分がメタノール112に吸収され、加熱される。よって、油脂111を加熱することなく、メタノール112のみを加熱することができる。
さらに、イオン液体115の比誘電損率がメタノール112の比誘電損率よりも大きい場合、更に効果的である。
この場合、図3に示すように、油脂111とメタノール112との界面に集中して存在するイオン液体115は、メタノール112よりもマイクロ波を吸収しやすいため、当該界面部分が局所的に加熱される。よって、反応が望まれるイオン液体115の周辺部のみが高温度となる。したがって、反応のために供給するエネルギーを抑制することができる。
さらに、加熱後の混合液には、生成物である燃料成分(バイオディーゼル)、副生成物であるグリセリン並びに残ったメタノール及びイオン液体が含まれるが、バイオディーゼルとイオン液体とが混ざり合わないため、容易に分離することができる。また、水やメタノールは、蒸留などの方法により容易に分離することができるため、イオン液体とその他の物質とは容易に分離することができる。
したがって、本実施例によれば、イオン液体を再利用することが可能であり、廃棄物の量を抑制することができる。
本実施例における燃料合成装置の構成は、実施例1と同様である。触媒を固体触媒とした点が異なる。よって、本実施例においては、図1に示す薬液タンク130bに、原料であるメタノールと、固体触媒とを混合した含触媒原料液が貯留してある。
固体触媒は、メタノールとあらかじめ混合しておく。また、保存中においても、図1に示す攪拌機131bで常時又は間欠的に含触媒原料液を攪拌することにより、固体触媒がメタノールに均一に分散するようにしておく。攪拌機131bは、含触媒原料液を攪拌できれば、磁性攪拌機でも、超音波攪拌機でもよい。
図4は、固体触媒を用いた場合に、図1に示す混合器101を通過して生じた混合液の微視的な状態を示したものである。
本図において、配管203を流れる油脂111中には、メタノール112の微小液滴が生じている。そして、そのメタノール112の微小液滴中に固体触媒116が包含された状態となっている。なお、固体触媒としては、石灰、クレー、金属酸化物、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、イオン交換樹脂、硫酸ジルコニアなどが考えられるが、これらに限られるものではない。
マイクロ波により加熱される物質の発熱量は、前述したように、物質の有する比誘電損率に比例するほか、物質が有する電気伝導率及び磁気損失率にも比例する。よって、比誘電損率、電気伝導率及び磁気損失率のうちいずれかが大きく、メタノール112よりもマイクロ波を吸収しやすい固体触媒116を使用すると、油脂111、メタノール112及び固体触媒116を含む混合液において固体触媒116を選択的にマイクロ波により加熱することが可能となる。
この場合に、固体触媒116は、メタノール112の微小液滴中に含まれるため、反応が生じる油脂111とメタノール112との界面近傍に常に存在し、マイクロ波によって選択的に加熱される。このため、油脂111とメタノール112との界面付近が局所的に高温度となり、反応を促進することができる。さらに、混合液全体を加熱する必要がないため、使用するエネルギーを抑えることができる。
反応後の混合液は、生成物である燃料成分(バイオディーゼル)、副生成物であるグリセリン、並びに残ったメタノール及び固体触媒が含まれるが、固体触媒は、フィルターなどで容易に分離することができるため、分離回収した固体触媒を何度も繰り返し再利用することが可能であり、廃棄物の量を低減することができる。
本実施例の燃料合成装置の構成において実施例1と異なる点は、メタノールと触媒とを別々のタンクに貯留する点である。
図5は、本実施例の燃料合成装置の概略構成を示したものである。本図を用いて実施例1と異なる点のみを説明する。
本図においては、原料であるメタノールを貯留する原料タンク230bと、触媒であるイオン液体を貯留する触媒タンク230cとが分けて設けてある。これらのタンクにはそれぞれ、配管211b、211cが接続してある。配管211b、211cは、混合器101bに接続してあり、混合器101bは、配管212を介して混合器101aに接続してある。配管211b、211cには、送液ポンプ215b、215cが設けてある。ここで、混合器101bは、予混合部である。
原料であるメタノールと、触媒であるイオン液体とは、それぞれ、送液ポンプ215b、215cによって混合器101bに送られ、ここで混合され、含触媒原料液となる。この含触媒原料液が混合器101aに送られ、原料である油脂と混合され、混合液となる。
混合器101a、101bの内部の流路の幅(流路の直径又は最小寸法)は、数十μm〜数百μmであることが望ましい。
このような流路を有する混合器101bを用いることにより、メタノールに対するイオン液体の量も制御することができる。また、上記の流路を有する混合器101aを用いることにより、含触媒原料液の微小液滴の粒径を制御することができる。
さらに、混合器101a、101bを組み合わせることにより、反応を均一に、かつ、高効率に行うことができ、燃料成分の収率を安定させることができる。
本実施例の燃料合成装置の構成において実施例4と異なる点は、反応管の下流側に背圧弁を設けてある点である。
図6は、本実施例の燃料合成装置の概略構成を示したものである。本図を用いて実施例4と異なる点のみを説明する。
本図においては、反応管102の下流側の配管205に背圧弁140が設置してある。
混合液を構成する油脂、メタノール及びイオン液体はそれぞれ、送液ポンプ105a、215b、215cによって加圧されて混合器101aに導入され、反応管102で反応し、配管205を介して生成液タンク130dに送られる。
本実施例においては、配管205に背圧弁140が設置されているため、背圧弁140の上流側が加圧状態となり、反応管102における混合液及び生成液の沸騰が抑制される。よって、温度を高く保った状態で液体状態の混合液を反応させることができる。
混合液を構成する成分のうち最も沸点が低いのは、メタノールであり、その沸点は約64℃である。メタノールが沸騰すると、反応が著しく抑制される。
本実施例に示すように、反応管102の下流側に背圧弁140を設置することにより、メタノールの沸点である64℃以上であっても、液体状態で反応を進行させることができる。
また、一般に、温度が高いほど化学反応の反応速度定数が大きくなるため、反応が速く進行する。本実施例のエステル交換反応においても、温度を高くすると反応速度定数は大きくなり、反応が速く進行する。したがって、本実施例のように反応管102の下流側に背圧弁140を設置することにより、化学反応自体を促進することが可能となる。
本実施例の燃料合成装置の構成において実施例1と異なる点は、配管にバルブを設けてある点及び生成液タンクから混合器と反応管との間に生成液の一部を還流するための配管を設けてある点である。
図7は、本実施例の燃料合成装置の概略構成を示したものである。本図を用いて実施例1と異なる点のみを説明する。
本図においては、配管201a、201bはそれぞれ、バルブ145a、145bを備えている。バルブ145a、145bはそれぞれ、送液ポンプ105a、105bの下流側に設置してある。また、生成液タンク130dと反応管102の上流側の配管203との間に配管209が設けてある。配管209には、送液ポンプ105dが設置してあり、生成液を加圧して配管203に還流することができるようになっている。また、配管209には、バルブ145cが設置してある。なお、本実施例において用いることができる触媒は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ触媒、イオン液体、固体触媒などである。
装置を稼働させた当初は、生成液タンク130dに生成液が蓄積されていないため、バルブ145a、145bを開き、バルブ145cを閉じた状態で運転する。その後、生成液タンク130dに生成液が蓄積された段階でバルブ145cを開き、バルブ145a、145bを閉じ、送液ポンプ105dを稼働する。これにより、生成液タンク130dに貯留された生成液が再び反応管102に導入され、マイクロ波が照射される。
生成液タンク130dに貯留された生成液は、未反応成分を含むため、マイクロ波の照射により、更に反応が進行する。そして、燃料成分の濃度が高くなった状態で生成液タンク130dに戻り、循環することになる。
なお、バルブ145a、バルブ145bを開けておき、送液ポンプ105a、送液ポンプ105bを稼働させたままでもよい。この場合は、混合器101で混合された新しい油脂、メタノール及び触媒の混合液と、一度以上反応している生成液タンク130dからの生成液とが混ざり合い、反応管102に導入される。
この構成によれば、反応管102でマイクロ波により加熱された混合液が、循環して何度も反応管102でマイクロ波により加熱されるため、一度の加熱では反応が終了しない場合でも、確実に反応を最後まで進行させることが可能となり、生成物であるバイオディーゼルを高収率で得ることができる。
本実施例における燃料合成装置の構成は、上記の実施例と同様であるが、装置の運転において混合液を反応管に導入した後、追加の導入を停止し、混合液を反応管に滞留させ、長時間マイクロ波を照射することにより、反応を進行させる点が異なる。
以下、図1を用いて説明する。
まず、送液ポンプ105a及び105bを稼働して反応管102に混合液を導入し、マイクロ波照射部100によりマイクロ波を照射し、混合液を加熱する。そして、この混合液が反応管102内を満たした状態で、送液ポンプ105a及び105bを一定時間停止し、マイクロ波の照射を継続し、混合液を更に加熱する。この際、温度計測部108a、108bで混合液の温度を測定し、所望の温度になるようにマイクロ波の出力を調整する。
所望の温度に達した場合又は所定の時間が経過した場合に、再度、送液ポンプ105a及び105bを稼働し、加熱し、反応した混合液を生成液タンク130dに送るとともに、加熱されていない混合液を反応管102内に導入する。そして、再び、送液ポンプ105a及び105bを一定時間停止し、マイクロ波を照射し、混合液を加熱する。
上記のように、送液ポンプ105a及び105bの稼働及び停止の操作を繰り返すことにより、加熱時間を長くし、反応を進行させて、燃料成分の濃度を高めることができる。なお、上記の操作の間、マイクロ波は、常に照射していてもよいし、送液ポンプ105a、105bが停止し、混合液が反応管102内に停止しているときのみ照射してもよい。
上記の操作によれば、反応管102の入口と出口の間の温度分布を小さくすることができる。また、マイクロ波の出力を調整すれば、反応管102内の混合液全体の温度を所望の温度まで上昇させ、その温度で一定に保持する温度制御も可能となる。これにより、反応を確実に進行させ、所望の収率を得ることができる。
なお、混合液の供給及び停止は、図7に示すバルブ145a、145bの開閉によって行うこともできる。
上記の操作は、実施例1〜実施例6のいずれの場合にも適用することができる。
以下、発明の効果について説明する。
本発明によれば、油脂の中に微小のアルコールの液滴を分散することができる。これにより、油脂とアルコールとの接触界面積が増大し、反応を迅速に進行させることが可能となる。
また、イオン液体を触媒として使用する場合に、あらかじめアルコールとイオン液体とを混合して含触媒原料液を作製し、その後、この含触媒原料液と油脂とを混合することにより、油脂中に含触媒原料液の微小液滴を分散することができ、これらの界面付近にイオン液体を集中して、反応を迅速に進行させることができる。
さらに、アルコールの方が油脂よりも比誘電損率が大きく、マイクロ波を吸収しやすいため、アルコールが主として加熱され、アルコールを含む含触媒原料液の微小液滴と油脂との界面で反応が進む。油脂は、ほとんどマイクロ波を吸収せず、アルコールのみがマイクロ波を吸収して加熱されるため、混合液全体を加熱することがなく、マイクロ波のエネルギーを効率的に反応に利用することができる。
さらにまた、アルコールよりマイクロ波を吸収しやすいイオン液体を選択すると、油脂中に存在するアルコールとイオン液体とを含む含触媒原料液の微小液滴にマイクロ波が照射された場合に、油脂とアルコールとの界面付近に集中するイオン液体にマイクロ波が主に吸収され、加熱される。この作用により、反応が促進されるとともに、混合液全体を加熱する必要がないため、マイクロ波のエネルギーを効率的に反応に利用することができる。
また、触媒としてマイクロ波を吸収しやすい固体触媒を選択すると、油脂中に存在するアルコールと固体触媒とを含む含触媒原料液の微小液滴にマイクロ波が照射された場合に、油脂とアルコールとの界面付近に集中する固体触媒にマイクロ波が主に吸収され、加熱される。この作用により、反応が促進されるとともに、混合液全体を加熱する必要がないため、マイクロ波のエネルギーを効率的に反応に利用することができる。また、固体触媒は、分離が容易なため、再利用することができ、廃棄物の量を低減することができる。
100:マイクロ波照射部、101、101a、101b:混合器、102:反応管、103:スタブチューナー、104:可動短絡板、105a、105b、105d、215b、215c:送液ポンプ、108a、108b:温度計測部、111:油脂、112:メタノール、115:イオン液体、116:固体触媒、130a、230b:原料タンク、130b:薬液タンク、130d:生成液タンク、131a、131b、131d、231b、231c:攪拌機、140:背圧弁、145a、145b、145c:バルブ、230c:触媒タンク、300:混合器、301:導入部、302:分散部、303:排出部、304、305:パッキン、306:ボルト、311:油脂流入口、312:含触媒原料液流入口、501:導波管。
Claims (14)
- アルコールと触媒とを混合して含触媒原料液を作製した後、該含触媒原料液と油脂とを混合して混合液を作製し、該混合液にマイクロ波を照射することにより、前記油脂を構成する脂肪酸と前記アルコールとが結合した脂肪酸エステルを合成することを特徴とする燃料合成方法。
- 前記混合液は、前記油脂に前記含触媒原料液の液滴が分散したものであることを特徴とする請求項1記載の燃料合成方法。
- 前記触媒は、イオン液体であることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料合成方法。
- 前記イオン液体の比誘電損率は、メタノールの比誘電損率よりも大きいことを特徴とする請求項3記載の燃料合成方法。
- 前記触媒は、固体であることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料合成方法。
- 前記マイクロ波の照射は、前記混合液を標準気圧以上に加圧して行い、前記混合液の温度を標準沸点以上にすることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の燃料合成方法。
- 前記マイクロ波を照射した前記混合液に、少なくとももう一度前記マイクロ波を照射することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の燃料合成方法。
- 前記マイクロ波の照射は、前記混合液の導入を停止し、前記混合液が滞留した状態で行い、その後、前記混合液を入れ替え、再び前記混合液の導入を停止し、前記混合液が滞留した状態で前記マイクロ波を照射することを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の燃料合成方法。
- アルコール及び触媒を含む含触媒原料液と油脂とを混合して混合液を作製する混合部と、該混合液にマイクロ波を照射するマイクロ波照射部とを備え、該マイクロ波照射部は、前記油脂を構成する脂肪酸と前記アルコールとが結合した脂肪酸エステルを合成する機能を有することを特徴とする燃料合成装置。
- 前記混合液は、前記油脂に前記含触媒原料液の液滴が分散したものであることを特徴とする請求項9記載の燃料合成装置。
- さらに、前記アルコールと前記触媒とを混合して前記含触媒原料液を作製する予混合部を備えたことを特徴とする請求項9又は10に記載の燃料合成装置。
- 前記マイクロ波照射部における前記混合液を加圧可能としたことを特徴とする請求項9〜11のいずれか一項に記載の燃料合成装置。
- さらに、前記マイクロ波照射部を通過した前記混合液を前記マイクロ波照射部に還流する流路を備えたことを特徴とする請求項9〜12のいずれか一項に記載の燃料合成装置。
- 前記マイクロ波照射部は、導入を停止し滞留している前記混合液にマイクロ波を照射することを特徴とする請求項9〜13のいずれか一項に記載の燃料合成装置。
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