(57)【要約】【課題】反応側流路における触媒の配置態様を工夫することで、伝熱不足や除熱不足を低減し、反応の効率向上を図る。【解決手段】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側流路２１０と、反応側流路２１０外から反応流体を加熱または冷却する温度制御部（熱媒体側流路２２０）と、反応流体との接触面積が、反応側流路２１０における上流側よりも下流側の方が大きくなるように当該反応側流路２１０内に設けられ、反応流体の反応を促進する触媒１４０と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応対象となる流体である反応流体が流通する反応側流路と、
前記反応側流路外から前記反応流体を加熱または冷却する温度制御部と、
前記反応流体との接触面積が、前記反応側流路における上流側よりも下流側の方が大きくなるように当該反応側流路内に設けられ、前記反応流体の反応を促進する触媒と、
を備えたことを特徴とするリアクタ。
【請求項２】
前記温度制御部は、
伝熱隔壁を介して前記反応側流路と並行して設けられ、前記反応側流路を流通する反応流体と熱交換を行う流体である熱媒体が流通する熱媒体側流路を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載のリアクタ。
【請求項３】
前記熱媒体側流路には、前記熱媒体として気体が流通することを特徴とする請求項２に記載のリアクタ。
【請求項４】
前記反応側流路と、前記熱媒体側流路とが交互に積層されてなることを特徴とする請求項２または３に記載のリアクタ。
【請求項５】
前記触媒は板形状であり、
前記触媒は、前記反応側流路内において、前記反応流体の流通方向に複数に分割されて配されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のリアクタ。
【請求項６】
前記触媒は、互いに離隔して配されることを特徴とする請求項５に記載のリアクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応を遂行するリアクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
流路断面の少なくとも１辺が数ｍｍ程度のリアクタや、１ｍｍ未満のマイクロリアクタ（microreactor）等の微小な空間を反応場とするリアクタ（コンパクトリアクタ）は、単位体積あたりの比表面積が大きいため、伝熱効率が高く、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制御が可能であることから、反応を厳密に制御することが可能となる。
【０００３】
また、反応場となる反応側流路と、伝熱隔壁を隔てて反応側流路と並行して設けられ、当該反応側流路を流通する反応流体と熱交換を行う熱媒体が流通する熱媒体側流路とを備えた熱交換型のリアクタも開発されている。当該熱交換型のリアクタは、反応側流路において効率よく反応を遂行することができるため注目されている。
【０００４】
このようなリアクタでは、反応側流路内（反応場）に触媒を配し、その反応側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。反応側流路内に触媒を配する技術として、波板形状（コルゲート形状）の金属板に触媒を担持させておき、反応側流路全域に亘って触媒が均一に配されるように、当該触媒を担持した金属板を反応側流路に設置する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１５４００１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
リアクタにおいて反応を遂行する場合、反応側流路の上流側（入口側）では、反応流体に未反応の物質が相対的に多く含まれるため反応頻度が高くなるのに対し、反応流体が反応側流路を流通するに連れて反応が進行し、反応側流路の下流側（出口側）では、未反応の物質が目的とする反応生成物に変換されて相対的に少なくなっているため反応頻度が低くなる。したがって、上述した特許文献１に記載された反応側流路全域に亘って触媒が均一に配される従来のリアクタにおいて吸熱反応を遂行する場合、反応側流路の上流側では、反応頻度が高くなりすぎて熱媒体による熱の供給が追いつかず（加熱が律速になり）、触媒が十分機能しない事態が生じてしまう。また、反応側流路の下流側では、反応頻度が低くなるため、熱の供給は十分であるが、触媒が足りない（触媒の量が律速になる）という事態が生じてしまう。
【０００７】
同様に、従来のリアクタにおいて発熱反応を遂行する場合、反応側流路の上流側では、反応頻度が高くなりすぎて熱媒体による反応流体の冷却が追いつかず（除熱が律速になり）、触媒が十分機能しない事態が生じてしまったり、温度が上昇しすぎて触媒が溶解したりするおそれがある。また、反応側流路の下流側では、反応頻度が低くなるため、冷却は十分であるが、触媒が足りないという事態が生じてしまう。
【０００８】
特に、上述したコンパクトリアクタでは、大型のリアクタと比較して、単位体積あたりの触媒に対する反応流体の負荷が相対的に大きくなるため、伝熱律速や除熱律速が顕著になる。
【０００９】
そこで本発明は、このような課題に鑑み、反応側流路における触媒の配置態様を工夫することで、伝熱不足を低減し、反応の効率向上を図ることが可能なリアクタを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明のリアクタは、反応対象となる流体である反応流体が流通する反応側流路と、反応側流路外から反応流体を加熱または冷却する温度制御部と、反応流体との接触面積が、反応側流路における上流側よりも下流側の方が大きくなるように当該反応側流路内に設けられ、反応流体の反応を促進する触媒と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、温度制御部は、伝熱隔壁を介して反応側流路と並行して設けられ、反応側流路を流通する反応流体と熱交換を行う流体である熱媒体が流通する熱媒体側流路を含んで構成されるとしてもよい。
【００１２】
また、熱媒体側流路には、熱媒体として気体が流通するとしてもよい。
【００１３】
また、反応側流路と、熱媒体側流路とが交互に積層されてなるとしてもよい。
【００１４】
また、触媒は板形状であり、触媒は、反応側流路内において、反応流体の流通方向に複数に分割されて配されるとしてもよい。
【００１５】
また、触媒は、互いに離隔して配されるとしてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、反応側流路における触媒の配置態様を工夫することで、伝熱不足を低減し、反応の効率向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】リアクタを説明するための図である。
【図２】反応側流路および熱媒体側流路を説明するための図である。
【図３】リアクタでメタンの水蒸気改質反応を行った場合の反応流体の温度を説明するための図である。
【図４】触媒の流路断面を説明するための図である。
【図５】図２（ｂ）に示す本実施形態の触媒の配列と、図２（ｃ）に示す比較例の触媒の配列とにおける反応流体の温度変化を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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、本明細書および図面において、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。
【００１９】
（リアクタ１００）
図１は、本実施形態にかかるリアクタ１００を説明するための図であり、図２は、反応側流路２１０および熱媒体側流路２２０を説明するための図である。本実施形態の図１および図２では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示の通り定義している。また、図１中、理解を容易にするために触媒１４０の記載を省略する。
【００２０】
図１に示すようにリアクタ１００は、伝熱隔壁１１０が予め定められた間隔離隔して複数積層された構造となっている。また、リアクタ１００を構成する上面１０２、伝熱隔壁１１０（１１０ａ、１１０ｂで示す場合もある）、反応流体導入部１２０、反応流体排出部１２２、熱媒体導入部１３０、熱媒体排出部１３２はすべて金属材料（例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０、Ｈａｙｎｅｓ（登録商標）２３０）等の耐熱金属）で形成されている。
【００２１】
リアクタ１００を製造する場合、伝熱隔壁１１０を積層してそれぞれを接合するとともに、上面１０２を伝熱隔壁１１０に接合する。そして、反応流体導入部１２０、反応流体排出部１２２、熱媒体導入部１３０、熱媒体排出部１３２を積層された伝熱隔壁１１０にそれぞれ接合する。リアクタ１００を製造する際に用いる接合方法に限定はないが、例えば、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接や拡散接合が利用できる。
【００２２】
ここで、伝熱隔壁１１０によって区画される空間のうち、反応流体導入部１２０および反応流体排出部１２２側に形成された孔２１０ａを介して、反応流体導入部１２０および反応流体排出部１２２と連通した空間が反応側流路２１０となる。また、伝熱隔壁１１０によって区画される空間のうち、熱媒体導入部１３０および熱媒体排出部１３２側に形成された孔２２０ａを介して、熱媒体導入部１３０および熱媒体排出部１３２と連通した空間が熱媒体側流路２２０となる。本実施形態のリアクタ１００では、反応側流路２１０と熱媒体側流路２２０とが伝熱隔壁１１０に区画されて並行して設けられるとともに、反応側流路２１０と熱媒体側流路２２０とが交互に積層された構造となっている。
【００２３】
具体的に説明すると、図２（ａ）に示すように、熱媒体側流路２２０は、底面が伝熱隔壁１１０（図２（ａ）中、１１０ａで示す）で構成される。また、熱媒体側流路２２０の上面は上面１０２もしくは後述する伝熱隔壁１１０（図２（ｂ）中、１１０ｂで示す）で構成される。伝熱隔壁１１０ａには、伝熱隔壁１１０間の間隙を保持するためのリブ１１２が複数設けられている。さらに、伝熱隔壁１１０ａには、リアクタ１００の側壁を構成する側壁部１１４と、反応流体導入部１２０からの反応流体の混入を防止するためのサイドバー１１６とが設けられている。また、側壁部１１４のうち、熱媒体導入部１３０および熱媒体排出部１３２が接合される側の側壁部１１４には、切り欠き１１４ａが設けられており、伝熱隔壁１１０が積層されたときに、当該切り欠き１１４ａが孔２２０ａを形成することとなる。そして、熱媒体導入部１３０から孔２２０ａを介して熱媒体側流路２２０内へ熱媒体が導入されたり、熱媒体側流路２２０内から孔２２０ａを介して熱媒体排出部１３２へ熱媒体が排出されたりする。
【００２４】
反応側流路２１０は、図２（ｂ）に示すように、底面が伝熱隔壁１１０ｂで構成される。また、反応側流路２１０の上面は、伝熱隔壁１１０ａで構成される。伝熱隔壁１１０ｂにも、上記伝熱隔壁１１０ａと同様に伝熱隔壁１１０間の間隙を保持するための複数のリブ１１２と、側壁部１１４が複数設けられている。なお、伝熱隔壁１１０ｂには、伝熱隔壁１１０ａと異なり、サイドバー１１６が設けられていないため、両側壁部１１４間に間隙１１４ｂが形成されることとなる。間隙１１４ｂは、伝熱隔壁１１０が積層されたときに、孔２１０ａを形成する。そして、反応流体導入部１２０から孔２１０ａを介して反応側流路２１０内へ反応流体が導入されたり、反応側流路２１０内から孔２１０ａを介して反応流体排出部１２２へ反応生成物が排出されたりする。また、反応側流路２１０には、波板形状（コルゲート形状）の金属板に活性金属が担持された触媒１４０（図２（ｂ）中、１４０ａ、１４０ｂで示す）が設置される。
【００２５】
ここで、活性金属は、反応側流路２１０において遂行される反応に適した活性金属であり、例えば、反応側流路２１０において遂行される反応が、メタンの水蒸気改質反応である場合、Ｎｉ（ニッケル）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｐｔ（白金）の群から選択される１または複数の金属である。また、本実施形態において、活性金属は、金属板に実質的に均一に担持されているものとする。
【００２６】
図１に戻って説明すると、熱媒体導入部１３０から熱媒体が導入されると、図１（ａ）中実線の矢印で示すように、熱媒体側流路２２０を熱媒体が流通し、熱媒体排出部１３２から排出される。また、反応流体導入部１２０から反応流体（反応対象となる流体）が導入されると、図１（ｂ）中破線の矢印で示すように、反応側流路２１０を反応流体が流通し、反応流体排出部１２２から排出される。なお、図１に示すように、本実施形態において、反応流体と熱媒体とは、対向流の関係となっている。
【００２７】
このように、反応側流路２１０と熱媒体側流路２２０とが伝熱隔壁１１０に区画されて並行して設けられることから、熱媒体側流路２２０を流通する熱媒体は、伝熱隔壁１１０を介して、反応側流路２１０を流通する反応流体と熱交換することとなる。ここで、反応側流路２１０において吸熱反応が遂行される場合、熱媒体側流路２２０および熱媒体は、反応側流路２１０を流通する反応流体に熱を供給（加熱）し、反応側流路２１０において発熱反応が遂行される場合、熱媒体側流路２２０および熱媒体は、反応側流路２１０を流通する反応流体を除熱（冷却）する温度制御部として機能する。
【００２８】
なお、本実施形態において、熱媒体側流路２２０には、熱媒体として気体が流通する。かかる構成により、熱媒体を液体で構成する場合と比較して、取り扱いが容易である。
【００２９】
このようなリアクタ１００の反応側流路２１０において反応を遂行する場合、反応側流路２１０の上流側では、反応流体に未反応の物質が相対的に多く含まれるため反応頻度が高くなるのに対し、反応流体が反応側流路２１０を流通するに連れて反応が進行し、反応側流路２１０の下流側では、未反応の物質が、目的とする反応生成物に変換されて相対的に少なくなっているため反応頻度が低くなる。
【００３０】
したがって、図２（ｃ）に示す比較例のように、反応側流路２１０全域に亘って触媒１４を均一に配すると、吸熱反応を遂行する場合、反応側流路２１０の上流側では、反応頻度が高くなりすぎて熱媒体による熱の供給が追いつかず（加熱が律速になり）、触媒１４が十分機能しない事態が生じてしまう。また、反応側流路２１０の下流側では、反応頻度が低くなるため、熱の供給は十分であるが、触媒１４が足りない（触媒１４の量が律速になる）という事態が生じてしまう。
【００３１】
例えば、下記化学式（１）に示すメタンの水蒸気改質反応や、化学式（２）に示すメタンのドライリフォーミング反応は、吸熱反応であるため、反応側流路２１０の上流側では、加熱が律速になり、反応側流路２１０の下流側では、触媒１４の量が律速になる。
ＣＨ４  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ３Ｈ２  ＋  ＣＯ…化学式（１）
上記化学式（１）に示す、メタンの水蒸気改質反応は、エンタルピー変化（Δ０２９８Ｈ）が−２０６ｋＪ／ｍｏｌ程度の吸熱反応である。
ＣＨ４  ＋  ＣＯ２  →  ２Ｈ２  ＋  ２ＣＯ…化学式（２）
上記化学式（２）に示す、メタンのドライリフォーミング反応は、エンタルピー変化（Δ０２９８Ｈ）が−２４７ｋＪ／ｍｏｌ程度の吸熱反応である。
【００３２】
また、例えば、下記化学式（３）に示すＦＴ（Fischer Tropsch）合成反応は、発熱反応であるため、反応側流路２１０の上流側では、除熱が律速になり、反応側流路２１０の下流側では、触媒１４の量が律速になる。
【００３３】
（２ｎ＋１）Ｈ２  ＋  ｎＣＯ  →  ＣｎＨ２ｎ＋２  ＋  ｎＨ２Ｏ…化学式（３）
このように、加熱律速や除熱律速といった伝熱律速になるということは、触媒１４が不要に配されているということである。
【００３４】
また、例えば、図１中Ｘ軸方向の距離が１ｍ程度、図１中Ｙ軸方向の距離が１ｍ程度、伝熱隔壁１１０間の離隔距離が数ｍｍ程度（例えば、４ｍｍ）であるような、流路断面の少なくとも１辺が数ｍｍ程度のリアクタ１００や、１ｍｍ未満のマイクロリアクタ（microreactor）等の微小な空間を反応場とするリアクタ１００（コンパクトリアクタ）においては、大型のリアクタと比較して、単位体積あたりの触媒１４に対する反応流体の負荷が相対的に大きくなるため、伝熱律速が顕著になる。なお、図１では、理解を容易にするために、図１中Ｘ軸方向の距離およびＹ軸方向の距離と比較して、伝熱隔壁１１０間の離隔距離を大きく示している。
【００３５】
図３は、リアクタ１００でメタンの水蒸気改質反応を行った場合の反応流体の温度を説明するための図である。図３中、白四角のＳＶ（Space Velocity）を１とした場合、黒四角のＳＶは２、白丸のＳＶは６、黒丸のＳＶは１０である。ここで、ＳＶは、触媒１４０に対する反応流体の負荷を示す値である。図３に示すように、ＳＶが大きくなる（触媒１４０に対する反応流体の負荷が大きくなる）に従って、すなわち、流路断面積が小さくなるに従って、反応側流路２１０の上流側の温度低下が顕著となることが分かる。つまり、流路断面積が小さくなるに従って、反応側流路２１０の上流側が伝熱律速になりやすいということが分かる。
【００３６】
さらに、上記比較例に示したように反応側流路２１０全域に亘って触媒１４を均一に配して、吸熱反応や発熱反応が遂行されると、反応側流路２１０自体や熱媒体側流路２２０自体に、流路方向に温度差（温度勾配）が生じる。そうすると、反応側流路２１０と熱媒体側流路２２０とを区画する伝熱隔壁１１０に熱応力がかかる。上述したように、伝熱隔壁１１０の外周は、側面１０４、１０６ａ、１０６ｂと接合されているため、伝熱隔壁１１０に熱応力がかかると伝熱隔壁１１０に歪み（ガタ）が生じるおそれがある。
【００３７】
そこで、本実施形態では、反応側流路２１０における触媒１４０の配置態様を工夫することで、伝熱不足を低減し、反応の効率向上を図る。
【００３８】
本実施形態において、触媒１４０は、反応流体との接触面積が、反応側流路２１０における上流側よりも下流側の方が大きくなるように当該反応側流路２１０内に設けられる。図２に戻って、具体的に説明すると、触媒１４０は、反応側流路２１０内において、反応流体の流通方向に複数（本実施形態では２つ）に分割されて配され、反応側流路２１０における上流側には、触媒１４０ａが配され、下流側には触媒１４０ｂが配される。
【００３９】
図４は、触媒１４０の流路断面を説明するための図であり、図４（ａ）は、反応側流路２１０の上流側に配される触媒１４０ａの流路断面を、図４（ｂ）は、反応側流路２１０の下流側に配される触媒１４０ｂの流路断面を示す。図４に示すように、触媒１４０ａの流路断面と、触媒１４０ｂの流路断面とを比較すると、触媒１４０ｂの方が折り返しの数が多い。すなわち、反応流体と触媒１４０との接触面積は、上流側よりも下流側が大きくなるように、触媒１４０が配されることになる。
【００４０】
図５は、図２（ｂ）に示す本実施形態の触媒１４０ａ、１４０ｂの配列と、図２（ｃ）に示す比較例の触媒１４の配列とにおける反応流体の温度変化を説明するための図である。図５に破線で示すように、図２（ｃ）に示す反応側流路２１０全域に亘って触媒１４が均一に配される比較例では、反応側流路２１０の上流側では、反応頻度が高くなりすぎて熱媒体による熱の供給が追いつかず（加熱が律速になり）、急激に温度が低下してしまう。
【００４１】
一方、図５に実線で示すように、図２（ｂ）に示す反応側流路２１０の上流側に相対的に折り返し数の少ない触媒１４０ａが配され、下流側に相対的に折り返し数の多い触媒１４０ｂが配される本実施形態のリアクタ１００では、反応側流路２１０の上流側において、温度低下が抑制される。
【００４２】
このように反応流体との接触面積が、反応側流路２１０における上流側よりも下流側の方が大きくなるように触媒１４０を設ける構成により、反応頻度が高くなる傾向にある上流側において、触媒１４０と反応流体との接触面積を相対的に小さくすることで、反応頻度の増加を抑制し、伝熱不足を低減して、伝熱律速を防止することができる。また、反応頻度が低くなる傾向にある下流側において、触媒１４０と反応流体との接触面積を相対的に大きくすることで、反応頻度を増加させることができる。これにより、反応の効率を向上することが可能となる。
【００４３】
さらに、反応側流路２１０の流路方向における温度差を低減することができるため、伝熱隔壁１１０に作用する熱応力を低減することができ、伝熱隔壁１１０の歪みを抑制することが可能となる。
【００４４】
なお、本実施形態において触媒１４０は、波板形状の金属板に活性金属が担持されたものを用いているが、触媒１４０を波板形状とすることで、折り返しの数を容易に変更することができ、反応流体との様々な接触面積を実現することができる。
【００４５】
また、触媒１４０ａと触媒１４０ｂとを反応側流路２１０に配する場合、触媒１４０ａと触媒１４０ｂとを互いに離隔して配するとよい。これにより、触媒１４０ａと触媒１４０ｂとの間で反応流体の流れが滞留してしまう事態を回避することが可能となる。
【００４６】
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。
【００４７】
例えば、上述した実施形態においては、触媒１４０として、波板形状の金属板に活性金属が担持されたものを例に挙げて説明したが、反応流体との接触面積が、反応側流路２１０における上流側よりも下流側の方が大きくなるように反応側流路２１０内に設けられれば、触媒１４０の形状に限定はない。例えば、平板形状の金属板に活性金属が担持されたものであってもよく、この場合、上流側と下流側とで金属板の表面積を変えればよい。また、板に塗布する活性金属の量を変化させることで、反応流体との接触面積が、反応側流路２１０における上流側よりも下流側の方が大きくなるようにしてもよい。
【００４８】
また、上述した実施形態において、触媒１４０は、反応側流路２１０内において、反応流体の流通方向に２つに分割されて配される場合を例に挙げて説明したが、２つに限らず、３つ以上に分割されて配されていてもよいし、例えば、触媒１４０ａ、１４０ｂを一体的に構成してもよい。
【００４９】
また、上述した実施形態において、温度制御部として熱媒体側流路２２０を例に挙げて説明した。しかし、反応側流路２１０外から反応流体を加熱したり、冷却したりすることができれば、温度制御部はヒータやクーラであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、反応を遂行するリアクタに利用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１００  …リアクタ
１１０  …伝熱隔壁
１１０ａ  …伝熱隔壁
１１０ｂ  …伝熱隔壁
１４０  …触媒
２１０  …反応側流路
２２０  …熱媒体側流路（温度制御部）
【図１】
2014151245.tif 000003
【図２】
2014151245.tif 000004
【図３】
2014151245.tif 000005
【図４】
2014151245.tif 000006
【図５】
2014151245.tif 000007