(57)【要約】【課題】並列化された反応流体デバイスに対して均等に反応流体を供給することにより、目的となる流体を効率良く生産することが可能な固定床反応器を提供する。【解決手段】固定床反応器１０は、並列化された複数の反応流体デバイス２０と、反応流体デバイス２０それぞれに対して反応流体を分岐して供給する分岐流体デバイス３０と、複数の反応流体デバイス２０それぞれから排出された反応後の流体を合一する合流流体デバイス４０とを備えている。分岐流体デバイス３０は、入口３１と、マイクロチャンネル３３を介して入口３１に接続された複数の出口３２とを有している。各反応流体デバイス２０は、入口２１と、固定床２４が設けられたマイクロチャンネル２２と、出口２３とを有している。合流流体デバイス４０は、複数の入口４１と、マイクロチャンネル４３を介して入口４１に接続された出口４２とを有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流通反応を行う固定床反応器であって、
複数の反応流体デバイスと、
前記複数の反応流体デバイスに接続され、当該複数の反応流体デバイスそれぞれに対して反応流体を分岐して供給する分岐流体デバイスと、
前記複数の反応流体デバイスに接続され、当該複数の反応流体デバイスそれぞれから排出された反応後の流体を合一する合流流体デバイスとを備えたことを特徴とする固定床反応器。
【請求項２】
前記分岐流体デバイスは、前記反応流体が流入する分岐流体デバイス入口と、前記分岐流体デバイス入口に接続され、途中で分岐するマイクロチャンネルと、前記マイクロチャンネルににそれぞれ連通して前記複数の反応流体デバイスにそれぞれ前記反応流体を供給する複数の分岐流体デバイス出口とを有し、
各反応流体デバイスは、各分岐流体デバイス出口からの前記反応流体が流入する反応流体デバイス入口と、前記反応流体デバイス入口に接続され、前記流通反応を行うための固定床が設けられたマイクロチャンネルと、前記マイクロチャンネルに連通され、前記固定床に接触した前記反応後の流体が流出する反応流体デバイス出口とを有し、
前記合流流体デバイスは、各反応流体デバイス出口からの前記反応後の流体がそれぞれ流入する複数の合流流体デバイス入口と、途中で合一するマイクロチャンネルを介して前記合流流体デバイス入口に接続され、前記反応後の前記流体を合一して排出する合流流体デバイス出口とを有することを特徴とする請求項１記載の固定床反応器。
【請求項３】
前記反応流体デバイス内部の前記固定床に対して個々の前記反応流体を導入する前記マイクロチャンネルのうち、最も大きな圧力勾配を生じさせる部分の断面積を前記固定床の数だけ足し合わせた総和をΣＳ１とし、
前記分岐流体デバイス内部の前記マイクロチャンネルであって前記反応流体デバイスに前記反応流体を供給する前記分岐後のマイクロチャンネルのうち、最も大きな圧力勾配を生じさせる部分の断面積をＳ２としたとき、
ΣＳ１／５０  ＜  Ｓ２  ＜  ΣＳ１
という関係が成り立つことを特徴とする請求項２記載の固定床反応器。
【請求項４】
前記反応流体デバイスの前記反応流体デバイス出口の断面積をＳ３とし、
前記反応流体デバイスの個数をｎとし、
前記合流流体デバイスの前記マイクロチャンネルであって合一後の前記マイクロチャンネルのうち、最も大きな圧力勾配を生じさせる部分の断面積をＳ４としたとき、
Ｓ３  ＜  Ｓ４  ＜  Ｓ３×ｎ
という関係が成り立つことを特徴とする請求項２又は３記載の固定床反応器。
【請求項５】
前記反応流体デバイスには、複数の反応流体デバイス入口が設けられ、前記複数の反応流体デバイス入口は、それぞれ互いに異なる複数種類の反応流体に対応しており、
前記分岐流体デバイスは、前記異なる複数種類の反応流体に対応して複数設けられていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項記載の固定床反応器。
【請求項６】
前記異なる複数種類の反応流体は、少なくとも気体および液体を含むことを特徴とする請求項５記載の固定床反応器。
【請求項７】
前記液体は、水および／またはアルコールを含むことを特徴とする請求項６に記載の固定床反応器。
【請求項８】
前記気体は、水素および／または酸素を含有することを特徴とする請求項６に記載の固定床反応器。
【請求項９】
前記固定床に、触媒からなる充填物が充填されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項記載の固定床反応器。
【請求項１０】
前記触媒が、パラジウムおよび酸化チタンを少なくとも含有することを特徴とする請求項９に記載の固定床反応器。
【請求項１１】
前記触媒が、金を更に含有することを特徴とする請求項１０に記載の固定床反応器。
【請求項１２】
請求項６記載の固定床反応器を用いた過酸化水素の製造方法であって、
前記気体は水素及び酸素を含み、前記液体は水を含むことを特徴とする過酸化水素の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定床反応器及びそれを用いた過酸化水素の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、断面積が０．０１ｃｍ２前後、更には、それ以下の微小な管（マイクロチャンネル）を用いた、連続プロセスの開発が精力的に進められている。このような技術の特徴は、管の比表面積が高いことを活かして除熱を効率化することで、反応制御性を大幅に向上させること、そして物質移動を効率化することにより反応の効率を向上することにある。
【０００３】
反応制御性を大幅に向上させることができる例として、気相のフッ素を用いた直接フッ素化反応や、マイクロチャンネルを用いて、水素及び酸素の反応を効率よく制御した例などが知られている（非特許文献１）。
【０００４】
特に、水素及び酸素の反応については、過酸化水素の製造プロセスへの応用が期待されている。従来、過酸化水素は、アントラキノン法と呼ばれる方法により製造されている。しかしながら、この方法プロセスでは、プロセス運転中にアントラキノンや溶剤が逐次的に分解し、これが、製品である過酸化水素に混入する問題点が指摘されている。このため、そのような不純物を生じない、水素及び酸素による直接反応プロセスへの代替技術が長年にわたり検討されている。
【０００５】
水素及び酸素を用いた直接反応プロセスによる過酸化水素の製造では、水素及び酸素のほか、過酸化水素を安定的に回収するための微量の安定剤を含有した水溶液、及びパラジウムや金などの貴金属を主成分とした触媒からなる反応系が用いられる。具体的には、触媒上で、水に溶存した水素及び酸素が反応して、過酸化水素を生成する。
【０００６】
本プロセスを産業的に実現していく際には、安全性及び生産性の観点から課題がある。まず、水素及び酸素は、きわめて広い範囲で爆発性混合気を形成するため、従来技術においては、水素分圧を４％以下に絞った条件で運転する必要があった。また、過酸化水素は、水中に溶存した水素及び酸素の反応により生成するため、おのおのの成分の溶存効率を向上する必要がある。
【０００７】
このようなプロセスの課題を解決するためには、マイクロチャンネルを用いた連続プロセス技術が有効であると考えられる。これは、マイクロチャンネルの比表面積が高いことを活かして除熱を効率化することで、反応制御性を大幅に向上させることができること、そして物質移動を効率化することにより、反応の効率を向上させることが期待できることによる。
【０００８】
ところで、マイクロチャンネルを用いた連続反応器の開発において、高度の反応制御性を確保しながら、必要とされる生産量を確保するためには、マイクロチャンネルを並列化することが不可欠である。この場合、見込み通りに生産性を確保するためには、マイクロチャンネルごとの反応条件を均一にそろえる必要がある。
【０００９】
例えば、北森らは、ガラス製リアクターの貼り合わせによる並列化方法を開示している（特許文献１）。しかし、この方法は液相反応に限定されるうえ、並列化の度合いが大きくなると、偏流によりマイクロチャンネルごとの反応溶液の流速が異なることが問題となる。
【００１０】
また、Ｔｏｎｋｏｖｉｃｈらは、マイクロチャンネルを並列化したリアクターを開示しており（特許文献２）、各マイクロチャンネルへ均等に流体を分配できることを示している。しかしながら、特許文献２において、単一種類の流体を流通した場合のみが開示されており、過酸化水素を製造する場合のような気液固混相反応への適用の可否は明らかでない。
【００１１】
さらに、Ｗａｄａらは、オゾン酸化反応を行うための１６本のマイクロチャンネルを並列化したリアクターを開示している（非特許文献２）。本リアクターにおいて、微細加工技術により各マイクロチャンネル内にポスト型構造が集積されており、物質移動の効率化された気液混相流が形成されていることを示している。しかしながら、固体触媒反応への適用を考えると触媒のマイクロチャンネル内への集積という観点から課題がある。また、触媒が集積された条件で１６本のチャンネル間に均等な気液混相流が形成されるか否かは明らかでない。
【００１２】
一方、本発明者らは、単一の流体デバイス内に、並列な固定床を有し、かつ各固定床に均一に反応流体を分配することを可能とするようなマイクロチャンネルを備えた流体デバイスを用いて水素および酸素を用いた過酸化水素合成に成功している。このときの反応成績は、単独の固定床の生産性を並列化した分だけ増大した結果となっている（特許文献３）。
【００１３】
マイクロチャンネルの並列化において、単一の流体デバイス内において並列に反応を行うことと併せて、流体デバイスそのものの並列化も不可欠であるが、これまでに挙げた並列化はいずれも単一流体デバイスの中の並列化である。さらなる反応処理量の増大を実現するためには、流体デバイスそのものを並列化する反応器設計が必須であり、技術開発が強く求められてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００２−２９２２７５号公報
【特許文献２】米国特許公開第２００７／０２４６１０６Ａ１号公報
【特許文献３】ＷＯ２０１０／０４４２７１号広報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ｖｏｌｋｅｒ  Ｈｅｓｓｅｌ，Ｓｔｅｆｆｅｎ  Ｈａｒｄｔ，Ｈｏｌｇｅｒ  Ｌｏｅｗｅ共著、“Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｉｃｒｏ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｅｎｇｉｎｅｒｒｉｎｇ−Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ，Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ  ａｎｄ  Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ”、２００４年、出版社；Ｗｉｌｅｙ−ＶＣＨ  Ｖｅｒｌａｇ  ＧｍｂＨ＆Ｃｏ．ＫＧａＡ，Ｗｅｉｎｈｅｉｍ（ＩＳＢＮ：３−５２７−３０７４１−９）
【非特許文献２】Ｙａｓｕｈｉｒｏ  Ｗａｄａほか、“Ｆｌｏｗ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｏｚｏｎｏｌｙｓｉｓ  ｉｎ  Ｇａｓ−Ｌｉｑｕｉｄ  Ｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌ  Ｍｉｃｒｏｒｅａｃｔｏｒｓ”、Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ、４５巻、８０３６−８０４２（２００６年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
このような状況の中で、本発明者は、上記従来技術に鑑みて、産業的な生産に対応可能な、マイクロチャンネルを用いた連続気液混相反応器を開発することを目標として鋭意研究を重ねた。この結果、固定床部分を有し、反応を司る流体デバイス（反応流体デバイス）を並列化し、かつ所定の方法で反応流体を分岐、合流させる反応器の構成を採用することにより所期の目的を達成することができることを見出し、本発明を完成した。
【００１７】
すなわち、本発明は、従来の反応器に比べて、気相、かつ液相への物質移動を１０〜１００倍の高効率で気液混相反応を行うことができる反応流体デバイスを並列化し、マイクロチャンネルにて反応を行う特徴を保ちつつ生産性を向上することが可能な、固定床反応器及びそれを用いた過酸化水素の製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、流通反応を行う固定床反応器であって、複数の反応流体デバイスと、前記複数の反応流体デバイスに接続され、当該複数の反応流体デバイスそれぞれに対して反応流体を分岐して供給する分岐流体デバイスと、前記複数の反応流体デバイスに接続され、当該複数の反応流体デバイスそれぞれから排出された反応後の流体を合一する合流流体デバイスとを備えたことを特徴とする固定床反応器である。
【００１９】
前記分岐流体デバイスは、前記反応流体が流入する分岐流体デバイス入口と、前記分岐流体デバイス入口に接続され途中で分岐するマイクロチャンネル、さらに前記分岐マイクロチャンネルにそれぞれ連通して前記複数の反応流体デバイスにそれぞれ前記反応流体を供給する複数の分岐流体デバイス出口とを有する。各反応流体デバイスは、各分岐流体デバイス出口から前記反応流体が流入する反応流体デバイス入口と、前記反応流体デバイス入口に接続され、前記流通反応を行うための固定床が設けられたマイクロチャンネルと、前記マイクロチャンネルに連通され、前記固定床に接触した反応後の流体が流出する反応流体デバイス出口とを有する。前記合流流体デバイスは、各反応流体デバイス出口からの前記反応後の流体がそれぞれ流入する複数の合流流体デバイス入口と、途中で合一するマイクロチャンネルを介して前記合流流体デバイス入口に接続され、前記反応後の前記流体を合一して排出する合流流体デバイス出口とを有する。本発明の反応器は、これらの連結からなることを特徴とする固定床反応器である。
【００２０】
本発明は、前記反応流体デバイス内部の前記固定床に対して前記個々の反応流体を導入する前記マイクロチャンネルについて最も大きな圧力勾配を生じさせる部分の断面積を前記固定床の数だけ足し合わせた総和をΣＳ１とし、前記分岐流体デバイス内部のマイクロチャンネルにあって前記反応流体デバイスに前記反応流体を供給する前記分岐後のマイクロチャンネルについて、最も大きな圧力勾配を生じさせる部分の変化後の断面積をＳ２としたとき、ΣＳ１／５０  ＜  Ｓ２  ＜  ΣＳ１という関係が成り立つことを特徴とする固定床反応器である。
【００２１】
本発明は、前記反応流体デバイスの前記反応流体デバイス出口の断面積をＳ３とし、前記反応流体デバイスの個数をｎとし、前記合流流体デバイスにあって合流後の前記チャンネル中最も大きな圧力勾配を生じさせる部分の変化後の断面積をＳ４としたとき、Ｓ３  ＜  Ｓ４  ＜  Ｓ３×ｎという関係が成り立つことを特徴とする固定床反応器である。
【００２２】
本発明は、前記反応流体デバイスには、複数の反応流体デバイス入口が設けられ、前記複数の反応流体デバイス入口は、それぞれ互いに異なる複数種類の反応流体に対応しており、前記分岐流体デバイスは、前記異なる複数種類の反応流体に対応して複数設けられていることを特徴とする固定床反応器である。
【００２３】
本発明は、前記異なる複数種類の反応流体は、少なくとも気体および液体を含むことを特徴とする固定床反応器である。
【００２４】
本発明は、前記液体は、水および／またはアルコールを含むことを特徴とする固定床反応器である。
【００２５】
本発明は、前記気体は、水素および／または酸素を含有することを特徴とする固定床反応器である。
【００２６】
本発明は、前記固定床に、触媒からなる充填物が充填されていることを特徴とする固定床反応器である。
【００２７】
本発明は、前記触媒が、パラジウムおよび酸化チタンを少なくとも含有することを特徴とする固定床反応器である。
【００２８】
本発明は、前記触媒が、金を更に含有することを特徴とする固定床反応器である。
【００２９】
本発明は、固定床反応器を用いた過酸化水素の製造方法であって、前記気体は水素及び酸素を含み、前記液体は水を含むことを特徴とする過酸化水素の製造方法である。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、反応流体デバイスを並列化し、反応流体の流通量の増大に応じてこの並列化された反応流体デバイスに対して均等に反応流体を供給することにより、目的とする流体を効率良く生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態による固定床反応器を示す構成図。
【図２】図２は、本発明の一実施の形態による固定床反応器の分岐流体デバイスを示す図。
【図３】図３は、本発明の一実施の形態による固定床反応器の反応流体デバイスを示す図。
【図４】図４は、本発明の一実施の形態による固定床反応器の合流流体デバイスを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の一実施の形態について、図１乃至図４を参照して説明する。図１乃至図４は、本発明の一実施の形態を示す図である。以下においては、主として、固定床反応器１０が過酸化水素合成に用いられる場合を例にとって説明するが、これに限られるものではない。
【００３３】
本実施の形態による固定床反応器１０は、反応流体を用いて流通反応を行うものである。この固定床反応器１０は、図１に示すように、並列化された複数（図１では４個）の反応流体デバイス２０と、反応流体デバイス２０の入口側に接続された複数の分岐流体デバイス３０と、反応流体デバイス２０の出口側に接続された合流流体デバイス４０とを備えている。
【００３４】
（分岐流体デバイス）
分岐流体デバイス３０は、複数の反応流体デバイス２０それぞれに対して反応流体を分岐して供給するものである。図２に示すように、各分岐流体デバイス３０は、１つの分岐流体デバイス入口３１（以下、単に入口３１ともいう）と、入口３１にそれぞれ連通された、複数（この場合は４個）の分岐流体デバイス出口３２（以下、単に出口３２ともいう）とを有している。
【００３５】
このうち入口３１は、図示しない外部のポンプに連結されており、外部のポンプからの反応流体が、入口３１に流入するようになっている。
【００３６】
また、入口３１と複数の出口３２とは、反応流体を通過させるとともに途中で分岐するマイクロチャンネル（流路）３３によって接続されている。さらに、マイクロチャンネル３３の途中には、反応流体を分岐する分岐部３４が設けられ、分岐部３４と各出口３２との間には、マイクロチャンネル３３の断面積を狭くした縮径部３５がそれぞれ設けられている。なお、縮径部３５は、分岐流体デバイス３０の中で最も圧力勾配の大きな部分となっている。
【００３７】
出口３２は、反応流体デバイス２０の数と同一の個数だけ設けられている。各出口３２は、それぞれ配管１５（図１）を介して、対応する反応流体デバイス２０の反応流体デバイス入口２１に接続されている。これにより、複数の反応流体デバイス２０に対してそれぞれ反応流体を供給できるようになっている。
【００３８】
なお、各出口３２と入口３１と間に位置するマイクロチャンネル３３、分岐部３４および縮径部３５の形状は、４つの出口３２に関してそれぞれ対称となっている。すなわち、分岐流体デバイス３０の形状は、その長手方向中心線Ｌ１に対して線対称となっており、かつ長手方向に垂直な中心線Ｌ２に対しても線対称となっている。これにより、入口３１から流入した反応流体が、４つの出口３２のそれぞれから均一に流出するようになっている。
【００３９】
このような分岐流体デバイス３０は、並列化する反応流体デバイス２０の形状により変化しうる。たとえば水素及び酸素を用いた過酸化水素合成を行う場合においては、水素、酸素および反応溶液を、並列化された反応流体デバイス２０に対して供給する必要があるため、これら少なくとも３種類の流体を分岐させるための３つの分岐流体デバイス３０が必要となる。これら３種類の流体は、圧力勾配により供給される。例えば、図１において、分岐流体デバイス３０は、水素用の分岐流体デバイス３０Ａ、酸素用の分岐流体デバイス３０Ｂ、および反応溶液用の分岐流体デバイス３０Ｃから構成されている。
【００４０】
（反応流体デバイス）
また、各反応流体デバイス２０は、図３に示すように、反応流体デバイス入口２１（以下、単に入口２１ともいう）と、入口２１に接続され、流通反応を行うための固定床２４が設けられたマイクロチャンネル２２と、マイクロチャンネル２２に接続され、反応後の流体が流出する反応流体デバイス出口２３（以下、単に出口２３ともいう）とを有している。
【００４１】
このうち入口２１は、分岐流体デバイス３０の出口３２からの反応流体が流入するものである。この場合、入口２１は、水素用の入口２１Ａ、酸素用の入口２１Ｂ、および反応溶液用の入口２１Ｃの３つから構成されている。
【００４２】
各入口２１は、それぞれマイクロチャンネル２２を介して複数の固定床２４に連通されている。すなわち、各入口２１から流入する反応流体が、マイクロチャンネル２２を通過して複数の固定床２４に達するようになっている。なお、図３においては、反応溶液用の入口２１Ｃと固定床２４とを接続するマイクロチャンネル２２について図示しており、水素用の入口２１Ａと固定床２４とを接続するマイクロチャンネル２２、および酸素用の入口２１Ｂと固定床２４とを接続するマイクロチャンネル２２については、図示を省略している。また、マイクロチャンネル２２は、０．００００３ｃｍ２〜０．０５ｃｍ２の断面積を有している。
【００４３】
さらに、固定床２４を経た反応後の流体は、マイクロチャンネル２２を通過して合流し、１つの出口２３から流出するようになっている。この出口２３は、配管１６（図１）を介して合流流体デバイス４０の入口４１に接続されている。これにより、出口２３から流出した反応後の流体が、対応する入口４１に流入するようになっている。
【００４４】
固定床２４には、さらに固定床２４に対して充填物（例えば触媒）を導入するための充填物用マイクロチャンネル２５が接続されている。なお、充填物用マイクロチャンネル２５には入口２６が設けられており、この入口２６は、反応中には閉止されている。
【００４５】
反応流体デバイス２０中に含有される固定床２４の数は問わない。たとえば１個の反応流体デバイス２０あたり１本でもよく、数本から数十本並列化されていても良い。本実施の形態では、１６本の固定床２４が設けられている例を示している。
【００４６】
また、本実施の形態において、反応流体デバイス２０は４つ並列化されて設けられているが、反応流体デバイス２０の数は２以上であれば良く、これに限定されるものではない。また、本実施の形態において、反応流体デバイス２０は全て略同一の構成を有している。
【００４７】
反応流体デバイス２０の固定床２４には、目的とする反応に応じて、該反応用の触媒等の充填物を充填することができる。とりわけ水素及び酸素を用いて過酸化水素を製造することを目的とした反応流体デバイス２０においては、その固定床２４に、貴金属微粒子が担持された触媒、好適には、パラジウムをチタニア担体に担持したものを用いることができる。さらに、金を触媒成分に含むことにより、より高い反応効率を実現できる場合もある。
【００４８】
このような並列化された反応流体デバイス２０は、触媒など固定床部分を有したマイクロチャンネルからなる反応流体デバイスであればよく、たとえば本発明者らが上記特許文献３にて開示したマイクロ流体デバイスを利用することもできる。
【００４９】
（合流流体デバイス）
合流流体デバイス４０は、複数の反応流体デバイス２０のそれぞれから排出された反応後の流体を合一するものである。
【００５０】
この合流流体デバイス４０は、図４に示すように、各反応流体デバイス２０の出口２３からの反応後の流体がそれぞれ流入する複数の合流流体デバイス入口４１（以下、単に入口４１ともいう）と、入口４１に連通され、反応後の流体を合一して流出する合流流体デバイス出口４２（以下、単に出口４２ともいう）とを有している。
【００５１】
また、複数の入口４１と出口４２とは、反応後の流体を通過させるとともに途中で合一するマイクロチャンネル（流路）４３により接続されている。このマイクロチャンネル４３の途中には、反応後の流体を合一する合流部４４が設けられている。
【００５２】
本実施の形態において、反応流体デバイス２０、分岐流体デバイス３０および合流流体デバイス４０を流通する流体は、圧力勾配によって送られる。この圧力勾配は、流体が流通する流路の断面積に反比例するため、流体の種類が同一であれば流路の断面積の大小により評価することができる。本実施の形態において、分岐流体デバイス３０の各出口３２における圧力勾配を、並列化した反応流体デバイス２０において生じる圧力勾配に比して大きくなるように、分岐流体デバイス３０および反応流体デバイス２０が設計されている。これにより、反応流体が各反応流体デバイス２０への均等に分配されるようになっている。
【００５３】
すなわち、反応流体デバイス２０の固定床２４に対して反応流体を導入するマイクロチャンネル２２は、少なくとも１つの圧力勾配が生じるように断面積が変化しており、最も大きな圧力勾配を生じさせる部分（例えば、マイクロチャンネル２２のうち固定床２４から出口部分Ｐ（図３））の変化後の断面積を固定床の数（例えば、図３では１６本）だけ足し合わせた総和をΣＳ１する。また、分岐流体デバイス３０のマイクロチャンネル３３は、少なくとも１つの圧力勾配が生じるように断面積が変化しており、マイクロチャンネル３３のうち最も大きな圧力勾配を生じさせる部分（例えば縮径部３５）の断面積をＳ２としたとき、
ΣＳ１／５０  ＜  Ｓ２  ＜  ΣＳ１・・・・・（１）
という関係が成り立っている。これにより、分岐流体デバイス３０から反応流体デバイス２０への入口部分で圧力損失を生じさせ、分岐流体デバイス３０から反応流体デバイス２０へ反応流体を均等に分配することが可能となる。
【００５４】
なお、（１）式において、Ｓ２がΣＳ１より大きくなった場合、分岐流体デバイス３０のマイクロチャンネル３３における圧力勾配が十分でなくなるおそれがある。このため、反応流体の分配はさまざまな擾乱により乱されて、結果として各反応流体デバイス２０へ均等かつ安定して反応流体を分配することが困難となる恐れがある。とくに過酸化水素の直接製造法のように気液混相反応を行う場合、反応流体が均等に分配されないと著しい反応成績の低下を招く。一方Ｓ２がΣＳ１／５０よりも小さくなった場合、流体を流通させるのに必要なポンプ（図示せず）の負荷が著しく大きくなるため好ましくない。
【００５５】
また、反応流体デバイス２０の出口２３の断面積をＳ３とし、反応流体デバイス２０の個数をｎ（例えば４個）とする。さらに、合流流体デバイス４０のマイクロチャンネル４３は、少なくとも１つの圧力勾配が生じるように断面積が変化しており、合流流体デバイス４０のマイクロチャンネル４３のうち最も大きな圧力勾配を生じさせる部分（例えば合流流体デバイス出口４２の部分）の変化後の断面積をＳ４としたとき、
Ｓ３  ＜  Ｓ４  ＜  Ｓ３×ｎ・・・・・（２）
という関係が成り立つ。
【００５６】
なお、（２）式において、Ｓ４がＳ３よりも小さくなった場合、合流流体デバイス４０で合流した流体が流通する際の圧力勾配が大きくなり、反応後の流体が各反応流体デバイス２０へ逆流するおそれがある。この場合、固定床２４中の流体流通が擾乱され、結果として並列化した反応流体デバイス２０を用いた反応の効率を低下させる恐れがある。ただし、Ｓ４がＳ３×ｎよりも大きくなってしまうと、流体の圧力を安定して保持することに支障を来し、やはり反応の効率低下につながる恐れがある。
【００５７】
ところで、本実施の形態による固定床反応器１０は、固体触媒により触媒される反応、多孔体による吸収にかかわる操作、あるいは固体を静的攪拌子として用いる混合操作に用いることができる。このときに流通する反応流体は、気相単独、液相単独の単相反応はもとより、２液相反応、気液混相反応に用いることも可能である。また、超臨界流体を利用した反応を行っても良い。とくに気液混相反応において、気相と液相の粘性が全く異なるため、従来知られている流体デバイスでは並列化した流通は困難であることが少なくない。したがって本実施の形態は、過酸化水素の直接合成のような、固体触媒上の気液混相反応にも好適に用いることができる。
【００５８】
反応流体デバイス２０を用いて過酸化水素を直接合成する場合、反応流体としては、水素および酸素等の気体のほか、水及び／またはメタノールなどのアルコール等の液体を用いて行うことができる。気体には水素、酸素のほか窒素などの不活性気体を含んでもよく、たとえば酸素の代わりに空気を流通しても良い。また、原料水素は、電気分解法、天然ガス水蒸気改質法、その他公知の方法により製造され、一酸化炭素、硫黄分、塩素分などの不純物は触媒毒として作用しないレベルに精製されたものが用いられる。過酸化水素の直接合成において、水素を含有する気体、酸素を含有する気体、および水および／またはメタノールなどのアルコールを含有する液体は、それぞれ別個の分岐流体デバイス３０（分岐流体デバイス３０Ａ〜３０Ｃ）を介して、並列化された個々の反応流体デバイス２０に供給される。反応流体デバイス２０において、触媒を充填した反応流体デバイス２０中で接触／反応を行ったのち、過酸化水素を含有した水溶液および未反応気体といった流体は、合流流体デバイス４０において合流する。
【００５９】
本実施の形態による反応流体デバイス２０、分岐流体デバイス３０および合流流体デバイス４０は、それぞれ板状の部材からなっている。この反応流体デバイス２０、分岐流体デバイス３０および合流流体デバイス４０の素材としては、金属板、シリコン板、ガラス板などの素材を用いることができる。そして、それらの素材の板の表面に、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ；微小電気機械システム）技術を用いて、溝加工を施し、該溝加工を施した板を接合することにより、反応流体デバイス２０、分岐流体デバイス３０および合流流体デバイス４０を製作することができる。なお、このような溝加工によって形成される要素としては、例えば、反応流体デバイス２０の入口２１、マイクロチャンネル２２、出口２３、固定床２４、充填物用マイクロチャンネル２５および入口２６、分岐流体デバイス３０の入口３１、出口３２、マイクロチャンネル３３、分岐部３４および縮径部３５、ならびに、合流流体デバイス４０の入口４１、出口４２、マイクロチャンネル４３および合流部４４を挙げることができる。
【００６０】
この場合、上述のＭＥＭＳ技術による溝加工の手法としては、好適には、例えば、プラズマエッチング、化学エッチング、ドリル加工を例示することができる。また、溝加工を施した板の接合の手法としては、好適には、例えば、熱融着、陽極接合（シリコンとソーダ系ガラスの接合などの場合）を例示することができる。
【００６１】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００６２】
まず、図示しないポンプにより、各分岐流体デバイス３０の入口３１にそれぞれ反応流体を導入する。具体的には、分岐流体デバイス３０Ａの入口３１に水素を導入し、分岐流体デバイス３０Ｂの入口３１に酸素を導入し、分岐流体デバイス３０Ｃの入口３１に反応溶液を導入する。
【００６３】
その後、入口３１に導入された反応流体は、マイクロチャンネル３３を通過し、分岐部３４において分岐され、それぞれ出口３２から流出する。マイクロチャンネル３３を通過する間、反応流体は各縮径部３５を通過し、圧力勾配が生じる。
【００６４】
続いて、分岐流体デバイス３０の各出口３２から流出した反応流体は、それぞれ配管１５を介して、対応する反応流体デバイス２０の入口２１に送られる。具体的には、反応流体デバイス２０の入口２１Ａに水素が送られ、入口２１Ｂに酸素が送られ、入口２１Ｃに反応溶液が送られる。
【００６５】
このようにして、反応流体デバイス２０に導入された反応流体は、マイクロチャンネル２２によって複数（例えば１６本）に分岐され、それぞれ対応する固定床２４に導入される。次に、反応流体は、各固定床２４の部分を流通し、固定床２４において触媒によって反応する。具体的には、反応流体である水素と酸素とを固定床２４に充填した触媒上で直接反応させ、過酸化水素を生成する。この過酸化水素を含有した水溶液および未反応気体が反応後の流体に含まれる。
【００６６】
続いて、固定床２４を経た反応後の流体は、マイクロチャンネル２２を通過して反応流体デバイス２０内で合流し、出口２３から外部に排出される。そして出口２３から流出した反応後の流体は、配管１６を介して合流流体デバイス４０の各入口４１に流入する。
【００６７】
その後、合流流体デバイス４０の各入口４１に流入した反応後の流体は、合流流体デバイス４０の合流部４４において合流し、出口４２から外部へ排出される。
【００６８】
このように、本実施の形態によれば、固定床反応器１０は、並列化された複数の反応流体デバイス２０と、反応流体デバイス２０に接続され、複数の反応流体デバイス２０それぞれに対して反応流体を分岐して供給する分岐流体デバイス３０と、反応流体デバイス２０に接続され、複数の反応流体デバイス２０それぞれから排出された反応後の流体を合一する合流流体デバイス４０とを備えている。これにより、マイクロチャンネル２２および固定床２４を有する反応流体デバイス２０を用い、マイクロチャンネル２２の特長を保った反応を行いつつ、反応流体の流通量を増大させることで生産性を向上させることができる。とくに反応流体デバイス２０が気液混相反応を行うのに好適な反応流体デバイスであれば、反応流体デバイス２０の並列化により、目的とする流体（例えば過酸化水素）の生産性を向上させることができる。
【００６９】
また、本実施の形態によれば、並列化された反応流体デバイスに対して均等に反応流体を供給することにより、目的とする流体（例えば過酸化水素）を効率良く生産することができる。また、爆発組成の水素及び酸素を含有する混合気体を、流量を制御しつつ、かつ安全に取り扱うことができる。
【００７０】
さらに、本実施の形態によれば、反応流体デバイス２０が、マイクロチャンネル２２中に触媒を充填した固定床２４を有するので、気液の接触界面を増大させることにより、気相から液相への物質移動を、従来の反応器に比べて、高効率に実現することができる。具体的には、従来の反応器に比べて、気相から液相への物質移動を、１０〜１００倍の高効率で行うことができる。
【００７１】
さらにまた、従来技術では、水素分圧を４％以下に絞った条件で反応を行うことが限界であったが、本実施の形態においては、水素含有率が２０〜５０％という爆発条件下で、安全かつ定常的に、過酸化水素を製造することができる。
【実施例】
【００７２】
次に、本発明の具体的実施例について説明するが、以下の実施例は、本発明の範囲を限定するものではない。
【００７３】
（実施例１）
（反応流体デバイスの製作）
本実施例では、固定床反応器に含まれる反応流体デバイスをまず製作した。反応流体デバイス１個あたり、両面研磨した６０ｍｍ×７０ｍｍのテンパックス（登録商標）ガラス板について、厚み０．７ｍｍのもの２枚、厚み０．９ｍｍのもの１枚、厚み１．７ｍｍのもの１枚を用意した。厚み０．９ｍｍのガラス板の上に、幅０．６ｍｍのマイクロチャンネルをサンドブラスト法により貫通加工したのち、厚み０．７ｍｍのガラス板を融着し、さらに触媒を導入するための幅１．０ｍｍのチャンネルをエンドミル工法により追加加工した。
【００７４】
一方、もう１枚の厚み０．７ｍｍのガラス板には、気相導入部および液相導入部（入口）からなるマイクロチャンネルを、フッ酸による化学エッチング法による溝加工により加工した。溝の深さは２０μｍ、幅６０μｍの半楕円状の形状に加工した。固定床に対して導入する反応流体は２種類の気相、および１種類の液相となるようにした。エッチング法により、マイクロチャンネルの溝を加工したガラス板に、反応流体の流通に必要な０．６ｍｍ〜１．０ｍｍの貫通穴を別途エンドミル工法により追加加工した。さらに、厚み１．７ｍｍのガラス板に対し、気相を分配するための幅１．０ｍｍのチャンネルをエンドミル工法により加工した。
【００７５】
以上マイクロチャンネル加工を完了した３組のガラス板を、熱融着により貼り合わせて２個の反応流体デバイスを完成した。該反応流体デバイスはそれぞれ１６列の固定床を有し、固定床１列に対し２カ所の気相導入マイクロチャンネルと１カ所の液相導入チャンネルを有する。かつ、気相導入部は深さ２０μｍ、幅６０μｍの半楕円型マイクロチャンネル各１本により、液相導入部は深さ２０μｍ、幅６０μｍの半楕円型マイクロチャンネル５本を並列化した構造とした。
【００７６】
一方、反応流体デバイスに充填する触媒として、平均粒径６０μｍの多孔質球状チタニア粒子（コバレントマテリアル製）に、塩化パラジウムを含浸担持したチタニア担持パラジウム（パラジウム含量  ２重量パーセント）を調製した。該触媒０．２５ｇを反応流体デバイス単体に導入し、水素を毎分８ｍＬ、酸素を毎分７２ｍＬ、および水（硫酸０．０２５Ｍ、リン酸０．００５Ｍ、臭化ナトリウム５０ｐｐｍを含有する）を毎分０．０８ｍＬ流通し、出口における圧力を０．９５ＭＰａ（ゲージ圧）に保持して反応を行い、反応評価を行ったところ、得られた流体に占める過酸化水素水の割合が３．１重量パーセント、となった。なお、このときの反応流体デバイスの表面温度を計測したところ、２７℃であった。
【００７７】
次に、分岐流体デバイスおよび合流流体デバイスを製作した。分岐流体デバイスは水素、酸素、水の３種類の反応流体に対し同じデザインとし、いずれも最も圧力勾配の大きな部分（縮径部）の形状は、深さ２０μｍ、幅６０μｍの半楕円型マイクロチャンネルとした。一方、合流流体デバイスの流路は深さ１ｍｍ、幅１ｍｍとした。
【００７８】
分岐流体デバイス、および２個の反応流体デバイス（それぞれチタニア担持パラジウム触媒を０．２５ｇ導入している）、さらに合流デバイスを結合して固定床反応器とした。該固定床反応器に、水素を毎分８ｍＬ、酸素を毎分７２ｍＬ、および水（硫酸０．０２５Ｍ、リン酸０．００５Ｍ、臭化ナトリウム５０ｐｐｍを含有する）を毎分０．１６ｍＬ流通し、出口における圧力を０．９５ＭＰａ（ゲージ圧）に保持して反応を行い、反応評価を行ったところ、得られた流体に占める過酸化水素水の割合が２．７重量パーセント、となった。なお、このときの反応流体デバイスの表面温度を計測したところ、２８℃と２９℃であった。得られた反応成績、および反応温度の計測結果から、該反応器では、並列化した反応流体デバイスに各反応流体が均等に分配され、その結果、反応成績を損なうことなく生産性を倍増できたと考えられる。
【００７９】
（実施例２）
（反応流体デバイスの製作）
本実施例では、実施例１と同様の方法により反応流体デバイスを４個製作し、さらに８チャンネル並列の反応流体デバイスを製作した。一方、反応流体デバイスに充填する触媒として、平均粒径６０μｍの多孔質球状チタニア粒子（コバレントマテリアル製）に、１０００ｐｐｍのパラジウムを含有したパラジウムナノコロイド溶液（ナノキューブ・ジャパン製）を用いてパラジウムを担持した、チタニア担持パラジウム触媒（パラジウム含量  １重量パーセント）を調製した。８チャンネル並列の反応流体デバイス単体に対し該触媒０．１３ｇを導入し、水素を毎分４ｍＬ、酸素を毎分３６ｍＬ、および水（硫酸０．０２５Ｍ、リン酸０．００５Ｍ、臭化ナトリウム５０ｐｐｍを含有する）を毎分０．０８ｍＬ流通し、出口における圧力を０．９５ＭＰａ（ゲージ圧）に保持して反応を行い、反応評価を行ったところ、得られた流体に占める過酸化水素水の割合が３．９重量パーセント、となった。なお、このときの反応流体デバイスの表面温度を計測したところ、２９℃であった。
【００８０】
次に、分岐流体デバイスおよび合流流体デバイスを製作した。分岐流体デバイスは水素、酸素、水の３種類の反応流体に対し同じデザインとし、いずれも最も圧力勾配の大きな部分（縮径部）の形状は、深さ２０μｍ、幅６０μｍの半楕円型マイクロチャンネルとした。一方、合流流体デバイスの流路は深さ１ｍｍ、幅１ｍｍとした。
【００８１】
分岐流体デバイス、および実施例１と同様の方法により製作した４個の反応流体デバイス（それぞれチタニア担持パラジウム触媒を０．２５ｇ導入している）、さらに合流デバイスを結合して固定床反応器とした。該固定床反応器に、水素を毎分３２ｍＬ、酸素を毎分２８８ｍＬ、および水（硫酸０．０２５Ｍ、リン酸０．００５Ｍ、臭化ナトリウム５０ｐｐｍを含有する）を毎分０．６４ｍＬ流通し、出口における圧力を０．９５ＭＰａ（ゲージ圧）に保持して反応を行い、反応評価を行ったところ、得られた流体に占める過酸化水素水の割合が３．８重量パーセント、となった。得られた反応成績から、該反応器では、並列化した反応流体デバイスに各反応流体が均等に分配され、その結果、反応成績を損なうことなく生産性を８倍増できたと考えられる。
【００８２】
（比較例１）
実施例１と同様に、１６列の固定床を有する反応流体デバイスを並列に用いた。反応流体デバイスに充填する触媒として、平均粒径６０μｍの多孔質球状チタニア粒子（コバレントマテリアル製）に、塩化パラジウムおよび塩化金酸を含浸担持したチタニア担持パラジウム・金触媒（パラジウム含量  １重量パーセント、金：パラジウム＝０．７：１（原子比））を調製した。該触媒０．２５ｇを反応流体デバイスに導入し、水素を毎分８ｍＬ、酸素を毎分７２ｍＬ、および水（硫酸０．０２５Ｍ、リン酸０．００５Ｍ、臭化ナトリウム５０ｐｐｍを含有する）を毎分０．０２ｍＬ流通し、出口における圧力を０．９５ＭＰａ（ゲージ圧）に保持して反応を行い、反応評価を行ったところ、得られた流体に占める過酸化水素水の割合が８．６重量パーセント、となった。なお、このときの反応流体デバイスの表面温度を計測したところ、２５℃であった。
【００８３】
一方、分岐流体デバイスおよび合流流体デバイスの代わりに１／１６インチの外径を持つ配管で反応流体デバイスを直接結合し、反応評価を行った。２個の反応流体デバイス（それぞれチタニア担持パラジウム触媒を０．２５ｇ導入している）、さらに合流デバイスを上記配管で結合して固定床反応器とした。該固定床反応器に、水素を毎分１６ｍＬ、酸素を毎分１４４ｍＬ、および水（硫酸０．０２５Ｍ、リン酸０．００５Ｍ、臭化ナトリウム５０ｐｐｍを含有する）を毎分０．０４ｍＬ流通し、出口における圧力を０．９５ＭＰａ（ゲージ圧）に保持して反応を行い、反応評価を行ったところ、得られた流体に占める過酸化水素水の割合が５．６重量パーセント、となった。なお、このときの反応流体デバイスの表面温度を計測したところ、２５℃と３０℃であった。得られた反応成績、および反応温度の計測結果から、該固定床反応器では、並列化した反応流体デバイスに各反応流体が均等に分配されず、その結果、反応成績の低下を招いたものと考えられる。
【符号の説明】
【００８４】
１０        固定床反応器
１５        配管
１６        配管
２０        反応流体デバイス
２１        入口
２２        マイクロチャンネル
２３        出口
２４        固定床
２５        充填物用マイクロチャンネル
２６        入口
３０        分岐流体デバイス
３１        入口
３２        出口
３３        流路
３４        分岐部
３５        縮径部
４０        合流流体デバイス
４１        入口
４２        出口
４３        流路
４４        合流部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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