(57)【要約】  触媒構造体（３００）は、反応対象としての流体を流通させる反応側流路を備えたリアクタの反応側流路内に設けられ、反応側流路における流体の流通方向に交差する方向に延伸した柱形状の複数のピンロッド（３１０）と、ピンロッド（３１０）の表面に担持され、反応流体の反応を促進させる触媒と、を備える。
2014208444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応対象としての流体を流通させる反応側流路を備えたリアクタの前記反応側流路内に設けられる触媒構造体であって、
前記反応側流路における前記流体の流通方向に交差する方向に延伸した柱形状の複数のピンロッドと、
前記ピンロッドの表面に担持され、前記流体の反応を促進させる触媒と、
を備えたことを特徴とする触媒構造体。
【請求項２】
反応対象としての流体を流通させる反応側流路と、
前記反応側流路内に設けられ、前記反応側流路における前記流体の流通方向に交差する方向に延伸した複数のピンロッドと、前記ピンロッドの表面に担持され前記流体の反応を促進させる触媒とを有する触媒構造体と、
を備えたことを特徴とするリアクタ。
【請求項３】
前記触媒構造体のピンロッドの密度は、前記反応側流路における前記流体の流通方向の上流側より下流側の方が小さいことを特徴とする請求項２に記載のリアクタ。
【請求項４】
前記反応側流路外から前記流体を加熱または冷却する温度制御部をさらに備えた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前記流体と熱交換を行う熱媒体を流通させる熱媒体側流路を含むことを特徴とする請求項４に記載のリアクタ。
【請求項６】
前記熱媒体は気体であることを特徴とする請求項５に記載のリアクタ。
【請求項７】
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いることを特徴とする請求項５または６に記載のリアクタ。
【請求項８】
反応対象としての流体を流通させる反応側流路を備えたリアクタの前記反応側流路内に設けられる触媒構造体の製造方法であって、
複数のスリットが形成されたスリット板と、前記スリット板と積層した際に前記スリットおよび前記スリット間に配される板部に対応する位置に切り欠きが形成されたスペーサとを交互に積層して構造体を形成する工程と、
前記積層された構造体の表面に、前記流体の反応を促進させる触媒を担持させる工程と、
を有することを特徴とする触媒構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応対象となる流体である反応流体の反応を促進させる触媒構造体、触媒構造体を用いて反応を遂行するリアクタ、および、触媒構造体の製造方法に関する。
【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設定することが可能であるため、迅速混合や濃度分布を能動的に設定する制御が可能である。従って、上述のリアクタでは、反応を厳密に制御することが可能となる。【０００３】
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しての流体（以下、反応流体と称する）を流通させて反応を促進する。特許文献１は、反応側流路内に触媒を配する技術を開示している。この技術では、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
上記特許文献１に記載された技術では、反応側流路内が金属板によって区画されて複数の流路が形成されることとなり、当該流路を流通する反応流体の流れは層流となる。【０００６】
このため、金属板によって区画された流路を流通する反応流体のバルク（反応流体のうち界面に触れていない部分）から触媒表面への物質移動係数が小さくなり、触媒表面での拡散抵抗が大きくなってしまう。したがって、反応流体と触媒との接触効率が律速となり、反応効率が抑制されてしまうおそれがある。【０００７】
また、反応流体の流れが層流となることから、反応流体は、反応側流路の入口の流量分布（濃度分布）がそのまま維持されて出口まで導かれる。この場合、入口の流量分布に偏りがあると、流量の大きい箇所での反応効率が、流量の小さい箇所よりも低下し、リアクタ全体の反応効率が低下してしまうおそれがある。【０００８】
本発明は、このような課題に鑑み、反応対象としての流体と触媒との接触効率を向上させることができ、流体の反応効率の向上を図ることが可能な触媒構造体、リアクタ、および、触媒構造体の製造方法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】
【０００９】
本発明の第１の態様は、反応としての流体を流通させる反応側流路を備えたリアクタの前記反応側流路内に設けられる触媒構造体であって、前記反応側流路における前記流体の流通方向に交差する方向に延伸した柱形状の複数のピンロッドと、前記ピンロッドの表面に担持され、前記流体の反応を促進させる触媒と、を備えたことを要旨とする。【００１０】
本発明の第２の態様はリアクタであって、反応としての流体を流通させる反応側流路と、前記反応側流路内に設けられ、前記反応側流路における前記流体の流通方向に交差する方向に延伸した複数のピンロッドと、前記ピンロッドの表面に担持され前記流体の反応を促進させる触媒とを有する触媒構造体と、を備えたことを要旨とする。【００１１】
前記触媒構造体のピンロッドの密度は、前記反応側流路における前記流体の流通方向の上流側より下流側の方が小さくてもよい。【００１２】
前記リアクタは、前記反応側流路外から前記流体を加熱または冷却する温度制御部をさらに備えてもよい。【００１３】
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前記流体と熱交換を行う熱媒体を流通させる熱媒体側流路を含んでもよい。【００１４】
前記熱媒体は気体であってもよい。【００１５】
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いてもよい。【００１６】
上記課題を解決するために、本発明の触媒構造体の製造方法は、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を備えたリアクタの前記反応側流路内に設けられる触媒構造体の製造方法であって、複数のスリットが形成されたスリット板と、前記スリット板と積層した際に前記スリットおよび前記スリット間に配される板部に対応する位置に切り欠きが形成されたスペーサとを交互に積層して構造体を形成する工程と、前記積層された構造体の表面に、前記流体の反応を促進させる触媒を担持させる工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、反応対象としての流体と触媒との接触効率を向上させることができ、流体の反応効率の向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の実施形態に係るリアクタを説明するための図である。
【図２】図２（ａ）は本発明の実施形態に係る熱媒体側流路を説明するための図、図２（ｂ）は本発明の実施形態に係る反応側流路を説明するための図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｃ）は、本発明の実施形態に係る触媒構造体の構成を説明するための図である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、比較例の触媒構造体を説明するための図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態に係る触媒構造体の製造方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。
【図６】図６（ａ）〜６（ｃ）は、本発明の実施形態に係る積層工程を説明するための図である。
【図７】図７（ａ）〜７（ｃ）は、本発明の実施形態の変形例にかかる触媒構造体を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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、本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。また、反応対象としての流体を反応流体と称する。
【００２０】
（リアクタ１００）
図１（ａ）及び図１（ｂ）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る。図２（ａ）は、熱媒体側流路２２０を説明するための図である。図２（ｂ）は、反応側流路２１０を説明するための図である。垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、各図に示すように定義されている。また、図１（ａ）及び図１（ｂ）中、理解を容易にするために触媒構造体３００の記載を省略する。
【００２１】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すようにリアクタ１００は、複数の伝熱隔壁１１０が予め定められた間隔で離隔して積層された構造を有する。また、リアクタ１００は、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を備える。これらはすべて金属材料（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。
【００２２】
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し、上面１０２を最上段の伝熱隔壁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。
【００２３】
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、反応側流路２１０と熱媒体側流路２２０とが交互に積層されている。
【００２４】
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が複数立設されている。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からの流体（の混入を防止するためのサイドバー１１６とが立設されている。また、両側にある側壁部１１４のうち、熱媒体導入部１３０および熱媒体排出部１３２が接合される側壁部１１４には、切り欠き１１４ａが設けられている。伝熱隔壁１１０が積層されたとき、この切り欠き１１４ａが孔２２０ａを形成する。この孔２２０ａの形成により、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る。あるいは、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る。
【００２５】
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が複数立設されている。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。そのため、両側の壁部１１４の間に間隙１１４ｂが形成される。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。この孔２１０ａの形成によって、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る。あるいは、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る。
【００２６】
反応側流路２１０内には、反応流体の反応を促進させる触媒構造体３００が設けられている。触媒構造体３００の具体的な構成については後に詳述する。
【００２７】
図１（ａ）において実線の矢印で示すように、熱媒体は、熱媒体導入部１３０から導入され、熱媒体側流路２２０を流通し、熱媒体排出部１３２から排出される。一方、図１（ｂ）中破線の矢印で示すように、反応流体は反応流体導入部１２０から導入され、反応側流路２１０を流通し、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。
【００２８】
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。この構成により、熱媒体は、熱媒体側流路２２０を流通する際に、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。すなわち、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。
【００２９】
吸熱反応は、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が挙げられる。
ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ → ３Ｈ２ ＋ ＣＯ…化学式（１）
ＣＨ４ ＋ ＣＯ２ → ２Ｈ２ ＋ ２ＣＯ…化学式（２）
【００３０】
また、発熱反応は、例えば、下記化学式（３）に示すシフト反応や、化学式（４）に示すメタネーション反応、化学式（５）に示すＦＴ（Fischer Tropsch）合成反応が挙げられる。
ＣＯ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ Ｈ２…化学式（３）
ＣＯ ＋ ３Ｈ２ → ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ…化学式（４）
（２ｎ＋１）Ｈ２ ＋ ｎＣＯ → ＣｎＨ２ｎ＋２ ＋ ｎＨ２Ｏ…化学式（５）
【００３１】
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。この場合、熱媒体を液体で構成する場合と比較して、リアクタの取り扱いが容易になる。
【００３２】
以上説明したように、反応流体は反応場として設けられた反応側流路２１０を流通し、反応流体と熱交換を行う熱媒体は熱媒体側流路２２０を流通する。本実施形態にかかるリアクタ１００では、熱媒体側流路２２０が、伝熱隔壁１１０を隔てて反応側流路２１０と並行して設けられている。従って、反応側流路２１０において効率よく反応（吸熱反応、発熱反応）を遂行することができる。
【００３３】
以下、リアクタ１００の反応側流路２１０内に設けられ、反応流体の反応を促進させる触媒構造体３００について詳述する。
【００３４】
（触媒構造体３００）
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、触媒構造体３００の具体的な構成を説明するための図である。図３（ａ）は触媒構造体３００の斜視図である。図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＩＩＩ（ｂ）−ＩＩＩ（ｂ）線のＸＹ断面図である。図３（ｃ）は触媒構造体３００の上面３０２と側面３０４、３０６とを省略した斜視図である。垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は図に示すように定義されている。また、図３（ａ）〜図３（ｃ）では、反応流体の流通方向を白抜きの矢印で示す。
【００３５】
図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、触媒構造体３００は、上面３０２と、側面３０４、３０６と、底面３０８とによって囲繞された中空形状に形成されている。当該囲繞された空間内には、複数のピンロッド３１０が配されている。
【００３６】
ピンロッド３１０は、柱形状（例えば四角柱形状）に形成されている。ピンロッド３１０は、触媒構造体３００が反応側流路２１０内に設けられた際に反応流体の流通方向に交差する方向に延伸するように構成されている。本実施形態においてピンロッド３１０は、反応流体の流通方向と直交する方向に延伸するように上面３０２と底面３０８とに接続される。
【００３７】
そして、上面３０２、側面３０４、３０６、底面３０８、ピンロッド３１０の表面には、反応流体の反応を促進させる触媒が担持されている。
【００３８】
このように、触媒構造体３００が複数のピンロッド３１０を備えている。従って、触媒構造体３００を反応側流路２１０内に設置した際に、反応側流路２１０（触媒構造体３００内）を流通する反応流体の流れを乱流とすることができる。
【００３９】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、比較例の触媒構造体３０を説明するための図である。図４（ａ）は触媒構造体３０の斜視図である。図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＩＶ（ｂ）−ＩＶ（ｂ）線のＸＹ断面図である。垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は図に示すように定義されている。また、図４（ａ）及び図４（ｂ）では、反応流体の流通方向を白抜きの矢印で示す。
【００４０】
図４（ａ）に示すように、比較例の触媒構造体３０は、隆起および陥没した板形状（波板形状、コルゲート形状）の本体部３２と、本体部３２に担持された触媒とを備える。したがって、触媒構造体３０が反応側流路２１０内に設置された場合、図４（ｂ）に示すように本体部３２は、反応側流路２１０内に複数（この例では、７つ）の流路３４を形成する。この場合、流路３４には、反応流体の流れを阻害する物体が存在しないため、流路３４を流通する反応流体は層流となる。このため、流路３４を流通する反応流体のバルクから触媒表面への物質移動係数が小さくなり、触媒表面での拡散抵抗が大きくなってしまう。
【００４１】
また、流路３４を流通する反応流体が層流となることから、反応流体は、反応側流路２１０の入口における流量分布がそのまま維持されて出口まで導かれる。この場合、入口の流量分布に偏りがあると、流量が大きい箇所での反応効率が、流量が小さい箇所よりも低下する可能性がある。つまり、リアクタ全体の反応効率が低下してしまうおそれがある。
【００４２】
そこで、上述したように、本実施形態にかかる触媒構造体３００は、複数のピンロッド３１０を備えている。複数のピンロッド３１０は、反応流体の流れを乱流とする。これにより、反応側流路２１０を流通する反応流体のバルクから触媒表面への物質移動係数を大きくすることができ、触媒表面での拡散抵抗を小さくすることが可能となる。したがって、反応流体と触媒との接触効率を向上させることができ、反応効率を向上させることが可能となる。
【００４３】
また、反応側流路２１０を流通する反応流体の流れが乱流となることから、反応流体は、反応側流路２１０を流通する間に混合される。したがって、反応側流路２１０の入口の流量分布（濃度分布）に偏りがあったとしても、反応側流路２１０を流通する間に流量分布が均一化される。これにより、反応側流路２１０内での反応効率のバラツキを低減することができ、リアクタ１００全体の反応効率が低下してしまう事態を抑制することが可能となる。
【００４４】
また、触媒構造体３００は、上面３０２、側面３０４、３０６、底面３０８を備えているので、比較例の触媒構造体３０と比較して、反応側流路２１０を構成する伝熱隔壁１１０との接触面積を大きくすることができる。これにより、反応側流路２１０（反応流体）と熱媒体側流路２２０との伝熱効率を向上させることができ、反応効率を向上させることが可能となる。
【００４５】
なお、触媒構造体３００を構成する上面３０２、側面３０４、３０６、底面３０８、ピンロッド３１０は、Ｆｅ（鉄）、Ｃｒ（クロム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｙ（イットリウム）を主成分とする耐熱合金、例えば、Ｆｅｃｒａｌｌｏｙ（登録商標）等の金属で構成される。また、触媒の担体は、リアクタ１００で遂行する反応によって適宜選択され、例えば、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＴｉＯ２（チタニア）、ＺｒＯ２（ジルコニア）、ＣｅＯ２（セリア）、ＳｉＯ２（シリカ）の群から選択される１または複数である。また、触媒（活性金属）は、リアクタ１００で遂行する反応によって適宜選択され、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）の群から選択される１または複数である。
【００４６】
本発明を限定するものではないが、触媒構造体３００の寸法について説明する。Ｙ軸方向（図３（ａ）参照）における触媒構造体３００の幅は、例えば、１２ｍｍである。Ｚ軸方向のおける触媒構造体３００の高さは、例えば、４ｍｍである。ピンロッド３１０の断面積は、例えば、０．０１ｍｍ２〜１ｍｍ２である。ピンロッド３１０間の距離（ピンロッド３１０とピンロッド３１０の間の隙間の距離）は、例えば、１ｍｍ以下である。
【００４７】
（触媒構造体３００の製造方法）
続いて、上記触媒構造体３００の製造方法について説明する。図５は、触媒構造体３００の製造方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。図５に示すように、触媒構造体３００の製造方法は、積層工程Ｓ１１０、前処理工程Ｓ１２０、下塗り工程Ｓ１３０、触媒担体形成工程Ｓ１４０、第１焼成工程Ｓ１５０、触媒担持工程Ｓ１６０、第２焼成工程Ｓ１７０を含んで構成される。以下、各工程について詳述する。
【００４８】
（積層工程Ｓ１１０）
図６（ａ）〜図（ｃ）は、積層工程Ｓ１１０を説明するための図である。図６（ａ）に示すように、スリット板３５０には複数のスリット３５２が並列して形成されている。一方、図６（ｂ）に示すように、スペーサ３６０には切り欠き３６２が形成されている。切り欠き３６２は、スリット板３５０と積層した際にスリット３５２、および、スリット３５２間に配される板部３５４に対応する位置に位置している。積層工程Ｓ１１０では、このスリット板３５０と、スペーサ３６０とを交互に積層し、ろう付け、溶接等の接合をして構造体３８０を形成する（図６（ｃ）参照）。
【００４９】
なお、スリット板３５０およびスペーサ３６０は、Ｆｅ（鉄）、Ｃｒ（クロム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｙ（イットリウム）を主成分とする耐熱合金、例えば、Ｆｅｃｒａｌｌｏｙ（登録商標）等の金属で構成される。
【００５０】
（前処理工程Ｓ１２０）
前処理工程Ｓ１２０では、アセトンを用いて構造体３８０を脱脂し、その後、構造体３８０を予め定められた気体雰囲気下に曝し、予め定められた温度で、予め定められた時間熱処理を行う。これにより、構造体３８０の表面にＡｌ２Ｏ３を主成分とする針状の結晶を析出させることができる。
【００５１】
（下塗り工程Ｓ１３０）
前処理工程Ｓ１２０を行った後、針状の結晶を析出させた構造体３８０を、下塗り剤（例えば、ベーマイト）と、硝酸とを含む懸濁液に浸漬し、その後、懸濁液から引き上げ、余分なスラリーを除去する。そして、懸濁液から引き上げた構造体３８０を乾燥させる。こうして、構造体３８０に下塗り剤が塗布される。
【００５２】
（触媒担体形成工程Ｓ１４０）
下塗り工程Ｓ１３０を行った後、下塗り剤が塗布された構造体３８０を、触媒の担体（例えば、γ相のＡｌ２Ｏ３）と、ベーマイトと、硝酸とを含む懸濁液に浸漬し、その後、懸濁液から引き上げ、余分なスラリーを除去する。そして、懸濁液から引き上げた構造体３８０を乾燥させる。続いて、予め定められた気体雰囲気下に曝し、予め定められた温度で、予め定められた時間熱処理を行う。
【００５３】
触媒担体形成工程Ｓ１４０を複数回繰り返し行うことで、所望される量の触媒担体を構造体３８０の表面に付着させることができる。
【００５４】
（第１焼成工程Ｓ１５０）
触媒担体形成工程Ｓ１４０を行った後、触媒担体が付着した構造体３８０を、予め定められた気体雰囲気下に曝し、予め定められた温度で、予め定められた時間熱処理を行い、触媒担体を焼成する。これにより、構造体３８０の表面に多孔質の触媒担体が形成される。
【００５５】
（触媒担持工程Ｓ１６０）
第１焼成工程Ｓ１５０を行った後、表面に多孔質の触媒担体が形成された構造体３８０を、活性金属（例えば、Ｎｉ）の塩が溶解された溶液に浸漬し、その後、溶液から引き上げ、溶液から引き上げた構造体３８０を乾燥させる。
【００５６】
触媒担持工程Ｓ１６０を複数回繰り返し行うことで、所望される量の触媒を構造体３８０の表面に担持させることができる。
【００５７】
（第２焼成工程Ｓ１７０）
触媒担持工程Ｓ１６０を行った後、触媒が担持された構造体３８０を、予め定められた気体雰囲気下に曝し、予め定められた温度で、予め定められた時間熱処理を行い、触媒を焼成する。これにより、構造体３８０の表面に多孔質の触媒が形成される。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態にかかる触媒構造体３００、触媒構造体３００を備えたリアクタ１００、触媒構造体３００の製造方法によれば、反応流体と触媒との接触効率を向上させることができ、反応流体の反応効率の向上を図ることが可能となる。
【００５９】
（変形例）
図７（ａ）〜図７（ｃ）は、変形例にかかる触媒構造体を説明するための図であり、ピンロッド３１０の配置について説明するための図である。なお、各図は、理解を容易にするために、ピンロッド３１０を大きく、かつ、ピンロッド３１０の数を少なく示している。
【００６０】
図７（ａ）は、上記実施形態において説明した触媒構造体３００におけるピンロッド３１０の配置を示す。この図に示すように、ピンロッド３１０は、列方向（反応流体の流通方向と直交する方向）にも、行方向（反応流体の流通方向）にも等しい間隔で配されている。
【００６１】
図７（ｂ）は、変形例にかかる触媒構造体４００におけるピンロッド３１０の配置を示す。この図に示すように、ピンロッド３１０の配置を、反応流体の上流側から下流側に向かって１列目、２列目、・・・、ｎ列目とした場合、任意の列のピンロッド３１０の列方向の位置と、当該列と隣り合う列のピンロッド３１０の列方向の位置とが互いにずれていてもよい。
【００６２】
また、図７（ｃ）は、変形例にかかる触媒構造体５００におけるピンロッド３１０の配置を示す。この図に示すように、触媒構造体５００を反応側流路２１０に配した際に、ピンロッド３１０の密度（例えば単位面積当たりの密度）が、反応側流路２１０における反応流体の流通方向の上流側より下流側の方が小さくなるように、ピンロッド３１０を配してもよい。つまり、触媒（ピンロッド３１０）の比表面積が、上流側より下流側の方が小さくなるように、ピンロッド３１０を配してもよい。
【００６３】
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、反応流体の反応は、反応側流路２１０を流通するに連れて（換言すれば、反応流体が流れることで）反応が進行する。従って、反応側流路２１０の上流側では反応頻度が高くなり、反応側流路２１０の下流側では反応頻度が低くなる。なぜなら、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のに対して、、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である。
【００６４】
したがって、反応側流路２１０の下流側における触媒（ピンロッド３１０）の比表面積を小さくしても、反応効率に影響はない。
【００６５】
一方、上記触媒構造体の製造方法を利用して、触媒構造体５００を製造する場合、上流側より下流側の方に、厚み（図６中、Ｘ軸方向の厚み）が大きいスペーサ３６０を積層することで、スペーサ３６０の数を低減することができ、スリット板３５０およびスペーサ３６０に要するコストを削減することが可能となる。
【００６６】
なお、ピンロッド３１０の密度が、上流側より下流側の方が小さくなるように、ピンロッド３１０を配した触媒構造体５００は、上述したように、ピンロッド３１０の隣り合う列間の距離が、上流側より下流側の方が大きくなるように構成してもよいし、同じ列のピンロッド３１０の数を上流側より下流側を少なく構成してもよい。つまり、同じ列のピンロッド３１０間の距離を大きくしてもよい。
【００６７】
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。
【００６８】
例えば、上記実施形態において、ピンロッド３１０が四角柱である場合を例に挙げて説明したが、ピンロッド３１０は、柱形状であれば、断面形状に限定はなく、円柱形状や、三角形状等の多角形状であってもよい。
【００６９】
また、上記実施形態において、上面３０２、側面３０４、３０６、底面３０８、ピンロッド３１０の表面に、触媒が担持される場合を例に挙げて説明したが、少なくともピンロッド３１０の表面に触媒が担持されればよい。
【００７０】
また、上記実施形態において、ピンロッド３１０が反応流体の流通方向と直交する方向に延伸するよう構成された触媒構造体３００について説明したが、ピンロッド３１０が反応流体の流通方向と交差する方向に延伸するよう構成された触媒構造体であってもよく、かかる構成でも反応流体の流れを乱流とすることができる。
【００７１】
また、上記実施形態において、スペーサ３６０が、触媒構造体３００となったときに、上面３０２、側面３０４、３０６、底面３０８すべてに対応する部位を含んで構成される場合を例に挙げて説明した。しかし、スペーサ３６０は、スリット板３５０と積層した際にスリット３５２および板部３５４に対応する位置に切り欠き３６２が形成されていればよく、触媒構造体３００となったときに、上面３０２、側面３０４、３０６、底面３０８の群から選択されるいずれか１または複数に対応する部位を含んで構成されればよい。つまり、スリット板３５０を積層したときに、スリット板３５０の間に間隙を維持できればよい。
【００７２】
また、上記実施形態において、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。
【００７３】
また、上記実施形態において、熱媒体側流路２２０を流通する熱媒体が気体の場合を例に挙げて説明したが、液体であってもよい。
【００７４】
また、上記実施形態において、反応側流路２１０と熱媒体側流路２２０とが交互に積層されたリアクタ１００について説明したが、必ずしも積層される必要はない。
【００７５】
また、上記実施形態において、反応側流路２１０を流通する反応流体と熱媒体側流路２２０を流通する熱媒体とが対向流の関係にある場合を例に挙げて説明したが、反応流体と熱媒体とが平行流の関係にあってもよい。
【００７６】
また、上記実施形態において説明した、触媒構造体の製造方法（構造体への触媒の担持方法）は、単なる例示にすぎず、他の方法を利用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、反応対象となる流体である反応流体の反応を促進させる触媒構造体、触媒構造体を用いて反応を遂行するリアクタ、および、触媒構造体の製造方法に利用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年9月15日(2016.9.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応対象としての流体を流通させる反応側流路を備えたリアクタの前記反応側流路内に設けられる触媒構造体であって、
交互に積層されるスリット板及びスペーサと、
前記スリット板において形成された複数のスリットと、
前記スリット板において隣接するスリットの間に設けられ、前記反応側流路における前記流体の流通方向に交差する方向に延伸した柱形状の複数のピンロッドと、
前記スペーサにおいて前記複数のスリットおよび前記複数のピンロッドに対応する位置に形成された切り欠きと、
前記ピンロッドの表面に担持され、前記流体の反応を促進させる触媒と、
を備え、
前記触媒構造体は上面と、側面と、底面によって囲繞された空間を有する中空形状に形成され、前記複数のピンロッドは前記空間内に配されていることを特徴とする触媒構造体。
【請求項２】
反応対象としての流体を流通させる反応側流路と、
前記反応側流路内に設けられ、前記反応側流路における前記流体の流通方向に交差する方向に延伸した複数のピンロッドと、前記ピンロッドの表面に担持され前記流体の反応を促進させる触媒とを有する触媒構造体と、
を備え、
前記触媒構造体は、上面と、側面と、底面によって囲繞された空間を有する中空形状に形成され、
前記複数のピンロッドは前記空間内に配され、
前記触媒構造体は、前記反応側流路に着脱可能であることを特徴とするリアクタ。
【請求項３】
前記触媒構造体のピンロッドの密度は、前記反応側流路における前記流体の流通方向の上流側より下流側の方が小さいことを特徴とする請求項２に記載のリアクタ。
【請求項４】
前記反応側流路外から前記流体を加熱または冷却する温度制御部をさらに備えた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前記流体と熱交換を行う熱媒体を流通させる熱媒体側流路を含むことを特徴とする請求項４に記載のリアクタ。
【請求項６】
前記熱媒体は気体であることを特徴とする請求項５に記載のリアクタ。
【請求項７】
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いることを特徴とする請求項５または６に記載のリアクタ。
【請求項８】
前記触媒構造体は交互に積層されるスリット板及びスペーサを有し、
前記スリット板は複数のスリットと、隣接するスリットの間に設けられた前記複数のピンロッドとを有し、
前記スペーサは前記複数のスリットおよび前記複数のピンロッドに対応する位置に形成された切り欠きを有することを特徴とする請求項２から７のうちの何れか一項に記載のリアクタ。
【請求項９】
反応対象としての流体を流通させる反応側流路を備えたリアクタの前記反応側流路内に設けられる触媒構造体の製造方法であって、
複数のスリットが形成されたスリット板と、前記スリット板と積層した際に前記スリットおよび前記スリット間に配される板部に対応する位置に切り欠きが形成されたスペーサとを交互に積層して構造体を形成する工程と、
前記積層された構造体の表面に、前記流体の反応を促進させる触媒を担持させる工程と、
を有することを特徴とする触媒構造体の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明の第１の態様は、反応としての流体を流通させる反応側流路を備えたリアクタの前記反応側流路内に設けられる触媒構造体であって、交互に積層されるスリット板及びスペーサと、前記スリット板において形成された複数のスリットと、前記スリット板において隣接するスリットの間に設けられ、前記反応側流路における前記流体の流通方向に交差する方向に延伸した柱形状の複数のピンロッドと、前記ピンロッドの表面に担持され、前記流体の反応を促進させる触媒と、前記スペーサにおいて前記複数のスリットおよび前記複数のピンロッドに対応する位置に形成された切り欠きと、を備え、前記触媒構造体は上面と、側面と、底面によって囲繞された空間を有する中空形状に形成され、前記複数のピンロッドは前記空間内に配されていることを要旨とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明の第２の態様はリアクタであって、反応としての流体を流通させる反応側流路と、前記反応側流路内に設けられ、前記反応側流路における前記流体の流通方向に交差する方向に延伸した複数のピンロッドと、前記ピンロッドの表面に担持され前記流体の反応を促進させる触媒とを有する触媒構造体と、を備え、前記触媒構造体は、上面と、側面と、底面によって囲繞された空間を有する中空形状に形成され、前記複数のピンロッドは前記空間内に配され、前記触媒構造体は、前記反応側流路に着脱可能であることを要旨とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
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いてもよい。
前記触媒構造体は交互に積層されるスリット板及びスペーサを有し、前記スリット板は複数のスリットと、隣接するスリットの間に設けられた前記複数のピンロッドとを有し、前記スペーサは前記複数のスリットおよび前記複数のピンロッドに対応する位置に形成された切り欠きを有してもよい。
【国際調査報告】
2014208444.tif 000010
2014208444.tif 000011
2014208444.tif 000012
2014208444.tif 000013
2014208444.tif 000014
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