(57)【要約】【課題】  触媒粒子(2)の変形性、その粒子径の分散性として充填強度を測定しうる試験方法を提供する。【解決手段】  本発明の試験方法では、底面(3a)と、第一側面(41a)および第二側面(42a)と、第三側面(43a)と、これらに沿って移動可能な加圧面(5a)とで構成され、上方が開放された構成の粒子充填部(6)に、試料粒子(2)を充填して粒子充填層(20)を形成し、加圧面(5a)を一定の移動速度(Ｖ)で移動させて圧縮して降伏圧力(τ)を求める。移動速度(Ｖ)を変えて複数の降伏圧力(τ)を測定し、式（Ｉ）      ｌｏｇ(τ) ＝ ｍ × ｌｏｇ(Ｖ) ＋ ｌｏｇ(ａ)          （Ｉ）を満足する係数ｍから前記試料粒子(2)の変位性を、係数ａから粒子径の分散性をそれぞれ求める。加圧面(5a)を移動させる移動手段(7)と、粒子充填層(20)に加わる圧力を計測する圧力計測手段(8)とを備えた試験装置(1)で試験する。【選択図】  図２
2005207854.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平面状の底面と、前記底面から直立して固定され、互いに平行して対向する平面状の第一側面および第二側面と、前記底面から直立して固定され、前記第一側面および第二側面に対して直交する第三側面と、前記底面、第一側面および第二側面に対して直交し、前記底面、第一側面および第二側面に沿って移動可能な加圧面とで構成され、上方が開放された構成の粒子充填部に、試料粒子を充填して粒子充填層を形成し、
前記加圧面を前記底面、第一側面および第二側面に沿って一定の移動速度(Ｖ)で移動させることで前記粒子充填層を圧縮して、粒子充填層の降伏圧力(τ)を求める
ことを特徴とする前記試料粒子の充填強度の試験方法。
【請求項２】
前記加圧面の移動速度(Ｖ)を変えて複数の降伏圧力(τ)を測定し、
前記移動速度(Ｖ)と測定された降伏圧力(τ)とから式（Ｉ）
ｌｏｇ(τ) ＝ ｍ × ｌｏｇ(Ｖ) ＋ ｌｏｇ(ａ)          （Ｉ）
を満足する係数ａを求める請求項１に記載の試験方法。
【請求項３】
前記加圧面の移動速度(Ｖ)を変えて複数の降伏圧力(τ)を測定し、
前記移動速度(Ｖ)と測定された降伏圧力(τ)とから式（Ｉ）
ｌｏｇ(τ) ＝ ｍ × ｌｏｇ(Ｖ) ＋ ｌｏｇ(ａ)          （Ｉ）
を満足する係数ｍを求める請求項１または請求項２に記載の試験方法。
【請求項４】
水平面状の底面と、前記底面から直立して固定され、互いに平行して対向する平面状の第一側面および第二側面と、前記底面から直立して固定され、前記第一側面および第二側面に対して直交する第三側面と、前記底面、第一側面および第二側面に対して直交し、前記底面、第一側面および第二側面に沿って移動可能な加圧面とで構成されていて、上方が開放された構成で、試料粒子を充填して粒子充填層を形成するための粒子充填部を備えると共に、
前記加圧面を一定の移動速度で前記底面、第一側面および第二側面に沿って移動させる移動手段と、前記移動手段により移動させるときに加圧面から前記粒子充填層に加わる圧力を計測する圧力計測手段とを備え、
前記移動手段により前記加圧面を前記底面、第一側面および第二側面に沿って一定の移動速度で移動させることで前記粒子充填部に形成された粒子充填層を圧縮しながら、前記加圧面から前記粒子充填層に加わる圧力を前記圧力計測手段により計測できるように構成されている
ことを特徴とする前記試料粒子の充填強度の試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料粒子の充填強度の試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５に示すように、触媒粒子(2)が反応容器(B)内に充填され、触媒粒子充填層(20)となって固定された固定床反応装置(A)は、例えば炭化水素ガス、アルコールガスなどの原料ガス(C)から水素などを含む生成ガス(D)を製造するための改質反応装置などとして広く用いられている。かかる固定床反応装置(A)では、原料ガス(C)が触媒粒子充填層(20)を通過する間に生成ガス(D)に転化される。
【０００３】
かかる反応装置(A)は、例えば運転中は外部から３００℃〜７００℃の高温に加熱された状態であるが、その一方で、運転停止後は室温、例えば２０℃程度またはそれ以下に冷却された状態となる。運転と停止が繰り返されると、触媒粒子(2)や反応容器(7)が膨張、収縮を繰り返して、触媒粒子充填層(20)に応力が加わる。触媒粒子充填層(20)に応力が加わると、触媒粒子(2)が破壊されて微粉化するおそれがある。微粉化した触媒粒子(2)は、原料ガス(C)の通過を妨げる。このため触媒粒子(2)には、充填強度が高くて、充填された状態で応力が加わっても破壊されにくいものが求められている。
【０００４】
従来より、試料粒子(2)の充填強度を試験する法としては、図１に示すように、水平面状の底面(3a)と、平面状の第一側面(41a)および第二側面(42a)と、平面状の第三側面(33a)と、加圧面(5a)とで構成され、上部が開放された構成の粒子充填部(6)に、試料粒子(2)を充填して粒子充填層(20)を形成しておき、加圧面(5a)を所定の位置まで移動させて、この粒子充填層(20)を圧縮し、破壊された粒子(2)の割合から試料粒子(2)の充填強度を求める方法が知られていた〔特許文献１：特開平５−１２６７０６号公報〕。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１２６７０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、本発明者の検討によれば、かかる従来の試験方法では高い充填強度を示す粒子であっても、実際の反応器においては必ずしも十分な強度を示さないことがあることが分かった。
【０００７】
そこで本発明者は、実際の反応容器での強度を反映した充填強度の試験方法を開発するべく鋭意検討した結果、現実の反応容器では、運転の開始や停止等に伴う膨張や収縮は一様ではなく、緩やかに起こったり、急激に起こるものであること、および、緩やかな膨張・収縮に対して高い充填強度を示す触媒粒子であっても、必ずしも急激な膨張・収縮に対する充填強度が高いとは限らないことを見出すと共に、加圧面を一定の移動速度で移動させて粒子充填層を圧縮し、粒子充填層の降伏圧力を求める試験方法によれば、移動速度を変えて複数の降伏圧力を測定することにより、緩やかな膨張・収縮に対する充填強度を求めると同時に、急激な膨張・収縮に対する充填強度をも求めることができることを見出し、本発明に至った。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち本発明は、水平面状の底面(3a)と、
前記底面(3a)から直立して固定され、互いに平行して対向する平面状の第一側面(41a)および第二側面(42a)と、
前記底面(3a)から直立して固定され、前記第一側面(41a)および第二側面(42a)に対して直交する第三側面(43a)と、
前記底面(3a)、第一側面(41a)および第二側面(42a)に対して直交し、前記底面(3a)、第一側面(41a)および第二側面(42a)に沿って移動可能な加圧面(5a)とで構成され、上方が開放された構成の粒子充填部(6)に、
試料粒子(2)を充填して粒子充填層(20)を形成し、
前記加圧面(5a)を前記底面(3a)、第一側面(41a)および第二側面(42a)に沿って一定の移動速度(Ｖ)で移動させて前記粒子充填層(20)を圧縮して粒子充填層(20)の降伏圧力(τ)を求める
ことを特徴とする前記試料粒子(2)の充填強度の試験方法を提供するものである。
【０００９】
図１〜図３には、本発明の試験方法によって試料粒子(2)の充填強度を試験するための試験装置(1)を示す。この試験装置(1)は、粒子充填層(20)を形成するための粒子充填部(6)を備えている。この粒子充填部(6)は上記したように、水平面状の底面(3a)と、
前記底面(3a)から直立して固定され、互いに平行して対向する平面状の第一側面(41a)および第二側面(42a)と、
前記底面(3a)から直立して固定され、前記第一側面(41a)および第二側面(42a)に対して直交する第三側面(43a)と、
前記底面(3a)、第一側面(41a)および第二側面(42a)に対して直交し、前記底面(3a)、第一側面(41a)および第二側面(42a)に沿って移動可能な加圧面(5a)とで構成されている。またこの試験装置(1)は、加圧面(5a)を一定の移動速度(Ｖ)で底面(3a)、第一側面(31a)および第二側面(32a)に沿って移動させる移動手段(7)と、
移動手段(7)により移動させるときに加圧面(5a)から前記粒子充填部(6)に形成された粒子充填層(20)に加わる圧力を計測する圧力計測手段(8)とを備えている。そして、前記移動手段(7)により前記加圧面(5a)を前記底面(3a)、第一側面(41a)および第二側面(42a)に沿って一定の移動速度(Ｖ)で移動させることで前記粒子充填層(20)を圧縮しながら、前記加圧面(5a)から前記粒子充填層(20)に加わる圧力を前記圧力計測手段(8)により計測できるように構成されている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の試験方法によれば、緩やかな応力の上昇に対する触媒粒子の充填強度と共に、急激な応力の上昇に対する充填強度をも求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図１〜図４を用いて本発明の試験方法について説明する。
本発明の試験方法で降伏圧力(τ)を求めるには、先ず、粒子充填部(6)に試料粒子(2)を充填して粒子充填層(20)を形成する。図１〜図３は、粒子充填部(6)に粒子充填層(20)が形成された状態を示すものであり、図１は斜視図、図２は側断面図、図３は縦断面図である。
【００１２】
粒子充填部(6)は、水平面状の底面(3a)と、平面状の第一側面(41a)および第二側面(42a)と、第三側面(43a)と、加圧面(5a)とで構成されている。
【００１３】
底面(3a)は厳密に水平面であってもよいが、実用的には概ね水平面であればよい。かかる底面(3a)は、例えば底板(3)により構成されている。
【００１４】
第一側面(41a)および第二側面(42a)は平面状であり、厳密に平面状であってもよいが、実用的には概ね平面状であればよい。第一側面(41a)および第二側面(42a)は底面(3a)から直立した面であり、このため側方から見て底面(3a)と直交している。第一側面(41a)および第二側面(42a)は底面(3a)から厳密に直立していてもよいが、実用的には概ね直立していればよい。第一側面(41a)および第二側面(42a)は底面(3a)に対して固定されている。第一側面(41a)および第二側面(42a)は、互いに平行である。ここで第一側面(41a)および第二側面(42a)は厳密に平行であってもよいが、実用的には概ね平行であればよい。また、第一側面(41a)および第二側面(42a)は互いに対向して、粒子充填部(6)を形成している。かかる第一側面(41)および第二側面(42)はそれぞれ第一側板(41)および第二側板(42)で構成されている。
【００１５】
第三側面(43a)は、底面(3a)から直立した面であるので、側方から見て底面(3a)と直交している。第三側面(43a)は底面(3a)から厳密に直立していてもよいが、実用的には概ね直立していればよい。第三側面(43a)は、底面(3a)に対して固定されている。第三側面(43a)は、上方から見て第一側面(41a)および第二側面(42a)に対しても直交している。ここで第三側面(43a)は厳密に直交していてもよいが、実用的には概ね直交していればよい。第三側面(43a)は平面状であることが好ましい。かかる第三側面(43a)は第三側板(43)により構成されている。
【００１６】
底板(3)、第一側板(41)、第二側板(42)および第三側板(43)は、一体となって構成されていてもよいし、それぞれ別体となっているものを組み立てて構成されていてもよい。
【００１７】
加圧面(5a)は、側方から見て底面(3a)に対して直交している。また、上方から見て第一側面(41a)および第二側面(42a)に対して直交している。加圧面(5a)は、これらの面(3a、41a、42a、43a)に対して厳密に直交していてもよいが、実用的には概ね直交していればよい。加圧面(5a)は、底面(3a)、第一側面(41a)および第二側面(42a)に沿って移動できるように構成されている。かかる加圧面(5a)は、加圧板(5)の一面として構成されている。
【００１８】
粒子充填部(6)は、かかる底面(3a)上で、第一側面(41a)、第二側面(42a)、第三側面(43a)および加圧面(5a)によって側方が囲まれている。そして、上方は開放された構成となっている。
【００１９】
粒子充填部(6)の大きさは、例えば底面(3a)上で一辺が２ｃｍ〜１５ｃｍ程度、高さは５ｃｍ〜７ｃｍ程度である。
【００２０】
かかる粒子充填部(6)に充填される試料粒子(2)としては、例えば気相接触酸化に用いられる触媒粒子が挙げられる。また、触媒担体粒子も挙げられる。触媒担体粒子とは、表面に触媒成分を担持させて触媒粒子を製造するために用いられる原材料である。かかる試料粒子(2)の粒子径は、通常０．５ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。球状の試料粒子(2)は一般に変位性が高い場合が多いので、本発明の試験方法は、試料粒子(2)が球状である場合に好適である。
【００２１】
本発明の試験方法では、粒子充填層(20)を形成した後、加圧面(5a)を移動させて粒子充填層(20)を圧縮する。図１に示す装置(1)では、図２に示すように、加圧面(5a)の背後に移動手段(7)が備えられていて、この移動手段(7)によって加圧面(5a)を移動させる。移動手段(7)としては、例えば電動モーター(M)からの回転出力を減速機(G)で減速し、クランク(C)によって加圧面(5a)を直線駆動させるクランク機構が挙げられる。また、圧縮空気などによって直線駆動するピストンなども挙げられる。加圧面(5a)を移動させる移動速度(Ｖ)は、通常１ｍｍ／分〜１０００ｍｍ／分程度の範囲から選ばれる。かかる移動速度(Ｖ)は一定であり、厳密に一定としてもよいが、実用的には概ね一定であればよい。かかる加圧面(5a)は、前記底面(3a)、第一側面(41a)および第二側面(42a)に沿って移動する。
【００２２】
本発明の試験方法では、かくして粒子充填層(20)を圧縮しながら、この粒子充填層の降伏圧力(τ)を求める。降伏圧力(τ)は、粒子充填層(20)を圧縮しながら、加圧面(5a)から粒子充填層(20)に加わる圧力を計測することで、求めることができる。
【００２３】
図４には、加圧面(5a)を移動させたときに加圧面(5a)から粒子充填層(20)に加わる圧力(Ｐ)を計測した例を模式的に示す。横軸は加圧面の位置(Ｌ)を、縦軸は圧力(Ｐ)を示す。この圧力(Ｐ)を計測する圧力計測手段(8)としては、例えば移動手段(7)として上記したクランク機構を用いた場合には、クランク(C)に加わる力を計測する圧電素子が挙げられる。クランクの歪みを歪み計などを用いて計測して圧力(Ｐ)を算出するように構成されている計測手段であってもよい。また、電動モーター(M)の回転数、電流値、電圧値などから算出するように構成されていてもよい。移動手段としてピストンなどを用いた場合には、ピストンに供給される圧縮空気の供給量、ピストン内の圧力などから計測してもよい。
【００２４】
図４において、加圧面(5a)の移動を開始した時点（Ｌ＝０）では、粒子充填層(20)は未だ圧縮されておらず、圧力(Ｐ)は０である。加圧面(5a)がＬ＝Ｌ1で示される位置まで移動する間は、次第に粒子充填層(20)が圧縮され、加圧面(5a)を移動させるに要する圧力(Ｐ)は次第に大きくなる。さらに、加圧面(5a)の移動を続け、Ｌ＞Ｌ1となると、加圧面(5a)を移動させるに要する圧力(Ｐ)は概ね一定の降伏圧力を示すようになるので、この圧力を降伏圧力(τ)として読み取ればよい。
【００２５】
かくして一定速度(Ｖ)で加圧面(5a)を移動させたときの粒子充填層(20)の降伏圧力(τ)を求めることができる。
【００２６】
本発明の方法によって、移動速度(Ｖ)を変えて複数の降伏圧力(τ)を測定し、この移動速度(Ｖ)と測定された降伏圧力(τ)とから式（Ｉ）
ｌｏｇ(τ) ＝ ｍ × ｌｏｇ(Ｖ) ＋ ｌｏｇ(ａ)          （Ｉ）
を満足する係数ａを求めることができる。この係数ａは、試料充填層(20)に加わる応力が緩やかに上昇したときにおける試料粒子(2)の充填強度を示す指標である。係数ａが小さいほど、試料粒子(2)は、応力が緩やかに上昇したときに壊れ易く、係数ａが大きいほど、試料粒子(2)は、応力が緩やかに上昇したときに壊れにくい傾向にある。
【００２７】
同様にして、移動速度(Ｖ)と測定された降伏圧力(τ)とから上記式（Ｉ）を満足する係数ｍを求めることができる。係数ｍは、応力が急激に上昇したときの試料粒子(2)の充填強度を、応力が緩やかに上昇したときと比較して示す指標である。係数ｍが小さいと、たとえ係数ａが大きくて、応力が緩やかに上昇したときに破壊されにくい試料粒子(2)であっても、応力が急激に上昇したときには破壊され易い傾向にある。また、係数ｍが大きいほど、たとえ係数ａが小さくて応力が緩やかに上昇したときに壊れ易い試料粒子(2)であっても、応力が急激に上昇したときには、それ以上、壊れ易くなりにくい傾向にある。
【００２８】
複数の降伏圧力(τ)を求めるには、粒子充填層(20)に充填された試料粒子(2)を入れ替えながら、上記と同様に操作すればよい。降伏圧力(τ)は、２点の移動速度(Ｖ)について求めるだけであってもよいが、少なくとも３点の移動速度(Ｖ)について求めることが好ましい。
【００２９】
次いで移動速度(Ｖ)と、求めた降伏圧力(τ)から上記式（Ｉ）を満足する係数ｍを求める。かかる係数ｍを求めるには通常の方法、例えば回帰計算法などの方法で容易に求めることができる。
【実施例】
【００３０】
以下、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明は、かかる実施例によって限定されるものではない。
【００３１】
実施例１
図１〜図３に示すように底面(3a)と第一側面(41a)、第二側面(42a)および第三側面(43)と加圧面(5a)とで構成され、縦５ｃｍ×横４ｃｍで高さが７ｃｍの粒子充填部(6)に市販の活性アルミナ球状粒子〔住友化学工業(株)製、「ＫＨＤ−１２」、外径は約１ｍｍ〜２ｍｍ〕を充填して粒子充填層(20)を形成した。次いで加圧面(5a)を３．３ｍ／分の速度(Ｖ)で移動させた。このとき、加圧面(5a)から粒子充填層(20)へ加えられた圧力(Ｐ)を加圧板(5)の背後に設けた圧力測定機(8)にて測定しながら移動させた。移動は、電動モーター(図示せず)により駆動される直線駆動機構(7)によって行った。加圧面(5a)の位置と圧力(Ｐ)との関係を図４に示す。加圧面の位置(Ｌ)と圧力(Ｐ)との関係から、降伏圧力(τ)を求めた結果を第１表に示す。木屋式の圧縮強度測定装置にて測定した圧縮強度も同時に示す。
【００３２】
測定後、活性アルミナ球状粒子の全量を入れ替え、移動速度(Ｖ)を３３ｍ／分とする以外は上記と同様にして降伏圧力(τ)を求めた。さらに活性アルミナ球状粒子の全量を入れ替え、移動速度(Ｖ)を３３３ｍ／分とする以外は上記と同様にして降伏圧力(τ)を求めた。結果を第１表に示す。
【００３３】
各移動速度(Ｖ)と得られた降伏圧力(τ)とから回帰計算により式（１）を満足する係数ｍおよび係数ａを求めた。結果を第２表に示す。
【００３４】
実施例２〜実施例４
活性アルミナ球状粒子〔ＫＨＤ−１２〕に代えて、活性アルミナ球状粒子〔住友化学工業(株)製、「ＫＨＤ−２４」、外径約２ｍｍ〜４ｍｍ〕（実施例２）、活性アルミナ球状粒子〔住友化学工業(株)製、「ＫＨＤ−４６」、外径約４ｍｍ〜６ｍｍ〕（実施例３）および樹脂粒子〔アクリロニトリル−スチレン−ブタジエン樹脂（ＡＢＳ樹脂）製、外径約６ｍｍ〕（実施例４）を用いる以外は実施例１と同様に操作して、移動速度(Ｖ)が３．３Ｍ／分、３３ｍ／分、３３３ｍ／分について降伏圧力(τ)を求めた。結果を第１表および第２表に示す。
【００３５】
第 １ 表                            
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
球状粒子      移動速度      降伏応力        圧縮強度    
(ｍ／分)      (Ｎ／ｃｍ2)      （Ｎ）     
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
実施例１  ＫＨＤ−１２      ３．３    １．２３          ５４．９  
３３        １．６２                    
３３３        １．９０                    
実施例２  ＫＨＤ−２４      ３．３    ０．７４        １３１．８  
３３        ０．８０                    
３３３        １．０３                    
実施例３  ＫＨＤ−４６      ３．３    ０．８０        ２５４．５  
３３        ０．９４                    
３３３        ０．９８                    
実施例４  樹脂粒子          ３．３    ０．６７        ３３０．５  
３３        ０．７８                    
３３３        ０．８９                    
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
【００３６】
第 ２ 表                       
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
球状粒子           係数ｍ          係数ａ   
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
実施例１  ＫＨＤ−１２    ０．０４９      １．３５８  
実施例２  ＫＨＤ−２４    ０．０５１      ０．７２０  
実施例３  ＫＨＤ−４６    ０．０２６      ０．８３８  
実施例４  樹脂粒子        ０．０３４      ０．７０５  
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】充填層強度を試験する方法を説明するための斜視図である。
【図２】充填層強度を試験するための試験装置の一例を示す側断面図である。
【図３】充填層強度を試験するための試験装置の一例を示す縦断面図である。
【図４】加圧面から粒子充填層に加わる圧力(Ｐ)を計測した例であり、横軸は加圧面の位置(Ｌ)を、縦軸は圧力(Ｐ)を示す。
【図５】固定床反応装置の一例を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１：充填強度の試験装置
２：試料粒子            20：粒子充填層
3a：底面                ３：底板
41a:第一側面            41：第一側板
42a:第二側面            42：第二側板
43a:第三側面            43：第三側板
5a：加圧面              ５：加圧板
６：粒子充填部          ７：移動手段            ８：圧力計測手段
Ｖ：加圧面の移動速度    τ：粒子充填層の降伏圧力
Ｌ：加圧面の位置        Ｐ：圧力
Ａ：固定床反応装置      Ｂ：反応容器
Ｃ：原料ガス            Ｄ：生成ガス
【図１】
2005207854.tif 000003
【図２】
2005207854.tif 000004
【図３】
2005207854.tif 000005
【図４】
2005207854.tif 000006
【図５】
2005207854.tif 000007