(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスを触媒に接触させて生成ガスを生成する反応容器と、前記反応ガスを前記反応容器に供給する供給手段と、前記生成ガスの種類及び濃度に応じた信号を検出する分析器と、を備えた触媒性能評価装置において、
前記反応容器は、内部に複数の触媒を充填することが可能な充填部分と、前記複数の触媒に前記反応ガスを接触させることにより生成される各々の触媒に対応する複数の生成ガスを個別に採取することが可能な採取部分とを有し、
前記採取部分から前記複数の生成ガスを個別に吸引することによって分取する分取装置と、
前記生成ガスの吸引量を制御することが可能な吸引装置と、
を備え、
前記分取装置と前記分析器と前記吸引装置とが流路切換装置を介して連結されており、
前記分取装置が、前記採取部分に適宜接続される吸引部分を備えたＸＹＺ三軸稼動ロボットであり、
前記生成ガスを分取する際に、前記ＸＹＺ三軸稼動ロボットに取り付けられる生成ガス流路の先端部を前記採取部分へ内挿し、前記生成ガスの吸引量が前記採取部分におけるガス流量以下となるように前記吸引装置を稼動させて前記生成ガスを前記分析器に導くことを特徴とする触媒性能評価装置。
【請求項２】
前記吸引装置が、真空ポンプと流量制御装置を備えていることを特徴とする請求項１に記載の触媒性能評価装置。
【請求項３】
前記流路切換装置が、複数の接続ポートを有するバルブを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の触媒性能評価装置。
【請求項４】
前記分析器からの出力信号を順次入力する演算装置を備えることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の触媒性能評価装置。
【請求項５】
前記反応容器が、多数の貫通孔を並列に配列した多管式管型反応器であって、管内部に触媒充填層を備えることを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の触媒性能評価装置。
【請求項６】
前記反応容器を加熱するための加熱装置を備えていることを特徴とする請求項１から５のうちのいずれか１項に記載の触媒性能評価装置。
【請求項７】
前記分取装置と、前記流路切換装置と前記吸引装置と、を制御するための演算装置を備えていることを特徴とする請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の触媒性能評価装置。
【請求項８】
請求項７に記載の触媒性能評価装置において、さらに、前記生成ガスが流通する生成ガス流路の温度調節を行うための流路温度調節器を備え、前記演算装置は、さらに前記流路温度調節器も制御すること、を特徴とする触媒性能評価装置。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の触媒性能評価装置において、さらに、前記流路切換装置の温度調節を行うための切換装置温度調節器を備え、前記演算装置は、さらに前記切換装置温度調節器も制御すること、を特徴とする触媒性能評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反応ガスを触媒に接触させて反応させ、生成される生成ガスを採取し、その種類及び濃度を分析することにより、触媒性能評価を行う装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気相接触化学反応に用いる固体触媒の活性、生成物の選択性などの触媒性能を実験室規模で評価する方法として、従来より固定層反応器を用いた管型流通式反応法が広く用いられている。
【０００３】
この流通式反応法による触媒評価は、触媒を充填した固定層反応器を電気炉や恒温槽等の加熱装置を用いて所定の反応温度へ設定し、固定層反応器内に反応ガスを流通させ、生成物や未反応物の種類や濃度を、ガスクロマトグラフ、マススペクトルなどでオンラインで分析したり、いったん生成物や未反応物をトラップした後に、得られた生成物と未反応物を、ガスクロマトグラフ（ＧＣ）、質量分析法（ＭＳ）で分析するなどの方法で行われている。
【０００４】
触媒評価においては、扱う反応が多岐に亘るため、多種多様な反応条件と生成物に対応できることが求められる。例えば、反応の種類については、無機性のガスを扱う反応から、有機性化合物を扱う反応まで多岐に亘り、また、生成物の種類から見れば、分子量の差の小さい生成物が複数種生成する反応もあれば、分子量の差の大きい生成物が複数種、生成する反応まで考えられる。
【０００５】
これらの生成物は、熱伝導度式ガスクロマトグラフ（ＧＣ−ＴＣＤ）、水素炎イオン化式ガスクロマトグラフ（ＧＣ−ＦＩＤ）、ＭＳなど、汎用分析法のいずれでも分析可能なものもあれば、これらのいずれか１つのみで分析可能なもの、又は複数を組み合わせることで初めて、分析できるものがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＳ単独のオンライン分析法では、数秒で分析可能という利点を有するが、例えば、異性化反応や酸化反応といった、多数の異なる種類の生成物が生成する反応では、親イオンやフラグメントイオンが異なる場合が多く、ＭＳ単独では十分な分析ができないことが多い。
【０００７】
一方、ＧＣ−ＦＩＤ、ＧＣ−ＴＣＤ等のオンライン分析法では、分析は早くても数分程度を必要とするといった不利な点はあるが、分離カラムや温度などの分析条件を適正に選択すれば、同一分子量の生成物やＭＳ分析では同定出来ないフラグメントを有する生成物を分離して分析できるなどの利点を有している。
【０００８】
上記のように、それぞれの分析法には長短があるために、反応や触媒を変えた際に、目的に適した分析器が備えられている場合はよいが、そうではない場合、触媒性能評価装置そのものを使うことができなくなるため、別の触媒性能評価装置一式を別途、導入することが必要で、実験スペースやコストの面などで問題があった。
【０００９】
また、オンライン分析法での分析では、通常１つの反応器には１種類の触媒を充填し、その反応器と分析機器を直結するか、又は高々４〜５個程度の反応容器を１つの分析機器につなぐため、反応条件にもよるが、一日に評価可能な触媒数は多くても１０サンプル程度に留まらざるを得ない。
【００１０】
触媒の研究開発における初期の探索段階においては、多数の触媒に対して迅速且つ効率的にスクリーニングを行い、早期に開発の方向付けを行うことが非常に重要であるが、上記通常法では触媒評価に時間がかかり効率が悪く、また反応器を増してその数に応じた分析機器を増設しても、コスト等の面では有利ではない。
【００１１】
そのため、最近、コンビナトリアルケミストリーの概念に基づき、ＸＹＺ三軸稼動ロボットを利用した触媒性能評価装置も提案されている（Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．３８、２７９５（１９９９年）；３８、４８３（１９９９）；Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．１１１、５０８（１９９９））。
【００１２】
しかしながら、ＸＹＺロボットを用いて、分析装置を連結させる場合には、吸引によって生成ガスを分析装置に導入することが多いが、生成ガスの流量に応じた吸引ができなければ、生成ガス以外に空気なども一緒に吸引してしまうため、分析精度が著しく低下することになる。そのため、分析装置の特性上、生成ガスの流量が制約を受けることもあり、触媒探索を促進する上での障害になっていた。
【００１３】
以上のような状況から、多数の触媒を迅速且つ効率的に性能評価を行い得る自動化された触媒性能評価装置の開発が望まれていた。
【００１４】
本発明は、上記従来技術の課題を解決すべくなされたものであり、多数の触媒について、迅速且つ効率的に触媒性能を自動評価できる装置で、且つ多岐に亘る反応や反応条件に対応可能な装置を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、
（１）反応ガスを触媒に接触させて生成ガスを生成する反応容器と、前記反応ガスを前記反応容器に供給する供給手段と、前記生成ガスの種類及び濃度に応じた信号を検出する分析器と、を備えた触媒性能評価装置において、
前記反応容器は、内部に複数の触媒を充填することが可能な充填部分と、前記複数の触媒に前記反応ガスを接触させることにより生成される各々の触媒に対応する複数の生成ガスを個別に採取することが可能な採取部分とを有し、
前記採取部分から前記複数の生成ガスを個別に吸引することによって分取する分取装置と、前記生成ガスの吸引量を制御することが可能な吸引装置と、
を備え、
前記分取装置と前記分析器と前記吸引装置とが流路切換装置を介して連結されており、
前記分取装置が、前記採取部分に適宜接続される吸引部分を備えたＸＹＺ三軸稼動ロボットであり、
前記生成ガスを分取する際に、前記ＸＹＺ三軸稼動ロボットに取り付けられる生成ガス流路の先端部を前記採取部分へ内挿し、前記生成ガスの吸引量が前記採取部分におけるガス流量以下となるように前記吸引装置を稼動させて前記生成ガスを前記分析器に導くことを特徴とする触媒性能評価装置、
（２）前記吸引装置が、真空ポンプと流量制御装置を備えていることを特徴とする（１）に記載の触媒性能評価装置、
（３）前記流路切換装置が、複数の接続ポートを有するバルブを備えていることを特徴とする（１）又は（２）に記載の触媒性能評価装置、
（４）前記分析器からの出力信号を順次入力する演算装置を備えることを特徴とする（１）から（３）のうちのいずれかに記載の触媒性能評価装置、
（５）前記反応容器が、多数の貫通孔を並列に配列した多管式管型反応器であって、管内部に触媒充填層を備えることを特徴とする（１）から（４）のうちのいずれかに記載の触媒性能評価装置、
（６）前記反応容器を加熱するための加熱装置を備えていることを特徴とする（１）から（５）のうちのいずれかに記載の触媒性能評価装置、
（７）前記分取装置と、前記流路切換装置と前記吸引装置と、を制御するための演算装置を備えていることを特徴とする（１）から（６）のうちのいずれかに記載の触媒性能評価装置、
（８）（７）に記載の触媒性能評価装置において、さらに、前記生成ガスが流通する生成ガス流路の温度調節を行うための流路温度調節器を備え、前記演算装置は、さらに前記流路温度調節器も制御すること、を特徴とする触媒性能評価装置、
（９）（７）又は（８）に記載の触媒性能評価装置において、さらに、前記流路切換装置の温度調節を行うための切換装置温度調節器を備え、前記演算装置は、さらに前記切換装置温度調節器も制御すること、を特徴とする触媒性能評価装置、を提供するものである。
【００１６】
本発明に係わる触媒性能評価装置において、特に特徴的な構成は、
（Ａ）生成ガスの吸引量を制御することが可能な吸引装置を備えること、
（Ｂ）分取装置と分析器と吸引装置とが流路切換装置を介して連結されていること、
である。
【００１７】
（Ａ）の特徴を備えた構成にすることによって、生成ガスの吸引量を任意に且つ正確に制御することが可能となり、反応ガス流量すなわち反応接触時間を任意に変えることが可能となり、多種多数の触媒や異なる反応などに対応することができる。具体的には、真空ポンプと流量制御装置からなる構成を例示できる。
【００１８】
（Ｂ）の特徴を備えた装置にすることによって、汎用の分析器を任意に接続することが可能である。すなわち、多種多数の触媒や異なる反応条件に対応することができる。具体的には、図２のように分取装置と分析器と吸引装置とを接続した六方バルブを例示できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２０】
まず、本発明に係わる触媒性能評価装置の構成について説明する。図１は、本発明に係わる触媒性能評価装置の一実施形態を表す概念図である。
【００２１】
図１において、１は触媒性能評価装置の全体を指している。触媒性能評価装置１は、本発明の充填部分に対応する触媒毎に独立した複数の触媒充填孔２３と各々の触媒充填孔２３に続く生成ガス取り出し口である採取部分２４とを備えた反応容器２、反応容器２の内部へ反応ガスを供給する供給手段としての反応ガス供給管３及び反応ガス供給量制御装置４、反応容器２及び反応ガス供給管３の末端を加熱するための電気炉または恒温槽などの加熱装置５、触媒と反応ガスが接触して生成された生成ガスを個別に分取する分取装置であるＸＹＺ三軸稼動ロボット６、生成ガスの種類及び濃度に応じた信号を検出するための分析器９、保温用ヒーターを備え、ＸＹＺ三軸稼動ロボット６から分析器９に至る生成ガス流路１０、生成ガスを吸引するための吸引装置８、吸引装置８と分析器９を連結するための流路切換装置１１、分析器９からの出力信号を自動的に取り込む演算装置１２、生成ガス流路１０を保温する保温用ヒーターの温度調節を行うための流路温度調節器１３、流路切換装置１１の温度調節を行うための切換装置温度調節器１４と、ＸＹＺ三軸稼動ロボット６と吸引装置８と流路切換装置１１と流路温度調節器１３と切換装置温度調節器１４とを制御するための制御装置７と、を備えている。
【００２２】
（反応容器）
反応容器２は、空気が侵入して分析精度が低下することを防止するために、反応ガス導入部を備えた蓋２１と受器２２とから構成し、蓋２１と受器２２との間にパッキング材を挿入してボルト類で固定することによって密封構造とすることが好ましい。
【００２３】
蓋２１の上部には、反応容器２の内部へ反応ガスを供給するための反応ガス供給管３が取り付けられている。受器２２は、所定の間隔を隔てて配置された複数の触媒充填孔２３と各々の触媒充填孔に対応する生成ガス取り出し口である採取部分２４とを備えている。触媒充填孔２３及び採取部分２４の数は任意に選ぶことができるが、好ましくは３０〜３００であり、触媒充填孔２３の配置はマトリックス状であっても、同心円状であってもよい。
【００２４】
なお、複数の触媒を充填するための反応容器２の形態は、図１のように複数の管を並列に配列する形態に限らない。例えば容器内を反応ガスの流通方向に平行な平板状の仕切によって複数の区画に分け、夫々の区画の両端の開口部分に反応ガスの出入り口を設けるなどでも良く、複数の異なる一定条件（触媒の種類や、密度等）下で触媒と反応して生成した生成ガスを個別に取り出すことができれば良い。
【００２５】
（ＸＹＺ三軸稼動ロボット）
ＸＹＺ三軸稼動ロボット６としては、例えば、電動式ＸＹ二軸ユニット６１とエア駆動式Ｚ軸ユニット６２とから成り、エア駆動式Ｚ軸ユニット６２に生成ガス流路１０の先端部を備えた形態が挙げられる。ＸＹＺ三軸稼動ロボット６は、制御装置７によって作動制御される。
【００２６】
（吸引装置）
吸引装置８は、真空ポンプ８１と生成ガス吸引量を制御するための流量制御装置８２とトラップ８３とから構成できる。ＸＹＺ三軸稼動ロボットに取り付けた生成ガス流路１０の先端部を、制御装置７で指定した位置の採取部分２４へ内挿させ、吸引装置８を稼動させることによって、指定した位置の生成ガスを分析器９に導くことが可能である。生成ガス吸引量は、流量制御装置８２によって採取部分２４におけるガス流量以下に設定されることによって、生成ガスのみを吸引することができ、空気の混入による分析精度の低下を抑え、正確な触媒性能評価を行うことが可能である。吸引装置８は、制御装置７によって作動制御できる。
【００２７】
（流路切換装置）
流路切換装置１１は、複数の接続ポートを有する六方バルブなどのマルチポジションバルブが好ましい。マルチポジションバルブへ生成ガス流路１０を接続することで、生成ガス流路１０を接続ポート数の流路へ分岐させ、その一つを選択することによって、吸引装置８や分析器９への流路切換が可能である。また、接続ポート数の流路分岐が可能であるため、分析器を増設することが容易で、多角的な触媒性能評価を行うことができ、装置としての拡張性を高めることができる。流路切換装置１１は、制御装置７によって作動制御される。
【００２８】
図２から図４に、流路切換装置１１の構成の具体例を示す。これらの図において、１１０は六方バルブ、１１１及び１１２は三方バルブ、１１３はサンプリングラインを示している。
【００２９】
図２においては、六方バルブ１１０の実線部分の流路を連通させて吸引装置を作動させれば、生成ガスは分取装置から接続ポートｂ、接続ポートａを経由して分析器９に導入され、接続ポートｄ、接続ポートｃを経由して吸引装置に吸引される。また、破線部分の流路を連通させれば、分析器９を通さずに生成ガスを吸引装置に吸引させることもできる。
【００３０】
図３においては、六方バルブ１１０の実線部分の流路を連通させて吸引装置を作動させれば、生成ガスは分取装置から接続ポートａ、接続ポートｂを経由して三方バルブ１１１に至る。ここで三方バルブ１１１の連通状態によって、生成ガスを分析器９に導入することもできるし、分析器９を通さずにショートカットさせることもできる。その後、生成ガスは接続ポートｃ、接続ポートｄを経由して吸引装置に吸引される。六方バルブ１１０の破線部分の流路を連通させた場合も同様である。
【００３１】
図３のように構成すれば、より多くの分析器を同時に接続しておき、生成ガスの種類に応じて分析器を使い分けることが可能となる。
【００３２】
図４には、特に分析器９としてＧＣを用いる場合の構成を示している。この場合、先ず六方バルブ１１０の実線部分の流路を連通させて吸引装置を作動させれば、生成ガスは分取装置から接続ポートｂ、接続ポートａ、サンプリングライン１１３、接続ポートｄ、接続ポートｃをこの順に経由して吸引装置に吸引される。次に、六方バルブ１１０の破線部分の流路を連通させれば、分析器９が備えるボンベ等からＨｅ、Ｎ2、Ａｒ等のキャリアガスを接続ポートｆに送り込むことで、サンプリングライン１１３内に残留している生成ガスを接続ポートｄ、接続ポートｅを経て分析器９に導入することができる。
【００３３】
（分析器）
分析器９は、生成ガスの種類や必要とする分析の精度に応じて、適宜変更または増設してよい。本実施形態における分析器９は、ＧＣ、ＭＳまたはガスクロマトグラフ質量分析計（ＧＣ／ＭＳ）が好ましい。本実施形態におけるガスクロマトグラフ分析は、反応原料と目的生成物のみを検出するべく、分離カラムや温度などの分析条件を調整することで、一回の分析時間を数分とすることもできる。生成物の検出器にはＴＣＤ、ＦＩＤのほか、電子捕獲式検出器（ＥＣＤ）などの汎用の分析技術を好適に用いることができる。
【００３４】
（制御装置）
本実施形態における制御装置７は、ＸＹＺ三軸稼動ロボット６と吸引装置８と流路切換装置１１と温度調節器１３と温度調節器１４の制御、演算装置１２の制御を行うために用いられ、分析条件の設定、分析状況の表示、通信設定、装置メンテナンスなどを行うプログラムが組み込まれた、汎用のパーソナルコンピュータとされ、ＸＹＺ三軸稼動ロボット６と吸引装置８と流路切換装置１１と温度調節器７と温度調節器１３とケーブルを介して結線されたインターフェイスボードが装着されている。なお、制御装置７を専用装置として構成することも可能である。本実施形態における演算装置１２は、分析器９からの出力信号を自動的に取り込むプログラムが組み込まれた、汎用のパーソナルコンピュータとされ、分析器９とケーブルを介して結線されたインターフェイスボードが装着されている。なお、演算装置１２を専用装置として構成することも可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明にかかる触媒性能評価装置は、多種多数の触媒について、迅速且つ効率的に触媒性能評価を行い得る装置で、且つ多岐に亘る反応や反応条件に対応可能で、実験精度の向上と自動化による省力化を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る触媒性能評価装置の一実施形態を表す概念図である。
【図２】本発明に係る流路切換装置の接続形態を表す概念図である。
【図３】本発明に係る流路切換装置の他の接続形態を表す概念図である。
【図４】本発明に係る流路切換装置の他の接続形態を表す概念図である。
【符号の説明】
１  触媒性能評価装置
２  反応容器
３  反応ガス供給管
４  反応ガス供給量制御装置
５  加熱装置
６  ＸＹＺ三軸稼動ロボット
７  制御装置
８  吸引装置
９  分析器
１０  生成ガス流路
１１  流路切換装置
１２  演算装置
１３  流路温度調節器
１４  切換装置温度調節器
２１  反応容器蓋部
２２  反応容器受器部
２３  触媒充填孔
２４  採取部分
６１  電動式ＸＹ二軸ユニット
６２  エア駆動式Ｚ軸ユニット
８１  真空ポンプ
８２  流量制御装置
８３  トラップ
１１０  六方バルブ
１１１，１１２  三方バルブ
１１３  サンプリングライン
【図１】
0004504552.tif 000002
【図２】
0004504552.tif 000003
【図３】
0004504552.tif 000004
【図４】
0004504552.tif 000005