(57)【要約】      （修正有）【課題】流体に対応して反応を効率的に行えるとともに、触媒の無駄を省くことのできる触媒反応装置の提供。【解決手段】反応器の流路に通して流体を触媒反応する触媒反応装置であって、触媒４を反応器１の流路３の任意の位置に定着させるガイド部材２を配置する。ガイド部材２は、反応器１の流路３を流れる流体を通す間隙を有するとともに、外周部が反応器の内周面とほぼ接近する位置まで拡がりをもって配置される。ガイド部材２は、反応器１の流路に着脱自在に取り付けてある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応器の流路に通して流体を触媒反応する触媒反応装置であって、  
触媒を反応器の流路の任意の位置に定着させるガイド部材を配置することを特徴とする触媒反応装置。
【請求項２】
ガイド部材は、反応器の流路を流れる流体を通す間隙を有するとともに、外周部が反応器の内周面とほぼ接近する位置まで拡がりをもって配置されることを特徴とする請求項１記載の触媒反応装置。  
【請求項３】
ガイド部材は、反応器の流路に着脱自在に取り付けてあることを特徴とする請求項１又は２記載の触媒反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属触媒を使用する触媒反応装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
触媒は、特定の化学反応の反応速度を速める物質であり、触媒自体はその反応の前後で変化しないものであることが条件となる。石炭、バイオマス、天然ガスを利用した反応方法のうち、水素と一酸化炭素を主成分とする合成ガスから炭水化物を合成するものは、ＦＴ（フィッシャー・トロプッシュ）合成と呼ばれている。このＦＴ合成は、一般的に、石油の代替となる合成油や合成燃料を製造することを目的に利用されている。また、上記の触媒となる鉄やコバルト等の活性金属は、それ自体では不安定な状態で存在することから、担体と呼ばれるシリカやアルミナ等に固定（担持とも呼ばれる）して反応装置内で安定して存在させるものあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２６０３５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような反応装置は、筒状の反応器内に触媒を含んだ流体を通すものであるが、このときに、撹拌しながら反応効率を高めて反応器内を流すものであった。ところが、反応器内では触媒の分布が偏ることから、反応器内で反応に斑が生じてしまい、効率的な反応が行えなかった。さらに、流体が反応器内で触媒と反応した後は、その触媒ごと流体を次の工程に流すものであったことから、触媒が廃棄される。このことから、反応工程を繰り返すごとに触媒の追加が必要となり、無駄が多くなって製造コストの増大を招くものであった。
【０００５】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、効率的で且つ無駄のない反応工程を行うことのできる触媒反応装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のうち請求項１記載の発明は、反応器の中に分布させた触媒に流体を通して反応させる触媒装置であって、反応器は、触媒を分布させる流路を有しており、流路には、流路のほぼ全体に亘って配置されるガイド部材が設けてあることを特徴とする。
【０００７】
本発明のうち請求項２記載の発明は、ガイド部材は、反応器の流路を流れる流体を通す間隙を有するとともに、外周部が反応器の内周面とほぼ接近する位置まで拡がりをもって配置されることを特徴とする。
【０００８】
本発明のうち請求項３記載の発明は、ガイド部材は、反応器の流路に着脱自在に取り付けてあることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の請求項１記載の発明によれば、反応器の中にガイド部材を配置した状態で触媒を含む流体を通したときに、流体に含有する触媒がガイド部材に付着あるいは吸着する。これにより、触媒はガイド部材のいずれかの箇所に留まることで、反応器の中で位置が固定される。このように形成すると、流体を撹拌したときに、触媒がガイド部材の配置してある範囲の全体に均等に分布し、反応器の中で偏りが少ない状態で均等に反応する。さらに、触媒がガイド部材に固定されることで、反応器から流体を流したときに、触媒が反応器の中に残留し、次に通す流体の触媒の含有量を飛躍的に減らすことができることから、反応にかかる製造コストを軽減させることができる。
【００１０】
本発明の請求項２記載の発明によれば、ガイド部材が反応器に対して着脱自在に取り付けてあることから、経年の使用によりガイド部材が劣化したときに、ガイド部材のみを交換するこができる。さらに、異なる触媒を使用するときに、ガイド部材を交換することにより、反応器を共用して使用できる。
【００１１】
本発明の請求項３記載の発明によれば、ガイド部材を反応器の流路に着脱できることから、反応器の外でガイド部材の意図する箇所に触媒を定着させることができる。これによって、より効率的に触媒と流体を反応させて所望の製品を得ることができる。さらに、ガイド部材を反応器から取り外し、別の触媒を定着させたガイド部材を取り付けることができるので、触媒反応装置の適用範囲を容易に拡げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施による触媒反応装置の斜視図である。
【図２】本実施による触媒反応装置を組み込んだプラントを簡略化した図である。
【図３】本実施による触媒反応装置の反応器内の状態を示す（ａ）は、縦断面図であり、（ｂ）は、正面図である。
【図４】本発明の他の実施形態として（ａ）は、適用したカプセル触媒の拡大図であり、（ｂ）は、カプセル触媒を使用した反応装置の正面図である。
【図５】（ａ）（ｂ）は、本発明による他の実施形態を示す正面図である。
【図６】本発明による他の実施形態を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、図面に基づいて本実施による触媒の反応装置について説明する。
本実施による触媒反応装置は、図３のように、プラントの一部を構成するものである。
このプラントは、原油などの原料流体を水蒸気改質法によりガス化し、水洗浄の後に圧縮し、反応器１で触媒反応を行った後、蒸留して製品となる合成油を生成するものである。
また、本実施による触媒反応装置の構成は、図１のように、反応器１と、ガイド部材２とからなっている。反応器１は、内部に流路３を有する筒状、または中空形状に形成してあり、触媒反応に影響を及ぼさない化学的に安定したセラミックやステンレスなどの材質で成形されている。さらに、ガイド部材２は、本実施のものでは図１のように、桟や棒材などの尺材２ａを格子状に組んで各尺材２ａの間に無数の間隙が生じるように形成されている。また、ガイド部材２は、流路３の径方向に延びる尺材２ａの両端部が、反応器１の流路の周壁１ａ内周部にほぼ当接する状態で収容されている。また、ガイド部材２を構成する尺材２ａは、間隔をあけた複数箇所に突部２ｂを有している。これにより、ガイド部材２の表面積が大きくなることで、流体との接触面積が増大し、これに伴い、ガイド部材２の外周部の任意の箇所に固定される触媒４との反応箇所も増大する。したがって、反応器１の流路３を通る流体と触媒４との反応が効率的に行われる。
【００１４】
本実施で行われるフィッシャー・トロプシュ法（以下、ＦＴ法と記す）は、一酸化炭素と水素から触媒反応を用いて液体炭化水素を合成するものである。また、触媒４として鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）の化合物が使用されている。
ここで、ＦＴ法による一般的な反応過程を示す。
ＦＴ法は、基本的に下記の化学反応式１に示す化学反応を用いている。
【００１５】
【化１】
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また、上記化学反応の出発物質となる一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ２）は、下記の化学反応式２のように、天然ガスであるメタン（ＣＨ４）の部分燃焼により作られるものと、化学反応式３のように、石炭やバイオマス等の生物資源（Ｃ）により作られるものとがある。
【００１６】
【化２】
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【００１７】
【化３】
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さらに、下記の化学反応式４と化学反応式５のように、メタン他、石油類の炭化水素により作られるものは、水蒸気改質法（化学反応式４）と部分酸化法（化学反応式５）により行われる。
【００１８】
【化４】
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【００１９】
【化５】
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そして、石炭や生物資源と水蒸気の反応に必要なエネルギーは、化学反応式６のように、系中に酸素（Ｏ、Ｏ２）を存在させることにより、反応熱を得ることになる。
【００２０】
【化６】
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本実施による触媒反応装置では、反応器１の中で流路３を通る流体に対し、鉄（Ｆｅ）やコバルト（Ｃｏ）等の触媒４で上記した各々の方法で反応させ、合成油を得るものである。
【００２１】
本実施によるガイド部材２は、複数本の縦横に配置される尺材２ａを組み、反応器１の流路３のほぼ全長に亘って複数配置して格子状の立体物を形成している。また、上記のガイド部材２は、格子状に組んである内部の間隙に同形状の格子が配置される構造となっており、２つのガイド部材２同士の間隙を流体が通過することと、その流体がガイド部材２の外周部に効率的に接触することを両立できるように形成してある。
【００２２】
上記のように形成したガイド部材２を流路３に配置した反応器１の中では、以下のように作用、効果を奏することになる。
図２（ａ）に示すように、反応器１に流体が送り込まれ、反応器１の流路３で流体がガイド部材２と接触したときに、ガイド部材２に付着する触媒４が流体と反応する。このときに、ガイド部材２が流路３のほぼ全域に亘って配置されていることにより、ガイド部材２の任意の箇所に任意の種類の触媒４を複数配置することにより、製造者側の目的とする反応を一つの反応器１の流路３の中の任意の複数箇所で起こすことができる。さらに、流体が反応器１の流路３を抜けた後も触媒４がガイド部材２によって反応器１の流路３に留まることから、白金等の高価な稀少金属を触媒４として使用する場合には、反応器１の外部への触媒４の流出による損出が大幅に減少することで、製造コストが飛躍的に抑えられる。
【００２３】
また、本発明の触媒反応装置は、図４（ａ）（ｂ）のように、カプセル触媒１４でも使用することができる。カプセル触媒１４は、図４（ａ）のよう、芯物質とも呼ばれる触媒１５となるコバルト（Ｃｏ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）をゼオライト（Ｈ−ＺＳＭ−５）等の浸透性の物質により成形される被膜１６で覆う構造となっている。このように形成することにより、触媒４を常に一纏めにされた固体として捉えることができるので、反応器１の流路３で触媒４の配置状態を把握しやすい等の利点がある。さらに、流体は、上記実施形態と同様にガス化して供給されるものである。カプセル触媒１４が反応器１の中に送り込まれたときに、上記のカプセル触媒１４の触媒１５を覆う被膜１６は、流体が被膜１６を浸透して触媒１５と反応し、さらに、反応後に生成された合成燃料は、被膜１６を浸透してカプセル触媒１４の外部に供給される。上記のカプセル触媒１４を図４（ｂ）のように、ガイド部材２の外周部の任意の複数箇所に点在させ、反応器１の流路３に配置する。これにより、ガイド部材２の所定の箇所にカプセル触媒１４が留まるので、流体を送ったときに触媒１５との反応に偏りが生じることがなく、流体が流路３を通過する状態を確認して効率的な製品油の精製が可能となる。
【００２４】
図５（ａ）に示すものは、ガイド部材２を波形に形成したものである。この波形をなすガイド部材２は、流路３の流体の流れる方向に多数の波形部材が間隔をあけて配置してある。さらに、上記の各波形部材は、それぞれが部分的に繋がっており、波形部材が流体の水圧に抗しながら一纏まりの状態を保持して反応器１の流路３に留まることができる。このように形成したものであっても、ガイド部材２の広い範囲に分布した各触媒４が流体と接触するので、効率的な反応が行われる。
【００２５】
図５（ｂ）に示すものは、ガイド部材２をスポンジのような発泡体として形成したものである。このガイド部材２は、化学的に安定した白金やニッケル等の金属で発泡成形されており、流体がガイド部材２の各発泡孔（流路）１９を通過するときに、ガイド部材２の発泡孔１９の孔内周部に固着した触媒４と反応する。このように形成したガイド部材２であっても、触媒４は、発泡構造をなすガイド部材２の発泡孔１９の内周部に固着しているので、流体と一緒に反応器１の発泡孔１９から流出する触媒は少なくなり、ガイド部材２における触媒４の配置位置の任意の選択と、発泡孔１９による流体の通過空間の確保を両立させることができる。
【００２６】
図６に示すものは、ガイド部材２をヒダ状に形成したものである。このガイド部材２は、反応器１の流路３に配置されたガイド部材２の各ヒダ２０の隙間から流体が通る。このときに、ヒダ２０の外周部には触媒４が固着しており、そのヒダ２０に流体が接触すると、触媒４と流体が反応する。さらに、ガイド部材２をヒダ状に形成した場合には、流体の流れに沿ってヒダ２０が自在に変形することから、流体がガイド部材２に接触したときの抵抗が小さくなり、流体が反応器１の流路３を円滑に流れていくという作用効果を奏することになる。
【００２７】
本発明の触媒反応装置は、流路３，１９にガイド部材２が配置できるものであれば、反応器１の形状や大きさは限定しない。また、ガイド部材２は、流体の流路３，１９を確保するとともに、表面積を広くして触媒４を配置する箇所を増やすことのできるものであればよく、上記実施形態で示した格子状、波形状、発泡構造以外のものでもよい。さらに、上記各実施形態では、ガイド部材２を一体成形したものであるが、小さな部材を連結して反応器１の流路３，１９に全体に配置されるように組み立てたものでもよい。ガイド部材２の材質は、上記実施形態では、流体と触媒４に対して腐食や酸化のしないセラミックや金属の化学的に安定したものを選定しているが、同様の性質のものであれば他の素材でも成形できる。また、本発明の反応器１やガイド部材２は、３Ｄプリンタで成形することもできる。ここで使用される３Ｄプリンタは、アルミニウムやチタン合金粉末などの金属粉末を焼結して造形するものであり、さらに、設計段階であらかじめ触媒４をガイド部材２の任意の位置に、金属粉末の積層と同様の工程で配置できる。これにより、上記の各実施形態で示した様々な形状のガイド部材２を短時間で精度よく成形できる。
【符号の説明】
【００２８】
１  反応器
１ａ  周壁
２  ガイド部材
２ａ  尺材
２ｂ  突部
３  流路
４，１５  触媒
１４  カプセル触媒
１６  被膜
１９  発泡孔（流路）
２０  ヒダ
【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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