(57)【要約】【課題】触媒の劣化を抑制して、反応効率の低下を防止する。【解決手段】リアクタ１００は、発熱反応の対象となる流体である反応流体が流通する反応流路１１０と、反応流体の流れ方向に延在して反応流路に配され、反応流体の発熱反応を促進する触媒１２０と、を備え、触媒の予め定められた位置ＣＰから下流側の反応流路である下流側流路１１０ｂは、予め定められた位置から上流側の反応流路である上流側流路１１０ａより、流れ方向と直交する面の反応流路の周長における、触媒の長さに対する反応流路を構成する流路壁の長さの割合が大きい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱反応の対象となる流体である反応流体が流通する反応流路と、
前記反応流体の流れ方向に延在して前記反応流路に配され、該反応流体の発熱反応を促進する触媒と、
を備え、
前記触媒の予め定められた位置から下流側の前記反応流路である下流側流路は、該予め定められた位置から上流側の該反応流路である上流側流路より、前記流れ方向と直交する面の該反応流路の周長における、該触媒の長さに対する該反応流路を構成する流路壁の長さの割合が大きいことを特徴とするリアクタ。
【請求項２】
前記下流側流路は、前記触媒と、該触媒と対向する前記流路壁との距離が前記上流側流路よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のリアクタ。
【請求項３】
前記触媒の予め定められた位置は、前記発熱反応が開始する位置より下流側であって、前記発熱反応が終了する位置より上流側のいずれかの位置であることを特徴とする請求項１または２に記載のリアクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱反応を遂行するリアクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発熱反応を遂行するリアクタとして、粒状の触媒が充填されたリアクタが利用されている。このようなリアクタでは、触媒同士の間隙が場所によって異なるため、リアクタ内において、反応の対象となる反応流体が均一に流れず、発熱反応が均一に実行されないという問題がある。また、他の箇所と比較して反応流体が多く流れる箇所では、発熱反応が多く遂行されるため、所期の温度よりも高温になってしまい、触媒が劣化するおそれもある。さらに、充填層内を除熱することが困難であるため、触媒の劣化を軽減する対策も難しい。
【０００３】
そこで、全長に亘って流路断面積が均一の流路に、触媒が被覆された波板形状の構造体を配したリアクタが開発されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００５−５０１６９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１のリアクタにおいて、流路を構成する流路壁と、触媒との距離が相対的に近い場合、反応熱による熱干渉によって触媒が高温となり、劣化するおそれがある。触媒が劣化すると、反応効率が低下してしまうため、触媒の高温化を抑制する技術の開発が希求されている。
【０００６】
そこで本発明は、このような課題に鑑み、触媒の劣化を抑制して、反応効率の低下を防止することが可能なリアクタ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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のリアクタは、発熱反応の対象となる流体である反応流体が流通する反応流路と、反応流体の流れ方向に延在して反応流路に配され、反応流体の発熱反応を促進する触媒と、を備え、触媒の予め定められた位置から下流側の反応流路である下流側流路は、予め定められた位置から上流側の反応流路である上流側流路より、流れ方向と直交する面の反応流路の周長における、触媒の長さに対する反応流路を構成する流路壁の長さの割合が大きいことを特徴とする。
【０００８】
また、下流側流路は、触媒と、触媒と対向する流路壁との距離が上流側流路よりも大きいとしてもよい。
【０００９】
また、触媒の予め定められた位置は、発熱反応が開始する位置より下流側であって、発熱反応が終了する位置より上流側のいずれかの位置であるとしてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、触媒の劣化を抑制して、反応効率の低下を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態にかかるリアクタを説明するための図である。
【図２】実施形態にかかるリアクタの流路断面図である。
【図３】比較例のリアクタを説明するための図である。
【図４】リアクタにおける触媒の表面の温度分布を説明するための図である。
【図５】変形例のリアクタを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１３】
（リアクタ１００）
図１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り、リアクタ１００のＹＺ断面図を示す。図２は、リアクタ１００の流路断面図であり、図２（ａ）は図１のＩＩ（ａ）線のＸＺ断面図を、図２（ｂ）は図１のＩＩ（ｂ）線のＸＺ断面図を示す。なお、図１を始め以下の図では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示の通り定義しており、また、反応流体の流れを白抜き矢印で、触媒１２０を黒い塗りつぶしで示す。
【００１４】
図１に示すように、リアクタ１００は、１または複数の反応流路１１０を備えており、発熱反応を遂行する。反応流路１１０は、反応流体（発熱反応の対象となる流体）が流通する流路であり、反応流体の流れ方向（図中、Ｙ軸方向、以下、単に「流れ方向」と称する。）と直交する断面（図中、ＸＺ断面）が矩形形状である。つまり、図２に示すように、反応流路１１０は、流路壁１１６ａ、流路壁１１６ｂ、流路壁１１６ｃ、流路壁１１６ｄに囲繞された空間である。
【００１５】
触媒１２０は、反応流体の発熱反応を促進する物質であり、流れ方向に延在して反応流路１１０（ここでは、流路壁１１６ｃ）に配される。なお、本実施形態において、触媒１２０の幅Ｗ（触媒１２０における流れ方向と直交する方向の長さ、図中、Ｘ軸方向の幅）は、触媒１２０における流れ方向全長に亘って一定である。
【００１６】
反応流路１１０の入口１１２から反応流路１１０内に導入された反応流体は、流通過程において触媒１２０と接触することで発熱反応が遂行され、反応生成物が反応流路１１０の出口１１４から排出されることとなる。したがって、触媒１２０近傍では温度が上昇しすぎて、触媒１２０が劣化してしまうおそれがある。
【００１７】
そこで、本実施形態では、反応流路１１０の形状を工夫することで、触媒１２０の温度上昇を抑制する。以下、反応流路１１０の形状の具体的な構成について説明する。
【００１８】
図１に示すように、触媒１２０の予め定められた位置ＣＰから上流側の反応流路１１０を上流側流路１１０ａとし、位置ＣＰから下流側の反応流路１１０を下流側流路１１０ｂとする。図１および図２に示すように、本実施形態のリアクタ１００では、下流側流路１１０ｂにおける、触媒１２０と、触媒１２０と対向する流路壁１１６ａとの距離（以下、「対向距離」と称する）Ｈｂが、上流側流路１１０ａの対向距離Ｈａより大きくなるように、反応流路１１０を構成する。なお、図２に示すように、本実施形態では、上流側流路１１０ａと下流側流路１１０ｂとは、対向距離が異なるものの、Ｘ軸方向の幅は実質的に等しく構成されている。
【００１９】
対向距離Ｈｂを、対向距離Ｈａより大きくする構成により、反応流体の流速を一時的に遅くさせて発熱反応のピークを緩和させることが可能となる。これにより、触媒１２０の温度の最大値を低下させることができ、触媒１２０の劣化を抑制して、反応効率の低下を防止することが可能となる。
【００２０】
また、対向距離を異ならせるだけであるため、製作が容易であり、リアクタ１００の製造コストの上昇を抑えることができる。
【００２１】
なお、上流側流路１１０ａと下流側流路１１０ｂとの分岐点となる触媒１２０の位置ＣＰは、発熱反応が開始する位置、すなわち、触媒１２０の上流側端部１２２より下流側であって、発熱反応が終了する位置、すなわち、触媒１２０の下流側端部１２４より上流側のいずれかの位置である。位置ＣＰは、リアクタ１００で遂行される発熱反応の種類、反応流体の組成、触媒１２０の種類に応じて、適宜設定される。
【００２２】
（シミュレーションによる解析）
本実施形態にかかるリアクタ１００と、比較例のリアクタ１０、２０との触媒１２０の表面温度をＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）によって解析した。図３は、比較例のリアクタ１０、２０を説明するための図である。図３に示すように、リアクタ１０、２０は、リアクタ１００と比較して、反応流路１１、２１全長に亘って、流路断面積が均一である。そして、図３（ａ）に示すように、リアクタ１０は、触媒１２０と、触媒１２０と対向する流路壁１６ａとの対向距離が、リアクタ１００の上流側流路１１０ａの対向距離Ｈａと実質的に等しい。つまり、リアクタ１０の断面形状は、図２（ａ）に示す上流側流路１１０ａの断面形状と実質的に等しい。
【００２３】
また、図３（ｂ）に示すように、リアクタ２０は、触媒１２０と、触媒１２０と対向する流路壁２６ａとの対向距離が、リアクタ１００の下流側流路１１０ｂの対向距離Ｈｂと実質的に等しい。つまり、リアクタ２０の断面形状は、図２（ｂ）に示す下流側流路１１０ｂの断面形状と実質的に等しい。
【００２４】
ＣＦＤによって解析するにあたり、リアクタ１０、２０、１００における反応流路１１、２１、１１０の全長を０．１８ｍと仮定し、触媒１２０は、反応流路１１、２１、１１０の入口から０．０５ｍの位置から０．１３ｍの位置まで配されていると仮定した。
【００２５】
図４は、本実施形態にかかるリアクタ１００、および、比較例のリアクタ１０、２０における触媒１２０の表面の温度分布を説明するための図である。図４中、縦軸は、触媒１２０の表面温度（Ｋ）を、横軸は、反応流路１１、２１、１１０の入口を基点とした流れ方向の距離（ｍ）を示す。
【００２６】
図４に示すように、リアクタ１０では、触媒１２０の表面温度が最大で７５０Ｋを上回っているのに対し、リアクタ１００では、７１０Ｋ程度まで抑制できることが確認された。また、リアクタ１０と比較して、単に対向距離を大きくしたリアクタ２０であっても、触媒１２０の表面温度が最大で７２０Ｋ程度まで上昇してしまうことが確認された。
【００２７】
以上の解析結果より、本実施形態のリアクタ１００によれば、触媒１２０の温度の最大値を低下させることができることが分かった。
【００２８】
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。
【００２９】
例えば、上記実施形態において、下流側流路１１０ｂの対向距離Ｈｂが、上流側流路１１０ａの対向距離Ｈａより大きい構成を例に挙げて説明した。しかし、下流側流路１１０ｂは、上流側流路１１０ａより、流れ方向と直交する面（図中、ＸＺ断面）の反応流路１１０の周長における、触媒１２０の長さに対する反応流路１１０を構成する流路壁の長さの割合が大きければよい。図２を用いて詳細に説明すると、ＸＺ断面における、触媒１２０の幅（長さ）Ｗに対する、流路壁１１６ａの幅ＬＡ、流路壁１１６ｂの幅ＬＢ、触媒１２０の幅Ｗを除いた流路壁１１６ｃの幅（ＬＣ−Ｗ）、および、流路壁１１６ｄの幅ＬＤの合計（ＬＡ＋ＬＢ＋ＬＣ＋ＬＤ−Ｗ）の割合が、上流側流路１１０ａよりも下流側流路１１０ｂの方が大きければよい。つまり、上流側流路１１０ａを構成する流路壁の幅の合計をＪＲ、下流側流路１１０ｂを構成する流路壁の幅の合計をＫＲとすると、ＫＲ／Ｗ  >  ＪＲ／Ｗとなるように反応流路１１０を構成すればよい。
【００３０】
例えば、図５（ａ）に示すように、下流側流路２１０ｂの対向距離が上流側流路１１０ａの対向距離Ｈａと実質的に等しくても、ＸＺ断面における、触媒１２０の幅Ｗに対する流路壁２１６ａ、２１６ｂ、２１６ｃ、２１６ｄの幅の割合が、上流側流路１１０ａよりも下流側流路２１０ｂの方が大きいリアクタ２００であってもよい。
【００３１】
また、上記実施形態において、下流側流路１１０ｂの対向距離Ｈｂが一定である場合を例に挙げて説明した。しかし、下流側流路１１０ｂの対向距離Ｈｂは、上流側流路１１０ａの対向距離Ｈａよりも大きければ、流路全長に亘って対向距離が一定である必要はない。例えば、図５（ｂ）に示すように、下流側流路３１０ｂの対向距離Ｈｂが出口１１４に向かうに従って漸増するリアクタ３００であってもよい。
【００３２】
また、上記実施形態において、反応流路１１０の流れ方向と直交する断面（図中、ＸＺ断面）が矩形形状であるリアクタ１００を例に挙げて説明した。しかし、反応流路１１０の流れ方向と直交する断面形状に限定はない。
【００３３】
また、反応流路１１０には、流路壁を介して反応流体を冷却する（反応流体と熱交換する）冷却媒体が流通する媒体流路が積層されていてもよい。さらに、リアクタ１００は、反応流路１１０と媒体流路とが交互に積層されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、発熱反応を遂行するリアクタに利用することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１００  リアクタ
１１０  反応流路
１１０ａ  上流側流路
１１０ｂ  下流側流路
１１６ａ  流路壁
１１６ｂ  流路壁
１１６ｃ  流路壁
１１６ｄ  流路壁
１２０  触媒
２００  リアクタ
２１０ｂ  下流側流路
３００  リアクタ
３１０ｂ  下流側流路
【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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