高効率触媒とマイクロリアクターを組み合わせた省エネルギー型反応システムの開発

マイクロリアクターの課題として、個々の反応器に関する研究にとどまり、流路設計論の観点から流路サイズの検討をした事例が少ないことが挙げられる。昨年度は、強制対流伝熱を考慮した反応流路の設計の研究を中心に行い、流路サイズと反応速度のバランスを理論的に解析し、その妥当性を数値流体力学(CFD)計算によって確認した。その際、工業生産規模（年産5万トン程度の長鎖炭化水素）のリアクターサイズも試算し、洋上プラントに建設可能なサイズであることを見出した。本年度は、研究経費によりマイクロ空間有するプレート型マイクロリアクター（触媒を流路壁面に装填した、マイクロリアクターの一形式）を試作し、メタノール分解反応を対象として200-400 ℃の範囲で原料転化率と水素収率の比較検討を実験により行った。既往の研究(S. Kudo, et al. J. Chem. Eng. Japan, 42, (2009))では、触媒充填型リアクターと比較してプレート型マイクロリアクターは同流量条件において優れた原料転化率を示しており、このことを踏まえて部品交換によるプレート型マイクロリアクターの構造の変化が反応に及ぼす影響を観察した。プレート型マイクロリアクターが触媒充填型リアクターより優れた原料転化率と水素収率になることを確認したうえで、流路幅（マイクロ空間）の大きさ、触媒量の2点を検討項目とした。前者ではPe数、Da数がともに不利になるにも関わらず空間時間の長い即ち大きな流路幅の方が優れた原料転化率を示すことを、後者では触媒量をW/F（触媒量/原料流量）の考察から適切な触媒量が存在することを明らかにした。以上の検討により、柔軟にリアクター構造を変更できるプレート型マイクロリアクターにおいて、その最適設計の検討に必要な操作変数を実験によって具体的に示すことができた。

マイクロリアクターの課題として、個々の反応器に関する研究にとどまり、流路設計論の観点から流路サイズの検討をした事例が少ないことが挙げられる。昨年度は、強制対流伝熱を考慮した反応流路の設計の研究を中心に行い、流路サイズと反応速度のバランスを理論的に解析し、その妥当性を数値流体力学(CFD)計算によって確認した。その際、工業生産規模（年産5万トン程度の長鎖炭化水素）のリアクターサイズも試算し、洋上プラントに建設可能なサイズであることを見出した。本年度は、研究経費によりマイクロ空間有するプレート型マイクロリアクター（触媒を流路壁面に装填した、マイクロリアクターの一形式）を試作し、メタノール分解反応を対象として200-400 ℃の範囲で原料転化率と水素収率の比較検討を実験により行った。既往の研究(S. Kudo, et al. J. Chem. Eng. Japan, 42, (2009))では、触媒充填型リアクターと比較してプレート型マイクロリアクターは同流量条件において優れた原料転化率を示しており、このことを踏まえて部品交換によるプレート型マイクロリアクターの構造の変化が反応に及ぼす影響を観察した。プレート型マイクロリアクターが触媒充填型リアクターより優れた原料転化率と水素収率になることを確認したうえで、流路幅（マイクロ空間）の大きさ、触媒量の2点を検討項目とした。前者ではPe数、Da数がともに不利になるにも関わらず空間時間の長い即ち大きな流路幅の方が優れた原料転化率を示すことを、後者では触媒量をW/F（触媒量/原料流量）の考察から適切な触媒量が存在することを明らかにした。以上の検討により、柔軟にリアクター構造を変更できるプレート型マイクロリアクターにおいて、その最適設計の検討に必要な操作変数を実験によって具体的に示すことができた。