反応装置、反応方法及び触媒ユニット
【課題】反応装置、反応方法及び触媒ユニットとして、小さなスペースで高い混合効果を確保しつつ大流量の流体を混合し反応させることが可能なことを実現する。
【解決手段】混合器１は、複数の積層エレメント２１が積層される積層体２と、当該積層体２を挟んで対向配置される第１の板３と第２の板４とを備え、前記積層エレメント２１は、複数の第１の貫通孔２２を有し、前記第２の板４は、前記積層エレメント２１の少なくとも１つの第１の貫通孔２２に連通する貫通孔４１を有し、前記積層エレメント２１は、前記第１の貫通孔２２の一部又は全部が、隣接する積層エレメント２１の第１の貫通孔２２との間で流体を積層エレメント２１の延在する方向に流通可能に連通するように配置されている。
【解決手段】混合器１は、複数の積層エレメント２１が積層される積層体２と、当該積層体２を挟んで対向配置される第１の板３と第２の板４とを備え、前記積層エレメント２１は、複数の第１の貫通孔２２を有し、前記第２の板４は、前記積層エレメント２１の少なくとも１つの第１の貫通孔２２に連通する貫通孔４１を有し、前記積層エレメント２１は、前記第１の貫通孔２２の一部又は全部が、隣接する積層エレメント２１の第１の貫通孔２２との間で流体を積層エレメント２１の延在する方向に流通可能に連通するように配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応装置、反応方法及び触媒ユニットに関するものであって、流体を効率的に混合し反応させるために利用される技術に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
反応装置や反応器内部で流体を混合して反応させるものとして、例えば、不均一系の発熱反応であるメタノール合成反応器がある。当該反応器においては触媒により原料ガスを反応させるが、反応器内部に充填する触媒量を少なくするために各触媒層での反応率が大きくなるように触媒層を幾つかに分割し、各触媒層の入口ガスを冷却して、且つ入口ガス中の反応生成物の濃度を下げている。具体的には、発熱反応により高温になった各触媒層の出口ガスに対して温度の低い原料ガスを混合することにより、出口ガスの温度及び反応生成物であるメタノールの濃度を下げて下流の触媒層に供給している。これにより、各触媒層における反応速度及び反応率を大きくすることができるので、反応器に充填する全体の触媒量を少なくすることができる。
【０００３】
特許文献１は、そのような混合装置及び反応器の例であって、不均一系の発熱合成反応器内部で異なる温度のガス流を混合して反応させている。反応器内部には混合装置が配され、混合装置は、触媒層を支持する反応器の側壁に対して触媒床の底部の下方に平行に配された隔壁により形成される環状空間からの高温ガス流に対し、隔壁下部に配された円環状の穴あき供給部から供給される冷却ガス流を所定の条件下で混合するものである。これにより温度の異なるガス流を最適に混合し、反応器内での転化率を向上させることができるとしている。
【０００４】
しかし、前記混合装置では混合するに際して、冷却ガス流を環状空間に配された穴あき供給部を通して高温ガス流に対し局部的に注入するので、穴あき部周辺ではガスの混合は不十分であり、全体的に十分にガスを混合させるためにはさらに所定の空間を必要とする。そのため、ディフレクターを配することにより混合効果を上げているが、なお混合効果には限界がある。また、反応器に供給するガス流量を小さくして反応器の負荷を下げて運転する場合には、穴あき供給部の孔から供給される冷却ガス流の流速が小さくなるので、高温ガス流との混合効果がさらに小さくなるという問題がある。さらに、冷却ガス流供給用の穴あき供給部は環状空間に配されており、反応器が大きくなるに従って環状空間の製作が困難になるという問題がある。
【０００５】
また、特許文献２も内部に混合機構を有する反応器の例であって、攪拌混合孔により水素リッチガスと空気を混合するものであるが、上記と同様の理由によりやはり混合効果には限界がある。
【０００６】
また、特許文献３は、筒型状の反応容器において、反応容器の長手方向に貫通し、複数のセルからなる金属モノリスと、各セルの内壁に付着された触媒物質を含む反応容器の例である。前記反応容器は、触媒と接触したガスを反応温度まで迅速に上昇させ、触媒と内部を通過するガスとの接触頻度を高めることができる攪拌構造を持った反応容器を提供するものである。
【０００７】
しかし、前記反応容器において、ガスはセル内部を長手方向に直線的に流れるので流体の混合効果は小さい。そのためセル密度を小さくすると、セル内壁で反応した流体とセル中心部の未反応の流体の混合不足により、反応効率や反応の選択性が必ずしも高くならない。上記とは逆にセル密度を大きくすると、反応容器重量が大きくなりコストも高くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表平９−５０９６１１号公報
【特許文献２】特開２００３−１６５７０８号公報
【特許文献３】特開２００８−２４７７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、流体を効率良く混合し、反応させることができる反応装置、反応方法及び触媒ユニットを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、前記課題を解決するため、以下の反応装置、反応方法及び触媒ユニットを提供する。
（１）反応装置
本発明に係る反応装置の一つの構成は、
入口及び出口を有する容器内部で流体を反応させる反応装置であって、
前記容器内部には少なくとも２以上の触媒層が配され、且つ、少なくとも１の触媒層間に１又は２以上の流体を混合する混合器が配され、
前記混合器は、複数の積層エレメントが積層される積層体と、当該積層体を挟んで対向配置される第１の板と第２の板とを備え、
前記積層エレメントは、複数の第１の貫通孔を有し、
前記第１の板は、前記容器内側形状よりも小さい外側形状を有し、
前記第２の板は、前記容器内側形状と略同一の外側形状を有し、外側面が前記容器内側面と略内接しており、且つ前記積層エレメントの少なくとも１つの第１の貫通孔に連通する貫通孔を有し、
前記積層体は、前記第１の貫通孔の一部又は全部が、隣接する積層エレメントの第１の貫通孔との間で流体を積層エレメントの延在する方向に流通可能に連通するように配置されているものである（第１の技術的手段）。
【００１１】
本反応装置によれば、反応装置内部の２以上の触媒層の内のいずれか１の触媒層間に混合器が配され、上流の触媒層からの流体は、１又は２以上の他の流体とともに触媒層間に配された混合器に供給される。混合器に供給された流体は、混合器を形成する第２の板の貫通孔を経由して第２の板の貫通孔に連通する積層エレメントの第１の貫通孔から積層体内部に流入する。そして、積層体内部の連通する第１の貫通孔を流通しながら混合され、混合器から流出し、下流の触媒層に供給される。
【００１２】
混合器を形成する積層体の積層方向両端部では、第１の板と第２の板により、積層エレメントの第１の貫通孔は積層方向に閉じている。従って、積層体内部に流入した流体は、連通する第１の貫通孔を積層エレメントの延在する方向に流通するように案内される。
流通するに際して流体は、当該第１の貫通孔から積層方向に連通する他の第１の貫通孔に流出し、又はその逆に積層方向に連通する他の第１の貫通孔から当該第１の貫通孔に流入することにより、連通する第１の貫通孔で流入及び流出を繰り返して混合される。
【００１３】
上記とは逆に、積層体内部の流体が第２の板の貫通孔から流出する場合には、流体は、積層体周辺の空間に開く積層エレメントの第１の貫通孔から積層体内部に流入する。そして、積層体内部の連通する第１の貫通孔を積層エレメントの延在する方向に流通しながら混合され、積層体端部の第１の貫通孔に連通する第２の板の貫通孔から流出し、下流の触媒層に供給される。
【００１４】
以上により、流体は混合器内部で複雑に流動して高度に混合されて下流の触媒層に供給されるので、触媒層での流体の反応率が高くなる。
また、混合器を形成する積層エレメントの積層枚数を多くすることにより、流体の流れる積層エレメントが延在する方向への断面積が大きくなるので、より多くの流量の流体を混合し、反応させることができる。
なお、ここでいう積層エレメントの延在する方向とは、積層エレメントの積層方向に対して垂直方向をいう。
【００１５】
本構成において第１の板は、容器内側形状よりも小さい外側形状を有しているので、流体を積層体周辺の空間から確実に流出又は流入させることができる。また、第２の板の外側面は容器内側面と略内接しているので、流体を第２の板の貫通孔から確実に積層体内部に流入又は流出させることができる。
【００１６】
本発明に係る他の局面に従った反応装置の構成は、
第１の技術的手段に係る反応装置において、
前記複数の積層エレメント、前記第１の板及び前記第２の板は、分解可能に固定されているものである（第２の技術的手段）。
【００１７】
本構成によれば、各積層エレメント、第１の板及び第２の板は分解することができるので、反応装置内部での組み立てが容易である。また、積層エレメントの第１の貫通孔に残留物や異物が堆積した場合でも、その除去が容易である。また、小さい入口や出口を有する容器内部に混合器を設置することができる。
【００１８】
本発明に係る他の局面に従った反応装置の構成は、
第１又は第２のいずれか１の技術的手段に係る反応装置において、
前記積層エレメントは、前記第１の貫通孔より大きい第２の貫通孔を有し、且つ前記第２の貫通孔が積層方向に連通して前記積層体に中空部を形成するように配置されており、
前記第２の板の貫通孔が前記中空部を介して前記積層エレメントの少なくとも１つの第１の貫通孔に連通するように配置されているものである（第３の技術的手段）。
【００１９】
本構成によれば、混合器を形成する第２の板の貫通孔から流入した流体は、混合器の中空部に流入する。中空部では流体が流れる際の流動抵抗は小さい。一方、流体が積層体内部を積層エレメントの延在する方向へ流れる際の流動抵抗は、中空部を流れる際の流動抵抗よりも大きい。以上により、流体は、中空部に連通する第１の貫通孔を介して積層体内部に流入するに際して、積層方向の位置に関らず略均等に積層エレメントの延在する方向へ流れる。
【００２０】
上記とは逆に、積層体内部の流体が第２の板の貫通孔から流出する場合には、流体は、積層体周辺の空間に開く積層エレメントの第１の貫通孔から積層体内部に流入する。そして、流体は、積層体内部を積層エレメントの延在する方向へ積層方向の位置に関らず略均等に流れ、中空部に連通する第１の貫通孔から流出する。
なお、ここでいう中空部とは、積層エレメントの第２の貫通孔が積層して形成される中空状の空間部をいう。
【００２１】
（２）反応方法
本発明に係る反応方法は、
第１乃至第３のいずれか１の技術的手段に係る反応装置による流体の反応方法であって、
前記混合器の上流に配された触媒層からの流体と１又は２以上の他の流体を前記混合器内部に流入させ、前記積層エレメントの延在する方向に前記第１の貫通孔を流通させ、前記混合器外部に流出させ、前記混合器の下流に配された触媒層に流入させるものである（第４の技術的手段）。
【００２２】
本反応方法によれば、上流の触媒層からの流体は、１又は２以上の他の流体とともに触媒層間に配された混合器に流入させられる。混合器内部では、積層体内部の連通する第１の貫通孔を積層エレメントの延在する方向に流通しながら流入及び流出を繰り返すので、流体が複雑に流動して高度に混合される。以上により、流体は高度に混合された状態で下流の触媒層に供給されるので、触媒層での流体の反応率が高くなる。
また、混合器を形成する積層エレメントの積層枚数を多くすることにより、流体の流れる積層エレメントが延在する方向への断面積が大きくなるので、より多くの流量の流体を混合し、反応させることができる。
【００２３】
（３）触媒ユニット
本発明に係る触媒ユニットの一つの構成は、
触媒ユニットであって、
複数の触媒エレメントが積層される触媒体と、当該触媒体を挟んで対向配置される第１の板と第２の板とを備え、
前記触媒エレメントは、複数の第１の貫通孔を有し、
前記第２の板は、前記触媒エレメントの少なくとも１つの第１の貫通孔に連通する貫通孔を有し、
前記触媒エレメントは、前記第１の貫通孔の一部又は全部が、隣接する触媒エレメントの第１の貫通孔との間で流体を触媒エレメントの延在する方向に流通可能に連通するように配置されているものである（第５の技術的手段）。
【００２４】
本触媒ユニットによれば、触媒ユニットを形成する第２の板の貫通孔から流入した流体は、第２の板の貫通孔に連通する触媒エレメントの第１の貫通孔から触媒体内部に流入する。そして、触媒体内部の連通する第１の貫通孔を流通しながら混合され反応し、触媒ユニットから流出する。
【００２５】
触媒ユニットを形成する触媒体の積層方向両端部では、第１の板と第２の板により、触媒エレメントの第１の貫通孔は積層方向に閉じている。従って、触媒体内部に流入した流体は、連通する第１の貫通孔を触媒エレメントの延在する方向に流通するように案内される。
流通するに際して流体は、当該第１の貫通孔から積層方向に連通する他の第１の貫通孔に流出し、又はその逆に積層方向に連通する他の第１の貫通孔から当該第１の貫通孔に流入することにより連通する第１の貫通孔で流入及び流出を繰り返し、混合され反応する。
【００２６】
上記とは逆に、触媒体内部の流体が第２の板の貫通孔から流出する場合には、流体は、触媒体周辺の空間に開く触媒エレメントの第１の貫通孔から触媒体内部に流入する。そして、触媒体内部の連通する第１の貫通孔を触媒エレメントの延在する方向に流通し混合されながら反応し、触媒体端部の第１の貫通孔に連通する第２の板の貫通孔から流出する。
【００２７】
以上により、流体は触媒ユニット内部で複雑に流動して高度に混合されるので、触媒ユニットによる流体の反応率が高くなる。
また、触媒ユニットを形成する触媒エレメントの積層枚数を多くすることにより、流体の流れる触媒エレメントが延在する方向への断面積が大きくなるので、より多くの流量の流体を混合し、反応させることができる。
なお、ここでいう触媒エレメントの延在する方向とは、触媒エレメントの積層方向に対して垂直方向をいう。
【００２８】
本発明に係る他の局面に従った触媒ユニットの構成は、
第５の技術的手段に係る触媒ユニットにおいて、
前記複数の触媒エレメント、前記第１の板及び前記第２の板は、分解可能に固定されているものである（第６の技術的手段）。
【００２９】
本構成によれば、各触媒エレメント、第１の板及び第２の板は分解することができるので、反応装置内部での組み立てが容易である。また、各触媒エレメント、第１の板及び第２の板は分解することができるので、小さい入口や出口を有する容器内部に触媒ユニットを設置することができる。
【００３０】
本発明に係る他の局面に従った触媒ユニットの構成は、
第５又は第６のいずれか１の技術的手段に係る触媒ユニットにおいて、
前記触媒エレメントは、前記第１の貫通孔より大きい第２の貫通孔を有し、且つ前記第２の貫通孔が積層方向に連通して前記触媒体に中空部を形成するように配置されており、
前記第２の板の貫通孔が前記中空部を介して前記触媒エレメントの少なくとも１つの第１の貫通孔に連通するように配置されているものである（第７の技術的手段）。
【００３１】
本構成によれば、触媒ユニットを形成する第２の板の貫通孔から流入した流体は触媒体の中空部に流入する。中空部では流体が流れる際の流動抵抗は小さい。一方、流体が触媒体内部を触媒エレメントの延在する方向へ流れる際の流動抵抗は、中空部を流れる際の流動抵抗よりも大きい。以上により、流体は、中空部に連通する第１の貫通孔を介して触媒体内部に流入するに際して、積層方向の位置に関らず略均等に触媒エレメントの延在する方向へ流れる。
【００３２】
上記とは逆に、触媒体内部の流体が第２の板の貫通孔から流出する場合には、流体は、触媒体周辺の空間に開く触媒エレメントの第１の貫通孔から触媒体内部に流入する。そして、流体は、触媒体内部を触媒エレメントの延在する方向へ積層方向の位置に関らず略均等に流れ、中空部に連通する第１の貫通孔から流出する。
なお、ここでいう中空部とは、触媒エレメントの第２の貫通孔が積層して形成される中空状の空間部をいう。
【００３３】
（４）反応装置
本発明に係る他の局面に従った反応装置の構成は、
第５乃至第７のいずれか１の技術的手段に係る触媒ユニットと、当該触媒ユニットを収容する入口及び出口を有する容器とを備える反応装置であって、
前記触媒ユニットにおける第１の板は、前記容器内側形状よりも小さい外側形状を有し、
前記触媒ユニットにおける第２の板は、前記容器内側形状と略同一の外側形状を有し、且つ当該第２の板の外側面が前記容器内側面と略内接しているものである（第８の技術的手段）。
【００３４】
本構成によれば、容器入口から流入した流体は、触媒ユニットを形成する第２の板の貫通孔を経由して第２の板の貫通孔に連通する触媒エレメントの第１の貫通孔から触媒体内部に流入する。そして、触媒体内部の連通する第１の貫通孔を触媒エレメントの延在する方向に流通しながら、混合され反応して触媒体から流出し、さらに、容器出口から流出する。
【００３５】
上記とは逆に、触媒体内部の流体が第２の板の貫通孔から流出する場合には、流体は、触媒体周辺の空間に開く触媒エレメントの第１の貫通孔から触媒体内部に流入する。そして、触媒体内部の連通する第１の貫通孔を触媒エレメントの延在する方向に流通しながら、混合され反応して触媒体から流出し、触媒体端部の第１の貫通孔に連通する第２の板の貫通孔から流出し、さらに、容器出口から流出する。
【００３６】
本構成において第１の板は、容器内側形状よりも小さい外側形状を有しているので、流体を触媒体周辺の空間から確実に流出又は流入させることができる。また、第２の板の外側面は容器内側面と略内接しているので、流体を第２の板の貫通孔から確実に触媒体内部に流入又は流出させることができる。
【００３７】
以上により、流体は触媒ユニット内部で複雑に流動して高度に混合され反応するので、反応装置による反応率が高くなる。
【００３８】
（５）反応方法
本発明に係る他の局面に従った反応方法は、
第５乃至第７のいずれか１の技術的手段に係る触媒ユニットによる流体の反応方法であって、
流体を前記触媒ユニット内部に流入させ、前記触媒エレメントの延在する方向に前記第１の貫通孔を流通させ、前記触媒ユニット外部に流出させるものである（第９の技術的手段）。
【００３９】
本反応方法によれば、触媒ユニットに流入した流体は触媒ユニットを形成する触媒体に流入し、触媒体内部の連通する第１の貫通孔を触媒エレメントの延在する方向に流通しながら流入及び流出を繰り返すので、流体が複雑に流動してより混合効果が高くなるため、触媒ユニットによる流体の反応率が高くなる。
また、触媒ユニットを形成する触媒エレメントの積層枚数を多くすることにより、流体の流れる触媒エレメントが延在する方向への断面積が大きくなるので、より多くの流量の流体を混合し、反応させることができる。
【発明の効果】
【００４０】
以上のように、本発明に係る反応装置及び反応方法によれば、流体が混合器を形成する積層体内部の連通する第１の貫通孔を流通するので、流体の混合効果が高くなり、下流の触媒層での反応率を高くすることができる。また、積層体の積層枚数を多くすることにより、より多くの流量の流体を良好に混合し、反応させることができる。
【００４１】
さらに、本発明に係る触媒ユニット、並びに、当該触媒ユニットを使用した反応装置及び反応方法によれば、流体が触媒ユニット内部の連通する第１の貫通孔を流通するので、触媒ユニットによる流体の混合効果が高くなり反応率を高くすることができる。また、触媒ユニットを形成する触媒エレメントの積層枚数を多くすることにより、より多くの流量の流体を良好に混合し、反応させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】反応装置の実施形態１に係る反応装置内部を流体が流れる様子を示した断面図である。
【図２】反応装置の実施形態１における混合器内部を流体が流れる様子を示した断面図である。
【図３】反応装置の実施形態１における混合器の構成部品を示した斜視図である。
【図４】反応装置の実施形態１における積層エレメントの重なり合いを示した平面図である。
【図５】反応装置の実施形態１における積層エレメントの変形例１を適用した場合の混合器の構成部品を示した斜視図である。
【図６】反応装置の実施形態１における積層エレメントの変形例１を適用した場合の積層エレメントの重なり合いを示した平面図である。
【図７】積層エレメントの変形例２による積層エレメントにおける第１の貫通孔の変形例を示した斜視図である。
【図８】積層エレメントの変形例３による積層エレメントを分解構造とした場合の例を示した斜視図である。
【図９】反応装置の実施形態２に係る反応装置内部を流体が流れる様子を示した断面図である。
【図１０】反応装置の実施形態３に係る反応装置内部を流体が流れる様子を示した断面図である。
【図１１】反応装置の実施形態４に係る反応装置内部を流体が流れる様子を示した断面図である。
【図１２】反応装置の実施形態４における触媒エレメントを示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
（反応装置の実施形態１）
図１は実施形態１による反応装置５Ａ内部を流体Ａが流れる様子を示した断面図であり、図２（ａ）及び（ｂ）は反応装置５Ａに配された混合器１内部を流体が流れる様子を示した断面図である。図３は混合器１の構成部品を示す斜視図であり、図４は混合器１を形成する積層エレメント２１ａ、２１ｂが隣接する積層エレメント２１ａ、２１ｂと積層したときの第１の貫通孔２２の重なり合いを示した平面図である。
【００４４】
反応装置５Ａは、入口５１及び出口５２を有する略円筒状の容器５０であって、反応装置５Ａ内部には触媒層６ａ〜６ｄが配されており、各触媒層間に混合器１ａ〜１ｃ及び冷却ガス供給用ノズル７ａ〜７ｃが配されている。
なお、本実施形態１では、反応装置５Ａは不均一系の発熱反応であるメタノール合成反応器として好適に使用することができ、例えば、入口５１からは予熱された高温の原料ガス（流体Ａ）が供給され、冷却ガス供給用ノズル７ａ〜７ｃからは予熱されていない低温の原料ガス（流体Ｂ１〜Ｂ３）が供給される。
【００４５】
混合器１は図３に示すように、略円形状の板から構成される積層エレメント２１ａ、２１ｂを交互に複数枚（ここでは合計４枚）積層した積層体２、第１の板３及び第２の板４により形成され、例えば、ボルトとナットのような適宜な手段により容器５０内部に固定される。
第１の板３は円形状の板であって、積層エレメント２１ａ、２１ｂの外径と略同一の外径を有する。第２の板４は、略中央部に流体Ａ及びＢが流入する円形の貫通孔４１を有する円形状の板であって、容器５０の内径と略同一の外径を有する。
【００４６】
積層エレメント２１ａ、２１ｂは略矩形状の第１の貫通孔２２を複数備え、略同一の外径を有する。積層エレメント２１ａ、２１ｂの略中央部には略同一の内径を有する略円形状の第２の貫通孔２３が配されており、第２の貫通孔２３の内径は、第２の板４の貫通孔４１の内径と略同一、且つ略同心である。積層エレメント２１ａ、２１ｂが積層されることにより、第２の貫通孔２３は混合器１において中空部２４を形成する（図２参照）。
【００４７】
積層エレメント２１ａは内側部及び外側部には枠部２５を備えるが、積層エレメント２１ｂは内側部及び外側部には枠部２５を備えず、第１の貫通孔２２は内側部および外側部において開放されている。従って、積層エレメント２１ｂの内側部及び外側部の第１の貫通孔２２は、混合器１の中空部２４及び外側空間部２８に連通する。
【００４８】
積層エレメント２１ａ、２１ｂの各第１の貫通孔２２は千鳥状に配列されていて、半径方向のピッチは同一である。一方、円周方向のピッチは、内周部から外周部に向かうに従って大きくなり、各円周上の第１の貫通孔２２の個数は同じである。そして、図４に示すように、複数の第１の貫通孔２２の一部は、互いに隣接する積層エレメント２１ａ、２１ｂの第１の貫通孔２２とその位置をずらせて、半径方向及び円周方向に部分的に重なり合うように配置され、積層エレメント２１ａ、２１ｂの延在する方向に連通する。
【００４９】
積層体２の両端部に対向配置されている第１の板３及び第２の板４により、積層体２両端部の積層エレメント２１ａ、２１ｂの第１の貫通孔２２は積層方向に閉じている。また、第１の板３の外径は、第２の板４の貫通孔４１より大きい。そのため、積層体２内部に流入した流体Ａ及びＢは、積層体２両端部の積層エレメント２１ａ、２１ｂの第１の貫通孔２２から積層方向に流出することを妨げられ、積層エレメント２１ａ、２１ｂの延在する方向へ確実に流通する。
【００５０】
以上の混合器１ａ〜１ｃにおいて、例えば混合器１ａでは、適宜な圧送手段により反応装置５Ａの入口５１から流入し第１触媒層６ａを通過した高温の触媒層出口ガスＡ１が、冷却ガス用ノズル７ａから供給された冷却ガスＢ１とともに、第２の板４の貫通孔４１を経由して中空部２４ａに流入する。次に、触媒層出口ガスＡ１及び冷却ガスＢ１は、中空部２４ａに連通する積層エレメント２１ｂの第１の貫通孔２２から、積層体２内部に流入する。次に、触媒層出口ガスＡ１及び冷却ガスＢ１は、当該第１の貫通孔２２に連通する他の第１の貫通孔２２に流入し、さらに、他の第１の貫通孔２２に連通する第１の貫通孔２２に流入する。最終的に、触媒層出口ガスＡ１及び冷却ガスＢ１は、積層体２ａの外側空間部２８ａに連通する積層エレメント２１ｂの第１の貫通孔２２から流出し、積層体２ａ内部から流出する。
【００５１】
以上のように、触媒層出口ガスＡ１及び冷却ガスＢ１は、積層体２ａ内部の連通する第１の貫通孔２２を内周部から外周部に向かって流通する際に、分散、合流、反転、乱流、渦流、衝突等を繰り返すことにより高度に混合される。そして、高度に混合された触媒層出口ガスＡ１及び冷却ガスＢ１が下流の触媒層６ｂに供給されることにより、触媒層６ｂにおける反応率が高くなる。
【００５２】
分散、合流、反転、乱流、渦流、衝突については概ね次のようである。すなわち、分散
とは、各第１の貫通孔２２から隣接する第１の貫通孔２２に流体が流出する際の分散を、合流とは複数の第１の貫通孔２２から隣接する第１の貫通孔２２へ流体が流れ込むことによる合流を、反転とは第１の貫通孔２２内部での流体の反転をいう。また、乱流とは流体の不規則な流れを、渦流は強い乱流に伴って発生する渦状の流れをいい、そして、それらの流れが衝突する。
【００５３】
中空部２４ａは第１の貫通孔２２に対して十分な大きさを有し、中空部２４ａを構成する各積層エレメント２１ａ、２１ｂの第２の貫通孔２３は略同一の内径を有するとともに、且つ略同心である。そのため、触媒層出口ガスＡ１及び冷却ガスＢ１が中空部２４ａを流れる際の流動抵抗は、積層体２内部を積層エレメント２１ａ、２１ｂの延在する方向へ流れる際の流動抵抗と比較して小さい。従って、触媒層出口ガスＡ１及び冷却ガスＢ１は、積層エレメント２１ａ、２１ｂの積層枚数が多い場合でも、積層方向の位置に関らず略均等に各積層エレメント２１ａ、２１ｂの内周部に到達し、積層体２内部を内周部から外周部へ略均等に流れる。
【００５４】
混合器１ａ内部の上面及び下面を他の積層エレメント２１ａ、２１ｂと接する積層エレメント２１ａ、２１ｂの第１の貫通孔２２においては、流体は当該第１の貫通孔２２から上面及び下面の他の第１の貫通孔２２へ流出して分散される。また、当該第１の貫通孔２２へは、上面及び下面の他の第１の貫通孔２２から流体が流入して合流する。従って、流体の混合効果が高く、触媒層出口ガスＡ１及び冷却ガスＢ１は高度に混合される。
【００５５】
特に、流量が増大して流動状態が乱流に移行すると乱流及び渦流の効果が高くなって、分散及び合流に伴う流体の混合効果がより一層増大する。流量が少なく流動状態が層流の場合でも、流体は上面及び下面に分散し、合流することにより混合される。
【００５６】
さらに、積層エレメント２１ａ、２１ｂの各第１の貫通孔２２が千鳥状に配列されているので、当該第１の貫通孔２２から上面及び下面の他の第１の貫通孔２２へ流出する際に、流れが容易に２つに分割され、又は、２つの流れが容易に合流させられることにより、効率的に混合される。
【００５７】
なお、上記実施形態１は混合器１ａについてのものであるが、混合器１ｂによっても同様に、触媒層出口ガスＡ２及び冷却ガスＢ２が高度に混合される。
【００５８】
一方、混合器１ｃついては、混合器１ａ及び１ｂとは逆に積層体２ｃの上部に第1の板３が配され、下部に第2の板４が配されている。このように形成された混合器１ｃであっても、触媒層出口ガスＡ３及び冷却ガスＢ３は、積層体２ｃの外側空間部２８ｃに連通する積層エレメント２１ｂの第１の貫通孔２２を経由して積層体２ｃ内部に流入し、中空部２４ｃに連通する積層エレメント２１ｂの第１の貫通孔２２から流出し、高度に混合される。
【００５９】
このように、本実施形態では、混合器１はガスの流れる方向に第２の板４→積層体２→第１の板３の順で積層されていても良いし、逆に、第１の板３→積層体２→第２の板４の順で積層されていても良い（図１、図２（ａ）（ｂ）参照）。
【００６０】
本実施形態においては、積層エレメント２１ａ、２１ｂ、第１の板３及び第２の板４は各々に分解可能なので、積層エレメント２１ａ、２１ｂの第１の貫通孔２２に残留物や異物が堆積しても容易に除去することができる。
また、積層エレメント２１ａ、２１ｂ、第１の板３及び第２の板４を別々に製作することができるので、混合器１の製作が容易であり、且つ安価に製作することができる。
また、積層エレメント２１の積層枚数を任意に選択して、混合器１の圧力損失を小さくすることが容易である。例えば、触媒層出口ガスＡ３は触媒層出口ガスＡ１に冷却ガスＢ１及びＢ２が加わっているため、混合器１ｃに流入するガス流量は混合器１ａに流入するガス流量よりも多い。この場合に、混合器１ｃの積層エレメント２１の積層枚数が混合器１ａと同じであれば、混合器１ｃによる圧力損失が大きくなり、反応装置５Ａ全体の圧力損失が大きくなる。しかし、混合器１ｃの積層エレメント２１の積層枚数を混合器１ａより多くして、混合器１ｃによる圧力損失を小さくすることが容易にできる。
【００６１】
（積層エレメントの変形例１）
積層エレメント２１ａのように内側部及び外側部に枠部２５を具備するが、異なる内径および外径を有する積層エレメント２１ｃ及び２１ｄを使用して混合器１を形成することもできる（図５、図６）。
例えば、図５に示すように、積層エレメント２１ｃの外周形状及び内周形状を、隣接する積層エレメント２１ｄの外周形状及び内周形状よりも大きくする。第２の貫通孔２３が略中央部に略円形状に配されている点は上述した反応装置の実施形態１のものと同じであるが、本変形例１では、上端部の積層エレメント２１ｃの第２の貫通孔２３の内径は、隣接する第２の板４の貫通孔４１の内径と略同一、且つ略同心であり、下端部の積層エレメント２１ｄの外径は、隣接する第１の板３の外径と略同一、且つ略同心である。また、積層エレメント２１ｃ、２１ｄの第１の貫通孔２２の形状、配置は実施形態１と同様である。
このようにしても積層体２の内周部には積層エレメント２１ｄの第１の貫通孔２２が開放され、外周部にはエレメント２１ｃの第１の貫通孔２２が開放され、各々中空部２４及び外側空間部２８に連通するので、混合器１の作用及び効果を奏する。
【００６２】
（積層エレメントの変形例２）
積層エレメント２１ｂのように内側部及び外側部に枠部２５を具備しない複数の第１の貫通孔２２が同一の位置に配置されている同一の積層エレメント２１のみを使用して混合器１を形成することもできる。
例えば、図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、積層エレメント２１の第１の貫通孔２２を円形、正四角形、三角形、六角形等の多角形状としたものを、複数の第１の貫通孔２２が半径方向及び円周方向に部分的に重なり合うように配置することができる。
【００６３】
この場合には、複数の第１の貫通孔２２が半径方向及び円周方向に部分的に重なり合うように、その位置をずらせて配置することにより第１の貫通孔２２を積層エレメント２１の延在する方向に連通させて積層体２を形成することができる。このようにしても、触媒層出口ガスＡ及び冷却ガスＢは、連通する第１の貫通孔２２を流通することにより高度に混合される。
【００６４】
（積層エレメントの変形例３）
積層エレメント２１、第１の板３及び第２の板４の各々を各種形状の分割構造とすることができる。このため、混合装置の運転終了後の洗浄等のメンテナンスが容易になる。また、大型の混合器１であっても容易に製作することができ、容器５０内部に容易に配することができる。
例えば、図１に示される反応装置５Ａのように容器５０が略円筒状であって積層エレメント２１が環状の形状を有する場合には、図８に示すように、扇形形状の分割体２６による分割構造としたものを容器５０に配されたマンホール３０から搬入することができる。
また、積層エレメント２１を光触媒を担持したものとすることができる。これによれば、各板に付着した流体の残留物や異物を光触媒の作用により分解することができるので、混合装置の運転終了後の洗浄等のメンテナンスが容易になる。
【００６５】
（反応装置の実施形態２）
図９は、反応装置の実施形態２による反応装置５Ｂ内部を流体Ｃが流れる様子を示した断面図である。反応装置５Ｂは図９に示すように、フランジ５３を有する円筒状の容器５０に、入口５１及び出口５２を有する外周円形状のフランジ５４が着脱自在に装着している。反応装置５Ｂの内部には、触媒ユニット９Ａが配されている。
【００６６】
触媒ユニット９Ａは、図３に示された混合器１と同様に、各々積層エレメント２１ａ、２１ｂと同様の形状を有する触媒エレメント２７ａ、２７ｂを交互に複数枚（ここでは合計３枚）重ね合わせた触媒体８ａ〜８ｄを具備し、各触媒体８ａ〜８ｄの上端及び下端の触媒エレメント２７ａ又は２７ｂは第１の板３又は第２の板４と隣接している。触媒エレメント２７ａ、２７ｂ、第１の板３及び第２の板４は、例えば、ボルトとナットのような適宜な手段により反応装置５Ｂ内部に固定される。
第１の板３は円形状の板であって、触媒エレメント２７ａ、２７ｂの外径と略同一の外径を有する。第２の板４は、中央部に流体Ｃが流入する円形の貫通孔４１を有する円形状の板であって、反応装置５Ｂの内径と略同一の外径を有する。
【００６７】
反応装置５Ｂの入口５１側には第２の板４が配され、その下面に第１触媒体８ａが配されている。第１触媒体８ａの下面には第１の板３が配され、続いて第２触媒体８ｂ、第２の板４、第３触媒体８ｃ、第１の板３、第４触媒体８ｄ、第２の板４が順次配されている。
【００６８】
触媒エレメント２７ａ、２７ｂは、反応装置の実施形態１における積層エレメント２１ａ、２１ｂと同様に、第１の貫通孔２２を複数備え、中央部に略同一の内径を有する略円形の第２の貫通孔２３を有している。第２の貫通孔２３の内径は、第２の板４の貫通孔４１の内径と略同一、且つ略同心である。触媒エレメント２７ａ、２７ｂが積層されることにより各触媒体８ａ〜８ｄの中央部では、第２の貫通孔２３が第１中空部２４ａ〜第４中空部２４ｄを形成する。触媒エレメント２７ａ、２７ｂのその他の構造は、積層エレメント２１ａ、２１ｂと同様である。
容器５０の内周部と、第１触媒体８ａ及び第２触媒体８ｂの外周部との間には第１環状空間部５５ａが、並びに、第３触媒体８ｃ及び第４触媒体８ｄの外周部との間には第２環状空間部５５ｂが形成される。
【００６９】
また、反応装置の実施形態１における積層体２と同様に、各触媒体８ａ〜８ｄ内部において複数の第１の貫通孔２２の一部は、触媒エレメント２７ａ、２７ｂの延在する方向に連通し、且つ、中空部２４ａ〜２４ｄ及び環状空間部５５ａ、５５ｂに連通している。
各触媒体８ａ〜８ｄの両端部に対向配置されている第１の板３及び第２の板４により、両端部の触媒エレメント２７ａ、２７ｂの第１の貫通孔２２は積層方向に閉じている。また、第１の板３の外径は、第２の板４の貫通孔４１より大きい。そのため、触媒体８ａ〜８ｄ内部の流体は、各触媒体８ａ〜８ｄの両端部の第１の貫通孔２２から積層方向に流出することを妨げられ、触媒体８ａ〜８ｄ内部を触媒エレメント２７ａ、２７ｂの延在する方向へ確実に流通する。
【００７０】
以上の構成を有する反応装置５Ｂにおいて、例えば、適宜な圧送手段により入口５１から流入した流体Ｃは、第２の板４の貫通孔４１を経由して第１中空部２４ａに流入する。続いて、流体Ｃは、第１中空部２４ａに連通する第１の貫通孔２２から第１触媒体８ａ内部に流入し、連通する第１の貫通孔２２を外周方向へ流通する。続いて、流体Ｃは、第１環状空間部５５ａに連通する第１の貫通孔２２を経由して、第１触媒体８ａ内部から第１環状空間部５５ａへ流出する。
【００７１】
続いて、流体Ｃは、第１環状空間部５５ａに連通する第１の貫通孔２２から第２触媒体８ｂ内部に流入し、連通する第１の貫通孔２２を内周方向へ流通する。続いて、流体Ｃは、第２中空部２４ｂに連通する第１の貫通孔２２を経由して、第２触媒体８ｂ内部から第２中空部２４ｂへ流出する。
【００７２】
その後、流体Ｃは、第３中空部２４ｃ→第３触媒体８ｃ→第２環状空間部５５ｂ→第４触媒体８ｄ→第４中空部２４ｄを経由し、第２の板４の貫通孔４１を経て、出口５２から流出する。以上のように、流体Ｃは、各触媒体８ａ〜８ｄの内部を内周部から外周部へ、又は外周部から内周部へ流通しながら、連通する第１の貫通孔２２を流通することにより高度に混合されながら反応する。以上により、反応装置５Ｂの入口５１から流入した流体Ｃは、高度に混合されながら反応して出口５２から流出する。
【００７３】
上述したように触媒ユニット９Ａを具備する本反応装置５Ｂによれば、各触媒体８ａ〜８ｄの両端部に対向配置されている第１の板３及び第２の板４により、流体Ｃが触媒体８内部を流れる方向を、内周部から外周部へ、又はその逆に、外周部から内周部へと変えることができる。そうすると、流体Ｃは、より多くの連通する第１の貫通孔２２を流通するので、さらに流体Ｃを高度に混合して反応させることができる。
【００７４】
また、各中空部２４ａ〜２４ｄは第１の貫通孔２２に対して十分な大きさを有し、中空部２４を構成する各触媒エレメント２７ａ、２７ｂの第２の貫通孔２３は略同一の内径を有するとともに、且つ略同心である。そのため、流体Ｃが各中空部２４ａ〜２４ｄを流れる際の流動抵抗は、各触媒体８ａ〜８ｄ内部を触媒エレメント２７ａ、２７ｂが延在する方向へ流れる際の流動抵抗と比較して小さい。従って、流体Ｃは、触媒エレメント２７ａ、２７ｂの積層枚数が多い場合でも、積層方向の位置に関らず略均等に各触媒エレメント２７ａ、２７ｂの内周部に到達し、各触媒体８ａ〜８ｄ内部を内周部から外周部へ、又はその逆に外周部から内周部へ略均等に流れる。
【００７５】
各環状空間部５５ａ、５５ｂから各触媒体８ａ〜８ｄ内部への流体Ｃの流入についても、上記各中空部２４ａ〜２４ｄについてのものと同様である。
【００７６】
触媒ユニット９Ａ内部の上面及び下面を他の触媒エレメント２７ａ、２７ｂと接する触媒エレメント２７ａ、２７ｂの第１の貫通孔２２においては、流体は当該第１の貫通孔２２から上面及び下面の他の第１の貫通孔２２へ流出して分散される。また、当該第１の貫通孔２２へは、上面及び下面の他の第１の貫通孔２２から流体が流入して合流する。従って、流体の混合効果が高く、流体Ｃは高度に混合され、高い反応率が得られる。
【００７７】
特に、流体Ｃの流量が増大して流動状態が乱流に移行すると乱流及び渦流の効果が高くなって、分散及び合流に伴う流体の混合効果がより一層増大する。流量が少なく流動状態が層流の場合でも、流体は上面及び下面に分散し、合流することにより混合される。
【００７８】
さらに、触媒エレメント２７ａ、２７ｂの各第１の貫通孔２２が千鳥状に配列されているので、当該第１の貫通孔２２から上面及び下面の他の第１の貫通孔２２へ流出する際に、流れが容易に２つに分割され、又は、２つの流れが容易に合流させられる。
【００７９】
本実施形態においては、触媒エレメント２７ａ、２７ｂ、第１の板３及び第２の板４は各々に分解可能なので、触媒ユニット９Ａの製作が容易であり、且つ安価に製作することができる。
なお、本実施形態において、第１環状空間部５５ａ又は第２環状空間部５５ｂに他の流体を供給することにより、実施形態１による反応器５Ａのように多段で反応させることもできる。
触媒エレメント２７としては、触媒能を有する材料を触媒エレメント２７の形状にしたもの、担体を触媒エレメント２７の形状とし触媒活性成分を担持したもの、触媒エレメント２７の形状を有するアルミニウムを陽極酸化して表面に触媒活性成分を担持したもの等が使用される。
【００８０】
触媒エレメント２７ａ、２７ｂの変形例については、積層エレメントの変形例１〜３と同様である。
【００８１】
（反応装置の実施形態３）
図１０は、反応装置の実施形態３による反応装置５Ｃ内部を流体Ｄが流れる様子を示した断面図である。反応装置５Ｃは図１０に示すように、内部に触媒ユニット９Ｂが配され、触媒ユニット９Ｂを形成する各触媒体８ａ〜８ｄの触媒エレメント２７ａ、２７ｂの外径が容器５０の内径と略同一である。他の構成は上記実施形態２における反応装置５Ｂと同様である。
【００８２】
この反応装置５Ｃでは、容器５０の内周面と触媒ユニット９Ｂの外周面が接しており、第１の板３の外径は第２の板４及び触媒体８ａ〜８ｄの外径よりも小さい。従って、流体Ｄは、第１触媒体８ａと第２触媒体８ｂとの間、第３触媒体８ｃと第４触媒体８ｄとの間では、外周部で互いに連通する第１の貫通孔２２間で流通する。
【００８３】
以上の構成を有する反応装置５Ｃにおいて、例えば、適宜な圧送手段により入口５１から流入した流体Ｄは、各触媒体８ａ〜８ｄ内部の連通する第１の貫通孔２２を触媒２７ａ、２７ｂの延在する方向に流通することにより混合されながら反応する。
本実施形態３は、触媒エレメント２７ａ、２７ｂの外径が容器５０の内径と略同一であるため、触媒エレメント２７ａ、２７ｂの容器５０の内部への設置が容易である。
【００８４】
本実施形態３における反応装置５Ｃのその他の作用効果は、上記反応装置の実施形態２における反応装置５Ｂの作用効果と同様である。
【００８５】
（反応装置の実施形態４）
図１１は、反応装置の実施形態４による反応装置５Ｄ内部を流体Ｅが流れる様子を示した断面図であり、図１２は、この反応装置５Ｄ内部に配設された触媒ユニット９Ｃを形成する触媒２７ｃを示す斜視図である。
本実施形態４による反応装置５Ｄが実施形態３による反応装置５Ｃと異なるところは、反応装置５Ｄに配される複数の触媒エレメント２７ｃが、図１２に示すように、外側部に枠部２５を有するとともに、中央部には第２の貫通孔２３を設けずに第１の貫通孔２２を全面に有していることである。また、第１の板３の外周形状は、当該板に重ね合わされた触媒２７ｃの外周部付近の第１の貫通孔２２が開放されるように、触媒エレメント２７ｃよりも小径に形成されている。
この場合には、触媒エレメント２７ｃの第１の貫通孔２２は、半径方向及び円周方向に部分的に重なり合うように、その位置をずらせて配置され、第１の貫通孔２２は触媒エレメント２７ｃの延在する方向に連通させられる。
【００８６】
反応装置５Ｄをこのように構成することによっても、適宜な圧送手段により入口５１から流入した流体Ｅは、第２の板４の貫通孔４１を介して触媒体８ａに流入し、触媒体８ａ内部を放射状に流通しながら、触媒エレメント２７ｃの連通する第１の貫通孔２２を流通することにより高度に混合されながら反応する。最終的に、流体Ｅは、触媒ユニット９Ｃの一端の第２の板４の貫通孔４１に連通する第１の貫通孔２２を経て流出する。
【００８７】
このように、本実施形態４による反応装置５Ｄによれば、触媒エレメント２７ｃが第２の貫通孔２３を備えないので製造が容易である。
また、触媒エレメント２７ｃの外径が容器５０の内径と略同一であるため、触媒エレメント２７ｃの容器５０の内部への設置が容易である。
本実施形態４の反応装置５Ｄにおけるその他の構成及び作用効果は、上記実施形態３の反応装置５Ｃと同様である。
【００８８】
（反応装置の変形例）
本発明に係る反応装置５は、上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で変形して実施することができる。
また、容器５０を略円筒状又は円筒状としているが、これに限定されるものではなく、例えば工場の排気ガス処理装置のように低い圧力で反応装置を使用する場合には矩形状でもよい。この場合、積層エレメント２１、触媒エレメント２７、第１の板３及び第２の板４の形状は、容器５０の形状に対応して適宜設計変更される。
【００８９】
また、積層エレメント２１の第１の貫通孔２２を略矩形状としているが、上述したように、本発明はこれに限定されるものではない。また、積層エレメント２１ａ、２１ｂの第１の貫通孔２２の半径方向のピッチを略同一としているが、本発明はこれに限定されるものではない。また、第１の貫通孔２２の大きさは積層エレメント２１ａ、２１ｂのように内周部から外周部に向かうに従って大きくなってもよく、図７（ａ）〜（ｄ）に示されたように全て同一でもよい。
また、積層エレメント２１の第２の貫通孔２３を略円形状とし、第２の板４の貫通孔４１を円形としているが、本発明は、これに限定されるものではなく、これらと同様な機能を果たす他の形状を採用し得る。また、積層エレメント２１は第２の貫通孔２３を略中央部に、第２の板４は貫通孔４１を略中央部に有し、略同一径、略同心であるが、本発明はこれらと同様な機能を果たす他の形状を採用し得るものであって、これに限定されるものではない。
また、混合器１を、反応装置５Ｂ、５Ｃ又は５Ｄにおける触媒体８、第１の板３及び第２の板４のような組合せの構成にしてもよい。
【００９０】
また、積層エレメント２１ａと積層エレメント２１ｂは各々の形状が異なり、各々の複数の第１の貫通孔２２は、互いに隣接する積層エレメント２１ａ、２１ｂの第１の貫通孔２２とその位置をずらせて半径方向及び円周方向に部分的に重なり合うように配置されているが、これに限定されるものではない。
例えば、複数の第１の貫通孔２２が同一の位置に配置されている同一形状の積層エレメント２１を使用して、複数の第１の貫通孔２２が半径方向及び円周方向に部分的に重なり合うように、その位置をずらせて配置しても良い。
【００９１】
以上の積層エレメント２１についての例は、積層エレメント２１と同じ構造を有する触媒エレメント２７についても同様である。
【００９２】
また、反応装置に供給される流体は気体に限定されるものではなく、液体、気体と液体、液体と固体との混合物あるいはその他であってもよい。
【００９３】
以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての修正や変形を含むものである。
【符号の説明】
【００９４】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ 混合器
２ 積層体
３ 第１の板
４ 第２の板
５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ 反応装置
９Ａ、９Ｂ、９Ｃ 触媒ユニット
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ 積層エレメント
２２ （積層エレメント、又は触媒エレメントの）第１の貫通孔
２３ （積層エレメント、又は触媒エレメントの）第２の貫通孔
２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ 中空部
２７、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ 触媒エレメント
４１ （第２の板の）貫通孔
５５、５５ａ、５５ｂ 環状空間部
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ 流体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応装置、反応方法及び触媒ユニットに関するものであって、流体を効率的に混合し反応させるために利用される技術に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
反応装置や反応器内部で流体を混合して反応させるものとして、例えば、不均一系の発熱反応であるメタノール合成反応器がある。当該反応器においては触媒により原料ガスを反応させるが、反応器内部に充填する触媒量を少なくするために各触媒層での反応率が大きくなるように触媒層を幾つかに分割し、各触媒層の入口ガスを冷却して、且つ入口ガス中の反応生成物の濃度を下げている。具体的には、発熱反応により高温になった各触媒層の出口ガスに対して温度の低い原料ガスを混合することにより、出口ガスの温度及び反応生成物であるメタノールの濃度を下げて下流の触媒層に供給している。これにより、各触媒層における反応速度及び反応率を大きくすることができるので、反応器に充填する全体の触媒量を少なくすることができる。
【０００３】
特許文献１は、そのような混合装置及び反応器の例であって、不均一系の発熱合成反応器内部で異なる温度のガス流を混合して反応させている。反応器内部には混合装置が配され、混合装置は、触媒層を支持する反応器の側壁に対して触媒床の底部の下方に平行に配された隔壁により形成される環状空間からの高温ガス流に対し、隔壁下部に配された円環状の穴あき供給部から供給される冷却ガス流を所定の条件下で混合するものである。これにより温度の異なるガス流を最適に混合し、反応器内での転化率を向上させることができるとしている。
【０００４】
しかし、前記混合装置では混合するに際して、冷却ガス流を環状空間に配された穴あき供給部を通して高温ガス流に対し局部的に注入するので、穴あき部周辺ではガスの混合は不十分であり、全体的に十分にガスを混合させるためにはさらに所定の空間を必要とする。そのため、ディフレクターを配することにより混合効果を上げているが、なお混合効果には限界がある。また、反応器に供給するガス流量を小さくして反応器の負荷を下げて運転する場合には、穴あき供給部の孔から供給される冷却ガス流の流速が小さくなるので、高温ガス流との混合効果がさらに小さくなるという問題がある。さらに、冷却ガス流供給用の穴あき供給部は環状空間に配されており、反応器が大きくなるに従って環状空間の製作が困難になるという問題がある。
【０００５】
また、特許文献２も内部に混合機構を有する反応器の例であって、攪拌混合孔により水素リッチガスと空気を混合するものであるが、上記と同様の理由によりやはり混合効果には限界がある。
【０００６】
また、特許文献３は、筒型状の反応容器において、反応容器の長手方向に貫通し、複数のセルからなる金属モノリスと、各セルの内壁に付着された触媒物質を含む反応容器の例である。前記反応容器は、触媒と接触したガスを反応温度まで迅速に上昇させ、触媒と内部を通過するガスとの接触頻度を高めることができる攪拌構造を持った反応容器を提供するものである。
【０００７】
しかし、前記反応容器において、ガスはセル内部を長手方向に直線的に流れるので流体の混合効果は小さい。そのためセル密度を小さくすると、セル内壁で反応した流体とセル中心部の未反応の流体の混合不足により、反応効率や反応の選択性が必ずしも高くならない。上記とは逆にセル密度を大きくすると、反応容器重量が大きくなりコストも高くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表平９−５０９６１１号公報
【特許文献２】特開２００３−１６５７０８号公報
【特許文献３】特開２００８−２４７７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、流体を効率良く混合し、反応させることができる反応装置、反応方法及び触媒ユニットを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、前記課題を解決するため、以下の反応装置、反応方法及び触媒ユニットを提供する。
（１）反応装置
本発明に係る反応装置の一つの構成は、
入口及び出口を有する容器内部で流体を反応させる反応装置であって、
前記容器内部には少なくとも２以上の触媒層が配され、且つ、少なくとも１の触媒層間に１又は２以上の流体を混合する混合器が配され、
前記混合器は、複数の積層エレメントが積層される積層体と、当該積層体を挟んで対向配置される第１の板と第２の板とを備え、
前記積層エレメントは、複数の第１の貫通孔を有し、
前記第１の板は、前記容器内側形状よりも小さい外側形状を有し、
前記第２の板は、前記容器内側形状と略同一の外側形状を有し、外側面が前記容器内側面と略内接しており、且つ前記積層エレメントの少なくとも１つの第１の貫通孔に連通する貫通孔を有し、
前記積層体は、前記第１の貫通孔の一部又は全部が、隣接する積層エレメントの第１の貫通孔との間で流体を積層エレメントの延在する方向に流通可能に連通するように配置されているものである（第１の技術的手段）。
【００１１】
本反応装置によれば、反応装置内部の２以上の触媒層の内のいずれか１の触媒層間に混合器が配され、上流の触媒層からの流体は、１又は２以上の他の流体とともに触媒層間に配された混合器に供給される。混合器に供給された流体は、混合器を形成する第２の板の貫通孔を経由して第２の板の貫通孔に連通する積層エレメントの第１の貫通孔から積層体内部に流入する。そして、積層体内部の連通する第１の貫通孔を流通しながら混合され、混合器から流出し、下流の触媒層に供給される。
【００１２】
混合器を形成する積層体の積層方向両端部では、第１の板と第２の板により、積層エレメントの第１の貫通孔は積層方向に閉じている。従って、積層体内部に流入した流体は、連通する第１の貫通孔を積層エレメントの延在する方向に流通するように案内される。
流通するに際して流体は、当該第１の貫通孔から積層方向に連通する他の第１の貫通孔に流出し、又はその逆に積層方向に連通する他の第１の貫通孔から当該第１の貫通孔に流入することにより、連通する第１の貫通孔で流入及び流出を繰り返して混合される。
【００１３】
上記とは逆に、積層体内部の流体が第２の板の貫通孔から流出する場合には、流体は、積層体周辺の空間に開く積層エレメントの第１の貫通孔から積層体内部に流入する。そして、積層体内部の連通する第１の貫通孔を積層エレメントの延在する方向に流通しながら混合され、積層体端部の第１の貫通孔に連通する第２の板の貫通孔から流出し、下流の触媒層に供給される。
【００１４】
以上により、流体は混合器内部で複雑に流動して高度に混合されて下流の触媒層に供給されるので、触媒層での流体の反応率が高くなる。
また、混合器を形成する積層エレメントの積層枚数を多くすることにより、流体の流れる積層エレメントが延在する方向への断面積が大きくなるので、より多くの流量の流体を混合し、反応させることができる。
なお、ここでいう積層エレメントの延在する方向とは、積層エレメントの積層方向に対して垂直方向をいう。
【００１５】
本構成において第１の板は、容器内側形状よりも小さい外側形状を有しているので、流体を積層体周辺の空間から確実に流出又は流入させることができる。また、第２の板の外側面は容器内側面と略内接しているので、流体を第２の板の貫通孔から確実に積層体内部に流入又は流出させることができる。
【００１６】
本発明に係る他の局面に従った反応装置の構成は、
第１の技術的手段に係る反応装置において、
前記複数の積層エレメント、前記第１の板及び前記第２の板は、分解可能に固定されているものである（第２の技術的手段）。
【００１７】
本構成によれば、各積層エレメント、第１の板及び第２の板は分解することができるので、反応装置内部での組み立てが容易である。また、積層エレメントの第１の貫通孔に残留物や異物が堆積した場合でも、その除去が容易である。また、小さい入口や出口を有する容器内部に混合器を設置することができる。
【００１８】
本発明に係る他の局面に従った反応装置の構成は、
第１又は第２のいずれか１の技術的手段に係る反応装置において、
前記積層エレメントは、前記第１の貫通孔より大きい第２の貫通孔を有し、且つ前記第２の貫通孔が積層方向に連通して前記積層体に中空部を形成するように配置されており、
前記第２の板の貫通孔が前記中空部を介して前記積層エレメントの少なくとも１つの第１の貫通孔に連通するように配置されているものである（第３の技術的手段）。
【００１９】
本構成によれば、混合器を形成する第２の板の貫通孔から流入した流体は、混合器の中空部に流入する。中空部では流体が流れる際の流動抵抗は小さい。一方、流体が積層体内部を積層エレメントの延在する方向へ流れる際の流動抵抗は、中空部を流れる際の流動抵抗よりも大きい。以上により、流体は、中空部に連通する第１の貫通孔を介して積層体内部に流入するに際して、積層方向の位置に関らず略均等に積層エレメントの延在する方向へ流れる。
【００２０】
上記とは逆に、積層体内部の流体が第２の板の貫通孔から流出する場合には、流体は、積層体周辺の空間に開く積層エレメントの第１の貫通孔から積層体内部に流入する。そして、流体は、積層体内部を積層エレメントの延在する方向へ積層方向の位置に関らず略均等に流れ、中空部に連通する第１の貫通孔から流出する。
なお、ここでいう中空部とは、積層エレメントの第２の貫通孔が積層して形成される中空状の空間部をいう。
【００２１】
（２）反応方法
本発明に係る反応方法は、
第１乃至第３のいずれか１の技術的手段に係る反応装置による流体の反応方法であって、
前記混合器の上流に配された触媒層からの流体と１又は２以上の他の流体を前記混合器内部に流入させ、前記積層エレメントの延在する方向に前記第１の貫通孔を流通させ、前記混合器外部に流出させ、前記混合器の下流に配された触媒層に流入させるものである（第４の技術的手段）。
【００２２】
本反応方法によれば、上流の触媒層からの流体は、１又は２以上の他の流体とともに触媒層間に配された混合器に流入させられる。混合器内部では、積層体内部の連通する第１の貫通孔を積層エレメントの延在する方向に流通しながら流入及び流出を繰り返すので、流体が複雑に流動して高度に混合される。以上により、流体は高度に混合された状態で下流の触媒層に供給されるので、触媒層での流体の反応率が高くなる。
また、混合器を形成する積層エレメントの積層枚数を多くすることにより、流体の流れる積層エレメントが延在する方向への断面積が大きくなるので、より多くの流量の流体を混合し、反応させることができる。
【００２３】
（３）触媒ユニット
本発明に係る触媒ユニットの一つの構成は、
触媒ユニットであって、
複数の触媒エレメントが積層される触媒体と、当該触媒体を挟んで対向配置される第１の板と第２の板とを備え、
前記触媒エレメントは、複数の第１の貫通孔を有し、
前記第２の板は、前記触媒エレメントの少なくとも１つの第１の貫通孔に連通する貫通孔を有し、
前記触媒エレメントは、前記第１の貫通孔の一部又は全部が、隣接する触媒エレメントの第１の貫通孔との間で流体を触媒エレメントの延在する方向に流通可能に連通するように配置されているものである（第５の技術的手段）。
【００２４】
本触媒ユニットによれば、触媒ユニットを形成する第２の板の貫通孔から流入した流体は、第２の板の貫通孔に連通する触媒エレメントの第１の貫通孔から触媒体内部に流入する。そして、触媒体内部の連通する第１の貫通孔を流通しながら混合され反応し、触媒ユニットから流出する。
【００２５】
触媒ユニットを形成する触媒体の積層方向両端部では、第１の板と第２の板により、触媒エレメントの第１の貫通孔は積層方向に閉じている。従って、触媒体内部に流入した流体は、連通する第１の貫通孔を触媒エレメントの延在する方向に流通するように案内される。
流通するに際して流体は、当該第１の貫通孔から積層方向に連通する他の第１の貫通孔に流出し、又はその逆に積層方向に連通する他の第１の貫通孔から当該第１の貫通孔に流入することにより連通する第１の貫通孔で流入及び流出を繰り返し、混合され反応する。
【００２６】
上記とは逆に、触媒体内部の流体が第２の板の貫通孔から流出する場合には、流体は、触媒体周辺の空間に開く触媒エレメントの第１の貫通孔から触媒体内部に流入する。そして、触媒体内部の連通する第１の貫通孔を触媒エレメントの延在する方向に流通し混合されながら反応し、触媒体端部の第１の貫通孔に連通する第２の板の貫通孔から流出する。
【００２７】
以上により、流体は触媒ユニット内部で複雑に流動して高度に混合されるので、触媒ユニットによる流体の反応率が高くなる。
また、触媒ユニットを形成する触媒エレメントの積層枚数を多くすることにより、流体の流れる触媒エレメントが延在する方向への断面積が大きくなるので、より多くの流量の流体を混合し、反応させることができる。
なお、ここでいう触媒エレメントの延在する方向とは、触媒エレメントの積層方向に対して垂直方向をいう。
【００２８】
本発明に係る他の局面に従った触媒ユニットの構成は、
第５の技術的手段に係る触媒ユニットにおいて、
前記複数の触媒エレメント、前記第１の板及び前記第２の板は、分解可能に固定されているものである（第６の技術的手段）。
【００２９】
本構成によれば、各触媒エレメント、第１の板及び第２の板は分解することができるので、反応装置内部での組み立てが容易である。また、各触媒エレメント、第１の板及び第２の板は分解することができるので、小さい入口や出口を有する容器内部に触媒ユニットを設置することができる。
【００３０】
本発明に係る他の局面に従った触媒ユニットの構成は、
第５又は第６のいずれか１の技術的手段に係る触媒ユニットにおいて、
前記触媒エレメントは、前記第１の貫通孔より大きい第２の貫通孔を有し、且つ前記第２の貫通孔が積層方向に連通して前記触媒体に中空部を形成するように配置されており、
前記第２の板の貫通孔が前記中空部を介して前記触媒エレメントの少なくとも１つの第１の貫通孔に連通するように配置されているものである（第７の技術的手段）。
【００３１】
本構成によれば、触媒ユニットを形成する第２の板の貫通孔から流入した流体は触媒体の中空部に流入する。中空部では流体が流れる際の流動抵抗は小さい。一方、流体が触媒体内部を触媒エレメントの延在する方向へ流れる際の流動抵抗は、中空部を流れる際の流動抵抗よりも大きい。以上により、流体は、中空部に連通する第１の貫通孔を介して触媒体内部に流入するに際して、積層方向の位置に関らず略均等に触媒エレメントの延在する方向へ流れる。
【００３２】
上記とは逆に、触媒体内部の流体が第２の板の貫通孔から流出する場合には、流体は、触媒体周辺の空間に開く触媒エレメントの第１の貫通孔から触媒体内部に流入する。そして、流体は、触媒体内部を触媒エレメントの延在する方向へ積層方向の位置に関らず略均等に流れ、中空部に連通する第１の貫通孔から流出する。
なお、ここでいう中空部とは、触媒エレメントの第２の貫通孔が積層して形成される中空状の空間部をいう。
【００３３】
（４）反応装置
本発明に係る他の局面に従った反応装置の構成は、
第５乃至第７のいずれか１の技術的手段に係る触媒ユニットと、当該触媒ユニットを収容する入口及び出口を有する容器とを備える反応装置であって、
前記触媒ユニットにおける第１の板は、前記容器内側形状よりも小さい外側形状を有し、
前記触媒ユニットにおける第２の板は、前記容器内側形状と略同一の外側形状を有し、且つ当該第２の板の外側面が前記容器内側面と略内接しているものである（第８の技術的手段）。
【００３４】
本構成によれば、容器入口から流入した流体は、触媒ユニットを形成する第２の板の貫通孔を経由して第２の板の貫通孔に連通する触媒エレメントの第１の貫通孔から触媒体内部に流入する。そして、触媒体内部の連通する第１の貫通孔を触媒エレメントの延在する方向に流通しながら、混合され反応して触媒体から流出し、さらに、容器出口から流出する。
【００３５】
上記とは逆に、触媒体内部の流体が第２の板の貫通孔から流出する場合には、流体は、触媒体周辺の空間に開く触媒エレメントの第１の貫通孔から触媒体内部に流入する。そして、触媒体内部の連通する第１の貫通孔を触媒エレメントの延在する方向に流通しながら、混合され反応して触媒体から流出し、触媒体端部の第１の貫通孔に連通する第２の板の貫通孔から流出し、さらに、容器出口から流出する。
【００３６】
本構成において第１の板は、容器内側形状よりも小さい外側形状を有しているので、流体を触媒体周辺の空間から確実に流出又は流入させることができる。また、第２の板の外側面は容器内側面と略内接しているので、流体を第２の板の貫通孔から確実に触媒体内部に流入又は流出させることができる。
【００３７】
以上により、流体は触媒ユニット内部で複雑に流動して高度に混合され反応するので、反応装置による反応率が高くなる。
【００３８】
（５）反応方法
本発明に係る他の局面に従った反応方法は、
第５乃至第７のいずれか１の技術的手段に係る触媒ユニットによる流体の反応方法であって、
流体を前記触媒ユニット内部に流入させ、前記触媒エレメントの延在する方向に前記第１の貫通孔を流通させ、前記触媒ユニット外部に流出させるものである（第９の技術的手段）。
【００３９】
本反応方法によれば、触媒ユニットに流入した流体は触媒ユニットを形成する触媒体に流入し、触媒体内部の連通する第１の貫通孔を触媒エレメントの延在する方向に流通しながら流入及び流出を繰り返すので、流体が複雑に流動してより混合効果が高くなるため、触媒ユニットによる流体の反応率が高くなる。
また、触媒ユニットを形成する触媒エレメントの積層枚数を多くすることにより、流体の流れる触媒エレメントが延在する方向への断面積が大きくなるので、より多くの流量の流体を混合し、反応させることができる。
【発明の効果】
【００４０】
以上のように、本発明に係る反応装置及び反応方法によれば、流体が混合器を形成する積層体内部の連通する第１の貫通孔を流通するので、流体の混合効果が高くなり、下流の触媒層での反応率を高くすることができる。また、積層体の積層枚数を多くすることにより、より多くの流量の流体を良好に混合し、反応させることができる。
【００４１】
さらに、本発明に係る触媒ユニット、並びに、当該触媒ユニットを使用した反応装置及び反応方法によれば、流体が触媒ユニット内部の連通する第１の貫通孔を流通するので、触媒ユニットによる流体の混合効果が高くなり反応率を高くすることができる。また、触媒ユニットを形成する触媒エレメントの積層枚数を多くすることにより、より多くの流量の流体を良好に混合し、反応させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】反応装置の実施形態１に係る反応装置内部を流体が流れる様子を示した断面図である。
【図２】反応装置の実施形態１における混合器内部を流体が流れる様子を示した断面図である。
【図３】反応装置の実施形態１における混合器の構成部品を示した斜視図である。
【図４】反応装置の実施形態１における積層エレメントの重なり合いを示した平面図である。
【図５】反応装置の実施形態１における積層エレメントの変形例１を適用した場合の混合器の構成部品を示した斜視図である。
【図６】反応装置の実施形態１における積層エレメントの変形例１を適用した場合の積層エレメントの重なり合いを示した平面図である。
【図７】積層エレメントの変形例２による積層エレメントにおける第１の貫通孔の変形例を示した斜視図である。
【図８】積層エレメントの変形例３による積層エレメントを分解構造とした場合の例を示した斜視図である。
【図９】反応装置の実施形態２に係る反応装置内部を流体が流れる様子を示した断面図である。
【図１０】反応装置の実施形態３に係る反応装置内部を流体が流れる様子を示した断面図である。
【図１１】反応装置の実施形態４に係る反応装置内部を流体が流れる様子を示した断面図である。
【図１２】反応装置の実施形態４における触媒エレメントを示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
（反応装置の実施形態１）
図１は実施形態１による反応装置５Ａ内部を流体Ａが流れる様子を示した断面図であり、図２（ａ）及び（ｂ）は反応装置５Ａに配された混合器１内部を流体が流れる様子を示した断面図である。図３は混合器１の構成部品を示す斜視図であり、図４は混合器１を形成する積層エレメント２１ａ、２１ｂが隣接する積層エレメント２１ａ、２１ｂと積層したときの第１の貫通孔２２の重なり合いを示した平面図である。
【００４４】
反応装置５Ａは、入口５１及び出口５２を有する略円筒状の容器５０であって、反応装置５Ａ内部には触媒層６ａ〜６ｄが配されており、各触媒層間に混合器１ａ〜１ｃ及び冷却ガス供給用ノズル７ａ〜７ｃが配されている。
なお、本実施形態１では、反応装置５Ａは不均一系の発熱反応であるメタノール合成反応器として好適に使用することができ、例えば、入口５１からは予熱された高温の原料ガス（流体Ａ）が供給され、冷却ガス供給用ノズル７ａ〜７ｃからは予熱されていない低温の原料ガス（流体Ｂ１〜Ｂ３）が供給される。
【００４５】
混合器１は図３に示すように、略円形状の板から構成される積層エレメント２１ａ、２１ｂを交互に複数枚（ここでは合計４枚）積層した積層体２、第１の板３及び第２の板４により形成され、例えば、ボルトとナットのような適宜な手段により容器５０内部に固定される。
第１の板３は円形状の板であって、積層エレメント２１ａ、２１ｂの外径と略同一の外径を有する。第２の板４は、略中央部に流体Ａ及びＢが流入する円形の貫通孔４１を有する円形状の板であって、容器５０の内径と略同一の外径を有する。
【００４６】
積層エレメント２１ａ、２１ｂは略矩形状の第１の貫通孔２２を複数備え、略同一の外径を有する。積層エレメント２１ａ、２１ｂの略中央部には略同一の内径を有する略円形状の第２の貫通孔２３が配されており、第２の貫通孔２３の内径は、第２の板４の貫通孔４１の内径と略同一、且つ略同心である。積層エレメント２１ａ、２１ｂが積層されることにより、第２の貫通孔２３は混合器１において中空部２４を形成する（図２参照）。
【００４７】
積層エレメント２１ａは内側部及び外側部には枠部２５を備えるが、積層エレメント２１ｂは内側部及び外側部には枠部２５を備えず、第１の貫通孔２２は内側部および外側部において開放されている。従って、積層エレメント２１ｂの内側部及び外側部の第１の貫通孔２２は、混合器１の中空部２４及び外側空間部２８に連通する。
【００４８】
積層エレメント２１ａ、２１ｂの各第１の貫通孔２２は千鳥状に配列されていて、半径方向のピッチは同一である。一方、円周方向のピッチは、内周部から外周部に向かうに従って大きくなり、各円周上の第１の貫通孔２２の個数は同じである。そして、図４に示すように、複数の第１の貫通孔２２の一部は、互いに隣接する積層エレメント２１ａ、２１ｂの第１の貫通孔２２とその位置をずらせて、半径方向及び円周方向に部分的に重なり合うように配置され、積層エレメント２１ａ、２１ｂの延在する方向に連通する。
【００４９】
積層体２の両端部に対向配置されている第１の板３及び第２の板４により、積層体２両端部の積層エレメント２１ａ、２１ｂの第１の貫通孔２２は積層方向に閉じている。また、第１の板３の外径は、第２の板４の貫通孔４１より大きい。そのため、積層体２内部に流入した流体Ａ及びＢは、積層体２両端部の積層エレメント２１ａ、２１ｂの第１の貫通孔２２から積層方向に流出することを妨げられ、積層エレメント２１ａ、２１ｂの延在する方向へ確実に流通する。
【００５０】
以上の混合器１ａ〜１ｃにおいて、例えば混合器１ａでは、適宜な圧送手段により反応装置５Ａの入口５１から流入し第１触媒層６ａを通過した高温の触媒層出口ガスＡ１が、冷却ガス用ノズル７ａから供給された冷却ガスＢ１とともに、第２の板４の貫通孔４１を経由して中空部２４ａに流入する。次に、触媒層出口ガスＡ１及び冷却ガスＢ１は、中空部２４ａに連通する積層エレメント２１ｂの第１の貫通孔２２から、積層体２内部に流入する。次に、触媒層出口ガスＡ１及び冷却ガスＢ１は、当該第１の貫通孔２２に連通する他の第１の貫通孔２２に流入し、さらに、他の第１の貫通孔２２に連通する第１の貫通孔２２に流入する。最終的に、触媒層出口ガスＡ１及び冷却ガスＢ１は、積層体２ａの外側空間部２８ａに連通する積層エレメント２１ｂの第１の貫通孔２２から流出し、積層体２ａ内部から流出する。
【００５１】
以上のように、触媒層出口ガスＡ１及び冷却ガスＢ１は、積層体２ａ内部の連通する第１の貫通孔２２を内周部から外周部に向かって流通する際に、分散、合流、反転、乱流、渦流、衝突等を繰り返すことにより高度に混合される。そして、高度に混合された触媒層出口ガスＡ１及び冷却ガスＢ１が下流の触媒層６ｂに供給されることにより、触媒層６ｂにおける反応率が高くなる。
【００５２】
分散、合流、反転、乱流、渦流、衝突については概ね次のようである。すなわち、分散
とは、各第１の貫通孔２２から隣接する第１の貫通孔２２に流体が流出する際の分散を、合流とは複数の第１の貫通孔２２から隣接する第１の貫通孔２２へ流体が流れ込むことによる合流を、反転とは第１の貫通孔２２内部での流体の反転をいう。また、乱流とは流体の不規則な流れを、渦流は強い乱流に伴って発生する渦状の流れをいい、そして、それらの流れが衝突する。
【００５３】
中空部２４ａは第１の貫通孔２２に対して十分な大きさを有し、中空部２４ａを構成する各積層エレメント２１ａ、２１ｂの第２の貫通孔２３は略同一の内径を有するとともに、且つ略同心である。そのため、触媒層出口ガスＡ１及び冷却ガスＢ１が中空部２４ａを流れる際の流動抵抗は、積層体２内部を積層エレメント２１ａ、２１ｂの延在する方向へ流れる際の流動抵抗と比較して小さい。従って、触媒層出口ガスＡ１及び冷却ガスＢ１は、積層エレメント２１ａ、２１ｂの積層枚数が多い場合でも、積層方向の位置に関らず略均等に各積層エレメント２１ａ、２１ｂの内周部に到達し、積層体２内部を内周部から外周部へ略均等に流れる。
【００５４】
混合器１ａ内部の上面及び下面を他の積層エレメント２１ａ、２１ｂと接する積層エレメント２１ａ、２１ｂの第１の貫通孔２２においては、流体は当該第１の貫通孔２２から上面及び下面の他の第１の貫通孔２２へ流出して分散される。また、当該第１の貫通孔２２へは、上面及び下面の他の第１の貫通孔２２から流体が流入して合流する。従って、流体の混合効果が高く、触媒層出口ガスＡ１及び冷却ガスＢ１は高度に混合される。
【００５５】
特に、流量が増大して流動状態が乱流に移行すると乱流及び渦流の効果が高くなって、分散及び合流に伴う流体の混合効果がより一層増大する。流量が少なく流動状態が層流の場合でも、流体は上面及び下面に分散し、合流することにより混合される。
【００５６】
さらに、積層エレメント２１ａ、２１ｂの各第１の貫通孔２２が千鳥状に配列されているので、当該第１の貫通孔２２から上面及び下面の他の第１の貫通孔２２へ流出する際に、流れが容易に２つに分割され、又は、２つの流れが容易に合流させられることにより、効率的に混合される。
【００５７】
なお、上記実施形態１は混合器１ａについてのものであるが、混合器１ｂによっても同様に、触媒層出口ガスＡ２及び冷却ガスＢ２が高度に混合される。
【００５８】
一方、混合器１ｃついては、混合器１ａ及び１ｂとは逆に積層体２ｃの上部に第1の板３が配され、下部に第2の板４が配されている。このように形成された混合器１ｃであっても、触媒層出口ガスＡ３及び冷却ガスＢ３は、積層体２ｃの外側空間部２８ｃに連通する積層エレメント２１ｂの第１の貫通孔２２を経由して積層体２ｃ内部に流入し、中空部２４ｃに連通する積層エレメント２１ｂの第１の貫通孔２２から流出し、高度に混合される。
【００５９】
このように、本実施形態では、混合器１はガスの流れる方向に第２の板４→積層体２→第１の板３の順で積層されていても良いし、逆に、第１の板３→積層体２→第２の板４の順で積層されていても良い（図１、図２（ａ）（ｂ）参照）。
【００６０】
本実施形態においては、積層エレメント２１ａ、２１ｂ、第１の板３及び第２の板４は各々に分解可能なので、積層エレメント２１ａ、２１ｂの第１の貫通孔２２に残留物や異物が堆積しても容易に除去することができる。
また、積層エレメント２１ａ、２１ｂ、第１の板３及び第２の板４を別々に製作することができるので、混合器１の製作が容易であり、且つ安価に製作することができる。
また、積層エレメント２１の積層枚数を任意に選択して、混合器１の圧力損失を小さくすることが容易である。例えば、触媒層出口ガスＡ３は触媒層出口ガスＡ１に冷却ガスＢ１及びＢ２が加わっているため、混合器１ｃに流入するガス流量は混合器１ａに流入するガス流量よりも多い。この場合に、混合器１ｃの積層エレメント２１の積層枚数が混合器１ａと同じであれば、混合器１ｃによる圧力損失が大きくなり、反応装置５Ａ全体の圧力損失が大きくなる。しかし、混合器１ｃの積層エレメント２１の積層枚数を混合器１ａより多くして、混合器１ｃによる圧力損失を小さくすることが容易にできる。
【００６１】
（積層エレメントの変形例１）
積層エレメント２１ａのように内側部及び外側部に枠部２５を具備するが、異なる内径および外径を有する積層エレメント２１ｃ及び２１ｄを使用して混合器１を形成することもできる（図５、図６）。
例えば、図５に示すように、積層エレメント２１ｃの外周形状及び内周形状を、隣接する積層エレメント２１ｄの外周形状及び内周形状よりも大きくする。第２の貫通孔２３が略中央部に略円形状に配されている点は上述した反応装置の実施形態１のものと同じであるが、本変形例１では、上端部の積層エレメント２１ｃの第２の貫通孔２３の内径は、隣接する第２の板４の貫通孔４１の内径と略同一、且つ略同心であり、下端部の積層エレメント２１ｄの外径は、隣接する第１の板３の外径と略同一、且つ略同心である。また、積層エレメント２１ｃ、２１ｄの第１の貫通孔２２の形状、配置は実施形態１と同様である。
このようにしても積層体２の内周部には積層エレメント２１ｄの第１の貫通孔２２が開放され、外周部にはエレメント２１ｃの第１の貫通孔２２が開放され、各々中空部２４及び外側空間部２８に連通するので、混合器１の作用及び効果を奏する。
【００６２】
（積層エレメントの変形例２）
積層エレメント２１ｂのように内側部及び外側部に枠部２５を具備しない複数の第１の貫通孔２２が同一の位置に配置されている同一の積層エレメント２１のみを使用して混合器１を形成することもできる。
例えば、図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、積層エレメント２１の第１の貫通孔２２を円形、正四角形、三角形、六角形等の多角形状としたものを、複数の第１の貫通孔２２が半径方向及び円周方向に部分的に重なり合うように配置することができる。
【００６３】
この場合には、複数の第１の貫通孔２２が半径方向及び円周方向に部分的に重なり合うように、その位置をずらせて配置することにより第１の貫通孔２２を積層エレメント２１の延在する方向に連通させて積層体２を形成することができる。このようにしても、触媒層出口ガスＡ及び冷却ガスＢは、連通する第１の貫通孔２２を流通することにより高度に混合される。
【００６４】
（積層エレメントの変形例３）
積層エレメント２１、第１の板３及び第２の板４の各々を各種形状の分割構造とすることができる。このため、混合装置の運転終了後の洗浄等のメンテナンスが容易になる。また、大型の混合器１であっても容易に製作することができ、容器５０内部に容易に配することができる。
例えば、図１に示される反応装置５Ａのように容器５０が略円筒状であって積層エレメント２１が環状の形状を有する場合には、図８に示すように、扇形形状の分割体２６による分割構造としたものを容器５０に配されたマンホール３０から搬入することができる。
また、積層エレメント２１を光触媒を担持したものとすることができる。これによれば、各板に付着した流体の残留物や異物を光触媒の作用により分解することができるので、混合装置の運転終了後の洗浄等のメンテナンスが容易になる。
【００６５】
（反応装置の実施形態２）
図９は、反応装置の実施形態２による反応装置５Ｂ内部を流体Ｃが流れる様子を示した断面図である。反応装置５Ｂは図９に示すように、フランジ５３を有する円筒状の容器５０に、入口５１及び出口５２を有する外周円形状のフランジ５４が着脱自在に装着している。反応装置５Ｂの内部には、触媒ユニット９Ａが配されている。
【００６６】
触媒ユニット９Ａは、図３に示された混合器１と同様に、各々積層エレメント２１ａ、２１ｂと同様の形状を有する触媒エレメント２７ａ、２７ｂを交互に複数枚（ここでは合計３枚）重ね合わせた触媒体８ａ〜８ｄを具備し、各触媒体８ａ〜８ｄの上端及び下端の触媒エレメント２７ａ又は２７ｂは第１の板３又は第２の板４と隣接している。触媒エレメント２７ａ、２７ｂ、第１の板３及び第２の板４は、例えば、ボルトとナットのような適宜な手段により反応装置５Ｂ内部に固定される。
第１の板３は円形状の板であって、触媒エレメント２７ａ、２７ｂの外径と略同一の外径を有する。第２の板４は、中央部に流体Ｃが流入する円形の貫通孔４１を有する円形状の板であって、反応装置５Ｂの内径と略同一の外径を有する。
【００６７】
反応装置５Ｂの入口５１側には第２の板４が配され、その下面に第１触媒体８ａが配されている。第１触媒体８ａの下面には第１の板３が配され、続いて第２触媒体８ｂ、第２の板４、第３触媒体８ｃ、第１の板３、第４触媒体８ｄ、第２の板４が順次配されている。
【００６８】
触媒エレメント２７ａ、２７ｂは、反応装置の実施形態１における積層エレメント２１ａ、２１ｂと同様に、第１の貫通孔２２を複数備え、中央部に略同一の内径を有する略円形の第２の貫通孔２３を有している。第２の貫通孔２３の内径は、第２の板４の貫通孔４１の内径と略同一、且つ略同心である。触媒エレメント２７ａ、２７ｂが積層されることにより各触媒体８ａ〜８ｄの中央部では、第２の貫通孔２３が第１中空部２４ａ〜第４中空部２４ｄを形成する。触媒エレメント２７ａ、２７ｂのその他の構造は、積層エレメント２１ａ、２１ｂと同様である。
容器５０の内周部と、第１触媒体８ａ及び第２触媒体８ｂの外周部との間には第１環状空間部５５ａが、並びに、第３触媒体８ｃ及び第４触媒体８ｄの外周部との間には第２環状空間部５５ｂが形成される。
【００６９】
また、反応装置の実施形態１における積層体２と同様に、各触媒体８ａ〜８ｄ内部において複数の第１の貫通孔２２の一部は、触媒エレメント２７ａ、２７ｂの延在する方向に連通し、且つ、中空部２４ａ〜２４ｄ及び環状空間部５５ａ、５５ｂに連通している。
各触媒体８ａ〜８ｄの両端部に対向配置されている第１の板３及び第２の板４により、両端部の触媒エレメント２７ａ、２７ｂの第１の貫通孔２２は積層方向に閉じている。また、第１の板３の外径は、第２の板４の貫通孔４１より大きい。そのため、触媒体８ａ〜８ｄ内部の流体は、各触媒体８ａ〜８ｄの両端部の第１の貫通孔２２から積層方向に流出することを妨げられ、触媒体８ａ〜８ｄ内部を触媒エレメント２７ａ、２７ｂの延在する方向へ確実に流通する。
【００７０】
以上の構成を有する反応装置５Ｂにおいて、例えば、適宜な圧送手段により入口５１から流入した流体Ｃは、第２の板４の貫通孔４１を経由して第１中空部２４ａに流入する。続いて、流体Ｃは、第１中空部２４ａに連通する第１の貫通孔２２から第１触媒体８ａ内部に流入し、連通する第１の貫通孔２２を外周方向へ流通する。続いて、流体Ｃは、第１環状空間部５５ａに連通する第１の貫通孔２２を経由して、第１触媒体８ａ内部から第１環状空間部５５ａへ流出する。
【００７１】
続いて、流体Ｃは、第１環状空間部５５ａに連通する第１の貫通孔２２から第２触媒体８ｂ内部に流入し、連通する第１の貫通孔２２を内周方向へ流通する。続いて、流体Ｃは、第２中空部２４ｂに連通する第１の貫通孔２２を経由して、第２触媒体８ｂ内部から第２中空部２４ｂへ流出する。
【００７２】
その後、流体Ｃは、第３中空部２４ｃ→第３触媒体８ｃ→第２環状空間部５５ｂ→第４触媒体８ｄ→第４中空部２４ｄを経由し、第２の板４の貫通孔４１を経て、出口５２から流出する。以上のように、流体Ｃは、各触媒体８ａ〜８ｄの内部を内周部から外周部へ、又は外周部から内周部へ流通しながら、連通する第１の貫通孔２２を流通することにより高度に混合されながら反応する。以上により、反応装置５Ｂの入口５１から流入した流体Ｃは、高度に混合されながら反応して出口５２から流出する。
【００７３】
上述したように触媒ユニット９Ａを具備する本反応装置５Ｂによれば、各触媒体８ａ〜８ｄの両端部に対向配置されている第１の板３及び第２の板４により、流体Ｃが触媒体８内部を流れる方向を、内周部から外周部へ、又はその逆に、外周部から内周部へと変えることができる。そうすると、流体Ｃは、より多くの連通する第１の貫通孔２２を流通するので、さらに流体Ｃを高度に混合して反応させることができる。
【００７４】
また、各中空部２４ａ〜２４ｄは第１の貫通孔２２に対して十分な大きさを有し、中空部２４を構成する各触媒エレメント２７ａ、２７ｂの第２の貫通孔２３は略同一の内径を有するとともに、且つ略同心である。そのため、流体Ｃが各中空部２４ａ〜２４ｄを流れる際の流動抵抗は、各触媒体８ａ〜８ｄ内部を触媒エレメント２７ａ、２７ｂが延在する方向へ流れる際の流動抵抗と比較して小さい。従って、流体Ｃは、触媒エレメント２７ａ、２７ｂの積層枚数が多い場合でも、積層方向の位置に関らず略均等に各触媒エレメント２７ａ、２７ｂの内周部に到達し、各触媒体８ａ〜８ｄ内部を内周部から外周部へ、又はその逆に外周部から内周部へ略均等に流れる。
【００７５】
各環状空間部５５ａ、５５ｂから各触媒体８ａ〜８ｄ内部への流体Ｃの流入についても、上記各中空部２４ａ〜２４ｄについてのものと同様である。
【００７６】
触媒ユニット９Ａ内部の上面及び下面を他の触媒エレメント２７ａ、２７ｂと接する触媒エレメント２７ａ、２７ｂの第１の貫通孔２２においては、流体は当該第１の貫通孔２２から上面及び下面の他の第１の貫通孔２２へ流出して分散される。また、当該第１の貫通孔２２へは、上面及び下面の他の第１の貫通孔２２から流体が流入して合流する。従って、流体の混合効果が高く、流体Ｃは高度に混合され、高い反応率が得られる。
【００７７】
特に、流体Ｃの流量が増大して流動状態が乱流に移行すると乱流及び渦流の効果が高くなって、分散及び合流に伴う流体の混合効果がより一層増大する。流量が少なく流動状態が層流の場合でも、流体は上面及び下面に分散し、合流することにより混合される。
【００７８】
さらに、触媒エレメント２７ａ、２７ｂの各第１の貫通孔２２が千鳥状に配列されているので、当該第１の貫通孔２２から上面及び下面の他の第１の貫通孔２２へ流出する際に、流れが容易に２つに分割され、又は、２つの流れが容易に合流させられる。
【００７９】
本実施形態においては、触媒エレメント２７ａ、２７ｂ、第１の板３及び第２の板４は各々に分解可能なので、触媒ユニット９Ａの製作が容易であり、且つ安価に製作することができる。
なお、本実施形態において、第１環状空間部５５ａ又は第２環状空間部５５ｂに他の流体を供給することにより、実施形態１による反応器５Ａのように多段で反応させることもできる。
触媒エレメント２７としては、触媒能を有する材料を触媒エレメント２７の形状にしたもの、担体を触媒エレメント２７の形状とし触媒活性成分を担持したもの、触媒エレメント２７の形状を有するアルミニウムを陽極酸化して表面に触媒活性成分を担持したもの等が使用される。
【００８０】
触媒エレメント２７ａ、２７ｂの変形例については、積層エレメントの変形例１〜３と同様である。
【００８１】
（反応装置の実施形態３）
図１０は、反応装置の実施形態３による反応装置５Ｃ内部を流体Ｄが流れる様子を示した断面図である。反応装置５Ｃは図１０に示すように、内部に触媒ユニット９Ｂが配され、触媒ユニット９Ｂを形成する各触媒体８ａ〜８ｄの触媒エレメント２７ａ、２７ｂの外径が容器５０の内径と略同一である。他の構成は上記実施形態２における反応装置５Ｂと同様である。
【００８２】
この反応装置５Ｃでは、容器５０の内周面と触媒ユニット９Ｂの外周面が接しており、第１の板３の外径は第２の板４及び触媒体８ａ〜８ｄの外径よりも小さい。従って、流体Ｄは、第１触媒体８ａと第２触媒体８ｂとの間、第３触媒体８ｃと第４触媒体８ｄとの間では、外周部で互いに連通する第１の貫通孔２２間で流通する。
【００８３】
以上の構成を有する反応装置５Ｃにおいて、例えば、適宜な圧送手段により入口５１から流入した流体Ｄは、各触媒体８ａ〜８ｄ内部の連通する第１の貫通孔２２を触媒２７ａ、２７ｂの延在する方向に流通することにより混合されながら反応する。
本実施形態３は、触媒エレメント２７ａ、２７ｂの外径が容器５０の内径と略同一であるため、触媒エレメント２７ａ、２７ｂの容器５０の内部への設置が容易である。
【００８４】
本実施形態３における反応装置５Ｃのその他の作用効果は、上記反応装置の実施形態２における反応装置５Ｂの作用効果と同様である。
【００８５】
（反応装置の実施形態４）
図１１は、反応装置の実施形態４による反応装置５Ｄ内部を流体Ｅが流れる様子を示した断面図であり、図１２は、この反応装置５Ｄ内部に配設された触媒ユニット９Ｃを形成する触媒２７ｃを示す斜視図である。
本実施形態４による反応装置５Ｄが実施形態３による反応装置５Ｃと異なるところは、反応装置５Ｄに配される複数の触媒エレメント２７ｃが、図１２に示すように、外側部に枠部２５を有するとともに、中央部には第２の貫通孔２３を設けずに第１の貫通孔２２を全面に有していることである。また、第１の板３の外周形状は、当該板に重ね合わされた触媒２７ｃの外周部付近の第１の貫通孔２２が開放されるように、触媒エレメント２７ｃよりも小径に形成されている。
この場合には、触媒エレメント２７ｃの第１の貫通孔２２は、半径方向及び円周方向に部分的に重なり合うように、その位置をずらせて配置され、第１の貫通孔２２は触媒エレメント２７ｃの延在する方向に連通させられる。
【００８６】
反応装置５Ｄをこのように構成することによっても、適宜な圧送手段により入口５１から流入した流体Ｅは、第２の板４の貫通孔４１を介して触媒体８ａに流入し、触媒体８ａ内部を放射状に流通しながら、触媒エレメント２７ｃの連通する第１の貫通孔２２を流通することにより高度に混合されながら反応する。最終的に、流体Ｅは、触媒ユニット９Ｃの一端の第２の板４の貫通孔４１に連通する第１の貫通孔２２を経て流出する。
【００８７】
このように、本実施形態４による反応装置５Ｄによれば、触媒エレメント２７ｃが第２の貫通孔２３を備えないので製造が容易である。
また、触媒エレメント２７ｃの外径が容器５０の内径と略同一であるため、触媒エレメント２７ｃの容器５０の内部への設置が容易である。
本実施形態４の反応装置５Ｄにおけるその他の構成及び作用効果は、上記実施形態３の反応装置５Ｃと同様である。
【００８８】
（反応装置の変形例）
本発明に係る反応装置５は、上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で変形して実施することができる。
また、容器５０を略円筒状又は円筒状としているが、これに限定されるものではなく、例えば工場の排気ガス処理装置のように低い圧力で反応装置を使用する場合には矩形状でもよい。この場合、積層エレメント２１、触媒エレメント２７、第１の板３及び第２の板４の形状は、容器５０の形状に対応して適宜設計変更される。
【００８９】
また、積層エレメント２１の第１の貫通孔２２を略矩形状としているが、上述したように、本発明はこれに限定されるものではない。また、積層エレメント２１ａ、２１ｂの第１の貫通孔２２の半径方向のピッチを略同一としているが、本発明はこれに限定されるものではない。また、第１の貫通孔２２の大きさは積層エレメント２１ａ、２１ｂのように内周部から外周部に向かうに従って大きくなってもよく、図７（ａ）〜（ｄ）に示されたように全て同一でもよい。
また、積層エレメント２１の第２の貫通孔２３を略円形状とし、第２の板４の貫通孔４１を円形としているが、本発明は、これに限定されるものではなく、これらと同様な機能を果たす他の形状を採用し得る。また、積層エレメント２１は第２の貫通孔２３を略中央部に、第２の板４は貫通孔４１を略中央部に有し、略同一径、略同心であるが、本発明はこれらと同様な機能を果たす他の形状を採用し得るものであって、これに限定されるものではない。
また、混合器１を、反応装置５Ｂ、５Ｃ又は５Ｄにおける触媒体８、第１の板３及び第２の板４のような組合せの構成にしてもよい。
【００９０】
また、積層エレメント２１ａと積層エレメント２１ｂは各々の形状が異なり、各々の複数の第１の貫通孔２２は、互いに隣接する積層エレメント２１ａ、２１ｂの第１の貫通孔２２とその位置をずらせて半径方向及び円周方向に部分的に重なり合うように配置されているが、これに限定されるものではない。
例えば、複数の第１の貫通孔２２が同一の位置に配置されている同一形状の積層エレメント２１を使用して、複数の第１の貫通孔２２が半径方向及び円周方向に部分的に重なり合うように、その位置をずらせて配置しても良い。
【００９１】
以上の積層エレメント２１についての例は、積層エレメント２１と同じ構造を有する触媒エレメント２７についても同様である。
【００９２】
また、反応装置に供給される流体は気体に限定されるものではなく、液体、気体と液体、液体と固体との混合物あるいはその他であってもよい。
【００９３】
以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての修正や変形を含むものである。
【符号の説明】
【００９４】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ 混合器
２ 積層体
３ 第１の板
４ 第２の板
５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ 反応装置
９Ａ、９Ｂ、９Ｃ 触媒ユニット
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ 積層エレメント
２２ （積層エレメント、又は触媒エレメントの）第１の貫通孔
２３ （積層エレメント、又は触媒エレメントの）第２の貫通孔
２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ 中空部
２７、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ 触媒エレメント
４１ （第２の板の）貫通孔
５５、５５ａ、５５ｂ 環状空間部
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ 流体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口及び出口を有する容器内部で流体を反応させる反応装置であって、
前記容器内部には少なくとも２以上の触媒層が配され、且つ、少なくとも１の触媒層間に１又は２以上の流体を混合する混合器が配され、
前記混合器は、複数の積層エレメントが積層される積層体と、当該積層体を挟んで対向配置される第１の板と第２の板とを備え、
前記積層エレメントは、複数の第１の貫通孔を有し、
前記第１の板は、前記容器内側形状よりも小さい外側形状を有し、
前記第２の板は、前記容器内側形状と略同一の外側形状を有し、外側面が前記容器内側面と略内接しており、且つ前記積層エレメントの少なくとも１つの第１の貫通孔に連通する貫通孔を有し、
前記積層体は、前記第１の貫通孔の一部又は全部が、隣接する積層エレメントの第１の貫通孔との間で流体を積層エレメントの延在する方向に流通可能に連通するように配置されている反応装置。
【請求項２】
請求項１に記載の反応装置において、
前記複数の積層エレメント、前記第１の板及び前記第２の板は、分解可能に固定されている反応装置。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれか１の請求項に記載の反応装置において、
前記積層エレメントは、前記第１の貫通孔より大きい第２の貫通孔を有し、且つ前記第２の貫通孔が積層方向に連通して前記積層体に中空部を形成するように配置されており、
前記第２の板の貫通孔が前記中空部を介して前記積層エレメントの少なくとも１つの第１の貫通孔に連通するように配置されている反応装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１の請求項に記載の反応装置による流体の反応方法であって、
前記混合器の上流に配された触媒層からの流体と１又は２以上の他の流体を前記混合器内部に流入させ、前記積層エレメントの延在する方向に前記第１の貫通孔を流通させ、前記混合器外部に流出させ、前記混合器の下流に配された触媒層に流入させる反応方法。
【請求項５】
触媒ユニットであって、
複数の触媒エレメントが積層される触媒体と、当該触媒体を挟んで対向配置される第１の板と第２の板とを備え、
前記触媒エレメントは、複数の第１の貫通孔を有し、
前記第２の板は、前記触媒エレメントの少なくとも１つの第１の貫通孔に連通する貫通孔を有し、
前記触媒エレメントは、前記第１の貫通孔の一部又は全部が、隣接する触媒エレメントの第１の貫通孔との間で流体を触媒エレメントの延在する方向に流通可能に連通するように配置されている触媒ユニット。
【請求項６】
請求項５に記載の触媒ユニットにおいて、
前記複数の触媒エレメント、前記第１の板及び前記第２の板は、分解可能に固定されている触媒ユニット。
【請求項７】
請求項５又は６のいずれか１の請求項に記載の触媒ユニットにおいて、
前記触媒エレメントは、前記第１の貫通孔より大きい第２の貫通孔を有し、且つ前記第２の貫通孔が積層方向に連通して前記触媒体に中空部を形成するように配置されており、
前記第２の板の貫通孔が前記中空部を介して前記触媒エレメントの少なくとも１つの第１の貫通孔に連通するように配置されている触媒ユニット。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか１の請求項に記載の触媒ユニットと、当該触媒ユニットを収容する入口及び出口を有する容器とを備える反応装置であって、
前記触媒ユニットにおける第１の板は、前記容器内側形状よりも小さい外側形状を有し、
前記触媒ユニットにおける第２の板は、前記容器内側形状と略同一の外側形状を有し、且つ当該第２の板の外側面が前記容器内側面と略内接している反応装置。
【請求項９】
請求項５乃至７のいずれか１の請求項に記載の触媒ユニットによる流体の反応方法であって、
流体を前記触媒ユニット内部に流入させ、前記触媒エレメントの延在する方向に前記第１の貫通孔を流通させ、前記触媒ユニット外部に流出させる反応方法。
【請求項１】
入口及び出口を有する容器内部で流体を反応させる反応装置であって、
前記容器内部には少なくとも２以上の触媒層が配され、且つ、少なくとも１の触媒層間に１又は２以上の流体を混合する混合器が配され、
前記混合器は、複数の積層エレメントが積層される積層体と、当該積層体を挟んで対向配置される第１の板と第２の板とを備え、
前記積層エレメントは、複数の第１の貫通孔を有し、
前記第１の板は、前記容器内側形状よりも小さい外側形状を有し、
前記第２の板は、前記容器内側形状と略同一の外側形状を有し、外側面が前記容器内側面と略内接しており、且つ前記積層エレメントの少なくとも１つの第１の貫通孔に連通する貫通孔を有し、
前記積層体は、前記第１の貫通孔の一部又は全部が、隣接する積層エレメントの第１の貫通孔との間で流体を積層エレメントの延在する方向に流通可能に連通するように配置されている反応装置。
【請求項２】
請求項１に記載の反応装置において、
前記複数の積層エレメント、前記第１の板及び前記第２の板は、分解可能に固定されている反応装置。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれか１の請求項に記載の反応装置において、
前記積層エレメントは、前記第１の貫通孔より大きい第２の貫通孔を有し、且つ前記第２の貫通孔が積層方向に連通して前記積層体に中空部を形成するように配置されており、
前記第２の板の貫通孔が前記中空部を介して前記積層エレメントの少なくとも１つの第１の貫通孔に連通するように配置されている反応装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１の請求項に記載の反応装置による流体の反応方法であって、
前記混合器の上流に配された触媒層からの流体と１又は２以上の他の流体を前記混合器内部に流入させ、前記積層エレメントの延在する方向に前記第１の貫通孔を流通させ、前記混合器外部に流出させ、前記混合器の下流に配された触媒層に流入させる反応方法。
【請求項５】
触媒ユニットであって、
複数の触媒エレメントが積層される触媒体と、当該触媒体を挟んで対向配置される第１の板と第２の板とを備え、
前記触媒エレメントは、複数の第１の貫通孔を有し、
前記第２の板は、前記触媒エレメントの少なくとも１つの第１の貫通孔に連通する貫通孔を有し、
前記触媒エレメントは、前記第１の貫通孔の一部又は全部が、隣接する触媒エレメントの第１の貫通孔との間で流体を触媒エレメントの延在する方向に流通可能に連通するように配置されている触媒ユニット。
【請求項６】
請求項５に記載の触媒ユニットにおいて、
前記複数の触媒エレメント、前記第１の板及び前記第２の板は、分解可能に固定されている触媒ユニット。
【請求項７】
請求項５又は６のいずれか１の請求項に記載の触媒ユニットにおいて、
前記触媒エレメントは、前記第１の貫通孔より大きい第２の貫通孔を有し、且つ前記第２の貫通孔が積層方向に連通して前記触媒体に中空部を形成するように配置されており、
前記第２の板の貫通孔が前記中空部を介して前記触媒エレメントの少なくとも１つの第１の貫通孔に連通するように配置されている触媒ユニット。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか１の請求項に記載の触媒ユニットと、当該触媒ユニットを収容する入口及び出口を有する容器とを備える反応装置であって、
前記触媒ユニットにおける第１の板は、前記容器内側形状よりも小さい外側形状を有し、
前記触媒ユニットにおける第２の板は、前記容器内側形状と略同一の外側形状を有し、且つ当該第２の板の外側面が前記容器内側面と略内接している反応装置。
【請求項９】
請求項５乃至７のいずれか１の請求項に記載の触媒ユニットによる流体の反応方法であって、
流体を前記触媒ユニット内部に流入させ、前記触媒エレメントの延在する方向に前記第１の貫通孔を流通させ、前記触媒ユニット外部に流出させる反応方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−１９４５２２（Ｐ２０１０−１９４５２２Ａ）
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４５４１４（Ｐ２００９−４５４１４）
【出願日】平成２１年２月２７日（２００９．２．２７）
【出願人】（０００１００８３８）アイセル株式会社 (62)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２７日（２００９．２．２７）
【出願人】（０００１００８３８）アイセル株式会社 (62)
【Ｆターム（参考）】
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