化学反应装置以及化学反应方法
【专利摘要】本发明提供一种化学反应装置，其能够高效对内容物照射微波。该化学反应装置具备：平流式反应器（13），其中内容物以在上方具有未填充空间的状态沿水平方向流动；微波发生器（14），用于产生微波；以及一个以上的波导管（15），将微波发生器（14）产生的微波输送到反应器（13）的未填充空间。由此，能够对更大的表面积照射微波，能够提高微波的照射效率。
【专利说明】化学反应装置以及化学反应方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及在反应器中照射微波的化学反应装置等。
【背景技术】
[0002]以往，通过对反应物质照射微波(电磁波)以进行热处理等的化学反应装置和化学反应方法为人所知(例如，参照专利文献I)。
[0003]在先技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:日本特表2006-516008号公报
【发明内容】
[0006]发明所要解决的技术问题
[0007]对于上述这样现有的化学反应装置等而言，期望通过更高效地照射微波以进一步促进化学反应。
[0008]本发明是考虑到上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够更高效地对反应器内的内容物照射微波的化学反应装置等。
[0009]用于解决技术问题的方案
[0010]为了达成上述目的，基于本发明的化学反应装置具备:平流式反应器，内容物以在上方具有未填充空间的状态沿水平方向流动；微波发生器，用于产生微波；以及一个以上的波导管，将微波发生器所产生的微波输送到反应器的未填充空间。
[0011]根据这样的结构，能够对更大的表面积照射微波。其结果是，能够高效地对内容物照射微波，从而能够促进该内容物的反应。
[0012]另外，在基于本发明的化学反应装置中，还可以进一步具备用于搅拌反应器内的内容物的一个以上的搅拌单元。
[0013]根据这样的结构，通过搅拌内容物，能够更均匀地对反应器内的内容物照射微波。其结果是，例如能够避免微波仅对反应器内的一部分内容物进行照射的情况。
[0014]另外，在基于本发明的化学反应装置中，搅拌单元可以利用旋转搅拌、鼓泡搅拌、超声波搅拌中的任意一种以上的方法来进行搅拌。
[0015]另外，在基于本发明的化学反应装置中，原料和固体催化剂在反应器中流动，该化学反应装置还可以进一步具备催化剂分离部，用于从反应器中的反应后的生成物分离固体催化剂。
[0016]根据这样的结构，能够得到分离出固体催化剂的反应后的生成物。
[0017]另外，在基于本发明的化学反应装置中，可以进一步具备用于使原料和固体催化剂混合的混合部，利用混合部混合后的原料和固体催化剂可以被投入到反应器的上游侧。
[0018]根据这样的结构，由于原料和固体催化剂在被投入到反应器之前被混合，因而可以进一步促进它们在反应器内的反应。[0019]另外，在基于本发明的化学反应装置中，固体催化剂可以具有微波吸收性或微波敏感性。
[0020]根据这样的结构，可以更高效地加热固体催化剂，从而进一步促进固体催化剂附近的原料的反应。
[0021]另外，在基于本发明的化学反应装置中，反应器可以具有以串联方式相连的多个室。
[0022]根据这样的结构，内容物在滞留于各室的同时进行反应。其结果是，能够在各室中有效地对内容物照射微波，从而能够避免未反应的原料从反应器中输出(即，原料未发生反应而直接从反应器的流入孔流向流出孔)。
[0023]另外，在基于本发明的化学反应装置，反应器可以具有多个隔板，这些隔板用于将反应器的内部分隔成多个室，各隔板上可以存在供内容物从上游侧向下游侧流动的流路。
[0024]根据这样的结构，借助隔板而能够在反应器中形成多个室。
[0025]另外，在基于本发明的化学反应装置中，流路可以是内容物在各隔板的上方溢流的流路，或者也可以是内容物在各隔板的间隙流动的流路。
[0026]另外，在基于本发明的化学反应装置中，各隔板可以是具有微波透过性的隔板。
[0027]根据这样的结构，能够隔着隔板照射微波，从而能够更高效地对内容物照射微波。
[0028]另外，在基于本发明的化学反应装置中，各波导管可以设置在隔板的位置。
[0029]根据这样的结构，能够利用一个波导管对由隔板分隔而成的两个室照射微波。其结果是，能够更高效地照射微波。
[0030]另外，在本发明的化学反应装置中，可以进一步具备:多个温度测定部，这些温度测定部测定反应器的各室的内部温度；以及微波控制部，该微波控制部根据各温度测定部测定的温度来控制照射各室的微波的输出功率。
[0031]根据这样的结构，能够将各室的温度维持在期望的温度。
[0032]另外，在基于本发明的化学反应装置中，可以配置两个以上的微波发生器，两个以上的微波发生器可以产生两种以上频率的微波。
[0033]根据这样的结构，能够使微波针对更广泛的对象而发挥作用。
[0034]发明效果
[0035]根据基于本发明的化学反应装置等，能够更高效地对内容物照射微波，从而能够促进内容物的反应。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1是示出基于本发明第一实施方式的化学反应装置的结构的图。
[0037]图2是示出基于该实施方式的反应器的内部结构的一例的图。
[0038]图3A是示出该实施方式中的隔板的一例的图。
[0039]图3B是示出该实施方式中的隔板的一例的图。
[0040]图3C是示出该实施方式中的隔板的一例的图。
[0041]图3D是示出该实施方式中的隔板的一例的图。
[0042]图3E是示出该实施方式中的隔板的一例的图。
[0043]图3F是示出该实施方式中的隔板的一例的图。[0044]图4是示出该实施方式的实施例中的酯转化率的图表。
[0045]图5是示出该实施方式中的反应器的其他例的图。
[0046]图6是示出该实施方式中的微波发生部和波导管的其他例的图。
[0047]图7A是用于说明该实施方式中的微波的照射位置的图。
[0048]图7B是用于说明该实施方式中的微波的照射位置的图。
【具体实施方式】
[0049]以下，利用实施方式对基于本发明的化学反应装置进行说明。此外，在以下的实施方式中，标注有相同附图标记的结构单元是同一结构单元或等同的结构单元，因此有时省略其重复的说明。
[0050](第一实施方式)
[0051 ] 参照附图，对基于本发明第一实施方式的化学反应装置进行说明。基于本实施方式的化学反应装置是对反应器的内容物照射微波的装置。
[0052]图1是示出基于本实施方式的化学反应装置I的结构的图。基于本实施方式的化学反应装置I具备混合部12、反应器13、微波发生器14、波导管15、微波控制部16、催化剂分离部17和处理液贮存槽18。
[0053]通过混合部12使原料和固体催化剂混合。也可以通过混合部12使原料等和反应剂混合。原料可以含有多种物质。例如，当在反应器13中进行酯化反应时，原料可以是油脂和乙醇。如图1所示，上述原料和固体催化剂可以借助泵11而供给到混合部12，或者也可以通过其他方法供给到混合部12。例如，混合部12可以通过使叶片状构件或翼状构件、螺旋状构件旋转而对两种以上的物质进行混合。此外，虽然在本实施方式中对与原料混合的催化剂是固体催化剂(非均相催化剂)的情况进行说明，然而，催化剂也可以是液态催化齐U (均相催化剂)。另外，固体催化剂可以在反应器13内形成流化床，或者也可以不形成流化床。另外，上述固体催化剂的形状任意。例如，固体催化剂的形状可以是无定型的粒状、圆柱状(可以是中空的，也可以是非中空的)、球状、丸状、环状、壳状等。另外，上述固体催化剂例如可以具有微波吸收性或微波敏感性，或者也可以不具有这些特性。固体催化剂具有微波吸收性或微波敏感性的情况下，当在后述的反应器13的内部照射微波时，固体催化剂被微波加热，从而促进该固体催化剂附近的化学反应。此外，该微波吸收性或微波敏感性取决于被照射的微波的频率、反应器13的内部温度等。即，在使用的微波频率以及使原料发生反应的反应器13的内部温度方面，介质损耗系数越高，微波吸收性也越高。因此，例如可以采用含有这种微波吸收性较高的物质的固体催化剂。例如，照射2.45GHz的微波的情况下，作为具有微波吸收性的物质，能够举出除了富勒烯以外的碳类(例如石墨、碳纳米管或活性炭等)、铁、镍、钴或铁素体等。因此，固体催化剂可以含有具备这种微波吸收性的物质。具体而言，固体催化剂可以是将具有这种微波吸收性或微波敏感性的物质与金属或金属氧化物组合而成的组合物，也可以是将具有这种微波吸收性或微波敏感性的物质与碱催化剂或酸催化剂等催化剂组合而成的组合物，或者还可以是将具有微波吸收性或微波敏感性的物质、碱催化剂或酸催化剂等的催化剂、以及金属或金属氧化物组合而成的组合物。对于上述物质的组合，例如可以通过物理吸附来进行，可以通过化学结合来进行，也可以通过合金化来进行，还可以通过其他方法来进行。另外，在混合部12中，为了针对反应器13中的反应做好准备，可以进行预加热，或者也可以不进行预加热。进行该预加热的情况下，优选将混合部12中的预加热的温度控制成使得原料等在进入反应器13的时刻达到期望的温度或者实现期望的温度幅度。此外，当在混合部12不进行预加热时，可以在反应器13中进行与该预加热相对应的加热。将由混合部12混合后的原料和固体催化剂投入到反应器13的上游侧。
[0054]反应器13是平流式反应器，该反应器13中的内容物以在上方具有未填充空间的状态沿水平方向流动。例如，该内容物是原料和催化剂的混合物。由混合部12混合后的原料和催化剂在该反应器13的内部流动。此外，由于通过反应器13中的化学反应而会由原料产生生成物，因而可以认为反应器13的内容物中含有生成物。即，还能够断言该内容物为原料和/或生成物。另外，由于在内容物上方存在未填充空间，因此，内容物通常是气体以外的物质、即固体或液态物质。通常，内容物是液态物质。反应器13的内壁优选由反射微波的物质构成。例如将金属用作反射微波的物质。关于该反应器13的内部结构，将在后文中进行描述。
[0055]微波发生器14产生微波。基于本实施方式的化学反应装置I可以具备一个微波发生器14，或者也可以具备两个以上的微波发生器14。该微波的频率并未受到限定，例如，可以是2.45GHz,5.8GHz、24GHz、913MHz，也可以是300MHz至300GHz范围内的频率。
[0056]波导管15将微波发生器14所产生的微波传输到反应器13的未填充空间。通常如图1所示，波导管15的个数与微波发生器14的个数相同。此外，优选使用规格与微波发生器14所产生的微波的频率对应的波导管15。
[0057]微波控制部16根据后述的温度测定部25测定的温度而控制对反应器13进行照射的微波的输出功率。通过该微波控制部16所进行的控制，能够将反应器13的内部维持在期望的温度或使该反应器13的内部实现期望的温度幅度。
[0058]催化剂分离部17使催化剂从反应器13中的反应后的生成物分离。在与原料混合的催化剂是固体催化剂的情况下，例如，可以通过过滤器来分离固体催化剂，也可以通过使固体催化剂和生成物中的一方沉淀的方式来分离固体催化剂。另外，在固体催化剂中含有磁性体的情况下，可以通过使用磁铁(可以是永久磁铁，也可以是电磁铁)吸附固体催化剂的方式而分离固体催化剂。此外，能够适当地再次利用所分离的固体催化剂。另外，在使用液态催化剂的情况下，可以通过在催化剂分离部17中进行蒸馏或提取、中和的方式而分离催化剂。
[0059]将在催化剂分离部17中分离出催化剂的生成物投入到处理液贮存槽18。并且，将上述生成物适当地分成最终的制造物和副生成物等。例如，当原料为游离脂肪酸、且在反应器13中使其进行酯化反应时，将会得到作为制造物的生物柴油燃料和作为副生成物的水。该情况下，使用酸催化剂。另外，例如当原料为甘油三酸酯、且在反应器13中使其进行酯交换反应时，将会得到作为制造物的生物柴油燃料和作为副生成物的甘油。该情况下，使用碱催化剂。
[0060]此外，在反应器13的后部，可以具备用于对反应器13中的反应后的物质进行冷却的未图示的冷却器，或者也可以不具备冷却器。前者的情况下，例如，该冷却器可以对反应器13中的反应后的物质进行水冷。
[0061]图2是示出基于本实施方式的反应器13的内部构造的一例的图。图2中，反应器13具有以串联方式相连的多个室31、32、33、34。各室31?34由对反应器13内部进行分隔的多个隔板21分隔而成。如前所述，在反应器13的内部，在上方存在未填充空间22。对于该未填充空间22，经波导管15而照射由微波发生器14产生的微波。如图2所示，各波导管15可以设置在隔板21的位置，或者也可以不这样设置。前者的情况下，例如，借助一个波导管15传输到未填充空间22的微波主要照射由处于与该波导管15对应的位置处的隔板21分隔而成的两个室。隔板21可以是微波透过性的隔板，也可以是微波吸收性的隔板，或者还可以是反射微波的隔板。作为能使微波透过的材料，例如能举出铁氟龙(注册商标)、石英玻璃、陶瓷、氮化硅氧化铝等。因此，微波透过性的隔板21可以由这种能使微波透过的材料构成。另外，作为吸收微波的材料，例如能举出除了富勒烯以外的碳类等。因此，微波吸收性的隔板21可以由这种吸收微波的材料构成。另外，作为反射微波的材料，例如能举出金属。因此，不能使微波透过的隔板21可以由这种反射微波的材料构成。另外，隔板21可以由微波透过性材料、微波吸收性材料、微波反射性材料中的任意两种以上的材料组合而成。
[0062]投入到反应器13的原料等20在各室31?34之间流通，最终从下游(图2中的反应器13的右端)输出。此外，在该隔板21存在供内容物流通的流路。在该流路中，内容物主要从反应器13的上游侧(图2的左侧)流向下游侧(图2的右侧)，如图2中箭头所示，内容物的一部分也可以从下游侧流向上游侧。例如，该隔板21的流路可以是内容物在隔板21的上方进行溢流时流通的流路，或者也可以是内容物在隔板21的间隙流通的流路。图3A?图3F是从反应器13的长度方向观察设置在该圆筒形的反应器13的隔板21的图。在前者的溢流的流路的情况下，例如，如图3A、图3B所示，在未填充空间22的位置不存在隔板21，内容物可以流经该位置(即、隔板21的上方)。该情况下，如图3B所示，在隔板21的上方边缘可以设置供内容物流通的凹部41。该情况下，例如，即使内容物20的液面与隔板21的上方边缘处于同一水平线，内容物也可以借助该凹部41的切槽(凹口)而流通。此外，该凹部41的形状任意。虽然图3B中示出了凹部41为半圆形状的情况，然而，凹部41的切槽形状例如可以是三角形、矩形，还可以是其他形状。另外，该凹部14的个数任意。例如，如图3B所示，其个数可以是一个，或者也可以是多个。另外，后者的间隙处的流路的情况下，例如，可以如图3C所示那样在隔板21和反应器13的内壁之间存在间隙27，也可以如图3D所示那样在隔板21本身存在间隙27。该间隙27的大小优选为能够供内容物流通的大小以上。此外，该间隙27的形状、个数任意。虽然图3C中示出了间隙27为圆环形状的情况，然而，间隙27的形状例如可以是将圆环的一部分堵塞而成的C字形状。另外，虽然图3D中示出了间隙27为圆形的情况，然而，间隙27的形状例如可以是三角形、矩形，还可以是其他形状。另外，例如，间隙27的个数可以多于图3D中的个数，也可以少于图3D中的个数(可以是一个，也可以是多个)。另外，如图3E、图3F所示，可以将溢流的流路和隔板21的间隙27处的流路组合。此外，反应器13可以具有从上游侧朝下游侧降低的斜度，也可以不具有这样的斜度。
[0063]另外，如图2所示，反应器13还具有搅拌单元23。即，基于本实施方式的化学反应装置I还具有用于搅拌反应器13内的内容物的一个以上的搅拌单元23。虽然图2中示出了在各室31?34存在搅拌单元23的情况，但是，也可以不这样设置。可以在一个以上的室中不存在搅拌单元23。另外，虽然图2中示出了搅拌单元23为叶片状的情况，但这不过是示意性地示出搅拌单元23而已，例如，搅拌单元23可以进行旋转搅拌，可以进行鼓泡搅拌，可以进行超声波搅拌，或者还可以以上述任意两种以上方式的组合而进行搅拌。搅拌单元23进行旋转搅拌的情况下，例如可以通过使叶片状构件、翼状构件、或棒状构件等旋转来进行该搅拌。该叶片状构件、翼状构件、或棒状构件等可以是微波透过性构件，可以是微波吸收性构件，可以是微波反射性构件，或者也可以由微波透过性材料、微波吸收性材料、微波反射性材料中的任意两种以上的材料组合而成。例如，可以通过使安装于轴的叶片状构件等与轴的旋转相应地进行旋转而实现上述旋转，或者也可以如磁力搅拌器(Magneticstirrer)那样利用磁性而实现上述旋转。使用轴的前者的情况下，该轴可以单独地分别设置于每个室，或者也可以使用在多个室中通用的轴。利用磁性的后者的情况下，通过磁铁而使棒状或叶片状、翼状等磁性搅拌件进行旋转。另外，使用叶片状构件或翼状构件进行旋转搅拌的情况下，这些构件的旋转可以用于使反应器13的内容物沿从上游朝向下游的方向、或其相反方向流动，或者，也可以不利用这些构件的旋转而使反应器13的内容物进行上述动作。另外，搅拌单元23进行鼓泡搅拌的情况下，例如，可以通过对反应器13内的内容物吹入气体来进行该搅拌。该吹入的气体例如可以是氦或氩等的惰性气体、氮气或空气等。另夕卜，搅拌单元23进行超声波搅拌的情况下，例如，可以在反应器13的底面或侧面产生超声波，并对反应器13的内容物照射该超声波，从而进行该搅拌。此外，旋转搅拌、鼓泡搅拌和超声波搅拌已经是公知方法，因而省略它们的详细说明。另外，搅拌单元23也可以通过上述方法以外的其它搅拌方法来进行搅拌。例如，搅拌单元23还可以进行使反应器13自身振动的摆动搅拌等。
[0064]在此，针对搅拌单元23搅拌反应器13的内容物的理由进行简单说明。搅拌单元23搅拌内容物的第一个理由是为了利用微波而对内容物均匀地加热。虽然也受到内容物的种类或内容物的温度的影响，但是由于关键还是取决于某种微波的渗透深度，因而需进行搅拌，以使内容物整体被微波均匀地照射从而实现均匀的加热。另外，如果未填充空间22中的内容物的表面积增大，则能够更高效地对内容物照射微波。所以，搅拌内容物的第二个理由是为了进一步扩大微波的照射面积。因此，搅拌单元23对内容物进行的搅拌优选达到使得在未填充空间22中的内容物的表面产生波纹的程度，也可以不达到这种程度(因为有时只要根据第一个理由而进行搅拌，结果便足以使内容物整体被充分加热)。另外，这样，由于使用搅拌单元23对原料等进行搅拌，因而，即使在原料中含有密度不同的两种以上物质的情况下，也能够将两者适当地混合进而使它们产生反应。例如，在竖流式反应器中，即使欲使乙醇和废油这样的密度不同的物质产生反应，由于两者很容易分离，因此无法使它们产生反应，而如本实施方式这样，在反应器为平流式反应器13、且具备搅拌单元23的情况下，则能够将两者适当地混合进而使它们产生反应。另外，反应器13中存在多个搅拌单元23的情况下，其搅拌的方法种类可以全部相同，或者也可以不同。后者的情况下，例如可以在室31中进行旋转搅拌，在室32中进行鼓泡搅拌，在室33中进行超声波搅拌。
[0065]另外，如图2所示，反应器31还具有温度测定部25。即，基于本实施方式的化学反应装置I可以具备测定反应器13的内部温度的温度测定部25。优选地，反应器13的内部温度即为反应器13的内容物的温度。虽然图2中示出了在各室31?34存在温度测定部25的情况，但是也可以不这样设置。可以在一个以上的室不存在温度测定部25。另外，虽然图2中示意性地示出了温度测定部25，但是，例如，温度测定部25可以通过热电偶测定温度，可以通过红外线传感器测定温度，可以通过光纤测定温度，还可以通过其他方法测定温度。温度测定部25所测定的温度(严格地讲，是表示温度的数据)被传送到微波控制部16，并被用于控制由微波发生器14产生的微波的输出功率。如前所述，该控制是为了将各室31?34的温度维持在期望的温度或实现期望的温度幅度。例如，如图2所示，当在隔板21的位置照射微波时，例如可以利用被处于照射微波的位置的隔板21分隔的两个室中的一方的温度来对在该位置所照射的微波的输出功率进行控制，或者也可以利用双方的温度来进行该控制。前者的情况下，例如，可以利用较低温度的一方进行控制，也可以利用较高温度的一方进行控制，或者还可以利用预先设定的室的温度进行控制。后者的情况下，例如，可以利用两者的平均温度进行控制。
[0066]在本实施方式的反应器13中，内容物20的液面高度例如可以是反应器13的内侧的高度最大值的1/10至9/10的高度。即，未填充空间22的高度例如可以是反应器13的内侧的高度最大值的1/10至9/10的高度。另外，内容物20的液面高度例如也可以是反应器13的内侧的高度最大值的1/5至4/5的高度。此外，如图3C?图3F的隔板21所示，当存在间隙27时，根据生成物等从反应器13流出时所使用的流出孔的位置来确定上述液面高度。因此，只要将该流出孔的位置设置为与期望的液面高度对应的位置即可。即，只要将反应器13的流出孔的位置设定成能够确保期望的未填充空间22即可。另一方面，如图3A、图3B的隔板21所不，原料等溢流的情况下，最下游的室34以外的室31?33的液面闻度取决于隔板21的高度(此外，即使在这种情况下，最下游的室34的液面高度也取决于流出孔的位置)。因此，只要在反应器13内部设置具有与期望的液面高度对应的高度的隔板21即可。即，只要将隔板21中的溢流的流路的高度(位置)设定成能够确保期望的未填充空间22即可。此外，只要能够适当地对内容物20照射微波即可，内容物20的液面高度、未填充空间22的高度当然不局限于上述高度。
[0067]另外，反应器13的形状任意。例如，反应器13可以是图2中的左右方向成为长度方向的圆筒状，也可以是长方体形状，或者还可以是其他形状。在本实施方式中，对反应器13是圆筒状的情况进行说明。如前所述，图3A?图3F中也示出了反应器13呈圆筒状时的隔板21。
[0068]另外，反应器13的壁面可以由绝热材料覆盖。这样，能够防止反应器13内部的热量向外部释放。
[0069]接下来，对基于本实施方式的化学反应装置I的动作进行简单说明。通过泵11将原料和催化剂供给到混合部12。然后，在混合部12中对原料和催化剂进行混合，进而将它们投入到反应器13。可以事先确定向该反应器13中供给原料等的速度。
[0070]供给到反应器13的原料等一边被搅拌单元23搅拌一边从上游侧流向下游侧。这时，由微波发生器14产生的微波借助波导管15而传输到反应器13的未填充空间22，从而对原料等进行照射。其结果，原料等得以加热，从而促进了原料等的反应。此外，利用温度测定部25测定各室31?34的温度，并借助未图示的路径而将测定的温度传送到微波控制部16。然后，微波控制部16对微波发生器14的输出功率进行控制，以使各室31?34的温度达到期望的温度或实现期望的温度幅度。
[0071]将从反应器13中输出的生成物投入到催化剂分离部17而使催化剂分离。然后，利用泵11将分离出催化剂后的生成物投入到处理液贮存槽18，在处理液贮存槽18中，分离出副生成物和作为目标物的制造物。这样，得到最终的制造物。另外，通过反复进行这种处理，可以依次生成作为目标物的制造物。
[0072]此外，对于催化剂分离部17中的催化剂的分离处理以及处理液贮存槽18中的制造物和副生成物的分离处理，可以每当投入生成物时就依次进行，或者也可以在投入的生成物积存到恒定量之后再统一进行。即，虽然反应器13中的处理是以流式(流通式)来进行，但是其后部的催化剂分离部17、处理液贮存槽18中的处理可以是以流式来进行，或者也可以是以批量式来进行。
[0073]另外，无论在基于本实施方式的化学反应装置I中所进行的化学反应是何种化学反应，只要是由照射微波本身引起、或者由与照射微波相应的加热引起的化学反应即可。例如，可以是基于酯化、酯交换的生物柴油燃料的生成，也可以是作为酯的油墨原料的生成，还可以是其他化学反应。
[0074]接下来，利用实施例对使用基于本实施方式的化学反应装置I而从废油中生成生物柴油燃料(脂肪酸甲酯)的处理进行说明。此外，本发明不限定于该实施例。
[0075](反应系统构建例)
[0076]在本实施例中，将油脂和游离脂肪酸的混合物以及乙醇用作原料。乙醇是反应剂。该原料和催化剂分别由泵11朝混合部12输送，进而使它们均匀地混合。将该混合液朝反应器13供给。对反应器13内的混合液照射由微波发生器14产生的微波，从而促进酯化反应。另外，将该反应器13内的混合液填充到反应器13内的由隔板21分隔而成的各室31?34。混合液和催化剂共同被搅拌单元23搅拌，并通过对它们照射微波而使它们进行反应。对存在于反应器13内部的未填充空间22照射微波,并使该微波向反应器13内部扩散。各室内的反应液借助设置在隔板21的流路而向下一个室移动。反应液在反应器13内滞留了恒定的滞留时间以后，再将该反应液朝反应器13外排出。将从反应器13排出的反应后的混合液供给到催化剂分离部17，在该催化剂分离部17中使催化剂分离，进而将分离后的催化剂向处理液贮存槽18填充。在处理液贮存槽18中，从分离出催化剂后的反应液中分离出作为副生成物的水、甘油，并提取出作为目标物的粗甲酯。
[0077](工业废油的酯化反应)
[0078]示出了使用工业废油的游离脂肪酸的酯化反应的典型的实施例。在混合部12将含有34wt%的游离脂肪酸的工业废油(除此之外，还含有甘油三酸脂、浙青成分等)、作为反应剂的2.8摩尔当量(将工业废油的游离脂肪酸换算成油酸时的摩尔当量)的甲醇以及3wt% (相对于工业废油的重量％)的固体酸催化剂混合，然后再将它们的混合物朝反应器13供给。当以如下示出的空间速度衡量时，向反应器13供给上述混合物的速度设定为约1.2/h。在此，在本实施例中，反应器容量是指从反应器13内的整个容量中减去未填充空间22的容量之后所得的容量。
[0079](空间速度)=(废油的体积流量)/(反应器容量)
[0080]利用反应器13的微波输出功率进行基于各室31?34的内部温度的反馈控制，从而将各室31?34的温度保持恒定。本实验中将反应温度设定为70°C。图4示出了基于本实施例中的脂肪酸和甲醇的酯化反应的脂肪酸甲酯的转化率。甲酯转化率的计算式如下所
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[0081]甲酯转化率(％)=[甲酯浓度]/[脂肪酸初始浓度]X 100[0082]根据图4明确可知，酯化反应在反应开始后急速进行，转化率在历经30分钟时达到87%，之后，转化率缓慢增加，在历经1.5小时时大致达到平衡。此外，并未发现废油中的其他成分发生特别的变化。根据这个结果可知，由基于本实施方式的流通式反应器所进行的酯化反应，能够使废油中的游离脂肪酸高效地进行酯化反应，并且能够连续地进行稳定的反应。
[0083]如上所述，根据基于本实施方式的化学反应装置1，能够在反应器13中对内容物高效地照射微波。其结果是，能够促进反应器13内部的化学反应。特别是，使用搅拌单元23在反应器13内部搅拌内容物，由此，即使在微波的渗透深度不够深的情况下，也能够均匀地对内容物照射微波。另外，将反应器13分隔为多个室，由此使得内容物在滞留于各室的同时还进行反应，因而，能够在各室中对内容物高效地照射微波。其结果是，能够避免未反应的原料从反应器13输出(S卩，原料未发生反应而直接从反应器13的流入孔流向流出孔)。另外，固体催化剂具有微波吸收性、微波敏感性的情况下，通过微波的照射而能够高效地加热固体催化剂，从而能够促进固体催化剂附近的化学反应。这样，通过促进反应器13内部的化学反应，能够更高效地得到生成物。
[0084]此外，虽然在本实施方式中对具备混合原料和催化剂的混合部12的情况进行了说明，但是也可以不具备混合部12。例如，在使用事先混合好的原料和催化剂的情况、在反应器13中也进行混合的情况、在反应器13内流动的固体催化剂滞留于反应器13内的情况、或者取代在反应器13内流动的固体催化剂而使用固定床的固体催化剂等的情况下，化学反应装置I可以不具备混合部12。此外，使用固定床的固体催化剂的情况下，通常，该固定床的固体催化剂存在于反应器13内部。例如，该固体床的固体催化剂可以粘着在反应器13的内壁，或者，也可以通过在反应器13内部将固体催化剂填充成催化剂填充层、柱(column)等的方式来对该固体催化剂进行固定。例如，该固体催化剂的形状可以是无定型的粒状、圆柱状(可以是中空，也可以是非中空)、球状、丸状、环状、壳状、蜂窝状、发泡体状、纤维状、布状、板状或其他形状。
[0085]另外，在本实施方式中，虽然对通过由隔板分隔反应器13内部从而构成多个室31?34的情况进行了说明，但是也可以不这样设置。如图5所示，反应器13可以由相互连通的多个独立的室构成。图5所示的结构的情况下，优选在各室分别照射微波。此外，如前所述，可以在每个室都设置搅拌单元23、温度测定部25。
[0086]另外，在本实施方式中，虽然对反应器13如图2所示那样具有以串联方式相连的4个室31?34的情况、以及如图5所示那样具有以串联方式相连的3个室的情况进行了说明，但是该室的个数任意。通常，室的数量越多，越能够有效地防止原料未发生反应而直接从反应器13的流入孔流向流出孔的现象。另外，各室的容积不随着该室数量的增减而发生变化的情况下，室的数量越多，反应器13的内容物自流入反应器13起直至流出为止的滞留时间越长，反之，室的数量越少，该滞留时间越短。因此，在该情况下，能够调整该室的个数以使滞留时间符合期望。
[0087]另外，在本实施方式中，虽然对反应器13分为多部分的情况、即通过隔板21分隔为多个室31?34的情况进行了说明，但也可以不这样设置。反应器13可以不分为多部分而只具有一个室。
[0088]另外，虽然在本实施方式中对具备多个微波发生器14的情况进行了说明，但是也可以不这样设置。例如，如图6所示，也可以通过具有分支的波导管15将微波发生器14所产生的微波输送到多个场所。多个场所例如可以是多个室。此外，虽然图6中示出了化学反应装置I只具有一个微波发生器14的情况，但是在化学反应装置I具有两个以上微波发生器14的情况下，也可以通过具有分支的波导管15而将该多个微波发生器14中的任意微波发生器所产生的微波输送到多个场所。这种设置即使在如图5所示的各室互相独立的情况下也同样适用。例如，将微波发生器14所产生的微波输送到多个室的情况下,微波控制部16可以利用该微波发生器14所产生的微波被送达的各室的温度中的任一温度或者全部温度，对该微波发生器14的输出功率进行控制。例如，微波控制器16可以使用各室的温度的平均值进行控制，也可以使用各室的温度的最高值或最低值进行控制。
[0089]另外，虽然在本实施方式中对化学反应装置I具备温度测定部25和微波控制部16的情况进行了说明，但也可以不这样设置。例如，通过将微波的输出功率设定为预设值从而能够将反应器13的内部温度维持在期望的温度或实现期望的温度幅度的情况下，也可以不利用温度来进行微波输出功率的控制。
[0090]另外，虽然在本实施方式中对反应器13的后部具备催化剂分离部17的情况进行了说明，但也可以不这样设置。例如在借助其他装置分离催化剂的情况、在反应器13内流动的固体催化剂滞留于反应器13内的情况、取代在反应器13内流动的固体催化剂而使用固体床的固体催化剂的情况、在反应器13的化学反应中不使用催化剂等的情况下，在基于本实施方式的化学反应装置I中可以不进行催化剂的分离，此时便可以不具备催化剂分离部17。
[0091]另外，虽然在本实施方式中对将原料和催化剂混合之后再将它们投入反应器13的情况进行了说明，但是也可以不这样设置。例如，可以仅将原料投入反应器13。另外，不混合原料和催化剂的情况下，可以仅使原料在反应器13内部流动。即，反应器13的内容物例如可以是多种原料的混合物。另外，即使在不混合原料和催化剂的情况下，例如当在反应器13内流动的固体催化剂滞留于反应器13内时，也可以使原料和催化剂在反应器13内部流动。另外，不混合原料和催化剂的情况下，混合部12例如可以混合原料、或者混合原料(基质)和催化剂。另外，无需对该原料等进行混合的情况下，如前所述，化学反应装置I可以不具备混合部12。
[0092]另外，虽然在本实施方式中对具备用于搅拌反应器13内的原料的一个以上的搅拌单元23的情况进行了说明，但是也可以不这样设置。例如，在反应器13构成为能够容易地对原料整体照射微波的情况下(例如，反应器13的内径较小的情况等)，可以不设置搅拌单元23。
[0093]另外，虽然在本实施方式中对化学反应装置I具备处理液贮存槽18的情况进行了说明，但是也可以不这样设置。例如，对于从化学反应装置I输出的生成物和副生成物的混合物，可以在其他装置中进行生成物的提取等。
[0094]另外，在本实施方式中，化学反应装置I可以具备两个以上的微波发生器14，该两个以上的微波发生器14可以产生两种以上频率的微波。S卩，可以对反应器13的内容物照射两种以上频率的微波。该情况下，可以在相同位置照射两种以上频率的微波，也可以在不同的位置分别照射两种以上频率的微波。例如，如图7A所示，可以在反应器13的相同位置、即反应器13的中游区域照射由微波发生器14a、14b分别产生的频率为X、Y的微波。此夕卜，频率为X、Y的微波分别经波导管15a、15b而输送到反应器13。另外，例如，如图7B所示，可以在从反应器13的上游侧到中游的区域照射由微波发生器14a、14b、14c产生的频率为X的微波，并且在反应器13的下游侧照射由微波发生器14d产生的频率为Y的微波。此夕卜，频率为X的微波分别经由波导管15a、15b、15c而输送到反应器13。另外，频率为Y的微波经由波导管15d而输送到反应器13。在此，图7A、7B分别是从上方观察反应器13的图，图中的箭头表示反应器13内的内容物的流动。此外，照射两种以上频率的微波的情况下，该微波的个数可以是两个，或者也可以是三个。该两种以上的频率只要是选自300MHz到300GHz的范围，可以是任意组合。例如照射两个频率的微波的情况下，该频率的组合可以是 2.45GHz 和 5.8GHz、2.45GHz 和 24GHz、2.45GHz 和 913MHz、5.8GHz 和 24GHz、5.8GHz 和913MHz,24GHz和913MHz。另外，照射两种以上频率的微波的情况下，照射这些微波的时刻任意。例如，可以同时照射两种以上频率的微波，或者也可以在不同时间内照射不同频率的微波。例如，后者的情况下，可以在某一时间段照射频率为X的微波，在下一个时间段照射频率为Y的微波。此外，照射两种以上频率的微波的情况下，即便对于通过一个频率的微波照射无法使微波对其发挥作用(例如、加热等)的对象，也能够使微波对其发挥作用，从而能够使微波对更广泛的物质发挥作用。
[0095]另外，对于上述实施方式中的各结构单元在处理中所使用的阈值、数学式、地址等信息而言，即便是在上述说明中未明确记载的情况下，也可以在未图示的存储介质中暂时或长期保存这些信息。另外，基于该未图示的存储介质的信息的存储，可以由各结构单元或未图示的存储部进行。另外，从该未图示的存储介质对信息的读取，可以由各结构单元或未图示的读取部进行。
[0096]另外，对于在上述实施方式中的各结构单元等所使用的信息、例如各结构单元在处理中所使用的阈值、地址、各种设定值等信息而言，在可以由用户进行变更的情况下，即使在上述说明中未明确记载，用户也可以对上述这些信息进行适当变更，或者也可以不对这些信息进行变更。用户能够对上述这些信息进行变更的情况下，例如，可以借助接受来自用户的变更指示的未图示的接受部、以及根据该变更指示而变更信息的未图示的变更部来实现该变更。基于该未图示的接受部的变更指示的接受，例如可以从输入装置接受，可以接受借助通信线路而送达的信息，也可以接受从规定的存储介质中读取的信息。
[0097]另外，在上述实施方式中，各结构单元可以由专用的硬件构成，或者，对于能够由软件实现的结构单元而言，可以通过执行程序来实现。例如，CPU等程序执行部读取并执行存储在硬件、半导体存储器等存储介质中的软件、程序，由此能够实现各结构单元。
[0098]另外，本发明不限定于以上的实施方式，能够进行各种变更，当然，这些变更也包含在本发明的范围内。
[0099]产业上的利用可能性
[0100]通过以上说明可知，根据基于本发明的化学反应装置等，能够得到对原料等有效地照射微波的效果，例如能够将基于本发明的化学反应装置等用作(进行需要加热的化学反应的)化学反应装置等。
【权利要求】
1.一种化学反应装置，具备: 平流式反应器，内容物以在上方具有未填充空间的状态沿水平方向流动； 微波发生器，用于产生微波；以及 一个以上的波导管，将所述微波发生器产生的微波输送到所述反应器的未填充空间。
2.根据权利要求1所述的化学反应装置，其中， 进一步具备用于搅拌所述反应器内的内容物的一个以上的搅拌单元。
3.根据权利要求2所述的化学反应装置，其中， 所述搅拌单元利用旋转搅拌、鼓泡搅拌、超声波搅拌中的任意一种以上的方法来进行搅拌。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的化学反应装置，其中， 所述反应器用于使原料和固体催化剂流动， 并且进一步具备催化剂分离部，用于从所述反应器中的反应后的生成物分离固体催化剂。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的化学反应装置，其中， 进一步具备混合部，使原料和固体催化剂混合， 由所述混合部混合后的原料和固体催化剂被投入到所述反应器的上游侧。
6.根据权利要求4或5所述的化学反应装置，其中， 所述固体催化剂具有微波吸收性或微波敏感性。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的化学反应装置，其中， 所述反应器具有以串联方式相连的多个室。
8.根据权利要求7所述的化学反应装置，其中， 所述反应器具有多个将内部分隔成多个室的隔板， 所述各隔板上存在供内容物从上游侧向下游侧流动的流路。
9.根据权利要求8所述的化学反应装置，其中， 所述流路是内容物在所述各隔板的上方溢流的流路，或者是内容物在所述各隔板的间隙流动的流路。
10.根据权利要求8或9所述的化学反应装置，其特征在于， 所述各隔板具有微波透过性。
11.根据权利要求8至10中的任一项所述的化学反应装置，其中， 所述各波导管设置在所述隔板的位置。
12.根据权利要求7至11中的任一项所述的化学反应装置，其中，进一步具备: 多个温度测定部，对所述反应器的各个室测定内部温度；以及 微波控制部，根据所述各温度测定部测定的温度来控制对各室照射的微波的输出功率。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的化学反应装置，其中， 具备两个以上的所述微波发生器， 该两个以上的微波发生器产生两种以上频率的微波。
14.一种化学反应方法，在内容物以在上方具有未填充空间的状态沿水平方向流动的平流式反应器中，一边对所述未填充空间照射微波，一边使内容物从所述反应器的上游侧向下游侧移动并进行反应。
15.根据权利要求14所述的化学反应方法，其中， 所述反应器具有以串联方式相连的多个室， 使内容物从上游侧的室向下游侧的室移动并进行反应。
【文档编号】H05B6/64GK103747866SQ201180071600
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2011年6月29日 优先权日:2011年6月29日
【发明者】石塚章斤, 吉野巌, 百田邦尧 申请人:微波化学有限公司