授業の目的 【日本語】
Goals of the Course(JPN) | | ２０５０年カーボンニュートラルに向けて、燃料利用や水素キャリヤのためのアンモニアや、二酸化炭素を原料とする合成燃料、化学原料製造などの重要性が高まる。
炭素集約度をできるだけゼロに近づけた合成燃料や化学原料の製造は、回収した二酸化炭素や再生可能エネルギーによって製造された水素を含む気体を原料として、固体触媒を搭載した気固系触媒反応器によって実現される。
これらのカーボンニュートラル型の燃料や基幹化学製品を工業スケールで大量生産するためには、反応速度や反応熱という化学反応固有の特性や、伝熱や流動などの微視的から巨視的なものに渡る現象の理解に基づく反応器の設計が必要となる。
本講義では、前半において、触媒の概念や触媒設計指針の基礎について学ぶ。後半において、反応工学を基礎として、工業規模の連続気固系触媒反応器の特徴や設計方法を学ぶ。演習を行うことで、実践力も養う。
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授業の目的 【英語】
Goals of the Course | | | In order to produce chemical products using chemical reaction at an industrial scale, catalysts and chemical reactors should be suitably designed considering reaction kinetics, properties of product, and the production scale. This lecture treats the character of solid catalysts and reactors including batch-type reactor and plug-flow reactor, their design rule, and the difference of various industrial reactor. Practices will be done during lecture. |
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到達目標 【日本語】
Objectives of the Course(JPN)) | | １． 触媒の概念や種類を説明できる。
２． 気固触媒反応の反応速度式を導出できる。
３． 固体触媒の設計指針を理解し、代表的な反応で有望な元素を選択できる。
４． 各種反応器を用いて連続操作を行う際の生成物を予測できる。
５． 各種反応器の収率計算より最適操作方法を設計できる。
６． 反応器の反応試験データから実機を設計できる。
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到達目標 【英語】
Objectives of the Course | | 1. Students will be able to explain concepts and kinds of catalysts.
2. Students will be able to derive the rate equations for heterogeneous catalytic reactions.
3. Students will be able to understand design principles of solid catalysts and select promising elements for typical reactions.
4. Students will be able to predict the products from the continuous operation of various reactors.
5. Students will be able to design the optimum operation conditions from the yield calculation of various reactors.
6. Students will be able to design the reactor at industrial scale based on experimental data.
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バックグラウンドとなる科目【日本語】
Prerequisite Subjects | | |
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バックグラウンドとなる科目【英語】
Prerequisite Subjects | | | Chemical Reaction Engineering, Physical Chemistry 3, Mathematics I, Mathematics II |
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授業の内容【日本語】
Course Content | | ＜触媒の基礎＞
1. 触媒の作用と触媒反応の素過程
2. 触媒の分類と反応
不均一系触媒、均一系触媒、種々の工業触媒
3. 気固触媒反応での速度式
4. 固体触媒設計の基礎
アンモニア合成、C1ケミストリー
5. 固体触媒の調製法と物性評価
沈殿法、含浸法など
＜気固系触媒反応器の設計＞
0．カーボンニュートラルに向けた合成燃料や化学原料の製造
【課題１】 アンモニア合成プロセスの収支、炭素集約度
気固系触媒反応器の設計
１．固定層触媒反応器の進化
反応器の種類、実用化例、進化につながった技術革新、反応器設計における原則
【課題２】 工業規模での実施例について調査
２．反応速度の評価 メタネーションを例に
反応速度評価装置、速度評価上の留意点、測定結果の例、反応速度モデル、パラメーター決定
【課題３】 多段断熱反応器の理想操作線
３．反応器シミュレーション
固定層の特性、一次元モデル、触媒有効係数、一次元反応器シミュレーション、CFDによる３次元反応器シミュレーション
【課題４】 断熱及び等温型メタネーション反応器の一次元シミュレーション
４．メタノール合成プロセスの設計
プロセス設計の流れ、歴史的変遷、メタノール合成反応（熱力学、反応機構、反応速度）
プロセスの概念設計、合成反応器の設計、熱収支
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授業の内容【英語】
Course Content | |
1. Concept of catalysis and elementary steps of catalytic reactions
2. Kinds of catalysts and reactions
Heterogeneous and homogeneous catalysts, various industrial catalysts
3. Rate equations for gas-solid catalytic reactions
4. Fundamentals of solid catalyst design
Ammonia synthesis, C1 chemistry
5. Preparation and characterization of solid catalysts
Precipitation, impregnation method, etc.
＜Design of Gas-Solid Catalytic Reactors＞
0. Production of Synthetic Fuels and Chemical Feedstocks for Carbon Neutrality
[Issue 1] Energy Balance and Carbon Intensity of the Ammonia Synthesis Process
Design of Gas-Solid Catalytic Reactors
1. Evolution of Fixed-Bed Catalytic Reactors
Types of reactors, examples of industrial applications, technological innovations leading to advancements, principles of reactor design
[Issue 2] Investigation of Industrial-Scale Implementations
2. Evaluation of Reaction Rate Using Methanation as an Example
Reaction rate evaluation apparatus, key considerations in rate evaluation, examples of measurement results, reaction rate models, parameter determination
[Issue 3] Ideal Operating Line for Multi-Stage Adiabatic Reactors
3. Reactor Simulation
Characteristics of fixed beds, one-dimensional models, catalyst effectiveness factor, one-dimensional reactor simulation, three-dimensional reactor simulation using CFD
[Issue 4] One-Dimensional Simulation of Adiabatic and Isothermal Methanation Reactors
4. Design of Methanol Synthesis Process
Process design flow, historical development, methanol synthesis reactions (thermodynamics, reaction mechanism, reaction kinetics), conceptual process design, synthesis reactor design, heat balance |
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成績評価の方法と基準【日本語】
Course Evaluation Method and Criteria | | | 達成目標に対しての修得度を提出課題、中間試験および期末試験にて評価する。固体触媒の基礎、反応器の種類・反応器の操作について基本的な問題を正確に扱うことができれば合格とし、より難易度の高い問題を扱うことができればそれに応じて成績に反映させる。 |
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成績評価の方法と基準【英語】
Course Evaluation Method and Criteria | | | Grade assessment will be performed based on midterm exam, final exam, and quizzes about the kinds of reactors and the operation of reactors. Student will earn a credit if they understand and treat principle knowledges and grade will be determined by the degree of understanding. |
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履修条件・注意事項【日本語】
Course Prerequisites / Notes | | | 履修条件は要さない。本科目では、TACTを用いた連絡を行うので、随時参照すること。 |
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履修条件・注意事項【英語】
Course Prerequisites / Notes | | | No requirements for taking this course. This class uses TACT system as a learning management system. |
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教科書【日本語】
Textbook | | |
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教科書【英語】
Textbook | | | Will be introduced in the class. |
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参考書【日本語】
Reference Book | | |
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参考書【英語】
Reference Book | | Will be introduced in the class.
"Chemical Reaction Operation" ed. by Shigeo Goto, Asakura Publishing Co., Ltd. (in Japanese) |
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授業時間外学習の指示【日本語】
Self-directed Learning Outside Course Hours | | |
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授業時間外学習の指示【英語】
Self-directed Learning Outside Course Hours | | | Students are expected to review the contents of the class before the next class. |
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使用言語【英語】
Language used | | |
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使用言語【日本語】
Language used | | |
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授業開講形態等【日本語】
Lecture format, etc. | | |
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授業開講形態等【英語】
Lecture format, etc. | | | Face-to-face classes will primarily be held. |
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遠隔授業（オンデマンド型）で行う場合の追加措置【日本語】
Additional measures for remote class (on-demand class) | | |
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遠隔授業（オンデマンド型）で行う場合の追加措置【英語】
Additional measures for remote class (on-demand class) | | |
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