JP2004504939A - 高温での気体媒質中の反応を実行するための触媒装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、例えばＨＣＮ合成またはアンモニア酸化のような、高温での気体媒質中の反応を実行するための触媒装置であり、以下を含む触媒装置に関する：組織状（ｔｅｘｔｕｒｅｄ）材料（１）が、支持体（２）の部分（３）の波形面（６）に対して保持されかつその形状に沿うように配置されている、反応の触媒として有効である、少なくとも１個の組織状材料（１）；ならびにその構造が気体の通過を可能にしている、少なくとも１個のセラミック部分（３）を含む支持体（２）であり、波形により作成された、平坦表面に対する表面積の増加（β）が、鋸歯波形について算出された表面積の増加（α）と少なくとも等しく、かつ約１．１〜約３の間であるように、支持体（２）の部分（３）が波形面（６）を有する支持体。

Description

【０００１】
本発明は、例えばアンモニア酸化およびＨＣＮ合成のような、高温での気体媒質中の触媒反応に関する。本発明の特定の主題は、この種の反応において使用することができる改善された触媒装置、およびそれを含む反応器である。
【０００２】
アンモニア酸化は、硝酸の生成において広く使用されている。オストワルト法として公知であるこの方法は、典型的には５容量％〜１５容量％、特に１０容量％〜１２容量％の空気を含有する予め加熱したアンモニア／空気混合物を、（常温常圧条件下で測定された）高い線速度で、反応器の断面にわたる触媒装置を通過させる段階を含む。
【０００３】
発熱反応に必要な熱が、酸素または、例えば空気などの酸素含有気体との、触媒存在下での同時燃焼反応により提供される、アンモニアおよび気体炭化水素からのシアン化水素（ＨＣＮ）の単一操作における合成は、非常に長年公知の操作である（米国特許第１，９３４，８３８号）。これはアンドルソフ（Ａｎｄｒｕｓｓｏｗ）法としても公知である。
【０００４】
これら２種類の反応は、白金族由来の、一般には織られた（ｗｏｖｅｎ）平坦な細目金網の形状の触媒を使用する。これらの触媒の見かけの作業断面は、反応器の大きさにより制限される。
【０００５】
これらの反応器の生産性を増大させるために、触媒細目金網の数を増加させることができる。しかし一定の厚さを超えると、その結果生じた圧力低下が、反応器の流れの増大を妨害し、かつより良い転換収率の効果を無効にする。加えて、厚さの増加は、副反応を促進し得る。従って、当技術分野の現状における生産の増加の難点とは、以下に帰する：
−圧力低下；
−触媒の活性部位の数（接触表面積）；および
−触媒と反応器との接触時間。
【０００６】
触媒の有効表面積を増大させる目的で、米国特許第５，１６０，７２２号および米国特許第５，３５６，６０３号により、横断波形を有する触媒細目金網の使用が提供されている。こうしてこの表面積は増大されるが、これらの波形は振幅（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）が小さい。更にこの集合体の保形性は、８００℃未満の温度についてのみ真に可能である。これを超えると、金属の力学的特性が不十分になり、圧力低下の増大から、折り目または波形がたわみを生じる傾向がある。従って、このような装置の寿命は非常に短く、そのため工業的操作には不適である。
【０００７】
欧州特許出願第９３１，５８５号は、その部分に関し、回転バーナーが軸の周りを回転しながら波形を辿るように、放射線状に波形となった円盤または円錐の形状の、触媒細目金網の使用を開示している。しかし、前述の問題点は依然解決されていない。
【０００８】
従って、本発明の目的は、より大きい幾何学的表面積を有しかつ圧力低下または副反応を実質的に増大することなく反応条件に耐える触媒を備える、触媒装置を提供することである。
【０００９】
本発明は、例えばＨＣＮ合成またはアンモニア酸化のような、高温での気体媒質中の反応を実行するための触媒装置であり、以下を含む触媒装置に関する：
組織状材料（１）が、支持体（２）の部分（３）の波形面（６）に対して保持されかつその形状に沿うように配置されている、
・反応の触媒として有効である、少なくとも１個の組織状材料；ならびに
・その構造が気体の通過を可能にしている、少なくとも１個のセラミック部分を含む支持体であり、波形により作成された、平坦表面に対する表面積の増加（β）が、鋸歯波形について算出された表面積の増加（α）と少なくとも等しく、かつ約１．１〜約３の間であるように、支持体の部分が波形面を有する支持体。
【００１０】
組織状材料を支持体の部分の波形面に対して保持することを可能にする手段は、有利なことに、その構造が気体の通過を可能にするセラミック支持体の第二の部分で構成されており、
第二の部分が、支持体の第一の部分の波形面と実質的に相同的かつ相補的である波形面を有し、かつ
第一の部分および第二の部分の波形面が対面して組織状材料が該波形面の間に挿入されそれらの形状に沿うように、第二の部分が配置されている。したがって、有利なことに、このように形成された触媒装置の全体にわたり圧力低下は実質的に均一である。
【００１１】
当業者に公知である従来のその他の手段を用いて、組織状材料を、支持体の第一の部分の波形面に対して保持することができる。
【００１２】
「組織状材料」という用語は、本発明の意味においては、気体の通過を可能にする、線状および／または螺旋状の構成部分である、細片または針金の任意の集合体（ａｓｓｅｍｂｌａｇｅ）を意味すると理解される。この集合体は、例えば、細目金網、織布、編布、またはフェルト型であり、かつ製織、編組、縫製、刺繍などの様々な技術により得ることができる。細目金網が有利である。
【００１３】
「実質的に相同的かつ相補的な形状である２つの波形面」という用語は、本発明の意味においては、これらの２つの面が対面した場合に波形が相補的であるように構成された、類似した大きさおよび形状の波形、すなわち実質的に同一の表面積の増加βを有する波形を示している２つの面の任意の組合せを意味すると理解される。
【００１４】
本発明のその他の主題および利点は、以下の詳細な説明から、および添付の例示的図面を参照することにより、当業者に明らかになると考えられる。
【００１５】
本発明の支持体（２）はセラミックから製造され、その構造は、気体の通過を可能にする。これらのセラミックの例は、セラミック気泡またはセラミック複合体であるが、これらに限定されるわけではない。支持体（２）はハニカム構造を有することができる。「セラミック」という用語は、本発明の意味においては、有利なことに、特に蒸気を含む反応媒体中で生じる温度に、触媒白金細目金網が耐えることが可能である、任意の耐熱性材料を意味すると理解される。アンドルソフ法によるＨＣＮ合成における適用の場合、この温度は１２００℃に達し得る。従って適切な材料は、アルミナを主成分とし、かつシリカ（１０質量％〜６０質量％）並びにマグネシウム、ジルコニウム、チタンおよびセリウムの酸化物（これらの構成成分それぞれについて１質量％〜２０質量％）を可変的な割合で含むことができる。これらの材料は、１種または複数の下記の化合物を含むことができるが、これらに限定されるわけではない：二酸化ケイ素（シリカ、ＳｉＯ_２）、炭化ケイ素ＳｉＣ、窒化ケイ素Ｓｉ_３Ｎ_４、ホウ化ケイ素、ホウ窒化ケイ素、酸化アルミニウム（アルミナ， Ａｌ_２Ｏ_３）、アルミノケイ酸塩（３Ａｌ_２Ｏ_３−２ＳｉＯ_２）、アルミノボロシリケート、炭素繊維、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）およびコーディエライト（ＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２）。
【００１６】
以下のような特徴を有する、ステットナー（Ｓｔｅｔｔｎｅｒ）社のセラミックであるＳｔｅｔｔａ（登録商標）Ｇ２９が有利に使用されると考えられる。

【００１７】
支持体（２）の形成のために使用されるこれらの材料は一般に、使用前に、成形、押出、凝集などの公知の技術に従い形成される。その後の操作条件に適合した力学特性を獲得するように、これらは引き続き高温（＞１３００℃）で焼成される。これらの操作の組み合わせは、それらに、例えば三方向に連絡したセル（気泡）の形状または円形もしくは多角形（正方形、長方形、六角形など）の断面を有するハニカムの形状で存在することができる、気体の通過を可能にする構造を与えるものでなければならない。
【００１８】
触媒として有効である組織状材料（１）は特に、白金族の触媒金属であり、白金、ロジウム、イリジウム、パラジウム、オスミウム、ルテニウムまたはこれらの金属の２種以上の混合物もしくは合金から調製されうる。白金または白金／ロジウム合金が有利である。あるいは、この触媒は、本明細書で前述したような白金族由来の触媒並びに、セリウム、コバルト、マンガン、マグネシウムおよびセラミックを含むがこれらに限定されるわけではない、少なくとも１つのどの他の材料で構成された混合物である。
【００１９】
支持体の面（６）および（７）の波形は、任意の形状、特に鋸歯波形であることができる。
【００２０】
鋸歯波形は、各波（ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ）の高さ「ｈ」およびふたつの波の間の距離「ｄ」によって定義されると考えられる。従ってこの種類の波形により形成された表面積の増加αを、これらの２種のパラメータから、下記式により算出することができる（図２）。
【数１】

【００２１】
本発明における任意の種類の波形により作成された表面積の増加（β）は、少なくとも（α）と等しいと考えられ、約１．１〜約３の範囲内で選択されると考えられる。これは、α＝１．１が、表面積の１０％の増加に相当するからである。この値以下では、この波形の利点ががあまり明らかでない。β＝３を上回ると、このような装置の使用は困難になる。本発明による鋸歯波形は、有利なことに、ｄ＝２ｈである二等辺三角形のプロフィールを有し、これにより約１．４０のα比がもたらされ、従って約４０％の表面積の増加がもたらされる。
【００２２】
本発明はまた、その断面にわたる、本発明による触媒装置を備えることを特徴とする、ほぼ円形の断面を有する気体媒質中の高温での発熱反応のための反応器にも関する。
【００２３】
また、本発明の触媒装置または反応器を使用することを特徴とする、アンモニア酸化またはＨＣＮ合成のような、高温での気体媒質中の反応法にも関する。
【００２４】
本発明の特定の態様において、本発明による方法はＨＣＮ合成であり、これは、反応後に少なくとも５容量％のＨＣＮを含有する気体流れを得るために、炭化水素、有利なことにメタン、アンモニアおよび酸素を含有する気体混合物を、８００℃〜１４００℃の高温で、本発明による触媒装置を通過させる段階を含む。
【００２５】
本発明によるＨＣＮ合成法において使用される炭化水素は、置換もしくは未置換の、かつ脂肪族、環状もしくは芳香族の炭化水素、またはそれらの混合物であることができる。これらの炭化水素の例は、メタン、エチレン、エタン、プロピレン、プロパン、ブタン、メタノールおよびトルエンを含むが、これらに限定されるわけではない。有利な炭化水素はメタンである。
【００２６】
本発明はまた、組織状材料（１）が、支持体（２）の部分（３）の波形面（６）に対して、それらの形状に沿うために圧延され、およびそれが固定手段の助けを借りてその場に保持されることを特徴とする、本発明による触媒装置を製造するための方法に関する。
【００２７】
この固定手段は有利なことに機械的であって、支持体（２）の第二の部分（４）から構成されており、その波形面（７）は、支持体（２）の部分（３）の波形面（６）に対して配置された材料（１）の反対側の面を覆っている。
【００２８】
更により有利なことに、このようにして形成された組合せは、反応器の断面において実質的に均一である、わずかな圧力低下を生じる。
【００２９】
本発明による装置の具体的な概略例（図１）は、以下から構成される：
−波形細目金網（１）の組合せ；ならびに
−各々が波形面（６）および（７）を有する２つの部分（３）および（４）における波形セラミック支持体（２）。
【００３０】
細目金網（１）は、支持体（２）の部分（３）および（４）の２つの面（６）および（７）の間に配置されている。
【００３１】
支持体（２）の部分（３）および（４）は、円形または多角形（正方形、長方形、六角形など）の断面をもつハニカム構造を有するセラミックから製造されている。
【００３２】
本発明による触媒装置調製の実施例
本発明による支持体（２）は、焼成前（成形段階中）または焼成後のいずれかにおいて、三角形断面を有する角柱（ｐｒｉｓｍ）と共に集合して密着することにより、波形の形状となることができる。
【００３３】
触媒装填材料（ｃｈａｒｇｅ）を構成する白金細目金網（１）の組合せが、引き続き波形支持体（２）の２つの層（３）および（４）の間に挿入される。この位置決め操作は、支持体の部分（３）の波形に適用される楕円形の細目金網（１）の組合せを、支持体（２）の波形部分（３）へ圧延することにより実行され、支持体は、円形の断面を持つ反応器の基部を構成する中空の煉瓦（１１）上に予め配置されている。楕円形細目金網の幅は、反応器の内径に相当している。長さは、予め定められた係数βを掛けた幅値と等しい。波形材料の上層（４）は、細目金網（１）の機械的固定を可能にする一方で、露出された表面全体の組合せに均一な圧力低下を与える。遮熱材（ｈｅａｔ ｓｈｉｅｌｄ）（１０）が、このようにして形成された触媒装置上にその後付着される。これは、反応および全ての活性化エネルギーを細目金網（１）表面に最も近い地点に制限することを可能にする。中空の煉瓦（１１）は、それら自身が、耐火セメント（１３）で構成されている反応器のボイラー管（１２）上に配置されている。
【００３４】
性能
本発明による触媒装置の使用は、同一の反応器に関して、触媒と反応器の間の接触用の表面積を増大することを可能にする。これは、反応器の同一の全処理量に関して、生産性の改善および最小かつ実質的に一定の圧力低下をもたらす。このような装置は反応条件に耐え、特に機械的変形を受けないので、それにより、より長期にわたる生産行動（ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｃａｍｐａｉｇｎ）がますます可能になる。
【００３５】
以下の表により、本発明による触媒装置と、先行技術の代表的システムとの性能の比較が可能となる。

【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の触媒装置の具体的概略例を表す。
【図２】鋸歯波形により作成された表面積の増加（α）の計算を可能にするパラメータを表す。

Claims (14)

1. 例えばＨＣＮ合成またはアンモニア酸化のような、高温での気体媒質中の反応を実行するための触媒装置であり、以下を含む触媒装置：
   組織状（ｔｅｘｔｕｒｅｄ）材料（１）が、支持体（２）の部分（３）の波形面（６）に対して保持されかつその形状に沿うように配置されている、
   ・反応の触媒として有効である、少なくとも１個の組織状材料（１）；ならびに
   ・その構造が気体の通過を可能にしている、少なくとも１個のセラミック部分（３）を含む支持体（２）であり、波形により作成された、平坦表面に対する表面積の増加（β）が、鋸歯波形について算出された表面積の増加（α）と少なくとも等しく、かつ約１．１〜約３の間であるように、支持体（２）の部分（３）が波形面（６）を有する支持体。
2. 以下を特徴とする、請求項１記載の触媒装置：
   材料（１）を支持体（２）の部分（３）の波形面（６）に対して保持することを可能にする手段が、その構造が気体の通過を可能にするセラミック支持体（２）の第二の部分（４）で構成され、部分（４）が、部分（３）の波形面（６）と実質的に相同的かつ相補的である波形面（７）を有し、かつ波形面（６）および（７）が対面して材料（１）が面（６）および（７）の間に挿入されそれらの形状に沿うように、部分（４）が配置され、したがって有利なことにこのように形成された触媒装置の全体にわたり圧力低下が実質的に均一である。
3. 支持体（２）がハニカム構造を有することを特徴とする、請求項１または２記載の触媒装置。
4. 表面積の増加β＝表面積の増加αであるように波形が鋸歯波形であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項記載の触媒装置。
5. 表面積の増加βが約１．４であることを特徴とする、請求項４記載の触媒装置。
6. 材料（１）が細目金網（ｇａｕｚｅ）であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項記載の触媒装置。
7. 触媒装置の断面にわたる請求項１から６のいずれか一項記載の触媒装置を含むことを特徴とする、ほぼ円形の断面を有する気体媒質中の高温での発熱反応のための反応器（ｒｅａｃｔｏｒ）。
8. 発熱反応がＨＣＮ合成であることを特徴とする、請求項７記載の反応器。
9. 装置が、反応器の基部を構成している中空の煉瓦（ｂｒｉｃｋ）（１１）上に配置され、かつ遮熱材により被覆されていることを特徴とする、請求項８記載の反応器。
10. 請求項１から６のいずれか一項記載の触媒装置または請求項７から９のいずれか一項記載の反応器が使用される、高温での気体媒質中の反応法。
11. ＨＣＮ合成であることを特徴とする、請求項１０記載の方法。
12. 反応後、少なくとも５容量％のＨＣＮを含有する気体流れを得るために、炭化水素、有利なことにメタン、アンモニアおよび酸素を含有する気体混合物を、８００℃から１４００℃の間の温度で、請求項１から６のいずれか一項記載の触媒装置を通過させる段階を含むことを特徴とする、請求項１１記載の方法。
13. 波形支持体（２）の部分（３）の表面（６）の形状に沿っており、かつ固定手段の助けを借りてその場に保持されるように、組織状材料（１）が、それらに対して圧延されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項記載の触媒装置の調製法。
14. 固定手段が、機械的であり、かつ支持体（２）の部分（４）で構成され、その表面（７）は、支持体（２）の部分（３）の表面（６）に対して配置された材料（１）の反対表面を覆っている、請求項１３記載の方法。

Images