JP2004525751A

JP2004525751A - モノリスループ型反応器

Info

Publication number: JP2004525751A
Application number: JP2002552669A
Authority: JP
Inventors: エルボーゲル，トルステン
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2004-08-26
Also published as: EP1355732A4; EP1355732A1; US6790417B2; WO2002051534A1; US20020081254A1

Abstract

固定触媒の利点を持つ改良された再循環タンク型反応器（１０）は、隣接したバイパス通路（２０）を提供するような様式でタンク内に配置されたモノリスハニカム触媒（１２）を備える。内部流動活性化手段（２４）が、タンク内の液体反応体（ａ）が触媒ハニカム基体（１２）中の通路（１８）を通り、バイパス通路（２０）を通って基体の周りを流動するような様式で液体反応体を再循環させるために設けられている。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒反応器および化学工業において溶液や混合物を処理するために用いられる他の物質またはエネルギー移動装置についての設計改良に関し、具体的には、必須の触媒担持構造体または流動調節構造体としてハニカムモノリスを備えた再循環式反応器すなわちいわゆるループ型反応器の新たな設計を含む。
【背景技術】
【０００２】
化学工業においては、溶液や混合物を含む化学混合物を化学的または物理的に処理するための様々な再循環タンクまたはバッチ式反応器、例えば、撹拌タンク型、気泡塔型、およびジェットループ型の反応器を含む特定のタイプの反応器を用いている。上述したタイプと従来技術の多くの反応器では、生成物を生成するために、撹拌子や撹拌機によって、または気流または液流による推進力の付与によって、１つ以上の反応体を有してなる液体媒体内に分散されている固体触媒微粒または粒子を用いている。生成物を生成するのに気体が必要とされる場合、その気体は通常、撹拌機の下から反応器中に供給され、したがって、撹拌機は、反応器中で形成されるかもしれない大きな気泡を再分散させるように機能するであろう。
【０００３】
そのような撹拌タンク型、気泡塔型、およびジェットループ型の各反応器は連続式製造とバッチ式製造の両方に使用できるが、触媒粒子は、連続して摩擦を経験し、最終的な液体生成物を得るために、液体反応体から分離しなければならない。触媒粒子を分離する必要があるので、追加の装置および運転工程が必要とされ、したがって、多大な費用が加わってしまう。さらに、撹拌を行っていても、異なる水力学的条件の静止区域がそれでも存在し、触媒粒子が沈降してしまうかもしれない。
【０００４】
また、気体／液体反応器中の気泡サイズは、生じる撹拌状態に強力に影響する。しばしば結合が生じ、これにより、気泡がより大きくなり、気体／液体物質移動効力が減少し、気体、時には液体に関する触媒滞留時間分布が望ましくなくなってしまう。
【０００５】
タンク型反応器中の気体−液体分布を改善するための手法の１つが特許文献１に示されている。この特許において、気体が液体ジェット内に含まれた状態で、反応器の外囲容器内にある大きな循環管中に注入される。次いで、生じた気体／液体混合物が、その管を通って管の周りに再循環される。
【０００６】
触媒ハニカムのような構造を持つ触媒すなわちモノリス触媒により、高い有効係数および優れた物質移動特徴を持つ薄い触媒層を形成できるという利点が得られる。しかしながら、特許文献２に示されているように、従来技術のモノリスの使用には一般に、固定床の連続動作式反応器が含まれる。非特許文献１に示されている、この手法の変更例の１つでは、小さな移動式モノリスを液体反応体用のリザーバに連続的に通して循環させている。
【特許文献１】
米国特許第４２３４６５０号明細書
【特許文献２】
米国特許第４３６３７８７号明細書
【非特許文献１】
Baltzer Science Publishers, August 1999, volume 3 (1999), page 35
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術の構造を持つ触媒反応器の設計のどれも、商業プロセスに用いられている撹拌タンク型、気泡塔型、およびジェットループ型反応器を置き換えるのに十分に実用的かつ経済的な利点を与えていない。したがって、そのような反応器に粒状触媒を使用することに付随する欠点はまだ克服されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記に鑑みて、本発明は、固定触媒を用いて、化学反応体を所望の生成物に転化させるための改良された方法および装置を提供する。特に、本発明は、モノリスハニカム触媒床を、反応体および生成物を有してなる液体をハニカム内に設けられた通路を通してその周りを循環および再循環させるための内部撹拌流動手段と共に用いた、液体媒体（混合物、溶液、または少なくとも１つの液相を有してなる懸濁液）を処理するための改良された再循環式触媒タンク型反応器を提供する。反応体および生成物は、単独の種または混合物を有していてもよく、溶解または分散した気体、液体、または固体として液体媒体中に存在していてもよい。
【０００９】
以後、モノリスループ型反応器と称される、ジェットループ型、撹拌タンク型および気泡塔型の反応器を含むこれらの再循環式反応器は、調節された反応器の挙動、優れた反応速度特性、および高い有効係数のような改善された動作結果を生じる。さらに、これらの改良型反応器には、典型的なスラリー反応器に関連する触媒の取扱いに伴なう問題はない。具体的には、生成物流からの触媒粒子の分離、反応器内の触媒粒子の沈降、および触媒粒子の連続的摩擦に関する問題がなくなる。
【００１０】
本発明のループ型反応器は、触媒材料から形成されたか、またはタンク内に固定して配置された、その表面に適切な触媒が提供された基体を有してなる、少なくとも１つのハニカムモノリス触媒を備える。少なくとも１つのバイパス通路が触媒基体に隣接して設けられ、反応体を有してなる液体媒体をモノリスの触媒作用流動通路を通し、バイパス通路によりモノリス基体の周りに再循環させるために、内部撹拌手段が設けられている。二相（液体−固体触媒）と三相（気体−液体−固体触媒）の化学、生化学および石油化学の各プロセスのための反応器設計が提供される。液体媒体のための内部撹拌機は、機械式、液体ジェット、または気泡の撹拌機を構成してもよい。
【００１１】
本発明の反応器設計は、他の液体処理用途、例えば、２つまたは３つの液相、気相、およびハニカムモノリス上またはその中に分散された固体材料の中での物質またはエネルギー移動を促進するための吸着、吸収、または抽出の各プロセスを含む用途に使用するために適用してもよい。そのような用途にとって有用な液体処理装置としては、ハニカムモノリスが、容器内で上側と下側の採集チャンバの間に位置するように配置されている、適切な液体収容容器を備えている。
【００１２】
これらの用途に関して、ハニカムには触媒または吸着体が提供されていてもいなくてもよいが、いずれにせよ、ハニカムは、上側と下側のチャンバを連結する平行に配置された複数の開放通路を備えている。収容容器内には、上側と下側のチャンバを連結する少なくとも１つのバイパス導管すなわち通路が含まれ、この通路は、容器内の気体および液体をハニカムに通して再循環させるための戻り通路を提供する。かさねて、この再循環を駆動するためのエネルギーは、羽根型撹拌機、気体分散器、液体ジェット、またはジェットループ型の反応器に用いられている種類の液体ジェット／気体イジェクタ装置のような機械式、液体または気泡の撹拌手段により与えてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、図面を参照してさらに理解されるであろう。これらの図面は、図示した構成部材の縮尺や相対的な比率を示すことを意図したものではない。参照番号は、様々な図面における同様のまたは対応する部品を示している。
【００１４】
本発明により提供された様々な独特の反応器構造体は、従来の撹拌タンク型、気泡塔型およびジェットループ型の各反応器に関する上述した問題を克服するのに効果的である。それゆえ、以後、より詳しく説明する反応器の設計の特定の例は、制限というよりもむしろ、本発明を単に説明することを意図するものである。
【００１５】
図１を参照する。液体反応体の供給入口および液体生成物の出口を有するモノリスループタンク型反応器１０が示されている。タンク１０内の液面が１１により示されている。管タイプのバスケット型容器１４内に保持された円筒ハニカムモノリス基体１２が、支持棒すなわちブラケット１６によりタンクの直径の中央に固定して配置されている。基体１２はその中を延在する複数の縦方向流動通路１８を有し、適切な触媒がそのような通路の表面に堆積されている。リング形すなわち環状のバイパス通路２０が、管状容器１４と反応器タンク１０の内壁部分２２との間に延在している。回転棒すなわち回転軸２６に取り付けられた羽根型プロペラまたは撹拌機２４が、モノリス基体１２の触媒作用流動通路１８を通る液体の輸送のため、並びに矢印ａにより示されるようなバイパス通路２０内の液体反応体の再循環のための、内部流動生成機として機能する。
【００１６】
所望であれば、基体１２を有する管状容器１４および撹拌機２４を有する回転棒２６を、反応器１０の取外し可能なカバー部分１５に取り付けてもよい。回転軸２６上の羽根型撹拌機２４は管状容器１４内に機能性のために同心に配置されているが、長い撹拌軸に一般にかかる機械的応力を減少させるために、モノリスの上、したがって、反応器のカバーに近い位置に配置してもよい。反応器の壁を通して熱交換を行うために、熱交換器２８を用いてもよい。あるいは、反応器の内部にあるかまたは熱交換器（図示せず）を通る外部循環ループを有する従来の熱交換器構造体を提供してもよい。
【００１７】
図２のモノリスループ型反応器３０は、環状ハニカムモノリス基体３２が、反応器３０の内壁部分２２に固定して配置されたリング形すなわち環形容器３４内に保持されていることを除いて、図１の反応器１０に多くの点で似ている。中央バイパスすなわち流動通路３６が環状基体の中央に形成されている。回転棒すなわち回転軸２６に取り付けられた羽根型撹拌機２４は、通路３６内に配置され、モノリス基体３２の触媒流動通路１８を通る液体の流動のため、並びに矢印ｂにより示されるバイパス通路３６内での液体反応体の再循環のための内部流動生成機として機能する。
【００１８】
図１および２に示された実施の形態は、単純かつ容易に既存の撹拌反応器に組み込むことができる。要求される触媒の表面積および通路内の速度のような水力学的条件の調節は容易である。液体混合および反応器の動作は循環比（速度／（反応器の高さの２倍））によってのみ定義されるので、反応器を任意の高さ／直径比で設計してもよい。再循環比が高いときには、動作は従来の撹拌タンク型反応器に似ており、再循環比が低いときには、動作は栓流反応器に似ている。羽根型撹拌機は、反応器内での液体の流動を循環させるだけでなく、複数の液相が存在する場合に液相を分散させるように働く。また、モノリスの圧力降下は比較的低く、液体／触媒界面は液体用の所定の触媒が装填された流路のために改善されているので、要求される機械的エネルギーは、標準的な撹拌タンク型反応器に要求されるものよりよくはなくとも、それに匹敵するものである。したがって、非効率な浪費によるエネルギー損失は最小となる。
【００１９】
図３，４，５および６に示したモノリスループ型反応器４０の実施の形態は、三相すなわち固体触媒の気体／液体反応に適用されており、調節弁３８を持つ再循環用気体供給装置を有する。図３のハニカムモノリス基体１２の位置は図１のものに似ており、一方で、図４，５および６のハニカムモノリス基体３２の位置は図２のものに似ているのが分かる。しかしながら、図３および４の実施の形態に用いられている内部流動撹拌機は、気体ヘッダすなわち分散器の形態にある。図３において、ヘッダすなわち分散器４２は、モノリス１２の下の位置で容器１４内に配置されたディスクの形態にあり、一方で、図４においては、ヘッダすなわち分散器４４は、モノリス３２の下の位置で容器３４内に配置されたリングすなわち環の形態にある。
【００２０】
分散器４２および４４は、それぞれ、モノリス１２および３２の下に配置されているので、モノリスを通る、分散機４２，４４からの気泡４６の上方への流動は、矢印ｃおよびｄにより示されるように、液体反応体をモノリス内の通路１８を通って上方に、バイパス通路に沿って下方に循環させるための内部流動手段を提供する。モノリス中を上方に流動する気体／液体混合物と下降バイパス通路２０および３６中の純粋な液体との間に生じる密度差が、流動の駆動力を増強するように働く。すなわち、「軽いほうの」気体／液体混合物が上昇する傾向にあり、一方で、「重いほうの」純粋な液体がバイパス通路内で下方に流動する傾向にある。気体／液体混合物と純粋な液体との密度差は、通路１８のサイズと共に、モノリスを通る時の摩擦流動損失が最小となるように考慮しなければならない。
【００２１】
気泡４６の液体からの分離は、反応器４０の頂部カバー区域１５で行われることが分かるであろう。分散機４２，４４からの気体は、新鮮な気体と一緒にして、気体供給装置により反応器に強制的に戻して、再利用してもよい。液体生成物からの気体／液体の分離は、気泡が存在せず、追加の可動部品が必要とされない反応器の底部で容易に行われる。モノリスにより多くの流体を通過させる必要がある場合には、図１および２の実施の形態に似た様式で、羽根型撹拌機を加えてもよい。
【００２２】
図５の反応器の実施の形態の構造は、図４のものと多くの点で似ているが、流動パターンが逆である。すなわち、モノリスの通路を通る上方への流動を強制するための、モノリスの下に配置された環状撹拌ヘッダ４４の代わりに、ディスク型撹拌ヘッダすなわち分散器４２が、矢印ｅにより示されるように、反応器４０内で再循環流動を生成するために中央バイパス通路３６内に配置されている。通路３６内の液体反応体は、モノリス基体３２の触媒作用通路１８中に供給される前に、気体供給装置からの気泡４６で飽和されている。図示したように、所望であれば、回転棒２６に取り付けられた羽根型撹拌機２４を、気泡サイズを最小にし、気体／液体物質移動を最適化するため、並びに反応器内の流動の自然な向きを支援するために、通路３６内に設けてもよい。
【００２３】
図６に示した反応器の実施の形態は、気泡流動撹拌機と一緒には機械式流動撹拌機が用いられていないということを除いて、図５のものと似ている。図６に示したように、矢印ｅにより示されるように、液体反応体の再循環流動は、図５に示したものと同じである。すなわち、通路３６中で上昇する気泡４６を生成する、撹拌ヘッダ４２からの気体の供給により生じる流動により、液体反応体をモノリス３２の触媒通路１８に通し、モノリスに隣接するバイパス通路３６に沿わせて循環させるための十分な内部流動手段が提供される。
【００２４】
気泡流動撹拌が反応体をハニカム触媒床に通す再循環を駆動する効率は、ハニカムのセル密度と壁厚、気相および液相の密度と粘度、並びにモノリスの通路内の流体流動に対するインピーダンスを決定する摩擦効果を含む数多くの要因に依存する。しかしながら、これらの反応器の水力学動作特徴は、流体流動への摩擦効果および候補の液体と気体の密度と粘度に関する現在の知識に基づいて適当な精度で予測できる。
【００２５】
図７は、モノリスの通路内の表面気体速度と、気泡の上昇により生じるそれら通路内の結果としての表面液体速度との間の関係を示すプロットである。速度は、グラフの横軸と縦軸でメートル／秒で報告されている。
【００２６】
図７のグラフにプロットされたデータは、それぞれ、２００および４００セル／平方インチ（それぞれ、３１および６２セル／ｃｍ²）の２つの円筒型モノリスハニカム触媒床ＡおよびＢについてのものである。これらのハニカムは、それぞれ、０．００７５インチ（０．１９ｍｍ）および０．００６５インチ（０．１６５ｍｍ）の通路の壁厚を有している。これらのハニカム中の全ての壁は２０μｍ厚の内部触媒コーティングを担持し、両方のモノリスは、３．１４ｍ²の断面積および１：１の高さ対直径比を有する。
【００２７】
図示された結果は、モノリスが４．９１ｍ²の断面の円筒タンク型反応器容器内に配置され、各々のモノリスと反応器容器との間の断面の差が反応器内の下降空間の断面積を構成している場合についてのものである。使用される液体の粘度と密度は、４０℃および２０バールの圧力での、水の液相と水素の気相に関するものである。
【００２８】
図７が示唆するように、ハニカムの通路の直径が、通路内の摩擦流動抵抗に大きな影響を与えている。このことは、これらの構造体内における同じ気体速度での液体速度に大きな差があることにより分かる。最大表面液体速度が比較的狭い範囲の気体速度に亘ってしか得られないという事実も、図７から明白である。これらの構造体において、実際に、気体速度が速くなるほど、液体速度が減少する。
【００２９】
図７に示した水力学的液体／気体流動挙動は、ハニカムモノリス触媒構造体に典型的なものであり、広い範囲の液体密度、液体粘度およびチャンネルサイズに亘り見られる。図示した範囲内の任意の所定の気体流速において、液体粘度が高くなるほど、または液体密度が低くなるほど、通路を通る液体の流速が減少する。しかしながら、最大の液体流速はそれでも、限られた範囲の気体流速においてしか得られない。
【００３０】
図７のもののような水力学的性能特徴は、広い範囲のハニカムサイズに亘り観察される。任意の時間での通路を通って輸送されている液体の質量および摩擦流動効果の両方は通路の長さに直接的に依存するので、流速は触媒床の高さからは概ね独立している。床断面積が増加しても、いずれの流速も変化しないが、下降管の容量が制限されないとすると、再循環数（毎時の触媒床を通って処理される反応体の容積数）が床の面積に正比例して増加する。
【００３１】
上述した反応器の設計の全てには、多くの用途について、充填床型、撹拌タンク型、気泡塔型またはジェットループ型の各反応器よりも著しく優れた利点がある。しかしながら、独立した気体と液体の流動制御の条件を含む特別な反応器の構成を使用することにより、三相反応についてのプロセスの制御および反応器の性能においてさらなる利点が達成される。そのような反応器の例が図８および９に示されている。
【００３２】
図８に示した反応器の実施の形態は、機械式流動撹拌機２４およびディスク型気泡流動撹拌機４２の両方が反応器の容器内に設けられていることを除いて、図３のものと似ている。矢印ｆにより示されている液体反応体の再循環流路は、図３に示したものに類似している。しかしながら、図８の反応器の場合、液体の流動は、ハニカム通路１８中に上昇する気泡を発生させる撹拌機ヘッダ４２からの気体の供給だけでなく、機械式撹拌機２４によっても調節される。したがって、撹拌機２４は、気泡の上昇のみにより生じる液体の通路１８中への流動を増減させることができる。
【００３３】
図９に示した反応器の実施の形態は、ここでも、機械式流動撹拌機２４および環状気泡流動撹拌機４４の両方が設けられていることを除いて、図４のものと似ている。矢印ｇにより示されている反応体液体の再循環流路は、図４に示したものと同じであるが、この場合の液体の流速は、撹拌機ヘッダ４４からの気体の供給および機械式撹拌機２４の両方により生じる。かさねて、撹拌機２４は、ほとんどの利用できる気体の流速で、液体の通路１８中への流動を増減させることができる。
【００３４】
もちろん、図８および９の実施の形態のいずれの場合にも、羽根型の機械式撹拌機は、ハニカム触媒の通路を通る液体の流動が独立して制御できる様々な手段の単なる実例である。外部で再利用される容積の処理済み反応体を取り扱うように構成されたジェットを含む液体ジェットのような他の流動制御手段を追加にまたは代わりに用いてもよい。
【００３５】
これらの反応器の設計において達成できる気体と液体の流動の追加範囲が図１０に示されている。これは、図８に示したような設計による反応器の４つの異なる動作条件についての液体流速対気体流速をプロットしたグラフである。報告されている動作条件は、追加に機械的に発生させた液体循環駆動力の施用により生じたものである。これらの追加の駆動力により、ゼロから２０ｋＰａまでの選択された値でのハニカムモノリスに亘る追加の液体圧力降下が生じる。より大きい圧力降下は、より速い撹拌速度での機械式撹拌機の運転により生じる。
【００３６】
図１０に特徴付けられた反応器中のハニカムモノリスは、４００セル／平方インチ（６２セル／ｃｍ²）のセル密度および３．１４ｍ²のハニカム断面積を有し、壁厚およびコーティング厚は、図７に関して上述したものと同じ寸法のハニカムと似ている。示された特徴は、４０℃および２０バールの圧力での水の液相と水素の気相に関するものである。
【００３７】
図１０を考察すると、反応器内において幅広い範囲で液体および気体の線形速度が観察されるのが明白である。これらは、追加の機械式液体駆動力を施用したことにより利用できる新たな自由度の結果である。この加えられた駆動力により、ずっと幅広い範囲の、モノリス中の気体流動対液体流動の比の変動範囲に亘り、反応器を動作することができる。例えば、高い液体流速は、ゼロまたは低い気体流速で達成でき、これは反応器の再循環数を実質的に増加させる動作モードである。これにより、反応器内の条件を理想混合系のものに近くすることができる。高い再循環数の別の重大な利点は、反応器の熱交換効率の上昇であり、これは、プロセスの制御にとって有用である。
【００３８】
容器内の２以上の相の中での接触または物質移動に関する任意の系についての効率の一般的な尺度は、容器中の液体の単位容積当たりのエネルギー入力の関数としての、達成される物質移動係数ｋ_Lａである。この値は、吸収、分離または熱交換のような物理的プロセスを実施するための装置、並びに気相、液相および／または固相の中の物質移動を含む触媒化学反応器の評価のために有用である。ｋ_Lａ値は、より大きい気体／液体／固体接触面積（より大きいハニカム）、またはより高い反応器へのエネルギー入力のいずれかによって大きくすることができる。したがって、所定のモノリスハニカム反応器中の液体の単位容積当たりのエネルギー入力が所定の値に固定されている場合、ｋ_Lａ値は、追加の通路すなわちより長い通路壁により示されるより大きい触媒壁面積のために、ハニカムの容積と共に増加する。
【００３９】
これらの反応器中のハニカム触媒が占める容積の外側の反応器の空間内で生じる気液物質移動は、これらの流体がハニカム通路を出るときに瞬時に起こる気体および液体の合体のような要因のために、多くの反応器の設計において無視してよい。それにもかかわらず、これらの反応器の物質移動効率を代わりとなる反応器の設計のものと比較する目的のために、測定または計算した物質移動速度（物質移動係数ｋ_Lａとして表される）は、活性触媒内の液体の容積のみよりもむしろ、反応器の容器内の全液体容積に基づく。
【００４０】
設計が図示した反応器に似た１０〜１５ｍ³の液体取扱い容量の反応器に関して、約２０００Ｗ／ｍ³までの比パワー入力が、気泡流動撹拌機のみにより発生させることができる。したがって、ハニカム触媒の容積が液相容積の２５〜５０％しかない場合でさえ、約０．１〜１．２秒^-1の範囲のｋ_Lａ値に到達できる。それでも、入力パワーに関する気体撹拌と機械式撹拌の組合せを用いて、より高い効率、および／または著しく低いエネルギー入力で同等の効率を達成できる。
【００４１】
図１１は、数多くの異なる反応器動作条件についてのＷ／ｍ³で表した、反応器入力パワーに対して物質移動係数ｋ_Lａをプロットしたグラフである。グラフに示したデータは、４．９１ｍ²の断面積、２．５ｍの高さの反応器に関するものであり、触媒は、ハニカムの断面積１ｃｍ²当たり６２の垂直方向の通路を有するハニカムからなり、断面積は３．１４ｍ²であり、高さは１．５ｍである。この反応器内の液相は水であり、気相は、１バールの圧力および２０℃での空気である。
【００４２】
図１１には、異なる気体流量により生じるある範囲のパワー入力を網羅する、気泡運転のみに関するデータ、並びに気泡流動および撹拌の組合せからのエネルギー入力を含む３つの異なる場合に関するデータが含まれている。後者の３つの場合には、気体流動は所定のレベルに固定され、触媒を通る液体の再循環を増大させるために上昇した速度での撹拌により、より高い入力エネルギーが達成される。図１１はまた、３つの競合するバッチ式反応器に関するエネルギー入力の関数としてｋ_Lａ値をプロットしている。競合する設計について示したデータは、撹拌タンク型、気泡塔型、およびジェットループ型の設計の性能を示すものと考えられる。
【００４３】
図１１をより詳しく参照する。曲線Ａは、気泡流動撹拌のみの場合についての反応器の入力パワーの関数として、ｋ_Lａをプロットしている。曲線Ｂ，ＣおよびＤは、気泡撹拌の羽根型撹拌との組合せに関するｋ_Lａ値をプロットしたものである。これらの曲線は、３つの異なる所定の気体供給量についてプロットされている。
【００４４】
曲線Ａは、ゼロから約５０００ｍ³／時間（標準温度および圧力で）までの範囲の気体供給量を網羅している。曲線Ｂ，ＣおよびＤは、曲線Ａ上の１００ｍ³／時間、１０００ｍ³／時間、および５０００ｍ³／時間の気体のみの撹拌地点に対応する基底エネルギーレベルで始まる、機械式撹拌が加えられたことによるエネルギーおよび反応器効率の増加を示している。したがって、曲線Ａ上の気体のみの値（すなわち、曲線Ｂ，ＣおよびＤの曲線Ａとの接点での値）よりも高い入力パワーおよび移動効率における増加の全ては、撹拌速度のみの増加により生じる。
【００４５】
図１１の考察から明らかなように、最低の気体流量（１００ｍ³／時間−曲線Ｂ）で反映される機械式撹拌による物質移動およびｋ_Lａにおける増加は、気泡撹拌による同等のパワー入力を用いて達成できたであろうものよりも小さい。しかしながら、その増加は、高い液体流速で行う必要のある反応についてはそれでもまだ重大である。
【００４６】
曲線Ｃにプロットされた１０００ｍ³／時間に固定された気体供給量で、機械式撹拌機によるパワー入力によって、より多くの気体が加えられたときと同じように物質移動が増加する。したがって、反応器の入力パワーのレベルの重複範囲に亘り、触媒床内の気体：液体比は、任意の選択された化学的プロセスの要件に最適に合うように任意に調節してもよい。曲線Ｄは、１０００ｍ³／時間より多い気体供給量で、追加の機械式撹拌により、反応器の物質移動係数が、気泡撹拌のみにより達成できる値よりもずっと大きい値まで増加することを示している。
【００４７】
図１１中の曲線Ｅ，ＦおよびＧは、曲線Ａ〜Ｄのモノリスループ型反応器を様々な従来の気液物質移動装置と比較している。これらの後者の装置に関するデータは、水性液相中への酸素移動に関する文献の測定値に基づくものであり、これらの相では、ある場合には、物質移動性能を改善するために気体および液体の合体を抑制するようにいくつかの添加剤を含有する。撹拌タンク型反応器の設計（曲線Ｆ）およびジェットループ型反応器の設計（曲線Ｇ）に関する図１１に網羅されている値は、文献からの性能範囲に基づく、各々のエネルギーレベルでのある範囲の物質移動効率に関する上限と下限を示す。気泡塔型反応器の場合には、１組のデータしかプロットされていない。
【００４８】
図１１に特徴付けられた競合する設計よりも優れたモノリスループ型反応器のより高い効率および改善された物質移動性能が明白である。したがって、入力パワーの有用範囲のほとんどに亘り、モノリスループ型反応器は、他のどの設計が提供するよりも、実質的に高い物質移動速度をより低いエネルギー入力で提供する。これらの利点は、モノリス反応器へのパワー入力が気泡撹拌のみにより提供されている作動モードでさえも確保される。このモードは、撹拌または他の機械式撹拌を入力するための機械装置を全く必要としないので、特に有利である。
【００４９】
モノリスループ型反応器によって、処理に関する重大な利点が得られる商用プロセスの特別な例は、ｐ−イソブチルアセトフェノン（ｐ−ＩＢＡＰ）のイブプロフェン中間体であるｐ−イソブチルフェニル２−エタノール（ｐ−ＩＢＰＥ）への選択的な水素化である。この反応は、従来は、粒状ルテニウム／アルミナ触媒を含有する撹拌タンク型反応器に入れられたメタノール溶媒中で行われる。(i)４−イソブチルシクロヘキシルメチルケトンを生成する、ｐ−ＩＢＡＰの芳香環の水素化、(ii)４−イソブチルシクロヘキシル−２−エタノールを生成する、ｐ−ＩＢＰＥの水素化、および(iii)ｐ−イソブチルエチルベンゼンを生成する、ｐ−ＩＢＰＥのＯＨ基の水素化のような副反応が通常観察され、そのような反応を制御するために、代わりのパラジウム／炭素触媒およびレニー・ニッケル触媒が提案されてきた。
【００５０】
図１２は、４００セル／平方インチ（６２セル／ｃｍ²）のセル密度を持ち、通路が５μｍ厚のＲｕ／Ａｌ₂Ｏ₃触媒の層により被覆されたモノリスハニカム触媒を含む、４７．６バールの圧力および３８６°Ｋの温度で運転されているハニカムループ型反応器の場合について計算されたこのプロセスに関する一過性の反応体と生成物の濃度を示している。図１２に示した一過性は、粒状ルテニウム／アルミナ触媒を用いたスラリー反応器に関して文献に報告されたものと極めて似ているが、代わりにモノリスループ型反応器を用いた場合には、重大な処理の利点と費用の利点を確保できる。
【００５１】
モノリスループ型反応器の設計の利点の中に、いくぶん低い特別なパワー入力要件がある。何故ならば、水素反応体を反応器の気泡装置により提供すると、費用を追加せずに、通路の流動および反応器の物質移動が増大するからである。さらに、反応体混合物から触媒を分離するための濾過が必要ないので、濾過設備の必要がなく、濾過の過程で触媒が必然的に損失するのが防止できる。また、単にモノリス上の触媒添加を増大させることにより、触媒効力を増大させることができるが、一方で、スラリー系においては、高い触媒添加量により、触媒摩擦および反応器の撹拌パワー要件が増してしまう。
【００５２】
ここに記載したようなモノリスループ型反応器の別の特徴的な利点は、「暴走する」発熱反応を制御するための安全限界が加わることである。反応速度が温度により指数的に増加する自己加速反応は、熱を除去するために利用できる手段が発熱を取り扱うのに適切である点を超えて反応器を加熱し得る。ほとんどのスラリー反応器において、これらの暴走するプロセスは、迅速な触媒分離による廃棄のような手段によって、またはバッチへの化学「モジュレータ」の添加によってのみ調節することができる。モジュレータの添加は、バッチが汚染されたり、バッチ全体が失われることがあるので、一般に望ましくない。
【００５３】
本発明のモノリスループ型反応器において、これらの難点は、単に、タンクから反応体を廃棄するための機械的手段を提供することにより、または反応混合物からモノリス触媒を迅速に回収することにより、都合よく克服される。いずれの場合にも、反応体は急速になくなり、モノリス触媒から分かれて、混合物中に存在する反応体または生成物に損傷を与えずに、反応が急速に停止される。
【００５４】
上述した記載から明らかなように、本発明は、上記の反応器の設計またはプロセスの特定の例に制限されない。それらの例は、制限というよりもむしろ説明を目的としたものである。例えば、図８および９におけるような触媒を通る上昇流動よりもむしろ、気体および液体をハニカム触媒に降下するように通して強制的に流動させるために、機械式撹拌が用いられる、気液接触または反応系を容易に提供できる。このタイプの設計は、触媒を通過した後、気体は、反応器内の上昇導管を通過するときに、液相中に分散されたままであるので、より長い気液接触時間を提供できる。
【００５５】
この付加的な接触時間は、長さ：直径比の高いハニカム触媒を収容するように構成された反応器において特に重大となり得る。しかしながら、上昇流反応器においてでさえ、長さ：直径比の高いハニカムを使用して、接触時間の利点が提供される。何故ならば、気泡の合体は、気泡がハニカムの通路に制限されたままである限り抑制されるからである。また、気泡の上昇時間は、気泡は一般に全てが同じ位のサイズであるので、比較的狭い範囲に入る。
【００５６】
下降流反応器の場合には、反応器内の上昇管の空間に追加のハニカム触媒を配置することもできる。このモードで動作する反応器に関して、このハニカムの通路を上昇するように流体を循環させる駆動体は、気泡撹拌のみであって差し支えない。
【００５７】
もちろん、前述したように、ここに開示した反応器の設計は、液体混合物または液体−気体混合物が、ここに記載した化学反応を実施する以外の目的のために処理される、物質またはエネルギー移動用途に使用するために適用させてもよい。したがって、ハニカムモノリスの流体通路構成の特徴により、２以上の気相、液相または固相の中で物質交換またはエネルギー交換を効率的に援助しなければならない、任意の再循環ベースの化学的または物理的吸着、吸収、除去または混合のプロセスに関する重大な利点が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】中央に配置されたハニカムモノリス触媒基体および羽根型の撹拌流動手段を示す、本発明のタンク型反応器の概略図
【図２】周囲に配置されたハニカムモノリス触媒基体および羽根型の撹拌流動手段を示す、本発明のタンク型反応器の概略図
【図３】中央に配置されたハニカムモノリス触媒基体および気体ヘッダ型の撹拌流動手段を示す、本発明のタンク型反応器の概略図
【図４】周囲に配置されたハニカムモノリス触媒基体および周囲に配置された気体ヘッダ型の撹拌流動手段を示す、本発明のタンク型反応器の概略図
【図５】羽根型と気体ヘッダ型の両方の撹拌流動手段を備えた、周囲に配置されたハニカムモノリス触媒基体を示す、本発明のタンク型反応器の概略図
【図６】中央に配置された気体ヘッダ型の撹拌流動手段を備えた、周囲に配置されたハニカムモノリス触媒基体を示す、本発明のタンク型反応器の概略図
【図７】タンク型反応器を通る液体および気体の流速を示すグラフ
【図８】中央に配置された気体ヘッダ型および羽根型の撹拌流動手段を備えた、中央に配置されたハニカムモノリス触媒を示す、本発明のタンク型反応器の概略図
【図９】周囲に配置された気体ヘッダ型の撹拌流動手段および中央に配置された羽根型の撹拌流動手段を備えた、周囲に配置されたハニカムモノリス触媒を示す、本発明のタンク型反応器の概略図
【図１０】図８に示したようなタンク型反応器を通る液体および気体の流速を示すグラフ
【図１１】本発明の反応器に関する物質移動効率に関する反応器の入力の影響を示すグラフ
【図１２】本発明により行われた化学反応に関する反応体濃度対時間のグラフ
【符号の説明】
【００５９】
１０，３０，４０反応器
１２，３２ハニカムモノリス基体
１４管状容器
２０，３６バイパス通路
２４撹拌機
２８熱交換器
３８調節弁
４２，４４分散器
４６気泡

Claims

液体処理装置において、
液体収容容器、
該容器内に配置されたハニカムモノリスであって、容器の上方採集チャンバと容器の下方採集チャンバとの間に配置され、該上方チャンバと該下方チャンバを連結する複数の開放された平行なハニカム通路を有するハニカムモノリス、
前記容器内で液体媒体を再循環させるための、前記上方および下方チャンバを連結する、前記収容容器内にある少なくとも１つのバイパス通路、および
前記液体媒体を前記平行なハニカム通路および前記バイパス通路に通して再循環させるための、前記容器内に配置された機械式、液体、または気泡撹拌手段、
を有してなることを特徴とする装置。
前記ハニカムモノリスが触媒を含有または担持していることを特徴とする請求項１記載の装置。
前記容器に気泡撹拌手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載の装置。
前記容器に気泡撹拌手段および機械式撹拌手段の両方が設けられていることを特徴とする請求項１記載の装置。
前記バイパス通路が、該バイパス通路および前記ハニカムモノリスを横切る容器の断面の１０〜９５％の範囲にある断面積を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
前記容器が、０．３〜１００の高さ：直径比を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
前記容器が、該容器内に収容された前記液体媒体中にまたは該液体媒体から熱を伝達させるための内部または外部ループ手段を備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
反応体を触媒作用により処理して、生成物を生成するための化学反応器において、
タンク型反応器、
該タンク型反応器内に固定して配置されたモノリスハニカム基体、
該ハニカム基体の壁部分にある触媒材料、
前記タンク型反応器内で前記ハニカム基体に隣接した少なくとも１つのバイパス通路、および
生成物を生成するために、液体媒体としてのまたは液体媒体内の前記反応体を前記ハニカム基体の触媒壁部分に沿わせ、前記ハニカム基体に隣接した前記バイパス通路を通して循環させるための前記タンク型反応器内の手段、
を有してなることを特徴とする反応器。
反応体を前記タンク型反応器に供給するための手段、および前記タンク型反応器から生成物液体を取り出すための手段を備えることを特徴とする請求項８記載の反応器。
前記モノリスハニカム基体がその中を延在する複数の通路を有し、前記触媒材料が前記通路の壁部分に付与されていることを特徴とする請求項８記載の反応器。
前記モノリスハニカム基体が、前記タンク型反応器の壁部分に対して中央に固定して配置された円筒の形態にあることを特徴とする請求項８記載の反応器。
前記バイパス通路が、前記タンク型反応器の内壁部分と前記円筒基体との間に延在する環状バイパス通路であることを特徴とする請求項１１記載の反応器。
前記内部循環手段が、前記反応体の液体を前記触媒ハニカム基体に通し、前記タンク型反応器の壁部分と該基体との間に延在する前記環状バイパス通路に通して循環させるための、前記円筒基体と軸方向に整合して配置された羽根型撹拌機の形態にあることを特徴とする請求項１２記載の反応器。
前記内部循環手段が、前記反応体の液体中に上昇流動する気泡を形成し、該液体を、前記触媒ハニカム基体に通し、前記タンク型反応器の壁部分と前記基体との間に延在する隣接した環状バイパス通路に通して循環させるための、前記円筒基体の下に軸方向に整合して配置された気体供給ヘッダ型撹拌機の形態にあることを特徴とする請求項１２記載の反応器。
気体の供給流動を前記気体供給ヘッダ型撹拌機に再循環し、調節するための手段を備えることを特徴とする請求項１４記載の反応器。
前記モノリスハニカム基体が、前記タンク型反応器の内壁部分に隣接して固定して配置された環状形態にあることを特徴とする請求項８記載の反応器。
前記バイパス通路が前記環状基体の中央に形成されていることを特徴とする請求項１６記載の反応器。
前記内部循環手段が、前記反応体の液体を、前記基体に隣接した前記バイパス通路に通し、前記触媒環状ハニカム基体に通して循環させるための、該バイパス通路内に配置された羽根型撹拌機の形態にあることを特徴とする請求項１７記載の反応器。
前記内部循環手段が、前記通路内の前記反応体の液体中に上昇流動する気泡を形成し、そのような液体を前記中央バイパス通路に通し、前記隣接する触媒環状ハニカム基体に通して循環させるための、前記中央バイパス通路の下に隣接して配置された気体供給ヘッダ型撹拌機の形態にあることを特徴とする請求項１７記載の反応器。
前記内部循環手段が、前記反応体の液体を前記中央バイパス通路および前記隣接した触媒環状ハニカム基体の両方に通して循環させるための、該中央バイパス通路内に配置された羽根型撹拌機および気体ヘッダ型撹拌機の両方を備えることを特徴とする請求項１７記載の反応器。
前記内部循環手段が、前記ハニカム内で前記反応体の液体中に上昇流動する気泡を形成し、該液体を、前記触媒環状ハニカム基体に上昇するように通し、該環状ハニカム基体の中央にある前記バイパス通路に下降するように通して循環させるための、該環状ハニカム基体の下に配置された環状気体供給ヘッダ型撹拌機の形態にあることを特徴とする請求項１７記載の反応器。
再循環式タンク型反応器内で反応体から生成物を生成する方法であって、
反応体をタンク型反応器中に供給する工程、
少なくとも１つの隣接バイパス通路のための空間を残すように前記タンク型反応器内に、触媒表面を有するモノリスハニカム基体を固定して配置する工程、
前記タンク型反応器内で前記反応体の流動を内部で発生させる工程、
そのような発生した反応体の流動を、前記固定して配置された触媒ハニカム基体に通し、前記隣接したバイパス通路に通して循環させる工程、および
前記タンク型反応器から生成物を取り出す工程、
を有してなることを特徴とする方法。
前記バイパス通路内で前記流動を内部で機械的に作動させる工程を含むことを特徴とする請求項２２記載の方法。
前記反応体が液体媒体中に提供され、前記反応体の流動を内部で発生させる工程が、前記液体媒体の指定の部分中に気体を強制的に供給し、そのような部分中で上昇流動する気泡を形成する各工程を含むことを特徴とする請求項２２記載の方法。
前記モノリスハニカム基体を前記タンク型反応器の内壁部分に隣接するように固定して配置し、該ハニカム基体の中央に前記隣接したバイパス通路を形成する各工程を含むことを特徴とする請求項２２記載の方法。
前記モノリスハニカム基体を前記タンク型反応器内の中央に固定して配置し、前記隣接したバイパス通路を前記中央に配置された基体と前記タンク型反応器の内壁部分との間に形成する各工程を含むことを特徴とする請求項２２記載の方法。
撹拌タンク型反応器において、
反応器の外囲容器であって、反応体を該外囲容器中に導入するための入口およびそこから生成物を回収するための出口を有する外囲容器、
前記外囲容器内に取り付けられたハニカム触媒床であって、その中を延在する複数の通路を有するハニカム触媒床、
前記反応体および生成物を前記ハニカム触媒床の周りとそばを通過させられるように配置された、前記外囲容器内にある少なくとも１つのバイパス通路、および
前記反応器中に存在する反応体を含む液体媒体内に再循環流動を生じさせ、前記ハニカム触媒床の通路と前記バイパス通路の両方を順次通る閉塞流路に沿って前記反応体の少なくとも一部を運搬するための、前記外囲容器内に配置された機械式撹拌機を有する再循環手段、
を有してなることを特徴とする撹拌タンク型反応器。
気泡塔型反応器において、
反応器の外囲容器であって、反応体を該外囲容器中に導入するための入口およびそこから生成物を回収するための出口を有する外囲容器、
前記外囲容器内に取り付けられたハニカム触媒床であって、その中を延在する複数の通路を有するハニカム触媒床、
前記反応体および生成物を前記ハニカム触媒床の周りとそばを通過させられるように配置された、前記外囲容器内にある少なくとも１つのバイパス通路、および
前記反応器中に存在する反応体を含む液体媒体内に再循環流動を生じさせ、前記ハニカム触媒床の通路と前記バイパス通路の両方を順次通る閉塞流路に沿って前記反応体の少なくとも一部を運搬するための、前記外囲容器内に配置された気泡供給源を有する再循環手段、
を有してなることを特徴とする気泡塔型反応器。