JP2005046837A

JP2005046837A - 気／液反応または気／液／固反応用の反応器

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Publication number: JP2005046837A
Application number: JP2004195749A
Authority: JP
Inventors: Werner Weinle; ヴェルナー、ヴァインレ; Oliver Bey; オリーファー、ベイ; Peter Zehner; ペーター、ツェーナー
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2024-07-01
Also published as: DE502004004069D1; KR20050004065A; CN100393407C; EP1493475A1; ATE364432T1; US20050001341A1; KR101097483B1; CN1597083A; DE10329491A1; ES2286535T3; JP4585245B2; US7100905B2; SG108332A1; EP1493475B1

Abstract

【課題】簡易な構造のガス分散器を用いることによって従来技術の反応器より経済的であり、また脈動に起因する不調に対する影響をほとんど受けない気／液反応または気／液／固反応に用いる反応器を提供する。
【解決手段】垂直縦軸と、当該反応器の上側領域における液体の供給物流または液／固供給物流の取込口と、当該反応器の下側領域における気体流の取込口３とを有する気／液反応または気／液／固反応に用いる反応器であって、気体流を、主としてまっすぐな管状部分１４，１５から作製されたガス分散器モジュール９を通じて移動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、気／液または気／液／固反応に用いる反応器およびその使用法に関する。

化学プロセス工学において、反応は気／液または気／液／固の各相で屡々行われる。ここでは、気相は、例えば出発材料、反応助剤またはこれら２種類の組み合わせであっても良い。液相または固／液相を、屡々、気相に対して向流で反応器に通過させる。

液体または液／固の供給流と気体流が向流で流れるこのような反応器は、ＤＥ−Ａ１０１２０８０１．４により知られている。ここでは、気／液の熱力学平衡に対する緻密な試みが、エアリフトループ原理による特定構造の反応器の結果として、各相を良好に混合し、そして混合終了後に気相と液相を実質的に分離することによって液相または液／固相の長い滞留時間の条件下で達成されている。

ＤＥ−Ａ１０１２０８０１．４における特定構造の反応器は、垂直縦方向に相互に重ねて配置された少なくとも２基のチャンバーを備え、且つ
チャンバーは、耐液底部プレートによって相互に分離され、
各チャンバーは、液体用排水管を間に介して直ぐ下に配置されるチャンバーに連結され、そして液体生成物流を、１番深い所のチャンバーの液体用排水管から取り出し、
各チャンバーの液体面の上側のガス空間を、そのガス空間の直ぐ上側のチャンバーに接続し、且つこの接続は、液体面の下側にガス出口孔を備えたガス分散器に開口する（それぞれ開口する）１本以上のガス導入管を用いて行われ、そして
各チャンバーは少なくとも１種のガイド板を備え、このガイド板は、上端部が液面の下側で、下端部がチャンバーの耐液底部プレートの上側となるようにガス分散器の周囲に垂直に配置され且つこのガイド板によって、チャンバーを、ガスが流れる１以上の空間とガスが流れない１以上の空間に分割する。

結果として、多相反応における良好な混合と、各チャンバーの全容積、即ち断面と特に液体の深さの両方に対して実質的に一定の組成の反応混合物が、エアリフトループ原理としても知られている液体のエアリフト循環によって可動部を用いることなく反応器において保証されると同時に、液相と気相を反応終了後に簡易な方法で分離することができる。

ガス分散器とこのガス分散器の周囲に垂直に配置されるガイド板との間の液体空間にガス分散器から気体が出ることにより、この液体空間の静水圧をガスが流れない液体空間に対して低減させ、これにより、運動エネルギーに変換される圧力勾配が得られる。この圧力勾配により、エアリフト循環を、ガスが流れる空間、すなわちガス分散器とこのガス分散器の周囲に配置されるガイド板との間の空間において上側に向けて案内され、ガイド板によってガイド板の最上部の上側で且つ液体面の下側の領域にそらされ、ガスが流れない液体の空間を通って、ガイド板の外側で頂部から下方に向かって流れ、そしてチャンバーの耐液底部プレートの上側で且つガイド板の最深部の下側で、再び、そらされて上方に向かう流れとされる流れの形とし、これによりこのループを閉じている。

ＤＥ−Ａ１０１２０８０１．４

本発明の目的は、エアリフトループ原理に従って激しい相混合を示し、そして特に簡易な構造のガス分散器を用いることによって従来技術の反応器より経済的であり、また脈動に起因する不調に対する影響をほとんど受けない気／液反応または気／液／固反応に用いる反応器を提供することにある。さらに、この反応器はガス分散器モジュールを備えているので、特定の操作条件に対して柔軟に適合させることができる。

本発明者等は、上記目的が垂直縦軸と、当該反応器の上側領域における液体の供給物流または液／固供給物流の取込口と、当該反応器の下側領域における気体流の取込口とを有する気／液反応または気／液／固反応に用いる反応器であって、
縦方向に相互に重ねて配置した１基以上のチャンバーを備え、且つ
各々のチャンバーは、耐液底部プレートによって底部で結合され、
各々のチャンバーは、該チャンバーに結合する耐液底部プレートの下側で反応器の内部空間と液体用排水管を介して連結され、そして液体生成物の流れは、最も深いチャンバーの液体用排水管を介して取り出され、
各耐液底部プレートの下側のガス空間は、その空間の直ぐ上に配置されるチャンバーに接続され、その接続は、チャンバーの液体面の下側でガス出口孔を備えたガス分散器モジュールに開口（それぞれ開口）する１本以上のガス導入管を用いることによって行われ、そして
各チャンバーは、各ガス分散器モジュールの周囲に垂直に配置され、上端部が液体面の下側で、下端部がチャンバーの耐液底部プレートの上側にあり、そして各チャンバーをガスが流れる１以上の空間とガスが流れない１以上の空間に分割する少なくとも１枚のガイド板を備えており、且つ
ガス分散器モジュールはまっすぐな管状部分から作製されたことを特徴とする反応器によって達成されることを見出した。

本発明の反応器において、ガス分散器モジュールは、まっすぐな管状部分（straight tube sections）から作製されている。これは、ガス反応器モジュールに曲折した管状部分または湾曲した管状部分が存在しないことを意味するものである。

反応器に用いるガス分散器をまっすぐな管状部分から簡易な形態で構成できることが見出された。これは、所望の寸法に切断された市販の管を用いて行うことができた。

ガス分散器モジュールを形成する個々のパイプ部品を相互に完全な気密状態で連結する必要はなく、機械的に安定な連結で充分である。

使用可能な管の幾何構造は、原則として、いかなる限定を受けることはない。例えば、環状の断面を有する中空の円柱体である管状部分または４辺からなる断面、特に矩形状の断面を有する中空の円柱体である管状部分を用いることができる。

ガス分散器モジュールは、パイプ部品が相互に直角に配置されるように構成されるのが好ましい。

この場合、ガス分散器モジュールには、ガス導入管の上端部を包囲する垂直管状部分（垂直縦方向の管状部分）が設けられ、この垂直管状部分に対して、２個以上の水平管状部分（水平方向の管状部分）が好ましくは垂直管状部分の周囲に対称に連結されている。

上述のように、水平管状部分と垂直管状部分との連結は、気密状態とする必要がなく、単に、その連結は機械的に安定であれば充分である。

垂直管状部分がガス導入管の上端部を包囲するとは、垂直管状部分の内径が、ガス導入管の外径より大きく、そしてガス導入管の上端部に接触していない自由な空間を残して、ガス導入管を上昇するガスがガス分散器モジュールの垂直管状部分に流れることができることを意味する。

ガス分散器モジュールの垂直管状部分の底部（下端部）は、チャンバーの耐液底部プレート上に配置されているのが好ましい。ここでもまた、気密状態で連結されている必要はなく、機械的な安定が形成されれば良い。ガス分散器モジュールは、屡々、チャンバーの耐液底部プレートに対して固定されていることもある。

ガス出口孔を備える１個、２個またはそれ以上の水平管状部分は、垂直管状部分に連結されている。２個以上の水平管状部分が好ましく、特にこの水平管状部分は垂直管状部分の周囲に対称に配置されるのが好ましい。垂直管状部分の周囲に水平管状部分を対称に配置した結果、横断面に対してガスを均一に導入することができる。

垂直管状部分は、環状の断面を有する中空の円柱体によって形成されるのが好ましく、水平管状部分は、４辺からなる断面、特に矩形状の断面を有する中空の円柱体によって形成されるのが好ましい。

好ましい実施の形態において、各ガス分散器モジュールは、まっすぐに配置された２個の水平管状部分を有している。したがって、ガス分散器モジュールは、全体して実質的に平面である。

ガス分散器モジュールを構成する全ての水平管状部分を同一の高さに配置することができる。しかしながら、水平管状部分を垂直管状部分に対して、２以上の異なる高さとなる位置に取り付けることも可能である。

ガス分散器は、反応器にガス分散器が取り付けられた後、水平管状部分がチャンバーの耐液底部プレートから所定の距離、好ましくはチャンバーにおける液体の深さに対して４０〜９０％の距離をおいて配置されるように構成されるのが好ましく、その距離は、チャンバーの底部プレートから液体用排水管まで測定することにより得られるものである。ガス分散器をこのような特定の構成とすることにより、気体と液体の良好な混合を達成すると共に、反応終了後の液相と気相との簡易な分離を達成し、さらに、底部から上方に反応器を通って流れる気相の圧力低下を、対向する方向の静水圧をより低圧とした結果として縮小する。

水平管状部分のガス出口孔は、水平方向に１列以上、特に２列で配置されるのが好ましい。驚くべきことに、反応器の操作中における脈動の減少に関して、開口部の環状形状がスリット状の幾何構造に有利であることが見出された。

ガス分散器モジュールの周囲に配置されるガイド板は平坦であるのが好ましいことが見出された。平坦なガイド板は、上述のようにガス分散器モジュールのほぼ平面構造の場合に特に有利である。エアリフトループ原理による混合を保証するために、ガイド板は、このガイド板とチャンバーにおける液体面との間、そしてまたこのガイド板とチャンバーの耐液底部プレートとの間に、垂直方向に間隙を残す必要がある。

ガイド板から液体面およびガイド板からチャンバーの底部プレートまでの距離は、液体の流速がガイド板によってそらされるときにほとんど変化しないように設定されるのが好ましく、したがって、このガイド板によって、実質的に液体の流量は減少しない。

特に有利な実施の形態において、ガス分散器モジュールを、チャンバーの耐液底部プレートに対して多数の列をなして配置するか、あるいは反応器が複数のチャンバーを有するときには各々の耐液底部プレートに対して多数の列をなして配置し、そして各列におけるガス分散器モジュールの水平管状部分をそれぞれまっすぐに配置し、異なる列の水平管状部分を相互に平行に配置する。

所定の列または全ての列におけるガス分散器モジュールの水平管状部分の端部を相互に接触させるか、または相互に連結し、あるいはこれらの端部の間で間隙を残すことも可能である。チャンバーの耐液底部プレート上におけるガス分散器モジュールのその他の配置について、例えば放射状の配置も可能である。

ガス分散器モジュールを上述のように平行に列をなして配置する場合の特に有利な変形体において、水平管状部分と垂直管状部分によって規定される面においてガス分散器モジュールの各列に堰き止め部（weir）を配置する。この場合の堰き止め部は、垂直方向において、チャンバーの耐液底部プレートからチャンバーにおける液体面の上側に向けて延在し、水平方向において、一端部が反応器の内壁に向かって、そして他端部が液体の移動が自由となるように延在して、ガス分散器モジュールの隣接する列の堰き止め部が、反応器の内壁の反対側で交互に液体の移動が自由となっているようにする。

このような堰き止め部の配置により、チャンバーにおける液体を曲折状の流れとすることができる。その結果、このようにして、直列に連結される多数の同一の逆混合反応段階または実質的に同一の逆混合反応段階を有するので、直列に連結される大多数の撹拌器付きタンクに相当する装置がこれに対応して能力を増大させて提供される。

構造を安定させるために、堰き止め部の間に適当な形態でスペーサーを設けることができる。

模型試験において、本発明により、底部プレートを有する直径１ｍの反応器においてほとんどまっすぐの管状部分を使用することにより、製造コストを約３分の１に削減することができた。さらに、ガスの脈動および液体のハンチングは発生しなかった。

以下の図面によって本発明を説明する。

図面において、
図１は、ガス分散器モジュールの平面においてチャンバーを通じての断面を示し、垂直面の断面が図２に示されており；
図３は、ガス分散器モジュールの好ましい実施の形態による横断面を示し、縦断面は図４に示され、そして立体図が図５に示されている。

チャンバー４におけるガス分散器モジュール９の平面に関して図１に示されている断面は、ガス導入管８を介して、チャンバー４の耐液底部プレート５を通じての気体流３の導入を示している。ガス導入管８の上端部で、気体流がガス分散器モジュール９の垂直管状部分１４（頂部が閉鎖されている）によって囲まれている空間に入り込み、開口部１０が設けられたガス分散器モジュール９の水平管状部分１５に流れ、この開口部１０を通って、ガスがチャンバー４の耐液底部プレート５上で保持される液体に流れ込む。ガス分散器モジュール９のどちらか一方の側に、図に好ましい形態で示されているように平坦なガイド板１１が設けられ、このガイド板１１は、チャンバー４における液体面およびチャンバー４の耐液底部プレート５から所定の距離をもって配置されている。

図１に示されている断面に対して垂直面である図２に示されている断面において、曲がった矢印は、図１と同様に、ガス導入管８の上端部から外に出たガスがこのガス導入管とガス分散器モジュール９の垂直管状部分１４との間の空間に流れるのを示している。さらに、ガス分散器の垂直管状部分１４とガイド板１１との間の空間、すなわちガスが流れる空間１２における上向きの矢印、そしてガイド板１１の外側のガスが流れない空間１３における下向きの矢印は、ガス流によって生成される液体のエアリフト循環を示している。

図３は、反応器１のチャンバー４を通じての水平方向の断面を示しており、例として示すように、それぞれ垂直管状部分１４とガス出口孔１０を有する２個の水平管状部分１５とを備え、対称に配置されている７基のガス分散器モジュール９を有している。７基のガス分散器モジュール９を３列に配置し、各列の分散器モジュール９の水平管状部分１５を相互に連続するように配置する。液体用排水管が引用番号６によって示されている。平坦なガイド板１１は、ガス分散器の一方の側に配置され、堰き止め部１６は、残りの平面においてガス分散器モジュール９の各列に配置され、そして反応器１の内壁面で交互に移動を自由にさせている。これにより、図３に曲がった矢印で図示するように、チャンバー４において液体の反応混合物を強制的に曲折した流れとする。

図４におけるＡ−Ａ面の縦断面においても同様に、図４に示されている断面は、中央のガス分散器モジュール９に関してのみ示しているが、それぞれガス分散器モジュール９に設けられているので、液体または液／固反応混合物の液体用排水管６および気体流３のガス導入管８を示している。引用番号１１は、ガス分散器モジュール９の一方の側に配置される平坦なガイド板を示し、このガイド板により、図４に曲がった矢印にて図示されているように、内側に縦方向に導かれる反応混合物のループ移動を形成する。堰き止め部１６は、それぞれガス分散器９の断面に配置されている。

図５における立体図は、耐液底部プレート５と液体用排水管６を有する反応器１のチャンバー４において垂直管状部分１４と水平管状部分１５を備えるガス分散器モジュール９の配置を示している。引用番号７は、チャンバー４における液体面の上側のガス空間を示している。図５における立体図は、ガス流３をガス分散器９の、頂部が閉鎖される垂直管状部分１４に導入するためのガス導入管８の配置と、平坦なガイド板１１および平坦な堰き止め部１６の配置を示している。

ガス分散器モジュールの平面においてチャンバーを通じての断面を示している。図１に示されている断面に対する垂直面においてチャンバーを通じての断面を示している。ガス分散器モジュールの好ましい実施の形態による水平方向の断面を示している。図３におけるＡ−Ａ面での縦断面を示している。図３に示されているガス分散器モジュールの一部についての立体図を示している。

符号の説明

４チャンバー
５底部プレート
８ガス導入管
９ガス分散器モジュール
１０開口部
１１ガイド板
１４、１５管状部分

Claims

垂直縦軸と、当該反応器（１）の上側領域における液体の供給物流または液／固供給物流の取込口（２）と、当該反応器（１）の下側領域における気体流の取込口（３）とを有する気／液反応または気／液／固反応に用いる反応器（１）であって、
縦方向に相互に重ねて配置した１基以上のチャンバー（４）を備え、且つ
各々のチャンバー（４）は、耐液底部プレート（５）によって底部で結合され、
各々のチャンバー（４）は、該チャンバーに結合する耐液底部プレート（５）の下側で反応器の内部空間と液体用排水管（６）を介して連結され、そして液体生成物の流れは、最も深いチャンバー（４）の液体用排水管（６）を介して取り出され、
各耐液底部プレートの下側のガス空間（７）は、その空間の直ぐ上に配置されるチャンバー（４）に接続され、その接続は、チャンバー（４）の液体面の下側でガス出口孔（１０）を備えたガス分散器モジュール（９）に開口（それぞれ開口）する１本以上のガス導入管（８）を用いることによって行われ、そして
各チャンバー（４）は、各ガス分散器モジュール（９）の周囲に垂直に配置され、上端部が液体面の下側で、下端部がチャンバー（４）の耐液底部プレート（５）の上側にあり、そして各チャンバー（４）をガスが流れる１以上の空間（１２）とガスが流れない１以上の空間（１３）に分割する少なくとも１枚のガイド板（１１）を備えており、且つ
ガス分散器モジュール（９）はまっすぐな管状部分（１４，１５）から作製されたことを特徴とする反応器（１）。
管状部分（１４，１５）は、環状の断面を有する中空の円柱体である請求項１に記載の反応器（１）。
管状部分（１４，１５）は相互に直角に配置される請求項１または２に記載の反応器（１）。
各ガス分散器モジュール（９）は、ガス導入管（８）の上端部を包囲する垂直方向の管状部分（１４）によって形成され、この垂直方向の管状部分（１４）にガス出口孔（１０）を有する１、２個またはそれ以上の水平方向の管状部分（１５）が連結されている請求項１〜３のいずれかに記載の反応器（１）。
各ガス分散器モジュール（９）は２個以上の水平方向の管状部分（１５）を有し、好ましくはこれらの管状部分（１５）は、垂直方向の管状部分（１４）の周囲に対称に配置されている請求項４に記載の反応器（１）。
垂直方向の管状部分（１４）は環状の断面を有する中空の円柱体であり、１個以上の水平方向の管状部分（１５）は、４辺からなる断面、特に矩形状の断面を有する中空の円柱体である請求項４または５に記載の反応器（１）。
各ガス分散器モジュール（９）は、直線に配置された２個の水平方向の管状部分（１５）を有する請求項４または５に記載の反応器（１）。
全ての水平方向の管状部分（１５）は同じ高さに配置されている請求項４〜７のいずれかに記載の反応器（１）。
水平方向の管状部分（１５）は、チャンバー（４）の底部プレート（５）から所定の距離、好ましくはチャンバー（４）における液体の深さに対して４０〜９０％の距離をおいて配置され、該距離は、チャンバー（４）の底部プレート（５）から液体用排水管までを測定することにより得られる請求項４〜８のいずれかに記載の反応器（１）。
水平方向の管状部分（１５）のガス出口孔（１０）は水平方向に１列以上で配置される請求項４〜９のいずれかに記載の反応器（１）。
ガイド板（１１）は平坦である請求項１〜１０のいずれかに記載の反応器（１）。
ガス分散器モジュール（９）は各耐液底部プレート（５）上に多数の列をなして配置され、各列におけるガス分散器モジュール（９）の水平方向の管状部分（１５）はまっすぐに配置され、そして異なる列における水平方向の管状部分（１５）は相互に平行となるように配置される請求項１〜１１のいずれかに記載の反応器（１）。
堰き止め部（１６）は、水平方向の管状部分（１５）と垂直方向の管状部分（１４）によって規定される面においてガス分散器モジュール（９）の各列に配置され、その堰き止め部（１６）は、垂直方向において、チャンバー（４）の耐液底部プレート（５）からチャンバー（４）の液体面の上側に向けて延在し、水平方向において、一端側が反応器（１）の内壁に向かって、そして他端側が液体の移動が自由となるように延在して、ガス分散器モジュール（９）の隣接する列の堰き止め部（１６）では、反応器（１）の内壁部の反対側で交互に液体の移動が自由となっている請求項１２に記載の反応器（１）。