JP2008539060A - 触媒支持体 - Google Patents
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Abstract
この発明は、円筒形状の触媒体（１）に係り、その触媒体（１）の周囲面（３）上に凹凸が形成されている。その凹凸は好適には溝部（４）とブリッジ部（５）とからなり、それらが前記触媒体（１）の縦軸（２）に平行に延在している。
Description
この発明は、例えば炭化水素の水蒸気改質に使用し得る触媒支持体に関する。
気体相中における非均質触媒反応に際して可能な限り大きな生産量と可能な限り高い効率を達成するために、気体相と触媒表面の間に可能な限り大きな接触面を形成し、それによって触媒と気体状反応成分の間で集中的な交換を可能にする必要がある。そのため、小さな触媒体の緩やかな集合体として触媒を生成する、非均質触媒反応のための反応炉が開発されている。その集合体は、一方で固形の触媒と気体状の反応物との間の接触面として大きな表面を形成し、他方で反応炉を介しての圧力低下が過度に大きくならないように形成する必要がある。そうでないと、反応炉を介してのガス通流が減少し、必要に応じて反応ガスの高圧縮が必要となる。反応炉内に収容された触媒は、可能な限り大きな割合で触媒反応のために利用可能である必要がある。すなわち触媒は過度に高い密度を有するものとすべきでなく、その理由は、さもないと触媒体内の奥深くに位置していて触媒反応に使用され得ない触媒の割合が増加するためである。従って触媒体は、その触媒体の重量に対して可能な限り大きな比率の表面を有することが必要である。さらに、触媒は充分な物理的強度を有する必要があり、それによって触媒体が機械的な負荷によって破壊されまた触媒容器内の流路の目詰まりを起こして圧力降下の増大をもたらす微細な粉末あるいは顆粒へ粉砕されることが防止される。触媒体はさらに、反応炉内に充填する際に所要の嵩を形成するように成形する必要があり、すなわち例えば触媒体が引っかかって反応炉内に触媒が充填されていない大きな空洞が形成されることは許容されない。
従って単純な丸体または顆粒の他に、均一な嵩と可能な限り大きな表面積を形成するものである、一連の触媒体が開発されている。既に多くの触媒体形状パターンが存在するものの、依然として改善の余地がある。
触媒あるいは触媒体が充填された反応炉は通常数ヶ月ないし数年の長い期間にわたって稼動し、従って所要の化合物の製造に際しての僅かな生産量の増加によっても装置の収益性に関して大きな経済効果がもたらされる。
同様に、触媒成形体の安定性の僅かな増加によっても、装置の稼働時間を延長することができるとともに触媒包装体の交換のための製造プロセスの中断が少なくなるため、大抵重要な経済的利点がもたらされる。
独国特許第３９３５０７３号明細書には、水蒸気と酸化金属触媒成形体の存在下かつ高温下における炭化水素、特にアルキル芳香族の触媒脱水方法が記載されている。その成形体は少なくとも３本の歯からなる歯車形状の構成を有しており、その際以下の寸法比が成立する：
（ａ） 歯先円直径（ｄ２）：歯元円直径（ｄ１）が約１．２ないし２．５：１；
（ｂ） 歯元の隙間幅（ｂ１）：歯幅（ｂ２）の比が０．１ないし０．９：１；
（ｃ） 歯元の隙間幅（ｂ１）が少なくとも０．１ｍｍとなる。
（ａ） 歯先円直径（ｄ２）：歯元円直径（ｄ１）が約１．２ないし２．５：１；
（ｂ） 歯元の隙間幅（ｂ１）：歯幅（ｂ２）の比が０．１ないし０．９：１；
（ｃ） 歯元の隙間幅（ｂ１）が少なくとも０．１ｍｍとなる。
独国特許出願公開第３９３４０３２号Ａ１明細書には、縦方向に延在している核領域を備えその上にＴ字型の断面を有していて縦方向に延在している突起部が配置されている、熱伝導要素あるいは充填体要素が記載されている。
独国特許出願公開第３１４１９４２号Ａ１明細書には、実質的にシリンダ形状の構造を有していて、シリンダ円周部から半径方向内側に延在する複数の縦方向窪み部を備えていてそれらがそれらの間に配置された隆起部によって仕切られていて、その隆起部の最大幅が窪み部の最大幅よりも大きくなるものである、触媒成形体が記載されている。
独国特許出願公開第３１１８８３５号Ａ１明細書には、無水マレイン酸を製造するためのｎブタンの部分酸化のための触媒構造が記載されている。その触媒は、錠剤型の形状を有しており、その中央には穴あるいは空洞部が形成されている。
独国特許出願公開第２９１４０７９号明細書には、特に多量の水分からの微量元素濃縮に適している、反応性材料を含んだ交換式充填材が記載されている。この充填材は機械的に安定した外郭と隣接する物質による機械的な侵入から防護されていて液体透過性の反応性表面を有している。
独国特許出願公開第２７１９５４３号Ａ明細書には、特に炭化水素の変換のための触媒を吸収するためのセラミック成形体が記載されている。このセラミック成形体は管の形状を有しており、その中空部内に縦軸から外側方向に向かって放射状に延在するブリッジ部が形成されている。
独国特許出願公開第２４２５０５８号明細書には、管片の形状を有したセラミック材料製の充填成形体が記載されている。その管片は、互いに平行に延在している複数の縦方向通路を備えている。その複数の縦方向通路は中央の縦方向通路の周りに配置することができる。
従って本発明の目的は、可能な限り均質な触媒充填材の製造を可能にし、同時に可能な限り大きな触媒体の表面積を形成するものである、触媒体を提供することである。
前記の課題は、請求項１に記載された特徴を有する触媒体によって解決される。従属請求項には好適な追加構成が示されている。
本発明によれば、円筒形状の触媒体を形成し、その触媒体はその周囲面上に触媒体の縦軸に平行に延在する溝部とその溝部の間に延在するブリッジ部を備えている。この触媒体は、溝部およびその溝部の間に延在するブリッジ部が部分円形状の断面を有することを特徴とする。
触媒体の周囲面上に設けられた溝部とブリッジ部によって触媒体の表面積が拡大され、従って同じ量の活性剤でも純粋な円筒形と比べてより大きな触媒とガス状の反応対象物質との間の接触面が形成される。それによって、一定の触媒量においてもより高い反応対象物の処理量が達成され、その結果単位時間当たりの生産量の増加が達成される。溝部は部分円形状の断面を有している。ここで断面とは、触媒体の縦軸に対して垂直な切断面として見たものである。円弧形状の溝部の構成によって、触媒体の破壊につながる圧力によるひび割れが防止される。溝部の間には、部分円形状の断面を有するブリッジ部が延在している。ブリッジ部表面の円弧形状の断面構成により、触媒体を反応炉内に充填する際に破損し易い角部を回避することができる。本発明に係る触媒体において、ブリッジ部の部分円の半径は溝部の部分円の半径と異なるように選択される。従ってこの触媒体は、１つの触媒体のブリッジ部が別の触媒体の溝部に係合しそれによって該当するブリッジ部と溝部の表面が互いに平面的に接合して有効な触媒表面積が減少するように、重なり合わさることはない。ブリッジ部の断面の半径が溝部の半径よりも小さい場合、ブリッジ部が溝部内に進入することは可能であるが、溝部とブリッジ部の表面が平面的に接合することはない。好適な実施形態においては、ブリッジ部の部分円の半径が溝部の部分円の半径よりも大きいものとなる。その方式により、ブリッジ部が溝部内に進入してそこに着合することは不可能となる。溝部の部分円の半径は１ないし５ｍｍ、特に２ないし３ｍｍに選択することが好適である。ブリッジ部の部分円の半径は２ないし５ｍｍ、特に３ないし４ｍｍに選択することが好適である。
触媒体は、その触媒体の縦軸に沿って延在する中央通路を有することが好適である。この方式によって、触媒体の安定性の著しい低下を被ることなく、触媒体の表面をさらに拡大しまた触媒体の密度あるいは重量をさらに低減することができる。
前記の中央通路は円形の断面を有することが好適である。
好適な構成形態によれば、縦軸に平行であるがそれに対して偏心である副通路を触媒体が有している。その副通路によって触媒体の表面の更なる拡大が達成され、また触媒体を生成するために必要とされる活性材料の量がさらに削減される。
前記の副通路は円形の断面を有することが好適である。
副通路の数は７本超、特に８本超、特に好適には９本超に選択することが好適である。触媒体の表面積を大きく形成するとともに触媒体によってもたらされる圧力低下を可能な限り低く抑制することができるように、副通路の数を可能な限り多くに選択することが好適である。他方、触媒体の安定性との間で折り合いを付ける必要がある。副通路間あるいは中央通路と副通路の間のブリッジ部は、充填材によってもたらされた荷重を個々の触媒体によって吸収するために、充分な幅を有する必要がある。
副通路の縦軸は円上あるいは円筒外周上に配置することが好適であり、その円心あるいは中心軸は触媒体の縦軸によって形成されるものとなる。従って触媒体は実質的に回転対称形の構造を有し、それによって反応炉の包装材中における触媒体の配置の高い自由度が達成され、すなわち触媒体の包装材の均質性が高められ、その結果反応炉包装材を介した均一なガス流が達成される。副通路の中心点あるいは縦軸が配置されている円の直径は１０ないし２０ｍｍ、特に１２ないし１６ｍｍとすることが好適である。
ブリッジ部の部分円の中心点は対応する副通路の縦軸上に配置することが好適である。それによって、触媒体の外側に向かって副通路に接しているブリッジ部が均等な厚みを有するものとなり、触媒体の外側に作用する力がブリッジ部の円弧形状を介して触媒体内に伝導され、その結果触媒体の安定性を高めることができる。ブリッジ部の円弧形状は触媒体の端面の形状から見取ることができる。
触媒体内に配置されている副通路は中央通路に比べてより小さな直径を有することが好適である。中央通路の直径は、触媒体の表面積を拡大するとともに個々の触媒体によってもたらされる圧力降下を低減するために、比較的大きく選択することができる。その際中央通路の直径は、中央通路と副通路の間に形成されたブリッジ部が所要の触媒体の安定性を保証するために充分な厚さを有するように選択される。
中央通路の直径は４ないし８ｍｍに選択することが好適である。副通路の直径は１．５ないし３ｍｍに選択することが好適である。副通路を触媒体の外側に向かって仕切っているか、または副通路間あるいは副通路と中央通路の間に配置されているブリッジ部の厚さは、１ｍｍ超、特に１．５ｍｍ超、特に好適には１．６ないし４ｍｍに選択される。
反応炉内において可能な限り均等な触媒体の嵩を達成するために、本発明に係る触媒体は、その縦軸方向の長さがこの触媒体の縦軸に対して垂直な直径と近似するものとなるように形成される。触媒体の直径と縦軸方向の長さの比は０．９ないし１．５となるように選択することが好適である。触媒体の直径は１５ｍｍないし３０ｍｍ、特に１８ないし２５ｍｍに選択し、約２１ｍｍとすれば特に好適である。触媒体の縦軸方向の長さは１５ｍｍないし３０ｍｍ、特に１８ないし２５ｍｍに選択し、約１６ｍｍとすれば特に好適である。
可能な限り長い触媒体の充填材の寿命を達成するために、触媒体は充分に高い剛性を有する必要がある。このことは一方で触媒体の幾何学的構造によって、他方で触媒体を製造するための材料の強度によって達成することができる。触媒体は７００Ｎ超の耐側圧強度を有することが好適である。その耐側圧強度は、２枚の平らなシュー間に固定された触媒体が破裂するために少なくとも必要とされる力を測定することによって判定することができ、その際平らなシューの面は触媒体の縦軸と平行になるように配置される。
前記の触媒体は特に炭化水素の水蒸気改質への使用に適している。水蒸気改質用の触媒としての実施形態において、触媒体は実質的にいずれも酸化金属で計算して：
ＮｉＯ １０−２０重量％
ＣａＯ １０−２０重量％
Ａｌ２Ｏ３ １００重量％までの残余分
から形成することが好適である。
ＮｉＯ １０−２０重量％
ＣａＯ １０−２０重量％
Ａｌ２Ｏ３ １００重量％までの残余分
から形成することが好適である。
触媒体は少量の不純物を含むことが可能である。触媒体中のＮａならびにＳｉＯ２の含有率は０．０５重量％未満とすることが好適である。
本発明に係る触媒体は、例えば押出し成形等の一般的な方式によって製造することができる。その際触媒体の成分は５ないし３００μｍの平均粒子大Ｄ５０を有する微細な粉末に破砕され、これに必要に応じて黒鉛または長鎖の脂肪酸等の潤滑剤が混合され、その後必要に応じて水を混合して所要の形状に変換される。
本発明の別の対象は、前述した触媒体の炭化水素の水蒸気改質への適用方法である。
次に、本発明について添付図面を参照しながら、以下詳細に説明する。
図１には、本発明に係る触媒体１の縦軸２に対して垂直な断面あるいはこの触媒体の端面が示されている。触媒１の外周面３は、溝部４とブリッジ部５の連続の組合せである。断面の外観において溝部４とブリッジ部５はいずれも部分円形を有しており、その際溝部４の部分円の半径６はいずれもブリッジ部５の部分円の半径７よりも小さく選択されている。従って触媒体が隣接して存在する場合にも、１つの触媒体１のブリッジ部５が別の触媒体１の溝部４の表面に平面的に接合することはない。触媒体１の縦軸２に沿って中央通路８が延在している。中央通路８の周りには、その円心が触媒体１の縦軸２と一致している円９に沿って規則的な間隔で副通路１０が配置されており、それらは中央通路８と平行に延在している。副通路１０の直径１１は中央通路８の直径１２よりも小さいものとなる。その際副通路１０の縦軸１３は対応するブリッジ部５の部分円の縦軸あるいは円心と一致するものとなり、従って副通路は触媒体１の外側方向に向かって円弧形状のブリッジ部１４によって仕切られており、それが実質的に一定の厚みを有するものとなる。その際２本の副通路１０の間に位置しているブリッジ部１５の厚みは、円弧形状のブリッジ部１４の厚みに略相当する。図示された実施形態において、中央通路８と副通路１０の間に形成されたブリッジ部１６の厚みは、２本の副通路１０の間に形成されたブリッジ部１５の厚みと比べて大きく選択されている。触媒体１の直径１７はこの触媒体の縦軸２に沿った縦延長に略相当する。
１ 触媒体
２ 縦軸
３ 外周面
４ 溝部
５ ブリッジ部
６ 半径
７ 半径
８ 中央通路
９ 円
１０ 副通路
１１ 直径
１２ 直径
１３ 縦軸
１４ ブリッジ部
１５ ブリッジ部
１６ ブリッジ部
１７ 直径
２ 縦軸
３ 外周面
４ 溝部
５ ブリッジ部
６ 半径
７ 半径
８ 中央通路
９ 円
１０ 副通路
１１ 直径
１２ 直径
１３ 縦軸
１４ ブリッジ部
１５ ブリッジ部
１６ ブリッジ部
１７ 直径
Claims (17)
- 触媒体（１）の縦軸（２）に平行に延在する溝部（４）群とそれらの溝部（４）の間に延在するブリッジ部（５）群を外周面（３）上に備えた円筒形状の触媒体であり、前記溝部（４）およびそれらの溝部（４）の間に延在しているブリッジ部（５）がその断面において部分円の形状を有しており、前記ブリッジ部（５）の部分円の半径（７）が前記溝部（４）の部分円の半径（６）とは異なったものとなることを特徴とする触媒体。
- ブリッジ部（５）の部分円の半径（７）が溝部（４）の部分円の半径（６）よりも大きく選択されることを特徴とする請求項１記載の触媒体。
- 触媒体（１）はこの触媒体（１）の縦軸（２）に沿って延在する中央通路（８）を有することを特徴とする請求項１または２記載の触媒体。
- 中央通路（８）は円形の断面を有することを特徴とする請求項３記載の触媒体。
- 触媒体（１）はこの触媒体（１）の縦軸（２）に平行であるがそれに対して偏心である副通路（１０）を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の触媒体。
- 副通路（１０）は円形の断面を有することを特徴とする請求項５記載の触媒体。
- 副通路（１０）の数は７本超、特に８本超、特に好適には９本超に選択することを特徴とする請求項５または６記載の触媒体。
- 副通路（１０）の縦軸（１３）は、その円心が触媒体（１）の縦軸（２）によって形成されるものである円（９）上に配置することを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載の触媒体。
- ブリッジ部（５）の部分円の中心点を副通路（１０）の縦軸（１３）上に配置することを特徴とする請求項５ないし８のいずれかに記載の触媒体。
- 副通路（１０）は中央通路（８）に比べてより小さな直径を有することを特徴とする請求項５ないし９のいずれかに記載の触媒体。
- 中央通路（８）の直径を４ないし８ｍｍに選択することを特徴とする請求項３ないし１０のいずれかに記載の触媒体。
- 副通路（１０）の直径を１．５ないし３ｍｍに選択することを特徴とする請求項５ないし１１のいずれかに記載の触媒体。
- 触媒体の直径（１７）と縦軸方向の長さの比は０．９ないし１．５となるように選択することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の触媒体。
- 触媒体（１）は７００Ｎ超の耐側圧強度を有することを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の触媒体。
- 触媒体（１）はいずれも酸化金属で計算して実質的に：
ＮｉＯ １０−２０重量％と
ＣａＯ １０−２０重量％と
Ａｌ２Ｏ３ １００重量％までの残余分
から形成することを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載の触媒体。 - 触媒体（１）中のＮａならびにＳｉＯ２の含有率は０．０５重量％未満とすることを特徴とする請求項１ないし１５のいずれかに記載の触媒体。
- 炭化水素の水蒸気改質への請求項１８または１９記載の触媒体の適用方法。
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