JP2010510046A - 合成反応器を通流する反応ガス中に酸素を噴射するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

純粋な形で、空気として、あるいはまた不活性ガスまたは水蒸気と混合された形で供給され得る酸素を反応ガス中に噴射するための装置を有する合成反応器であって、反応ガスが、たとえば酸化脱水素設備で使用される当該合成反応器を通流するようになっており、酸素と反応ガスとが互いに異なる温度を有しており、反応ガスの流れ方向で見て、触媒充填層を収容するための装置の手前に分配エレメントが設けられており、該分配エレメントが、１つの分配体と、２つの管底部と、反応ガスを導通させるための多数のガス案内管とを有しており、該ガス案内管の間の室に酸素を供給可能である形式のものにおいて、前記ガス案内管に対して直角に少なくとも１つの案内金属薄板が配置されており、該案内金属薄板が前記中間室を少なくとも２つの分配室に分割しており、両分配室は、１つまたは複数の開口によって流体が流れるように互いに連通されているか、または互いに移行し合っており、流れ方向で見て第１の分配室に少なくとも１つのガス管路が通じており、該ガス管を介して酸素が供給可能であり、流れ方向で見て下側の管底部に、ノズル、孔またはこれに類するものの形の多数の開口が設けられており、該開口を介して酸素が前記中間室から流出するようになっており、下側の管底部の下方に、固形物なしの混合ゾーンが設けられている、合成反応器。

Description

本発明は、合成反応器であって、該合成反応記が、該合成反応器を通流する反応ガス中に酸素含有ガスを噴射するための装置を有しており、噴射したい酸素含有ガスと、反応ガスとが、互いに異なる温度を有しており、反応ガスの流れ方向で見て触媒充填層を収容するための装置の上流側に、２つの管底部と、反応ガスを導通させるための多数のガス案内管とを備えた分配体からなる酸素分配エレメントが設けられており、ガス案内管の周囲でかつ該ガス案内管の間に形成された中間室に酸素が供給可能である形式のものに関する。この場合、ガス案内管に対して直角に少なくとも１つの案内金属薄板が配置されており、該案内金属薄板は前記中間室を少なくとも２つの分配室に分割しており、両分配室は１つまたは複数の開口によって、流体が流れるように互いに連通されているか、または互いに移行し合っている。さらに、ガス管路が第１の分配室内に通じており、このガス管路を介して酸素が供給可能であり、流れ方向で見て下側の管底部にノズル、孔またはそれに類するものの形の多数の開口を備えており、これらの開口を介して酸素は中間室から流出することができ、かつ下側の管底部の下方に設けられた固形物なしの混合ゾーンに導入され得る。この場合、混合ゾーン内への酸素含有ガスと反応ガスとの供給は、本発明によれば、混合が達成されてから、ガス混合物が触媒充填層に流入し、次いでこの触媒充填層において所望の反応が行なわれるように行われる。このためには、ノズル端部と触媒充填層の表面との間の間隔は理想的には、混合は行われているが、混合室内ではまだ反応が行われないか、または極小さな規模しか行われないように設定される。

合成反応器のためのガス分配システムは、公知先行技術において十分に記載されている。米国特許第６２６７９１２号明細書には、分配システムを有する合成反応器が開示されている。この分配システムでは、反応ガスを案内する各通路が、１つまたは複数の通路に接続されており、この通路には装入ガスが流れている。提案された分配システムは、構造的に極めて手間のかかるものであり、反応ガスと装入ガスとの所要の部分流が正確に調節されるように通路横断面を設定するという問題がある。

さらに、反応ガスが多数のガス案内管を通流し、装入ガスが、１つの分配室内でこのガス案内管を取り囲むように流れて、１つまたは複数の孔を介して直接にこのガス案内管内に流入し、これらのガス案内管内で混合されるシステムが知られている。このようなガス分配装置を備えた合成反応器は、米国特許第５１０６５９０号明細書、ＤＥ３８７５３０５Ｔ２、国際公開第０２／０７８８３７号パンフレットに記載されている。この装置では、開口横断面、製造精度またはガス案内管内の圧力の僅かな差が生じただけでも、ガス案内管に供給される装入ガスに差異が生じてしまうという問題が残っている。触媒床の手前で横方向混合が行われないので、ガス流はストランドの形で触媒床を通過し、これによって変換率は低下する。ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００４０２４９５７号明細書には、同様の分配装置が開示されている。この分配装置は、触媒堆積層に載着されているか、もしくは載置されている。この場合には、配置が最適でないと、触媒に進入した高温のガス噴流が、堆積層内に孔を焼成してしまうという問題が生じる。

国際公開第０３／００４４０５号パンフレットおよび特開２００３−０１３０７２号公報には、オートサーマルリフォーミング法（ＡＴＲ）によって合成ガスを製造するための方法および装置が記載されている。この場合、酸素含有ガスは、部分的な酸化が行われてから、ガス混合物が後続の触媒床に流入するように反応ガスと混合される。分配装置は、酸素含有ガスがノズルの内側の部分を介して案内され、反応ガスが同心的な外側の環状ギャップを介して供給されるように設計されている。このような設計は、できるだけ安定的な拡散炎が形成されるように行われる。さらに分配器の内側には、孔付き金属薄板が設けられている。この孔付き金属薄板を用いて、人工的な圧力損失が発生させられる。この圧力損失により、反応ガス量ができるだけ均一に、同心的な環状ギャップへ分配されることを生ぜしめようとしている。したがって、上記国際公開パンフレットにおいて提案された装置は、できるだけ反応のない純粋な混合を目的としているのではなく、多数の個別バーナを介した安定的な火炎で部分酸化反応を実施する全体バーナ装置（Gesamtbrennervorrichtung）を成している。

触媒層へのガス混合物の流入前に理想的には混合しか許さず、反応変換を許さないか、または極めて僅かな反応変換しか許さない本発明とは異なり、国際公開第０３／００４４０５号パンフレットおよび特開２００３−０１３０７２号公報に記載の構成では、同軸的に形成されたノズルにできるだけ安定的な火炎が形成されるように、反応ガス量の意図的な部分的な酸化反応が生ぜしめられる。さらに国際公開第０３／００４４０５号パンフレットおよび特開２００３−０１３０７２号公報に記載の構成では、本発明による装置とは異なり、反応ガスが分配装置の内部に、酸素含有ガスが軸方向の管を通じてそれぞれバーナに案内される。このことから、流れ方向で見て分配装置の手前に位置する、酸素で満たされた大きな体積が生ぜしめられる。本発明では、酸素含有ガスは、酸素分配装置の制限された体積の内部にしか存在せず、このことは特に安全技術上の配慮から優先され得る。

国際公開第２００７／０４５４５７号パンフレットには、酸素を、軸方向の管に通して案内し、これらの軸方向の管の端部にそれぞれ位置する分配装置を介して半径方向および軸方向で反応ガス内に分配することにより、酸素と反応ガスとを混合する混合装置が開示されている。この場合、軸方向の管は、底部プレートを超えて混合ゾーンに突入している。反応ガスは、軸方向の管の外部に案内されて、スリットまたは開口を介して混合ゾーンに供給される。

実験により、管プレートを超えて延長された管は、特にプレートと管の端部との間で不都合な流れ特性および再循環を伴うゾーンを形成することが判った。これによって混合が損なわれると同時に、ガス混合物または個別ガスの一部の滞留時間も延長されて、局所的な反応が増幅されて進行し得るようになる。この理由から本発明では、軸方向の管の端部が下側の管底部と同一平面を成して整合されていて、噴射のための手段として規格化されたノズルが、軸方向の管のジオメトリ的な配置特徴と、触媒床の空間的な配置とに結び付けられている。なぜならば、こうして初めて混合が所望の形で実施され得るからである。

さらに国際公開第２００７／０４５４５７号パンフレットに記載の構成では、分配装置の内部の変向金属薄板もしくは案内金属薄板が設けられていない。これにより両ガスに温度差がある場合には必然的に、ガスが混合室に流入する前に、分配装置の内部にもガス中の温度分布が生じてしまう。これによって、所定の流出スリットによる質量流の等分配が損なわれると同時に、局所的に互いに異なる温度、ひいては互いに異なる物質値によって、混合室への流出後の混合も、反応器横断面にわたって不均一になる。これとは異なり、本発明によれば、案内金属薄板によって酸素分配ボックスの内部での意図的な流れ案内と滞留時間延長とが設定されている。これにより、酸素がノズルを介して混合室内へ案内される前に、酸素の均一な温度が達成される。ノズルからの流出前に酸素分配ボックスの内部での温度が均一となることは、反応器横断面全体にわたって均一なノズルの通流量、ひいては混合室内への均一な供給を保証するための前提条件である。このような装置は、反応ガスと酸素との高い温度差および大きな反応器の横断面、ひいては酸素分配装置の大きな寸法においても、均一な酸素温度を調節することを可能にする。

したがって、相変わらず、構造的に簡単に構成されており、かつ確実な方法実施を可能にするような合成反応器を提供するという課題が生じる。

この課題は、酸素を噴射するための装置を有する本発明による合成反応器によって解決される。この場合、酸素は、純粋な形で、空気として、あるいは不活性ガスまたは水蒸気と混合された形で供給され得る。この酸素含有ガスは反応ガス中に導入可能であり、反応ガスは、たとえば酸化脱水素装置で使用される合成反応器を通流し、この場合、酸素含有ガスと反応ガスとは互いに異なる温度を有しており、反応ガスの流れ方向で見て、触媒充填層を収容するための装置の手前に酸素分配エレメントが設けられており、該酸素分配エレメントが、２つの管底部と、反応ガスを導通させるための多数のガス案内管とを有しており、該ガス案内管の周囲でかつ該ガス環の間の中間室に酸素が供給可能であり、
ｉ）前記ガス案内管に対して直角に少なくとも１つの案内金属薄板が配置されており、該案内金属薄板が前記中間室を少なくとも２つの分配室に分割しており、両分配室は、１つまたは複数の開口によって流体が流れるように互いに連通されているか、または互いに移行し合っており、
ｉｉ）流れ方向で見て第１の分配室に少なくとも１つのガス管路が通じており、該ガス管を介して酸素が供給可能であり、
ｉｉｉ）流れ方向で見て下側の管底部に、ノズル、孔またはこれに類するものの形の多数の開口が設けられており、該開口を介して酸素が前記中間室から流出するようになっており、
ｉｖ）下側の管底部の下方に、固形物なしの混合ゾーンが設けられている。

この場合、触媒充填層の表面に対するノズル、孔またはこれに類するものの間隔は、それぞれの流れに合わせて調整されて、最良には少なくとも４０ｍｍ、最大で２５０ｍｍ、有利には１２０ｍｍである。

酸素含有ガスと反応ガスとの温度差が大きくなるにつれて、複数の案内金属薄板が使用されるように合成反応器を改善することができる。この場合、これらの案内金属薄板は最良には、孔またはノズルの上方で、半径方向で圧力の等分配が行われるように傾斜させられる。

改良された変化形では、下側の管底部に配置されている孔またはノズルが、垂線から傾斜させられている。この傾斜は、理想的には接線方向で行われる。これにより反応器の壁に直接に衝突する流れが回避される。

別の改良形は、各孔またはノズルが、前記ガス案内管の流出部の下方でそれぞれ個々のガス案内管の軸線の方向に向けられているように各孔を設けるか、または各ノズルを位置調整することにある。これによって、それぞれ個別の反応ガス噴流に、少なくとも１つのＯ_２噴流が直接的な反応パートナとして供給されることが確保される。下側の管底部の下の混合ゾーンでは、規定通りの運転では、多数の小空間の混合ゾーンが形成される。この場合、複数の孔またはノズルが、前記ガス案内管の流出部の下方でそれぞれ１つのガス案内管の軸線に向けられていることも考えられる。

さらに別の有利な実施形態では、反応ガスを導通させるためのガス案内管が、反応器内部で互いに対して同心的な環状体を描くように配置されている。この場合、ガス案内管が、互いに対して４５°、３０°または６０°の角度で配置されていると、混合ゾーンにおける混合過程の効率を改善することができる。

さらに本発明によれば、前に挙げた実施態様のうちの１つによる合成反応器を使用して、酸素を反応ガス中に噴射するための方法が包含されている。本発明の方法では酸素が、少なくとも６０ｍ／ｓ、有利には少なくとも１００ｍ／ｓ、理想的には少なくとも１４０ｍ／ｓのガス速度で個別ノズルから流出する。

本発明による方法の有利な実施態様では、酸素が、触媒充填層への流入前に、ガス案内管から流出した反応ガスと完全に、またはほぼ完全に混合される。触媒堆積層の内部で所望の反応ができるだけ最適に行われるようにするためには、混合物が触媒堆積層に流入する前に酸素含有ガスと反応ガスとのできるだけ均一な混合を得ることが目標となる。混合が理想的でないと、触媒堆積層表面に、理想的な混合時の酸素濃度よりも高いか、または低い酸素濃度を有する局所的なストリークが発生する。したがって混合の品質は、触媒層表面における酸素濃度の理想的な混合平均値からのガス混合物中の酸素濃度の局所的な偏差につき表わすことができる。触媒層への流入時における反応ガスと、供給された酸素とから成る混合物中の局所的な酸素濃度が、理想的な混合における平均酸素濃度の６０％である最低の酸素濃度を下回っていない場合に、ほぼ完全な混合が達成されていると云える。この酸素濃度は、平均的なＯ_２濃度の８０％を超えていると有利であり、より有利には９０％を超えていることが望ましい。

本発明による方法は、ガス混合ゾーンへの流出時における、酸素分配エレメントの内部の酸素の温度差が、全てのノズルにおいて１００℃よりも小さくなるようにして改善され得る。この温度差は有利には５０℃よりも小さく、理想的には３０℃よりも小さい。ノズルの通流量には、圧力や温度のような運転条件およびこれらの運転条件に関連した物質特性、たとえば密度および粘度によって影響が与えられる。単一の前圧力がかけられている場合、酸素分配エレメント内部の酸素含有ガスの温度分布が均一であればあるほど、ますます均一な通流が全てのノズルを介して達成される。

酸素分配エレメント内部の酸素温度の不均一な分布の原因は、分配エレメント内に供給された酸素と、酸素分配エレメントのガス案内管を通じて案内された反応ガスとが、プロセス条件により互いに異なる温度を有していることである。したがって、ガス案内管を介して酸素と反応ガスとの間の間接的な熱交換が行われる。実際の反応器では数メートルに達する直径が実現され得るので、互いに異なる流れ距離、ひいては酸素分配エレメントへの供給個所を起点として流出ノズルに達するまでの酸素の互いに異なる滞留時間に基づいて、個々のノズルにおいて高い温度差が生じる。流出ノズルにおけるこの温度差は、種々異なるノズル通流量を生ぜしめ、このこと自体は、反応器横断面にわたる酸素の不均一分配を招く。従来の構造を用いても、酸素分配エレメント内部の酸素含有ガスのこのように均一化された温度を達成することは不可能である。

すなわち、本発明による方法は最適には、供給された酸素と反応ガスとの熱交換が、ガス案内管および該ガス案内管を取り囲む室内において行われるので、酸素が混合ゾーン内への流入時に、混合室内の反応ガスと実質的に同じ温度を有しているように形成される。

以下に本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

本発明による合成反応器および該合成反応器内に内蔵された分配装置の断面図である。 下側の管底部を下から部分的にのみ示した平面図である。 下側の管底部の断面図である。

図１には、本発明による合成反応器および該合成反応器内に内蔵された分配装置１の、特別な１実施形態が断面図の形で図示されている。分配装置１は、部分的にしか図示されていない合成反応器内に導入されている。図面から判るように、合成反応器の外壁２は、分配装置１の載置部の領域に、合成反応器を上側の反応器セグメント４と下側の反応器セグメント５とに分割するフランジ３を有している。分配装置１の下方にある程度の間隔を置いて、かつ下側の反応器セグメント５の領域に触媒堆積層６が配置されている。分配装置１の下方のガス室は混合ゾーン７を成していて、この混合ゾーン７では、反応ガスと酸素とが混合され、引き続き触媒堆積層６を通流する。触媒堆積層６では実際の合成反応が行われる。触媒堆積層６の後に、ガスは、合成反応器の底部で中央管８内へ変向されて（図示しない）、流出開口（図示せず）を通じて合成反応器から流出する。この場合、重力方向は符号「９」により示されている。

図１に示した分配装置１の主構成要素は、上側の管底部（Rohrboden）１１と下側の管底部１２とを有する環状の分配体１０、ならびにこの分配体１０内に通じた複数のガス管路１３である。図１には１つのガス管路１３しか示されていない。分配体１０内には、垂直方向の多数のガス案内管１４が配置されている。これらのガス案内管１４は、これらのガス案内管１４が上側の反応器セグメント４の内室を混合ゾーン７に接続することにより、分配体１０の通流を可能にしている。下側の管底部１２には、多数のノズル１５が配置されている。これらのノズル１５の数は、ガス案内管１４の数に一致している。さらに、分配体１０内には、両管底部１１，１２に対して平行に、かつガス案内管１４に対して直角に、同心的な案内金属薄板１７が設けられている。この案内金属薄板１７は、分配体１０の内室を上側の分配室１８と、下側の分配室１９とに分割している。両分配室１８，１９は、中央管壁２０の領域で流体が流れるように互いに連通されている。

規定通りの運転では、酸素含有ガスが、矢印１６の方向でガス管路１３を通じて分配体１０の内室に案内される。案内金属薄板１７によって、酸素含有ガスは上側の分配室１８内で半径方向に中央管８の方向に向かって案内される。この場合、ガス案内管１４はその周囲を酸素含有ガスによって流過され、熱交換が行われる。引き続き、酸素含有ガスは、中央管壁２０の近傍に位置する案内金属薄板１７の端部で下側の分配室１９に流入して、混合ゾーン７内に通じたノズル１５を介して下側の分配室１９から流出する。混合ゾーン７で酸素含有ガスは反応ガスと合流する。反応ガスは、矢印２１の方向で、上側の反応器セグメント４からガス案内管１４を通じて混合ゾーン７内へ流入する。酸素含有ガスと反応ガスとから成る混合物は、矢印２２の方向で触媒堆積層６を通流する。触媒堆積層６において実際の合成反応が行われる。

図２には、下側の管底部１２を下から見た図が示されているが、ただし一部しか図示されていない。図２から判るように、ガス案内管１４とノズル１５とは、同心的な円軌道２３，２４に沿って配置されている。この場合、ガス案内管１４とノズル１５とは、１つの円軌道に沿って交互に連続した１つの列を成している。

図３に示した断面図には、ノズル１５の傾斜を明確にするために、同じ下側の管底部１２が示されている。ノズル１５の回転軸線２５は、鉛直線から角度αだけ傾斜させられており、直接に隣接したガス案内管１４の回転軸線２６に向けられている。したがって、下側の分配室１９から到来してノズル１５を介して高いパルスで混合ゾーン７に送出された各１つの酸素含有ガス噴流が、鉛直方向で上方からガス案内管１４を介して混合ゾーン７に流入した各１つの反応ガス噴流に合流する。これらの両ガス噴流は、下側の管底部に下方である程度の間隔を置いて互いに合流し、このときに混合され、その後に混合物は触媒堆積層６に流入する。

１ 分配装置
２ 外壁
３ フランジ
４ 反応器セグメント（上側）
５ 反応器セグメント（下側）
６ 触媒堆積層
７ 混合ゾーン
８ 中央管
９ 重力方向
１０ 分配体
１１ 上側の管底部
１２ 下側の管底部
１３ ガス管路
１４ ガス案内管
１５ ノズル
１６ 矢印、流れ方向
１７ 案内金属薄板
１８ 分配室（上側）
１９ 分配室（下側）
２０ 中央管壁
２１ 矢印、流れ方向
２２ 矢印、流れ方向
２３ 円軌道
２４ 円軌道
２５ 回転軸線
２６ 回転軸線

Claims (11)

1. 純粋な形で、空気として、あるいは不活性ガスまたは水蒸気と混合された形で供給され得る酸素を反応ガス中に噴射するための装置を有する合成反応器であって、反応ガスが、たとえば酸化脱水素設備で使用される当該合成反応器を通流するようになっており、酸素と反応ガスとが互いに異なる温度を有しており、反応ガスの流れ方向で見て、触媒充填層を収容するための装置の手前に分配エレメントが設けられており、該分配エレメントが、１つの分配体と、２つの管底部と、反応ガスを導通させるための多数のガス案内管とを有しており、該ガス案内管の間の室に酸素を供給可能である形式のものにおいて、
   −前記ガス案内管に対して直角に少なくとも１つの案内金属薄板が配置されており、該案内金属薄板が前記中間室を少なくとも２つの分配室に分割しており、両分配室は、１つまたは複数の開口によって流体が流れるように互いに連通されているか、または互いに移行し合っており、
   −流れ方向で見て第１の分配室に少なくとも１つのガス管路が通じており、該ガス管を介して酸素が供給可能であり、
   −流れ方向で見て下側の管底部に、ノズル、孔またはこれに類するものの形の多数の開口が設けられており、該開口を介して酸素が前記中間室から流出するようになっており、
   −下側の管底部の下方に、固形物なしの混合ゾーンが設けられている
   ことを特徴とする合成反応器。
2. 触媒充填層の表面からの前記孔または開口の間隔が、少なくとも４０ｍｍ、最大で２５０ｍｍ、有利には１２０ｍｍである、請求項１記載の合成反応器。
3. 下側の管底部に配置されている孔またはノズルが、垂線から傾斜させられている、請求項１または２記載の合成反応器。
4. 前記孔またはノズルが、接線方向で垂線から傾斜させられている、請求項３記載の合成反応器。
5. 前記各孔またはノズルが、前記ガス案内管の流出部の下方でそれぞれ個々のガス案内管の軸線へ向かう方向に向けられており、しかも複数の孔またはノズルが、前記ガス案内管の流出部の下方でそれぞれ１つのガス案内管の軸線に向けられていてもよい、請求項３または４記載の合成反応器。
6. 反応ガスを導通させるためのガス案内管が、反応器内部で互いに対して同心的な環状体を描くように配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の合成反応器。
7. 前記ガス案内管が、互いに対して４５°または３０°または６０°の角度で配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の合成反応器。
8. 請求項１から７までのいずれか１項記載の合成反応器を使用して、酸素を反応ガス中に噴射するための方法において、酸素を、少なくとも６０ｍ／ｓ、有利には少なくとも１００ｍ／ｓ、さらに有利には少なくとも１４０ｍ／ｓのガス速度で個別ノズルから流出させることを特徴とする、酸素を反応ガス中に噴射するための方法。
9. 酸素を、ガス案内管から流出した反応ガスと、触媒充填層への流入前に完全に、またはほぼ完全に混合し、ただしガス中の最小に生じた酸素濃度が、平均的な酸素濃度の６０％、有利には８０％、さらに有利には９０％を超えていると、ほぼ完全な混合が達成されている、請求項８記載の方法。
10. 混合ゾーンへの流入時の酸素の温度が、全てのノズルにおいて等しいか、またはほぼ等しく、ただしノズル間の温度差が、１００℃よりも低い、有利には５０℃よりも低い、さらに有利には３０℃よりも低い場合に、ほぼ等しい温度が達成されている、請求項８または９記載の方法。
11. ガス案内管のところで、かつガス案内管の周囲の室において流入酸素との熱交換を、酸素が、ガス混合室への流入時に、この個所における反応ガスとほぼ同じ温度を有するように行う、請求項８から１０までのいずれか１項記載の方法。

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