JP2012005966A - Reactor and manufacturing method of reacted substance using the reactor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inexpensive reactor which is simple and excellent in heat removal effect, and hardly imparts an adverse affect to reaction when performing trickle bed type reaction by using the reactor filled with a solid catalyst, and to provide a manufacturing method of a reacted substance using the reactor.SOLUTION: The reactor comprises: a cylindrical reactor body 10 filled with the solid catalyst which is used at the trickle bed type reaction for performing air-liquid solid catalyst reaction by making the solid catalyst contact with gas and liquid under a trickle flow condition; and a heat transfer plate 20 which contacts with the internal peripheral face 18 of the reactor body 10, and is arranged substantially in parallel with the center axis X of the reactor body 10. A surface area of the heat transfer plate 20 in a reactor zone between arbitrary different two cross sections whose center axes X orthogonally cross each other in a region filled with the solid catalyst of the reactor body 10 is formed so as to be 8.0 to 100[m/m] with respect to a capacity of the reactor zone.

Description

本発明は、固体触媒に灌液流条件下にて気体及び液体を接触させ気液固触媒反応を実施する際に使用する、固体触媒を充填するための反応器及びその反応器を用いて行なう反応物の製造方法に関する。   The present invention is carried out by using a reactor for filling a solid catalyst, which is used when a gas and a liquid are brought into contact with a solid catalyst under irrigation flow conditions to carry out a gas-liquid solid catalytic reaction, and the reactor. The present invention relates to a method for producing a reactant.

従来から、固体触媒を充填した反応器に灌液流条件で気相及び液相の反応原料を流通させる方法(以下、トリクルベッド式反応)は、気液固触媒反応を実施する形態のひとつとして知られている。トリクルベッド式は気−液間の物質移動に優れていることで知られており、例えば水素による基質の還元や酸素による基質の酸化など、工業的に有用な反応を固体触媒を用いて実施する際に、基質や触媒に対して水素などのガス成分の不足が起こりにくい、良好な反応環境を提供することができる。   Conventionally, a method (hereinafter referred to as trickle bed type reaction) in which gas phase and liquid phase reaction raw materials are circulated in a reactor filled with a solid catalyst under irrigation flow conditions is one of the embodiments for carrying out a gas-liquid solid catalyst reaction. Are known. The trickle-bed type is known for its excellent gas-liquid mass transfer. For example, industrially useful reactions such as reduction of a substrate by hydrogen and oxidation of a substrate by oxygen are carried out using a solid catalyst. In this case, it is possible to provide a favorable reaction environment in which a shortage of gas components such as hydrogen hardly occurs with respect to the substrate and the catalyst.

一方、トリクルベッド式反応では反応器内容積の大部分を充填された固体触媒が占めるが、このような固体による充填層は液体に比べ熱伝導に劣る。このため還元や酸化のような発熱反応を同方式で実施する場合、反応熱を除去し切れず、充填層内に過度に温度の上昇した部分(以下、ホットスポット)を生じてしまう。ホットスポットでは副反応による不純物の増加や触媒の早期劣化などを招いてしまうため、その形成は工業的な不利益をもたらすという問題がある。ホットスポットの形成は特に、充填層の水平方向の寸法を大きくした、スケールアップ条件下で顕著に起こり得るものである。   On the other hand, in the trickle bed type reaction, the solid catalyst filled in most of the internal volume of the reactor occupies, but such a packed bed of solid is inferior in heat conduction as compared with liquid. For this reason, when exothermic reactions such as reduction and oxidation are carried out in the same manner, the heat of reaction cannot be completely removed, and a portion where the temperature has excessively increased (hereinafter referred to as a hot spot) is generated. The hot spot causes an increase in impurities due to side reactions and premature deterioration of the catalyst. Therefore, the formation of the hot spot causes an industrial disadvantage. Hot spot formation can occur particularly under scale-up conditions where the horizontal dimension of the packed bed is increased.

このような問題を解決するため、特許第2647486号(特許文献1)や特許第3108736号(特許文献2)では、比較的径の小さな反応管を束ねた、多管式熱交換器に類似の反応器を用いて温度を制御することが示されている。また、特公平6−99337(特許文献3)では、反応塔の高さ方向の途中で冷却水素又は冷却原料油を導入するなどの方法による温度制御方法が開示されている。   In order to solve such a problem, Japanese Patent No. 2647486 (Patent Document 1) and Japanese Patent No. 3108736 (Patent Document 2) are similar to a multi-tube heat exchanger in which reaction tubes having relatively small diameters are bundled. It has been shown to control the temperature using a reactor. Japanese Patent Publication No. 6-99337 (Patent Document 3) discloses a temperature control method by a method such as introducing cooling hydrogen or cooling raw material oil in the middle of the height direction of the reaction tower.

また、特許文献1〜3に記載された方法以外に、反応原料を不活性な溶媒などによって希釈し、反応器に供給する単位量の流体あたりの反応量を低減し、反応器単位体積あたりの発熱量を抑制する方法も考えられる。   In addition to the methods described in Patent Documents 1 to 3, the reaction raw material is diluted with an inert solvent or the like, the reaction amount per unit amount of fluid supplied to the reactor is reduced, and the reaction unit volume per unit volume is reduced. A method of suppressing the heat generation amount is also conceivable.

特許第2647486号Japanese Patent No. 2647486 特許第3108736号Japanese Patent No. 3108736 特公平6−99337号公報Japanese Examined Patent Publication No. 6-99337

しかしながら、特許文献1及び2に記載された方法は、反応器の設備費用が高くなるという問題があり、特許文献3に記載された方法は、設備が複雑になり運転操作が煩雑になるという問題を有している。また、反応原料を不活性な溶媒などによって希釈する方法では、反応器のサイズが大きくなってしまうと共に、溶媒の回収・再利用のための工程を追加せねばならず、製造設備の複雑化やコストの増大が避けられないという問題がある。   However, the methods described in Patent Documents 1 and 2 have a problem that the equipment cost of the reactor becomes high, and the method described in Patent Document 3 has a problem that the equipment becomes complicated and the operation is complicated. have. In addition, in the method of diluting the reaction raw material with an inert solvent, the size of the reactor is increased, and a process for recovering and reusing the solvent must be added. There is a problem that an increase in cost is inevitable.

本発明は、このような点に鑑みなされたものである。すなわち、固体触媒を充填した反応器によってトリクルベッド式反応を実施するにあたり、簡便で除熱効果に優れ、かつ反応に悪影響を与えることの少ない安価な反応器を提供し、また、この反応器を用いて反応物を製造する方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of these points. That is, in carrying out trickle bed type reaction with a reactor filled with a solid catalyst, an inexpensive reactor that is simple and excellent in heat removal effect and has little adverse effect on the reaction is provided. It aims at providing the method of using and manufacturing a reactant.

前記の目的を達成するため、本発明に係る反応器は、固体触媒に灌液流条件下にて気体及び液体を接触させ気液固触媒反応を実施するトリクルベッド式反応の際に使用する固体触媒を充填する円筒状の反応器本体と、該反応器本体の内壁面に接し、かつ前記反応器本体の中心軸に対して実質的に平行に設けられた伝熱板とを備え、前記反応器本体の固体触媒が充填される領域における、前記中心軸に垂直に交わる任意の異なる二つの断面の間の反応器区分において、前記伝熱板の表面積が、該反応器区分の容積に対し8.0〜100[m/m]となるように設けられていることを特徴とする。ここで、実質的平行とは、反応器の製作や組み立ての精度の不足によって生じる傾きを許容し、全体として平行とみなすことを示す。前記伝熱板と中心軸とのなす角度が5度程度までは許容範囲の傾きとすることができる。 In order to achieve the above-mentioned object, the reactor according to the present invention is a solid used in a trickle bed type reaction in which a gas and a liquid are brought into contact with a solid catalyst under perfusion flow conditions to perform a gas-liquid solid catalytic reaction. A cylindrical reactor main body filled with a catalyst; and a heat transfer plate in contact with an inner wall surface of the reactor main body and provided substantially parallel to the central axis of the reactor main body. In the reactor section between any two different cross sections perpendicular to the central axis in the region of the reactor body filled with solid catalyst, the surface area of the heat transfer plate is 8 relative to the volume of the reactor section. It is provided so that it may become 0.0-100 [m < 2 > / m < 3 >]. Here, the term “substantially parallel” indicates that an inclination caused by a lack of accuracy in manufacturing and assembling of the reactor is allowed, and is regarded as parallel as a whole. The inclination between the heat transfer plate and the central axis can be set within an allowable range up to about 5 degrees.

本発明に係る反応器は、伝熱板が、反応器本体の内壁面に接した状態で設けられると共に、前記反応器区分の容積に対する表面積が8.0〜100[m/m]となるように設けられることにより、触媒表面における反応により発生した反応熱を反応器の壁面に伝熱することができるため、効果的に除熱を行なうことができ、触媒充填層における局部的なホットスポットの発生を抑制できる。また、本発明に係る反応器は、その中心軸が鉛直方向と平行になるように設置され、トリクルベッド式反応に供される。このとき、反応原料液は重力により触媒充填層をつたわりながら緩やかに流れ落ちるが、本発明に係る反応器の伝熱板は鉛直方向と実質的に平行であるため、反応物が重力により落下して行く流れを停滞させることなく除熱を行なうことができ、反応への悪影響が少ない。 In the reactor according to the present invention, the heat transfer plate is provided in contact with the inner wall surface of the reactor main body, and the surface area relative to the volume of the reactor section is 8.0 to 100 [m 2 / m 3 ]. Since the reaction heat generated by the reaction on the catalyst surface can be transferred to the wall surface of the reactor, the heat can be removed effectively, and the local hot in the catalyst packed bed can be obtained. Spot generation can be suppressed. In addition, the reactor according to the present invention is installed so that its central axis is parallel to the vertical direction, and is subjected to trickle bed type reaction. At this time, although the reaction raw material liquid gently flows down while connecting the catalyst packed bed by gravity, the reaction product falls by gravity because the heat transfer plate of the reactor according to the present invention is substantially parallel to the vertical direction. Heat can be removed without stagnation of the flow that goes through, and there is little adverse effect on the reaction.

また、本発明に係る反応器において、前記伝熱板の、前記反応器区分の容積に対する表面積が8.0〜30.0[m/m]となるように設けられることが好ましい。このように設けられることにより、最適な除熱効果を得ることができると共に、反応器が過度に複雑化することを防止することができる。ここで、伝熱板の表面積は、伝熱板の鉛直方向の長さ、水平方向の長さ、及び枚数を適宜調整することにより、設定することができる。 Moreover, in the reactor according to the present invention, it is preferable that the heat transfer plate is provided so that a surface area with respect to the volume of the reactor section is 8.0 to 30.0 [m 2 / m 3 ]. By providing in this way, it is possible to obtain an optimum heat removal effect and to prevent the reactor from becoming excessively complicated. Here, the surface area of the heat transfer plate can be set by appropriately adjusting the vertical length, the horizontal length, and the number of heat transfer plates.

本発明に係る反応器における円筒状の反応器本体の直径Dは、通常0.2〜1[m]であり、好ましくは0.3〜0.6[m]である。なお、製造量のスケールが大きくなった場合には、ここで規定した直径範囲の反応器を複数系列用意して並列で使用したり、複数個束ねて多管式熱交換器類似の構造として対応することも可能である。   The diameter D of the cylindrical reactor body in the reactor according to the present invention is usually 0.2 to 1 [m], preferably 0.3 to 0.6 [m]. If the scale of production increases, multiple reactors with the diameter range specified here can be prepared and used in parallel, or a plurality of reactors can be bundled to create a structure similar to a multi-tube heat exchanger. It is also possible to do.

さらに、本発明に係る反応器において、前記伝熱板が、熱伝導率が10[W/(m・K)]以上の材料から形成されていることが好ましい。本発明に係る反応器において、前記伝熱板や反応器内壁を構成する材料の熱伝導率は、反応器全体としての熱伝導の確保の観点から重要であり、大きければ大きいほど良く、15[W/(m・K)]以上であることがより好ましい。   Furthermore, in the reactor according to the present invention, the heat transfer plate is preferably formed of a material having a thermal conductivity of 10 [W / (m · K)] or more. In the reactor according to the present invention, the thermal conductivity of the material constituting the heat transfer plate and the inner wall of the reactor is important from the viewpoint of ensuring thermal conduction as the whole reactor, and the larger the better, W / (m · K)] or more is more preferable.

また、本発明に係る反応物の製造方法は、上記反応器を用いて、反応器に供給する反応原料液の重量あたりの反応熱を450〜600[J/g_反応原料液]に調整しトリクルベッド式反応を実施することによって製造することを特徴とする。ここで、反応原料液の重量あたりの反応熱が前記の範囲の上限を超える場合には、反応原料液を反応に不活性な溶剤を使用して希釈し、反応器に供給する液の重量あたりの反応熱を前記の範囲内に調整することによって、実施することができる。こうした場合には、希釈に使用した溶剤を回収する工程を付加しなければならないが、本発明に係る反応器を用いることにより少量の溶剤希釈で済ませることができるため、設備負担を最小限にとどめる事ができる。   In the method for producing a reactant according to the present invention, the reaction heat per weight of the reaction raw material liquid supplied to the reactor is adjusted to 450 to 600 [J / g_reaction raw material liquid] using the reactor. It is produced by carrying out a trickle bed type reaction. Here, when the reaction heat per weight of the reaction raw material liquid exceeds the upper limit of the above range, the reaction raw material liquid is diluted with a solvent inert to the reaction, and the weight of the liquid supplied to the reactor is reduced. Can be carried out by adjusting the heat of reaction in the above range. In such a case, it is necessary to add a process for recovering the solvent used for dilution, but by using the reactor according to the present invention, a small amount of solvent can be diluted, so that the equipment burden is minimized. I can do things.

本発明に係る反応器を用いた製造方法において、反応原料液の反応器への供給量LHSV[mL_液/mL_触媒/hr]は、灌液流条件を満足する範囲で設定することが出来るが、通常0.2〜1.8であり、好ましくは0.4〜1.0である。なお、灌液流を実現できる範囲は、触媒充填層に供給する反応流体の量や速度などによる制限を受けるもので、例えば「化学工学 第46巻 第4号 第215〜220頁 (加藤康夫,広瀬勉 1982年発行)」に記載されている方法によって、流れの状態が灌液流の範囲にあるかどうかを判別することができる。   In the production method using the reactor according to the present invention, the supply amount LHSV [mL_solution / mL_catalyst / hr] of the reaction raw material liquid to the reactor can be set within a range satisfying the perfusion flow conditions. Although it is possible, it is usually 0.2 to 1.8, preferably 0.4 to 1.0. The range in which the irrigation flow can be realized is limited by the amount and speed of the reaction fluid supplied to the catalyst packed bed. For example, “Chemical Engineering Vol. 46, No. 4, pp. 215-220” (Yasuo Kato, The method described in Tsutomu Hirose, published in 1982) can determine whether or not the state of flow is within the perfusion flow range.

さらに、本発明に係る反応物の製造方法は、上記反応器を用いて、エステル基の水素化をトリクルベッド式で実施し、アルコール類を得ることを特徴とする。この場合において、エステル基が炭素数が4から11の脂肪族炭化水素鎖に結合したエステル基であり、得られるアルコール類が炭素数が5から13の脂肪族炭化水素鎖を主鎖とするモノアルコール又はジアルコールであることが好ましい。更に、エステル基が6−ヒドロキシヘキサン酸エステルに含まれるエステル基であり、得られるアルコール類が1,6−ヘキサンジオールであることがより好ましい。   Furthermore, the method for producing a reactant according to the present invention is characterized in that, using the above reactor, ester group hydrogenation is performed in a trickle bed type to obtain alcohols. In this case, the ester group is an ester group bonded to an aliphatic hydrocarbon chain having 4 to 11 carbon atoms, and the resulting alcohol is a mono-chain having an aliphatic hydrocarbon chain having 5 to 13 carbon atoms as a main chain. Alcohol or dialcohol is preferred. Furthermore, it is more preferable that the ester group is an ester group contained in 6-hydroxyhexanoic acid ester, and the resulting alcohol is 1,6-hexanediol.

以上のように、本発明によれば、固体触媒を充填した反応器によってトリクルベッド式反応を実施するにあたり、簡便で除熱効果に優れ、かつ反応に悪影響を与えることの少ない安価な反応器を提供し、また、この反応器を用いて反応物を製造する方法を提供することができる。   As described above, according to the present invention, when a trickle bed type reaction is carried out using a reactor packed with a solid catalyst, an inexpensive reactor that is simple, excellent in heat removal effect, and less adversely affecting the reaction can be obtained. And a method for producing a reactant using the reactor.

本実施形態に係る反応器を示す一部切り欠き概略構成図である。It is a partially notched schematic block diagram which shows the reactor which concerns on this embodiment. 図1のA−A´線に沿った断面図である。It is sectional drawing along the AA 'line of FIG. 水素添加実験の実験装置を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the experimental apparatus of hydrogenation experiment. 実験検証シミュレーションに用いたモデルを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the model used for experiment verification simulation. 水素添加実験及びCFD解析における触媒充填層深さ方向の触媒充填層中心温度と反応器本体外側の温度分布を示すグラフである。It is a graph which shows the catalyst packed bed center temperature of the catalyst packed bed depth direction in the hydrogenation experiment and CFD analysis, and the temperature distribution of the reactor main body outer side. 図6(a)は、解析モデルを示す説明図であり、図6(b)は、実施例1の場合の図6(a)のC−C´線に沿った断面図、図6(c)は、比較例1の場合の図6(a)のC−C´線に沿った断面図、図6(d)は、比較例2の場合の図6(a)のC−C´線に沿った断面図である。6A is an explanatory diagram showing an analysis model, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line CC ′ of FIG. 6A in the case of the first embodiment, and FIG. ) Is a cross-sectional view taken along the line CC ′ in FIG. 6A in the case of the comparative example 1, and FIG. 6D is a line CC ′ in FIG. 6A in the case of the comparative example 2. FIG. 実施例1及び比較例1における触媒充填層深さと触媒充填層内の温度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the catalyst packed bed depth in Example 1 and Comparative Example 1 and the temperature in the catalyst packed bed. 実施例1及び比較例1における触媒充填層深さと反応率との関係を示すグラフである。6 is a graph showing the relationship between catalyst packed bed depth and reaction rate in Example 1 and Comparative Example 1. 比較例2における触媒充填層深さと触媒充填層内の温度との関係を示すグラフである。10 is a graph showing the relationship between the catalyst packed bed depth and the temperature in the catalyst packed bed in Comparative Example 2. 反応温度と生成したHDLの濃度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between reaction temperature and the density | concentration of the produced | generated HDL.

次に、本発明の一実施形態に係る反応器について、図面に基づいて説明する。本実施形態に係る反応器1は、図1及び図2に示すように、円筒状に形成された反応器本体10と、反応器本体10の内部に設けられた伝熱板20とを備えている。   Next, the reactor which concerns on one Embodiment of this invention is demonstrated based on drawing. As shown in FIGS. 1 and 2, the reactor 1 according to the present embodiment includes a reactor main body 10 formed in a cylindrical shape, and a heat transfer plate 20 provided inside the reactor main body 10. Yes.

反応器本体10は、図1に示すように、例えばステンレス鋼(SUS)などの素材からなり、固体触媒2を充填可能な内部空間12と、反応器本体10の上部に設けられ、内部空間12に反応物を流入可能な孔を有する流入部14と、反応器本体10の下部に設けられ、内部空間12内の反応物を流出可能な孔を有する流出部16とを備えている。   As shown in FIG. 1, the reactor main body 10 is made of a material such as stainless steel (SUS), for example, and is provided in an internal space 12 that can be filled with the solid catalyst 2 and an upper portion of the reactor main body 10. Are provided with an inflow portion 14 having holes through which reactants can flow, and an outflow portion 16 provided at the bottom of the reactor body 10 and having holes through which the reactants in the internal space 12 can flow out.

伝熱板20は、図1及び図2に示すように、例えばステンレス鋼(SUS)などの素材からなり、水平方向の長さが、反応器本体10の内部空間12の半径よりも短い長さを有する長方形状に形成されている。この伝熱板20は、図2のような断面図で見たときに、反応器本体10の内壁面18との接点における法線と平行に配置して内壁面18に接着され、かつ反応器本体10の両末端の開口部11a、11bの中心点を結ぶ中心軸Xと実質的に平行であるように設けられ、反応器本体10の内部空間12の内壁面18から内部空間12の中心軸Xへ放射状に収束するように、等間隔をおいて複数設けられている。ここで、中心軸Xと実質的に平行とは、反応器の製作や組み立てにおける精度の不足などによって生じる傾きを許容し、全体として平行とみなすことを示す。伝熱板20と中心軸Xとのなす角度が5度程度までは許容範囲の傾きと考えることができる。伝熱板20が、中心軸Xへ放射状に収束するように設けられることにより、ひとつの伝熱板20の先端とこれに対向する他の伝熱板20の先端との間に所定の間隔が生じるため、反応器本体10の内部空間12は、閉空間を有さない、ひとつの連続した空間として形成される。この伝熱板20は、固体触媒が充填される反応器本体10の内部空間12において、反応器本体10を中心軸Xと垂直に交わるような任意のふたつの断面で切断したとき、これらの断面で囲まれた反応器区分における伝熱板20の表面積が、該反応器区分の容積に対し、8.0〜100[m/m]、より好ましくは8.0〜30.0[m/m]となるように設けられている。伝熱板20は、鉛直方向の長さを反応器本体10の内部空間12の上端から下端に亘る長さとした長尺な長方形として形成しても良いが、前記の反応器区分あたりの表面積を満足する範囲において、一枚あたりの鉛直方向の長さを短くし、複数に分けて設置することもできる。ここで、伝熱板20を反応器本体10に溶接により取付けた場合には、反応器本体10の内壁面18と伝熱板20との接触部分の隙間がなくなるため、より除熱効率を向上させることができ、好ましい。 As shown in FIGS. 1 and 2, the heat transfer plate 20 is made of a material such as stainless steel (SUS), and the length in the horizontal direction is shorter than the radius of the internal space 12 of the reactor body 10. It is formed in the rectangular shape which has. When this heat transfer plate 20 is viewed in a sectional view as shown in FIG. 2, the heat transfer plate 20 is disposed parallel to the normal line at the contact point with the inner wall surface 18 of the reactor main body 10 and adhered to the inner wall surface 18. The main body 10 is provided so as to be substantially parallel to the central axis X connecting the central points of the openings 11a and 11b at both ends, and from the inner wall surface 18 of the internal space 12 of the reactor main body 10 to the central axis of the internal space 12 A plurality are provided at equal intervals so as to converge radially to X. Here, the phrase “substantially parallel to the central axis X” indicates that an inclination caused by lack of accuracy in manufacturing or assembling the reactor is allowed and regarded as parallel as a whole. The inclination between the heat transfer plate 20 and the central axis X can be considered as an allowable range of inclination up to about 5 degrees. By providing the heat transfer plate 20 so as to converge radially to the central axis X, a predetermined interval is provided between the tip of one heat transfer plate 20 and the tip of the other heat transfer plate 20 facing the heat transfer plate 20. As a result, the internal space 12 of the reactor body 10 is formed as one continuous space that does not have a closed space. The heat transfer plate 20 is formed by cutting the reactor main body 10 in any two cross sections perpendicular to the central axis X in the internal space 12 of the reactor main body 10 filled with the solid catalyst. The surface area of the heat transfer plate 20 in the reactor section surrounded by is 8.0 to 100 [m 2 / m 3 ], more preferably 8.0 to 30.0 [m] with respect to the volume of the reactor section. 2 / m 3 ]. The heat transfer plate 20 may be formed as a long rectangle whose length in the vertical direction extends from the upper end to the lower end of the internal space 12 of the reactor main body 10. Within a satisfactory range, the length in the vertical direction per sheet can be shortened and divided into a plurality of pieces. Here, when the heat transfer plate 20 is attached to the reactor main body 10 by welding, there is no gap in the contact portion between the inner wall surface 18 of the reactor main body 10 and the heat transfer plate 20, so that the heat removal efficiency is further improved. Can be preferred.

次に、本実施形態に係る反応器1の使用方法について説明する。まず、反応器本体10を、その中心軸が鉛直方向と平行になるように設置する。次に、内部空間12に固体触媒を充填させることにより触媒充填層を形成し、反応器本体10の流入部14より反応物であるガスと液とを灌液流れ条件になるように流入させる。すると、反応器本体10の触媒充填層に流入されたガス及び液は、ガスが連続相、液が分散相として、固体触媒に接触しながら反応器本体10の触媒充填層の下流側に並行して流動し、触媒充填層において反応する。その後、反応器本体10の触媒充填層において得られた反応後の反応物は、流出部16から流出される。   Next, the usage method of the reactor 1 which concerns on this embodiment is demonstrated. First, the reactor main body 10 is installed so that the central axis thereof is parallel to the vertical direction. Next, a catalyst-packed layer is formed by filling the internal space 12 with a solid catalyst, and gas and liquid as reactants are allowed to flow from the inflow portion 14 of the reactor body 10 so as to satisfy the perfusion flow conditions. Then, the gas and the liquid that have flowed into the catalyst packed bed of the reactor main body 10 are parallel to the downstream side of the catalyst packed bed of the reactor main body 10 while contacting the solid catalyst with the gas as the continuous phase and the liquid as the dispersed phase. And react in the catalyst packed bed. Thereafter, the reacted product obtained in the catalyst packed bed of the reactor main body 10 flows out from the outflow portion 16.

ここで、従来の反応器においては、特に触媒充填層の中央部分において、反応熱による局部的なホットスポットが生じ、高温となる傾向にある。しかしながら、本実施形態に係る反応器1においては、反応器本体10の内部空間12に伝熱板20が設けられていることにより、触媒充填層において反応により生じた熱を反応器本体10の内壁面18に伝達し、反応熱を分散させることができるため、反応による局部的なホットスポットの発生を防止し、効率良く除熱を行なうことができる。また、伝熱板20により反応器本体10の全体に伝達された熱は、反応器本体10最外郭にジャケットを設置して適切な媒体を流通させるなどの処理を施すことにより、簡便に除去することが出来る。さらに、伝熱板20は、中心軸Xと実質的に平行、すなわち、液の流動方向と平行な面を有するように設けられていることにより、液の偏流や流れの停滞を防止することができる。このため、反応器内における灌液流状態の保持に有効に作用し、流動状態を乱すことなどによる反応への悪影響を軽減させることができる。   Here, in the conventional reactor, a local hot spot due to reaction heat is generated, particularly in the central portion of the catalyst packed bed, and the temperature tends to be high. However, in the reactor 1 according to this embodiment, the heat transfer plate 20 is provided in the internal space 12 of the reactor main body 10, so that the heat generated by the reaction in the catalyst packed bed is transferred to the inside of the reactor main body 10. Since it can be transmitted to the wall surface 18 and the reaction heat can be dispersed, the generation of local hot spots due to the reaction can be prevented, and heat can be removed efficiently. Further, the heat transferred to the entire reactor main body 10 by the heat transfer plate 20 can be easily removed by performing a process such as installing a jacket on the outermost outline of the reactor main body 10 and circulating an appropriate medium. I can do it. Furthermore, the heat transfer plate 20 is provided so as to have a surface that is substantially parallel to the central axis X, that is, parallel to the flow direction of the liquid, thereby preventing liquid drift and flow stagnation. it can. For this reason, it acts effectively on the maintenance of the perfusion flow state in the reactor, and the adverse effect on the reaction due to disturbance of the flow state can be reduced.

本実施形態に係る反応器1において、伝熱板20は、反応器本体10に接着して設けられるとしたが、これに限定されず、伝熱板20は、反応器本体10に接して設けられていれば良い。この場合、反応器1は、反応器本体10の内壁面18に密接した状態で設けられる取り外し可能なインナー部材を更に備え、このインナー部材と伝熱部材20とは、同一素材で一体に形成されているとしても良い。   In the reactor 1 according to the present embodiment, the heat transfer plate 20 is provided by being bonded to the reactor main body 10, but is not limited thereto, and the heat transfer plate 20 is provided in contact with the reactor main body 10. It only has to be done. In this case, the reactor 1 further includes a removable inner member provided in close contact with the inner wall surface 18 of the reactor main body 10, and the inner member and the heat transfer member 20 are integrally formed of the same material. It's okay.

また、本実施形態に係る反応器1において、伝熱板20は、長尺な長方形状に形成されているとしたが、これに限定されず、種々の形状を採用することができる。また、伝熱板20は、複数設けられるとしたが、これに限定されず、1つのみ設けられるとしても良い。   Moreover, in the reactor 1 which concerns on this embodiment, although the heat exchanger plate 20 was formed in the elongate rectangular shape, it is not limited to this, A various shape is employable. In addition, although a plurality of heat transfer plates 20 are provided, the present invention is not limited to this, and only one heat transfer plate 20 may be provided.

さらに、本実施形態に係る反応器1において、伝熱板20は、ステンレス鋼から形成されるとしたが、これに限定されず、反応器1で実施する反応原料や生成物に対して不活性であれば、いかなる材質のもので形成されていても良い。この場合、伝熱板20は、熱伝導率が10[W/(m・K)]以上、より好ましくは、15[W/(m・K)]以上の材料から形成されていることが好ましい。また、伝熱板20は、反応器1の内壁面18と異なる材質で構成されても良い。伝熱板20をステンレス鋼などの金属により形成する場合には、伝熱板20の製作及び加工を容易にすることができる。   Furthermore, in the reactor 1 according to the present embodiment, the heat transfer plate 20 is formed of stainless steel, but is not limited thereto, and is inert to the reaction raw materials and products performed in the reactor 1. Any material may be used. In this case, the heat transfer plate 20 is preferably formed of a material having a thermal conductivity of 10 [W / (m · K)] or more, more preferably 15 [W / (m · K)] or more. . The heat transfer plate 20 may be made of a material different from that of the inner wall surface 18 of the reactor 1. When the heat transfer plate 20 is formed of a metal such as stainless steel, the heat transfer plate 20 can be easily manufactured and processed.

またさらに、本実施形態に係る反応器1において、伝熱板20は、反応器本体10の内部空間12の内壁面18から内部空間12の中心軸Xへ放射状に収束するように設けられるとしたが、これに限定されず、例えば、伝熱板20が互いに平行になるように設けても良い。すなわち、伝熱板20の配置は、反応器本体10の内壁面18に接して設けられ、かつ反応器本体10の両末端の開口部11a、11bの中心点を結ぶ中心軸Xと実質的に平行であるように設けられていれば、反応器区分における容積あたりに必要な表面積を満たし、かつ反応器本体10の内部空間12が閉空間を有さない、ひとつの連続した空間として形成される範囲において、任意に決めることが出来る。このような配置においては、伝熱板20の水平方向の長さは、反応器本体10の内部空間12の半径よりも短くする必要はない。   Furthermore, in the reactor 1 according to this embodiment, the heat transfer plate 20 is provided so as to converge radially from the inner wall surface 18 of the inner space 12 of the reactor body 10 to the central axis X of the inner space 12. However, it is not limited to this, For example, you may provide so that the heat exchanger plate 20 may become mutually parallel. That is, the arrangement of the heat transfer plate 20 is substantially in contact with the central axis X that is provided in contact with the inner wall surface 18 of the reactor body 10 and connects the center points of the openings 11a and 11b at both ends of the reactor body 10. If provided so as to be parallel to each other, the surface area required per volume in the reactor section is satisfied, and the internal space 12 of the reactor main body 10 is formed as one continuous space having no closed space. The range can be arbitrarily determined. In such an arrangement, the horizontal length of the heat transfer plate 20 need not be shorter than the radius of the internal space 12 of the reactor body 10.

次に、本発明に係る反応器の実施例について、図3〜図10を用いて説明する。本実施例においては、下記反応方程式(1)に示す水素添加反応によって6−ヒドロキシヘキサン酸の1、6−ヘキサンジオールのエステル(分子式:HO(CH)COO(CH)OH、以下「HAE」という)から1,6−へキサンジオール(以下、「HDL」という)を製造した。本実施例は、市販の流体解析ソフトウエア(SCRYU/Tetra V7)を用いた流体解析(CFD[Computational Fluid Dynamics]解析と記述、以下「CFD解析」という)により、解析シミュレーションを行なった。 Next, examples of the reactor according to the present invention will be described with reference to FIGS. In the present example, by the hydrogenation reaction shown in the following reaction equation (1), 1, ester of 6-hydroxyhexanoic acid, ester of 6-hexanediol (molecular formula: HO (CH 2 ) 5 COO (CH 2 ) 6 OH, 1,6-hexanediol (hereinafter referred to as “HDL”) was produced from “HAE”. In this example, an analysis simulation was performed by fluid analysis (CFD [Computational Fluid Dynamics] analysis and description, hereinafter referred to as “CFD analysis”) using commercially available fluid analysis software (SCRYU / Tetra V7).

原料の反応した量はKOHによる鹸化でエステル基を定量したsv値[=mg_KOH/g_HAE]を用いて表現することができ、反応率xAとするとxA=1−(sv値/原料sv値)で示される。このsv値はJIS K0070に準拠して測定したものであり、このHAEの初期sv値は241[mg_KOH/g]であった。   The amount of reaction of the raw material can be expressed by using the sv value [= mg_KOH / g_HAE] obtained by quantifying the ester group by saponification with KOH. When the reaction rate is xA, xA = 1− (sv value / raw material sv value). Indicated. This sv value was measured according to JIS K0070, and the initial sv value of this HAE was 241 [mg_KOH / g].

上記(1)式の反応は、発熱反応で、実験よりΔH=−525[J/g_HAE]が得られている。ΔHの測定は以下の実験方法で行った。   The reaction of the above formula (1) is an exothermic reaction, and ΔH = −525 [J / g_HAE] is obtained from experiments. ΔH was measured by the following experimental method.

<発熱量の測定実験>
図3および下記<水素添加実験>に示す実験装置でHAEの水添実験を行い、その温度分布より反応条件下での発熱量を求める。算出式は以下の式(2)で表され、得られた発熱量は式(1)の反応熱(ΔH)とみなすことができる。
<Measurement experiment of calorific value>
A hydrogenation experiment of HAE is performed using the experimental apparatus shown in FIG. 3 and the following <hydrogenation experiment>, and the calorific value under the reaction conditions is determined from the temperature distribution. The calculation formula is expressed by the following formula (2), and the obtained calorific value can be regarded as the reaction heat (ΔH) of formula (1).

Q1は反応器の入口と出口の間におけるプロセス流体(液体及びガス)のけん熱の変化量より算出する。Q2は液ガス流れに対して直交する方向、すなわち反応器本体の半径方向への放熱であり、触媒充填層の各高さの中心温度と外壁との温度差(ΔT)と反応器本体の内表面積(A)、触媒充填層から反応器本体壁間の総括伝熱係数Uにより、以下の式(3)より算出する。なお、Uは、下記<総括伝熱係数Uの算出実験>により求めた値を使用した。   Q1 is calculated from the amount of change in the heat of the process fluid (liquid and gas) between the inlet and outlet of the reactor. Q2 is the heat radiation in the direction orthogonal to the liquid gas flow, that is, in the radial direction of the reactor body, and the temperature difference (ΔT) between the center temperature and the outer wall of each height of the catalyst packed bed and the inside of the reactor body. The surface area (A) and the overall heat transfer coefficient U between the catalyst packed bed and the reactor main body wall are calculated from the following formula (3). In addition, U used the value calculated | required by the following <calculation experiment of the general heat transfer coefficient U>.

<水素添加実験>
上記反応方程式(1)の反応の実験室規模での実験は、図3に示す実験装置30を用いて行った。この実験装置30は、内径19mm×高さ600mm(触媒充填層高さ300mm)に形成された円筒状のステンレス反応器本体33(厚み3mm)と、反応器本体33の触媒充填層36を加熱するように反応器本体33の外側に設けられた電気加熱炉35と、反応器本体33の内側に挿入され、反応器本体33の触媒充填層36の中心温度を計測するための熱電対を挿脱可能な熱電対鞘管40とを備えたものを用いた。
<Hydrogenation experiment>
A laboratory scale experiment of the reaction of the above reaction equation (1) was performed using an experimental apparatus 30 shown in FIG. The experimental apparatus 30 heats a cylindrical stainless steel reactor main body 33 (thickness 3 mm) formed in an inner diameter of 19 mm × height 600 mm (catalyst packed bed height 300 mm) and a catalyst packed bed 36 of the reactor main body 33. Thus, an electric heating furnace 35 provided outside the reactor main body 33 and a thermocouple for measuring the center temperature of the catalyst packed bed 36 of the reactor main body 33 are inserted and removed. The one provided with a possible thermocouple sheath tube 40 was used.

反応器本体33の上部には、HAEを供給可能な原料液流入部31と、水素ガスを供給可能な水素ガス流入部32が形成されており、反応器本体33の下部には、反応流体を流出可能な反応流体流出部39が形成されていた。反応器本体33の軸方向の中心部分には、銅系触媒(CuO:47.6wt%,ZnO:47.3wt%)を直径3mm×高さ3mmの円筒状に成型したものを300mmの高さで充填した触媒充填層36が形成されており、反応器本体33の上部と触媒充填層36との間の領域は、アルミナ粒子が充填され供給する流体を予熱する予熱領域34が設けられている。熱電対鞘管40には、反応器本体33の触媒充填層36の中心温度を計測するための触媒中心温度測定熱電対37が挿入されており、反応器本体33と電気加熱炉35との間には、反応器本体33の外壁の温度を測定するための反応器本体外壁温度測定熱電対38が設けられている。反応器本体33の原料液流入部31及び水素ガス流入部32よりHAE及び水素ガスを気液下降並流で供給した。   A raw material liquid inflow portion 31 capable of supplying HAE and a hydrogen gas inflow portion 32 capable of supplying hydrogen gas are formed in the upper portion of the reactor main body 33, and a reaction fluid is provided in the lower portion of the reactor main body 33. A reaction fluid outflow portion 39 capable of flowing out was formed. In the central portion of the reactor body 33 in the axial direction, a copper catalyst (CuO: 47.6 wt%, ZnO: 47.3 wt%) molded into a cylindrical shape having a diameter of 3 mm and a height of 3 mm is 300 mm high. In the region between the upper part of the reactor main body 33 and the catalyst packed layer 36, a preheating region 34 that is filled with alumina particles and preheats the fluid to be supplied is provided. . The thermocouple sheath tube 40 is inserted with a catalyst center temperature measuring thermocouple 37 for measuring the center temperature of the catalyst packed bed 36 of the reactor main body 33, and between the reactor main body 33 and the electric heating furnace 35. Is provided with a reactor body outer wall temperature measuring thermocouple 38 for measuring the temperature of the outer wall of the reactor body 33. HAE and hydrogen gas were supplied from the raw material liquid inflow portion 31 and the hydrogen gas inflow portion 32 of the reactor main body 33 in a gas-liquid descending parallel flow.

以下、LHSVは液供給量[mL液/mL_触媒/hr]、GHSVはガス供給量[mL_ガス/mL_触媒/hr]を表し、体積は、20℃、大気圧力条件である。実験は、まず『水素雰囲気下』で触媒充填層中心温度が200〜260℃になるように電気加熱炉36の出力を調整して固定し、その後HAE及び水素ガスを供給して原料供給量、触媒充填層温度および反応率が一定の定常状態となったときの層中心設置の熱電対鞘管40の温度および反応器本体壁温度を高さ方向に測定した。   Hereinafter, LHSV represents the liquid supply amount [mL liquid / mL_catalyst / hr], GHSV represents the gas supply amount [mL_gas / mL_catalyst / hr], and the volume is 20 ° C. and atmospheric pressure conditions. In the experiment, first, the output of the electric heating furnace 36 is adjusted and fixed so that the center temperature of the catalyst packed bed becomes 200 to 260 ° C. under “hydrogen atmosphere”, and then HAE and hydrogen gas are supplied to supply the raw materials. The temperature of the thermocouple sheath tube 40 installed at the center of the layer and the temperature of the reactor body wall were measured in the height direction when the catalyst packed bed temperature and the reaction rate reached a steady state.

<総括伝熱係数Uの算出実験>
前記<水素添加実験>に示した装置を用い、水添反応を起こさないモデル流体としてHAEの代わりに1,5−ペンタンジオール(以下、PDL)を用い、これを触媒充填層とは異なる高い温度に加温して供給することで仮想的な発熱状態を作り、その定常状態における触媒充填層と外壁の温度分布を2.5cm間隔で測定・解析することでUを求めた。具体的には、25MPaの水素加圧下、はじめ触媒充填層を200℃に温度調節しておき、そこへ230℃に昇温したPDLと水素を所定量フィードした。実験により得られた温度分布データを表1に示す。なお、触媒あたりの液供給負荷[g/mL_触媒/hr]条件は分布1で1.0、分布2で2.0であり、GHSV[mL_ガス/mL_触媒/hr]は分布1、2とも500である。
<Calculation experiment of overall heat transfer coefficient U>
Using the apparatus shown in the above <hydrogenation experiment>, 1,5-pentanediol (hereinafter referred to as PDL) is used instead of HAE as a model fluid that does not cause a hydrogenation reaction. A hypothetical heat generation state was created by heating and supplying to the catalyst, and U was obtained by measuring and analyzing the temperature distribution of the catalyst packed bed and the outer wall in the steady state at intervals of 2.5 cm. Specifically, under a pressure of 25 MPa hydrogen, the temperature of the catalyst packed bed was first adjusted to 200 ° C., and a predetermined amount of PDL and hydrogen heated to 230 ° C. were fed thereto. Table 1 shows the temperature distribution data obtained by the experiment. The liquid supply load per catalyst [g / mL_catalyst / hr] condition is 1.0 for distribution 1 and 2.0 for distribution 2, and GHSV [mL_gas / mL_catalyst / hr] is distribution 1 Both are 500.

<Uの算出方法>
計算にはPDLの比熱として0.80[cal/g/K]、水素の比熱として3.5[cal/g/K]を用いた。Uは、触媒充填層を2.5cmの区間に分割しそれぞれ算出した(ただし、温度が安定状態になる直前までの区間)。計算式は、以下の式(4)の通りであり、Q(放熱)は各区間のPDLと水素の温度低下分の熱量として、「流量×比熱×2.5cm区間の温度変化」より計算した。なお、PDLと水素と触媒充填層の温度は触媒充填層のどの位置でも熱平衡に到達しており、3者は全て同じ温度と仮定した。各区間のUの合計値を区間数で割ることで平均値を算出し、この値をその実験条件でのUとした。表1、分布1の触媒層の0〜15cmの区間の温度データを解析した結果U=76[kJ/m/hr/K]と求められ、表1、分布2の触媒層の0〜17.5cmの区間の温度データを解析した結果U=108[kJ/m/hr/K]と求められた。
<U calculation method>
For the calculation, 0.80 [cal / g / K] was used as the specific heat of PDL, and 3.5 [cal / g / K] was used as the specific heat of hydrogen. U was calculated by dividing the catalyst packed bed into 2.5 cm sections (however, the section until the temperature just before the stable state). The calculation formula is as shown in the following formula (4), and Q (heat release) is calculated from “flow rate × specific heat × temperature change in 2.5 cm section” as a heat amount corresponding to the temperature drop of PDL and hydrogen in each section. . Note that the temperatures of the PDL, hydrogen, and catalyst packed bed reached thermal equilibrium at any position in the catalyst packed bed, and all three assumed the same temperature. The average value was calculated by dividing the total value of U in each section by the number of sections, and this value was defined as U under the experimental conditions. As a result of analyzing the temperature data of the 0-15 cm section of the catalyst layer of Table 1, distribution 1, U = 76 [kJ / m 2 / hr / K] was obtained, and 0-17 of the catalyst layer of Table 1, distribution 2 was obtained. As a result of analyzing the temperature data in the section of 5 cm, it was determined that U = 108 [kJ / m 2 / hr / K].

<反応熱算出のためのHAE水素添加実験>
前記<水素添加実験>に示す装置を用いてHAEの水素添加実験を行い、定常状態の触媒充填層と外壁の温度分布を2.5cm間隔で測定・解析することで反応熱量を求めた。実験条件は、水素圧25MPa、反応開始温度(触媒充填層直近の温度):200℃、触媒あたりの液供給負荷は1.39[g/mL_触媒/hr]、GHSVは500である。実験により得られた温度分布データを分布3として表2に示す。
<HAE hydrogenation experiment for calculation of reaction heat>
The hydrogenation experiment of HAE was performed using the apparatus shown in the above <Hydrogenation experiment>, and the calorific value of the reaction was obtained by measuring and analyzing the temperature distribution of the catalyst packed bed and the outer wall in a steady state at intervals of 2.5 cm. The experimental conditions were a hydrogen pressure of 25 MPa, a reaction start temperature (temperature immediately near the catalyst packed bed): 200 ° C., a liquid supply load per catalyst of 1.39 [g / mL_catalyst / hr], and a GHSV of 500. The temperature distribution data obtained by the experiment is shown in Table 2 as distribution 3.

<反応熱の算出>
計算には、HAEの比熱:0.538[cal/g/K]、水添液の比熱:0.757[cal/g/K]を用いた。U値として、前記<Uの算出方法>で算出した触媒あたりの液供給負荷が1.0(表1、分布1)と2.0(表1、分布2)の値より触媒あたりの液供給負荷1.39相当の按分値:89[kJ/m/hr/K]を算出しこれを用いた。上記式(2)において、Q1は触媒充填層の入り口と出口におけるプロセス流体(液体及びガス)の温度差より計算した。Q2については2.5cmの各区間ごとに放熱量を求め、それらを全部足し合わせることで求めた。この結果、Q1=298[J/g],Q2=227[J/g]となり、この反応条件での反応熱(ΔH)は525[J/g]と計算された。
<Calculation of reaction heat>
For the calculation, the specific heat of HAE: 0.538 [cal / g / K] and the specific heat of the hydrogenated solution: 0.757 [cal / g / K] were used. As the U value, the liquid supply load per catalyst calculated in the above <U calculation method> is 1.0 (Table 1, Distribution 1) and 2.0 (Table 1, Distribution 2). A prorated value corresponding to a load of 1.39: 89 [kJ / m 2 / hr / K] was calculated and used. In the above formula (2), Q1 was calculated from the temperature difference between the process fluids (liquid and gas) at the inlet and outlet of the catalyst packed bed. About Q2, it calculated | required by calculating | requiring the heat radiation amount for every area of 2.5 cm, and adding them all. As a result, Q1 = 298 [J / g] and Q2 = 227 [J / g], and the heat of reaction (ΔH) under these reaction conditions was calculated to be 525 [J / g].

<検証>
まず、本実施例において使用した市販の流体解析ソフトウエアのCFD解析による解析データの精度について、実際の水素添加実験により得られたデータ(反応率)と、CFD解析により得られたデータ(解析反応率)とを比較することにより、検証した。実験条件を下表3に示す。
<Verification>
First, regarding the accuracy of analysis data by CFD analysis of the commercially available fluid analysis software used in this example, data (reaction rate) obtained by actual hydrogenation experiment and data (analysis reaction) obtained by CFD analysis Rate) and compared. The experimental conditions are shown in Table 3 below.

表3の反応条件における反応流体流出部39の反応液のsv値を測定したところ、反応率xA=0.937が得られた。またこのときの触媒充填層深さ方向の触媒充填層中心温度と反応器本体外側の温度プロファイルを図5に示す。   When the sv value of the reaction liquid in the reaction fluid outflow portion 39 under the reaction conditions shown in Table 3 was measured, a reaction rate xA = 0.937 was obtained. FIG. 5 shows the catalyst packed bed center temperature in the catalyst packed bed depth direction and the temperature profile outside the reactor main body at this time.

<実験検証シミュレーション>
次に、市販の流体解析ソフトウエアを用いて、CFD解析による実験検証シミュレーションを実施した。解析条件は、下記表4の通りである。
<Experimental verification simulation>
Next, an experiment verification simulation by CFD analysis was performed using commercially available fluid analysis software. The analysis conditions are as shown in Table 4 below.

解析モデルは、図4に示す反応器を用いた。図4(a)は、実験検証シミュレーションに用いたモデルを示す説明図であり、図4(b)は、図4(a)のB−B´線に沿った断面図である。反応器は、300mmの高さの触媒充填層53を備え、内径19mm(壁面厚み3mm)に形成された円筒状の反応器本体50と、反応器本体50の内部に同軸となるように設けられ、内径4mm(壁面厚み1mm)に形成された円筒状の温度測定管54とを備えたものとした。反応器本体50及び温度測定管54はステンレス鋼(SUS304)から構成されているとした。反応器本体50の上部には、流体を流入可能な流入部51が形成され、反応器本体50の下部には、反応流体を流出可能な流出部52が形成されているとした。   For the analysis model, the reactor shown in FIG. 4 was used. FIG. 4A is an explanatory diagram showing a model used in the experiment verification simulation, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. The reactor is provided with a catalyst packed bed 53 having a height of 300 mm, a cylindrical reactor main body 50 formed with an inner diameter of 19 mm (wall thickness: 3 mm), and coaxially within the reactor main body 50. And a cylindrical temperature measuring tube 54 having an inner diameter of 4 mm (wall thickness: 1 mm). The reactor main body 50 and the temperature measuring tube 54 are made of stainless steel (SUS304). An inflow portion 51 through which a fluid can flow is formed in the upper part of the reactor main body 50, and an outflow portion 52 through which the reaction fluid can flow out is formed in the lower portion of the reactor main body 50.

ここで、CFD内蔵の触媒充填層モデルおよび化学反応の計算方法を下記(5)式(エルガン式)及び表5(触媒充填層物性表)並びに表6(反応速度パラメータ)、(6)式(反応速度式)、(7)式(アレニウス式)及び(8)式(定常移流拡散方程式)に示す。   Here, the catalyst packed bed model with built-in CFD and the calculation method of the chemical reaction are shown in the following formula (5) (Ergan formula) and Table 5 (catalyst packed bed physical properties table) and Table 6 (reaction rate parameter), formula (6) ( Reaction rate formula), (7) formula (Arrhenius formula) and (8) formula (steady advection diffusion equation).

前記(5)式において、dP/dxは距離当りの圧力損失[Pa/m]、μは流体粘度、ρは流体密度、Uは流体空塔換算流速[m/s]である。 In the equation (5), dP / dx is the pressure loss per distance [Pa / m], μ is the fluid viscosity, ρ f is the fluid density, and U is the fluid superficial equivalent flow velocity [m / s].

ここで、C1は、反応物質(ここではHAE)の濃度[mol/m]である。 Here, C1 is the concentration [mol / m 3 ] of the reactant (here HAE).

なお、式中サフィックスはアインシュタインの総和規約が適用される。   Einstein's sum rules apply to the suffix in the formula.

<計算の条件>
実験検証シミュレーションにおける解析反応率の計算の条件は、以下の通りである。
(1)流体は、水素ガスと原料HAE液の二相流であるが、ここでは均相系として計算し、その物性は質量分率で按分した。(2)反応層内の触媒充填層の有効熱伝導度Kerは、軸方向や半径方向の位置によらず触媒充填層の全領域で同一とした。(3)反応器内温度は、触媒・液体・水素ガス全て同一と仮定した。(4)有効熱伝導度Kerの計算値は、流体と触媒充填層とから、周知の算出方法、例えば「化学工学論文集 第2巻 第1号 第53〜59頁 ((社)化学工学会 1976年発行)」などに記載されている方法により推算した。(5)使用物性データとして、密度・粘度・単体の熱伝導度・比熱の4つの物性は、HAEについては、HDLのASPEN推算値で代用し、水素ガスについては、「流体の熱物性値集 第94頁 (日本機械学会 1983年8月発行)」に記載されている実測物性(該当温度の物性が無い場合は外挿等により推算)を使用し、220〜260℃の平均を用いた。ここで、ASPEN推算値とは、ASPEN TECHNOLOGY 社製プロセスシミュレータ「ASPEN PLUS V7.1」を用いた推算値である。
<Calculation conditions>
The conditions for calculating the analytical reaction rate in the experiment verification simulation are as follows.
(1) The fluid is a two-phase flow of hydrogen gas and raw material HAE liquid. Here, the fluid was calculated as a phase-homogeneous system, and the physical properties were prorated by mass fraction. (2) The effective thermal conductivity K er of the catalyst packed bed in the reaction bed is the same in the entire region of the catalyst packed bed regardless of the position in the axial direction or the radial direction. (3) The reactor temperature was assumed to be the same for all catalysts, liquids, and hydrogen gas. (4) The calculated value of the effective thermal conductivity K er is calculated from a fluid and a catalyst packed bed by a well-known calculation method such as “Chemical Engineering Papers Vol. 2, No. 1, pages 53-59. It was estimated by the method described in “Academic Society 1976”). (5) As physical property data, the four physical properties of density, viscosity, single unit thermal conductivity, and specific heat are substituted for the HAE by the HDL ASPEN estimate. Measured physical properties described in "Page 94 (issued in August 1983, Japan Society of Mechanical Engineers)" (estimated by extrapolation when there is no physical property at the relevant temperature) were used, and an average of 220 to 260 ° C was used. Here, the ASPEN estimated value is an estimated value using a process simulator “ASPEN PLUS V7.1” manufactured by ASPEN TECHNOLOGY.

この実験検証シミュレーションによって得られた触媒深さ方向温度プロファイルを前記の<水素添加実験>の結果と併せて図5に実線で示した。また、解析反応率xA=0.917が得られ、前記の実験値(xA=0.937)とほぼ一致した。この結果、この条件でのCFD解析により実験結果を精度よく説明できることが確認できた。   The catalyst depth direction temperature profile obtained by this experiment verification simulation is shown by a solid line in FIG. 5 together with the result of the above <hydrogenation experiment>. Further, an analytical reaction rate xA = 0.919 was obtained, which almost coincided with the experimental value (xA = 0.937). As a result, it was confirmed that the experimental results could be explained with high accuracy by CFD analysis under these conditions.

<解析シミュレーション>
次に、市販の流体解析ソフトウエアを用いて、CFD解析によるシミュレーションを実施し、反応器本体に伝熱板を設けた場合と設けない場合との触媒充填層内の温度分布、及び反応器本体に設けられる伝熱板の最適な触媒充填層の容積に対する表面積を求めた。
反応器内径0.42m×高さ12.7mのCFD解析を、上述した<実験検証シミュレーション>と同様の方法において実施した。図6(a)は、解析モデル図であり、図6(b)は、実施例1の場合の図6(a)のC−C´線に沿った断面図、図6(c)は、比較例1の場合の図6(a)のC−C´線に沿った断面図、図6(d)は、比較例2の場合の図6(a)のC−C´線に沿った断面図である。
<Analysis simulation>
Next, using a commercially available fluid analysis software, simulation by CFD analysis was performed, and the temperature distribution in the catalyst packed bed with and without the heat transfer plate provided in the reactor body, and the reactor body The surface area relative to the volume of the optimal catalyst packed bed of the heat transfer plate provided on the surface was determined.
CFD analysis of reactor inner diameter 0.42 m × height 12.7 m was performed in the same manner as in the above <Experimental verification simulation>. FIG. 6A is an analysis model diagram, FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line CC ′ of FIG. 6A in the case of Example 1, and FIG. 6A is a cross-sectional view taken along the line CC ′ of FIG. 6A in the case of the comparative example 1, and FIG. 6D is taken along the line CC ′ of FIG. It is sectional drawing.

実施例1の解析モデルは、図6(a)及び(b)に示すように、内部に直径が0.42m、軸方向の長さが12.7mの触媒充填層63が形成された円筒状の反応器本体60と、触媒充填層63内の反応熱を効率よく除去するために反応器本体60の内部に設けられ、横幅の長さが0.16m、厚さが3mmに形成されたSUS製の伝熱板64とを備えたものとした。このときの反応器容積に対する伝熱板の表面積は18.5[m/m]である。 As shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b), the analysis model of Example 1 has a cylindrical shape in which a catalyst packed bed 63 having a diameter of 0.42 m and an axial length of 12.7 m is formed. In order to efficiently remove the reaction heat in the reactor main body 60 and the catalyst packed bed 63, the SUS is provided in the reactor main body 60 and has a width of 0.16 m and a thickness of 3 mm. And a heat transfer plate 64 made of metal. The surface area of the heat transfer plate relative to the reactor volume at this time is 18.5 [m 2 / m 3 ].

反応器本体60は、上部に反応流体が流入する流入部61が形成され、下部に反応流体が流出する流出部62が形成されているとした。伝熱板64は、反応器本体60内を流動する反応物の流動方向と平行な面を有し、かつ反応器本体60の内部の内壁面に垂直に交わるように設けられ、反応器本体60の内部の内壁面から内部の中心軸へ放射状に収束するように、等間隔をおいて8枚設けられているとした。実施例1の解析モデルは、このような伝熱板64を備える構成とすることにより、触媒充填層63内における反応で発生した反応熱流束が、伝熱板64によって半径方向外側に向かって壁に流れる構造とした。   In the reactor main body 60, an inflow portion 61 into which the reaction fluid flows is formed in the upper portion, and an outflow portion 62 from which the reaction fluid flows out is formed in the lower portion. The heat transfer plate 64 has a surface parallel to the flow direction of the reactant flowing in the reactor main body 60 and is perpendicular to the inner wall surface of the reactor main body 60. It is assumed that eight are provided at equal intervals so as to converge radially from the inner inner wall surface to the inner central axis. The analysis model of Example 1 is configured to include such a heat transfer plate 64, so that the reaction heat flux generated by the reaction in the catalyst packed bed 63 is walled outwardly in the radial direction by the heat transfer plate 64. It was made into the structure which flows into.

実施例1における解析シミュレーションでは、HAE液供給量LHSVは0.54、有効熱伝導度Kerは3.539[W/m/K]とし、反応器本体壁温度については、反応器上端から下方向に深さ4.5mまで181℃、4.5mから12.7mまで220℃とした。
また、これ以外の条件は、表3〜6と同じ条件を用いた。
The analysis simulation in Example 1, HAE liquid supply amount LHSV is 0.54, the effective thermal conductivity K er is a 3.539 [W / m / K] , the reactor body wall temperature, below the reactor top end In the direction, the temperature was 181 ° C. to a depth of 4.5 m, and 220 ° C. from 4.5 m to 12.7 m.
Moreover, the conditions other than this used the same conditions as Tables 3-6.

上述した<水素添加実験>においては、HAE供給量LHSVが0.8であり、触媒当りの液供給負荷が0.2[kg/m_触媒/s]であったが、反応器内径を0.42mにスケールアップした実施例1においては、灌液流条件を満たすためにHAE供給量LHSVを0.54、触媒当りの液供給負荷を0.15[kg/m_触媒/s]とした。なお、灌液流を実現できる範囲は、触媒充填層に供給する反応流体の量や速度などによる制限を受けるもので、例えば「化学工学 第46巻 第4号 第215〜220頁 (加藤康夫,広瀬勉 1982年発行)」に記載されている方法によって、流れの状態が灌液流の範囲にあるかどうかを判別することができる。 In the above-described <hydrogenation experiment>, the HAE supply amount LHSV was 0.8 and the liquid supply load per catalyst was 0.2 [kg / m 3 _catalyst / s]. In Example 1 scaled up to 0.42 m, the HAE supply amount LHSV is 0.54 and the liquid supply load per catalyst is 0.15 [kg / m 3 _catalyst / s] in order to satisfy the perfusion flow condition. It was. The range in which the irrigation flow can be realized is limited by the amount and speed of the reaction fluid supplied to the catalyst packed bed. For example, “Chemical Engineering Vol. 46, No. 4, pp. 215-220” (Yasuo Kato, The method described in Tsutomu Hirose, published in 1982) can determine whether or not the state of flow is within the perfusion flow range.

実施例1の解析シミュレーションの結果を図7、8に示す。図7では反応器本体の軸方向(触媒充填層深さ)と触媒充填層内の温度分布(中心から半径方向0、0.10、0.16mの位置をそれぞれr、r、rとした)を実線で示している。一方、図8には反応率分布を実線で示した。伝熱板を設置することにより触媒充填層63内の温度はどの位置においても250℃を超えず適切な範囲に制御できることが示された。 The results of the analysis simulation of Example 1 are shown in FIGS. In FIG. 7, the axial direction (catalyst packed bed depth) of the reactor main body and the temperature distribution ( 0 , 0.10, 0.16 m in the radial direction from the center at positions r 0 , r 1 , r 2 respectively. Are indicated by solid lines. On the other hand, in FIG. 8, the reaction rate distribution is shown by a solid line. It was shown that the temperature in the catalyst packed bed 63 can be controlled to an appropriate range without exceeding 250 ° C. at any position by installing a heat transfer plate.

<生成物分解温度の確認>
本反応における好ましい反応温度範囲の上限値は次に示す実験により求めた。内容積100mLオートクレーブにHAE40g、前記<水素添加実験>で使用したものと同じ銅系触媒を4g仕込み、水素圧25MPa、攪拌回転数750rpm、所定温度で2hr反応させた。各反応温度で反応させた時の反応液のHDL濃度を図10に示す。図10より、温度が250℃を超えると分解反応によりHDL濃度が低下してしまうことがわかる。本反応の反応温度は250℃を超えないことが好ましいと考えられる。
<Confirmation of product decomposition temperature>
The upper limit of the preferable reaction temperature range in this reaction was determined by the following experiment. An autoclave with an internal volume of 100 mL was charged with 40 g of HAE and 4 g of the same copper catalyst as used in the above <hydrogenation experiment>, and reacted for 2 hr at a hydrogen pressure of 25 MPa, a stirring rotational speed of 750 rpm, and a predetermined temperature. FIG. 10 shows the HDL concentration of the reaction solution when reacted at each reaction temperature. FIG. 10 shows that the HDL concentration decreases due to the decomposition reaction when the temperature exceeds 250 ° C. It is considered preferable that the reaction temperature of this reaction does not exceed 250 ° C.

比較例1Comparative Example 1

次に、反応器本体に伝熱板を設けない場合について、解析シミュレーションを行った。シミュレーションの条件は触媒充填層63内に伝熱板がないこと以外は、実施例1と同じである。得られた深さ方向温度プロファイルおよび反応率をそれぞれ図7、図8中に破線で示した。伝熱板を設置しないと触媒充填層63内の温度はどの位置においても250℃を超え、特に中心部(r)での最高温度は290℃に達した。 Next, an analysis simulation was performed for the case where no heat transfer plate was provided in the reactor body. The simulation conditions are the same as those in Example 1 except that there is no heat transfer plate in the catalyst packed bed 63. The obtained temperature profile in the depth direction and the reaction rate are shown by broken lines in FIGS. 7 and 8, respectively. Without the heat transfer plate, the temperature in the catalyst packed bed 63 exceeded 250 ° C. at any position, and the maximum temperature at the center (r 0 ) reached 290 ° C.

実施例1及び比較例1の結果より、反応器内に伝熱板を設置することによって触媒充填層内で発生する反応熱を効率的に除熱できることがわかった。   From the results of Example 1 and Comparative Example 1, it was found that the reaction heat generated in the catalyst packed bed can be efficiently removed by installing a heat transfer plate in the reactor.

比較例2Comparative Example 2

次に、反応器本体に設けられる伝熱板の表面積を小さくした場合について、解析シミュレーションを行った。触媒充填層63内の伝熱板64´の横幅の長さが、実施例1の1/3の長さ(0.05m)である点以外は、実施例1と同じ条件で解析シミュレーションを行った。このときのこのときの反応器容積に対する伝熱板の表面積は5.8[m/m]である。得られた深さ方向温度プロファイルを図9に破線で示した。伝熱板の表面積が充分でないと触媒充填層63内の位置r、rにおける温度が250℃を超えてしまうことがわかる。特に中心部(r)での最高温度は280℃付近にまで達した。 Next, an analysis simulation was performed for the case where the surface area of the heat transfer plate provided in the reactor main body was reduced. The analysis simulation was performed under the same conditions as in Example 1 except that the width of the heat transfer plate 64 ′ in the catalyst packed layer 63 was 1/3 of that in Example 1 (0.05 m). It was. The surface area of the heat transfer plate with respect to the reactor volume at this time is 5.8 [m 2 / m 3 ]. The obtained temperature profile in the depth direction is shown by a broken line in FIG. It can be seen that the temperature at the positions r 0 and r 1 in the catalyst packed layer 63 exceeds 250 ° C. if the surface area of the heat transfer plate is not sufficient. In particular, the maximum temperature at the center (r 0 ) reached around 280 ° C.

比較例2の結果より、反応器内に設置した伝熱板の表面積が不足すると、触媒充填層内で発生する反応熱を充分に除去できず、中心部近傍でホットスポットが発生してしまうことが判明した。   From the result of Comparative Example 2, when the surface area of the heat transfer plate installed in the reactor is insufficient, the reaction heat generated in the catalyst packed bed cannot be sufficiently removed, and a hot spot is generated near the center. There was found.

1 反応器、10 反応器本体、12 内部空間、14 流入部、16 流出部、18 内壁面、20 伝熱板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reactor, 10 Reactor main body, 12 Internal space, 14 Inflow part, 16 Outflow part, 18 Inner wall surface, 20 Heat-transfer plate

Claims (6)

固体触媒に灌液流条件下にて気体及び液体を接触させ気液固触媒反応を実施するトリクルベッド式反応の際に使用する固体触媒を充填する円筒状の反応器本体と、
該反応器本体の内壁面に接し、かつ前記反応器本体の中心軸に対して実質的に平行に設けられた伝熱板とを備え、
前記反応器本体の固体触媒が充填される領域における、前記中心軸に垂直に交わる任意の異なる二つの断面の間の反応器区分において、前記伝熱板の表面積が、該反応器区分の容積に対し8.0〜100[m/m]となるように設けられていることを特徴とする反応器。
A cylindrical reactor body filled with a solid catalyst used in a trickle-bed type reaction in which a gas and a liquid-catalyzed reaction are carried out by bringing a gas and a liquid into contact with the solid catalyst under perfusion flow conditions;
A heat transfer plate provided in contact with the inner wall surface of the reactor main body and substantially parallel to the central axis of the reactor main body,
In the reactor section between any two different cross sections perpendicular to the central axis in the region of the reactor body where the solid catalyst is packed, the surface area of the heat transfer plate is the volume of the reactor section. The reactor is provided so that it may become 8.0-100 [m < 2 > / m < 3 >].
前記伝熱板の、前記反応器区分の容積に対する表面積が8.0〜30.0[m/m]となるように設けられていることを特徴とする請求項1記載の反応器。 The reactor according to claim 1, wherein a surface area of the heat transfer plate with respect to the volume of the reactor section is 8.0 to 30.0 [m 2 / m 3 ]. 前記伝熱板が、熱伝導率が10[W/(m・K)]以上の材料から形成されていることを特徴とする請求項1又は2記載の反応器。   The reactor according to claim 1, wherein the heat transfer plate is made of a material having a thermal conductivity of 10 [W / (m · K)] or more. 請求項1乃至3のいずれかに記載の反応器を用いて、反応器に供給する反応原料液の重量あたりの反応熱を450〜600[J/g_反応原料液]に調整して、トリクルベッド式反応を実施することによって製造することを特徴とする反応物の製造方法。   Using the reactor according to any one of claims 1 to 3, the reaction heat per weight of the reaction raw material liquid supplied to the reactor is adjusted to 450 to 600 [J / g_reaction raw material liquid], and a trickle bed A method for producing a reactant, which is produced by performing a formula reaction. 請求項1乃至3のいずれかに記載の反応器を用いて、エステル基の水素化をトリクルベッド式で実施し、アルコール類を得ることを特徴とする反応物の製造方法。   A process for producing a reaction product, characterized in that, using the reactor according to any one of claims 1 to 3, hydrogenation of an ester group is carried out in a trickle bed system to obtain an alcohol. エステル基が6−ヒドロキシヘキサン酸エステルに含まれるエステル基であり、得られるアルコール類が1,6−ヘキサンジオールであることを特徴とする請求項5記載の反応物の製造方法。   6. The method for producing a reaction product according to claim 5, wherein the ester group is an ester group contained in 6-hydroxyhexanoic acid ester, and the resulting alcohol is 1,6-hexanediol.
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