JP2012016670A - 多管式反応装置及び該多管式反応装置における邪魔板の設置位置設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱量の変化の大きい部分に対応する熱媒流路において反応器シェルの幅方向断面内に設定される熱媒の最大温度差を超えないようにする。
【解決手段】反応流体１０と触媒との化学反応による発熱量Ａの変化が大きい部分に対応する熱媒流路８ａ，８ｂが、管板２，３間に邪魔板６ａ，６ｂ，６ｃを等間隔に設置したときに形成される熱媒流路よりも狭くなるように、発熱量Ａの変化が大きい部分に対応する熱媒流路８ａ，８ｂを形成する邪魔板６ａ，６ｂを、反応器シェル１幅方向断面内に設定される熱媒７の最大温度差を超えない位置に設置する。発熱量Ａ変化が大きい部分に対応する熱媒流路８ａ，８ｂを狭くするので、熱媒流路８ａ，８ｂを流れる熱媒７の流速を上げることができ、単位時間当たりの反応管９と熱媒７との熱交換量を減少させることができる。よって、反応器シェル１幅方向断面内に設定される熱媒７の最大温度差を超えないようにすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、触媒を充填した複数の反応管内に反応流体を流通させることにより該反応管内で化学反応させて、アクリル酸、エチレン酸、メタクリル酸などの化学物質を製造するために用いる多管式反応装置及び該多管式反応装置における邪魔板の設置位置設定方法に関するものである。

多管式反応装置は、一般的に、反応器シェル内部を上部管板と下部管板によりそれぞれ仕切って、該上下の各管板間における反応器シェルの下部に熱媒導入部を設けると共に該管板間における反応器シェルの上部に熱媒排出部が設けてあり、且つ上記反応器シェル内の管板間に、邪魔板を上下方向に等間隔で千鳥配置として設けて、上記熱媒導入部から供給される熱媒を蛇行させて上記熱媒排出部から排出させる熱媒流路が形成してある。更に、触媒を充填させた複数の反応管（伝熱管）を、上記邪魔板と各管板に貫通させて固定支持させるようにした構成のものとしてあり、上記反応器シェルの上端部から導入される反応流体と上記反応管内の触媒とを、上記熱媒流路に流通させる熱媒により温度管理した状態で化学反応させて、アクリル酸、エチレン酸、メタクリル酸などの化学物質を製造するようにしてある（たとえば特許文献１参照）。

なお、多管式反応装置ではないが、内管に冷却水を流して内管と外管の間を流れる冷媒を冷却する二重管式の凝縮器においては、内管と外管の間に形成される冷媒通路を過熱蒸気（冷媒蒸気）を冷却する領域と飽和蒸気を冷却する領域に区画するバッフル板を、該バッフル板の間隔が冷媒流の下流側ほど狭くなるように千鳥状に配置するようにして、冷媒流の下流側で過熱蒸気の流速が落ちるのを抑制し、冷却水と過熱蒸気との間の熱伝達率を維持できるようにしたものが知られている（たとえば特許文献２参照）。

特開２００５−２９６９２１号公報 特開２００８−９５９８９号公報

ところで、多管式反応装置では、全ての反応管において触媒と反応流体との化学反応が均一に行われるようにするため、一般的に、各熱媒流路における反応器シェルの幅方向断面内において熱媒の最大温度差を設定するようにしている。

しかし、反応流体との化学反応により反応管内に充填された触媒が発熱すると、反応管の長さ方向に発熱量の多い部分と少ない部分が生じて、反応管の長さ方向に発熱量の分布ができる。このため、上記特許文献１に記載された多管式反応装置のように、邪魔板を上下の管板間に等間隔に設置している場合には、触媒と反応流体との化学反応による発熱量が多い部分でも熱媒流路の断面積が一定であるため熱媒の流速が変化することがなく、該熱媒流路において反応器シェルの幅方向断面（水平断面）内に設定されている熱媒の最大温度差を超える部分が生じてしまうことがある。

この熱媒の最大温度差が超える部分が生じないようにする一つの手段としては、反応器シェル内の熱媒流路に流通させる熱媒の循環量を増加させることが考えられるが、熱媒導入部に接続するポンプを大型化しなければならず、多管式反応装置の設置面積が大きくなってしまうという問題がある。又、これに伴い、経済的な負担が大きくなるという問題もある。

なお、上記特許文献２に記載されたものは、冷媒流の下流側において、過熱蒸気（冷媒蒸気）の比容積が減少することにより該過熱蒸気の流速が減少することから、該流速の減少を抑制するために、冷媒流の下流側に設けるバッフル板の間隔を単に狭くして、冷却水と過熱蒸気との間の熱伝達率を維持できるようにしたものであり、触媒と反応流体との化学反応による熱量の変化の大きい部分に対応する熱媒流路を狭くするという考えのものではなく、又、そのことを示唆するものでもない。

そこで、本発明は、熱媒流路に流通させる熱媒の循環量を増加させることなく発熱量の変化の大きい部分に対応する熱媒流路において反応器シェルの幅方向断面内に設定される熱媒の最大温度差を超えないようにする多管式反応装置及び該多管式反応装置における邪魔板の設置位置設定方法を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、反応器シェル内に設置される管板と該管板間に配置される邪魔板との間に反応器シェルの一方の管板側から他方の管板側へ連続する熱媒流路を形成し、上記各管板と邪魔板に貫通支持される複数の反応管内に充填した触媒と、上記反応器シェル内に導入する反応流体とを、上記熱媒流路に流通させる熱媒により温度管理した状態で化学反応させて、化学物質を製造するようにし、且つ上記化学反応による熱量の変化が大きい部分に対応する熱媒流路を、上記反応器シェルの幅方向断面内に設定される熱媒の最大温度差を超えることがないように上記管板間に等間隔で形成するときの熱媒流路よりも狭くして設けるようにした構成とする。

又、請求項２に対応して、請求項１における熱量の変化が大きい部分に対応する熱媒流路を、管板間に等間隔で設定される邪魔板の設定位置を変更することにより狭めるようにした構成とする。

更に、請求項３に対応して、反応器シェル内に設置される管板と該管板間に配置される邪魔板との間に反応器シェルの一方の管板側から他方の管板側へ連続する熱媒流路を形成し、上記各管板と邪魔板に貫通支持される複数の反応管内に充填した触媒と、上記反応器シェル内に導入する反応流体とを、上記熱媒流路に流通させる熱媒により温度管理した状態で化学反応させて、化学物質を製造するようにしてある多管式反応装置における、上記化学反応による熱量の変化が大きい部分に対応する熱媒流路を形成する邪魔板の設置位置を、上記反応器シェルの幅方向断面内に設定される熱媒の最大温度差を超えることがない熱媒流速が得られる位置に設定して、上記化学反応による熱量の変化が大きい部分に対応する熱媒流路を、上記管板間に邪魔板を等間隔に設置したときに形成される熱媒流路よりも狭くするようにする構成とする。

本発明の多管式反応装置及び該多管式反応装置における邪魔板の設置位置設定方法によれば、以下の如き優れた効果を発揮する。
（１）反応器シェル内に設置される管板と該管板間に配置される邪魔板との間に反応器シェルの一方の管板側から他方の管板側へ連続する熱媒流路を形成し、上記各管板と邪魔板に貫通支持される複数の反応管内に充填した触媒と、上記反応器シェル内に導入する反応流体とを、上記熱媒流路に流通させる熱媒により温度管理した状態で化学反応させて、化学物質を製造するようにし、且つ上記化学反応による熱量の変化が大きい部分に対応する熱媒流路を、上記反応器シェルの幅方向断面内に設定される熱媒の最大温度差を超えることがないように上記管板間に等間隔で形成するときの熱媒流路よりも狭くして設けるようにした構成としてあるので、管板間に等間隔で形成した熱媒流路を流れる熱媒の流速に比べて、化学反応による熱量の変化の大きい部分に対応した熱媒流路を流れる熱媒の流速を上げることができる。したがって、単位時間当たりの反応管（熱源）と熱媒との熱交換量を減少させることができるので、熱媒流路に流通させる熱媒の循環量を増加させることなく反応器シェルの幅方向断面内に設定される熱媒の最大温度差を超えないようにすることができ、よって、全ての反応管において触媒と反応流体との化学反応をほぼ均一にすることができる。
（２）又、反応器シェル内に設置される管板と該管板間に配置される邪魔板との間に反応器シェルの一方の管板側から他方の管板側へ連続する熱媒流路を形成し、上記各管板と邪魔板に貫通支持される複数の反応管内に充填した触媒と、上記反応器シェル内に導入する反応流体とを、上記熱媒流路に流通させる熱媒により温度管理した状態で化学反応させて、化学物質を製造するようにしてある多管式反応装置における、上記化学反応による熱量の変化が大きい部分に対応する熱媒流路を形成する邪魔板の設置位置を、上記反応器シェルの幅方向断面内に設定される熱媒の最大温度差を超えることがない熱媒流速が得られる位置に設定して、上記化学反応による熱量の変化が大きい部分に対応する熱媒流路を、上記管板間に邪魔板を等間隔に設置したときに形成される熱媒流路よりも狭くするようにする構成としてあるので、（１）に記載したのと同様の効果を奏することができるほかに、熱量の変化が大きい部分に対応する熱媒流路を、管板間に等間隔で設定される邪魔板の設定位置を変更することにより狭めるようにしてあることから、化学反応による熱量の変化の大きい部分に対応した熱媒流路を流れる熱媒の流速を、邪魔板の設置数及び設置工数を増やさずに上げることができる。

本発明の多管式反応装置及び該多管式反応装置における邪魔板の設置位置設定方法の実施の一形態を示す概略断面図である。 （イ）は反応管の長さ方向に分布する発熱量分布の一例を示す概略図、（ロ）は邪魔板を等間隔に配置したときの各熱媒流路と（イ）の発熱量分布との関係を示す概略図である。 図１に示す本発明の多管式反応装置における各熱媒流路と図２（イ）の発熱量分布との関係を示す概略図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

図１乃至図３は本発明の実施の一形態を示すもので、図１に一例を示す如く、反応器シェル１内部を上部管板２と下部管板３によりそれぞれ仕切って、該管板２，３間における反応器シェル１の下部に熱媒導入部４を設けると共に該管板２，３間における反応器シェル１の上部に熱媒排出部５を設ける。上記管板２，３間における反応器シェル１内側に、邪魔板６ａ，６ｂ，６ｃを千鳥状に配置して設けて、上記熱媒導入部４から供給される熱媒７を蛇行させて上記熱媒排出部５から排出させるための熱媒流路を上から順に８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄとして形成し、更に、図示してない触媒を充填させた複数の反応管（伝熱管）９を、上記各邪魔板６ａ，６ｂ，６ｃと各管板２，３に貫通させて固定支持させ、上記複数の反応管９内に充填した触媒と上記反応器シェル１の上端部から導入される反応流体１０とを、上記熱媒流路８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄに流通させる熱媒７により温度管理した状態で化学反応させて、化学物質を製造するようにした多管式反応装置とする。本発明の特徴とするところは、上記化学反応による熱量としての発熱量の変化が大きくて反応器シェル１の幅方向断面（水平断面）内に設定される熱媒７の最大温度差を超える部分に対応する熱媒流路８ａ，８ｂを、該熱媒流路８ａ，８ｂを形成する邪魔板６ａ，６ｂを上記設定される熱媒７の最大温度差を超えない位置に設置することにより上記管板２，３間に邪魔板６ａ，６ｂ，６ｃを等間隔に設置したときに形成される熱媒流路よりも狭くなるようにした構成とする。

詳述すると、反応器シェル１の上端部から導入される反応流体１０と反応管９内に充填した図示してない触媒との化学反応による発熱量は、該触媒と反応流体１０との反応条件などにより異なるが、たとえば、図２（イ）に曲線Ａで示す如く、一般的に、反応管９の長さ方向に分布するように設定されているので、該発熱量分布を、図２（ロ）に二点差線で示す如く、管板２，３間に等間隔（図では４等分）に設定した場合の邪魔板６ａ，６ｂ，６ｃの間隔に対応させて、反応管９の長さ方向に等間隔で分割するようにする。図２（ロ）に示すように、図２（イ）に示した発熱量分布を等間隔で分割（図では４分割）すると、発熱量Ａは上部管板２から１つ目の邪魔板６ａに至る間で急上昇した後、該邪魔板６ａから２つ目の邪魔板６ｂに至る間で急降下し、その後、下部管板３にかけてなだらかに降下していることが分かる。したがって、発熱量Ａが最も大きくなる部分に対応した、上部管板２と上から１つ目の邪魔板６ａとの間の１段目の熱媒流路８ａと、上から１つ目の邪魔板６ａと上から２つ目の邪魔板６ｂとの間の２段目の熱媒流路８ｂとが、上記化学反応による発熱量Ａの変化が大きい部分ということになる。

上記発熱量Ａの変化の大きい部分に対応する熱媒流路８ａ，８ｂでは、反応器シェル１の各幅方向断面内に設定される熱媒７の最大温度差を超え易いので、該熱媒流路８ａ，８ｂの断面積を狭めることにより、該熱媒流路８ａ，８ｂでの熱媒７の流速を上げて、単位時間当たりの反応管９（熱源）と熱媒７との熱交換量を減少させ、該熱媒流路８ａ，８ｂにおいて、設定されている熱媒７の最大温度差を超えないようにする。

すなわち、図１に示す如く、１段目の熱媒流路８ａを形成する上部管板２と上から１つ目の邪魔板６ａとの間の間隔が、各邪魔板６ａ，６ｂ，６ｃを管板２，３間に等間隔で設置したときの間隔よりも狭くなるように、上から１つ目の邪魔板６ａの設置位置を上部管板２側にずらして設定して、１段目の熱媒流路８ａの断面積を狭くするようにする。このとき、上から１つ目の邪魔板６ａを上部管板２側にずらす幅（寸法）は、上から１つ目の邪魔板６ａの設置位置が、１段目の熱媒流路８ａにおいて反応器シェル１の幅方向断面内に設定される熱媒７の最大温度差を超えない位置になるように設定するようにする。この際、上から１つ目の邪魔板６ａを上部管板２側にずらす幅（寸法）を求めるときは、たとえば、上から１つ目の邪魔板６ａを任意の幅（寸法）だけ上部管板２側にずらした後の１段目の熱媒流路８ａについて、周知の解析手段により反応器シェル１の幅方向断面内の温度分布を求め、該温度分布における最大温度差が、反応器シェル１の幅方向断面内に設定される熱媒７の最大温度差を超えているか否かを判断し、超えている場合には、上記同様に、上から１つ目の邪魔板６ａの上部管板２側への設定位置の変更、該設定変更後の温度分布を求める解析、該温度分布での最大温度差と設定される熱媒７の最大温度差との比較、を１段目の熱媒流路８ａにおいて反応器シェル１の幅方向断面内に設定される熱媒７の最大温度差を超えなくなるまで繰り返すようにして求めたり、試作品を作って実験を行うようにして求めたりするようにする。

又、上から２つ目の邪魔板６ｂの設置位置も上から１つ目の邪魔板６ａの設置位置の設定と同様に設定して、２段目の熱媒流路８ｂの断面積が狭くなるようにする。このとき、図３に二点差線で示す如く、上から１つ目の邪魔板６ａと、上から２つ目の邪魔板６ｂの設置位置が変更されるので、本実施の形態では、上から２つ目の邪魔板６ｂと上から３つ目の邪魔板６ｃとの間の３段目の熱媒流路８ｃにおいて反応器シェル１の幅方向断面内に設定される熱媒７の最大温度差を超えないように、上から３つ目の邪魔板６ｃの設置位置を、上から２つ目の邪魔板６ｂとの間隔を上記した等間隔と同じ間隔を維持した位置に設定するようにする。このため、上から３つ目の邪魔板６ｃと下部管板３との間の４段目の熱媒流路８ｄの断面積は、上から１つ目の邪魔板６ａと上から２つ目の邪魔板６ｂの設置位置が変更された分だけ広がって、該４段目の熱媒流路８ｄでの熱媒７の流速は遅くなるが、図３に二点差線で示す如く、４段目の熱媒流路８ｄに対応する部分の発熱量Ａの変化は小さいので、反応器シェル１の幅方向断面内に設定される熱媒７の最大温度差を超えることはない。

このようにして、各邪魔板６ａ，６ｂ，６ｃの設置位置をそれぞれ設定した後、該各邪魔板６ａ，６ｂ，６ｃの設定位置に基づいて、該各邪魔板６ａ，６ｂ，６ｃを反応器シェル１の内側にそれぞれ設置するようにする。

このように、本実施の形態によれば、触媒と反応流体１０との化学反応による発熱量Ａの変化が大きくて反応器シェル１の幅方向断面内に設定される熱媒７の最大温度差を超える部分に対応する熱媒流路８ａ，８ｂを、該熱媒流路８ａ，８ｂを形成する邪魔板６ａ，６ｂを上記設定される熱媒７の最大温度差を超えない位置に設置することにより管板２，３間に邪魔板６ａ，６ｂ，６ｃを等間隔に設置したときに形成される熱媒流路よりも狭くなるようにした構成としてあるので、上記管板２，３間に等間隔で形成した熱媒流路を流れる熱媒７の流速に比べて、化学反応による発熱量Ａの変化の大きい部分に対応した熱媒流路８ａ，８ｂを流れる熱媒７の流速を上げることができる。したがって、単位時間当たりの反応管９（熱源）と熱媒７との熱交換量を減少させることができるので、熱媒流路８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄに流通させる熱媒７の循環量を増加させることなく反応器シェル１の幅方向断面内に設定される熱媒７の最大温度差を超えないようにすることができ、よって、反応器シェル１内の全ての反応管９において触媒と反応流体１０との化学反応をほぼ均一にすることができる。

又、発熱量Ａの変化が大きい部分に対応する熱媒流路８ａ，８ｂを、管板２，３間に等間隔に設定される邪魔板６ａ，６ｂ，６ｃの設定位置を変更することにより狭めるようにしてあるので、化学反応による発熱量Ａの変化の大きい部分に対応した熱媒流路８ａ，８ｂを流れる熱媒７の流速を、邪魔板６ａ，６ｂ，６ｃの設置数や設置工数を増やさずに上げることができる。

なお、上記実施の形態では、管板２，３間に等間隔配置に設定した邪魔板６ａ，６ｂの設置位置を変更することにより、化学反応による発熱量Ａの変化の大きい部分に対応した熱媒流路８ａ，８ｂの断面積を狭くする場合について説明したが、これに限られるものではなく、該熱媒流路８ａ，８ｂの断面積を狭くすることができれば、たとえば、邪魔板を新たに追加して、発熱量Ａの変化の大きい部分に対応した熱媒流路８ａ，８ｂを狭くするようにしたり、熱媒流路８ａ，８ｂの断面形状を任意の形状にして、発熱量Ａの変化の大きい部分に対応した熱媒流路８ａ，８ｂを狭くするようにしてもよい。

又、反応器シェル１内側に邪魔板６ａ，６ｂ，６ｃを千鳥状に設置する型式の多管式反応装置に適用した場合について説明したが、これに限られるものではなく、たとえば、反応器シェル１内側に円板型邪魔板と中央部に貫通孔を設けた孔あき円板型邪魔板とが交互に設置される型式の多管式反応装置に適用するようにしてもよい。

更に、触媒と反応流体１０との発熱反応の場合について説明したが、触媒と反応流体１０との吸熱反応の場合でも同様に適用できること、発熱量分布は、図２（イ）に示したような発熱量分布に限定されないこと、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 反応器シェル
２ 管板（上部管板）
３ 管板（下部管板）
６ａ，６ｂ，６ｃ 邪魔板
７ 熱媒
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ 熱媒流路
９ 反応管
１０ 反応流体
Ａ 熱量（発熱量）

Claims (3)

1. 反応器シェル内に設置される管板と該管板間に配置される邪魔板との間に反応器シェルの一方の管板側から他方の管板側へ連続する熱媒流路を形成し、上記各管板と邪魔板に貫通支持される複数の反応管内に充填した触媒と、上記反応器シェル内に導入する反応流体とを、上記熱媒流路に流通させる熱媒により温度管理した状態で化学反応させて、化学物質を製造するようにし、且つ上記化学反応による熱量の変化が大きい部分に対応する熱媒流路を、上記反応器シェルの幅方向断面内に設定される熱媒の最大温度差を超えることがないように上記管板間に等間隔で形成するときの熱媒流路よりも狭くして設けるようにした構成を有することを特徴とする多管式反応装置。
2. 熱量の変化が大きい部分に対応する熱媒流路を、管板間に等間隔で設定される邪魔板の設定位置を変更することにより狭めるようにした請求項１記載の多管式反応装置。
3. 反応器シェル内に設置される管板と該管板間に配置される邪魔板との間に反応器シェルの一方の管板側から他方の管板側へ連続する熱媒流路を形成し、上記各管板と邪魔板に貫通支持される複数の反応管内に充填した触媒と、上記反応器シェル内に導入する反応流体とを、上記熱媒流路に流通させる熱媒により温度管理した状態で化学反応させて、化学物質を製造するようにしてある多管式反応装置における、上記化学反応による熱量の変化が大きい部分に対応する熱媒流路を形成する邪魔板の設置位置を、上記反応器シェルの幅方向断面内に設定される熱媒の最大温度差を超えることがない熱媒流速が得られる位置に設定して、上記化学反応による熱量の変化が大きい部分に対応する熱媒流路を、上記管板間に邪魔板を等間隔に設置したときに形成される熱媒流路よりも狭くするようにすることを特徴とする多管式反応装置における邪魔板の設置位置設定方法。

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