JP2013154310A - 多管式反応器 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱媒を大流量化しても、圧力損失の増大が抑えられるようにする。
【解決手段】 反応容器１は、容器内の両端部に、管板２と４により仕切られた熱媒供給ヘッダ３と熱媒排出ヘッダ５を備え、それぞれに連通する熱媒入口８と熱媒出口９を備える。各管板２と４の間に、各ヘッダ３と５に連通する複数の管７を設ける。各管板２と４の間で且つ各管７の外側には、反応原料入口１７から反応原料１１が供給される反応原料分配室１２と、触媒１４が充填された触媒層１３と、生成した反応生成物１５を反応生成物出口１８へ導くための反応生成物集合室１６を、下方から上方へ順に設けて、多管式反応器を形成する。触媒層１３での触媒反応により反応原料１１より反応生成物１５を生成させる際に熱交換のために各管７内を流通させる熱媒１０は、その流れが管群を横切らないようにさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、反応温度条件をコントロールしながら触媒反応を行わせるために用いる多管式反応器に関するものである。

反応原料から触媒反応により反応生成物を連続的に製造するプロセスでは、発熱反応や吸熱反応である触媒反応の進行に伴う温度変化を防止するために、触媒反応の実施時に、熱媒との間接的な熱交換を並行して行わせることにより、反応温度条件を一定に維持することが行われている。

この種の熱媒との熱交換を用いて反応温度条件をコントロールしながら触媒反応を効率よく実施させるための装置としては、たとえば、アクリル酸の製造や、エチレン酸、メタクリル酸、その他の各種化学物質の製造プロセスで広く用いられている多管式反応器（チューブラーリアクター）がある。

上記多管式反応器は、一般に、反応容器の一端部に、管板によって仕切られた反応原料の分配室が設けてあると共に、該反応容器の他端部に、管板によって仕切られた反応生成物の集合室が設けてある。且つ上記各管板同士の間には、平行配置した複数の管を、上記分配室と集合室の双方に連通するように取り付けて、該各管の内部に、触媒を充填した構成とされている。

上記のように各管内に触媒が充填された管内触媒式の多管式反応器は、上記反応容器内における各管板同士の間で且つ上記各管の外側の空間が熱媒流通領域とされている。なお、熱媒としては、通常、熱容量の大きな液体が使用される。

上記熱媒流通領域に熱媒を流通させる形式の１つとしては、上記各管を通す孔を備えたバッフル（邪魔板）を複数枚設けた構成として、該各バッフルにより熱媒の流れを蛇行させるようにして、該熱媒の流れ方向が上記各管の長手方向に対して直交する方向となるようにした熱媒直交流形式がある（たとえば、特許文献１、特許文献２参照）。

又、上記熱媒流通領域に熱媒を流通させる別の形式としては、上記各管板の内側に、上記各管を通す孔を備え且つ熱媒を分散させることが可能な分配プレートにより仕切られた熱媒分散用と熱媒集合用の各区画を形成して、該熱媒分散用区画側の分配プレートから、熱媒集合用区画側の分配プレートまでの間に、熱媒を、該各管の長手方向に平行な方向に流通させるようにした熱媒平行流形式が提案されている（たとえば、特許文献３参照）。

更に、多管式反応器の別の形式のものとしては、熱媒を流通させるための管の外側に触媒を配置するようにした管外触媒式の多管式反応器が従来提案されている。

かかる管外触媒式の多管式反応器は、上端部に反応原料の注入用通路を設け、且つ下端部に反応生成物の排出用通路を設けた反応容器を備えている。上記反応容器の内部には、該反応容器の上部位置に、熱媒の上方分配ダクトが配置されると共に、該反応容器の下部位置に、熱媒の下方収集ダクトが配置され、該上方分配ダクトと下方収集ダクトとの間に、上下方向に延びる複数の管（チャンバ）が、双方のダクトに連通するように取り付けられている。更に、上記上方分配ダクトと下方収集ダクトとの間で且つ上記各管の外側に、触媒が配置された構成としてある。

これにより、上記管外触媒式の多管式反応器は、上記上方分配ダクトから各管を通して下方収集ダクトへ熱媒を流通させ、この状態で、注入用通路から反応容器内へ供給される反応原料が、上記上方分配ダクトと反応容器の内壁との間の隙間を通して上記触媒の層に進入して、触媒反応に供されるようにしてある。その後、該触媒反応により生成した反応生成物は、上記下方収集ダクトと反応容器の内壁との間の隙間を通して反応容器の下端部へ導かれた後、排出用通路を通して反応容器の外へ取り出されるようにしてある（たとえば、特許文献４参照）。

ところで、多管式反応器では、反応生成物の品質確保に基づく設計要求として、触媒についての均一温度分布、たとえば、水平及び垂直方向に数℃以内というような均一温度分布が求められることがあり、この場合は、反応容器に流通させる熱媒の大流量化が必要とされる。

特許第４４２４９９１号公報 特開２００６−５１０４７１号公報 特開２００６−１９２４３０号公報 特開２００４−８９９９８号公報

ところが、上記特許文献１、２に示された管内触媒式で且つ熱媒直交流形式の多管式反応器は、各バッフルの位置で反転させられることで熱媒の流れが複雑になり、該熱媒の温度分布にむらが生じやすい。更に、上記熱媒直交流形式は、各管を横切るように熱媒が流れるため、熱媒の大流量化を図ると、各管による流動抵抗が増加して圧力損失が大きくなり、熱媒を循環させるためのポンプ動力が大きくなるという問題もある。

なお、上記熱媒直交流形式では、バッフルに設ける孔の径を管の外径よりも大きくすることや、バッフルに管を通す孔以外の孔（ダミー孔）を設けることで、バッフルにて熱媒のリーク（漏れ）を生じさせて。該熱媒の圧力損失を低減させることが考えられている。しかし、この構成では、熱媒の温度分布のむらが更に増大する虞があると共に、多管式反応器の製造時における孔開け工数の増加に繋がるという問題が生じてしまう。

上記特許文献３に示された管内触媒式で且つ熱媒平行流形式の多管式反応器は、各分配プレートにより仕切られた熱媒分散用と熱媒集合用の各区画内では、熱媒を、触媒が充填された各管に対して管の長手方向に直交する方向に流通させる必要がある。そのため、該各区画内では、各管による流動抵抗が大きくなることから、熱媒の大流量化を図ると、圧力損失が大きくなり、熱媒を循環させるためのポンプ動力が大きくなるという問題が生じてしまう。

又、熱媒が各管の長手方向に平行に流れる領域では、長手方向のいずれかの部分で局所的に隣接する管同士の間隔（管ピッチ）が狭くなるところが生じると、そこでは熱媒が流れにくくなり、反対に、局所的に管ピッチが広くなるところが生じると熱媒が流れやすくなるため、熱媒の流量配分が不均一となって、温度むらの原因となる。特に、上流側で局所の温度むらが生じると、その温度むらが下流にまで影響を及ぼすことがある。このため、該領域では、各管の長手方向に亘って所定の管ピッチを維持するために、ロッドバッフル等を用いて各管の長手方向に中間部を保持させる必要があることから、構造が複雑化し、製造時の工数が増加してしまう。

上記特許文献４に示された従来の管外触媒式の多管式反応器は、反応原料を触媒の層へ供給するときには、上方分配ダクトの外周における反応容器の内壁との隙間を通す必要があると共に、触媒の層から反応生成物を取り出すときにも、下方収集ダクトの外周における反応容器の内壁との隙間を通す必要がある。そのため、上記触媒の層では、上記反応原料や反応生成物の流れが、反応容器の外周寄りに偏ってしまう。そのため、反応容器の中心付近に配置されている触媒を有効利用することが困難で、触媒反応の効率が低いという問題がある。

しかも、上記の各問題は、熱媒との熱交換効率を高めるために該熱媒を流通させる管の本数を増加させたり、反応容器の径を大きくすると、より顕著になってしまう。

そこで、本発明は、触媒層と熱媒の熱交換効率を高めることができると共に、熱媒の流動抵抗を低減させることができて、該熱媒の大流量化を図る場合であっても、圧力損失の増大を抑えて熱媒を循環させるためのポンプ動力が大きくなることを防止でき、しかも、製造時の工数を削減でき、更には、触媒を均等に触媒反応に利用することができて、触媒の無駄をなくすことができる多管式反応器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、反応容器内の一端部に管板により仕切って形成した熱媒供給ヘッダと、上記反応容器内の他端部に管板により仕切って形成した熱媒排出ヘッダと、上記反応容器に上記熱媒供給ヘッダ及び熱媒排出ヘッダにそれぞれ連通するように設けた熱媒入口及び熱媒出口と、上記各管板の間に配置して、両端部を上記各管板に穿設された管接続孔にそれぞれ連通接続した複数の管とを備え、更に、上記反応容器内における各管板同士の間で且つ上記各管の外側に、反応原料入口より供給される反応原料を反応容器内で分散させるための反応原料分配室と、触媒が充填された触媒層と、触媒層で生成される反応生成物を集合させてから排出させるようにする反応生成物集合室とを、いずれか一方の管板側から、他方の管板側へ順に設け、且つ上記反応原料分配室と反応生成物集合室の少なくとも一方の上記触媒層側に、触媒を支持して該触媒の通過は阻止する一方、上記反応原料及び反応生成物の通過を許容できる機能を有する触媒保持板を備えてなる構成とする。

又、上記構成において、反応容器における触媒層の上端部に対応する個所に触媒投入口を備えると共に、触媒層の下端部に対応する個所に触媒排出口を備えるようにした構成とする。

更に、上記各構成において、反応原料分配室と、触媒層と、反応生成物集合室を上下方向に配列させ、且つ触媒層の上下両側に、触媒保持板を平行に傾斜配置させて設けるようにした構成とする。

本発明の多管式反応器によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
（１）反応容器内の一端部に管板により仕切って形成した熱媒供給ヘッダと、上記反応容器内の他端部に管板により仕切って形成した熱媒排出ヘッダと、上記反応容器に上記熱媒供給ヘッダ及び熱媒排出ヘッダにそれぞれ連通するように設けた熱媒入口及び熱媒出口と、上記各管板の間に配置して、両端部を上記各管板に穿設された管接続孔にそれぞれ連通接続した複数の管とを備え、更に、上記反応容器内における各管板同士の間で且つ上記各管の外側に、反応原料入口より供給される反応原料を反応容器内で分散させるための反応原料分配室と、触媒が充填された触媒層と、触媒層で生成される反応生成物を集合させてから排出させるようにする反応生成物集合室とを、いずれか一方の管板側から、他方の管板側へ順に設け、且つ上記反応原料分配室と反応生成物集合室の少なくとも一方の上記触媒層側に、触媒を支持して該触媒の通過は阻止する一方、上記反応原料及び反応生成物の通過を許容できる機能を有する触媒保持板を備えてなる構成としてあるので、触媒層と、各管内に流通させる熱媒との熱交換により、該触媒層における反応温度条件を保持しながら、反応原料より触媒反応によって反応生成物を連続的に製造することができる。
（２）上記熱媒は、反応容器の内部にて、熱媒入口より熱媒供給ヘッダ、各管内、熱媒排出ヘッダを経て熱媒出口まで流れる過程で、管群を横切るように流れることはない。このため、上記熱媒の大流量化を図る場合であっても、圧力損失の増大を抑えることができて、熱媒を循環させるためのポンプ動力が大きくなることを防止することができる。
（３）よって、熱媒の大流量化が容易に実現できるため、本発明の多管式反応器は、触媒層についての均一温度分布の設計要求を満たすことが可能になり、反応生成物の品質の向上化を図ることが可能になる。
（４）上記各管の外側には、触媒層に充填された触媒が存在していて該各管が支持されるため、各管の長手方向に亘って所定の管ピッチを維持するために、該各管の長手方向の中間部を支持するための部材を設ける必要はない。このため、本発明の多管式反応器は、構成を単純化することができて、製造時の工数を削減することができる。
（５）又、触媒層は、反応原料流入側と反応生成物流出側の両端面の全域で反応原料分配室と反応生成物集合室に接続されているため、該反応原料分配室から触媒層へ、及び、触媒層から反応生成物集合室へ、それぞれ反応原料及び反応生成物を反応容器の中心部から外周部まで均等に流通させることができて、触媒層全体の触媒を均等に触媒反応に利用することができる。よって、触媒反応の効率を高めることができると共に、触媒の無駄をなくすことができる。

本発明の多管式反応器の実施の一形態を示す概略切断側面図である。 図１の多管式反応器における管の配置を示すもので、（ａ）は正方配列の場合を示す概要図、（ｂ）は千鳥配列の場合を示す概要図である。 本発明の実施の他の形態を示す概略切断側面図である。

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及び図２（ａ）（ｂ）は本発明の多管式反応器の実施の一形態を示すものである。

すなわち、本発明の多管式反応器は、図１に示すように、反応容器１内の一端部（図では下端部）に、管板２によって仕切られた熱媒供給ヘッダ３が設けてある。又、上記反応容器１内の他端部（図では上端部）には、別の管板４によって仕切られた熱媒排出ヘッダ５が設けてある。

更に、上記反応容器１は、一端部に、上記熱媒供給ヘッダ３に連通して外部より熱媒１０を供給するための熱媒入口８が設けてあると共に、他端部に、上記熱媒排出ヘッダ５に連通して外部へ熱媒１０を排出させるための熱媒出口９が設けてある。

上記各管板２及び４には、互いに対応する配置で複数の管接続孔６が穿設されており、該各管板２と４同士で対応する各管接続孔６に、該各管板２と４同士の間に配置した複数の管７の両端部が、それぞれ連通接続されている。

これにより、外部の図示しない熱媒供給手段により、熱媒１０が上記熱媒入口８より熱媒供給ヘッダ３へ供給されると、該熱媒１０は、上記熱媒供給ヘッダ３内で各管接続孔６に向けて分配された後、該各管接続孔６に接続されている上記各管７の内部を流れるようにしてある。その後、上記各管７を通過した熱媒１０は、上記熱媒排出ヘッダ５で合流させられた後に、上記熱媒出口９を通して外部へ排出されるようにしてある。この外部へ排出される熱媒１０は、たとえば、図示しない熱交換器に導いて、本発明の多管式反応器で行わせる触媒反応が発熱反応の場合は放熱（熱回収）させ、一方、触媒反応が吸熱反応の場合は昇温させてから、上記図示しない熱媒供給手段に戻して、再循環させるようにすればよい。よって、上記図示しない熱媒供給手段より上記熱媒入口８へ連続的に熱媒１０を供給させることで、上記各管７に熱媒１０を連続して流通させることができるようにしてある。

上記反応容器１内における各管板２と４同士の間で且つ上記各管７の外側には、反応原料１１を反応容器１の断面内で分散させるための反応原料分配室１２と、触媒１４が充填された触媒層１３と、反応生成物１５を集合させるための反応生成物集合室１６が、いずれか一方の管板２又は４側から、他方の管板４又は２側へ順に設けられている。たとえば、図１に示すように、上記反応原料分配室１２と、触媒層１３と、反応生成物集合室１６が、下方の管板２側から上方の管板４側へ順に配列して設けられている。

更に、上記反応容器１には、上記反応原料分配室１２に連通する反応原料入口１７と、上記反応生成物集合室１６に連通する反応生成物出口１８とを備えた構成としてある。

詳述すると、上記反応原料分配室１２は、上記反応容器１の一端部（下端部）に設置されている管板２と、該管板２の内側（上側）に隙間を隔てて配置されて上記触媒１４を支持するようにしてある触媒保持板１９との間に形成されている。

上記触媒保持板１９は、その面内における上記各管７の配置と対応する個所に、該各管７を通すための孔が穿設されており、該各孔に、対応する各管７を挿通させた状態で、上記反応容器１の内側に、該反応容器１の一端寄り個所（下部）を仕切るように取り付けてある。

更に、上記触媒保持板１９は、上記触媒１４の通過は阻止する一方、上記反応原料１１を分散させて通過させることができるようにした開口（図示せず）を、面内における上記各管７挿通用の孔の穿設個所を除く部分の全面に多数配置して設けた構成としてある。

上記反応原料分配室１２の外周には、外部の図示しない反応原料供給手段より反応原料入口１７を通して供給される反応原料１１を周方向に一旦分散させてから該反応原料分配室１２へ流入させるための反応原料ヘッダ２０が設けてある。反応原料分配室１２と反応原料ヘッダ２０の間には、スリット又は多孔板等の分散板２０ａを設置して流動抵抗を生じさせ、反応原料ヘッダ２０から反応原料分配室１２への反応原料１１の一様流入を実現できるようにしてある。

なお、反応容器１の径が大きい場合や、反応原料入口１７が周方向の１個所にしかない場合は、上記反応原料分配室１２内での反応原料１１の流れを均等化するという観点から考えると、上記反応原料ヘッダ２０及び分散板２０ａを備える構成とすることが好ましい。しかし、上記反応原料ヘッダ２０及び分散板２０ａは必ずしも必須ではなく、たとえば、図示しないが、上記反応原料分配室１２の周方向の１個所、あるいは、複数個所に、上記図示しない反応原料供給手段により反応原料１１が供給される反応原料入口１７を直接設けるようにした構成としてもよいことは勿論である。

上記反応生成物集合室１６は、上記反応容器１の他端部（上端部）に設置されている管板４と、該管板４の内側（下側）に隙間を隔てて配置された触媒保持板２１との間に形成されている。

上記触媒保持板２１は、上記触媒保持板１９と同様に、各管７を通すための孔と、上記触媒１４の通過は阻止する一方、上記反応生成物１５の通過は許容できるようにした図示しない開口を多数備えた構成としてあって、上記各孔に、対応する各管７を挿通させた状態で、上記反応容器１の内側に、該反応容器１の他端寄り個所（上部）を仕切るように取り付けてある。

上記反応生成物集合室１６の外周には、図１に示すように、該反応生成物集合室１６内の反応生成物１５を、外周側へ一旦導いてから反応生成物出口１８へ取り出すことができるようにするための反応生成物ヘッダ２２が設けてある。反応生成物集合室１６と反応生成物ヘッダ２２の間には、スリット又は多孔板等の分散板２２ａを設置して流動抵抗を生じさせ、反応生成物集合室１６から反応生成物ヘッダ２２への反応生成物１５の一様流出を実現できるようにしてある。

なお、反応容器１の径が大きい場合や、反応生成物出口１８を周方向の１個所にしか設けられない場合は、上記反応生成物集合室１６内での反応生成物１５の流れを均等化するという観点から考えると、上記反応生成物ヘッダ２２及び分散板２２ａを備える構成とすることが好ましい。しかし、上記反応生成物ヘッダ２２及び分散板２２ａは必ずしも必須ではなく、たとえば、図示しないが、上記反応生成物集合室１６の周方向の１個所、あるいは、複数個所に、上記反応生成物出口１８を直接設けるようにした構成としてもよいことは勿論である。

上記各触媒保持板１９と２１の間は、上記各管７の外側に触媒１４を充填して、触媒層１３が形成してある。

なお、上記各触媒保持板１９と２１は、触媒層１３に充填される触媒１４の荷重を支持できるような強度を備えていればよく、上記したように触媒１４の通過は阻止する一方、上記反応原料１１や反応生成物１５の通過は許容できるようにするという機能を容易に得るためには、パンチングメタルやメッシュに各管７を通すための孔を穿設した構成とすることが好適である。しかし、上記各触媒保持板１９と２１は、上記構成に限定されるものではなく、触媒層１３に充填される触媒１４を保持することができる剛性を備え、且つ反応原料１１や反応生成物１５と反応する虞や、反応原料１１や反応生成物１５による腐食を受ける虞がない材質としてあればよい。更に、上記反応原料１１や反応生成物１５が液体の場合には、触媒１４の活性を低下させる物質の溶出が生じない材質を選定するようにすればよい。

これにより、上記図示しない反応原料供給手段より反応原料入口１７へ供給される反応原料１１は、上記反応原料分配室１２に導かれると、上記触媒保持板１９の面内の全面に設けられている図示しない開口を通して、上記触媒層１３へ分散されて流入して、触媒反応に供されるようにしてある。

又、上記触媒反応により生成した反応生成物１５は、上記触媒保持板２１の図示しない多数の開口を通して反応生成物集合室１６に導かれた後、上記反応生成物出口１８より外部へ取り出されて回収されるようにしてある。

ところで、上記触媒層１３に充填されている触媒１４は、触媒反応に供されることにより、徐々に劣化するため、所定の使用時間ごと等に、定期的な交換が必要になる。

そこで、本発明の多管式反応器は、上記触媒層１３に充填されている触媒１４を容易に交換できるようにするために、上記触媒層１３の上端部に相当する位置の反応容器１の外側壁に、触媒投入口２３が設けてあると共に、上記触媒層１３の下端部に相当する位置の反応容器１の外側壁に、触媒排出口２４が設けてある。上記触媒投入口２３及び触媒排出口２４は、それぞれ図示しない開閉手段を備えて、後述する触媒層１３の触媒１４の排出時や、触媒１４の投入時には、該触媒投入口２３及び触媒排出口２４を、必要に応じて個別に開閉操作できるようにしてある。

これにより、上記触媒排出口２４の開放時は、上記触媒層１３に充填されている触媒１４を、該触媒排出口２４を通して外部に排出させることができるようにしてある。更に、上記触媒１４の排出後に上記触媒排出口２４を閉じて、上記触媒投入口２３を開いた状態では、該触媒投入口２３を通して投入される触媒１４を、上記反応容器１の触媒保持板１９と２１の間における各管７の外側の空間に充填させて、上記触媒層１３を形成させることができるようにしてある。

上記各管７は、上記触媒層１３に充填されている触媒１４全体と、該各管７内に流通させる熱媒１０との熱交換を行うことができるように、本数や反応容器１内における配置が設定されているものとする。又、隣接する管７同士の間隔（管ピッチ）は、上記触媒１４が自在に通り抜けることができるように設定されているものとする。

又、上記各管７の配列は、上記したように触媒排出口２４を通して触媒１４を排出させる際の効率や、上記触媒投入口２３より投入する触媒１４を各管７の外側に充填させる際の効率を考えると、図２（ａ）に示すように、正方配置とすることが好ましい。なお、各管７の配列は、必ずしも正方配置に限定されるものではなく、たとえば、図２（ｂ）に示すような千鳥配置や、その他のいかなる正方配置以外の配置を採用してもよいことは勿論である。

以上の構成としてある本発明の多管式反応器を使用する場合は、先ず、上記図示しない熱媒供給手段より、後述する触媒反応を行わせる際の反応温度条件として所望する温度に予め温度調整した状態の熱媒１０を、熱媒入口８より連続的に供給させる。これにより、該熱媒１０は、熱媒供給ヘッダ３を経て各管７内に連続的に流通させられるようになる。上記各管７内を流通した後の熱媒１０は、熱媒排出ヘッダ５及び熱媒出口９を経て外部に排出されるようになる。

この際、上記触媒層１３の触媒１４は、該触媒層１３を貫くように配置されている上記各管７内を流通する熱媒１０と、該各管７の管壁を介して間接的に熱交換されるので、上記所定の反応温度条件に常に保持されるようになる。

この状態で、上記図示しない反応原料供給手段により、反応原料１１を、反応原料入口１７より供給させると、該反応原料１１は、反応原料ヘッダ２０と反応原料分配室１２を経た後、触媒保持板１９の全面に設けてある図示しない多数の開口を通して上記触媒層１３に分散されて供給される。

上記触媒層１３に供給された反応原料１１は、該触媒層１３に充填されている触媒１４が流動抵抗となることにより該触媒層１３の断面内でより均等に分散されるようになる。

これにより、上記触媒層１３では、上記所定の反応温度条件の下で、上記触媒１４に対する上記反応原料１１の接触効率が高められた状態で、該触媒１４を介して上記反応原料１１から反応生成物１５を生成する触媒反応が実施されるようになる。この際、上記触媒反応が発熱反応又は吸熱反応のいずれであるとしても、上記各管７内を連続的に流通させてある上記熱媒１０との熱交換により、その発熱又は吸熱による熱の変化分が連続的に吸収されて、上記触媒層１３の温度変化は防止される。

上記触媒層１３における触媒反応によって生成された反応生成物１５は、上記触媒保持板２１を経て、反応生成物集合室１６で一旦集合させられた後、反応生成物ヘッダ２２と反応生成物出口１８を通して外部へ回収されるようになる。

上記触媒反応による反応生成物１５の製造を所定期間実施して、上記触媒層１３の触媒１４が劣化した場合は、該劣化した触媒１４を新たな触媒１４に交換する。

この交換作業は、先ず、上記触媒排出口２４を開けて、図１に二点鎖線で示すように、該触媒排出口２４を通して上記触媒層１３の触媒１４を排出させる。この際、上記触媒排出口２４は、上記触媒層１３の下端部に開口させて設けてあるため、上記触媒１４の自重を利用して該触媒１４を排出させることができる。上記触媒１４の自重を利用した排出手法によっても排出されない分の触媒１４は、上記触媒排出口２４より掻き出して排出させるようにすればよい。

その後、上記触媒排出口２４を閉じた後、上記触媒投入口２３を開けて、図１に二点鎖線で示すように、該触媒投入口２３より新たな触媒１４を投入する。この際、上記触媒投入口２３は、形成させるべき触媒層１３の上端部に開口するように設けてあるため、該触媒投入口２３から投入される上記触媒１４は、上記反応容器１内の所定個所に充填させられるため、触媒層１３が容易に形成されるようになる。

触媒層１３が形成されると、上記触媒投入口２３を閉塞させてから、前述したと同様の手順により、反応原料１１からの触媒反応による反応生成物１５の製造を再開させるようにすればよい。

このように、本発明の多管式反応器によれば、触媒層１３の触媒１４と、上記各管７内に流通させる熱媒１０との熱交換により、該触媒層１３における反応温度条件を保持しながら、上記触媒１４を介した触媒反応によって反応原料１１より反応生成物１５を連続的に製造することができる。

この際、上記熱媒１０は、反応容器１の内部にて、上記熱媒入口８より熱媒供給ヘッダ３、各管７、熱媒排出ヘッダ５を経て上記熱媒出口９まで流れる過程で、管群を横切るように流れることはない。

このため、本発明の多管式反応器は、上記熱媒１０の大流量化を図る場合であっても、圧力損失の増大を抑えることができて、熱媒１０を循環させるためのポンプ動力が大きくなることを防止することができる。

よって、上記熱媒１０の大流量化が容易に実現できることになることから、本発明の多管式反応器は、触媒層１３の触媒１４についての均一温度分布、たとえば、水平及び垂直方向に数℃以内というような均一温度分布の設計要求を満たすことが可能になり、反応生成物１５の品質の向上化を図ることが可能になる。

なお、反応原料分配室１２では、反応原料１１が上記各管７に対してその長手方向に直交する方向に流通するようになり、又、反応生成物集合室１６では、反応生成物１５が上記各管７に対してその長手方向に直交する方向に流通するようになる。しかし、上記反応原料１１の流動経路においては、触媒１４が充填されている触媒層１３を該反応原料１１が流通するときの流動抵抗による圧力損失が、もともと大きい。しかも、上記反応原料１１の流量は、通常、上記熱媒１０の流量に比して小さい。このために、上記反応原料１１や反応生成物１５が管群を横切るように流れるときの流動抵抗は、該反応原料１１や反応生成物１５の上記触媒層１３中での流動抵抗に比して大幅に小さい。よって、上記触媒層１３では、反応原料１１を、従来と同様の流速で流通させることができる。

又、本発明の多管式反応器は、後述する実施例の計算結果から明らかなように、従来の管内触媒式の多管式反応器に比して、管７と反応原料１１側の熱伝達率を向上させることができて、熱媒１０から触媒層１３に存在している反応原料１１までの熱通過率を向上させることができる。よって、本発明の多管式反応器では、熱媒１０と触媒層１３の熱交換効率を高めることができる。

更に、上記各管７の外側には、触媒層１３に充填された触媒１４が存在していて該各管７を支えているため、管ピッチを長手方向に亘って維持することができる。したがって、本発明の多管式反応器は、該各管７の長手方向の中間部を支持するための部材を設ける必要はないため、構成を単純化することができて、製造時の工数を削減することができる。

又、本発明の多管式反応器では、触媒層１３が、反応原料１１の流入側と反応生成物１５の流出側の両端面の全域で反応原料分配室１２と反応生成物集合室１６に接続されているため、上記反応原料分配室１２から触媒層１３へ反応原料１１を供給するとき、及び、触媒層１３から反応生成物集合室１６へ反応生成物１５を取り出すときには、該反応原料１１や反応生成物１５を、反応容器１の中心部から外周部まで均等に流通させることができる。よって、上記触媒層１３の触媒１４は、該触媒１４全体を均等に触媒反応に利用することができて、触媒反応の効率を高めることができると共に、触媒の無駄をなくすことができる。

上記触媒層１３は、その上端部と下端部に対応する位置に、触媒投入口２３と触媒排出口２４が設けてあるため、触媒１４の交換作業を容易に実施することができる。

図３は本発明の実施の他の形態として、図１及び図２（ａ）（ｂ）の実施の形態の応用例を示すものである。

すなわち、本実施の形態の多管式反応器は、図１及び図２（ａ）（ｂ）に示したと同様の構成において、触媒層１３の下側に設ける触媒保持板１９と、上側に設ける触媒保持板２１を、各管７の長手方向に直交する水平面内に配置された構成とすることに代えて、触媒層１３の上側と下側に、平行に傾斜配置された触媒保持板１９ａと触媒保持板２１ａを設けてなる構成としたものである。

更に、上記触媒層１３の上側の触媒保持板２１ａの傾斜に対応して、該触媒層１３の上端部と対応する個所に、触媒投入口２３を設け、且つ上記触媒層１３の下側の触媒保持板１９ａの傾斜に対応して、該触媒層１３の下端部と対応する個所に、触媒排出口２４が設けるようにしたものである。

その他の構成は図１及び図２（ａ）（ｂ）に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。

本実施の形態の多管式反応器によれば、上記各管７の触媒層１３の内側に配置されている部分の長さ寸法は、均等になっているため、上記各管７内を流通させる熱媒１０と触媒層１３の触媒１４との熱交換は、上記触媒保持板１９ａと２１ａの傾斜に起因して部分的な偏りが生じる虞はなく、触媒層１３の全体で均等に行われるようになる。

よって、本実施の形態の多管式反応器によっても、図１及び図２（ａ）（ｂ）の実施の形態の多管式反応器と同様に使用することができると共に、同様の効果を得ることができる。

更に、本実施の形態の多管式反応器では、上記各触媒保持板１９ａ及び２１ａの傾斜に伴って触媒層１３の下端部となる個所と、上端部となる個所に、触媒排出口２４と、触媒投入口２３がそれぞれ設けてあるため、触媒層１３の触媒１４の交換作業を実施するときに、上記触媒排出口２４からの触媒１４の自重を利用した排出と、上記触媒投入口２３から投入する触媒１４の触媒層１３への充填とを、より効率よく行わせることができる。よって、本実施の形態の多管式反応器は、上記触媒層１３の触媒１４の交換作業の手間及び時間を、より削減することができる。

上記各実施の形態においては、反応容器１内にて、熱媒入口８及び熱媒供給ヘッダ３と、反応原料入口１７及び反応原料分配室１２が、触媒層１３の下側に設けられ、熱媒出口９及び熱媒排出ヘッダ５と、反応生成物出口１８及び反応生成物集合室１６が、触媒層１３の上側に設けられた構成を示したが、上下を反転させた構成としてもよい。すなわち、熱媒入口８及び熱媒供給ヘッダ３と、反応原料入口１７及び反応原料分配室１２が、触媒層１３の上側に設けられ、熱媒出口９及び熱媒排出ヘッダ５と、反応生成物出口１８と反応生成物集合室１６が、触媒層１３の下側に設けられた構成として、各管７内における熱媒１０の流れ方向と、上記触媒層１３内における反応原料１１及び反応生成物１５の流れ方向が下向きとなるようにしてもよい。

又、反応容器１内にて、上下いずれか一方の端部の熱媒入口８及び熱媒供給ヘッダ３側に、反応生成物出口１８と反応生成物集合室１６が設けられ、上下いずれか他方の端部の熱媒出口９及び熱媒排出ヘッダ５側に、反応原料入口１７及び反応原料分配室１２が設けられた構成として、各管７内における熱媒１０の流れ方向と、触媒層１３内における反応原料１１及び反応生成物１５の流れ方向が、互いに対向するようにしてもよい。

更に、上記各実施の形態では、熱媒１０の流れ方向と、触媒層１３内における反応原料１１及び反応生成物１５の流れ方向が、上下方向となる縦型の反応器として示したが、該熱媒１０や、触媒層１３内における反応原料１１及び反応生成物１５の流れ方向が水平方向となる横型の反応器としてもよい。更には、上記熱媒１０や、触媒層１３内における反応原料１１及び反応生成物１５の流れ方向が斜め方向となる形式の反応器としてもよい。この場合は、触媒層１３の上端部と下端部となる位置に応じて、触媒投入口２３と触媒排出口２４の配置を適宜変更すればよい。

なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、触媒層１３内における反応原料１１及び反応生成物１５の流れ方向が、下向きとなる場合は、上記触媒層１３の上側に配置される触媒保持板１９又は２１を省略した構成としてもよい。

又、上記触媒層１３における反応原料１１及び反応生成物１５の流れ方向が上向きであっても、該反応原料１１及び反応生成物１５と触媒１４との比重差が大である等の理由により、該反応原料１１や反応生成物１５の上向きの流れによって上記触媒層１３の触媒１４が浮遊する虞のない場合には、上記触媒層１３の上側に配置される触媒保持板１９又は２１を省略した構成としてもよい。

触媒投入口２３と触媒排出口２４は、反応容器１の周方向の複数個所に設けるようにしてもよい。なお、この場合は、周方向にそれぞれ複数設ける触媒投入口２３と触媒排出口２４が、周方向ピッチが１８０度、１２０度、９０度、６０度、４５度、３０度のように等間隔で配置させるようにすることが望ましい。なお、上記触媒投入口２３と触媒排出口２４の数は相違していてもよい。

触媒層１３の劣化した触媒１４を新たな触媒１４に交換する作業の作業効率を高める観点からすると、反応容器１における触媒層１３の上端部と下端部に対応する個所に、触媒投入口２３と触媒排出口２４を設けることが好ましい。しかし、触媒１４の排出を、反応容器１内に差し込むためのノズルを備えた吸引装置による吸引によって行う場合は、反応容器１における触媒層１３の上端部と対応する個所にのみ、開閉可能な触媒１４の投入口兼排出口を設けるようにしてもよい。

更には、前述したように、触媒層１３の上側の触媒保持板１９又は２１を省略した構成とすることができる場合であって、且つ触媒層１３の上側に設けられる反応原料分配室１２又は反応生成物集合室１６に連通する反応原料入口１７又は反応生成物出口１８から、上記反応容器１内に差し込むノズルを介して触媒層１３の触媒１４の吸引による排出や、該触媒層１３への触媒１４の充填を行うことができる場合は、上記反応容器１における触媒投入口２３及び触媒排出口２４を省略した構成としてもよい。

又、図３の実施の形態では、触媒層１３の下側に配置される触媒保持板１９ａ又は２１ａにおける触媒層１３の下端部と対応する個所に、反応容器１の外から開閉操作が可能な触媒排出用の図示しない扉を設けてなる構成として、該扉の開放により、触媒層１３の触媒１４を、該触媒層１３の下側に設けられる反応原料分配室１２と反応原料入口１７、又は、反応生成物集合室１６と反応生成物出口１８を通して外部へ排出できるようにした構成としてもよい。この場合は、反応容器１における触媒排出口２４を省略した構成とすることができる。

上記反応原料１１及び反応生成物１５は、気体又は液体のいずれであってもよい。

本発明の多管式反応器は、アクリル酸製造用途以外に、エチレン酸、メタクリル酸や、その他の各種化学物質の触媒反応を実施させる場合に適用してもよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

図１及び図２（ａ）に示した構成の本発明の多管式反応器について、管７と反応原料１１（及び反応生成物１５）側の熱伝達率、及び、管７と熱媒１０側の熱伝達率と、上記熱媒１０から反応原料１１（及び反応生成物１５）までの熱通過率と、反応原料１１（及び反応生成物１５）の圧力損失、及び、熱媒１０側の圧力損失について計算した。

その結果を、以下の表１に示す。

表１における比較例１は、従来の管内触媒式で且つ熱媒平行流形式の多管式反応器の構成について、上記と同様に、反応原料１１側の熱伝達率と、熱媒１０側の熱伝達率と、熱通過率と、反応原料１１の圧力損失と、熱媒１０側の圧力損失について計算したものである。

この場合、上記管内触媒式で且つ熱媒平行流形式の多管式反応器の構成は、管７の管径、管ピッチ、本数、反応原料１１の流量、熱媒１０の流量、触媒１４の径、触媒層１３における空隙率、反応容器１の高さを、上記本発明の多管式反応器と同様にした条件の下で、管７内に触媒１４を充填した構成とし、且つ反応原料１１及び反応生成物１５の流路と、熱媒１０の流路を入れ替えたものとしてある。

又、表１における比較例２は、従来の管内触媒式で且つ熱媒直交流形式の多管式反応器の構成について、上記と同様に、反応原料１１側の熱伝達率と、熱媒１０側の熱伝達率と、熱通過率と、反応原料１１の圧力損失と、熱媒１０側の圧力損失について計算したものである。

この場合、上記管内触媒式で且つ熱媒直交流形式の多管式反応器の構成は、上記管内触媒式で且つ熱媒平行流形式の多管式反応器の構成に、熱媒１０の流れ方向を変更するためにドーナツ状のバッフル２枚とディスク状のバッフル１枚を設けてなる４段流路構成としたものである。

なお、上記比較例１及び比較例２では、触媒１４の量、反応原料１１と熱媒１０の流路断面積、反応容器１の径については、上記本発明の多管式反応器の構成とは相違させてある。

又、以下の表１では、熱伝達率と熱通過率については、従来、広く一般的に使用されている管内触媒式で且つ熱媒直交流形式の多管式反応器の構成に基づく上記比較例２のときの反応原料側の熱伝達率の計算結果を１．０として、上記比較例１、２及び本発明の上記各項目の計算結果を規格化している。圧力損失についても同様に、上記比較例２のときの反応原料側の圧力損失の計算結果を１．０として、上記比較例１、２及び本発明の上記各項目の計算結果を規格化している。なお、上記比較例２の熱媒側の圧力損失値（表１の※印）については、各管とバッフルとの間の隙間がない条件（隙間リークなし）での値である。実際には各管とバッフルの間には微小の隙間を設けている場合が多いので、※印の値はあくまでも参考データとして扱う必要がある。

以上の結果から明らかなように、本発明の多管式反応器は、従来の管内触媒式の多管式反応器に比して、管７と熱媒１０側の熱伝達率は低下するものの、管７と反応原料１１側の熱伝達率を向上させることができて、熱通過率を向上させることができることが判明した。よって、本発明の多管式反応器では、熱媒１０と触媒層１３の熱交換効率を高めることができる。

更に、反応原料１１側の圧力損失は、従来の管内触媒式の多管式反応器に比してやや上昇するが、熱媒１０側の圧力損失は、従来の管内触媒式の多管式反応器のうち、熱媒直交流形式のものに比しては約８０分の１、熱媒平行流形式のものに比しても約７分の１と、大幅に低減させることができることが明らかである。

１ 反応容器
２ 管板
３ 熱媒供給ヘッダ
４ 管板
５ 熱媒排出ヘッダ
６ 管接続孔
７ 管
８ 熱媒入口
９ 熱媒出口
１０ 熱媒
１１ 反応原料
１２ 反応原料分配室
１３ 触媒層
１４ 触媒
１５ 反応生成物
１６ 反応生成物集合室
１７ 反応原料入口
１８ 反応生成物出口
１９ 触媒保持板
２１ 触媒保持板
２３ 触媒投入口
２４ 触媒排出口

Claims (3)

1. 反応容器内の一端部に管板により仕切って形成した熱媒供給ヘッダと、
   上記反応容器内の他端部に管板により仕切って形成した熱媒排出ヘッダと、
   上記反応容器に上記熱媒供給ヘッダ及び熱媒排出ヘッダにそれぞれ連通するように設けた熱媒入口及び熱媒出口と、
   上記各管板の間に配置して、両端部を上記各管板に穿設された管接続孔にそれぞれ連通接続した複数の管とを備え、
   更に、上記反応容器内における各管板同士の間で且つ上記各管の外側に、反応原料入口より供給される反応原料を反応容器内で分散させるための反応原料分配室と、触媒が充填された触媒層と、触媒層で生成される反応生成物を集合させてから排出させるようにする反応生成物集合室とを、いずれか一方の管板側から、他方の管板側へ順に設け、
   且つ上記反応原料分配室と反応生成物集合室の少なくとも一方の上記触媒層側に、触媒を支持して該触媒の通過は阻止する一方、上記反応原料及び反応生成物の通過を許容できる機能を有する触媒保持板を備えてなる構成
   を有することを特徴とする多管式反応器。
2. 反応容器における触媒層の上端部に対応する個所に触媒投入口を備えると共に、触媒層の下端部に対応する個所に触媒排出口を備えるようにした請求項１記載の多管式反応器。
3. 反応原料分配室と、触媒層と、反応生成物集合室を上下方向に配列させ、且つ触媒層の上下両側に、触媒保持板を平行に傾斜配置させて設けるようにした請求項１又は２記載の多管式反応器。

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