JP2014147925A - Multitubular reactor - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a multitubular reactor used for performing a catalytic reaction while controlling reaction temperature conditions.
触媒反応により反応原料から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。 In the process of continuously producing reaction products from reaction raw materials by catalytic reaction, in order to prevent temperature changes accompanying the progress of catalytic reaction, which is exothermic reaction or endothermic reaction, indirect contact with the heat medium during the catalytic reaction is performed. The reaction temperature condition is kept constant by performing simultaneous heat exchange in parallel.
この種の熱媒と反応原料及び反応生成物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。 As an apparatus for efficiently carrying out the catalytic reaction while controlling the reaction temperature condition using heat exchange between this kind of heat medium and reaction raw materials and reaction products, for example, production of acrylic acid, ethylene acid, There are multi-tubular reactors (tubular reactors) widely used in the manufacturing process of methacrylic acid and other various chemical substances.
上記多管式反応器は、大別して管内触媒形式と、管外触媒形式のものがある。 The multitubular reactor is roughly classified into an in-tube catalyst type and an out-of-tube catalyst type.
管内触媒形式の多管式反応器は、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、平行な複数の伝熱管による管群が配置してあり、各伝熱管の両端部は、上記分配室と集合室の双方にそれぞれ連通するように取り付けて、該各伝熱管の内部に、触媒を充填した構成とされている。 In general, a multi-tubular reactor of the in-tube catalyst type is provided with a reaction material distribution chamber partitioned by a tube plate at one end of a reaction vessel, and partitioned by a tube plate at the other end of the reaction vessel. A collection chamber for the reaction product produced is provided. A tube group of a plurality of parallel heat transfer tubes is arranged between the tube plates, and both end portions of each heat transfer tube are attached so as to communicate with both the distribution chamber and the collecting chamber. In each of the heat transfer tubes, a catalyst is filled.
上記のように各伝熱管内に触媒が充填された管内触媒形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伝熱管の外側の空間が熱媒流通領域とされている。 As described above, the multi-tube reactor of the in-tube catalyst type in which the catalyst is filled in each heat transfer tube, the space between the tube plates in the reaction vessel and the space outside the heat transfer tubes is a heat medium flow. It is an area.
上記熱媒流通領域には、上記各管板のうちの一方の管板寄りとなる該熱媒流通領域の一方の端部と、他方の管板寄りとなる該熱媒流通領域の他方の端部に、熱媒の入口と出口をそれぞれ設け、更に、該熱媒流通領域内における上記一方の端部から他方の端部までの或る間隔ごとの複数個所に、バッフル(邪魔板)を設けた構成が広く採用されている。かかる構成によれば、上記熱媒流通領域に上記熱媒の入口より流入させる熱媒は、上記熱媒の出口へ向けて流通する過程で、上記各バッフルを順次迂回するようになる。これにより、上記熱媒流通領域では、熱媒の流れ方向が、常に管群の各伝熱管の長手方向に直交する方向の流れ(以下、管群直交流と云う)となって該各伝熱管に当たるようにしてある。しかも、上記熱媒流通領域では、上記各バッフルにより熱媒の流通経路の断面積を制限することにより、上記熱媒の流速を高めるようにしてある。 The heat medium flow area includes one end of the heat medium flow area close to one of the tube plates and the other end of the heat medium flow area close to the other tube plate. The heating medium inlet and outlet are respectively provided in the section, and further baffles (baffle plates) are provided at a plurality of intervals from the one end to the other end in the heating medium circulation area. The configuration is widely adopted. According to this configuration, the heating medium that flows into the heating medium circulation region from the inlet of the heating medium sequentially bypasses the baffles in the process of flowing toward the outlet of the heating medium. As a result, in the heat medium flow region, the flow direction of the heat medium is always a flow in a direction orthogonal to the longitudinal direction of each heat transfer tube of the tube group (hereinafter referred to as a tube group cross flow). It is trying to hit. Moreover, in the heat medium flow region, the flow rate of the heat medium is increased by restricting the cross-sectional area of the heat medium flow path by the baffles.
したがって、以上の構成を備えた従来の管内触媒形式の多管式反応器では、上記熱媒流通領域にて、上記熱媒の管群直交流を、流速を高めた状態で発生させることで、上記各伝熱管と、その外面に接する熱媒との間の熱伝達率(以下、管外側の熱伝達率と云う)を高めるようにしてある(たとえば、特許文献1参照)。 Therefore, in the conventional tube catalyst type multi-tube reactor having the above-described configuration, in the heat medium circulation region, the tube group cross-flow of the heat medium is generated in a state where the flow velocity is increased, The heat transfer coefficient between the heat transfer tubes and the heat medium in contact with the outer surface thereof (hereinafter referred to as the heat transfer coefficient outside the tubes) is increased (for example, see Patent Document 1).
管外触媒形式の多管式反応器は、一般に、反応容器の内部に、平行な複数の冷却管による管群(冷却管群)が配置してあり、各冷却管の一端側と他端側には、冷却媒体の分配管と集合管がそれぞれ接続してある。上記反応容器内における上記各冷却管の外側には、触媒を充填した構成としてある。 In general, an external catalyst type multi-tube reactor has a plurality of parallel cooling pipes (cooling pipes) arranged in a reaction vessel, and one end side and the other end side of each cooling pipe. The cooling medium distribution pipe and the collecting pipe are connected to each other. The outside of each cooling pipe in the reaction vessel is configured to be filled with a catalyst.
更に、この種の管外触媒形式の多管式反応器の1つとしては、たとえば、反応容器の外周部と中心部に、反応原料及び反応生成物は通す一方、触媒は通過不可能な孔(開口)を有する触媒保持用の仕切板で仕切られた外周部区画と中央部区画をそれぞれ形成し、該各区画のうち、いずれか一方の区画を、ガス入口に連通する反応原料の分散室とし、他方の区画をガス出口に連通する反応生成物の集合室として、上記各冷却管の外側の触媒層に、反応原料を、半径方向に沿う内向き又は外向きに流通させるようにした形式のものがある(たとえば、特許文献2参照)。 Furthermore, as one of the tube-type reactors of this type of extra-catalyst type, for example, a reaction raw material and a reaction product are passed through the outer peripheral portion and the central portion of the reaction vessel, but the catalyst cannot pass through. A reaction material dispersion chamber in which an outer peripheral section and a central section partitioned by a catalyst holding partition plate having (openings) are formed, and one of the sections communicates with a gas inlet. And the other compartment serves as a reaction product collecting chamber communicating with the gas outlet, and the reaction raw material is circulated inward or outward along the radial direction in the catalyst layer outside each cooling pipe. (For example, refer to Patent Document 2).
なお、通常、多管式反応器では、触媒反応を行わせる際の或る反応温度条件を一定に保持できるようするために、熱媒は、該熱媒の熱容量が大きくなるように、反応原料の供給量に比して大量に供給させるようにしてある。 Normally, in a multitubular reactor, in order to maintain a certain reaction temperature condition when performing a catalytic reaction, the heat medium is a reaction raw material so that the heat capacity of the heat medium is increased. It is made to supply in large quantities compared with the supply amount.
ところが、管内触媒形式の多管式反応器のうち、触媒を充填した各伝熱管内に、反応原料及び反応生成物としてガスを流通させる形式や、伝熱管の外側で熱媒が熱交換する際に液体と気体との間で蒸発又は凝縮のような相変化を生じる形式、更には、各伝熱管内における反応原料及び反応生成物の流速が遅く設定してある形式の多管式反応器では、各伝熱管と、その内面に接する反応原料や反応生成物との間の熱伝達率(以下、管内側の熱伝達率と云う)が、管外側の熱伝達率に比して小さい場合がある。 However, among the multi-tube reactors of the in-tube catalyst type, when the gas is circulated as the reaction raw material and the reaction product in each heat transfer tube filled with the catalyst, or when the heat medium exchanges heat outside the heat transfer tube In a multi-tube reactor in which a phase change such as evaporation or condensation occurs between a liquid and a gas, and the flow rates of the reaction raw materials and reaction products in each heat transfer tube are set low. In some cases, the heat transfer coefficient between each heat transfer tube and the reaction raw material or reaction product in contact with its inner surface (hereinafter referred to as the heat transfer coefficient inside the tube) is smaller than the heat transfer coefficient outside the tube. is there.
この場合、上記反応原料及び反応生成物と、上記熱媒との間の上記各伝熱管の管壁を介した管壁内外方向の熱通過率(総括熱伝達係数)は、上記管内側の熱伝達率に大きく依存している。そのために、上記管内側の熱伝達率が、上記管壁内外方向の熱通過率の全体に対して律速となる。 In this case, the heat passage rate (overall heat transfer coefficient) in the tube wall inside / outside through the tube wall of each heat transfer tube between the reaction raw material and reaction product and the heat medium is the heat inside the tube. It depends heavily on the transmission rate. Therefore, the heat transfer coefficient inside the tube is rate-limiting with respect to the entire heat transfer rate in the tube wall inside / outside direction.
上記のように管内側の熱伝達率が上記管壁内外方向の熱通過率に関して律速となっている場合は、特許文献1に示されたように、熱媒流通領域に複数のバッフルを設けて、該熱媒流通領域内に、熱媒の管群直交流を流速を高めた状態で発生させて、管外側の熱伝達率を増加させても、上記管内外方向の熱通過率の向上化による熱交換性能の改善には、殆ど寄与していない。
As described above, when the heat transfer coefficient inside the tube is rate-limiting with respect to the heat passage rate in the tube wall inside and outside, as shown in
しかも、上記特許文献1に示されたものでは、熱媒流通領域内で、各バッフルにより熱媒の流れ方向を何度も折り返すようにしているため、圧力損失が大きくなると共に、各バッフルにより熱媒の流通経路の断面積を制限するようにしてあるために、熱媒供給用のポンプ動力の増加を招いているというのが実状である。
In addition, in the one shown in
特許文献2に示されたものは、管外触媒形式の多管式反応器であるため、各冷却管と、その内面に接する冷却媒体との間の熱伝達率、すなわち、管内側の熱伝達率は、すべての冷却管でほぼ均一となる。
Since the one disclosed in
一方、各冷却管の外側の触媒の層に流通させるのは、ガスである反応原料及び反応生成物であるため、各冷却管と、その外面に接する反応原料や反応生成物との間の熱伝達率である管外側の熱伝達率が、上記管壁内外方向の熱通過率に関して律速となる。 On the other hand, since it is the reaction raw material and reaction product that are gases that flow through the catalyst layer outside each cooling pipe, the heat between each cooling pipe and the reaction raw material and reaction product in contact with the outer surface thereof. The heat transfer rate outside the tube, which is the transfer rate, becomes a rate-limiting factor with respect to the heat passage rate in the tube wall inside and outside.
この際、上記特許文献2に示されたものでは、反応容器の中心寄りと、外周寄りでの流路断面積の変化に伴う上記反応原料や反応生成物の流速の変化が、上記管外側の熱伝達率に大きな影響を与えるために、反応容器の中心寄りの冷却管と、反応容器の外周寄りの冷却管では、上記管壁内外方向の熱通過率に大きな差が生じてしまい、そのために、反応容器の中心付近と外周寄りでは、温度条件を均一にすることが難しく、触媒反応に偏りが生じる虞があり、反応容器内での触媒反応を均等に進行させることが難しい。
At this time, in the one disclosed in
そこで、本発明は、管内触媒形式であり且つ管内側の熱伝達率の方が管外側の熱伝達率よりも小さい場合について、熱交換性能の低下を招くことなく熱媒の圧力損失を低減させることができて、熱媒用のポンプ動力を削減でき、且つ、反応容器内の各伝熱管について、熱通過率の偏りが生じる虞を抑えることができて、各伝熱管内で均等に触媒反応を進行させる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。 Therefore, the present invention reduces the pressure loss of the heat medium without degrading the heat exchange performance when the heat transfer coefficient inside the tube is smaller than the heat transfer rate outside the tube, which is the in-tube catalyst type. It is possible to reduce the pump power for the heat medium, and to suppress the possibility that the heat transfer rate is uneven for each heat transfer tube in the reaction vessel. It is an object of the present invention to provide a multitubular reactor capable of proceeding with the above.
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、円筒状の反応容器内の軸心方向一端部に管板により仕切って形成した反応原料分配ヘッダと、上記反応容器内の軸心方向他端部に別の管板により仕切って形成した反応生成物集合ヘッダと、上記反応容器内の上記各管板の間の空間における中央部と外周部を除く環状の領域に配置した該反応容器の軸心方向に平行な複数の伝熱管からなり、且つ該各伝熱管の両端部を上記反応原料分配ヘッダと反応生成物集合ヘッダにそれぞれ連通接続させてなる管群と、各伝熱管に充填された触媒とを備え、且つ上記反応容器内の上記各管板同士の間にて、上記管群よりも内側の中心部の空間と、上記管群よりも外側の外周部の空間のいずれか一方の空間を熱媒分散領域、他方の空間を熱媒集合領域とし、更に、上記熱媒分散領域に連通させた熱媒供給管と、上記熱媒集合領域に連通させた熱媒排出管と、上記反応原料分配ヘッダに連通させた反応原料入口と、上記反応生成物集合ヘッダに連通させた反応生成物出口とを設けてなる構成を有する多管式反応器とする。
In order to solve the above problems, the present invention, corresponding to
又、請求項2に対応して、上記構成において、管板同士の間における管群の内周側と外周側位置に、内周部熱媒分散板と外周部熱媒分散板を、該管群と熱媒分散領域や熱媒集合領域とを仕切る配置で設けるようにした構成とする。
Further, according to
更に、請求項3に対応して、上記各構成において、熱媒供給管を、反応生成物集合ヘッダの内側を通して配置して、各伝熱管を通過した後に反応生成物集合ヘッダに流れる反応生成物の流れと、上記熱媒供給管を流れる熱媒の流れが対向流となるようにした構成とする。
Further, corresponding to
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)管内側の熱伝達率が、管外側の熱伝達率に比して小さい場合に、各伝熱管の内外の該各伝熱管の管壁を介した熱交換性能の低下を招くことなく、熱媒の圧力損失を低減させることができて、熱媒供給用のポンプに必要とされるポンプ動力を削減できる。
(2)更に、反応容器内の各伝熱管について、熱通過率の偏りが生じる虞を抑えることができる。よって、各伝熱管内で均等に触媒反応を進行させることができる。
According to the multitubular reactor of the present invention, the following excellent effects are exhibited.
(1) When the heat transfer coefficient inside the tube is smaller than the heat transfer coefficient outside the tube, the heat exchange performance through the tube wall of each heat transfer tube inside and outside each heat transfer tube is not reduced. The pressure loss of the heat medium can be reduced, and the pump power required for the heat medium supply pump can be reduced.
(2) Furthermore, it is possible to suppress the possibility that the heat transfer rate is uneven for each heat transfer tube in the reaction vessel. Therefore, the catalytic reaction can proceed evenly in each heat transfer tube.
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。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
図1(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。 1 (a) and 1 (b) show an embodiment of the multitubular reactor of the present invention.
すなわち、本発明の多管式反応器は、図1に示すように、円筒状の反応容器1内の軸心方向の一端部(図では下端部)に、管板2によって仕切られた反応原料分配ヘッダ3が設けてある。又、上記反応容器1内の軸心方向の他端部(図では上端部)には、別の管板4によって仕切られた反応生成物集合ヘッダ5が設けてある。
That is, as shown in FIG. 1, the multitubular reactor of the present invention is a reaction raw material partitioned by a
上記反応容器1内における各管板2と4の間には、反応容器1の中心部と外周部を除く環状の領域に、該反応容器1の軸心方向に平行に配置された複数の伝熱管7よりなる管群6を配置して、該各伝熱管7の両端部を、上記反応原料分配ヘッダ3と上記反応生成物集合ヘッダ5に、それぞれ連通接続してある。更に、各伝熱管7には、触媒8が充填してある。なお、図1(a)では、図示する便宜上、図1(b)に比して伝熱管7の数を減らして記載してある。又、図1(b)では、各伝熱管7内に充填された触媒の記載を省略してある。
Between the
上記反応容器1内における各管板2と4同士の間にて、上記管群6よりも内側の中心部の空間は、熱媒分散領域9とし、上記管群6よりも外側の外周部の空間は、熱媒集合領域10としてある。
The space inside the
上記熱媒分散領域9には、反応容器1の軸心方向の他端より上記反応生成物集合ヘッダ5の内側を通して配管した熱媒供給管11の下流側端部が、上記管板4の中央部を貫通させて連通接続してある。一方、上記熱媒集合領域10には、熱媒排出管12が、上記反応容器1の外周壁の周方向の1個所を貫通させて連通接続してある。これにより、外部の図示しない熱媒供給源より上記熱媒供給管11の上流側端部へ熱媒(熱媒体)13が供給されると、該熱媒13は、上記熱媒供給管11を経て上記熱媒分散領域9に流入されるようにしてある。上記熱媒分散領域9に流入した熱媒13は、該熱媒分散領域9の周囲に配置されている上記管群6の各伝熱管7の間を通って上記熱媒集合領域10へ向けて流れるようになる。この際、上記熱媒13の流れでは、上記管群6を形成している各伝熱管7が抵抗になって圧力損失が生じることに伴い、該熱媒13の流れは、周方向に一様に分散される状態で、上記各伝熱管7の間を通って外周側へ向かうようにしてある。
In the heat
その後、上記のようにして周方向に分散された状態で上記管群6を半径方向の内側から外向きに通過した熱媒13は、上記反応容器1内の外周部に設けてある熱媒集合領域10で集合させられた後、上記熱媒排出管12を通して外部に排出されるようにしてある。この外部へ排出される熱媒13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、上記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源に戻して、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源より上記熱媒供給管11へ連続的に熱媒13を供給させることで、本発明の多管式反応器では、上記各伝熱管7の周りに熱媒13を連続して流通させることができるようにしてある。
After that, the
上記反応容器1の軸心方向の一端部には、上記反応原料分配ヘッダ3に連通する反応原料入口14が設けてある。これにより、上記反応原料入口14より供給される反応原料15は、反応原料分配ヘッダ3に流入すると、該反応原料分配ヘッダ3内で分散された後、上記管群6を形成している各伝熱管7に対して均等に供給されるようにしてある。
A
上記反応容器1の軸心方向の他端部における上記熱媒供給管11と干渉しない位置には、上記反応生成物集合ヘッダ5に連通する反応生成物出口16が設けてある。これにより、上記反応原料分配ヘッダ3より反応原料15が供給される上記各伝熱管7内で触媒反応により生成される反応生成物17は、上記反応生成物集合ヘッダ5で集合させられた後、上記反応生成物出口16より外部へ取り出されるようにしてある。更に、上記各伝熱管7より反応生成物集合ヘッダ5を経て上記反応生成物出口16へ導かれる反応生成物17の流れと、上記熱媒供給管11を通して上記熱媒分散領域9へ供給される熱媒13の流れが対向流となるようにすることで、該熱媒13の有する加熱能又は冷却能を有効に利用できるようにしてある。
A
なお、本実施の形態では、上記熱媒13は液体とし、上記反応原料15及び反応生成物17は、上記熱媒13に比して伝熱管7の管壁に対する熱伝達率がより低い(小さい)ガスであるものとする。
In the present embodiment, the
又、上記熱媒13は、上記各伝熱管7内で反応原料15より反応生成物17を生じる触媒反応が発熱反応であるか、又は、吸熱反応であるかに応じて、冷却媒体、又は、加熱媒体を用いるようにすればよい。又、該熱媒13は、上記触媒反応に所望される温度条件に対応可能な種類のものを適宜選定して用いるようにすればよい。
The
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、上記外部の図示しない熱媒供給源より、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13を、熱媒供給管11の上流側端部へ連続的に供給する。
When using the multitubular reactor according to the present invention having the above-described configuration, first, the external heating medium supply source (not shown) is previously set to a desired temperature as a reaction temperature condition for performing a catalytic reaction described later. The
これにより、該熱媒13は、反応容器1内で、熱媒供給管11、熱媒分散領域9を経て、周方向及び各伝熱管7の長手方向に一様に分散された状態で、管群6を形成している各伝熱管7の間を連続的に流通させられるようになる。このため、該各伝熱管7は、その外面側で、上記熱媒13との熱交換が行われる。
As a result, the
その後、上記各伝熱管7との熱交換に供された後の熱媒13は、上記管群6の外周の熱媒集合領域10と、熱媒排出管12を経て外部に排出されるようになる。
Thereafter, the
この際、上記各伝熱管7の内面やその内側の触媒8は、該各伝熱管7と、その外側を流通する熱媒13との熱交換に伴って、上記所定の反応温度条件に常に保持されるようになる。
At this time, the inner surface of each
この状態で、図示しない反応原料供給手段により、反応原料15を、反応原料入口14より供給すると、該反応原料15は、反応原料分配ヘッダ3内で分散された後、上記各伝熱管7内へ平均して供給される。
In this state, when the reaction
上記各伝熱管7内では、該各伝熱管7内に充填されている触媒8の存在により、上記所定の反応温度条件の下で、上記供給された反応原料15より反応生成物17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、上記各伝熱管7の外側を連続的に流通させてある上記熱媒13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、上記各伝熱管7内の触媒8を上記所定の反応温度条件に保持することができる。
In each of the
上記各伝熱管7内での触媒反応によって生成された反応生成物17は、該各伝熱管7より上記反応生成物集合ヘッダ5へ導かれて、該反応生成物集合ヘッダ5内で一旦集合させられた後、反応生成物出口16を通して外部へ回収されるようになる。
The
このように、本発明の多管式反応器によれば、各伝熱管7の内部に流通させるガスとしての反応原料15及び反応生成物17と、各伝熱管7の外側に流通させる熱媒13との該各伝熱管7の管壁を介した熱交換により、各伝熱管7内における反応温度条件を保持しながら、上記触媒反応によって反応原料15より反応生成物17を連続的に製造することができる。
Thus, according to the multitubular reactor of the present invention, the reaction
この際、上記各伝熱管7と熱交換させる熱媒13の流れ方向は、反応容器1の中心部に設けてある上記熱媒分散領域9から、外周部に設けてある上記熱媒集合領域10まで半径方向に沿う外向き(放射方向)であるため、従来の熱媒流通領域にバッフルを備えた管内触媒形式の多管式反応器のように、熱媒13の流れが何度も折り返されることはない。又、上記熱媒分散領域9から上記熱媒集合領域10までの熱媒13の流通経路では、その断面積がバッフルにより制限されることもない。このため、本発明の多管式反応器では、熱媒13供給用のポンプ動力を削減することができる。
At this time, the flow direction of the
なお、本発明の多管式反応器では、上記熱媒13の流通経路が従来のようにバッフルによる断面積の制限を受けないことに伴い、上記管群6の各伝熱管7の周りを流れる熱媒13の平均流速は遅くなり、この熱媒13の流速の減少に伴い、各伝熱管7の管外側の熱伝達率が低下する。
In the multi-tubular reactor of the present invention, the flow path of the
しかし、前述したように、本発明の多管式反応器では、伝熱管7の内部に流通させる反応原料15及び反応生成物17がガスであって、管内側の熱伝達率が、管外側の熱伝達率よりも小さくなっているため、この管内側の熱伝達率が律速の因子となる上記各伝熱管7の管壁内外方向の熱通過率は、上記管外側の熱伝達率の低下の影響を殆ど受けない。よって、本発明の多管式反応器では、熱交換性能の低下を招くことはない。このことは、後述する実施例1の数値解析の結果からも明らかである。
However, as described above, in the multi-tubular reactor of the present invention, the reaction
更に、本発明の多管式反応器では、上記したように各伝熱管7には反応原料15が平均して供給される。よって、各伝熱管7内における反応原料15や反応生成物17の流速に差が生じることはないため、伝熱管7ごとに管内側の熱伝達率に差が生じることはない。
Furthermore, in the multitubular reactor of the present invention, the reaction
一方、管群6を内周側から外周側に向けて流れる熱媒13は、半径方向の外側に行くにしたがって流路断面積が拡大するため、該熱媒13の流速は、管群6の内周部が最大で、半径方向の外側に行くにしたがって低下するようになる。そのために、管群6の半径方向の異なる位置に配置されている伝熱管7同士では、上記熱媒の流速の変化に応じて、管外側の熱伝達率に差が生じる。
On the other hand, the flow rate of the
しかし、前述したように、本発明の多管式反応器では、管内側の熱伝達率が、各伝熱管7の管壁内外方向の熱通過率に対して律速の因子となっているため、上記管群6の半径方向の異なる位置に配置されている伝熱管7同士で、管外側の熱媒13に大きな流速変化が生じていても、管壁内外方向の熱通過率は、大きな差が生じることなく、全域で安定している。このことは、後述する実施例2の数値解析の結果からも明らかである。
However, as described above, in the multi-tubular reactor of the present invention, the heat transfer coefficient inside the tube is a rate-determining factor with respect to the heat transfer rate inside and outside the tube wall of each
よって、本発明の多管式反応器によれば、反応容器1内のすべての伝熱管7について、上記熱通過率の偏りが生じる虞を抑制することができ、このため、各伝熱管7内で、均等に触媒反応を進行させることが可能になる。
Therefore, according to the multi-tubular reactor of the present invention, it is possible to suppress the possibility that the heat transfer rate is biased with respect to all the
更には、熱伝達特性のよい流体である熱媒13を、伝熱管7の管外側を直交流として流すと、該熱媒13を伝熱管7の管内側に流す場合に比して、熱伝達率の向上化を図ることができる。よって、本発明の多管式反応器は、管外触媒形式で且つ反応容器の半径方向の内外方向に反応原料を流通させる形式の多管式反応器に比して、熱通過率の大幅な向上化を図ることが可能になる。
Furthermore, when the
次に、図2(a)(b)は本発明の実施の他の形態として、図1(a)(b)の実施形態の変形例を示すものである。 Next, FIGS. 2A and 2B show a modification of the embodiment of FIGS. 1A and 1B as another embodiment of the present invention.
すなわち、本実施の形態の多管式反応器は、図1(a)(b)と同様の構成において、熱媒供給管11と熱媒排出管12を入れ替えて、反応容器1内における各管板2と4同士の間にて、管群6よりも外側の外周部の空間を、上記熱媒供給管11に連通する熱媒分散領域9とし、上記管群6よりも内側の中心部の空間を、上記熱媒排出管12に連通する熱媒集合領域10としてある。
That is, the multitubular reactor according to the present embodiment has the same configuration as that of FIGS. 1A and 1B, and replaces the heat
その他の構成は図1(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。 Other configurations are the same as those shown in FIGS. 1A and 1B, and the same components are denoted by the same reference numerals.
以上の構成としてある本実施の形態の多管式反応器を使用する場合は、図1(a)(b)に示したものと同様に、外部の図示しない熱媒供給源より、伝熱管7内で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13を、熱媒供給管11の上流側端部へ連続的に供給する。
When the multitubular reactor according to the present embodiment having the above-described configuration is used, the
これにより、上記熱媒13は、反応容器1内で、熱媒供給管11を経て、管群6の外周に設けてある上記熱媒分散領域9に流入する。その後、該熱媒分散領域9に流入した上記熱媒13は、該熱媒分散領域9の内側に配置されている上記管群6の各伝熱管7の間を通って上記熱媒集合領域10へ向けて反応容器1の半径方向に沿う内向きに流れるようになる。この際、上記熱媒13の流れでは、上記管群6を形成している各伝熱管7が抵抗になって圧力損失が生じることに伴い、該熱媒13の流れは、周方向に一様に分散された状態で、該各伝熱管7の間を通って内周側へ向かうようになる。
Thereby, the
これにより、上記管群6の各伝熱管7では、その外面側で、上記熱媒13との熱交換が行われるようになる。
Thereby, in each
その後、上記各伝熱管7との熱交換に供された後の熱媒13は、上記管群6の内側の熱媒集合領域10で集合させられた後に、熱媒排出管12を経て外部に排出されるようになる。
Thereafter, the
したがって、本実施の形態によっても、上記各伝熱管7の内面やその内側の触媒8は、該各伝熱管7と、その外側を流通する熱媒13との熱交換に伴って、上記所定の反応温度条件に常に保持することができるようになる。
Therefore, also in the present embodiment, the inner surface of each
よって、本実施の形態によっても、図1(a)(b)の実施の形態と同様に、各伝熱管7内では、触媒8の存在下で、上記所定の反応温度条件の下で、供給される反応原料15より反応生成物17を生成する触媒反応を実施させることができると共に、図1(a)(b)の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
Therefore, also in the present embodiment, as in the embodiment of FIGS. 1 (a) and 1 (b), the supply is performed in the
次いで、図3(a)(b)は本発明の実施の更に他の形態として、図1の実施の形態の応用例を示すものである。 Next, FIGS. 3A and 3B show an application example of the embodiment of FIG. 1 as still another embodiment of the present invention.
すなわち、本実施の形態の多管式反応器は、図1(a)(b)に示したと同様の構成において、各管板2と4の間における管群6の内側(反応容器1の中央寄り)となる個所に、反応容器1の軸心方向に延びる筒状の熱媒分散板としての内周部熱媒分散板18を、熱媒供給管11に連通する熱媒分散領域9と、上記管群6の設置個所とを仕切るよう配置して設けた構成としてある。図3(a)(b)では、上記内周部熱媒分散板18を、熱媒供給管11と同径のものとして、該熱媒供給管11の軸心方向に連なる位置に設けた構成が示してある。
That is, the multi-tubular reactor according to the present embodiment has a configuration similar to that shown in FIGS. 1A and 1B, inside the
上記内周部熱媒分散板18は、熱媒13を円筒状の周壁の内外方向に通過させることができ、且つ熱媒13が上記周壁を通過するときに或る程度の圧力損失を生じさせて、上記熱媒分散領域9より管群6の設置個所へ流入させる熱媒13の周方向及び各伝熱管7の長手方向への分散を促進させることができるようにしてある。なお、該内周部熱媒分散板18は、上記のような熱媒13の分散機能を備えていれば、たとえば、周壁に図示しないスリットや開口を設けてなる構成、あるいは、周壁をメッシュやパンチングメタルにより形成した構成等、任意の構成のものを採用してよい。
The inner peripheral heat
更に、本実施の形態では、各管板2と4の間における管群6の外側(反応容器1の外周寄り)となる個所に、反応容器1の軸心方向に延びる筒状の熱媒分散板としての外周部熱媒分散板19を、熱媒排出管12に連通する熱媒集合領域10と、上記管群6の設置個所とを仕切るよう配置して設けた構成としてある。
Further, in the present embodiment, a cylindrical heat medium dispersion extending in the axial direction of the
上記外周部熱媒分散板19は、上記内周部熱媒分散板18と同様の熱媒13の周方向及び各伝熱管7の長手方向への分散を促す構成の周壁を備えるようにしてある。
The outer peripheral heat
その他の構成は、図1(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。 Other configurations are the same as those shown in FIGS. 1A and 1B, and the same components are denoted by the same reference numerals.
以上の構成としてある本実施の形態の多管式反応器によれば、図1(a)(b)に示したものと同様に使用して、同様の効果を得ることができることに加えて、上記内周部熱媒分散板18と外周部熱媒分散板19により、熱媒分散領域9と熱媒集合領域10での熱媒13の流れを円滑に行わせることができると共に、熱媒13の流れの周方向及び伝熱管7の長手方向に関する分散性を向上させることができる。このため、本実施の形態の多管式反応器は、管群6の各伝熱管7に対して、より均等に熱媒13を接触させることができるようになるため、熱交換性能の更なる改善、及び、各伝熱管7内での触媒反応の更なる均一化を図ることができる。なお、上記反応容器1が小さいこと等に伴って上記管群6の半径方向に配列される伝熱管7の本数が少ない場合や、上記管群6における伝熱管7の管ピッチと管径の比(管ピッチ/管径)が大きい場合には、上記熱媒13の管群直交流の流動抵抗が小さくなることが考えられるが、この場合は、上記内周部熱媒分散板18及び外周部熱媒分散板19にて熱媒13が通過する際の抵抗を大きく設定することで、熱媒13の流れの周方向及び伝熱管7の長手方向に関する分散性を保持することができる。
According to the multi-tubular reactor of the present embodiment having the above-described configuration, in addition to being able to obtain the same effect by using the same as shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), The inner peripheral heat
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、図3(a)(b)の実施の形態と同様の構成において、図2(a)(b)に示したと同様に、熱媒供給管11と熱媒排出管12を入れ替えて、反応容器1内における各管板2と4同士の間にて、外周部熱媒分散板19よりも外側の空間を、上記熱媒供給管11に連通する熱媒分散領域9とし、内周部熱媒分散板18よりも内側の空間を、上記熱媒排出管12に連通する熱媒集合領域10とした構成としてもよい。かかる構成の多管式反応器によっても、図3(a)(b)の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
In addition, this invention is not limited only to the said embodiment, In the structure similar to embodiment of Fig.3 (a) (b), as shown to Fig.2 (a) (b), By replacing the heat
上記各実施の形態では、反応容器1の一端側の管板2により仕切られた空間を、反応原料入口14に連通する反応原料分配ヘッダ3とし、且つ反応容器1の他端側の管板4により仕切られた空間を、反応生成物出口16に連通する反応生成物集合ヘッダ5とした構成を示したが、上記反応原料入口14と反応生成物出口16とを入れ替えて、反応容器1の他端側に上記反応原料入口14に連通する反応原料分配ヘッダ3を備え、且つ反応容器1の一端側に上記反応生成物出口16に連通する反応生成物集合ヘッダ5を備えた構成としてもよい。この場合は、上記各実施の形態に対して反応原料15及び反応生成物17の流れ方向は逆になるが、上記各実施の形態と同様の効果を得ることができる。
In each of the above embodiments, the space partitioned by the
管群6における各伝熱管7は、該管群6を半径方向の外向き又は内向きに通過する熱媒13の流れに対して圧力損失を生じさせることができて、該熱媒13の周方向及び各伝熱管7の長手方向への分散を促すことができるようにしてあれば、正方配列やその他、図示した以外の任意の配列を採用してもよく、又、各伝熱管7の径や本数、配列ピッチも適宜変更してよい。
Each
反応容器1の軸心方向寸法と径寸法との比、反応容器1内における各管板2と4の設置位置、反応原料分配ヘッダ3と反応生成物集合ヘッダ5の容積、各管板2と4同士の間隔、熱媒分散領域9と熱媒集合領域10の容積(反応容器1の径方向の寸法)、熱媒供給管11と熱媒排出管12と反応原料入口14と反応生成物出口16のサイズや配置は、実施する触媒反応に所望される条件に応じて、図示したものから適宜変更してもよい。
The ratio between the axial dimension and the diameter dimension of the
上記反応原料15及び反応生成物17は、ガス以外の液体であってもよい。なお、この場合にも、該反応原料15及び反応生成物17の伝熱管7の内面との熱伝達率、すなわち、管内側の熱伝達率が、管外側の熱伝達率よりも小さくなるようにしてあるものとする。
The reaction
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製造プロセスにおける触媒反応や、その他の触媒反応を実施させる場合に適用してもよい。 The multi-tubular reactor of the present invention can be applied to the case where the catalytic reaction in the production process of ethylene acid, methacrylic acid and other various chemical substances and other catalytic reactions are carried out in addition to the acrylic acid production application. Good.
本発明の多管式反応器は、反応容器1の軸心方向を、上下方向以外のいかなる方向に向けた姿勢で用いるようにしてもよい。
The multitubular reactor of the present invention may be used in a posture in which the axial direction of the
各伝熱管7について、長手方向の途中位置で振れ止めのための支持が必要な場合は、ワイヤやロッドを格子状に組み合わせたロッドバッフル等の管支持材で支持するようにすればよい。
If each
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。 Of course, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
図1(a)(b)に示した構成の本発明の多管式反応器について、伝熱管7と該伝熱管7内を流通させるガスである反応原料15(及び反応生成物17)との間の熱伝達率(管内側の熱伝達率)hi、及び、伝熱管7と該伝熱管7の外側を流通させる液体の熱媒13との間の熱伝達率(管外側の熱伝達率)hoと、上記熱媒13から反応原料15(及び反応生成物17)までの伝熱管7の管壁を介した熱通過率Kと、反応原料15(及び反応生成物17)側の圧力損失、及び、熱媒13側の圧力損失について数値解析した。
About the multitubular reactor of the present invention having the configuration shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the
なお、熱通過率Kの算出は、以下の式に基づいて行った。 The calculation of the heat transmission rate K was performed based on the following formula.
その解析結果を、以下の表1に示す。 The analysis results are shown in Table 1 below.
表1における比較例1は、従来の管内触媒式で且つ管群直交流形式の多管式反応器であって、熱媒流通領域に、伝熱管7の長手方向の3個所に熱媒13の流れ方向を変更するための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。この比較例1の構成について、上記と同様に、反応原料15側の熱伝達率(管内側の熱伝達率)hiと、熱媒13側の熱伝達率(管外側の熱伝達率)hoと、熱通過率Kと、反応原料15の圧力損失と、熱媒13側の圧力損失について数値解析したものである。
Comparative Example 1 in Table 1 is a conventional multi-tubular reactor of a tube-in-tube type and a tube group cross-flow type, in which the
この場合、上記比較例1の多管式反応器の構成は、伝熱管7の径、管ピッチ、本数、伝熱管7内の触媒8の充填条件、反応原料15の流量、熱媒13の流量、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設定した。又、本発明及び比較例1のいずれにおいても、熱媒13の流速について、反応容器1の外周部の流速が、中心部での流速の1/4倍になるように条件を設定した。
In this case, the configuration of the multi-tube reactor of Comparative Example 1 is as follows. The diameter, tube pitch and number of the
又、以下の表1では、熱伝達率hi及びhoと熱通過率Kについては、本発明と比較例1に共通している管内触媒形式の構成に基づく反応原料15側の熱伝達率(管内側の熱伝達率)hiの解析結果の値を基準となる1.0とおいて、本発明と上記比較例1の上記各項目の解析結果を規格化(無次元化)している。圧力損失についても同様に、本発明と比較例1に共通している管内触媒形式の構成に基づく上記反応原料15側の圧力損失の解析結果の値を基準となる1.0とおいて、本発明と上記比較例1の上記各項目の解析結果を規格化している。なお、上記比較例1の熱媒13側の圧力損失値(表1の※印)については、各伝熱管7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。実際には各伝熱管7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。なお、通常は、熱媒13の全流量に対する隙間リーク流量の割合は50%以下に設定することが多いので、隙間リークがある場合であっても、熱媒13側の圧力損失は、表1に示した値4.4に対してオーダーが変わることはない。したがって、熱媒13側の圧力損失は、本発明の多管式反応器の方が、比較例1に比べて十分に小さくなる。
In Table 1 below, the heat transfer coefficients h i and ho and the heat transfer coefficient K are the heat transfer coefficients on the reaction
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、比較例1のバッフルを備えた管内触媒式で且つ管群直交流形式の多管式反応器に比して、伝熱管7と熱媒13側の熱伝達率hoは低下するものの、熱通過率Kに関して律速の因子となる伝熱管7と反応原料15側の熱伝達率hiは変化しないため、本発明の熱通過率Kは0.92となり、比較例1の熱通過率Kの0.97という値に比して熱交換性能は殆ど低下していない。
As is clear from the above results, the multitubular reactor of the present invention is a heat transfer tube as compared to the multitubular reactor of the in-pipe catalyst type and the tube group cross flow type equipped with the baffle of Comparative Example 1. 7 and the heat transfer rate h o on the
しかも、本発明では、熱媒13側の圧力損失は0.1となっており、比較例1の熱媒13側の圧力損失の4.4という値に比して、大幅に低減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13用のポンプ動力の削減化を図ることが可能になる。
Moreover, in the present invention, the pressure loss on the
図1(a)(b)に示した構成の本発明の多管式反応器について、上記実施例1と同様の反応原料15側の熱伝達率(管内側の熱伝達率)hiと、熱媒13側の熱伝達率(管外側の熱伝達率)hoと、熱通過率Kについて、反応容器1の中心部と周辺部のそれぞれの伝熱管7と、それらの平均について数値解析し、その解析結果を、比較例2と比較した。
For-tube reactor of the present invention having the structure shown in FIG. 1 (a) (b), the heat transfer rate of the Example 1 and the
上記比較例2は、伝熱管内に熱媒を流通させるようにし、該伝熱管の外側に触媒を充填する管外触媒形式の多管式反応器であり、且つ上記触媒の層に半径方向の内向きに反応原料(及び反応生成物)を流通させる形式の多管式反応器の構成について数値解析したものである。 Comparative Example 2 is a multi-tubular reactor of an external catalyst type in which a heat medium is circulated in a heat transfer tube and a catalyst is filled outside the heat transfer tube, and a radial direction is formed in the catalyst layer. This is a numerical analysis of the configuration of a multitubular reactor of a type in which reaction raw materials (and reaction products) flow inward.
以下の表2は、本発明の多管式反応器について、反応原料15側の熱伝達率(管内側の熱伝達率)hiと、熱媒13側の熱伝達率(管外側の熱伝達率)hoと、熱通過率Kについて、反応容器1の中心部と周辺部の伝熱管7と、それらの平均の解析結果を示すものである。
Table 2 below, the multi-tube reactor of the present invention, (the heat transfer coefficient of the tube side) heat transfer rate of the
又、以下の表3は、上記比較例2について、反応原料側の熱伝達率である管外側の熱伝達率hoと、熱媒側の熱伝達率である管内側の熱伝達率hiと、熱通過率Kについて、反応容器1の中心部と周辺部の伝熱管と、それらの平均の解析結果を示すものである。
Further, Table 3 below, for the comparative example 2, and the heat transfer coefficient h o of the abluminal a heat transfer rate of the reaction raw material side, the heat transfer coefficient of the tube side is a heat transfer coefficient of the heat medium side h i And about the heat transfer rate K, the center part of the
なお、表2及び表3は、いずれも、反応原料15側の熱伝達率(本発明では管内側、比較例2では管外側の熱伝達率)についての上記平均の値を、基準となる1.0とおいて、本発明と上記比較例2の上記各項目の解析結果を規格化している。
Tables 2 and 3 are based on the above average values for the heat transfer coefficient on the reaction
表4は、本発明と、比較例2について、管内側の熱伝達率と、管外側の熱伝達率と、熱通過率Kについての上記平均の値同士を比較した結果を示すものである。なお、表4では、本発明の管内側の熱伝達率(反応原料15側の熱伝達率hi)の解析結果の値を基準となる1.0とおいて、本発明と上記比較例2における上記各項目の解析結果を規格化している。
Table 4 shows the results of comparing the above average values for the heat transfer coefficient inside the tube, the heat transfer coefficient outside the tube, and the heat transfer rate K for the present invention and Comparative Example 2. In Table 4, the value of the analysis result of the heat transfer coefficient (the heat transfer coefficient h i on the reaction
表2から明らかなように、本発明では、反応容器1の中心部と周辺部の伝熱管7では、内外方向の流路断面積の変化により熱媒13の流速が変化することに伴い、熱媒13側の熱伝達率については、中心部は18.3、周辺部は8.0となり、半径方向の内外で大きな差が生じる。しかし、管内側の反応原料15側の熱伝達率hiは、中心部から周辺部まで一定であるため、この反応原料15の熱伝達率hiが律速因子となる熱通過率Kに関しては、反応容器1の中心部が0.95、周辺部が0.89となり、該熱通過率Kの平均の値0.92に対するばらつきは、−3.8%〜+2.7%と狭い範囲に納まっている。したがって、本発明では、反応容器1内の半径方向の異なる位置に配置されている伝熱管7同士であっても、上記熱通過率Kに大きな差が生じないことが判明した。よって、本発明の多管式反応器では、反応容器1内のすべての伝熱管7について、上記熱通過率Kの偏りが生じる虞を抑制することができるため、各伝熱管7内で、均等に触媒反応を進行させることが可能になる。
As is apparent from Table 2, in the present invention, in the
一方、表3から明らかなように、上記比較例2では、熱媒側の熱伝達率である管内側の熱伝達率hiは、反応容器の中心部から周辺部までの伝熱管で一定である。これに対し、反応容器1の中心部と周辺部の伝熱管では、内外方向の流路断面積の変化に応じて反応原料の流速が変化することに伴い、該反応原料側の熱伝達率である管外側の熱伝達率hoについては、中心部では1.25、周辺部では0.79となり、半径方向の内外の伝熱管の存在位置に応じて差が生じる。このため、該反応原料側の熱伝達率が律速因子となる熱通過率Kに関しては、反応容器1の中心部では1.13、周辺部では0.74となり、該熱通過率Kの平均の値0.92に対して、−19.5%〜+22.6%と、ずれが大きくなっている。したがって、上記比較例2の場合は、反応容器内の半径方向の異なる位置に配置されている伝熱管同士で、熱通過率Kが平均値に対して±20%と大きなばらつきを生じることが判明した。よって、比較例2では、反応容器内の半径方向の異なる位置では上記熱通過率Kの偏りに起因して、均等な触媒反応を実施させることは難しい。
On the other hand, as is apparent from Table 3, in Comparative Example 2, the heat transfer coefficient h i inside the tube, which is the heat transfer coefficient on the heat medium side, is constant in the heat transfer tube from the center to the periphery of the reaction vessel. is there. On the other hand, in the heat transfer tubes in the central part and the peripheral part of the
更に、表4から明らかなように、本発明の反応原料15側の熱伝達率hiを1.0とおいた場合、比較例2の反応原料側の熱伝達率である管外側の熱伝達率は、0.26となっている。以上のことから、本発明の多管式反応器では、伝熱管7の内外方向の熱通過率Kに関する律速因子となる反応原料15の熱伝達率hiを、上記比較例2における反応原料側の熱伝達率に比して向上させることができることが判明した。これにより、本発明の多管式反応器は、上記比較例2のような管外触媒形式の多管式反応器に比して、熱通過率Kの大幅な向上化を図ることが可能になる。
Further, as apparent from Table 4, the
図2(a)(b)に示した構成の本発明の多管式反応器について、図4(a)に示した如き管路網の解析モデルを設定して、熱媒13側の圧力分布について管路網の解析手法による流動解析を行った。
For the multitubular reactor of the present invention having the configuration shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), an analysis model of the pipeline network as shown in FIG. 4 (a) is set, and the pressure distribution on the
図4(b)は、比較例として、上記実施例1における比較例1と同様の従来の管内触媒式で且つ管群直交流形式の多管式反応器について設定した管路網の解析モデルであり、これについても上記と同様の手法で熱媒13側の圧力分布についての流動解析を行った。
FIG. 4B is an analysis model of a pipe network set as a comparative example, which is a conventional pipe-catalyzed multi-tubular reactor of the pipe group cross flow type similar to Comparative Example 1 in Example 1 above. There was also a flow analysis on the pressure distribution on the
なお、図4(a)(b)は、いずれも、左端が反応容器1(図2参照)の軸心位置を示し、右端側が反応容器1の外周部となっている。
4A and 4B, the left end indicates the axial center position of the reaction vessel 1 (see FIG. 2), and the right end is the outer peripheral portion of the
又、図4(a)において、符号9は熱媒分散領域、符号10は熱媒集合領域である。
In FIG. 4A,
一方、図4(b)において、符号St1〜St4は、熱媒流通領域の上部と下部に設けられた2枚のドーナツ状のバッフルb1,b3とその間の1枚のディスク状のバッフルb2により仕切られて形成された1段目から4段目の流路を示している。又、符号20は、1段目の流路St1の外周部に設けられた熱媒分散領域となる下部ヘッダ、符号21は、4段目の流路St4の外周部に設けられた熱媒集合領域となる上部ヘッダである。
On the other hand, in FIG. 4B, symbols St1 to St4 are divided by two donut-shaped baffles b1 and b3 provided at the upper and lower portions of the heat medium flow area and one disk-shaped baffle b2 therebetween. The flow paths in the first to fourth stages formed in this way are shown.
更に、図4(a)(b)において、図中の破線は管群6(図2参照)の設置領域を示している。又、図中の丸付きの数字は、圧力の観測位置となる節点の番号を示している。図4(a)(b)の図中の数字は、各節点間の流路番号を示している。なお、図4(b)において、流路42〜49、流路50〜57、流路58〜65は、上記管群6の伝熱管7(図2参照)とバッフルb1、バッフルb2、バッフルb3の間に設けられた微小の隙間を通した隙間リークによる流路を示している。
Furthermore, in FIG. 4 (a) (b), the broken line in a figure has shown the installation area | region of the pipe group 6 (refer FIG. 2). In addition, the numbers with circles in the figure indicate the numbers of the nodes that become the pressure observation positions. The numbers in the diagrams of FIGS. 4A and 4B indicate the channel numbers between the nodes. In FIG. 4B, the
その解析結果を、図5(a)(b)に示す。 The analysis results are shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b).
図5(a)(b)における「●」は、図4(a)に示した本発明の多管式反応器の解析モデルによる熱媒13側の圧力分布の解析結果を示すものである。
“●” in FIGS. 5A and 5B indicate the analysis result of the pressure distribution on the
一方、図5(a)における「○」と「△」は、図4(b)に示した比較例の解析モデルによる熱媒13側の圧力分布の解析結果を示すものである。なお、「○」は、上記実施例1の比較例1と同様に、上記流路42〜49、流路50〜57、流路58〜65による隙間リークがないとした条件による結果であり、「△」は、上記流路42〜49、流路50〜57、流路58〜65による隙間リークがあるという条件による結果である。
On the other hand, “◯” and “Δ” in FIG. 5A indicate the analysis results of the pressure distribution on the
なお、上記図5(a)(b)のグラフの縦軸は、熱媒13側の圧力の値であり、熱媒13の流路出口側(「○」と「△」は図4(b)の節点41、「●」は図4(a)の節点11)の圧力値を基準値(=0)としてある。更に、上記「○」で示した実施例1の比較例1に対応する上記隙間リークなしの条件による圧力損失(=入口圧−出口圧)の結果が、上記実施例1の場合と同様の4.4の値を取るように規格化してある。又、横軸は、上記管群6の設置領域を半径方向の0.25〜1.0の範囲となるように設定して無次元化した値である。図5(a)(b)に示した各圧力分布は、熱媒13の流路入口側(「○」と「△」は図4(b)の節点2、「●」は図4(a)の節点2)で最大値をとり、その圧力値は管群6の設置領域(図4(a)(b)の破線内)における圧力損失値を意味する。
5A and 5B, the vertical axis represents the pressure value on the
図5(a)(b)の「●」の結果から、図2(a)(b)に示した構成の本発明の多管式反応器では、熱媒13側の圧力損失が0.1程度であることが分かる。この結果は、上記表1に示した実施例1による熱媒13側の圧力損失の解析結果ともよく一致している。なお、上記実施例1は、図1(a)(b)に示した本発明の多管式反応器の構成に対応するものであるため、前述の流動解析に用いた図4(a)の解析モデルとは、熱媒13の流動方向が、半径方向の外向きと内向きで逆になっている。したがって、上記実施例1の場合は、図示は省略したが、熱媒13側の圧力分布についての流動解析を行って解析結果を図5(a)(b)と同様にプロットすると、半径が大きくなるにしたがって熱媒13の圧力は低下し、下に凸の傾向を示すことが容易にわかる。更に、上記実施例1の場合は、最大圧力値と最小圧力値との差、すなわち圧力損失の値は、図5(b)に示したものと同様になる。
From the results of “●” in FIGS. 5A and 5B, in the multitubular reactor of the present invention having the configuration shown in FIGS. 2A and 2B, the pressure loss on the
更に、図5(a)における「●」と「△」の結果の比較により、図2(a)(b)に示した構成の本発明の多管式反応器は、上記図4(b)に示した比較例にて流路42〜49、流路50〜57、流路58〜65による隙間リークがあるという条件の場合の熱媒13の圧力損失の約1.8という値に対しても、熱媒13側の圧力損失を大幅に低減できることが判明した。
Further, by comparing the results of “●” and “Δ” in FIG. 5 (a), the multi-tubular reactor of the present invention having the configuration shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b) is shown in FIG. 4 (b). In the comparative example shown in FIG. 5, the pressure loss of the
1 反応容器、2 管板、3 反応原料分配ヘッダ、4 管板、5 反応生成物集合ヘッダ、6 管群、7 伝熱管、9 熱媒分散領域、10 熱媒集合領域、11 熱媒供給管、12 熱媒排出管、14 反応原料入口、16 反応生成物出口、18 内周部熱媒分散板、19 外周部熱媒分散板 1 reaction vessel, 2 tube plate, 3 reaction material distribution header, 4 tube plate, 5 reaction product assembly header, 6 tube group, 7 heat transfer tube, 9 heat medium dispersion region, 10 heat medium assembly region, 11 heat medium supply tube , 12 Heat medium discharge pipe, 14 Reaction raw material inlet, 16 Reaction product outlet, 18 Inner peripheral heat medium dispersion plate, 19 Outer peripheral heat medium dispersion plate
Claims (3)
上記反応容器内の軸心方向他端部に別の管板により仕切って形成した反応生成物集合ヘッダと、
上記反応容器内の上記各管板の間の空間における中央部と外周部を除く環状の領域に配置した該反応容器の軸心方向に平行な複数の伝熱管からなり、且つ該各伝熱管の両端部を上記反応原料分配ヘッダと反応生成物集合ヘッダにそれぞれ連通接続させてなる管群と、 各伝熱管に充填された触媒とを備え、
且つ上記反応容器内の上記各管板同士の間にて、上記管群よりも内側の中心部の空間と、上記管群よりも外側の外周部の空間のいずれか一方の空間を熱媒分散領域、他方の空間を熱媒集合領域とし、
更に、上記熱媒分散領域に連通させた熱媒供給管と、上記熱媒集合領域に連通させた熱媒排出管と、上記反応原料分配ヘッダに連通させた反応原料入口と、上記反応生成物集合ヘッダに連通させた反応生成物出口とを設けてなる構成
を有することを特徴とする多管式反応器。 A reaction material distribution header formed by partitioning with a tube plate at one axial end in a cylindrical reaction vessel;
A reaction product assembly header formed by partitioning with another tube plate at the other axial end in the reaction vessel;
It consists of a plurality of heat transfer tubes parallel to the axial direction of the reaction vessel disposed in an annular region excluding the central portion and the outer peripheral portion in the space between the tube plates in the reaction vessel, and both end portions of the heat transfer tubes A tube group formed by communicating with the reaction raw material distribution header and the reaction product assembly header, and a catalyst filled in each heat transfer tube,
In addition, between the tube plates in the reaction vessel, a heat medium is dispersed in one of the central space inside the tube group and the outer peripheral space outside the tube group. Region, the other space as the heat medium assembly region,
Furthermore, a heat medium supply pipe communicated with the heat medium dispersion area, a heat medium discharge pipe communicated with the heat medium assembly area, a reaction raw material inlet communicated with the reaction raw material distribution header, and the reaction product A multitubular reactor having a structure in which a reaction product outlet communicated with an assembly header is provided.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN114136125A (en) * | 2021-11-29 | 2022-03-04 | 无锡齐为金属科技有限公司 | Double-tube heat exchange tube |
WO2023286722A1 (en) | 2021-07-12 | 2023-01-19 | 積水化学工業株式会社 | Reaction vessel, gas production device, gas production system, and gas production method |
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-
2013
- 2013-12-19 JP JP2013262333A patent/JP2014147925A/en active Pending
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