JP2014514157A - 反応器用充填物 - Google Patents

Abstract

供給口、排出口、壁、および軸を有する反応器内に挿入される構造充填物を提供する。構造充填物は、反応器のコア部である第１部分と、反応器のケーシング部である第２部分とを備える。第２部分は第１部分に対し自由に移動することができる。第１部分および第２部分は、第１部分が軸に近接して配され、第２部分が第１部分および反応器壁との間に配されるようにして、反応器内に挿入される。第２部分は概して反応器壁と接触することになる。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１１年５月１０日に出願された米国仮特許出願第６１／５１８，７０３号および２０１１年９月２２日に出願された米国仮特許出願第６１／６２６，２０１号の優先権を主張して２０１２年４月２３日に出願された係属中の米国特許出願第１３／４５３，２７５号の優先権を主張する。前記各出願の開示内容は、全体として、ここに援用される。

本発明は、反応器用構造充填物に関する。

反応器用ランダム充填物は、反応器壁と反応器内を通過する流体との間で良好な伝熱性を得るためのものである。充填物中の粒子が流体をランダムに様々な方向へ案内して反応器壁に衝突等させる結果、反応器壁における境界層の横断方向の伝熱効率が高まる。流体の大部分が主に反応器の壁と平行に流れる中で流体を反応器壁に衝突するように分流させることは、充填物が壁になるべく近い位置に、好ましくは接触させて設けられる場合、最も効果的である。これは衝突により壁と平行の流れが中断されるためであり、もし流れを中断させなければ境界層の横断方向の伝熱効率は比較的低いものとなる。

ランダム型充填物では粒子が互いに自由に動き、粒子間や粒子と反応器壁との間の空隙を埋めるという点で構造充填物より優れている。しかしこのような空隙は、反応器壁と反応器内の流体との間の伝熱効率を下げるため望ましくない。

構造充填物は、空隙容量が高いという点でランダム型充填物より優れている。構造充填物によって空隙容量が増えると、圧力損失が抑えられる。構造充填物はまた、反応器とその周辺との間の伝熱を高めるために最も有利な方向に流体を案内するよう構成することもできる。このような有利な方向とは、たとえば、反応器壁に直角方向、壁に向かう衝突方向、または、壁に向かう流れとこれに反する流れのバランスをとるための、壁から離れる方向である。

構造充填物は、反応器への挿入を容易にするために、充填物と反応器内壁との間に一定の距離、空間、または空隙を有するよう構成することができる。このような空隙を備えて構成される構造充填物は、構造充填物の外側部分を反応器壁に向けて強制移動させるために径方向外方に構造体を移動させる内部機械的装置を別個に備える場合がある。また、構造充填物は反応器壁から離間し易く、空隙がない場合に比べて壁における境界層の横断方向の伝熱効率が低くなりやすい。

本発明の目的は、反応器とその周辺の間の伝熱を高める構造充填物を提供することにある。

本発明の別の目的は、反応器内の圧力損失を抑える構造充填物を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、構造充填物の外側部分を反応器壁に向けて強制移動させるために径方向に構造体を移動する内部装置を設けることなく、反応器への挿入中、および、反応器の寿命期間にわたって、反応器壁と接触または近接状態を維持する構造充填物を提供することにある。

上述の、またその他の目的は、以下に記載の開示により、当業者には明白となる。

供給口、排出口、壁、および軸を有する反応器内で使用される構造充填物を提供する。好ましくは、反応器は筒状構造を有する。反応器は、構造充填物が少なくとも部分的に、反応器内で起こる反応に適した触媒がコーティングされた、触媒反応器とすることができる。

充填物は、第１部分および第２部分を備え、第２部分は第１部分に対し、第２部分の直径が広がるように自由に移動することができる。

第１部分、すなわち反応器のコア部は、反応器軸に近接して配され、実質的に剛性を有する。第２部分、すなわち反応器のケーシング部は、コア部および反応器壁との間に配され、反応器壁形状に適合する外寸法を有するに充分な柔軟性を有する。

好ましくは、第１部分が、反応器壁に対し斜角に配され、第２部分がこれに沿って移動可能である、少なくとも１つの外面および／または外端縁を有する。典型的には、この外面および／または外端縁に沿う第２部分の移動により、第２部分の外周長が変化する。斜角は約１〜８０°とすることができ、好ましくは約５〜３５°である。

好ましくは、第２部分が、反応器壁に対し斜角に配され、第１部分がこれに沿って移動可能である、少なくとも１つの内面および／または内端縁を有する。典型的には、この内面および／または内端縁に沿う第１部分の移動により、第２部分の外周長が変化する。斜角は約１〜８０°とすることができ、好ましくは約５〜３５°である。

好ましくは、反応器の筒体および軸は縦向きに配され、第１部分は固定され、第２部分が、重力および反応器内を下方に向けて流れる流体の差圧により下方に移動させられて反応器壁に接近し、好ましくは接触する。

または、第２部分は第１部分に対し、軸方向だけでなく、第２部分を拡張させる方向に移動することもできる。このような動きとしてはたとえば、螺旋運動が挙げられる。

反応器は好ましくは触媒反応器であり、充填物には少なくともその一部に、反応器内で起こる反応に適した触媒がコーティングされている。

本発明の実施形態の一つを示す縦断面図である。

図１において、構造充填物１は壁２を有する反応器内に収容されている。充填物１は、支持台６上に戴置される芯棒５上に直列して装着されるモジュール３、４からなる（芯棒５および台６は斜線領域として示す）。各モジュールは、底部分に円錐形状のベース部８が接合された、大きな厚みを有する円筒部材であるスリーブ７（図の塗りつぶし部分）、コア部９（図の点々部分）、およびケーシング１０とを備える。

モジュール３、４は、芯棒５上を滑らせて挿入され互いに重なり合って反応器の体積を充填する。コア部９は、平滑な円錐部材と波状の円錐部材とが交互に重なり合って成り、波状の円錐部材が、平滑な円錐部材間のスペーサとして働いている。平滑および波状の円錐部材は、流体が流れるように細孔を有していてもよいし、流体がコア部９を通過しないよう、あるいはこれを妨げるように、中実体であってもよい。

コア部９およびケーシング１０は、壁２に対して斜角をとり円錐台形状を成す端縁および／または端面に沿って互いに接触している。コア部９は実質的に剛性を有する。ケーシング１０は周方向および径方向のいずれにも拡張可能であるような充分な柔軟性を有する。ケーシング１０は、たとえば、反応器の軸方向に沿って波状に凹凸し、この凹凸深さによって壁２とコア部９とを離間させるシート部材からなる。また、たとえば、ケーシング１０はコア部９に巻きつけられ、その内面に、符号１１で示すように斜めの切り欠きを有し、この切り欠きにより、（コア部９の符号１２で示す）平滑な円錐部材の上側の斜面に接する端縁が形成されている。または、ケーシング１０は、米国特許出願公開第２０１０／０２０２９４２Ａ１号明細書に開示される種類の充填物であってもよい。同出願の開示内容は、全体として、ここに援用される。

反応器の部品は全て金属製である。シート部材は好ましくは金属箔からなる。充填物のシート部材およびその他の部分は、部分的または全体的に、反応器内で起こる特定の反応に適した触媒がコーティングされていることが好ましい。

反応器は縦向きに設置される。流体は、反応器内を供給口１３から排出口１４へ向けて下向きに流れる。芯棒５、スリーブ７、円錐部材８、およびコア部９は固定されている。ケーシング１０は、重力および流れる流体の差圧の双方によって、斜めの端縁に沿って滑落するように下方に強制移動させることができ、これによりケーシング１０の外面または周面１５を反応器壁２に接触させることができる。

以下に述べる３つの実施形態は図１の反応器に関する。コア部９は剛性を有するが、ケーシング１０は柔軟性を有し、好ましくは、ケーシング１０が、直径および外周のいずれの伸縮も外周長において可能とする充分な弾性を有する金属シートからなる。以下に述べる３つの実施形態では、コア部９および／またはケーシング１０が、典型的には、部分的または全体的に、反応器内で起こる所望の反応に適した触媒でコーティングされている。

第１実施形態では、ケーシング１０に力が加えられていない状態で、反応器へ挿入される前には、ケーシング１０の外周長が、挿入先の反応器の内周より（たとえば約１〜５％）大きい。ケーシング１０は次いで、反応器の内径に等しい外径を有するように圧縮され、コア部９が、このようにケーシングが反応器の内径に等しい外径を有する状態で、ケーシング１０の内面または内端縁に接触するよう位置決めされ、次いで、ケーシング１０およびコア部９は、単体として反応器内に挿入される。

第２実施形態では、ケーシング１０に力が加えられていない状態で、反応器へ挿入される前には、ケーシング１０が、挿入先の反応器の内周に等しい外周長を有する。したがって、ケーシング１０は、反応器の内径に等しい外径を有する。次いでコア部９が、このようにケーシングが反応器の内径に等しい外径を有する状態で、ケーシング１０の内面または内端縁に接触するよう位置決めされ、次いで、ケーシング１０およびコア部９は、単体として反応器内に挿入される。

第３実施形態では、ケーシング１０に力が加えられていない状態で、反応器へ挿入される前には、ケーシング１０の外周長が、挿入先の反応器の内周より（たとえば約１〜５％）小さい。ケーシング１０は次いで、反応器の内径に等しい外径を有するように拡張される。次いでコア部９が、このようにケーシングが反応器の内径に等しい外径を有する状態で、ケーシング１０の内面または内端縁に接触するよう位置決めされ、次いで、ケーシング１０およびコア部９は、単体として反応器内に挿入される。

以上、本発明の幾つかの実施形態に関して説明したが、別個の実施形態の様々な特徴を組み合わせて、ここに明示しないさらなる実施形態とすることができる。さらに、本発明の範囲内での別の実施形態も、当業者にとっては明白であろう。発明の範囲は、明示的に記載される以下の請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (17)

1. 供給口、排出口、反応器壁、および軸を有する反応器内に挿入され、
   第１部分と、
   前記第１部分に対し自由に移動することができる第２部分と、を備える、構造充填物。
2. 前記第１部分が軸に近接して配され、
   前記第２部分が前記第１部分と前記反応器壁との間に配されるように、前記第１部分および前記第２部分が前記反応器内に挿入される、請求項１に記載の構造充填物。
3. 前記第２部分が前記反応器壁と接触している、請求項２に記載の構造充填物。
4. 前記第２部分が、前記反応器内への挿入前には、前記反応器壁の内周より大きい外周長を有する、請求項２に記載の構造充填物。
5. 前記第２部分の外周長が、前記反応器壁の内周より約１〜５％大きい、請求項４に記載の構造充填物。
6. 前記第２部分が、前記反応器内への挿入前に、前記反応器壁の内周と等しい外周長を有する、請求項２に記載の構造充填物。
7. 前記第２部分が、前記反応器内への挿入前に、前記反応器壁の内周より小さい外周長を有する、請求項２に記載の構造充填物。
8. 前記第２部分の外周長が、前記反応器壁の内周より約１〜５％小さい、請求項７に記載の構造充填物。
9. 前記第１部分が、前記反応器壁に対して傾斜して配される少なくとも１つの外面および／または外端縁を有し、
   前記第２部分が前記外面および／または外端縁に沿って移動可能である、請求項１に記載の構造充填物。
10. 前記外面および／または外端縁に沿う前記第２部分の移動により、前記第２部分の外周長が変化する、請求項９に記載の構造充填物。
11. 前記傾斜の角度が約１〜８０°である、請求項９に記載の構造充填物。
12. 前記傾斜の角度が約５〜３５°である、請求項１１に記載の構造充填物。
13. 前記第２部分が、前記反応器壁に対して傾斜して配される少なくとも１つの内面および／または内端縁を有し、
    前記第１部分が前記内面および／または内端縁に沿って移動可能である、請求項１に記載の構造充填物。
14. 前記内面および／または内端縁に沿う前記第１部分の移動により、前記第２部分の外周長が変化する、請求項１３に記載の構造充填物。
15. 前記傾斜の角度が約１〜８０°である、請求項１３に記載の構造充填物。
16. 前記傾斜の角度が約５〜３５°である、請求項１５に記載の構造充填物。
17. 前記反応器が触媒反応器であり、前記構造充填物の少なくとも一部に、前記反応器内で起こる反応に適した触媒がコーティングされている、請求項１に記載の構造充填物。

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