JP2016513006A - 不均一系触媒気相反応を行うためのリアクタにモノリスを組み込む方法 - Google Patents

Abstract

本発明において提案されるのは、複数のモノリス（２）を組み込む方法であり、これらのモノリスはそれぞれ、互いに平行に配置された複数の流路を有するセラミックのブロックから構成されており、不均一性触媒気相反応の反応ガス混合物が、これらの流路を通って、不均一性触媒気相反応を行うためのリアクタ（１）に通流可能であり、複数のモノリス（２）は、リアクタ内部空間において横方向および上下方向にスタックされている。上記の方法の特徴は、それぞれ膨張マットを含むマット（３）を用い、上記の複数のモノリス（２）を、互いにシーリングし、および、リアクタ（１）の内壁に対してシーリングし、これらの膨張マットは、リアクタ（１）に組み込む前は全面がプラスチックシートに包まれており、プラスチックシートによって取り囲まれておりかつマット（３）を含む内部空間を真空化し、リアクタ（１）に組み込んだ後、プラスチックシートによって取り囲まれておりかつマット（３）を含む内部空間の減圧状態を解除する。

Description

本発明は、不均一系触媒気相反応を行うためのリアクタにモノリスを組み入れる方法に関する。

不均一性触媒気相反応を行うためのリアクタではしばしば、セラミック材料からなる複数のモノリスが使用される。これらのリアクタの側方の縁部では、モノリスを通る流路の方向に、脆いセラミック材料を保護するため、これらのモノリスが金属ケーシングによって包囲されることが多い。モノリスは必ずしも完全に平坦ではないため、モノリス間にシーリング要素を設けることなく、個々のモノリスを直接組み付けることは問題である。さらにセラミックのモノリスは、金属ケーシングに比べて格段に小さい熱膨張率を有するため、高温リアクタでは、すなわち、特に４００℃を上回る、または５００℃をも上回る反応温度においては、セラミックのモノリスと金属ケーシングとの間の間隔が変化してしまうことになる。

モノリスおよびシーリング要素（膨張マット）とからなる、バイパスのないモノリスシステムを従来技術にしたがって作製するためには、補強のために複数の大きな力の作用を加える必要がある。

これに対して本発明の課題は、不均一系触媒気相反応を行うためのリアクタに複数のモノリスを組み込む方法であって、上記のような欠点を有しない方法を提供することである。

この課題は、複数のモノリスを組み込む本発明の方法によって解決され、これらのモノリスはそれぞれ、互いに平行に配置された多数の流路を有するセラミックのブロックから構成されており、不均一性触媒気相反応の反応ガス混合物が、上記流路を通って、不均一性触媒気相反応を行うためのリアクタに通流可能であり、上記複数のモノリスは、リアクタ内部空間において横方向および上下方向にスタックされている、方法において、それぞれ膨張マットを含むマットを用い、複数のモノリスを、互いにシーリングし、および、リアクタの内壁に対してシーリングし、これらの膨張マットは、リアクタに組み込む前は全面がプラスチックシートに包まれており、このプラスチックシートによって取り囲まれておりかつマットを含む内部空間を減圧し、リアクタに組み込んだ後、プラスチックシートによって取り囲まれておりかつマットを含む内部空間の減圧状態を解除する。マットを含むこの内部空間は特に、上記プラスチックシートを突き刺して孔を開ける、および／または、焼き切ることによって減圧状態を解除することができる。

不均一性触媒気相反応を行うためのリアクタに使用するモノリスは、公知であり、例えば国際出願公開第２０１２／０８４６０９号に記載されている。モノリスは、触媒活性材料によってコーティングされたセラミック材料から構成される。

第１の有利な組み込み変化形態によれば、１つまたは複数の水平方向の層において上記モノリスを互いに横方向に並べ、複数の流路を垂直に配置して、リアクタに組み込み、これによって各層がリアクタ断面を完全に塞ぐようにし、連続している層間に、特に温度測定のための複数の測定要素が挿入可能な空所を開けておくスペーサを設ける。上記不均一性触媒気相反応の反応混合物は、モノリスの垂直方向に配置された流路を通って垂直方向に流れる。スペーサとして、例えば、モノリスの連続している２つずつの水平方向の層間に特に１０ないし３０ｍｍの幅の金属ストライプを組み込み、これによってこれらのモノリスが互いにこの金属ストライプの幅に等しい間隔を有するようにする。これらの金属ストライプは有利には角度を付けることができ、これによってその剛性が高まり、一層大きな重量を支えることができる。

別の有利な組み込み変形形態によれば、モノリスの互いに平行に配置される流路が、リアクタにおいて水平方向に配置されるようにモノリスをリアクタに組み込む。このためには、複数の流路を互いに平行に配向して、２つまたはそれ以上のモノリスを互いに横方向におよび／または上下方向に配置し、またこれらのモノリスが、それらの外周において、流路の長手方向に金属フレームによって包囲されてモノリスモジュールを形成するようにする。これらモノリスモジュールは、流路が水平方向に配置されてリアクタに組み込まれる。

流入面積を大きくするために有利には、２つまたはそれ以上のモノリスモジュールを上下にスタックしてモノリスモジュールスタックにする。

容量を増大させるため、または所望の収量を得るため、２つまたはそれ以上のモノリスモジュールスタックを前後にリアクタに組み込むことも可能である。

有利にはモノリスを含む金属フレームは、その両端において、それぞれわずかにモノリスを越えて、特に約５〜１０ｍｍだけ突出している。これにより、金属フレームは、モノリス層を上下にスタックする際にモノリス層のスペーサとして機能する。これによって有利にも、開けられた空所には、複数のホールおよび／または孔を通して、金属フレームの突出した縁部に温度測定のためのマルチサーモ要素を容易に挿入することができる。

有利には金属フレームのそれぞれ互いに対向する面は、モノリスの前後において金属製のブリッジによって互いに溶接されるため、金属フレームによって包囲されるモノリスモジュールの機械的な安定性が保証される。これにより、金属フレームを比較的薄く実施することができる。

上記のモジュール構造により、リアクタにモノリスを組み込むおよび取り外す際の比較的容易な取り扱いが保証される。触媒器交換のための交換システムをリアクタの外部に準備することができるため、リアクタの寿命を伸ばすことができる。

上記の金属フレームのおかげで、ガイドレールを介し、モノリスモジュールを簡単にリアクタに押し込みまた引き出すことができる。

本発明で使用されるマットは、互いに対向する２つの大きい方の面と、これに対して垂直に配置された２つの端面とを有する面状構成体である。

このマットには膨張マットが、すなわち高温時に膨張する（膨れる）繊維マットが含まれている。膨張マットは一般的にケイ酸塩、例えばアルミニウムケイ酸塩、膨張性の雲母、例えばバーミキュライトおよび有機バインダから構成される。膨張マットは、例えば３Ｍ社から商品名ＩＮＴＥＲＡＭ（登録商標）で販売されている。

しかしながら有機バインダは一連の不利な特性を有しており、特に液体成分の蒸発による悪臭を発生し、触媒を汚染する。このため、膨張マットの全体重量に対して以前の約１２〜１４重量％からいまや約２〜５重量％の、特に３〜４重量％の有機バインダの、有機バインダの含有量の少ない膨張マットが要求されるようになっている。しかしながら有機バインダの含有量がこのように少ないことにより、膨張マットはぱさつき、可塑的に変形しにくく、取り扱い難しい。

しかしながら本発明にしたがって膨張マットの全面をプラスチックシートによって包むことにより、上記の欠点は解消され、バインダ含有量の少ない要求されるマットであっても、容易に扱うことができ、上記の空所に、これを埋めるように入れることができる。

一実施形態において上記のマットは膨張マットだけからなる。

別の実施形態において、上記の膨張マットは、膨張マットの他に酸化物繊維からなる繊維マットを、特に酸化アルミニウムからなる繊維マットを有する結合マットである。この繊維マットは、膨張マットに比べて軽量であり、かつ、圧力に耐え、熱伝導率が低く、約１２００℃までの温度耐性を有する。

上記の結合マットを構成する上記の膨張マットおよび酸化物繊維からなる繊維マットは、それぞれ面状構成体であり、これらの互いに接する大きい方の面積領域が互いに結合される。

さらに有利であるのは、１つずつの膨張マットと、酸化物繊維からなる１つずつの繊維マットとが上下に続く複数の層を含む結合マットを使用することである。

別の有利な実施形態では、端面に補強材料を有するマットを使用する。

有利には上記の膨張マットを包むプラスチックシート用のプラスチックとして、複数のポリアミドを使用するか、または、複数のポリアミドと、ポリエチレンおよび／またはポリプロピレンとからなる混合物を使用する。

上記の組み込みの後、プラスチックシートを突き刺して孔を開け、および／または焼き切る。これにより、モノリスの相互のシーリングおよびリアクタ内壁に対してシーリングを保証することができる。

上記のマットを包むため、有利には、一方の面が構造化されておりかつ完全に平坦ではない表面を有するプラスチックシートを使用する。マットをこのプラスチックシートによって包んで、その構造化された面がマットの方を向くようにする。これによって排気が容易になる。なぜならば、互いに向き合う構造化されたプラスチックシートの内側面間に、互いに支え合う微細な表面構造により、空所が形成され、この空所を通して空気を吸引することができるからである。これに対して完全に平坦面は互いに張り付いて、内側空間の真空化が困難になるのである。

本発明は、上記の方法によって組み立てられるリアクタも対象としている。

このリアクタは有利には、脱水素を行うための、特にブタンもしくはプロパンの脱水素を行うための、または部分酸化を行うために使用することができる。

本発明による方法の第１実施形態にしたがって組み入れたリアクタの断面図である。 本発明にしたがってはめ込まれた膨張マットの概略図である。 第２実施形態による、リアクタに組み込むためのモノリスモジュールの部分図である。 例示的な上下にスタックされた４つのモノリスモジュールを有するモノリスモジュールスタックの概略図である。

以下では図面を用いて本発明を詳しく説明する。

図１の概略図には、リアクタ内部空間に配置された多数のモノリス２を有する円筒形リアクタ１の断面が示されている。これらのモノリスは、互いにまたリアクタ内壁に対し、複数のマット３によってシーリングされており、これらのマットにはそれぞれ膨張マットが含まれており、またこれらのマットは全面が、図示しないプラスチックシートによって包まれている。モノリス２の複数の流路は、リアクタ内部空間おいて垂直かつ互いに平行に配置されており、またこれに相応して、これらの流路を上から下または下から上に気相反応の反応混合物が流れる。

図２には、本発明にしたがって使用されるマット３に対して端部を直角に階段状にした有利な幾何学形状が示されており、これらのマットはそれぞれ、全面が図示しないプラスチックシートに収縮包装されている。

図３には、横方向および上下方向に並んで配置された多数のモノリス２から構成されるモノリスモジュール４の一部分が示されており、これらのモノリスは金属フレーム５によって包囲されており、これらのモノリス２はマット３により、互いにまた金属フレーム５に対してシーリングされている。モノリス２の互いに平行に配向された流路は、水平方向に配置されている。

図４には、例示的に上下に配置された４つのモノリスモジュール４から構成されるモノリスモジュールスタック６が示されている。これらモノリスモジュール４は、それぞれ複数のモノリス２と、外側の金属フレーム５と、複数のマット３から構成されており、これらのマット３は、複数のモノリス２を互いに、また金属フレーム５に対してシーリングしている。

１ リアクタ、 ２ モノリス、 ３ マット、 ４ モノリスモジュール、 ５ 金属フレーム、 ６ モノリスモジュールスタック

Claims (12)

1. 複数のモノリス（２）を組み込む方法であって、
   前記複数のモノリス（２）はそれぞれ、互いに平行に配置された複数の流路を有するセラミックのブロックから構成されており、
   不均一性触媒気相反応の反応ガス混合物が、前記流路を通って、不均一性触媒気相反応を行うためのリアクタ（１）に通流可能であり、
   前記複数のモノリス（２）は、リアクタ内部空間において横方向および上下方向にスタックされている、方法において、
   それぞれ膨張マットを含むマット（３）を用い、前記複数のモノリスを、互いにシーリングし、および、前記リアクタ（１）の内壁に対してシーリングし、
   前記膨張マットは、前記リアクタ（１）に組み込む前は全面がプラスチックシートに包まれており、
   当該プラスチックシートによって取り囲まれておりかつ前記マット（３）を含む内部空間を真空化し、
   前記リアクタ（１）に組み込んだ後、前記プラスチックシートによって取り囲まれておりかつ前記マット（３）を含む前記内部空間の減圧状態を解除する、
   ことを特徴とする方法。
2. １つまたは複数の水平方向の層において前記複数のモノリス（２）を横方向に並べ、複数の流路を垂直方向に配置して、前記リアクタ（１）に組み込み、これによって各層が、リアクタ断面を完全に塞ぐようにし、
   連続している複数の層間に、特に温度測定のための複数の測定要素が挿入可能な空所を空けておく複数のスペーサを設ける、
   請求項１に記載の方法。
3. 複数の流路を互いに平行に配向して、２つまたはそれ以上のモノリス（２）を互いに横方向および／または上下方向に配置し、前記モノリス（２）が、当該モノリス（２）の外周において、前記流路の長手方向に金属フレーム（５）によって包囲されてモノリスモジュール（４）を形成し、
   複数のマット（３）を用い、前記モノリス（２）を互いにシーリングし、および、前記金属フレーム（５）に対してシーリングし、
   流路を水平方向に配置して前記モノリスモジュール（４）を前記リアクタ（１）に組み込む、
   請求項１に記載の方法。
4. ２つまたはそれ以上のモノリスモジュール（４）を互いに上下にスタックしてモノリスモジュールスタック（６）を形成する、
   請求項３に記載の方法。
5. ２つまたはそれ以上のモノリスモジュールスタック（６）を前後に前記リアクタ（１）に組み込む、
   請求項４に記載の方法。
6. 前記マット（３）は、膨張マットから構成されている、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
7. 前記マット（３）は、膨張マットの他に酸化物繊維からなる繊維マットを含む結合マットであり、
   前記膨張マットおよび前記繊維マットはそれぞれ、大きい方の面積領域において互いに結合される面状構成体である、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
8. 前記結合マットは、１つずつの膨張マットと、１つずつの繊維マットとが上下に続く複数の層を含む、
   請求項７に記載の方法。
9. 前記プラスチックシート用のプラスチックとして、１つまたは複数のポリアミドを使用するか、または、１つまたは複数のポリアミドと、ポリエチレンおよび／またはポリプロピレンとからなる混合物を使用する、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
10. 前記プラスチックシートを突き刺して孔を開け、および／または、焼き切ることにより、前記マット（３）を含む前記内部空間の減圧状態を解除する、
    請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
11. 請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法にしたがって製造された、不均一性触媒気相反応を行うためのリアクタ（１）。
12. 脱水素を行うための、特にブタンまたはプロパンの脱水素を行うための、または部分酸化を行うための、請求項１１に記載したリアクタ（１）の使用方法。

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