JP2020081958A - ペレット及び反応器 - Google Patents

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継紅 劉
Keiko Ryu
継紅 劉
大輔 加留部
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大輔 加留部
勇博 茶木
Takehiro Chaki
勇博 茶木
瞬 大久保
Shun Okubo
瞬 大久保
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    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds

Abstract

【課題】反応器に充填される円柱状のペレットの嵩密度が過度に大きくなったり小さくなったりするのを抑制する、ペレット及び反応器の提供。【解決手段】容器に充填される円柱状のペレットであって、円柱の直径をｄ（mm）とし、円柱の高さをｈ（mm）とし、直径と高さの比αをα＝ｄ／ｈとすると、１．０≦ｄ≦５．０、及び１．０＜α≦１．６の関係を満たすペレット。触媒成分を含むペレット。触媒成分が結晶性物質により構成されているペレット。ペレットが充填される、化学物質を製造する化学反応のための容器で構成される反応器であって、容器は、内部を気体または液体が流通する容器である反応器。【選択図】図１

Description

本開示は、ペレット及び反応器に関するものである。
従来、円柱状のペレット（触媒ペレット）を容器（反応器）の内部に充填し、容器内で化学反応を行う技術が知られている。特許文献１には、ペレットの直径ｄを０．５mm〜１０mmとし、高さ（長さ）を０．５mmから１５mmにすることが記載されている。ペレットの直径と高さの比αをα＝ｄ／ｈとすると、αは０．０３〜２０になる。
国際公開第ＷＯ２００２／０７０１２９号パンフレット
ところで、特許文献1では、上記の比αが広範囲であるため、嵩密度が大きくなりすぎたり小さくなりすぎたりすることがある。容器へのペレットの充填が過密（嵩密度が大）である場合、ガスの流通性が低下したり、差圧が発生したりするなど、望まない現象が発生することがある。逆に、容器へのペレットの充填が過疎（嵩密度が小）である場合、ガスが触媒に効率よく接触しなくなるおそれがある。その結果、いずれの場合も、触媒の反応性が低下する問題が生じてしまう。このことは、嵩密度が大きくなりすぎたり小さくなりすぎたりすることに起因すると考えられる。
本開示の目的は、ペレットの直径と高さの比を適切な値にすることにより、容器に充填されるペレットの嵩密度が過度に大きくなったり小さくなったりするのを抑制することである。
本開示の第１の態様は、容器（20）に充填される円柱状のペレットを前提とする。
このペレットは、円柱の直径をｄ（mm）とし、円柱の高さをｈ（mm）とし、直径と高さの比αをα＝ｄ／ｈとすると、
１．０≦ｄ≦５．０、及び
１．０＜α≦１．６の関係を満たすことを特徴とする。
第１の態様では、円柱状のペレット（10）の直径ｄの範囲を１．０≦ｄ≦５．０に定め、直径ｄと高さｈの比αを１．０＜α≦１．６の範囲に定めているので、図４に示すように、容器（20）にペレット（10）を充填したときの嵩密度がバラつかずに安定する。言い換えると、第１の態様では、嵩密度が過度に大きくなったり小さくなったりするのを抑制できる。
本開示の第２の態様は、第１の態様において、
１．０＜α≦１．４の関係を満たすことを特徴とする。
第２の態様では、ペレット（10）の直径と高さの比αを１．０＜α≦１．４の範囲に定めているので、図４に示すように、容器（20）にペレット（10）を充填したときの嵩密度が過度に大きくなったり小さくなったりするのを、より効果的に抑制できる。
本開示の第３の態様は、第２の態様において、
１．０＜α≦１．２の関係を満たすことを特徴とする。
第３の態様では、ペレット（10）の直径と高さの比αを１．０＜α≦１．２の範囲に定めているので、図４に示すように、容器（20）にペレット（10）を充填したときの嵩密度が過度に大きくなったり小さくなったりするのを、さらに効果的に抑制できる。
本開示の第４の態様は、第１から第３の態様の何れか１つにおいて、
ペレット（10）が触媒成分を含むことを特徴とする。
本開示の第５の態様は、第４の態様において、
触媒成分が結晶性物質により構成されていることを特徴とする。
第４，第５の態様では、触媒成分を含むペレット（触媒ペレット）（10）を容器（20）に充填したときに、嵩密度が過度に大きくなったり小さくなったりするのを抑制できる。
本開示の第６の態様は、ペレット（10）が充填される、化学物質を製造する化学反応のための容器（20）で構成される反応器を前提とする。
この反応器は、
上記ペレット（10）が第１から第５の態様の何れか１つのペレット（10）であり、
上記容器（20）は、内部を気体または液体が流通する容器（20）であることを特徴とする。
この反応器は、第１から第５の態様のペレット（10）が充填されて化学反応用のペレット充填システムを構成するものであり、第１から第５の態様のペレット（10）と産業上の利用分野が同一で、解決しようとする課題も同一である。
第６の態様では、容器（20）内に充填されたペレット（10）と気体または液体とが効率よく接触する。ペレット（10）が触媒ペレット（10）であり、気体が反応ガスである場合、触媒の反応性が低下するのを抑制できる
図１は、実施形態に係る触媒ペレットの平面図である。 図２は、図１の触媒ペレットの正面図である。 図３は、反応器に触媒ペレットが充填されるペレット充填システムの部分断面正面図である。 図４は、実施形態の触媒ペレットの嵩密度を示すグラフである。 図５は、実施形態の触媒ペレットの平均応力を示すグラフである。
以下、実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本実施形態は、化学物質製造設備の反応器（20）などの容器に充填されるペレット（10）と、このペレット（10）が充填される反応器（20）に関するものである。このペレット（10）は触媒成分を含むペレット（触媒ペレット）である。図１及び図２に示すように、この触媒ペレット（10）は円柱状のペレットである。この触媒ペレット（10）は、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの結晶性物質の粉末（触媒粒子）から形成されている。
図１，図２では、触媒ペレット（10）の直径寸法をｄ（mm）、円柱の高さ寸法をｈ（mm）で示している。本実施形態において、触媒ペレット（10）の直径寸法ｄは１．０≦ｄ≦５．０である。触媒ペレット（10）の直径寸法ｄは、２．０≦ｄ≦４．０であることがより好ましい。
図３は、反応器（20）にペレット（10）が充填されるペレット充填システム（25）の部分断面正面図である。ペレット充填システム（25）は、反応器（20）と充填管（21）を有している。反応器（20）は円筒状の容器であり、内部を反応ガスが流通する。反応器（20）は例えばステンレス鋼（SUS304）で形成されている。反応器（20）には、上方から充填管（21）が挿入される。充填管（21）の上部の開口側の部分は、下方から上方へ向かって開口直径が大きくなる形状である。触媒ペレット（10）は、充填管（21）を用いて反応器（20）に落下させることにより、反応器（20）の中にランダムな向きで充填される。反応器（20）の直径は特に限定されないが、20mm〜3000mmであることが好ましく、30mm〜1000mmであることがより好ましく、40mm〜100mmであることがさらに好ましい。
次に、反応器（20）に充填した円柱状の触媒ペレット（10）の直径と高さの比αについて、触媒ペレット（10）の嵩密度と触媒ペレット（10）にかかる平均応力を求めた結果を示す図４，図５のグラフを用いて説明する。図４及び図５のグラフは、それぞれ、３種類の触媒ペレット（10）について、上記の比αが変化したときの嵩密度の値及び平均応力の値を表している。
なお、平均応力は、反応器（20）内に充填した触媒ペレット（10）の自重により生じる各触媒ペレット（10）の応力の平均値であり、上部の触媒ペレット（10）に生じる相対的に小さな応力や、中間部の触媒ペレット（10）に生じる中間的な大きさの応力や、下部の触媒ペレット（10）に生じる相対的に大きな応力から求めた値である。
本実施形態の触媒ペレット（10）は、直径と高さの比αが変化しても体積が変化しない等積触媒ペレット（10）である。図４において、直径ｄがｄ１の触媒ペレット（10）は、上記の比αが１のときにｄ１が３．５（mm）のペレット（10）を基本形状とする等積触媒ペレット（10）であり、ｄ１＝３．５（mm）のときは高さｈも３．５（mm）で、直径ｄ１が変化すると体積が同じままで高さｈが変化する。
直径ｄがｄ２の触媒ペレット（10）は、上記の比αが１のときにｄ１が１．１（mm）のペレット（10）を基本形状とする等積触媒ペレット（10）であり、ｄ１＝１．１（mm）のときは高さｈも１．１（mm）で、直径ｄ１が変化すると体積が同じままで高さｈが変化する。直径ｄがｄ３の触媒ペレット（10）は、上記の比αが１のときにｄ１が５．０（mm）のペレット（10）を基本形状とする等積触媒ペレット（10）であり、ｄ１＝５．０（mm）のときは高さｈも５．０（mm）で、直径ｄ１が変化すると体積が同じままで高さｈが変化する。
図４のグラフより、直径と高さの比αが約０．４〜約５．５まで変化すると、反応器（20）内の触媒ペレット（10）の嵩密度が大きく変化することと、直径ｄと高さｈの比α（＝ｄ／ｈ）が１．０＜α≦１．６（第１の範囲）であると、α≦１や１．６＜αである等積触媒ペレット（10）に比べて、反応器（20）内の嵩密度のバラつきが小さくなることが分かる。言い換えると、比αが１．０＜α≦１．６であると、嵩密度が過度に大きくなったり小さくなったりするのが抑制される。特に、直径ｄと高さｈの比αが１．０＜α≦１．６であると、嵩密度が高い値で安定する。そのため、反応器（20）への触媒ペレット（10）の充填率を高められる。
また、直径と高さの比αが１．０＜α≦１．４（第２の範囲）であると、嵩密度が高い値で安定して充填率が高くなる条件を、より効果的に満たすことができる。直径と高さの比αが１．０＜α≦１．２（第３の範囲）であると、嵩密度が高い値で安定して充填率が高くなる条件を、さらに効果的に満たすことができる。また、１．０５≦α≦１．１５（第４の範囲）としてもよい。
一方、図５のグラフより、直径と高さの比αが約０．４〜約５．５まで変化すると、反応器（20）内の触媒ペレット（10）の平均応力が大きく変化することと、直径ｄと高さｈの比αが１．０＜α≦１．６（第１の範囲）であると、α≦１や１．６＜αである等積触媒ペレット（10）に比べて、平均応力が小さくなることが分かる。そのため、直径と高さの比αが１．０＜α≦１．６であると、触媒ペレット（10）が砕けにくく変形しにくくなる。
また、直径と高さの比αが１．０＜α≦１．４（第２の範囲）であると、平均応力が小さくて砕けにくく変形しにくい条件を、より効果的に満たすことができる。直径と高さの比αが１．０＜α≦１．２（第３の範囲）や１．０５≦α≦１．１５（第４の範囲）であると、平均応力が小さくて変形、粉化しにくい条件を、さらに効果的に満たすことができる。
本実施形態では、触媒ペレット（10）の平均応力が小さくなるので、強度の低い触媒ペレット（10）を反応器（20）に充填して、粉化を防ぎながら反応に使用できる。本実施形態は、特に、比較的強度が弱い結晶性の粉末（触媒粒子）から作成した触媒ペレット（10）に適している。
−実施形態の効果−
反応器に充填される従来の円柱状の触媒ペレットには、例えば国際公開第ＷＯ２００２／０７０１２９号パンフレットに記載されているように、直径ｄを０．５mm〜１０mmとし、高さｈを０．５mmから１５mmにするものがある。この場合、触媒ペレット（10）の直径ｄと高さｈの比α（＝ｄ／ｈ）αは０．０３〜２０である。この比αの値の範囲は、本実施形態に比べて広いため、従来の触媒ペレットでは嵩密度のバラつきが大きくなりやすいことが分かる。そのため、反応器に触媒ペレットを充填すると、反応器内で触媒ペレットが過密になったり過疎になったりする部分が生じやすい。
反応器への触媒ペレットの充填状態が過密（嵩密度が大）になると、反応ガスの流通性が低下したり、反応ガスの入口側と出口側で差圧が発生したりするなど、望まない現象が発生する。そして、その反応器での原料転化率や目的物選択率が低下するなど、反応の効率が低下する。逆に、反応器への触媒ペレットの充填が過疎（嵩密度が小）になると、反応ガスが触媒に効率よく接触しなくなる。そして、いずれの場合も、触媒の反応性が低下する。
これに対して、本実施形態によれば、円柱状の触媒ペレット（10）の直径ｄの範囲を１．０≦ｄ≦５．０に定め、直径ｄと高さｈの比α（＝ｄ／ｈ）を１．０＜α≦１．６の第１の範囲に定めている。このことにより、図４に示すように、反応器（20）へ触媒ペレット（10）を充填したときの嵩密度が、α≦１や１．６＜αの等積触媒ペレット（10）よりも安定し、嵩密度が過度に大きくなったり小さくなったりするのを抑制できる。また、本実施形態では、反応器（20）に触媒ペレット（10）を充填したときの嵩密度が高いレベルで安定するので、反応器（20）への触媒ペレット（10）の充填率を高められる。その結果、反応ガスが触媒ペレット（10）に効率よく接触し、触媒の反応性が低下するのを抑制できる。
特に、図４に示すように、直径ｄと高さｈの比αを１．０＜α≦１．４の第２の範囲に定めると、嵩密度が高い値で安定して充填率が高くなる条件を、より効果的に満たすことができる。さらに、比αを１．０＜α≦１．２の第３の範囲や１．０５≦α≦１．１５の第４の範囲に定めると、嵩密度が高い値で安定して充填率が高くなる条件を、さらに効果的に満たすことができる。
以上のように、直径ｄと高さｈの比αを第１の範囲よりも第２の範囲へ、さらに第２の範囲よりも第３の範囲へ狭めるほど、反応器（20）への触媒ペレット（10）の充填率を高めるとともに嵩密度を安定させることができるので、触媒の反応性が低下するのを抑制しやすくなる。
本実施形態によれば、触媒ペレット（10）の直径ｄと高さｈの比αを１．０＜α≦１．６の第１の範囲に定めることにより、図５に示すように、反応器（20）へ触媒ペレット（10）を充填したときの平均応力が、α≦１や１．６＜αの等積触媒ペレット（10）よりも小さくなる。そして、本実施形態では、反応器（20）へ触媒ペレット（10）を充填したときの平均応力が小さくなるので、反応器（20）に充填された触媒ペレット（10）が、ほぼ一様に変形しにくくなる。
特に、直径と高さの比αを１．０＜α≦１．４の第２の範囲に定めると、平均応力が小さくて変形しにくい条件を、より効果的に満たすことができる。また、比αを１．０＜α≦１．２の第３の範囲や１．０５≦α≦１．１５の第４の範囲に定めると、平均応力が小さくて変形しにくい条件を、さらに効果的に満たすことができる。以上のように、直径と高さの比αを第１の範囲よりも第２の範囲へ、さらに第２の範囲よりも第３の範囲へ狭めるほど、触媒ペレット（10）の平均応力が小さくなる。
ここで、触媒ペレット（10）には強度が低いものがあり、そのような触媒ペレット（10）を反応器（20）に充填すると、周囲に存在する触媒ペレット（10）から力を受けて破壊され、粉化することがある。触媒ペレット（10）が粉化すると、反応ガスの流通性が低下し、場合によっては流通しなくなる（詰まりの発生）おそれもある。そのため、粉化する触媒ペレット（10）が多いと、反応を止めて反応器（20）から粉化物を含む触媒ペレット（10）を抜き出して、粉化物を除去し、再度触媒ペレット（10）を充填するという手間を要する原因になる。
本実施形態によれば、触媒ペレット（10）の応力が小さくなり、粉化が生じにくくなるので、反応ガスの流通性が低下するのを抑制できる。特に、例えば、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などのような結晶性物質で形成された比較的強度の弱い触媒ペレット（10）において、強度不足を効果的に抑制できる。
また、粉化する触媒ペレット（10）が多く、触媒ペレット（10）を再充填する場合は、その再充填作業中に当該反応器（20）を用いて反応物を製造することができなくなり、生産性が低下してしまうが、上記実施形態によれば、再充填による生産性の低下も抑制できる。
《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
本開示は、化学物質製造設備で用いられる触媒ペレット（10）に限らず、例えば有害物質を分解する設備で用いられる触媒ペレットなど、他の用途の触媒ペレット（10）にも適用可能である。また、上記実施形態では、結晶性物質の粉末（触媒粒子）を含む触媒ペレット（10）について説明したが、本開示のペレット（10）は、触媒層（層状の触媒）を含む円柱状の触媒ペレット（10）など、他の形態の触媒ペレット（10）であっても適用可能である。
本開示のペレットは、触媒ペレット（10）に限らず、他の種類のペレットでもよい。例えば、本開示のペレット（10）は、接触させる流体中の水分を除去するための乾燥剤を含むペレット（10）や、接触させる流体中の特定の物質を吸着する吸着剤を含むペレット（10）であってもよい。また、容器（20）は、気体に限らず、液体が流通するものであってもよい。
以上、実施形態および変形例を説明したが、特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、以上の実施形態および変形例は、本開示の対象の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。
以上説明したように、本開示は、ペレットについて有用である。
10 触媒ペレット（ペレット）
20 反応器（容器）
25 ペレット充填システム
本開示は、ペレット及び反応器に関するものである。
従来、円柱状のペレット（触媒ペレット）を容器（反応器）の内部に充填し、容器内で化学反応を行う技術が知られている。特許文献１には、ペレットの直径ｄを０．５mm〜１０mmとし、高さ（長さ）を０．５mmから１５mmにすることが記載されている。ペレットの直径と高さの比αをα＝ｄ／ｈとすると、αは０．０３〜２０になる。
国際公開第ＷＯ２００２／０７０１２９号パンフレット
ところで、特許文献1では、上記の比αが広範囲であるため、嵩密度が大きくなりすぎたり小さくなりすぎたりすることがある。容器へのペレットの充填が過密（嵩密度が大）である場合、ガスの流通性が低下したり、差圧が発生したりするなど、望まない現象が発生することがある。逆に、容器へのペレットの充填が過疎（嵩密度が小）である場合、ガスが触媒に効率よく接触しなくなるおそれがある。その結果、いずれの場合も、触媒の反応性が低下する問題が生じてしまう。このことは、嵩密度が大きくなりすぎたり小さくなりすぎたりすることに起因すると考えられる。
本開示の目的は、ペレットの直径と高さの比を適切な値にすることにより、容器に充填されるペレットの嵩密度が過度に大きくなったり小さくなったりするのを抑制することである。
本開示の第１の態様は、円筒状の反応器（20）に円柱状のペレットが（10）が充填されるペレット充填システムを前提とする。
このペレット充填システムは、反応器（20）が、ペレット（10）が充填されて、内部を気体または液体が流通して化学物質を製造する化学反応のための容器（20）で構成され、
このペレットは、円柱の直径をｄ（mm）とし、円柱の高さをｈ（mm）とし、直径と高さの比αをα＝ｄ／ｈとすると、
１．０≦ｄ≦５．０、及び
１．０＜α≦１．６の関係を満たし、
上記反応器（20）の直径は、２０mmより大きく３０００mm以下の範囲に含まれることを特徴とする。
本開示の第２の態様は、第１の態様において、
上記反応器（20）の直径が、３０mm以上で３０００mm以下の範囲に含まれる
ことを特徴とする。
本開示の第３の態様は、第２の態様において、
上記反応器（20）の直径が、３０mm以上で１０００mm以下の範囲に含まれる
ことを特徴とする。
本開示の第４の態様は、第３の態様において、
上記反応器（20）の直径が、４０mm以上で１０００mm以下の範囲に含まれる
ことを特徴とする。
第１から第４の態様では、円柱状のペレット（10）の直径ｄの範囲を１．０≦ｄ≦５．０に定め、直径ｄと高さｈの比αを１．０＜α≦１．６の範囲に定めているので、図４に示すように、容器（20）にペレット（10）を充填したときの嵩密度がバラつかずに安定する。言い換えると、第１の態様では、嵩密度が過度に大きくなったり小さくなったりするのを抑制できる。
第１から第４の態様では、容器（20）内に充填されたペレット（10）と気体または液体とが効率よく接触する。ペレット（10）が触媒ペレット（10）であり、気体が反応ガスである場合、触媒の反応性が低下するのを抑制できる。
本開示の第５の態様は、第１から第４の態様の何れか１つにおいて、
１．０＜α≦１．４の関係を満たすことを特徴とする。
第５の態様では、ペレット（10）の直径と高さの比αを１．０＜α≦１．４の範囲に定めているので、図４に示すように、容器（20）にペレット（10）を充填したときの嵩密度が過度に大きくなったり小さくなったりするのを、より効果的に抑制できる。
本開示の第６の態様は、第５の態様において、
１．０＜α≦１．２の関係を満たすことを特徴とする。
第６の態様では、ペレット（10）の直径と高さの比αを１．０＜α≦１．２の範囲に定めているので、図４に示すように、容器（20）にペレット（10）を充填したときの嵩密度が過度に大きくなったり小さくなったりするのを、さらに効果的に抑制できる。
本開示の第７の態様は、第１から第６の態様の何れか１つにおいて、
ペレット（10）が触媒成分を含むことを特徴とする。
本開示の第８の態様は、第７の態様において、
触媒成分が結晶性物質により構成されていることを特徴とする。
第７，第８の態様では、触媒成分を含むペレット（触媒ペレット）（10）を容器（20）に充填したときに、嵩密度が過度に大きくなったり小さくなったりするのを抑制できる。
図１は、実施形態に係る触媒ペレットの平面図である。 図２は、図１の触媒ペレットの正面図である。 図３は、反応器に触媒ペレットが充填されるペレット充填システムの部分断面正面図である。 図４は、実施形態の触媒ペレットの嵩密度を示すグラフである。 図５は、実施形態の触媒ペレットの平均応力を示すグラフである。
以下、実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本実施形態は、化学物質製造設備の反応器（20）などの容器に充填されるペレット（10）と、このペレット（10）が充填される反応器（20）に関するものである。このペレット（10）は触媒成分を含むペレット（触媒ペレット）である。図１及び図２に示すように、この触媒ペレット（10）は円柱状のペレットである。この触媒ペレット（10）は、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの結晶性物質の粉末（触媒粒子）から形成されている。
図１，図２では、触媒ペレット（10）の直径寸法をｄ（mm）、円柱の高さ寸法をｈ（mm）で示している。本実施形態において、触媒ペレット（10）の直径寸法ｄは１．０≦ｄ≦５．０である。触媒ペレット（10）の直径寸法ｄは、２．０≦ｄ≦４．０であることがより好ましい。
図３は、反応器（20）にペレット（10）が充填されるペレット充填システム（25）の部分断面正面図である。ペレット充填システム（25）は、反応器（20）と充填管（21）を有している。反応器（20）は円筒状の容器であり、内部を反応ガスが流通する。反応器（20）は例えばステンレス鋼（SUS304）で形成されている。反応器（20）には、上方から充填管（21）が挿入される。充填管（21）の上部の開口側の部分は、下方から上方へ向かって開口直径が大きくなる形状である。触媒ペレット（10）は、充填管（21）を用いて反応器（20）に落下させることにより、反応器（20）の中にランダムな向きで充填される。反応器（20）の直径は特に限定されないが、20mm〜3000mmであることが好ましく、30mm〜1000mmであることがより好ましく、40mm〜100mmであることがさらに好ましい。
次に、反応器（20）に充填した円柱状の触媒ペレット（10）の直径と高さの比αについて、触媒ペレット（10）の嵩密度と触媒ペレット（10）にかかる平均応力を求めた結果を示す図４，図５のグラフを用いて説明する。図４及び図５のグラフは、それぞれ、３種類の触媒ペレット（10）について、上記の比αが変化したときの嵩密度の値及び平均応力の値を表している。
なお、平均応力は、反応器（20）内に充填した触媒ペレット（10）の自重により生じる各触媒ペレット（10）の応力の平均値であり、上部の触媒ペレット（10）に生じる相対的に小さな応力や、中間部の触媒ペレット（10）に生じる中間的な大きさの応力や、下部の触媒ペレット（10）に生じる相対的に大きな応力から求めた値である。
本実施形態の触媒ペレット（10）は、直径と高さの比αが変化しても体積が変化しない等積触媒ペレット（10）である。図４において、直径ｄがｄ１の触媒ペレット（10）は、上記の比αが１のときにｄ１が３．５（mm）のペレット（10）を基本形状とする等積触媒ペレット（10）であり、ｄ１＝３．５（mm）のときは高さｈも３．５（mm）で、直径ｄ１が変化すると体積が同じままで高さｈが変化する。
直径ｄがｄ２の触媒ペレット（10）は、上記の比αが１のときにｄ１が１．１（mm）のペレット（10）を基本形状とする等積触媒ペレット（10）であり、ｄ１＝１．１（mm）のときは高さｈも１．１（mm）で、直径ｄ１が変化すると体積が同じままで高さｈが変化する。直径ｄがｄ３の触媒ペレット（10）は、上記の比αが１のときにｄ１が５．０（mm）のペレット（10）を基本形状とする等積触媒ペレット（10）であり、ｄ１＝５．０（mm）のときは高さｈも５．０（mm）で、直径ｄ１が変化すると体積が同じままで高さｈが変化する。
図４のグラフより、直径と高さの比αが約０．４〜約５．５まで変化すると、反応器（20）内の触媒ペレット（10）の嵩密度が大きく変化することと、直径ｄと高さｈの比α（＝ｄ／ｈ）が１．０＜α≦１．６（第１の範囲）であると、α≦１や１．６＜αである等積触媒ペレット（10）に比べて、反応器（20）内の嵩密度のバラつきが小さくなることが分かる。言い換えると、比αが１．０＜α≦１．６であると、嵩密度が過度に大きくなったり小さくなったりするのが抑制される。特に、直径ｄと高さｈの比αが１．０＜α≦１．６であると、嵩密度が高い値で安定する。そのため、反応器（20）への触媒ペレット（10）の充填率を高められる。
また、直径と高さの比αが１．０＜α≦１．４（第２の範囲）であると、嵩密度が高い値で安定して充填率が高くなる条件を、より効果的に満たすことができる。直径と高さの比αが１．０＜α≦１．２（第３の範囲）であると、嵩密度が高い値で安定して充填率が高くなる条件を、さらに効果的に満たすことができる。また、１．０５≦α≦１．１５（第４の範囲）としてもよい。
一方、図５のグラフより、直径と高さの比αが約０．４〜約５．５まで変化すると、反応器（20）内の触媒ペレット（10）の平均応力が大きく変化することと、直径ｄと高さｈの比αが１．０＜α≦１．６（第１の範囲）であると、α≦１や１．６＜αである等積触媒ペレット（10）に比べて、平均応力が小さくなることが分かる。そのため、直径と高さの比αが１．０＜α≦１．６であると、触媒ペレット（10）が砕けにくく変形しにくくなる。
また、直径と高さの比αが１．０＜α≦１．４（第２の範囲）であると、平均応力が小さくて砕けにくく変形しにくい条件を、より効果的に満たすことができる。直径と高さの比αが１．０＜α≦１．２（第３の範囲）や１．０５≦α≦１．１５（第４の範囲）であると、平均応力が小さくて変形、粉化しにくい条件を、さらに効果的に満たすことができる。
本実施形態では、触媒ペレット（10）の平均応力が小さくなるので、強度の低い触媒ペレット（10）を反応器（20）に充填して、粉化を防ぎながら反応に使用できる。本実施形態は、特に、比較的強度が弱い結晶性の粉末（触媒粒子）から作成した触媒ペレット（10）に適している。
−実施形態の効果−
反応器に充填される従来の円柱状の触媒ペレットには、例えば国際公開第ＷＯ２００２／０７０１２９号パンフレットに記載されているように、直径ｄを０．５mm〜１０mmとし、高さｈを０．５mmから１５mmにするものがある。この場合、触媒ペレット（10）の直径ｄと高さｈの比α（＝ｄ／ｈ）αは０．０３〜２０である。この比αの値の範囲は、本実施形態に比べて広いため、従来の触媒ペレットでは嵩密度のバラつきが大きくなりやすいことが分かる。そのため、反応器に触媒ペレットを充填すると、反応器内で触媒ペレットが過密になったり過疎になったりする部分が生じやすい。
反応器への触媒ペレットの充填状態が過密（嵩密度が大）になると、反応ガスの流通性が低下したり、反応ガスの入口側と出口側で差圧が発生したりするなど、望まない現象が発生する。そして、その反応器での原料転化率や目的物選択率が低下するなど、反応の効率が低下する。逆に、反応器への触媒ペレットの充填が過疎（嵩密度が小）になると、反応ガスが触媒に効率よく接触しなくなる。そして、いずれの場合も、触媒の反応性が低下する。
これに対して、本実施形態によれば、円柱状の触媒ペレット（10）の直径ｄの範囲を１．０≦ｄ≦５．０に定め、直径ｄと高さｈの比α（＝ｄ／ｈ）を１．０＜α≦１．６の第１の範囲に定めている。このことにより、図４に示すように、反応器（20）へ触媒ペレット（10）を充填したときの嵩密度が、α≦１や１．６＜αの等積触媒ペレット（10）よりも安定し、嵩密度が過度に大きくなったり小さくなったりするのを抑制できる。また、本実施形態では、反応器（20）に触媒ペレット（10）を充填したときの嵩密度が高いレベルで安定するので、反応器（20）への触媒ペレット（10）の充填率を高められる。その結果、反応ガスが触媒ペレット（10）に効率よく接触し、触媒の反応性が低下するのを抑制できる。
特に、図４に示すように、直径ｄと高さｈの比αを１．０＜α≦１．４の第２の範囲に定めると、嵩密度が高い値で安定して充填率が高くなる条件を、より効果的に満たすことができる。さらに、比αを１．０＜α≦１．２の第３の範囲や１．０５≦α≦１．１５の第４の範囲に定めると、嵩密度が高い値で安定して充填率が高くなる条件を、さらに効果的に満たすことができる。
以上のように、直径ｄと高さｈの比αを第１の範囲よりも第２の範囲へ、さらに第２の範囲よりも第３の範囲へ狭めるほど、反応器（20）への触媒ペレット（10）の充填率を高めるとともに嵩密度を安定させることができるので、触媒の反応性が低下するのを抑制しやすくなる。
本実施形態によれば、触媒ペレット（10）の直径ｄと高さｈの比αを１．０＜α≦１．６の第１の範囲に定めることにより、図５に示すように、反応器（20）へ触媒ペレット（10）を充填したときの平均応力が、α≦１や１．６＜αの等積触媒ペレット（10）よりも小さくなる。そして、本実施形態では、反応器（20）へ触媒ペレット（10）を充填したときの平均応力が小さくなるので、反応器（20）に充填された触媒ペレット（10）が、ほぼ一様に変形しにくくなる。
特に、直径と高さの比αを１．０＜α≦１．４の第２の範囲に定めると、平均応力が小さくて変形しにくい条件を、より効果的に満たすことができる。また、比αを１．０＜α≦１．２の第３の範囲や１．０５≦α≦１．１５の第４の範囲に定めると、平均応力が小さくて変形しにくい条件を、さらに効果的に満たすことができる。以上のように、直径と高さの比αを第１の範囲よりも第２の範囲へ、さらに第２の範囲よりも第３の範囲へ狭めるほど、触媒ペレット（10）の平均応力が小さくなる。
ここで、触媒ペレット（10）には強度が低いものがあり、そのような触媒ペレット（10）を反応器（20）に充填すると、周囲に存在する触媒ペレット（10）から力を受けて破壊され、粉化することがある。触媒ペレット（10）が粉化すると、反応ガスの流通性が低下し、場合によっては流通しなくなる（詰まりの発生）おそれもある。そのため、粉化する触媒ペレット（10）が多いと、反応を止めて反応器（20）から粉化物を含む触媒ペレット（10）を抜き出して、粉化物を除去し、再度触媒ペレット（10）を充填するという手間を要する原因になる。
本実施形態によれば、触媒ペレット（10）の応力が小さくなり、粉化が生じにくくなるので、反応ガスの流通性が低下するのを抑制できる。特に、例えば、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などのような結晶性物質で形成された比較的強度の弱い触媒ペレット（10）において、強度不足を効果的に抑制できる。
また、粉化する触媒ペレット（10）が多く、触媒ペレット（10）を再充填する場合は、その再充填作業中に当該反応器（20）を用いて反応物を製造することができなくなり、生産性が低下してしまうが、上記実施形態によれば、再充填による生産性の低下も抑制できる。
《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
本開示は、化学物質製造設備で用いられる触媒ペレット（10）に限らず、例えば有害物質を分解する設備で用いられる触媒ペレットなど、他の用途の触媒ペレット（10）にも適用可能である。また、上記実施形態では、結晶性物質の粉末（触媒粒子）を含む触媒ペレット（10）について説明したが、本開示のペレット（10）は、触媒層（層状の触媒）を含む円柱状の触媒ペレット（10）など、他の形態の触媒ペレット（10）であっても適用可能である。
本開示のペレットは、触媒ペレット（10）に限らず、他の種類のペレットでもよい。例えば、本開示のペレット（10）は、接触させる流体中の水分を除去するための乾燥剤を含むペレット（10）や、接触させる流体中の特定の物質を吸着する吸着剤を含むペレット（10）であってもよい。また、容器（20）は、気体に限らず、液体が流通するものであってもよい。
以上、実施形態および変形例を説明したが、特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、以上の実施形態および変形例は、本開示の対象の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。
以上説明したように、本開示は、ペレットについて有用である。
10 触媒ペレット（ペレット）
20 反応器（容器）
25 ペレット充填システム

Claims (6)

  1. 容器（20）に充填される円柱状のペレットであって、
    円柱の直径をｄ（mm）とし、円柱の高さをｈ（mm）とし、直径と高さの比αをα＝ｄ／ｈとすると、
    １．０≦ｄ≦５．０、及び
    １．０＜α≦１．６
    の関係を満たすことを特徴とするペレット。
  2. 請求項１において、
    １．０＜α≦１．４の関係を満たす
    ことを特徴とするペレット。
  3. 請求項２において、
    １．０＜α≦１．２の関係を満たす
    ことを特徴とするペレット。
  4. 請求項１から３の何れか１つにおいて、
    触媒成分を含むことを特徴とするペレット。
  5. 請求項４において、
    触媒成分が結晶性物質により構成されていることを特徴とするペレット。
  6. ペレット（10）が充填される、化学物質を製造する化学反応のための容器（20）で構成される反応器であって、
    上記ペレット（10）が請求項１から５の何れか１つのペレット（10）であり、
    上記容器（20）は、内部を気体または液体が流通する容器（20）である
    ことを特徴とする反応器。
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