JP2020506053A - ペレットの作製方法ならびにペレット、触媒充填物およびスタティックミキサー - Google Patents

ペレットの作製方法ならびにペレット、触媒充填物およびスタティックミキサー Download PDF

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Abstract

本発明は、特に触媒充填物および／またはスタティックミキサーのためのペレットの作製方法に関する。該方法は、金属発泡材料の層を少なくとも１つ、ペレット形状に切断および／または成形する方法ステップを含む。【選択図】なし

Description

本発明は、ペレットの作製方法ならびにペレット、触媒充填物および複数のペレットを有するスタティックミキサーに関する。
一般に、セラミックペレットの作製方法が知られている。例えば、押し出し手段によってより線を作製してからそれを切断することで、個別のペレットが得られる。このようなペレットは、触媒として使用することができる。また、セラミック、金属発泡体、網目構造またはいわゆるハニカム構造から構成されたモノリス触媒も知られている。
金属発泡体は、例えば、国際公開公報第２０１６／０２００５３Ａ１号に記載されているように作製することができる。これに関連して、まず、ポリウレタン発泡体に金属をメッキして、次いで、熱分解によってポリウレタン発泡体を除去することで、金属発泡材料が得られる。次いで、金属発泡材料は、焼結されることで、完成した金属発泡体となる。また、金属発泡材料に金属粉末を加えてから焼結することで、例えば金属発泡体の形態を有する合金を形成することができる。
触媒充填物は、反応器における流動ひいては熱伝達、物質移動および圧力損失に決定的な影響を与える。例えば、より密な触媒床は、圧力損失の増加を引き起こす。同時に、密に充填された触媒充填物によって多くの乱流が生成されるため、より密な触媒床における物質移動が特に良好となり、それに伴って対流熱伝達も向上する。
熱伝達は、吸熱反応と発熱反応との両方のために最適化される必要があり且つ反応器における熱供給特性および除熱特性に大きな影響を与える決定的なパラメータである。熱伝達は、化学反応器内の温度範囲に応じて、熱伝導、対流または放射によって制限される。温度が上昇すると、放射による熱伝達は増加する傾向にある。放射による熱伝達によって制限される方法の一例として、水蒸気改質のような強力な吸熱反応に基づく方法が挙げられる。これらの方法において、化学反応を促進するのに十分な熱エネルギーを反応器内に導入することが課題となる。典型的な反応温度は、９００℃を超える。温度が８００℃を下回ると、通常、熱伝達は対流によって制限される。対流は、流動に強く依存しており、乱流において促進される。反応器内の乱流に対する典型的なパラメータは、レイノルズ数である。
多孔質材料内の化学反応に関与するために、多孔質材料の触媒活性中心に流体を移動させる必要がある。この多孔質材料の触媒活性中心への物質移動は、主に、多孔質材料に浸透する流体の割合、または気孔に浸透することなく多孔質材料を通過して流れる流体の量によって決定される。
化学的プロセスにおけるコストに関する最も重要なパラメータの１つは、圧力損失である。圧力損失が大きいほど、反応器内で流体を運ぶために必要な労力が大きくなる。したがって、圧力損失が増加すると、反応器の運転コストも増加する。しかしながら、反応器内で所望の乱流を生成するために、ある程度の圧力損失は必要である。
上述した流動に関する考慮事項は、例えば吸収カラム内または蒸留カラム内のスタティックミキサーにも適宜適用されることに理解されたい。
本発明の根底にある目的は、反応器またはカラムにおける流動を目的に合わせて最適化および設定することでペレットを作製することができる方法を提供することである。これにより、反応器またはカラムにおける熱伝達、物質移動および圧力損失を最適化することができる。
この目的を果たすために、請求項１の特徴を含む方法が提供される。
本発明による、特に触媒および／またはスタティックミキサーのためのペレットの作製方法は、金属発泡体の層を少なくとも１つ、ペレット形状に切断および／または成形するステップを含む。
本発明による方法によって、様々な形状を有するペレットを経済的に且つ制御しながら生産することができる。本方法が提供するペレットの形状および大きさに関する設計の自由度によって、流動に応じて異なるように触媒床および／またはスタティックミキサーを充填することができる。これにより、反応器における熱伝達、物質移動および圧力損失を最適化することができる。
本発明の有利な実施形態は、従属請求項、以下の説明および添付の図面に示されている。
一実施形態によれば、金属発泡材料は、例えば異なる金属を含む金属発泡材料を金属合金発泡体に変化させるために、焼結される。焼結は、例えば酸化雰囲気下または還元雰囲気下において、５００℃〜１２００℃の温度範囲で実施される。これにより、ペレットの使用目的に応じて最適化された特性を有する様々な合金を得ることができる。
また、焼結されることで、ペレットの安定性が向上する。これにより、セラミック材料からなるペレットでは得ることができないペレットの形状を実現することができる。また、ペレットは高い安定性を有するため、触媒床を迅速且つ効率的に充填することができ、より高い充填密度を得ることができる。これは、個々のペレットから構築されたスタティックミキサーにも同様に適用され得る。
本方法の変形例によれば、ペレットは、焼結前の切断および／または成形ステップにおいて成形される。代替的に、焼結後に切断および／または成形ステップを実施することもできる。すなわち、ステップの最適な順序は所望のペレット形状に応じて異なる。
好ましくは、金属発泡体は、開気孔を含む金属発泡体である。これにより、ガス状反応物等の流体がペレット全体に浸透して、ペレット内の反応に関与することができる。好ましい実施形態によれば、金属発泡体は、不均一反応を触媒することができ且つガス状反応物の変換に特に適した触媒活性材料を含む。
金属発泡体は、好ましくは元素Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｂ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｌａ、Ｗ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｃｅおよび／またはＭｇの少なくとも１種を含む。金属発泡体は、特に好ましくは元素Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒおよび／またはＡｌの少なくとも１種を含み、特に非常に好ましくは元素Ｎｉおよび／またはＡｌの少なくとも１種を含む。これらのいくつかの元素によって、合金として金属発泡体の一部が構成され得る。または、これらのいくつかの元素は、金属発泡体上に粒子として存在し得る。
好ましくは、金属発泡体は、単峰分布または多峰分布、特に二峰分布を示す直径を有する気孔を含む。特に好ましい実施形態によれば、気孔は、多峰分布を示し、ペレット内で離間して配置される。ペレットの第１の領域における気孔は、第１の領域から離間しているペレットの第２の領域における気孔よりも大きい直径を有する。異なる直径を有する気孔を使用することで、ペレット内での反応物および生成物の滞留時間に影響を与えることができる。また、大きさ、タイプまたは形状が異なる気孔によって、乱流の生成に影響を与えることができる。これにより、熱伝達および物質移動に影響を与えることができる。
本発明の方法による特に好ましいさらなる構成によれば、異なる金属発泡材料の層が少なくとも２つ設けられる。金属発泡材料の層は、とりわけ、それらに含まれる気孔の配向が異なり、および／または異なる材料からなり、および／または異なる厚さを有し、および／または異なるガス透過性を有すると考えられる。特に好ましくは、２つの異なる層は、異なる気孔率、および／または異なる気孔直径、および／または異なる材料組成、および／または異なるガス透過性を有する。異なる層ひいては上記ペレットを複数含む触媒を有する反応器、または上記ペレットを複数含むスタティックミキサーを有する吸収カラムまたは蒸留カラムにおける熱伝達、物質移動および圧力損失を利用することで、ペレットの流動特性を適宜設定することができる。
例えば、金属発泡材料からなる２つの層は、プレス加工および／またははんだ膜を介したはんだ付けによって互いに接合され得る。プレス加工することで、得られたペレットを触媒充填物および／またはスタティックミキサーに使用する際に妨げとなる場合がある追加の材料を使用することなく、これらの層を接合することができる。はんだ膜を使用することで、ペレット内にはんだ化合物を目的に合わせて挿入することができる。この化合物によって、例えばペレットにおける流動を制御することができるようになる。
例えば、金属発泡材料の少なくとも１つの層の切断および／または成形は、レーザ加工、ウォータージェット加工、スパークエロージョン、特に鋸引き、穴あけ、回転削り、または研削を含む機械加工、制御された破砕加工、ねじり加工、圧延加工、プレス加工、折曲げ加工、特にアーク溶接、分離溶接またはトーチによる処理を含む熱処理、および特に溶出法または分離法を含む化学的処理を用いて行われる。
ペレットの体積は、好ましくは０．５ｍｍ３〜３０ｃｍ３、特に好ましくは０．８ｍｍ３〜１５ｃｍ３、特に非常に好ましくは２ｃｍ３〜１０ｃｍ３の範囲である。ペレットの体積が０．５ｍｍ３を下回ると、特に不均一反応のための触媒として使用される場合、反応物の流れによってペレットが反応器の外に排出されやすくなる。また、ペレットの体積が０．５ｍｍ３を下回ると、反応器内でわずかな乱流しか生成されないため、ペレットは対流熱伝達および物質移動にほとんど寄与しない。その一方で、体積が３０ｃｍ３を超えるペレットを使用する触媒充填プロセスによって、対流熱の供給と除熱に不利な空隙が形成される。これは、望ましくないホットスポットの生成および高い発熱反応におけるプロセスの安定性の低下に特に寄与する。ただし、空隙によって、８００℃を超える温度での放射による熱供給および除熱を促進することができる。また、目的に合わせて空隙の大きさまたは数量に影響を与えることで、あらゆるプロセス条件に合わせて熱供給および除熱を最適化することができる。
金属発泡材料が有する気孔の直径は、好ましくは１０μｍ〜１００００μｍ、特に好ましくは５０μｍ〜３０００μｍ、特に非常に好ましくは１００μｍ〜１５００μｍの範囲である。気孔の直径が１０μｍを下回ると、物質移動特性が劣化する。直径が１０μｍ以上の気孔を有する金属発泡材料を使用することで、より優れた熱伝達特性および物質移動特性を得ることができる。しかしながら、気孔の直径が１００００μｍを超えると、気孔の内部容積に対する金属発泡体によって提供される触媒活性面の比率が低下して、触媒充填物として上記ペレットを有する反応器の効率が低下する。
ペレットの気孔率は、好ましくは７０％以上、特に好ましくは８０％以上、特に非常に好ましくは８５％以上である。したがって、これらは高多孔質材料からなるペレットである。ここでいう気孔率とは、ペレットの総体積に対するペレット内の気孔の体積の商を指す。気孔率が７０％を下回るペレットが触媒床で使用される場合、物質移動および圧力損失に悪影響を及ぼすことがわかっている。ここでいう気孔率は、ペレットの横方向断面に対する画像解析によって決定される。この目的のために、ペレットの横方向断面が準備および撮影される。気孔率を判定するために、材料を含む画像面すなわち材料領域と、材料を含まない画像面すなわち孔領域とが、互いに関連付けられる。例えば、５０％の気孔率は、撮影された画像における材料を含む面と材料を含まない面とが同じ大きさを有することを意味する。撮影された画像において材料を含まない面の領域の割合が大きいほど、ペレットの気孔率が高くなる。
ペレットの適切な構成によって、例えば、吸収カラム内または蒸留カラム内にそれぞれの用途に理想的に適合するスタティックミキサーを構築することができることに留意されたい。
本発明のさらなる目的は、金属発泡体の層を少なくとも１つ備え、特に上述した方法の少なくとも１つに従って得ることができるペレットを提供することである。ペレットは、触媒充填物および／または例えば吸収カラムまたは蒸留カラムのスタティックミキサーのために提供され得る。
好ましくは、金属発泡体は、開気孔を含む金属発泡体である。これにより、ガス状反応物がペレット全体に浸透して、ペレット内の反応に関与することができる。好ましい実施形態によれば、金属発泡体は、不均一反応を触媒することができ且つガス状反応物の変換に特に適した触媒活性材料を含む。
第１の変形例によれば、ペレットは、少なくとも１つの外側凹部、および／または１つの外側溝、および／または少なくとも１つの金属発泡体の巻層および／またはねじれ層を有する。この形状は、それぞれの用途に適するように流動に影響を与えることができる。これにより、反応器またはカラムにおける熱伝達特性および物質移動特性を最適化することができる。
ペレットの第２の変形例において、ペレットの少なくとも１つの外面および／または１つの内側境界面は、少なくとも部分的に閉じられている。閉じた外面は、気孔開口部を有さないペレットの外面であるため、ガス状反応物は、ペレットに出入りすることができない。ペレットの閉じた内側境界面は、気孔が貫通していないペレット内部の表面を適宜画定する。このような内側境界面は、例えば、はんだ膜を使用して互いに接合された２つの金属発泡体の層の間に存在する。このような部分的に閉じた外面および／または内側境界面は、反応器またはカラムを通過するガス流の乱流に寄与して、流動に影響を与えることができる。これにより、反応器またはカラムにおける熱伝達特性および物質移動特性を最終的に最適化することができる。
第３の変形例によれば、ペレットは、異なる金属発泡体の層を少なくとも２つ備える。異なる金属発泡体の層を使用することで、ペレット内で異なる特性を組み合わせることができる。これにより、反応器またはカラムにおける流動ひいては熱伝達特性、物質移動特性および圧力損失を最適化することができる。
第１、第２および第３の変形例は、互いに含まれないが、互いに組み合わせることができる。これにより、一変形例におけるペレットは、少なくとも１つの外側凹部、および／または１つの外側溝、および／または少なくとも１つの金属発泡体の巻層および／またはねじれ層を備えることができ、また、ペレットの少なくとも１つの外面および／または１つの内側境界面が少なくとも部分的に閉じられた構成とすることができる。さらなる変形例によれば、ペレットは、少なくとも１つの外側凹部、および／または１つの外側溝、および／または少なくとも１つの金属発泡体の巻層および／またはねじれ層、および少なくとも２つの異なる金属発泡体の層を備え、ペレットの少なくとも１つの外面および／または１つの内側境界面は、少なくとも部分的に閉じられている。さらなる変形例によれば、ペレットは、少なくとも１つの外側凹部、および／または１つの外側溝、および／または少なくとも１つの金属発泡体の巻層および／またはねじれ層、および少なくとも２つの異なる金属発泡体の層を備える。また、ペレットは、少なくとも２つの異なる金属発泡体の層を備えてもよく、ペレットの少なくとも１つの外面および／または１つの内側境界面は、少なくとも部分的に閉じられていてもよい。
ペレットは、好ましくは元素Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｂ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｌａ、Ｗ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｃｅ、および／またはＭｇの少なくとも１種を含む金属発泡体を備える。金属発泡体は、特に好ましくは元素Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒおよび／またはＡｌの少なくとも１種を含み、特に非常に好ましくは元素Ｎｉおよび／またはＡｌの少なくとも１種を含む。これらのいくつかの元素によって、合金が構成され得る。また、これらのいくつかの元素によって、金属発泡体の一部または全部が構成され得る。また、これらの元素は、金属発泡体内に存在する粒子に含まれる場合がある。金属発泡体は、特に好ましくはニッケル−鉄−クロム−アルミニウム合金および／またはニッケル−クロム−アルミニウム合金を含む。触媒作用を調整および最適化するために、ニッケル−鉄−クロム−アルミニウム合金および／またはニッケル−クロム−アルミニウム合金をさらなる元素でドープしてもよい。
金属発泡体は、特に非常に好ましくは、ニッケル−鉄−クロム−アルミニウム合金および／またはニッケル−クロム−アルミニウム合金を少なくとも実質的に含む。これは、金属発泡体が、ドープされた可能性があるニッケル−鉄−クロム−アルミニウム合金および／またはニッケル−クロム−アルミニウム合金のほかに、不可避の不純物および／またはおそらく作製時に使用されたはんだ膜の残留物のみを含むことを意味する。
一実施形態によれば、金属発泡体は、単峰分布または多峰分布、特に二峰分布を示す直径を有する気孔を含む。
ペレット内の気孔の直径は、好ましくは１０μｍ〜１００００μｍ、特に好ましくは５０μｍ〜３０００ｍｍ、特に非常に好ましくは１００μｍ〜１５００μｍの範囲である。気孔の直径が１０μｍを下回ると、圧力損失が増加して熱伝達および物質移動が妨げられる可能性がある。直径が１００μｍを超える気孔を有するペレットを使用することで、より優れた熱伝達特性および物質移動特性ならびに低下した圧力損失を得ることができる。しかしながら、気孔の直径が１００００μｍを超えると、気孔の内部容積に対する金属発泡体によって提供される触媒活性面の比率が低下して、触媒充填物として上記ペレットを有する反応器の効率が低下する。
また、本発明は、上述した少なくとも１つの態様によるペレットを複数有する触媒充填物に関する。
本発明による触媒充填物は、例えば不均一触媒反応に使用することができる。不均一触媒反応における反応物および生成物は、気体状および／または液体状に存在することできる。さらに、本発明による触媒充填物は、天然ガスの長鎖炭化水素への変換、特に水蒸気改質のような炭化水素の水素化／脱水素化、および特に部分エチレン酸化のような酸化反応に使用することができる。
本発明のさらなる目的は、上述したタイプのペレットを複数有する、例えば吸収カラムまたは蒸留カラムのためのスタティックミキサーを提供することである。
一実施形態によれば、触媒充填物またはスタティックミキサーにおける複数のペレットは、特に、大きさ、形状、表面、密度、気孔率、および／または材料に関して異なるペレットを含む。これにより、流動ひいては熱伝達および物質移動に適切な影響を与えることができ、反応器における熱供給特性および除熱特性を最適化することができる。
さらなる実施形態によれば、異なるペレットは、触媒充填物またはスタティックミキサー内で均一に分布さる。別の実施形態によれば、異なるペレットは、軸方向に勾配を有しておよび／または半径方向に勾配を有して分布される。軸方向とは、反応器入口またはカラム入口から反応器出口またはカラム出口への方向を示し、半径方向とは、軸方向を横切る方向を示す。さらなる実施形態によれば、異なるペレットは、軸方向および／または半径方向に分布された個別の層を有する。半径方向における触媒充填物またはスタティックミキサーの構成を変えることで、目的に合わせて反応器またはカラムに達するまでのおよびそれらの内部における熱供給特性および除熱特性に影響を与えることができる。これにより、反応器またはカラムを適宜最適化することができる。また、軸方向における触媒充填物またはスタティックミキサーの構成を変えることで、流動を軸方向に変化する反応器内の流れの形態に適合させることができる。
以下、可能な実施形態および添付の図面を参照して、単に一例として本発明を説明する。
本発明による方法を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態によるペレットを示す図である。 本発明のさらなる実施形態によるペレットを示す図である。 本発明のさらなる実施形態によるペレットを示す図である。 本発明のさらなる実施形態によるペレットを示す図である。 本発明のさらなる実施形態によるペレットを示す図である。 本発明のさらなる実施形態によるペレットおよび成形された金属発泡材料を示す図である。 本発明のさらなる実施形態によるペレットを示す図である。 本発明のさらなる実施形態によるペレットを示す図である。 本発明のさらなる実施形態によるペレットを示す図である。 本発明のさらなる実施形態によるペレットを示す図である。 本発明のさらなる実施形態によるペレットを示す図である。 本発明のさらなる実施形態によるペレットを示す図である。 本発明のさらなる実施形態によるペレットを示す図である。 本発明のさらなる実施形態によるペレットを示す図である。 ３つの異なる層を有する本発明の一実施形態によるペレットの断面図である。 ３つの異なる層を有する本発明のさらなる実施形態によるペレットの断面図である。 ２つの異なる層を有する本発明のさらなる実施形態によるペレットの断面図である。 本発明の一実施形態によるペレットを模式的に示す図である。 本発明のさらなる実施形態によるペレットを模式的に示す図である。 触媒充填物を有する反応器を示す図である。 反応器の断面図である。 触媒充填物を有する反応器の部分透過図である。 実施例１〜５ならびに比較例１および２のペレットにおける、所定の物質流量に対する圧力損失を示すグラフである。 実施例１〜５ならびに比較例１および２における、物質輸送および物質移動による圧力損失を示すグラフである。 ペレットが充填された３つの反応器の３つの出口温度プロファイルを示すグラフである。 図２１ａの反応器の平均熱伝達係数を示すグラフである。
図１は、例えば図２〜図１６ｃに示すようなペレット１０の作製方法の方法ステップを模式的に示す。まず、第１の方法ステップＳ１において、１つの金属発泡材料１４の層１２、または複数の層１２を互いに積み重ねた積層体が提供される。次いで、第２の方法ステップＳ２において、層１２またはその積層体は、粉砕されて金属発泡材片１８となる。次いで、第３の方法ステップＳ３において、金属発泡材片１８は、ペレット状の金属発泡体ブランク１６に成形される。次いで、第４の方法ステップＳ４において、金属発泡体ブランク１６は、さらに焼結処理されて完成したペレット１０となる。このようにして得られたペレット１０は、機械的安定性が高く、以下で説明するように反応器２２の触媒充填物２０を作製するために使用され得る。また、代替的な使用方法として、ペレット１０を用いて例えば吸収カラムまたは蒸留カラムのためのスタティックミキサーを構築することもできる。また、ペレット１０の構成に応じて、スタティックミキサーは触媒機能を有することができ、あるいは、触媒充填物２０が同時にスタティックミキサーとして機能することができることに留意されたい。
金属発泡材料１４からペレット状の金属発泡体ブランク１６を形成するために、例えば、レーザ加工、ウォータージェット加工、スパークエロージョン、特に鋸引き、穴あけ、回転削りまたは研削を含む機械加工、制御された破砕加工、ねじり加工、巻き加工、圧延加工、プレス加工、折曲げ加工、特にアーク溶接、分離溶接またはトーチによる処理を含む熱処理、および特に溶出法または分離法を含む化学的処理等、様々な技術を用いることができる。
また、図７の中央に示すように、渦巻き形状を有するペレット状の金属発泡体ブランク１６の作製において、金属発泡材料１４を成形してから粉砕することが有利であり得る。所望するペレット１０の形状に応じて、第２の方法ステップＳ２と第３の方法ステップＳ３とを逆の順序で実施することが一般的に有利であり得る。すなわち、所望の大きさを有するペレット状の金属発泡体ブランク１６を得るために、金属発泡材料１４を折曲げ加工、圧延加工、ねじり加工および／またはプレス加工してから切断することが有利であり得る。ペレット状の金属発泡体ブランク１６は、焼結されて金属発泡体２４のペレット１０となる（方法ステップＳ４）。
また、別の実施形態によれば、方法ステップＳ２およびＳ３の前に、方法ステップＳ４を実施することも考えられる。したがって、その実施形態において、金属発泡材料１４の層１２は、上述したように焼結されてから粉砕され、完成したペレット１０として成形される。
図２に示すように、開気孔２６を有する金属発泡体２４から構成されるペレット１０は、略円筒形の基本形状を有し、その端面における中央領域には、金属発泡材料１４をプレス加工して形成された凹部２８が設けられる。図２に示さないが、ペレット１０の反対側の端面にも、同様に凹部２８が設けられると考えられる。代替的に、凹部２８を、ペレット１０全体の軸方向に延在する凹部として構成することもできる。この場合、ペレット１０は、ラシヒリングの形状を有する。図２に示すペレット１０は、金属発泡体２４の層１２を複数有し、これらの層は、互いに積層されて互いに接合される。個々の層１２は、例えばプレス加工またははんだ膜３０を介したはんだ付けによって接合され得る。ペレット１０の外面３２は、複数の周溝３４を有する。溝３４によって、反応器２２内を流れる反応物の流れ３６がそらされて（図１８および図２０参照）乱流が生成され、流動に影響が与えられる。また、溝３４は、ペレット１０の外面３２を増大させる。これにより、反応物の流れ３６が開気孔を含む金属発泡体２４に浸透しやすくなり、物質移動特性が向上する。図２に示すペレット１０は、コンパクトな形状を有するため、高い密度を有する。これは、熱伝達特性に有利な効果をもたらす。
金属発泡材料１４の層１２を複数回折り曲げることで、図３に示すペレット１０が作製される。このペレット１０は、互いに平行に延在し且つペレット１０の長さにわたって軸方向に延在する６つの凸部３８および６つの凹部４０を有する。図４に示すように、４つの凸部３８および４つの凹部４０を有する金属発泡体２４のペレット１０を同様に作製することもできる。図３および図４に示す２つのペレット１０の中央領域には、ペレット１０全体を軸方向に通過する自由通路がそれぞれ設けられる。これらのペレット１０を折曲げることで形成された凸部３８および凹部４０によって、反応物の流れに乱流が生成され得る。これにより、凸部３８および凹部４０を有さないペレット１０と比較して、対応する触媒床における熱伝達特性が向上する。また、中央に配置された通路は、圧力損失の低下に影響を与える。
図５に示す多層ペレット１０には、７つの凹部４０が設けられ、図６に示すペレット１０には、１２個の凹部４０が設けられる。これらの凹部は、金属発泡材料１４の個々の層１２を折り曲げることで得られ、軸方向に延在する。これらの凹部４０によって、乱流が生成される。これにより、凹部４０を有さないペレット１０を含む触媒床と比較して、対応する触媒床における熱伝達特性が向上する。
図３〜図６に示すすべてのペレット１０は、コンパクトな構造を有する。このようなペレット１０で触媒床を統計的に充填することで、高い密度を得ることができる。これは、熱伝達特性および物質移動特性に有利であり、高度の乱流に影響を与えることができる。
図７の左側に示すように、１つまたは複数の金属発泡材料１４の層１２は、巻き上げられてから焼結されて、ディスク状に切断され得る。このようにして、図７の右側に示すような渦巻き状ペレット１０を得ることができる。巻き上げられた金属発泡材料１４を焼結することで、金属発泡材料１４が切断中に広がらないようにすることができる。
渦巻き状ペレット１０は、非常にコンパクトであり、熱伝達特性および物質移動特性に有利な効果をもたらす。特に、移動距離の短さによって、このような渦巻き状ペレット１０の物質移動特性が向上する。ペレット１０の内部領域には、対応する触媒床における圧力損失を低下させる軸方向の通路が巻き上げによって形成される。渦巻き状ペレット１０で触媒床を統計的に充填することで、特に強い乱流が生成される。また、渦巻き状ペレット１０を使用することで、統計的な充填のほかに、規則的な充填を採用することもできる。このように渦巻き状ペレット１０を積み重ねることで、触媒床内にチャネルを目的に合わせて生成して、触媒床内に流れの道筋を構築することができる。これにより、触媒床における熱伝達および物質移動が向上する。
また、ストリップ状の金属発泡材料１４をねじるまたは巻くことで、らせん状ペレット１０が作製され得る。図８に示すペレット１０は、らせん形状にねじられている。ペレット１０に沿って流れる反応物の流れ３６は、ペレット１０のらせん形状によって回転され得る。流動に与えるこのような影響は、触媒床における熱伝達特性および物質移動特性を向上させるために利用され得る。ペレット１０は、らせん形状であるために、比較的大きな自由体積を有する。これにより、圧力損失が低下する。触媒床において、らせん状ペレット１０を垂直方向に配置して、ペレット１０の縦軸と触媒床内の流れの方向とを平行に整列させることで、流れの道筋を目的に合わせて生成することができる。統計的な充填によって、強い乱流を得ることができる。
図９および図１０に示す形状を有するペレット１０は、金属発泡材料１４のストリップを巻くことで得ることができる。これにより、ペレット１０の内部に、金属発泡体２４が存在しない且つ対応する触媒床における圧力損失を低下させる通路を形成することができる。
また、ペレット１０の金属発泡体の層１２をそれぞれ反対方向にねじるまたは巻くことで、図１１に示すペレット１０を作製することができる。これらの層１２をそれぞれ異なる方向にねじるまたは巻くことで、ペレット１０を通過して流れる反応物の流れ３６が異なる方向にそらされる。これにより、例えば乱流が生成されて、目的に合わせて流動に影響を与えることができる。流動に与えるこのような影響は、上記と同様に触媒床における熱伝達特性および物質移動特性を目的に合わせて最適化するために利用され得る。
金属発泡材料１４を巻くことで、図１２および図１３に示す形状を有するペレット１０が作製され得る。三角形状を有する金属発泡材料１４を巻くことで、図１２に示すペレット１０が作製され得る。金属発泡材料１４のストリップは、図１３に示す略棒状の形状を有するペレット１０を提供するために巻かれる。これにより、図１３に示すペレットの内部に、金属発泡体２４が存在しない且つ対応する触媒床における圧力損失を低下させる軸方向の通路を形成することができる。
図７〜図１３に示すペレット１０は、その外面３２をねじるまたは巻くことで得られた構造をそれぞれ有する。この構造は、通過して流れる反応物の流れ３６を案内して旋回させるのに適している。このようなペレットを使用することで、反応物の流れ３６内に乱流を目的に合わせて生成することができる。ねじり方または巻き方に応じて、異なる外面３２を形成することができる。これにより、使用用途に応じて調整されたペレット１０を得ることができる。特定の状況下において、反応物の流れ３６内で生成される乱流を少なくすることが望ましい場合がある。この目的のために、例えば、図１３に示す比較的滑らかな外面３２を有する略棒状のペレット１０を使用することが有利であり得る。図１４に示すような棒状または円筒形状のペレット１０を使用することで、さらに滑らかな外面３２を得ることができる。図９〜図１４に示すペレット１０は、非常にコンパクトである。これは、熱伝達に特に有利である。
図９、図１０、図１３および図１４に示すペレット１０を垂直方向に充填することで、非常に密に充填された触媒床を得ることができ、触媒床内に流れの道筋を目的に合わせて生成することができる。これは、熱伝達特性に特に有利である。これらのペレットを統計的に充填することで、乱流を生成することができる。これは、熱伝達および物質移動に有利である。
図１５に示すペレット１０は、開いた中空円筒形状を有し、１８０°の開口角度αを有し、被覆壁４４内に軸方向開口部４２を含む。開口角度は、ほかに１°〜３５９°の範囲であってもよい。０°の開口角度αは、中空円筒に対応する。金属発泡材料１４を例えば圧延加工することで、開いた中空円筒形状を有するペレット１０が作製され得る。被覆壁４４に設けられた開口部４２によって、反応物の流れ３６が中空円筒状ペレット１０の内側被覆面４６に浸透することができる。このようにして図１５に示すペレット１０は、パイプと同様に、反応物の流れ３６を案内することができる。これにより、圧力損失はほとんど生じない。また、図１５に示さないが、流動にさらなる影響を与えるために、開いた中空円筒の外側被覆面４８および／または内側被覆面４６には、凹部４０および／または溝３４が設けられてもよい。同様に、図１５に示すペレット１０で触媒床を規則的に充填することで、触媒床内に流れの道筋を目的に合わせて生成することができる。
図１６ａ、図１６ｂおよび図１６ｃは、３つまたは２つの異なる層１２を有するペレット１０の断面を模式的に示す。異なる層１２は、はんだ膜３０を介したはんだ付けによってまたは層１２へのプレス加工によって互いに接合され、異なる気孔２６を有することができる。図１６ａに示すペレット１０は、中間層１２において、比較的大きい直径を有する第１の気孔５２と、比較的小さい直径を有する第２の気孔５４とを含む。第１の気孔５２の直径は、５００μｍ〜１００００μｍの範囲であってよく、第２の気孔５４の直径は、１０μｍ〜３０００μｍの範囲であってよい。このような気孔５２，５４の分布は、例えばペレット１０内での反応物の滞留時間に影響を与えるために利用され得る。図１６ｂに示すペレットの内部の小さな気孔５４によって、例えば反応物の滞留時間が増加する。２つの異なる層１２からなるペレット１０（図１６ｃ）では、一方の層１２により大きい第１の気孔５２が形成され、他方の層１２により小さい第２の気孔５４が形成される。これにより、反応物の流れ３６は、好ましくはペレット１０の第１の気孔５２を有する側から出入りすることができる。このようにして、例えばペレット１０内での滞留時間を変化させることができる。ペレット１０の一方の側よりも他方の側に、より小さい気孔５４を形成することで、より小さい気孔５４を有する側において反応物の流れ３６を一部ペレット１０に衝突および迂回させて、流動に影響を与えることができる。これにより、触媒充填物における熱伝達特性および物質移動特性に影響を与えることができる。
図１７ａに示すペレット１０は、閉じた外面５６を有する。これは、閉じた外面５６において、ペレット１０の内部に達する気孔２０がないことを意味する。これにより、閉じた外面５６に対抗するように流れる反応物の流れ３６は、ペレット１０に浸透することなく外面３２から跳ね返り、乱流が生成される。すなわち、ペレット１０の外面３２が部分的または完全に閉じられることで、熱伝達特性および物質移動特性に影響を与えることができる。図１７ｂに示すペレット１０において、互いに反対側に配置された２つの外面５６が設けられる。
例えば、ペレット１０の外面３２にはんだ膜３０を適用してからはんだ膜３０を加熱することで、閉じた外面５６を形成することができる。また、はんだ膜３０を介して接合された複数の層１２を有する金属発泡材料１４のペレット１０において、部分的または完全に閉じた内側境界面を形成することもできる。部分的または完全に閉じた内側境界面は、上記と同様に、ペレットに浸透した反応物の流れ３６に影響を与える。このようにして、例えばペレット１０内での反応物の滞留時間を変化させたり、反応物の流れ３６内に乱流を生成したりすることができる。
図１８は、反応物の流れ３６が通過する反応器２２の斜視図を示す。反応器２２の内部には、複数のペレット１０を有する触媒充填物２０が設けられる。言うまでもなく、ペレット１０は、大きさ、形状、表面、密度、気孔率、配向、および／または材料に関してそれぞれ異なる。図１８〜図２０には個々のペレット１０を示していない。反応器２２は、軸方向Ｌに複数の領域５８に分割される。複数の領域５８は、具体的に、触媒充填物２０に関してそれぞれ異なる。例えば、反応器２２における熱供給特性または除熱特性を最適化するペレット１０を有する触媒充填物は、第１の領域６０に含まれる。第２の領域６２における触媒充填物は、例えば反応物の流れ３６を可能な限り完全に変換するために物質移動特性が最適化されたペレット１０を有することができる。図１８に示す反応器において、第１および第２の領域６０，６２は、反応器２２の軸方向Ｌに沿って交互に配置される。これにより、異なる構成を有する個別の層が形成される。
また、触媒充填物２０が反応器２２の軸方向Ｌに沿って漸進的に変化することも考えられる。これは、反応物の流れ３６が反応器２２に入る反応器入口６４の領域には第１の種類のペレット１０またはその混合物が設けられ、反応器出口６６の領域には第２の種類のペレット１０またはその混合物が設けられることを意味する。第１の種類のペレット１０またはその混合物は、反応器の軸方向Ｌに沿って、第２の種類のペレット１０またはその混合物と合流する。このようにして、反応器入口６４と反応器出口６６とで異なる流動環境を提供することができる。
触媒充填物におけるペレット１０は、均一にまたは漸進的にまたは個別のリングにおいて異なるように、半径方向Ｒに分布され得る。図１９の反応器の断面図が示すように、触媒充填物２０は、半径方向内側領域６８と、半径方向外側領域７０とを有する。半径方向内側領域６８と半径方向外側領域７０とで、異なる種類のペレット１０またはその混合物が設けられてもよい。触媒充填物が半径方向Ｒに個別のリングを有するように、半径方向内側領域６８と半径方向外側領域７０との間の移行は、急激であってよい。代替的に、内側領域６８と外側領域７０との間の移行は、漸進的であってもよい。
図２０は、軸方向Ｌに漸進的に変化し且つ半径方向Ｒに急激に変化する触媒充填物２０を有する反応器の部分透過図を示す。反応器入口６４における内側領域６８は、反応器２２の中心７２から反応器の壁７４まで延在する。反応器出口６６に向かう軸方向Ｌに沿って、内側領域６８の半径が連続的に小さくなる一方で、外側領域７０の厚さは増加する。したがって、内側領域６８は、反応器２２の全長にわたって円錐形状を有する。
表１および表２ならびに図２１ａおよび図２１ｂは、金属発泡体２４から構成されるペレット１０と、従来のセラミックペレットとの比較を示す。
表１は、キューブ状またはディスク状の形状を有し且つニッケル−クロム−アルミニウム合金（ＮｉＣｒＡｌ）をそれぞれ含む本発明によるペレット１０の５つの実施例と、アルミン酸カルシウムを含むセラミックペレットの２つの比較例とを示す。
Figure 2020506053
図２１ａおよび図２１ｂは、ペレット１０の実施例１〜５ならびに比較例１および２における圧力損失特性を示す。図２１ａでは、各実施例または比較例について、物質流量ｍの設定量（ｋｇ／ｓ）に対して、測定された圧力損失Δｐ（バール）が記載されている。図２１ａは、圧力損失Δｐと物質流量ｍの設定量との間に、ほぼ線形の関係があることを示している。図２１ｂにおいて、Δｍは、実施例または比較例のための物質流量の最高設定量と最低設定量との間の差を示し、Δ（Δｐ）は、これらの物質流量の設定量でそれぞれ測定された圧力損失間の差を示す。すなわち、Δ（Δｐ）／Δｍの値は、図２１ａに示す曲線の始点と終点とを通過する直線の傾きを示し、実施例または比較例における物質流量あたりの圧力損失の尺度を構成する。Δ（Δｐ）／Δｍの値が高いほど、物質輸送および物質移動の増加に伴って圧力損失が大きくなる。
実施例１〜５が示すように、本発明による方法を用いることで、圧力損失に異なる効果をもたらすペレット１０を作製することができる。すなわち、ペレット１０を所望の使用用途に合わせて容易に適用することができる。例えば、実施例１および２が示すように、気孔の直径を変えることで、圧力損失に影響を与えることができる。実施例３および４が示すように、複数の層１２を有するペレット１０を使用することで、圧力損失を低下させると同時に物質移動特性を向上させることができる。ペレット１０の形状を変えることで、使用目的に応じて圧力損失および物質移動の両方を最適化することができる。実施例５によるディスク状のペレット１０は、実施例３によるペレットと同等に良好な物質移動特性を有するが、圧力損失は増加している。
図２２ａは、３つの半径方向出口温度プロファイルを示す。この目的のために、３インチ（７．６２ｃｍ）の直径を有する管状反応器２２に異なるペレット１０を充填した後に、９００℃に予熱された空気を流体とする流れを、圧力５ｂａｒ、および空塔速度１ｍ／ｓで通過させた。その際、それぞれ１０００℃に加熱された炉に反応器２２を配置した。反応器出口６６において、異なる半径方向位置での温度が測定された。関連する半径方向位置に対して測定された出口温度を適用することで、図２２ａに示す出口温度プロファイルが得られた。
図２２ａにおいて、比較例１（表１）によるセラミックペレットから得られた結果を、ひし形を有する下側の曲線で示す。金属発泡体２４からなるペレット１０から得られた２つの出口温度プロファイルを、円を有する曲線（上側の曲線）または三角形を有する曲線（中央の曲線）で示す。これは、ニッケル−クロム−アルミニウム合金を含む立方体ペレットに基づいている。円を有する曲線で示す出口温度プロファイルにおける立方体ペレット１０は、実施例３のペレットに対応する。三角形を有する曲線で示す出口温度プロファイルにおける立方体ペレット１０は、実施例１のペレットに対応する。金属発泡体２４からなるペレット１０の使用に基づく出口温度プロファイルは、いずれもセラミックペレットの使用に基づく出口温度プロファイルよりも温度が高かった。これは、金属発泡体からなるペレット１０が特に強い吸熱反応に関して、セラミックペレットよりも有利であることを示している。
図２２ｂに示す平均熱伝達係数は、得られた出口温度プロファイルから求めることができる。図２２ｂの左側に示すセラミックペレットが充填された反応器２２における熱伝達係数は、実施例１〜３によるペレットに起因する平均熱伝達係数よりもかなり低かった。これは、金属発泡体２４から構成される本発明によるペレット１０によって、反応器における熱伝達を最適化することができることを示している。
１０ ペレット
１２ 層
１４ 金属発泡材料
１６ 金属発泡体ブランク
１８ 金属発泡材片
２０ 触媒充填物
２２ 反応器
２４ 金属発泡体
２６ 気孔
２８ 凹部
３０ はんだ膜
３２ 外面
３４ 溝
３６ 反応物の流れ
３８ 凸部
４０ 凹部
４２ 開口部
４４ 被覆壁
４６ 内側
４８ 外側被覆面
５０ 内側被覆面
５２ 第１の気孔
５４ 第２の気孔
５６ 閉じた外面
５８ 領域
６０ 第１の領域
６２ 第２の領域
６４ 反応器入口
６６ 反応器出口
６８ 半径方向内側領域
７０ 半径方向外側領域
７２ 中心
７４ 反応器の壁
Ｌ 軸方向
Ｒ 半径方向
Ｓ１ 第１の方法ステップ
Ｓ２ 第２の方法ステップ
Ｓ３ 第３の方法ステップ
Ｓ４ 第４の方法ステップ

Claims (15)

  1. 特に触媒および／またはスタティックミキサーのためのペレット（１０）の作製方法であって、
    金属発泡材料（１４）の層（１２）を少なくとも１つ、ペレット形状に切断および／または成形する方法ステップを含む、
    方法。
  2. 前記金属発泡材料（１４）は、焼結されることを特徴とする、
    請求項１に記載の方法。
  3. 前記金属発泡材料（１４）は、単峰分布または多峰分布、特に二峰分布を示す直径を有する気孔（２６）を含むことを特徴とする、
    請求項１または２に記載の方法。
  4. 異なる金属発泡材料（１４）の層（１２）が少なくとも２つ設けられ、２つの前記層（１２）は、特にプレス加工および／またははんだ膜（３０）を介したはんだ付けによって互いに接合されることを特徴とする、
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 前記ペレット（１０）の体積は、０．５ｍｍ３〜３０ｃｍ３の範囲であることを特徴とする、
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 前記金属発泡材料（１４）が有する前記気孔（２６）の直径は、１０μｍ〜１００００μｍの範囲であることを特徴とする、
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 特に請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法に従って得られるペレット（１０）であって、
    金属発泡体（２４）の層（１２）を少なくとも１つ備える、
    ペレット（１０）。
  8. 少なくとも１つの外側凹部（２８）および／または溝（３４）、および／または少なくとも１つの前記金属発泡体（２４）の巻層（１２）および／またはねじれ層（１２）を有することを特徴とする、
    請求項７に記載のペレット（１０）。
  9. 前記ペレット（１０）の少なくとも１つの外面（３２）および／または１つの内側境界面は、少なくとも部分的に閉じられていることを特徴とする、
    請求項７または８に記載のペレット（１０）。
  10. 前記ペレット（１０）は、異なる前記金属発泡体（２４）の層（１２）を少なくとも２つ備えることを特徴とする、
    請求項７〜９のいずれか１項に記載のペレット（１０）。
  11. 前記ペレット（１０）は、金属発泡体（２４）を少なくとも実質的に備えることを特徴とする、
    請求項７〜１０のいずれか１項に記載のペレット（１０）。
  12. 前記金属発泡体（２４）は、単峰分布または多峰分布、特に二峰分布を示す直径を有する気孔（２６）を含むことを特徴とする、
    請求項７〜１１のいずれか１項に記載のペレット（１０）。
  13. 前記金属発泡体（２４）が有する前記気孔（２６）の直径は、１０μｍ〜１００００μｍの範囲であることを特徴とする、
    請求項７〜１２のいずれか１項に記載のペレット（１０）。
  14. 請求項７〜１３のいずれか１項に記載のペレット（１０）を複数含む、
    触媒充填物（２０）。
  15. 例えば吸収カラムまたは蒸留カラムのためのスタティックミキサーであって、
    請求項７〜１３のいずれか１項に記載のペレット（１０）を複数有する、
    スタティックミキサー。
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