JP2023542275A - 合成反応装置の触媒床用の壁組立体 - Google Patents

合成反応装置の触媒床用の壁組立体 Download PDF

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Abstract

細粒状触媒（１）を保持するためのガス透過性の組立体（１０）であって、触媒に面するように配置された第１の壁（２）と、第１の壁から間隔をおいて配置されており、かつ触媒に対向するように配置された第２の壁（４）と、第１の壁および第２の壁の間に介在させられた触媒保持コア（３）とを備える、ガス透過性の組立体（１０）。

Description

本発明は、粒状の触媒を含み、かつガス流が横切る触媒床を有する反応装置の分野に関する。特に、本発明は、固体触媒を保持するように配置されたガス透過性の壁組立体の設計に関する。
産業界で注目されているいくつかの化学変換装置は、触媒が粒状である触媒床への／からの反応物または生成物のガス流の好適な分配および収集を必要とする。注目すべき例には、アンモニアおよびメタノールの合成のための反応装置を含む。
触媒床は通常、外壁および内壁により区切られた円筒環の形状を有する。上記内壁および外壁は通常、内部収集装置および外部収集装置と表される。それらの上記壁の一方はガス分配装置として作用し、他方はガス収集装置として作用する。触媒床を通るガスフローは、実質的に半径方向または軸－半径方向であり得る。
上記収集装置は、相反するいくつかの要件に準拠する必要がある。それらの設計はしたがって、難しい課題である。まず、収集装置は、反応物および生成物のガス流の通過を可能にするためにガス透過性である必要がある。この目的のために収集装置は、必要な通路面積を与えるのに十分なサイズおよび数の開口を有していなければならない。不十分な通路面積は、ガスフローの速度を増加させ、圧力降下を増加させ、そして触媒の作用に影響をおよぼす。
収集装置はさらに、触媒を保持することができなければならず、これは、ガス通路開口のサイズが、触媒の顆粒のサイズにより決定され得ることを意味する。特に、収集装置は、収集装置外部への触媒の移動を防止し、かつ触媒それ自体により引き起こされるガス通路開口の閉塞のリスクを低減させるように設計されなければならない。ガス通路の閉塞は、上記不利益をともなって利用可能な面積を低減させ、そして触媒床における投入ガスの不均一な分布をもたらす。
上記に加えて、収集装置はまた、特に、触媒の圧力に耐える構造的な機能も果たさなければならない。多くの注目すべき反応装置、たとえば、工業用アンモニア変換装置およびメタノール変換装置では、触媒床は、軸方向において、かなりのサイズおよび高さを有しており、よって、収集装置の機械的応力が関係する。特に、触媒との直接接触状態にある内面は、相当なエンティティの接線方向の応力および半径方向の応力を受け得る。
いわゆる微細触媒、すなわち、小さいサイズの粒子でできた触媒の使用に対する関心が増大している。通常、１．５ｍｍ以下の公称サイズを有する粒子でできた触媒が微細触媒とみなされる。一部の微細触媒は、１ｍｍ以下の小さい公称サイズを有し得る。触媒のサイズは、顆粒の特徴的な寸法を、たとえば、球状粒子の直径を表す。そのサイズは、統計的分布に従う場合があり、公称サイズは平均サイズを表し得る。
微細触媒は、変換率について有利であり、したがって、反応装置の経済的収益性について魅力的である。特に、微細触媒は、ガス流との接触面積を増加させる。しかし、微細触媒の封じ込めは困難である。収集装置は、開口の目詰まりのリスクにさらされやすくなり、および／または、触媒の小さな粒子を保持することができない場合がある。
壁開口のサイズを単に低減させることは、この問題に対する解決策を提供するものではない。小さい開口は、過剰な圧力降下をもたらし、最適なガスフロー分布から逸脱し得る。十分なガス通路面積を与える必要性は、そうした小さい開口を多数必要とし、穿孔壁の製造を実用的でないものにし得る。さらに、多数の開口は、機械的な応力に対する耐性を弱め得る。
これらの考慮点に照らせば、触媒収集装置の設計が困難な課題であることは明らかである。理想的な組立体は、収集装置の完全性を満たすために必要な機械的特性を保持する一方で、微細触媒粒子を保持し、開口の目詰まりを回避し、最適なガスフロー分布を維持する必要がある。
本発明の目的は、上述されたような従来技術の欠点を解消することである。特に、本発明の目的は、細粒状触媒を保持することができ、同時に触媒の粒状の塊に対して構造的な支持体を提供することができる収集装置を提供することである。
上記目的は、特許請求の範囲に記載のガス透過性の組立体により達成される。
組立体は、細粒状触媒を保持するように構成されており、かつその触媒に面するように配置された第１の壁；第１の壁から間隔をおいて配置され、かつ触媒に対向するように配置された第２の壁；上記第１の壁および第２の壁の間に介在させられた触媒保持コアを備える。
第１の壁および第２の壁は、好適な開口、たとえば穴またはスロットによりガス透過性を有するようにされる。触媒保持コアも、その構造における開口、または好適な空隙パターンによりガス透過性である。
本発明の組立体では、触媒を支持する構造的機能は主に、第１の壁および第２の壁により行われ；触媒を保持する機能は主に、コアにより行われる。触媒保持コアという用語は、コアが、細粒状触媒を保持するように設計されており、かつ触媒を保持する機能が、主に、または排他的にコアにより行われることを表しており、一方で、第１の壁および第２の壁が組立体の構造的支持体を提供する。
第１の壁および第２の壁は、所望の断面通路を設け、かつ微細触媒によっても圧力降下を最小にするように配置された従来の開口のパターンで設計され得る。たとえば、開口は、触媒の顆粒のサイズよりも大きい場合がある。一方、触媒保持コアは、微細触媒を好適に、その圧力に耐える必要なしで封じ込めるように設計され得る。コアは、触媒保持部材のその機能を行うために、触媒の顆粒のサイズよりも小さいガス通路を有する。
触媒のサイズは、顆粒の最大幅とすることができ、またはふるい分けプロセスを参照することにより有効に規定することもできる。
たとえば、触媒のサイズは、触媒を保持するふるいの最大平方自由流動面積に基づいて規定され得る。特に、触媒のサイズが上記面積の平方根に等しいと仮定され得る。触媒をふるい分けることによるサイズの判定は、好ましくは、ＡＳＴＭ Ｄ４５１３－１１に開示された標準試験方法に従って、および特に、ＡＴＳＭ Ｅ１１ －１７の標準仕様に従って行われ得る。
本発明の別の利点は、コアが、小さな領域でのみ触媒と直接接触していることである。全表面上での触媒との直接接触は、たとえば、運転中の触媒粒子の変位により、摩耗をもたらす。本発明の組立体では、コアは実際には、そうした相対的な変位、および関連する摩耗から、第１の壁により保護される。したがって、コアは、厳しい構造要件を満たす必要なしで、主に、触媒の保持のために選ばれ、または設計され得る。
触媒保持コアは、以下：多孔質媒体；ネット；複数のネットの重なり合い；繊維状媒体；微細繊維状媒体；ファブリック；金属繊維フェルト；穿孔板の少なくとも１つを含み得る。種々の実施形態では、コアは、触媒サイズに匹敵する好適な特徴的な寸法を有する。
本発明の組立体は、微細触媒を安全に、かつ確実に封じ込め、同時に、耐応力性の面での良好な性能をもたらす目標を達成する。本発明は、異なる複数の構成要素が機械的要件およびプロセス要件を満たすように協働する、複合壁構造を提供することが理解され得る。
本発明は、本明細書中で説明された複数の実施形態のいずれかに記載の少なくとも１つの触媒床およびガス透過性の組立体を備える触媒反応装置を含む。反応装置は、好ましくはアンモニア変換装置またはメタノール変換装置である。特に、本発明は、内部収集装置および外部収集装置により区切られた円筒環状の触媒床を含む反応装置に関するものであり、内部および外部収集装置のうちの少なくとも一方は、本発明によるガス透過性の組立体を含む。触媒床および収集装置は、圧力容器内に挿入された触媒カートリッジの一部であり得る。
好ましくは、反応装置の触媒床は、１．５ｍｍ以下の、好ましくは１．２ｍｍ以下の、より好ましくは１．０ｍｍ以下の、触媒顆粒の公称サイズを有する微細触媒でできている。
コアは、第１の壁および第２の壁の間のギャップを部分的に、または完全に充填し得る。一実施形態では、ギャップは、コアにより完全に充填される。一実施形態では、コアは、第１の壁と第２の壁との間に、いずれとも接触して挟まれている。好ましい実施形態では、組立体は、サンドイッチ壁を形成する上述の第１の壁、第２の壁および中央のコアにより構成される３層構造を有する。
第１の壁と第２の壁との間のギャップを充填することにより、コアは一方の壁から他方への機械的応力の伝達に寄与し、よって２つの壁が構造的に協働し得る。したがって、機械的な力は、第１の壁および第２の壁により耐えられる；ただし、コアは一方から他方への力の分配に寄与する。
組立体全体をガスに対する透過性を有するものにするために、第１の壁、第２の壁および触媒保持コアは、ガス通路を有する。壁のガス通路は、壁に作られた穴または開口であり得る。コアのガス通路は、特に、コアが多孔質媒体、繊維状もしくは微細繊維状媒体、ファブリック、または金属繊維である場合に、空隙パターン状であり得る。
触媒保持コアは、上記第１の壁および第２の壁のガス通路よりも小さいガス通路を有する。より小さいガス通路を有しており、コアは、第１の壁および第２の壁によっては封じ込まれないであろう微細触媒を保持することができる。
コアのガス通路は、特徴的なサイズにより表され得る。上記特徴的なサイズは、円形開口の直径、または異なる形状の開口、たとえば、細長い形状もしくはスリット状の開口の最大幅であり得る。
コアは、ガス流の通過を可能にするために、好適な空隙パターンを有し得る。上記空隙パターンは、たとえば、多孔質媒体内の通路、ネットのメッシュ開口、またはコア要素として使用される板の穿孔により表され得る。コアのパターン内の通路の平均面積は、壁の開口の通路面積よりも小さい場合がある。たとえば、上記通路面積は、円筒環状床の半径方向に垂直の平面内で規定され得る。
触媒保持コアは、単一のネット、または相互に重なり合う複数のネットを含み得る。コア要素に対する２つ以上のネットの使用は特に費用対効果が高い。
ネットの重なり合いを使用する実施形態では、興味深い特徴は、ネットの重なり合いにより、結果としてメッシュ開口よりも実際に小さい通路をもたらすおかげで、メッシュ開口が触媒の最小サイズよりも小さい必要がないことである。さらに、この重なり合うネットの場合、開口の特徴的なサイズは、重なり合いにより生じる開口の最大幅として規定され得る。
触媒保持コアが多孔質媒体を含む実施形態では、好ましい多孔質媒体は焼結金属板である。
触媒保持コアが織物ネットを含む実施形態では、そのネットは、デミスタパッドにおいて使用されるネットと同様であり得る。
触媒保持コアが繊維状媒体を含む実施形態では、上記繊維状媒体は、不織繊維状媒体、または不織微細繊維状媒体であり得る。
触媒保持コアがファブリックを含む実施形態では、これは、たとえば、セラミックファブリック、または焼結金属でできたファブリックであり得る。
いくつかの実施形態では、コアそれ自体は、補強穿孔板および、たとえば、ネットまたは多重ネットのような多孔質要素を含むサンドイッチ構造を有し得る。たとえば、コアは、補強穿孔板間のメッシュ要素を含む補強されたメッシュ構造を有し得る。補強穿孔板は好ましくは、金属でできている。
コアが穿孔板である実施形態では、板の穴は、触媒粒子の特徴的な寸法よりも小さいものである。たとえば、上記特徴的な寸法は、球状粒子の直径であり得る。
好ましい実施形態では、触媒保持コアは、第１の壁に接する触媒によりおよぼされる圧力の一部が、第２の壁へ、コアにより伝えられるように配置される。これは、上記圧力を第２の壁へ伝えるのに十分な剛性をコアが有することを必要とする。
好ましい実施形態では、触媒に面する第１の壁（内壁）は、第２の壁（外壁）に構造的に接続される。２つの壁の間の相互接続は、コネクタとともに２つの壁を溶接することにより実現され得る。上記コネクタは、好ましくは等間隔で配置された金属片であり得る。
上記コネクタは、種々の形状を有してもよく、最も好ましいものが矩形または円筒状である。相互接続の数およびそれらの間の距離は、機械的強度の計算により決定され得る。全体的には、２つの壁の間の相互接続は、組立体のより高い強度を保証し、かつ触媒に面する壁の厚さの低減を可能にする。このようにして、上記壁の厚さは、プロセス要件に従って最適化され得る。
触媒床構成に応じて、組立体に流入しまたは組立体から流出するガスフローは、実質的に純粋に半径方向、または軸－半径方向のいずれかをたどり得る。半径フローは、内向き、すなわち、反応装置の軸の方に向けられるか、または外向き、すなわち、上記軸から離れるように向けられ得る。
第１および第２の壁のガス通路開口は通常、好適な寸法および方向を有するスリットまたは穴である。好ましい実施形態では、ガス通路開口は、細長い形状を有する。細長い形状という用語は、スリットが主に、特定の方向に延在していることを表す。壁のスリットは、同じかまたは異なる方向に延在し得る。
第１の壁および第２の壁の開口は、同じパターンまたは異なるパターンにより配置され得る。一実施形態では、第１の壁および第２の壁の複数の細長いスリットは、同じ方向、または異なる方向に配向し得る。たとえば、一実施形態では、第１の壁は、第１の方向に配向する複数の細長いスリットを有しており、かつ第２の壁は、第１の方向とは異なる第２の方向に配向する複数のスリットを有する。たとえば、第１の壁および第２の壁のスリットは、相互に直角に交わるように配置され得る。複数の方向の組み合わせも可能である。
上記スリットは、水、レーザ切断または放電加工などの従来の製造プロセスにより製造され得る。あるいは、ガス開口が穿孔穴である場合、機械的な打ち抜き方法が使用され得る。打ち抜き方法は、製造技術により可能にされる場合に、他のタイプの開口にも使用され得る。機械的打ち抜き方法は、たとえばレーザ切断と比較して、その低いコストのため好ましい場合がある。
本発明のガス透過性の組立体は、最も好ましくは円筒状である。
本発明の興味深い応用分野は、本発明の組立体を有する少なくとも１つの収集装置により、区切られた円筒環状触媒床を含む反応装置に関する。収集装置という用語は、触媒床に流入するガスを分配する、または触媒床から流出するガスを収集するように配置されたガス透過性壁を表す。
上記少なくとも１つの収集装置は、外部収集装置および内部収集装置を含み得る。外部収集装置および内部収集装置の一方または両方は、本発明の組立体を含み得る。いくつかの実施形態では、反応装置は、１つの収集装置のみ、たとえば、外部収集装置のみに触媒床を含み得る。本発明の特に興味深い応用分野は、アンモニアおよびメタノールの合成のための反応装置に関する。
本発明のさらに別の態様は、化合物、好ましくはアンモニアまたはメタノールの合成のための反応装置であって、少なくとも１つの収集装置により区切られた円筒環状の少なくとも１つの触媒床を備えており、触媒床が粒状触媒を含んでおり、触媒床の少なくとも１つの収集装置がガス透過性の組立体を含んでおり、ここで：
上記組立体が、触媒に面する第１の壁、第１の壁から間隔をおいて配置された第２の壁、第１の壁と第２の壁との間のコア要素を含んでおり、
第１の壁および第２の壁が、粒状触媒の顆粒サイズよりも大きいガス通路開口を有する一方で、コアは、触媒の上記顆粒サイズよりも小さいガス通路を有しており、よって、触媒が、組立体のコアにより所定の場所に保持される。
好ましくは、上記反応装置では、第１の壁および第２の壁は、組立体の構造的耐荷重機能を果たす。好ましくは、コアは、多孔質媒体；ネット；複数のネットの重なり合い；繊維状媒体；微細繊維状媒体；ファブリック；金属繊維フェルト；穿孔板のうちのいずれかである。
好ましい実施形態によるガス透過性の組立体の模式図である。 一実施形態によるガス透過性の組立体の斜視図である。 上記組立体の別の実施形態の斜視図である。 上記組立体の別の実施形態の斜視図である。 上記組立体の別の実施形態の断面図である。 触媒床の模式断面図である。
図１は、触媒層１に接触している壁組立体１０の断面を模式的に示す。たとえば、図１は、半径方向外向き流動触媒床の外部壁組立体を示す。
上記組立体１０は、触媒層１に面するガス透過性内壁２および触媒に対向するガス透過性外壁４を備える。組立体１０は、上記内壁２および上記外壁４の間に介在させられた触媒保持コア３をさらに備える。
２つの壁２および４の間に囲まれた触媒保持コア３は、触媒の粒子を保持しており、かつ微細触媒を適切に保持するように設計され得る。逆に、ガス透過性壁２および４は、コア３に対する構造的支持体の役目を務める。
開口５は、上記壁２および４の表面の上に配置されており、かつ触媒床を通るガスフローの通過を可能にする。上記開口５の設計は、最適な圧力降下および触媒床にわたる最適なガス流分布を可能にするように選択され得る。
開口５は、図２中のような細長いスリット、または図３中のような穴であり得る。穴は、従来の方法よりも安価な方法、すなわち、放電加工またはウォータージェット切断の代わりに、打ち抜き方法が使用され得る。
図２は、内壁２および外壁４が、異なるパターンを有する開口５を有する実施形態を示す。特に、図２は、開口が、内壁２上では第１の方向に、かつ外壁４上では第２の方向に配向する細長いスリット状である実施形態を示す。
壁２および４は、図に示されていない溶接要素により相互に接続され得る。上記つながった要素の数および寸法は、構造的な完全性の要件により規定される。
図４は、デミスタパッド型のメッシュでできているコア３の例を示す。
図５は、コア３が、孔のあいた補強板３１、３２間に挟まれているメッシュ要素３０を含む、補強されたメッシュ構造を有する例を示す。
図６は、組立体１０で作られた内部収集装置および外部収集装置の位置を示す円筒環状触媒床２０の概略図である。上記床２０は、軸Ａ－Ａおよび中心キャビティ２１を有する。いくつかの実施形態では、床間熱交換器がキャビティ２１内に搭載され得る。
本発明は、粒状の触媒を含み、かつガス流が横切る触媒床を有する反応装置の分野に関する。特に、本発明は、固体触媒を保持するように配置されたガス透過性の壁組立体の設計に関する。
産業界で注目されているいくつかの化学変換装置は、触媒が粒状である触媒床への／からの反応物または生成物のガス流の好適な分配および収集を必要とする。注目すべき例には、アンモニアおよびメタノールの合成のための反応装置を含む。
触媒床は通常、外壁および内壁により区切られた円筒環の形状を有する。上記内壁および外壁は通常、内部収集装置および外部収集装置と表される。それらの上記壁の一方はガス分配装置として作用し、他方はガス収集装置として作用する。触媒床を通るガスフローは、実質的に半径方向または軸－半径方向であり得る。
上記収集装置は、相反するいくつかの要件に準拠する必要がある。それらの設計はしたがって、難しい課題である。まず、収集装置は、反応物および生成物のガス流の通過を可能にするためにガス透過性である必要がある。この目的のために収集装置は、必要な通路面積を与えるのに十分なサイズおよび数の開口を有していなければならない。不十分な通路面積は、ガスフローの速度を増加させ、圧力降下を増加させ、そして触媒の作用に影響をおよぼす。
収集装置はさらに、触媒を保持することができなければならず、これは、ガス通路開口のサイズが、触媒の顆粒のサイズにより決定され得ることを意味する。特に、収集装置は、収集装置外部への触媒の移動を防止し、かつ触媒それ自体により引き起こされるガス通路開口の閉塞のリスクを低減させるように設計されなければならない。ガス通路の閉塞は、上記不利益をともなって利用可能な面積を低減させ、そして触媒床における投入ガスの不均一な分布をもたらす。
上記に加えて、収集装置はまた、特に、触媒の圧力に耐える構造的な機能も果たさなければならない。多くの注目すべき反応装置、たとえば、工業用アンモニア変換装置およびメタノール変換装置では、触媒床は、軸方向において、かなりのサイズおよび高さを有しており、よって、収集装置の機械的応力が関係する。特に、触媒との直接接触状態にある内面は、相当なエンティティの接線方向の応力および半径方向の応力を受け得る。
いわゆる微細触媒、すなわち、小さいサイズの粒子でできた触媒の使用に対する関心が増大している。通常、１．５ｍｍ以下の公称サイズを有する粒子でできた触媒が微細触媒とみなされる。一部の微細触媒は、１ｍｍ以下の小さい公称サイズを有し得る。触媒のサイズは、顆粒の特徴的な寸法を、たとえば、球状粒子の直径を表す。そのサイズは、統計的分布に従う場合があり、公称サイズは平均サイズを表し得る。
微細触媒は、変換率について有利であり、したがって、反応装置の経済的収益性について魅力的である。特に、微細触媒は、ガス流との接触面積を増加させる。しかし、微細触媒の封じ込めは困難である。収集装置は、開口の目詰まりのリスクにさらされやすくなり、および／または、触媒の小さな粒子を保持することができない場合がある。
壁開口のサイズを単に低減させることは、この問題に対する解決策を提供するものではない。小さい開口は、過剰な圧力降下をもたらし、最適なガスフロー分布から逸脱し得る。十分なガス通路面積を与える必要性は、そうした小さい開口を多数必要とし、穿孔壁の製造を実用的でないものにし得る。さらに、多数の開口は、機械的な応力に対する耐性を弱め得る。
特許文献１は、流体内の固体粒子をろ過するための円筒状壁、たとえば、半径流触媒床壁を開示している。
これらの考慮点に照らせば、触媒収集装置の設計が困難な課題であることは明らかである。理想的な組立体は、収集装置の完全性を満たすために必要な機械的特性を保持する一方で、微細触媒粒子を保持し、開口の目詰まりを回避し、最適なガスフロー分布を維持する必要がある。
米国特許出願公開第２０１９／２３２２４５号明細書
本発明の目的は、上述されたような従来技術の欠点を解消することである。特に、本発明の目的は、細粒状触媒を保持することができ、同時に触媒の粒状の塊に対して構造的な支持体を提供することができる収集装置を提供することである。
上記目的は、特許請求の範囲に記載のガス透過性の組立体により達成される。
組立体は、細粒状触媒を保持するように構成されており、かつその触媒に面するように配置された第１の壁；第１の壁から間隔をおいて配置され、かつ触媒に対向するように配置された第２の壁；上記第１の壁および第２の壁の間に介在させられた触媒保持コアを備える。
第１の壁および第２の壁は、好適な開口、たとえば穴またはスロットによりガス透過性を有するようにされる。触媒保持コアも、その構造における開口、または好適な空隙パターンによりガス透過性である。
本発明の組立体では、触媒を支持する構造的機能は主に、第１の壁および第２の壁により行われ；触媒を保持する機能は主に、コアにより行われる。触媒保持コアという用語は、コアが、細粒状触媒を保持するように設計されており、かつ触媒を保持する機能が、主に、または排他的にコアにより行われることを表しており、一方で、第１の壁および第２の壁が組立体の構造的支持体を提供する。
第１の壁および第２の壁は、所望の断面通路を設け、かつ微細触媒によっても圧力降下を最小にするように配置された従来の開口のパターンで設計され得る。たとえば、開口は、触媒の顆粒のサイズよりも大きい場合がある。一方、触媒保持コアは、微細触媒を好適に、その圧力に耐える必要なしで封じ込めるように設計され得る。コアは、触媒保持部材のその機能を行うために、触媒の顆粒のサイズよりも小さいガス通路を有する。
触媒のサイズは、顆粒の最大幅とすることができ、またはふるい分けプロセスを参照することにより有効に規定することもできる。
たとえば、触媒のサイズは、触媒を保持するふるいの最大平方自由流動面積に基づいて規定され得る。特に、触媒のサイズが上記面積の平方根に等しいと仮定され得る。触媒をふるい分けることによるサイズの判定は、好ましくは、ＡＳＴＭ Ｄ４５１３－１１に開示された標準試験方法に従って、および特に、ＡＴＳＭ Ｅ１１ －１７の標準仕様に従って行われ得る。
本発明の別の利点は、コアが、小さな領域でのみ触媒と直接接触していることである。全表面上での触媒との直接接触は、たとえば、運転中の触媒粒子の変位により、摩耗をもたらす。本発明の組立体では、コアは実際には、そうした相対的な変位、および関連する摩耗から、第１の壁により保護される。したがって、コアは、厳しい構造要件を満たす必要なしで、主に、触媒の保持のために選ばれ、または設計され得る。
触媒保持コアは、以下：多孔質媒体；ネット；複数のネットの重なり合い；繊維状媒体；微細繊維状媒体；ファブリック；金属繊維フェルト；穿孔板の少なくとも１つを含み得る。種々の実施形態では、コアは、触媒サイズに匹敵する好適な特徴的な寸法を有する。
本発明の組立体は、微細触媒を安全に、かつ確実に封じ込め、同時に、耐応力性の面での良好な性能をもたらす目標を達成する。本発明は、異なる複数の構成要素が機械的要件およびプロセス要件を満たすように協働する、複合壁構造を提供することが理解され得る。
本発明は、本明細書中で説明された複数の実施形態のいずれかに記載の少なくとも１つの触媒床およびガス透過性の組立体を備える触媒反応装置を含む。反応装置は、好ましくはアンモニア変換装置またはメタノール変換装置である。特に、本発明は、内部収集装置および外部収集装置により区切られた円筒環状の触媒床を含む反応装置に関するものであり、内部および外部収集装置のうちの少なくとも一方は、本発明によるガス透過性の組立体を含む。触媒床および収集装置は、圧力容器内に挿入された触媒カートリッジの一部であり得る。
好ましくは、反応装置の触媒床は、１．５ｍｍ以下の、好ましくは１．２ｍｍ以下の、より好ましくは１．０ｍｍ以下の、触媒顆粒の公称サイズを有する微細触媒でできている。
コアは、第１の壁および第２の壁の間のギャップを部分的に、または完全に充填し得る。一実施形態では、ギャップは、コアにより完全に充填される。一実施形態では、コアは、第１の壁と第２の壁との間に、いずれとも接触して挟まれている。好ましい実施形態では、組立体は、サンドイッチ壁を形成する上述の第１の壁、第２の壁および中央のコアにより構成される３層構造を有する。
第１の壁と第２の壁との間のギャップを充填することにより、コアは一方の壁から他方への機械的応力の伝達に寄与し、よって２つの壁が構造的に協働し得る。したがって、機械的な力は、第１の壁および第２の壁により耐えられる；ただし、コアは一方から他方への力の分配に寄与する。
組立体全体をガスに対する透過性を有するものにするために、第１の壁、第２の壁および触媒保持コアは、ガス通路を有する。壁のガス通路は、壁に作られた穴または開口であり得る。コアのガス通路は、特に、コアが多孔質媒体、繊維状もしくは微細繊維状媒体、ファブリック、または金属繊維である場合に、空隙パターン状であり得る。
触媒保持コアは、上記第１の壁および第２の壁のガス通路よりも小さいガス通路を有する。より小さいガス通路を有しており、コアは、第１の壁および第２の壁によっては封じ込まれないであろう微細触媒を保持することができる。
コアのガス通路は、特徴的なサイズにより表され得る。上記特徴的なサイズは、円形開口の直径、または異なる形状の開口、たとえば、細長い形状もしくはスリット状の開口の最大幅であり得る。
コアは、ガス流の通過を可能にするために、好適な空隙パターンを有し得る。上記空隙パターンは、たとえば、多孔質媒体内の通路、ネットのメッシュ開口、またはコア要素として使用される板の穿孔により表され得る。コアのパターン内の通路の平均面積は、壁の開口の通路面積よりも小さい場合がある。たとえば、上記通路面積は、円筒環状床の半径方向に垂直の平面内で規定され得る。
触媒保持コアは、単一のネット、または相互に重なり合う複数のネットを含み得る。コア要素に対する２つ以上のネットの使用は特に費用対効果が高い。
ネットの重なり合いを使用する実施形態では、興味深い特徴は、ネットの重なり合いにより、結果としてメッシュ開口よりも実際に小さい通路をもたらすおかげで、メッシュ開口が触媒の最小サイズよりも小さい必要がないことである。さらに、この重なり合うネットの場合、開口の特徴的なサイズは、重なり合いにより生じる開口の最大幅として規定され得る。
触媒保持コアが多孔質媒体を含む実施形態では、好ましい多孔質媒体は焼結金属板である。
触媒保持コアが織物ネットを含む実施形態では、そのネットは、デミスタパッドにおいて使用されるネットと同様であり得る。
触媒保持コアが繊維状媒体を含む実施形態では、上記繊維状媒体は、不織繊維状媒体、または不織微細繊維状媒体であり得る。
触媒保持コアがファブリックを含む実施形態では、これは、たとえば、セラミックファブリック、または焼結金属でできたファブリックであり得る。
いくつかの実施形態では、コアそれ自体は、補強穿孔板および、たとえば、ネットまたは多重ネットのような多孔質要素を含むサンドイッチ構造を有し得る。たとえば、コアは、補強穿孔板間のメッシュ要素を含む補強されたメッシュ構造を有し得る。補強穿孔板は好ましくは、金属でできている。
コアが穿孔板である実施形態では、板の穴は、触媒粒子の特徴的な寸法よりも小さいものである。たとえば、上記特徴的な寸法は、球状粒子の直径であり得る。
好ましい実施形態では、触媒保持コアは、第１の壁に接する触媒によりおよぼされる圧力の一部が、第２の壁へ、コアにより伝えられるように配置される。これは、上記圧力を第２の壁へ伝えるのに十分な剛性をコアが有することを必要とする。
好ましい実施形態では、触媒に面する第１の壁（内壁）は、第２の壁（外壁）に構造的に接続される。２つの壁の間の相互接続は、コネクタとともに２つの壁を溶接することにより実現され得る。上記コネクタは、好ましくは等間隔で配置された金属片であり得る。
上記コネクタは、種々の形状を有してもよく、最も好ましいものが矩形または円筒状である。相互接続の数およびそれらの間の距離は、機械的強度の計算により決定され得る。全体的には、２つの壁の間の相互接続は、組立体のより高い強度を保証し、かつ触媒に面する壁の厚さの低減を可能にする。このようにして、上記壁の厚さは、プロセス要件に従って最適化され得る。
触媒床構成に応じて、組立体に流入しまたは組立体から流出するガスフローは、実質的に純粋に半径方向、または軸－半径方向のいずれかをたどり得る。半径フローは、内向き、すなわち、反応装置の軸の方に向けられるか、または外向き、すなわち、上記軸から離れるように向けられ得る。
第１および第２の壁のガス通路開口は通常、好適な寸法および方向を有するスリットまたは穴である。好ましい実施形態では、ガス通路開口は、細長い形状を有する。細長い形状という用語は、スリットが主に、特定の方向に延在していることを表す。壁のスリットは、同じかまたは異なる方向に延在し得る。
第１の壁および第２の壁の開口は、同じパターンまたは異なるパターンにより配置され得る。一実施形態では、第１の壁および第２の壁の複数の細長いスリットは、同じ方向、または異なる方向に配向し得る。たとえば、一実施形態では、第１の壁は、第１の方向に配向する複数の細長いスリットを有しており、かつ第２の壁は、第１の方向とは異なる第２の方向に配向する複数のスリットを有する。たとえば、第１の壁および第２の壁のスリットは、相互に直角に交わるように配置され得る。複数の方向の組み合わせも可能である。
上記スリットは、水、レーザ切断または放電加工などの従来の製造プロセスにより製造され得る。あるいは、ガス開口が穿孔穴である場合、機械的な打ち抜き方法が使用され得る。打ち抜き方法は、製造技術により可能にされる場合に、他のタイプの開口にも使用され得る。機械的打ち抜き方法は、たとえばレーザ切断と比較して、その低いコストのため好ましい場合がある。
本発明のガス透過性の組立体は、最も好ましくは円筒状である。
本発明の興味深い応用分野は、本発明の組立体を有する少なくとも１つの収集装置により、区切られた円筒環状触媒床を含む反応装置に関する。収集装置という用語は、触媒床に流入するガスを分配する、または触媒床から流出するガスを収集するように配置されたガス透過性壁を表す。
上記少なくとも１つの収集装置は、外部収集装置および内部収集装置を含み得る。外部収集装置および内部収集装置の一方または両方は、本発明の組立体を含み得る。いくつかの実施形態では、反応装置は、１つの収集装置のみ、たとえば、外部収集装置のみに触媒床を含み得る。本発明の特に興味深い応用分野は、アンモニアおよびメタノールの合成のための反応装置に関する。
本発明のさらに別の態様は、化合物、好ましくはアンモニアまたはメタノールの合成のための反応装置であって、少なくとも１つの収集装置により区切られた円筒環状の少なくとも１つの触媒床を備えており、触媒床が粒状触媒を含んでおり、触媒床の少なくとも１つの収集装置がガス透過性の組立体を含んでおり、ここで：
上記組立体が、触媒に面する第１の壁、第１の壁から間隔をおいて配置された第２の壁、第１の壁と第２の壁との間のコア要素を含んでおり、
第１の壁および第２の壁が、粒状触媒の顆粒サイズよりも大きいガス通路開口を有する一方で、コアは、触媒の上記顆粒サイズよりも小さいガス通路を有しており、よって、触媒が、組立体のコアにより所定の場所に保持される。
好ましくは、上記反応装置では、第１の壁および第２の壁は、組立体の構造的耐荷重機能を果たす。好ましくは、コアは、多孔質媒体；ネット；複数のネットの重なり合い；繊維状媒体；微細繊維状媒体；ファブリック；金属繊維フェルト；穿孔板のうちのいずれかである。
好ましい実施形態によるガス透過性の組立体の模式図である。 一実施形態によるガス透過性の組立体の斜視図である。 上記組立体の別の実施形態の斜視図である。 上記組立体の別の実施形態の斜視図である。 上記組立体の別の実施形態の断面図である。 触媒床の模式断面図である。
図１は、触媒層１に接触している壁組立体１０の断面を模式的に示す。たとえば、図１は、半径方向外向き流動触媒床の外部壁組立体を示す。
上記組立体１０は、触媒層１に面するガス透過性内壁２および触媒に対向するガス透過性外壁４を備える。組立体１０は、上記内壁２および上記外壁４の間に介在させられた触媒保持コア３をさらに備える。
２つの壁２および４の間に囲まれた触媒保持コア３は、触媒の粒子を保持しており、かつ微細触媒を適切に保持するように設計され得る。逆に、ガス透過性壁２および４は、コア３に対する構造的支持体の役目を務める。
開口５は、上記壁２および４の表面の上に配置されており、かつ触媒床を通るガスフローの通過を可能にする。上記開口５の設計は、最適な圧力降下および触媒床にわたる最適なガス流分布を可能にするように選択され得る。
開口５は、図２中のような細長いスリット、または図３中のような穴であり得る。穴は、従来の方法よりも安価な方法、すなわち、放電加工またはウォータージェット切断の代わりに、打ち抜き方法が使用され得る。
図２は、内壁２および外壁４が、異なるパターンを有する開口５を有する実施形態を示す。特に、図２は、開口が、内壁２上では第１の方向に、かつ外壁４上では第２の方向に配向する細長いスリット状である実施形態を示す。
壁２および４は、図に示されていない溶接要素により相互に接続され得る。上記つながった要素の数および寸法は、構造的な完全性の要件により規定される。
図４は、デミスタパッド型のメッシュでできているコア３の例を示す。
図５は、コア３が、孔のあいた補強板３１、３２間に挟まれているメッシュ要素３０を含む、補強されたメッシュ構造を有する例を示す。
図６は、組立体１０で作られた内部収集装置および外部収集装置の位置を示す円筒環状触媒床２０の概略図である。上記床２０は、軸Ａ－Ａおよび中心キャビティ２１を有する。いくつかの実施形態では、床間熱交換器がキャビティ２１内に搭載され得る。

Claims (18)

  1. 粒状触媒（１）を保持するための触媒反応装置内での使用のための、ガス透過性の壁組立体（１０）であって、前記組立体は、前記触媒に面するように配置された第１の壁（２）；前記第１の壁から間隔をおいて配置されており、かつ前記触媒に対向するように配置された第２の壁（４）；前記第１の壁および前記第２の壁の間に介在させられた触媒保持コア（３）を備える、壁組立体（１０）。
  2. 前記コア（３）は、前記第１の壁（２）および前記第２の壁（４）の間のギャップを充填する、請求項１に記載の組立体（１０）。
  3. 前記触媒保持コア（３）が以下：多孔質媒体；ネット；複数のネットの重なり合い；繊維状媒体；微細繊維状媒体；ファブリック；金属繊維フェルト；穿孔板の少なくとも１つを含む、請求項１または２に記載の組立体（１０）。
  4. 前記触媒保持コア（３）が多孔質媒体を含み、かつ前記多孔質媒体が焼結金属板である、請求項３に記載の組立体（１０）。
  5. 前記触媒保持コア（３）が繊維状媒体を含み、かつ前記媒体が不織物である、請求項３に記載の組立体（１０）。
  6. 前記触媒保持コア（３）がファブリックを含み、かつ前記ファブリックがセラミックまたは焼結金属である、請求項３に記載の組立体（１０）。
  7. 前記触媒保持コア（３）が、補強穿孔板の間に挟まれているメッシュ要素を含む、請求項１～６のいずれか１項に記載の組立体（１０）。
  8. 前記コア（３）は、前記第１の壁および前記第２の壁のガス通路開口（５）よりも小さいガス通路を有する、請求項１～７のいずれか１項に記載の組立体（１０）。
  9. 前記触媒保持コア（３）は、前記第１の壁から前記第２の壁へ、前記触媒によりおよぼされる圧力の一部を伝えるのに好適な剛性を有する、請求項１～８のいずれか１項に記載の組立体（１０）。
  10. 前記第１の壁（２）が前記第２の壁（４）に構造的に接続されている、請求項１～９のいずれか１項に記載の組立体（１０）。
  11. 前記第１の壁（２）が、等間隔をおいて配置された要素により、前記第２の壁（４）に接続されている、請求項１０に記載の組立体（１０）。
  12. 前記第１の壁（２）が第１のパターンに応じて配置された開口（５）を有しており、かつ前記第２の壁（４）が前記第１のパターンとは異なる第２のパターンに応じて配置された開口を有している、請求項１～１１のいずれか１項に記載の組立体（１０）。
  13. 前記第１の壁の開口および前記第２の壁の開口が、細長い形状または円形穴の形状を有している、請求項１～１２のいずれか１項に記載の組立体。
  14. 前記壁（２～４）および前記コア（３）を備える前記組立体が円筒状である、請求項１～１３のいずれか１項に記載の組立体（１０）。
  15. 化合物、好ましくはアンモニアまたはメタノールの合成のための反応装置であって、請求項１～１４のいずれか１項に記載のガス透過性の組立体（１０）を含む少なくとも１つの収集装置により区切られた円筒環状の少なくとも１つの触媒床を備える、反応装置。
  16. 化合物、好ましくはアンモニアまたはメタノールの合成のための反応装置であって、粒状触媒を含む、円筒環状の少なくとも１つの触媒床を備え、前記触媒床の少なくとも１つの収集装置がガス透過性の組立体を含み：
    前記組立体が、前記触媒に面する第１の壁、前記第１の壁から間隔をおいて配置された第２の壁、前記第１の壁および前記第２の壁の間のコア要素を含み、
    前記第１の壁および前記第２の壁が、前記粒状触媒の顆粒サイズよりも大きいガス通路開口を有する一方で、前記コアは、前記触媒の前記顆粒サイズよりも小さいガス通路を有し、よって、前記触媒が、前記組立体の前記コアにより、所定の場所に保持される、反応装置。
  17. 前記第１の壁および前記第２の壁が、前記組立体の構造的耐荷重機能を果たす、請求項１６に記載の反応装置。
  18. 前記コアが、多孔質媒体；ネット；複数のネットの重なり合い；繊維状媒体；微細繊維状媒体；ファブリック；金属繊維フェルト；穿孔板のうちのいずれかである、請求項１６または１７に記載の反応装置。
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