JP3884095B2 - 触媒反応方法およびそれに使用する触媒反応装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は化学工業における各触媒反応を効率的に行わせる様にした触媒反応方法およびそれに使用する触媒反応装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
先ず、触媒反応における空気あるいは酸素を用いて有機化合物からアルコール、アルデヒド、酸等の中間酸化物を得る酸化反応や、不飽和炭化水素の水素添加、官能基の水素還元は気相法と液相法の２種に大別される。
【０００３】
そして、現在、工業的にはすべて液相法が採用されており、この液相法の場合にも触媒が液相に溶解した状態で存在する気液触媒反応である２相系や、固体触媒を用いた気液固触媒反応である３相系があり、この３相系の反応は次の過程を経て進むと考えられている。
【０００４】
▲１▼気体（Ｏ2 またはＨ2 ）の液相反応物を含む液相への溶解
▲２▼溶解した気体および液相反応物の両方あるいは少なくとも一方の触媒表面へ
の吸着
▲３▼触媒表面上での反応
▲４▼反応生成物の触媒からの脱離
▲５▼生成物の触媒から液相への拡散
尚、２相系では上記▲２▼の吸着過程はなく、上記▲３▼の反応も液相中で行われる。
【０００５】
この様に、２相系、３相系の諸反応過程のうちで、反応速度を支配する律速段階は上記▲１▼の気体溶解の過程である。
【０００６】
そして、上記▲１▼の手段として機械的な攪拌手段を用いない気泡塔形式の装置としては、図２５に示す様に、液相を回分式および連続式、気相を連続式と成した粒子流動型反応装置ａが知られ、この粒子流動型反応装置ａは液相（固体触媒粒子が混在しているのも含む）を有する気泡塔ｂの底部に設けたガス分散器ｃから送給される気泡のエアリフト作用によって液相、固体触媒粒子を気泡塔ｂ内で循環流動させるものである。
【０００７】
しかし、循環流動させるために、気泡径を２ミリ〜10ミリ程度と成していることにより、上記▲１▼の気体溶解の過程が非効率と成って反応速度の高速化が望めないのが現状である。
【０００８】
又、他の触媒反応装置ｄとしては、図２６に示す様に流体管路ｅ中に、格子状またはハニカム状の貫通孔ｆが形成された単位触媒体ｇを、前記貫通孔ｆが連通状態で反応流体の流れ方向に多数設けたものが知られている。
【０００９】
ところが、上記触媒反応装置ｄ内を流れる反応流体は、貫通孔ｆ内を直線的に通過するものに過ぎず、このため貫通孔ｆ内で整流されてしまい混合が不十分と成ったり、又反応流体は、その表層側が貫通孔ｆの内壁と接触するのみで、中心側が接触しないため、触媒表面との接触効率が低下し、このため流動接触経路を長くとらなければならず、必然的に装置自体が大型化する欠点を有している。
【００１０】
又、触媒反応の多くは反応に伴って熱を発生するも、上記の様に混合が不十分と成ることや、貫通孔ｆ内で流れる反応流体の中心側が触媒表面と接触しないことによって流体管路ｅ中の温度分布が不均一と成ってしまい、このため触媒の活性に大きな影響を与え、結果的に目的とする生成物の収率が低下する欠点を有していた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、気液界面積を大きくしたり、反応流体の短絡的な流れを無くし、さらに反応流体の内外全体を触媒物質と接触させ、且つ流動する過程において反応流体中の温度分布を均一にして総合的な触媒反応速度の高速化を可能にし、又流路長を長くして触媒反応装置の小型化を図ると共に、触媒反応装置の組立を極めて簡単と成し、さらに機械加工を簡単となし、且つ組立て時のシール不良を防止する触媒反応方法およびそれに使用する触媒反応装置を提供せんとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記従来技術に基づく気体溶解の非効率、混合が不十分、触媒表面との接触効率の低さ、さらに温度分布の不均一等の課題に鑑み、触媒反応装置内での反応流体の分散総数を高くし、且つ流動状態を複雑にして触媒との接触効率を向上させ、触媒反応の高速化を基本的に図ることを要旨とする触媒反応方法およびそれに使用する触媒反応装置を提供して上記欠点を解消せんとしたものである。
【００１３】
触媒反応方法としては、反応流体を気液二相成分と成して触媒反応装置内を通過させる際に、粒状の固体触媒を反応流体中に混濁させたり、又反応流体を気液二相成分と成して触媒反応装置内を通過させて触媒反応させるものである。
【００１４】
この、触媒反応方法に使用する触媒反応装置としては、両端に入口、出口を有した円筒状のケーシングと、触媒物質で形成、又は触媒物質である固体触媒を表面に担持または固定させて形成される複数の触媒エレメントで構成している。
【００１５】
触媒エレメントは、互いに対向する前面に、前面に対して側壁を直角と成した前方開放の筒状の小室を多数配列した大小２枚の円板を一組みとして、これを同心的に重合させ、前記大径な円板はケーシングの内周面に密接する外径にて形成されると共に、中央に流通孔が穿設され、又小径な円板の外径はケーシングの内周面から離間してその内周面との間に流通路が形成される大きさと成し、大径な円板の小室と、小径な円板の小室とは互いの小室が対向する他の複数の小室に連通する様に位置を違えて配列させ、これら触媒エレメントは互いに同径の円板が隣接するように重ね合わせてケーシング内に配列すると共に、ケーシングの入口および出口と流通孔が連通する様に両側には大径な円板を配置して構成している。
【００１６】
又、他の触媒反応装置としては、円筒状のケーシングの両端に入口および出口を形成した蓋体を着脱自在と成し、弾性体によりケーシングの内周面に挿入される外径にて筒体を形成し、この筒体の両端より内方側へ鍔片を一体成形してリング状の環装シール体を形成し、この環装シール体における筒体の内周面に密接する外径にて大径な円板を形成し、小径な円板の外径は筒体の内周面から離間してこの内周面との間に流通路を形成する様な大きさと成し、この環装シール体内の両側に大径な円板を配設し、その間に互いの小室が対向する他の複数の小室に連通する様に位置を違える様に、２枚の小径な円板を配列させて触媒集合エレメントと成し、この触媒集合エレメントをケーシング内に配列し、触媒集合エレメント両端間の寸法をケーシングの両端間の寸法より大きく設定して触媒反応装置と成している。
【００１７】
又、他の触媒反応装置としては、円筒状のケーシングの両端に入口および出口を形成した蓋体を着脱自在と成すと共に、蓋体にケーシング内に挿入される円柱突部を設け、円柱突部先端の周縁側に半割り溝状と成したシール座面を形成し、又大径な円板の外径をケーシングの内周面に密接しない大きさに形成すると共に、小室が形成されていない背面の周縁側に半割り溝状と成したシール座面を形成し、互いの小室が対向する他の複数の小室に連通する様に位置を違える様に、２枚の大小の円板を連結して触媒エレメントと成し、これら触媒エレメントは互いに同径の円板が隣接するように重ね合わせてケーシング内に配列し、隣接するシール座面によって画成されるシール溝内にシール部材を設けて触媒反応装置と成している。
【００１８】
又、前記触媒反応装置において、シール溝における底部であるシール座面をテーパ面状と成している。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の発明の実施の形態を図面に基づいて説明すると、
先ず、本発明に係る触媒反応方法に用いる各種の触媒反応システム１、1a…としては、攪拌羽根である機械的な攪拌手段を用いずに、反応流体の流動状態を複雑にすると共に、気体を細分化する触媒反応装置２を用いるものである。
【００２０】
先ず、第一の触媒反応システム１としては、酸素又は空気を用いる酸化反応や、水素を用いる水素化反応等を気液固系の触媒反応で行うものであって、かかる触媒反応システム１を構成する場合には、図１に示す様に入口側2aを下方に、出口側2bを上方にして触媒反応装置２を配設し、触媒反応装置２の入口側2aに、立設させた入口接続管３の一端を接続すると共に、触媒反応装置２の出口側2bに垂設させた出口接続管４の一端を接続している。
【００２１】
又、入口接続管３の他端と、出口接続管４の他端間に気体接続管５を接続すると共に、気体接続管５の途中路に、Ｈ2 、Ｏ2 又は空気等の気体を送給する気体用ポンプ６を介装し、且つ気体用ポンプ６の出口側6aにおける気体接続管５の送り管路5aの途中路に、気体の送給源である気体送給源 (図示せず) に一端が接続された気体送給管７の他端を接続し、触媒反応装置２内に気体を送給する気体送給経路８を、気体接続管５、気体用ポンプ６、気体送給管７によって構成している。
【００２２】
尚、気体送給源に接続された気体送給管７は上記実施例に限定されず、気体用ポンプ６の入口側6bにおける気体接続管５の戻り管路5bの途中路に接続することも可能である。
【００２３】
又、出口接続管４の途中路と、気体送給経路８における気体接続管５の送り管路5aの途中路、若しくは入口接続管３の途中路との間に液体接続管９を接続すると共に、液体接続管９の途中路に原料である液体を送給する液体用ポンプ10を介装している。
【００２４】
又、液体接続管９における液体用ポンプ10の入口側10a に接続される戻り管路9aの途中路に、一つの入口と二つの出口を有する流路切替バルブ11を介装し、該流路切替バルブ11の第一の出口11a を液体用ポンプ10の入口側10a に接続される戻り管路9aに接続すると共に、流路切替バルブ11の第二の出口11b を、一部未反応原料を含んだ生成物を次工程である生成物の分離工程へ送るための生成物送給管12に接続している。
【００２５】
又、液体接続管９における液体用ポンプ10の出口側10b に接続される送り管路9bの途中に原料を適宜供給する供給源である原料送給源 (図示せず) に接続された原料送給管13を接続している。
【００２６】
尚、原料送給管13の接続個所は、上記実施例に限定されず、例えば入口接続管３、又は気体接続管５の戻り管路5bに接続しても良い。
【００２７】
そして、触媒反応装置２内に原料を供給したり、又生成物を取り出しする液体送給経路14を、液体接続管９、液体用ポンプ10、流路切替バルブ11、生成物送給管12、原料送給管13によって構成している。
【００２８】
触媒反応装置２は入口20および出口21を有する円筒状のケーシング22内に所望する個数の混合エレメント23を内装している。
【００２９】
ケーシング22は、円筒状のケーシング本体24の両端の開口部に夫々外周方向に突出するフランジ25、25a が形成され、フランジ25、25a 端面にケーシング本体24の内径より小径な入口20および出口21を中央に形成した板状の蓋体26、26a を着脱自在に装着している。
【００３０】
ケーシング22の中空内部における軸心方向に配列する混合エレメント23は、図３、４、５に示す様に、互いに対向する円板本体27の前面に、この前面に対して側壁28を直角と成した前方開放の平面視が多角形状である有底筒状の小室29、29a …を多数整列させて配列した大小２枚の円板30、31を一組みとし、これを同心的に重合させている。
【００３１】
又、前記大径な円板30はケーシング22の内周面に密接させて水密と成る外径にて形成されると共に、中央に流通孔32が穿設され、一方、小径な円板31の外径はケーシング22の内周面から離間して該内周面との間に流通路33が形成される大きさと成している。
【００３２】
又、図５に示す様に大径な円板30の小室29、29a …と、小径な円板31の小室29、29a …とは互いの小室29、29a …が対向する他の小室29、29a …に連通する様に位置を違えて配列させている。
【００３３】
そして、これら混合エレメント23は互いに同径の円板が隣接するように重ね合わせてケーシング22の中空内部に直列的に配設する。
【００３４】
又、直列状態の混合エレメント23の両側には大径な円板30を配置して、大径な円板30の流通孔32と入口20および出口21を連通させている。
【００３５】
又、上記実施例では小室29、29a …の平面視形状を六角と成してハニカム状に多数配列したものを示したが、かかる形状に何ら限定されず、図６、７、８に示す様に小室29、29a …の平面視形状を三角、四角、八角…等と成したり、又円形（図示せず）と成しても良い。
【００３６】
又、大小２枚の円板30、31の他の実施例としては、図１０、１１に示す様に任意の小室29、29a …の底面( 円板本体27の前面) に、この小室29、29a …を形成する側壁28の上端面の高さより低くした突起34を設けることにより、流体の流れに乱れを積極的に生じさせることが可能となり、又突起34を円板30、31の中心部に近づくに従って順次小さくすることにより、円周方向に配列される小室29、29a …の直径方向における外側と内側との内容積を均一化し、脈動を防止してスムーズな流れを確保できる。
【００３７】
又、混合エレメント23を構成する大径な円板30および小径な円板31の材質としては、一定の形状を維持できる強度を有するものであれば良い。
【００３８】
次に、第二の触媒反応システム1aとしては、触媒反応システム１の混合エレメント23自身に触媒作用を持たせるために、セラミックス、金属、金属酸化物等の触媒物質によって大径な円板30および小径な円板31の全体を形成して触媒エレメント35と成したり、又一定の形状を維持できる強度を持つ、任意材質によって大径な円板30および小径な円板31を形成して触媒担体と成し、この触媒担体の表面に、金属、金属酸化物等の触媒物質である固体触媒を担持または固定させて触媒エレメント35と成している。
【００３９】
尚、触媒エレメント35の上記材質は反応流体が入口20から出口21まで短絡的に流れない様な材質とする必要があるので、例えば円板本体27の前面から他の一面である背面につながる連続した気孔を有しないものを用いる。
【００４０】
又、その他の構成については、第一の触媒反応システム１と同様のため省略する。
【００４１】
次に、第三の触媒反応システム1bとしては、触媒反応システム１、1aの混合エレメント23または触媒エレメント35を使用するものにして、図１２、１３、１４に示す様に、パッキン、ガスケット等に使用される材質である弾性体（ニトリルゴム、シリコーンゴム等）によりケーシング22の内周面との間に若干の隙間を具有させて遊嵌状に挿入される外径にて筒体36を形成し、この筒体36の両端より内方側へ鍔片37、37a を一体成形してリング状の環装シール体38と成している。
【００４２】
又、環装シール体38における筒体36の軸心方向の長さについては、混合エレメント23または触媒エレメント35の大小の円板30、31を４枚同心的に重ねた状態の軸心方向の長さに概ね一致させている。
【００４３】
又、環装シール体38における筒体36の内周面に密接する外径にて大径な円板30を形成し、又小径な円板31の外径は筒体36の内周面から離間してこの内周面との間に流通路33を形成する様な大きさと成している。
【００４４】
そして、大径な円板30を両側に配設し、その間に互いの小室29、29a …が対向する他の小室29、29a …に連通する様に位置を違えて、小径な円板31を配設する様にした大小２枚の円板30、31からなる２組の混合エレメント23または触媒エレメント35を環装シール体38の中空内部に配列させて触媒集合エレメント39と成している。
【００４５】
次に、複数の触媒集合エレメント39をケーシング22の中空内部に直列的に配設し、フランジ25、25a 端面に蓋体26、26a を当ててボルト等によって固定することにより、蓋体26、26a によって複数の触媒集合エレメント39が挟持固定されてケーシング22内に配列される。
【００４６】
ここで、ケーシング22の両端間の寸法Ｌ１に対し、複数配列する触媒集合エレメント39を自由状態で同心的に、環装シール体38の夫々の鍔片37、37a を接触させた連続状態における両端間の寸法Ｌ２を大きく設定することにより、各触媒集合エレメント39における環装シール体38の鍔片37、37a に夫々押圧力が加わるため、この押圧力によって各鍔片37、37a が圧縮変形し、その際の弾性復元力によって小室29、29a …の側壁28の上端面相互が圧接されて密接状態が良好となると共に、環装シール体38の鍔片37、37a が大径な円板30の背面に圧接されて密接状態を良好と成してシール機能を完璧なものにしている。
【００４７】
又、蓋体26、26a による押圧力が不足する際には弾性体からなる平板リング状のスペーサ（図示せず）を介装することによって押圧力を調整でき、又上記実施例においては、触媒集合エレメント39が複数の場合であるが、この触媒集合エレメント39を単体とする場合には、触媒集合エレメント39の両端間の寸法Ｌ２をケーシング22の両端間の寸法Ｌ１より大きくすれば良い。
【００４８】
又、その他の構成については、第一の触媒反応システム１と同様のため省略する。
【００４９】
次に、第四の触媒反応システム1bとしては、触媒反応システム１の混合エレメント23と触媒反応システム1aの触媒エレメント35を改良するものにして、図１５〜２４に示す様に、大径な円板30の外径をケーシング22の内周面と密着しない大きさ（遊嵌状となる程度）と成すと共に、小室29、29a …が形成されていない平坦な円板本体27の背面に、円板本体27の外径より若干小径と成す底辺径を有する偏平な円錐台状の台座部40を一体形成することにより、この台座部40の外側である円板本体27の周縁側を陥没状と成してシール座面41を形成している。
【００５０】
このシール座面41は、後述するシール溝55を画成するために、半割り溝状と成し、且つその一部がテーパ面状に形成された領域によって形成され、又テーパ面状の部位としてはシール溝55におけるシール部材56が押圧接触される座部と成している。
【００５１】
又、シール座面41の他の実施例としては、台座部40を偏平な円柱状に形成し、この台座部40の外周面と、円板本体27の背面における周縁側とによって陥没状と成した領域にて半割り溝状に形成しても良い。
【００５２】
又、大径な円板30の中心を貫く流通孔32の中心に、流通孔32の内面から中心に指向するアーム42の先端にハブ43を一体形成し、このハブ43の中心に軸孔44を形成すると共に、流通孔32の周囲の台座部40に所定深さで凹状に形成した座ぐり部45を形成している。
【００５３】
次に、小径な円板31の小室29、29a …が形成される前面の中心には、円柱状のボス46を突設し、このボス46の中心にメネジ孔47を螺刻すると共に、同じ前面の外側には、大径な円板30における最も外側の任意な小室29、29a …と嵌合する嵌合ピン48、48a を突設している。
【００５４】
そして、図２２、２３に示す様に、前面に設けた小室29、29a …が対向する他の小室29、29a …に連通する様に位置を違えて重ね合わせ、その後、止めネジ49を軸孔44に通してメネジ孔47に螺入して大小２枚の円板30、31を連結して触媒エレメント35a （又は混合エレメント23a ）と成している。
【００５５】
又、ケーシング22のフランジ25、25a にはボルト挿通孔50、50a …を形成し、このケーシング22の両端に装着する入口20、出口21を夫々形成する蓋体26、26a には、ケーシング22両端の開口部内に遊嵌状に挿入される円柱突部51を設け、円柱突部51先端の周縁側には前記大小２枚の円板30、31と同様なるシール座面41を形成し、又フランジ25、25a と対向する個所には調整ボルト52が螺入する適宜数の貫通ネジ孔53を形成している。
【００５６】
そして、ケーシング22の開口部から中空内部に直列的に、止めネジ49で大小２枚の円板30、31を連結した触媒エレメント35a （又は混合エレメント23a ）を、大径な円板30同士および小径な円板31同士が隣接する様に配列し、ケーシング22の両端の開口部内に円柱突部51を挿入した状態で、蓋体26、26a を適宜数の連結ボルト54、54a によって装着すると、隣接する触媒エレメント35a （又は混合エレメント23a ）における大径な円板30に形成されるシール座面41によって略Ｖ字状、略Ｕ字状のシール溝55が画成される。
【００５７】
かかるシール溝55とケーシング22内周面とによって所定のつぶし代が得られるリング状のシール部材56を、シール溝55内に装着する。
【００５８】
ここで、シール部材56の装着方法としては、先ず、ケーシング22の一方の開口部に蓋体26を適宜数の連結ボルト54、54a によって装着し、その後、シール部材56、触媒エレメント35a （又は混合エレメント23a ）の順で多数直列的に配列し、最終的に蓋体26a をケーシング22の一方の開口部に適宜数の連結ボルト54、54a によって装着すると、隣接するシール座面41によって画成されるシール溝55内にシール部材56が装着される。
【００５９】
又、シール部材56としては、Ｏリング、Ｘリング、Ｄリング等があり、又その材質についてもニトリルゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、テフロン等がある。
【００６０】
又、その他の構成については、第一の触媒反応システム１と同様のため省略する。
【００６１】
次に、本発明に係る触媒反応方法について説明すると、
先ず、第一の触媒反応システム１における触媒反応方法については、反応流体である液体および気体分と、セラミックス、金属、金属酸化物等の触媒物質からなる粒状の固体触媒を、気体用ポンプ６を設ける気体送給経路８および液体用ポンプ10を設ける気体送給管７を介して混合エレメント23を内装した触媒反応装置２内を通過させて各種の触媒反応させるのである。
【００６２】
次に、第二の触媒反応システム1aにおける触媒反応方法については、反応流体である液体および気体分を、気体用ポンプ６を設ける気体送給経路８および液体用ポンプ10を設ける気体送給管７を介して触媒エレメント35を内装した触媒反応装置２内を通過させて各種の触媒反応させるのである。
【００６３】
次に、第三の触媒反応システム1bおよび第４の触媒反応システム1cにおける触媒反応方法については、前記第一の触媒反応システム１および第二の触媒反応システム1aと同様に、各種の触媒反応させるのである。
【００６４】
次に、前記第一〜第四の触媒反応システム１、1a、1b、1cにおける触媒反応装置２での触媒反応のメカニズムについては、
反応流体である液体および気体分と、粒状の固体触媒を、触媒反応装置２の入口20からケーシング22の内部空間に加圧流入させると、この流体の流れは、例えば図３に示す矢印のように上流側の混合エレメント23の流通孔32からその内部に達し、小径な円板31により直進進路が妨げられて方向を変え、互いに連通する小室29、29a …を経て中央部から外側に向かって放射状に直角衝突、分散、合流、蛇行、渦流等の状態が組み合わさって複雑に流動する。
【００６５】
この様に、上流側の混合エレメント23を通過してケーシング22の内周面に到達した流体は、そのケーシング22の内周面と小径な円板31とによって形成された流通路33から下流側の混合エレメント23の各小室29、29a …に入り、上述の様な直角衝突、分散、合流、蛇行、渦流等の複雑な流れで中央部に集合され、再び流通孔32から下流側の混合エレメント23に入り、そして、再度各小室29、29a …を経ながら中央部から外側へ向かって直角衝突、分散、合流、蛇行、渦流等によって複雑に、順次混合エレメント23の内部を流動し、かかる流動状態によって反応流体の気体分が微細気泡化されて気泡および固体触媒が混濁した状態で通過し、出口21より排出される。
【００６６】
したがって、触媒反応装置２での気液分散体単位体積あたりの気液界面積が著しく大きくでき、これによって触媒反応の一過程である「▲１▼気体（Ｏ2 またはＨ2 ）の液相反応物を含む液相への溶解」、いわゆるガス吸収効率が著しく向上されると共に、固体触媒も反応流体中で複雑に流動することにより反応流体と固体触媒との接触効率も向上する。
【００６７】
又、流体は上記の様に、各小室29、29a …の底面および側壁28への直角衝突、各小室29、29a …から他の複数の小室29、29a …への分散、複数の小室29、29a …から他の一つの小室29、29a …への合流、蛇行、さらに複数の小室29、29a …から各小室29、29a …への流入による渦流による流体力学的な剪断、各小室29、29a …から他の小室29、29a …への連通路であるオリフイスを通過する際の流体力学的な剪断、衝撃的破壊による粉砕、側壁28の上端面を通過する際の剪断、機械的なキャビテーション等によって反応流体の気体分が微細気泡化して分散混合が行われるのである。
【００６８】
又、ここで混合エレメント23の分散総数については、中心より順次放射状に配列した大小２枚の円板30、31における小室29、29a …の室数によって決定されるのであり、例えば図５に示す平面視六角状のものであれば、室数が６室、12室、18室（計36室) の３列状の円板30と、室数が３室、９室、15室（計27室) の３列状の円板31を重合させた混合エレメント23の合計した１流体の場合の分散総数は数千回にも達し、２流体（液体および気体分からなる反応流体）以上であれば当然その乗数積となる。
【００６９】
尚、上記分散総数とは、円板30と円板31において、互いに連通する小室29、29a …によって混合エレメント23を通過する間に生じるべき流体が分散される数のことであり、複数の混合エレメント23から成る場合は、混合エレメント23の各分散総数の積と成り、小室29、29a …の列数を増減することにより、適宜増減可能である。
【００７０】
又、上記の触媒反応メカニズムにおいては、基本的には混合エレメント23で説明するも、他の混合エレメント23a 、触媒エレメント35、35a 、触媒集合エレメント39での流体の流れについて同様であるため省略し、又触媒エレメント35、35a を使用する触媒反応については、反応流体の流れが上記の様に複雑であるため、反応流体の内外全体が触媒に接触するため、接触効率が向上する。
【００７１】
又、触媒集合エレメント39を内装した触媒反応装置２を有する第三の触媒反応システム1bについては、触媒集合エレメント39両端間の寸法Ｌ２をケーシング22の両端の寸法Ｌ１より大きく設定し、蓋体26、26a をケーシング22の両端に装着して触媒集合エレメント39を挟持固定していることにより、円板30、31における小室29、29a …を形成する側壁28の上端面の密着状態を強固に維持できる。
【００７２】
又、隣接するシール座面41によってシール溝55が画成される触媒反応装置２を有する第４の触媒反応システム1cについては、シール部材56と触媒エレメント35a （又は混合エレメント23a ）を順次、ケーシング22内に入れるだけで、シール溝55内にシール部材56が装着でき、又このシール部材56によって大径な円板30の外径とケーシング22の内周面の間からの流体の短絡的な流れを規制する様にシールでき、又シール座面41をテーパ面状と成す場合は、図２４に示す様に、テーパ面がシール部材56の装着時の誘導面と成るため、シール部材56の噛み込みが防止できる。
【００７３】
又、蓋体26、26a の円柱突部51端面と触媒エレメント35a （又は混合エレメント23a ）の大径な円板30の背面の間から漏れようとする流体についても、円柱突部51のシール座面41と円板30のシール座面41によって画成されるシール溝55内にシール部材56が装着されるため、円柱突部51外周からの外部への漏れが防止でき、円柱突部51外周側に一般的に設けるガスケット類が不要と成る。
【００７４】
次に、触媒反応装置２おいて、小室29、29a …の平面視形状を六角と成すと共に、小室29、29a …の室数を４８室と成した大径な円板30と、小室29、29a …の室数を３０室と成した小径な円板31から構成される触媒集合エレメント39を、ケーシング22内に夫々、２ユニット、４ユニット、６ユニットおよび１０ユニットを内装した四種類を用い、気液二成分からなる反応流体を加圧供給して内部空間を通過させ、触媒反応装置２の出口2b側での気泡径を測定したところ、４５μｍ〜６６μｍ程度にまで微細気泡化されることが認められ、これによって気液界面積が著しく大きくなることが確認された。
【００７５】
【発明の効果】
要するに本発明は、両端に入口20、出口21を有した円筒状のケーシング22と、複数の触媒エレメント35から成り、触媒エレメント35は、互いに対向する前面に、前面に対して側壁28を直角と成した前方開放の筒状の小室29、29a …を多数配列した大小２枚の円板30、31を一組みとして、これを同心的に重合させ、前記大径な円板30はケーシング22の内周面に密接する外径にて形成されると共に、中央に流通孔32が穿設され、又小径な円板31の外径はケーシング22の内周面から離間してその内周面との間に流通路33が形成される大きさと成し、大径な円板30の小室29、29a …と、小径な円板31の小室29、29a …とは互いの小室29、29a …が対向する他の複数の小室29、29a …に連通する様に位置を違えて配列させ、これら触媒エレメント35は互いに同径の円板30、31が隣接するように重ね合わせてケーシング22内に配列すると共に、ケーシング22の入口20および出口21と流通孔32が連通する様に両側には大径な円板30、31を配置して構成した触媒反応装置２を用い、反応流体を気液二相成分と成して触媒反応装置２内を通過させたので、反応流体は、互いに連通する小室29、29a …を経て上流側から下流側へと拡散および集合を繰り返しながら順次流動し、その流動過程における小室29、29a …の側壁28の側面および上端面並びに座面への直角衝突、小室29、29a …から他の小室29、29a …への分散および合流、蛇行、渦流等の組み合わせによる複雑な流動と、大きな分散総数によって反応流体中の気体の気泡径は、従来の粒子流動型反応装置ａにおける気泡径に比して著しく微細気泡化され、気液界面積が大きくなってガス吸収効率が高まり、触媒反応速度を向上でき、しかも、反応流体の流動が複雑となるため、流体の短絡的な流れがなくなって反応流体と触媒エレメント35との接触効率が向上すると共に、触媒エレメント35での拡散および集合の流動方向は半径方向であり、且つ複雑に屈曲しているため流路長を長くでき、気泡径も小さいことと相俟って触媒反応装置２の小型化を図ることができる。
【００７６】
又、反応流体が触媒物質に直角に衝突して接触するため、反応流体の内外全体が触媒物質と接触することにより従来の触媒反応装置のように中心側が接触しないことによる触媒反応効率低下の欠点を解消でき、同時に従来の壁面を端に接触して流動するものに比し、反応流体の内外全体が高い分散総数によって混合されるため、流動する過程において反応流体中の温度分布にムラが生じなく、常に一定の温度分布を維持した状態で流動できるため、触媒も活性化し、触媒反応効率を向上させる事ができる。
【００７７】
又、前記触媒反応装置２において、円筒状のケーシング22の両端に入口20および出口21を形成した蓋体26、26a を着脱自在と成し、弾性体によりケーシング22内に挿入される外径にて筒体36を形成し、この筒体36の両端より内方側へ鍔片37、37a を一体成形してリング状の環装シール体38を形成し、この環装シール体38における筒体36の内周面に密接する外径にて大径な円板30を形成し、小径な円板31の外径は筒体36の内周面から離間してこの内周面との間に流通路33を形成する様な大きさと成し、この環装シール体38内の両側に大径な円板30を配設し、その間に互いの小室29、29a …が対向する他の複数の小室29、29a …に連通する様に位置を違える様に、２枚の小径な円板31を配列させて触媒集合エレメント39と成し、この触媒集合エレメント39をケーシング22内に配列し、触媒集合エレメント39両端間の寸法Ｌ２をケーシング22の両端間の寸法Ｌ１より大きく設定したので、蓋体26、26a をケーシング22の両端に装着して触媒集合エレメント39を挟持固定できることにより、上記と同様なる効果に加え、円板30、31における小室29、29a …を形成する側壁28の上端面の密着状態を強固に維持できるため、各円板30、31のガタツキが防止でき、側壁28相互の上端面或いは大径な円板30の外周側からの漏れによって発生する短絡的な流動や、脈流による分散混合不良による触媒反応効果の低下を防止できる。
【００７８】
又、円筒状のケーシング22の両端に入口20および出口21を形成した蓋体26、26a を着脱自在と成すと共に、ケーシング22内に挿入される円柱突部51を設け、円柱突部51先端の周縁側に半割り溝状と成したシール座面41を形成し、又大径な円板30の外径をケーシング22の内周面に密接しない大きさに形成すると共に、小室29、29a …が形成されていない背面の周縁側に半割り溝状と成したシール座面41を形成し、互いの小室29、29a …が対向する他の複数の小室29、29a …に連通する様に位置を違える様に、２枚の大小の円板30、31を連結して触媒エレメント35a と成し、これら触媒エレメント35a は互いに同径の円板30、31が隣接するように重ね合わせてケーシング22内に配列し、隣接するシール座面41によって画成されるシール溝55内にシール部材56を設けたので、シール部材56と触媒エレメント35a を単にケーシング22内に順次挿入して配設するだけで、シール溝55が画成できると同時にシール溝55内にシール部材56を装着できるため、触媒反応装置２の組立が極めて簡単になると共に、シール部材56が確実にシール溝55内に装着されるため、大径な円板30の外周側からの流体の短絡的な流れが規制されることによって混合効率の低下が防止でき、ガス吸収効率等を良好に維持し触媒反応の高効率化を図ることができ、又円柱突部51のシール座面41と円板30のシール座面41によって画成されるシール溝55内にシール部材56が装着されるため、円柱突部51外周からの外部への漏れも同時に防止でき、円柱突部51外周側に一般的に設けるガスケット類が不要と成り、しかも、大径な円板30の外径はケーシング22の内周面に密接しないため、触媒エレメント35a を複数配列するケーシング22の内周面の加工精度を精密にする必要はなく、ケーシング22自体の機械加工も簡単と成る。
【００７９】
又、シール溝55における底部であるシール座面41をテーパ面状と成したので、テーパ面がシール部材56の装着時の誘導面と成るため、目視的な確認が困難であるケーシング22内でのシール部材56の噛み込みによるシール不良が防止できる等その実用的効果甚だ大なるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る触媒反応システムの概略構成図である。
【図２】触媒反応システムを構成する触媒反応装置の概略断面図である。
【図３】同上触媒反応装置の混合エレメントを構成する２枚の円板の正面図である。
【図４】同上円板の斜視図である。
【図５】同上円板を２枚、同心的に重合させた場合における各小室の連通配列状態を示す図である。
【図６】同上円板における小室の形状を三角と成した連通配列状態を示す図である。
【図７】同上円板における小室の形状を四角と成した連通配列状態を示す図である。
【図８】同上円板における小室の形状を八角と成した連通配列状態を示す図である。
【図９】図２のＡーＡ概略断面図である。
【図１０】突起を設けた大小２枚の円板を使用した触媒反応装置の概略断面図である。
【図１１】図１０のＢーＢ概略断面図である。
【図１２】触媒反応装置の他の実施例を示す概略断面図である。
【図１３】同上触媒反応装置における蓋体を装着する前の状態を示す断面図である。
【図１４】同上触媒反応装置を構成する触媒集合エレメントの分解斜視図である。
【図１５】触媒反応装置の他の実施例を示す一部断面と成した平面図である。
【図１６】同上触媒反応装置における触媒エレメントを構成する大小２枚の円板の正面図である。
【図１７】同上大小２枚の円板の側面図である。
【図１８】同上大小２枚の円板の前面斜視図である。
【図１９】同上大径な円板の背面斜視図である。
【図２０】図１６のＣーＣ概略断面図である。
【図２１】図１６のＤーＤ概略断面図である。
【図２２】同上触媒反応装置における触媒エレメントの分解斜視図である。
【図２３】同上触媒エレメントの斜視図である。
【図２４】テーパ面から成るシール溝へのシール部材の装着状態を示す部分拡大断面図である。
【図２５】従来の粒子流動型反応装置を示す概略構造図である。
【図２６】従来の触媒反応装置を示す概略構造図である。
【符号の説明】
２ 触媒反応装置
20 入口
21 出口
22 ケーシング
23、23a 混合エレメント
26、26a 蓋体
28 側壁
29、29a … 小室
30 円板
31 円板
32 流通孔
33 流通路
35、35a 触媒エレメント
36 筒体
37、37a 鍔片
38 環装シール体
39 触媒集合エレメント
41 シール座面
51 円柱突部
55 シール溝
56 シール部材
【発明の属する技術分野】
本発明は化学工業における各触媒反応を効率的に行わせる様にした触媒反応方法およびそれに使用する触媒反応装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
先ず、触媒反応における空気あるいは酸素を用いて有機化合物からアルコール、アルデヒド、酸等の中間酸化物を得る酸化反応や、不飽和炭化水素の水素添加、官能基の水素還元は気相法と液相法の２種に大別される。
【０００３】
そして、現在、工業的にはすべて液相法が採用されており、この液相法の場合にも触媒が液相に溶解した状態で存在する気液触媒反応である２相系や、固体触媒を用いた気液固触媒反応である３相系があり、この３相系の反応は次の過程を経て進むと考えられている。
【０００４】
▲１▼気体（Ｏ2 またはＨ2 ）の液相反応物を含む液相への溶解
▲２▼溶解した気体および液相反応物の両方あるいは少なくとも一方の触媒表面へ
の吸着
▲３▼触媒表面上での反応
▲４▼反応生成物の触媒からの脱離
▲５▼生成物の触媒から液相への拡散
尚、２相系では上記▲２▼の吸着過程はなく、上記▲３▼の反応も液相中で行われる。
【０００５】
この様に、２相系、３相系の諸反応過程のうちで、反応速度を支配する律速段階は上記▲１▼の気体溶解の過程である。
【０００６】
そして、上記▲１▼の手段として機械的な攪拌手段を用いない気泡塔形式の装置としては、図２５に示す様に、液相を回分式および連続式、気相を連続式と成した粒子流動型反応装置ａが知られ、この粒子流動型反応装置ａは液相（固体触媒粒子が混在しているのも含む）を有する気泡塔ｂの底部に設けたガス分散器ｃから送給される気泡のエアリフト作用によって液相、固体触媒粒子を気泡塔ｂ内で循環流動させるものである。
【０００７】
しかし、循環流動させるために、気泡径を２ミリ〜10ミリ程度と成していることにより、上記▲１▼の気体溶解の過程が非効率と成って反応速度の高速化が望めないのが現状である。
【０００８】
又、他の触媒反応装置ｄとしては、図２６に示す様に流体管路ｅ中に、格子状またはハニカム状の貫通孔ｆが形成された単位触媒体ｇを、前記貫通孔ｆが連通状態で反応流体の流れ方向に多数設けたものが知られている。
【０００９】
ところが、上記触媒反応装置ｄ内を流れる反応流体は、貫通孔ｆ内を直線的に通過するものに過ぎず、このため貫通孔ｆ内で整流されてしまい混合が不十分と成ったり、又反応流体は、その表層側が貫通孔ｆの内壁と接触するのみで、中心側が接触しないため、触媒表面との接触効率が低下し、このため流動接触経路を長くとらなければならず、必然的に装置自体が大型化する欠点を有している。
【００１０】
又、触媒反応の多くは反応に伴って熱を発生するも、上記の様に混合が不十分と成ることや、貫通孔ｆ内で流れる反応流体の中心側が触媒表面と接触しないことによって流体管路ｅ中の温度分布が不均一と成ってしまい、このため触媒の活性に大きな影響を与え、結果的に目的とする生成物の収率が低下する欠点を有していた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、気液界面積を大きくしたり、反応流体の短絡的な流れを無くし、さらに反応流体の内外全体を触媒物質と接触させ、且つ流動する過程において反応流体中の温度分布を均一にして総合的な触媒反応速度の高速化を可能にし、又流路長を長くして触媒反応装置の小型化を図ると共に、触媒反応装置の組立を極めて簡単と成し、さらに機械加工を簡単となし、且つ組立て時のシール不良を防止する触媒反応方法およびそれに使用する触媒反応装置を提供せんとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記従来技術に基づく気体溶解の非効率、混合が不十分、触媒表面との接触効率の低さ、さらに温度分布の不均一等の課題に鑑み、触媒反応装置内での反応流体の分散総数を高くし、且つ流動状態を複雑にして触媒との接触効率を向上させ、触媒反応の高速化を基本的に図ることを要旨とする触媒反応方法およびそれに使用する触媒反応装置を提供して上記欠点を解消せんとしたものである。
【００１３】
触媒反応方法としては、反応流体を気液二相成分と成して触媒反応装置内を通過させる際に、粒状の固体触媒を反応流体中に混濁させたり、又反応流体を気液二相成分と成して触媒反応装置内を通過させて触媒反応させるものである。
【００１４】
この、触媒反応方法に使用する触媒反応装置としては、両端に入口、出口を有した円筒状のケーシングと、触媒物質で形成、又は触媒物質である固体触媒を表面に担持または固定させて形成される複数の触媒エレメントで構成している。
【００１５】
触媒エレメントは、互いに対向する前面に、前面に対して側壁を直角と成した前方開放の筒状の小室を多数配列した大小２枚の円板を一組みとして、これを同心的に重合させ、前記大径な円板はケーシングの内周面に密接する外径にて形成されると共に、中央に流通孔が穿設され、又小径な円板の外径はケーシングの内周面から離間してその内周面との間に流通路が形成される大きさと成し、大径な円板の小室と、小径な円板の小室とは互いの小室が対向する他の複数の小室に連通する様に位置を違えて配列させ、これら触媒エレメントは互いに同径の円板が隣接するように重ね合わせてケーシング内に配列すると共に、ケーシングの入口および出口と流通孔が連通する様に両側には大径な円板を配置して構成している。
【００１６】
又、他の触媒反応装置としては、円筒状のケーシングの両端に入口および出口を形成した蓋体を着脱自在と成し、弾性体によりケーシングの内周面に挿入される外径にて筒体を形成し、この筒体の両端より内方側へ鍔片を一体成形してリング状の環装シール体を形成し、この環装シール体における筒体の内周面に密接する外径にて大径な円板を形成し、小径な円板の外径は筒体の内周面から離間してこの内周面との間に流通路を形成する様な大きさと成し、この環装シール体内の両側に大径な円板を配設し、その間に互いの小室が対向する他の複数の小室に連通する様に位置を違える様に、２枚の小径な円板を配列させて触媒集合エレメントと成し、この触媒集合エレメントをケーシング内に配列し、触媒集合エレメント両端間の寸法をケーシングの両端間の寸法より大きく設定して触媒反応装置と成している。
【００１７】
又、他の触媒反応装置としては、円筒状のケーシングの両端に入口および出口を形成した蓋体を着脱自在と成すと共に、蓋体にケーシング内に挿入される円柱突部を設け、円柱突部先端の周縁側に半割り溝状と成したシール座面を形成し、又大径な円板の外径をケーシングの内周面に密接しない大きさに形成すると共に、小室が形成されていない背面の周縁側に半割り溝状と成したシール座面を形成し、互いの小室が対向する他の複数の小室に連通する様に位置を違える様に、２枚の大小の円板を連結して触媒エレメントと成し、これら触媒エレメントは互いに同径の円板が隣接するように重ね合わせてケーシング内に配列し、隣接するシール座面によって画成されるシール溝内にシール部材を設けて触媒反応装置と成している。
【００１８】
又、前記触媒反応装置において、シール溝における底部であるシール座面をテーパ面状と成している。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の発明の実施の形態を図面に基づいて説明すると、
先ず、本発明に係る触媒反応方法に用いる各種の触媒反応システム１、1a…としては、攪拌羽根である機械的な攪拌手段を用いずに、反応流体の流動状態を複雑にすると共に、気体を細分化する触媒反応装置２を用いるものである。
【００２０】
先ず、第一の触媒反応システム１としては、酸素又は空気を用いる酸化反応や、水素を用いる水素化反応等を気液固系の触媒反応で行うものであって、かかる触媒反応システム１を構成する場合には、図１に示す様に入口側2aを下方に、出口側2bを上方にして触媒反応装置２を配設し、触媒反応装置２の入口側2aに、立設させた入口接続管３の一端を接続すると共に、触媒反応装置２の出口側2bに垂設させた出口接続管４の一端を接続している。
【００２１】
又、入口接続管３の他端と、出口接続管４の他端間に気体接続管５を接続すると共に、気体接続管５の途中路に、Ｈ2 、Ｏ2 又は空気等の気体を送給する気体用ポンプ６を介装し、且つ気体用ポンプ６の出口側6aにおける気体接続管５の送り管路5aの途中路に、気体の送給源である気体送給源 (図示せず) に一端が接続された気体送給管７の他端を接続し、触媒反応装置２内に気体を送給する気体送給経路８を、気体接続管５、気体用ポンプ６、気体送給管７によって構成している。
【００２２】
尚、気体送給源に接続された気体送給管７は上記実施例に限定されず、気体用ポンプ６の入口側6bにおける気体接続管５の戻り管路5bの途中路に接続することも可能である。
【００２３】
又、出口接続管４の途中路と、気体送給経路８における気体接続管５の送り管路5aの途中路、若しくは入口接続管３の途中路との間に液体接続管９を接続すると共に、液体接続管９の途中路に原料である液体を送給する液体用ポンプ10を介装している。
【００２４】
又、液体接続管９における液体用ポンプ10の入口側10a に接続される戻り管路9aの途中路に、一つの入口と二つの出口を有する流路切替バルブ11を介装し、該流路切替バルブ11の第一の出口11a を液体用ポンプ10の入口側10a に接続される戻り管路9aに接続すると共に、流路切替バルブ11の第二の出口11b を、一部未反応原料を含んだ生成物を次工程である生成物の分離工程へ送るための生成物送給管12に接続している。
【００２５】
又、液体接続管９における液体用ポンプ10の出口側10b に接続される送り管路9bの途中に原料を適宜供給する供給源である原料送給源 (図示せず) に接続された原料送給管13を接続している。
【００２６】
尚、原料送給管13の接続個所は、上記実施例に限定されず、例えば入口接続管３、又は気体接続管５の戻り管路5bに接続しても良い。
【００２７】
そして、触媒反応装置２内に原料を供給したり、又生成物を取り出しする液体送給経路14を、液体接続管９、液体用ポンプ10、流路切替バルブ11、生成物送給管12、原料送給管13によって構成している。
【００２８】
触媒反応装置２は入口20および出口21を有する円筒状のケーシング22内に所望する個数の混合エレメント23を内装している。
【００２９】
ケーシング22は、円筒状のケーシング本体24の両端の開口部に夫々外周方向に突出するフランジ25、25a が形成され、フランジ25、25a 端面にケーシング本体24の内径より小径な入口20および出口21を中央に形成した板状の蓋体26、26a を着脱自在に装着している。
【００３０】
ケーシング22の中空内部における軸心方向に配列する混合エレメント23は、図３、４、５に示す様に、互いに対向する円板本体27の前面に、この前面に対して側壁28を直角と成した前方開放の平面視が多角形状である有底筒状の小室29、29a …を多数整列させて配列した大小２枚の円板30、31を一組みとし、これを同心的に重合させている。
【００３１】
又、前記大径な円板30はケーシング22の内周面に密接させて水密と成る外径にて形成されると共に、中央に流通孔32が穿設され、一方、小径な円板31の外径はケーシング22の内周面から離間して該内周面との間に流通路33が形成される大きさと成している。
【００３２】
又、図５に示す様に大径な円板30の小室29、29a …と、小径な円板31の小室29、29a …とは互いの小室29、29a …が対向する他の小室29、29a …に連通する様に位置を違えて配列させている。
【００３３】
そして、これら混合エレメント23は互いに同径の円板が隣接するように重ね合わせてケーシング22の中空内部に直列的に配設する。
【００３４】
又、直列状態の混合エレメント23の両側には大径な円板30を配置して、大径な円板30の流通孔32と入口20および出口21を連通させている。
【００３５】
又、上記実施例では小室29、29a …の平面視形状を六角と成してハニカム状に多数配列したものを示したが、かかる形状に何ら限定されず、図６、７、８に示す様に小室29、29a …の平面視形状を三角、四角、八角…等と成したり、又円形（図示せず）と成しても良い。
【００３６】
又、大小２枚の円板30、31の他の実施例としては、図１０、１１に示す様に任意の小室29、29a …の底面( 円板本体27の前面) に、この小室29、29a …を形成する側壁28の上端面の高さより低くした突起34を設けることにより、流体の流れに乱れを積極的に生じさせることが可能となり、又突起34を円板30、31の中心部に近づくに従って順次小さくすることにより、円周方向に配列される小室29、29a …の直径方向における外側と内側との内容積を均一化し、脈動を防止してスムーズな流れを確保できる。
【００３７】
又、混合エレメント23を構成する大径な円板30および小径な円板31の材質としては、一定の形状を維持できる強度を有するものであれば良い。
【００３８】
次に、第二の触媒反応システム1aとしては、触媒反応システム１の混合エレメント23自身に触媒作用を持たせるために、セラミックス、金属、金属酸化物等の触媒物質によって大径な円板30および小径な円板31の全体を形成して触媒エレメント35と成したり、又一定の形状を維持できる強度を持つ、任意材質によって大径な円板30および小径な円板31を形成して触媒担体と成し、この触媒担体の表面に、金属、金属酸化物等の触媒物質である固体触媒を担持または固定させて触媒エレメント35と成している。
【００３９】
尚、触媒エレメント35の上記材質は反応流体が入口20から出口21まで短絡的に流れない様な材質とする必要があるので、例えば円板本体27の前面から他の一面である背面につながる連続した気孔を有しないものを用いる。
【００４０】
又、その他の構成については、第一の触媒反応システム１と同様のため省略する。
【００４１】
次に、第三の触媒反応システム1bとしては、触媒反応システム１、1aの混合エレメント23または触媒エレメント35を使用するものにして、図１２、１３、１４に示す様に、パッキン、ガスケット等に使用される材質である弾性体（ニトリルゴム、シリコーンゴム等）によりケーシング22の内周面との間に若干の隙間を具有させて遊嵌状に挿入される外径にて筒体36を形成し、この筒体36の両端より内方側へ鍔片37、37a を一体成形してリング状の環装シール体38と成している。
【００４２】
又、環装シール体38における筒体36の軸心方向の長さについては、混合エレメント23または触媒エレメント35の大小の円板30、31を４枚同心的に重ねた状態の軸心方向の長さに概ね一致させている。
【００４３】
又、環装シール体38における筒体36の内周面に密接する外径にて大径な円板30を形成し、又小径な円板31の外径は筒体36の内周面から離間してこの内周面との間に流通路33を形成する様な大きさと成している。
【００４４】
そして、大径な円板30を両側に配設し、その間に互いの小室29、29a …が対向する他の小室29、29a …に連通する様に位置を違えて、小径な円板31を配設する様にした大小２枚の円板30、31からなる２組の混合エレメント23または触媒エレメント35を環装シール体38の中空内部に配列させて触媒集合エレメント39と成している。
【００４５】
次に、複数の触媒集合エレメント39をケーシング22の中空内部に直列的に配設し、フランジ25、25a 端面に蓋体26、26a を当ててボルト等によって固定することにより、蓋体26、26a によって複数の触媒集合エレメント39が挟持固定されてケーシング22内に配列される。
【００４６】
ここで、ケーシング22の両端間の寸法Ｌ１に対し、複数配列する触媒集合エレメント39を自由状態で同心的に、環装シール体38の夫々の鍔片37、37a を接触させた連続状態における両端間の寸法Ｌ２を大きく設定することにより、各触媒集合エレメント39における環装シール体38の鍔片37、37a に夫々押圧力が加わるため、この押圧力によって各鍔片37、37a が圧縮変形し、その際の弾性復元力によって小室29、29a …の側壁28の上端面相互が圧接されて密接状態が良好となると共に、環装シール体38の鍔片37、37a が大径な円板30の背面に圧接されて密接状態を良好と成してシール機能を完璧なものにしている。
【００４７】
又、蓋体26、26a による押圧力が不足する際には弾性体からなる平板リング状のスペーサ（図示せず）を介装することによって押圧力を調整でき、又上記実施例においては、触媒集合エレメント39が複数の場合であるが、この触媒集合エレメント39を単体とする場合には、触媒集合エレメント39の両端間の寸法Ｌ２をケーシング22の両端間の寸法Ｌ１より大きくすれば良い。
【００４８】
又、その他の構成については、第一の触媒反応システム１と同様のため省略する。
【００４９】
次に、第四の触媒反応システム1bとしては、触媒反応システム１の混合エレメント23と触媒反応システム1aの触媒エレメント35を改良するものにして、図１５〜２４に示す様に、大径な円板30の外径をケーシング22の内周面と密着しない大きさ（遊嵌状となる程度）と成すと共に、小室29、29a …が形成されていない平坦な円板本体27の背面に、円板本体27の外径より若干小径と成す底辺径を有する偏平な円錐台状の台座部40を一体形成することにより、この台座部40の外側である円板本体27の周縁側を陥没状と成してシール座面41を形成している。
【００５０】
このシール座面41は、後述するシール溝55を画成するために、半割り溝状と成し、且つその一部がテーパ面状に形成された領域によって形成され、又テーパ面状の部位としてはシール溝55におけるシール部材56が押圧接触される座部と成している。
【００５１】
又、シール座面41の他の実施例としては、台座部40を偏平な円柱状に形成し、この台座部40の外周面と、円板本体27の背面における周縁側とによって陥没状と成した領域にて半割り溝状に形成しても良い。
【００５２】
又、大径な円板30の中心を貫く流通孔32の中心に、流通孔32の内面から中心に指向するアーム42の先端にハブ43を一体形成し、このハブ43の中心に軸孔44を形成すると共に、流通孔32の周囲の台座部40に所定深さで凹状に形成した座ぐり部45を形成している。
【００５３】
次に、小径な円板31の小室29、29a …が形成される前面の中心には、円柱状のボス46を突設し、このボス46の中心にメネジ孔47を螺刻すると共に、同じ前面の外側には、大径な円板30における最も外側の任意な小室29、29a …と嵌合する嵌合ピン48、48a を突設している。
【００５４】
そして、図２２、２３に示す様に、前面に設けた小室29、29a …が対向する他の小室29、29a …に連通する様に位置を違えて重ね合わせ、その後、止めネジ49を軸孔44に通してメネジ孔47に螺入して大小２枚の円板30、31を連結して触媒エレメント35a （又は混合エレメント23a ）と成している。
【００５５】
又、ケーシング22のフランジ25、25a にはボルト挿通孔50、50a …を形成し、このケーシング22の両端に装着する入口20、出口21を夫々形成する蓋体26、26a には、ケーシング22両端の開口部内に遊嵌状に挿入される円柱突部51を設け、円柱突部51先端の周縁側には前記大小２枚の円板30、31と同様なるシール座面41を形成し、又フランジ25、25a と対向する個所には調整ボルト52が螺入する適宜数の貫通ネジ孔53を形成している。
【００５６】
そして、ケーシング22の開口部から中空内部に直列的に、止めネジ49で大小２枚の円板30、31を連結した触媒エレメント35a （又は混合エレメント23a ）を、大径な円板30同士および小径な円板31同士が隣接する様に配列し、ケーシング22の両端の開口部内に円柱突部51を挿入した状態で、蓋体26、26a を適宜数の連結ボルト54、54a によって装着すると、隣接する触媒エレメント35a （又は混合エレメント23a ）における大径な円板30に形成されるシール座面41によって略Ｖ字状、略Ｕ字状のシール溝55が画成される。
【００５７】
かかるシール溝55とケーシング22内周面とによって所定のつぶし代が得られるリング状のシール部材56を、シール溝55内に装着する。
【００５８】
ここで、シール部材56の装着方法としては、先ず、ケーシング22の一方の開口部に蓋体26を適宜数の連結ボルト54、54a によって装着し、その後、シール部材56、触媒エレメント35a （又は混合エレメント23a ）の順で多数直列的に配列し、最終的に蓋体26a をケーシング22の一方の開口部に適宜数の連結ボルト54、54a によって装着すると、隣接するシール座面41によって画成されるシール溝55内にシール部材56が装着される。
【００５９】
又、シール部材56としては、Ｏリング、Ｘリング、Ｄリング等があり、又その材質についてもニトリルゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、テフロン等がある。
【００６０】
又、その他の構成については、第一の触媒反応システム１と同様のため省略する。
【００６１】
次に、本発明に係る触媒反応方法について説明すると、
先ず、第一の触媒反応システム１における触媒反応方法については、反応流体である液体および気体分と、セラミックス、金属、金属酸化物等の触媒物質からなる粒状の固体触媒を、気体用ポンプ６を設ける気体送給経路８および液体用ポンプ10を設ける気体送給管７を介して混合エレメント23を内装した触媒反応装置２内を通過させて各種の触媒反応させるのである。
【００６２】
次に、第二の触媒反応システム1aにおける触媒反応方法については、反応流体である液体および気体分を、気体用ポンプ６を設ける気体送給経路８および液体用ポンプ10を設ける気体送給管７を介して触媒エレメント35を内装した触媒反応装置２内を通過させて各種の触媒反応させるのである。
【００６３】
次に、第三の触媒反応システム1bおよび第４の触媒反応システム1cにおける触媒反応方法については、前記第一の触媒反応システム１および第二の触媒反応システム1aと同様に、各種の触媒反応させるのである。
【００６４】
次に、前記第一〜第四の触媒反応システム１、1a、1b、1cにおける触媒反応装置２での触媒反応のメカニズムについては、
反応流体である液体および気体分と、粒状の固体触媒を、触媒反応装置２の入口20からケーシング22の内部空間に加圧流入させると、この流体の流れは、例えば図３に示す矢印のように上流側の混合エレメント23の流通孔32からその内部に達し、小径な円板31により直進進路が妨げられて方向を変え、互いに連通する小室29、29a …を経て中央部から外側に向かって放射状に直角衝突、分散、合流、蛇行、渦流等の状態が組み合わさって複雑に流動する。
【００６５】
この様に、上流側の混合エレメント23を通過してケーシング22の内周面に到達した流体は、そのケーシング22の内周面と小径な円板31とによって形成された流通路33から下流側の混合エレメント23の各小室29、29a …に入り、上述の様な直角衝突、分散、合流、蛇行、渦流等の複雑な流れで中央部に集合され、再び流通孔32から下流側の混合エレメント23に入り、そして、再度各小室29、29a …を経ながら中央部から外側へ向かって直角衝突、分散、合流、蛇行、渦流等によって複雑に、順次混合エレメント23の内部を流動し、かかる流動状態によって反応流体の気体分が微細気泡化されて気泡および固体触媒が混濁した状態で通過し、出口21より排出される。
【００６６】
したがって、触媒反応装置２での気液分散体単位体積あたりの気液界面積が著しく大きくでき、これによって触媒反応の一過程である「▲１▼気体（Ｏ2 またはＨ2 ）の液相反応物を含む液相への溶解」、いわゆるガス吸収効率が著しく向上されると共に、固体触媒も反応流体中で複雑に流動することにより反応流体と固体触媒との接触効率も向上する。
【００６７】
又、流体は上記の様に、各小室29、29a …の底面および側壁28への直角衝突、各小室29、29a …から他の複数の小室29、29a …への分散、複数の小室29、29a …から他の一つの小室29、29a …への合流、蛇行、さらに複数の小室29、29a …から各小室29、29a …への流入による渦流による流体力学的な剪断、各小室29、29a …から他の小室29、29a …への連通路であるオリフイスを通過する際の流体力学的な剪断、衝撃的破壊による粉砕、側壁28の上端面を通過する際の剪断、機械的なキャビテーション等によって反応流体の気体分が微細気泡化して分散混合が行われるのである。
【００６８】
又、ここで混合エレメント23の分散総数については、中心より順次放射状に配列した大小２枚の円板30、31における小室29、29a …の室数によって決定されるのであり、例えば図５に示す平面視六角状のものであれば、室数が６室、12室、18室（計36室) の３列状の円板30と、室数が３室、９室、15室（計27室) の３列状の円板31を重合させた混合エレメント23の合計した１流体の場合の分散総数は数千回にも達し、２流体（液体および気体分からなる反応流体）以上であれば当然その乗数積となる。
【００６９】
尚、上記分散総数とは、円板30と円板31において、互いに連通する小室29、29a …によって混合エレメント23を通過する間に生じるべき流体が分散される数のことであり、複数の混合エレメント23から成る場合は、混合エレメント23の各分散総数の積と成り、小室29、29a …の列数を増減することにより、適宜増減可能である。
【００７０】
又、上記の触媒反応メカニズムにおいては、基本的には混合エレメント23で説明するも、他の混合エレメント23a 、触媒エレメント35、35a 、触媒集合エレメント39での流体の流れについて同様であるため省略し、又触媒エレメント35、35a を使用する触媒反応については、反応流体の流れが上記の様に複雑であるため、反応流体の内外全体が触媒に接触するため、接触効率が向上する。
【００７１】
又、触媒集合エレメント39を内装した触媒反応装置２を有する第三の触媒反応システム1bについては、触媒集合エレメント39両端間の寸法Ｌ２をケーシング22の両端の寸法Ｌ１より大きく設定し、蓋体26、26a をケーシング22の両端に装着して触媒集合エレメント39を挟持固定していることにより、円板30、31における小室29、29a …を形成する側壁28の上端面の密着状態を強固に維持できる。
【００７２】
又、隣接するシール座面41によってシール溝55が画成される触媒反応装置２を有する第４の触媒反応システム1cについては、シール部材56と触媒エレメント35a （又は混合エレメント23a ）を順次、ケーシング22内に入れるだけで、シール溝55内にシール部材56が装着でき、又このシール部材56によって大径な円板30の外径とケーシング22の内周面の間からの流体の短絡的な流れを規制する様にシールでき、又シール座面41をテーパ面状と成す場合は、図２４に示す様に、テーパ面がシール部材56の装着時の誘導面と成るため、シール部材56の噛み込みが防止できる。
【００７３】
又、蓋体26、26a の円柱突部51端面と触媒エレメント35a （又は混合エレメント23a ）の大径な円板30の背面の間から漏れようとする流体についても、円柱突部51のシール座面41と円板30のシール座面41によって画成されるシール溝55内にシール部材56が装着されるため、円柱突部51外周からの外部への漏れが防止でき、円柱突部51外周側に一般的に設けるガスケット類が不要と成る。
【００７４】
次に、触媒反応装置２おいて、小室29、29a …の平面視形状を六角と成すと共に、小室29、29a …の室数を４８室と成した大径な円板30と、小室29、29a …の室数を３０室と成した小径な円板31から構成される触媒集合エレメント39を、ケーシング22内に夫々、２ユニット、４ユニット、６ユニットおよび１０ユニットを内装した四種類を用い、気液二成分からなる反応流体を加圧供給して内部空間を通過させ、触媒反応装置２の出口2b側での気泡径を測定したところ、４５μｍ〜６６μｍ程度にまで微細気泡化されることが認められ、これによって気液界面積が著しく大きくなることが確認された。
【００７５】
【発明の効果】
要するに本発明は、両端に入口20、出口21を有した円筒状のケーシング22と、複数の触媒エレメント35から成り、触媒エレメント35は、互いに対向する前面に、前面に対して側壁28を直角と成した前方開放の筒状の小室29、29a …を多数配列した大小２枚の円板30、31を一組みとして、これを同心的に重合させ、前記大径な円板30はケーシング22の内周面に密接する外径にて形成されると共に、中央に流通孔32が穿設され、又小径な円板31の外径はケーシング22の内周面から離間してその内周面との間に流通路33が形成される大きさと成し、大径な円板30の小室29、29a …と、小径な円板31の小室29、29a …とは互いの小室29、29a …が対向する他の複数の小室29、29a …に連通する様に位置を違えて配列させ、これら触媒エレメント35は互いに同径の円板30、31が隣接するように重ね合わせてケーシング22内に配列すると共に、ケーシング22の入口20および出口21と流通孔32が連通する様に両側には大径な円板30、31を配置して構成した触媒反応装置２を用い、反応流体を気液二相成分と成して触媒反応装置２内を通過させたので、反応流体は、互いに連通する小室29、29a …を経て上流側から下流側へと拡散および集合を繰り返しながら順次流動し、その流動過程における小室29、29a …の側壁28の側面および上端面並びに座面への直角衝突、小室29、29a …から他の小室29、29a …への分散および合流、蛇行、渦流等の組み合わせによる複雑な流動と、大きな分散総数によって反応流体中の気体の気泡径は、従来の粒子流動型反応装置ａにおける気泡径に比して著しく微細気泡化され、気液界面積が大きくなってガス吸収効率が高まり、触媒反応速度を向上でき、しかも、反応流体の流動が複雑となるため、流体の短絡的な流れがなくなって反応流体と触媒エレメント35との接触効率が向上すると共に、触媒エレメント35での拡散および集合の流動方向は半径方向であり、且つ複雑に屈曲しているため流路長を長くでき、気泡径も小さいことと相俟って触媒反応装置２の小型化を図ることができる。
【００７６】
又、反応流体が触媒物質に直角に衝突して接触するため、反応流体の内外全体が触媒物質と接触することにより従来の触媒反応装置のように中心側が接触しないことによる触媒反応効率低下の欠点を解消でき、同時に従来の壁面を端に接触して流動するものに比し、反応流体の内外全体が高い分散総数によって混合されるため、流動する過程において反応流体中の温度分布にムラが生じなく、常に一定の温度分布を維持した状態で流動できるため、触媒も活性化し、触媒反応効率を向上させる事ができる。
【００７７】
又、前記触媒反応装置２において、円筒状のケーシング22の両端に入口20および出口21を形成した蓋体26、26a を着脱自在と成し、弾性体によりケーシング22内に挿入される外径にて筒体36を形成し、この筒体36の両端より内方側へ鍔片37、37a を一体成形してリング状の環装シール体38を形成し、この環装シール体38における筒体36の内周面に密接する外径にて大径な円板30を形成し、小径な円板31の外径は筒体36の内周面から離間してこの内周面との間に流通路33を形成する様な大きさと成し、この環装シール体38内の両側に大径な円板30を配設し、その間に互いの小室29、29a …が対向する他の複数の小室29、29a …に連通する様に位置を違える様に、２枚の小径な円板31を配列させて触媒集合エレメント39と成し、この触媒集合エレメント39をケーシング22内に配列し、触媒集合エレメント39両端間の寸法Ｌ２をケーシング22の両端間の寸法Ｌ１より大きく設定したので、蓋体26、26a をケーシング22の両端に装着して触媒集合エレメント39を挟持固定できることにより、上記と同様なる効果に加え、円板30、31における小室29、29a …を形成する側壁28の上端面の密着状態を強固に維持できるため、各円板30、31のガタツキが防止でき、側壁28相互の上端面或いは大径な円板30の外周側からの漏れによって発生する短絡的な流動や、脈流による分散混合不良による触媒反応効果の低下を防止できる。
【００７８】
又、円筒状のケーシング22の両端に入口20および出口21を形成した蓋体26、26a を着脱自在と成すと共に、ケーシング22内に挿入される円柱突部51を設け、円柱突部51先端の周縁側に半割り溝状と成したシール座面41を形成し、又大径な円板30の外径をケーシング22の内周面に密接しない大きさに形成すると共に、小室29、29a …が形成されていない背面の周縁側に半割り溝状と成したシール座面41を形成し、互いの小室29、29a …が対向する他の複数の小室29、29a …に連通する様に位置を違える様に、２枚の大小の円板30、31を連結して触媒エレメント35a と成し、これら触媒エレメント35a は互いに同径の円板30、31が隣接するように重ね合わせてケーシング22内に配列し、隣接するシール座面41によって画成されるシール溝55内にシール部材56を設けたので、シール部材56と触媒エレメント35a を単にケーシング22内に順次挿入して配設するだけで、シール溝55が画成できると同時にシール溝55内にシール部材56を装着できるため、触媒反応装置２の組立が極めて簡単になると共に、シール部材56が確実にシール溝55内に装着されるため、大径な円板30の外周側からの流体の短絡的な流れが規制されることによって混合効率の低下が防止でき、ガス吸収効率等を良好に維持し触媒反応の高効率化を図ることができ、又円柱突部51のシール座面41と円板30のシール座面41によって画成されるシール溝55内にシール部材56が装着されるため、円柱突部51外周からの外部への漏れも同時に防止でき、円柱突部51外周側に一般的に設けるガスケット類が不要と成り、しかも、大径な円板30の外径はケーシング22の内周面に密接しないため、触媒エレメント35a を複数配列するケーシング22の内周面の加工精度を精密にする必要はなく、ケーシング22自体の機械加工も簡単と成る。
【００７９】
又、シール溝55における底部であるシール座面41をテーパ面状と成したので、テーパ面がシール部材56の装着時の誘導面と成るため、目視的な確認が困難であるケーシング22内でのシール部材56の噛み込みによるシール不良が防止できる等その実用的効果甚だ大なるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る触媒反応システムの概略構成図である。
【図２】触媒反応システムを構成する触媒反応装置の概略断面図である。
【図３】同上触媒反応装置の混合エレメントを構成する２枚の円板の正面図である。
【図４】同上円板の斜視図である。
【図５】同上円板を２枚、同心的に重合させた場合における各小室の連通配列状態を示す図である。
【図６】同上円板における小室の形状を三角と成した連通配列状態を示す図である。
【図７】同上円板における小室の形状を四角と成した連通配列状態を示す図である。
【図８】同上円板における小室の形状を八角と成した連通配列状態を示す図である。
【図９】図２のＡーＡ概略断面図である。
【図１０】突起を設けた大小２枚の円板を使用した触媒反応装置の概略断面図である。
【図１１】図１０のＢーＢ概略断面図である。
【図１２】触媒反応装置の他の実施例を示す概略断面図である。
【図１３】同上触媒反応装置における蓋体を装着する前の状態を示す断面図である。
【図１４】同上触媒反応装置を構成する触媒集合エレメントの分解斜視図である。
【図１５】触媒反応装置の他の実施例を示す一部断面と成した平面図である。
【図１６】同上触媒反応装置における触媒エレメントを構成する大小２枚の円板の正面図である。
【図１７】同上大小２枚の円板の側面図である。
【図１８】同上大小２枚の円板の前面斜視図である。
【図１９】同上大径な円板の背面斜視図である。
【図２０】図１６のＣーＣ概略断面図である。
【図２１】図１６のＤーＤ概略断面図である。
【図２２】同上触媒反応装置における触媒エレメントの分解斜視図である。
【図２３】同上触媒エレメントの斜視図である。
【図２４】テーパ面から成るシール溝へのシール部材の装着状態を示す部分拡大断面図である。
【図２５】従来の粒子流動型反応装置を示す概略構造図である。
【図２６】従来の触媒反応装置を示す概略構造図である。
【符号の説明】
２ 触媒反応装置
20 入口
21 出口
22 ケーシング
23、23a 混合エレメント
26、26a 蓋体
28 側壁
29、29a … 小室
30 円板
31 円板
32 流通孔
33 流通路
35、35a 触媒エレメント
36 筒体
37、37a 鍔片
38 環装シール体
39 触媒集合エレメント
41 シール座面
51 円柱突部
55 シール溝
56 シール部材
Claims (4)
- 両端に入口、出口を有した円筒状のケーシングと触媒物質で形成、又は触媒物質である固体触媒を表面に担持または固定させて形成される複数の触媒エレメントから成り、触媒エレメントは、互いに対向する前面に、前面に対して側壁を直角と成した前方開放の筒状の小室を多数配列した大小２枚の円板を一組みとして、これを同心的に重合させ、前記大径な円板はケーシングの内周面に密接する外径にて形成されると共に、中央に流通孔が穿設され、又小径な円板の外径はケーシングの内周面から離間してその内周面との間に流通路が形成される大きさと成し、大径な円板の小室と、小径な円板の小室とは互いの小室が対向する他の複数の小室に連通する様に位置を違えて配列させ、これら触媒エレメントは互いに同径の円板が隣接するように重ね合わせてケーシング内に配列すると共に、ケーシングの入口および出口と流通孔が連通する様に両側には大径な円板を配置して構成した触媒反応装置を用い、反応流体を気液二相成分と成して触媒反応装置内を通過させることを特徴とする触媒反応方法。
- 請求項１記載の触媒反応装置において、円筒状のケーシングの両端に入口および出口を形成した蓋体を着脱自在と成し、弾性体によりケーシングの内周面に挿入される外径にて筒体を形成し、この筒体の両端より内方側へ鍔片を一体成形してリング状の環装シール体を形成し、この環装シール体における筒体の内周面に密接する外径にて大径な円板を形成し、小径な円板の外径は筒体の内周面から離間してこの内周面との間に流通路を形成する様な大きさと成し、この環装シール体内の両側に大径な円板を配設し、その間に互いの小室が対向する他の複数の小室に連通する様に位置を違える様に、２枚の小径な円板を配列させて触媒集合エレメントと成し、この触媒集合エレメントをケーシング内に配列し、触媒集合エレメント両端間の寸法をケーシングの両端間の寸法より大きく設定したことを特徴とする触媒反応装置。
- 請求項１又は２記載の触媒反応装置において、円筒状のケーシングの両端に入口および出口を形成した蓋体を着脱自在と成すと共に、蓋体にケーシング内に挿入される円柱突部を設け、円柱突部先端の周縁側に半割り溝状と成したシール座面を形成し、又大径な円板の外径をケーシングの内周面に密接しない大きさに形成すると共に、小室が形成されていない背面の周縁側に半割り溝状と成したシール座面を形成し、互いの小室が対向する他の複数の小室に連通する様に位置を違える様に、２枚の大小の円板を連結して触媒エレメントと成し、この触媒エレメントは互いに同径の円板が隣接するように重ね合わせてケーシング内に配列し、隣接するシール座面によって画成されるシール溝内にシール部材を設けたことを特徴とする触媒反応装置。
- 請求項３記載の触媒反応装置において、シール溝における底部であるシール座面をテーパ面状と成したことを特徴とする触媒反応装置。
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| JP30063595A JP3884095B2 (ja) | 1995-10-24 | 1995-10-24 | 触媒反応方法およびそれに使用する触媒反応装置 |
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| JP30063595A JP3884095B2 (ja) | 1995-10-24 | 1995-10-24 | 触媒反応方法およびそれに使用する触媒反応装置 |
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| JPH09117657A JPH09117657A (ja) | 1997-05-06 |
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Family Applications (1)
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| JP30063595A Expired - Lifetime JP3884095B2 (ja) | 1995-10-24 | 1995-10-24 | 触媒反応方法およびそれに使用する触媒反応装置 |
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-
1995
- 1995-10-24 JP JP30063595A patent/JP3884095B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| JPH09117657A (ja) | 1997-05-06 |
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