JP5104885B2 - 触媒反応器 - Google Patents
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Description
そのため、特許文献1の反応器においては、反応器内に熱媒が円滑に流れるようにして、上記ホットスポットの現象の発生を抑制している。
上記熱媒流路内には、上記第1熱媒とは温度が異なる第2熱媒を噴出して上記第1熱媒に混合させる第2熱媒噴出ヘッダーが配設されており、かつ該第2熱媒噴出ヘッダーは、上記反応原料の流れ方向における上流側に配設されており、
上記熱媒流路を形成するプレート状熱媒管を複数個対向配設してなると共に、該プレート状熱媒管同士の間には上記反応流路を形成してなり、上記プレート状熱媒管は、上記第1熱媒を上記反応原料の流れ方向を横切る方向に流すよう上記流れ方向に並べて形成された複数の流路形成部を有しており、上記第2熱媒噴出ヘッダーは、上記複数の流路形成部のうち上記流れ方向における上流側に位置する流路形成部内に配設されていることを特徴とする触媒反応器にある(請求項1)。
そこで、本発明においては、上記第2熱媒噴出ヘッダーは、反応原料の流れ方向における上流側に配設されており、この第2熱媒噴出ヘッダーは上記第1熱媒とは温度が異なる第2熱媒を噴出させる。そして、第2熱媒噴出ヘッダーによる第2熱媒の噴出は、上記熱媒流路内における第1熱媒に対して直接行われ、噴出された直後に直ちに熱媒流路内の第1熱媒に混合される。
これにより、上記熱媒流路は、反応が活発に行われる反応流路における上流側と重点的に熱交換することができる。
これにより、反応流路内の各部に配置された触媒の温度にばらつきが生じることを抑制することができ、上記触媒反応器によって生成する反応生成物の収率(生産率)を向上させることができる。
本発明において、上記上流側とは、上記反応流路の形成方向における中央位置よりも、上記反応原料の流れ方向における上流側のことをいう。
また、上記第2熱媒噴出ヘッダーは、上記熱媒流路内において、上記反応流路の全長に対して、この反応流路における上記反応原料の入口部から5割の長さ以下の範囲に配設することが好ましく、上記反応原料の入口部から1〜3割の長さの範囲に配設することがより好ましい。
さらに、第2熱媒噴出ヘッダーは、上記熱媒流路内において、上記反応流路における上記反応原料の入口部の近傍に配設することが好ましい。これらの場合には、一層効果的に上記触媒の温度のばらつきの発生を抑制することができる。
また、上記第2熱媒噴出ヘッダーから噴出させる第2熱媒の噴出量は、上記第1熱媒流路に供給する第1熱媒の流量に対して、5〜50[%]の量とすることができ、さらに好ましくは10〜30[%]の量とすることができる。
また、上記触媒反応器においては、上記吸熱反応としては、例えば、上記反応原料としてのエチルベンゼン等を上記反応流路に導入し、上記反応生成物としてのスチレンを生成することができる。
上記反応原料としては、ガス状態の種々の反応原料ガスを用いることができ、上記触媒としては、上記反応原料による反応を活性化させる種々の触媒を使用することができる。
また、上記第1熱媒と第2熱媒とは同種のものとし、これらには、種々の溶融塩、水、種々の有機溶媒、ブライン、空気等のガス体等を用いることができる。
なお、上記還流ラインには、上記熱媒流路の出口部から排出された第1熱媒を回収するタンクを配設することができる。この場合には、上記分岐ラインは、上記タンクから上記第2熱媒噴出ヘッダーへと接続することができる。
また、上記還流ポンプは、上記熱媒流路の入口部に第1熱媒を送り出すものと、上記分岐ラインに第1熱媒を送り出すものとによって構成することもできる。
上記熱媒流路における上記第1熱媒の入口部を上記反応原料の流れ方向における下流側に形成すると共に、上記熱媒流路内には上記反応原料の流れ方向を横切る邪魔板を上記流れ方向に並べて複数個配設することにより、上記熱媒流路は上記第1熱媒が上記横切る方向に向きを変えつつ上記反応原料の流れ方向とは逆方向に向けて流れる蛇行ルートを形成していることが好ましい。
なお、上記熱媒流路における上記第1熱媒の入口部は、上記第1熱媒の蛇行ルートの始点に形成し、上記熱媒流路における第1熱媒の出口部は、上記反応原料の流れ方向における上流側であって、上記蛇行ルートの終点に形成することができる。
この場合には、上記熱媒流路内に上記第2熱媒噴出ヘッダーを配設することによって第1熱媒の流れを乱すことがなく、第2熱媒噴出ヘッダーも上記複数の邪魔板と共に上記第1熱媒の蛇行ルートを形成することができる。
また、上記反応流路を各接合部と各流路形成部との間の流路間隙によって形成していることにより、反応流路は、複数回に折れ曲がる波状の流路として形成される。そのため、反応流路内における反応原料の流れを乱すことができ、上記熱媒流路における第1熱媒が上記反応流路と熱交換を行う効率を向上させることができる。
この場合には、上記反応流路を形成する流路間隙の下流側に位置する部分に、上流側に位置する部分よりも多く触媒を配置することができ、上記反応が活発に行われる反応流路の上流側における反応活性を小さくすることができる。そのため、上記触媒の温度のばらつきの発生を一層抑制することができる。
この場合には、上記プレート型の触媒反応器においても、上記第1熱媒が上記反応原料の流れ方向とは逆方向に向けて流れる第1熱媒の蛇行ルートを形成することができる。
(参考例1)
本例の触媒反応器1は、図1に示すごとく、内部に触媒21を配置してなる反応流路2と、この反応流路2に隣接形成された熱媒流路3とを有してなる。上記反応流路2は、その内部に反応原料Mを導入すると共にこの反応原料Mと上記触媒21とを接触させて反応生成物Pを生成し排出するよう構成されている。一方、上記熱媒流路3は、その内部に第1熱媒C1を通過させて上記反応流路2との熱交換を行うよう構成されている。
以下に、これを詳説する。
また、第2熱媒噴出ヘッダー6は、切欠き部63による切欠き形状を有しており、この切欠き部63によって、上記容器本体部10の内壁との間に、第1熱媒C1を通過させるための第1熱媒通過口64を形成している。
なお、図1、図2は、触媒反応器1を模式的に示す図であり、上記反応管4の配設位置及び本数、並びに上記第2熱媒噴出ヘッダー6における噴出孔611の数、大きさ及び形成位置等は、触媒反応器1の設計条件に応じて適宜決定することができる。
なお、図1、図2においては、支持プレート14の全面に反応管4が配設されているが、部分的に反応管4が配設されない部分があってもよい。
また、上記容器本体部10における熱媒流路3内には、上記反応原料Mの流れ方向Lを横切る邪魔板13が、上記流れ方向Lに並べて複数個配設されている。すなわち、複数の邪魔板13は、上記反応原料Mの流れ方向Lを横切る方向に向けて配設されている。また、各邪魔板13は、上記複数の反応管4を貫通配置するための複数の貫通配置穴131を有している。
本例では、上記第2熱媒噴出ヘッダー6の切欠き部63と、各邪魔板13の切欠き部132との配置位置を適宜異ならせることにより、上記容器本体部10内には、上記第1熱媒C1が上記横切る方向に向きを変えつつ上記反応原料Mの流れ方向Lとは逆方向に向けて流れる熱媒流路3の蛇行ルート30が形成されている。
また、還流ライン71と上記第2熱媒噴出ヘッダー6とは、上記第1熱媒出口部32から排出された第1熱媒C1の一部を流すための分岐ライン72によって接続されている。そして、この分岐ライン72には、これを流れる第1熱媒C1の温度を上昇又は低下させて上記第2熱媒C2を作り出すための熱交換器721が配設されている。
また、上記還流ライン71には、上記第1熱媒出口部32から排出された第1熱媒C1を、上記第1熱媒入口部31及び上記分岐ライン72へ送り出すための還流ポンプ711が配設されている。
また、熱交換器721は、上記反応原料Mによって発熱反応を行う場合には、上記第1熱媒C1の一部を冷却して、この第1熱媒C1よりも温度が低い第2熱媒C2を作り出すことができる。一方、熱交換器721は、上記反応原料Mによって吸熱反応を行う場合には、上記第1熱媒C1の一部を加熱して、この第1熱媒C1よりも温度が高い第2熱媒C2を作り出すことができる。
なお、上記流量調節弁722は、上記還流ライン71に配設し、この還流ライン71に流れる第1熱媒C1の流量を調節することによって、上記第2熱媒噴出ヘッダー6から噴出させる第2熱媒C2の噴出量を調節することもできる。
そして、上記反応原料Mによって発熱反応を行う場合には、上記熱媒流路3には、冷却媒体としての第1熱媒C1を通過させ、この第1熱媒C1によって上記反応流路2に配置した触媒21を冷却する。
そこで、本例においては、第2熱媒噴出ヘッダー6は、反応流路2における原料入口部22の近傍(原料入口部22から約2.5割の長さの位置)に配設されており、第2熱媒噴出ヘッダー6は上記複数の噴出孔611から上記第1熱媒C1よりも温度が低い第2熱媒C2を噴出させる。そして、上記第2熱媒噴出ヘッダー6による第2熱媒C2の噴出は、上記熱媒流路3内における第1熱媒C1に対して直接行われ、噴出された直後に直ちに熱媒流路3内の第1熱媒C1に混合される。
また、上記触媒反応器1においては、熱媒流路3内に第2熱媒C2を直接噴出させているものの、この第2熱媒C2は噴出された後に直ちに第1熱媒C1と混合される。そのため、熱媒流路3内に局所的に温度が低い第2熱媒C2が長く介在することがなく、熱媒流路3内の各部における第1熱媒C1の温度のばらつき(温度分布)はほとんど生じない。
これにより、反応流路2内の各部に配置された触媒21の温度にばらつきが生じることを抑制することができ、上記触媒反応器1によって生成する反応生成物Pの収率(生産率)を向上させることができる。
それ故、本発明の触媒反応器1によれば、反応生成物Pの収率を一層向上させると共に触媒21の寿命を一層向上させることができ、かつ第1熱媒C1を供給する動力を低減させることができる。
そして、この場合には、上記熱媒流路3には、加熱媒体としての第1熱媒C1を通過させ、この第1熱媒C1によって上記反応流路2に配置した触媒21を加熱する。そして、反応流路2における原料入口部22の近傍に配設した第2熱媒噴出ヘッダー6における複数の噴出孔611から上記第1熱媒C1よりも温度が高い第2熱媒C2を噴出させ、噴出された直後に直ちに熱媒流路3内の第1熱媒C1に混合される。
本例においては、上記参考例1に示した触媒反応器1(発明品)(図1参照)の優れた作用効果を確認する試験を行った。この確認試験においては、比較のために従来の触媒反応器9(比較品)(図10参照)についても確認試験を行った。
発明品については、触媒反応器1の容器本体部10の大きさは、直径6[m]×長さ5[m]とし、上記反応管4は内径24[mm]のものを23100本配設し、各反応管4内に触媒21を充填した。また、比較品についても同様に、触媒反応器9の容器本体部910の大きさは、直径6[m]×長さ5[m]とし、反応管94は内径24[mm]のものを23100本配設し、各反応管94内に触媒921を充填した。
また、比較品については、熱媒C9の供給流量を6000[t/h]としたのに対し、発明品については、上記第1熱媒C1の供給流量と第2熱媒C2の供給流量とを合わせた熱媒全体の供給流量を4900[t/h]とすることができた。そのため、発明品によれば、熱媒の供給量を大幅に減少できることがわかった。
本例の触媒反応器1は、図3〜図5に示すごとく、上記熱媒流路3を形成するプレート状熱媒管5を所定の間隔をあけて複数個対向配設してなると共に、このプレート状熱媒管5同士の間に上記反応流路2を形成してなるプレート型の触媒反応器1である。
図3、図4に示すごとく、上記プレート状熱媒管5は、上記第1熱媒C1を上記反応原料Mの流れ方向Lを横切る方向に流すよう上記流れ方向Lに並べて形成された複数の流路形成部53を有している。そして、上記第2熱媒噴出ヘッダー6は、上記複数の流路形成部53のうち上記流れ方向Lにおける上流側であって、反応流路2における原料入口部22の近傍に位置する流路形成部53内に配設されている。
また、本例の第2熱媒噴出プレート6は、パイプ形状を有しており、このパイプ形状の外周に上記第2熱媒C2を噴出させるための複数の噴出孔611を有している。
また、上記各流路形成部53の断面形状は、上記一対のプレート51の成形時において、上記接合部52の間隔を変更し、プレート51同士の間に流す流体の圧力及び流量を調節することにより、容易に変更することができる。これにより、上記反応流路2を形成する流路間隙Sの間隙量を調節することも容易である。
なお、上記プレート状熱媒管5は、図6に示すごとく、一対のプレート51を波状の接合プレート55によって接合してなるものとすることもできる。
本例は、図7、図8に示すごとく、上記参考例2におけるプレート型の触媒反応器1について、上記複数の流路形成部53をそれぞれ一端部531同士と他端部532同士とで交互に接続することにより、上記熱媒流路3の蛇行ルート30を形成した例である。
すなわち、本例では、図7に示すごとく、上記複数の流路形成部53のうち上記反応原料Mの流れ方向Lにおける最も下流側に位置する第1流路形成部53Aの一端部531に、上記第1熱媒入口部31を形成している。
なお、熱媒流路3の蛇行ルート30は、複数の流路形成部53の各他端部532と、この上流側に位置する複数の流路形成部53の各他端部532とをまとめて接続し、また、複数の流路形成部53の各一端部531と、この上流側に位置する複数の流路形成部53の各一端部531とをまとめて接続して形成することができる。
本例においては、上記第1熱媒C1が上記反応原料Mの流れ方向Lとは逆方向に流れるため、熱媒流路3と反応流路2との熱交換を一層効率的に行うことができる。
本例においても、その他は上記実施例1と同様であり、上記実施例1と同様の作用効果を得ることができる。
本例は、図9に示すごとく、上記プレート状熱媒管5における複数の流路形成部53の断面形状を変化させることにより、上記反応流路2における流路間隙Sの間隙量の調節を行った例である。本例では、上記複数の流路形成部53の断面形状を変化させることにより、上記反応原料Mの流れ方向Lにおける下流側に位置する流路間隙Sの部分を、上流側に位置する流路間隙Sの部分よりも広くしている。
これにより、上記流れ方向Lの最も上流側に位置する第1流路間隙S1を最も小さくすると共に上記流れ方向Lの最も下流側に位置する第3流路間隙S3を最も大きくし、残りの第2流路間隙S2を両者の中間の大きさにすることができる。
本例においても、その他は上記実施例1と同様であり、上記実施例1と同様の作用効果を得ることができる。
13 邪魔板
2 反応流路
21 触媒
22 原料入口部
23 原料出口部
3 熱媒流路
30 蛇行ルート
31 第1熱媒入口部
32 第1熱媒出口部
4 反応管
5 プレート状熱媒管
51 プレート
52 接合部
53 流路形成部
6 第2熱媒噴出ヘッダー
71 還流ライン
711 還流ポンプ
72 分岐ライン
721 熱交換器
C1 第1熱媒
C2 第2熱媒
M 反応原料
P 反応生成物
L 流れ方向
S 流路間隙
Claims (5)
- 内部に触媒を配置してなる反応流路と、該反応流路に隣接形成された熱媒流路とを有し、上記反応流路は、その内部に反応原料を導入すると共に該反応原料と上記触媒とを接触させて反応生成物を生成し排出するよう構成してあり、一方上記熱媒流路は、その内部に第1熱媒を通過させて上記反応流路との熱交換を行うよう構成してなる触媒反応器において、
上記熱媒流路内には、上記第1熱媒とは温度が異なる第2熱媒を噴出して上記第1熱媒に混合させる第2熱媒噴出ヘッダーが配設されており、かつ該第2熱媒噴出ヘッダーは、上記反応原料の流れ方向における上流側に配設されており、
上記熱媒流路を形成するプレート状熱媒管を複数個対向配設してなると共に、該プレート状熱媒管同士の間には上記反応流路を形成してなり、上記プレート状熱媒管は、上記第1熱媒を上記反応原料の流れ方向を横切る方向に流すよう上記流れ方向に並べて形成された複数の流路形成部を有しており、上記第2熱媒噴出ヘッダーは、上記複数の流路形成部のうち上記流れ方向における上流側に位置する流路形成部内に配設されていることを特徴とする触媒反応器。 - 請求項1において、上記熱媒流路における上記第1熱媒の入口部と出口部とは、上記出口部から排出された第1熱媒を上記入口部へと還流させるための還流ラインによって接続されており、該還流ラインと上記第2熱媒噴出ヘッダーとは、上記出口部から排出された第1熱媒の一部を流すための分岐ラインによって接続されており、また、該分岐ラインには、これを流れる第1熱媒の温度を上昇又は低下させて上記第2熱媒を作り出すための熱交換器が配設されており、
かつ、上記還流ラインには、上記出口部から排出された第1熱媒を、上記入口部及び上記分岐ラインへ送り出すための還流ポンプが配設されていることを特徴とする触媒反応器。 - 請求項1又は2において、上記プレート状熱媒管における各流路形成部は、一対のプレートを複数の接合部によって接合した後、当該一対のプレート同士の間を広げることにより形成されており、互いに対向する一対の上記プレート状熱媒管は、一方のプレート状熱媒管における上記各接合部と、他方のプレート状熱媒管における上記各流路形成部とが対向しており、上記反応流路は、上記各接合部と上記各流路形成部との間の流路間隙によって形成されていることを特徴とする触媒反応器。
- 請求項3において、上記複数の流路形成部の断面形状を変化させることにより、上記流路間隙は、上記反応原料の流れ方向における下流側に位置する部分が、上流側に位置する部分よりも広くなっていることを特徴とする触媒反応器。
- 請求項1〜3のいずれか一項において、上記複数の流路形成部のうち上記反応原料の流れ方向における最も下流側に位置する第1流路形成部の一端部に、上記第1熱媒の入口部を形成し、当該第1流路形成部の他端部と、該第1流路形成部の上流側に位置する第2流路形成部の他端部とが接続され、かつ該第2流路形成部の一端部と、該第2流路形成部の上流側に位置する第3流路形成部の一端部とが接続され、以降同様に各流路形成部が上記流れ方向の上流側に向けて他端部同士と一端部同士とにおいて交互に接続されており、
上記熱媒流路は、上記第1熱媒が上記反応原料の流れ方向を横切る方向に流れると共に、上記反応原料の流れ方向とは逆方向に向けて流れる蛇行ルートを形成していることを特徴とする触媒反応器。
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