JP5163357B2 - プレート型触媒反応方法及び装置 - Google Patents
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Description
これらの反応例としては、エチレンと酸素から酸化エチレンの製造、プロピレンの酸化によるアクロレイン或いはアクリル酸の製造、イソブチレン或いはターシヤリーブタノールの酸化によるメタクロレイン或いはメタクリル酸の製造、メタノールからのホルマリンの製造などがある。
反応管を冷却又は加熱する為に、反応管の周囲で反応器のシエル(外殻)と反応管を固定する管板で囲まれた空間(シエル側)には、熱媒体が循環され、該熱媒体の一部が抜き出され、冷却又は加熱されて再度反応器に循環使用される。
反応に伴う吸熱によって、反応原料ガスの温度が低下し、反応の進行を遅らせ又到達反応率が低下する反応の例として、エチルベンゼンの脱水素によるスチレンの製造がある。
この反応には従来、固定床反応器が用いられ、反応原料ガスが予め加熱された高温のガスが供給されることによって、反応熱が供給される。多管式反応器が用いられることもあるが、600℃近い高温にする必要があるため、シェル側に供給する熱媒体が限定される。
然るに、反応管内の触媒層内温度分布は反応量の大きい反応管入口付近の反応帯域では、反応に伴う反応熱の除去が充分でなく触媒層に蓄積されて触媒層温度が高温となり、極端な場合には、高温のため触媒が損傷を受けることがあり、この現象がホットスポットと言われる。
従来からも、ホットスポットの対策として、反応管内の触媒層内温度分布を均等化する改良方法が提供されている。例えば、反応の反応成績を良くし、目的生産物の高い収量を得るための方法として、従来反応器のシェル側に供給される熱媒休の入口を複数設け、温度の異なる熱媒体を供給して、反応管の軸方向位置で、異なる温度に制御する改良がある。
一方、同じ反応管内に複数の触媒を充填したり、触媒を不活性な希釈剤と混合して充填して、入口部の反応帯域での反応量を制限する方法がある。
この方法は、反応帯域入口部で発生或いは消費する反応熱を制限して、触媒層の温度を制御しようとするものである。しかしながら、工業的規模の反応器には数千本から数万本の反応管があり、触媒の活性を調整した複数の触媒を該反応管内反応帯域に一様に充填しなければならないし、希釈剤を用いる場合も同じ反応菅に複数の触媒と希釈剤の混合物を一様に充填しなければならず、反応器の触媒を交換する際には非常な労力と触媒の交換に長期間を要する。この間、反応は停止しなければならない。
即ち、本発明はペレット状或いは球状の固体触媒を用いる不均一気相反応を実施する方法において、触媒層内の温度上昇を抑えホットスポットの形成を防止し、該反応帯域に充填された触媒の劣化を防ぐことによって触媒寿命の延長を可能ならしめるとともに、反応の選択性を最適に保ち、反応帯域を通過する反応ガスの圧力損失の増大を防止することが可能な、新規のプレート型触媒反応方法及び装置を提供することを目的とする。
(1)2枚の伝熱プレートに挟まれた空間内にペレット状或いは球状の触媒を充填して反応帯域を形成し、当該伝熱プレートの外側に熱媒体が供給される熱媒体流路を有した2枚の伝熱プレートが一対を形成するプレート型触媒反応装置を使用した触媒反応方法であって、熱媒体の流量を、入口温度と出口温度との差で0.5〜10℃となるよう設定することを特徴とするプレート型触媒反応方法である。
(2)一対の伝熱プレートのそれぞれに凹凸を付与することにより、触媒層を通過する反応原料ガスと当該伝熱プレートの伝熱抵抗を低下することを特徴とする上記(1)に記載のプレート型触媒反応方法である。
(3)伝熱プレート対の外側が複数の熱媒体流路に分割され、各々異なった温度を有する熱媒体を該流路に供給することを特徴とする上記(1)または2に記載のプレート型触媒反応方法である。
(4)複数の伝熱プレート対を円周上に放射状に配置し、反応原料ガスが円周の内側から外側へ向かう反応帯域を形成すると共に、隣り合った伝熱プレートを接合して熱媒体流路を形成し、熱媒体を反応原料ガスに対して十字流の方向に流すことを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれかに記載のプレート型触媒反応方法である。
(5)分子状酸素含有ガスを用いてプロピレン又はイソブチレンを酸化し、(メタ)アクロレインおよび(メタ)アクリル酸を製造する、或いは(メタ)アクロレインを分子状酸素含有ガスを用いて(メタ)アクリル酸を製造することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のプレート型触媒反応方法である。
(6)伝熱プレートに挟まれた触媒層と伝熱プレートで遊離された熱媒体流路の複数を有するプレート型触媒反応装置であって、熱媒体の流れ方向が触媒層内を流れる反応ガスの流れ方向とが直角の関係にある十字流れであることを特徴とするプレート型触媒反応装置である。
(7)反応帯域の各領域に異なった触媒が充填されていることを特徴とする上記(6)に記載のプレート型触媒反応装置である。
(8)一対の伝熱プレートのそれぞれに凹凸を付与することにより、触媒層を通過する反応原料ガスと当該伝熱プレートの伝熱抵抗を低下することを特徴とする上記(6)または(7)に記載のプレート型触媒反応装置である。
(9)伝熱プレート対の外側が複数の熱媒体流路に分割され、各々異なった温度を有する熱媒体を該流路に供給することを特徴とする上記(6)〜(8)のいずれかに記載のプレート型触媒反応装置である。
(10)複数の伝熱プレート対を円周上に放射状に配置し、反応原料ガスが円周の内側から外側へ向かう反応帯域を形成すると共に、隣り合った伝熱プレートを接合して熱媒体流路を形成し、熱媒体を反応原料ガスに対して十字流の方向に流すことを特徴とする上記(6)〜(9)のいずれかに記載のプレート型触媒反応装置である。
(11)分子状酸素含有ガスを用いてプロピレン又はイソブチレンを酸化し、(メタ)アクロレインおよび(メタ)アクリル酸を製造する、或いは(メタ)アクロレインを分子状酸素含有ガスを用いて(メタ)アクリル酸を製造することを特徴とする上記(6)〜(10)のいずれかに記載のプレート型触媒反応装置である。
該プレート型触媒反応装置に供給される反応原料ガスの方向は伝熱プレートに沿って流れ、熱媒体は一対の伝熱プレートの外側に供給される。当該熱媒体の流れ方向は、特に制限は無いが、工業的規模での反応装置には通常、多量の触媒を収容する必要があり、多数の伝熱プレート対が設置されるので、反応ガスの流れと直角方向が都合よい。
通常の反応に於ける反応量は、反応原料ガスの入口部分が最も大きく、反応に伴う反応熱の発生は最大で、反応原料ガスの出口方向に減少する。エチルベンゼンの脱水素反応のように、反応が吸熱の場合に適用する時は、反応転換化率の促進のために触媒層は熱媒体によって加熱される。この反応熱の除熱或いは加熱を効率よくするために、伝熱プレートの間隔を調整して触媒層厚さを変えることによって反応が制御でき、触媒層温度を抑えることができる。
図1は本発明のプレート型触媒反応装置の第1実施例の縦断面図である。
図2は本発明のプレート型触媒反応装置の第2実施例の縦断面図である。
図3は本発明のプレート型触媒反応装置の第3実施例の縦断面図である。
図4は本発明のプレート型触媒反応装置の第4実施例の縦断面図である。
図5は本発明のプレート型触媒反応装置の第5実施例の横断面図である。
図6は本発明のプレート型触媒反応装置の第6実施例の縦断面図である。
図7は比較例で使用したプレート型触媒反応装置の縦断面図である。
図8は従来の多管式反応器における触媒層内温度分布図である。
反応原料ガスは反応ガス入口3より供給され触媒層2を通過し、反応によって目的生成物が生産された後、反応ガス出口4よりプレート型触媒反応装置外に排出される。
また図1は、反応帯域の各領域における触媒層厚さは、反応ガス入口3より反応ガス出口4方向に直線的に増大変化させた実施例である。そして、反応原料ガスの流れ方向に制限はないが、通常本実施例に示す如く下降流か、或いは上昇流に設定される。
熱媒体は熱媒体供給口6よりプレート型触媒反応装置内に供給され、熱媒体排出口7(図1には示されていない)より排出される。この間に伝熱プレート1を通して、発熱反応の場合は触媒層2を冷却し反応熱が除かれ、吸熱反応の場合は触媒層2が加熱される。
本プレート型触媒反応装置より排出された熱媒体は、その一部又は全部が別途熱交換器などで温度調節されて再度本反応装置に循環される。熱媒体の流れ方向も特に制限は無く、反応原料ガスの流れ方向に対して向流でも並流でもよい。
熱媒体温度は通常、反応ガス入口部分(熱媒体流路5−1)では最も低く、出口部分では(熱媒体流路5−3)最も高く設定されるので、熱媒体流路5−1から排出された熱媒体を熱媒体流路5−2に供給し、次いで熱媒体流路5−3に供給することによって、熱媒体を冷却する設備の重複は避けることができる。
熱媒体流路の分割は多い方が好ましいが、多すぎると熱媒体の循環系のポンプや温度制御が複雑となり、従って経済的観点から2〜3分割を採用するのが良い。
また図3は、反応帯域の各領域における触媒層厚さは、反応ガス入口部は指数関数的に変化するが、反応ガス出口近辺では触媒厚さの増大が飽和した状態の実施例である。そして、反応原料ガスの流れ方向も図1及び2と同様に制限はないが、通常下降流か、或いは上昇流に設定される。
熱媒体は熱媒体供給口6よりプレート型接触反応装置内に供給され反応原料ガスと並流した後、熱媒体排出口7より排出される。しかし向流も好適に用いられ、この並流か向流の選択は、熱媒体の出口温度が熱媒体の供給温度と異なることを勘案して有利な流れに選択される。
また図4は、反応帯域の各領域における触媒層厚さは、反応ガス入口部から出口部まで指数関数的に変化する例である。そして、反応原料ガスの流れ方向も図1〜3と同様に制限はないが、通常下降流か、或いは上昇流に設定される。
本実施例の如く伝熱プレート対が複数列配置された構造的な理由から、熱媒体供給口6よりプレート型触媒反応装置内に供給された熱媒体は、反応原料ガスの流れ方向とは直角方向の十字流れが採用される。
反応原料ガスは反応ガス入口3より供給され、プレート型触媒反応装置の中心部より放射状方向に触媒層2を通過する。そして当該触媒層2を出た反応原料ガスはプレート型触媒反応装置の最外殻を通って反応ガス出口4より装置外に排出される。
温度制御された熱媒体は熱媒体供給口6よりプレート型触媒反応装置内に入り分配管を通って熱媒体流路5に分配される。また、本実施例では熱媒体流路5を下方に流れて反応熱を除熱/加熱した後、熱媒体排出口7(図には示されていない)よりプレート型触媒反応装置外に排出される、いわゆる反応原料ガスの流れ方向とは直角方向の十字流れを採用している。
実際の工業的規模のプレート型触媒反応装置を製作する際には、触媒層厚さを連続的に変化させることは、当該装置の製作に当たって現実的でない場合もあるので、触媒層2の長さ方向に2〜5段階に触媒層厚さを変化させるとよい。多くの場合は2又は3段階で変化させることが実際的である。
熱媒体流量が大きいと温度差は小さいが、熱媒体ポンプや熱交換器が大きく経済的に不利となる。流量が小さすぎると、入口温度と出口温度との差が大きくなり、熱媒体の入口付近の反応温度と出口温度の反応温度が異なり、触媒層温度の制御が均一では無くなる間題点が発生する。プレート型触媒反応装置の熱媒体流路は必要な流量と線速度を満足するように、その断面が決定される。
工業的規模で化学品を製造する場合は、多管式反応器の場合と同様に、反応原料ガスの流れ方向の触媒層の長さは、1〜5mが採用される。目的の生産量のために必要なプレート型触媒反応装置全体の触媒充填量は、用いる触媒の反応速度や反応原料ガス中の原料成分濃度などによって決定され、それぞれのプレート型触媒反応装置によって異なる。
一対の伝熱プレート1で形成される反応帯域へ充填される触媒量の最大量も反応性と触媒特性によって異なるが、経済的な伝熱プレート1の形状から単独の反応帯域の触媒量は最大5m3、好適には2m3以下である。
工業的規模で化学品を製造する反応器においては、通常、前記図4及び5に示すように複数の伝熱プレート対1が設置され、必要な触媒量が分割充填される。
反応原料ガスの反応ガス入口3の部分における触媒層厚さは、触媒粒径の3倍程度が好適である。具体的には、触媒層2の入口部分での厚さは5〜50mm、好ましくは10〜30mmである。出口付近での厚さは、10〜200mm、好ましくは20〜100mmである。
理想的には、触媒層厚さの変化割合は触媒層の長さ方向の各領域における反応の吸/発熱量の逆数に比例させるべきと考えられる。上に示した因子の内、触媒層厚さの最適変化割合に影響を与える主要因子の1つは、反応原料ガス出口での最終転化率と考えられる。
図1や2の場合は、出口での転化率が60%以下である場合に適用される。この場合は触媒層長さと反応の吸/発熱量が比例関係にあると近似することができる。最終転化率が90〜95%程度に達する場合は、図4に示される様に指数閏数的に触媒層厚さを変化させることが好適である。更に最終転化率が高く95%以上の場合は、図3に示されるものが最適で有ることが判明した。
実際の工業的規模の反応器を製作する際には、前記図6に示すものが実用的に採用される場合が多い。
上記の影響因子のうち、伝熱に関する因子はプレート型接触反応装置を設計する際には、十分に考慮される。触媒層の除熱/加熱の効率を上げるためには、反応原料ガスの流速を上げることが好ましいが、触媒層内を通過する際の圧力損失が大きくなるという欠点を有する。
通常伝熱は反応原料ガス側の伝熱係数が小さいので触媒側の伝熱係数を改良することは重要であり、伝熱プレートに凹凸をつけることが従来から行われている。 本発明においても、触媒層の伝熱係数を改良するために凹凸は効果的である。凹凸の形状は、従来プレート型熱交換器に用いられる伝熱板と同じものが採用可能である。
一般の反応器においても、触媒が高温で急速に劣化する懸念がある場合には、触媒を反応帯域に充填する際に触媒と不活性物質とを混合して、触媒の反応活性を抑え触媒層温度を制御することが行われる。触媒の希釈は本発明のプレート型触媒反応装置にも適用可能である。
触媒の希釈は、通常、段階的に行われ2〜5段階で、反応原料ガスの入口部が最も不活性物質の混合比率が高く、反応帯域の出口では不活性物質の混合はされない。不活性物質の混合比率は、入口部で0.4から0.7が採用される。触媒の反応活性を制御する方法は、不活性物質を混合するほか、活性の異なる触媒を用いることも可能である。不活性物質の混合や異なる触媒を用いてなす触媒活性の変化は、反応原料ガスの入口から出口に連続的に触媒活性を変えられることが理想ではある。しかし、段階的に異なる活性の触媒を分割充填することが実際的ではあり2〜3種類の触媒活性の異なる触媒が反応帯域の入口から順次充填される。
プロピレン又はイソブチレンの酸化反応は反応熱が大きく、酸化反応器に充填された触媒層の温度分布を制御して、触媒の損傷を防ぎ高収率で(メタ)アクロレインや(メタ)アクリル酸を製造し、長期に安定して酸化触媒を使用することは、経済的観点から絶対に必要なことである。特に(メタ)アクロレインを分子状酸素で酸化して(メタ)アクリル酸を製造する工程では、用いる酸化触媒の特性から300〜350℃高温に曝されると短期間で触媒の活性が失われる場合もある。更に近年、アクリル酸を製造する反応器は大型化される傾向がある。反応器の大型化に伴って、触媒層の温度の均等に冷却することが可能な酸化反応器の開発は非常に重要な技術的ポイントである。
熱媒体温度は250〜350℃で空間速度(SV)は標準状態で500〜3000(1/hr)である。反応圧力は150〜250kPaで熱媒休としては硝酸塩混合物の溶融塩(ナイター)や多核芳香族系の有機熱媒体などが用いられることが多い。
触媒層内温度は最高点で350〜400℃に抑えることによって、触媒の劣化を抑えることができるし、反応成績も向上し、アクリル酸及びアクロレインの収率も向上することが実証された。
該触媒粉末を成型し外径5mmφ、内径2mmφ、及び高さ4mmのリング状触媒とし、これを焼成して用いた。
図6に示すプレート型触媒反応装置を用いた。伝熱プレート1は反応原料ガスの流れ方向に3分割され、第1の反応帯域では長さ0.75m、伝熱プレート対の間隔は15mm、第2の反応帯域では長さ0.75m、間隔18mm、第3の反応帯域では長さ0.75m、間隔26mmである。伝熱プレート板の奥行き(図6では紙面に垂直方向の長さ)を5mとした。
従って触媒層2は長さ方向に3分割され、合計長さは2.25mで奥行きは5mである。熱媒体流路は各反応帯域で同じ幅とし、その幅内面間は50mmであった。
また、伝熱プレート1の肉厚は1mmであるので、各反応帯域での熱媒体流路の幅は、第1の反応帯域で16.5mm、第2の反応帯域で15mm、第3の反応帯域で11mmである。
プレート型触媒反応装置内の触媒の容量に対して、空間速度、1600(1/hr)の割合で供給した。反応圧力は、出口で150kPaに制御して、入口での反応原料ガス圧力を測定し、触媒層2の圧力損失の測定したが、圧力損失は28kPaであった。
熱媒体には有機熱媒体であるサームエス・900(新日鐵化学(株)製)を用いた。熱媒体を298℃に制御してプレート型触媒反応装置の熱媒体流路に供給した。熱媒体のプレート型触媒反応装置出口温度を測定したところ、熱媒体排出口で300℃であった。熱媒体排出口での流量から、熱媒体流路内での平均流速は0.62m/sであった。
熱媒体流れ方向の中間位置で、触媒層の反応原料ガスの入口から出口までの温度分布を測定した。温度測定から3つのピーク値の温度分布が推定され、それぞれの最高温度は、反応原原料ガスの入口から、346℃、342℃、337℃であった。反応を連続して、1ケ月続けたが反応成績や反応分布は、安定して殆ど変化が無かった。
図7に示すプレート型触媒反応装置を用いた、当該反応装置の寸法は触媒層厚さ即ち伝熱プレートの間隔が20mmであった。触媒層の反応原料ガスの流れ方向の長さ2.25m及び奥行き5m、当該反応装置の熱媒体流路幅の幅内面間は50mmで上記実施例と同じであった。
触媒及び熱媒体は実施例と同じものを用い、触媒量や反応ガスの組成、空間速度も同じとした。熱媒体の供給温度を281℃とし、熱媒体流路内の平均流速が実施例と同じになるように熱媒体を供給した。
反応原料ガスを実施例と同じに分析したところ、プロピレン転化率は95%で実施例と同じであったが、アクリル酸とアクロレインの合計収率は89%であった。触媒層の温度分布を測定したところ、分布のピーク値は1つで、その最高温度は434℃であった。連続して1日間反応を続けたが、温度分布の最高温度が低下すると共に、プロピレンの転化率も低下して、ホットスポットであることが分かった。
2(2−1、2−2、2−3)…触媒層
3…反応ガス入口
4…反応ガス出口
5(5−1、5−2、5−3)…熱媒体流路
6…熱媒体供給口
7…熱媒体排出口
Claims (6)
- 2枚の伝熱プレートに挟まれた空間内にペレット状或いは球状の触媒を充填して反応帯域を形成し、当該伝熱プレートの外側に熱媒体が供給される熱媒体流路を有した2枚の伝熱プレートが一対を形成するプレート型触媒反応装置であって、反応原料ガスの入口から出口に向かって、反応帯域の各領域の触媒層の厚さを増大させ、該入口部分での触媒層の厚さが5〜50mmであり、該出口部分での触媒層の厚さが10〜200mmであるプレート型反応装置を使用した触媒反応方法であって、
前記熱媒体の流量を、入口温度と出口温度との差で0.5〜10℃となるよう設定し、前記熱媒体の流れ方向が前記触媒層内を流れる反応ガスの流れ方向と直角の関係にある十字流れであり、
前記入口温度と出口温度との差が、出口温度から入口温度を減じた値であることを特徴とするプレート型触媒反応方法。 - 一対の伝熱プレートのそれぞれに凹凸を付与することにより、触媒層を通過する反応原料ガスと当該伝熱プレートの伝熱抵抗を低下することを特徴とする請求項1に記載のプレート型触媒反応方法。
- 伝熱プレート対の外側が複数の熱媒体流路に分割され、各々異なった温度を有する熱媒体を該流路に供給することを特徴とする請求項1または2に記載のプレート型触媒反応方法。
- 複数の伝熱プレート対を円周上に放射状に配置し、反応原料ガスが円周の内側から外側へ向かう反応帯域を形成すると共に、隣り合った伝熱プレートを接合して熱媒体流路を形成することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のプレート型触媒反応方法。
- 分子状酸素含有ガスを用いてプロピレン又はイソブチレンを酸化し、(メタ)アクロレインおよび(メタ)アクリル酸を製造する、或いは(メタ)アクロレインを分子状酸素含有ガスを用いて(メタ)アクリル酸を製造することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のプレート型触媒反応方法。
- 反応帯域の各領域に異なった触媒が充填されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のプレート型触媒反応方法。
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