JP5448342B2 - 接触転化反応用反応装置 - Google Patents

Description

本発明は、反応装置内部構造物の変形及び破壊を減少させるために建造された接触反応装置に関する。特に、本発明は、改良された触媒ハウジングを有する接触反応装置に関する。

不均一化学反応では、化学反応は、固体触媒粒子によって触媒されることがしばしばある。これらの触媒粒子は、触媒床に配置されるのが典型的であり、 そして反応性流体が触媒床を通る間に、化学反応が起き, それにより反応性流体を転化させて化学組成が反応性流体と異なる所望の生成物又は生成物の混合物にする。

反応装置の内容物は、反応装置内部構造物として知られている。触媒床は、反応装置内に反応装置内部構造物によって適所に保たれ、反応装置内容物は、触媒粒子への及び触媒粒子からの流体通過を可能にする。これは、触媒粒子と接触する反応装置内部構造物に孔を開けることによって行われるのが普通である。穿孔の特質が、触媒床内部の流体フローパターンを決める。

触媒床を適所に保つための反応装置内容物は、触媒支持板であるのが典型的であり、これは、その縁に沿って及び/又は触媒側と反対側の空いている側上に支持される。触媒支持板をこの空いている側上に支持させることが実行可能でない場合がいくつかあり、例えば、触媒粒子及び触媒支持板が、内部構造物の熱膨張により大きな移動を受ける場合がそうである。

触媒床は、典型的には、空いている上面及び穿孔を有する水平な触媒支持板によって支持された底面を有することができる。触媒床は、触媒ハウジングの垂直な孔の開いていない多孔壁により及び触媒支持多孔板によって適所に保たれる。次いで、ガスが空いている上面側から触媒床に入りそして触媒床の底部の触媒支持多孔板を通って触媒床を出る。触媒支持板は、その縁に沿って垂直な触媒ハウジング壁に固定されそしてその空いている側は下から支持されないのが典型的である。反応装置が昇温されると、触媒床及び触媒ハウジングの垂直な壁又はその他の反応装置内部構造物の熱膨張が、触媒床及び反応装置内部構造物の下方軸方向への変形を引き起こす。

反応性流体が触媒床及び触媒支持板を横断して通る間に、反応性流体は、圧損を経験し、これは、触媒板上の触媒粒子の重量と組み合わさって、触媒支持板の変形を引き起こし得る。従って、触媒支持板がその縁に沿って支持されるだけの場合には、支持板の表面積について上限が存在する。上記のように加工する場合には、この上限は、触媒支持板の実用的でない又は非経済的な補強、例えば、非常に厚い触媒支持板を使用することを要することになる。

触媒支持板を支持する代わりの方法は、様々の支持用構造を触媒床内に設置させかつ触媒支持板上に固定させて使用することによるものである。これは、支持板を触媒ハウジング壁に固定させることに比べて、一層大きな触媒支持板を使用することが可能になる。触媒支持板上に固定されたステーのような支持用構造を使用することを可能にする。ステーは、一端が第一構造に及び他端が第二構造に固定され、構造の一方又は両方に支持をもたらす支持的機素である。

しかし、 ステー及びそのような同様の支持用構造は、反応装置内の温度分布が不均等であることにより、熱膨張の差を有し得る。これは、触媒支持板内でかつステーにおいて軸方向に高いストレス作用を引き起こし得、そしてこれは、それらの変形又は破壊に至り得る。これらの特別の反応装置内部構造物によって半径方向に経験される力は、軸方向の力に比べてごくわずかである。

特開昭49-010172号公報の英語要約は、高温接触反応において触媒支持用板の破壊を避けるために有用な接触反応装置について開示している。触媒支持用板は、孔を有し、１つ以上の領域及び触媒支持用板用支持物に分割される。両方は、垂直ボルトによって締め付けられる。触媒支持用板用の熱膨張は、板とそれの支持物との間のボルトを緩め、それでそれらが互いに対して滑ることができるようにすることによって、吸収させることができる。

本願は、触媒支持用板における応力を、半径方向だけで減少させる接触反応装置について記載する。軸方向の応力を減少させる仕方については述べない。

従って、本発明の目的は、反応装置内部構造物上の軸方向の熱応力を減少させる接触反応装置を提供するにある。これは、 立ち代って、反応装置内部構造物の変形及び破壊を減少させる。

本発明は、細長い支持機素によって支持されたセグメント化された触媒支持板を含む反応装置内部構造物を有する接触反応装置であって、温度が高い程反応装置内部構造物が経験する応力を軸方向に減少させる接触反応装置を含む。

本発明は、請求項１に記載する特性を有する接触反応装置を含む。

本発明の接触反応装置は、複数の細長い支持機素を含む触媒ハウジングを含む。触媒ハウジング内に、触媒粒子の床を支持するための触媒支持多孔板が存在する。細長い支持機素は、それらの下端が、触媒支持多孔板に、例えば溶接によって固定される。触媒支持多孔板は、セグメント化されかつ各々の触媒支持板セグメントは、細長い支持機素によって支持される。セグメント化された触媒支持板及びこれらの触媒支持板セグメント上に固定される細長い支持機素からなるアセンブリーは、管シート又は細長い支持機素の上端が固定される板によって支持される。

接触床は、触媒支持多孔板の上面上に位置させる。触媒粒子は、こうして細長い支持機素の外面を囲む。接触反応装置に入るプロセスガスを反応させるために接触床の方向に向ける。触媒支持板における穿孔は、反応されたプロセスガスが、触媒床及び触媒支持板の両方を通って触媒支持板の下方側に流れることを可能にする。

セグメント化された触媒支持板は、例えば、反応装置装置用に適した必要な寸法を有する単一の, 大きな, 触媒支持板を切断して一層小さな個々の触媒支持板セグメントにすることによって製造することができる。触媒支持板は、例えば、水ジェット切断又は当分野で知られているその他の任意の適した方法を用いて切断することができる。 穿孔は、触媒支持板セグメント又は大きな触媒支持板に前から穿孔した後に、それを切断して個々のセグメントにして作製することができる。

触媒支持板セグメントは、反応装置内に設置し、触媒床を上に位置させることができる表面を形成することができる任意の適した形状又は形状の組合せを有することができる。

触媒支持板セグメントは、例えば、三辺形(三角)、四辺形、五辺形又は六辺形にすることができる。

触媒支持板セグメントは、互いの縁対縁のそばに、板セグメントの間に隙間を有して又は有しないで設置するすることができる。隙間が存在する場合には、触媒粒子が開口を通って触媒支持板の下のボリューム中に落下させないことが重要である。

この事態を避けるために、各々の触媒支持板セグメントの最少の厚さは、すべてのプロセス、始動及び運転停止条件下で、２つの近接する細長い支持機素の間の起こり得る最大の伸びの差に少なくとも等しくすべきである。

セグメント化された触媒支持板は、任意の適した材料で作ることができる。 例は、ニッケル合金及びステインレス・スティールである。

細長い支持機素は、円筒型の横断面を有することができる。その他の断面形状、例えば、六角形又は四角形断面も可能である。換言すると、横断面は、形状を多角形にすることができる。

本発明の接触反応装置は、広い範囲の温度で使用するのに適している。本発明の接触反応装置は、ステーが、相当の熱膨張の変化に至る大きな温度変化を経験し得る反応装置において700oCを超える温度で使用するのに特に適している。

各々の触媒支持板セグメントを少なくとも１つの細長い支持機素に取り付ける。しかし、触媒ハウジングの壁に接する触媒支持板セグメントを、場合によりこの壁に固定させ、他方、残りの触媒支持板セグメントを、細長い支持機素の下端に取り付けることができる。

本発明の実施態様は、細長い支持機素が、触媒支持板セグメントを取り付けるステーである接触反応装置である。

本発明の別の実施態様は、細長い支持機素が、触媒支持板セグメントを取り付ける管、例えば、伝熱管である接触反応装置である。

更に、本発明の実施態様は、触媒支持板セグメントを取り付ける細長い支持機素が、同心二重管、例えば、内管の内側に触媒を有する同心二重管である接触反応装置である。環状ボリューム、すなわち環が、同心二重管であり、例えば、プロセスガスの移送において有用になり得る流路になる。

本発明及びその実施態様を、下記に一層詳細に記載する:
図1は、セグメント化された触媒支持板1の横断面を示す概略図である。この実施態様では、触媒支持板1が切断されて中央触媒支持板セグメント2及び周囲触媒支持板セグメント3から成るいくつものセグメントになり、それらは、対応して、穴4に中央に設置された細長い支持機素及び穴5に設置された周囲の細長い支持機素によって支持される。各々の触媒支持板セグメントは、穿孔6を有し、穿孔6は、触媒床及び触媒支持板セグメントの両方を通る均一な分配をもたらす。この実施態様では、触媒支持板セグメント2及び3は、それぞれ四辺形及び六辺形である。

しかし、各々の触媒支持板セグメントは、切断されて図2に例示する通りの異なる形状になることができる。図2は、穿孔6を有する複数の触媒支持板セグメント2及び3に固定された複数の細長い支持機素4を含む本発明の接触反応装置内の触媒ハウジングを示す。この実施態様は、触媒支持板セグメント2に示す通りに、形状がそれぞれ六角形及び五角形であり、かつ触媒支持板セグメントの辺の長さが変わることができる、 すなわち、触媒支持板セグメントの辺は、長さが同一でない触媒支持板セグメント2及び3を示す。形状が三角形又は四角形である触媒支持板セグメントもまた、本発明の接触反応装置において有用である。従って、触媒支持板セグメント2は、形状が多角形になることができる。 この実施態様は、細長い支持機素は、円筒形でありかつ同心二重管からなる。

図3は、図1に示す実施態様の変形を示す。この実施態様では、中央触媒支持板セグメントを省き、周囲触媒支持板セグメント3を、それらが穴4に設置する中央の細長い機素に接するように切断する。この場合では、穴4における中央の細長い機素は、触媒支持板セグメント3のいずれをも支持しない。

触媒支持板セグメントは、すべて支持される。しかし、触媒床内の細長い機素がすべて、触媒支持板セグメントに支持をもたらすわけではない。細長い機素の数は、反応装置のサイズに従って変化することができるが、大抵は、1〜1000の範囲になる。支持をもたらさない細長い機素は、流体の移送用管になり得る。

実際には、触媒支持板セグメントの表面全体を横断して経験する温度差は、広く変わり得る。しかし、隣接する細長い支持機素の間の局部温度差は、大きくない。このことは、隣接する細長い支持機素が局部的に経験する膨張が極めて類似していることを意味する。従って、いずれの細長い支持機素も、その最も近い隣接物とほぼ同じ長さだけ膨張する。

本発明の別の実施態様を図4に示す。図4は、本発明の接触反応装置1を通る縦断面を示す。接触反応装置1は、触媒ハウジング2及び触媒ハウジング2の内側に配列される複数のステー3を含む。２つのステー3を示す。各々のステー3は、触媒支持板セグメント4をステーの下端で支持する。板セグメント4は、穿孔5を有しかつ縁対縁に、板セグメント4の縁の間に隙間6を有して又は有しないで設置する。

板セグメント4は、こうして触媒床7を支持するために適した単一の大きな触媒支持板の表面に類似した表面を形成する。

プロセスガスは、入口8を通って触媒ハウジング2に入り、そして触媒床7を通過して必要な温度で接触反応する。プロセスガスは、接触反応の後に、穿孔5及び存在する場合には、隙間6を通過して触媒床7の下流のボリューム9に入る。

本発明の別の実施態様を図5に示す。この実施態様では、本発明の接触反応装置は、図4に記載するのと類似するが、但し、細長い支持機素が、プロセス流体が通って流れることができる管3であり、管の下端は、触媒支持板セグメント4に固定される。触媒ハウジング及びそれの内容物だけをこの図に示す。プロセス流体は、入口8を通って触媒ハウジング2に入り、そして触媒床7を通過する間に転化される。板セグメント4を通過した後に、反応されたプロセスガスは、ボリューム9に入り、次いで、管3の下端を通って管3に入る。反応されたプロセスガスは、管3を通過する間に、触媒床7内の反応中のプロセスガスと間接熱交換状態になることができる。

この実施態様は、メタンをスチームと反応させて一酸化炭素と水素とを生成する水蒸気改質反応において使用するために適している。触媒床7内で吸熱水蒸気改質反応が起こなわれ、そして生成物ガスがボリューム9に入り、入口10から入る高温ガスと混合する。次いで、混合物は、管3を通って移動する間に、触媒床7内で起こなわれている反応と熱交換することによって冷却される。反応されたガスは、出口12を通って触媒ハウジング2を出る。

図５に示す実施態様は、１０００℃程に高い温度を経験する水蒸気改質反応において特に有用である。そのような反応装置では、反応装置管は、長さが１２メートルになり得、管金属の熱膨張率に応じて、例えば、この温度で長さ１６０ミリメートルの膨張を経験し得る。反応装置管は、その上端が管シート１１に固定されているので、膨張は、その下端で最も大きい。

反応装置内の不均等な温度分布は、反応装置内の各々の個々の反応装置管の膨張変化に至り得る。触媒支持板がセグメント化されていない場合には、これは、終局的に、触媒支持板の変形及び破壊をもたらすことになる。セグメント化された触媒支持板を使用する時は、セグメント化された触媒支持板は、反応装置管の膨張差を、内部構造物のいずれをも破壊しないで、許容する。

本発明の更なる実施態様を図6に示す。触媒ハウジング及びそれの内容物だけをこの図に示す。この実施態様では、本発明の接触反応装置は、図5に記載するのと類似するが、但し、細長い支持機素が同心二重管3であり、それらの外管の下端は、触媒支持板セグメント4に固定される。プロセス流体は、同心二重管3の環5内を流れることができ、内管6のボリュームに触媒粒子を充填することができる。セグメント化された触媒支持板4は、同心二重管3の外側の触媒床7を支持する。

図6を下記に一層詳細に説明する。プロセス流体、例えば、プロセスガスは、入口8を通って触媒ハウジング2に入り、そして同心二重管3の内管6のボリューム13内に配置された更なる触媒床11を通過する間に転化される。プロセスガスは、同時に、同心二重管3の外側に配置された触媒床7を通過する間に転化される。転化されたプロセスガスは、同心二重管3の内管6のボリューム13を出てボリューム9に入る。転化されたプロセスガスは、また、セグメント化された触媒支持多孔板4を出てボリューム9に入る。ボリューム9内の転化されたプロセスガスは、次いで、入口10を通って触媒ハウジング2に入る別のガスと混合する。次いで、プロセスガス混合物は、同心二重管3の環5を通って出口12に移送される。

本発明の別の好ましい実施態様は、図7に示す通りに、触媒支持板セグメントを細長い支持機素か又は触媒ハウジングの垂直な壁のいずれかに固定させた接触反応装置である。この実施態様では、本発明の接触反応装置は、触媒ハウジングの垂直な壁に接する触媒支持板セグメント1のいくつかを垂直な壁に固定させかつ垂直な壁によって支持する。残りの触媒支持板セグメント2は、穴3に設置された細長い支持機素に固定させかつ細長い支持機素によって支持する。

本発明の３つ異なる実施態様におけるセグメント化された触媒支持板の横断面を示す概略図である。 本発明の３つ異なる実施態様におけるセグメント化された触媒支持板の横断面を示す概略図である。 本発明の３つ異なる実施態様におけるセグメント化された触媒支持板の横断面を示す概略図である。 ステーの下端がセグメント化された触媒支持板に固定された触媒ハウジングを通る縦断面を示す概略図である。 管の下端がセグメント化された触媒支持板に固定された触媒ハウジングを通る縦断面を示す概略図である。 二重管の下端がセグメント化された触媒支持板に固定された触媒ハウジングを通る縦断面を示す概略図である。 セグメントを触媒ハウジング壁か又は細長い支持機素のいずれかに取り付けたセグメント化された触媒支持板の横断面を示す概略図である。

接触反応装置である。

符号の説明

１ 触媒支持板、 ２ 中央触媒支持板セグメント、 ３ 周囲触媒支持板セグメント、 ４、５ 穴、 ６ 穿孔、 ７、11 触媒床、 ８，１０ 入口、 ９、１３ ボリューム、 １２ 出口

Claims (8)

1. 触媒ハウジング内に、触媒床を支持する触媒支持多孔板を含み、触媒支持板は、複数の細長い支持機素によって支持され、触媒床内の触媒粒子は、細長い支持機素の外側に配置され、触媒支持多孔板は、細長い支持機素の下端に取り付けられ、触媒支持多孔板は、複数の触媒支持多孔板セグメントに分割され、少なくとも１つの触媒支持多孔板セグメントは、細長い支持機素によって支持され、各々の触媒支持板セグメントの最少の厚さは、２つの近接する細長い支持機素の間の起こり得る１０００℃における熱膨張による最大の伸びの差に少なくとも等しい、接触転化反応用反応装置。
2. 触媒ハウジングの壁に接する少なくとも１つの更なる触媒支持板セグメントが、この壁によって支持される請求項１記載の反応装置。
3. 細長い支持機素が、円筒形又は多角形の断面を有する請求項１記載の反応装置。
4. 細長い支持機素が、ステー、管又は同心二重管である請求項１〜３のいずれか一に記載の反応装置。
5. 管が伝熱管である請求項４記載の反応装置。
6. 同心二重管が、内管の内側に触媒をそして環内にプロセスガスを収容する請求項４記載の反応装置。
7. 触媒支持板セグメントが、多角形の形状である請求項１〜３のいずれか一に記載の反応装置。
8. 水蒸気改質反応における請求項１〜７のいずれか一に記載の反応装置の使用。
   

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