JP5614062B2 - Start-up method for gas phase catalytic oxidation reaction and method for producing (meth) acrylic acid using the same - Google Patents
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Description
本発明は、気相接触酸化反応のスタートアップ方法、およびこれを用いた(メタ)アクリル酸の製造方法に関する。 The present invention relates to a start-up method for gas phase catalytic oxidation reaction and a method for producing (meth) acrylic acid using the same.
例えば、プロピレンからアクロレインやアクリル酸を製造したり、イソブチレンからメタクロレインやメタクリル酸を製造したりする際には、通常、気相接触酸化反応(以下、単に「酸化反応」という場合がある。)が用いられる。該酸化反応を工業的に実施する場合、その酸化反応の際に発生する反応熱が大きいため、複数の反応管を備えた巨大な多管式熱交換器型反応器(以下、単に「反応器」という場合がある。)を用いるのが一般的である。 For example, when acrolein or acrylic acid is produced from propylene or methacrolein or methacrylic acid is produced from isobutylene, it is usually a gas phase catalytic oxidation reaction (hereinafter sometimes simply referred to as “oxidation reaction”). Is used. When the oxidation reaction is carried out industrially, the reaction heat generated during the oxidation reaction is large, so a huge multi-tube heat exchanger type reactor (hereinafter simply referred to as “reactor”) having a plurality of reaction tubes. Is sometimes used.).
特に、プロピレンやイソブチレンなどの反応原料や分子状酸素を含む原料ガスからの触媒の分離性の観点から、酸化反応触媒を複数の反応管に充填して触媒層を形成し、そこに原料ガスを通過させつつ、反応器の胴内に熱媒体を導入し、反応管の外側を加熱または除熱することで酸化反応を進行させる場合が多い。これにより、反応量を安全に制御すると共に、触媒の急速な劣化を回避し、かつ過度の酸化反応を抑制して高収率を維持しやすくなる。 In particular, from the viewpoint of separation of the catalyst from reaction raw materials such as propylene and isobutylene and a raw material gas containing molecular oxygen, an oxidation reaction catalyst is filled into a plurality of reaction tubes to form a catalyst layer, and the raw material gas is supplied to the reaction layers. In many cases, an oxidation reaction proceeds by introducing a heat medium into the barrel of the reactor while passing it through and heating or removing heat from the outside of the reaction tube. This makes it possible to control the reaction amount safely, avoid rapid deterioration of the catalyst, and suppress excessive oxidation reaction to easily maintain a high yield.
ところで、一般に用いられる反応器には、通常の熱交換器と同様に、熱媒体が反応器内の反応管の周囲を均一に通過するように、邪魔板と呼ばれる熱媒体の流路を定め、流れ方向を転換させるための板が設置されている。この邪魔板により熱媒体の短絡流を抑制し、かつ反応管周囲の除熱能力を維持することができる。 By the way, in a commonly used reactor, like a normal heat exchanger, a flow path of a heat medium called a baffle plate is defined so that the heat medium uniformly passes around the reaction tube in the reactor, A plate for changing the flow direction is installed. This baffle plate can suppress the short circuit flow of the heat medium and maintain the heat removal capability around the reaction tube.
しかし、反応器の胴内に導入された熱媒体は、胴内を流れて排出されるまでの間に、酸化反応で発生する熱や原料ガスの予熱に必要な熱により温度が上昇しやすい。そのため、反応器内では熱媒体の温度分布が発生しやすかった。その結果、熱媒体の温度が高い領域に位置する反応管と、熱媒体の温度が低い領域に位置する反応管とでは、反応状態が異なってしまう。特に熱媒体の温度が高い領域に位置する反応管では、周囲の反応管よりも過度な酸化反応が誘発されて収率の低下を引き起こしたり、局部的な触媒の劣化を引き起こしたりしやすい。さらに、除熱能力よりも酸化反応による発熱速度が勝る場合には、酸化反応の暴走に繋がる恐れがある。酸化反応の暴走が起こりそうな状況に陥った場合には、原料ガスの供給を抑えたり、場合によっては緊急停止する必要があり、生産計画を達成できず、多大な損害を被ることになる。 However, the temperature of the heat medium introduced into the reactor barrel is likely to rise due to the heat generated in the oxidation reaction and the heat necessary for preheating the raw material gas before flowing through the barrel and being discharged. Therefore, the temperature distribution of the heat medium was likely to occur in the reactor. As a result, the reaction state differs between the reaction tube located in the region where the temperature of the heat medium is high and the reaction tube located in the region where the temperature of the heat medium is low. In particular, in a reaction tube located in a region where the temperature of the heat medium is high, an excessive oxidation reaction is induced more easily than in the surrounding reaction tube, which tends to cause a decrease in yield or local deterioration of the catalyst. Furthermore, when the heat generation rate by the oxidation reaction is higher than the heat removal capability, the oxidation reaction may run away. When a situation where an oxidation reaction runaway is likely to occur, it is necessary to suppress the supply of the raw material gas or, in some cases, to stop it urgently, and the production plan cannot be achieved, resulting in a great deal of damage.
一方、酸化反応に用いられる触媒は、反応初期の活性が不安定な場合がある。そのため、反応開始時における過度な酸化反応を抑制する方法として、通常、定常運転時における反応原料の供給量よりも少ない量を供給し、次第に供給量を増やして定常運転に移行させる方法を用いる。
しかし、反応原料の供給を開始してから、反応原料の供給量を次第に増やして定常運転に移行する操作(以下、「スタートアップ」という。)において、目標の供給量に到達する前に触媒層の一部にでもホットスポットと呼ばれる局所的高温帯域が発生した場合は、供給量を増やすのをやめ、ホットスポットが発生した部分の触媒層の温度が低下するのを待たざるをえない。そのため、スタートアップに多くの時間を費やし、目標の生産量が得られず多大な損失になる。
On the other hand, the catalyst used for the oxidation reaction may have unstable activity at the initial stage of the reaction. Therefore, as a method for suppressing an excessive oxidation reaction at the start of the reaction, a method is generally used in which an amount smaller than the supply amount of the reaction raw material in the steady operation is supplied, and the supply amount is gradually increased to shift to the steady operation.
However, in the operation of starting the supply of the reaction raw material and gradually increasing the supply amount of the reaction raw material to shift to the steady operation (hereinafter referred to as “startup”), before reaching the target supply amount, When a local high temperature zone called a hot spot is generated even in a part, the supply amount is stopped increasing and it is necessary to wait for the temperature of the catalyst layer in the portion where the hot spot is generated to decrease. Therefore, a lot of time is spent on startup, and the target production volume cannot be obtained, resulting in a great loss.
上記の問題を解決するために、通常は反応原料の供給開始時の温度を低めに設定する操作や、スタートアップの途中段階で触媒層の温度が低下し、安定するのを待つ操作が行われる。このような操作により、反応原料の供給量が少ないときには、ホットスポットの発生を抑制することができる。しかし、次第に供給量が増えて定常運転に近づくと、触媒層の一部の温度が過剰に上昇してホットスポットが発生することがあった。
特に、巨大な反応器を用いて酸化反応を行う場合は、反応器内において熱媒体の温度分布が発生しやすく、反応管ごとに反応条件が異なりやすかった。そのため、反応器全体に亘る触媒層の温度を管理し、ホットスポットの発生やホットスポットの温度上昇を抑制して円滑にスタートアップを行い、定常運転に移行させるのは容易ではなかった。
In order to solve the above problems, usually, an operation for setting a lower temperature at the start of the supply of the reaction raw materials or an operation for waiting for the temperature of the catalyst layer to decrease and stabilize in the middle of the start-up are performed. By such an operation, when the supply amount of the reaction raw material is small, the generation of hot spots can be suppressed. However, when the supply amount gradually increases and approaches steady operation, the temperature of a part of the catalyst layer rises excessively and a hot spot may occur.
In particular, when the oxidation reaction is performed using a huge reactor, the temperature distribution of the heat medium is likely to occur in the reactor, and the reaction conditions are likely to be different for each reaction tube. For this reason, it is not easy to control the temperature of the catalyst layer throughout the reactor, suppress the occurrence of hot spots and the temperature rise of the hot spots, start up smoothly, and shift to steady operation.
スタートアップ中のホットスポットの温度上昇を抑制する方法として、例えば特許文献1には、酸化反応のスタートアップに際して、反応器への原料の単位時間当たりの供給量が、原料の単位時間当たりの許容最大供給量の30%以上に達してから、20時間以上、単位時間当たりの供給量を許容最大供給量の30%以上80%未満に保つ方法が開示されている。
As a method for suppressing the temperature rise of the hot spot during start-up, for example,
しかしながら、特許文献1に記載された方法では、反応器内での熱媒体の温度分布の発生に起因したホットスポットの発生を十分に抑制することは容易ではなく、スタートアップに長時間を費やすことがあった。
However, in the method described in
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、多管式熱交換器型反応器にて気相接触酸化反応を行う場合に、反応器内の熱媒体の温度分布を最小限に抑制し、ホットスポットの発生を抑え、短時間でスタートアップを行うことができるスタートアップ方法、およびこれを用いた(メタ)アクリル酸の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in view of the above circumstances, and when performing a gas phase catalytic oxidation reaction in a multitubular heat exchanger type reactor, the temperature distribution of the heat medium in the reactor is suppressed to a minimum, An object of the present invention is to provide a start-up method capable of suppressing the occurrence of hot spots and performing start-up in a short time, and a method for producing (meth) acrylic acid using the start-up method.
本発明者らは、鋭意検討した結果、反応器内において、触媒層の温度が低い領域を発生させない条件を設定することで、熱媒体の温度分布を最小限に抑制し、ホットスポットの発生を抑え、短時間でスタートアップできることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of diligent investigations, the present inventors set conditions under which the temperature of the catalyst layer is not low in the reactor, thereby minimizing the temperature distribution of the heat medium and preventing the generation of hot spots. It was found that the system can be started up in a short time, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明のスタートアップ方法は、多管式熱交換器型反応器の胴内に、内部に触媒が充填された10000〜35000本の反応管と、反応管の間に形成され、熱媒体が流通する空間と、該空間内に熱媒体の流れ方向を転換させる1〜5枚の邪魔板とを備えた多管式熱交換器型反応器を用い、前記空間内に熱媒体を導入しながら、前記反応管に反応原料として(メタ)アクロレインを含む原料ガスを供給し、気相接触酸化反応により反応生成ガスとして(メタ)アクリル酸を得る際のスタートアップ方法において、前記反応管の触媒層の温度と前記空間内の熱媒体の温度との差(ΔT)の最大値が50℃を超えないように反応原料の供給量を上昇させ、前記反応原料の供給量が、定常運転時における反応原料の供給量の30%に達してから80%に達するまでに要する時間が5時間以上、20時間未満であり、かつ、原料ガスの供給開始から定常運転に移行する間に前記空間内に導入される熱媒体の温度(Th)と、定常運転時に前記空間内に導入される熱媒体の温度(Ts)が、下記式(1)を満たすことを特徴とする。
−5<(Th−Ts)<2 ・・・(1)
また、前記触媒が、下記の式(II)で表される組成を有する触媒であることが好ましい。
MojPkVlCumX2 nY2 oZ2 pOq ・・・(II)
(式(II)において、Mo、P、V、CuおよびOはそれぞれモリブデン、リン、バナジウム、銅および酸素を示し、X2はアンチモン、ビスマス、ヒ素、ゲルマニウム、ジルコニウム、テルル、セレン、ケイ素、タングステン、ホウ素および銀からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示し、Y2は鉄、亜鉛、クロム、マグネシウム、タンタル、マンガン、コバルト、バリウム、ガリウム、セリウムおよびランタンからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示し、Z2はカリウム、ルビジウム、セシウムおよびタリウムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。j、k、l、m、n、o、pおよびqは各元素の原子比を表し、j=12のときk=0.5〜3、l=0.01〜3、m=0〜2、n=0〜3、o=0〜3、p=0.01〜3であり、qは前記各成分の原子価を満足するのに必要な酸素原子比である。)
That is, the start-up method of the present invention is formed between 10000 to 35000 reaction tubes filled with a catalyst in a cylinder of a multi-tube heat exchanger type reactor, and a heat medium is formed between the reaction tubes. Using a multi-tubular heat exchanger reactor equipped with a circulating space and 1 to 5 baffle plates for changing the flow direction of the heat medium in the space, while introducing the heat medium into the space In the start-up method when supplying a raw material gas containing (meth) acrolein as a reaction raw material to the reaction tube and obtaining (meth) acrylic acid as a reaction product gas by a gas phase catalytic oxidation reaction , The supply amount of the reaction raw material is increased so that the maximum value of the difference (ΔT) between the temperature and the temperature of the heat medium in the space does not exceed 50 ° C., and the supply amount of the reaction raw material is the reaction raw material during steady operation Reached 30% of supply 80% to reach the time required to have five or more and less than 20 hours, and the heat medium introduced into the space during the transition into steady-state operation from the start of supply of the raw material gas temperature (T h) The temperature (T s ) of the heat medium introduced into the space during steady operation satisfies the following formula (1).
−5 <(T h −T s ) <2 (1)
Moreover, it is preferable that the said catalyst is a catalyst which has a composition represented by following formula (II).
Mo j P k V l Cu m X 2 n Y 2 o Z 2 p O q ··· (II)
(In the formula (II), Mo, P, V, Cu and O represent molybdenum, phosphorus, vanadium, copper and oxygen, respectively, and X 2 represents antimony, bismuth, arsenic, germanium, zirconium, tellurium, selenium, silicon and tungsten. Represents at least one element selected from the group consisting of boron and silver, and Y 2 is at least one selected from the group consisting of iron, zinc, chromium, magnesium, tantalum, manganese, cobalt, barium, gallium, cerium and lanthanum Z 2 represents at least one element selected from the group consisting of potassium, rubidium, cesium and thallium, j, k, l, m, n, o, p and q are atoms of each element Represents the ratio, and when j = 12, k = 0.5-3, l = 0.01-3, m = 0-2, n = 0-3, o = To 3, a p = 0.01 to 3, q is an oxygen atom ratio required for satisfying the valency of each component.)
また、本発明の(メタ)アクリル酸の製造方法は、前記スタートアップ方法を用い、反応原料として(メタ)アクロレインを含む原料ガスを反応管に供給して気相接触酸化することを特徴とする。 In addition, the method for producing (meth) acrylic acid according to the present invention is characterized in that the start-up method is used, and a raw material gas containing (meth) acrolein as a reaction raw material is supplied to a reaction tube to perform gas phase catalytic oxidation.
本発明によれば、多管式熱交換器型反応器にて気相接触酸化反応を行う場合に、反応器内の熱媒体の温度分布を最小限に抑制し、ホットスポットの発生を抑え、短時間でスタートアップを行うことができるスタートアップ方法、およびこれを用いた(メタ)アクリル酸の製造方法を提供できる。 According to the present invention, when performing a gas phase catalytic oxidation reaction in a multitubular heat exchanger type reactor, the temperature distribution of the heat medium in the reactor is suppressed to a minimum, the occurrence of hot spots is suppressed, A start-up method capable of performing start-up in a short time and a method for producing (meth) acrylic acid using the start-up method can be provided.
本発明において、気相接触酸化反応は、多管式熱交換器型反応器を用いて実施される。
多管式熱交換器型反応器としては、化学工業で広く使用される化学機械の一つである多管式熱交換器を用いることができる。多管式熱交換器とは、一般的に管状胴体の両端部にそれぞれ1枚以上の管板を内蔵し、該管板間に両端部外周を固定された複数本の伝熱管(反応管)を有するものである。
In the present invention, the gas phase catalytic oxidation reaction is carried out using a multitubular heat exchanger type reactor.
As the multitubular heat exchanger type reactor, a multitubular heat exchanger which is one of chemical machines widely used in the chemical industry can be used. A multi-tube heat exchanger is generally a plurality of heat transfer tubes (reaction tubes) in which at least one tube plate is built in each end of a tubular body, and the outer periphery of each end is fixed between the tube plates. It is what has.
ここで、本発明に用いる多管式熱交換器型反応器の一例について、図1を参照しながら説明する。この例の反応器10は、該反応器10の胴11内に、内部に触媒が充填され触媒層が形成された複数の反応管12と、反応管12の間に形成され、熱媒体が流通する空間11aと、空間11aに熱媒体の流れ方向を転換させる1枚以上の邪魔板13と、反応器下部に設けられた原料ガス入口14と、反応器上部に設けられた反応生成ガス出口15と、反応管12を加熱または除熱するための熱媒体を反応器10の空間11aに導入する熱媒体入口16と、熱媒体を反応器10の空間11aから排出する熱媒体出口17と、熱媒体を反応器10の空間11aに循環させるポンプ18とを具備して構成される。
Here, an example of the multi-tube heat exchanger reactor used in the present invention will be described with reference to FIG. The
反応管12の本数は複数本であればよく、例えば10000〜35000本でもよい。また、反応管12の外径、肉厚、長さについては特に制限されない。
The number of
邪魔板13の枚数は特に限定されず、1枚でもよく2枚以上でもよい。反応管12の取り付け強度、熱媒体の循環設備の能力、熱媒体の循環による圧力損失、管板の耐圧性などを考慮し、適宜経済性に合うように設計すればよい。
また、邪魔板13の形式としては、セグメンタル型、ダブルセグメンタル型、ディスク−ドーナツ型、ロッド型など様々な型式が挙げられる。本発明は、熱媒体の流路履歴の影響を受けやすい欠円型セグメンタルバッフルにおいて特に効果を発揮するが、邪魔板13の形式は特に限定されない。
The number of
Further, as the form of the
このような反応器10を用いた気相接触酸化反応(以下、単に「酸化反応」という。)では、熱媒体を熱媒体入口16から反応器10の空間11a内に導入させ、反応原料を含む原料ガスを原料ガス入口14から反応器10に供給し、熱媒体により加熱された各反応管12に、原料ガスを流通させる。そして、反応管12に形成された触媒層に原料ガスが下から上へ流通したときに、反応原料が気相接触酸化反応により酸化され、反応生成ガスが生成する。その際、反応管12の管壁を介して酸化反応熱が熱媒体より授受され、反応器10内の酸化反応を制御できる。生成された反応生成ガスは、反応生成ガス出口15から排出され、回収される。一方、熱媒体は熱媒体出口17から排出される。
In a gas phase catalytic oxidation reaction (hereinafter simply referred to as “oxidation reaction”) using such a
本発明においては、上述した酸化反応においてスタートアップを行う際の条件を規定した。
なお、本発明において「定常運転」とは、反応原料が許容最大供給量あるいはその付近の目標の供給量に達し、一定で運転している状態のことである。また、「許容最大供給量」とは、反応原料の反応器に供給しても良い最大値である。この値は反応器の生産能力と相関し、反応器の設計段階で決定される。
In the present invention, conditions for starting up in the above-described oxidation reaction are defined.
In the present invention, the “steady operation” is a state in which the reaction raw material reaches a permissible maximum supply amount or a target supply amount in the vicinity thereof and is operating at a constant level. The “allowable maximum supply amount” is a maximum value that may be supplied to the reactor of the reaction raw material. This value correlates with the production capacity of the reactor and is determined at the reactor design stage.
本発明は、反応原料の供給量が定常運転時における反応原料の供給量の30%に達してから80%に達するまでに要する時間(tL)を5時間以上、20時間未満とした。
また、本発明は、原料ガスの供給開始から定常状態に移行する間(すなわち、スタートアップを行う間)に、反応器の空間内に導入される熱媒体の温度(Th)と、定常運転時に反応器の空間内に導入される熱媒体の温度(Ts)が、下記式(1)を満たすように規定した。なお、「反応器の空間内に導入される熱媒体の温度」とは、反応器の熱媒体入口を通過する直前の熱媒体の温度のことである。
−5<(Th−Ts)<2 ・・・(1)
In the present invention, the time (t L ) required to reach 80% after the supply amount of the reaction raw material reaches 30% of the supply amount of the reaction raw material in the steady operation is set to 5 hours or more and less than 20 hours.
Further, the present invention provides the temperature (T h ) of the heat medium introduced into the space of the reactor during the transition from the start of the supply of the raw material gas to the steady state (that is, during the start-up), and during the steady operation. The temperature (T s ) of the heat medium introduced into the reactor space was defined so as to satisfy the following formula (1). The “temperature of the heat medium introduced into the space of the reactor” refers to the temperature of the heat medium immediately before passing through the heat medium inlet of the reactor.
−5 <(T h −T s ) <2 (1)
本発明者らは鋭意検討した結果、スタートアップ中において触媒層の温度が低い領域を発生させないことが、熱媒体の温度分布を最小限に抑制し、ホットスポットの発生を抑え、短時間でスタートアップする上で重要であることを見出した。その理由は以下の通りである。 As a result of intensive studies, the inventors have determined that the temperature distribution of the heat medium is minimized, the occurrence of hot spots is suppressed, and the start-up is completed in a short time without generating a region where the temperature of the catalyst layer is low during startup. I found it important. The reason is as follows.
反応原料の供給量が少ないスタートアップの初期段階において、反応器の空間内に導入された熱媒体は反応器の奥側(熱媒体入口から離れた領域)に到達するまでに、酸化反応を進行させるため熱が奪われ、熱媒体自身は温度が低下しやすい。従って、反応器の奥側ほど熱媒体の温度は低くなる傾向にある。そのため、反応器の奥側に設置された反応管の触媒層は、反応器の手前側(熱媒体入口付近)に設置された反応管の触媒層に比べて温度が低く、反応量が減少しやすい。よって、反応器全体として一定の反応量を確保するためには、反応器の奥側(触媒層の温度が低い領域)以外に設置された反応管で通常よりも過剰に反応させて不足した反応量を補う必要がある。そこで、熱媒体の温度を上げて一定の反応量を確保しようとしても、一旦触媒層の温度が低い領域が発生してしまうと、当該領域の温度上昇は、それ以外の領域の温度上昇に比べて小さいため、反応管毎における触媒層の温度差が拡大する。その結果、触媒層の温度が高い領域での触媒層の温度上昇がさらに進行してしまうため、熱媒体の温度をさらに上げることはできず、一定の反応量を確保することが困難となるばかりか、触媒層の温度が高い領域の触媒が失活するのを待つか、反応原料の供給量を減少させてスタートアップをやり直すこととなり、スタートアップの時間が長くなる。 In the initial stage of start-up, where the amount of reactant feed is low, the heat medium introduced into the reactor space advances the oxidation reaction until it reaches the back side of the reactor (region away from the heat medium inlet). Therefore, heat is taken away, and the temperature of the heat medium itself tends to decrease. Therefore, the temperature of the heat medium tends to be lower toward the back of the reactor. Therefore, the catalyst layer of the reaction tube installed on the back side of the reactor has a lower temperature than the catalyst layer of the reaction tube installed on the front side of the reactor (near the heat medium inlet), and the reaction amount decreases. Cheap. Therefore, in order to ensure a certain reaction amount as a whole reactor, the reaction tube which is installed outside the back side of the reactor (region where the temperature of the catalyst layer is low) is made to react excessively than usual and the reaction is insufficient. It is necessary to supplement the amount. Therefore, even if an attempt is made to secure a certain reaction amount by increasing the temperature of the heat medium, once a region where the temperature of the catalyst layer is low occurs, the temperature increase in the region is higher than the temperature increase in other regions. Therefore, the temperature difference of the catalyst layer in each reaction tube increases. As a result, the temperature of the catalyst layer further rises in a region where the temperature of the catalyst layer is high, so that the temperature of the heat medium cannot be further increased, and it becomes difficult to ensure a certain reaction amount. Alternatively, it is necessary to wait for the catalyst in the region where the temperature of the catalyst layer is high to be deactivated, or to reduce the supply amount of the reaction raw material, and to start up again, thereby extending the startup time.
本発明によれば、スタートアップを行う際の条件を上述したように規定することで、反応原料を含む原料ガスの供給量が少ないスタートアップの初期段階において、熱媒体の温度が低下しやすい領域(熱媒体入口から離れた領域)の触媒層での酸化反応を十分に進行させることができる。従って、スタートアップ中において触媒層の温度が低い領域を発生させることなく、高温に保った状態でスタートアップを完了できる。 According to the present invention, by defining the start-up conditions as described above, in the initial stage of start-up where the supply amount of the raw material gas including the reaction raw material is small, the temperature of the heat medium is easily reduced (heat The oxidation reaction in the catalyst layer in a region away from the medium inlet can be sufficiently advanced. Therefore, the startup can be completed while maintaining a high temperature without generating a region where the temperature of the catalyst layer is low during startup.
上述した条件において、時間(tL)が5時間未満であると、触媒の活性が高い初期の段階で、多量の反応原料が反応管に供給されることになるので、短時間で急激に酸化反応が進行し、その結果、大きな発熱を生じることになる。さらに、この状態のまま反応原料の供給量が増加するので、さらなる発熱を生じ、ホットスポットが発生する。
一方、時間(tL)が20時間以上であると、熱媒体入口から離れた領域に設置された反応管周辺の熱媒体の温度が低くなり、該領域の反応管の触媒層の温度が次第に低下してしまう。
時間(tL)の下限値は10時間以上が好ましく、上限値は19時間以下が好ましい。
Under the conditions described above, if the time (t L ) is less than 5 hours, a large amount of reaction raw material is supplied to the reaction tube at an early stage where the activity of the catalyst is high. The reaction proceeds, resulting in a large exotherm. Furthermore, since the supply amount of the reaction raw material increases in this state, further heat generation occurs and a hot spot is generated.
On the other hand, when the time (t L ) is 20 hours or more, the temperature of the heat medium around the reaction tube installed in the region away from the heat medium inlet becomes low, and the temperature of the catalyst layer of the reaction tube in the region gradually increases. It will decline.
The lower limit of time (t L ) is preferably 10 hours or longer, and the upper limit is preferably 19 hours or shorter.
反応原料の供給量が、定常運転時における反応原料の供給量の80%に達してから定常運転に移行するまでに要する時間は特に限定されない。例えば反応原料の供給量を1%増加させ、その状態を1時間保持した後に再び供給量を1%増加させ、その状態を1時間保持する操作を繰り返すなどして、触媒層の温度や反応率を管理しながら反応原料の供給量を段階的に増やせばよい。 There is no particular limitation on the time required for the supply of the reaction raw material to reach 80% of the supply amount of the reaction raw material during the steady operation until the shift to the steady operation. For example, by increasing the supply amount of the reaction raw material by 1%, maintaining the state for 1 hour, increasing the supply amount by 1% again, and maintaining the state for 1 hour, the temperature of the catalyst layer and the reaction rate It is sufficient to increase the supply amount of the reaction raw material step by step while managing
また、上述した条件において、(Th−Ts)が−5℃以下であると、定常運転に移行するまでに熱媒体の温度が低い状態となるため、熱媒体入口から離れた領域の触媒層での酸化反応を十分に進行させ、高温に保つことが困難となる。
一方、(Th−Ts)が2℃以上であると、スタートアップ中に導入される熱媒体の温度が高すぎるため、過度な酸化反応が誘発されやすくなり、ホットスポットが発生しやすくなる。
(Th−Ts)の下限値は−4.5℃以上が好ましく、−4.0℃以上がより好ましい。一方、(Th−Ts)の上限値は1.5℃以下が好ましく、1.0℃以下がより好ましい。
In addition, when (T h −T s ) is −5 ° C. or lower under the above-described conditions, the temperature of the heat medium becomes low before the shift to the steady operation, and thus the catalyst in a region away from the heat medium inlet. It becomes difficult to sufficiently advance the oxidation reaction in the layer and maintain it at a high temperature.
On the other hand, if (T h −T s ) is 2 ° C. or higher, the temperature of the heat medium introduced during start-up is too high, so that an excessive oxidation reaction is likely to be induced and hot spots are likely to occur.
The lower limit of (T h -T s ) is preferably −4.5 ° C. or higher, more preferably −4.0 ° C. or higher. On the other hand, the upper limit value of (T h −T s ) is preferably 1.5 ° C. or less, and more preferably 1.0 ° C. or less.
なお、スタートアップ中に導入される熱媒体の温度は、上記式(1)を満たす温度、すなわち(Ts−5)℃を超え、(Ts+2)℃未満の範囲内であれば自由に変化させることができる。 Note that the temperature of the heat medium introduced during start-up changes freely as long as the temperature satisfies the above formula (1), that is, exceeds (T s −5) ° C. and is less than (T s +2) ° C. Can be made.
反応器の空間内に導入される熱媒体の温度は、上記式(1)を満たすものであれば特に限定されず、反応原料の供給量に応じて温度を上昇させてもよいし、常に一定値としてもよい。また、触媒層の温度分布や反応率、反応器内の熱媒体の温度分布などの反応状態に応じて、反応器の空間内に導入される熱媒体の温度を上げたり下げたりしてもよい。
一方、定常運転時に空間内に導入される熱媒体の温度は、実績値や実験設備における実験値、シミュレーション等によって、予め設定しておくのが好ましい。
The temperature of the heat medium introduced into the space of the reactor is not particularly limited as long as it satisfies the above formula (1), and the temperature may be increased according to the supply amount of the reaction raw material, and is always constant. It may be a value. Further, the temperature of the heat medium introduced into the space of the reactor may be raised or lowered depending on the reaction state such as the temperature distribution and reaction rate of the catalyst layer, the temperature distribution of the heat medium in the reactor, and the like. .
On the other hand, the temperature of the heat medium introduced into the space during steady operation is preferably set in advance by actual values, experimental values in experimental facilities, simulations, and the like.
上述したように、本発明は触媒層中に温度の低い領域を発生させない条件でスタートアップを行うが、触媒層の温度を把握するために、反応管12内の触媒層中に熱電対等の測温器具を設置することが好ましい。特に、図2に示すように、反応管12の原料ガス入口14側の端部19と、該端部19から数えて1枚目の邪魔板13aとの間に、測定ポイントAを設けるのが好ましい。
なお、破線aで囲まれた×印(a−1〜a−6)は、測定ポイントAで切断して上から見たときの、各反応管12内の触媒層中に設置された測温器具の位置の一部を示している。また、破線bで囲まれた×印(b−1〜b−6)は、端部19から数えて2枚目の邪魔板13bと、1枚目の邪魔板13aとの間に設けられた測定ポイントBで切断して上から見たときの、各反応管12内の触媒層中に設置された測温器具の位置の一部を示している。
As described above, the present invention performs start-up under conditions that do not generate a low temperature region in the catalyst layer, but in order to grasp the temperature of the catalyst layer, a temperature measurement such as a thermocouple is provided in the catalyst layer in the
In addition, the x mark (a-1 to a-6) surrounded by the broken line a is a temperature measurement installed in the catalyst layer in each
測温器具の設置数は、多いほど反応器内部の状態を的確に把握できるが、その一方で設置コストやデータ処理等の煩雑性が増すため、熱媒体の流路方向が変化する場所や、触媒の反応特性上、発熱しやすい場所など、代表的なポイントを適宜選択し、その設置数を最低限にするのが好ましい。触媒の反応特性上、発熱しやすい場所は、例えばベンチ反応器のように反応管が1本の反応設備で酸化反応を行った際に触媒層の温度を計測して設定してもよいし、反応速度解析やシミュレーションを用いて計算で求めてもよい。
また、代表的なポイントを選択せずとも、現実的な分割数で反応器を仮想的に均一に分割し、各分割された領域に一様に測温器具を設置しても構わない。
The more the number of temperature measuring instruments installed, the more accurately the internal state of the reactor can be grasped, but on the other hand, the complexity of installation costs and data processing increases, so the location where the flow direction of the heat medium changes, In view of the reaction characteristics of the catalyst, it is preferable to appropriately select representative points such as a place where heat is likely to be generated, and to minimize the number of installed points. Due to the reaction characteristics of the catalyst, the place where heat is likely to be generated may be set by measuring the temperature of the catalyst layer when an oxidation reaction is performed with one reaction equipment such as a bench reactor, You may obtain | require by calculation using reaction rate analysis or simulation.
Further, without selecting a representative point, the reactor may be virtually divided into a practical number of divisions, and temperature measuring instruments may be uniformly installed in the divided areas.
測温器具は直接触媒層の中に設置してもよいし、反応管12に保護管を挿入し、該保護管内に測温器具を設置してもよい。なお、保護管内には、触媒が充填されないものとする。
また、測温器具は、必要に応じて移動可能とし、一つの測温器具で多数の場所の温度を測定してもよい。
The temperature measuring instrument may be installed directly in the catalyst layer, or a protective tube may be inserted into the
In addition, the temperature measuring device may be movable as necessary, and the temperature of many places may be measured with one temperature measuring device.
本発明に用いる原料ガスは、反応原料と酸素を含む。また、水蒸気を含んでいてもよい。
反応原料としては、気相接触酸化反応に使用できる原料であれば特に制限されないが、本発明は、イソブチレン、プロピレンから(メタ)アクロレインを生成したり、(メタ)アクロレインから(メタ)アクリル酸を生成したりする反応など、酸化反応熱が著しく大きな酸化反応に好適である。従って、本発明は、反応原料として、イソブチレン、プロピレン、第三級ブチルアルコール、(メタ)アクロレインなどを用いる場合に特に適しており、中でも(メタ)アクロレインを用いる場合に好適である。
なお、本発明において「(メタ)アクロレイン」はメタクロレインとアクロレインの両方を示し、「(メタ)アクリル酸」はメタクリル酸とアクリル酸の両方を示す。
The source gas used in the present invention contains a reaction source and oxygen. Moreover, it may contain water vapor.
The reaction raw material is not particularly limited as long as it is a raw material that can be used in the gas phase catalytic oxidation reaction, but the present invention generates (meth) acrolein from isobutylene and propylene, or (meth) acrylic acid from (meth) acrolein. It is suitable for an oxidation reaction having a remarkably large heat of oxidation reaction such as a reaction to be generated. Therefore, the present invention is particularly suitable when isobutylene, propylene, tertiary butyl alcohol, (meth) acrolein or the like is used as a reaction raw material, and is particularly suitable when (meth) acrolein is used.
In the present invention, “(meth) acrolein” indicates both methacrolein and acrolein, and “(meth) acrylic acid” indicates both methacrylic acid and acrylic acid.
スタートアップ中に供給される原料ガスの濃度、原料ガスの流量、反応圧力、温度は特に限定されないが、それぞれ段階的に変化させることが好ましい。例えば、スタートアップに要する時間を計画し、単位時間あたりの変化分が一定となるように定めてもよいし、反応原料の供給量が多い範囲で次第に増加分を減少させてもよい。 The concentration of the raw material gas supplied during start-up, the flow rate of the raw material gas, the reaction pressure, and the temperature are not particularly limited, but are preferably changed stepwise. For example, the time required for start-up may be planned, and the change per unit time may be determined to be constant, or the increase may be gradually decreased within a range in which the amount of reaction raw material supplied is large.
一方、定常運転時に供給される原料ガスの濃度は、例えば反応原料として(メタ)アクロレインを含む場合、反応原料の濃度が3〜9容量%、酸素の濃度が5〜15容量%、水蒸気の濃度が5〜50容量%であることが好ましい。
また、原料ガスには、本反応に対して実質的に影響を与えない低級飽和アルデヒドやケトンなどの不純物を少量含んでいてもよいし、原料ガスを二酸化炭素等の不活性ガスを加えて希釈してもよい。
また、原料ガスの酸素源には空気を用いるのが経済的に有利である。
On the other hand, the concentration of the raw material gas supplied during steady operation includes, for example, (meth) acrolein as the reaction raw material, the concentration of the reaction raw material is 3 to 9% by volume, the concentration of oxygen is 5 to 15% by volume, and the concentration of water vapor Is preferably 5 to 50% by volume.
In addition, the source gas may contain a small amount of impurities such as lower saturated aldehydes and ketones that do not substantially affect this reaction, and the source gas is diluted by adding an inert gas such as carbon dioxide. May be.
In addition, it is economically advantageous to use air as the oxygen source of the source gas.
定常運転時に供給される原料ガスの流量は特に限定されないが、反応管1本あたり、および触媒1gあたりの空間速度が0.5〜2.0NL/hr/本/gとなるような流量が好ましい。
また、反応圧力は常圧から数気圧まで実施できる。
また、原料ガスの温度としては特に限定されないが、100〜300℃が好ましい。
また、反応原料の供給量としては特に制限されないが、本発明は、反応原料の供給量について、反応原料の供給量を反応管の本数で割った値、すなわち反応管1本あたりの反応原料の供給量が5mol/hr以上の場合において特に優れた効果を発揮できる。
The flow rate of the raw material gas supplied at the time of steady operation is not particularly limited, but a flow rate such that the space velocity per reaction tube and 1 g of catalyst is 0.5 to 2.0 NL / hr / line / g is preferable. .
The reaction pressure can be from normal pressure to several atmospheres.
Moreover, it does not specifically limit as temperature of source gas, However 100-300 degreeC is preferable.
In addition, the supply amount of the reaction raw material is not particularly limited, but the present invention is a value obtained by dividing the supply amount of the reaction raw material by the number of reaction tubes, that is, the reaction raw material supply amount per reaction tube. A particularly excellent effect can be exhibited when the supply amount is 5 mol / hr or more.
スタートアップ中や定常運転時に反応器に原料ガスを供給する方法は、反応原料の形態によって適宜選定すればよい。例えば、反応原料が液体の場合には、ケトル型リボイラーやストリッパーなどを用いて原料を揮発させて供給すればよい。また、反応原料が気体の場合には、圧力差を利用してそのまま反応器に供給してもよいし、圧縮機で押し込む操作を行って反応器に供給してもよい。さらには、反応器に原料ガスを供給する前に、原料ガスを予熱してもよい。ただし、外部の熱交換器などを用いて原料ガスを予熱する場合は、熱交換器のコストや圧力損失の増大などの問題が生じるため、適度に実施するのがよい。 The method of supplying the raw material gas to the reactor during start-up or during steady operation may be selected as appropriate depending on the form of the reaction raw material. For example, when the reaction raw material is a liquid, the raw material may be volatilized and supplied using a kettle-type reboiler or a stripper. Further, when the reaction raw material is a gas, it may be supplied to the reactor as it is using a pressure difference, or may be supplied to the reactor by performing an operation of pushing with a compressor. Furthermore, the raw material gas may be preheated before the raw material gas is supplied to the reactor. However, when the raw material gas is preheated using an external heat exchanger or the like, problems such as an increase in the cost of the heat exchanger and an increase in pressure loss occur.
反応器の空間内に導入する熱媒体としては、例えば、硝酸カリウム、亜硝酸ナトリウム等の塩溶融物が挙げられるが特に限定されず、設定温度、圧力環境に応じて適したものを選定すればよい。 Examples of the heat medium introduced into the space of the reactor include salt melts such as potassium nitrate and sodium nitrite, but are not particularly limited, and a suitable one may be selected according to the set temperature and pressure environment. .
熱媒体の循環設備としては、熱媒体を貯蔵する熱媒体タンクを備え、ポンプを経由して反応器の空間内を循環させてもよいし、複数台のポンプを備えて循環流量を制御してもよい。さらには、図1に示すように、反応器10にポンプ18を直結して熱媒体タンクを省略してもよい。熱媒体の循環設備は、1系列でもよいし、2系列以上を設けてもよい。
As the heat medium circulation facility, a heat medium tank for storing the heat medium may be provided and circulated in the reactor space via a pump, or a plurality of pumps may be provided to control the circulation flow rate. Also good. Furthermore, as shown in FIG. 1, the
熱媒体の導入方法としては、反応器の円周から均一に導入する方法を用いてもよいし、複数個のノズルから導入する方法を用いてもよいし、単一のノズルから導入する方法を用いてもよい。
ノズルを用いる場合は、反応器への導入口(熱媒体入口)に角度を持たせ、できるだけ均一に導入することが好ましい。
As a method for introducing the heat medium, a method of uniformly introducing from the circumference of the reactor, a method of introducing from a plurality of nozzles, or a method of introducing from a single nozzle may be used. It may be used.
When a nozzle is used, it is preferable that the inlet (heat medium inlet) to the reactor has an angle and is introduced as uniformly as possible.
なお、原料ガスの流通方向と熱媒体の流通方向としては、併流型、向流型、直交流型など適宜選択することができる。ただし、一般的には原料ガスが供給される側の反応速度は大きく、かつ反応生成ガスが排出される側の反応速度は途中の反応履歴の影響を受けやすいことから、反応制御の観点より併流型とすることが好ましい。 The flow direction of the source gas and the flow direction of the heat medium can be appropriately selected from a co-flow type, a counter flow type, a cross flow type, and the like. However, in general, the reaction rate on the side to which the raw material gas is supplied is large, and the reaction rate on the side on which the reaction product gas is discharged is easily influenced by the reaction history in the middle. It is preferable to use a mold.
本発明に用いる触媒としては、例えば反応原料としてイソブチレンを用い、メタクロレインを生成する酸化反応や、反応原料としてプロピレンを用い、アクロレインを生成する酸化反応などには、下記の式(I)で表される組成を有する固体触媒が好適であるが、目的とする反応に適したものであれば特に制限されない。
MoaBibFecMdX1 eY1 fZ1 gSihOi ・・・(I)
As the catalyst used in the present invention, for example, an oxidation reaction using isobutylene as a reaction raw material to generate methacrolein, an oxidation reaction using propylene as a reaction raw material to generate acrolein, and the like are represented by the following formula (I). A solid catalyst having a composition as described above is suitable, but is not particularly limited as long as it is suitable for the intended reaction.
Mo a Bi b Fe c M d X 1 e Y 1 f Z 1 g Si h O i ··· (I)
式(I)において、Mo、Bi、Fe、SiおよびOはそれぞれモリブデン、ビスマス、鉄、ケイ素および酸素を示し、Mはコバルトおよびニッケルからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示し、X1はクロム、鉛、マンガン、カルシウム、マグネシウム、ニオブ、銀、バリウム、スズ、タンタルおよび亜鉛からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示し、Y1はリン、ホウ素、硫黄、セレン、テルル、セリウム、タングステン、アンチモンおよびチタンからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示し、Z1はリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムおよびタリウムなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
a、b、c、d、e、f、g、hおよびiは各元素の原子比を表し、a=12のときb=0.01〜3、c=0.01〜5、d=1〜12、e=0〜8、f=0〜5、g=0.001〜2、h=0〜20であり、iは前記各成分の原子価を満足するのに必要な酸素原子比である。
In formula (I), Mo, Bi, Fe, Si and O each represent molybdenum, bismuth, iron, silicon and oxygen, M represents at least one element selected from the group consisting of cobalt and nickel, and X 1 Represents at least one element selected from the group consisting of chromium, lead, manganese, calcium, magnesium, niobium, silver, barium, tin, tantalum and zinc, and Y 1 represents phosphorus, boron, sulfur, selenium, tellurium, cerium. And at least one element selected from the group consisting of tungsten, antimony and titanium, and Z 1 represents at least one element selected from the group consisting of lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium and thallium.
a, b, c, d, e, f, g, h, and i represent the atomic ratio of each element. When a = 12, b = 0.01-3, c = 0.01-5, d = 1 -12, e = 0 to 8, f = 0 to 5, g = 0.001 to 2, h = 0 to 20, and i is an oxygen atomic ratio necessary to satisfy the valence of each component. is there.
また、反応原料として(メタ)アクロレインを用い、(メタ)アクリル酸を生成する酸化反応には、下記の式(II)で表される組成を有する固体触媒が好適であるが、目的とする反応に適したものであれば特に限定されない。
MojPkVlCumX2 nY2 oZ2 pOq ・・・(II)
In addition, a solid catalyst having a composition represented by the following formula (II) is suitable for an oxidation reaction that uses (meth) acrolein as a reaction raw material and generates (meth) acrylic acid. If it is suitable for, it will not be specifically limited.
Mo j P k V l Cu m X 2 n Y 2 o Z 2 p O q ··· (II)
式(II)において、Mo、P、V、CuおよびOはそれぞれモリブデン、リン、バナジウム、銅および酸素を示し、X2はアンチモン、ビスマス、ヒ素、ゲルマニウム、ジルコニウム、テルル、セレン、ケイ素、タングステン、ホウ素および銀からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示し、Y2は鉄、亜鉛、クロム、マグネシウム、タンタル、マンガン、コバルト、バリウム、ガリウム、セリウムおよびランタンからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示し、Z2はカリウム、ルビジウム、セシウムおよびタリウムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
j、k、l、m、n、o、pおよびqは各元素の原子比を表し、j=12のときk=0.5〜3、l=0.01〜3、m=0〜2、n=0〜3、o=0〜3、p=0.01〜3であり、qは前記各成分の原子価を満足するのに必要な酸素原子比である。
In the formula (II), Mo, P, V, Cu and O represent molybdenum, phosphorus, vanadium, copper and oxygen, respectively, and X 2 represents antimony, bismuth, arsenic, germanium, zirconium, tellurium, selenium, silicon, tungsten, Represents at least one element selected from the group consisting of boron and silver, and Y 2 represents at least one element selected from the group consisting of iron, zinc, chromium, magnesium, tantalum, manganese, cobalt, barium, gallium, cerium and lanthanum Z 2 represents at least one element selected from the group consisting of potassium, rubidium, cesium and thallium.
j, k, l, m, n, o, p, and q represent the atomic ratio of each element. When j = 12, k = 0.5 to 3, l = 0.01 to 3, m = 0 to 2 , N = 0-3, o = 0-3, p = 0.01-3, and q is the oxygen atomic ratio necessary to satisfy the valence of each component.
触媒の形状や大きさ等については特に制限はなく、球状、円柱状、リング状、星形状等、通常の打錠成型機、押出成形機、造粒機等で成形されたものを用いることができる。また、上述したような形状を有する担体に、触媒活性物質を担持した担持触媒を用いてもよい。
2つ以上の触媒群を用いる場合、各触媒群に含まれる触媒の形状は、触媒群ごとに異なっていてもよいが、触媒の製造が簡易になることから、同一形状であることが好ましい。
There are no particular restrictions on the shape and size of the catalyst, and it is possible to use a spherical, cylindrical, ring-shaped, star-shaped, or the like molded with a normal tableting machine, extrusion machine, granulator or the like. it can. Further, a supported catalyst in which a catalytically active substance is supported on a support having the above-described shape may be used.
When two or more catalyst groups are used, the shape of the catalyst included in each catalyst group may be different for each catalyst group, but the same shape is preferable because the manufacture of the catalyst is simplified.
また、反応管に触媒を充填し、触媒層を形成する際には、触媒をシリカ、アルミナ、シリカ−アルミナ、シリコンカーバイト、チタニア、マグネシア、セラミックボール、ステンレス鋼等の不活性担体で希釈して用いることもできる。 When the catalyst is filled into the reaction tube and the catalyst layer is formed, the catalyst is diluted with an inert carrier such as silica, alumina, silica-alumina, silicon carbide, titania, magnesia, ceramic balls, and stainless steel. Can also be used.
さらに、反応管の原料ガス入口側の端部と触媒層との間に、触媒のサポートや原料ガスの予熱などを目的とした不活性物質層を設けてもよい。
不活性物質層は不活性物質のみからなる。不活性物質とは、シリカ、アルミナ、シリカ−アルミナ、シリコンカーバイト、チタニア、マグネシア、セラミックボール、ステンレス鋼等、目的とする酸化反応に寄与しない物質であれば何を用いてもよい。特に、触媒層の平均的な活性を調整するために不活性担体で触媒濃度の希釈操作を行っている場合には、不活性担体と同一の不活性物質を用いると、反応終了後の抜き取り、篩別操作が簡便となり好都合である。
Further, an inert material layer may be provided between the end of the reaction tube on the source gas inlet side and the catalyst layer for the purpose of supporting the catalyst, preheating the source gas, and the like.
The inert material layer is made of only an inert material. The inert substance may be any substance that does not contribute to the target oxidation reaction, such as silica, alumina, silica-alumina, silicon carbide, titania, magnesia, ceramic balls, and stainless steel. In particular, in the case where the catalyst concentration is diluted with an inert carrier in order to adjust the average activity of the catalyst layer, if the same inert substance as the inert carrier is used, extraction after the completion of the reaction, The sieving operation is convenient and convenient.
以上説明したように、本発明のスタートアップ方法によれば、反応原料の供給量が定常運転時における反応原料の供給量の30%に達してから80%に達するまでに要する時間を5時間以上、20時間未満に規定し、かつ、スタートアップを行う間に反応器の空間内に導入される熱媒体の温度と、定常運転時に空間内に導入される熱媒体の温度が、上記式(1)を満たすように規定することで、反応器内において触媒層中に温度の低い領域が発生するのを抑制できる。その結果、熱媒体の温度分布を最小限に抑制し、ホットスポットの発生を抑え、短時間でスタートアップできる。 As described above, according to the start-up method of the present invention, the time required for the reaction raw material supply amount to reach 80% after reaching 30% of the reaction raw material supply amount in steady operation is 5 hours or more, The temperature of the heat medium that is specified to be less than 20 hours and that is introduced into the space of the reactor during start-up and the temperature of the heat medium that is introduced into the space during steady operation is expressed by the above equation (1). By defining so as to satisfy, it is possible to suppress the generation of a low temperature region in the catalyst layer in the reactor. As a result, the temperature distribution of the heat medium can be suppressed to a minimum, the occurrence of hot spots can be suppressed, and startup can be performed in a short time.
また、本発明は、イソブチレン、プロピレンから(メタ)アクロレインを生成したり、(メタ)アクロレインから(メタ)アクリル酸を生成したりする反応など、酸化反応熱が著しく大きな酸化反応に適している。特に(メタ)アクロレインから(メタ)アクリル酸を生成する酸化反応に好適である。 Further, the present invention is suitable for an oxidation reaction having a remarkably large heat of oxidation reaction, such as a reaction of generating (meth) acrolein from isobutylene or propylene, or generating (meth) acrylic acid from (meth) acrolein. It is particularly suitable for an oxidation reaction for producing (meth) acrylic acid from (meth) acrolein.
以下、本発明について実施例を挙げて具体的に説明する。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例および比較例中の「Thmin」、「Thmax」、「Ts」、「tL」、「ΔT」、「ΔT最大値」、および「ΔT分布」は、以下のように定義される。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples. However, the present invention is not limited to these.
“T hmin ”, “T hmax ”, “T s ”, “t L ”, “ΔT”, “ΔT maximum value”, and “ΔT distribution” in Examples and Comparative Examples are defined as follows. The
「Thmin」とは、スタートアップを行う間に反応器の空間内に導入される熱媒体の最低温度のことであり、「Thmax」とは、スタートアップを行う間に反応器の空間内に導入される熱媒体の最高温度のことである。
「Ts」とは、定常運転時に反応器の空間内に導入される熱媒体の温度のことである。
「tL」とは、反応原料の供給量が定常運転時における反応原料の供給量の30%に達してから80%に達するまでに要する時間のことである。
The "T hmin" refers to a minimum temperature of the heat medium introduced into the reactor space while performing the startup, the "T hmax", introduced into the reactor space while performing startup Is the maximum temperature of the heat medium to be used.
“T s ” is the temperature of the heat medium introduced into the reactor space during steady operation.
“T L ” is the time required for the reaction raw material supply amount to reach 80% after reaching 30% of the reaction raw material supply amount in steady operation.
触媒層の温度は、反応管の管軸方向に対して垂直な断面の中心に設置した保護管に挿入した熱電対により測定する。なお、保護管は反応系と隔離されており、温度を測定する位置は挿入する熱電対の長さを調節して変えることができる。「ΔT」とは、このとき測定した触媒層の温度と熱媒浴の温度との差(ΔT=触媒層の温度−熱媒浴の温度)である。
なお、「熱媒浴の温度」とは、反応器の空間内の熱媒体の温度である。反応器の空間内の熱媒体は、反応器の形態、反応条件、熱媒の流動状態によって温度に若干の不均一分布が生じる場合がある。この不均一分布の度合いが小さい場合は、反応器の空間内の熱媒体の平均温度を「熱媒浴の温度」として採用してよい。ただし、不均一分布の度合いが大きい場合は、触媒層の位置に応じて触媒層近傍の熱媒体の温度を測定し、これを「熱媒浴の温度」として、ΔTを求める。
The temperature of the catalyst layer is measured by a thermocouple inserted in a protective tube installed at the center of the cross section perpendicular to the tube axis direction of the reaction tube. The protective tube is isolated from the reaction system, and the temperature measurement position can be changed by adjusting the length of the thermocouple to be inserted. “ΔT” is the difference between the temperature of the catalyst layer and the temperature of the heat medium bath measured at this time (ΔT = temperature of the catalyst layer−temperature of the heat medium bath).
The “temperature of the heat medium bath” is the temperature of the heat medium in the space of the reactor. The heat medium in the space of the reactor may have a slightly uneven distribution in temperature depending on the form of the reactor, reaction conditions, and the flow state of the heat medium. When the degree of this non-uniform distribution is small, the average temperature of the heat medium in the space of the reactor may be adopted as the “heat medium bath temperature”. However, when the degree of non-uniform distribution is large, the temperature of the heat medium in the vicinity of the catalyst layer is measured according to the position of the catalyst layer, and this is used as “temperature of the heat medium bath” to obtain ΔT.
「ΔT最大値」とは、測定された触媒層の温度のうち、最大となる温度から反応器に導入される熱媒体の温度を差し引いた値である。
「ΔT分布」とは、原料ガスの流入方向からの距離が等しい位置にある複数の触媒層の温度のうち、最大値から最小値を差し引いた値である。なお、ΔT分布の値が大きいほど、反応器内の熱媒体の温度分布が大きくなり、低温領域と高温領域の形成が進行していると判断できる。
The “ΔT maximum value” is a value obtained by subtracting the temperature of the heat medium introduced into the reactor from the maximum temperature among the measured temperature of the catalyst layer.
The “ΔT distribution” is a value obtained by subtracting the minimum value from the maximum value among the temperatures of the plurality of catalyst layers at the same distance from the inflow direction of the raw material gas. In addition, it can be judged that the larger the value of the ΔT distribution, the larger the temperature distribution of the heat medium in the reactor, and the formation of the low temperature region and the high temperature region proceeds.
[実施例1]
気相接触酸化反応には、図1に示す反応器10を用いた。
触媒としては、上記式(II)で示される組成であり、直径5mm×高さ5mmの円柱形状である、メタクロレインの気相接触酸化によるメタクリル酸合成用触媒を用いた。なお、触媒の酸素以外の原子比は以下の通りである。
Mo12P1.5V0.5Cu0.3Te0.1Fe0.4Cs1.0
[Example 1]
The
As the catalyst, a catalyst for synthesizing methacrylic acid by gas phase catalytic oxidation of methacrolein having a composition represented by the above formula (II) and having a cylindrical shape with a diameter of 5 mm and a height of 5 mm was used. In addition, atomic ratios other than oxygen of the catalyst are as follows.
Mo 12 P 1.5 V 0.5 Cu 0.3 Te 0.1 Fe 0.4 Cs 1.0
上記触媒を、内径25.4mm、長さ6mの反応管12を20000本備えるセグメンタル型邪魔板13を5枚有する反応器10に、反応管1本あたり3500gずつ充填し、触媒層を形成した。なお、反応管の空洞部(原料ガス入口側の端部と触媒層との間)に、直径6mmのアルミナ球を充填した。
また、反応管12の触媒層中に熱電対を挿入し、触媒層の温度を測定した。測定ポイントは、図2に示すように各邪魔板から100mm下方に離れた位置(測定ポイントA、B)に設定した。
3500 g of each catalyst tube was charged into the
Further, a thermocouple was inserted into the catalyst layer of the
反応器10の空間11a内には、硝酸カリウム50質量%と、亜硝酸ナトリウム50質量%からなる塩溶融物を熱媒体として導入し、空間11a内を循環させた。
反応原料としては、メタクロレインを用いた。反応原料の供給量が、定常運転時における反応原料の供給量の30%と80%と100%(すなわち、定常運転時)に達したときの、反応管1本あたりの原料ガスの流量、原料ガス中の反応原料(メタクロレイン)および酸素の濃度を表1に示す。
In the
As a reaction raw material, methacrolein was used. The flow rate of the raw material gas per reaction tube and the raw material when the supply amount of the reaction raw material reaches 30%, 80% and 100% of the supply amount of the reaction raw material during steady operation (that is, during steady operation) Table 1 shows the concentration of the reaction raw material (methacrolein) and oxygen in the gas.
そして、表2に示す条件(「Thmin」、「Thmax」、「Ts」、および「tL」)にて、メタクロレインの気相接触酸化反応のスタートアップを以下のように行った。
スタートアップ中はΔT最大値が高温になると触媒が暴走反応を起こすことがあるため、ΔT最大値が50℃を超えた場合は反応原料の供給量を上昇させず、ΔT最大値が50℃以下に下がったのを確認した後、反応原料の供給量を上昇させることとした。また、ΔT最大値の管理上限値を60℃とし、上限値を超える場合は直ちに反応原料の供給を止め、反応を停止することとした。
反応原料の供給量は、0%から定常運転時における供給量まで10%ずつ段階的に上昇させた。また、反応原料の供給量はΔT最大値が一定になった後、上昇させた。ここで「ΔT最大値が一定になる」とは、ΔT最大値の温度変化が、30分以上にわたり±1.0℃の範囲の状態を意味する。
なお、反応原料の供給量が定常運転時の供給量に達し、ΔT最大値が一定になった後を定常運転とした。
Under the conditions shown in Table 2 (“T hmin ”, “T hmax ”, “T s ”, and “t L ”), start-up of the gas phase catalytic oxidation reaction of methacrolein was performed as follows.
During startup, if the ΔT maximum value becomes high, the catalyst may cause a runaway reaction. If the ΔT maximum value exceeds 50 ° C, the supply amount of the reaction raw material is not increased, and the ΔT maximum value is reduced to 50 ° C or less. After confirming the decrease, the supply amount of the reaction raw material was increased. Further, the control upper limit value of the ΔT maximum value was set to 60 ° C., and when the upper limit value was exceeded, the supply of the reaction raw material was immediately stopped and the reaction was stopped.
The supply amount of the reaction raw material was increased stepwise by 10% from 0% to the supply amount in steady operation. The supply amount of the reaction raw material was increased after the ΔT maximum value became constant. Here, “the ΔT maximum value becomes constant” means a state in which the temperature change of the ΔT maximum value is within a range of ± 1.0 ° C. over 30 minutes.
The steady operation was performed after the supply amount of the reaction raw material reached the supply amount in the steady operation and the ΔT maximum value became constant.
反応原料の供給量が定常運転時における供給量の80%に達した時点でのΔT最大値およびΔT分布を求めた。結果を表2に示す。また、原料ガスの供給開始から定常運転に移行するまでに要した時間(スタートアップ時間)は、60時間であった。 A ΔT maximum value and a ΔT distribution were obtained when the supply amount of the reaction raw material reached 80% of the supply amount in the steady operation. The results are shown in Table 2. Moreover, the time (start-up time) required from the start of supply of the raw material gas to the transition to steady operation was 60 hours.
[実施例2、3]
表2に示す条件(「Thmin」、「Thmax」、「Ts」、および「tL」)に変更した以外は、実施例1と同様にしてメタクロレインの気相接触酸化反応のスタートアップを行った。
反応原料の供給量が定常運転時における供給量の80%に達した時点でのΔT最大値およびΔT分布と、原料ガスの供給開始から定常運転に移行するまでに要した時間(スタートアップ時間)を表2に示す。
[Examples 2 and 3]
Start-up of gas phase catalytic oxidation reaction of methacrolein in the same manner as in Example 1 except that the conditions shown in Table 2 (“T hmin ”, “T hmax ”, “T s ”, and “t L ”) were changed. Went.
ΔT maximum value and ΔT distribution at the time when the supply amount of the reaction raw material reaches 80% of the supply amount in the steady operation, and the time (startup time) required from the start of the supply of the raw material gas to the transition to the steady operation It shows in Table 2.
[比較例1〜4]
表2に示す条件(「Thmin」、「Thmax」、「Ts」、および「tL」)に変更した以外は、実施例1と同様にしてメタクロレインの気相接触酸化反応のスタートアップを行った。
反応原料の供給量が定常運転時における供給量の80%に達した時点でのΔT最大値およびΔT分布と、原料ガスの供給開始から定常運転に移行するまでに要した時間(スタートアップ時間)を表2に示す。
[Comparative Examples 1-4]
Start-up of gas phase catalytic oxidation reaction of methacrolein in the same manner as in Example 1 except that the conditions shown in Table 2 (“T hmin ”, “T hmax ”, “T s ”, and “t L ”) were changed. Went.
ΔT maximum value and ΔT distribution at the time when the supply amount of the reaction raw material reaches 80% of the supply amount in the steady operation, and the time (startup time) required from the start of the supply of the raw material gas to the transition to the steady operation It shows in Table 2.
表2から明らかなように、実施例1の場合、ΔT最大値が21.2℃、ΔT分布が8.2℃であった。そして、定常運転まで問題が起きることなく、原料ガスの供給開始から60時間で定常運転に移行した。
実施例2の場合、ΔT最大値が20.9℃、ΔT分布が8.2℃であった。そして、定常運転まで問題が起きることなく、原料ガスの供給開始から62時間で定常運転に移行した。
実施例3の場合、ΔT最大値が24.8℃、ΔT分布が10.9℃であった。そして、定常運転まで問題が起きることなく、原料ガスの供給開始から45時間で定常運転に移行した。
このように、各実施例では反応器内の熱媒体の温度分布を最小限に抑制でき、ホットスポットの発生を抑えることができた。そして、定常運転まで問題が起きることなく、短時間でスタートアップを行うことができた。
As is clear from Table 2, in the case of Example 1, the ΔT maximum value was 21.2 ° C., and the ΔT distribution was 8.2 ° C. And it shifted to the steady operation in 60 hours from the start of the supply of the raw material gas without causing any problems until the steady operation.
In Example 2, the ΔT maximum value was 20.9 ° C., and the ΔT distribution was 8.2 ° C. And it shifted to steady operation in 62 hours from the start of supply of the raw material gas without causing any problems until steady operation.
In the case of Example 3, the ΔT maximum value was 24.8 ° C., and the ΔT distribution was 10.9 ° C. And it shifted to steady operation in 45 hours from the start of supply of raw material gas, without causing a problem until steady operation.
Thus, in each Example, the temperature distribution of the heat medium in the reactor could be suppressed to the minimum, and the generation of hot spots could be suppressed. And it was possible to start up in a short time without any problems until steady operation.
一方、比較例1の場合、ΔT最大値が33.6℃、ΔT分布が7.0℃であり、ΔT最大値が低下するまで反応原料の供給量の上昇(以下、「ロードアップ」という。)を中断した。その結果、原料ガスの供給開始から定常運転に移行するまでに140時間も要した。
比較例2の場合、ΔT最大値が34.7℃、ΔT分布が14.0℃であり、ΔT最大値が低下するまでロードアップを中断した。その結果、原料ガスの供給開始から定常運転に移行するまでに200時間も要した。
比較例3の場合、ΔT最大値が25.6℃、ΔT分布が15.4℃であった。比較例3では、反応原料の供給量が定常運転時における供給量の80%に達した後、定常運転に移行するまでの間、反応量を維持するために熱媒体の温度を上げざるをえなかった。その結果、ホットスポットが発生し、ΔT最大値が低下するまでロードアップを中断した。そのため、原料ガスの供給開始から定常運転に移行するまでに172時間も要した。
比較例4の場合、ΔT最大値が20.0℃、ΔT分布が11.5℃であった。比較例4では、反応原料の供給量が定常運転時における供給量の80%に達した後、定常運転に移行するまでの間は問題が起きることなく、原料ガスの供給開始から56時間で定常運転に移行した。しかしながら、定常運転に移行した直後にホットスポットが発生し、直ちに原料ガスの供給量を下げざるをえなかった。再びロードアップを行い定常運転に移行するまでに200時間を要した。すなわち、比較例4の場合、スタートアップ時間の合計は256時間であった。
On the other hand, in the case of Comparative Example 1, the ΔT maximum value is 33.6 ° C., the ΔT distribution is 7.0 ° C., and the supply amount of the reaction raw material is increased until the ΔT maximum value decreases (hereinafter referred to as “load-up”). ) Was interrupted. As a result, it took 140 hours from the start of the supply of the raw material gas to the transition to the steady operation.
In the case of Comparative Example 2, the ΔT maximum value was 34.7 ° C., the ΔT distribution was 14.0 ° C., and the load-up was interrupted until the ΔT maximum value decreased. As a result, it took 200 hours from the start of supply of the raw material gas to the transition to steady operation.
In the case of Comparative Example 3, the ΔT maximum value was 25.6 ° C., and the ΔT distribution was 15.4 ° C. In Comparative Example 3, after the supply amount of the reaction raw material reaches 80% of the supply amount in the steady operation, the temperature of the heat medium must be increased to maintain the reaction amount until the transition to the steady operation. There wasn't. As a result, a hot spot was generated, and the load up was interrupted until the ΔT maximum value decreased. Therefore, it took 172 hours from the start of the supply of the raw material gas to the transition to the steady operation.
In the case of Comparative Example 4, the ΔT maximum value was 20.0 ° C., and the ΔT distribution was 11.5 ° C. In Comparative Example 4, after the supply amount of the reaction raw material reaches 80% of the supply amount in the steady operation, there is no problem until the transition to the steady operation, and the steady state is reached in 56 hours from the start of the supply of the raw material gas. Moved to driving. However, a hot spot was generated immediately after the transition to steady operation, and the supply amount of the raw material gas had to be reduced immediately. It took 200 hours to load up again and shift to steady operation. That is, in the case of Comparative Example 4, the total startup time was 256 hours.
10:多管式熱交換器型反応器、11:胴、11a:空間、12:反応管、13:邪魔板、14:原料ガス入口、15:反応生成ガス出口、16:熱媒体入口、17:熱媒体出口、18:ポンプ。 10: multi-tube heat exchanger type reactor, 11: barrel, 11a: space, 12: reaction tube, 13: baffle plate, 14: raw material gas inlet, 15: reaction product gas outlet, 16: heat medium inlet, 17 : Heat medium outlet, 18: Pump.
Claims (3)
前記反応管の触媒層の温度と前記空間内の熱媒体の温度との差(ΔT)の最大値が50℃を超えないように反応原料の供給量を上昇させ、
前記反応原料の供給量が、定常運転時における反応原料の供給量の30%に達してから80%に達するまでに要する時間が5時間以上、20時間未満であり、
かつ、原料ガスの供給開始から定常運転に移行する間に前記空間内に導入される熱媒体の温度(Th)と、定常運転時に前記空間内に導入される熱媒体の温度(Ts)が、下記式(1)を満たすことを特徴とするスタートアップ方法。
−5<(Th−Ts)<2 ・・・(1) In the cylinder of the multitubular heat exchanger type reactor, there are 10,000 to 35,000 reaction tubes filled with a catalyst inside, a space formed between the reaction tubes and through which the heat medium flows, and in the space Using a multi-tube heat exchanger type reactor equipped with 1 to 5 baffle plates that change the flow direction of the heat medium, while introducing the heat medium into the space, In a startup method when supplying a raw material gas containing (meth) acrolein and obtaining (meth) acrylic acid as a reaction product gas by a gas phase catalytic oxidation reaction,
Increasing the supply amount of the reaction raw material so that the maximum value of the difference (ΔT) between the temperature of the catalyst layer of the reaction tube and the temperature of the heat medium in the space does not exceed 50 ° C.,
The time required for the supply amount of the reaction raw material to reach 80% after reaching 30% of the supply amount of the reaction raw material in steady operation is 5 hours or more and less than 20 hours,
In addition, the temperature (T h ) of the heat medium introduced into the space during the transition from the start of supply of the raw material gas to the steady operation, and the temperature (T s ) of the heat medium introduced into the space during the steady operation. Satisfies the following formula (1).
−5 <(T h −T s ) <2 (1)
MojPkVlCumX2 nY2 oZ2 pOq ・・・(II)
(式(II)において、Mo、P、V、CuおよびOはそれぞれモリブデン、リン、バナジウム、銅および酸素を示し、X2はアンチモン、ビスマス、ヒ素、ゲルマニウム、ジルコニウム、テルル、セレン、ケイ素、タングステン、ホウ素および銀からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示し、Y2は鉄、亜鉛、クロム、マグネシウム、タンタル、マンガン、コバルト、バリウム、ガリウム、セリウムおよびランタンからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示し、Z2はカリウム、ルビジウム、セシウムおよびタリウムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。j、k、l、m、n、o、pおよびqは各元素の原子比を表し、j=12のときk=0.5〜3、l=0.01〜3、m=0〜2、n=0〜3、o=0〜3、p=0.01〜3であり、qは前記各成分の原子価を満足するのに必要な酸素原子比である。) The start-up method according to claim 1, wherein the catalyst is a catalyst having a composition represented by the following formula (II).
Mo j P k V l Cu m X 2 n Y 2 o Z 2 p O q ··· (II)
(In the formula (II), Mo, P, V, Cu and O represent molybdenum, phosphorus, vanadium, copper and oxygen, respectively, and X 2 represents antimony, bismuth, arsenic, germanium, zirconium, tellurium, selenium, silicon and tungsten. Represents at least one element selected from the group consisting of boron and silver, and Y 2 is at least one selected from the group consisting of iron, zinc, chromium, magnesium, tantalum, manganese, cobalt, barium, gallium, cerium and lanthanum Z 2 represents at least one element selected from the group consisting of potassium, rubidium, cesium and thallium, j, k, l, m, n, o, p and q are atoms of each element Represents the ratio, and when j = 12, k = 0.5-3, l = 0.01-3, m = 0-2, n = 0-3, o = To 3, a p = 0.01 to 3, q is an oxygen atom ratio required for satisfying the valency of each component.)
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