JP5946899B2 - モノリス反応器 - Google Patents

Description

本発明は、管状反応器で使用するための触媒キャリアに関する。より具体的には、発熱または吸熱反応が実施される管状反応器で使用するための触媒キャリアに関する。さらにより具体的には、複数の触媒キャリアを含む発熱または吸熱反応を実施するための反応器で使用するための触媒キャリアに関する。

管状反応器は管を備え、この管は、通常円筒形であり、通常触媒粒子がランダムに充填される。熱伝達手段は、これらの管の外側に配置される。稼働中、気体、液体、または気体と液体の両方が、管を通って触媒粒子上を流れ、所望の反応が起こる。

多くの反応において、反応の熱作用は中程度である。そのような状況では、管全体に多量の触媒が存在するように、直径の大きな管を使用することができる。しかしながら、より発熱性または吸熱性の高い反応においては、反応器内の状態を制御するために、管壁を介した効率的な熱伝達が存在する必要がある。このことは、管を横切って存在する触媒粒子数、従って管の断面積を低減する必要があることを意味する。

中程度から高度の発熱反応が起きる管状反応器では、多くの場合、熱伝達が制限される。このデメリットの１つは、生産性が向上すると発生する熱量が増大し、安定した操作温度を維持し熱暴走を回避する速度でその熱を除去する必要があるため、より活性の高い触媒の利益を享受することが難しいことである。反応が中程度から高度の発熱反応である場合、加熱の増大により問題が生じる可能性があり、システムによっては管壁の損傷が起こる可能性がある。

既知の反応器には多くの欠点があり、理想的とはいい難い。これらの反応器に認められる問題の１つは、反応熱を効率的に除去するために、管の中心線を、発熱反応における熱暴走または吸熱反応における急冷を回避するのに十分な低温に確実に維持できるよう、管の直径を比較的小さくする必要があることである。管は比較的小さく、一般に内径１５から４０ｍｍ程度である必要があるため、これにより、ある特定の触媒量を含有するために必要な、反応器内に備えられる管の数、従って重量が著しく増大し、そのため妥当な出荷寸法および重量を有する単一の反応器の生産性が制限される。

第２の問題は、適切な管長に対して過度の圧力降下を起こさないように、触媒粒子は一定の大きさ、形状および強度を有する必要があり、このために、一般的により大きな触媒粒子を使用することになることである。物質移動または熱伝達、またはその両方が制限される反応の場合、このこと自体が問題となる可能性がある。これらの問題の一部は、活性部位が確実に触媒粒子の表面近傍のみに存在するようにすることで軽減できるが、その結果、達成することができる生産性が制限されることがある。なぜなら、妥当な総生産性を得るためには使用可能な活性部位を酷使する必要があり、その結果触媒寿命が低下することがあるためである。

従って、２０メートル程度の長い管および許容できる圧力降下を維持しながら、高い生産性で稼動し、そのため出熱が高い、粉末触媒または高表面積化した構造体触媒または発泡体触媒を有する、より大きな断面積の管を使用する手段の提供が望まれていた。

この問題に対して英国特許出願公開第０９１８４２６．０号において、反応管内に置かれるように構成された触媒キャリアデバイスによる解決策が提供され、ここでは、許容される圧力降下において、より多量のより小さな触媒粒子を有するより大きな管を使用することができ、かつ、発熱反応または吸熱反応であっても高い生産性で反応器を稼働することができるように、使用時に管壁における熱伝達が最適化される。

記載された構成により、管状反応器の管内に挿入するための触媒キャリアが提供され、この触媒キャリアは、
管を画定する有孔内壁、有孔外壁、環状容器を閉鎖する上面および環状容器を閉鎖する底面を有する、使用時に触媒を保持するための環状容器；
環状容器の内壁によって形成される前記管の底部を閉鎖する面；
環状容器の底面または底面近傍の位置からシールの位置より下方の位置まで、環状容器の有孔外壁から上方に延在するスカート；および
上面または上面近傍に配置され、スカートの外面を超える長さで容器から延在するシール
を備える。

この解決策は、先行技術の構成と比較して非常に多くの利点を有するが、その用途は一般に、粒子状触媒が使用されるプロセスに向けられたものである。しかしながら、フィッシャー・トロプシュ水蒸気改質（ｓｔｅａｍ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）および水素化のような一部の反応では、モノリス触媒が使用される場合がある。これらのモノリス触媒は、状況によっては粒子状触媒を上回る利点を有することがあるが、これらのモノリスには、モノリス本体の中心への、または中心からの熱伝達に関する問題が依然としてある。金属モノリスの熱伝達は、セラミックモノリスと比較すると改善されているが、モノリスの中心における反応へ、または反応から伝達される熱量には依然として限界がある。モノリス触媒は英国特許出願公開第０９１８４２６．０号の触媒キャリアにおいて使用することができるが、モノリス触媒が使用される場合、有孔内壁および外壁は無くともよいことがここに見出された。

従って、本発明によって、
容器を閉鎖する底面、および、シールの位置より下のシールとの間に間隙のある位置まで、前記容器の底面から上方に延在するスカートを備え、前記スカートは、モノリス触媒の外面とスカートの間に空間ができるように配置される、使用時にモノリス触媒を保持するための容器；および
モノリス触媒の上面または上面近傍に配置され、スカートの外面を超える長さでモノリス触媒から延在するシール
を含む、管状反応器の管内に挿入するためのモノリス触媒キャリアが提供される。

本発明の一実施形態の概略図であり、流路を図示する。 本発明の第２実施形態の概略図であり、流路を図示する。 ２つの積み重ねられたキャリアの間の流路の概略図である。

誤解を避けるために、向きに関する議論、例えば、上方に（ｕｐｗａｒｄｌｙ）、下に（ｂｅｌｏｗ）、より下（ｌｏｗｅｒ）などの用語は全て、参照しやすいように添付図面に図示するように触媒キャリアの向きに従って議論されている。しかしながら、本発明の触媒キャリアは、例えば水平方向など別の向きでも使用することができる。従って、それらの用語は適宜解釈されるべきである。

容器は一般に、それが使用時に配置される反応管の内径より小さい直径の寸法に形成される。シールは、本発明の触媒キャリアが管内の適所に配置される時に反応管の内壁と接触するように形成されることになる。キャリアの長さおよび直径のようなパラメータは、様々な反応および形状に適合するように選択されることになる。

一態様では、モノリス触媒の本体内に触媒によって満たされていないスペースが実質的にないという点で、モノリス触媒は中実（ｓｏｌｉｄ）である。モノリスが下方へ流れる垂直の反応器で使用される場合、反応物（単数または複数）は反応管を通って下方へ流れ、反応物（単数または複数）は最初にモノリス触媒の上面と接触し、円筒の軸に平行な方向に触媒を通って流れる。容器のシールは、反応物（単数または複数）がモノリスの周囲に流れるのを防ぎ、反応物を触媒内に誘導するのを助ける。次いでモノリス触媒内で反応が起きる。次いで生成物も円筒の軸に平行な方向にモノリスを通って流れ落ちる。

反応物（単数または複数）および生成物は、触媒キャリアの底面に到達するとキャリアのスカートの方に誘導される。この流れを容易にするため、キャリアの底面の上側に脚（複数）を備えることができ、これにより使用時、モノリス触媒は脚（複数）上に支持され、かつモノリス触媒の底部と触媒キャリアの底面との間に間隙ができる。次に、上方に延在するスカートにより、反応物（単数または複数）および生成物はスカートの内面とモノリス触媒の外面との間を、シールの裏面に到達するまで上方に誘導される。次いで、反応物（単数または複数）および生成物はシールの裏面によってスカートの端部を越えるように誘導され、次いで、スカートの外面と反応管の内面との間を下方に流れ、ここで熱伝達が起きる。

１つの代替の実施形態では、モノリス触媒はその中を通って縦方向に伸びているチャネルを有する。一般にチャネルはモノリス触媒の中心軸上に配置される。従って、反応管の断面が円形である場合、この構成のモノリス触媒の断面は環状となる。この構成では、使用時、下方に流れる垂直の反応器において反応物（単数または複数）は反応管を通って下方に流れ、従って、最初にモノリス触媒の上面に接触する。シールは、反応物（単数または複数）が触媒の脇周囲を通るのを妨げる。反応物（単数または複数）の流路が触媒によって妨げられるため、それらは一般に流れ易い流路を選び、モノリス中のチャネルに進入する。次いで、反応物（単数または複数）は環状モノリス触媒に入り、触媒モノリスの外面に向かって触媒内を放射状に通過する。モノリス触媒を通過する間に反応が起こる。次いで、未反応反応物および生成物は、モノリス触媒からその外面を通って流れ出る。次いで、上方へ延在するスカートにより、反応物および生成物は、シールに到達するまでスカートの内面とモノリス触媒の外壁との間を上方に誘導される。次いで、それらはシールの裏面によってスカートの端部を越えるように誘導され、スカートの外面と反応管の内面との間を下方へと流れ、ここで熱伝達が起きる。

モノリス触媒がチャネルを備える態様では、触媒キャリアは、チャネルの部分は覆わずに残し、モノリス触媒を覆う上面を備えていてよい。この上面は、反応物（単数または複数）が触媒モノリスに頂部からは進入せず、確実にチャネル中へ誘導されて放射状に流れるのに役立つ。

反応器が上方へ流れる反応器である場合、または例えば水平方向にある場合、流路は上記とは異なることが理解されよう。しかしながら、容器およびモノリス触媒を通る流路の原理は記載されたとおりである。

一般に、複数の触媒キャリアが反応管内に積み重ねられることになる。この態様では反応物／生成物は、第２キャリアのモノリス触媒の上面およびシールと接触するまで、第１キャリアのスカートの外面と反応管の内面との間を下方に流れて行き、上記の流路を使用して第２モノリス触媒を通って下方へと導かれる。

触媒キャリアは、任意の好適な材料から形成することができる。そのような材料は一般に、反応器の運転条件に耐えるように選択されることになる。一般に触媒キャリアは、炭素鋼、アルミニウム、ステンレススチール、他の合金または反応条件に耐えることができる任意の材料から製造される。代替の態様では、触媒キャリアは非金属材料から形成することができる。

容器の構成部品は任意の好適な厚さであってよい。好適な厚さは、約０．１ｍｍから約１．０ｍｍ程度、好ましくは約０．３ｍｍから約０．５ｍｍ程度であろう。

モノリス触媒が縦方向のチャネルを有する態様では、管の底部を閉鎖する面は単一ユニットとして形成されてよく、または互いに結合された２つの別の部品であってもよい。２つの面は同一平面にあってもよいが、好ましい態様では、それらは異なる面にある。一態様では、管の底面の、縦方向のチャネルの下にある部分が、容器の残りの部分の底面より低い面にある。これは、複数の容器が使用される場合に、ひとつのキャリアをその下に配置されたキャリアの上に設置する手助けとして役立つ。代替の態様では、管のチャネルと揃えられた底面が、容器の残りの部分の底面より高い面にあってもよいことが理解されよう。

底面は一般に中実（ｓｏｌｉｄ）であるが、１つ以上のドレイン孔を備えていてよい。１つ以上のドレイン孔が存在する場合、それらはフィルターメッシュで覆われていてもよい。同様に、任意にフィルターメッシュで覆われたドレイン孔は、管の底部を閉鎖する面内に存在してよい。キャリアが非垂直方向で使用され、ドレイン孔がある場合は、それらは別の位置、すなわち、使用時にキャリアの最も低い位置となる位置に配置されることになる。

１つ以上のスペーサー手段が、容器の底面から下方に延在してもよい。スペーサー手段または各スペーサー手段は、別の部品として形成することができ、または底面内の凹部によって形成することもできる。これらのスペーサー手段が存在する場合、それらは、使用時に第１キャリアの底面とその下にある第２キャリアの上面との間を流れる反応物および生成物のための明確な通路を提供するのに役立つ。スペーサーは、約４ｍｍから約６ｍｍ程度の深さであってよい。あるいはまたは追加的に、スペーサー手段は、容器の上面が存在する場合はその上にあってもよく、またはシールから上方に延在してもよい。

シール、または上面がある場合には上面は、その上側に、使用時にその容器の上に積み重ねられる触媒キャリアに対してその容器を設置するための手段を備えることができる。容器を設置するための手段は任意の好適な構成であってよい。一態様では、反応物の進入を可能にするための開口部または間隙をその中に有する直立したカラー（つば）を１つ以上備える。その手段は流れを誘導するためのバッフルとして作用することができる。

上方に延在するスカートは平坦であってよく、または成形されていてもよい。任意の好適な形状を採用することができる。好適な形状としては、襞、波形などが挙げられる。襞、波形などは一般に、キャリアの長さに沿って長手方向に配置される。直立したスカートの形状はスカートの表面積を増大させ、反応管の内面のいかなる表面の粗さ、または収容される管の公差の違いも許容することができるため、触媒キャリアを反応管に挿入するのに役立つ。

上方に延在するスカートが形成される場合、スカートは一般に、共にガスシールを形成する底面との接続点に向かって、滑らかな形状に平坦化される。直立したスカートはフレキシブルであってよい。

一般に、直立したスカートは、モノリス触媒の上面よりも約０．５ｃｍから約１．５ｃｍ、好ましくは約１ｃｍ短い。

いかなる理論にも束縛されるものではないが、直立したスカートは環状容器の外面から反応物／生成物を収集し、スカートの形状によってそれらを触媒キャリアの頂部に誘導し、その際上方に移動しながらモノリス触媒の外面から出てくるより多くの反応物／生成物を収集するのに役立つと考えられる。前述のとおり、次いで反応物／生成物は、反応管壁と直立したスカートの外側との間を下へ誘導される。この方法によってキャリアの全長にわたって熱伝達が促進されるが、熱交換が触媒から分離されているため、反応管壁で反応を止めることなく、より高温またはより低温の熱交換流体を適宜使用することができ、同時に、キャリアの中心に向かって触媒の温度を確実に適切に調節することができる。

シールは、任意の好適な方法で形成することができる。しかしながら、一般に、反応管の最小径に適合するのに十分な圧縮性を有することになる。シールは一般に、柔軟性のある摺動シールであろう。一態様ではＯ−リングを使用することができる。圧縮性のスプリットリングまたは高い膨張係数を有するリングを使用することができる。シールは、反応条件に耐えることができれば、任意の好適な材料から形成することができる。一態様では、キャリアから延在する変形可能なフランジであってよい。フランジは、それによって容器が管に挿入されるとき変形して管の内側に適合し、管と接触するように反応管の内径より大きい寸法に形成することができる。

本発明の１つの利点は、本発明のキャリア内で触媒を使用者に提供することができ、最小限の休止時間で反応管内に容易に設置できることである。従って、触媒の製造場所で、触媒キャリアに触媒を充填することができる。触媒は予め還元および安定化されるか、またはカプセル化されてよく、現場で触媒を取り扱う必要がなくなる。触媒が使用済みになった時点で、キャリアは反応器から別々のユニットとして容易に取り出すことができ、適宜、廃棄または再生のために容易に輸送することができる。

本発明の触媒キャリアにより、高発熱または高吸熱反応において使用するための触媒の使用が可能になる。本デバイスによって、管壁のマイクロチャネル領域で熱伝達が効率的に起こるため、所定の容量の反応器に対して、重量およびコストの大幅な低減をもたらす大きな管の使用が可能となる。これにより、冷却／加熱媒体へのまたは冷却／加熱媒体からの優れた熱伝達がもたらされる。さらに、触媒が冷却／加熱媒体から分離され、熱交換作用が反応から隔てられているため、より大きな温度差が許容されうる。複数の本発明のキャリアが管内に挿入される場合、連続した複数の断熱反応器が各管に効果的に提供される。

触媒キャリアは、広範なプロセスで使用することができる。好適なプロセスの例としては、発熱反応、例えば、メタノールの製造のための反応、アンモニアの製造のための反応、メタン生成反応、シフト反応、酸化反応、例えば無水マレイン酸およびエチレンオキシド生成、フィッシャー・トロプシュ反応などのための反応器が挙げられる。予備改質、脱水素などの吸熱反応を、本発明の触媒キャリアを備える反応器において実施することができる。

本発明のモノリス触媒キャリアは、任意の好適な触媒を充填または部分的に充填することができる。

本発明の第２の態様により、上記の本発明の第１の態様の触媒キャリアを複数備える反応管が提供される。

本発明の第３の態様により、上記の第２の態様の反応管を１つ以上備える反応器が提供される。

本発明の第４の態様により、反応を実施するためのプロセスであって、上記第１の態様の触媒キャリア、上記の第２の態様の反応管、または上記第３の態様の反応器の中へ反応物が進入するプロセスが提供される。

本発明の触媒キャリアによって、従来可能であった反応管よりも長い反応管を使用することが可能になる。

本発明を一例として添付する図を参照して説明する。

触媒キャリアの概要については英国特許出願第０９１８４２６．０号に含まれる図を参照することができ、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。特に、スカートの構成について、その図を参照することができる。

本発明の一実施形態の触媒キャリア１を図１に図示する。底面２は容器１の底部を閉鎖する。脚３は底面から上方に延在し、モノリス触媒４を支持する。

直立したスカート５は底面２から延在する。スカートは波形であってよく、底面３に向かった領域で平坦化されてもよい。

シール６はモノリス触媒４から延在するように設けられ、反応管７の壁と接触する。バッフル８はシールに対して上方に延在する。これらは流れを誘導し、キャリアを、その上に設置されたキャリアの底面から分離するのに役立つ。ガスの流れを矢印により模式的に図示する。

本発明の代替の実施形態を図２に図示する。この構成では、モノリス触媒４はその中を通る縦方向のチャネル９を有する。この構成では、第１実施形態の脚はなくともよい。このキャリアは第１実施形態に類似した構成である。しかしながら、モノリス触媒の上面を覆うように上面１０が追加的に備えられる。図２の構成におけるガスの流れを矢印により模式的に図示する。

反応管７内に本発明の複数の触媒キャリアが配置される場合の流路への効果を図３に示される拡大断面に図示する。

本触媒キャリアは、円形の断面の管内における使用を特に参照して説明されているが、管は円形でない断面のもの、例えばプレート型反応器であってもよいことが理解されよう。管が円形でない断面のものである場合、キャリアは適切な形状となる。この構成においては、環状モノリスが使用されると記載されている実施形態において、それは円環状とはならず、この用語は適宜解釈されるべきである。

さらに、特定の条件ではキャリアのスカートは無くともよいことが理解されよう。この態様は、発熱／吸熱反応が著しい温度変化を伴わない状況に好適である場合がある。

Claims (17)

1. 容器を閉鎖する底面、および、シールとは離れており、シールの位置より下の位置まで、前記容器の底面から上方に延在するスカートを備え、前記スカートはモノリス触媒の外面とスカートの間に空間ができるように配置される、使用時にモノリス触媒を保持するための容器；および
   モノリス触媒の上面または上面近傍に配置され、スカートの外面を超える長さでモノリス触媒から延在するシール
   を備える、環状反応器の管に挿入するためのモノリス触媒キャリア。
2. モノリス触媒が中実である、請求項１に記載のモノリス触媒キャリア。
3. 底面の上側にさらに脚を備えている、請求項１または２に記載のモノリス触媒キャリア。
4. モノリス触媒がその中を通って縦方向に伸びているチャネルを有する、請求項１に記載のモノリス触媒キャリア。
5. モノリス触媒が環状の断面を有する、請求項４に記載のモノリス触媒キャリア。
6. 触媒キャリアが、使用時に、前記チャネルは覆わずに残しモノリス触媒上に延在する上面を備えている、請求項４または５に記載のモノリス触媒キャリア。
7. 底面が１つ以上のドレイン孔を備えている、請求項１から６のいずれか一項に記載のモノリス触媒キャリア。
8. １つ以上のスペーサー手段が、容器の底面から下方に延在する、請求項１から７のいずれか一項に記載のモノリス触媒キャリア。
9. シール、または、上面が存在する場合には上面が、その上側に、使用時に容器の上に積み重ねられる触媒キャリアに対して容器を設置するための手段を備えている、請求項１から８のいずれか一項に記載のモノリス触媒キャリア。
10. 上方に延在するスカートが成形されている、請求項１から９のいずれか一項に記載のモノリス触媒キャリア。
11. 上方に延在するスカートの形状が波形である、請求項１０に記載のモノリス触媒キャリア。
12. 上方に延在するスカートの形状が、スカートが底面に接続されている位置に向かって滑らかな形状に平坦化されている、請求項１０または１１に記載のモノリス触媒キャリア。
13. 触媒を含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の触媒キャリア。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の触媒キャリアを複数個含む反応管。
15. 請求項１４に記載の反応管を１個以上含む反応器。
16. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の触媒キャリア、請求項１４に記載の反応管、または請求項１５に記載の反応器の中に反応物が進入する、反応を実施するためのプロセス。
17. 反応が発熱反応または吸熱反応である、請求項１６に記載のプロセス。

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