JP5990750B2

JP5990750B2 - 水素化反応装置

Info

Publication number: JP5990750B2
Application number: JP2012096670A
Authority: JP
Inventors: 小林　修; 修小林; 秀和小山田; 高橋　直行; 直行高橋; 雅彦関根; 慶秀長田; 裕一郎長岡; 知徳松浦
Original assignee: 東京理化器械株式会社
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2032-04-20
Also published as: JP2013223830A

Description

本発明は、水素化反応装置に関し、詳しくは、粒状の固定化反応触媒を充填したカラム管の一端から液体原料と水素ガスとを導入して水素化反応させ、前記カラム管の他端から水素化生成物を回収するフロー式水素化反応装置に関する。

液体原料と水素ガスとを反応させて生成物を得るための水素化反応装置として、例えば、酸化第一銅−酸化亜鉛を含む固体触媒を充填した反応器に、液体原料であるアセトンと水素ガスとを供給し、固体触媒によって両者を反応させることによりイソプロパノールを製造する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１０−７７０５５号公報

しかし、従来の水素化反応装置において、アセトンなどの液体原料と水素ガスとを、反応器の入口側に設けられている原料導入経路内で合流させてから反応器に導入すると、配管の内径が大きい場合には、水素ガスの大きな気泡が液体原料中に浮遊した状態なり、配管の内径が小さい場合には、液体原料と水素ガスとが流れ方向に交互に並んだ状態になることがあるため、液体原料と水素ガスとを十分に混合した状態で反応器内の触媒に接触させることができず、反応器内での水素化反応の効率を低下させる要因の一つとなっていた。

そこで本発明は、液体原料中に水素ガスを均一に分散させた混合状態で反応器内の触媒に接触させることができ、水素化反応の効率を向上させることができる水素化反応装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の水素化反応装置は、粒状反応触媒を充填したカラム管を有する反応器と、該反応器の入口側に設けられた原料導入経路と、前記反応器の出口側に設けられた反応生成物導出経路とを備え、前記原料導入経路からカラム管内に導入される液体原料と水素ガスとを前記粒状反応触媒の存在下で反応させる水素化反応装置において、前記原料導入経路を、内管部材挿通孔を有する外管部材と、該外管部材の前記内管部材挿通孔内に挿通される内管部材とで二重管構造に形成し、前記内管部材内を前記液体原料を導入するための液体原料導入経路とし、前記内管部材と前記外管部材との間を前記水素ガスを導入するための水素ガス導入経路とし、前記外管部材の先端面を前記カラム管の入口側に設けられた入口側フィルタ部材の外面に当接させるとともに、前記内管部材の先端を、該先端と前記入口側フィルタ部材の外面との間に、該入口側フィルタ部材の流れ抵抗によって前記入口側フィルタ部材の全体に拡がり、前記水素ガスが前記液体原料と混合した状態になって前記入口側フィルタ部材を通過できる隙間を介して配置したことを特徴としている。

さらに、本発明の水素化反応装置は、前記反応器は、円筒状のハウジングと、該ハウジングの入口側に装着される入口側栓部材及び出口側に装着される出口側栓部材と、前記入口側栓部材と前記出口側栓部材とに挟持されて前記ハウジングの内部に保持されるカラム管と、該カラム管の入口側及び出口側にそれぞれ圧入される柔軟性材料により形成された前記入口側フィルタ部材及び出口側フィルタ部材とを備え、前記入口側栓部材は、前記ハウジングの入口側内周面に形成されたハウジング側雌ねじ部に螺合するボルト部材側雄ねじ部が外周面に形成されるとともに、内周面にボルト部材側雌ねじ部が形成された円筒状のボルト部材と、前記ボルト部材側雌ねじ部に螺合する可動外管部材側雄ねじ部が外周面に形成された可動外管部材と、前記ボルト部材の内端部と前記カラム管との間に配置されるリテーナ部材とを備え、前記ボルト部材は、前記ボルト部材側雄ねじ部の外径より大きな外径を有して前記ハウジングの入口側端面に当接する大径フランジ部を備え、前記可動外管部材は、前記カラム管の入口側内部に進入して前記入口側フィルタ部材をカラム管内に圧入して保持する突出管部と、前記ボルト部材の大径フランジ部から外方に突出する入口側接続管部と、軸線方向に貫通した内管部材挿通孔と、該内管部材挿通孔内に挿通された前記内管部材とを備え、前記リテーナ部材は、前記可動外管部材の突出管部が軸線方向に通過可能な挿通孔と、該挿通孔のカラム管側で前記カラム管の入口側端部に当接するとともに、前記突出管部の外周面に当接するリング状の入口側シール部材を保持する入口側シール部材保持凹部とを備え、前記出口側栓部材は、前記ハウジングの出口側に軸線方向に移動可能に挿入された固定栓体と、該固定栓体をハウジングの入口側に向けて押圧する弾発部材とを備え、前記固定栓体は、前記カラム管の出口側端部を収容する収容凹部が形成された大径軸部と、該大径軸部より小径で前記ハウジングの出口側に形成された差込孔から外方に突出する小径軸部と、軸線方向に貫通した出口側流体通路と、前記差込孔から外方に突出した小径軸部に装着される抜止部材とを備え、前記収容凹部は、前記出口側フィルタ部材をカラム管の出口側端部に保持するフィルタ保持部と、該フィルタ保持部の外周側で前記カラム管の出口側端面に当接するリング状の出口側シール部材を保持する出口側シール部材保持凹部とを備えていることを特徴としている。

本発明の水素化反応装置によれば、カラム管入口側の原料導入経路を外管部材と内管部材とからなる二重管構造に形成し、内管部材内を液体原料導入経路とし、内管部材と外管部材との間を水素ガス導入経路とし、外管部材の先端面をカラム管に設けられた入口側フィルタ部材の外面に当接させるとともに、内管部材の先端を入口側フィルタ部材の外面に近接させて配置したことにより、入口側フィルタ部材を通過して粒状反応触媒に接触する際に、液体原料中に水素ガスが微細な気泡となって均一に分散した状態にすることができ、触媒反応の効率を向上させることができる。さらに、カラム管内に充填した反応触媒を、カラム管内に圧入される入口側フィルタ部材及び出口側フィルタ部材によって挟持することにより、任意の種類の触媒を任意の量で充填したカラム管をあらかじめ用意しておくことができ、カラム管を適宜交換することによって各種条件での基礎研究や反応条件検討を容易に行うことができる。また、カラム管の内径などを適宜設定することにより、工業的な連続生産にも対応することができる。

本発明の水素化反応装置の一形態例を示す説明図である。反応器の第１形態例を示す正面図である。同じく反応器の側面図である。図３のIV−IV断面図である。反応器の要部断面図である。反応器の第２形態例を示す断面正面図である。

図１に示すように、本形態例に示す水素化反応装置１１は、フロー式水素化反応用の反応装置であって、粒状の反応触媒が充填されたカラムを備えた反応器１２と、該反応器１２の入口側に設けられた液体原料供給経路１３及び水素ガス供給経路１４と、前記反応器１２の出口側に設けられた生成物導出経路１５と、該生成物導出経路１５の途中に設けられた気液分離器１６と、該気液分離器１６で分離した未反応又は副生成物の気体を気液分離器１６から導出する気体導出経路１７と、前記気液分離器１６で分離した液体生成物を捕集する生成物回収容器１８とを備えている。また、反応器１２の外周には、反応器１２をあらかじめ設定された温度に保持するための温度保持手段１９が設けられている。

前記液体原料供給経路１３には、切替弁１３Ｖを介して液体原料容器１３ａと洗浄液供給部１３ｂとが切替可能に接続され、液体原料容器１３ａ内の液体原料や洗浄液供給部１３ｂからの洗浄液は、液ポンプ１３Ｐによって所定圧力、所定流量で前記反応器１２に供給される。また、前記水素ガス供給経路１４には、水素ガス導入部１４ａとパージガス導入部１４ｂとが接続されるとともに圧力計１４Ｐが設けられており、各導入部１４ａ，１４ｂには、手動弁１４Ｖａ、自動弁１４Ｖｂ及び逆止弁１４Ｖｃがそれぞれ設けられている。水素ガス及びパージガスは、あらかじめ設定された圧力で各供給源から各導入部１４ａ，１４ｂにそれぞれ供給される。また、各導入経路１３，１４には、経路内を加熱するための加熱手段を必要に応じて設けることができる。

生成物導出経路１５の下端部には、生成物取出弁１５Ｖを介して前記生成物回収容器１８が設けられており、生成物回収容器１８には、基礎研究や反応条件検討の際にはサンプリング用として複数のバイアル１８ａが用いられる。また、気体導出経路１７には、圧力計１７Ｐ及び安全弁１７Ｒが設けられるとともに、手動弁１７Ｖａ及び自動弁１７Ｖｂが設けられている。なお、前記気液分離器１６や気体導出経路１７、生成物取出弁１５Ｖを省略することもできる。

前記反応触媒は、液体原料の種類、反応の種類、目標とする生成物の種類など、様々な条件に応じて選択することができる。例えば、パラジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、金又はこれらの複合金属を、カーボン、珪藻土、アルミナ又はシリカなどの金属酸化物、架橋ポリスチレン又はポリシランなどの合成高分子に担持した固定化触媒を使用することができる。

図２乃至図５は、前記反応器の第１形態例を示すものである。本形態例に示す反応器１２は、円筒状のハウジング２０と、ハウジング２０の入口側に装着される入口側栓部材３０及び出口側に装着される出口側栓部材４０と、入口側栓部材３０と出口側栓部材４０とに挟持されてハウジング２０の内部に保持されるカラム管５０と、カラム管５０の入口側及び出口側にそれぞれ配置される入口側フィルタ部材５１及び出口側フィルタ部材５２と、入口側栓部材３０の上流側に原料導入経路６１を介して設けられた合流ガイド部材６０とを備えている。

カラム管５０は、所定の長さに切断したガラス素管の両端面を研磨した後、熱処理してエッジを除去したものを使用することができる。このとき、カラム管５０の内径を３〜５０ｍｍ、長さを内径の４〜２０倍に設定することにより、内部に充填した反応触媒と反応流体との接触性や温度均一性を向上させることができ、均一な反応を確実に行うことができる。

前記入口側フィルタ部材５１及び出口側フィルタ部材５２は、柔軟性を有し、かつ、反応器１２に用いるフィルタとして十分な機能を有する材料で形成したものを用いる。例えば、所定厚さの焼結フッ素樹脂を、カラム管５０の内径より大きな外径を有する円盤状に打ち抜き成形したものを用いることができる。

ハウジング２０は、アルミニウムなどの金属又はＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）などの硬質な合成樹脂で、内部にカラム管５０を収容可能な径及び長さを有する円筒状に形成され、入口側内周面には、ハウジング側雌ねじ部２１が形成されている。また、出口側端面には、出口側栓部材４０を差し込むための差込孔２２が形成され、出口側内周面には差込孔２２に連続して小径孔２３と大径孔２４とが形成されている。さらに、ハウジング２０の胴部２０ａには、軸線方向に長い開口部２０ｂ，２０ｂが対向して形成されている。

入口側栓部材３０は、ハウジング２０に形成されたハウジング側雌ねじ部２１に螺合する円筒状のボルト部材３１と、ボルト部材３１の内側に螺合され、先端部がカラム管５０の入口側内部に進入する可動外管部材３２と、ボルト部材３１の内端部とカラム管５０との間に配置されるリテーナ部材３３とを備えている。

ボルト部材３１は、外周面に前記ハウジング側雌ねじ部２１に螺合するボルト部材側雄ねじ部３１ａを、内周面に前記可動外管部材３２が螺合するボルト部材側雌ねじ部３１ｂをそれぞれ備えたねじ部３１ｃと、ボルト部材側雄ねじ部３１ａの外径より大きな外径を有してハウジング２０の入口側端面に当接する大径フランジ部３１ｄとを備えており、前記ボルト部材側雄ねじ部３１ａと前記ボルト部材側雌ねじ部３１ｂとは、同一のピッチで形成している。また、大径フランジ部３１ｄの外周面には、工具を係止させるための切欠面３１ｅが形成されている。

可動外管部材３２は、カラム管５０の入口側内部に進入して入口側フィルタ部材５１をカラム管内に圧入した状態で保持する突出管部３２ａと、ボルト部材３１の大径フランジ部３１ｄから外方に突出する入口側接続管部３２ｂと、軸線方向に貫通した内管部材挿通孔３２ｃとを備え、突出管部３２ａと入口側接続管部３２ｂとの間には、前記ボルト部材側雌ねじ部３１ｂに螺合する可動外管部材側雄ねじ部３２ｄが設けられ、可動外管部材３２の外面には、工具を係止させるための切欠面３２ｅが形成されている。

リテーナ部材３３は、可動外管部材３２の突出管部３２ａが軸線方向に通過可能な挿通孔３３ａと、該挿通孔３３ａのカラム管側でカラム管５０の入口側端部に当接するとともに、突出管部３２ａの外周面に当接するリング状の入口側シール部材３４を保持する入口側シール部材保持凹部３３ｂとを備え、この入口側シール部材保持凹部３３ｂは、カラム管側が拡開した円錐面で形成されている。

このように形成された入口側栓部材３０における前記可動外管部材３２に設けた内管部材挿通孔３２ｃには、該内管部材挿通孔３２ｃの内径より小さな外径を有する内管部材６２が挿通され、内管部材６２と可動外管部材３２とによって二重管構造の原料導入経路６１が形成される。そして、前記合流ガイド部材６０を介して前記液体原料供給経路１３及び前記水素ガス供給経路１４に接続されることにより、内管部材６２の内部が液体原料導入経路６３となり、内管部材挿通孔３２ｃの内周面と内管部材６２の外周面との間が水素ガス導入経路６４となる。

出口側栓部材４０は、ハウジング２０の出口側に軸線方向に移動可能に挿入された固定栓体４１と、該固定栓体４１をハウジング２０の入口側に向けて押圧する弾発部材であるコイルスプリング４２とを備えている。

固定栓体４１は、カラム管５０の出口側端部を収容する収容凹部４１ａが形成された大径軸部４１ｂと、該大径軸部４１ｂより小径でハウジング２０の出口側に形成された差込孔２２から外方に突出する小径軸部４１ｃと、軸線方向に貫通した出口側流体通路４１ｄと、差込孔２２から外方に突出した小径軸部４１ｃの周溝４１ｅに装着される抜止部材４３とを備えている。

収容凹部４１ａは、出口側フィルタ部材５２をカラム管５０の出口側管内端部に保持するフィルタ保持部４１ｆと、該フィルタ保持部４１ｅの外周側でカラム管５０の出口側端面に当接するリング状の出口側シール部材４４を保持する出口側シール部材保持凹部４１ｇとを備えている。また、小径軸部４１ｃの周溝４１ｅよりも先端側には、前記生成物導出経路１５が接続される出口側接続管部４１ｈが形成されている。

前記合流ガイド部材６０は、前記可動外管部材３２の内管部材挿通孔３２ｃの軸線上に前記内管部材６２を挿通するための貫通孔６５を有するとともに、該貫通孔６５の軸線に直交する方向に前記水素ガス供給経路１４を接続するための水素ガス供給経路接続口６６を有している。前記貫通孔６５の水素ガス供給経路接続口６６より可動外管部材３２側は、前記水素ガス導入経路６４に対応した経路を形成するために内管部材６２の外径より大きな外径に形成されており、開口側には可動外管部材３２を気密に接続するための雌ねじ部６５ａが設けられている。一方、貫通孔６５の水素ガス供給経路接続口６６より反可動外管部材３２側には、フェルール構造によって内管部材６２を密封した状態で貫通させる内管保持部材６８を螺着するための雌ねじ部６５ｂが設けられている。また、水素ガス供給経路接続口６６には、逆止弁部材６７を装着するための雌ねじ部６６ａが設けられ、逆止弁部材６７に螺着される配管保持部材６９によって水素ガス供給経路１４が接続されている。

上述のように形成された反応器１２の組み付けは、まず、カラム管５０の一端開口に入口側フィルタ部材５１及び出口側フィルタ部材５２のいずれか一方のフィルタ部材を圧入した状態で、カラム管５０内に粒状の反応触媒を所定量投入した後、カラム管５０の他端開口に他方のフィルタ部材を圧入してカラム管５０の両端部を閉塞し、入口側フィルタ部材５１と出口側フィルタ部材５２との間に反応触媒を挟持した状態にする。この状態で反応触媒がカラム管５０からこぼれ落ちることはない。

出口側栓部材４０の固定栓体４１に形成された小径軸部４１ｃにコイルスプリング４２を挿通し、収容凹部４１ａの出口側シール部材保持凹部４１ｇに出口側シール部材４４を装着し、さらに、大径軸部４１ｂの収容凹部４１ａにカラム管５０の一端（出口側端部）を挿入した後、出口側栓部材４０とカラム管５０とをハウジング２０の入口側からハウジング２０内に挿入し、第２栓体５０の小径軸部４１ｃの先端側をハウジング２０の差込孔２２から外方に突出させる。次いで、差込孔２２から突出した周溝４１ｅに抜止部材４３を装着して、出口側栓部材４０をハウジング２０に取り付ける。この取り付けにより、出口側栓部材４０の大径軸部４１ｂがハウジング２０の大径孔２４に収容されるとともに、小径軸部４１ｃがハウジング２０の小径孔２３に配置され、小径孔２３と小径軸部４１ｃとの間にコイルスプリング４２が配置された状態となる。

次に、入口側栓部材３０のボルト部材３１のボルト部材側雌ねじ部３１ｂに、可動外管部材３２の可動外管部材側雄ねじ部３２ｄをねじ込み、ボルト部材３１のねじ部３１ｃから突出した可動外管部材３２の突出管部３２ａに、入口側シール部材保持凹部３３ｂを突出管部３２ａの先端側に向けてリテーナ部材３３の挿通孔３３ａを挿通し、該リテーナ部材３３の底面をねじ部３１ｃの先端面に載置し、出口側シール部材４４を可動外管部材３２の突出管部３２ａに挿通してリテーナ部材３３の入口側シール部材保持凹部３３ｂに配置する。次に、ボルト部材３１のボルト部材側雄ねじ部３１ａを、ハウジング２０のハウジング側雌ねじ部２１に螺着させ、大径フランジ部３１ｄをハウジング２０の一端面に当接させる。

これにより、カラム管５０の入口側端部が、リテーナ部材３３の入口側シール部材保持凹部３３ｂに挿入されて入口側シール部材３４を圧縮し、コイルスプリング４２により押圧された状態で入口側シール部材３４がカラム管５０の入口側端面に密着するとともに、入口側シール部材３４のカラム管５０と入口側シール部材保持凹部３３ｂの円錐面とに挟まれた部分が内周側にせり出して突出管部３２ａに密着する。また、カラム管５０の出口側端部が、出口側シール部材４４に密着するとともに、フィルタ保持部４１ｆが出口側フィルタ部材５２に密着する。さらに、カラム管５０の入口側から突出管部３２ａをカラム管５０内に挿入した状態で可動外管部材３２を突出管部３２ａの挿入方向に回動させることにより、突出管部３２ａの先端部が入口側フィルタ部材５１の外面に当接して入口側フィルタ部材５１をカラム管５０内に圧入し、入口側フィルタ部材５１を適正な位置まで圧入することにより、カラム管５０内の反応触媒を確実に隙間なく充填した状態にすることができる。

また、可動外管部材３２の入口側接続管部３２ｂに合流ガイド部材６０を接続し、水素ガス供給経路接続口６６に逆止弁部材６７を介して水素ガス供給経路１４を接続するとともに、液体原料供給経路１３の先端に装着した内管部材６２を合流ガイド部材６０の貫通孔６５内を通して可動外管部材３２の内管部材挿通孔３２ｃ内に所定長さ挿入し、内管部材６２の先端と入口側フィルタ部材５１の外面との間にあらかじめ設定された寸法の隙間を介して近接配置した位置、例えば、入口側フィルタ部材５１の外面から１〜３ｍｍの位置に内管部材６２の先端開口を配置する。

このように形成された反応器１２は、上述のように組み付けられることにより、カラム管５０内に充填した粒状の反応触媒と、二重管構造の原料導入経路６１と、出口側流体通路４１ｄとが入口側フィルタ部材５１及び出口側フィルタ部材５２を介して連通した状態になる。この状態で液体原料供給経路１３から液体原料を供給するとともに、水素ガス供給経路１４から水素ガスを供給すると、液体原料は、合流ガイド部材６０を貫通した内管部材６２内の液体原料導入経路６３を流れ、水素ガスは、合流ガイド部材６０で内管部材６２の外周側にガイドされて内管部材挿通孔３２ｃの内周面と内管部材６２の外周面との間の水素ガス導入経路６４を流れ、液体原料導入経路６３を通った液体原料は、入口側フィルタ部材５１の直近に開口した内管部材６２の先端から流出する際に入口側フィルタ部材５１の流れ抵抗によって入口側フィルタ部材５１の全体に拡がり、外周側の水素ガス導入経路６４から導入された水素ガスと混合した状態になって入口側フィルタ部材５１を通過し、カラム管５０内に充填された粒状反応触媒に接触する。

このとき、入口側フィルタ部材５１の外面近くで液体原料導入経路６３からの液体原料と水素ガス導入経路６４からの水素ガスとが混合した状態になって入口側フィルタ部材５１内に進入するので、水素ガスが液体原料中で大きな気泡となることはなく、流れ方向に交互に並んで流れることもなく、液体原料中で水素ガスが極めて微細な気泡となって液体原料の全体に均一に分散した状態にすることができ、カラム管５０内での液体原料、水素ガス、反応触媒の三者の接触効率を高めることができ、水素化反応の効率を大幅に向上させることができる。

カラム管５０内での触媒反応によって水素化された液体生成物は、過剰に供給された水素ガスと共に出口側フィルタ部材５２を通過し、出口側栓部材４０の出口側流体通路４１ｄから生成物導出経路１５に導出され、気液分離器１６で未反応の水素ガスを含み気体を分離して気体導出経路１７に抜き出した後、生成物取出弁１５Ｖを介して生成物回収容器１８に回収される。

また、カラム管５０をハウジング２０から取り外す際には、可動外管部材３２を固定した状態で、ボルト部材３１のみを回転させることにより、可動外管部材３２の軸線方向の位置を変えずに、かつ、可動外管部材３２を回転させることなく、ボルト部材３１のみを取り外した後、液体原料供給経路１３及び水素ガス供給経路１４が接続している合流ガイド部材６０を回転させることなく、可動外管部材３２をまっすぐに引き抜くことができる。

したがって、可動外管部材３２に合流ガイド部材６０を接続した状態でカラム管５０を着脱することが可能となるので、予め種類や粒径などが異なる反応触媒を充填して入口側フィルタ部材５１と出口側フィルタ部材５２とを装着したカラム管５０を複数用意しておくことにより、カラム管５０を適宜交換しながら様々な実験を継続することができる。

例えば、カラム管５０には、外径８ｍｍ，肉厚１．６ｍｍ（内径４．８ｍｍ）の市販のガラス管を６０ｍｍ又は１１０ｍｍに切断したものを用いることができる。このとき、入口側フィルタ部材５１から出口側フィルタ部材５２までの最大距離（充填した反応触媒の長さ）は５０ｍｍ又は１００ｍｍとなる。入口側フィルタ部材５１及び出口側フィルタ部材５２は、反応触媒の粒径が数十μｍの場合は目の粗さを１０μｍとし、外径はカラム管５０の内径よりも僅かに大径となる５ｍｍ、厚さは２ｍｍとすればよい。さらに、コイルスプリング４２は、カラム管５０内の内圧が、例えば１ＭＰａ（１０ｋｇ／ｃｍ^２）を超えた際に圧縮され、出口側シール部材４４とカラム管５０の出口側端部との間、あるいは、入口側シール部材３４とカラム管５０の入口側端部との間に隙間が生じるように設定し、内圧が１ＭＰａを超えたときに前記隙間からカラム管５０内の圧力を逃がすことにより、カラム管５０や配管系を保護することができる。

この反応器１２は、入口側フィルタ部材５１と出口側フィルタ部材５２とを柔軟性を有する焼結フッ素樹脂で、カラム管５０の内径よりも僅かに大径に形成したことにより、カラム管５０の両端部から管内に容易に圧入することができ、入口側フィルタ部材５１と出口側フィルタ部材５２とでカラム管５０の両端を閉塞し、カラム管５０に充填した反応触媒の漏れを防ぐことができる。また、ハウジング２０の入口側に入口側栓部材３０を装着し、カラム管５０の一端を入口側シール部材３４を介して入口側栓部材３０のリテーナ部材３３に支持させるとともに、ハウジング２０の出口側に出口側栓部材４０を装着し、カラム管５０の他端を出口側シール部材４４を介して出口側栓部材４０の固定栓体４１に支持させることにより、カラム管５０を簡単な構造で密封状態にすることができるとともに、反応触媒を充填したカラム管５０を、入口側フィルタ部材５１及び出口側フィルタ部材５２を介して二重管構造の原料導入経路６１と出口側流体通路４１ｄとに容易に接続することができる。

さらに、リテーナ部材３３の入口側シール部材保持凹部３３ｂをカラム管側が拡開した円錐面に形成したことにより、入口側栓部材３０をハウジングに装着した際に、カラム管５０の一端面と入口側シール部材３４とが密着するとともに、カラム管５０と入口側シール部材保持凹部３３ｂの円錐面とに挟まれた入口側シール部材３４が内周側にせり出して可動外管部材３２の突出管部３２ａの外周面に密着するので、入口側のシール性を向上させることができる。

また、カラム管５０は、入口側栓部材３０をハウジング２０から取り外すことにより、容易に交換することができ、実験を行う際に、あらかじめ所定の反応触媒を充填して入口側フィルタ部材５１と出口側フィルタ部材５２とを装着したカラム管５０を用意しておき、カラム管５０を交換しながら実験を行うことにより、様々な条件の実験を効率よく行うことができ、実験に要するコストの低減を図ることができる。さらに、可動外管部材３２の突出管部３２ａをカラム管５０内で軸線方向に移動させることができることから、反応触媒の量が異なっていても、簡単な操作で反応触媒を常に適正な充填状態に保持しておくことができる。

また、出口側栓部材４０は、固定栓体４１を入口側栓部材側に押圧するコイルスプリング４２を備えていることから、カラム管５０の両端部と入口側栓部材３０及び出口側栓部材４０とのシール性を向上させることができる。さらに、カラム管５０内に高粘度の生成物が詰まった場合など、流体流路が閉塞して実験中に異常な高圧が生じた際には、コイルスプリング４２が圧縮することによりカラム管５０と入口側シール部材３４又は出口側シール部材４４との間に隙間が生じることで圧力を外部に逃がすことができ、カラム管５０や各配管部材の破損を防ぐことができる。

また、ボルト部材３１のボルト部材側雄ねじ部３１ａと、ボルト部材側雌ねじ部３１ｂとを同一のピッチで形成したこにより、ハウジング２０内にカラム管５０を取り付けたり、取り外したりする際に、入口側栓部材３０の可動外管部材３２を固定した状態でボルト部材３１のみを回動させることによってボルト部材３１のみを取り外すことができ、可動外管部材３２を回動させずに着脱できるので、可動外管部材３２に接続した合流ガイド部材６０や、該合流ガイド部材６０に接続した液体原料供給経路１３及び水素ガス供給経路１４に影響を与えることなく、カラム管５０の着脱を行うことができる。また、ハウジング２０の胴部に、軸線方向に長い開口部２０ｂ，２０ｂを形成したことにより、実験中に、カラム管５０の内部の状態を視認することができる。また、ボルト部材３１の大径フランジ部３１ｄに、工具を係止させるための切欠面３１ｅを形成したことにより、ボルト部材３１を容易かつ確実に回動させることができ、可動外管部材３２の外面にも同様の切欠面３２ｅを形成しておくことにより、ボルト部材３１を回動させる際に、可動外管部材３２が回動しないように工具で抑えておくことができる。

すなわち、本形態例に示す構造の反応器１２によれば、可動外管部材３２の突出管部３２ａのカラム管５０内への挿入量を調節することによってカラム管５０の内容積を変えられることから、実験者が自ら任意の量の任意の種類の触媒を隙間なく充填して使用することが可能であり、汎用性が高く、触媒や反応の開発などの基礎研究に有用である。さらに、突出管部３２ａを所定量挿入することによって反応触媒に隙間が生じることも防止できる。また、水素ガスと液体原料とをカラム管５０内に導入する際、カラム管５０と原料導入経路６１との接続部から液体原料や水素ガスの漏れがなく、液体原料中に水素ガスを高度に分散させた状態で反応触媒中に導入することができる。また、液体原料又は水素ガスの流路に水素ガス又は液体原料が逆流することもなく、高圧を必要とせず、高濃度の原料の使用が可能で、生産性が高く、安全でスケールアップが容易な汎用的の高いフロー式水素化反応用の反応装置を提供することができる。さらに、水素をガス状態で導入できるため、高圧を必要としないので安全性を向上できるとともに、高濃度の液体原料の使用が可能なことから、水素ガスや液体原料を溶解、希釈するための溶媒の使用量を減らせることができ、例えば、液体原料を希釈せずに原液のまま使用できるため、反応後の濃縮操作が不要になるなど、省資源や省エネルギーにも寄与することができる。また、カラム管５０の断面積に比例して液体原料や水素ガスの供給量を容易に増やせるため、スケールアップする場合の条件設定も容易に行うことができる。

図６は、本発明の水素化反応装置で使用可能な反応器の第２形態例を示している。なお、以下の説明において、前記形態例に示した反応器周辺の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

本形態例に示す反応器７０は、金属製のカラム管７１の両開口端面に、カラム管７１の内径より大きく、カラム管７１の外径より小さな直径を有する硬質材料製の円盤状のフィルタ部材７２をそれぞれ配置したものであって、カラム管７１の一端外周面に形成した雄ねじ部に、入口側栓部材７３の先端内周面に形成した雌ねじ部を螺着してカラム管７１の一端に入口側栓部材７３を装着するとともに、カラム管７１の他端外周面に形成した雄ねじ部に、出口側栓部材７４の先端内周面に形成した雌ねじ部を螺着してカラム管７１の他端に出口側栓部材７４を装着することにより、両栓部材７３，７４によって前記フィルタ部材７２をカラム管７１の両端面に密着させた状態で保持するように形成されている。

入口側栓部材７３は、原料導入経路の外管部材を兼ねるものであって、液体原料供給経路となる内管部材７５を挿通するとともに、該内管部材７５の外周面との間に水素ガス導入経路を形成する内管部材挿通孔７３ａが軸線方向に設けられている。入口側栓部材７３のカラム管側は、前記フィルタ部材７２の外面に当接しており、内管部材挿通孔７３ａの外周側部分には、入口側栓部材７３とカラム管７１との間を密封する環状シール材７６が設けられている。また、入口側栓部材７３の反カラム管側には、軸線方向に内管部材挿通孔をそれぞれ有する複数の配管接続部材７７を介して合流ガイド部材７８が接続されている。

合流ガイド部材７８は、軸線方向に内管部材挿通孔７８ａを有するとともに、該内管部材挿通孔７８ａに対して直交する方向に水素ガス供給経路接続口７８ｂを有するものであって、この水素ガス供給経路接続口７８ｂには、逆止弁部材７９を介して前記水素ガス供給経路１４が接続される。また、内管部材挿通孔７８ａの反カラム管側には、内管部材挿通孔７８ａに連続した内管部材挿通孔を有する配管接続部材８０の端部に、内管部材７５を密封状態で貫通させる内管部材保持部材８１が装着されている。

液体原料供給経路１３に接続した前記内管部材７５は、内管部材保持部材８１から合流ガイド部材７８などに設けられた内管部材挿通孔内に挿通され、先端と入口側のフィルタ部材７２の外面との間にあらかじめ設定された寸法の隙間が形成される直近位置まで挿入される。

一方、出口側栓部材７４のカラム管側には、前記入口側栓部材７３のカラム管側と同じ環状シール材７６が設けられ、出口側栓部材７４の反カラム管側には、前記生成物導出経路１５を介して生成物回収容器１８が配置される。

このように、フィルタ部材７２をカラム管７１内に圧入しない構造を採用しても、二重管構造で形成した液体原料導入経路６３と水素ガス導入経路６４とにより、フィルタ部材７２を通過する液体原料の中に水素ガスを極めて微細な気泡として高度に分散させることができ、前記同様に、液体原料と水素ガスとの触媒反応効率を大きく向上させることができる。

１１…水素化反応装置、１２…反応器、１３…液体原料供給経路、１３ａ…液体原料容器、１３ｂ…洗浄液供給部、１４…水素ガス導入経路、１４ａ…水素ガス導入部、１４ｂ…パージガス導入部、１５…生成物導出経路、１６…気液分離器、１７…気体導出経路、１８…生成物回収容器、１８ａ…バイアル、１９…温度保持手段、２０…ハウジング、２０ａ…胴部、２０ｂ…開口部、２１…ハウジング側雌ねじ部、２２…差込孔、２３…小径孔、２４…大径孔、３０…入口側栓部材、３１…ボルト部材、３１ａ…ボルト部材側雄ねじ部、３１ｂ…ボルト部材側雌ねじ部、３１ｃ…ねじ部、３１ｄ…大径フランジ部、３１ｅ…切欠面、３２…可動外管部材、３２ａ…突出管部、３２ｂ…入口側接続管部、３２ｃ…内管部材挿通孔、３２ｄ…可動外管部材側雄ねじ部、３２ｅ…切欠面、３３…リテーナ部材、３３ａ…挿通孔、３３ｂ…入口側シール部材保持凹部、３４…入口側シール部材、４０…出口側栓部材、４１…固定栓体、４１ａ…収容凹部、４１ｂ…大径軸部、４１ｃ…小径軸部、４１ｄ…出口側流体通路、４１ｅ…周溝、４１ｆ…フィルタ保持部、４１ｇ…出口側シール部材保持凹部、４１ｈ…出口側接続管部、４２…コイルスプリング、４３…抜止部材、４４…出口側シール部材、５０…カラム管、５１…入口側フィルタ部材、５２…出口側フィルタ部材、６０…合流ガイド部材、６１…原料導入経路、６２…内管部材、６３…液体原料導入経路、６４…水素ガス導入経路、６５…貫通孔、６５ａ，６５ｂ…雌ねじ部、６６…水素ガス供給経路接続口、６６ａ…雌ねじ部、６７…逆止弁部材、６８…内管保持部材、６９…配管保持部材、７０…反応器、７１…カラム管、７２…フィルタ部材、７３…入口側栓部材、７３ａ…内管部材挿通孔、７４…出口側栓部材、７５…内管部材、７６…環状シール材、７７…配管接続部材、７８…合流ガイド部材、７８ａ…内管部材挿通孔、７８ｂ…水素ガス供給経路接続口、７９…逆止弁部材、８０…配管接続部材、８１…内管部材保持部材

Claims

粒状反応触媒を充填したカラム管を有する反応器と、該反応器の入口側に設けられた原料導入経路と、前記反応器の出口側に設けられた反応生成物導出経路とを備え、前記原料導入経路からカラム管内に導入される液体原料と水素ガスとを前記粒状反応触媒の存在下で反応させる水素化反応装置において、前記原料導入経路を、内管部材挿通孔を有する外管部材と、該外管部材の前記内管部材挿通孔内に挿通される内管部材とで二重管構造に形成し、前記内管部材内を前記液体原料を導入するための液体原料導入経路とし、前記内管部材と前記外管部材との間を前記水素ガスを導入するための水素ガス導入経路とし、前記外管部材の先端面を前記カラム管の入口側に設けられた入口側フィルタ部材の外面に当接させるとともに、前記内管部材の先端を、該先端と前記入口側フィルタ部材の外面との間に、該入口側フィルタ部材の流れ抵抗によって前記入口側フィルタ部材の全体に拡がり、前記水素ガスが前記液体原料と混合した状態になって前記入口側フィルタ部材を通過できる隙間を介して配置した水素化反応装置。
前記反応器は、円筒状のハウジングと、該ハウジングの入口側に装着される入口側栓部材及び出口側に装着される出口側栓部材と、前記入口側栓部材と前記出口側栓部材とに挟持されて前記ハウジングの内部に保持されるカラム管と、該カラム管の入口側及び出口側にそれぞれ圧入される柔軟性材料により形成された前記入口側フィルタ部材及び出口側フィルタ部材とを備え、前記入口側栓部材は、前記ハウジングの入口側内周面に形成されたハウジング側雌ねじ部に螺合するボルト部材側雄ねじ部が外周面に形成されるとともに、内周面にボルト部材側雌ねじ部が形成された円筒状のボルト部材と、前記ボルト部材側雌ねじ部に螺合する可動外管部材側雄ねじ部が外周面に形成された可動外管部材と、前記ボルト部材の内端部と前記カラム管との間に配置されるリテーナ部材とを備え、前記ボルト部材は、前記ボルト部材側雄ねじ部の外径より大きな外径を有して前記ハウジングの入口側端面に当接する大径フランジ部を備え、前記可動外管部材は、前記カラム管の入口側内部に進入して前記入口側フィルタ部材をカラム管内に圧入して保持する突出管部と、前記ボルト部材の大径フランジ部から外方に突出する入口側接続管部と、軸線方向に貫通した内管部材挿通孔と、該内管部材挿通孔内に挿通された前記内管部材とを備え、前記リテーナ部材は、前記可動外管部材の突出管部が軸線方向に通過可能な挿通孔と、該挿通孔のカラム管側で前記カラム管の入口側端部に当接するとともに、前記突出管部の外周面に当接するリング状の入口側シール部材を保持する入口側シール部材保持凹部とを備え、前記出口側栓部材は、前記ハウジングの出口側に軸線方向に移動可能に挿入された固定栓体と、該固定栓体をハウジングの入口側に向けて押圧する弾発部材とを備え、前記固定栓体は、前記カラム管の出口側端部を収容する収容凹部が形成された大径軸部と、該大径軸部より小径で前記ハウジングの出口側に形成された差込孔から外方に突出する小径軸部と、軸線方向に貫通した出口側流体通路と、前記差込孔から外方に突出した小径軸部に装着される抜止部材とを備え、前記収容凹部は、前記出口側フィルタ部材をカラム管の出口側端部に保持するフィルタ保持部と、該フィルタ保持部の外周側で前記カラム管の出口側端面に当接するリング状の出口側シール部材を保持する出口側シール部材保持凹部とを備えている請求項１記載の水素化反応装置。