JP6424077B2 - フロー反応装置 - Google Patents

Description

本発明は、フロー反応装置に関し、詳しくは、基質溶液と水素ガスとを連続的に反応させるフロー反応装置に関する。

液体原料である基質溶液と水素ガスとを触媒反応させて生成物を得るための水素化反応装置として、反応触媒を充填した反応カラムの入口側に二重管構造の原料導入部を設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１３−２２３８３０号公報

しかし、原料導入部が二重管構造の場合、基質溶液と水素ガスとの流量割合や反応カラムの内径によっては、基質溶液が流れるときに反応カラム内を閉塞するプラグが発生するおそれがある。反応カラム内にプラグが発生すると、水素ガスがプラグを押したときに圧力損失が上昇するだけでなく、意図しない速度で反応カラム内を移動してしまうため、原料と触媒との接触時間が短くなって反応が不十分になる。したがって、実験の再現性が得られなくなり、実験結果の信頼性も低下することになる。

また、原料中に含まれるゴミ、ホコリ、カーボンなどの固形不純物が触媒に接触し、触媒の表面が不純物で物理的に被覆されると、触媒性能が低下して反応が十分に進まなくなるとともに、反応カラムの圧力損失も次第に増大してくる。このため、運転を継続できなくなり、触媒表面に付着した不純物を除去する操作が必要になる。一方、反応カラム内への不純物の侵入を防止するため、反応カラム入口部にフィルターを設けた場合は、触媒表面への不純物の接触は回避できるが、フィルターが目詰まりすると圧力損失が増大するため、フィルターの洗浄や交換が必要になる。したがって、触媒やフィルターの洗浄、交換などの操作を行うため、反応カラムの分解・組立が必要なこともあり、反応カラムの使用効率や実験効率が低下してしまい、繰り返し実験を行う際に長時間を要することがあった。

そこで本発明は、反応カラム内でのプラグの発生を抑えて触媒反応を確実に行うことができるフロー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、本発明のフロー反応装置は、反応触媒を充填した反応カラムをあらかじめ設定した温度に保持しながら、前記反応カラムに基質溶液と水素ガスとを流通させて反応させるフロー反応装置において、前記反応カラムに、あらかじめ設定された流量及び圧力で基質溶液及び水素ガスをそれぞれ供給する送液経路及び送ガス経路と、前記反応カラム内をあらかじめ設定された圧力に保持しながら反応カラム内の流体を導出する導出経路と、前記反応カラムの外周温度をあらかじめ設定された温度に保持する恒温槽とを備え、前記反応カラムは、前記送液経路及び前記送ガス経路が接続される入口側カラムエンドと、基質溶液を前記反応カラム内のカラム内周側に、水素ガスを前記反応カラム内のカラム外周側にガイドする入口側整流板と、反応触媒を保持しながら固形不純物を除去する入口フィルター及び出口フィルターと、反応カラム内の流体を集合させる出口側整流板と、集合した流体を排出する出口側カラムエンドとを有し、前記恒温槽は、前記反応カラムの外周を抱持するカラム保持孔と、恒温槽の温度を測定する温度測定手段と、恒温槽を加熱する加熱手段と、温度測定手段で測定した温度に基づいて前記加熱手段を制御することにより恒温槽の温度をあらかじめ設定された温度に制御する温度制御手段とを有していることを特徴としている。

そして、第１の発明にあっては、上記フロー反応装置は、前記入口側整流板及び前記出口側整流板には同一の整流板を使用するとともに、前記入口フィルター及び前記出口フィルターには同一のフィルターを使用し、前記反応カラムの両端のいずれにも前記入口側カラムエンド及び前記出口側カラムエンドを取り付け可能としたことを特徴としている。また、第２の発明にあっては、前記入口側カラムエンド、前記入口側整流板及び前記入口フィルターに、温度センサーの測定部を前記反応カラム内に挿入するための温度センサー挿入孔をそれぞれ設けたことを特徴としている。

本発明のフロー反応装置によれば、反応カラムの入口側に設けた整流板により、基質溶液はカラム内周側に、水素ガスはカラム外周側にガイドされて別々にカラム内に導入されることから、基質溶液と水素ガスとは、流速において相互に干渉されることがなく、反応カラムの内径が小さいときでも、カラム内を閉塞するプラグが発生することがなくなり、圧力損失の上昇速度を抑えることができるとともに、反応カラム内の気液の流れの安定化を図ることができる。これにより、触媒との接触時間を十分に長くすることができ、反応を確実に進行させることができる。

また、反応カラムの両端に入口側カラムエンド及び出口側カラムエンドをそれぞれ着脱可能とすることにより、反応カラムの入口と出口とを逆にすることができる。これにより、フィルターが固形不純物で閉塞したときに、カラムエンドを付け替えて反応カラムの入口と出口とを逆転させ、反応カラムに洗浄液を流すことにより、反応触媒を充填したままフィルターを洗浄することができ、洗浄効率の向上によって反応カラムの使用効率を向上させることができる。さらに、入口側カラムエンド、入口側整流板及び入口フィルターに温度センサー挿入孔をそれぞれ設け、温度センサーの測定部を反応カラム内に挿入することにより、反応触媒の温度を正確に測定することができる。

本発明のフロー反応装置の第１形態例を示す説明図である。 反応カラム内の気液の流れを示す説明図である。 整流板の一例を示す一部断面斜視図である。 反応カラムの入口と出口とを逆転させる状態を示す説明図である。 本発明のフロー反応装置の第２形態例を示す要部の断面図である。

図１乃至図４は、本発明のフロー反応装置の第１形態例を示すもので、本形態例に示すフロー反応装置は、図１に示すように、反応触媒を充填した反応カラム１１と、該反応カラム１１をあらかじめ設定された温度に保持するための恒温槽１２と、反応カラム１１にあらかじめ設定された流量及び圧力で基質溶液を供給する送液経路１３と、反応カラム１１にあらかじめ設定された流量及び圧力で水素ガスを供給する送ガス経路１４と、反応カラム１１内をあらかじめ設定された圧力に保持しながら反応カラム１１内の流体を導出する導出経路１５とを備えている。

前記送液経路１３は、原料となる基質溶液を貯留した原料液容器２０と洗浄液を貯留した洗浄液容器とを切り換えて送液するものであって、プランジャーポンプ２１と、ドレン経路２２との切り換えを行う流路切換弁２３と、インジェクター２４とを備えている。また、前記送ガス経路１４は、水素ガスを高圧で充填した高圧ガス容器２５と、水素ガスの圧力をあらかじめ設定された圧力に減圧する圧力調整器２６と、流量調節弁２７と、遮断弁２８と、水素ガスの流量をあらかじめ設定された流量に調節するマスフローコントローラー２９と、逆止弁３０とを備えている。前記導出経路１５は、反応カラム１１から導出した流体を冷却する冷却コイル３１と、圧力計３２と、反応カラム１１内の圧力を保つための背圧弁３３と、反応カラム１１から導出した流体中の液成分を採取する採取容器３４とを備えている。

前記恒温槽１２は、前記反応カラム１１の外周を抱持するカラム保持孔３５と、恒温槽１２の温度を測定する温度センサー（温度測定手段）３６と、恒温槽１２を加熱するヒーター（加熱手段）３７と、温度センサー３６で測定した温度に基づいて前記ヒーター３７を制御することにより恒温槽１２の温度をあらかじめ設定された温度に制御する温度制御手段３８とを有している。

図２乃至図４に示すように、前記反応カラム１１は、前記送液経路１３及び前記送ガス経路１４が接続される入口側カラムエンド４１と、該入口側カラムエンド４１内に設けた中央部流路４１ａから導入される基質溶液をカラム内周側に、外周側流路４１ｂから導入される水素ガスをカラム外周側にそれぞれガイドする入口側整流板４２と、反応カラム１１内に充填された反応触媒を保持しながら固形不純物を除去する入口フィルター４３及び出口フィルター４４と、反応カラム１１内の流体を中央部に集合させる出口側整流板４５と、前記導出経路１５が接続され、出口側整流板４５で集合した流体を導出経路１５に排出する出口側カラムエンド４６とを有している。入口側カラムエンド４１及び出口側カラムエンド４６は、反応カラム１１の各端部にネジ止めによって着脱可能に設けられている。

入口フィルター４３及び出口フィルター４４は、同一のものが用いられており、入口側整流板４２及び出口側整流板４５にも、同一のものが用いられている。各整流板４２，４５は、図３に示すように、円盤状部材５１の中心部に設けられた大径貫通孔５２と、円盤状部材５１の径方向中間部に設けられた環状溝５３と、該環状溝５３の底部に周方向等間隔で設けられた複数の小径貫通孔５４とを有している。各整流板４２，４５は、環状溝５３の開口を反応カラム１１の外側に向け、反応カラム１１の端面部に形成された装着段部１１ａ内に各フィルター４３，４４を押圧するようにして反応カラム１１の各端部に装着される。このとき、出口側整流板４５の小径貫通孔５４は、出口側カラムエンド４６によって塞がれた状態になり、中央の大径貫通孔５２のみが開口した状態になる。

また、図２に示すように、反応カラム１１は、軸線を鉛直方向に向け、上端に入口側カラムエンド４１が配置され、下端に出口側カラムエンド４６が配置されることにより、反応カラム１１内の基質溶液及び水素ガスは下向流を形成して反応触媒に接触する。反応カラム１１の最上流部では、入口側カラムエンド４１の中央部流路４１ａから導入される基質溶液は、前記入口側整流板４２の中央の大径貫通孔５２から入口フィルター４３を通過して反応カラム１１の中央部軸線方向に導入され、基質溶液に比べて流量が多い水素ガスは、入口側カラムエンド４１の外周側流路４１ｂから環状溝５３に導入され、各小径貫通孔５４に均等に分流して通過し、入口フィルター４３を通過して反応カラム１１の外周側に、基質溶液の流れを包み込むようにして導入される。

出口に向かって流れる水素ガスは、基質溶液との触媒反応によって次第に減少しながら反応カラム１１の外周部を流れ、基質溶液は、水素ガスとの反応によって生成した液状の水素化生成物とともに、反応触媒中に拡散しながら反応カラム１１の中央部を下方の出口部に向かって流れていく。反応カラム１１の出口部に到達した液状の水素化生成物及び未反応の水素ガス、基質溶液は、出口フィルター４４を通って出口側整流板４５の中央の大径貫通孔５４に集合し、出口側カラムエンド４６から導出経路１５に導出される。

このように、入口側整流板４２によって基質溶液を反応カラム１１の中心部に、水素ガスを反応カラム１１の外周部にそれぞれガイドすることにより、基質溶液の流速と水素ガスの流速とが異なっていても、相互に干渉することがなく、混合することがないことから、反応カラム１１内でプラグが発生することもなくなり、反応カラム１１の入口部で圧力損失が上昇することを抑えることができる。これにより、安定した状態で基質溶液と水素ガスとを触媒に接触させて反応させることができる。

さらに、直管状の反応カラム１１の両端部に同一形状の入口側整流板４２及び出口側整流板４５と入口フィルター４３及び出口フィルター４４とを装着しているので、図４に示すように、入口側整流板４２、出口側整流板４５、入口フィルター４３及び出口フィルター４４を取り付けた状態の反応カラム１１の上下方向を逆にして入口側カラムエンド４１及び出口側カラムエンド４６に取り付けることができる。このように、反応カラム１１を逆転させて使用することにより、入口フィルター４３が捕捉したゴミなどの固形不純物を、入口フィルター４３を取り外すことなく洗浄除去することができる。

すなわち、入口フィルター４３は、基質溶液や水素ガスに含まれるゴミ、ホコリ、カーボンなどの固形不純物の捕捉量が多くなると圧力損失が増大するため、反応運転の継続が困難になるおそれがある。そこで、圧力損失が増大したときに、入口側カラムエンド４１及び出口側カラムエンド４６を反応カラム１１から取り外し、反応カラム１１の上下を逆転させた状態で入口側カラムエンド４１及び出口側カラムエンド４６を反応カラム１１に取り付ける。これにより、固形不純物を捕捉した入口フィルター４３を最下流側に位置させることができるので、水素ガスの導入を停止し、基質溶液に代えて洗浄液を送液経路１３から供給することにより、反応カラム１１を通過した洗浄液によって入口フィルター４３が捕捉した固形不純物を洗浄、除去することができる。

洗浄後は、前の運転で固形不純物を捕捉していない出口フィルター４４が入口フィルターとして機能し、洗浄によって固形不純物を除去した入口フィルター４３が出口フィルターとして機能することになるので、反応カラム１１を逆転させた状態のまま次の触媒反応運転を開始することができる。

したがって、反応カラム１１を分解して入口フィルター４３を交換することなく、反応カラム１１の上下逆転と洗浄液供給による洗浄とを行うだけで反応触媒を充填した反応カラム１１を連続的に使用することができる。これにより、触媒の性能低下を生じることなく、圧力損失の増大を抑えながら所定の水素化反応を効率よく行うことができる。

図５は、本発明の第２形態例を示すもので、前記第１形態例で示した各部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。

本形態例は、入口側カラムエンド４１、入口側整流板４２及び入口フィルター４３に、温度センサー６１の保護管６２を挿通可能な温度センサー挿入孔６３，６４，６５をそれぞれ設け、該温度センサー挿入孔６３，６４，６５を通して温度センサー６１の保護管６２を反応カラム１１の内部に挿入可能としている。これにより、保護管６２の先端部に設けられている測定部で反応触媒の温度を正確に測定することができる。この温度センサー６１で測定した温度を前記温度測定手段３８に入力して恒温槽１２の温度制御を行うこともできる。

なお、各挿入孔の径は、中央部流路４１ａ及び大径貫通孔５２における基質溶液の流通を妨げることなく、所定のシール性を保てるように設定すればよい。

１１…反応カラム、１１ａ…装着段部、１２…恒温槽、１３…送液経路、１４…送ガス経路、１５…導出経路、２０…原料液容器、２１…プランジャーポンプ、２２…ドレン経路、２３…流路切換弁、２４…インジェクター、２５…高圧ガス容器、２６…圧力調整器、２７…流量調節弁、２８…遮断弁、２９…マスフローコントローラー、３０…逆止弁、３１…冷却コイル、３２…圧力計、３３…背圧弁、３４…採取容器、３５…カラム保持孔、３６…温度センサー、３７…ヒーター、３８…温度制御手段、４１…入口側カラムエンド、４１ａ…中央部流路、４１ｂ…外周側流路、４２…入口側整流板、４３…入口フィルター、４４…出口フィルター、４５…出口側整流板、４６…出口側カラムエンド、５１…円盤状部材、５２…大径貫通孔、５３…環状溝、５４…小径貫通孔、６１…温度センサー、６２…保護管、６３，６４，６５…温度センサー挿入孔

Claims (2)

1. 反応触媒を充填した反応カラムをあらかじめ設定した温度に保持しながら、前記反応カラムに基質溶液と水素ガスとを流通させて反応させるフロー反応装置において、
   前記反応カラムに、あらかじめ設定された流量及び圧力で基質溶液及び水素ガスをそれぞれ供給する送液経路及び送ガス経路と、前記反応カラム内をあらかじめ設定された圧力に保持しながら反応カラム内の流体を導出する導出経路と、前記反応カラムの外周温度をあらかじめ設定された温度に保持する恒温槽とを備え、
   前記反応カラムは、前記送液経路及び前記送ガス経路が接続される入口側カラムエンドと、基質溶液を前記反応カラム内のカラム内周側に、水素ガスを前記反応カラム内のカラム外周側にガイドする入口側整流板と、反応触媒を保持しながら固形不純物を除去する入口フィルター及び出口フィルターと、反応カラム内の流体を集合させる出口側整流板と、集合した流体を排出する出口側カラムエンドとを有し、
   前記恒温槽は、前記反応カラムの外周を抱持するカラム保持孔と、恒温槽の温度を測定する温度測定手段と、恒温槽を加熱する加熱手段と、温度測定手段で測定した温度に基づいて前記加熱手段を制御することにより恒温槽の温度をあらかじめ設定された温度に制御する温度制御手段とを有し、
   前記入口側整流板及び前記出口側整流板には同一の整流板を使用するとともに、前記入口フィルター及び前記出口フィルターには同一のフィルターを使用し、前記反応カラムの両端のいずれにも前記入口側カラムエンド及び前記出口側カラムエンドを取り付け可能とした
   ことを特徴とするフロー反応装置。
2. 反応触媒を充填した反応カラムをあらかじめ設定した温度に保持しながら、前記反応カラムに基質溶液と水素ガスとを流通させて反応させるフロー反応装置において、
   前記反応カラムに、あらかじめ設定された流量及び圧力で基質溶液及び水素ガスをそれぞれ供給する送液経路及び送ガス経路と、前記反応カラム内をあらかじめ設定された圧力に保持しながら反応カラム内の流体を導出する導出経路と、前記反応カラムの外周温度をあらかじめ設定された温度に保持する恒温槽とを備え、
   前記反応カラムは、前記送液経路及び前記送ガス経路が接続される入口側カラムエンドと、基質溶液を前記反応カラム内のカラム内周側に、水素ガスを前記反応カラム内のカラム外周側にガイドする入口側整流板と、反応触媒を保持しながら固形不純物を除去する入口フィルター及び出口フィルターと、反応カラム内の流体を集合させる出口側整流板と、集合した流体を排出する出口側カラムエンドとを有し、
   前記恒温槽は、前記反応カラムの外周を抱持するカラム保持孔と、恒温槽の温度を測定する温度測定手段と、恒温槽を加熱する加熱手段と、温度測定手段で測定した温度に基づいて前記加熱手段を制御することにより恒温槽の温度をあらかじめ設定された温度に制御する温度制御手段とを有し、
   前記入口側カラムエンド、前記入口側整流板及び前記入口フィルターに、温度センサーの測定部を前記反応カラム内に挿入するための挿入孔をそれぞれ設けた
   ことを特徴とするフロー反応装置。

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