JPH0347134B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は粒状触媒を使用し、反応中における
原料および生成物のいずれもがガス状である化学
反応用反応器の改良に関する。

更に詳しくいえば直径の異なる２個の円筒に挾
まれる環状空間に充填された触媒床にガスを半径
方向に流通せしめる形式の反応器の改良に関す
る。

直径の異なる２個の円筒に挾まれる環状空間に
粒状触媒を充填した環状触媒床に対しガスを半径
方向に流通せしめる形式の反応器は、多くの文献
によつてその大略内容が周知となつている。しか
しこれら多くの文献はいずれもガスの流れ方向に
沿つた触媒床内温度分布についての考慮が不足し
ていて、性能を落すこと無くこの種の反応器の小
形化を実現することに成功していない。

この発明の発明者は先に特開昭55−149640およ
び米国特許第4321234号において、改良された反
応器およびこの反応器の使用法につき提案を行な
つた。この提案は、環状触媒床即ち直径の異なる
２個のガス透過性円筒状触媒受に挾まれる触媒床
内において、垂直に延びる多数の冷却管をこれら
触媒受と同軸な円周群上に配列し、この冷却管内
に冷却用流体を流通せしめつつ原料ガスをこの環
状触媒床の半径方向に流通せしめて反応させ、そ
の際に発生する反応熱を冷却流体に吸収せしめ
て、触媒床内のガスの流れ方向に沿つた各点の温
度を所望の温度に制御する方法および反応器であ
る。この発明の発明者らは上記提案の方法および
反応器について多くの実験的検討を行なつたので
あるが、その過程において上記提案の方法および
反応器が更に改良され得ることを見出した。

この発明は上記提案の反応方法および反応器を
改良し、性能を落すことなく更に反応器を小形化
出来る反応法とその為の反応器とに関する新規な
改良提案であり、その要旨は上記提案における環
状触媒床と同様に空間を半径方向に延びる垂直の
隔壁によつて複数の室に分割し、これらの室のう
ち少なくとも１個に熱交換用管を、前記冷却管の
円周群上配列に代つて円弧群上に配置し、この熱
交換用管の配置された室を含む少なくとも２室に
触媒を充填して反応室とし、原料ガスをこれら各
反応室に逐次的に且つ半径方向に流通せしめるこ
とにより、各反応室内におけるガス流の線速度を
前記提案より大とし、熱交換用管の肉厚方向に流
れる熱流の総括伝熱係数を大として熱交換用管の
減少を可能ならしめることによつて反応器の小形
化を行なうことにある。

以下にこの発明の内容につき説明する。触媒反
応にあつては原料ガスが触媒床内に流入してから
触媒床を出るまでの間の触媒床内の各点におい
て、反応速度、副生物の生成量などの点から考慮
される最適温度の存在することが通常である。例
えば一定圧力下に水素と窒素が３：１の混合ガス
からアンモニアを合成する場合において、触媒床
内の各点におけるアンモニアの生成速度は概略次
の式で示すことが出来る。

Ｖ＝Ｋ×（C_e−C_a）＝Ｋ×ΔC (1) この式において ｖ：アンモニアの生成速度Kgmol／時／触媒m³ C_e：触媒床各点の温度、圧力におけるアンモニ
アの平衡濃度のモル分率 C_a：上記と同一点において既に存在するアンモ
ニアの濃度のモル分率 Ｋ ：反応速度係数 ΔC：上記点におけるアンモニアの平衡濃度と実
在濃度との差 この式によれば触媒床内のある点Ａにおける温
度が高くなると、反応速度係数Ｋは大となるがア
ンモニアの平衡濃度が小となる為に、平衡濃度の
実在濃度との差ΔCは急激に小となり反応速度ｖ
は低下する。逆にＡ点の温度が低くなると、アン
モニアの平衡濃度と実在濃度との差ΔCは大とな
るが反応速度係数は小となつて反応速度Ｋは再び
低下する。この事実はＡ点において、Ａ点のアン
モニアの実在濃度に対応したアンモニア生成速度
の最大となる温度が存在することを示している。
アンモニアの合成反応においては副生物が生成し
ないが、メタノール合成の場合のごとく副成物例
えば高級アルコールの生成を伴なう場合には、副
生物の生成速度を含めた反応速度が最大となる温
度の外に、副生物の生成割合を低く保持しつつメ
タノールの生成速度を最大とする温度が存在する
ごとき場合もある。このような意味において触媒
床内のガスの流れ方向にそつた各点の温度を例え
ば反応速度最大にする温度（以下単に最適温度と
いう）に保持しつつ反応を実施することは小型の
反応器を使用して多量の目的生成物を効率良く取
得する為に非常に重要である。上記した触媒床内
各点の最適温度は、その点において触媒の接触し
つつあるガス中の反応生成物の濃度により異なる
故、触媒床のガス入口から触媒床内の各点に至る
ガスの流路に沿つた距離を横軸にとり、温度を縦
軸にとつて、触媒床を入口から出口に至るまでの
最適温度のグラフを書けば最適温度の分布を示す
最適温度分布曲線を得ることが出来る。この最適
温度分布曲線は希に触媒床の入口から出口まで一
定の温度を示す場合もあるが、多くの場合にあつ
ては反応の種類、触媒の種類、反応圧力等に応じ
て異なる曲線となる。以下この発明においては上
記の最適温度分布曲線を単に最適温度分布とい
う。

前記したごとく従来から環状触媒床にガスを半
径方向に流通させる形式の反応器は数多く開示さ
れていたのであるが、上記のごとき最適温度分布
の考慮をしたものはほとんど無く、反応器の小形
化の点で不十分であつた。この発明の発明者らは
前記特開昭55−149640において、この最適温度分
布を実現し得る反応器を提案した。この提案の要
旨は、前記環状触媒床内に垂直に延びる多数の冷
却管を、環状触媒床の外側と内側にあるガス透過
性触媒受と同軸な円周群上に配列し、これら多数
の冷却管内に冷却用流体を流通せしめつつ、原料
ガスを触媒床の全ての半径方向に均一に只１回通
過せしめて、原料ガスが触媒床入口から出口に至
るまでの間の各点の温度を前記最適温度に保持す
る反応方法と、その為の反応器であつた。

この発明の発明者らはこの前記提案の環状触媒
床内に半径方向に延びる垂直隔壁を設置して環状
触媒床を複数の反応室に分割し、分割後の各反応
室にガスを略直列に流通せしめることにより、反
応器全体としての空間速度を変更すること無く、
各反応室内におけるガスの流通速度を増加させ同
時に熱交換の際の総括熱係数を大として、結果的
に熱交換用冷却管の数を少なくして反応器を小型
化し、尚且つ前記提案と同様の効果を得ることを
見出した。この発明の目的は上記要旨の通り前回
の提案を更に改良した反応方法とその為の反応器
の提供にある。

以上にこの発明の概要を第１および第２図を使
用して説明する。両図はこの発明の原理を説明す
る為の概念図であつて、第１図は反応器の垂直断
面図、第２図は反応器の水平断面図をそれぞれ示
す。両図において、１は垂直に設置された円筒状
外殻であつて下部蓋２および上部蓋３を有する。
外殻１の内側にはこの外殻と同軸のガス透過性外
側触媒受４と外側触媒受４の内側に設置された内
側触媒受５が設置されている。外殻１、外側触媒
受４および両蓋２，３により囲まれる空間６は外
側ガス通路である。内側触媒受５の内側は内側ガ
ス通路であるが、両図は内側側触媒受５の内側に
円筒状内側隔離板８が設置され、内側触媒受５、
内側隔離板８および両蓋２，３により囲まれる空
間が内側ガス通路７となつている例である。外側
触媒受４と内側触媒受５および両蓋に囲まれる空
間は半径方向に延びる垂直隔壁９により所望の数
（この図の例では４）の水平断面が扇状の室に分
割されている。これらの室は、それぞれ触媒を充
填する反応室および／または熱交換の為の室とし
て利用される。両図はこれら全ての室を熱交換用
管を配列し且つ触媒を充填する反応室として使用
する例である。これらの室におけるガスの通過方
向は何れも半径方向であるが、ガスが各反応室を
通過する順序と各反応室におけるガスの通過方向
を予め定めておく必要がある。この例においては
第１反応室１０、第２反応室１１、第３反応室１
２および第４反応室１３の順とし、又第１反応室
におけるガスの通過方向を内側から外側へと定め
ることにより、全ての反応室におけるガスの通過
順序と各反応室におけるガスの流通方向を定める
ことが出来る。各反応室には熱交換用管１４が両
触媒受と同軸の円弧群上に配列されている。又上
記ガスの通過順序を規定する為、外側ガス通路に
おいて第１反応室と第４反応室との間の隔壁の延
長上および第２反応室と第３反応室との間の隔壁
の延長上に外側ガス通路延長隔壁１５が、内側ガ
ス通路において第１反応室と第２反応室との間の
隔壁の延長上、第３反応室と第４反応室との間の
隔壁の延長上および第４反応室と第１反応室との
間の隔壁の延長上に内側ガス通路延長隔壁１６が
それぞれ設置される。又上記により規定されたガ
ス通路に従つて第１反応室に接する内側ガス通路
の上部あるいは下部に原料ガス流入口１７が、第
４反応室に接する内側ガス通路の上部あるいは下
部に反応生成ガス流出口１８が設置される。

両図の例において、反応室内に上記により配列
された熱交換用管１４の上端部および下端部は、
反応室毎にこれら熱交換用管内を流通する流体を
集合あるいは分配する為の管状部材で製作された
一群の集合管からなる集合器１９あるいは同様に
管状部材で作製された一群の分配管からなる分配
器１９に接続し、更にこれに等分配器および集合
器はそれぞれ流体の入口管２０あるいは出口管２
０に接続されている。又上部蓋３には各反応室毎
に触媒投入管２１が、下部蓋２には各反応室毎に
触媒排出管２２がそれぞれ設置されている。上記
のごとき基本構造を有するこの発明による反応器
を操業するに当つては目的の反応に適合した触媒
を上記触媒投入管から各反応室にそれぞれ充填し
た後に使用する。

この発明反応器は反応前の原料ガス、反応中の
ガスおよび反応生成ガスの何れもが反応時の温度
および圧力下においてガス状である発熱反応の吸
熱反応の両者に使用することが出来る。発熱反応
の場合にあつては、熱交換用管内を流れる流体が
冷却用流体の役割をなし、冷却用流体の温度は反
応中の触媒およびガスの温度より低いことが必要
であり、吸熱反応の場合にあつては、熱交換用管
内を流れる流体が加熱用流体の役割をなし、加熱
用流体の温度は反応中の触媒及びガスの温度より
高いことが必要である。

次に第１、第２、および第３図を使用してこの
発明の効果、効果の出る理由およびこの発明の利
点につき説明する。第３図は水素と窒素のモル比
が３：１であつて不活性ガス13.6モル％を含む合
成用ガスから45Kg／cm²Ｇの圧力下に、市販触媒を
使用してアンモニアを合成する場合における反応
速度と温度との関係を示した図である。横軸に示
した350〜460℃の各温度毎の(1)式による反応速度
が縦軸に示してある。この第３図に記入された各
曲線はそれぞれ各曲線に記入したアンモニアの濃
度における市販触媒の反応速度を示す。アンモニ
ア濃度が4.0％（モル％であつて以下においても
同様である）より高い曲線はいづれも反応速度の
最大となる温度即ちこの場合の最適温度を図上に
有する。これらの曲線において温度が最適温度よ
り高くなつても低くなつても反応速度が低下する
理由は前記(1)式の説明の際記載した通りである。
アンモニア濃度が3.0％以下の場合における反応
速度が最大となる温度は460℃より高い温度とな
る為第３図外に存在する。この図の曲線Ｔは上記
反応速度曲線における反応速度最大となる点をつ
ないだ曲線である。アンモニア合成にあつては、
原料ガスが触媒床に入り、触媒と接触してアンモ
ニアが生成し、アンモニア濃度の増加したガスと
して触媒床を離れる。この間において、触媒床内
各点の温度がその点のアンモニア濃度における反
応速度最大となる温度、即ち上記反応速度曲線と
曲線Ｔとの交点における温度になつていれば、反
応の為に必要な触媒量は最小となる。このことは
前記の如く曲線Ｔを、触媒床入口からのガス流路
に沿つた触媒床内の各点までの距離を横軸とし、
温度を縦軸として書き直した曲線がこの場合にお
ける触媒床内の最適温度分布であることを示して
いる。アンモニア合成反応は発熱反応である故、
触媒床内の各点の温度をその点における実在アン
モニア濃度に対応する最適温度とし、且つ触媒床
全体として最適温度分布になるようにする為に
は、反応が進行しガス中のアンモニア濃度が高ま
るに伴ない曲線Ｔに沿つて、ガスおよび触媒の温
度を低下せしめる様、熱を除去する必要がある。
従つて触媒床内には冷却用伝熱面が必要であり、
又この冷却の際の触媒１m³当りに必要な伝熱面積
は、アンモニア濃度の等しい個所では等しく、ア
ンモニア濃度の異なる個所では異なることとな
る。従つて垂直環状触媒床の半径方向にガスを流
しつつ、この環状触媒床内においてこの触媒床の
軸と同軸な多数の円周群上に配列された垂直に延
びる熱交換用管の配列数を触媒床のガス入口から
の距離に応じた最適数とし、これら管内に冷却用
流体を流通せしめれば、同一アンモニア濃度の個
所を同一の最適温度に保持し、全体として上記の
ごとき最適温度分布を触媒床内に実現することが
できる。例えば環状触媒床の内側から外側にガス
を流す場合なら、熱交換用管を配列する各円の周
の長さは、環状触媒床の外側に近いもの程長い
故、外側に近い円周には内側に近いものに比し多
数の熱交換用管を配列することが可能であり、ガ
スが内側から外側に移動するに伴つて、逐次温度
が低下して前記のごときアンモニアの場合の最適
温度分布を触媒床内に実現せしめることが容易に
出来る。アンモニア合成やメタノール合成等にお
けるこの最適温度分布の実現は、該合成に必要な
圧力の低下をも可能にする。反応の種類によつて
はガスを外側から内側へと逆に流すほうがよい場
合もある。前記した特開昭55−149640はこの様な
原理に基づいた反応方法とそのための反応器であ
つた。しかしこの提案はガスが触媒床内を全ての
半径方向に向かつて同時に只１回通過する反応方
法である為、熱交換用管の長さ方向に対して垂直
に流れるガスの線速度が小であり、熱交換用管の
肉厚方向に熱が流れる際の総括伝熱係数が小とな
り、各円周上に多くの熱交換用管を配列する必要
があつた。前記の如くこの発明は上記の様な前回
提案のものの欠点を改良する為の新な提案であ
る。即ち前記第１図および第２図の如く、環状触
媒床を垂直隔壁により複数の反応室に分割すれ
ば、ガス流の線速度を大とし、総括伝熱係数を増
加せしめることが出来る故、同一の触媒量を使用
し且つ各反応室毎に最適温度分布を保持しつつ熱
交換用管の数の節減が可能となる。例えば第１図
および第２図の如く４等分すればガスの線速度は
４倍となり、総括伝熱係数は大略２倍以上に上昇
するので、熱交換用管の数を半分以下に節減する
ことが出来る。この熱交換用管の数の節減は熱交
換用管自体の節減のみでなく、節減された熱交換
用管の占有体積分だけの反応器の小形化および前
記集合器および分配器の構造簡素化をも伴ない、
反応器を製作するに必要な材料の減少と共に反応
器製作の際の工数の削減が可能となるので、全体
として反応器の製作費を安くすることが出来る。
又他の１個の利点として、熱交換用管に関する上
記総括伝熱係数が大となつた結果、環状触媒床の
内側に近い部分にのおいても十分な熱交換能力を
保有出来る様になり、ガスを環状触媒床の内側か
ら外側へ流すか、あるいはその逆に流すかの選択
が自由になつたことを挙げることが出来る。

この発明には反応方法と反応器の両者にわたつ
て多くの実施態様がある。以下にこれら多くの実
施態様の一部を使用しつつこの発明につき更に詳
細な説明を行なう。第４図はこの発明におけるガ
スの流通方法を説明する為に環状触媒床の模式的
水平断面を示した図である。第４図Ａは特開昭55
−149640において既に提案した方法であり、この
場合には外殻１の内側にあるガス透過性外側触媒
受４と更にその内側にあるガス透過性内側触媒受
５に挾まれる環状空間１０が只１個の反応室であ
る。この反応室には垂直にのびる熱交換用管の多
数が両触媒受と同軸な円周群上に配列されている
のであり、この発明による第４図Ｂ〜Ｆには、分
割された各反応室内における多数の同軸円弧上に
多数の熱交換用管が配管されているのであるが、
第４図においてはこれら熱交換用管を全て省略し
てある。第４図Ａにおいては原料ガスが外側ガス
通路６あるいは内側ガス通路７に供給され、外側
から内側へあるいは内側から外側へと全ての半径
方向に同時且つ均一に流れた。この発明において
は以下に説明する如く、原料ガスが分割された後
の反応室を逐次的に流れ、このガスの流れは第４
図において矢印で示してある。第４図Ｂは同様な
環状触媒床を、この発明に従い半径方向に延びる
２個の垂直隔壁９によつて２等分した例である。
この場合には反応器の中心部を例えば原料ガス予
熱用熱交換器の設置場所として利用しない為、内
側隔離板を設置せずに内側ガス通路７内に内側延
長隔壁１６を設けた例であつて、ガスは先ず第１
反応室１０を内側から外側に流れ、次に外側ガス
通路６を通つて移動し、続いて第２反応室１１を
外側から内側に流れる。第４図Ｃは環状触媒床を
３等分した例である。この場合には触媒床の中心
部空間を、高温の反応生成ガスによつて原料ガス
の予熱を行なう為の熱交換器の設置場所として使
用する目的で、円筒状内側隔離板８を設置してあ
る。この内側隔離板８の内部に設置されている予
熱用熱交換器は図面に省略されている。外側延長
隔離壁１５と内側延長隔離壁１６を図のように設
け、ガスは第１反応室１０を内側から外側へ矢印
の通り流れ、次に外側ガス通路を移動して、第２
反応室１１を外側から内側に流れ、更に内側ガス
通路を移動した後、第３反応室１２を内側から外
側に流れ、第３反応室に接する外側ガス通路から
反応器外に去ることとなる。以上の２例は何れも
環状触媒床を等しい大きさの反応室に分割する例
であつたが、第４図Ｄは等しくない大きさの反応
室に分割する例である。この例ではガスが第１反
応室１０を内側から外側に流れ、外側ガス通路６
を移動して第２反応室１１を外側から内側に流
れ、次に内側ガス流路７において方向変換した後
第３反応室を内側から外側に流れる。第４図Ｅは
１部の反応室において並列流を含む場合である。
即ちガスは第１反応室１０を内側から外側へ流
れ、外側ガス通路においてガス流は二分されて２
個の第２反応室１１−ａおよび１１−ｂに並列流
として外側から内側に流れ、この２個の流れは内
側ガス通路において合流した後、第３反応室１２
を内側から外側に流れる。第４図Ｆはガスが第１
反応室１０を内側から外側に流れ、第２反応室１
１においては外側から内側に流れ、第３反応室に
おいてはガスが内側から外側に向けて流れ、更に
第４反応室においては外側から内側に流れる。こ
れら本発明の例において上記のごときガスの通路
を規定する為、外側ガス通路６および内側ガス通
路７の必要個所に外側ガス通路延長隔壁１５と内
側ガス通路延長隔壁１６が設置してある。又以上
の例では第１反応室のガスの流れはいづれも内側
から外側へ向かつていたが、第１反応室のガスの
流れを上記の逆にすることも可能であり、逆にガ
スを流した場合には他の反応室におけるガスの流
れも逆になると共にこの変更に伴つて外側ガス通
路および内側ガス通路に設置される延長隔壁の設
置位置も変更される必要を生ずるが、この変更内
容については明白である故説明を省略する。この
発明においては第４図のＢからＦまで示した環状
触媒床の分割方法以外に、多くの分割方法を採用
可能であるが、これらについても明白である故省
略した。又この発明にあつては、特開昭55−
149640において触媒床として使用されていた環状
空間を、上記の如く垂直隔壁によつて分割したこ
とにより出来る水平断面が扇状の室の全てを反応
室として使用する必要はなく、一部を前記同様の
原料ガス予熱用熱交換器の設置場所および／また
は触媒を充填しガスを流通せしめるが熱交換用管
を全く配列しないかあるいは僅かしか配列せずに
反応熱を利用してガスの温度を所望の温度まで上
昇させる為の反応室として使用することも出来
る。この後者の使用方法は例えば前記第３図を使
用して説明したアンモニア合成のごとき発熱反応
例において、ガス中のアンモニアの濃度の低い合
成反応初期にあつては最適反応温度が触媒の作動
開始温度より相当高い温度であることを利用し、
断熱反応あるいは熱の除去量を著しく小とした反
応方法により、既にある程度予熱されているガス
の温度を反応熱によつて最適反応温度まで再予熱
せしめる方法として有用である。又上記のごとき
分割により得られた室のうちの熱交換用管を有す
る反応室として定められた２あるいはより多い偶
数個の室および上記の意味による断熱反応室とし
て定められた２室を、独立した２個の略同様な直
列流路に編成し、原料ガスを２個の流れに分割し
て、それぞれの流路に流通せしめる方法もある。
この方法は操業の都合により原料ガスの量が著し
く減少した場合に直列流の片方へのガス流を停止
しても、他方の直列流においては最適温度分布を
保持したまま操業を継続する為の方法として有用
である。

この発明において熱交換用管内に流通せしめ得
る流体としてはガス体、液体およびガス体と液体
の混相物の３種類がある。この発明によつて実施
する化学反応が発熱反応である場合には、この流
体は冷却用流体となり、反応温度より低い温度の
ものを、当該化学反応が吸熱反応である場合に
は、この流体は加熱用流体となり、反応温度より
高い温度のものを使用することは既に述べた。こ
れら流体を冷却用流体として使用する方法にはこ
れら流体の温度上昇の際の顕熱を利用する方法と
これら流体の蒸発潜熱を利用し流体の温度を上昇
させることのない方法の２種類がある。冷却用流
体としてガスを使用する場合には顕熱を利用する
場合のみである。この冷却用ガス使用の場合にあ
つては、冷却用ガスの単位量当りに吸収出来る熱
量は比較的に小である為、多量の冷却用ガスを流
通せしめる必要がある。従つてこのガス使用の場
合は化学反応の発熱量が比較的に小である場合に
適当しているし、加圧下の冷却用ガスを使用する
方が効果的である。又この冷却用ガス使用の場合
には冷却用ガスを熱交換用管の上から下に流して
も、あるいはその逆に流してもよい。冷却用流体
として液体を使用する場合にあつては上記の顕熱
と蒸発潜熱の両者を利用することが出来る。液体
の顕熱を利用する場合においては冷却用ガスの場
合と略同様に使用することが出来るが、液体の温
度上昇の際に吸収する熱量即ち顕熱は冷却用ガス
の場合の同様な顕熱に比較してはるかに大である
為、この液体の顕熱を使用する方法は冷却用ガス
を使用する場合に比較して冷却効果が大である。
これら顕熱を使用する方法は、化学反応が発熱反
応である場合であれば原料の予熱、例えば天然ガ
スを原料に使用するアンモニアの製造の場合に水
蒸気改質反応に供給する加圧下の天然ガスあるい
はこれに水蒸気を添加したものの予熱等に利用す
ることが出来、又冷却流体として液体を使用する
場合であれば水蒸気を発生させる際の水の予熱等
の如く、反応熱を有効に利用する方法として使用
することが出来る。化学反応が吸熱反応である場
合における顕熱使用の方法は他の工程で生じ、こ
の発明反応器の反応温度より高い温度の熱を利用
することになる以外は使用手段が発熱反応の場合
と略同様である。反応温度の非常に高い吸熱反応
においては、加熱の為にガスの顕熱を使用する方
法が特に有効である。この様な場合には、反応圧
力とこの加熱用ガスの圧力差を小とすることが望
ましい。又最終反応室を液状の該流体の予熱に使
用できることは吸熱反応の場合にあつても発熱反
応の場合にあつても同様である。

この発明においては、熱交換用管内に流通せし
むる流体の蒸発潜熱あるいは凝縮潜熱を利用する
場合の方が上記の顕熱利用の場合に比し遥かに重
要である。この発明によつて実施する化学反応が
発熱反応である場合における蒸発潜熱利用方法は
熱交換用管に、反応温度より低い所望の温度にお
いて沸騰する様圧力を調整した液体を熱交換用管
の下から上へ流通せしめ、熱交換用管内にてこの
液体を沸騰蒸発せしめて反応熱を吸収する方法で
ある。この場合においては、この液体の温度が反
応室に配列してある熱交換用管の下端に流入する
際に、既に当該圧力下における沸騰温度に到達し
ていることが望ましい。従つてこの場合における
熱交換用管内の流体は通常液体と蒸気の混相物と
なつていて、この混相物を別に設置された分離器
において蒸気相と液相とに分離し、液体を熱交換
用管の下端部に冷却すること無く再循環させるこ
とにより分離器から当該液体の高温高圧蒸気を取
得することが出来る。この蒸発潜熱利用の方法
は、液体の蒸発潜熱が大である為、反応熱が非常
に大である場合において特に効果的である。上記
分離器から熱交換用管の下端に未蒸発の液体を再
循環せしめる方法としては、分離器を反応器内の
上部あるいは反応器より高い位置に設置して、熱
交換用管内の上記混相物の密度が液体自体より小
となつていることを利用し自然流下によつて再循
環せしめる自然循環法とポンプを使用して再循環
せしめる強制循環法とが利用出来る。自然循環法
の場合にあつては、この液体の圧力を余り高くす
ると沸騰が起つても上記混相物の密度が液体自体
の密度に近付き自然循環が行われ難くなるので
150Kg／cm²Ｇ以下の圧力を使用することが望まし
い。又強制循環の場合にあつては、上記のごとき
制限がないので200Kg／cm²Ｇ程度までの圧力を使
用することが出来る。上記のごとき方法により取
得された高温高圧の蒸気は他の工程における他物
質の加熱あるいはタービンにより膨張せしめる動
力の発生法等に利用することが出来、これらは何
れも反応熱の有効利用である。この様に冷却液の
蒸気を反応器外に取り出した際には、反応器に対
して新たな冷却液の補給が必要となるが、この補
給に際して、前記の如くこの反応器の最終反応室
をこの補給冷却液の予熱に使用することも出来
る。吸熱反応の場合における潜熱利用の方法は熱
交換用管の上端部から反応温度より高い温度の液
体の蒸気を供給して凝縮せしめ、その際放出され
る熱を反応熱として供給する方法である。この場
合においても通常この蒸気の温度を反応温度より
高くする為に加圧下の蒸気を使用する必要があり
凝縮した後に生成した液体は熱交換用管の下端か
ら抜き出される。反応温度の高い場合には、反応
が吸熱反応であつても発熱反応であつても、この
潜熱利用の方法は高い液体の圧力を必要とする。
従つて反応圧力と流体圧力との差が大となつて肉
厚の厚い熱交換用管を使用する必要が生じ、経済
的な不利を招くことがある。この様な場合には沸
点の高い液体を使用して、より低い圧力下におい
てこの液体の潜熱を利用することが望ましい。同
様な場合の高い温度の発熱反応にあつては、上気
の如き方法によつて発生した高温ではあるが比較
的に圧力の低い蒸気と沸点の低い他の液体とを、
別に設置された他の熱交換器により熱交換し、温
度においては若干低いが圧力においては遥かに高
い他の流体の蒸気に変換した上、この圧力の高い
他の流体の蒸気をタービンに供給して動力の発生
に利用することが、回収された反応熱を動力とし
て有利に利用する方法となる。この様な発生蒸気
の圧力変換法は反応温度が高い理由によつて沸点
が150℃以上の液体を用いる場合に使用すると効
果的である。この場合には圧力の低い方の蒸気は
上記別設置の熱交換器において凝縮する故、この
凝縮液を前記同様反応室内の熱交換用管の下端に
再循環せしめることが容易に出来る。

各反応室における最適温度分布は、前記説明に
より明らかな通り反応室毎に異なるのが通常であ
る。従つて、熱交換用管の配列熱交換用管の選択
および上記のごとき熱交換用管内を流れる流体の
条件即ち、その流体の温度、圧力、流量、流体の
種類等が反応室毎に異なることによつて、この発
明の目的がより高度に達成出来る場合が多い。こ
の様な事情の結果として熱交換用管の配列は、反
応室毎に前記最適温度分布を実現する為の配列と
するが、熱交換用管内を流通する流体の条件は反
応室毎に同一とし、反応室毎に独立した集合器あ
るいは分配器によつて流体を集合あるいは分配し
て流出あるいは流入せしめることの望ましい場合
が多い。しかし前記した最適温度分布が著しい急
傾斜である反応で且つ同一方向にガスが流れる複
数の室にあつては、大略同一円周上にある円弧上
の熱交換用管群毎に独立した集合器あるいは分配
器によつて液体を上記同様に流出あるいは流入せ
しめることが都合のよい場合もある。

この発明において熱交換用管内に流通せしめ得
る流体には特別な制限が無く、反応器を構成する
材料を腐蝕しないものであれば何れでもよい。し
かし熱交換用管内に流す流体の量は反応熱を除去
あるいは供給する為に十分な量とする必要があ
る。この様な意味では、圧力を変更することによ
つて、反応温度に比し熱交換に必要な温度差分だ
け高いかあるいは低い所望の温度において凝縮あ
るいは沸騰せしめることの可能な液体が最も重要
である。この場合の液体としては12℃以下の温度
において液体であるものが好ましい。この様な条
件に該当し且つ比較的安価な液体として、水、沸
点が100〜350℃の脂肪族飽和炭化水素類、塩素化
芳香族炭化水素類、ジフエニールオキサイドとジ
フエニールの混合物、アルキルベンゼン類、アル
キルナフタリン類あるいはこれらの混合物を挙げ
ることが出来る。

この発明においては反応器の構造においても多
くの実施態様がある。以下にこの反応器構造に関
する実施態様列について説明する。この発明によ
る反応器にあつては第１および第２図の外殻１を
耐圧力のものとして設計製作することが出来る。
しかしこの様な耐圧構造の反応器は耐圧外殻が高
温となる為、例えば水素と窒素からアンモニアを
合成する場合の如く、分圧の高い水素とこの高温
の耐圧外殻が直接接触することとなり、外殻を構
成する鋼材に水素脆化現象を生ずる恐れが強くな
る。この様な場合には第１および第２図に示した
構造の反応器を内径と内容積において若干大きな
別の耐圧容器内に設置し、この耐圧容器内面と反
応器の外面との間の空隙に予熱の十分でない比較
的低温の原料ガスを流し、原料ガスはこの空隙を
通過した後反応器内に設置された前記熱交換器に
よつて必要な温度まで予熱され、続いて触媒の充
填された反応室に流入して反応を行う様設備して
上記水素脆化現象を防止することが可能である。

第５図および第６図は別の実施態様例である。
第５図はこの例の反応器の垂直断面を、第６図は
この例の反応器の水平断面をそれぞれ示した図で
ある。第５図は右側に熱交換用管、分配器、集合
器および流体の流入管、流出管を主として示し、
左側に隔壁および外殻の構造を主として示す様画
かれている。又この例は分配器および集合器に管
状部材によつて製作されたものを使用した例であ
る。両図において５１は耐圧容器であり、１は外
殻である。しかしこの例における外殻はこの外殻
の上部蓋および下部蓋の部分が耐圧容器の上部蓋
および下部蓋とを兼ねた構造となつている。逆に
反応器中央部における耐圧容器５１と外殻１との
間の環状の隙間には熱絶縁体が充填されている。
４はガス透過性外側触媒受、５は同様の内側触媒
受であつて、それぞれ多数の貫通孔を有する円筒
状壁と１枚あるいは２枚の金網から構成されてい
る。６は外側ガス通路、７は内側ガス通路であつ
て、４個の半径方向に延びる垂直隔壁９により外
側触媒受と内側触媒受との間にある環状空間が、
第１反応室１０、第２反応室１１、第３反応室１
２および第４反応室１３に分割されている。外側
ガス通路６および内側ガス通路７には、原料ガス
流入口１７から供給されたガスが第１、第２、第
３、第４反応室の順に矢印の如く通過して反応生
成ガス流出口１８から反応器外に去る様、２個の
外側ガス通路延長隔壁１５と３個の内側ガス通路
延長隔壁１６がそれぞれ設置されている。又各反
応室においてガスが半径方向に均一に流れる様、
外側ガス通路内の第１反応室と第２反応室を仕切
る隔壁の延長上および第３反応室と第４反応室を
仕切る隔壁の延長上にガスの流通に際して若干の
流通抵抗を付与する為のオリフイス多孔板２３が
設置してある。各反応室を仕切る隔壁の上部およ
び下部は、反応器内部の点検や修理を容易ならし
める為、取り外し可能な部分９−ａおよび９−ｂ
をそれぞれ有し、これら９−ａおよび９−ｂはそ
れぞれの周辺部において、各隔壁中部の上端およ
び下端付近、予め上部蓋と下部蓋の内面、内側ガ
ス通路の上部および下部外面に設けられた突起に
ボルトとナツトにより取付ける様構成されてい
る。又外側ガス通路における延長隔壁１５の先端
を湾曲させてある理由は、外殻１および各反応室
間にある温度差により、隔壁９に発生する熱応力
を緩和する為である。同様の目的の為に、このガ
ス通路のオリフイス多孔板２３を設置する位置に
おいては、若干のガスの漏洩が許容される故、第
６図に図示の通り外殻１の当該個所に取付られた
凹部を有する突起の凹部にオリフイス多孔板２３
を嵌合せしめた構造としてある。２１は触媒投入
管兼マンホールであり、２２は触媒排出管兼マン
ホールである。

１４は熱交換用管であつて、多数のものが両触
媒受と同軸な多数の円弧上に垂直に配列されてい
る。これら熱交換用管としては、通常の断面円形
の管の外に、断面が楕円形あるいは卵形の管をも
使用することが出来る。上記楕円管の曲率半径小
なる部分を反応室内ガス流の上流および下流に位
置せしめた使用および断面の曲率半径が小なる部
分を反応室内ガス流の下流方向に位置せしめた上
記卵形管の使用は、熱交換用管のガス下流側表面
に生じ易い渦流を少なくするので、総括伝熱係数
の向上を更に大とする効果がある。これら多数の
熱交換用管の上端部および下端部は集合器あるい
は分配器１９にそれぞれ連通接続されている。両
図の例はこれら集合器および分配器が反応室毎に
独立して設置されている例であり、熱交換用管内
に流通せしめる流体を上から下に流す場合には、
上部にある１９が分配器の、下部にある１９が集
合器の役割をそれぞれ果し、該流体の流れが逆に
下から上へである場合には下部にある１９が分配
器の、上部にある１９が集合器の役割をそれぞれ
果す。これら分配器および集合器は上記該流体の
流れ方向に従つて出口管あるいは入口管２０にそ
れぞれ連通接続している。２０は分配器および集
合器の場合と同様に該流体を上から下に流す場合
には、上の２０が入口管、下の２０が出口管とな
り、該流体を下から上に流す場合には、下の２０
が入口管となり、上の２０が出口管となる。

分配器および集合器には、基本的に異なる２種
の構造、即ち管状部材を主として使用したものお
よび板状部材を主として使用したものを使用する
ことが出来る。第５図および第６図に示したもの
は断面が円形の管状部材を使用したものの例であ
る。両図の例では、略同一構造の集合器および分
配器を略上下対象に使用してあるので、集合器に
ついてのみ説明する。１９−ａは１次集合管であ
つて、多数の熱交換用管に接続し、反応室内にお
いて熱交換用管が配列されている円弧に沿つて湾
曲し、略水平に設置されている。１９−ｂは流体
通路用として１次集合管１９−ａと２次集合管１
９−ｃとを連通せしめる連結管であつて少なくと
も１個必要である。２次集合管１９−ｃは略半径
方向に且つ水平に設置され流体の出入管２０に接
続されている。当該反応室に配列されている熱交
換用管の数および当該反応室における熱交換用管
の分布状態に従つて、１次集合管、連結管および
２次集合管の数と設置位置を調整することが出来
る。又大型反応器あるいは反応熱の非常に大なる
場合であつて、当該反応室に非常に多数の熱交換
用管を設置する必要のある場合には、２次集合管
と流体の出入管２０との間に３次集合管、４次集
合管およびこれらを連結する連結管を増設して、
反応室毎に独立した流体出入管２０への接続を容
易ならしめることが出来る。又逆に熱交換用管の
数の少ない場合には、２次集合管１９−ｃと連結
管１９−ｂを省略し、流体出入管２０を分岐して
１次集合管１９−ａに直接接続することが出来
る。第７図は１次集合管１９−ａに断面形状が角
形の管状部材を使用した例であり、熱交換用管の
配列状況によつては、この様な角形管状部材を使
用することにより１次集合管と熱交換用管の接続
が容易となる場合もある。この様な場合において
連結管１９−ｂおよびこの上に接続される第２次
以降の集合管には、角形管状部材も使用出来る
が、断面形状が円形の管状部材を使用しても何等
の支障を起さない。反応熱が大であつても非常に
多数の熱交換用管を設置する必要のある場合に
は、１次集合管および場合によつては２次集合管
の数が相当大となる。この様な場合においては、
相隣れる１次集合管あるいは２次集合管を交互に
高さの異なる位置に配置することにより、熱交換
用管と１次集合管との接続、１次集合管と連結管
との接続あるいは連結管と２次集合管との接続を
容易にすることができる。

第８図および第９図は主として板状部材を使用
した集合管および分配器の例を示す図である。こ
の場合においても前記同様の理由により集合器の
場合のみを説明する。第８図はこの例の集合器の
平面図であり、第９図はこの例の集合器の半径方
向（Ａ−Ａ方向）に見た垂直断面図である。この
板状部材を使用した集合器は、２枚の扇状管板１
９−ｄと１９−ｅを有し、これら２枚の管板はそ
れらの全周辺を接続する垂直蓋１９−ｈと中央部
を接続する多数の断面が長円状の短管１９−ｇに
より、内部にある流体の圧力に耐える様、強固に
接合されている。１枚の管板１９−ｄには連結管
１９−ｂあるいは流体の出入管２０が接続され、
他の１枚の管板１９−ｅには多数の熱交換用管１
４が接続されている。長円状短管１９−ｇによつ
て作られた２枚の管板を貫通する多数の貫通孔１
９−ｆは、触媒を充填あるいは排出する際に触媒
粒を通過せしめる為の開口である。この長円状短
管１９−ｇを使用した触媒粒通過の為の開口を設
けない管板状集合器にあつては触媒の充填と排出
および強度の保持が共に困難でえある。この様な
板状集合器を使用する場合にあつても管状の前記
２次集合管１９−ｃ、管状連結管１９−ｂなどを
併用して流体の流通を容易化することが出来る。

この発明反応器においては内側隔離板８を円筒
状のものとして、その内部即ち反応器の中心部に
低温の原料ガスを高温の反応生成ガスにより昇温
する為の予熱用熱交換器を設置することが出来
る。第１０図および第１１図は、円筒状とした内
側隔離板８の内部に、上記の原料ガス予熱用シエ
ルアンドチーユブ型熱交換器を設置した例であ
る。この例における円筒状内側隔離板８の内部以
外の部分は、第１図記載のものと略同様の構造を
有するので、円筒状内側隔離板内部の構造および
この部分におけるガスの流れにつき主として説明
する。この第１０図および第１１図の例は、この
熱交換器のシエルを兼ねる円筒状内側隔離板８、
上下２枚の円板状管板２６、両端がこの２枚の管
板に固定された多数の予熱管２７、バツフルプレ
ート２９および中央管３１から成り立つている。
原料ガス流入口１７から供給される未だ反応温度
に到達していない原料ガスは、空間４０において
多数の予熱管２７に分流し、予熱管２７内を流れ
る間に、管外を流れる高温の反応生成ガスによつ
て予熱され、空間４１に流出する。この空間４１
と内側ガス通路７との境界は、第１反応室１０に
通じる部分のみが開口となつていて、他の反応室
に通じる境界が邪魔板２８によつて閉鎖されてい
る。従つて空間４１に流出した予熱済の原料ガス
は、第１反応室１０に流入する。第１反応室から
流出するガスは、矢印の通り第１図の場合と略同
様の経路を経て、第４反応室１３からこの反応室
に接する内側ガス通路７に流出する。円筒状内側
隔離板８の第４反応室１３に対向する部分の下部
には、開口３０が設置されている。従つて第４反
応室を流出した高温の反応生成ガスは、この開口
３０を通つて、この熱交換器のシエル側下部に流
入する。シエル内において反応生成ガスは、バツ
フルプレート２９の存在により、外側から内側
へ、内側から外側へと方向変換せしめられつつ、
全体として上方に流動し、この間に予熱管内のガ
スと熱交換しつつ温度が低下し、シエルの上部に
ある中央管３１の開口から中央管３１と反応生成
ガス流出口１８を経て反応器外に去る。尚両図に
おいて、２５は既に述べた各反応室におけるガス
流を円周方向の断面に対して均一にする為の多孔
板である。前記の通り垂直隔壁によつて分割され
た水平断面が扇状の室の少なくとも１個に、原料
ガスを最終反応室から流出する高温の反応生成ガ
スによつて予熱する為の熱交換器を設置すること
が出来る。この場合には、室の形状が主な理由と
なつて、特開昭55−149640において反応器中心部
に設置したシエルアンドチユーブ型熱交換器よ
り、伝熱面に板状材料を主として使用した、いわ
ゆる板状熱交換器が好適である。

第１２図および第１３図は、垂直隔壁９によつ
て区画された室の１個に上記板状熱交換器を配置
して予熱室３８とし、且つ第１反応室を熱交換用
管１４を設置しない断熱反応室とし、他の反応室
を熱交換用管１４を設置した反応室とした例を示
す図である。両図において予熱室の内部以外は、
既述と略同様である故、予熱室の構造およびガス
流路について主に説明する。予熱室３８の内部に
は板状熱交換器３９が収容されている。板状熱交
換器３９は、所望の距離をへだてて相対する略正
方形あるいは長方形の伝熱板３６の２枚と、これ
ら２枚の伝熱板に挾まれる空間の外周を囲み且つ
２枚の伝熱板を接続する接続板３７からなる熱交
換箱３５の多数が所望の間隙を置いて整列させら
れる形式の熱交換器である。原料ガス流入口１７
から供給される充分な温度に達していない原料ガ
スは、予熱室内の熱交換箱の外側を、予熱室の内
側から外側への半径方向に、相隣れる熱交換箱の
間の間隙を通つて流れ、その際に熱交換箱の内部
を流れる高温の熱交換用流体と熱交換してある程
度の温度まで予熱される。予熱された原料ガス
は、矢印の通り外側ガス通路６を通つて第１反応
室１０に流入する。第１反応室は断熱反応室であ
つて、ガスはこの反応室内において反応熱により
更に高温となり、充分な反応温度に達して、既述
と略同様に第２および第３反応室を通つて、第３
反応室に接する内側ガス通路７から反応生成ガス
流出口１８を経て反応器外に去る。一方高温の熱
交換用流体は、入口３２から供給され、熱交換器
上部の分流構造３４ａにおいて、各熱交換箱３５
の内部に連通する接続管３４ｂに分流され、各熱
交換箱３５の内部を通り、この間に熱交換箱の外
側を通る原料ガスと熱交換して降温し、下部の接
続管３４ｂおよび合流構造３４ａにおいて合流の
後、この流体の出口３３から反応器外に去る。こ
の例においては、原料ガスと熱交換する相手の流
体として充分な温度を有するものであれば何でも
使用出来るが、熱交換器の構造上原料ガスと略同
一の圧力を有するものが望ましく、反応生成ガス
流出口１８から流出する高温の反応生成ガスを、
１８と３２とを連結する管（図には省略してあ
る）により熱交換箱３５内に流入せしめるのが簡
便である。同様のことが、反応器内部において管
３２を、第３反応室と予熱室との間の隔壁９を内
側ガス通路へ延長した前記延長隔壁の上部に接続
することによつても実施出来る。第１０図、第１
１図、第１２図および第１３図において説明した
熱交換は、それぞれに使用された形式の熱交換器
を反応器外に配置することによつても実施出来る
が、これらについては、容易に理解出来る故図面
を示していない。

この発明の反応器においては、各反応室におけ
る熱交換用管の配列の仕方が非常に重要である。
熱交換用管の配置の目的は前記最適温度分布の実
現にある故、反応室毎に熱交換用管の配列の異な
るのが通常である。又同一反応室において、ガス
流の方向即ち半径方向に対する熱交換用管の配列
が等間隔となる場合は希であり、この間隔の等し
くない場合の方が通常である。即ち同一反応室に
あつても外側触媒受と熱交換用管の配列されてい
る最外周円弧との間の半径方向距離、熱交換用管
の配列されている相隣れる円弧間の半径方向距
離、熱交換用管の配列されている再内周円弧と内
側触媒受との間の半径方向距離が相互に相等しく
ない場合が通常である。これらの距離は通常50〜
500mmの範囲内が好適な範囲である。これに対し、
同一反応室内において同一円弧上に配列されてい
る相隣れる熱交換用管の中心間の距離は、20〜
200mmの範囲内において相等しいことが望ましい。
しかし同一反応室内の異なる円弧上および同一円
周上にあるが異なる反応室に所属する円弧上にお
けるこの中心間距離が相等しいとは限らない。又
これら熱交換用管の直径は10〜100mmのものが好
適である。これら管の直径の大に過ぎるものの使
用は反応室内に必要な量の伝熱面積の配置を困難
にし、直径の小に過ぎるものの使用は製作の際の
工数の増大をもたらす。又これら熱交換用管は直
径の異なるものを反応室毎あるいは円弧毎に使用
することが出来る。

この発明反応器において、各反応室内における
半径方向のガス流の均一性を保持する為、各反応
室内の外側触媒受と内側触媒受との間にこれら各
触媒受と同軸な垂直多孔板を設けること、外側お
よび内側ガス通路において或る反応室から次の反
応室にガスが移動する際の該両反応室間の隔壁の
延長面上に、ガスの流通に対して若干の流通抵抗
を付与する為の多数のオリフイス孔を有するオリ
フイス多孔板を設けることが重要である。

この発明反応器を使用する場合に、前記のごと
く触媒を充填して使用する水平断面が扇状の各反
応室において、これら各反応室の高さの中心を通
る水平面に最も近い集合器あるいは分配器の上端
面と下端面に挾まれる空間には触媒が充填される
必要があるが、各反応室のこれ以外の部分におい
ては触媒を充填してもよいが、触媒以外の安価な
粒状物質を充填して使用することが可能である。
これら触媒あるいは触媒以外の粒状物質を充填し
て使用する上記反応室の上部および下部の部分に
対応する両触媒受の上部および下部は、該室の上
部および下部に触媒あるいは触媒以外の粒状物質
の何れが充填されているかに関係なく、ガスを透
過しない触媒受とすることが望ましい。

この発明反応器を製作する為の材料としては、
反応の温度、圧力、原料ガスおよび反応生成ガス
の腐蝕作用に十分耐えるものを使用する必要があ
る。この様な条件に該当する材料としては、炭素
鋼、ニツケル、クロム、マンガン、モリブデン等
を少量含有する低合金鋼、あるいはこれら鉄以外
の元素１種乃至２種を多量に含有するステンレス
鋼等があり、又１個の反応器を製作する為に反応
器の各部分の条件の差に従つてこれら鋼材を併用
することも可能である。

この発明は、原料および生成物の何れもが反応
の際の温度と圧力においてガス状であり、反応中
においては液体および固体状物質の生成しない非
常に多数のガス反応に使用することが出来る。こ
れら反応の主なものを挙げれば、発熱反応とし
て、水素と窒素からのアンモニアの製造、水素と
一酸化炭素および／または二酸化炭素からのメタ
ノールの製造、水素と一酸化炭素および／または
二酸化炭素からのエタノール、プロパノール、ブ
タノールなど脂肪族高級一価アルコールの製造、
水素と一酸化炭素および／または二酸化炭素から
メタンおよびメタン以上の高級炭素水素の製造、
一酸化炭素と水蒸気からの水素と二酸化炭素の製
造、炭化水素と塩素からの塩素化炭化水素の製
造、炭化水素と酸素からのエチレンオキサイド、
無水マレイン酸、無水フタール酸などの製造、炭
化水素と塩素および／または塩素水素と酸素から
の塩化ビニールの製造、炭化水素とアンモニアと
酸素からの青酸およびアクリロニトリルの製造、
不飽和炭化水素と水素からの飽和炭化水素の製
造、不飽和炭化水素と飽和炭化水素からのアルキ
レーシヨンによる飽和炭化水素の製造、メタノー
ルと酸素からのホルムアルデヒドの製造、メタノ
ールから脂肪族飽和炭化水素、脂肪族不飽和炭化
水素および芳香族炭化水素の製造などを挙げるこ
とが出来、又吸熱反応としては、脂肪族飽和炭化
水素と水蒸気からの水素と一酸化炭素および／ま
たは二酸化炭素の製造、メタノールからの水素お
よび一酸化炭素の製造などを挙げることが出来
る。これら諸反応を実施する際の大略反応条件お
よび使用触媒は何れも周知のものである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれこの発明の原理
を説明する為の反応器の垂直および水平断面図。
第３図はアンモニア合成反応の反応速度線図。第
４図は反応室へのガスの流通経路の説明図。第５
図および第６図はこの発明反応器の１例の垂直お
よび水平断面図。第７図は１次集合管の１例の垂
直断面図。第８図および第９図は板状集合器の１
例の平面図およびその垂直断面図。第１０図は反
応器の中心部空間にシエルアンドチユーブ形式熱
交換器を設置したこの発明反応器の一例。第１１
図は第１０図のＡ−Ａの位置における水平断面
図。第１２図は垂直隔壁により区画された室の１
個に板状熱交換器を設置したこの発明反応器の一
例。第１３図は第１２図のＢ−Ｂの位置における
水平断面図。 記号、１……外殻、２……下部蓋、３……上部
蓋、４……外側触媒受、５……内側触媒受、６…
…外側ガス通路、７……内側ガス通路、８……内
側隔離板、９……垂直隔壁、９−ａ……垂直隔壁
の取外し可能部分、９−ｂ……同上、１０……第
１反応室、１１……第２反応室、１２……第３反
応室、１３……第４反応室、１４……熱交換用
管、１５……外側ガス通路延長隔壁、１６……内
側ガス通路延長隔壁、１７……原料ガス流入口、
１８……反応生成ガス流出口、１９……集合器あ
るいは分配器、１９−ａ……１次集合管、１９−
ｂ……連結管、１９−ｃ……２次集合管、１９−
ｄ……扇状管板、１９−ｅ……同上、１９−ｆ…
…貫通孔、１９−ｇ……長円状短管、１９−ｈ…
…垂直蓋、２０……流体出口管あるいは入口管、
２１……触媒投入管、２２……触媒排出管、２３
……外側ガス通路オリフイス多孔板、２４……ボ
ルトとナツト、２５……多孔板、２６……円板状
管板、２７……予熱管、２８……邪魔板、２９…
…バツフルプレート、３０……開口、３１……中
央管、３２……熱交換用高温流体入口、３３……
熱交換用流体出口、３４ａ……熱交換用流体の分
流および合流構造、３４ｂ……熱交換用流体接続
管、３５……熱交換箱、３６……伝熱板、３７…
…接続板、３８……予熱室、３９……板状熱交換
器、５１……耐圧容器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 反応時の温度と圧力下における原料および生
   成物のいずれもがガス状であり、且つ粒状触媒が
   使用されて接触的化学反応が遂行させられる方法
   において、垂直円筒状反応器外殻の内側に設置さ
   れたガス透過性の円筒状外側媒受と該外側触媒受
   の内側に該外側触媒受と同軸設置されたガス透過
   性の円筒状内側触媒受とが形成する円筒状空間
   が、半径方向に延びる少なくとも２個の垂直隔壁
   により水平断面が扇状の室に区画され、該各室の
   うちの少なくとも１個は室内に垂直方向に延び且
   つ前記両触媒受に対して同軸な円弧群上に整列す
   る多数の熱交換用管が配設され、該熱交換用管の
   配設された該室を含む少なくとも２個の該室内に
   触媒が充填されて反応室が形成され、該各熱交換
   用管に所望温度の流体が流通させられつつ原料ガ
   スが該各反応室の触媒充填空間中を逐次的に且つ
   半径方向に流通させられつつ反応させられること
   を特徴とする反応方法。 ２ 該熱交換用管内を流通する該流体が12℃より
   低い融点を有する物質の所望の圧力下における蒸
   気あるいは該蒸気と該物質の高温液との混相物で
   ある特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 該流体の圧力が該反応室毎に所望の圧力に維
   持される特許請求の範囲第１項あるいは第２項記
   載の方法。 ４ 該ガスが最後に通過する該反応室において該
   流体が該圧力下における沸騰温度にまで予熱され
   る特許請求の範囲第１項、第２項あるいは第３項
   記載の方法。 ５ 該流体物質が水、沸点が100〜350℃の脂肪族
   飽和水素類、塩素化芳香族炭化水素類、ジフエニ
   ールオキサイドとジフエニールの混合物、アルキ
   ルベンゼン類、アルキルナフタリン類あるいはこ
   れらから選択された少なくとも２種の化合物の混
   合物である特許請求の範囲第２項記載の方法。 ６ 該流体の圧力が略同一周上にある円弧上の該
   熱交換用管群毎に所望の圧力に維持される特許請
   求の範囲第２項記載の方法。 ７ 特許請求の範囲第５項記載の該流体のうち沸
   点が150℃以上のものが使用され且つ該反応が発
   熱反応である場合において、発生した該流体の蒸
   気と加圧下にある水とが、別途設置された熱交換
   器により熱交換させられて、水蒸気が発生させら
   れて該流体の蒸気が凝縮させられる特許請求の範
   囲第２項、第３項、第４項、第５項あるいは第６
   項記載の方法。 ８ 該流体の圧力が200Kg／cm²Ｇ以下である特許
   請求の範囲第２、第３、第４、第５あるいは第６
   項記載の方法。 ９ 該ガスが全ての該各反応室を直列に流通させ
   られる特許請求の範囲第１項記載の方法。 １０ 該ガスの該各反応室への流入方法におい
   て、該ガスが一部の該各反応室にあつては並列的
   に流入させられ残部の該各反応室にあつては直列
   的に通過させられる特許請求の範囲第１項記載の
   方法。 １１ 該各反応室が２個の該ガスの直列通路に編
   成され、該ガスが２個の該直列通路に分割して流
   通させられる特許請求の範囲第１項記載の方法。 １２ 該反応が圧力150Kg／cm²以下の圧力におい
   て水素と窒素からアンモニアを合成する反応であ
   る特許請求の範囲第１項記載の方法。 １３ 該反応が圧力150Kg／cm²Ｇ以下の圧力にお
   ける一酸化炭素および／または二酸化炭素と水素
   から脂肪族一価アルコールを合成する反応である
   特許請求の範囲第１項記載の方法。 １４ 該原料ガスが最初に供給される該反応室に
   流入する以前において所望の温度に予熱されてい
   る特許請求の範囲第１項記載の方法。 １５ 該ガスの通過順序において最後となる該反
   応室から流出する高温の反応生成ガスと該予熱温
   度に達していない原料ガスとを熱交換せしめて該
   予熱が行なわれる特許請求の範囲第１４項記載の
   方法。 １６ 該反応が発熱反応である場合において、予
   め該反応を部分的に行なわしめる為の前置反応器
   が設置され、該前置反応器における反応熱により
   該予熱が行なわれる特許請求の範囲第１４項記載
   の方法。 １７ 該前置反応器が該熱交換用管を配列するこ
   となく触媒のみを充填した少なくとも１個の該室
   である特許請求の範囲第１６項記載の方法。 １８ 両端部に蓋を有する垂直円筒状外殻内にお
   いて反応時の温度と圧力下における原料及び生成
   物のいずれもがガス状であり且つ粒状触媒を使用
   する接触反応用反応器であつて、 (1) 該外殻の内側に該外殻内面から所望の距離を
   へだててガス透過性の円筒状外側触媒受が設置
   されて該外殻内面と該外側触媒受外面および該
   両蓋により囲まれる環状空間が外側ガス通路と
   され、 (2) 該外側触媒受の内側にガス透過性の円筒状内
   側触媒受が該外側触媒受と同軸に設置されて該
   外側触媒受、該内側触媒受および該両蓋により
   囲まれる環状空間が形成され、 (3) 上記２項による環状空間は半径方向に延びる
   少なくとも２個の垂直隔壁によつて水平断面が
   扇状である少なくとも２個の室に分割され、 (4) 該各室のうち触媒を充填されたものは反応室
   として使用され、 (5) 該各反応室のうち少なくとも１個は室内に垂
   直に延びる多数の熱交換用管が該両触媒受と同
   軸な円弧群上に整列せしめられ、 (6) 該熱交換用管を有する該各反応室の上下両端
   部には該各熱交換用管に接続し該熱交換用管内
   を流れる流体を集合あるいは分配せしめる為の
   集合器あるいは分配器が少なくとも１個それぞ
   れ設置され、 (7) 該集合器のうちの少なくとも１個および該分
   配器のうちの少なくとも１個は該両蓋のいずれ
   かを貫通して反応器外に至る該液体の出口管あ
   るいは入口管にそれぞれ接続され、 (8) 該各反応室の該上部蓋に触媒投入口、該下部
   蓋に触媒排出口がそれぞれ設置され、 (9) 予め選択された該各室への該ガスの流通経路
   および該流通経路における第１番目の該室内の
   該ガス流の方向が中心部から外側に向かう方向
   であるかあるいはその逆方向であるかに従つ
   て、該ガスが該各室を逐次的に且つ偶数番目の
   該室と奇数番目の該室の半径方向ガス流の向き
   が逆になるよう流通せしめられ、 (10) 上記第(9)項の選択による該ガス流通経路を規
   定する為、該外側ガス通路内および該内側触媒
   受の内部に、必要のある該隔壁と接続し半径方
   向に延びる延長隔壁が設置されると共に該延長
   隔壁によつて区分された外側ガス通路および／
   もしくは内側触媒受の内部空間の必要部分が該
   原料ガスの入口あるいは該反応生成ガスの出口
   にそれぞれ連通せしめられる ことを特徴とする反応器。 １９ 第１８項記載の反応器が耐圧容器内に設置
   された特許請求の範囲第１８項記載の反応器。 ２０ 該内側触媒受の内部に、該内側触媒受の内
   面から所望の距離をへだてて、垂直円筒状内側隔
   離板が該触媒受と同軸に設置され、該内側触媒受
   と該内側隔離板とに挟まれる環状空間が内側ガス
   通路とされ、内側触媒受内部の該延長隔壁は該内
   側ガス通路内に設置される特許請求の範囲第１８
   項記載の反応器。 ２１ 該内側隔離板の内側の該反応器中心部に低
   温の原料ガスが高温の反応生成ガスによつて予熱
   される為の熱交換器が設置される特許請求の範囲
   第１８項記載の反応器。 ２２ 該各室のうちの少なくとも１個に低温の原
   料ガスが高温の反応生成ガスによつて予熱される
   為の熱交換器が設置される特許請求の範囲第１８
   項記載の反応器。 ２３ 特許請求の範囲第２２項による熱交換器が
   伝熱面に板状の材料を使用した板状熱交換器であ
   る特許請求の範囲第１８項記載の反応器。 ２４ 該集合器および／または該分配器の構造が
   断面形状において円および／または角状の管状部
   材で構成されている特許請求の範囲第１８項記載
   の反応器。 ２５ 該集合器および／または該分配器の主要構
   造部がそれぞれ相対する２個の板状部材によりな
   る特許請求の範囲第１８項記載の反応器。 ２６ 該板状部材よりなる該集合器あるいは該分
   配器において、２個の該板状部材を貫通する触媒
   通過口が多数設けられている特許請求の範囲第２
   ５項記載の反応器。 ２７ 該熱交換用管を有する該各反応室内の該熱
   交換用管配置において、外側触媒受と熱交換用管
   が配列されている最外周円弧との間の半径方向距
   離、熱交換用管が配列されている相隣れる円弧間
   の半径方向距離および熱交換用管が配列されてい
   る最内周円弧と内側触媒受との間の半径方向距離
   が50〜500mmの範囲内において必ずしも等しくな
   い所望の値にそれぞれ設定される特許請求の範囲
   第１８項記載の反応器。 ２８ 該熱交換用管を有する該各反応室内の該熱
   交換用管配置において、同一反応室の同一円弧上
   の相隣れる熱交換用管の中心間距離が20〜200mm
   の範囲内において相等しく、且つ該反応室および
   該円弧毎に所望の値に設定される特許請求の範囲
   第１８項記載の反応器。 ２９ 該各熱交換用管の外径が必ずしも等しくな
   い10〜100mmの範囲内である特許請求の範囲第１
   ８項記載の反応器。 ３０ 該流体入口管から該熱交換用管の該流体入
   口端に至る間および該熱交換用管の該流体出口端
   から該流体出口管に至る間に少なくとも１個の該
   分配器および該集合器がそれぞれ設置されている
   特許請求の範囲第１８項記載の反応器。 ３１ 該外側触媒受と該内側触媒受との間にガス
   流が各半径方向に均一に分散させられる為の円筒
   状多孔板が少なくとも１個該両触媒受と同軸に設
   置されている特許請求の範囲第１８項記載の反応
   器。 ３２ 該ガスが或る反応室から次の反応室に移動
   する通路に相当する外側ガス通路および／または
   内側ガス通路内において、これら両反応室を仕切
   る該隔壁の延長面上にオリフイス多孔板を設置し
   た特許請求の範囲第１８項記載の反応器。 ３３ 該集合器および／または該分配器として特
   許請求の範囲第２４項による管状構造の集合管あ
   るいは分配管を使用する場合に、水平方向の外面
   間相互距離において最も近い位置にある該集合管
   および該分配管が互い違いに高さの異なる位置に
   配置されている特許請求の範囲第１８項記載の反
   応器。 ３４ 該各反応室内の上部において最も下にある
   該集合器あるいは該分配器の下端より上にある空
   間および／または該反応室内の下部において最も
   上にある該集合器あるいは該分配器の上端より下
   にある空間には、触媒作用の無い粒状物質が充填
   され、該各反応室の他の空間には所望の触媒が充
   填される特許請求の範囲第１８項記載の反応器。