JPH0454492B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 技術分野 本発明は、触媒内層式の固定床型触媒反応装置
に関するものである。

一般に、化学工業において用いられる反応は、
多くの場合、高められた温度において実施され、
反応温度の制御は反応の転化率を所望の値に保つ
たり、副反応の生成を防止するために、重要であ
ることがしばしばある。しかも、多くの化学反応
では、反応の進展に従つて多少の反応熱の発生あ
るいは吸収を伴い、反応成績を優れたものにする
ためには、該反応熱の給除熱は化学反応装置が具
備すべき条件の一つである場合が多い。

特に、固体触媒を用いる固定床触媒反応装置で
は、触媒層のすなわち反応の温度制御がより重要
で、触媒層の温度制御方法によつて適用される反
応装置の型式が選択されることもある。触媒によ
り生起する化学反応が吸熱反応の場合は、反応転
化率が所要の値に保つてなくなつたり、反応時間
が長時間となつたり、多量の触媒が必要となつて
反応装置が大型化したりする不都合が生じる。発
熱反応の場合は、発生する反応熱によつて、触媒
層の温度が上昇し、多くの化学反応では副反応物
の生成が増加して反応の選択性が低下する。温度
上昇の激しいときは、例えば、発生した高温によ
つて活性触媒物質の変質や焼結による触媒表面積
の減少が起こり、触媒の損傷あるいは破壊をまね
いて、ついには触媒自体が使用不可能になること
もある。

上記のような例は、ナフサ分解副生油、ジエン
類あるいはオレフインの水素化、パラフイン、エ
チルベンゼン等の脱水素、ベンゼン、プロピレン
等の酸化、アクリル酸またはメタクリル酸のエス
テル化、ニトロベンゼンの水添反応等をあげるこ
とができる。

先行技術 触媒の損傷を防ぎ、反応成績を優位に保つため
に工業的に従来用いられている方法は、下記のよ
うなものである。

(イ) 断熱反応器を用い、反応条件下では不活性で
ある流体によりあるいは反応生成物の一部を再
循環することによつて、反応原料流体を希釈し
て温度の上昇あるいは低下を制限する方法が試
みられる。しかし、不活性物質による希釈は最
終生成物との分離を必要とし、一方反応生成物
の再循環は必要触媒量の増大を招いて反応装置
が大型化するという欠点を有する。

(ロ) 冷加熱装置付き反応装置を用いれば、反応原
料流体の希釈は避けることができる。反応熱を
冷加熱装置により熱交換する固定床触媒反応装
置は反応流体を希釈する必要がなく、所望の反
応温度に触媒層温度を制御することができて有
利な反応の平衡が得られ、副反応物の生成を抑
制することが可能である。冷却ないし加熱媒体
としては、溶融塩、ダウサムのような合成伝熱
媒体あるいは水、沸騰水あるいはスチームが使
用される。しかし、所望の反応成績を得るため
には、必要な反応処理時間によつて触媒量が決
定され、更に反応熱量によつて上記熱交換器の
冷却ないし加熱のための伝熱面の大きさが決定
されるので、これら二条件を満足することが必
須となる。

従来、冷却ないし加熱装置付き固定床触媒反応
装置としては、所謂「シエル−アンド−チユーブ
型」（以下、管型反応装置という）が多く用いら
れている。第２図は、管型反応装置の一例を示す
ものである。第３図に従つて管型反応装置の説明
をすれば、触媒が反応管１０２に充填されて、所
定の反応処理時間に対応する触媒層１０１が形成
されている。反応原料流体は１０４より供給さ
れ、触媒層１０１の中を通過して所定の化学反応
が生起する。反応処理流体が１０５より排出され
る。反応管は上下管板１０３および１０３′によ
り固定されている。冷加熱媒体は１０６より導か
れ、反応管１０２の外側（シエル側）を通過して
反応管１０２の管壁を通して反応処理流体と熱交
換した後、出口１０７より排出される。冷却ない
し加熱媒体が均一にシエル側を流れて全ての反応
管を等しく冷却ないし加熱するためにバツフル１
０８が設置されることが多い。

このような従来の管型反応装置では、反応処理
時間と反応処理流体量から決定される所定の触媒
量に対して、冷却ないし加熱媒体と反応処理流体
との熱交換に要する伝熱面積を大きくする必要性
がしばしばある。そのためには、反応管１０２と
して管径の小さなものを使用して反応管内の触媒
量に比べて反応管の管壁面積を増加するようにし
なければならず、その結果、反応管の本数が必然
的に増加する。しかし、反応管の数が増加したと
きに、上下管板に固定される反応管の間隔は、該
反応装置の製作上及び上下管板の強度上の制限が
あるので過度に小さくすることができる、その結
果、反応装置が大型化するという欠点がある。ま
た、各反応管に充填する触媒量のバラツキ等によ
り、それぞれの反応管を反応処理流体が通過する
際の圧力降下が異なり、各反応管を通過する反応
流体の量に差異（偏流）が生じて反応成績が低下
する場合がある。その防止のため、反応管に触媒
を充填する際に各反応管への触媒の充填量のバラ
ツキは極力少なくする様、細心の注意を払わなけ
ればならない。それにもかかわらず、触媒量のわ
ずかの差異、充填状態の差異、あるいは触媒の劣
化、副生成物などの析出等によつて、反応処理流
体の偏流が生じて反応成績が低下してしまう。更
に、冷加熱媒体のシエル側の流れを均一にして全
反応管の温度を等しくするためにシエル側にはバ
ツフルが設けられることが多いが、そのような配
慮をしたとしても全反応管を等しく冷却ないし加
熱することは不可能である。すなわち、反応装置
の中心に位置する反応管と円周付近に位置する反
応管とでは、冷加熱媒体の効果に差異が生じるの
で各反応管の温度を等しくできないのが実状であ
り、各反応管内の反応にムラが生じて全体の反応
成績が低下することは避け難い。

発明の概要 本発明の目的は、上記管型触媒反応装置の欠点
を克服して、同じ触媒量の場合でも、反応装置全
体をコンパクトにして配置上及び経済上有利な、
反応熱を冷加熱するための伝熱面の大きさを自由
に設定でき、触媒の充填方法が容易な、触媒反応
装置を提供することにある。

すなわち、本発明による触媒反応装置は、反応
させるべき流体（以下、反応流体という）の流通
する触媒層を収容する反応室イとこの反応室に隣
接して間接熱交換によつてこの反応室の温度制御
を行なうべき伝熱媒体を収容する伝熱媒体室ロと
を収容したハウジングからなり、ハウジング内に
供給した反応流体が反応室イ内においてこのハウ
ジングの所与の軸に関して実質的に平行に流通し
てハウジング外へ出るようにし、そしてハウジン
グ内に供給した伝熱媒体が伝熱媒体室ロを通過し
てからハウジング外へ出るようにした触媒反応装
置において、反応室と伝熱媒体室とを下記の通り
に構成したこと、を特徴とするもである。

(1) 反応室と伝熱媒体室とは、該軸方向に延びる
板材からなる隔壁を介して隣接して両室間の間
接熱交換が可能となつていること。

(2) この隔壁は該軸を芯として渦巻きに配設され
ていて、反応室と伝熱媒体室とが該隔壁によつ
て渦巻状に形成されており、またこの隔壁は該
芯部において管状の空間を形成していて、伝熱
流体室がそこに開口していること。

(3) 反応室は、反応流体が通過すべき該軸方向で
その上流側および下流側で該ハウジング内に開
口していて、ハウジング内に供給した反応流体
が該上流側開口から下流側開口へと該軸方向に
通過してからハウジング外へ出るようになつて
いること。

(4) 伝熱媒体室は、ハウジング内に開口部を持た
ずにその内部がハウジング外部と連通している
こと。

発明の具体的説明 装置の一般的説明 本発明装置は、前記の発明の概要の前半に示さ
れる従来装置、すなわち、反応させるべき流体
（以下、反応流体という）の流通する触媒層を収
容する反応室イとこの反応室に隣接して間接熱交
換によつてこの反応室の温度制御を行なうべき伝
熱媒体を収容する伝熱媒体室ロとを収容したハウ
ジングからなり、ハウジング内に供給した反応流
体が反応室イ内においてこのハウジングの所与の
軸に関して実質的に平行に流通してからハウジン
グ外へ出るようにし、そしてハウジング内に供給
した伝熱媒体が伝熱媒体室ロを通過してからハウ
ジング外へ出るようにした触媒反応装置、に対す
る改良からなるものである。このような従来装置
の一具体例は、第２図に示したようなシエル−ア
ンド−チユーブ型の装置である。

そして、本発明による改良は、反応室すなわち
触媒層をいわばシート状に形成してそれをゆるく
筒状に巻き込んで、その場合の筒の一端から筒の
軸方向に反応流体を供給して触媒層を通過させて
から筒の他端から反応生成物を取出すようにし、
しかもシート状触媒層をゆるく巻いたときのシー
ト間に形成される空間を伝熱媒体を収容する空間
となるように構成して、間接熱交換による温度制
御が行なえるようにしたところにある。

ここでいう「渦巻状」とは典型的には第１図に
示したような渦巻形成線が真円形である場合の外
に、角型の場合をも包含するものであり、従つて
シート状触媒層すなわち反応室（および伝熱媒体
室）の巻込体が形成する「筒」も典型的な円筒の
外に角筒をも包含するものである。筒の軸は、垂
直であることがふつうである。従つて、以下の説
明も軸が垂直である場合について行なうこととす
る。

シート状の触媒層は、１枚であることがふつう
であるが、２枚以上であつてもよい。触媒層シー
トが２枚以上の場合は伝熱媒体室（これも「シー
ト状であることはいうまでもない）２枚以上とな
ることはいうまでもない。

シート状触媒層すなわち反応室（および伝熱媒
体室）の巻込体が形成する筒は、その両端面、す
なわち軸が垂直の場合の底面および頂面、がハウ
ジング内空間に臨むように配設され、しかもこの
筒はハウジング内面と接するように構成すること
がふつうである。そして、反応流体はこの筒の一
端面から他端面へと流通させる。従つて、シート
状触媒層は該シートの一方の側縁部に相当する部
位において反応流体の流入を受入れ、他方の側縁
部において反応後の流体を流出させることにな
る。すなわち、そのような触媒層を収容している
反応室は、その筒状体としての両端面においてハ
ウジング内に開口していることになる。

一方、渦巻状の反応室の垂直方向に壁によつて
画成される伝熱流体室は、反応室と間接熱交換を
行なうべきものであるから、その内部は反応室お
よび反応室が連通しているハウジング内と連通し
ていない。そして、反応室の垂直方向の壁（すな
わち伝熱媒体室との間の隔壁）をなす板材は、渦
巻の中心部において管状の空間を画成しており、
伝熱媒体室はその管状空間に開口するようになつ
ている。この管状空間は適当な配管によつてハウ
ジングの外と連通している。一方、この伝熱媒体
室の巻込体からなる筒の外周附近に在る伝熱媒体
室は、その附近においてハウジングの外と連通し
ている。

反応室の巻込体からなる筒をその軸が垂直とな
るように配設する場合は、反応室内に収容されて
いる触媒層が下方へ落下しないように、反応室下
側開口部附近に多孔板を設けることが必要であ
る。多孔板は網状部材であることが典型的であつ
て、反応室開口部に密着して取付けることもある
程度の距離を置いて取付けることもできる。後者
の場合には、反応室開口部と多孔板との間に触媒
が存在していてもよい（第１図の例がそれであ
る）。一方、反応室の巻込体からなる筒の上部に
も、多孔板を配設して、該開口部から逸散するか
も知れない触媒を捉えるようにすることもでき
る。

以上の説明から明らかなように、本発明触媒反
応装置は、第２図に示したようなシエル−アンド
−チユーブ型装置での反応管１０２を上下管板１
０３，１０３′上の取付け位置の軌跡が渦巻状と
なるように配設し、しかもこの軌跡上の隣接する
管が相互に融合して管内の触媒層がシート状とな
つたものに相当するといえよう。ただし、伝熱媒
体出口１０７は管板１０３に設けられる。

装置の具体例 第１図は、反応室と伝熱媒体室との間の隔壁が
渦巻き円形のもの（以下、スパイラルプレートと
いう）である例である。触媒１がスパイラルプレ
ートの間に充填されている。この隣合つたスパイ
ラルプレートの間隙は伝熱媒体流路を形成してい
る。反応流体は４より供給され、触媒押え９によ
つて、固定された触媒１を通過して所定の化学反
応が生起し、反応済みの反応流体５より排出され
る。伝熱媒体は６より導かれて流路１０を通過
し、スパイラルプレート１１を通じて反応流体と
間接熱交換した後、出口７より排出される。反応
流体の化学反応により蒸発などか起つて反応流体
の体積が著しく変化する場合は、第１図に示すよ
うに反応流体の入口４及び出口５の直径が異なつ
たものにすることができる。

本発明の効果 本発明において、伝熱面積を増加して触媒層内
の温度分布を均一にする場合には、スパイラルプ
レートの間隔を狭くすれば良く、容易に伝熱面積
の増減が可能である。また、スパイラルプレート
に波板状のものを用いたり、スパイラルプレート
の表面に突起物を設けることによつて、触媒層及
び伝熱媒体流路の流体の流れを乱して伝熱効率を
向上させることも可能である。伝熱効率を向上さ
せることによつて、反応装置の伝熱面積を増加さ
せることなく、触媒層の温度の制御が容易にな
り、副反応を抑制し、反応成績を優位に保つこと
が可能となる。この点は本発明における最大の利
益であり、触媒層を冷加熱するために要する伝熱
媒体との伝熱面積を増加しなければならない場合
でも、触媒反応装置が大型化せずコンパクトにな
る点は、従来の管型触媒反応装置では、期待され
なかつたことである。

本発明の触媒反応装置の触媒層は板材からなる
隔壁（プレート）によつて、伝熱媒体と分離され
た空間に設けられて連続層を形成していて、従来
の管型触媒反応装置のように複数の触媒層が完全
に独立しているということがない。従つて、触媒
量の充填時の触媒量のバラツキ、充填状態あるい
は、触媒の劣化、副生成物などの析出等により、
反応流体の偏流が生じなく、反応成績が低下する
ことが少ない。また、反応流体が所定の反応処理
を受けて反応途中の触媒層において反応生成物の
蒸発あるいは、凝縮などの相変化がある場合に
は、蒸発あるいは凝縮潜熱を給、除熱する必要が
あるが、そのときにも本発明装置は有用である。

実験例 実施例 第１図に示した様なスパイラルプレートタイプ
の熱交換器を反応装置として使用して、アクリル
酸とイソブチレンとからターシヤリーブチルアク
リレートを製造した。触媒は、イオン交換樹脂を
用いた。イオン交換樹脂は、前処理として樹脂に
含まれる水をアクリル酸で置換してから用いた。
アクリル酸とイソブチレンとのモル比２の組成の
反応原料を用い、毎時2490Kgの割合で反応装置へ
供給した。圧力は５Kg／cm²であつた。この反応は
発熱反応であるため、15℃の冷却水を用いて、触
媒層温度を20℃に保つた。アクリル酸の転化率は
76.3％で、ターシヤリーブチルアクリレートの生
成速度は毎時1322Kgであつた。

このとき用いた反応装置は、触媒層厚さが25
mm、高さ1.2ｍ、触媒容積1.75m³で、反応装置の
外径1.7ｍ、伝熱面積は108m²であり、反応装置の
触媒を除いた自重は8.7トンであつた。

比較例 実施例と同じ反応に、管型反応装置を用いた。
アクリル酸の転化率は同じであつた。ここで用い
た管型反応装置は、２インチの反応管775本、触
媒層高さ１ｍで、シエル外径は2.4ｍであり、反
応装置の自重は24.5トンであつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明装置の一具体例を示すもので
あつて、ａは平断面、ｂは縦断面図である。第２
図は、公知の装置の一例の縦断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 反応させるべき流体（以下、反応流体とい
   う）の流通する触媒層を収容する反応室イとこの
   反応室に隣接して間接熱交換によつてこの反応室
   の温度制御を行なうべき伝熱媒体を収容する伝熱
   媒体室ロとを収容したハウジングからなり、ハウ
   ジング内に供給した反応流体が反応室イ内におい
   てこのハウジングの所与の軸に関して実質的に平
   行に流通してからハウジング外へ出るようにし、
   そしてハウジング内に供給した伝熱媒体が伝熱媒
   体室ロを通過してからハウジング外へ出るように
   した触媒反応装置において、反応室と伝熱媒体室
   とを下記の通りに構成したことを特徴とする、触
   媒反応装置。 (1) 反応室と伝熱媒体室とは、該軸方向に延びる
   板材からなる隔壁を介して隣接して両室間の間
   接熱交換が可能となつていること。 (2) この隔壁は該軸を芯として渦巻状に配設され
   ていて、反応室と伝熱媒体室とが該隔壁によつ
   て渦巻状に形成されており、またこの隔壁は該
   芯部において管状の空間を形成していて、伝熱
   流体室がそこに開口していること。 (3) 反応室は、反応流体が通過すべき該軸方向で
   その上流側および下流側で該ハウジング内に開
   口していて、ハウジング内に供給した反応流体
   が該上流側開口から下流側開口へと該軸方向に
   通過してからハウジング外へ出るようになつて
   いること。 (4) 伝熱媒体室は、ハウジング内に開口部を持た
   ずにその内部がハウジング外部と連通している
   こと。 ２ ハウジングの軸が垂直方向であり、触媒層の
   落下を防止すべき多孔板が反応室の下側開口部附
   近に設けてある、特許請求の範囲第１項に記載の
   触媒反応装置。 ３ 反応室の上側開口附近にも多孔板が設けてあ
   る、特許請求の範囲第２項に記載の触媒反応装
   置。 ４ 反応流体が反応室の下側開口から上側開口へ
   と通過するようになつている、特許請求の範囲第
   ２〜３項のいずれかに記載の触媒反応装置。 ５ 隔壁によつて該芯部に形成された管状の空間
   とハウジング外部とを連通させるための配管ハと
   伝熱媒体室のハウジングに接する部分附近で伝熱
   媒体室内部をハウジング外部と連通させるための
   配管ニとを設けてある、特許請求の範囲第１〜４
   項のいずれかに記載の触媒反応装置。