JPH06218270A - 縦型流動層触媒反応器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】多孔を有するバッフルプレートでＵ字管型伝熱
管を固定し、ダウンカマーを設置した縦型流動層触媒反
応器 【効果】細い伝熱管を用いることができるようになるの
で単位容積当たりの伝熱面積が増大し、また流動触媒の
濃度の均一化が図られるので、反応器のコストが削減さ
れ、大型装置において有利に用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超大型装置に適した流動
層触媒反応器に関する。本発明の流動層触媒反応器は、
水素、一酸化炭素および炭酸ガスを有効成分とする合成
ガスからのメタノール合成反応やフィシャー合成反応等
の発熱反応において使用される。

【０００２】

【従来の技術】流動層触媒反応器は触媒層での伝熱が良
く均一な温度分布が得られ、従って副反応生成物を低く
抑えることができ高転化率および高選択率が得られるこ
と、反応熱が高レベルで回収できること等の特性があ
り、種々の反応において流動触媒を用いた反応器が開発
されている。

【０００３】メタノールは低公害で輸送が容易な安価な
燃料として大量に使用するために、5000T/D 或いは1000
0T/D以上の能力を持つ超大型装置の開発が要請されてい
る。近年、このような燃料用メタノールを製造するため
の超大型装置への対応としての流動層触媒反応器の開発
が行われている。たとえば特開昭60-84142号、特開昭60
-122040 号および特開昭60-106534 号にはメタノール合
成用流動触媒の製造法が記載されており、また特開昭63
-211246 号には流動層触媒を用いてメタノール合成を行
う場合の触媒および反応の条件が記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】メタノール合成反応は
多量の熱発生を伴うことから、その反応熱の回収と反応
温度の制御のために、反応器内に多数の伝熱管を配置し
て高圧の水蒸気を回収する方法が採られる。このように
反応器内に多数の伝熱管を配置する場合、特に流動層触
媒反応器においては反応器内を高速でガスが通過するこ
とから伝熱管の振動が起き易い。伝熱管の長さと径の比
(L/D) が30を超えると振動が起こり、特にL/Dが50を超
えると共振も伴って振動が著しくなり、時には伝熱管の
破損にもつながることとなる。

【０００５】従って流動層触媒反応器の設計に当たって
は L/Dを30〜50以下に抑える必要があり、実際上細い管
径の伝熱管を用いることができず 3〜4 インチのものを
用いざるを得ない状態である。これにより伝熱管部の容
積が大きいので反応器が大きくなるため、反応器のコス
トが高くなり、上記の如き超大型メタノール製造装置に
おいては反応器の製作限界を超えることとなる。また反
応器内において十分な伝熱面積を得られないので温度差
を大きくするために回収する水蒸気の圧力を低下させざ
るを得ず、エネルギー回収が有効に行われない。

【０００６】また流動層触媒反応器において高反応率を
得るためには、該流動触媒層はできるだけ均一層とする
ことが必要である。大型装置においては流動触媒層でも
触媒濃度の高い部分と低い部分が生じ易く、高濃度部に
おいては反応温度が上昇して副反応量が増大し、低濃度
部において低反応率のガスが通過することから、全体と
して高反応率を得ることが困難となる。本発明の目的
は、流動触媒を用いる発熱反応器において反応器単位容
積当たりの伝熱面積を増大させ、超大型装置に対応でき
るようにすると共に、効率良く熱回収を行い、高反応率
が得られる反応器を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記の如き課
題を有する流動層触媒反応器について鋭意検討した結
果、多孔を有するバッフルプレートでＵ字管型伝熱管を
固定し、ダウンカマーを設置することにより、伝熱管の
振動が抑制されて小径の伝熱管を用いることができ、且
つ反応熱の回収とメタノール合成反応を効率良く行える
超大型メタノール製造装置が得られることを見出し、本
発明に到達した。

【０００８】即ち本発明は、流動触媒を用いる縦型円筒
状の反応器において、(a) 反応器の上部鏡板の中心部に
縦型円筒状の気水ドラム、(b) 反応器内部に流動触媒
層、(c) 該流動触媒層内に気水ドラムよりボイラ水を供
給し蒸気を回収する複数個の管径20〜100mm の縦型Ｕ字
型伝熱管、(d) 流動触媒層の上部に該流動触媒と反応ガ
スと分離する分離装置、(e) 上部流動触媒層から下部に
流動触媒を移動させるダウンカマー、および(f) 該伝熱
管を 300〜1500mm間隔で固定する多数の孔を有するバッ
フルプレートを設置し、反応器の下部から原料ガスを導
入し、上部より反応ガスを排出させることを特徴とする
縦型流動層触媒反応器である。

【０００９】本発明の流動層触媒反応器が用いられる水
素、一酸化炭素および炭酸ガスからのメタノール合成反
応は次の反応式により行われる。 ＣＯ ＋ ２Ｈ₂ → ＣＨ₃ ＯＨ ＋ 21.6 kcal/mol ＣＯ₂ ＋ Ｈ₂ → ＣＯ ＋ Ｈ₂ Ｏ − 9.8 kcal/mol ＣＯ₂ ＋ ３Ｈ₂ → ＣＨ₃ ＯＨ ＋ Ｈ₂ Ｏ ＋ 11.8 kcal/mol

【００１０】メタノール合成反応には通常、銅系触媒が
用いられ、温度 200〜300 ℃、圧力50〜150 気圧で反応
が行われる。メタノール合成反応のための流動触媒には
通常、シリカ、アルミナ、ジルコニウム等の強固な担体
に触媒成分を担持した触媒が用いられ、触媒の粒子径は
1〜250 μm である。

【００１１】本発明においては縦型円筒状の反応器が用
いられ、反応器の上部鏡板の中心部に縦型円筒状の気水
ドラムが設置される。気水ドラムの機能は、反応熱を回
収するためのボイラ水が供給されて複数個の縦型Ｕ字型
伝熱管に分配することと、流動触媒層において反応熱を
回収することによって得られる発生蒸気とボイラ水の混
合体を複数個の縦型Ｕ字型伝熱管から導入して、発生蒸
気とボイラ水を分離することであり、気水ドラム内には
このために供給ボイラ水と縦型Ｕ字型伝熱管からの該混
合体を隔離する隔壁が設けられ、また該混合体から発生
蒸気とボイラ水を分離するための液面計やミストセパレ
ーターが設置される。なお該伝熱管を取り付ける気水ド
ラムの管板の形状は特に制限されず、一般に平板型や半
球型のもの等が用いられる。多数の伝熱管を固定するた
めの必要な表面積を確保するために、半球型の管板を用
いる等の工夫が施される。

【００１２】気水ドラムには複数個の縦型Ｕ字型伝熱管
が取付けられ流動触媒層から高圧水蒸気の回収が行われ
るが、前述の如くこの伝熱管の振動を防止することと、
合成ガスの反応率を高めるために、本発明の反応器にお
いては特殊なバッフルプレートが設置される。すなわち
本発明反応器のバッフルプレートはＵ字型伝熱管を固定
し、且つ多数の孔を有するものである。Ｕ字型伝熱管を
固定するためバッフルプレートの該伝熱管に対する隙間
をできるだけ小さくすることが好ましいが、製作上の限
界もあり、実際上この隙間は片側0.15〜0.25mmである。
該伝熱管に対する隙間をこのように小さくすることによ
り、該伝熱管がバッフルプレートで固定され、伝熱管の
振動が防止される。

【００１３】バッフルプレートには更に反応ガスおよび
流動触媒を好適に通過させるための多数の孔が設けられ
る。このような孔を設けることにより反応器内のガスお
よび触媒の流動方向が多様化され、触媒やガスの停滞部
が解消され、より均一な流動触媒層が得られる結果、高
い反応率が得られることとなる。またこのような孔は触
媒の入替時に触媒の流下をスムーズに行うためにも有効
である。このような孔の位置および孔径、孔数等は、反
応器の構造および使用されるガスの種類、反応条件を勘
案して好適に設計される。なお本発明においてバッフル
プレートの形状は特に制限されないが、通常は欠円型ま
たはドーナツ型が用いられ、欠円を交互に組合わせると
か、またはドーナツ板と円板を交互に組合わせて設置さ
れる。

【００１４】本発明において伝熱管の管径は伝熱管の振
動が防止するためにバッフルプレートの間隔により決定
されることになる。バッフルプレートの間隔は 300〜15
00mmの広い範囲で選ぶことができ、バッフルプレートを
交互に組み合わせることにより該伝熱管の固定点は最も
長い部分で 600〜3000mmとなる。伝熱管の振動が防止す
るためにL/D(伝熱管の長さと径の比) を30以下とするこ
とが必要であることから、該伝熱管の管径は最小20mm、
最大100mm の範囲となる。本発明において好ましい伝熱
管径は25〜40mmであり、バッフルプレートの好ましい間
隔 375〜600mmとなる。

【００１５】従来の流動層触媒反応器では 3〜4 インチ
の伝熱管が用いられているが、本発明において該伝熱管
に対して上記の如きバッフルプレートを設置することに
より25〜40mm程度の伝熱管を用いることができるように
なり、単位容積当たりの伝熱面積は55〜88 m² /m³ とな
り、従来の３インチのものと比較して約 1.9〜3.0 倍と
なる。これにより反応器を小さくできるようになると共
に、流動触媒層と伝熱管内部流体との温度差を小さくで
きるようになり、回収蒸気の圧力を高めることができ
る。

【００１６】各バッフルプレートを通過して上昇する反
応ガス及び流動触媒は、反応器の上部において触媒が重
力と釣り合った状態となり、流動触媒層の界面が得られ
る。この界面からのガス中にもいくらかの微細な触媒が
含まれるので希薄層と称され、界面より下層は濃厚層と
称される。本発明の反応器においてはこの界面と気水ド
ラムの管板との距離を 2〜5m程度とし、希薄層において
微細触媒粒子を伝熱管束と衝突させることにより触媒粒
子を捕集する効果が得られる。

【００１７】反応器内を反応ガスおよび流動触媒が上昇
することにより、流動触媒の濃度は反応器の下部におい
て低下し易いが、これに対してはダウンカマーを設置し
て上部濃縮層の触媒を反応器の下部に循環させる方法が
採られる。このダウンカマーは最上段のバッフルプレー
トから最下段に戻す総合循環方式と各バッフルプレート
毎にダウンカマーを設置するする方式があり、双方のダ
ウンカマーを設置することが好ましく、触媒の種類、粒
径、ガス組成、圧力、温度等によって最適な触媒循環比
率が決められる。このようなダウンカマーを設置するこ
とにより、濃縮層における流動触媒の濃度が均一化さ
れ、均一な温度分布で高い反応率が得られるようにな
る。

【００１８】本発明において原料ガスの供給は反応器の
底部より行われ、通常反応器の底部に多数のノズルを有
するガス吹出し器により、流動触媒層に対して均等な吹
出しが行われる。ガス吹出し器のノズルは流速が 3〜10
m/s 程度となるように設計される。希薄層からの反応ガ
スは最終的に分離装置を経て反応器外の次の工程に送ら
れる。この分離装置には一般にサイクロンが用いられ、
分離した触媒がトリクル弁を介して濃厚層に戻される。

【００１９】なお本発明において反応熱の回収にＵ字状
の伝熱管が使用されるので、ボイラ水の循環は強制的に
行う必要があり、気水ドラムから分離されるボイラ水は
循環ポンプを用いて循環される。このボイラ水において
不純物の濃縮を避けるために、ボイラ水の一部は系外に
排出される。メタノール合成反応において、流動触媒層
の最高温度は通常 260〜280 ℃であり、水蒸気の回収は
該温度より10〜20℃低い温度で行うことができるので、
回収蒸気の圧力は33〜55 kg/cm² G 程度となる。

【００２０】

【実施例】次に実施例により本発明を更に具体的に説明
する。但し本発明はこの実施例により制限されるもので
はない。図１は本発明による流動層触媒反応器の一例の
構造図であり、燃料用メタノール製造装置に使用される
大型反応器の場合を示す。

【００２１】ＣＯ、ＣＯ₂ 、Ｈ₂ を主成分とし少量のＣ
Ｈ₄ およびＮ₂ が含まれる合成原料ガスは流路1 より反
応器の底部にある風箱室2 に導入される。メタノール合
成反応において前述の如く該反応器は40〜150 気圧程度
の圧力で操作されるため、外穀3 は強靱な鋼材で厚く形
成されている。原料ガスは次いでガス吹出し器4 を通っ
て流動触媒層5(濃厚層) に導入される。流動触媒層には
メタノール合成用の流動触媒が充填されおり、前述のメ
タノール合成反応が行われる。

【００２２】この流動触媒層には反応熱を回収するため
Ｕ字型伝熱管6 が多数設けられる。該伝熱管にはボイラ
水が満たされており、吸収した反応熱を高圧飽和水蒸気
として回収される。伝熱管は管板7 に支持固定されてお
り管板部で反応ガス側とボイラ水側がシールされる。管
板7 は反応器の上部鏡板の中心部に固定された縦型円筒
状の気水ドラム8 に設置されており、内部はボイラーの
気水室9 と給水室10に分割されている。給水室10にはボ
イラ水の給水流路11が、気水室9 には分離された循環水
流路12が設けられている。

【００２３】該伝熱管6 には複数個のバッフルプレート
13が設置されており、該伝熱管を好適に固定すると共に
バッフルプレートに多数設けられた孔から反応ガスと流
動触媒が移動し流動触媒層の均一な分布が得られる。ま
たバッフルプレートには、各バッフルプレート毎に設置
されたダウンカマー14、或いは最上段のバッフルプレー
トから最下段に戻すダウンカマー15が設置されており、
流動触媒濃度の均一化が図られる。

【００２４】図２はＵ字管型伝熱管の管束の説明図であ
り、図に示すような伝熱管の管束の長手方向の途中に複
数個のバッフルプレートが設けられる。また図３は流動
触媒と反応ガスの流動状況を示す説明図であり、図４お
よび図５は左右の各円型バッフルプレートを示す。

【００２５】図３においてガス吹き出し器4 の上部の流
動触媒層の流動触媒と反応ガスの一部はバッフルプレー
トに多数設けられた孔を通過し、残部はバッフルプレー
トの欠円部を通過することにより、流動方向が多様化さ
れるので、流動触媒および反応ガスの停滞部が解消され
る。またバッフルプレートの多数の孔により流動触媒の
入替時において該触媒の流下をスムーズに行うことにも
役立つ。

【００２６】各バッフルプレートを通過した触媒は下段
に殆ど戻らないので、下段になる程、触媒濃度が低下す
る傾向にあり、これを解消するためダウンカマーが設置
される。ダウンカマーはプレート一段おきのダウンカマ
ー14を設置する場合と、最上部のダウンカマーから最下
段に触媒を戻す総合循環ダウンカマー15を設置する場合
があり、双方のダウンカマーを設置することが好まし
い。

【００２７】図１において、各バッフルプレートを通過
して上昇する反応ガス及び流動触媒は反応器の上部で触
媒が重力と釣り合った状態となった流動触媒層の界面を
経て希薄層となり、サイクロン16に導入され、触媒粒子
を分離し、流路17から反応器を出て次の工程に送られ
る。分離された触媒はサイクロン下部のトリクル弁18よ
り排出され、濃厚層に循環される。

【００２８】反応熱の回収により発生した高圧水蒸気は
流路19より排出され、合成ガス製造装置におけるプロセ
ス蒸気や、各所の熱源、動力源として利用される。また
気水ドラムにおいて分離されたボイラ水は流路12より排
出され循環水ポンプにより昇圧されてボイラ給水と共に
流路11から供給されて循環使用される。

【００２９】

【発明の効果】本発明の流動触媒反応器においては、Ｕ
字管型伝熱管を多孔板を有するバッフルプレートに固定
されるような構造とし、流動触媒のダウンカマーを設置
することにより、次のような利点を有する。 (1) 従来の流動触媒反応器において使用されていない25
〜40mm程度の細い伝熱管を用いることができるので、単
位容積当たりの伝熱面積が大きくなり、反応器の容積を
小さくでき、反応器のコストが低下する。 (2) 伝熱管の固定に多孔板を有するバッフルプレートを
用い、ダウンカマーを設置することにより、流動触媒の
停滞部が解消され、流動触媒濃度の均一化が図られるの
で、温度分布がより均一化され、原料ガスの反応率を高
めることができる。また流動触媒の入替も容易になる。 (3) 流動触媒層と伝熱管内流体の温度差が小さくなるの
で、より高圧蒸気を回収することができ、プロセスの熱
効率の向上を図ることができる。 (4) Ｕ字管型伝熱管を用いるので、反応温度による熱応
力が回避される。また反応器の容積を小さくなるので、
より大型装置への対応が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 断面図本発明の反応器の構造の一例を説明す
るための断面図である。

【図２】 断面図図１の反応器における伝熱管の管束を
説明するための断面図である。

【図３】 断面図図１の反応器の流動触媒と反応ガスの
流動状況を説明するための断面図である。

【図４】 断面図図１の反応器の左欠円型バッフルプレ
ートを説明するための断面図である。

【図５】 断面図図１の反応器の右欠円型バッフルプレ
ートを説明するための断面図である。

【符号の説明】

3 縦型流動層触媒反応器の外穀 4 原料ガス吹き出し器 6 Ｕ字管型伝熱管 7 気水ドラムの管板 8 気水ドラム 9 気水室 10 給水室 13 バッフルプレート 14 バッフルプレートのダウンカマー 15 総合循環式ダウンカマー 16 サイクロン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流動触媒を用いる縦型円筒状の反応器にお
   いて、(a) 反応器の上部鏡板の中心部に縦型円筒状の気
   水ドラム、(b) 反応器内部に流動触媒層、(c) 該流動触
   媒層内に気水ドラムよりボイラ水を供給し蒸気を回収す
   る複数個の管径12〜100mm の縦型Ｕ字型伝熱管、(d) 流
   動触媒層の上部に該流動触媒と反応ガスと分離する分離
   装置(e) 上部流動触媒層から下部に流動触媒を移動させ
   るダウンカマー、および(f) 該伝熱管を 300〜1500mm間
   隔で固定する多数の孔を有するバッフルプレートを設置
   し、 反応器の底部から原料ガスを導入し、上部より反応ガス
   を排出させることを特徴とする縦型流動層触媒反応器
2. 【請求項２】バッフルプレートの間隔が 375〜600 mm間
   隔であり、該伝熱管の管径が25〜40mmである請求項１の
   縦型流動層触媒反応器