JPS5839572B2 - 反応器およびその使用法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は触媒を使用するガス反応器の改良に関する。

更に詳しくは、固体触媒を使用してガス状原料に所望の
転化反応を行わせ、その際に発生する反応熱を回収し、
かつ触媒層温度分布の最適化を可能とする反応器構造に
関するものである。

今日、固体触媒とガス状原料とを適当な圧力と温度の下
に接触させて所望の転化反応を行わせることはアンモニ
ア合成、メタノール合成、メタン化反応など多くの例が
見られる。

これらの転化反応は殆どが大気圧以上の加圧下で行われ
る発熱反応であるが、発生した反応熱によるガスおよび
触媒の温度の過大上昇は主として触媒の性能の劣化、化
学平衡的理由による目的成分の濃度低下などを起こすた
めに、避けるのが望ましく、従来この目的のために多く
の配慮と工夫がなされている。

上記の如き意味における反応熱処理法の最も一般的な実
例はこれら反応熱を触媒層に原料として新たに供給され
るガスの予熱に利用する方法である。

より具体的に云えば、触媒層中の、または触媒層を去る
高温ガスと触媒層に入る低温ガスとを熱交換させて触媒
層に流入するガスを反応開始に必要な温度に到達させる
方式により反応熱を利用する方法である。

この熱交換は通常、反応圧力と実質的に同一の圧力下で
行われ、反応器の構成としては、触媒とガス−ガス熱交
換用の熱交換器が同一の反応容器内に設備される。

しかしながら、このような反応熱による流入ガス予熱方
式では流入ガスの予熱必要熱量より発生反応熱が犬なる
ため、触媒層の温度はガスの流入部側より流出部側が遥
かに高く、前記の如き触媒性能および化学平衡的有利性
を保持する意味においては不充分である上に、反応熱の
充分な回収には別装置を必要とし、回収される熱エネル
ギーのレベルが低下する欠点がある。

また、次に多く使用される反応熱の処理法は、適当圧力
下に液体を蒸発させて反応熱を除去する方法である。

この場合に蒸発させる液体としては、例えばダウサーム
（Ｄｏｗｔｈｅｒｍ）あるいは適当沸点範囲を有する炭
化水素混合物なども使用されるが、実用性の点から最も
好ましいのは水である。

この方式において触媒の温度が過度上昇しないように、
触媒温度よりは低い適当沸騰温度となる圧力下に該液体
を蒸発させて、反応熱を該液体の蒸発熱として除去する
ことが基本である。

その際の冷却用液側圧力はガス側圧力より低いのが通常
であり、このような場合の反応器の形状としては第１図
に示される構造が使用されている。

第１図においては耐圧外殻１に気密に固着された上下２
枚の管板２および３を設備し、これら２枚の管板に多数
の管５を気密に固着させ、管板３の下に触媒を支持する
ための網４を設備し、管５の内部に触媒層６を充填し、
反応圧力まで圧縮され、かつ適宜予熱されたガスをガス
人ロアから導入し、触媒層６を経由させ、ガス出口８か
ら次の工程へ送出する方式を以て使用される。

この際ガスが触媒層を通過するに伴い転化反応が起こり
、その際の発生熱は触媒層６および管５の管壁を経由し
管５外であり、かつ耐圧外殻１と２枚の管板２と３の間
にある空間部に冷却液人口９から導入された冷却液に伝
わり、この冷却液が沸騰蒸発することにより除去され、
冷却液は蒸気または蒸気と液の混合物として出口１０か
ら出て、その含有熱は例えばタービンを駆動し原料ガス
を圧縮するなどの如き所望の目的に利用される。

このような冷却液蒸発式の反応器は前記ガス−ガス熱交
換方式の反応器に比較し、触媒の温度の過度上昇を防止
し、かつ反応熱を有効に利用する観点からは優れている
。

しかしながら、近時におけるエネルギー節約の重要性お
よび単一反応器のより大型化の必要性は、このような冷
却液蒸発方式による反応器に対し新たな問題を提起して
いる。

その問題の第１は、反応熱の有効利用の程度を向上する
ためには、発生蒸気温度が高い程また圧力が高い程好ま
しいことである。

例えば発生蒸気が水蒸気であって、これをタービンに導
入して、機械的エネルギーに変換する場合には１００ｋ
ｇ／ｃｒＡＧ、 ４８０℃の水蒸気をタービン中におい
て４０ｋｇ／ｃｒＡＧまで膨張させることにより、水蒸
気１を当り略々５０ＫＷＨのエネルギーを回収できるが
、発生水蒸気圧力が４０ｋｇ／ｃｒｒｉＧの場合は当然
このエネルギー相当分は回収量が減少する。

第１図の構造では発生蒸気圧の増大に不適当である。

第２の問題は転化反応圧力を低下させることである。

例えば、アンモニアあるいはメタノールの製造において
、転化反応圧力として１００乃至３００ ｋｇ／ｃｒＡ
Ｇ程度を使用することが、最も一般的であるが、この場
合には原料ガス製造工程の２０乃至４０ ｋｇ／ｃｒＡ
Ｇの圧力から１００乃至３００ ｋｇ／１ｓｔＧまで原
料ガスの圧縮昇圧を行う必要がある。

この際の必要圧縮動力は転化反応圧力を１００ ｋｇ／
ｃｒＡＧ以下に低下させることにより著しく節減するこ
とができる。

このような転化反応圧力の低下は、一般に化学平衡的理
由から、より低温において高活性を有する触媒があれば
、実施可能であり、しかも低圧低温を使用する転化反応
の方が一般的に発生反応熱も犬となること、また低温で
作用する触媒層、温度の過大上昇による性能劣化が著し
いことなどが知られている。

従って、この第２の問題を解決するためには、低圧と大
体積のガス状原料流のための通過断面を犬とし、しかも
触媒層内温度を完全に制御する必要があるが、第１図の
如き管内触媒層の構成では極めて困難である。

第３の問題は単一反応器の大型化に伴うものである。

即ち、第１図の例において圧力の異なる冷却媒体と転化
反応ガスとの間の漏洩を防止するため、管５と管板２お
よび３、また管板２および３と耐圧外殻１は互いに溶接
などの方法により気密に固着させておく必要があるが、
管５と耐圧外殻１は使用中の温度が異なるため管板２お
よび３の間の部分の上下方向の長さに熱膨張に起因する
差を生じ、特開昭４８−４９７０７の特許請求範囲記載
の如（耐圧外殻１に使用する材料と略々等しい熱膨張係
数を有する金属材料を管５に使用しても管板２および３
には犬なる熱応力を発生させる結果となり、更にこの熱
応力は単一の反応器が大型となり直径および長さが増大
するに従い犬となり設計は困難となる。

更に他の一つの困難は、前記エネルギー節約の見地から
冷却媒体側の圧力が高くなり転化ガス側の圧力が低くな
ると、耐圧外殻１、管板２，３および管５ともに肉厚の
ものを使用する必要を生じ、大型反応器の場合には甚だ
不経済となる。

この発明は、このような反応器に関する問題を一挙に解
決し得る構造であって、基本的には管板を使用せず、か
つ前記の特開昭４８−４９７０７の如く管材料と外殻材
料の熱膨張係数を特に一致させる必要もなく、かつ高温
高圧でありエネルギー保有量の犬なる冷却媒体を取得で
きる反応器構造に関するものである。

まず、この発明の概要を第２図によって説明する。

第２図はこの発明の模式的例示であり、この発明はこの
例示、および以後の説明に使用される各図あるいは各図
に示される装置の使用例により限定されるものではない
。

第２図において必要な圧力まで圧縮され、かつ適当温度
に予熱された転化用原料ガスはガス入口から円筒型反応
器内に流入し、反応器の耐圧外殻１内側の選局部分であ
って隔壁２２にて区画された空間１３にて均圧化後に耐
圧外殻１の内面側の水平断面が環状の空間を下降しつつ
逐次耐圧外殻１の内面に接近して設備された外周触媒受
げ４０にある多くの開孔を通過し、次に垂直に多数本数
が配置された冷却管群１５の容管相互の間の空間に充填
された触媒層の中に侵入して矢印の如く略々水平に中心
方向に移動しつつ転化反応を生起し完了し、最も反応器
中心に近い冷却管群１５の内側に接近して設備された内
周触媒受げ４−１にある開孔を通過し、中心部分に設備
され上端部を仕切板２１により上方空間と区画された中
心部均圧用空間１４に集合し、ガス出口８より反応器外
に去る。

一方、冷却媒体は所望の温度・圧力・状態を以て入口９
より上向流として導入され、環状の一次分配管１７に流
入し、次に一次分配管１７に接続された管２３を経由し
、同心円状に設備された多数の二次分配管１８に分岐流
入し、更に各二次分配管１８に多数本数が接続された冷
却管１５中を上昇する。

冷却管１５中を上昇する冷却媒体は冷却管１５の外側の
触媒層中にて転化反応の結果、発生する反応熱を吸収し
、その一部が蒸発して気液混合状態となり、触媒床上方
に同心円状に多数設備された一次集合管１９に流入し、
更に一次集合管１９に接続された管２４を経由し二次集
合管２０に集合し、冷却媒体出口１０より反応器外に排
出される。

反応器外に排出された気液混合状態にある冷却媒体は一
旦、気液分離器に流入し、蒸気と液に分離され、液は再
びポンプを使用して強制的にまたは使用せずに重力によ
る自然流下により、冷却されることなく、冷却媒体液の
入口９に返送され循環する。

他方、分離された蒸気は保有する高圧力と高温を所望の
目的に利用されるが、この通常の実施方法のための利用
工程は第２図において図示が省略されている。

以上に説明するところが、この発明の概要であって、以
下にその特長を述べる。

特長の第１は反応熱除去のために管束による熱交換を行
うにも拘らず管板を使用していないことである。

上記の如き、この発明の冷却管の配置方式においても管
板を使用する方式が可能であるが、管板は前記の如く肉
厚の耐高張力良質材料を必要とし、これに多数の管孔を
穿設貫通させ、更に貫通管孔に管を挿入拡管溶接する作
業や管板を耐圧外殻に溶接するなどの作業を必要とする
。

この発明では管板の使用を回避することにより管板の材
料およびその加工の工数を大巾に節減することができる
。

特長の第２は上記の如く主として管状部材で構成される
冷却媒体の通路は耐圧外殻に固着される必要が全くな（
、冷却媒体の入口９および出口１０が耐圧外殻１の下部
蓋部および上部蓋部をそれぞれ貫通する個所においての
み、グランド方式あるいはエキスパンダーベローズ方式
など周知の伸縮可能な漏洩防止法を採用すればよく、こ
の部分の直径は第１図の管板２または３と耐圧外殻１の
接合部において伸縮の対策を講じる場合に比較して格段
に小となるため遥かに容易である。

結果として、前記の特開昭４８−４９７０７記載の如く
伝熱管として使用する材料と外殻に使用する材料の熱膨
張を一致させる必要は全くなくなる。

特長の第３は、転化ガスの流通方向に沿う触媒層内容位
置の温度、即ち温度分布を第１図の場合よりも最適値に
近づけ得ることである。

即ち、第１図の方法においては触媒が充填され転化反応
が行われる６管５の外側面は加えられている圧力によっ
て定まる沸騰温度の冷却媒体に接しており、この冷却媒
体の沸点は位置の上下による差が極く借出であるため、
ガスが管５の中にある触媒層６中を移動するに伴い触媒
層の各位置における発生反応熱量が変化するにも拘らず
各位置における伝熱面積は略々一定であるため、触媒層
各位置の温度が所望の温度になるよう設計することは不
可能であるのに対して、この発明の反応器の場合には触
媒層の流通ガスの移動方向は、冷却管５に対し略略直交
する水平方向であるために、反応器中心からの距離が異
なる円筒状の各触媒位置に配置される冷却管の直径ある
いは設置本数を変更することにより各触媒位置における
冷却能力に差を与えてガス流に沿う触媒層各位置の温度
即ち温度分布を最適化することができる。

この特長は一定のガス量を高い反応率を以て最小量の触
媒により反応させ、かつ反応器を小型化し得ることを意
味し非常に重要である。

特長の第４は、前記した如く、高度のエネルギーの節約
を計るため転化反応ガス圧力を低下させ、冷却媒体圧力
を上昇させる際に耐圧外殻１においても、冷却管１５に
おいても第１図の構造に比較し使用材料厚さが小となり
、大巾の材料節減ができることである。

第５の特長は、触媒の充填および排出の両作業が容易に
遂行されることである。

即ち、触媒充填に際して第１図に示される構造では、管
板２の上方に触媒を存在させるとこの部分の触媒は冷却
が不充分であり高温となり管板強度の保持に悪影響があ
ることおよび６管５に充填されている触媒量が不均等で
あればガスの偏流を生起するなどの理由により、通常は
管５のそれぞれに計量された等量の触媒を逐次充填する
必要があるが、この発明の構造の場合には、隣接冷却管
の外周面相互間の距離は触媒粒子の直径より犬であるた
めに、通常の粒度の触媒の場合には第２図における触媒
送入口２５から必要量の触媒を流し込むことにより充填
が可能であり作業は極めて簡易である。

その際に、−次集合管１９より上部の空間に触媒が存在
してもこの空間はガスの流通が殆んどなく、反応熱発生
も極めて借出であり、かつ冷却能力も管２４によりある
程度は保持されているのであり、支障を生じることがな
い。

また、触媒の排出に際しては第１図に示される構造では
、ガス出口の取付位置を変更し最下部に触媒排出口を設
けても触媒受は網４を取り除いた際に上方にある多量の
触媒がガス出口８に連結されている大径の管中へ侵入す
ることの防止は困難であるため、この大径のガス出口管
を取り外して触媒排出を行う必要があるのに対して、こ
の発明の反応器の場合はこのようなことは必要なく触媒
排出口２６から直接反応器外へ排出可能である 以上がこの発明の特長の概略である。

次に、この発明の実施の際のより具体的態様について詳
説する。

その第１は、触媒層に対するガスの通過方向である。

この発明では前述の概要説明におけるが如く触媒層をそ
の外周部からガスが中心部に向い略略水平方向に流通す
る場合以外に逆方向の流通即ちガスが中心部から外周部
に略々水平方向に流通する場合も採用され得る。

この２種のガス流通方向の何れが有利であるかは多くの
要因による総合的効果で定まる。

即ち、主化学反応の種類副側化学反応の種類、これら主
副両反応の生成物に関する化学平衡的最終濃度の圧力と
特に温度に対する依存性、両反応の促進作用をする触媒
活性がガス流速、温度ガス組成などにより影響を受ける
程度、触媒層入口におけるガス温度、触媒層各部におけ
る反応熱の発生量と除去量などが関係する。

これらの諸要因は次に述べる如く触媒層内への冷却管配
置法と組合せ利用することにより触媒層出口における目
的生成物の濃度を同一にするための必要触媒量が最小と
なるようなガス進行方向に沿う触媒層の最適温度分布の
選定を可能にする。

これは反応器の小型化を意味するものである。

例えば反応の進行に伴うガス体積の減少が犬なる場合あ
るいは触媒層中のガス通過速度の増大とともに触媒性能
が大巾に低下する場合などにおいては周知事実である反
応の進行に伴って反応速度の小となることを併せ考慮す
ると、流入ガスから同一転化生成物を同一触媒を使用し
て得る場合に第１図の構造では反応生成物の濃度が非常
に小である流入部触媒層におけるガス通過速度が犬であ
るため触媒性能を最大限に利用できず、触媒層流出部に
至ると、ガス通過速度は低下するも反応生成物の増加の
ために反応速度の増加は望めないため触媒量を犬とする
必要がある上、更に反応熱が比較的に多く発生する流入
部において単位ガス量当りの冷却伝熱面積が反応熱の小
なる流出部の冷却伝熱面積より小となるため流入部にお
ける単位ガス量に最適の伝熱面積を採用すれば流出部に
おける伝熱面積は過剰となり触媒量および伝熱面積の両
者において損失を生じる。

これに対し、この発明の反応器を外周部から中心部に向
けてガスを流通させる方式を以て使用すれば、触媒層通
過期間中の初期では小なる触媒層内ガス速度で触媒性能
を最高度に発揮させ、第１図の方式よりは少量の触媒を
以て反応を促進するとともに反応熱除去に必要な単位ガ
ス量当りの伝熱面を充分大きく配置することが可能であ
り、反応の進行に伴うガス体積および発生反応熱の減少
に従い逐次触媒量と伝熱面積がともに減少していくよう
に反応器を使用することができるため、ガスの通過路の
谷位置に応じて最適量の冷却用伝熱面の配置を行うこと
により触媒層内のガスの通過路の各位置の温度、即ち触
媒層の温度分布が自由に選定され得ることとなり、前記
した反応器の設計に関係する化学反応の性質および触媒
の特性に応じ全体として同一量の転化生成物を得るため
に必要な触媒量と伝熱面積を最小にする温度分布を実現
することが可能であり、更に反応器の小型化を実現する
ことができる。

また別の例として転化生成物の化学平衡濃度の温度によ
る変化が小、反応進行に伴うガス体積の減少が小、ある
いはガス通過速度の変化に伴う触媒性能の変化小の場合
にはガスを中心部から外周部へ流通させ、中心部に供給
するガスは触媒性能の許す限り低温とし、ガス入口近傍
の触媒層には冷却管を配置せず反応熱により触媒の耐熱
上限温度までガス温度が上昇した位置から冷却管を谷触
媒位置におけるガス温度が更に上昇することのないよう
配置し転化生成物濃度の増加した反応後期に触媒層内ガ
ス通過速度を低下させることにより早く完結させる方式
を以て触媒量と伝熱面積を最小とする使用方法も可能で
ある。

具体的事項の第２は冷却管の配置および配列に関する事
項である。

この発明における冷却管の配置配列は前記の如く触媒層
内の半径方向温度分布が所望の最適分布になるよう転化
反応および触媒の特性に応じ任意に設計可能である。

しかしながら、この反応器の如く半径方向にガスを流通
させる場合には谷半径方向におけるガス流量が均等であ
ることが望ましい。

触媒層内における冷却管の存在はガスの流通に影響を与
える。

従って各半径方向におけるガス流量の均等化を実現する
ためには冷却管を同心円配列とすることが最も望ましい
。

かくして冷却管の配列されている同心円は反応器の大き
さ、反応熱量に従って多数が存在することとなるが、触
媒層最外周と最外周同心円との間隔、相隣れる同心円の
間隔、最内周同心円と触媒層内周との間隔などは前記の
如く触媒層内の半径方向温度分布を転化反応および触媒
の特性、ガスの流通方向など設計上の諸要因の組合せに
従い最適分布になるよう選択さるべきで、必ずしも均等
間隔とはならない。

また、同心円の位置に応じる反応熱除去のため冷却管の
直径を変更するなどの方法で伝熱面積の配置密度を調節
することも、この発明の効果を犬とする意味で重要であ
る。

また、この発明においては同一同心円に配列されている
各冷却管中を流れる冷却媒体の量が均等であることが重
要である。

このためには冷却管群が水平あるいは傾斜していること
は好ましくなく垂直に配置することが最も好ましい。

具体的事項の第３は冷却媒体の使用方法に関するもので
ある。

この発明において使用可能な冷却媒体は、ガス状、液状
、ガス−液の混合物のいずれをも使用することができる
。

これらのうち、ガスを使用する場合は顕熱を利用するこ
とになるが、液状冷却媒体の場合は１種以上の成分を含
む液体につき液体状態のまま温度を上昇させて反応熱を
吸収する顕熱方式と、液体を蒸発させて潜熱により反応
熱を吸収する潜熱方式と２種類の方法があり、またガス
と液の混合冷却媒体には液の顕熱を利用する場合と蒸発
潜熱を利用する場合の２種があることは上記の通りであ
るが、これ以外にガスの構成成分と液の構成成分が例え
ば炭化水素系物質の液と炭化水素系物質のガス（蒸気）
あるいは水と水蒸気などの如く、液状物と蒸気の凝縮物
間に相溶性のある場合と、例えば水蒸気と炭化水素系物
質の液体などの如く液状物と蒸気の凝縮物間に相溶性の
ない場合との２種類の方法がある。

これら諸侯用法中、顕熱を利用する方法はガス・液また
はその混合物のいずれを使用しても、冷却媒体の出口温
度は入口温度より高く、触媒層の上部と下部に若干の温
度差を生じること、また顕熱利用の場合は同一量の反応
熱を除去するための導入冷却媒体量を潜熱使用の場合に
比較し顕著に多（する必要があることなどの理由で触媒
層の上下に若干の温度差があっても差支えなく、また発
生反応熱が比較的小量の場合に限られる。

従って、この発明を実施する際の冷却媒体の使用方法と
して最も望ましいのは蒸発潜熱により反応熱を吸収する
方法であり、これには上記の如く液と蒸気の凝縮物間に
相溶性がある場合とない場合の２種があり、これらの適
用法については後記する。

上記の如く冷却媒体の使用方法については、多くの方法
が考えられるが既に詳記した如く必要伝熱面積を小とす
るためには、冷却管内部の冷却媒体の粘度は小であるこ
とが必要である。

この発明の手段としての目的より冷却媒体の粘度は１ポ
アズ以下であることが必要である。

冷却管中の冷却媒体の流過方向は冷却媒体の顕熱を利用
する場合には下向流とすることも可能であるが、各冷却
管へ冷却媒体を均等に流通させるためには顕熱利用およ
び潜熱利用の場合ともに上向流とすることが望ましい。

具体的事項の第４は触媒の支持方法に関するものである
。

この発明においては前記の如く反応器内の最外周部と中
心部に触媒が存在せず、かつガスが容易に流通し得る空
間が必要である。

そのためには前記の如き触媒充填法を利用して第２図に
おける触媒送入口２５から触媒を流し込む場合に、この
雨空間に触媒粒が侵入しないよう触媒受けを設備する必
要がある。

この触媒受けは、外周部と中心部に２個所設備する必要
があるが、外周部と中心部では若干事情が異なる。

先ず外周部につき説明を行えば、これには大略３種の方
法があり、その第１の方法は第３図の如く耐圧外殻１の
内周面に沿いガスの通過に必要な適当距離を置く適当数
の支持板２７により外殻内面との間に適当な間隔を有し
、かつガスの通過に必要な開口面積と個数の貫通孔４−
４を有する円筒状の板４−２の耐圧外殻内周部に着脱可
能に嵌め込み、有孔板４２の内周面または外周面に適当
メツシュの１枚または２枚以上の網４−３を固定するこ
とを典型とする耐圧外殻内周部に触媒受けを嵌合して設
置する方式である。

この円筒状有孔板４−２は下部においては耐圧外殻１の
底部鏡板部に達し、上部においては冷却媒体の１次集合
管１９の若干上部まで設置しガスの短絡通過を防止する
ため上部と下部の適当高さには貫通孔４−４および網４
−３を設備しないことがよい。

この方式は製作上も簡単であり、使用上も便利である。

第２の方法は第４図の如く多数の冷却管群１５の最外周
列に位置する円筒状配列の冷却管群１５−１の外周側ま
たは内周側に沿い、前記第１の方法の場合と略々同様に
冷却管群に固定された触媒受けを設置する方法である。

第３の方法は第５図の如く冷却管１５の最外周列に位置
する円筒状配列の冷却管群１５１の中心円または外周円
または内周円に沿い、ガスの通過に必要な開孔面積と個
数との貫通孔４４を有する有孔板４−２を以て谷隣接冷
却管との間隙を接続し、さらに内側または外側に前記と
略略同様に網を固定する方法である。

これら３種の方法においていずれも網４−３と有孔板４
−２の相対的取付は位置は第３，４および５図に示され
るものと逆であってもよい。

第２および第３の方法は工作上も容易である。

次に中心部に必要な触媒受げについて述べる。

中心部における触媒受けであって外周部における触媒受
けの第１の方法に相当するものは第３図の右側の図の如
く適当な開孔面積と個数の孔４−４を有しかつ上部に仕
切板２１を取り付けた多孔円筒の板４−２の外周部また
は内周部に適当メツシュと個数の網４−３を固定したも
のをガス出口管８が耐圧外殻１の内部まで侵入している
部分へ嵌合させるか、または溶接などの方法を固着させ
る方式である。

この方式は製作上も使用上も簡便である。

また前記外周部触媒受けの第２および第３の方法に類似
したものも実用に供し得る。

即ち、第６図の如く冷却管群の最内部に位置する円筒状
配列の冷却管１５−２の内周または外周部に沿いガスの
通過に必要な開孔面積と個数とを有する貫通孔４−４を
有する円筒状有孔板４−２を設備し、この有孔板に接し
て内側または外側に網４−３を設備して中心部触媒受け
とする構造か、あるいは第５図の如く中心部においては
外周部におけると同様最内周に位置する円筒状管列の冷
却管群１５２をガスの通過に充分な開口面積と個数との
貫通孔４−４を有する帯状板４−２で接続し、この管列
の外周または内周に沿い網４−３を固定する構造である
。

これら中心部触媒受けでは第７図２１の如く上部に蓋を
付属させる必要がある。

またこれら中心部触媒受けの上端部および下端部におけ
る貫通孔４−４や一枚または２枚以上の網４３それぞれ
の第１集合管１９および第２分配管１８に対する相対的
位置関係は、外周部触媒受けの場合と略々同様である。

以上の如き触媒受けを設置するために得られる利便は第
１に製作する際の工作が容易なことであり、第２には外
周部または中心部において円筒状管列１５−１または１
５−２における隣接管との間隔および板４−２にある各
貫通孔の開口面積、および貫通孔の分布状態を調節変更
することにより、特公昭４１−５９２５の記載、即ちガ
スの入口側または出口側において触媒層を区画する２枚
の壁面を使用することなく１枚の壁面のみで触媒層の各
半径方向におけるガス通過量および触媒層の各高さにお
けるガス通過量の均等化を行わせることに相当させられ
得ることである。

しかしながら、触媒の粒体としての性質によっては、前
記の如き触媒充填法を行えば全触媒層にわたり均一密度
で触媒がつまらぬ場合もある。

このような場合には外周部および内周部触媒受けの両多
孔円筒に上記の如きガス流量規制の機能を与え、更に触
媒層の外周と内周の中間に１個所または２ケ所のガス流
量規制用多孔円筒または相互間隙小なる同心円状冷却管
列を設置することが望ましい場合もある。

これら流量規制用多孔円筒にある孔の形状には特別な制
限はないが、製作上から円形孔が最も簡便である。

この発明の実施の際の具体的事項の第５は分配管および
集合管に関するものである。

実施に際しで使用される冷却管１５の総数は少ない場合
もあるが、多数の冷却管を使用する場合が多い。

冷却管１５の総数の少ない場合は、例えば第２図におけ
る１個の１次分配管１７に全ての冷却管１５を接続する
ことが可能である。

従って、このような場合には二次分配管１８の必要がな
い。

しかし、冷却管が多数であり、これらを全て１個の一次
分配管１７に接続不可能である場合には、二次分配管群
１８を設備し冷却管１５の一部または全部を二次分配管
群１８のいずれかの分配管に接続し、二次分配管１８は
連結管２３にて一次分配管１７と接続することにより、
この発明を実施することが可能である。

更に冷却管１５の総数が非常に多い場合には、上記に準
じて三次、四次の分配管を設備することにより、この発
明を非常に大型の反応器においても実施し得る。

第２図は二次分配管を使用した例であって、この発明は
この図により制限を受けるものではない。

これらの分配管を設備するに当っては、各次数の分配管
とも冷却管および連結管２３などを接続するために、充
分な相互間隔を置いて同心円状に配置することが、製作
上および使用上も好都合である。

また多数の冷却管１５に均等に冷却媒体が流入するため
に、−炭分配管への冷却液入口管９、−炭分配管１７と
２次分配管との連結管２３、更には２次分配管と３次分
配管の連結管などを中心軸に対し対象の位置に１個以上
設備することが重要である。

集合管１９についても分配管の場合と略々同様に冷却管
少数の場合は一個の集合管に全ての冷却管を接続するこ
とが可能であるが、冷却管多数の場合は、二次、三次な
どの同心円配列の集合管および各次数の集合管を連結す
る１個以上の連結管２４などを設備し、逐次集合管数を
減少させることが、製作上も使用上も好都合であるが、
最終集合管、第２図においては２０、のみは冷却媒体の
各冷却管への均一分流を行わせるために１個とし、最終
集合管内の流速が適当に保持されよう、その大きさと形
状を決定することが通常の場合において好都合である。

しかしながら、反応器が非常に大きく、かつ反応熱量が
比較的小である場合には、冷却媒体に前記の蒸発潜熱利
用方式を採用し内容積大なる最終集合管に蒸気と液を分
離する機能を付与し、分離液の下降管２８、第２図にお
いて破線表示、を中心部のガス空間内に設備し、この下
降管２８を一次分配管１７と１個以上の連結管２９で連
結し、反応器内において冷却媒体が自然循環を行い、冷
却媒体出口１０からは冷却媒体の蒸気のみを取り出し、
この蒸気量に均衡する冷却媒体液を冷却媒体人口９より
補給するが如き構造および使用法とすることが、反応器
外に冷却媒体の蒸気−液分離器を設備し蒸気を分離した
液を反応器外に設置した液下降管経由、重力による自然
循環またはポンプを使用する強制循環方式を以て冷却媒
体人口９に循環返送する場合に比較し、遥かに簡単有利
である。

なお、冷却媒体の分岐と集合は、その構造を樽状部材を
以て構成せず、耐圧外殻と絶縁して設備する密閉容器よ
り分岐せしめてもよい。

この発明の実施の際の具体的事項の第６は、熱膨張差に
よる熱応力の発生を軽減する方法である。

この発明の反応器は前記した如（従来のものに比較し、
使用中の触媒層内の温度差が遥かに小となるが、なお若
干の温度差は残留する。

従って、分配管１７および１８、連結管２３、冷却管１
５、集合管１９および２０、連結管２４などで構成され
る冷却用構造体の容管部の間には、温度差に起因する熱
膨張差のため上記容管の接続部位を中心に軽度ながら熱
応力が発生する。

これら熱応力は、この冷却用構造体が、主として、全て
管状材により構成されているため必要に応じ容管に彎曲
部を配備することにより、軽減分散させることが可能で
あり、通常彎曲部を有する容管によりこの冷却用構造体
を構成させることが望ましい。

また耐圧外殻１と冷却用構造体の間にも温度差が存在す
るが、この温度差に起因する熱応力の発生は冷却液人口
９、冷却媒体出口１０などの冷却用構造体への冷却媒体
出入管が耐圧外殻１を貫通する部位において第２図が示
す如くグランド方式あるいはエクスパンションベローズ
方式など周知の伸縮可能ガス漏洩防止方法を適用するこ
とにより完全に防止することができる。

発明実施の際の具体的事項の第７はこの反応器に導入さ
れる原料ガスの予熱に関する事項である。

この反応器を使用することにより反応熱は殆ど全部冷却
媒体に吸収することができ反応を終了し触媒層を離れる
ガスの温度は前記の如く所望に設定された触媒層温度分
布の出口温度であり、これは原料ガスの触媒層入口温度
より若干高い温度である。

従って、触媒層に入るガスと触媒層を出るガスを熱交換
することにより触媒層に入るガスの予熱をすることがで
きる。

熱交換法としてはこの反応器外で周知の熱交換器を用い
て行う方法もあるが、例えば第８図の如くこの反応器の
内部空間に熱交換器を設置して行うこともできる。

第８図は、この発明の反応器の中心部空間に周知の多管
円筒型熱交換器を設備した例であり、主要構造は多数の
管３０、これらの管３０を固定する管板３１およびこの
熱交換器用の殻３２により構成される。

この例では転化用原料ガスはガス人ロアから導入され、
まず上記多管円筒型熱交換器のシェル側、即ち管３０の
外面と管板３１と外殻３２の内面に囲まれる空間に入り
管内を通過する高温の触媒層出口ガスと熱交換して予熱
されガス分配管３４を経由し触媒層入口空間１３から前
記の如く触媒層に入る。

触媒層から触媒層出口空間１４に出たガスは下部から管
３０内に入りシェル側を流通する転化用原料ガスと熱交
換し温度降下後、出口空間３３を経由しガス出口８を通
り反応器外へ排出される。

このような予熱用熱交換器では管板３１の内外の圧力差
は主としてガスが触媒層を流通するときの圧力損失によ
るのであり、これは極めて小であるため管板を使用する
ことによる障碍は生じない。

以上のこの発明による反応器の構成材料としては、ガス
の転化圧力、転化温度、および冷却媒体の圧力、温度な
どの諸条件下において発生する各種応力に耐え、かつ転
化反応に悪影響を与えぬ材料は全て使用可能である。

次にこの発明の応用法について述べる。

この発明による反応器は水素と窒素を含有するガスを供
給原料とするアンモニアの製造、水素と一酸化炭素、お
よび／もしくは二酸化炭素を含有するガスを供給原料と
するメタノール、メタンおよびその他のメタン以上の高
級炭化水素などの有機化合物の製造、水蒸気と一酸化炭
素を含有するガスを供給原料とする水素の製造、炭化水
素と塩素を含有するガスを供給原料とする塩素化メタン
、塩素化エチレンなどの飽和塩素化炭化水素製造反応、
炭化水素と酸素を含有するガスを供給原料とするエチレ
ンオキサイド、無水マレイン酸、無水フタール酸などを
製造する酸化反応、炭化水素と塩素および／もしくは塩
化水素と酸素を含有するガスを供給原料とする塩化ビニ
ールの如き不飽和塩素化炭化水素を製造するオキシクロ
リネーション反応、炭化水素とアンモニアと酸素を含有
するガスを供給原料とする青酸、アクリロニトリルなど
のシアン誘導体を製造するアンモノオキシデーション反
応、不飽和炭化水素ガスと水素を含むガスを供給原料と
し、シクロヘキサンなどの飽和炭化水素を製造する水素
添加反応、不飽和炭化水素と飽和炭化水素を含有するガ
スを供給原料とするイソオクタン、エチルベンゼン製造
などの如きアルキレーション反応、含酸素有機金物と酸
素を含有するガスを供給原料とするホルムアルデヒドの
製造の如き酸化反応などの如き発熱反応であって触媒層
に流入する原料および触媒層を去る反応−生成物が転化
反応を生起する温度および圧力下においてガス状態であ
り、かつ触媒層内の温度分布を適正とすることが望まし
いか、または触媒全体の温度制御を厳密に行うことが望
ましい化学反応に適用することができる。

加えて、この発明の利用により前記の如き反応熱の有効
利用率の向上による全製造工程での使用エネルギーの節
減、反応器設計の平易、製作時の材料節減を行うことが
可能であることの外、更に上記諸化学反応を遂行するに
際し、触媒層内温度分布の最適化、触媒層全体の温度の
精密制御により主生成物質の収率向上、副生物生成の抑
制、触媒寿命の延長を実現することが可能である。

これらの諸化学反応に、この発明の反応器を適用する際
に使用する触媒には特に制限はなく、所望の化学反応を
生起するに最も都合の良い触媒を選択使用できる。

また、触媒層中においてガスが進行するに伴い異なる特
性を有する触媒と接触する如く、特性の異なる１種以上
の触媒を使用して更に反応器の性能を高めることが可能
である。

この発明による反応器が適用できる上記諸反応の中でも
１００ ｋｇ／ｃｒＡＧの圧力以下で行う大規模アンモ
ニアおよびメタノールの製造では、前記したこの発明の
適用の結果として得られる技術上の利点が特に犬なる経
済的利益を生せしめる。

次に、この発明により冷却媒体が吸収した反応熱の利用
法につき述べる。

反応熱の利用法は多岐にわたるか、前記の如き顕熱を利
用する冷却媒体使用法の場合は、他の工程において必要
とされる温度の高い原料の昇温のためにこの反応器を使
うことができる。

蒸発潜熱を利用する冷却媒体の利用法においても、これ
と同様の反応熱利用ができる。

例えばナフサを原料としてアンモニアを製造する場合、
高圧水蒸気または熱水と液状ナフサの混合物を冷却媒体
として使用し、この反応器により水蒸気の加熱または発
生とナフサの蒸発を行った上、高温のままアンモニアの
原料である水素の製造工程の原料とするなどの如き多く
の利用法がある。

また、蒸発潜熱を利用する冷却媒体使用法ではこの外、
蒸気と液を分離後、蒸気を別工程に導入し直接または間
接に他物質を加熱するか、また蒸気の圧力を利用し再加
熱するかまたはせずにタービンを使用して機械的動力に
変換し発電を行ったり、または直接反応器に導入するガ
スの圧縮に利用するなど非常に利用範囲が広い。

従って、この発明の反応器に使用する冷却媒体には入口
温度および流量の調節、また冷却媒体に加えられる圧力
を増減することにより、その沸騰温度を調節するなどの
手段で転化反応、使用触媒の特性などに応じて決定する
触媒層温度より若干低い温度に調節可能であり、かつ使
用中に熱による変質が少なく、材質を腐蝕する恐れの少
ないものであれば、特別な制限はない。

特に、蒸発潜熱を利用する冷却媒体使用法においては、
冷却媒体蒸気の保有するエネルギーを有効に利用する意
味において最も適当なものは水、脂肪属炭化水素留分、
芳香族炭化水素化合物、芳香族塩素化炭化水素、ジフェ
ニールオキサイドなどの芳香族化合物などから選択され
た１種類、または２種類以上のものの混合物である。

これらのものを蒸発潜熱を利用する方式で冷却媒体とし
て使用する際、触媒層全体の温度はこれら冷却媒体の圧
力を変更し、沸騰温度を変更することにより厳密に制御
することができる。

しかしながら、このような場合の冷却媒体の圧力として
使用可能圧力の上限は、前記の自然循環を利用した場合
で約１５０ ｋｇ／ｃＡＧ、強制循環を利用した場合に
おいて約２００ ｋｇ／ｉＧ程度であり、これ以上の圧
力では冷却管の冷却能力が低下し不適当である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来より周知の反応器の垂直断面図である。 第２図はこの発明の反応器の一例の垂直断面図であり、
第３図は第２図における外周部および中心部触媒受は部
の一例の拡大図であり、第４図は第３図の外周部触媒受
けの一例の水平断面図であり、第５図は外周部および中
心部触媒受は構造の一例を示す図であり、第６図は中心
部触媒受けの一例の水平断面図であり、第７図は中心部
触媒受けの一例の垂直断面図であり、第８図はこの発明
において反応器の中心部の空間部に原料ガス予熱用熱交
換器が組み込まれた具体例を示す図である。 記号、１・・・・・・耐圧外殻、２，３・・・・・・管
板、４・・・・・・網、４−０・・・・・・外周触媒受
け、４−１・・・・・・内周触媒受け、４−２・・・・
・・板、４−３・・・・・・網、４−４・・・・・・貫
通孔、５・・・・・・管、６・・・・・・触媒層、７・
・・・・・ガス入口、８・・・・・・ガス出口、９・・
・・・・入口、１０・・・・・・出口、１１，１２・・
・・・・蓋部、１３，１４・・・・・・空間、１５・・
・−・・冷却管、１６・・・−・・支架、１７−・・・
・・−灰分配管、１８・・・・・・二次分配管、１９−
・・・・・−次集合管、２０・・・・・・二次集合管、
２１・・・・・・仕切板、２２−・・・・・隔壁、２３
，２４・・・・・・管、２５・・・・・・触媒送入口、
２６・・・・・・触媒排出口、２７・・・・・・支持板
、２８・・・・・・下降管、２９．３０・・・・・・管
、３１・・・・・・管板、３２・・・・・・殻、３３・
・・・・・空間、３４・・・・・・分配管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固体触媒とガス状原料とを接触させ、発熱転化反応
   を生起せしめて、ガス状反応生成物を得る為の垂直中空
   円筒形触媒層を内蔵する反応器において、冷却媒体が該
   触媒層中に垂直に配設された冷却管群の各管内部を流通
   し、ガス状原料は該触媒層中を略半径方向に流通せしめ
   られることを特徴とする反応器。 ２ 該触媒層の水平断面において、冷却管群の容管の中
   心が、該触媒層の中心を中心とする少なくとも１個の同
   心円周上に配設されている特許請求の範囲第１項記載の
   反応器。 ３ 該冷却管群の容管へ冷却媒体を分散流入せしめる分
   流部構造、および該容管から冷却媒体を集合流出せしめ
   る合流部構造が、それぞれ管状部材を以て構成される多
   岐管構造体である特許請求の範囲第１項もしくは第２項
   記載の反応器。 ４ 半径方向について、該触媒層外周と該冷却管群が配
   設される最外側同心円周との間隔、それぞれ該冷却管群
   が配設されている同心円周群中の相隣れる同心円周間の
   間隔および該冷却管群が配設される最内側同心円周と該
   触媒層内周との間隔がそれぞれ所定の寸法に調整されて
   いる特許請求の範囲第２項記載の反応器。 ５ 管径が相違する冷却管群が配設されている特許請求
   の範囲第１項、第２項もしくは第４項記載の反応器。 ６ 該各回心円周上の該各冷却管群はそれぞれの同心円
   周上において、相隣れる冷却管の間の間隔が所定の寸法
   に調整されている特許請求の範囲第２項、第４項もしく
   は第５項記載の反応器。 ７ 半径方向へのガスの均一流通の為、該触媒層の水平
   断面において該触媒層の中心軸を中心軸とする円筒形多
   孔壁が、該触媒層の外周と内周との間に、少なくとも１
   個設備されている特許請求の範囲第１項、第２項、第４
   項、第５項もしくは第６項記載の反応器。 ８ 固体触媒とガス状原料とを接触させ、発熱転化反応
   を生起せしめて、ガス状反応生成物を得る為の垂直中空
   円筒形触媒層を内蔵し、冷却媒体が該触媒層中に垂直に
   配設された冷却管群の容管内部を流通しつつ、ガス状原
   料が該触媒層中を略半径方向に流通せしめられる反応器
   の使用方法において、該谷冷却管中の冷却媒体が、所望
   の沸騰温度にある気液混和前もしくは液態を呈する所定
   圧力に調節されることを特徴とする該反応器の使用法。 ９ 該冷却管中の冷却媒体が、該各冷却管群それぞれに
   ついて、所望の沸騰温度にある気液混和前もしくは液態
   を呈する所定の圧力に調節される特許請求の範囲第８項
   記載の反応器の使用法。