JPS60102930A - 反応器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、触媒の存在下に流体を反応させる反応器の改
良に関する。さらに詳しくは、発熱または熱熱を伴なう
触媒反応を、所定の圧力、温度のもとて所望の反応率ま
で達成させる際に、発生する反応熱の回収または必要と
する反応器の供給を行ないながら触媒層の温度分布をプ
ロセス上要求される最適分布に近づけることが可能な反
応器構造の改良に関するもの′である。

従来、固体触媒存在下でガス状原料を所定の圧力、温度
のもとで、所望の転化率で反応生成物に転化させる例は
種々あり、１ず、発熱反応の例は一酸化炭素および水素
を主成分とする合成ガスからのメタノール合成であり、
吸熱反応の例は、上記とは逆にメタノールを分解して一
酸化炭素および水素を主成分とするガス状混合物に変え
るプロセスである。このｔｌか、いずれも発熱反応の例
として、メタノール合成、メタン化反応、メタン以上の
高級炭化水素などの有機化合物の生成反応、およびメタ
ノールからのガソリン合成などが挙けられるが、これら
の反応を行わせる従来の反応器の構造上の欠点を、合成
ガスからのメタノール合成を例にとって以下に説明する
。

上述の通り、−酸化炭素と水素を主成分とする合成ガス
を原料とするメタノール合成は、銅系の触媒を用いて、
圧力５０〜３　Ｄ　Ｄ　ｋｇ／ｌｒｎ”　、Ｇ。

温度２００〜３００℃の範囲にて行うことが一般的であ
るが、この際に発生する反応熱を反応過程に沿って除去
しなければ、反応ガスと触媒層の温度の過大上昇を招き
、ひいては触媒の劣化と化学反応衝面から所望生成物濃
度の低下を招くこととなる。

このため、従来から反応熱を除去して反応温度の過大上
昇を防止するための種々の方法と構造が工夫されている
。従来法の例として、古くは反応器の触媒層に流入する
前の冷たい未反応ガスと、触媒層を出る暖かい反応ガス
との間でガス−ガスの熱交換を行わせる方法、又触媒層
を多段に設は各触媒層の出口において冷たい多重の未反
応ガスで混合し直接クエンチする方法が知られている。

しかし、前者の方法は触媒層に流入するガスの予熱必要
熱量よりも、発生反応熱が犬なるため反応温度の上昇を
十分防止しきれない等の欠点を有し、また後者の方法は
、クエンチガスを混合するので反応ガス流量の増大、所
望生成物の濃度低下を招くほか、反応熱の回収のために
はさらに別の装置を必要とし、しかも回収熱のエネルギ
ー・レベルは低い等の欠点を有する。

次に、進んだ反応熱の処理方法として、反応熱を間接的
に熱媒体に移動させることにより、触媒層中の反応ガス
と触媒を冷却する方法がある。この際の熱媒体としては
、水のほか、適当な沸点と蒸発潜熱、比熱等を有する蒸
発性の水や有機液体等が用いられ、反応熱はこれら液体
の顕熱又は蒸発潜熱の形で回収される。実用上屋も望丑
しいのは水を熱媒体として用い、反応温度よりも低い温
度を沸ｊ騰温度とし、これに対応した飽和圧力のもとて
水を沸１１＆−ｇせて高圧蒸気を得、反応熱を蒸発潜熱
の形で回収するものであり、この目的に用いられる反応
器としで従来の代表的な三個につき、その欠点を以下に
述べる。

第一の例は、特公昭５７−３８５６８号公報に提案され
るようにシェル・アンド・チューブ方式の熱交換器を用
い、管内に触媒を充填し、管外は沸騰水で満たされ、高
圧蒸気発生によって触媒層を間接的に冷却するものであ
るが、欠点としては特に大型化において触媒の充填と排
出が困難になること、触媒層内ガス流通時の圧損が大き
いこと、管板が厚くなること、外殻と触媒充填管の熱膨
張の差を吸収することが困難になること等が挙げられる
。

つぎに第二の例は、西独特許ＤＥ３００７２０３Ａ１に
提案されるように、管外に触媒を充填し、管内に冷却流
体を流す方式を採用すると共に、当該冷却管（ｒＵ字管
とするかもしくは冷却管群の一方の端をヘッダに連結す
ることにより、管板を一枚で済ませており、前述の第一
の例の欠点の１部を解消してはいるが、やはり大型化に
当っては、触媒の充填と排出の困難性、触媒層内ガス圧
損の増大、管板肉厚の増大等の問題が欠点として考えら
れる。

第三の例は、特開昭５５−１４９６４０号公報に提案さ
れるもので、この方式は反応器内触媒層の上下にリング
状のヘッダを配置し、触媒層を垂直方向に貫通している
冷却管群の両端をそれぞれ前記のヘッダに連結すること
によって管板を排除すると共に、円筒状外殻の外周部と
中心部に触媒不在の空間を設け、当該内空間のどちらか
一方から他方に反応ガスを半径方向に流すことによって
、ガスの流通断面積を増大し圧損の低減を計っているが
、上下方向の触媒充填密度の差によるガス偏流が発生す
ること、触媒層の上下Ｖこそねそれヘッダを有すること
に帰因する触媒の充填と排出の困難性のあること、さら
に冷却管群の補強と支持、点検、補修等にも困難性が予
想されるという欠点がある。

本発明の目的は、上述のような従来の反応器の欠点を勢
消した反応器を提供することにあり、本発明の要旨とす
るところは発熱塘たに吸熱を伴う触媒反応を行わせる反
応器であって、（ａ）下方に開閉自在の触媒受けを有す
る触媒層を内蔵する外殻と（ｂ）該触媒層をほぼ水平方
向に貫通する熱媒体用伝熱管群と該伝熱管部の両端に連
結された熱媒体分配用ヘッダ及び熱媒体集合用ヘッダよ
りなる管群構造体、よりなり、（ｃ）該管群構造体の一
端は支持された自由端としその他端は前記外殻と固定し
てなることを特徴とする反応器の提供にある。

本発明による反応器の利点は、製作、点検、補修、輸送
が容易で、触媒の充填と排出がし易く、冷却管群とヘッ
ダの支持、触媒層の支持も容易でかつ無理がなく外部へ
のガスリークを防止するためのグランドやベローズを使
用シタシール部分がなく、熱膨張差を無理なく吸収でき
る構造を有し、また性能的には触媒層内温度を所望の温
度分布に維持でき、反応ガスの圧損を低減させることを
可能としたことである。

以下、図面に基づいて本発明の詳細をより具体的に説明
する。第１〜９−ａ、ｂ図は本発明による反応器の一実
施例及び具体的実施態様例を示すもので、例えば合成ガ
スからのメタノール合成反応にＪ雌用されるものである
。第１〜９−ａ、ｂ図において、１は耐圧外殻、２はガ
ス供給口、３はガス排出口、４は触媒充填口、５は触媒
排出口、６はマンホール、７はフランジ、８は蓋部、９
は蓋部、１ｏは熱媒体供給口、１１は熱媒体排出口、１
２は熱媒体導管、１５は熱媒体分配用ヘッダ、１４は冷
却管（又は加熱管）、１５は管束補強板、１６は熱媒体
供給口ヘッダ、１７は隔壁、１８は触媒受け、１９は網
、２゜はレール、２１はコロ、２２は反応器支持台、２
３は触媒層、２４は触媒層側壁、２５は隔壁、２６はフ
ィン、２７は管束、２８〜３ｏは空間、３１は押え板、
３２はルーバ状触媒受格子を示す０ 第１図は、本発明による反応器の一例の縦断面を示す図
である。

第１図において、１は横置きした円筒状の耐圧外殻であ
り、２３は触媒層、１４は冷却管（触媒反応が吸熱反応
であれば、当然この管は加熱管とする）、１３．１６は
それぞれ熱媒体分配用と集合用のヘッダである。本発明
による反応器では、前記耐圧外ｆａ１に内蔵された触媒
層２３は、下部を通気性の触媒受け１８と、その」二に
重ねた網１９との組み合わせにより支えられ、さらに触
媒層２３０前後左右の側面は隔壁１７によって支えられ
ると共に、触媒層２３の内部にほぼ水平方向に多数の冷
却管１４を貫通させ、該冷却管群の両端をそ九ぞれ前述
の熱媒体分散用及び集合用のヘッダ１３及び１６に連結
して一体化し管群構造体としである。

予じめ所定の温度と圧力まで、予熱および昇圧された原
料ガス？ｊ　％第１図左端のガス供給口２より導入し、
空間２８．２９を経°Ｃ１触媒層２６の上端部から流入
させ、触媒層内を下向きに流して所望の転化率まで反応
を完結したあと、同触媒層２３の下端部から反応後の混
合ガスを取出す。この時反応ガスのショートバスを防止
するために、不定形態大物等で造形された隔壁１７を設
け、確実に反応ガスが触媒層を通過するようにする。

また一方、熱媒体は、第１図右端の熱媒体供給口１０よ
り導入し、熱媒体導管１２、熱媒体分配用ヘッダ１３、
冷却管（又は加熱管）１４を経て、熱媒体集合用ヘッダ
１６に導き、熱媒体排出口１１から取り出す。

上述のような反応ガスと熱媒体の流通過程において、触
媒層を貫通している管１４の管壁を通じて反応ガスと熱
媒体間の熱交換が可能であるため、発熱反応の場合には
、触媒層内の反応の進行に伴なって発生する反応熱の除
去、また吸熱反応の場合には、必要とする反応熱の供給
ができることとなる。

以上が、本発明による反応器の構造と機能の概略である
。さらに、本発明の具体的実施態様を詳述する。

具体的実施態様のその１は、ヘッダを含む管群構造体と
その支持である。

第２図及び第４図は、ヘッダに注目して、それぞれ第１
図におけるＡ−Ａ断面を左から見た図とＣ−Ｃ断面を右
から見た図である。第５図及び第７図は、ヘッダと冷却
管（又は加熱管）に注目して、それぞれ第１図における
Ｄ−Ｄ断面の左端と右端を上から見た図である０これは
本発明による反応器の一例ではあるが、本実施態様例で
示すヘッダ１３．１６は円筒状のシンプルな形状であり
、まず多数の冷却管（又は加熱管）を、当該へラダ１３
と１６に連結し固定する。つきに、第５図及び第７図に
示すように、触媒支持も兼ねて前記管群の周囲を触媒層
側壁２４で囲み、また第１図に示すように前記管群の下
部に触媒受け１８を設置し、管束は管束補強板１５にて
補強する。必要に応じてさらに補強策を施せば、上述の
管群は一つの構造体として十分な剛性を有することとガ
る。また前記管群構造体は、第１図に示すように、右端
を蓋部８に固定し、左端はレール２０とコロ２１との組
合せで支持するに留め水平方向に自由にスライド可能に
しておくことにより、つぎに述べるように熱による伸び
差を吸収できることとなる。

さらに、このように横移動可能な機構で支持することに
より、外殻のフランジ部を開放すれば、前記管群構造体
を横方向に外殻内から引き出せる構造とすることもでき
る。

以上、本具体的実施態様例では円筒状ヘッダを使用する
場合について説明したが、ヘッダの形状はこれに限定さ
れるものでは々く、球状又はリング状ヘッダ等を使用し
てもよい。

具体的実施態様のその２は、熱膨張対策である。熱膨張
に伴なって対策が必要なのは、管群構造体と耐圧外殻間
の熱膨張差を吸収することと、触媒層と管群構造体の熱
膨張差に帰因する摩擦−や触媒層の圧密を微小にするこ
との二点についてである。管群構造体と耐圧外殻の熱膨
張差は、前述したように管群構造体の一端を耐圧外殻に
固定、他端は下部を支持した自由端とすることによって
吸収できる。また、触媒と管群との力学的な相互作用に
ついては、管群構造体の中に触媒を充填しているため、
熱膨張時には管群と触媒はほぼ同様の動きをするので過
度の摩擦や圧密か防止できる〇 具体的実施態様のその３ｒｄ　、触媒の充填と抜出しで
ある。第１図に示すように、触媒は触媒充填口４を通じ
て充填するが、冷却管（又は加熱管）１４の上部の空間
２９には、ヘッダ等の障害物が全くないため触媒の充填
は容易である。

触媒の抜出しは、触媒受け１８と網１９を取りはすし、
触媒排出口５を開放することによって容易に行わｎる。

また、触媒受け１８は、多孔抜等通気性の板で造形した
ルーバー構造を採用したり、伝熱管群にバイブレータを
設置すれば触媒の排出、充填がさらに容易となる。

第９−ａ、ｂ図はルーバー状触媒受は格子の一実施態様
例を示すものである。第９−ａ図の例は、触媒層２３の
下面又は下部に開閉又は開放自在のルーバー状触媒受格
子３２を設け、触媒充填時には、前記格子３２を押え板
３１で押えて触媒層を支えているものである。触媒排出
時には、第９−１）図のように押え板３１を取りはずす
ことにより、ルーバー状触媒受格子３２を垂直に垂らし
て、触媒を下方から取り出すことができる。

具体的実施態様のその４は、触媒層内温度分布の調整で
ある。第３図は、第１図におけるＢ−Ｂ断面を示す図で
あり、ｍ６図は第３図における管束の一部を拡大して、
管配列を示したもので、ファン２６を取りつけた冷却管
（又は、加熱管）１４を採用した例である０こ町らの図
では、管配列は触媒層の全域にわたって均一としている
が、触媒層内の最適な蹴度分布を達成するためには、同
触媒層を質通する管群の管束密度を変えたり、伝熱用フ
ィンの設置の有無等により、反応ガスの流動方向に単位
触媒層当りの伝熱面積を変化させｊば良い。冷却用又は
加熱用伝熱管の形状としては、円管、断面が円形以外の
異形管又はそれらに伝熱用フィンを付した管が使用でき
る。

具体的実７１態様のその５は、触媒層内温度レベルの調
整である。氾１図に示すように、冷却管（又は加熱管）
１４の内部を流を熱媒体としては、顕熱を利用する場合
、蒸発熱あるいは凝縮熱の潜熱？利用する場合、おＪ：
び顕熱と銹熱の両方を利用する場合のそれぞｉ’ＬＫ対
しで、適当な沸点、蒸気圧、比熱、蒸発潜熱および熱的
安定性などを有する液体を選定すれば良いが、熱媒体の
流量を少なくし冷却又は加熱の均一性を確保するために
最も好ましいのは蒸発熱あるいは凝縮熱の潜熱を利用し
て触媒層の冷却あるいは加熱を行なうことであり、たと
えばメタノール合成の場合には熱媒体として水を使用し
、反応熱を高圧蒸気で回収するのが好ましい。この時、
熱媒体の圧力を操作すれは、熱媒体の温度は当該圧力に
対応した飽和温度となるため、触媒層温度を所望のレベ
ルに容易に調整することができる。

具体的実施態様のその６は、触媒層内における反応ガス
の圧損の低減である。第１図と第３図に示す触媒層２３
の断面図を見て判るように、触媒層２３は水平方向に長
く、上下方向に短い形状を有し、反応ガスは触媒層内を
上から下向きに流すため、従来の西独特許ＤＥ３００７
２０３ＡＲＫ提案される縦置き軸方向流方式に比し、ガ
スの通過断面積が大きく、通過距離が短かいため、圧損
が一段と小さくできる。

また、従来の特開昭５５−１４９６４０号公報に提案さ
れる縦置き半径方向流方式は、圧損が本発明よりも小さ
く成りうるが、上下方向の触媒充填密度の差により偏流
が生じ易いため、これを防止するには多孔板等で作った
整流板を外周部、内周部さらに必要あればそれらの中間
に設置する必要がある。ところが、本発明の反応器では
、ガス流れは下向きのたｔ）上下方向の触媒充填密度差
は特に偏流を生む狭因とはならない点で、本発明が有利
である。

具体的実施態様のその７は、反応器内容積のうち触媒層
の占める割合すなわち容積効率の増大である。

第３１ツ１に示す例は、円筒状耐圧外殻１をその軸と直
角方向に切った断面である。第３図から判るように、と
の例では触媒ＪＶＪ２３の断面を矩形、それ故管束もそ
の断面を矩形としているが、容積効率を増大させるには
、第６図に示すように触媒層２３と管束の形状を変える
こともありうる。この際、触媒の充填と排出のし易さ、
ガス流れの均一性を考慮した形状とすべきことは、言う
捷でもない。

（実施例） 本発明による反応器の一例として第１図に示した反応器
を、−酸化炭素と水素を主成分とする合成ガスからメタ
ノールを合成する場合に適用した。試験条件及び結果に
ついて第１表にまとめて示す。

第　１　表 ０　平均反応温度（平均触媒層温度）：　２５０℃０反
応圧力　：１ｏｏｋｇ／α２、Ｇ Ｏ空塔速度　：２００００１／ｈ Ｏ融　媒：銅含有系 （径）：　５鴫φ ０熱　媒　体：飽　和水 ０　回　収　蒸　気：　生成メタノール１トンにつき、
約１トンの高圧蒸気回収 ０　冷　却　管　：外径１インチ、高さ１０閣のフィン
２枚付き ０　原料ガス組成（モル係）　：　Ｈ２Ｂａ１Ｃｏ　２
２．４ ＣＯ２５，４ ＣＦ（４１，４５ ０反応器出口ガス組成（モル％）：　Ｈ２Ｂａ１Ｃｏ　
１２．５ ＣＯ２６，７ ＣＨ４２，２ Ｈ２Ｏ１，９ ＭθＯＨ１８，８ 第１表に示されるように、本発明の反応器を用いること
により、反応熱を生成メタノール１トンにつき約１トン
の高圧蒸気として回収し、所定の反応率でメタノールを
生成させることができた０ 以上述べた通り、本発明による反応器は、従来形の反応
器の欠点を解消したものであり、実施例と［２て発熱を
伴なう合成ガスからのメタノール合成に応用した結果か
らも本発明の有効性は明らかである０言うまでもなく、
本発明の反応益はメタノール合成に限定されるものでは
なく、アンモニア合成やメタノールからのガンリン合成
、メタノール分解など、発熱もしくは吸熱を伴なう触媒
反応全般に適当できるものであるＱ 本発明による反応器の主な利点としては、横置であるこ
とから大型クレーン等を必要とせず建設、点検などが容
易であること、外殻と伝熱管群の間の熱膨張差の吸収お
よび熱膨張に伴なう伝熱管群と触媒層との摩擦の低減が
可能であること、触媒の充填と排出が容易であること、
反応ガスの圧損が小さいこと、触媒層内の温度分布と温
度レベルの調整が可能かつ容易であること、管板を使用
していないので軽量化と大型化に有利なことが挙げられ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による反応器の一例の縦断面図である
。 第２図は、第１図におけるＡ−Ａ断面を左から見た図で
あり、第３図は第１図におけるＢ−Ｂ断面を右から見た
図、第４図は第１図におけるＣ−Ｃ断面を右から見た図
である。第５図及び菓７図は、第１図におけるｒ）−Ｄ
断面の左側部と右側部とを、それぞれ上から見た図であ
り、第６図は第３図における管束の管配列の一部を拡大
して示した図である。 第８図は、反応器における触媒充填部の容積の割合（容
積効率）を増大させるために有効な管束形状の別の実施
態様を示す図である。そして第９−ａ、ｂ図は触媒受け
１８をルーバー状触媒受は格子により構成した実施態様
例を示す図である。 後代理人　内　Ｅ］３　明 後代理人　萩　原　亮　−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 発熱または吸熱を伴う触媒反応を行わせる反応器であっ
   て、（ａ）下方に開閉自在の触媒受けを有する触媒層を
   内蔵する外殻と（ｂ）該触媒層をｌミぼ水平方向に貫通
   する熱媒体用伝熱管群と該伝熱骨牌の両端に連結された
   熱媒体分配用ヘッダ及び熱媒体集合用ヘッダよりなる管
   群構造体、よりなり、（Ｃ）該管群構造体の一端は支持
   された自由端としその他端は前記外殻と固定してなるこ
   とを特徴とする反応器。