JPS60110328A - 接触反応装置 - 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】 本発明は固体触媒を使用し、反応中にお（プる原料およ
び生成物のいずれもがガス状である接触発熱反応用反応
装置の改良に関する。更に詳しくは、カス状原料に所望
の転化反応を効率良く行わせるために、温度分布の最適
化を可能とし、触媒層における圧力損失が少い、反応装
置の構造に関するものである。

触媒反応にあっては原料ガスが触媒層内に流入してから
触媒層を出るまでの間の触媒層内の各点においで、反応
速度、副生物の生成ｍ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、触媒層内の各点におりるアンモニアの生成
速度は概路次の式で示すことが出来る。

Ｖ　−ＫＸ　（ＣＩ　０２　）　＝Ｋｘ　Δ　にの式に
おいて Ｖ　：アンモニアの生成速度ｋｇｍｏｌ／時／触媒耀Ｃ
１：触媒層内各点の温度、圧力におけるアンモニアの平
衡濃度のモル分率 Ｃ２：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層内のある点Ａにおける温度が高く
なると、反応速度係数には大となるがアンモニアの平衡
濃度が小となる為に、平衡濃度と実在濃度との差ΔＣは
急激に小となり反応速度■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ｍ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って反応速度に
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゛ノール合成の場合等のごとく副生物例えば高級
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
１′る温度が存在するごとき場合もある。このような意
味において触媒層内のガスの流れ方向にそった各点の温
度を例えば反応速度最大にする温度に保持しつつ反応を
実施することは大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。

上記した触媒層内各点の最適温度はミその点において触
媒と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、触媒層のガス入口から触媒層内の各点に至るガ
スの流路に沿った距離を横軸にとり、温度を縦軸にとっ
て、触媒層の入口から出口に至るまでの最適濃度のグラ
フを書けば最適温度の分布を示す最３８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層
の入口から出口まで一定の温度を示す場合もあるが、多
くの場合にあっては反応の種類、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。

さて触媒反応装置において最大の反応生成物を得るため
には反応温度をこの最適温度分布にコントロールすれば
良い。

しかし実装置においてそのようなコントロールを厳密に
可能とするような構造は困難である。例えば触媒層中に
冷却管を設置した反応装置においても、伝熱面積あるい
は冷却媒体等の関係で、大体この最適温度分布に近づｌ
プるようにしたものでしかない。しかし幸なことにこの
反応速［ｉ大の点はそれ程急なピークを示すことはなく
、ある温度範囲内でかなりなだらかなピークを示す。従
って仮に厳密にこの最適温度にコントロール出来なくて
も、略この温度範囲内にコントロール出来れば、反応速
度最大のゾーンで反応を行わぜることになり、実用的に
は略満足すべき状態と言えるであらう。

触媒反応層を断熱層とし、複数の反応層に分割し、各反
応層の間に熱交換器を挿入して、各反応層の温度をこの
Ｒ適温度ゾーンにコントロールする方法は上述の考えを
具体的に行ったものである。

この方法においては、分割する反応層の数を多（すれば
づる程、それによって得られる温度ゾーンは最適温度分
布に近づくことになる。しかし実際的には分割する数を
１（１ずことはコストの増大を招き、また反応生成物の
濃度もそれほど増加しなくなるので、結局コストとの兼
ね合いによって、適当な分割数が決ることになる。

同じように触媒層を？！２数の断熱反応層に分割し、こ
の中間に冷ガスを導入して温度を最適温度分布に近ずけ
るようにした反応装置がある。このような反応装置は構
造的には簡単であるが、冷ガスによって反応ガスが希釈
されるので、我々の発明のように熱交換器によって温度
をコントロールする場合に比し、最終反応ガス中の生成
物の濃度は大幅に下回ることになる。

我々の発明による反応装置においても、同様に段間に冷
ガスを送入することができるようになっている。しかし
この場合、触媒層温度は主として熱交換器によって目標
の温度にコントロールされ、冷ガス送入はこの温度の微
調整を行うためのものに過ぎない。

接触反応装置において次に重要なことは、触媒層を通過
するガスの圧力降下が小さいことである。

規今のように反応装置が大型になると、ガスを循環せし
める動力も大きくなり、この動力を小さくするために、
ガスの通過抵抗の小さい反応装置がめられる。

この通過抵抗を小さくする方法は種々あるが、最も効果
的な方法として触媒を環状の容器に充填し、ガスを半径
方向に、即ち内から外へ、あるいは外から内へ流す方法
がある。このように半径方向に流すと、ガスの通路断面
積を大ぎくとれ、ガスの通過長さが小さくなるので、圧
力降下は大幅に減少する。

我々の発明がここに提供する反応装置は、反応容器の中
心に設けられた熱交換器と、この熱交換器と反応容器の
間にできる環状の空間に設けられた触媒層の間を反応ガ
スを交互に流通さゼることにより、能率の良い反応を行
わせるものである。

このような反応装置はともづると複雑になりがちである
が、我々は構造の簡単なシェルアントチ」−−ブ型の熱
交換器と、単純な構造の半径流型断熱触媒層を使用する
ことにより、全体の簡潔さを失うことなく、装置全体を
巧みに反応容器に収納することができた。

次にこの反応装置を更に詳細に説明する。

この反応装置に使用される熱交換器はシェルアントチコ
ープ型であり、チューブ側には冷却熱媒体が流れ、シェ
ル側は１つの区画のみであるか、あるいは仕切り板によ
って複数の区画に仕切られている。

反応により温度の高くなったガスは、１つの熱交換器の
シェル側あるいは区画されたシェル側の１つの区画に入
り、反応に好適な湿度まで冷却された後、次の反応層に
流入する。

チューブ側を流れる冷却熱媒体としては、供給原料ガス
自身である場合が通常であるが、また他の冷却熱媒体（
ボイラー水の場合が最も多い）を使用する場合もかなり
ある。また供給ガス自身およびボイラー水により夫々冷
却する場合もある。

いずれにしても反応によって温度の上ったガスを所望の
温度まで冷却すればよい。

本発明における熱交換器のシェル側は、通常仕切り板に
よって複数の区画に仕切られる。この仕切り板は熱交換
器の通常のバッフルプレートのように、単に区画を仕切
るだりのものとは異なり、仕切られた区画間のガスの流
通は完全にシールされていなければならない。この仕切
り板とチューブの間のシールは拡管によるのが簡単で確
実であり、液圧による拡管が好適である。

シェル側の仕切られた区画の数は、通常触媒層の数と同
じであるが、最終の触媒層から流出するガスは、熱交換
する必要がない場合もあるので、触媒層の数より１つだ
け少ないこともあり得る。

この熱交換器のチューブは原則的には１本でできている
。しかしこの熱交換器はこの反応装置の略全長く反応容
器の平行部分）に屋っでいて充分な長さが取れるので、
これを適当な長さに分割して、その各々を反応層の中間
熱交換器として設計することも可能である。即ち熱交換
器として長過ぎるとか、その他工作上、組立上の問題が
あるとぎは、仕切り板の部分で分割し、複数の熱交換器
とすることもできる。熱交換器としてはかなり細長いも
のになる。従ってシェル側、チューブ側ともにガス流速
を早くとることができ、伝熱係数も大きくなり、コンパ
クトな熱交換器となる。また必要によっては２つの熱媒
体を使用して、別々の熱交換器で冷却することも可能で
ある。これについては後で実例によって説明する。

触媒層容器は環状の水平断面をもっており、内外の円筒
面はガス透過可能に多孔板、スリット板あるいは金網等
からできている。上下面は水平な仕切り板により閉じら
れている。触媒はこの容器に充填されており、原料ガス
は略半径方向に内から外へ、あるいは外から内へ流れる
。反応によって温度が上るので、反応容器の器壁をなる
べく低温に保ちたい場合は外から内に流すのがよい。

この触媒容器は別々につくってもよいし、また一体につ
くって触媒を別々に収容するようにつくっても良い。

またガスの温度が高すぎる場合は内筒を設（プ、触媒容
器はこの内筒の内側に設け、反応容器と内筒の間には低
温の供給ガスを流すようにして、反応容器の器壁の温度
が上り過ぎないようにするのが望ましい。しかしこのよ
うにすると反応装置の構造が複雑になるのは止むをえな
い。場合によっては、反応容器の内面に断熱板を張りつ
けることによって、内面を保護する方法も可能である。

次に図面により説明する。

第１図は本発明による反応装置で、触媒反応層数３、熱
交換器シェル側区画数３の場合である。

反応容器１の内壁に触媒層支え３が取りつけられており
、その上に触媒容器４が載せられている。

熱交換器６はこの中央に設けられており、シェル側は仕
切り板９によって３区画に分割されている。

チューブ１０は１本ものである。

原料ガスは原料ガス入り口１２から入り、熱交換器のデ
ユープ側に下部から入り、上部に通り抜け、第１番目の
触Ｉｓ層に外側から流入し、略半径方向に内側へ通り抜
け、熱交換器の第１番目のシェル側に入る。ここで入り
口原料ガスによって冷却され、第２番目の触媒層に外か
ら流入する。

同様に触媒層、熱交換器シェル部と交互に流れ、反応ガ
ス出ｌ」１３から反応容器外に流出する。

この反応装置に使用する熱交換器は普通の熱交換器であ
り、その設計は通常の手法によって容易にできる。この
設計を適当に行うことにより、触媒層入り口のガスの湿
度を最適に保つことができ、反応装置全体として最も能
率のよい反応装置が可能となる。

反応ガスの熱交換器出口には、夫々冷却ガスを１４から
流入させることがＣきるようになっていて、触媒層入り
ロガス温度の微調整を行うことができる。

なお図面には示してないが、熱交換器の３番目のシェル
側をバイパスさせる装置を設けることによって、チュー
ブ側の温度を調整し、触媒層入り口温度を調整すること
が可能である。例えば、この３番目のシェル側を通る反
応ガスをバイパスさせることにより、チューブ側の供給
原料ガスの温度を低下させ、第１の触媒層入り口温度を
低下させる。またこのことは第２番目、第１番目の区画
の熱交換量を多くし、夫々第３、第２の触Ｗｃ層入り口
温度を低下せしめることになるのである。

またガスの圧力降下について言えば、ガスは触媒層を半
径方向に通過し、通過断面積が大きく、かつ通過長さが
短いので、軸流の場合に比較して大幅に圧力降下が減少
する。熱交換器内の抵抗は熱交換率との兼ねおいて適宜
法められるので、装置全体の圧力降下は大幅に低下する
。

本反応装置は構造的にも比較的単純な構造になっている
。

触媒容器は各々支え３に載Ｉられており、下方とのシー
ルも同時に行われる。

熱交換器は内部に挿入され、最下段、あるいは設計によ
っては最上段の触媒容器の仕切り板によって支持される
。熱交換器と触媒容器の間は夫々の熱膨服を考産に入れ
た、上下の区画間のシールが必要であるが、１例として
第１図に示すＡ、Ｂのようなシール法が適用できる。シ
ール間の差圧は比較的小さいので、なるべく簡単なシー
ルを触媒充填前に行なっておりばよい。

猶前に述べたようにガスの渇＋＝が高すぎるときは、Ｃ
に示すように断熱拐を内壁にはりつけるようにして反応
容器を保護することができる。

このような４Ｍ造の反応装置の冷却熱媒体として、ボイ
ラー水も好適に使用できる。構造的には熱交換器をシェ
ルアンドデユープ型のボイラーとし′Ｃデユープ側にボ
イラー水を通せばよい。この場合原料ガスの予熱は反応
容器外で反応ガスとの熱交換によって行なうようにして
もよいし、また第４図に示ずＪ、うに、最終の触媒層出
口ガスとの熱交換を原料ガスの予熱に用い、その他の触
媒層出口ガスをボイラーで冷却するようにしてもよい。

ボイラー水以外の冷却熱媒体を使用する場合も略同様な
やり方でよい。

第２図にボイラー水の場合の例を示しである。

触媒層数は４、シェル側の区画数は３の場合である。最
終の熱交換は反応自体には直接は関係ないので、この熱
をボイラーによって回収するがどうかは全体の熱バラン
スによる。

図によってわかるように４１４造的には第１図と良く似
ており、廃熱ボイラーをつけた反応装置が好適に設計で
きる。

伝熱管が上下に長く延びている構造は、ボイラー水の循
環にとって好ましい構造であり、ボイラーとしてもコン
バク１〜なものになる。またこのボイラーの蒸発圧力を
変えることにより、冷却を大幅に容易にコン１〜ロール
できる。

この反応装置には２つの冷却熱媒体を流通させるように
することができる。１つの熱媒体は供給原お１ガス自身
であり、もう１つはボイラー水である。この例を第４図
に示す。

上部の触媒層２段の冷却をボイラーにより、下部の１段
の冷却をガス−ガス熱交換器によっている。使用するボ
イラーとしてはバヨネット型が適している。このように
ボイラーおよび熱交換器を反応装置内に組み込むことに
より、廃熱を蒸気として回収することのできる反応装置
が極めてコンパクトにできる。

以上詳細に述べたように、本装置はガスの接触反応装置
として適当なものであり、多くの反応に使用できるが、
特に規模の大きい反応装置に好適である。例えばアンモ
ニア合成装置あるいはメタノール合成装置として最も適
当である。

アンモニア合成装置の場合、触媒層入り口温度はかなり
高い。現今性われている合成法では約４００℃位である
。現在工業的に実施されていないが、将来実施されるで
あろうど思はれる１００〜１２０ｋＣＩ／ｃゴ９以下の
合成圧の場合は、３５０〜４００°Ｃ程度が最適の触媒
層入り口温度である。

温度が４００℃程度で圧力が高い前者の場合は、内筒を
備えて反応容器器壁を保護する方式とするとか、あるい
は第１図Ｃに示すような保護方法が必要であろう。し７
かし後者の低圧合成の場合は、器壁が直接ガスに接触す
るような設計が可能となるであろう。

触媒層を複数の断熱反応層に分け、中間に熱交換器を挿
入する場合、分割する断熱反応層の数はアンモニア合成
の場合通常２〜４である。低圧合成（合成圧力１００〜
．１２０ｋ（１／ｃ＃（］以下）の場合は反応をできる
かぎり進行させるのが特に重要であるので、この数は３
または４が適当である。

適当な設計を行うことにより、反応装置出口のアンモニ
ア濃度を１０〜１５％に保つことができる。

アンモニア合成装置にボイラーを組込みたい場合、この
発明の装置は特に好適に利用できる。ガスの温度は４０
０℃前後であるので、圧力１００ｋｇ／　ｃｎｆ　（１
以上の蒸気を得ることができる。

第３図に内筒を持ったアンモニア用接触反応装置の例を
示す。

原理的には第１図と同じである。低温の入りロガスが反
応容器と内筒２の間を流れる。ガスは触媒層に内側から
入り、半径方向に流れ外側から流出する。

メタノール合成の場合もアンモニアの場合とほとんど同
様に本発明を適用できる。

メタノール合成の場合、合成湿度おｊ；び合成圧力が低
いので、反応容器は器壁が反応ガスに直接接触するＪ：
うな設計が可能である。また構造等については特にアン
モニアの場合と異なる所はない。

ボイラーを使用するのも勿論可能であるが、反応温度が
低いのでボイラーの圧ツノはそれ程高くすることはでき
ない。３０〜５０ｋｕ／ｃｍｇ程度である。

以上詳細に説明したように、本発明による反応装置は、
反応の面からも、また圧力降下の面からも優秀な性能を
示すものであるが、触媒層と熱交換器の配置が無Ｊ」な
く自然に行われているので、構造的にも比較的簡単であ
り、価格の面からも有利である。また断熱触媒層と熱交
換器の部分が完全に分離されているので、その性能の推
測も容易であり、触媒の性能がわかりざえり゛れば反応
装置を設計づるのは容易である。

またボイラーを内蔵したものは省エネルギーにぴったり
の装置である。

【図面の簡単な説明】

第１図　本発明による接触反応装置 冷却熱媒体　原料ガス 触媒層数　３、熱交換器シェル側区画数　３第２図　本
発明による接触反応装置 冷却熱媒体　ボイラー水 触媒層数　４、熱交換器シェル側区画数　３第３図　ア
ンモニア用接触反応装置（内筒を持った例） 第４図　冷却熱媒体として原料ガスおよびボイラー水を
使用する例。 １　反応容器 ２　内筒 ３　触媒容器支え ４　触媒容器 ５　触媒 ６　熱交換器 ７　上部管板 ８　下部管板 ９　仕切り板 １０　チューブ １１　熱交換器シェル １２　原石カス入り口 １３　反応ガス出口 １４　冷２Ｊ１ガス入り口 １５　ボイラー水入り口 １６　スヂーム出口 Ａ　触媒容器、熱交換器間シール　例 Ｃ反応容器１１１′ｉ熱　例 出願人　東洋エンジニアリング株式会社第１回 才２１刀 ：に３１′Ａ 才４回

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）　ガス状原料を固体触媒と接触させ、発熱転化反
   応を生起せしめて、ガス状反応生成物を得る竪型反応装
   置において、 （ａ）反応容器の中心軸と略同軸に１あるいは複数のシ
   ェルアンドチューブ型熱交換器が挿入され、該熱交換器
   のシェル側は単一の区画であるか、あるいは水平に設置
   された仕切り板によって複数の区画に完全に仕切られて
   おり、 （ｂ）該反応容器と該熱交換器の間の環状部には複数の
   触媒容器が設置され、この各々の触媒容器は該反応容器
   の中心軸と同じ中心を持つ大小２つの同心円によって囲
   まれた環状の水平断面を有し、この同心円による内外の
   円筒面はガスが通過可能なようにつくられ、上下は水平
   な仕切り板によって閉じられ、触媒はこの環状部分に充
   填されてＪ５す、 （Ｃ）原料ガスはこの触媒層を略半径方向に流れ、該熱
   交換器のチューブ側には１または２種類の冷却熱媒体が
   、１種類の場合は直列に、２種類の場合は１つの冷却熱
   媒体が、１または複数のチューブ側を直列に流れ、もう
   １つの冷却熱媒体は残りのチューブ側を直列に流れ、 （ｄ　）原料ガスは先ず第１番目の触媒層に流入し、次
   に第１番目の熱交換器のシェル側、またはシェル側の第
   １番目の区画を通り、次に第２番目の触媒層、次に第２
   番目の熱交換器のシェル側、またはシェル側の第２番目
   の区画と、順次交互に流通するようにした、 ことを特徴とする接触反応装置。
2. （２）　供給原料ガスを該冷Ｍｊ熱媒体とする、特許請
   求の範囲第１項に記載の接触反応装置。
3. （３）　ボイラー水を該冷却熱媒体とする、特許請求の
   範囲第１項に記載の接触反応装置。
4. （４）　供給原料ガスおよびボイラー水を該冷却熱媒体
   とする、特許請求の範囲第１項に記載の接触反応装置。
5. （５）　ガス状反応生成物としてアンモニアを得る、特
   許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の接
   触反応装置。
6. （６）　ガス状反応生成物としてメタノールを得る、特
   許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の接
   触反応装置。