TWI401119B - A flow layer reaction apparatus and a gas phase heat generating reaction method using the same - Google Patents

Description

流動層反應裝置及使用其之氣相發熱反應方法

本發明係關於一種具有除熱管之流動層反應裝置、及使用該裝置之氣相發熱反應方法。

自19世紀後半期被開發以來，流動層技術一直應用於各種製造技術。作為流動層之主要工業應用，可列舉出煤氣化爐、FCC(fluid catalytic cracking，流體化媒裂)設備、藉由丙烯之氨氧化之丙烯腈製造設備、聚乙烯氣相聚合設備、順丁烯二酸酐製造設備等。流動層反應器可舉出如下特徵：容易除去或附加反應熱，因而可將層內維持於均勻溫度；可對爆炸範圍之高濃度氣體進行處理；生產率高等，今後，亦期待其在各方面得到應用、改良。

關於進行氣相發熱反應之流動層反應器，其內部具有除熱管，藉由流通水或蒸氣而除去反應熱，控制反應溫度。

作為設置於流動層反應器內部之除熱管的相關發明，例如專利文獻1中揭示有如下之順丁烯二酸酐製造方法：當將碳數為4以上之脂肪族烴供給至流動層反應器，藉由氣相氧化反應而製造順丁烯二酸酐時，設置除熱管，以使流動層反應器之稀薄層溫度降得較濃厚層溫度低，從而以高產率且穩定地製造順丁烯二酸酐。

又，專利文獻2中揭示有於流動層反應器中除熱及/或供熱之熱交換管之配置。

此外，專利文獻3中揭示有使用以恆定速度供給冷媒之除熱管及以可變速度供給冷媒之除熱管，來精密地控制反應速度之方法。

[專利文獻1]日本專利特開平2-19370號公報

[專利文獻2]日本專利特開2002-213886號公報

[專利文獻3]國際公開第95/21692號小冊子

反應溫度係流動層反應器運轉時之重要控制要素之一。就將目標生成物之產率維持於高水準之觀點、及安全操作之觀點而言，反應溫度之穩定化係必需之事項。又，自流動層反應器副生之蒸氣有重要之效用，於工業規模下之製造設備之情形下，蒸氣之有效使用當然會較大地左右經濟性。然而，關於滿足製程穩定性及經濟性兩個方面的流動層反應器之冷卻方法，尚需改善。

本發明之目的在於提供一種氣相發熱反應方法及流動層反應裝置，其係於使用內部具有除熱管之流動層反應器來進行氣相發熱反應時，使除熱管內有效地流通蒸氣而對反應器之溫度進行控制，以此來充分滿足製程穩定性及經濟性。

本發明者等人對於在流動層反應器之除熱管中穩定且經濟地流通作為冷媒之蒸氣的方法進行銳意研究後，找到了可解決該問題之方法，從而達成本發明。

即，本發明係如下所述之氣相發熱反應方法及流動層反應裝置。

[1]一種氣相發熱反應方法，其係向內部具有複數根除熱管之流動層反應器供給反應原料而進行氣相發熱反應者，其包含以下步驟：(a)於一根上述除熱管之內部，流通第1蒸氣及/或構成上述第1蒸氣之物質之液體，從而對上述流動層反應器進行除熱，並且由上述第1蒸氣及/或上述液體生成過熱蒸氣；(b)使構成上述第1蒸氣之物質之液體接觸上述過熱蒸氣而生成第2蒸氣；及(c)使上述第2蒸氣流通於其他之上述除熱管之內部。

[2]如[1]之氣相發熱反應方法，其中上述反應原料包括碳數為2~4之烷烴及/或烯烴。

[3]如[2]之氣相發熱反應方法，其中上述烷烴係丙烷及/或異丁烷。

[4]如[2]之氣相發熱反應方法，其中上述烯烴係丙烯及/或異丁烯。

[5]如[1]至[4]中任一項之氣相發熱反應方法，其中上述氣相發熱反應係氨氧化反應。

[6]一種流動層反應裝置，其係用於氣相發熱反應者，且其包含：流動層反應器、配置於該流動層反應器內部之複數根除熱管、及與一根上述除熱管及其他上述除熱管相連接之減溫器，該流動層反應裝置中，(a)上述一根除熱管之內部流通第1蒸氣及/或構成上述第1蒸氣之物質之液體，從而對上述流動層反應器進行除熱，並且，由上述第1蒸氣及/或上述液體生成過熱蒸氣；(b)上述減溫器係使構成上述第1蒸氣之物質之液體接觸上述過熱蒸氣從而生成第2蒸氣者；(c)上述其他除熱管之內部流通上述第2蒸氣。

[7]如[6]之流動層反應裝置，其中複數根上述除熱管係以滿足下述式(1)所示條件之方式而配置：0.70S_max ≦S_min (1)(式(1)中，S_max 表示利用穿過與上述流動層反應器之內部之反應原料及反應生成物之流通方向大致正交之剖面的中心、並且與上述剖面正交之假想平面，而將該流動層反應器等分為四個區域之情形時，各上述區域中之上述除熱管之外表面積合計值中最大的外表面積合計值；S_min 表示各上述區域中之上述除熱管之外表面積合計值中最小的外表面積合計值)。

[8]如[6]或[7]之流動層反應裝置，其中以複數根上述除熱管中具有最小之外表面積之上述除熱管之上述外表面積為基準，除此以外的上述除熱管之上述外表面積分別為其之1~10倍。

根據本發明，可提供一種氣相發熱反應方法及流動層反應裝置，其係於使用內部具有除熱管之流動層反應器而進行氣相發熱反應時，使除熱管內有效地流通蒸氣從而對反應器之溫度進行控制，以此來充分滿足製程穩定性及經濟性。

以下，根據需要，一面參照圖式一面詳細說明本發明之實施方式(以下簡稱為「本實施形態」)。再者，圖式中，對於相同之要素使用相同之符號，並省略重複之說明。又，關於上下左右等位置關係，只要事先未作特別說明，均係基於圖式所示之位置關係。此外，裝置或構件之尺寸比例不限於圖示之比例。

本實施形態之氣相發熱反應方法，係向內部具有複數根除熱管之流動層反應器供給反應原料而進行氣相發熱反應者，其包含以下步驟：(a)於一根上述除熱管之內部流通水蒸氣及/或水，從而對上述流動層反應器進行除熱，並且由上述水蒸氣及/或水生成過熱水蒸氣；(b)使水接觸上述過熱水蒸氣而生成水蒸氣；及(c)使該蒸氣流通於其他上述除熱管之內部。

圖1係概念性表示本實施形態之具有複數根除熱管之流動層反應裝置之一例的概略圖。該流動層反應裝置係用於氣相發熱反應者，其包含流動層反應器9、及具有配置於其內部之複數根除熱管之除熱系統。除熱系統具體而言包括：分別作為除熱管之冷卻盤管2、過熱盤管3、蒸氣盤管4、5、6；氣液分離容器1；及分別連接於複數根蒸氣盤管之減溫器7、8。流動層反應器9只要與眾所周知者相同即可，例如亦可為其下部有作為反應原料之氣體之分散管及/或分散板、其上部有收集混入至自反應器流出之反應氣體中的觸媒之旋風器者。該情形時，反應原料及反應生成物一般係自下而上地流通。

反應原料係經由自流動層反應器9之下側而連接之原料供給管(未圖示)而供給至填充必要量之流動層觸媒之流動層反應器9。氣相發熱反應所產生之熱藉由設於流動層反應器9內之除熱管即盤管2、3、4、5、6而冷卻，藉此除熱，從而反應溫度得到控制。

作為氣相發熱反應，其並無特別限定，例如可舉出氧化反應、氨氧化反應、烷化反應。

作為反應原料，只要為氣相發熱反應之原料則並無特別限定，例如可舉出烷烴、烯烴、醇、芳香族烴。具體而言，於上述氨氧化反應之情形時，使用烴等有機化合物、氧氣或空氣等氧化劑、以及氨來作為反應原料。作為氨氧化反應之原料之一的烴之示例，可舉出烷烴及烯烴。關於有機化合物及氧化劑，可分別單獨使用或將2種以上組合而使用。

作為烷烴可舉出碳數為1~4者(甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷)，作為烯烴可舉出碳數為2~4者(乙烯、丙烯、正丁烯、異丁烯、第三丁烯)。其中，自生成之腈化合物之作為化學品中間原料之價值的觀點而言，作為烷烴而言較好的是丙烷及/或異丁烷，作為烯烴而言較好的是丙烯及/或異丁烯。

又，作為填充於流動反應器內之氣相發熱反應的觸媒，只要為通常用於該反應中之固體觸媒即可，並無特別限定，例如可舉出由二氧化矽等承載之金屬氧化物觸媒。

利用泵1a將飽和溫度之水自氣液分離容器1供給至冷卻盤管2。冷卻盤管2中之水之壓力較好的是20~60 kg/cm² G，更好的是25~50 kg/cm² G。

冷卻盤管2係藉由飽和溫度之水之蒸發潛熱來對流動層反應器9內進行除熱者，於反應器9之內部配置有1系列或並列配置有複數個系列。圖1中表示有包含直管部及U字型之彎曲部的1系列冷卻盤管之示例，但冷卻盤管並不限定於該形態。冷卻盤管2之一端係於流動層反應器9之壁部而與流通有自泵1a送出之水之線路相連接。冷卻盤管2係以於彎曲部向反應器下方彎曲、且經由直管部進而於彎曲部向上方反轉之方式彎曲。將此稱為1條路徑。圖1中之冷卻盤管2為3條路徑之示例。冷卻盤管2之另一端與連結於氣液分離容器1之線路相連接。將此稱為一個系列，較好的是設置有複數個系列之冷卻盤管2。再者，本發明中，於設有複數個系列之除熱管之情形時，各系列之除熱管為一根除熱管，複數系列之除熱管則由複數根除熱管所構成。

作為冷卻盤管2之盤管徑，以外徑為基準，係20 mm~200 mm，於將反應器長度作為Lr之情形時，直管部之長度Lc較好的是使Lc/Lr為0.05~0.8。更好的是，Lc/Lr為0.2~0.7。關於冷卻盤管2之路徑數量，較好的是1~10條路徑。關於冷卻盤管2之材質，例如可採用依照JIS G-3458規定之鋼管及依照JIS B-2311規定之彎管，只要滿足溫度、壓力之使用條件則無特別限定。

冷卻盤管2內流通之水會因流動層反應容器9內之發熱反應而被加熱，從而至少有一部分會蒸發。關於藉由該蒸發而產生之水蒸氣量，較好的是用下述式(2)計算出之蒸發率Rv為5~30%。

Rv=(水蒸氣質量)/(供給至冷卻盤管2之水之質量)×100 (2)又，較好的是，冷卻盤管2負責除去由下述式(3)計算出之必要除熱量Qc之70~95%的熱。

Qc=Qr-(Qe-Qi)-Qd (3)此處，式(3)中，Qc表示必要除熱量，Qr表示反應器9中之氣相發熱反應之反應發熱量，Qe表示自反應器9流出之氣體之顯熱量，Qd表示反應器9中之放熱量，各熱量之單位相互統一。

冷卻盤管2中產生之水蒸氣及水經由連接於冷卻盤管2之另一端之線路而返回至氣液分離容器1，自氣液分離容器1之上部抽出水蒸氣。為了調整氣液分離容器1之水位，而自未圖示之線路將水供給至氣液分離容器1。

自氣液分離容器1抽出之水蒸氣(高壓水蒸氣)經由線路10而供給至例如需要高壓水蒸氣之其他設備。又，根據需要，可經由自線路10分出之線路，而將必要量之高壓水蒸氣供給至設於流動層反應器9內之過熱盤管3。作為過熱盤管3，其內部流通高壓水蒸氣，且利用水蒸氣之顯熱變化來對流動層反應器9內進行除熱，除此以外可與冷卻盤管2為相同之規格。過熱盤管3較好的是負責除去必要除熱量Qc之0~15%之熱。過熱盤管3中過熱之高壓水蒸氣係經由自線路10分出之與上述不同之線路而返回至線路10。

自氣液分離容器1抽出之高壓水蒸氣之剩餘部分係經由自線路10分出之線路11而供給至蒸氣盤管4，進而，流通於減溫器7、蒸氣盤管5、減溫器8、及蒸氣盤管6內。於線路11中流通的剩餘之高壓水蒸氣例如為自氣液分離容器1產生之全部水蒸氣量的5~50%。於水蒸氣不足等情形時，若有需要，則亦可自外部經由線路12導入高壓水蒸氣。

來自線路11之高壓水蒸氣首先經由線路11a供給至蒸氣盤管4。蒸氣盤管4亦可為1系列，但若為了減小流動層反應器9中之氣相發熱反應之反應溫度的偏差而使反應均勻地進行，更好的是設置複數系列。蒸氣盤管4之一端及另一端分別於流動層反應容器9之壁部而與線路11a、線路13相連接。

作為蒸氣盤管4之盤管徑，以外徑為基準，係20 mm~200 mm，於將反應器長設為Lr之情形時，直管部之長度Lv4較好的是使Lv4/Lr為0.05~0.8。更好的是使Lv4/Lr為0.2~0.7。關於蒸氣盤管4之路徑數量，較好的是1~10條路徑。關於蒸氣盤管4之材質，例如可採用依照JIS G-3458規定之鋼管及依照JIS B-2311規定之彎管，只要滿足溫度、壓力之使用條件即可，並無特別限定。

來自線路11之高壓水蒸氣之一部分亦可經由以繞過蒸氣盤管4之方式而設置的線路11b而供給至減溫器7。較好以調整流動層反應器9內之溫度之方式，控制各線路11a及11b中所流通之高壓水蒸氣量(流向蒸氣盤管4之高壓水蒸氣之供給量及繞過蒸氣盤管4之高壓水蒸氣量的平衡)。例如，自線路11a流通至蒸氣盤管4內之高壓水蒸氣量亦可參照設置於反應器9內之至少1個溫度計所示之溫度而手動地控制。或者，亦可自動控制線路11a中流通之水蒸氣量，以使反應器9內之溫度達目標溫度。於自動控制水蒸氣量之情形時，為了達到設定之目標溫度，對於蒸氣盤管4內流通之水蒸氣量，可藉由設置於線路11a中之未圖示的閥之全開放/全關閉來進行控制，或者亦可藉由設置於線路11a及/或線路11b內之未圖示的流量控制閥來進行控制。較好的是，頻繁地對蒸氣盤管4內流通之水蒸氣之流量進行控制。該流量控制係每1小時進行1次以上，較好的是每30分鐘進行1次以上。

上述溫度計只要為用於化學設備之通常類型即可，形式等並無特別限定。較好的是，於可掌握觸媒層之溫度分布之部位上設置複數個溫度計。關於溫度計之設置個數，若將流動層反應器9之高度設為Lr，則較好的是於與反應器9之下端相距0.1 Lr~0.5 Lr之範圍內，相對於反應器9之容積之每1 m³ 設置0.01~10個。

蒸氣盤管4內流通之高壓水蒸氣因流動層反應器9內之發熱反應而被加熱，從而成為過熱水蒸氣，進而流通於線路13。該過熱水蒸氣與繞過蒸氣盤管4之高壓水蒸氣合流，且供給至減溫器7。

減溫器7內之壓力設定為例如較氣液分離容器1之壓力低2~8 kg/cm² 之壓力。於減溫器7中，利用泵7a且藉由噴射循環方式而使水循環，而與供給之水蒸氣對流接觸，使一部分水蒸發而生成水蒸氣，並且使過熱水蒸氣之溫度降低。循環之水之藉由噴射而供給至減溫器7時的溫度較好成為水之飽和溫度±3℃。水自外部經由未圖示之線路而供給至減溫器7。藉由減溫器來降低過熱水蒸氣之溫度，藉此，較大程度上保持水蒸氣與反應溫度之溫度差，使其可作為冷媒而再利用。

藉由減溫器7而冷卻之水蒸氣被自減溫器7之上部抽出，且供給至蒸氣盤管5。又，自減溫器7抽出之水蒸氣之一部分亦可繞過蒸氣盤管5而直接供給至減溫器8。蒸氣盤管5之規格(與線路之連接、系列之數量、盤管徑、直管部之長度、路徑數量、材質等)只要與蒸氣盤管4之規格相同即可。又，只要將流向蒸氣盤管5之水蒸氣之供給量與繞過蒸氣盤管5之水蒸氣量間的平衡控制為，與流向蒸氣盤管4之高壓水蒸氣之供給量與繞過蒸氣盤管4之高壓水蒸氣量間的平衡相同即可。蒸氣盤管5內流通之水蒸氣因流動層反應器9內之發熱反應而被加熱成過熱水蒸氣。該過熱水蒸氣與繞過蒸氣盤管5之水蒸氣合流，而供給至減溫器8。

減溫器8內之壓力設定為例如較減溫器7之壓力低2~8 kg/cm² 之壓力。於減溫器8中，利用泵8a且藉由噴射循環方式而使水循環，從而與供給之水蒸氣對流接觸，從而使一部分水蒸發，藉此，使過熱水蒸氣之溫度降低。循環之水之、藉由噴射而供給至減溫器8時之溫度較好的是水之飽和溫度為±3℃。水自外部經由未圖示之線路而供給至減溫器8。藉由減溫器而降低過熱水蒸氣之溫度，藉此可較大程度上保持水蒸氣與反應溫度之溫度差，使其可作為冷媒而再利用。

藉由減溫器8而冷卻之水蒸氣被自減溫器8之上部抽出，且供給至蒸氣盤管6。又，自減溫器8抽出之水蒸氣之一部分亦可繞過蒸氣盤管6。蒸氣盤管6之規格(與線路之連接、系列之數量、盤管徑、直管部之長度、路徑數量、材質等)只要與蒸氣盤管4之規格相同即可。又，只要將流向蒸氣盤管6之水蒸氣之供給量與繞過蒸氣盤管6之水蒸氣量間的平衡控制為，與流向蒸氣盤管4之高壓水蒸氣之供給量與繞過蒸氣盤管4之高壓水蒸氣量間的平衡相同即可。蒸氣盤管6內流通之水蒸氣因流動層反應器9內之發熱反應而被加熱成過熱水蒸氣。該過熱水蒸氣與繞過蒸氣盤管6之水蒸氣合流，而供給至需要中低壓水蒸氣之其他設備。

上述蒸氣盤管4、5、6負責除去例如必要除熱量Qc之5~20%之熱。

圖2係用以說明本實施形態之流動層反應器9中之上述各盤管(除熱管)之配置的圖。該圖2係表示自圖1之S方向觀察反應器9內時，上述各盤管所在之位置的模式圖。

再者，圖2係用塊(mass)來模式性地表示流動層反應器9中盤管之存在位置及各盤管之外表面積者，而非表示反應器9之特定之高度上的與S方向正交之剖面(以下僅稱為「橫剖面」)。又，根據反應器9之高度位置，其橫剖面之態樣不同，但圖2係反應器9所固有者。1塊表示外表面積之單位面積，相連之複數塊構成單獨之盤管。各盤管之外表面積之比係由相連之複數塊之合計值來表現。又，由塊所表示之區域表示反應器9內之各盤管之存在位置。以具有最小之外表面積之盤管之外表面積為基準(1塊)，較好的是，除此以外之盤管之外表面積分別為其之1~10倍，更好的是1~5倍。對外表面積進行比較，並不對冷卻盤管、過熱盤管、蒸氣盤管該些種類加以區分，而是以所有盤管中外表面積最小之盤管之外表面積為基準，比較其他所有盤管之外表面積為其之幾倍。圖2中，最小之外表面積為1塊，各盤管之外表面積滿足如下之條件：處於1~10塊之範圍內，以具有最小之外表面積之盤管之外表面積為基準(1塊)，除此以外之盤管之外表面積分別為其之1~10倍。

此外，藉由穿過橫剖面中心之假想平面(圖2中一點鏈線所示之線路)而等分為4個區域(0~90°、90~180°、180~270°、270~0°，圖2中表示為扇形)。當將存在於各區域之盤管之外表面積合計值中的最大者設為S_max 、最小者設為S_min 之情形時，較好的是S_max 及S_min 滿足下述式(1)：0.70S_max ≦S_min (1)此處，式(1)中，S_max 表示利用穿過與流動層反應器之內部之反應原料及反應生成物之流通方向大致正交之剖面的中心、並且與剖面正交之假想平面，而將該流動層反應器等分為四個區域之情形時，各區域中之除熱管之外表面積合計值中最大之外表面積合計值；S_min 表示各區域中之除熱管之外表面積合計值中最小之外表面積合計值。

當S_max 及S_min 滿足上述式(1)之情形時，關於各區域中可確保之除熱，即便是最大者與最小者相比，亦處於小於30%之範圍內，每個區域之除熱量之差較小。本發明者發現，於流動層反應中，反應器內流通之氣體間的橫向(水平方向)之熱之授受較少，從而想到減小每個區域之除熱量之差的方法。即，自防止反應器內局部達到高溫而充分進行發熱控制之觀點而言，較好的是，以使隨氣相發熱反應而產生之熱滿足上述式(1)之方式來設定各區域之外表面積合計值。

表1中，表示圖2所示之流動層反應器9中用塊數來表示的各盤管之外表面積合計值。

首先，0~90°、90~180°、180~270°及270~0°之各扇狀區域內所存在之冷卻盤管、過熱盤管及蒸氣盤管之外表面積合計值係如上述表1之各欄所示。如表1之最下欄所示，圖2所示之盤管之S_max 為270~0°之34，S_min 為0~90°之31，因而滿足上述式(1)所表示之條件。此外，即使是按種類來觀察各盤管(冷卻盤管、過熱盤管、蒸氣盤管)時之傳熱面積合計值，如表1之最右欄所示，亦滿足上述式(1)所表示之條件。

如圖2所示以不同種類之傳熱面積合計值均滿足上述式(1)之方式來配置各盤管，藉此，可使流動層反應器9內之溫度分布接近均勻，且於在流動層進行氣相發熱反應之方面較好。於將通過過熱盤管之過熱水蒸氣被冷卻並供給至蒸氣盤管之裝置中，必需將過熱盤管、減溫器及蒸氣盤管依序地功能性地連接，各盤管之配置通常無法對稱。然而，若無確保每個扇形區域所必需之除熱量之想法，則不以傳熱面積合計值滿足上述式(1)之方式、進而以不同種類之傳熱面積合計值亦滿足上述式(1)之方式設計。對此，自氣相發熱反應之發熱控制之觀點而言，更好的是，以不同種類之傳熱面積合計值分別滿足上述式(1)之方式配置各盤管。

以上說明之本實施形態中，於進行氣相發熱反應之流動層反應器運轉時，可提高反應器之溫度控制性，並且可穩定、有效地利用水蒸氣。然而，本實施形態之氣相發熱反應方法，亦係於流動層反應器內進行氣相發熱反應時之控制該反應器內溫度之方法，亦可說係利用藉由氣相發熱反應所產生之熱而產生蒸氣(水蒸氣)之方法。又，根據上述內容可知，本實施形態係關於流動層反應器中之氣相發熱反應系內之除熱系統者，亦可說是關於利用藉由氣相發熱反應所產生之熱之蒸氣(水蒸氣)之生產系統者。

以上說明了本發明之實施方式，但本發明並不限定於上述本實施形態。本發明可於不脫離其要旨之範圍內進行各種變形。

過熱水蒸氣之減溫只要為眾所周知之方法即可，除使用如上述減溫器7般之筒(容器)之方法以外，亦可採用藉由噴射將水導入至線路13或線路13與線路11b之合流後之線路之方法。

此外，亦可省略上述蒸氣盤管6。該情形時，來自減溫器8之水蒸氣全部被供給至其他設備。

圖1所示之流動層反應裝置中，蒸氣盤管4、5、6設置於流動層反應器9內，但亦可將於蒸氣盤管6內流通後所得之過熱水蒸氣進一步藉由減溫而冷卻之後，供給至設於反應器9內之蒸氣盤管。如此，過熱水蒸氣之減溫、以及由此而得之水蒸氣之供給至設置於流動層反應器9內之除熱管的次數並無限制。

又，蒸氣盤管4、5、6之各自的系列數並無限制，較好的是均勻地配置於反應器內。

此外，各除熱管之配置亦可為圖3所示者。圖3係用以說明本實施形態之流動層反應器9中之上述各盤管之配置的圖，與圖2相同，表示其配置及外表面積。

首先，0~90°、90~180°、180~270°及270~0°之各扇狀區域內存在之冷卻盤管、過熱盤管及蒸氣盤管之外表面積合計值係如上述表2之各欄所示。如表2之最下欄所示，圖3所示之盤管之S_max 為90~180°及270~0°之33，S_min 為0~90°之23，因而滿足上述式(1)所表示之條件。關於冷卻盤管及蒸氣盤管之傳熱面積合計值，如表2之最右欄所示，其滿足上述式(1)所表示之條件。

如圖3所示配置各盤管，雖不如圖2所示之配置，但藉此可使流動層反應器9內之溫度分布接近均勻，於在流動層進行氣相發熱反應之方面較好。

[實施例]

以下，藉由實施例及比較例，進一步對本發明進行詳細說明。然而，本發明並不限定於下述實施例。再者，實施例中所使用之流動層反應裝置係與圖1所示者相同，其具有於除熱管(過熱盤管)內流通飽和蒸氣而獲得過熱蒸氣、且使該過熱蒸氣藉由減溫而冷卻之後流通於另外之除熱管(蒸氣盤管)之除熱系統，除此以外均於通常之氣相發熱反應中所使用者相同。更具體而言，流動層反應器之下部有作為反應原料之氣體之分散管及/或分散板，且內裝有用於除去反應熱之各除熱管。又，流動反應器之上部有收集混入至自反應器流出之反應氣體中之觸媒之旋風器。

計量儀器、附屬設備係通常所使用之類型，且於通常之誤差範圍內。反應生成物之產率及未反應率係根據對反應氣體進行取樣並利用氣相層析法進行測定所得之分析數據藉由下式而算出。

(反應生成物之產率(%))=(生成物中之碳的重量(g))/(供給之作為反應原料之有機化合物中之碳的質量(g))×100

(未反應率(%))=(未反應之反應原料的有機化合物中之碳的質量(g))/(供給之作為反應原料之有機化合物中之碳的質量(g))×100

[實施例1]

將作為反應原料之丙烯、氨及空氣供給至與圖1所示者相同的流動層反應裝置內之與圖2所示者相同之流動層反應器9，如下所述進行丙烯之氨氧化反應。除熱系統與圖1所示者相同，係使用包含冷卻盤管2，過熱盤管3，蒸氣盤管4、5、6，氣液分離容器1，及減溫器7、8者。

流動層反應器9係內徑為8 m、長度Lr為20 m之縱型圓筒型，於與下端相距2 m(0.1 Lr)之位置上具有空氣分散板，且於該空氣分散板上具有原料氣體分散管。為了測定觸媒層之溫度，溫度計安裝於自空氣分散板上方1.5~4.5 m之間的20點。

關於觸媒，使用粒徑為10~100 μm、平均粒徑為55 μm之鉬-鉍-鐵系載體觸媒，將靜止層填充至高2.7 m。自空氣分散板以56000 Nm³ /h供給空氣，自原料氣體分散管以6200 Nm³ /h供給丙烯、且以6600 Nm³ /h供給氨。反應器內之壓力為0.70 kg/cm² G。

將反應溫度之目標值設定為443℃，利用冷卻盤管2、過熱盤管3進行溫度控制。自空氣分散板上方1.5~4.5 m之20點之溫度計的平均溫度為445℃。

氣液分離容器1之壓力為31 kg/cm² G，將產生之高壓水蒸氣之65%自線路10供給至蒸氣渦輪機，用於驅動反應原料供給用之空氣壓縮機。將35%之剩餘之高壓水蒸氣自線路11供給至蒸氣盤管4，進而流通至減溫器7、蒸氣盤管5、減溫器8、及蒸氣盤管6。

利用流量控制閥控制蒸氣盤管4、5、6內流通之蒸氣量，使得自空氣分散板上方1.5~4.5 m之間的20點之溫度計的平均溫度達到440℃。各20點之溫度計之指示值處於434℃~445℃之範圍內，平均值為440℃。於減溫器7、8中，利用泵且藉由噴射循環方式而使飽和溫度之水循環，而分別與自蒸氣盤管4、5抽出之過熱水蒸氣對流接觸。除熱系統之操作條件如表3所示。再者，表中「流量(%)」係將自氣液分離容器1流出之高壓水蒸氣之質量設為100%而以百分率表示(以下相同)。

其他設備中，必需15 kg/cm² G之水蒸氣，將自線路14抽出之水蒸氣直接送至其他設備而進行利用。

分析反應結果可知，丙烯腈之產率為81.5%，丙烯之未反應率為1.1%。

[實施例2]

反應原料中，除了使用丙烷代替丙烯以外，以與實施例1相同之條件將反應原料供給至流動層反應器，且如下所述進行丙烷之氨氧化反應。

關於觸媒，使用粒徑為10~100 μm、平均粒徑為55 μm之鉬-釩系載體觸媒將靜止層填充至高2.2 m。自空氣分散板以64500 Nm³ /h供給空氣，自原料氣體分散管以4300 Nm³ /h供給丙烷、且以4300 Nm³ /h供給氨。反應器內之壓力為0.75 kg/cm² G。

將反應溫度之目標值設定為443℃，利用冷卻盤管2、過熱盤管3進行溫度控制。自空氣分散板上方1.5~4.5 m之間的20點之溫度計之平均溫度為444℃。

氣液分離容器1之壓力為31 kg/cm² G，將產生之高壓水蒸氣之75%自線路10供給至蒸氣渦輪機，用於驅動反應原料供給用之空氣壓縮機。將25%之剩餘之高壓水蒸氣自線路11供給至蒸氣盤管4，進而流通至減溫器7、蒸氣盤管5、減溫器8、及蒸氣盤管6。

利用流量控制閥控制蒸氣盤管4、5、6內流通之蒸氣量，以使自空氣分散板上方1.5~4.5 m之間的20點之溫度計的平均溫度為440℃。各20點之溫度計之指示值處於435℃~444℃之範圍內，且平均值為440℃。於減溫器7、8中，利用泵且藉由噴射循環方式而使飽和溫度之水循環，且分別與自蒸氣盤管4、5抽出之過熱水蒸氣向流接觸。除熱系統之操作條件如表4所示。

其他設備中，必需15 kg/cm² G之水蒸氣，將自線路14抽出之水蒸氣直接送至其他設備而進行利用。

分析反應結果可知，丙烯腈之產率為52.1%，丙烷之未反應率為10.8%。

[實施例3]

本實施例中，代替具有與圖2所示者相同之除熱管之配置的流動層反應器9，而使用具有與圖3所示者相同之除熱管之配置的流動層反應器9，除此以外均與實施例1相同地進行丙烯之氨氧化反應。除熱系統之運轉條件與表3所示之條件相同。各20點之溫度計之指示值處於431℃~448℃之範圍內，且平均值為440℃。

分析反應結果可知，丙烯腈之產率為81.0%，丙烯之未反應率為1.1%。

[比較例1]

除不用圖1所示之除熱系統而用圖4所示之除熱系統以外，均與實施例1相同地進行丙烯之氨氧化反應。圖4所示之除熱系統與上述實施例相同，包含氣液分離容器1、冷卻盤管2及過熱盤管3，而不包含蒸氣盤管4、5、6及減溫器7、8。該除熱系統中之各盤管之配置如圖5所示，各盤管之各扇形區域之外表面積合計值如表5所示。再者，圖5與圖2、3相同，係表示各盤管之配置及外表面積之比者。

將反應溫度之目標值設定為440℃，利用冷卻盤管2、過熱盤管3進行溫度控制。自空氣分散板上方1.5~4.5 m之間的各20點之溫度計之指示值處於426℃~451℃之範圍內。又，該等20點之溫度計之指示值之平均值為440℃。

自線路11抽出之剩餘之高壓水蒸氣藉由設置於線路11之壓力調節閥而自30 kg/cm² G降至15 kg/cm² G之後，被送至使用該水蒸氣之其他設備。

分析反應結果可知，丙烯腈之產率為79．9%，丙烯之未反應率為1.0%。

[比較例2]

除不用圖1所示之除熱系統而用圖6所示之除熱系統以外，均與實施例2相同地進行丙烷之氨氧化反應。圖6所示之除熱系統與上述實施例相同，包含氣液分離容器1、冷卻盤管2、過熱盤管3及蒸氣盤管4、5、6，而不包含減溫器7、8。該除熱系統中之各盤管之配置如圖2所示，各盤管之各扇形區域之外表面積合計值如表1所示。

將反應溫度之目標值設定為443℃，利用冷卻盤管2、過熱盤管3進行溫度控制。自空氣分散板上方1.5~4.5 m之間的20點之溫度計之指示值的平均值為444℃。

氣液分離容器1之壓力為31 kg/cm² G，將產生之高壓水蒸氣之75%自線路10供給至蒸氣渦輪機，用於驅動反應原料供給用之空氣壓縮機。將25%之剩餘之高壓水蒸氣自線路11，進而自線路12導入不足之部分，而流通至蒸氣盤管4、5、6。

利用流量控制閥控制蒸氣盤管4、5、6內流通之蒸氣量，以使自空氣分散板上方1.5~4.5 m之間的20點之溫度計的平均溫度為440℃。各20點之溫度計之指示值處於435℃~444℃之範圍內，且平均值為440℃。除熱系統之操作條件如表6所示。

其他設備中，需要蒸氣，而供給自線路14抽出之水蒸氣，但剩餘5%因無用途而排放至大氣中。

分析反應結果可知，丙烯腈之產率為52.1%，丙烷之未反應率為10.8%。

[產業上之可利用性]

本發明之方法於使用流動層反應器來進行氣相發熱反應時可有效地利用。

1．．．氣液分離容器

2．．．冷卻盤管

3．．．過熱盤管

4．．．蒸氣盤管

5．．．蒸氣盤管

6．．．蒸氣盤管

7．．．減溫器

8．．．減溫器

9．．．流動層反應器

10~14．．．線路

圖1係表示本實施形態之流動反應裝置之一例的概略圖；圖2係將本實施形態之各除熱管之與S方向正交之方向上的配置、以及各除熱管之外表面積一併使用塊表示的概念圖；圖3係將其他之本實施形態之各除熱管之與S方向正交之方向上的配置、以及各除熱管之外表面積一併使用塊表示的概念圖；圖4係表示比較例之流動層反應裝置之概略圖；圖5係用以說明比較例之流動層反應器中之各除熱管之配置的橫剖面圖；及圖6係用以說明其他比較例之流動層反應器中之各除熱管之配置的橫剖面圖。

1．．．氣液分離容器

1a,7a,8a．．．泵

2．．．冷卻盤管

3．．．過熱盤管

4．．．蒸氣盤管

5．．．蒸氣盤管

6．．．蒸氣盤管

7．．．減溫器

8．．．減溫器

9．．．流動層反應器

10~14．．．線路

Claims (8)

1. 一種氣相發熱反應方法，其係向內部具有複數根除熱管之流動層反應器供給反應原料而進行氣相發熱反應者，其包含以下步驟：(a)於一根上述除熱管之內部，流通第1蒸氣及/或構成上述第1蒸氣之物質之液體，從而對上述流動層反應器進行除熱，並且由上述第1蒸氣及/或上述液體生成過熱蒸氣；(b)使構成上述第1蒸氣之物質之液體接觸上述過熱蒸氣而生成第2蒸氣；及(c)使上述第2蒸氣流通於其他之上述除熱管之內部。
2. 如請求項1之氣相發熱反應方法，其中上述反應原料包括碳數為2~4之烷烴及/或烯烴。
3. 如請求項2之氣相發熱反應方法，其中上述烷烴係丙烷及/或異丁烷。
4. 如請求項2之氣相發熱反應方法，其中上述烯烴係丙烯及/或異丁烯。
5. 如請求項1至4中任一項之氣相發熱反應方法，其中上述氣相發熱反應係氨氧化反應。
6. 一種流動層反應裝置，其係用於氣相發熱反應者，且其包含：流動層反應器、配置於該流動層反應器內部之複數根除熱管、及與一根上述除熱管及其他上述除熱管相連接之減溫器，該流動層反應裝置中，(a)上述一根除熱管之內部係流通第1蒸氣及/或構成上述第1蒸氣之物質之液體，從而對上述流動層反應器進行除熱，並且，由上述第1蒸氣及/或上述液體生成過熱蒸氣；(b)上述減溫器係使構成上述第1蒸氣之物質之液體接觸上述過熱蒸氣從而生成第2蒸氣者；(c)上述其他除熱管之內部流通上述第2蒸氣。
7. 如請求項6之流動層反應裝置，其中複數根上述除熱管係以滿足下述式(1)所示條件之方式而配置：0.70S_max ≦S_min (1)(式(1)中，S_max 表示利用穿過與上述流動層反應器之內部之反應原料及反應生成物之流通方向大致正交之剖面的中心、並且與上述剖面正交之假想平面，而將該流動層反應器等分為四個區域之情形時，各上述區域中之上述除熱管之外表面積合計值中最大的外表面積合計值；S_min 表示各上述區域中之上述除熱管之外表面積合計值中最小的外表面積合計值)。
8. 如請求項6或7之流動層反應裝置，其中以複數根上述除熱管中具有最小之外表面積之上述除熱管之上述外表面積為基準，除此以外的上述除熱管之上述外表面積分別為其之1~10倍。