JP2014527463A - 自熱式気相脱水素化を行うための反応器 - Google Patents

Abstract

モノリス（４）として形成された不均一系触媒で、反応ガス混合物を得ながら、酸素を含むガス流（３）によって炭化水素を含むガス流（２）の自熱式気相脱水素化を行うための、円筒または角柱の形をした反応器（１）が提案され、反応器（１）の内室は反応器（１）の縦方向に配置された円筒形または角柱形の気密ハウジング（Ｇ）によって、１つまたは複数の触媒作用領域（５）を有する内側範囲（Ａ）と、この内側範囲（Ａ）に対して同軸に配置された外側範囲（Ｂ）とに分割され、触媒作用領域内にそれぞれ、上下に積み重ねて、横に並べておよび前後に並べて配置されたモノリス（４）からなる充填物が設けられ、触媒作用する各領域（５）の手前にそれぞれ、固定された組み込み物を有する混合領域（６）が設けられ、上記反応器は、内側範囲（Ａ）が、７００℃以下の温度で０．０５Ｗ／ｍ＊Ｋよりも小さな熱伝導率（λ）を有する微孔質高性能断熱材（１５）によって、反応器の外側範囲（Ｂ）に対して断熱されていることを特徴とする。

Description

本発明は、モノリスとして形成された不均一系触媒を用いて自熱式気相脱水素化を行うための反応器と、この反応器を用いた方法に関する。

セラミックス製または金属製のモノリスは、移動式および定置式排ガス浄化において貴金属触媒のための触媒担体として実証されている。通路は外側触媒表面へのガス状反応媒体のアクセスを均一にすると同時に、流れ抵抗を小さくする。これは不規則な原石と比べて有利である。この原石の場合には、粒子の周りを流れる際に無数の方向変換によって大きな圧力低下を生じ、触媒表面が場合によっては均一に利用されない。モノリスの使用は一般的に、流量が多くかつ高温での断熱反応を行う触媒プロセスにとって重要である。この特徴は特に、４００〜７００℃の温度範囲で行われる脱水素化反応のための化学的生産技術に該当する。

触媒技術の進歩は例えば米国特許第７，０３４，１９５号明細書に記載されているように、炭化水素の存在下で脱水素化水素の選択燃焼を可能にする。このような方法は自熱式脱水素化と呼ばれ、脱水素化反応器を直接加熱することができるので、反応混合物を間接的に予備加熱および中間加熱するためのコストのかかる装置が省略される。このような方法は例えば米国特許出願公開第２００８／０１１９６７３号明細書に記載されている。しかし、この方法は、脱水素化がペレット形状の不均一系触媒で行われるという重大な欠点がある。ペレット充填体の大きな流れ抵抗は、触媒作用する層内での圧力低下を制限するために、大きな反応器横断面積と、遅い流通速度を必要とする。この欠点は酸素を配量および分配するためのきわめて複雑な装置によって除去される。これは自熱式脱水素化の利点を損なう。

先行公開されていない欧州特許出願第０９１７７６４９．２号明細書から、モノリスとして形成された不均一系触媒を使用して、炭化水素を自熱式脱水素化するための反応器と方法が知られている。この触媒は、高い反応温度、多くは約４００〜７００℃の範囲での、燃焼可能な反応媒体の支配と、特に反応器の準備の際および触媒交換の際のモノリスの簡単なアクセスおよび取り扱いを保証する。

欧州特許出願第０９１７７６４９．２号明細書は、モノリスとして形成された不均一系触媒で、反応ガス混合物を得ながら、酸素を含むガス流によって炭化水素を含むガス流の自熱式気相脱水素化を行うための、横にして配置した円筒の形をした反応器を提供し、この場合、
反応器の内室が反応器の縦方向に配置され周方向で気密でそして両端面が開放した取り外し可能な円筒形または角柱形のハウジングＧによって、１つまたは複数の触媒作用領域を有する内側範囲Ａと、この内側範囲Ａに対して同軸に配置された外側範囲Ｂとに分割され、
触媒作用領域内にそれぞれ、上下に積み重ねて、横に並べておよび前後に並べて配置されたモノリスからなる充填物が設けられ、触媒作用領域の手前にそれぞれ、固定された組み込み物を有する混合領域が設けられ、
反応器が炭化水素を含む脱水素化すべきガス流を外側範囲Ｂに供給し、反応器の一端で脱水素化すべき炭化水素流を方向変換し、そして整流器を経て内側範囲Ａに供給するための１本または複数本の供給管を備え、
反応器が互いに独立して調節可能な１本または複数本の供給管を備え、この各供給管が酸素を含むガス流を、１つまたは複数の分配室に、そして混合領域の各々に供給し、
反応器がその端部に自熱式気相脱水素化の反応混合物のための排出管と、脱水素化すべき炭化水素流のための供給管を備えている。

自熱式気相脱水素化の反応ガス混合物のための排出管を配置した反応器端部に、管群型熱交換器が設けられていると有利である。この熱交換器は自熱式気相脱水素化のために反応ガス混合物を案内する管の束と、管の間の中間室を備えている。炭化水素を含む脱水素化すべきガス流が中間室を通って、自熱式気相脱水素化の反応混合物に対して向流で案内される。

安全技術的観点から改良された反応器が欧州特許出願第１０１９６２１６．５号明細書に記載されており、この反応器は、モノリスとして形成された不均一系触媒で、反応ガス混合物を得ながら、酸素を含むガス流によって炭化水素を含むガス流の自熱式気相脱水素化を行うための、横にして配置した円筒または角柱の形をした反応器であり、この場合、
反応器の内室が反応器の縦方向に配置された円筒形または角柱形の取り外し可能で気密なハウジングＧによって、１つまたは複数の触媒作用領域を有する内側範囲Ａと、この内側範囲Ａに対して同軸に配置された外側範囲Ｂとに分割され、
触媒作用領域内にそれぞれ、上下に積み重ねて、横に並べておよび前後に並べて配置されたモノリスからなる充填物が設けられ、触媒作用領域の手前にそれぞれ、固定された組み込み物を有する混合領域が設けられ、
反応器の一端に、ハウジングＧに接続して、熱交換器が設けられ、
反応器が炭化水素を含む脱水素化すべきガス流のための１本または複数本の供給管を備え、
反応器が互いに独立して調節可能な１本または複数本の供給管を備え、この各供給管が酸素を含むガス流を、１つまたは複数の分配室へと、混合領域の各々に供給し、
反応器が自熱式気相脱水素化の反応ガス混合物のための排出管を備え、
自熱式気相脱水素化の反応条件下で不活性のガスが外側範囲Ｂに供給され、炭化水素を含む脱水素化すべきガス流が供給管を経て熱交換器内に案内され、反応ガス混合物によって向流式に間接的な熱交換で加熱され、さらに熱交換器とは反対側の反応器の端部に案内されて、そこで方向変換され、整流器を経て内側範囲Ａ内に案内され、そして混合領域内で酸素を含むガス流と混合され、それに基づいて反応器の内側範囲Ａ内で自熱式気相脱水素化が生じる。

従ってこれは、炭化水素を含む流れにも酸素を含む流れにも媒体接触しない反応器外壁、すなわち圧力を支えるスリーブを備えた反応器である。

これに対して、本発明の課題は、上記の反応器を、特にエネルギー消費に関してさらに改良することである。

この課題は、モノリスとして形成された不均一系触媒で、反応ガス混合物を得ながら、酸素を含むガス流によって炭化水素を含むガス流の自熱式気相脱水素化を行うための、横にして配置した円筒または角柱の形をした反応器であって、
反応器の内室が反応器の縦方向に配置された円筒形または角柱形の気密ハウジングＧによって、１つまたは複数の触媒作用領域を有する内側範囲Ａと、この内側範囲Ａに対して同軸に配置された外側範囲Ｂとに分割され、
触媒作用領域内にそれぞれ、上下に積み重ねて、横に並べておよび前後に並べて配置されたモノリスからなる充填物が設けられ、触媒作用領域の手前にそれぞれ、固定された組み込み物を有する混合領域が設けられ、
反応器の一端に、ハウジングＧに接続して、熱交換器が設けられ、
反応器が炭化水素を含む脱水素化すべきガス流のための１本または複数本の供給管を備え、
反応器が互いに独立して調節可能な１本または複数本の供給管を備え、この各供給管が酸素を含むガス流を、１つまたは複数の分配室にそして混合領域の各々に供給し、
反応器が自熱式気相脱水素化の反応ガス混合物のための排出管を備え、
自熱式気相脱水素化の反応条件下で不活性のガスが外側範囲Ｂに供給され、
炭化水素を含む脱水素化すべきガス流が供給管を経て熱交換器内に案内され、熱交換器内で反応ガス混合物によって向流式に間接的な熱交換で加熱され、さらに熱交換器とは反対側の反応器の端部に案内されて、そこで方向変換され、整流器を経て内側範囲Ａ内に案内され、そして混合領域内で酸素を含むガス流と混合され、それに基づいて反応器の内側範囲Ａ内で自熱式気相脱水素化が生じる、上記反応器において、
反応器の内側範囲Ａが、７００℃以下の温度で０．０５Ｗ／ｍ^＊Ｋよりも小さな熱伝導率λを有する微孔質高性能断熱材によって、外側範囲Ｂに対して断熱されていることによって解決される。

原料流、すなわち脱水素化すべき炭化水素を含むガス流と酸素を含むガス流が供給され、互いに混合され、そして反応ガス混合物を得ながら反応する反応器の内側範囲Ａを、微孔質高性能断熱材を使用して、反応器の外側範囲Ｂに対して断熱することにより、欧州特許出願第１０１９６２１６．５号明細書に記載した反応器の熱損失を大幅に減少させることができることが分かった。この反応ガス混合物は間接的な熱交換によって炭化水素を含む原料ガス流を予熱し、続いて反応器から流出する。自熱式気相脱水素化が反応器の内側範囲Ａ内で約４００〜７００℃の高温で生じるので、外側範囲Ｂに対する内側範囲の断熱がきわめて重要である。

そのために、本発明では、７００℃以下の温度で０．０５Ｗ／ｍ^＊Ｋよりも小さな熱伝導率λを有する微孔質高性能断熱材が使用される。このような材料は、ＶＤＩ−Ｗａｅｒｍｅａｔｌａｓ、第９版２００２年、第Ｋｆ８章に、連続的に積み上げられた超断熱材として記載されている。従って、超断熱材は、停止している空気の全体熱透過率よりもはるかに小さな全体熱透過率を有する断熱材である。

微孔質高性能断熱材からなる本発明に係る断熱材は、慣用の繊維断熱材と比べて、同じ熱透過率の場合にはるかに少ない熱容量と、はるかに小さな容積を有する。少ない熱容量は、触媒の再生における燃焼過程中の温度制御にとって是非必要であり、特に小さな容積はさらに、共通の１個のハウジング内の温度負荷されるすべての部品の組み込みにとって有利である。

微孔質高性能断熱材として特に珪酸塩性物質からなる材料を使用することができる。その際特に、主構成成分としての微細分散性の珪酸と、赤外線を最小限に減らすための、他の構成成分としての乳白剤が使用される。乳白剤として混合物も使用することができる。微孔質高性能断熱材は特に、孔の平均の大きさが約２０ｎｍの微孔質粒子の形をしている。

このような材料は例えばＰｏｒｅｘｔｈｅｒｍ社のＷＤＳ（登録商標）Ｕｌｔｒａとして知られている。このＷＤＳ（登録商標）Ｕｌｔｒａは主構成成分として約８０％の二酸化珪素と、そのほかに約１５％の炭化珪素を含み、熱伝導、対流および熱放射によってきわめて低い伝熱を保証する。

使用される微孔質材料のセル構造と、この材料が球状の材料粒子であるという事実とに基づいて、粒子間の接触個所が限りなく小さく、その結果固体伝導性がきわめて悪い。

ガス熱伝導による伝熱は同様にきわめて悪い。ガス分子の平均自由路程よりも小さな２０ｎｍの平均孔寸法を有する微孔質材料のセル構造に基づいて、とりわけガス分子が孔の壁に衝突することになる。それによって、個々の分子の間のエネルギー交換が最小限に抑えられる。

熱放射による伝熱は電磁波によって生じ、温度上昇時、特に４００℃以上で重要性を増す。赤外線を吸収する物質（乳白剤）を微孔質材料混合物に添加することにより、このような伝熱は大幅に制限される。

上記の理由から、本発明に従って使用される微孔質断熱材により、鉱物繊維、軽量耐火レンガまたは無機断熱板のような慣用の断熱材料と比べてはるかに高い断熱作用が達成可能である。同じ断熱作用の場合、例えば層の厚さを６分の１に、そして重量を２分の１乃至１５分の１に減らすことができる。

他の改良は、真空技術を用いて真空引きした板または板によって形成された成形部材を使用することによって達成可能である。

特にハウジングＧ、熱交換器、炭化水素を含む脱水素化すべきガス流のための供給管および酸素を含むガス流のための供給管が、反応器の外側範囲Ｂに対して、微孔質高性能断熱材によって断熱されている。

微孔質高性能断熱材が板の形あるいは板から作られた成形部材の形で使用されると有利である。

板またはこの板から作られた成形部材が、その機械的安定性を高める材料からなる層によって覆われていることが好ましい。

そのための材料として、金属、好ましくは特殊鋼またはアルミニウムが使用されると有利である。

微孔質高性能断熱材製の板から作られた成形部材が互いにかみ合うことができるように形成され、かつ機械的負荷および熱的負荷の下で常に連続した断熱を保証するように形成されていると有利である。

反応器の縦方向に円筒形または角柱形のハウジングＧが配置され、このハウジングは反応器の内室を内側範囲Ａと、この内側範囲に対して同心的に配置された外側範囲Ｂとに分割している。

自熱式気相脱水素化の反応条件下で不活性のガス、すなわち自熱式気相脱水素化の反応に直接関与しないガスまたはガス混合物、特に水、二酸化炭素、窒素および希ガスまたはその混合物から選択されたガスまたはガス混合物が、外側範囲Ｂに供給される。自熱式気相脱水素化の反応条件下で不活性のガスとして、水蒸気が使用されると有利である。というのは、この水蒸気が凝結分離によって反応ガス混合物から簡単に再分離可能であるからである。

自熱式気相脱水素化の反応条件下で不活性のガスが、パージガス流として内側範囲Ａを通って案内されると有利である。このパージガス流は、炭化水素を含むガス流の質量流量と比較して少ない質量流量、すなわち炭化水素を含むガス流の質量流量の１／５〜１／１００の質量流量、好ましくは１／１０〜１／５０の質量流量を有し、内側範囲Ａの圧力に対して低い２〜５０ミリバールの正圧、好ましくは２５〜３０ミリバールの正圧下で案内される。

パージガス流が外側範囲Ｂを通って案内可能であると有利である。これは、パージガス流が反応器の一端から１つまたは複数の供給管を経て反応器の外側範囲Ｂに入れられ、反対側の反応器端部で反応器の内側範囲Ａに案内されることにより行われる。この内側範囲への案内は好ましくは１つまたは複数の接続管を経て行われ、この接続管は好ましくは炭化水素を含む脱水素化すべきガス流のための供給管に対して９０°とは異なる角度で配置されている。

パージガス流を外側範囲Ｂから内側範囲Ａに案内する１つまたは複数の接続管は好ましくは、例えば巻回された形によって逆流しないように形成されている。外側範囲Ｂからパージガス流用接続管への入口はできるだけ反応器の外側範囲Ｂ内に配置されている。

パージガス流は反応器の外側範囲Ｂを持続的に洗浄し、この外側範囲から反応ガス混合物の成分を除去する。

ハウジングＧの一端に熱交換器が接続されている。この熱交換器は特に管群型熱交換器またはプレート型熱交換器である。管群型熱交換器の場合には、内側範囲Ａが管群型熱交換器の管の内室に連通するように、管群型熱交換器とハウジングＧとの間の接続部が形成されている。プレート型熱交換器の場合には、反応器の内側範囲Ａがプレート型熱交換器のプレートの間の隙間に連通している。

管群型熱交換器の管の間の中間室またはプレート型熱交換器の１枚の熱交換プレートを形成するために溶接されたそれぞれ２枚の薄板の間の中間室は、熱交換器とは反対側の反応器の端部に案内されかつそこで方向変換された管を介して 熱交換器とは反対側のハウジングＧの端部に接続され、従って外側範囲Ｂに対して気密になるように反応器の内側範囲に接続されている。

炭化水素を含む流れは、管群型熱交換器の管の間の中間室を通ってまたはプレート型熱交換器の場合にはそれぞれ１枚の熱交換プレートを形成する薄板の間の中間室を通って案内され、管を通ってまたはプレート型熱交換器のプレートの間の隙間を通って向流で循環する生成ガス流によって加熱され、反応器の反対側の端部に案内され、そこで方向変換され、そしてハウジングの内側範囲Ａ内に案内される。

自熱式気相脱水素化は、モノリスの形態の不均一系触媒で行われる。

ここで、モノリスとは、約０．５〜４ｍｍの小さな横断面を有する互いに平行に配置された貫通する多数の通路を備えた一体の平行六面体ブロックであると理解される。

モノリスは好ましくは担体材料としてのセラミック材料から形成され、その上に触媒作用する層が好ましくはいわゆるウォッシュ−コーティング−方法によって被覆形成されている。

横に並べて、上下に積み重ねておよび前後に並べて配置して充填物を形成したモノリスは好ましくは、膨張マットまたは鉱物繊維フリースに包み込まれ、締付け装置によって容器に挿入される。鉱物繊維フリースとしては好ましくは、排気ガス触媒のための使用に関して知られているようなフリース、例えば３Ｍ（登録商標）社のＩｎｔｅｒａｍ（登録商標）成層マットが使用される。

膨張マットは触媒式排気ガス浄化において知られており、例えば独国特許出願公開第４０２６５６６号明細書に記載されている。膨張マットは実質的に、雲母中間層を有するセラミック繊維からなっている。雲母中間層のために、膨張マットは温度上昇時に膨張しようとし、それによってその中に包まれた物体の確実な保持が一層高い温度でも達成される。

鉱物フリースまたは膨張マットは、熱の作用を受けて膨張するようにかつ通常はセラミックスであるモノリスをハウジングに対して封止するように、特にハウジング上でのモノリスの摩擦やハウジング内壁に沿った反応ガス混合物のバイバス流れを防止するように選択される。

モノリスを包み込む膨張マットはモノリスの位置を安定させる。というのは、膨張マットが熱膨張下で締付け力を生じるからである。しかし、誤った条件が続くうちに、締付け力が弱まる。従って、締付け装置が設けられると有利である。そのために、膨張マットは反応ガス混合物の出口に対応するその端部に、高温に耐える、例えば金属製の織物から形成されたＵ字形成形体によって囲まれている。膨張マットの延長部には金属成形体が配置されている。この金属成形体は膨張マットの横断面に一致する横断面によって膨張マットに当てがわれ、反応ガス混合物の流れ方向に幅が広がっている。それによって、金属成形体は反応ガス混合物の流れ方向に膨張マットが摺動しないように、支持部材として作用する。

膨張マットに包み込まれたモノリスはハウジング内に配置されている。

このハウジングが、反応温度、通常は約４００〜７００℃の範囲の温度による大きな負荷時に機械的および化学的に安定しかつ自熱式気相脱水素化のための触媒作用を有していない材料によって形成されると有利である。

ハウジングが、耐熱性の材料、特に材料番号１．４５４１、１．４９１０または１．４８４１の特殊鋼によって形成されていると有利である。

ハウジングは、できるだけ小さな熱容量を有するようにして、外側範囲Ｂと内側範囲Ａとの間の熱損失を制限するために、できるだけ薄くすべきである。

ハウジングを断熱すると有利である。

ハウジングを反応器内に支持すると有利である。

ハウジングを直方体として形成すると有利である。

直方体として形成されたハウジングの側壁が個別的に取り外し可能に形成され、それによって触媒作用領域から充填物全体または充填物の個々のモノリスが交換可能であると有利である。

充填物を形成しながら触媒作用領域を充填するために、個々のモノリスは横に並べて、上下に重ねておよび前後に並べて必要な数が配置されている。

各充填物の手前にそれぞれ、触媒作用をしない固定された組み込み物を備えた混合領域が設けられている。この混合領域内で、炭化水素を含むガス流と酸素を含むガス流の混合が行われる。この場合、流れ方向において先ず最初に流れが押し寄せる混合領域において、酸素を含むガス流と炭化水素を含む装入流との混合が行われ、続いて流れが押し寄せる混合領域においてその都度、まだ脱水素化すべき炭化水素を含む反応混合物への、酸素を含むガス流の中間供給が行われる。

脱水素化すべき炭化水素を含むガス流は好ましくは２つ以上の個所から熱交換器に供給することが可能であり、特に質量流量の多い主流れとしておよび主流れよりも質量流量の少ない１つまたは複数のバイパス流れとして供給することができる。

脱水素化すべき炭化水素を含むガス流を加熱するために、熱交換器に加えて、１個または複数の追加ヒータを設けることができる。追加ヒータとして、炭化水素を含む脱水素化すべきガス流用の供給管を通る水素の供給部を、触媒作用する各領域の手前に配置された混合領域への入口のできるだけ近くに設けると有利である。

その代わりにまたはそれに追加して、電気的なヒータを追加ヒータとして設けることができる。このヒータは好ましくは差込みシステムとして、反応器の外側範囲Ｂ内において炭化水素を含むガス流用の供給管が熱交換器から出た後で、このガス流用の供給管内に取り外し可能に取り付けられる。その代わりにまたはそれに追加して、マッフルバーナを追加ヒータとして設けることができる。

横にして配置した円筒として反応器を有利に形成することにより、モノリス充填物を含む内側範囲Ａが大きな面で支持され、それによって機械的に負荷が軽減される。さらに、この反応器構造の場合、個々のモノリス充填物へのアクセスが簡単である。

反応器の外壁は好ましくは圧力容器のために許容される合金鋼、特に粗鋼、好ましくはボイラー板Ｈｌｌまたは材料番号１．４５４１または１．４９１０の合金鋼によって形成されている。反応器の外壁には耐火レンガを張ることができる。

各混合領域は好ましくはそれぞれ管分配器を備えている。この管分配器は反応器の縦方向に対して垂直な平面内に互いに平行に配置された多数の差込み管によって形成されている。この差込み管は１つまたは複数の分配室に接続されている。差込み管は、それから出る酸素を含むガス流のための互いに均一に離隔された多数の出口と、互いに均一に離隔された多数の混合器を備えている。

この混合器は好ましくは混合板として形成されている。

熱交換器は好ましくは管群型熱交換器として形成されている。

管群型熱交換器は好ましくは、耐熱性が高い特殊鋼、特に材料番号１．４５４１または１．４９１０の特殊鋼によって形成されている。管群型熱交換器の管はその両端で、好ましくは背板溶接によって隙間のないように管板に入れられ、管群型熱交換器の管板はその高温ガス側で耐熱性特殊鋼、特に材料番号１．４８４１の特殊鋼によってメッキされている。

炭化水素を含むガス流が内側範囲Ａに供給されるハウジングＧの端側には好ましくは整流器が配置されている。

上記の反応器を使用して自熱式脱水素化を行うための方法も本発明の対象である。

有利な完全連続運転では、２個以上の反応器が使用可能である。この場合、少なくとも１個の反応器が自熱式気相脱水素化のために使用され、同時に少なくとも１個の他の反応器が再生される。

自熱式気相脱水素化は好ましくはプロパン、ブタン、イソブタンまたはブテンの自熱式脱水素化である。

本発明に係る反応器と本発明に係る方法は特に、微孔質高性能断熱材からなる超断熱体の使用によって、従来の反応器と比べて、自熱式気相脱水素化のエネルギー収支が大幅に改善されるという利点を有する。

次に、実施の形態と図面に基づいて本発明を詳しく説明する。

横にして配置された円筒の形をした本発明に係る反応器の有利な実施の形態の、垂直平面に沿った縦断面図である。 垂直な縦軸線を有する直立した円筒の形をした本発明に係る反応器の有利な実施の形態の縦断面図である。 図１に示した反応器の、水平平面での縦断面図である。 図１に示した反応器の、Ｃ−Ｃ平面に沿った横断面図である。 図１に示した反応器の、Ｄ−Ｄ平面に沿った横断面図である。 図１に示した反応器の、Ｅ−Ｅ平面に沿った横断面図である。 図１に示した反応器の、Ｆ−Ｆ平面に沿った横断面図である。 Ｐｏｒｅｘｔｈｅｒｍ社の微孔質高性能断熱材ＷＤＳ（登録商標）についての温度に対する熱伝導率を、従来の断熱材と比較して概略的に示す図である。

図において、同じ参照符号はそれぞれ同一のまたは一致する特徴を示している。

図１の垂直平面に沿った縦断面図は 本発明に係る反応器１の有利な実施の形態を略示している。この反応器には、炭化水素を含む脱水素化すべきガス流２が供給管７を経て供給され、酸素を含むガス流３が分配室１０を有する供給管９を経て供給される。

図１は、ハウジングＧが反応器１の内室を内側範囲Ａと外側範囲Ｂに分割していることを示している。内側範囲Ａには触媒作用する例えば３つの領域５が配置されている。この領域の中にはそれぞれ、上下に積み重ねて、横に並べておよび前後に並べて配置された、詳しく示していないモノリス４からなる充填物が設けられている。触媒作用領域５の手前にはそれぞれ、固定された組み込み物を有する混合領域６が設けられている。炭化水素を含む脱水素化すべきガス流２は熱交換器１２を経て案内され、反応ガス混合物との間接的な熱交換によって加熱され、さらに反応器の反対側端部に案内され、この端部で方向変換され、整流器８を経て内側範囲Ａ内に案内され、混合領域６において酸素を含むガス流３と混合される。そして、モノリス４を装備した触媒作用領域５内で、自熱式気相脱水素化が生じる。反応ガス混合物は熱交換器１２の出口の回収箱１３と排出管１１を経て反応器から排出される。

参照数字１４は内側範囲Ａの入口の近くの、円錐形状から直方体形状への移行部を示し、参照数字１５は熱交換器１２からの生成ガス出口の近くの、直方体形状から円錐形状への移行部を示している。

参照数字１６によって、微孔質高性能断熱材が示してある。この断熱材は斜線で示されている。断熱材は反応器１の内側範囲Ａ全体を外側範囲Ｂに対して断熱する。

図２は、図１に示した反応器と類似する反応器を示しているが、この反応器は直立するように、すなわち垂直な縦軸線を有するように形成されている。

図３は図１に示した反応器と同じ反応器の、水平平面での縦断面図である。

図４は図１と図２に示した反応器の混合領域６の範囲の横断面図である（断面Ｃ−Ｃ）。

図５は同じ反応器の触媒作用領域５の範囲の横断面図である（断面Ｄ−Ｄ）。

図６は同じ反応器の熱交換器１２の反応ガス入口の範囲の横断面図である。

図７は同じ反応器の熱交換器１２の反応ガス出口の範囲の横断面図である。

内側範囲Ａを外側範囲Ｂに対して断熱する微孔質高性能断熱材（参照数字１６）からなる断熱体がすべての横断面図（図４〜図７）に示してある。

図８は、本発明に従って使用される微孔質高性能断熱材、例えばＰｏｒｅｘｔｈｅｒｍ社のＷＤＳ（登録商標）のきわめて低い熱伝導率を、慣用の断熱材と比較して曲線１で示す。この慣用の断熱材はシリコン−珪酸塩の板が曲線２で、カルシウム−マグネシウム−珪酸塩ファイバ−マットが曲線３で、そしてガラスウール（板およびマット）と石綿（マット）が曲線４で示してある。この場合、横座標に記入した温度（℃）に対して、熱伝導率λ（Ｗ／ｍ^＊Ｋ）が縦座標に記入されている。

次に、実施例に基づいて本発明を詳しく説明する。反応器１の有利な実施の形態の細部を大きな技術的尺度で例示的に説明する。

外被体（皿型端部を有する横にして配置された円筒）の寸法：
長さ： ２４５００ｍｍ
直径： ６０００ｍｍ
外被体の材料： ＨＩＩ
外被体の設計データ：
圧力： ７バール（絶対圧力）
温度： ３５０℃

反応器は次の個々の構成要素（材料１．４５４１）からなっている。
１個 供給管 原料ガス ＤＮ１０００（図１の参照数字７）（主流８０〜１００％
調節可能）。反応器外壁を通って組み込まれた熱交換器（図１の参照数字１２）
に至る。
１個 管群形成部に組み込まれた熱交換器、参照数字１２。原料ガスは外壁側を交叉向
流で流れる；生成ガスは１１０００本の管２０ｍｍ×２ｍｍ×６０００ｍｍを通って流れる；三角分配部２６ｍｍ；管は、それぞれ３３７０ｍｍ×１０００ｍｍの寸法を有する２つの長方形領域に分配される。
管板への管の溶接部は背板構造として形成されている。熱交換器は低温側に、浮動ヘッド構造の補正器を有する。
１個 供給管 原料ガス ＤＮ６００（バイバス流０〜２０％調節可能）。反応器外壁を通って組み込まれた熱交換器に至る。
１個 接続管 原料ガス ＤＮ１０００。組み込まれた熱交換器１２の出口から反応器入口に至る。
接続管には電気的な追加ヒータが組み込まれている。
１個 供給管 ＤＮ２００と、熱交換器１２と内側範囲Ａの入口との間の接続管内への高温ガス１７の混入部；混入部は多孔管系として形成されている。高温ガスとして水素が使用される。
１個 ＤＮ１０００の円錐から３３７０ｍｍ×２８５０ｍｍの直方体（ハウジングＧの入口）への移行部１４。整流器８として、組み込まれた３枚の穴あき板を備えている。
３個 混合領域６。それぞれ２０個の分配管ＤＮ１２５からなる触媒作用する各々の領域５の前に、固定された組み込み物を有する。
１個 モノリス４を支持するためのハウジングＧ。
寸法：３３７０ｍｍ×２８５０ｍｍ×８５００ｍｍ
モノリスは組み込みを簡単にするため、予めより大きな充填物に組み立てられている。充填物は膨張マットによって離隔された６個×４個のモノリスからなっている。このマットは流れ方向において端面側が、接着された金属メッシュによって崩壊および摩耗しないように保護されている。個々のモノリス４はスペーサによって移動しないように保持されている。
各充填物モジュールは安定した箱を介して応力下で外側から保持されている。個々の充填物モジュールは差込み型モジュールとして形成されている。固有の反応ハウジングに対する差込み型モジュールの封止は、薄い封止マットによって行われる。
３個 触媒作用領域５。この領域にはモノリス４からなる充填物モジュールが実装されている。
触媒作用する各領域５は前後にセットされた１５個のモノリス列からなっている。各モノリス列は２４０個のモノリスからなっている。触媒作用領域５は全部で３６００個のモノリスからなり、寸法が１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×１５０ｍｍである。
個々のモノリス列は離隔されている。この離隔部に、プロセスを調整および制御するための適当な温度測定部が組み込まれている。
１個 組み込まれた熱交換器１２へのハウジングＧの移行部。
寸法： ３３７０ｍｍ×２８５０ｍｍ×７００ｍｍ；長方形。
移行部は溶接構造で形成されている。
１個 ３３７０ｍｍ×２８５０ｍｍの長方形の組み込まれた熱交換器１２から約ＤＮ１５００への反応ガス混合物のための移行部１５；移行部は円錐形に形成されている。
１個 反応器外壁を通過する、反応ガス混合物のための排出管１１ ＤＮ１５００。
３個 反応器外壁を通過して触媒作用する各領域５の分配室１０に至る、Ｏ_２を含むガスのための供給管ＤＮ６００ ９。

すべての内側組み込み物は、外側範囲Ｂに対して内側範囲Ａ用に、例えばＰｏｒｅｘｔｈｅｒｍ社のＷＤＳ（登録商標）からなる微孔質高性能断熱材（超断熱材）を備えている。この超断熱材は金属製カバー（カプセル）によって摩耗や湿気に対して保護されている。圧力に耐える反応器外壁は、外部から断熱されている。

１ 反応器、 ２ 炭化水素を含むガス流、 ３ 酸素を含むガス流、 ４ モノリス、 ５ 触媒作用領域、 ６ 混合領域、 ７ 供給管、 ８ 整流器、 ９ 各供給管、 １０ 分配室、 １１ 排出管、 １２ 熱交換器、 １３ 回収箱、 １４ 円錐形状から直方体形状への移行部、 １５ 直方体形状から円錐形状への移行部。

Claims (11)

1. モノリス（４）として形成された不均一系触媒で、反応ガス混合物を得ながら、酸素を含むガス流（３）によって炭化水素を含むガス流（２）の自熱式気相脱水素化を行うための、円筒または角柱の形をした反応器（１）であって、
   前記反応器（１）の内室が前記反応器（１）の縦方向に配置された円筒形または角柱形の気密ハウジングＧによって、１つまたは複数の触媒作用領域（５）を有する内側範囲Ａと、前記内側範囲Ａに対して同軸に配置された外側範囲Ｂとに分割され、
   前記触媒作用領域内にそれぞれ、上下に積み重ねて、横に並べておよび前後に並べて配置された前記モノリス（４）からなる充填物が設けられ、前記触媒作用領域（５）の手前にそれぞれ、固定された組み込み物を有する混合領域（６）が設けられ、
   前記反応器の一端に、前記ハウジングＧに接続して、熱交換器（１２）が設けられ、
   前記反応器が炭化水素を含む脱水素化すべき前記ガス流（２）のための１本または複数本の供給管（７）を備え、
   前記反応器が互いに独立して調節可能な１本または複数本の供給管（９）を備え、この各供給管（９）が酸素を含む前記ガス流（３）を、１つまたは複数の分配室（１０）に、そして混合領域（６）の各々に供給し、
   前記反応器が自熱式気相脱水素化の反応ガス混合物のための排出管（１１）を備え、
   自熱式気相脱水素化の反応条件下で不活性のガスが前記外側範囲Ｂに供給され、
   炭化水素を含む脱水素化すべき前記ガス流（２）が供給管（７）を経て前記熱交換器（１２）内に案内され、前記熱交換器（１２）内で反応ガス混合物によって向流式に間接的な熱交換で加熱され、さらに前記熱交換器（１２）とは反対側の反応器端部に案内されて、そこで方向変換され、整流器（８）を経て前記内側範囲Ａ内に案内され、そして前記混合領域（６）内で酸素を含む前記ガス流（３）と混合され、それに基づいて前記反応器（１）の内側範囲Ａ内で自熱式気相脱水素化が生じる、上記反応器（１）において、
   前記反応器の前記内側範囲Ａが、７００℃以下の温度で０．０５Ｗ／ｍ^＊Ｋよりも小さな熱伝導率λを有する微孔質高性能断熱材（１６）によって、前記外側範囲Ｂに対して断熱されていることを特徴とする反応器（１）。
2. 前記反応器が横にして配置した円筒または角柱の形に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の反応器（１）。
3. 前記ハウジングＧ、前記熱交換器（１２）、炭化水素を含む脱水素化すべき前記ガス流（２）のための前記供給管（７）および酸素を含む前記ガス流（３）のための前記供給管（９）が、前記反応器の前記外側範囲Ｂに対して、微孔質高性能断熱材（１６）によって断熱されていることを特徴とする請求項１または２に記載の反応器（１）。
4. 前記微孔質高性能断熱材（１６）が、前記ハウジングＧ、前記熱交換器（１２）、炭化水素を含む脱水素化すべき前記ガス流（２）のための前記供給管（７）および酸素を含む前記ガス流（３）のための前記供給管（９）に対して、前記反応器の前記外側範囲Ｂの側に取り付けられていることを特徴とする請求項３に記載の反応器（１）。
5. 孔の平均の大きさが約２０ｎｍの微孔質粒子の形をし、主構成成分としての高分散性の珪酸と、赤外線を最小限に減らすための、他の構成成分としての乳白剤を有する材料が、前記微孔質高性能断熱材（１６）として使用されることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載の反応器（１）。
6. 板の形あるいは板から作られた成形部材の形をした前記微孔質高性能断熱材（１６）が使用されることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載の反応器（１）。
7. 前記板またはこの板から作られた前記成形部材が、その機械的安定性を高める材料からなる層（１７）によって覆われていることを特徴とする請求項６に記載の反応器（１）。
8. 前記層（１７）を形成する材料が金属、好ましくは特殊鋼またはアルミニウムであることを特徴とする請求項７に記載の反応器（１）。
9. 前記微孔質高性能断熱材（１６）からなる、前記板から作られた前記成形部材が互いにかみ合うことができるように形成され、かつ機械的負荷および熱的負荷の下で常に連続した断熱を保証するように形成されていることを特徴とする請求項６から８までのいずれか一項に記載の反応器（１）。
10. 請求項１から９までのいずれか一項に記載の反応器を使用して、自熱式気相脱水素化を行うための方法。
11. 前記自熱式気相脱水素化がプロパン、ブタン、イソブタン、ブテンまたはエチルベンゼンの脱水素化であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。

Images