JP4160213B2 - 接触気相酸化反応用のガスの混合方法およびその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数種のガスを効率的に混合する方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数種のガスの混合装置には、特開昭５６−５３７３３号公報に記載されている装置や、スタティックミキサーなどがあるが、これらはいずれも内部に内装物が設置されているため構造が複雑であり、使用の際に圧力損失が発生し、また、混合するガス付着性物質および／または固形物が含まれる場合には使用できないことがあった。
【０００３】
特開平１０−２４４１３６号公報には、ガス入口用オリフィスの口径をそれぞれのガスの混合器への流入速度と等しくなるように設置する装置が示されているが、同一混合器でのガスの混合比を調整することができない。
【０００４】
複数種のガスの混合方法は、特に接触気相酸化反応の原料を混合する場合においては特に重要である。接触気相酸化反応では、有機化合物又は有機化合物を含有するガスと分子状酸素を含有するガスが混合される。ここでいう接触気相酸化反応の例として、エチレンからエチレンオキサイド、ベンゼンまたはＣ₄炭化水素から無水マレイン酸、キシレンまたはナフタレンからの無水フタル酸、プロピレンまたはプロパンからのアクロレイン、アクロレインからのアクリル酸、イソブチレンまたはターシャルブチルアルコールからのメタクロレイン、メタクロレインからのメタクリル酸等が挙げられる。
【０００５】
図３は、従来の一例であるガス混合装置を示す説明図である。図３に示されるガス混合装置１１は、側面に第一ガス入口ノズル１２及び第二ガス入口ノズル１３を備え、上部がガス出口１４である槽１５である。この槽１５の直径が６００ｍｍ、長さが２８５０ｍｍ（管を用いているため長さを特定しがたいが、サンプリングノズルまでには混合が終了すると考えられることから、この領域を長さであるとする。）である。
【０００６】
第一ガス入口ノズル１２の直径は５５０ｍｍであり、第一ガス入口ノズル１２の中心部は槽１５の下部から５５０ｍｍの位置に設けられている。また、第二ガス入口ノズル１３の直径は８０ｍｍであり、かかる第二ガス入口ノズル１３の中心部は槽１５の下部から１０００ｍｍの位置に設けられている。それぞれのノズルは、槽１５の外部から内部に向かって、対向するように設けられている。
【０００７】
図４は、図３に示される従来のガス混合装置を上方から見た説明図である。図４において、ガス混合装置１１において、混合用のガスは第一ガス入口１２および第二ガス入口１３から槽１５内に導入して混合され、ガス出口１４から排出される。
【０００８】
通常、その混合比は、混合後に爆発範囲を避けるように決定されるが、混合の過程において取り扱う物質によっては局所的かつ一時的に爆発範囲内の組成が形成されることは不可避的である。
【０００９】
したがって、構造が単純であって圧力損失をできるだけ避け、爆発範囲に属するガスの容積が多くならないようにすばやく混合し、さらに有機化合物の製造に使用する際には、収率の向上を図るために接触気相酸化反応器の入口での混合ガスを均一とすることが求められる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
実質的に圧力損失が無視でき、付着性物質および／または固形物を含有するガスにも適用可能な複数種のガス混合方法およびその装置を提供することを目的とする。
【００１１】
また、爆発範囲を形成する可能性がある複数種のガスを混合する際には、迅速に混合することで、混合過程で形成される局所的な爆発範囲内の組成の混合ガスの容積を減少させることが求められている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、少なくとも一つのガス入口ノズルを用い、分子状酸素含有ガス、水蒸気及び不活性ガスを含むガスについて混合槽内に旋回流を生成させ、該旋回流の下流側に有機化合物を同一方向の旋回流を生じさせるように導入することを特徴とする接触気相酸化反応用のガスの混合方法によって達成される。
【００１３】
また、本発明の目的は、混合槽内に旋回流を生成させるための、分子状酸素含有ガス、水蒸気及び不活性ガスを含むガス用の少なくとも一つのガス入口ノズルと、該旋回流の下流側に同一方向の旋回流を生じさせるための有機化合物用ガス入口ノズルとを設けてなることを特徴とする接触気相酸化反応用のガスの混合装置によって達成される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の複数種のガスの混合方法およびその装置について説明する。
【００１５】
混合槽内で旋回流を生成させることを特徴とする混合方法により複数種のガスを十分に混合することができ。また、混合槽内に旋回流を生成させることは、少なくとも一つのガス入口ノズルまたはガス出口ノズルを設けたことを特徴とする複数種のガスの混合装置によって達成することができる。ここで、混合槽は、槽胴部が実質的に円筒形であり、槽胴部の片端が鏡板で構成されている。ここで、実質的に円筒形とは、円錐形または円筒形と円錐形の組み合わせなどを、槽胴部とは鏡板部以外の部分を意味する。旋回流の生成方法は、特に限定はされないが、例えば、槽内にノズルを突出させ角度を持たせる方法や、槽内のノズル部に方向転換のバッフルを設ける方法、槽に対し扁心してノズルを接続する方法、槽胴部に対し接線方向に設けられたガス入口ノズルを利用する方法などが挙げられる。なかでも、構造が最も簡単で効率的に旋回流を生成することができる観点から、槽胴部に接線方向にノズルを設置することが好ましい。
【００１６】
また、混合ガスの出口は、通常、混合槽の開口部をガス出口とすることが好ましいが、開口部を鏡板を用いて閉じて、いずれか一方の鏡板に穴をあけてガス出口とし、または開口部を鏡板を用いて閉じて槽胴部にガス出口を設けてもよい。ガス出口の取付方向は、特に限定されないが、混合後のガスの流れを妨げないように、または旋回流を強めるようにガス出口が設けられていることが好ましい。
【００１７】
混合槽は、混合槽を備える装置の停止後の凝縮物および／または洗浄排液の排出、装置の配置上の制約などの観点から槽開口部をガス出口とする垂直状態で用いることが望ましい。
【００１８】
また、各入口ノズル部での各投入ガスの線速度比が、最も遅いものを基準として、通常、１．０〜４．０、好ましくは１．０〜２．０、さらに特に好ましくはそれぞれにおいて１．０を含まないものとなるように特定されたものであることが望ましい。投入ガスの線速度比が上記範囲を外れる場合には、槽内でガスの不均一が生じ、混合効率が損なわれるため好ましくない。
【００１９】
さらに、混合ガスの槽内滞留時間が、０．３秒〜１．５秒、好ましくは０．４秒〜１．０秒であることが望ましい。ここでいう槽内とは、混合槽胴部、槽胴部両端または片端の鏡板の部分を意味し、各入口出口ノズルの容積は含まない。なお、混合槽両端または片端の鏡板の形状は、正半楕円、皿形、半球型、平板等の何れでも構わず、さらに両端で異なる形状のものを用いてもよい。また、滞留時間は混合後の合計ガス流量に基づき算出する。滞留時間が０．３秒未満では混合時間が不足し、１．５秒より大にするためには装置が大きくなる上、爆発範囲内の組成を形成する容積が大きくなるため好ましくない。
【００２０】
混合ガスの槽断面におけるガス進行方向に対する槽内平均速度が、２．０ｍ／秒〜１０．０ｍ／秒、好ましくは３ｍ／秒〜７ｍ／秒であることが望ましい。平均速度は混合後の合計ガス流量に基づき算出する。ここで、槽断面とは、槽胴部の最大直径の部分での断面を意味する。ガスの平均速度が２．０ｍ／秒未満とするためには槽胴部の直径を大きくしなければならず、ガスの混合に必要な槽胴距離を確保すると滞留時間が長くなり、また、平均速度が１０．０ｍ／秒を超えるときは圧力損失の増大を招くため好ましくない。
【００２１】
このようにして得られた混合ガスは、複数のガスが十分に混合されているので、有機化合物の接触気相反応、特に（メタ）アクロレインおよび／または（メタ）アクリル酸の合成反応の原料ガスとして用いることが好ましい。接触気相酸化反応を行う際に、有機化合物に爆発範囲に属するガスの容積が多くならないように、予め分子状酸素含有ガス、水蒸気および不活性ガスよりなる群から選ばれた少なくとも一種を混合槽内に導入したのちに、その混合ガスの下流側に有機化合物を導入することが望ましい。
【００２２】
上記の複数のガスの混合方法は、少なくとも一つのガス入口ノズルまたはガス出口ノズルを混合槽内に旋回流を生成させるように設けてなることを特徴とする複数のガス混合装置によって実施することが可能である。
【００２３】
混合槽胴部の内部直径が混合槽胴部の長さの０．４〜１．０倍、好ましくは０．５〜１．０倍であることが好ましい。混合槽が円錐形または円筒形と円錐形との組み合わせなどの場合は、最大直径をもって槽胴部直径とする。胴部直径が槽長の０．４倍未満のときは、槽断面における混合ガスの進行方向に対する平均速度が速くなるため、また、１．０倍を超えるときは、滞留時間が長くなるため好ましくない。
【００２４】
混合するガスが爆発範囲を形成する可能性のあるものの場合は、その投入順序が重要であり、混合ガス上流側の鏡板、すなわち槽胴部上流側の鏡板から下流側へ向けてノズル中心までの距離が槽胴部の長さに対し、以下に示す位置にノズルを配置することが好ましい：
不活性ガス ０．０５〜０．３５
水蒸気 ０．０５〜０．３５
分子状酸素含有ガス ０．０５〜０．３５
有機化合物 ０．４０〜０．６５。
【００２５】
ここで、例えば、プロピレンまたはプロパンを接触気相酸化してアクロレインを製造する場合、有機化合物としてはプロピレンまたはプロパン、分子状酸素含有ガスとしては酸素ガス、不活性ガスとしては窒素ガスまたは二酸化炭素ガスなどであり、この場合、分子状酸素含有ガスおよび不活性ガスとして空気を用いてもよい。
【００２６】
このガスの混合は、温度及び圧力に限定されることなく実施することができるが、好ましくは０〜２５０℃、−１０〜１５０ｋＰａＧの範囲内である。
【００２７】
以下、図面を用いて本発明のガスの混合装置及びガスの混合方法をより具体的に説明する。
【００２８】
図１は、本発明の一実施態様である縦型円筒槽を用いたガス混合装置の説明図である。図１における長さに関する数値は、特に断りがない限り、絶対値ではなく、それぞれの比率を示すものであると解釈すべきである。図１に示される混合装置１は、内部が実質的に円筒形であって、槽胴部に第一ガス入口ノズル２及び第二ガス入口ノズル３を備え、上部がガス出口４である槽５である。この槽５の槽胴部直径の最大のものが１０００、ガス出口部の直径が６００、ガス出口部の長さ（サンプリングノズルまで）が５００、槽胴部の長さが２３５０であり、槽胴部直径の最大のものが槽胴部の長さの０．４２６倍である。
【００２９】
第一ガス入口ノズル２の直径は５５０であり、第一ガス入口ノズル２の中心部は槽５の槽胴部下部から５５０の位置に設けられている。また、第二ガス入口ノズル３の直径は１５０であり、かかる第二ガス入口ノズル３の中心部は槽５の槽胴部下部から１０００の位置に設けられている。それぞれのノズルは、槽５外部から内部に向かって、混合後のガスに同一方向の旋回流を生じさせるように、概水平、かつ、槽５の接線方向に開口して設けられている。混合用のガスを槽５に導入する際の、第一ガス入口ノズル２と第二ガス入口ノズル３との角度は、第一ガス入口ノズル２に対し、第二ガス入口ノズル３は１８０度ずれている。
【００３０】
この場合、それぞれのガス入口ノズルの高さは、槽胴部下部の鏡板から槽胴部の長さ（２３５０）に対し、混合ガスの下流側に、第一ガス入口ノズル２の場合は０．２３４、第二ガス入口ノズル３の場合は０．４２６であり、第一ガス入口ノズル２は、０．０５〜０．３５の関係を満たすので、不活性ガス、水蒸気及び分子状酸素含有ガスの入口ノズルに適し、第２ガス入口ノズル３は、０．４０〜０．６５の関係を満たすので、有機化合物の入口ノズルに適する。よって、混合ガスが爆発範囲を形成する可能性がある場合に適するといえる。
【００３１】
図２は、図１のガス混合装置を上方から見た説明図である。図２において、ガス混合装置１では、第一ガス入口ノズル２及び第二ガス入口ノズル３から混合用のガスを槽５内部に導入して混合し、ガス出口４から均一に混合されたガスを排出する。
【００３２】
図１及び図２に示されたガス混合装置を用いれば、容易に上記のガス混合方法を達成することができる。
【００３３】
上記では、混合槽を用いる場合について説明したが、特に槽を用いずに管状物を用いて混合方法を実施しまたは混合装置とすることが可能である。その際に、槽の長さは実質的にガスの混合が行われる部分であるが、例えば、サンプリングノズルなどの手段により複数種のガスの混合が確認される領域が混合槽に相当すると解せられる。
【００３４】
【実施例】
以下、本発明の実施例により具体的に説明する。
【００３５】
実施例１
図１に示す、槽胴部内径の最大のものが１０００ｍｍ、槽胴部の高さが２３５０ｍｍの縦型円筒槽（接ガス部の材質：ＳＵＳ３０４）を用いガス混合実験を行った。
【００３６】
第一のガス入口ノズルは内径５５０ｍｍ、槽胴部下部からノズル中心までの距離は５５０ｍｍ、第二のガス入口ノズルは内径１５０ｍｍ、槽胴部下部からノズル中心までの距離は１０００ｍｍであり、第一及び第二のガス入口ノズルは、それぞれ水平方向でかつ混合槽外周に対し、接線方向に設置されている。
【００３７】
ガス出口ノズルの内径は６００ｍｍ、高さが槽胴部下部から２３５０ｍｍであり、同一内径のガス配管に接続されている。
【００３８】
第一のガス及び第二のガスとして空気を用い、両ガスの混合程度を確認するため、第二のガスにトレーサーガスとしてプロピレン１．５容量％を混入させた。
【００３９】
第一のガスの入口ノズル部での線速度は１５ｍ／秒、第二のガスの入口ノズルでの線速度は１８ｍ／秒であり、温度は共に１００℃であった。
【００４０】
ガス出口ノズル下部から５００ｍｍの位置で、混合ガスを半径方向に５点サンプリングしてトレーサーガス濃度を測定した。その結果、トレーサーガスの平均濃度（０．１２２９容量％）に対する各測定点の相対濃度誤差は±１％以内であった。
【００４１】
比較例１
縦型円筒槽の代わりに、図３に示す装置を用い、比較実験を行った。
【００４２】
第一のガス及び第二のガスとして空気を用い、両ガスの混合程度を確認するため、第二のガスにトレーサーガスとしてプロピレン１．５容量％を混入させた。
【００４３】
第一のガスの入口ノズル部での線速度は１５ｍ／秒、第二のガスの入口ノズルでの線速度は６５ｍ／秒であり、温度は共に１００℃であった。
【００４４】
ガスの混合程度は、第二のガスノズルの中心から下流方向に１８５０ｍｍで実施例１と同様のサンプリング方法、分析方法により測定した。その結果、トレーサーガスの平均濃度（０．１２６０容量％）に対する各測定点の相対濃度誤差は表１に示すとおりであり、混合程度に明らかな差が見られた。
【００４５】
【表１】

【００４６】
(*1) Rはガス出口配管の半径、ｒはサンプリング位置を示すガス出口配管中心からの距離。
(*2)比較例１における槽容量は、下部鏡部、槽胴部２３５０ｍｍ（実施例１の槽高さと同等高さ）分として計算した。
【００４７】
【発明の効果】
本発明のガス混合装置によれば、混合槽内の内装物を実質的に無くしまたは可能な限り少なくできるので、極めて簡単な装置でガスを均一に混合することが可能である。
【００４８】
本発明のガスの混合方法によれば、簡便にガスを均一に混合することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様である縦型円筒槽を用いたガス混合装置の説明図である。
【図２】図１のガス混合装置を上方から見た説明図である。
【図３】従来のガス混合装置を示す説明図である。
【図４】図３に示される従来のガス混合装置を上方から見た説明図である。
【符号の説明】
１、１１…ガス混合装置
２、１２…第一ガス入口ノズル
３、１３…第二ガス入口ノズル
４、１４…ガス出口
５、１５…槽

Claims (14)

1. 少なくとも一つのガス入口ノズルを用い、分子状酸素含有ガス、水蒸気及び不活性ガスを含むガスについて混合槽内に旋回流を生成させ、該旋回流の下流側に有機化合物を同一方向の旋回流を生じさせるように導入することを特徴とする接触気相酸化反応用のガスの混合方法。
2. ガス入口ノズル部での各混合用ガスの線速度の比が、最も遅いものを基準として１．０〜４．０の範囲内である請求項１に記載の方法。
3. 混合槽内の混合ガスの平均滞留時間が、０．３秒〜１．５秒である請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 混合槽内の混合ガスの平均線速度が、２．０ｍ／秒〜１０．０ｍ／秒である請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記分子状酸素含有ガスは酸素ガスであり、前記不活性ガスは窒素ガスまたは二酸化炭素ガスであり、または前記分子状酸素含有ガスおよび不活性ガスとして空気であり、有機化合物はプロピレン若しくはプロパン、アクロレイン、イソブチレンまたはターシャリーブチルアルコール、またはメタクロレインである請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記混合槽は、槽胴部が円筒形であって、槽胴部直径が１０００に対し、槽胴部の長さが２０００の比率である請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記接触気相酸化反応が、（メタ）アクロレインおよび／または（メタ）アクリル酸の合成反応である請求項１に記載の方法。
8. 混合槽内に旋回流を生成させるための、分子状酸素含有ガス、水蒸気及び不活性ガスを含むガス用の少なくとも一つのガス入口ノズルと、
   該旋回流の下流側に同一方向の旋回流を生じさせるための有機化合物用ガス入口ノズルとを設けてなることを特徴とする接触気相酸化反応用のガスの混合装置。
9. 混合槽の槽胴部直径が、槽胴部の長さの０．４〜１．０倍である請求項８に記載の装置。
10. 前記混合槽は、槽胴部が円筒形であって、槽胴部直径が１０００に対し、槽胴部の長さが２０００の比率である請求項８または請求項９に記載の装置。
11. 前記ガス入口ノズルは前記槽胴部に対し接線方向に設けられてなり、前記有機化合物用ガス入口ノズルは前記槽胴部に対し接線方向に設けられてなることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 混合槽の槽胴部混合ガスの上流側の鏡板から下流側へ向けてそれぞれのガス入口ノズルの中心までの距離が、槽胴部の長さに対する比率で、次に示す範囲内に設けられてなる請求項８〜１１のいずれか１項に記載の装置：
    不活性ガス ０．０５〜０．３５
    水蒸気 ０．０５〜０．３５
    分子状酸素含有ガス ０．０５〜０．３５
    有機化合物 ０．４０〜０．６５。
13. 前記分子状酸素含有ガスは酸素ガスであり、前記不活性ガスは窒素ガスまたは二酸化炭素ガスであり、または前記分子状酸素含有ガスおよび不活性ガスとして空気であり、有機化合物はプロピレン若しくはプロパン、アクロレイン、イソブチレンまたはターシャリーブチルアルコール、またはメタクロレインである請求項８に記載の装置。
14. 前記接触気相酸化反応が、（メタ）アクロレインおよび／または（メタ）アクリル酸の合成反応である請求項８に記載の装置。

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