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JP5691151B2 - Reaction method using heat exchange reactor - Google Patents

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JP5691151B2
JP5691151B2 JP2009227008A JP2009227008A JP5691151B2 JP 5691151 B2 JP5691151 B2 JP 5691151B2 JP 2009227008 A JP2009227008 A JP 2009227008A JP 2009227008 A JP2009227008 A JP 2009227008A JP 5691151 B2 JP5691151 B2 JP 5691151B2
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Description

本発明は、熱交換型反応器及び該熱交換型反応器を用いる反応方法に関する。 The present invention relates to a heat exchange reactor and a reaction method using the heat exchange reactor.

プロパン、プロピレン、又はアクロレインの気相接触酸化反応のような、発熱又は吸熱を伴い、粒状の固体触媒が用いられる気相反応に用いられる反応器としては、例えば、シェルアンドチューブ型の反応器が知られており(例えば、特許文献1参照)、また、ガス状の原料を反応させるための反応容器と、伝熱管を有し、前記反応容器内に並んで設けられる複数の伝熱プレートと、前記伝熱管に熱媒を供給する装置と、を有し、前記反応容器は、供給されたガスが、隣り合う伝熱プレート間の隙間を通って排出される容器であり、前記伝熱プレートは、断面形状の周縁又は端縁で連結している複数の前記伝熱管を含み、隣り合う伝熱プレート間の隙間に触媒が充填されるプレート式反応器が知られている(例えば、特許文献2参照)。   As a reactor used for a gas phase reaction in which a granular solid catalyst is used, such as a gas phase catalytic oxidation reaction of propane, propylene, or acrolein, and a granular solid catalyst is used, for example, a shell and tube type reactor is used. Known (see, for example, Patent Document 1), a reaction vessel for reacting a gaseous raw material, and a plurality of heat transfer plates that are provided side by side in the reaction vessel, including a heat transfer tube, A device for supplying a heat medium to the heat transfer tube, and the reaction vessel is a vessel in which the supplied gas is discharged through a gap between adjacent heat transfer plates, and the heat transfer plate In addition, there is known a plate reactor in which a plurality of the heat transfer tubes connected at a peripheral edge or an edge of a cross-sectional shape are included and a catalyst is filled in a gap between adjacent heat transfer plates (for example, Patent Document 2). reference).

シェルアンドチューブ型の反応器が一般的にはよく使用されるが、特にプレート式反応器は、隣り合う伝熱プレート間の隙間に形成される複数の触媒層を有し、また伝熱プレートと触媒との接触性に優れていることから、前記気相反応による生成物を大量に効率よく製造する観点で優れている。   A shell-and-tube type reactor is generally used. In particular, a plate-type reactor has a plurality of catalyst layers formed in gaps between adjacent heat transfer plates. Since it is excellent in contact with the catalyst, it is excellent from the viewpoint of efficiently producing a large amount of the product by the gas phase reaction.

また、シェルアンドチューブ型の反応器では、例えば触媒の粒径を変えて充填したり、イナート(不活性)物質により触媒を希釈したり、各触媒層の温度を別々に制御することなどにより反応層の温度を調整でき、プレート式反応器では、例えばプレート間の距離と熱媒流路である伝熱管の大きさを調整することで、触媒層の厚みを調整することができ、更に熱媒の流量を調整することで反応層の温度を調整できる。   In a shell-and-tube reactor, for example, the reaction is performed by changing the particle size of the catalyst, diluting the catalyst with an inert substance, or controlling the temperature of each catalyst layer separately. In the plate reactor, the thickness of the catalyst layer can be adjusted by adjusting, for example, the distance between the plates and the size of the heat transfer pipe that is the heat medium flow path. The temperature of the reaction layer can be adjusted by adjusting the flow rate of.

このような反応器において、効率よく生成物を生成させる、すなわち、単位体積(触媒の体積)あたりの触媒量に対してより多くの生成物を得るためには多量の原料ガスを反応器に流入させる必要がある。しかし、多量の原料ガスを反応器に流入させた場合には反応器の差圧が上昇し、反応器の差圧の上昇により酸化反応において燃焼反応が促進され、生成物の収率が低下してしまう問題点があった。また、多量の原料ガスを反応器に流入させるには、原料ガスの圧縮に要するエネルギーが増大し、経済的にも好ましくないものであった。   In such a reactor, in order to produce a product efficiently, that is, to obtain a larger amount of product relative to the amount of catalyst per unit volume (catalyst volume), a large amount of raw material gas flows into the reactor. It is necessary to let However, when a large amount of raw material gas is flowed into the reactor, the differential pressure in the reactor rises, and the increase in the differential pressure in the reactor promotes the combustion reaction in the oxidation reaction, reducing the product yield. There was a problem. Further, in order to allow a large amount of source gas to flow into the reactor, the energy required for compressing the source gas increases, which is economically undesirable.

特開2003−267912号公報JP 2003-267912 A 特開2004−202430号公報JP 2004-202430 A

本発明は、上記の問題を解決するものであり、効率よく生成物を生成させるために、多量の原料ガスを反応器に流入させても、反応器の差圧の上昇を抑制することができ、生成物の収率の低下を招かないような反応方法を提供することを課題とする。   The present invention solves the above problem, and in order to efficiently produce a product, even if a large amount of source gas is allowed to flow into the reactor, an increase in the differential pressure in the reactor can be suppressed. An object of the present invention is to provide a reaction method that does not cause a decrease in the yield of the product.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究の結果、反応器に触媒を充填させた状態での、触媒層容量あたりの標準状態における空気の空間速度を特定の値とした場合の、反
応器の原料入口と出口の差圧が一定値以下となるような反応器を用いることにより、生成物の収率の低下が起こらないことを見出し、本発明を完成させた。
具体的には、触媒層を備えた反応器の通気状態での圧力損失は、触媒に係る条件である触媒の表面形状と触媒粒径とで決まる触媒と通気ガスの接触面積、触媒を充填した状態での通気ガスの線速度を決定する空隙率及び触媒が充填時に触媒層を形成する伝熱管壁や伝熱プレートの表面などと衝突することにより生じる割れや粉化による通気ガスの通路の閉塞率、更には、プレート式反応器ではその特徴である伝熱プレートの形状の多様さに係る触媒層を形成する伝熱プレートの凹凸、触媒層の屈曲によるガス流路の長さ、また、シェルアンドチューブ型反応器およびプレート式反応器共通であるが、触媒層の平均層太さ(シェルアンドチューブ式反応器)や厚さ(プレート式反応器)による通気ガスの空塔速度と触媒層高による通気ガスの接触時間などの要因に分けられる。
本発明者らは、これらの圧力損失に与える触媒要因とシェルアンドチューブ型反応器およびプレート式反応器にかかわらない反応器形状要因のそれぞれを総合的に評価するために、基準条件を決定して、反応状態での圧力損失と反応成績が評価できることを見出した。触媒層を備えていない空塔状態と触媒層の充填状態とでそれぞれ別に空気を用いて異なる空間速度を基準条件として決定し、反応器の性能を評価する条件を決定して本発明を完成した。
As a result of diligent research to solve the above problems, the present inventors have filled the reactor with a catalyst, and when the space velocity of air in the standard state per catalyst layer capacity is a specific value, By using a reactor in which the differential pressure between the raw material inlet and outlet of the reactor is below a certain value, it was found that the yield of the product does not decrease, and the present invention was completed.
Specifically, the pressure loss in the venting state of the reactor equipped with the catalyst layer is determined by the contact area of the catalyst and the aeration gas determined by the surface shape of the catalyst and the catalyst particle size, which are conditions related to the catalyst, and the catalyst is filled. The porosity that determines the linear velocity of the ventilation gas in the state and the passage of the ventilation gas due to cracking or pulverization caused by collision of the catalyst with the heat transfer tube wall or the surface of the heat transfer plate that forms the catalyst layer during filling The clogging rate, and further, the unevenness of the heat transfer plate that forms the catalyst layer according to the variety of shapes of the heat transfer plate, which is a feature of the plate reactor, the length of the gas flow path due to the bending of the catalyst layer, Although it is common to shell and tube reactors and plate reactors, the superficial velocity of the aerated gas and the catalyst layer depending on the average layer thickness (shell and tube reactor) and thickness (plate reactor) of the catalyst layer Ventilation gas contact due to high It is divided into factors such as time.
In order to comprehensively evaluate each of the catalyst factors affecting the pressure loss and the reactor shape factors regardless of the shell-and-tube reactor and the plate reactor, the inventors determined the reference conditions. It was found that the pressure loss and reaction performance in the reaction state can be evaluated. The present invention was completed by determining different space velocities as reference conditions using air separately for the empty state without the catalyst layer and the packed state of the catalyst layer, and determining the conditions for evaluating the performance of the reactor. .

すなわち本発明は、
(1)供給された原料ガスを反応させる触媒層を備え、その触媒層と熱交換を行い除熱及び加熱ができる反応器において、触媒層を備えない状態において、常温の空気を、反応器出口圧力を常圧とし熱媒による加熱なしで、触媒層容積あたり標準状態換算で空間速度を7,200(1/hr)として前記反応器に流入させた場合の前記反応器の差圧が50Pa以下であり、
前記触媒層が、原料ガスの入口から出口に向かって複数の反応帯域に分割され、前記複数の反応帯域は原料ガスの入口から出口に向かって触媒充填時の空隙率を減少させるように配置されている反応器を用いる反応方法である。
(2)好ましくは、前記反応器が、隣り合う伝熱プレートの間に形成された触媒層を備え、供給された原料ガスが前記隣り合う伝熱プレートの隙間を通って排出されるプレート式反応器であって、触媒層が前記隣り合う伝熱プレート間に形成される反応器を用いる反応方法である。
That is, the present invention
(1) In a reactor equipped with a catalyst layer for reacting the supplied raw material gas and capable of heat removal and heating by exchanging heat with the catalyst layer, air at normal temperature is removed from the reactor outlet without the catalyst layer. The pressure difference of the reactor is 50 Pa or less when the pressure is normal pressure and the heating is not performed by a heat medium, and the space velocity is 7,200 (1 / hr) in terms of standard state per volume of the catalyst layer. And
The catalyst layer is divided into a plurality of reaction zones from the inlet of the raw material gas to the outlet, and the plurality of reaction zones are arranged so as to reduce the porosity when filling the catalyst from the inlet of the raw material gas to the outlet. It is the reaction method using the reactor which is.
(2) Preferably, the reactor includes a catalyst layer formed between adjacent heat transfer plates, and the supplied raw material gas is discharged through a gap between the adjacent heat transfer plates. The reaction method uses a reactor in which a catalyst layer is formed between the adjacent heat transfer plates.

(3)好ましくは、前記隣り合う伝熱プレート間の触媒層が、原料ガスの入口から出口に向かって複数の反応帯域に分割され、前記複数の反応帯域は原料ガスの入口から出口に向かって隣り合う伝熱プレート間の長さ方向で触媒層の厚さを増大させ、
前記隣り合う伝熱プレート間に充填される触媒の粒径(D)と前記隣り合う伝熱プレートに挟まれた空間の最小間隔(d)との比(D/d)が、0.9>D/d>0.1であるプレート式反応器を用いる反応方法である。
(3) Preferably, the catalyst layer between the adjacent heat transfer plates is divided into a plurality of reaction zones from the inlet of the source gas to the outlet, and the plurality of reaction zones are directed from the inlet of the source gas to the outlet. Increasing the thickness of the catalyst layer in the length direction between adjacent heat transfer plates,
The ratio (D / d) between the particle size (D) of the catalyst filled between the adjacent heat transfer plates and the minimum space (d) between the adjacent heat transfer plates is 0.9> This is a reaction method using a plate reactor in which D / d> 0.1.

(4)好ましくは、前記充填される触媒は、バルク状態での空隙率が60%以下の触媒である反応方法である。 (4) Preferably, in the reaction method, the catalyst to be filled is a catalyst having a porosity in a bulk state of 60% or less.

(5)好ましくは、前記反応器に触媒層を備えた状態において、原料ガスを、前記触媒層の容量あたり標準状態換算で空間速度を1,100(1/hr)以上4,200(1/hr)以下として前記反応器に流入させて反応を行う反応方法である。
(6)好ましくは、前記反応器に触媒層を備えた状態において、原料ガスを、前記触媒層の容量あたり標準状態換算で空間速度を1,800(1/hr)以上4,200(1/hr)以下として前記反応器に流入させて反応を行う反応方法である。
(5) Preferably, in a state where the reactor is provided with a catalyst layer, the raw material gas has a space velocity of 1,100 (1 / hr) or more and 4,200 (1 / hr) A reaction method in which the reaction is conducted by flowing into the reactor as follows.
(6) Preferably, in the state in which the reactor is provided with the catalyst layer, the space velocity of the raw material gas is 1,800 (1 / hr) or more and 4,200 (1 / hr) A reaction method in which the reaction is conducted by flowing into the reactor as follows.

(7)好ましくは、前記反応器に触媒層を備えた状態において、常温の空気を、反応器出
口圧力を常圧とし熱媒による加熱なしで、前記触媒層の容量あたり標準状態換算で空間速度を1,800(1/hr)として前記反応器に流入させた場合の前記反応器の差圧が15kPa以下となる反応器を用いる、反応方法。
(7) Preferably, in a state in which the reactor is provided with a catalyst layer, the space velocity in terms of the standard state per volume of the catalyst layer without heating air at normal temperature with the reactor outlet pressure being normal pressure and heating with a heat medium Is a reaction method using a reactor in which the differential pressure of the reactor becomes 15 kPa or less when flowing into the reactor at 1,800 (1 / hr).

(8)好ましくは、プロピレンまたはイソブチレンを原料とし(メタ)アクロレインおよび(メタ)アクリル酸を製造する、(メタ)アクロレインを原料とし(メタ)アクリル酸を製造する、エチレンを酸化して酸化エチレンを製造する、炭素数3及び4の炭化水素、ターシャリーブタノール、並びに炭素数3及び4の不飽和脂肪族アルデヒドからなる群から選ばれる少なくとも1種を酸化して炭素数3及び4の不飽和脂肪族アルデヒド並びに炭素数3及び4の不飽和脂肪酸の一方又は両方を製造する、炭素数4以上の脂肪族炭化水素や芳香族炭化水素を原料としマレイン酸を製造する、o−キシレンを酸化してフタル酸を製造する、ブテンを酸化及び脱水素してブタジエンを製造するために用いる反応方法である。 (8) Preferably, (meth) acrolein and (meth) acrylic acid are produced from propylene or isobutylene as raw materials, (meth) acrylic acid is produced from (meth) acrolein as raw materials, ethylene is oxidized to produce ethylene oxide C3 and C4 unsaturated fat produced by oxidizing at least one selected from the group consisting of C3 and C4 hydrocarbons, tertiary butanol, and C3 and C4 unsaturated aliphatic aldehydes Oxylene is oxidized by producing maleic acid from aliphatic hydrocarbons and aromatic hydrocarbons having 4 or more carbon atoms, producing one or both of group aldehydes and unsaturated fatty acids having 3 and 4 carbon atoms, This is a reaction method for producing phthalic acid, which is used for producing butadiene by oxidizing and dehydrogenating butene.

本発明によれば、効率よく生成物を生成させるために多量の原料ガスを反応器に流入させても、生成物の収率の低下を招くことがなく、更に、反応器の差圧が低いため反応器の入口反応圧力を低く出来ることにより圧縮機の吐出圧力が低くなり、高圧縮する必要がなくなるため、原料ガスの圧縮機の負荷が下がることにより省エネルギーを達成することもできる。
一般にガスの圧縮機の動力は、ガス量とガス圧縮比(圧縮機出口圧力/入口圧力)によってきまり、入口反応圧力や触媒層差圧が大きくなると上記圧縮比が大きくなり、圧縮比の動力を大きくする。
According to the present invention, even if a large amount of raw material gas is allowed to flow into the reactor in order to efficiently produce a product, the yield of the product is not reduced, and the differential pressure in the reactor is low. Therefore, by reducing the reaction pressure at the inlet of the reactor, the discharge pressure of the compressor becomes low, and it is not necessary to perform high compression. Therefore, it is possible to achieve energy saving by reducing the load of the raw material gas compressor.
In general, the power of a gas compressor is determined by the amount of gas and the gas compression ratio (compressor outlet pressure / inlet pressure). When the inlet reaction pressure or the catalyst layer differential pressure increases, the compression ratio increases. Enlarge.

本発明のプレート式反応器内に設置される伝熱プレートの縦断面図。The longitudinal cross-sectional view of the heat-transfer plate installed in the plate type reactor of this invention. 2枚の波板を接合して形成された伝熱プレートの拡大図。The enlarged view of the heat-transfer plate formed by joining two corrugated sheets. 図1のIII部の拡大図。The enlarged view of the III section of FIG. 図1のIV部の拡大図。The enlarged view of the IV section of FIG. 図1のV部の拡大図。The enlarged view of the V section of FIG. 本実施例で用いた反応器の構成を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the structure of the reactor used by the present Example. 本実施例で用いた反応器の構成を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the structure of the reactor used by the present Example.

本発明の反応方法は、供給された原料ガスを反応させる触媒層を備え、その触媒層と熱交換を行い除熱及び加熱ができる反応器を用いる。このような反応器としては通常、シェルアンドチューブ型反応器、または、隣り合う伝熱プレートの間に形成された触媒層を備え、供給された原料ガスが前記隣り合う伝熱プレートの隙間を通って排出されるプレート式反応器を用いる。   The reaction method of the present invention uses a reactor equipped with a catalyst layer for reacting a supplied raw material gas and capable of heat removal and heating by exchanging heat with the catalyst layer. Such a reactor is usually a shell-and-tube reactor or a catalyst layer formed between adjacent heat transfer plates, and the supplied source gas passes through the gap between the adjacent heat transfer plates. A plate reactor that is discharged in

本発明に適用できるシェルアンドチューブ反応器としては、例えば特開2003−267912号に説明されているような固定床式多管熱交換型反応器を例示することができ、プレート式反応器としては、円弧、楕円弧、矩形又は多角形の一部に賦形された波板の2枚を対面させ、当該両波板の凸面部を互いに接合して複数の熱媒体流路を形成した伝熱プレートを、複数配列してなりかつ隣り合った伝熱プレートの波板凸面部と波板凹面部とが対面して所定間隔の触媒層を形成した反応器が好適に例示できる。   As a shell and tube reactor applicable to the present invention, for example, a fixed bed type multi-tube heat exchange type reactor as described in JP-A No. 2003-267912 can be exemplified, and as a plate type reactor, , Arc, elliptical arc, corrugated plate shaped into a part of a rectangle or polygon, facing each other, and the convex portions of the corrugated plates are joined together to form a plurality of heat transfer channels Can be suitably exemplified by a reactor in which the corrugated convex surface portion and the corrugated concave surface portion of the adjacent heat transfer plates face each other to form a catalyst layer at a predetermined interval.

本発明に適用できるプレート式反応器の例を、図1〜図5に基づいて具体的に説明する。
図1において、伝熱プレート1は2枚の波板を対面させて形成されており、伝熱プレー
ト1は2枚の波板の内側に形成された複数の熱媒体流路2を有し、隣り合う伝熱プレート1に挟まれた空間3は触媒を充填することができ、触媒を充填することで触媒層が形成される。反応原料ガスは反応ガス入口4より供給され、触媒層を通過し、反応によって目的生成物が生産された後、反応ガス出口5よりプレート式反応器の外に排出される。当該反応原料ガスの流れ方向に制限はないが、通常、下降流か、或いは上昇流に設定される。
また、熱媒体は伝熱プレート1の内側に形成された複数の熱媒体流路2に供給され、反応原料ガスの流れ方向に対して十字流の方向に流される。供給された熱媒体は、伝熱プレート1を通して、発熱反応の場合は触媒層を冷却し、一方、吸熱反応の場合は触媒層を加熱した後にプレート式反応器の外に排出される。
An example of a plate reactor applicable to the present invention will be specifically described with reference to FIGS.
In FIG. 1, the heat transfer plate 1 is formed by facing two corrugated plates, and the heat transfer plate 1 has a plurality of heat medium flow paths 2 formed inside the two corrugated plates, A space 3 sandwiched between adjacent heat transfer plates 1 can be filled with a catalyst, and a catalyst layer is formed by filling the catalyst. The reaction raw material gas is supplied from the reaction gas inlet 4, passes through the catalyst layer, and a target product is produced by the reaction, and then discharged from the reaction gas outlet 5 to the outside of the plate reactor. Although there is no restriction | limiting in the flow direction of the said reaction raw material gas, Usually, it sets to a downward flow or an upward flow.
Further, the heat medium is supplied to a plurality of heat medium flow paths 2 formed inside the heat transfer plate 1 and is caused to flow in a cross flow direction with respect to the flow direction of the reaction raw material gas. The supplied heat medium passes through the heat transfer plate 1 to cool the catalyst layer in the case of an exothermic reaction, while in the case of an endothermic reaction, the catalyst layer is heated and then discharged out of the plate reactor.

伝熱プレートの形状は、反応容器の形状や大きさに応じて決められるが、一般に矩形である。また伝熱プレートの大きさは、反応容器の形状や大きさに応じて決められるが、例えば矩形の伝熱プレートである場合には、縦(すなわち伝熱管の連結高さ)が0.5〜10mであり、好ましくは0.5〜5mであり、さらに好ましくは0.5〜3mである。通常入手できる薄板鋼板のサイズから、1.5m以上の時は2枚のプレートを接合するか、組み合わせて用いることもできる。横の長さ(すなわち伝熱管の長さ)は特に制限はなく、通常0.1〜20mが用いられる。好ましくは3〜15m、最も好ましくは6〜10mである。伝熱プレートの枚数は、反応に用いられる触媒量によって決定されるが、通常、10〜300枚である。   The shape of the heat transfer plate is determined according to the shape and size of the reaction vessel, but is generally rectangular. The size of the heat transfer plate is determined according to the shape and size of the reaction vessel. For example, in the case of a rectangular heat transfer plate, the length (that is, the connection height of the heat transfer tubes) is 0.5 to 0.5. 10 m, preferably 0.5 to 5 m, and more preferably 0.5 to 3 m. From the size of a normally available thin steel plate, two plates can be joined or combined when the length is 1.5 m or more. The horizontal length (that is, the length of the heat transfer tube) is not particularly limited, and usually 0.1 to 20 m is used. Preferably it is 3-15m, Most preferably, it is 6-10m. The number of heat transfer plates is determined by the amount of catalyst used in the reaction, but is usually 10 to 300.

反応容器において隣り合う伝熱プレートは、伝熱プレートの表面の凸縁が互いに対向するように並べられてもよいし、一方の伝熱プレートの表面の凸縁が他方の伝熱プレートの表面の凹縁に対向するように並べられてもよい。図1においては、一方の伝熱プレートの表面の凸縁が他方の伝熱プレートの表面の凹縁に対向するように並べられている。隣り合う伝熱プレート間の距離は、伝熱管の横断方向において伝熱プレート間に3〜40mmの幅の隙間が形成されるように、各伝熱プレートにおける伝熱管の長軸間の距離の平均値で、23〜50mm(隣り合う伝熱プレートにおける伝熱管の幅の半値の和の1.1〜5倍)の範囲で設定することが好ましい。   Adjacent heat transfer plates in the reaction vessel may be arranged so that the convex edges of the surface of the heat transfer plate face each other, or the convex edges of the surface of one heat transfer plate are the surfaces of the other heat transfer plate. You may arrange so that a concave edge may be opposed. In FIG. 1, the convex edge of the surface of one heat-transfer plate is arranged so as to oppose the concave edge of the surface of the other heat-transfer plate. The distance between adjacent heat transfer plates is the average of the distances between the long axes of the heat transfer tubes in each heat transfer plate so that a gap of 3 to 40 mm width is formed between the heat transfer plates in the transverse direction of the heat transfer tubes. The value is preferably set in the range of 23 to 50 mm (1.1 to 5 times the sum of the half-values of the widths of the heat transfer tubes in the adjacent heat transfer plates).

伝熱プレートにおける伝熱管は、反応容器内の通気方向に対して直交する方向に延出するように形成されていること、すなわち伝熱管を流れる熱媒の方向が反応容器内の通気方向に対して直交する方向であること、が、伝熱管中の熱媒の温度の調整によって原料の反応を制御する観点から好ましい。   The heat transfer tube in the heat transfer plate is formed to extend in a direction orthogonal to the ventilation direction in the reaction vessel, that is, the direction of the heat medium flowing through the heat transfer tube is relative to the ventilation direction in the reaction vessel. It is preferable from the viewpoint of controlling the reaction of the raw material by adjusting the temperature of the heat medium in the heat transfer tube.

前記伝熱管は、伝熱管内の熱媒と伝熱管に外接する触媒層との間で熱が交換される伝熱性を有する材料で形成される。このような材料としては、例えばステンレス鋼及びカーボンスチール、ハステロイ、チタン、アルミニウム、エンジニアリングプラスチック及び銅が挙げられる。好ましくはステンレス鋼が用いられる。ステンレス鋼の中でも、304、304L、316、及び316Lが好ましい。伝熱管の断面形状は、円形でもよいし、楕円形やラグビーボール型等の略円形でもよいし、矩形等の多角形でもよい。伝熱管の断面形状における周縁とは、円形における周縁を意味し、伝熱管の断面形状における端縁とは、略円形における長軸端の縁や、多角形における一角の縁を意味する。   The heat transfer tube is formed of a material having heat transfer properties in which heat is exchanged between a heat medium in the heat transfer tube and a catalyst layer circumscribing the heat transfer tube. Examples of such materials include stainless steel and carbon steel, hastelloy, titanium, aluminum, engineering plastic, and copper. Stainless steel is preferably used. Among stainless steels, 304, 304L, 316, and 316L are preferable. The cross-sectional shape of the heat transfer tube may be a circle, a substantially circular shape such as an elliptical shape or a rugby ball shape, or a polygonal shape such as a rectangle. The peripheral edge in the cross-sectional shape of the heat transfer tube means a peripheral edge in a circular shape, and the end edge in the cross-sectional shape of the heat transfer tube means an edge of a major axis end in a substantially circular shape or a single edge in a polygon.

一枚の伝熱プレート中の複数の伝熱管のそれぞれにおける断面の形状及び大きさは、一定であってもよいし異なっていてもよい。伝熱管の断面形状の大きさは、例えば伝熱管の幅が5〜50mmであり、伝熱管の高さが10〜100mmである。   The cross-sectional shape and size of each of the plurality of heat transfer tubes in one heat transfer plate may be constant or different. Regarding the size of the cross-sectional shape of the heat transfer tube, for example, the width of the heat transfer tube is 5 to 50 mm, and the height of the heat transfer tube is 10 to 100 mm.

上記プレート式反応器は、単一の触媒層の平均層厚さで構成することができ、また図1に記載の通り触媒層の平均層厚さが異なる複数の反応帯域に分割することもできる。ここで言う触媒層の平均層厚さとは、原料ガスの流れ方向に垂直で、伝熱プレートにはさまれ
た触媒層の隣り合う伝熱プレートの表面間の平均の距離のことである。上記複数の反応帯域には、独立して熱媒体を供給することが可能である。例えば、発熱反応の場合、反応により生じた熱を、伝熱プレートを隔てて除熱し、触媒層内の温度を独立して制御することが可能である。
The plate reactor can be configured with an average layer thickness of a single catalyst layer, or can be divided into a plurality of reaction zones having different average layer thicknesses of catalyst layers as shown in FIG. . The average layer thickness of the catalyst layer mentioned here is an average distance between the surfaces of adjacent heat transfer plates of the catalyst layer that is perpendicular to the flow direction of the raw material gas and is sandwiched between the heat transfer plates. A heat medium can be independently supplied to the plurality of reaction zones. For example, in the case of an exothermic reaction, the heat generated by the reaction can be removed through the heat transfer plate, and the temperature in the catalyst layer can be controlled independently.

図2〜図5によって上記伝熱プレート1の構成を更に詳しく説明する。
図2において、伝熱プレート1は2枚の波板11を接合して形成される。図2において波の形状は円弧の一部で構成されているが、その形状は特に限定されず、製作の都合や反応原料ガスの流動を考慮して決定することができる。また、波の高さ(H)と波の周期(L)も特に制限はないが、高さ(H)は5〜50mmが好ましく、10〜30mmであることがより好ましい。周期(L)は 10〜100mmが適当であるが、20〜50mmであることがより好ましい。これらは触媒層内での反応に伴う反応熱とそれを除熱或いは加熱する熱媒体の流量から決定される。2枚の伝熱プレートの間隔(P)は、伝熱管の横断方向において伝熱プレートの表面間に3〜40mmの幅の隙間が形成されるように、各伝熱プレートにおける伝熱管の長軸間の距離で10〜50mm、好ましくは20〜35mmとし、隣り合う伝熱プレートにおける伝熱管の幅の半値の和の1.1〜2倍の範囲で設定する。
The configuration of the heat transfer plate 1 will be described in more detail with reference to FIGS.
In FIG. 2, the heat transfer plate 1 is formed by joining two corrugated plates 11. In FIG. 2, the shape of the wave is constituted by a part of an arc, but the shape is not particularly limited and can be determined in consideration of manufacturing convenience and the flow of the reaction raw material gas. Further, the height (H) of the wave and the period (L) of the wave are not particularly limited, but the height (H) is preferably 5 to 50 mm, and more preferably 10 to 30 mm. The period (L) is suitably from 10 to 100 mm, more preferably from 20 to 50 mm. These are determined from the reaction heat accompanying the reaction in the catalyst layer and the flow rate of the heat medium for removing or heating it. The distance (P) between the two heat transfer plates is such that a gap with a width of 3 to 40 mm is formed between the surfaces of the heat transfer plates in the transverse direction of the heat transfer tubes. The distance between them is 10 to 50 mm, preferably 20 to 35 mm, and is set in a range of 1.1 to 2 times the sum of the half-values of the widths of the heat transfer tubes in adjacent heat transfer plates.

図3〜図5[図3は図1のIII部の拡大図であり、図4は図1のIV部の拡大図であり図5は図1のV部の拡大図である]はそれぞれ反応原料ガスの入口近傍部分、中間部及び反応原料ガスの出口近傍の伝熱プレート1の形状を示す。
伝熱プレート1は、円弧、楕円弧又は矩形に賦形された波板11の2枚を対面させ、その波板11の凸面部aを互いに接合して複数の熱媒体流路2が形成されたものである。そして、隣り合う伝熱プレート1の波板凸面部aと波板凹面部bとを所定間隔で対面させて空間3が形成される。
3 to 5 [FIG. 3 is an enlarged view of a part III in FIG. 1, FIG. 4 is an enlarged view of a part IV in FIG. 1, and FIG. 5 is an enlarged view of a part V in FIG. The shape of the heat transfer plate 1 in the vicinity of the inlet of the raw material gas, the intermediate portion, and the vicinity of the outlet of the reactive raw material gas is shown.
In the heat transfer plate 1, two corrugated plates 11 shaped into an arc, an elliptical arc, or a rectangle face each other, and the convex surface portions a of the corrugated plates 11 are joined to each other to form a plurality of heat medium flow paths 2. Is. Then, the corrugated convex surface portion a and the corrugated concave surface portion b of the adjacent heat transfer plates 1 face each other at a predetermined interval to form a space 3.

ここで、図中のd1、d2、及びd3は、上記III部、IV部及びV部における、隣り合う伝熱プレート1に挟まれた空間3の最小間隔を示す。d1、d2、及びd3は波板11に賦形される円弧、楕円弧又は矩形の形状を適宜変えることにより変化させることができる。また、図3〜図5において、最小間隔は、d1<d2<d3に設定されている。なお、本発明のプレート式反応器において、伝熱プレートに挟まれた空間の最小間隔(d)とは、一つのプレート式反応器において、最小間隔(d)が複数存在する場合は、複数存在する最小間隔のうち最も小さい間隔(d)を意味し、例えば、上記の如く、d1、d2、及びd3が存在する場合、d1、d2、及びd3で最小のもの、即ち、図3〜5において、d1<d2<d3の場合はd1のことを言う。
上記(d)は2〜50mm程度に設定されることが一般的であるが、5〜20mmであることが好ましい。
Here, d1, d2, and d3 in the figure indicate the minimum intervals of the space 3 sandwiched between the adjacent heat transfer plates 1 in the above-described part III, part IV, and part V. d1, d2, and d3 can be changed by appropriately changing the shape of the arc, elliptical arc, or rectangle formed on the corrugated plate 11. 3 to 5, the minimum interval is set to d1 <d2 <d3. In the plate reactor of the present invention, the minimum interval (d) between the spaces between the heat transfer plates means that when there are a plurality of minimum intervals (d) in one plate reactor, there are a plurality of minimum intervals (d). The smallest interval (d) among the minimum intervals to be performed, for example, when d1, d2, and d3 are present as described above, the smallest of d1, d2, and d3, that is, in FIGS. , D1 <d2 <d3 means d1.
The above (d) is generally set to about 2 to 50 mm, preferably 5 to 20 mm.

図1において、配列された隣り合う伝熱プレート1の間隔(P)は、反応ガス入口4の位置における間隔P1と反応ガス出口5の位置における間隔P2とは同寸法である。即ち、隣り合う伝熱プレート1は互いに平行に複数配列して配置されている。波板11に用いる材質は、例えばステンレス鋼、カーボンスチール、ハステロイ、チタン、アルミニウム、エンジニアリングプラスチック及び銅が挙げられる。好ましくはステンレス鋼が用いられる。ステンレス鋼としては304,304L,316,316Lが好ましい。また、波板11の板厚は、2mm以下、好適には1mm以下である。また、隣り合う伝熱プレート間の隙間に、縦(すなわち伝熱管の連結高さ方向)すなわち通気方向に沿って仕切り板を設けることが、その各区画内に充填された触媒を保持する観点、及び伝熱プレート間の距離を保つスペーサとして機能させる観点から好ましい。この仕切りの設置間隔は5cm〜2mであることが好ましく、10cm〜1mであることがより好ましく、20cm〜50cmであることが、特に好ましい。   In FIG. 1, the interval (P) between the adjacent heat transfer plates 1 arranged is the same size as the interval P1 at the position of the reaction gas inlet 4 and the interval P2 at the position of the reaction gas outlet 5. That is, a plurality of adjacent heat transfer plates 1 are arranged in parallel to each other. Examples of the material used for the corrugated plate 11 include stainless steel, carbon steel, hastelloy, titanium, aluminum, engineering plastic, and copper. Stainless steel is preferably used. Stainless steel is preferably 304, 304L, 316, 316L. The corrugated plate 11 has a thickness of 2 mm or less, preferably 1 mm or less. Further, in the gap between adjacent heat transfer plates, providing a partition plate along the vertical direction (that is, the connection height direction of the heat transfer tubes), that is, the ventilation direction, holds the catalyst filled in each section, And from the viewpoint of functioning as a spacer for maintaining the distance between the heat transfer plates. The interval between the partitions is preferably 5 cm to 2 m, more preferably 10 cm to 1 m, and particularly preferably 20 cm to 50 cm.

本発明の反応方法は、反応ガスが通過するチューブ(シェルアンドチューブ型反応器)および伝熱プレート(プレート式反応器)の形態を、ガスがスムーズに流れやすい形状とすることで、反応ガスがチューブ及び伝熱プレートと接する際に発生する圧力損失を小さくすることができることを特徴としている。例えば本発明の反応器において、チューブ内(シェルアンドチューブ型)や隣り合う伝熱プレート間(プレート式反応器)に触媒層を備えない状態において、常温の空気を、反応器出口圧力を常圧とし熱媒による加熱なしで、触媒層容積あたりの標準状態換算で空間速度を7,200(1/hr)として反応器に流入させた場合の前記反応器の差圧が50Pa以下となるように、チューブや伝熱プレートの形状を形成することで、圧力損失を小さくすることができる。好ましくは差圧が40Pa以下、更に好ましくは30Pa以下である。   In the reaction method of the present invention, the form of the tube through which the reaction gas passes (shell-and-tube reactor) and the heat transfer plate (plate type reactor) are made into a shape that allows the gas to flow smoothly. It is characterized in that the pressure loss generated when contacting the tube and the heat transfer plate can be reduced. For example, in the reactor of the present invention, in a state where a catalyst layer is not provided in a tube (shell and tube type) or between adjacent heat transfer plates (plate type reactor), normal temperature air is used and the reactor outlet pressure is normal pressure. The pressure difference of the reactor is 50 Pa or less when the space velocity is 7,200 (1 / hr) converted into the standard state per catalyst layer volume without heating with a heating medium. By forming the shape of the tube or heat transfer plate, the pressure loss can be reduced. The differential pressure is preferably 40 Pa or less, more preferably 30 Pa or less.

また、本発明の反応方法は、シェルアンドチューブ型反応器ではそのチューブ内に触媒層を備えた状態において、プレート式反応器においては隣り合う伝熱プレート間に触媒層を備えた状態において、常温の空気を、反応器出口圧力を常圧とし熱媒による加熱なしで、前記触媒層の容量あたり標準状態換算で空間速度を1,800(1/hr)として前記反応器に流入させた場合の前記反応器の差圧が15kPa以下となるプレート式反応器を用いることが好ましい。
常温の空気を、反応器出口圧力を常圧とし熱媒による加熱なしで、前記充填した容量あたりの標準状態換算で空間速度を1,800(1/hr)として反応器に流入させる状態とは、反応効率を上げるために比較的多量の原料ガスを反応器に流入させた場合を想定している。従来、このような条件での反応においては、反応効率の上昇のために多量の原料ガスを反応器に流入することで反応器の差圧が上昇し、生成物の収率が低下する等の問題が発生していた。上記条件において差圧を15kPa以下とするような反応器を用いることで、原料ガスの空間速度1,100(1/hr)以上、好ましくは1,800(1/hr)以上という触媒層に対して原料の供給量が大きい条件においても高収率を維持することができるため、好ましい。したがって本発明は、原料ガスを、前記触媒層の容量あたり標準状態換算で空間速度を1,100(1/hr)以上、好ましくは1,800(1/hr)以上として反応器に流入させるという触媒層に対して原料の供給量が大きい条件に好適に用いることが可能である。しかしながら、空間速度が4,200(1/hr)をこえると差圧の上昇が激しいため、これ以下で反応するのが好ましい。
In the reaction method of the present invention, the shell-and-tube reactor has a catalyst layer in the tube, and the plate reactor has a catalyst layer between adjacent heat transfer plates. The air at a reactor outlet pressure is normal pressure and is not heated by a heating medium, and is flowed into the reactor at a space velocity of 1,800 (1 / hr) in terms of standard state per volume of the catalyst layer. It is preferable to use a plate reactor in which the differential pressure of the reactor is 15 kPa or less.
What is a state in which air at normal temperature is allowed to flow into the reactor at a space velocity of 1,800 (1 / hr) in terms of the standard state per packed capacity without heating with a heat medium with the reactor outlet pressure being normal pressure? In order to increase the reaction efficiency, it is assumed that a relatively large amount of source gas is introduced into the reactor. Conventionally, in the reaction under such conditions, a large amount of raw material gas flows into the reactor to increase the reaction efficiency, thereby increasing the differential pressure of the reactor and reducing the product yield. There was a problem. By using a reactor having a differential pressure of 15 kPa or less under the above conditions, the catalyst layer has a space velocity of the raw material gas of 1,100 (1 / hr) or higher, preferably 1,800 (1 / hr) or higher. Therefore, it is preferable because a high yield can be maintained even under conditions where the amount of raw material supplied is large. Therefore, according to the present invention, the raw material gas is allowed to flow into the reactor at a space velocity of 1,100 (1 / hr) or more, preferably 1,800 (1 / hr) or more in terms of standard state per volume of the catalyst layer. It can be suitably used for conditions where the amount of raw material supplied is large relative to the catalyst layer. However, if the space velocity exceeds 4,200 (1 / hr), the differential pressure rises drastically.

上記反応器の差圧は圧力損失ともいい、その測定方法は特に限定されるものではないが、例えばマスフローメーターで一定の流量のガスを反応管に流し、そのときの圧力を測定する方法をあげることができる。差圧は、既存の圧力計、差圧計、または測定したい部分を管で接続して水を入れ水柱の高さの差で差圧を測定する方法などで実施できる。また、上記標準状態とは、0℃、1気圧のことをいう。
上記差圧は、更なる反応収率の向上の観点から、12kPa以下とすることが好ましく、10kPa以下とすることがより好ましい。
The pressure difference of the reactor is also referred to as pressure loss, and its measurement method is not particularly limited. For example, a mass flow meter is used to flow a gas at a constant flow rate into the reaction tube and measure the pressure at that time. be able to. The differential pressure can be implemented by an existing pressure gauge, a differential pressure gauge, or a method in which a portion to be measured is connected by a pipe and water is added to measure the differential pressure by the difference in the height of the water column. Moreover, the said standard state means 0 degreeC and 1 atmosphere.
From the viewpoint of further improving the reaction yield, the differential pressure is preferably 12 kPa or less, and more preferably 10 kPa or less.

上記反応器の差圧を達成するための手段としては、以下のようなものが考えられる。
(1)反応器の原料ガス流れ方向の長さを短くする。
反応器の原料ガス流れ方向の長さを短くし、原料ガスの流れる距離を短くすることで、差圧を下げることができる。プレート式反応器であれば、原料ガス流れ方向の長さは、通常0.5〜10m程度の長さであるが、好ましくは0.5〜5m、更に好ましくは0.5〜3mの長さである。
The following can be considered as means for achieving the differential pressure of the reactor.
(1) The length of the reactor in the raw material gas flow direction is shortened.
The differential pressure can be lowered by shortening the length of the reactor in the raw material gas flow direction and shortening the distance through which the raw material gas flows. In the case of a plate type reactor, the length in the raw material gas flow direction is usually about 0.5 to 10 m, preferably 0.5 to 5 m, more preferably 0.5 to 3 m. It is.

(2)チューブ及び伝熱プレートを、表面粗さの小さいものとする。
反応ガスが通過するチューブおよび伝熱プレートを表面粗さの小さいものとすることで、反応ガスがチューブおよび伝熱プレートと接する際に発生する圧力損失を小さくするこ
とができる。本発明のチューブおよび伝熱プレートの最大表面粗さ(Rmax)は通常12.5s以下であるが、好ましくは8s以下、更に好ましくは3.2s以下である。
(2) The tube and the heat transfer plate should have a small surface roughness.
By making the tube and the heat transfer plate through which the reaction gas passes have a small surface roughness, the pressure loss generated when the reaction gas contacts the tube and the heat transfer plate can be reduced. The maximum surface roughness (Rmax) of the tube and heat transfer plate of the present invention is usually 12.5 s or less, preferably 8 s or less, more preferably 3.2 s or less.

(3)伝熱プレートの形状を、ガスの流れやすい形とする。
反応ガスが通過する伝熱プレートの形態を、ガスがスムーズに流れやすい形状とすることで、反応ガスが伝熱プレートと接する際に発生する圧力損失を小さくすることができる。
(3) The shape of the heat transfer plate is made easy to flow gas.
By making the shape of the heat transfer plate through which the reaction gas passes into a shape that allows the gas to flow smoothly, pressure loss that occurs when the reaction gas contacts the heat transfer plate can be reduced.

(4)触媒層の空隙率を変化させる。
チューブおよび隣り合う伝熱プレート間に充填させる触媒層を、原料ガスの入口から出口に向かって触媒層の空隙率を減少させるように配置することで、反応量の多い原料ガス入口付近で触媒層内の隙間を比較的多くし、反応量のより少ない原料ガス出口付近では触媒層内の隙間を少なくすることで反応制御を行うことができ、圧力損失を相対的に少なくすることができる。
触媒層の空隙率とは、空間に触媒を充填させた際の触媒の占有していない空間部分の割合をいい、例えば充填した触媒の重さと、一粒あたりの触媒重さとその一粒の触媒の体積から、充填した触媒全量の体積を算出し、伝熱プレート間の触媒層の体積に対する触媒の占有していない空間の割合を算出することで求めることができる。この時の触媒の体積とは内部細孔も含んだものである。
(4) Change the porosity of the catalyst layer.
The catalyst layer filled between the tube and the adjacent heat transfer plate is arranged so as to reduce the porosity of the catalyst layer from the inlet of the raw material gas toward the outlet, so that the catalytic layer near the raw material gas inlet where the reaction amount is large Reaction control can be performed by reducing the gap in the catalyst layer by reducing the gap in the catalyst layer in the vicinity of the raw material gas outlet where the amount of reaction is relatively large and the amount of reaction is smaller, and the pressure loss can be relatively reduced.
The porosity of the catalyst layer refers to the ratio of the space portion that is not occupied by the catalyst when the catalyst is filled in the space. For example, the weight of the packed catalyst, the catalyst weight per grain, and the catalyst of that one grain From this volume, the volume of the filled catalyst can be calculated, and the ratio of the space not occupied by the catalyst to the volume of the catalyst layer between the heat transfer plates can be calculated. The volume of the catalyst at this time includes the internal pores.

上記触媒層は、原料ガスの入口から出口に向かって複数の反応帯域に分割することも可能であり、例えば原料ガスの入口に最も近い反応体を第一反応帯域とし、原料ガスの出口に向かって第二反応帯域、第三反応帯域とすることができる。上記反応帯域を分割した場合であれば、第一反応帯域の空隙率を最も大きくし、第二反応帯域、第三反応帯域と空隙率を減少させることで、差圧を小さくすることができる。本発明における触媒層の空隙率は、第一反応帯域で50%以上とし、第二反応帯域以降では50%以下とすることが好ましく、第一反応帯域で50〜65%とし、第二反応帯域以降では40〜50%とすることが更に好ましい。
また、第一反応帯域と第二反応帯域の空隙率の差を3%以上とすることが好ましく、5%以上とすることがより好ましく、10%以上とすることが更に好ましい。
The catalyst layer can be divided into a plurality of reaction zones from the inlet of the source gas to the outlet. For example, the reactant closest to the inlet of the source gas is set as the first reaction zone and is directed toward the outlet of the source gas. The second reaction zone and the third reaction zone. If the reaction zone is divided, the differential pressure can be reduced by increasing the porosity of the first reaction zone and decreasing the second reaction zone, the third reaction zone and the porosity. In the present invention, the porosity of the catalyst layer is preferably 50% or more in the first reaction zone, 50% or less after the second reaction zone, 50 to 65% in the first reaction zone, and the second reaction zone. After that, it is more preferable to set it as 40 to 50%.
Further, the difference in porosity between the first reaction zone and the second reaction zone is preferably 3% or more, more preferably 5% or more, and still more preferably 10% or more.

本発明の触媒層を、原料ガスの入口から出口に向かって、触媒層の空隙率を減少させるように配置する方法としては、以下のような条件を満たす触媒を用いることがあげられる。
(a)触媒層を複数の反応帯域に分割した場合に、反応ガスの入口から出口に向かって、充填する触媒の粒径(D)が小さくなるように触媒を充填する。或いは異なる粒径の触媒を混合することで、空隙率を調整することもできる。
(b)触媒層を複数の反応帯域に分割した場合に、反応ガスの入口から出口に向かって、充填する触媒の嵩密度(バルクデンシティー)が大きくなるように触媒を充填する。
(c)触媒層を複数の反応帯域に分割した場合に、反応ガスの入口から出口に向かって、充填する触媒層の隣り合う伝熱プレート間の長さ方向で触媒層の厚さを増大させる。また、シェルアンドチューブ型反応器では、チューブの内径を反応ガスの入口から出口に向かって連続的にまたは段階的に大きくしていくことで触媒層の空隙率を減少させる。
(d)触媒層に充填される触媒の粒径(D)と本発明のプレート式反応器における伝熱プレートに挟まれた空間の最小間隔(d)との比(D/d)を0.9>D/d>0.1とする。
(e)各反応帯域に充填される触媒に、触媒活性の無い希釈材を混合し触媒層の空隙率を好適に調整する。
As a method of disposing the catalyst layer of the present invention so as to reduce the porosity of the catalyst layer from the inlet of the raw material gas to the outlet, a catalyst satisfying the following conditions can be used.
(A) When the catalyst layer is divided into a plurality of reaction zones, the catalyst is filled so that the particle diameter (D) of the catalyst to be filled decreases from the reaction gas inlet toward the outlet. Alternatively, the porosity can be adjusted by mixing catalysts having different particle diameters.
(B) When the catalyst layer is divided into a plurality of reaction zones, the catalyst is filled so that the bulk density of the catalyst to be filled increases from the reaction gas inlet toward the outlet.
(C) When the catalyst layer is divided into a plurality of reaction zones, the thickness of the catalyst layer is increased in the length direction between adjacent heat transfer plates of the catalyst layer to be filled from the reaction gas inlet to the outlet. . In the shell-and-tube reactor, the porosity of the catalyst layer is reduced by increasing the inner diameter of the tube continuously or stepwise from the inlet to the outlet of the reaction gas.
(D) The ratio (D / d) of the particle size (D) of the catalyst filled in the catalyst layer and the minimum space (d) between the heat transfer plates in the plate reactor of the present invention is 0. 9> D / d> 0.1.
(E) A diluent having no catalytic activity is mixed with the catalyst filled in each reaction zone to suitably adjust the porosity of the catalyst layer.

本発明に用いられる触媒の形状としては、直径が1〜15ミリメートル(mm)の球形
状、最長径が2〜15mmのペレット形状、円外径が1〜15mm、高さが2〜15mmの円柱形状、または円柱の中心に穴の開いたリング形状であって、円外径が3〜15mm、円内径が1〜5mm、高さが2〜10mmの形状のものが好適に例示できる。
また、本発明に用いられる触媒の形状として、厚さが2〜4mm、直径が2〜30mmの円板形状、厚さが2〜4mm、厚さ方向に対して垂直に切った断面外周の2点間を結ぶ距離で最長の長さが2〜30mmの板形状や、棒形状の軸方向の長さが2〜30mm、棒形状の軸方向に対して垂直に切った断面外周の2点間を結ぶ距離で最長の長さ(断面が円の場合は直径)が1〜4mmの棒形状を好適に例示できる。
As the shape of the catalyst used in the present invention, a spherical shape having a diameter of 1 to 15 millimeters (mm), a pellet shape having a longest diameter of 2 to 15 mm, a circular outer diameter of 1 to 15 mm, and a cylinder having a height of 2 to 15 mm. A shape or a ring shape having a hole in the center of a cylinder, and having a circle outer diameter of 3 to 15 mm, a circle inner diameter of 1 to 5 mm, and a height of 2 to 10 mm can be preferably exemplified.
Further, the shape of the catalyst used in the present invention is a disc shape having a thickness of 2 to 4 mm and a diameter of 2 to 30 mm, a thickness of 2 to 4 mm, and 2 on the outer periphery of the cross section cut perpendicularly to the thickness direction. The distance between the points, the longest 2 to 30 mm long plate shape, or the rod-shaped axial length 2 to 30 mm, between the two points on the outer periphery of the cross section cut perpendicular to the rod-shaped axial direction A rod shape having a longest length (a diameter when the cross section is a circle) of 1 to 4 mm can be suitably exemplified.

本発明における触媒の粒径(D)とは、触媒の形状が上記球形状の場合はその直径を、ペレット形状の場合はその最長径を、円柱形状またはリング形状の場合は、円外径または高さのうち長い方の長さを、円板形状の場合は円外径を、板形状の場合は厚さ方向に対して垂直に切った断面外周の2点間を結ぶ距離で最長の長さを、棒形状の場合は軸方向の長さをいう。
上記ペレット形状の最長径とは、2枚の平行面でペレットを挟んだときの2面の距離であって、ペレットをあらゆる角度に動かしたときに最大となる距離をいう。
The particle size (D) of the catalyst in the present invention is the diameter when the catalyst shape is the above-mentioned spherical shape, the longest diameter when the shape is a pellet, or the outer diameter of a circle when the shape is a cylinder or a ring. The longer of the heights, the longest length in the distance between two points on the outer circumference of the cross-section cut perpendicularly to the thickness direction in the case of a disk shape In the case of a rod shape, it means the length in the axial direction.
The longest diameter of the pellet shape is the distance between two surfaces when the pellet is sandwiched between two parallel surfaces, and is the maximum distance when the pellet is moved to any angle.

本発明に用いる触媒の嵩密度(バルクデンシティー)は、0.4〜2.0kg/Lであるものが好適に例示でき、0.6〜1.6kg/Lであるものがより好ましい。本発明における嵩密度は、例えば1Lの体積の容器に触媒を充填して、その質量を測定し、質量を体積で割った値をいう。   The catalyst used in the present invention can preferably have a bulk density (bulk density) of 0.4 to 2.0 kg / L, more preferably 0.6 to 1.6 kg / L. The bulk density in the present invention is a value obtained by, for example, filling a 1 L volume container with a catalyst, measuring its mass, and dividing the mass by the volume.

また、本発明に用いる触媒のバルク状態での空隙率は、60%以下であることが好適に例示でき、50%以下がより好ましく、45%以下がさらに好ましく、40%以下であることが特に好ましい。本発明における触媒の「バルク状態での空隙率」とは、触媒一粒の容積の10,000倍以上の容器、例えば一粒が0.1ccの触媒であればその10,000倍の1Lの体積の容器に触媒を秤量し、1Lから触媒の占める体積を引き、触媒の存在しない空間部分の体積の割合を%で表したものである。この時の触媒の体積とは内部細孔も含んだものである。   Further, the porosity in the bulk state of the catalyst used in the present invention can be suitably exemplified as 60% or less, more preferably 50% or less, further preferably 45% or less, and particularly preferably 40% or less. preferable. The “porosity in the bulk state” of the catalyst in the present invention refers to a container that is 10,000 times or more the volume of one catalyst, for example, 1 liter of 10,000 times that of a 0.1 cc catalyst. The catalyst is weighed in a volume container, the volume occupied by the catalyst is subtracted from 1 L, and the volume ratio of the space portion where no catalyst is present is expressed in%. The volume of the catalyst at this time includes the internal pores.

空隙率は、主に触媒形状と触媒粒径によって変化する。例えば、外径5mm、内径2mm、高さ3mmのリング状触媒の場合、空隙率は60%から50%で、外径4mm、高さ3mmの円盤状触媒や直径5mmの球状触媒では、空隙率は50%から35%である。正確な数値は、同じ円盤状でも表面の凹凸や角の丸みの有無によっても変わる。
粒径の影響については、真球でない粒子の小粒径の場合や粒径分布がある場合、空隙率は低下する。
空隙率の測定は、例えば、嵩密度と触媒粒子の比重から計算で求めるが、特に触媒粒子の嵩密度の測定方法は厳密に定まったものではなく、測定手法(定容量法、定重量法、タッピングの有無、容器への充填高さなど)や1L容器など体積測定容器の形状によって数値は若干前後する。
The porosity changes mainly depending on the catalyst shape and the catalyst particle size. For example, in the case of a ring-shaped catalyst having an outer diameter of 5 mm, an inner diameter of 2 mm, and a height of 3 mm, the porosity is 60% to 50%, and in the case of a disk-shaped catalyst having an outer diameter of 4 mm and a height of 3 mm or a spherical catalyst having a diameter of 5 mm Is from 50% to 35%. The exact numerical value varies depending on the presence of surface irregularities and rounded corners even in the same disk shape.
Regarding the influence of the particle size, the porosity is reduced when the particle size is small or when the particle size distribution is not true.
The measurement of the porosity is, for example, obtained by calculation from the bulk density and the specific gravity of the catalyst particles. In particular, the measurement method of the bulk density of the catalyst particles is not strictly determined, and the measurement method (constant volume method, constant weight method, The numerical value slightly varies depending on the shape of the volume measuring container such as the presence or absence of tapping, the filling height of the container, and the 1 L container.

上記(a)触媒層を複数の反応帯域に分割した場合に、反応ガスの入口から出口に向かって、充填する触媒の粒径(D)が小さくなるように触媒を充填する場合には、上記第一反応帯域では(D)を5〜15mmとし、第二反応帯域以降では第一反応帯域よりも小さく3〜10mmとすることが好ましく、第一反応帯域で7〜12mmとし、第二反応帯域以降では第一反応帯域よりも小さく4〜7mmとすることが更に好ましい。
また、第一反応帯域と第二反応帯域の粒径(D)の差を1mm以上とすることが好ましく、2mm以上とすることがより好ましい。
When (a) the catalyst layer is divided into a plurality of reaction zones, the catalyst is charged so that the particle size (D) of the catalyst to be charged decreases from the reaction gas inlet toward the outlet. In the first reaction zone, (D) is preferably 5 to 15 mm, and after the second reaction zone, preferably 3 to 10 mm smaller than the first reaction zone, 7 to 12 mm in the first reaction zone, and the second reaction zone. In the following, it is more preferably 4 to 7 mm, which is smaller than the first reaction zone.
Moreover, it is preferable that the difference of the particle size (D) of a 1st reaction zone and a 2nd reaction zone shall be 1 mm or more, and it is more preferable to set it as 2 mm or more.

また、(b)触媒層を複数の反応帯域に分割した場合に、反応ガスの入口から出口に向
かって、充填する触媒の嵩密度(バルクデンシティー)が大きくなるように触媒を充填する場合には、上記第一反応帯域では嵩密度を0.6〜1.4kg/Lとし、第二反応帯域以降では第一反応帯域よりも大きく0.8〜1.6kg/Lとすることが好ましく、第一反応帯域で0.7〜1.2kg/Lとし、第二反応帯域以降では第一反応帯域よりも大きく0.8〜1.4kg/Lとすることが更に好ましい。
また、第一反応帯域と第二反応帯域の嵩密度の差を0.05kg/L以上とすることが好ましく、0.1kg/L以上とすることがより好ましい。
In addition, (b) when the catalyst layer is divided into a plurality of reaction zones, the catalyst is filled so that the bulk density of the catalyst to be filled increases from the reaction gas inlet to the outlet. Is preferably set to a bulk density of 0.6 to 1.4 kg / L in the first reaction zone and 0.8 to 1.6 kg / L larger than the first reaction zone in the second reaction zone and thereafter. More preferably, it is 0.7 to 1.2 kg / L in the first reaction zone, and is 0.8 to 1.4 kg / L which is larger than the first reaction zone in the second reaction zone and thereafter.
Further, the difference in bulk density between the first reaction zone and the second reaction zone is preferably 0.05 kg / L or more, more preferably 0.1 kg / L or more.

また、(c)触媒層を複数の反応帯域に分割した場合に、反応ガスの入口から出口に向かって、充填する触媒層の隣り合う伝熱プレート間の長さ方向で触媒層の厚さを増大させる場合には、上記第一反応帯域では触媒層の厚さを5〜20mmとし、第二反応帯域以降では第一反応帯域よりも大きく10〜30mmとすることが好ましく、第一反応帯域で7〜10mmとし、第二反応帯域以降では第一反応帯域よりも大きく10〜16mmとすることが更に好ましい。なお本発明において、隣り合う伝熱プレート間の長さ方向とは、原料ガスの流れ方向に垂直な方向であって隣り合う伝熱プレート間の距離が最小となる方向をいい、上記触媒層の厚さは、各反応帯域における伝熱プレート間の長さ方向の触媒層厚さの最大値や最小値ではなく、該反応帯域における伝熱プレート間の長さ方向の触媒層厚さの平均の厚さをいう。
また、第一反応帯域と第二反応帯域の触媒層の厚さの差を1mm以上とすることが好ましく、2mm以上とすることがより好ましい。
Further, (c) when the catalyst layer is divided into a plurality of reaction zones, the thickness of the catalyst layer is changed in the length direction between adjacent heat transfer plates of the catalyst layer to be filled from the reaction gas inlet to the outlet. In the case of increasing, the thickness of the catalyst layer is preferably 5 to 20 mm in the first reaction zone, and is preferably set to 10 to 30 mm larger than the first reaction zone after the second reaction zone. It is more preferably 7 to 10 mm, and more preferably 10 to 16 mm larger than the first reaction zone after the second reaction zone. In the present invention, the length direction between adjacent heat transfer plates refers to a direction perpendicular to the flow direction of the source gas and in which the distance between adjacent heat transfer plates is minimized, The thickness is not the maximum or minimum value of the catalyst layer thickness in the length direction between the heat transfer plates in each reaction zone, but the average of the catalyst layer thickness in the length direction between the heat transfer plates in the reaction zone. Thickness.
Moreover, it is preferable that the difference of the thickness of the catalyst layer of a 1st reaction zone and a 2nd reaction zone shall be 1 mm or more, and it is more preferable to set it as 2 mm or more.

また、(d)触媒層に充填される触媒の粒径(D)と本発明のプレート式反応器における伝熱プレートに挟まれた空間の最小間隔(d)との比(D/d)を0.9>D/d>0.1とすることにより圧力損失を低下させることもできる。(D/d)は、0.9>D/d>0.3とすることが好ましく、0.7>D/d>0.5とすることが更に好ましい。   Further, (d) the ratio (D / d) of the particle size (D) of the catalyst filled in the catalyst layer and the minimum space (d) between the heat transfer plates in the plate reactor of the present invention Pressure loss can also be reduced by setting 0.9> D / d> 0.1. (D / d) is preferably 0.9> D / d> 0.3, and more preferably 0.7> D / d> 0.5.

一つのプレート式反応器において、最小間隔(d)が複数存在する場合(上記の如くd1、d2、及びd3が存在する場合)の上記比(D/d)は、複数存在する最小間隔のうち最も小さい間隔の部分に存在する上記触媒の粒径(D)と、複数存在する最小間隔のうち最も小さい間隔(d)との比である。上記(D/d)が0.1以下の場合は、伝熱プレートに挟まれた空間に充填される触媒の粒径(D)が小さくなり、反応原料ガスを流通させたときに、過度な圧力損失を引き起こす。一方、(D/d)が0.90以上の場合には、ブリッジと呼ばれる架橋を生じさせ易い傾向にあり、ブリッジが生成した場合には所定の量の触媒が充填できないため反応が思うように進まなかったり、抜き出して再度充填するなどの手間がかかる。   In a single plate reactor, the ratio (D / d) when there are a plurality of minimum intervals (d) (when d1, d2, and d3 are present as described above) It is the ratio of the particle size (D) of the catalyst present in the smallest interval portion to the smallest interval (d) among the plurality of minimum intervals. When the above (D / d) is 0.1 or less, the particle size (D) of the catalyst filled in the space sandwiched between the heat transfer plates becomes small, and when the reaction raw material gas is circulated, Causes pressure loss. On the other hand, when (D / d) is 0.90 or more, there is a tendency that crosslinking called a bridge is likely to occur. It doesn't progress or it takes time and effort to pull out and refill.

本発明の触媒を充填する方法(以下、単に充填方法ともいう)は、上記のように触媒を充填することが可能であれば特に制限されるものではなく、触媒を充填する層にランダムに充填しても、規則的に並べて充填しても構わないが、触媒充填のしやすさからランダムに充填することが好ましい。具体的なランダム充填の方法は、例えば、隣り合う伝熱プレートに挟まれた空間に、搬送部材を備えた触媒充填手段を用いて、前記伝熱プレートの上方から触媒を充填する方法であって、前記触媒が、前記搬送部材の終端部において上下方向に重なり合っていないことを特徴とする方法が好ましく例示できる。ここで、上記触媒が上下方向に重なり合っていないこととは、触媒が搬送部材の終端部において単層であることを意味する。   The method of filling the catalyst of the present invention (hereinafter also simply referred to as a filling method) is not particularly limited as long as the catalyst can be filled as described above, and is randomly filled in the layer filled with the catalyst. However, it may be regularly arranged and filled, but it is preferable to randomly fill the catalyst for ease of catalyst filling. A specific random filling method is, for example, a method in which a catalyst is filled from above the heat transfer plate using a catalyst filling means having a conveying member in a space between adjacent heat transfer plates. A method in which the catalyst does not overlap in the vertical direction at the end portion of the conveying member can be preferably exemplified. Here, the fact that the catalyst does not overlap in the vertical direction means that the catalyst is a single layer at the terminal portion of the conveying member.

上記本発明に好適に用いられる搬送部材を備えた触媒充填手段は、触媒が、搬送部材の終端部において上下方向に重なり合わないように調整できる充填手段であれば特に限定されない。   The catalyst filling means provided with the conveying member suitably used in the present invention is not particularly limited as long as the catalyst can be adjusted so that the catalyst does not overlap in the vertical direction at the terminal portion of the conveying member.

本発明の反応方法は、接触気相酸化反応に用いられるシェルアンドチューブ型反応器またはプレート式反応器であれば、特に制限なく適用することができる。このような接触気相酸化反応を利用したプロセスとしては、例えば、エチレンを酸化して酸化エチレンを製造するプロセス、炭素数3及び4の炭化水素、並びにターシャリーブタノールからなる群から選ばれる有機化合物原料ガスの少なくとも1種、または、炭素数3及び4の不飽和脂肪族アルデヒドからなる群から選ばれる有機化合物原料ガスの少なくとも1種、並びに、分子状酸素を含む反応原料ガスを供給し、有機化合物原料ガスを接触気相酸化反応し、炭素数3及び4の不飽和脂肪族アルデヒド、並びに炭素数3及び4の不飽和脂肪酸からなる群から選ばれる一種以上の反応物を製造するプロセスが挙げられる。上記反応物は具体的には、(メタ)アクロレイン、(メタ)アクリル酸、酸化エチレン、炭素数3及び4の不飽和脂肪族アルデヒド並びに炭素数3及び4の不飽和脂肪酸の一方又は両方、マレイン酸並びにフタル酸、などが挙げられる。   The reaction method of the present invention can be applied without particular limitation as long as it is a shell-and-tube reactor or a plate reactor used in a catalytic gas phase oxidation reaction. Examples of the process utilizing such a catalytic gas phase oxidation reaction include an organic compound selected from the group consisting of a process of producing ethylene oxide by oxidizing ethylene, hydrocarbons having 3 and 4 carbon atoms, and tertiary butanol. Supplying at least one kind of raw material gas, or at least one kind of organic compound raw material gas selected from the group consisting of unsaturated aliphatic aldehydes having 3 and 4 carbon atoms, and a reaction raw material gas containing molecular oxygen; Examples include a process in which a compound raw material gas is subjected to a catalytic gas phase oxidation reaction to produce one or more reactants selected from the group consisting of unsaturated aliphatic aldehydes having 3 and 4 carbon atoms and unsaturated fatty acids having 3 and 4 carbon atoms. It is done. Specifically, the reaction product is one or both of (meth) acrolein, (meth) acrylic acid, ethylene oxide, unsaturated aliphatic aldehydes having 3 and 4 carbon atoms, and unsaturated fatty acids having 3 and 4 carbon atoms, malein Examples include acid and phthalic acid.

その中でも、プロピレンまたはイソブチレンを原料とし(メタ)アクロレイン及び(メタ)アクリル酸を製造するプロセス、(メタ)アクロレインを原料とし(メタ)アクリル酸を製造するプロセス、炭素数4以上の脂肪族炭化水素や芳香族炭化水素を原料としマレイン酸を製造するプロセス、或いはブテンを酸化及び脱水素してブタジエンを製造するプロセスに用いることが好ましい。特に(メタ)アクロレイン及び(メタ)アクリル酸を製造するプロセスは発熱が大きく、このプロセスに用いることがさらに好ましい。   Among them, a process for producing (meth) acrolein and (meth) acrylic acid from propylene or isobutylene as a raw material, a process for producing (meth) acrylic acid from (meth) acrolein as a raw material, an aliphatic hydrocarbon having 4 or more carbon atoms It is preferably used in a process for producing maleic acid from a starting material or aromatic hydrocarbon, or a process for producing butadiene by oxidizing and dehydrogenating butene. In particular, the process for producing (meth) acrolein and (meth) acrylic acid generates a large amount of heat and is more preferably used in this process.

本発明の反応方法には、目的に応じて公知の触媒を用いることが可能であり、例えばモリブデン、タングステン、ビスマスなどを含む金属酸化物、または、バナジウムなどを含む金属酸化物が挙げられる。   In the reaction method of the present invention, a known catalyst can be used depending on the purpose. For example, a metal oxide containing molybdenum, tungsten, bismuth or the like, or a metal oxide containing vanadium or the like can be used.

原料ガスがプロピレンの場合、上記金属酸化物として、下記一般式(1)で表される化合物が好適に例示される。
Mo(a)Bi(b)Co(c)Ni(d)Fe(e)X(f)Y(g)Z(h)Q(i)Si(j)O(k)・・・式(1)
When the source gas is propylene, preferred examples of the metal oxide include compounds represented by the following general formula (1).
Mo (a) Bi (b) Co (c) Ni (d) Fe (e) X (f) Y (g) Z (h) Q (i) Si (j) O (k) (1) )

上記式(1)中、Moはモリブデン、Biはビスマス、Coはコバルト、Niはニッケル、Feは鉄、Xはナトリウム、カリウム、ルビジュウム、セシウム及びタリウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素、Yはほう素、りん、砒素及びタングステンからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素、Zはマグネシウム、カルシウム、亜鉛、セリウム及びサマリウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素、Qはハロゲン元素、Siはシリカ、Oは酸素を表す。
また、a、b、c、d、e、f、g、h、i、j及びkは、それぞれMo、Bi、Co、Ni、Fe、X、Y、Z、Q、Si及びOの原子比を表し、モリブデン原子(Mo)が12のとき、0.5≦b≦7、0≦c≦10、0≦d≦10、1≦c+d≦10、0.05≦e≦3、0.0005≦f≦3、0≦g≦3、0≦h≦1、0≦i≦0.5、0≦j≦40であり、kは各元素の酸化状態によって決まる値である。
In the above formula (1), Mo is molybdenum, Bi is bismuth, Co is cobalt, Ni is nickel, Fe is iron, X is at least one element selected from the group consisting of sodium, potassium, rubidium, cesium and thallium, Y Is at least one element selected from the group consisting of boron, phosphorus, arsenic and tungsten, Z is at least one element selected from the group consisting of magnesium, calcium, zinc, cerium and samarium, Q is a halogen element, and Si is silica , O represents oxygen.
A, b, c, d, e, f, g, h, i, j and k are the atomic ratios of Mo, Bi, Co, Ni, Fe, X, Y, Z, Q, Si and O, respectively. When the molybdenum atom (Mo) is 12, 0.5 ≦ b ≦ 7, 0 ≦ c ≦ 10, 0 ≦ d ≦ 10, 1 ≦ c + d ≦ 10, 0.05 ≦ e ≦ 3, 0.0005 ≦ f ≦ 3, 0 ≦ g ≦ 3, 0 ≦ h ≦ 1, 0 ≦ i ≦ 0.5, 0 ≦ j ≦ 40, and k is a value determined by the oxidation state of each element.

一方、上記有機化合物原料ガスが(メタ)アクロレインの場合、上記金属酸化物として、下記一般式(2)で表される化合物が好適に例示される。
Mo(12)V(a)X(b)Cu(c)Y(d)Sb(e)Z(f)Si(g)C(h)O(i)・・・式(2)
上記式(2)中、XはNb及びWからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示す。YはMg、Ca、Sr、BaおよびZnからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示す。ZはFe、Co、Ni、Bi、Alからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示す。但し、Mo、V、Nb、Cu、W、Sb、Mg、Ca、Sr、Ba、Zn、Fe、Co、Ni、Bi、Al、Si、CおよびOは元素記号である。a、b、c、d、e
、f、g、hおよびiは各元素の原子比を表し、モリブデン原子(Mo)12に対して、0<a≦12、0≦b≦12、0≦c≦12、0≦d≦8、0≦e≦500、0≦f≦500、0≦g≦500、0≦h≦500であり、iは前記各元素のうちCを除いた各元素の酸化状態によって決まる値である。
On the other hand, when the organic compound source gas is (meth) acrolein, the metal oxide is preferably exemplified by a compound represented by the following general formula (2).
Mo (12) V (a) X (b) Cu (c) Y (d) Sb (e) Z (f) Si (g) C (h) O (i) (2)
In the above formula (2), X represents at least one element selected from the group consisting of Nb and W. Y represents at least one element selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr, Ba and Zn. Z represents at least one element selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Bi, and Al. However, Mo, V, Nb, Cu, W, Sb, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Fe, Co, Ni, Bi, Al, Si, C, and O are element symbols. a, b, c, d, e
, F, g, h and i represent the atomic ratio of each element, and 0 <a ≦ 12, 0 ≦ b ≦ 12, 0 ≦ c ≦ 12, 0 ≦ d ≦ 8 with respect to the molybdenum atom (Mo) 12. 0 ≦ e ≦ 500, 0 ≦ f ≦ 500, 0 ≦ g ≦ 500, and 0 ≦ h ≦ 500, and i is a value determined by the oxidation state of each element except for C.

上記シェルアンドチューブでのシェル側に供給される熱媒体およびプレート式反応器での伝熱プレートの熱媒体流路に供給される熱媒体は反応温度を制御できれば特に限定されるものではないが、複数の硝酸塩類の混合物である溶融塩(ナイター)や多環芳香族炭化水素混合物などからなる高沸点有機熱媒体が好ましい。また、熱媒体の温度は、200〜600℃で供給されることが好ましく、より好ましくは、200〜500℃である。原料ガスが、プロピレンの場合は、熱媒流路に供給される熱媒体の温度が250〜400℃であることが好ましい。一方、原料ガスがアクロレインの場合は、熱媒流路に供給される熱媒体の温度が200〜350℃であることが好ましい。   The heat medium supplied to the shell side in the shell and tube and the heat medium supplied to the heat medium flow path of the heat transfer plate in the plate reactor are not particularly limited as long as the reaction temperature can be controlled, A high-boiling organic heat medium comprising a molten salt (nighter) or a polycyclic aromatic hydrocarbon mixture, which is a mixture of a plurality of nitrates, is preferred. Moreover, it is preferable that the temperature of a heat medium is supplied at 200-600 degreeC, More preferably, it is 200-500 degreeC. When the source gas is propylene, the temperature of the heat medium supplied to the heat medium flow path is preferably 250 to 400 ° C. On the other hand, when the source gas is acrolein, the temperature of the heat medium supplied to the heat medium flow path is preferably 200 to 350 ° C.

また、熱媒体の入口温度と出口温度の温度差は0.5〜10℃であることが好ましく、2〜5℃であることがより好ましい。熱媒体流路のそれぞれにおいて、1〜複数の流路毎に、熱媒体の流量、温度、及び流す方向を変えることも可能である。   The temperature difference between the inlet temperature and the outlet temperature of the heat medium is preferably 0.5 to 10 ° C, more preferably 2 to 5 ° C. In each of the heat medium flow paths, the flow rate, temperature, and flow direction of the heat medium can be changed for each of the one to a plurality of flow paths.

プレート式反応器が図1に記載の如く触媒層の隣り合う伝熱プレート間の長さ方向の平均層厚さが異なる複数の反応帯域で構成される場合、熱媒体は、複数の反応帯域にそれぞれ最適な温度で供給される。また、一つの反応帯域においても、1〜複数の流路毎に、独立して同温の熱媒体を同じ方向に流す場合も、向流(カウンターフロー)方向に流す場合もある。また、ある反応帯域の熱媒体流路に供給され排出された熱媒体を同じあるいは別の反応帯域の熱媒体流路に供給することも可能である。
同じ反応帯域では、熱媒体の温度は基本的に同じであることが好ましいが、ホットスポット現象が発生しない範囲で変化させることは可能である。
When the plate reactor is composed of a plurality of reaction zones having different average layer thicknesses in the length direction between adjacent heat transfer plates of the catalyst layer as shown in FIG. 1, the heat medium is divided into the plurality of reaction zones. Each is supplied at the optimum temperature. In one reaction zone, the heat medium having the same temperature may flow independently in the same direction or may flow in the counterflow direction for each of one to a plurality of flow paths. It is also possible to supply the heat medium supplied to and discharged from the heat medium flow path in a certain reaction zone to the heat medium flow path in the same or another reaction zone.
In the same reaction zone, it is preferable that the temperature of the heat medium is basically the same, but it is possible to change the temperature within a range where the hot spot phenomenon does not occur.

上記熱媒体流路に供給される熱媒体の流量は反応熱量と伝熱抵抗から決定される。しかし、伝熱抵抗は、通常、液体である熱媒体より原料ガスの気体側にあるので問題になることは少ないが、熱媒体流路内の液線速度は好適には0.3〜2m/sが採用される。有機化合物原料ガス側伝熱抵抗に比較し、熱媒体側の抵抗が小さく問題にならない値とするには、0.5〜1m/sが最も適当である。大きすぎると熱媒体の循環ポンプの動力が大きくなって経済面で好ましくない。   The flow rate of the heat medium supplied to the heat medium flow path is determined from the amount of reaction heat and the heat transfer resistance. However, although the heat transfer resistance is usually less on the gas side of the raw material gas than the liquid heat medium, the liquid linear velocity in the heat medium flow path is preferably 0.3-2 m / m. s is adopted. In order to make the resistance on the heat medium side small and not cause a problem compared to the organic compound raw material gas side heat transfer resistance, 0.5 to 1 m / s is most suitable. If it is too large, the power of the circulation pump of the heat medium becomes large, which is not preferable in terms of economy.

以下、実施例を示すが、本発明はその要旨を逸脱しない限り以下の実施例により限定されるものではない。   Hereinafter, examples will be shown, but the present invention is not limited to the following examples without departing from the gist thereof.

<触媒>
実施例で使用した触媒は、特開昭63−54942号公報、特公平6−13096号公報、特公平6−38918号公報等に開示される方法により作成し、Mo(12)Bi(5)Co(3)Ni(2)Fe(0.4)Na(0.4)B(0.2)K(0.08)Si(24)O(x)の組成の触媒粉(酸素の組成xは各金属の酸化状態によって化合物全体として電気的に中性となるように定まる値である)の組成比を有する金属酸化物粉末を調整した。この触媒粉末を成型し、外径4mmφ、高さ3mmのペレット状の触媒を製造した。
<Catalyst>
The catalysts used in the examples were prepared by the methods disclosed in JP-A-63-54942, JP-B-6-13096, JP-B-6-38918 and the like, and Mo (12) Bi (5) Co (3) Ni (2) Fe (0.4) Na (0.4) B (0.2) K (0.08) Si (24) O (x) catalyst powder (oxygen composition x Was a value determined so as to be electrically neutral as a whole compound depending on the oxidation state of each metal). This catalyst powder was molded to produce a pellet-shaped catalyst having an outer diameter of 4 mmφ and a height of 3 mm.

<反応器>
実施例で用いた反応器について、図6、7に記載の構造のものを用いた。反応器の伝熱プレートは、波板形状の薄いステンレスプレート(板厚1mm)を2枚接合して反応温度調節用の熱媒体流路を形成し、伝熱管を有する伝熱プレートを得た。該接合した伝熱プレ
ートの一対を用いて触媒固定床を形成した。
上記反応器は、触媒固定床は波板の仕様によって、反応ガスの流れ方向の上流から反応帯域6−1、反応帯域6−2及び反応帯域6−3に分割されている。1対の接合波板プレートは平行に位置し、隣り合う伝熱プレート間の距離は26mmで、プレート幅は114mm、プレートの高さは1,810mmであった。波形形状の周期(図7におけるL)、波形周期の高さ(図7におけるH)、及び波数を表1に示す。伝熱プレートに挟まれた空間の最小間隔dは8mmであった。
<Reactor>
About the reactor used in the Example, the thing of the structure of FIG. 6, 7 was used. As the heat transfer plate of the reactor, two corrugated thin stainless steel plates (thickness 1 mm) were joined to form a heat medium flow path for adjusting the reaction temperature to obtain a heat transfer plate having a heat transfer tube. A catalyst fixed bed was formed using a pair of the joined heat transfer plates.
In the reactor, the catalyst fixed bed is divided into a reaction zone 6-1, a reaction zone 6-2, and a reaction zone 6-3 from the upstream in the flow direction of the reaction gas according to the corrugated plate specifications. A pair of bonded corrugated plates were positioned in parallel, the distance between adjacent heat transfer plates was 26 mm, the plate width was 114 mm, and the plate height was 1,810 mm. Table 1 shows the period of the waveform shape (L in FIG. 7), the height of the waveform period (H in FIG. 7), and the wave number. The minimum space d between the spaces between the heat transfer plates was 8 mm.

Figure 0005691151
Figure 0005691151

<実施例1>
上記の反応器に触媒を充填しない状態で、反応器出口圧力を常圧とし熱媒による加熱なしで、触媒層の容積あたり標準状態換算で空間速度が7,200(1/hr)の常温の空気、すなわち21,600NL(標準状態(0℃、1気圧)におけるリットルを示す。以下同じ。)/hrの常温の空気を反応器に流した時の、反応器の原料ガス入口と出口との差圧が30Paであった。この圧力差は反応器入口と出口をつないだ管に水を入れその水柱の高さの差から読み取った。
一方、上記の反応器にペレット状の触媒(直径4mmφ、高さ3mm、触媒粒径D=5mm、バルク状態での空隙率44%)を充填した状態で、反応器出口圧力を常圧とし熱媒による加熱なしで、触媒層容量あたり標準状態換算で空間速度が1,800(1/hr)の常温の空気、すなわち5,400NL/hrの常温の空気を反応器に流した時の、反応器の原料ガス入口と出口との差圧が7kPaであった。
<Example 1>
Without filling the reactor with the catalyst, the reactor outlet pressure was set to normal pressure and no heating with a heat medium, and the space velocity was 7,200 (1 / hr) at a room temperature in terms of the standard state per volume of the catalyst layer. Air, that is, 21,600 NL (liters in a standard state (0 ° C., 1 atm); the same applies hereinafter) / hr of normal temperature air flowing through the reactor, The differential pressure was 30 Pa. This pressure difference was read from the difference in the height of the water column when water was introduced into the tube connecting the reactor inlet and outlet.
On the other hand, with the above reactor filled with a pellet-shaped catalyst (diameter 4 mmφ, height 3 mm, catalyst particle size D = 5 mm, porosity 44% in the bulk state), the reactor outlet pressure was normal pressure and heat Reaction when normal temperature air with a space velocity of 1,800 (1 / hr) in terms of the standard state per catalyst layer volume was passed through the reactor without heating with a medium, that is, normal temperature air of 5,400 NL / hr. The differential pressure between the raw material gas inlet and outlet of the vessel was 7 kPa.

上記反応器の各層に触媒を充填した。そして以下の組成の原料ガスを、6,655(NL/hr)の流量で反応器に流入した。この時の反応器原料入口圧力は0.09MPaG(Gはゲージ圧を示す。以下同じ)、出口圧力は0.047MPaGであった。
PP(プロピレン) 8.7%
水 7.0%
酸素 14.0%
窒素 70.3%
Each layer of the reactor was packed with catalyst. Then, a raw material gas having the following composition was introduced into the reactor at a flow rate of 6,655 (NL / hr). At this time, the reactor raw material inlet pressure was 0.09 MPaG (G represents a gauge pressure; the same applies hereinafter), and the outlet pressure was 0.047 MPaG.
PP (propylene) 8.7%
7.0% water
Oxygen 14.0%
Nitrogen 70.3%

反応後のガスをサンプリングし、ガスクロマトグラフィーにより分析を行った。
反応時の差圧は43kPa、PP転化率は96.0%、アクロレイン及びアクリル酸収率は94.5%であった。その結果を表2に示す。
The gas after the reaction was sampled and analyzed by gas chromatography.
The differential pressure during the reaction was 43 kPa, the PP conversion was 96.0%, and the yields of acrolein and acrylic acid were 94.5%. The results are shown in Table 2.

<実施例2>
実施例1と同様の反応器に、同様の触媒を充填し、同様の組成の原料ガスを5,700(NL/hr)の流量で反応器に流入した。この時の反応器原料入口圧力は0.09MPaG、出口圧力は0.056MPaGであった。
反応後のガスをサンプリングし、ガスクロマトグラフィーにより分析を行った。
反応時の差圧は34kPa、PP転化率は96.9%、アクロレイン及びアクリル酸収率は94.5%であった。その結果を表2に示す。
<Example 2>
The same catalyst as in Example 1 was filled with the same catalyst, and a raw material gas having the same composition was introduced into the reactor at a flow rate of 5,700 (NL / hr). At this time, the reactor raw material inlet pressure was 0.09 MPaG, and the outlet pressure was 0.056 MPaG.
The gas after the reaction was sampled and analyzed by gas chromatography.
The differential pressure during the reaction was 34 kPa, the PP conversion rate was 96.9%, and the yields of acrolein and acrylic acid were 94.5%. The results are shown in Table 2.

<実施例3>
実施例1と同様の反応器に、ペレット状の触媒(直径3mmφ、高さ3mm、触媒粒径D=4.2mm、バルク状態での空隙率40%)を各層に充填した状態で、反応器出口圧力を常圧とし熱媒による加熱なしで、容量あたり標準状態換算で空間速度が1,800(1/hr)の常温の空気、すなわち5,400NL/hrの常温の空気を反応器に流した時の、反応器の原料ガス入口と出口との差圧が14kPaであった。
上記反応器に触媒を充填し、実施例1と同様の組成の原料ガスを6,655(NL/hr)の流量で反応器に流入した。この時の反応器原料入口圧力は0.13MPaG、出口圧力は0.067MPaGであった。
反応後のガスをサンプリングし、ガスクロマトグラフィーにより分析を行った。
反応時の差圧は65kPa、PP転化率は97.7%、アクロレイン及びアクリル酸収率は92.3%であった。その結果を表2に示す。
<Example 3>
In the same reactor as in Example 1, pelletized catalyst (diameter 3 mmφ, height 3 mm, catalyst particle size D = 4.2 mm, porosity 40% in bulk state) was packed in each layer, and the reactor Normal temperature air with a space velocity of 1,800 (1 / hr) in terms of standard state per volume, that is, normal temperature air of 5,400 NL / hr, was flowed to the reactor without changing the outlet pressure to normal pressure and heating with a heat medium. The differential pressure between the raw material gas inlet and the outlet of the reactor was 14 kPa.
The reactor was filled with a catalyst, and a raw material gas having the same composition as in Example 1 was flowed into the reactor at a flow rate of 6,655 (NL / hr). At this time, the reactor raw material inlet pressure was 0.13 MPaG, and the outlet pressure was 0.067 MPaG.
The gas after the reaction was sampled and analyzed by gas chromatography.
The differential pressure during the reaction was 65 kPa, the PP conversion was 97.7%, and the yields of acrolein and acrylic acid were 92.3%. The results are shown in Table 2.

<比較例1>
比較例の反応器は、単管反応器であり、触媒を充填した単管が熱媒に浴した形式の反応器を用いた。反応器の反応管は、内径25mm長さ3,200mmの円筒状の反応管を用い、触媒層の長さは2,800mmであった。上記の反応器に触媒を充填しない状態で、反応器出口圧力を常圧とし熱媒による加熱なしで、触媒層の容積あたり標準状態換算で空間速度が7,200(1/hr)の常温の空気、すなわち9,896NL/hrの常温の空気を反応器に流した時の、反応器の原料ガス入口と出口との差圧が80Paであった。
一方、上記の反応器に実施例1と同様の触媒を充填した状態で、反応器出口圧力を常圧とし熱媒による加熱なしで、触媒層の容量あたり標準状態換算で空間速度が1,800(1/hr)の常温の空気、すなわち2,474NL/hrの常温の空気を反応器に流した時の、反応器の原料ガス入口と出口との差圧が15kPaであった。
<Comparative Example 1>
The reactor of the comparative example was a single tube reactor, and a reactor in which a single tube filled with a catalyst was bathed in a heat medium was used. As the reaction tube of the reactor, a cylindrical reaction tube having an inner diameter of 25 mm and a length of 3,200 mm was used, and the length of the catalyst layer was 2,800 mm. Without filling the reactor with the catalyst, the reactor outlet pressure was set to normal pressure and no heating with a heat medium, and the space velocity was 7,200 (1 / hr) at a room temperature in terms of the standard state per volume of the catalyst layer. The differential pressure between the raw material gas inlet and outlet of the reactor was 80 Pa when air, that is, air at room temperature of 9,896 NL / hr, was passed through the reactor.
On the other hand, in the state where the above-mentioned reactor is filled with the same catalyst as in Example 1, the space velocity is 1,800 in terms of the standard state per volume of the catalyst layer with the reactor outlet pressure being normal pressure and without heating with a heat medium. When a normal temperature air of (1 / hr), that is, a normal temperature air of 2,474 NL / hr was passed through the reactor, the differential pressure between the raw material gas inlet and the outlet of the reactor was 15 kPa.

上記反応器に触媒を充填し、以下の組成の原料ガスを、3,132(NL/hr)の流量で反応器に流入した。この時の反応器原料入口圧力は0.12MPaG、出口圧力は0.062MPaGであった。
PP(プロピレン) 8.7%
水 7.0%
酸素 14.0%
窒素 70.3%
The reactor was filled with a catalyst, and a raw material gas having the following composition was introduced into the reactor at a flow rate of 3,132 (NL / hr). At this time, the reactor raw material inlet pressure was 0.12 MPaG, and the outlet pressure was 0.062 MPaG.
PP (propylene) 8.7%
7.0% water
Oxygen 14.0%
Nitrogen 70.3%

反応後のガスをサンプリングし、ガスクロマトグラフィーにより分析を行った。
反応時の差圧は58kPa、PP転化率は91.7%、アクロレイン及びアクリル酸収率は86.5%であった。その結果を表2に示す。
なお、更に温度を上昇させ、PP転化率を上げようと試みたが、触媒層の温度が急上昇したため、運転を停止した。
The gas after the reaction was sampled and analyzed by gas chromatography.
The differential pressure during the reaction was 58 kPa, the PP conversion was 91.7%, and the yields of acrolein and acrylic acid were 86.5%. The results are shown in Table 2.
Although an attempt was made to further increase the temperature and increase the PP conversion rate, the operation was stopped because the temperature of the catalyst layer increased rapidly.

Figure 0005691151
Figure 0005691151

シェルアンドチューブ反応器及びプレート式反応器は、一般に気相反応による生成物を大量に効率よく製造する観点で優れており、本発明の反応方法により、高効率かつ高収率で生成物を製造することができる。シェルアンドチューブ型反応器及びプレート式反応器の汎用性のさらなる拡大が期待される。   Shell-and-tube reactors and plate reactors are generally superior in terms of efficiently producing a large amount of gas phase reaction products, and the products of the present invention can be produced with high efficiency and high yield. can do. Further expansion of versatility of shell-and-tube reactors and plate reactors is expected.

1 伝熱プレート
2 熱媒体流路
3 空間
4 反応ガス入口
5 反応ガス出口
6−1 第1反応帯域
6−2 第2反応帯域
6−3 第3反応帯域
11 波板
a 波板の凸面部
b 波板の凹面部
P、P1,P2 プレート間の距離
L 波の周期
H 波の高さ
d1、d2、d3 隣り合う2枚の伝熱プレートに挟まれた空間の最小間隔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heat transfer plate 2 Heat-medium flow path 3 Space 4 Reaction gas inlet 5 Reaction gas outlet 6-1 1st reaction zone 6-2 2nd reaction zone 6-3 3rd reaction zone 11 Corrugated sheet a Convex surface part b of corrugated sheet Corrugated concave portion P, P1, P2 Distance between plates L Wave period H Wave heights d1, d2, d3 Minimum spacing between two adjacent heat transfer plates

Claims (4)

供給された原料ガスを反応させる触媒層を備え、その触媒層と熱交換を行い除熱及び加熱ができる、プロピレンまたはイソブチレンを原料とし(メタ)アクロレインおよび(メタ)アクリル酸を製造する反応器において、
前記反応器が、隣り合う伝熱プレートの間に形成された触媒層を備え、供給された原料ガスが前記隣り合う伝熱プレートの隙間を通って排出されるプレート式反応器であり、
前記伝熱プレートは、円弧、楕円弧又は矩形に賦形された波板の2枚を対面させ、その波板の凸面部を互いに接合して複数の熱媒体流路が形成されたものであり、
該熱媒体流路に供給される熱媒体の温度が250〜400℃であり、
前記反応器の原料ガス流れ方向の長さが、0.5〜3mであり、
触媒層を備えない状態において、常温の空気を、反応器出口圧力を常圧とし熱媒による加熱なしで、触媒層容積あたり標準状態換算で空間速度を7,200(1/hr)として前記反応器に流入させた場合の前記反応器の差圧が40Pa以下であり、
前記触媒層が、原料ガスの入口から出口に向かって複数の反応帯域に分割され、前記複数の反応帯域は原料ガスの入口から出口に向かって触媒充填時の空隙率を減少させるように配置され、触媒層の空隙率は、第一反応帯域で50%以上、第二反応帯域以降では50%以下であり、第一反応帯域と第二反応帯域の空隙率の差が10%以上であり、
前記複数の反応帯域は原料ガスの入口から出口に向かって隣り合う伝熱プレート間の長さ方向で触媒層の厚さを増大させ、
前記隣り合う伝熱プレート間に充填される触媒の粒径(D)と前記隣り合う伝熱プレートに挟まれた空間の最小間隔(d)との比(D/d)が、0.9>D/d>0.3である反応器を用い
前記反応器に触媒層を備えた状態において、原料ガスを、前記触媒層の容量あたり標準状態換算で空間速度を1,100(1/hr)以上4,200(1/hr)以下として前記反応器に流入させて反応を行う反応方法。
In a reactor for producing (meth) acrolein and (meth) acrylic acid using propylene or isobutylene as a raw material, which has a catalyst layer for reacting the supplied raw material gas and can exchange heat with the catalyst layer to remove heat and heat ,
The reactor includes a catalyst layer formed between adjacent heat transfer plates, and the supplied source gas is discharged through a gap between the adjacent heat transfer plates;
The heat transfer plate is formed by facing two corrugated plates shaped into an arc, an elliptical arc or a rectangle, and joining the convex portions of the corrugated plates to form a plurality of heat medium flow paths,
The temperature of the heat medium supplied to the heat medium flow path is 250 to 400 ° C,
The length of the reactor in the raw material gas flow direction is 0.5-3 m,
In the state where the catalyst layer is not provided, the above-mentioned reaction is performed with normal-temperature air at a reactor outlet pressure of normal pressure and without heating with a heat medium, and a space velocity of 7,200 (1 / hr) in terms of standard state per catalyst layer volume The differential pressure of the reactor when flowing into the reactor is 40 Pa or less,
The catalyst layer is divided into a plurality of reaction zones from the inlet of the raw material gas to the outlet, and the plurality of reaction zones are arranged so as to reduce the porosity when filling the catalyst from the inlet of the raw material gas to the outlet. , porosity of the catalyst layer, the first reaction zone at least 50%, in the second reaction zone after not more than 50% state, and are the difference between the porosity of the first reaction zone and the second reaction zone is 10% or more ,
The plurality of reaction zones increase the thickness of the catalyst layer in the length direction between adjacent heat transfer plates from the inlet to the outlet of the raw material gas,
The ratio (D / d) between the particle size (D) of the catalyst filled between the adjacent heat transfer plates and the minimum space (d) between the adjacent heat transfer plates is 0.9> using D / d> 0.3 der Ru reactor,
In the state in which the reactor is provided with the catalyst layer, the reaction is performed with the raw material gas at a space velocity of 1,100 (1 / hr) or more and 4,200 (1 / hr) or less in terms of standard state per volume of the catalyst layer. A reaction method in which a reaction is conducted by flowing into a vessel .
前記触媒層を形成する触媒は、バルク状態での空隙率が60%以下の触媒である、請求項に記載の反応方法。 The reaction method according to claim 1 , wherein the catalyst forming the catalyst layer is a catalyst having a porosity in a bulk state of 60% or less. 前記反応器に触媒層を備えた状態において、原料ガスを、前記触媒層の容量あたり標準
状態換算で空間速度を1,800(1/hr)以上4,200(1/hr)以下として前記反応器に流入させて反応を行う、請求項1又は2に記載の反応方法。
In the state in which the reactor is provided with the catalyst layer, the reaction is performed with the raw material gas at a space velocity of 1,800 (1 / hr) or more and 4,200 (1 / hr) or less in terms of standard state per volume of the catalyst layer. The reaction method according to claim 1 or 2 , wherein the reaction is conducted by flowing into a vessel.
前記反応器に触媒層を備えた状態において、常温の空気を、反応器出口圧力を常圧とし熱媒による加熱なしで、前記触媒層の容量あたり標準状態換算で空間速度を1,800(1/hr)として前記反応器に流入させた場合の前記反応器の差圧が15kPa以下となる反応器を用いる、請求項1〜のいずれかに記載の反応方法。 In the state in which the reactor is equipped with the catalyst layer, the space velocity is 1,800 (1 in terms of standard state per volume of the catalyst layer without heating with normal temperature air at the reactor outlet pressure and normal pressure. The reaction method according to any one of claims 1 to 3 , wherein a reactor is used in which the differential pressure of the reactor when flowing into the reactor as / hr) is 15 kPa or less.
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