JPS61118132A - 触媒反応装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １１匁１１ １五皇１ 本発明は、触媒内置式の固定床型触媒反応装置に関する
ものである。

一般に、化学工業において用いられる反応は、多くの場
合、高められた温度において実施され、反応温度の制御
は反応の転化率を所望の値に保ったり、副反応の生成を
防止するために、重要であることがしばしばある。しか
も、多くの化学反応では、反応の進展に従って多少の反
応熱の発生あるいは吸収を伴い、反応成績を優れたもの
にするためには、該反応熱の給除熱は化学反応装置が具
備すべき条件の一つである場合が多い。

特に、固体触媒を用いる固定床触媒反応装置では、触媒
層のすなわち反応の温度制御がより重要で、触媒層の温
度制御方法によって適用される反応装置の型式が選択さ
れることもある。触媒により生起する化学反応が吸熱反
応の場合は、反応転化率が所要の値に保ってなくなった
り、反応時間が長時間となったり、多層の触媒が必要と
なって反応装置が大型化したりする不都合が生じる。発
熱反応の場合は、発生する反応熱によって、触媒層６ｍ
度が上昇し、多くの化学反応ではａ１反応物の生成が増
加して反応の選択性が低下する。温度上昇の激しいとき
は、例えば、発生した高温によって活性触媒物質の変質
や焼結による触媒表面積の減少が起こり、触媒の損傷あ
るいは破壊をまねいて、ついには触媒自体が使用不可能
になることもある。

上記のような例は、ナフサ分解副生油、ジエン類あるい
はオレフィンの水素化、パラフィン、エチルベンゼン等
の脱水素、ベンゼン、プロピレン等の酸化、アクリル酸
またはメタクリル酸のエステル化、ニトロベンゼンの水
添反応等をあげることができる。

先行技術 触媒のＷ１傷を防ぎ、反応成績を優位に保つために工業
的に従来用いられている方法は、下記のようなものであ
る。

（イ）　断熱反応器を用い、反応条件下では不活性であ
る流体によりあるいは反応生成物の一部を再循環するこ
とによって、反応原料流体を希釈して温度の上昇あるい
は低下を制限する方法が試みられる。しかし、不活性物
質による希釈は最終生成物との分離を必要とし、一方反
応生成物の再循環は必要触＊ｉの増大を招いて反応装置
が大型化するという欠点を有する。

（ロ）　冷加熱装置付き反応装置を用いれば、反応原料
流体の希釈は避けることができる。反応熱を冷加熱装置
により熱交換する固定床触媒反応装置は反応流体を希釈
する必要がなく、所望の反応温度に触媒層温度を制御す
ることができて有利な反応の平衡が得られ、副反応物の
生成を抑制することが可能である。冷却ないし加熱媒体
としては、溶融塩、ダウサムのような合成伝熱媒体ある
いは水、沸騰水あるいはスチームが使用される。しかし
、所望の反応成績を得るためには、必要な反応処理時間
によって触媒層が決定され、更に反応熱量によって上記
熱交換器の冷却ないし加熱のための伝熱面の大きさが決
定されるので、これら二条性を満足することが必須とな
る。

従来、冷却ないし加熱装置付き固定床触媒反応ｇ置とし
ては、所謂［シェル−アンド−チューブ型］　（以下、
管型反応装置という）が多く用いられている。第２図は
、管型反応装置の一例を示すものである。第２図に従っ
て管型反応装置の説明をすれば、触媒が反応管１０２に
充填されて、所定の反応処理時間に対応する触媒層１０
１が形成されている。反応原料流体は１０４より供給さ
れ、触媒層１０１の中を通過して所定の化学反応が生起
する。反応処理流体が１０５より排出される。

反応管は上下管板１０３および１０３′により固定され
ている。冷加熱媒体は１０６より導かれ、反応管１０２
の外側（シェル側）を通過して反応管１０２の管壁を通
して反応処理流体と熱交換した後、出口１０７より排出
される。冷却ないし加熱媒体が均一にシェル側を流れて
全ての反応管を等しく冷却ないし加熱するためにバッフ
ル１０８が設置されることが多い。

このような従来の管型反応装置では、反応処理時間と反
応処理流体」から決定される所定の触媒量に対して、冷
却ないし加熱媒体と反応処理流体、　　　＆（７）′２
″′″＊ｔａｉｍｔｉｉｍｅ＊ｓ＜ｔａｓｉａがしばし
ばある。そのためには、反応管１０２として管径の小さ
なものを使用して反応管内の触媒りに比べて反応管の管
壁面積を増加するようにしなければならず、その結果、
反応管の本数が必然的に増加する。しかし、反応管の数
が増加したときに、上下管板に固定される反応管の間隔
は、該反応装置の製作上及び上下管板の強度上の制限が
あるので過度に小さくすることができず、その結果、反
応装置が大型化するという欠点がある。また、各反応管
に充填する触媒量のバラツキ等により、それぞれの反応
管を反応処理流体が通過する際の圧力降下が異なり、各
反応管を通過する反応流体の量に差異（偏流）が生じて
反応成績が低下する場合がある。その防止のため、反応
管に触媒を充填する際に各反応管への触媒の充＠最のバ
ラツキは極力少なくする様、細心の注意を払わなければ
ならない。それにもかかわらず、触媒量のわずかの差異
、充填状態の差異、あるいは触媒の劣化、副生成物など
の析出等によって、反応処理流体の偏流が生じて反応成
績が低下してしまう。更鴨 に、冷加熱媒体のシール側の流れを均一にして′全反応
管の温度を等しくするためにシェル側にはバッフルが設
けられることが多いが、そのような配慮をしたとしても
全反応管を等しく冷Ｗないし加熱することは不可能であ
る。すなわち、反応装置の中心に位置する反応管と円周
付近に位置する反応管とでは、冷加熱媒体の効果に差異
が生じるので各反応管の温度を等しくできないのが実状
であり、各反応管内の反応にムラが生じて全体の反応成
績が低下することは避は難い。

１１立且１ 本発明の目的は、上記管壁触媒反応ｖｉＬＶ！ｌの欠点
を克服して、同じ触媒けの場合でも、反応装置全体をコ
ンパクトにして配置上及び経済上有利な、反応熱を冷加
熱するための伝熱面の大きさを自由に設定でき、触媒の
充填方法が容易な、触媒反応装置を提供することにある
。

すなわち、本発明による触媒反応装置は、反応させるべ
き流体（以下、反応流体という）の流通する触ＩＲ層を
収容する反応室（イ）とこの反応室に隣接して間接熱交
換によってこの反応室の温度制御を行なうべき伝熱媒体
を収容する伝熱媒体室（ロ）とを収容したハウジングか
らなり、ハウジング内に供給した反応流体が反応室（イ
）内においてこのハウジングの所与の軸に関して実質的
に平行に流通してからハウジング外へ出るようにし、そ
してハウジング内に供給した伝熱媒体か伝熱媒体室（ロ
）を通過してからハウジング外へ出るようにした触媒反
応装置において、反応室と伝熱媒体室とを下記の通りに
構成したこと、を特徴とするもである。

（１）　　反応室と伝熱媒体室とは、該軸方向に延びる
板材からなる隔壁を介して隣接して両室間の間接熱交換
が可能となっていること。

（２）　　この隔壁は該軸を芯として渦巻状に配設され
ていて、反応室と伝熱媒体室とが該隔壁によって渦巻状
に形成されており、またこの隔壁は該芯部において管状
の空間を形成していて、伝熱流体室がそこに開口してい
ること。

（３）　　反応室は、反応流体が通過すべき該軸方向で
その上流側および下流側で該ハウジング内に開口してい
て、ハウジング内に供給した反応流体が該上流側開口か
ら下流側開口へと該軸方向に通過してからハウジング外
へ出るようになっていること。

（４）　　伝熱媒体室は、ハウジング内に開口部を持た
ずにその内部がハウジング外部と連通していること。

本発明装置は、前記の「において」までに示した従来装
置に対する改良からなるものである。このような従来装
置の一興体例は、第２図に示したようなシェル−アンド
−チューブ型の装置である。

そして、本発明による改良は、反応室すなわち触媒層を
いわばシート状に形成してそれをゆるく筒状に巻き込ん
で、その場合の筒の一端から筒の軸方向に反応流体を供
給して触媒層を通過させてから筒の他端から反応生成物
を取出すようにし、ユ　　　　　しかもシート状触媒層
をゆるく巻いたときのシート間に形成される空間を伝熱
媒体を収容する空間となるように構成して、間接熱交換
による温度制御が行なえるようにしたところにある。

ここでいう「ｍ巻状」とは典型的には第１図に示したよ
うなｉ巻形成線が真円形である場合の外に、角型の場合
をも包含するものであり、従ってシート状触媒層すなわ
ち反応室（および伝熱媒体室）の巻込体が形成する「筒
」も典型的な円筒の外に角筒をも包含するものである。

筒の軸は、垂直であることがふつうである。従って、以
下の説明も軸が垂直である場合について行なうこととす
る。

シート状の触媒層は、１枚であることがふつうであるが
、２枚以上であってもよい。触媒層シートが２枚以上の
場合は伝熱媒体室（これも［シート状であることはいう
までもない）２枚以上となることはいうまでもない。

シート状触Ｊｌ［すなわち反応室（および伝熱媒体室）
の巻込体が形成する筒は、その両端面、すなわち軸が垂
直の場合の底面および頂面、がハウジング内空間に臨む
ように配設され、しかもこの筒はハウジング内面と接す
るように構成することがふつうである。そして、反応流
体はこの筒の一端面から他端面へと流通させる。従って
、シート状触媒層は該シートの一方の側縁部に相当する
部位において反応流体の流入を受入れ、他方の側縁部に
おいて反応後の流体を流出させることになる。

すなわち、そのような触媒層を収容している反応室は、
その筒状体としての両端面においてハウジング内に開口
していることになる。

一方、渦巻状の反応室の垂直方向に壁によって゛画成さ
れる伝熱流体卒は、反応室と間接熱交換を行なうべきも
のであるから、その内部は反応室および反応室が連通し
ているハウジング内と連通していない。そして、反応室
の垂直方向の壁（すなわち伝熱媒体室との間の隔壁）を
なす板材は、渦巻の中心部において管状の空間を画成し
ており、伝熱媒体室はその管状空間に開口するようにな
っている。この管状空間は適当な配管によってハウジン
グの外と連通している。一方、この伝熱媒体室の巻込体
からなる筒の外周附近に在る伝熱媒体室は、その附近に
おいてハウジングの外と連通している。

反応室の巻込体からなる筒をその軸が垂直となるように
配設する場合は、反応室内に収容されている触媒層が下
方へ落下しないように、反応室下側開口部附近に多孔板
を設けることが必要である。

多孔板は網状部材であることが典型的であって、反応室
開口部に密着して取付けることもある程度の距離を置い
て取付けることもできる。後者の場合には、反応室開口
部と多孔板との間に触媒が存在していてもよい（第１図
の例がそれである）。

一方、反応室の巻込体からなる筒の上部にも、多孔板を
配設して、該開口部から逸散するかも知れない触媒を捉
えるようにすることもできる。

以上の説明から明らかなように、本発明触媒反応装置は
、第２図に示したようなシェル−アンド−チューブ型装
置での反応管１０２を上下管板１０３．１０３′上の取
付は位置の軌跡が渦巻状となるように配設し、しかもこ
の軌跡上の隣接する管が相互に融合して管内の触媒層が
シート状となったものに相当するといえよう。ただし、
伝熱媒体出口１０７は管板１０３に設けられる。

装置の具体例 第１図は、反応室と伝熱媒体室との間の隔壁が渦巻き円
形のもの（以下、スパイラルプレートという）である例
である。触媒１がスパイラルプレートの間に充填されて
いる。その隣合ったスパイラルプレートの間隙は伝熱媒
体流路を形成している。反応流体は４より供給され、触
媒層え９によ　”つて、固定された触媒１を通過して所
定の化学反応が生起し、反応済みの反応流体が５より排
出される。伝熱媒体は６より導かれて流路１０を通過し
、スパイラルプレート１１を通じて反応流体と間接熱交
換した後、出ロアより排出される。反応流体の化学反応
により蒸発などが起って反応流体の体積が著しく変化す
る場合は、第１図に示すように反応流体の入口４及び出
口５の直径が異なったものにすることができる。

１１肛至皇ｊ ；　　　　本発明において、伝熱面積を増加して触媒層
内の温度分布を均一にする場合には、スパイラルプレー
トの間隔を狭くすれば良く、容易に伝熱面積の増減が可
能である。また、スパイラルプレートに波板状のものを
用いたり、スパイラルプレートの表面に突起物を設ける
ことによって、触媒層及び伝熱媒体流路の流体の流れを
乱して伝熱効率を向上させることも可能である。伝熱効
率を向上させることによって、反応装置の伝熱面積を増
加させることなく、触媒層の温度の制御が容易になり、
副反応を抑制し、反応成績を優位に保つことが可能とな
る。この点は本発明における最大の利益であり、触媒層
を冷加熱するために要する伝熱媒体との伝熱面積を増加
しなければならない場合でも、触媒反応装置が大型化せ
ずコンパクトになる点は、従来の管型触媒反応装置では
、期待されなかったことである。

本発明の触媒反応装置の触媒層は板材からなる隔壁（プ
レート）によって、伝熱媒体と分離された空間に設けら
れて連続層を形成していて、従来の管型触媒反応装近の
ように複数の触媒層が完全に独立しているということが
ない。従って、触媒量の充填時の触媒層のバラツキ、充
填状態あるいは、触媒の劣化、副生成物などの析出等に
より、反応流体の偏流が生じな（、反応成績が低下する
ことが少ない。また、反応流体が所定の反応処理を受け
て反応途中の触媒層において反応生成物の蒸発あるいは
、凝縮などの相変化がある場合には、蒸発あるいは凝縮
潜熱を給、除熱する必要がある・ が、そのときにも本発明装置は有用である。

支−一里一一１ 実施例 第１図に示した様なスパイラルプレートタイプの熱交換
器を反応装置として使用して、アクリル酸とイソブチレ
ンとからターシャリ−ブチルアクリレートを製造した。

触媒は、イオン交換樹脂を用いた。イオン交換樹脂は、
前処理として樹脂に含まれる水をアクリル酸で置換して
から用いた。

アクリル酸とイソブチレンとのモル比２の組成の反応原
料を用い、毎時２４９０　Ｋ９の割合で反応装置へ供給
した。圧力は５　Ｋｆｌ　／　ｃｉであった。この反応
は発熱反応であるため、１５℃の冷却水を用いて、触媒
層温度を２０℃に保った。アクリル酸の転化率は７６．
３％で、ターシャリ−ブチルアクリレートの生成速度は
毎ＦＲ１３２２Ｋｇであった。

このとぎ用いた反応装置は、触媒層厚さが２５１、高さ
１．２ＴＦＬ、触媒容積１．７５ゴで、反応装置の外径
１．７ｍ、伝熱面積は１０８尻であり、反応装置の触媒
を除いた自重は８．７トンであった。

Ｌ笠１ 実施例と同じ反応に、管型反応装置を用いた。

アクリル酸の転化率は同じであった。ここで用いた管型
反応装置は、２インチの反応管７７５本、触媒層高さ１
ｍで、シェル外径は２．４ｍであり、反応装置の自重は
２４．５トンであった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明装置の一具体例を示すものであって、
（ａ）は平断面、（ｂ）は縦断面図である。 第２図は、公知の装置の一例の縦断面図である。 第　１１ 第　２　内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、反応させるべき流体（以下、反応流体という）の流
   通する触媒層を収容する反応室（イ）とこの反応室に隣
   接して間接熱交換によつてこの反応室の温度制御を行な
   うべき伝熱媒体を収容する伝熱媒体室（ロ）とを収容し
   たハウジングからなり、ハウジング内に供給した反応流
   体が反応室（イ）内においてこのハウジングの所与の軸
   に関して実質的に平行に流通してからハウジング外へ出
   るようにし、そしてハウジング内に供給した伝熱媒体が
   伝熱媒体室（ロ）を通過してからハウジング外へ出るよ
   うにした触媒反応装置において、反応室と伝熱媒体室と
   を下記の通りに構成したことを特徴とする、触媒反応装
   置。 （１）反応室と伝熱媒体室とは、該軸方向に延びる板材
   からなる隔壁を介して隣接して両室間の間接熱交換が可
   能となっていること。 （２）この隔壁は該軸を芯として渦巻状に配設されてい
   て、反応室と伝熱媒体室とが該隔壁によって渦巻状に形
   成されており、またこの隔壁は該芯部において管状の空
   間を形成していて、伝熱流体室がそこに開口しているこ
   と。 （３）反応室は、反応流体が通過すべき該軸方向でその
   上流側および下流側で該ハウジング内に開口していて、
   ハウジング内に供給した反応流体が該上流側開口から下
   流側開口へと該軸方向に通過してからハウジング外へ出
   るようになつていること。 （４）伝熱媒体室は、ハウジング内に開口部を持たずに
   その内部がハウジング外部と連通していること。 ２、ハウジングの軸が垂直方向であり、触媒層の落下を
   防止すべき多孔板が反応室の下側開口部附近に設けてあ
   る、特許請求の範囲第１項に記載の触媒反応装置。 ３、反応室の上側開口附近にも多孔板が設けてある、特
   許請求の範囲第２項に記載の触媒反応装置。 ４、反応流体が反応室の下側開口から上側開口へと通過
   するようになつている、特許請求の範囲第２〜３項のい
   ずれかに記載の触媒反応装置。 ５、隔壁によって該芯部に形成された管状の空間とハウ
   ジング外部とを連通させるための配管（ハ）と伝熱媒体
   室のハウジングに接する部分附近で伝熱媒体室内部をハ
   ウジング外部と連通させるための配管（ニ）とを設けて
   ある、特許請求の範囲第１〜４項のいずれかに記載の触
   媒反応装置。