JPH0366935B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、触媒の存在下に流体を反応させる反
応器の改良に関する。さらに詳しくは、発熱また
は吸熱を伴なう触媒反応を、所定の圧力、温度の
もとで所望の反応率まで達成させる際に、発生す
る反応熱の回収または必要とする反応器の供給を
行ないながら触媒層の温度分布をプロセス上要求
される最適分布に近づけることが可能な反応器構
造の改良に関するものである。 従来、固体触媒存在下でガス状原料を所定の圧
力、温度のもとで、所望の転化率で反応生成物に
転化させる例は種々あり、まず、発熱反応の例は
一酸化炭素および水素を主成分とする合成ガスか
らのメタノール合成であり、吸熱反応の例は、上
記とは逆にメタノールを分解して一酸化炭素およ
び水素を主成分とするガス状混合物に変えるプロ
セスである。このほか、いずれも発熱反応の例と
して、メタノール合成、メタノル化反応、メタン
以上の高級炭化水素などの有機化合物の生成反
応、およびメタノールからのガソリン合成などが
挙げられるが、これらの反応を行わせる従来の反
応器の構造上の欠点を、合成ガスからのメタノー
ル合成を例にとつて以下に説明する。 上述の通り、一酸化炭素と水素を主成分とする
合成ガスを原料とするメタノール合成は、銅系の
触媒を用いて、圧力50〜300Kg／cm²Ｇ、温度200〜
300℃の範囲にて行うことが一般的であるが、こ
の際に発生する反応熱を反応過程に沿つて除去し
なければ、反応ガスと触媒層の温度の過大上昇を
招き、ひいては触媒の劣化と化学反応衝面から所
望生成物濃度の低下を招くこととなる。 このため、従来から反応熱を除去して反応温度
の過大上昇を防止するための種々の方法と構造が
工夫されている。従来法の例として、古くは反応
器の触媒層に流入する前の冷たい未反応ガスと、
触媒層を出る暖かい反応ガスとの間でガス−ガス
の熱交換を行わせる方法、又触媒層を多段に設け
各触媒層の出口において冷たい多量の未反応ガス
で混合し直接クエンチする方法が知られている。
しかし、前者の方法は触媒層に流入するガスの予
熱必要熱量よりも、発生反応熱が大なるため反応
温度の上昇を十分防止しきれない等の欠点を有
し、また後者の方法は、クエンチガスを混合する
ので反応ガス流量の増大、所望生成物の濃度低下
を招くほか、反応熱の回収のためにはさらに別の
装置は必要とし、しかも回収熱のエネルギー・レ
ベルは低い等の欠点を有する。 次に、進んだ反応熱の処理方法として、反応熱
を間接的に熱媒体に移動させることにより、触媒
層中の反応ガスと触媒を冷却する方法がある。こ
の際の熱触媒としては、水のほか、適当な沸点と
蒸発潜熱、比熱等を有する蒸発性の水や有機液体
等が用いられ、反応熱はこれら液体の顕熱又は熱
発潜熱の形で回収される。実用上最も望ましいの
は水を熱媒体として用い、反応温度よりも低い温
度を沸騰温度とし、これに対応した飽和圧力のも
とで水を沸騰させて高圧蒸気を得、反応熱を蒸発
潜熱の形で回収するものであり、この目的に用い
られる反応器として従来の代表的な三例につき、
その欠点を以下に述べる。 第一の例は、特公昭57−38568号公報に提案さ
れるようにシエル・アンド・チユーブ方式の熱交
換器を用い、管内に触媒を充填し、管外は沸騰水
で満たされ、高圧蒸気発生によつて触媒層を間接
的に冷却するものであるが、欠点としては特に大
型化において触媒の充填と排出が困難になるこ
と、触媒層内ガス流通時の圧損が大きいこと、管
板が厚くなること、外殻と触媒充填管の熱膨張の
差を吸収することが困難になること等が挙げられ
る。 つぎに第二の例は、西独特許DE3007203A1に
提案されるように、管外に触媒を充填し、管内に
冷却流体を流す方式を採用すると共に、当該冷却
管をＵ字管とするかもしくは冷却管群の一方の端
をヘツダに連結することにより、管板を一枚で済
ませており、前述の第一の例の欠点の１部を解消
してはいるが、やはり大型化に当つては、触媒の
充填と排出の困難性、触媒層内ガス圧損の増大、
管板肉厚の増大等の問題が欠点として考えられ
る。 第三の例は、特開昭55−149640号公報に提案さ
れるもので、この方式は反応器内触媒層の上下に
リング状のヘツダを配置し、触媒層を垂直方向に
貫通している冷却管群の両端をそれぞれ前記のヘ
ツダに連結することによつて管板を排除すると共
に、円板状外殻の外周部と中心部に触媒不在の空
間を設け、当該両空間のどちらか一方から他方に
反応ガスを半径方向に流すことによつて、ガスの
流通断面積を増大し圧損の低減を計つているが、
上下方向の触媒充填密度の差によるガス偏流が発
生すること、触媒層の上下にそれぞれヘツダを有
することに帰因する触媒の充填と排出の困難性の
あること、さらに冷却管群の補強と支持、点検、
補修等にも困難性が予想されるという欠点があ
る。 本発明の目的は、上述のような従来の反応器の
欠点を解消した反応器を提供することにあり、本
発明は、発熱または吸熱を伴う横型触媒反応器に
おいて、(a)反応ガス供給口と排出口を有する耐圧
外殻の一端にフランジを介して蓋部を設け、(b)該
耐圧外殻の上部に触媒充填口を、下部に排出口を
設け、(c)該耐圧外殻内にほぼ水平方向に配置され
た熱媒体用伝熱管群を熱媒体分配用ヘツダ及び熱
媒体集合用ヘツダに連結して管群構造体を形成
し、(c)上記伝熱管群にバイブレータを接続し、(d)
該管群構造体の下方に開閉自在の触媒受けを設け
て伝熱管の間〓に触媒を充填可能とし、(e)該管群
構造体の一端を上記蓋部に固定し、(f)該管群構造
体の他端をコロを介してレール上に支持して自由
端としたことを特徴とする横型触媒反応器であ
る。 本発明による反応器の利点は、製作、点検、補
修、輸送が容易で、触媒の充填と排出がし易く、
冷却管群とヘツダの支持、触媒層の支持も容易で
かつ無理がなく外部へのガスリークを防止するた
めのグランドやベローズを使用したシール部分が
なく、熱膨張差を無理なく吸収できる構造を有
し、また性能的には触媒層内温度を所望の温度分
布に維持でき、反応ガスの圧損を低減させること
を可能としたことである。 以下、図面に基づいて本発明の詳細をより具体
的に説明する。第１〜９−ａ，ｂ図は本発明によ
る反応器の一実施例及び具体的実施態様例を示す
もので、例えば合成ガスからのメタノール合成反
応に適用されるものである。第１〜９−ａ，ｂ図
において、１は耐圧外殻、２はガス供給口、３は
ガス排出口、４は触媒充填口、５は触媒排出口、
６はマンホール、７はフランジ、８は蓋部、９は
耐圧外殻の端部、１０は熱媒体供給口、１１は熱
媒体排出口、１２は熱媒体導管、１３は熱媒体分
配用ヘツダ、１４は冷却管（又は加熱管）、１５
は管束補強板、１６は熱媒体集合用ヘツダ、１７
は隔壁、１８は触媒受け、１９は網、２０はレー
ル、２１はコロ、２２は反応器支持台、２３は触
媒層、２４は触媒層側壁、２５は隔壁、２６はフ
イン、２７は管束、２８〜３０は空間、３１は押
え板、３２はルーバ状触媒受格子を示す。 第１図は、本発明による反応器の一例の縦断面
を示す図である。 第１図において、１は横置きした円筒状の耐圧
外殻であり、２３は触媒層、１４は冷却管（触媒
反応が吸熱反応であれば、当然この管は加熱管と
する）、１３，１６はそれぞれ熱媒体分配用と集
合用のヘツダである。本発明による反応器では、
前記耐圧外殻１に内蔵された触媒層２３は、下部
を通気性の触媒受け１８と、その上に重ねた網１
９との組み合わせにより支えられ、さらに触媒層
２３の前後左右の側面は隔壁１７によつて支えら
れると共に、触媒層２３の内部にほぼ水平方向に
多数の冷却管１４を貫通させ、該冷却管群の両端
をそれぞれ前述の熱媒体分散用及び集合用のヘツ
ダ１３及び１６に連結して一体化し管群構造体と
してある。 予じめ所定の温度と圧力まで、予熱および昇圧
された原料ガスを、第１図左端のガス供給口２よ
り導入し、空間２８，２９を経て、触媒層２３の
上端部から流入させ、触媒層内を下向きに流して
所望の転化率まで反応を完結したあと、同触媒層
２３の下端部から反応後の混合ガスを取出す。こ
の時反応ガスのシヨートパスを防止するために、
不定形耐火物等で造形された隔壁１７を設け、確
実に反応ガスが触媒層を通過するようにする。 また一方、熱媒体は、第１図右端の熱媒体供給
口１０より導入し、熱媒体導管１２、熱媒体分配
用ヘツダ１３、冷却管（又は加熱管）１４を経
て、熱媒体集合用ヘツダ１６に導き、熱媒体排出
口１１から取り出す。 上述のような反応ガスと熱媒体の流通過程にお
いて、触媒層を貫通している管１４の管壁を通じ
て反応ガスと熱媒体間の熱交換が可能であるた
め、発熱反応の場合には、触媒層内の反応の進行
に伴なつて発生する反応熱の除去、また吸熱反応
の場合には、必要とする反応熱の供給ができるこ
ととなる。 以上が、本発明による反応器の構造と機能の概
略である。さらに、本発明の具体的実施態様を詳
述する。 具体的実施態様のその１は、ヘツダを含む管群
構造体とその支持である。 第２図及び第４図は、ヘツダに注目して、それ
ぞれ第１図におけるＡ−Ａ断面を左から見た図と
Ｃ−Ｃ断面を右から見た図である。第５図及び第
７図は、ヘツダと冷却管（又は加熱管）に注目し
て、それぞれ第１図におけるＤ−Ｄ断面の左端と
右端を上から見た図である。これは本発明による
反応器の一例ではあるが、本実施態様例で示すヘ
ツダ１３，１６は円筒状のシンプルな形状であ
り、まず多数の冷却管（又は加熱管）を、当該ヘ
ツダ１３と１６に連結し固定する。つぎに、第５
図及び第７図に示すように、触媒支持も兼ねて前
記管群の周囲を触媒層側壁２４で囲み、また第１
図に示すように前記管群の下部に触媒受け１８を
設置し、管束は管束補強板１５にて補強する。必
要に応じてさらに補強策を施せば、上述の管群は
一つの構造体として十分な剛性を有することとな
る。また前記管群構造体は、第１図に示すよう
に、右端を蓋部８に固定し、左端はレール２０と
コロ２１との組合せで支持するに留め水平方向に
自由にスライド可能にしておくことにより、つぎ
に述べるように熱による伸び差を吸収できること
となる。 さらに、このように横移動可能な機構で支持す
ることにより、外殻のフランジ部を開放すれば、
前記管群構造体を横方向に外殻内から引き出せる
構造とすることもできる。 以上、本具体的実施態様例では円筒状ヘツダを
使用する場合について説明したが、ヘツダの形状
はこれに限定されるものではなく、球状又はリン
グ状ヘツダ等を使用してもよい。 具体的実施態様のその２は、熱膨張対策であ
る。熱膨張に伴なつて対策が必要なのは、管群構
造体と耐圧外殻間の熱膨張差を吸収することと、
触媒層と管群構造体の熱膨張差に帰因する摩擦や
触媒層の圧密を微小にすることの二点についてで
ある。管群構造体と耐圧外殻の熱膨張差は、前述
したように管群構造体の一端を耐圧外殻に固定、
他端は下部を支持した自由端とすることによつて
吸収できる。また、触媒と管群との力学的な相互
作用については、管群構造体の中に触媒を充填し
ているため、熱膨張時には管群と触媒はほぼ同様
の動きをするので過度の摩擦や圧密が防止でき
る。 具体的実施態様のその３は、触媒の充填と抜出
しである。第１図に示すように、触媒は触媒充填
口４を通じて充填するが、冷却管（又は加熱管）
１４の上部の空間２９には、ヘツダ等の障害物が
全くないため触媒の充填は容易である。触媒の抜
出しは、触媒受け１８と網１９を取りはずし、触
媒排出口５を開放することによつて容易に行われ
る。また、触媒受け１８は、多孔抜等通気性の板
で造形したルーバー構造を採用したり、伝熱管群
にバイブレータを設置すれば触媒の排出、充填が
さらに容易となる。 第９−ａ，ｂ図はルーバー状触媒受け格子の一
実施態様例を示すものである。第９−ａ図の例
は、触媒層２３の下面又は下部に開閉又は開放自
在のルーバー状触媒受格子３２を設け、触媒充填
時には、前記格子３２を押え板３１で押えて触媒
層を支えているものである。触媒排出時には、第
９−ｂ図のように押え板３１を取りはずすことに
より、ルーバー状触媒受格子３２を垂直に垂らし
て、触媒を下方から取り出すことができる。 具体的実施態様のその４は、触媒層内温度分布
の調整である。第３図は、第１図におけるＢ−Ｂ
断面を示す図であり、第６図は第３図における管
束の一部を拡大して、管配列を示したもので、フ
アン２６を取りつけた冷却管（又は、加熱管）１
４を採用した例である。これらの図では、管配列
は触媒層の全域にわたつて均一としているが、触
媒層内の最適な温度分布を達成するためには、内
触媒層を貫通する管群の管束密度を変えたり、伝
熱用フインの設置の有無等により、反応ガスの流
動方向に単位触媒層当りの伝熱面積を変化させれ
ば良い。冷却用又は加熱用伝熱管の形状として
は、円管、断面が円形以外の異形管又はそれらに
伝熱用フインを付した管が使用できる。 具体的実施態様のその５は、触媒層内温度レベ
ルの調整である。第１図に示すように、冷却管
（又は加熱管）１４の内部を流す熱媒体としては、
顕熱を利用する場合、蒸発熱あるいは凝縮熱の潜
熱を利用する場合、および顕熱と潜熱の両方を利
用する場合のそれぞれに対して、適当な沸点、蒸
気圧、比熱、蒸発潜熱および熱的安定性などを有
する液体を選定すれば良いが、熱媒体の流量を少
なくし冷却又は加熱の均一性を確保するために最
も好ましいのは蒸発熱あるいは凝縮熱の潜熱を利
用して触媒層の冷却あるいは加熱を行なうことで
あり、たとえばメタノール合成の場合には熱媒体
として水を使用し、反応熱を高圧蒸気で回収する
のが好ましい。この時、熱媒体の圧力を操作すれ
ば、熱媒体の温度は当該圧力に対応した飽和温度
となるため、触媒層温度を所望のレベルに容易に
調整することができる。 具体的実施態様のその６は、触媒層内における
反応ガスの圧損の低減である。第１図と第３図に
示す触媒層２３の断面図を見て判るように、触媒
層２３は水平方向に長く、上下方向に短い形状を
有し、反応ガスは触媒層内を上から下向きに流す
ため、従来の西独特許DE3007203A1に提案され
る縦置き軸方向流方式に比し、ガスの通過断面積
が大きく、通過距離が短かいため、圧損が一段と
小さくできる。 また、従来の特開昭55−149640号公報に提案さ
れる縦置き半径方向流方式は、圧損が本発明より
も小さく成りうるが、上下方向の触媒充填密度の
差により偏流が生じ易いため、これを防止するに
は多孔板等で作つた整流板を外周部、内周部さら
に必要あればそれらの中間に設置する必要があ
る。ところが、本発明の反応器では、ガス流れは
下向きのため上下方向の触媒充填密度差は特に偏
流を生む要因とはならない点で、本発明が有利で
ある。 具体的実施態様のその７は、反応器内容積のう
ち触媒層の占める割合すなわち容積効率の増大で
ある。 第３図に示す例は、円筒状耐圧外殻１をその軸
と直角方向に切つた断面である。第３図から判る
ように、この例では触媒層２３の断面を矩形、そ
れ故管束もその断面を矩形としているが、容積効
率を増大させるには、第８図に示すように触媒層
２３と管束の形状を変えることもありうる。この
際、触媒の充填と排出のし易さ、ガス流れの均一
性を考慮した形状とすべきことは、言うまでもな
い。 （実施例） 本発明による反応器の一例として第１図に示し
た反応器を、一酸化炭素と水素を主成分とする合
成ガスからメタノールを合成する場合に適用し
た。試験条件及び結果について第１表にまとめて
示す。

【表】

【表】 第１表に示されるように、本発明の反応器を用
いることにより、反応熱を生成メタノール１トン
につき約１トンの高圧蒸気として回収し、所定の
反応率でメタノールを生成させることができた。 以上述べた通り、本発明による反応器は、従来
形の反応器の欠点を解消したものであり、実施例
として発熱を伴なう合成ガスからのメタノール合
成に応用した結果からも本発明の有効性は明らか
である。言うまでもなく、本発明の反応器はメタ
ノール合成に限定されたものではなく、アンモニ
ア合成やメタノールからのガソリン合成、メタノ
ール分解など、発熱もしくは吸熱を伴なう触媒反
応全般に適当できるものである。 本発明による反応器の主な利点としては、横置
であることから大型クレーン等を必要とせず建
設、点検などが容易であること、外殻と伝熱管群
の間の熱膨張差の吸収および熱膨張に伴なう伝熱
管群と触媒層との摩擦の低減が可能であること、
触媒の充填と排出が容易であること、反応ガスの
圧損が小さいこと、触媒層内の温度分布と温度レ
ベルの調整が可能かつ容易であること、管板を使
用していないので軽量化と大型化に有利なことが
挙げられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による反応器の一例の縦断面
図である。第２図は、第１図におけるＡ−Ａ断面
を左から見た図であり、第３図は第１図における
Ｂ−Ｂ断面を右から見た図、第４図は第１図にお
けるＣ−Ｃ断面を右から見た図である。第５図及
び第７図は、第１図におけるＤ−Ｄ断面の左側部
と右側部とを、それぞれ上から見た図であり、第
６図は第３図における管束の管配列の一部を拡大
して示した図である。第８図は、反応器における
触媒充填部の容積の割合（容積効率）を増大させ
るために有効な管束形状の別の実施態様を示す図
である。そして第９−ａ，ｂ図は触媒受け１８を
ルーバー状触媒受け格子により構成した実施態様
例を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 発熱または吸熱を伴う横型触媒反応器におい
   て、(a)反応ガス供給口と排出口を有する耐圧外殻
   の一端にフランジを介して蓋部を設け、(b)該耐圧
   外殻の上部に触媒充填口を、下部に排出口を設
   け、(c)該耐圧外殻内にほぼ水平方向に配置された
   熱媒体用伝熱管群を熱媒体分配用ヘツダ及び熱媒
   体集合用ヘツダに連結して管群構造体を形成し、
   (c)上記伝熱管群にバイブレータを接続し、(d)該管
   群構造体の下方に開閉自在の触媒受けを設けて伝
   熱管の間〓に触媒を充填、排出可能とし、(e)該管
   群構造体の一端を上記蓋部に固定し、(f)該管群構
   造体の他端をコロを介してレール上に支持して自
   由端としたことを特徴とする横型触媒反応器。