(57)【要約】【課題】原料ガスをより効率良く加熱できる多管式反応器用伝熱管を提供する。【解決手段】一端にガス流入口、他端にガス排出口、両端間に触媒が充填された触媒層Ｃを有する伝熱管Ｐであって、ガス流入口と触媒層Ｃとの間に、軸方向に長い内挿物１０が設けられており、内挿物１０は、軸方向に対して傾斜面10fを有するように板状部がジグザグに連続する形状であって、その軸方向の投影面積を伝熱管Ｐの空間断面積によって除した値が、０．５〜０．７となるように形成されている。内挿物１０を挿入したことによるガスの流動抵抗の増加による閉塞を防ぎつつ、熱交換率を向上させることができ、しかも、傾斜面によって伝熱管Ｐの管壁への流れが形成され、原料ガスBRGと管壁とが接触しやすくなるから、熱交換効率を大幅に上昇させることができ、短期間で原料ガスBRGの温度を上昇させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端にガス流入口、他端にガス排出口、両端間に触媒が充填された触媒層、を有する伝熱管であって、
前記ガス流入口と前記触媒層との間に、軸方向に長い内挿物が設けられており、
該内挿物は、
軸方向に対して傾斜面を有するように板状部がジグザグに連続する形状であって、
その軸方向の投影面積を該伝熱管の空間断面積によって除した値が、０．５〜０．７となるように形成されている
ことを特徴とする多管式反応器用伝熱管。
【請求項２】
前記内挿物は、
板材を折り曲げて形成されたものである
ことを特徴とする請求項１記載の多管式反応器用伝熱管。
【請求項３】
隣接する板状部同士のなす角が、２０°〜100°である
ことを特徴とする請求項１または２記載の多管式反応器用伝熱管。
【請求項４】
プロピレン、イソブチレン、ｔ−ブチルアルコール又はその混合物を、気相において分子状酸素を含有するガスにより酸化して、（メタ）アクロレイン及び／又は（メタ）アクリル酸を製造する固定床反応器に用いられる
ことを特徴とする請求項１、２または３記載の多管式反応器用伝熱管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多管式反応器用伝熱管に関する。
【背景技術】
【０００２】
固定床触媒を用いた多管式反応器では、触媒が充填された触媒層を有する多数の伝熱管を備えており、この伝熱管に原料ガスを供給し、触媒層の触媒と原料ガスとを反応させて目的とする物質（目的物質）の生成が行われる。
かかる触媒層おける触媒と原料ガスとの反応では、両者を反応させる反応温度が目的物質を効率よく生成する上で重要である。そして、多管式反応器では、適切な反応温度とするために、加熱された亜硝酸ナトリウムや硝酸カリウム等の液体（ＨＴＳ）によって反応時の発熱を除熱するとともに、原料ガスの予熱も行っている。
【０００３】
原料ガスを予熱する方法として、ヒーター等により昇温する方法や、反応管入り口から触媒層まで領域（予熱領域）の長さを長くする方法等が採用されている。
しかし、前者の場合、原料ガスの供給路にヒーター等を設けなければならないので、初期の設備投資が高くなるし、ヒーター等を作動させるため、ランニングコストが増加する等の問題がある。
また、後者の場合には、予熱領域を長くした分だけ伝熱管の長さを長くしなければならないので、多管式反応器自体が大型化し、この場合も初期の設備投資が高くなる。
そして、両方法とも、既存設備に設ける場合には、大幅な設備改造が必要となる。
【０００４】
上述した方法よりも簡単な方法で原料ガスを予熱効果が得られる旨が特許文献１、２に開示されている。
特許文献１、２には、多管式反応器を用いてメタクリル酸を製造する方法、具体的には、イソブチレンおよび／またはターシャリブタノールから前段反応および後段反応からなる分子状酸素による接触気相酸化反応によりメタクリル酸を製造する方法であって、後段反応において、前段反応生成ガスに含まれる閉塞物質による触媒層閉塞トラブルを防止する技術が開示されている。そして、特許文献１、２には、多管式反応器の伝熱管における予熱領域に挿入物を挿入することによって、後段ガスの予熱効果が得られるので、閉塞を回避できる等の効果が得られる旨が記載されている。
【０００５】
そして、特許文献１、２には、挿入物を挿入した予熱領域の空隙率は、３０〜９９％が好ましく、さらに棒状の挿入物の場合は４０〜９９％、板状の挿入物の場合は５０〜９９％が好ましい旨が記載されている。
また、特許文献２には、棒状の挿入物の形状として、直線状、ジグザグ状、らせん状、多角柱状、円筒状、円柱状等が挙げられており、板状の挿入物の形状として、タンザク状、ジグザグ状、らせん状等が記載されている。さらに、板状の挿入物が完全な板状である必要はなく網状等であってもよい旨も記載されている。
【０００６】
かかる特許文献１、２の技術を採用すれば、メタクリル酸の製造の際に、伝熱管における触媒層閉塞トラブルを防止する効果が得られるのであるが、メタクリル酸をより長期間安定して生産するためには、さらに効率よく原料ガスを加熱する方法が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平２−２２２４２号公報
【特許文献２】特開平１−１６５５４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記事情に鑑み、原料ガスをより効率良く加熱できる多管式反応器用伝熱管を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１発明の多管式反応器用伝熱管は、一端にガス流入口、他端にガス排出口、両端間に触媒が充填された触媒層、を有する伝熱管であって、前記ガス流入口と前記触媒層との間に、軸方向に長い内挿物が設けられており、該内挿物は、軸方向に対して傾斜面を有するように板状部がジグザグに連続する形状であって、その軸方向の投影面積を該伝熱管の空間断面積によって除した値が、０．５〜０．７となるように形成されていることを特徴とする。
第２発明の多管式反応器用伝熱管は、第１発明において、前記内挿物は、板材を折り曲げて形成されたものであることを特徴とする。
第３発明の多管式反応器用伝熱管は、第１または第２発明において、隣接する板状部同士のなす角が、２０°〜100°であることを特徴とする。
第４発明の多管式反応器用伝熱管は、第１、２または第３発明において、プロピレン、イソブチレン、ｔ−ブチルアルコール又はその混合物を、気相において分子状酸素を含有するガスにより酸化して、（メタ）アクロレイン及び／又は（メタ）アクリル酸を製造する固定床反応器に用いられることを特徴とする。
なお、本明細書では、アクロレインはメタアクロレインを含む概念であり、アクリル酸はメタアクリル酸を含む概念である。
【発明の効果】
【００１０】
第１発明によれば、内挿物は軸方向に対して傾斜面を有しており、しかも、内挿物の軸方向の投影面積を伝熱管の空間断面積によって除した値が０．５〜０．７となるように形成されている。このため、内挿物を挿入したことによるガスの流動抵抗の増加による閉塞を防ぎつつ、熱交換率を向上させることができる。しかも、傾斜面によって伝熱管管壁への流れが形成され、ガスと管壁とが接触しやすくなるから、熱交換効率を大幅に上昇させることができ、短期間でガスの温度を上昇させることができる。そして、短期間でガスの温度を上昇させることができれば、ガス流入口から触媒層までの距離を短くすることができるから、伝熱管を短くしたり、充填する触媒の量を増加させたりすることができる。
第２発明によれば、内挿物を簡単に形成することができるから、設備投資費用を抑えることができる。
第３発明によれば、抵抗の増加による閉塞を防ぎつつ、熱交換効率の低下も防ぐことができる。
第４発明によれば、ガス流入口から触媒層までの距離を短くして、伝熱管に充填する触媒の量を増加させることができるから、触媒の寿命を長くすることができる。よって、アクロレインやアクリル酸の生産効率を向上できるとともに、ランニングコストを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（Ａ）は本実施形態の内挿物１０を配置した伝熱管Ｐの部分概略説明図であり、（Ｂ）は内挿物１０の部分拡大説明図である。
【図２】本実施形態の内挿物１０を挿入した伝熱管Ｐの概略断面図である。
【図３】（Ａ）は多管式反応器Ｔの概略説明図であり、（Ｂ）は伝熱管Ｐ（内挿物なし）の概略説明図である。
【図４】内挿物が総括伝熱係数に与える影響を確認した実験結果を示した図である。
【図５】計算モデルの概略説明図である。
【図６】内挿物による原料ガス温度上昇効果の数値シミュレーション結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本発明の多管式反応器用伝熱管は、触媒が充填された伝熱管に、触媒に供給される前の反応ガスを加熱するための内挿物を配置したものであり、内挿物の形状に特徴を有するものである。
【００１３】
まず、本発明の特徴である内挿物を説明する前に、図３に基づいて、多管式反応器および伝熱管Ｐを説明する。
【００１４】
図３において、符号Ｔは多管式反応器を示している。図３に示すように、この多管式反応器Ｔには、多数の伝熱管Ｐが設けられている。各伝熱管Ｐは、両端が開口した中空な管であり、その内部に固定床触媒が充填されて触媒層Ｃが形成されている。
かかる多数の伝熱管Ｐは、多管式反応器Ｔ内において、多管式反応器Ｔに供給された原料ガスBRGが伝熱管Ｐの一端から進入し、この原料ガスBRGが伝熱管Ｐ内の触媒により反応して生成した目的物質ARGが伝熱管Ｐの他端から流出するように構成されている。
【００１５】
また、多管式反応器Ｔにおける伝熱管Ｐの周囲には、加熱された亜硝酸ナトリウムや硝酸カリウム等の液体（ＨＴＳ）が供給されており、このＨＴＳによって、反応時の発熱を除熱するとともに、原料ガスBRGの予熱を行うことができるようになっている。
【００１６】
このため、多管式反応器Ｔに原料ガスBRGを供給すれば、原料ガスBRGが予熱され、予熱された原料ガスBRGが触媒により反応して目的物質ARGが生成され、この目的物質ARGを多管式反応器Ｔから排出できるのである。
【００１７】
つぎに、本発明の特徴である内挿物１０について説明する。
本発明の多管式反応器用伝熱管Ｐ（以下、単に本発明の伝熱管Ｐという）では、原料ガスBRGの予熱を、原料ガスBRGの流入するガス流入口と触媒層Ｃとの間で行うように構成されている。具体的には、原料ガスBRGの流入するガス流入口と触媒層Ｃとの間に空間を形成し、この空間（以下、予熱層という）において原料ガスBRGの予熱を行っている。そして、本発明の伝熱管Ｐでは、原料ガスBRGの予熱効果を高めるために、予熱層に内挿物１０が挿入されている。
【００１８】
図１に示すように、本発明の伝熱管Ｐに挿入されている内挿物１０は、軸方向に長い板状の部材であって、その軸方向に対して傾斜した複数の傾斜面10fを有する部材である。しかも、内挿物１０は、その軸方向の投影面積を伝熱管Ｐの空間断面積（伝熱管Ｐの中空部分（ガス流路）の断面積）によって除した値が、０．５〜０．７となるように形成されている。
【００１９】
例えば、図２に示すように、内挿物１０を構成する板状の部材の幅Ｌ１が１４〜２０mm、板状の部材の長さＬ３（図１参照）が１４〜２８mmであれば、隣接する板状部同士のなす角θ（図１参照）を３０〜９０度とする。かかる構成とすると内挿物１０をその軸方向から見た長さＬ２は１４〜２０mmとなる。すると、伝熱管Ｐの内径Ｄ１が２０〜３０mmであれば、内挿物１０の軸方向の投影面積（Ｌ１×Ｌ２）を伝熱管Ｐの空間断面積によって除した値を、０．５〜０．７とすることができる。
【００２０】
そして、図１に示すように、この内挿物１０は、その棒状部１１の一端が触媒層Ｃの上に載った状態となるように配置されている。つまり、内挿物１０は、伝熱管Ｐに対して連結固定されていない状態で予熱層に配置されているのである。
【００２１】
以上のごとき構成であるから、内挿物１０が予熱層に配置されている本発明の伝熱管Ｐでは、内挿物１０の影響によって、ガス流入口から触媒層Ｃまでの流れが変化する。つまり、内挿物１０は、その軸方向に対して傾斜した複数の傾斜面10fを有しているから、伝熱管Ｐに流入した原料ガスBRGは、伝熱管Ｐの軸方向と平行には流れず、傾斜面10fに沿って伝熱管Ｐの管壁に向かって流れる。すると、原料ガスBRGの大部分を伝熱管Ｐの管壁と接触させることができるから、原料ガスBRGの予熱を効率よく行うことができる。
しかも、原料ガスBRGは傾斜面10fに沿って流れるから、内挿物１０を挿入したことによる原料ガスBRGの流動抵抗を抑えることができる。
【００２２】
つまり、本発明の伝熱管Ｐでは、原料ガスBRGの流動抵抗を抑えつつ、原料ガスBRGと管壁とを効率よく接触させることができるから、原料ガスBRGと伝熱管Ｐの管壁との間の熱交換効率を大幅に上昇させることができ、短期間で原料ガスBRGの温度を上昇させることができるのである。
そして、短期間で原料ガスBRGの温度を上昇させることができれば、ガス流入口から触媒層Ｃまでの距離を短くすることができるから、伝熱管Ｐを短くして多管式反応器Ｔを小型化することも可能となる。また、伝熱管Ｐの長さが同じであれば、予熱層が短くなるので、充填する触媒の量を増加させることができる。
【００２３】
なお、本発明の伝熱管Ｐに挿入される内挿物１０は、上記のごとき傾斜面10sを有する板状の部材の部材であって、その軸方向の投影面積を伝熱管Ｐの空間断面積によって除した値が０．５〜０．７となるように形成されるのであれば、どのような方法、材料を使用して形成してもよい。
例えば、内挿物１０は、板材を折り曲げて複数の傾斜面10sがジグザグに連続するように形成することができる。そして、かかる方法で形成すれば、内挿物１０を簡単に形成することができるから、設備投資費用を抑えることができる。
【００２４】
また、内挿物１０において隣接する板状部同士のなす角θ（図１参照）、例えば、板材を折り曲げて内挿物１０を形成する場合であればその折り曲げ角度θは、とくに限定されない。しかし、伝熱管Ｐ内に内挿物１０を配置したことによる流動抵抗の増加に起因する閉塞を防ぎつつ、熱交換効率をある程度高く維持する上では、角θは、２０°〜100°が
好ましく、３０°〜９０°がより好ましい。
【００２５】
（（メタ）アクロレインや（メタ）アクリル酸の製造への使用）
また、本実施形態の伝熱管Ｐは、プロピレン、イソブチレン、ｔ−ブチルアルコール又はその混合物を、気相において分子状酸素を含有するガスにより酸化して、（メタ）アクロレイン及び／又は（メタ）アクリル酸を製造する固定床反応器に用いれば、（メタ）アクロレインや（メタ）アクリル酸の生産効率を向上できるとともに、ランニングコストを抑えることができるので、好適である。
【００２６】
本実施形態の伝熱管Ｐを使用することにより、（メタ）アクロレインや（メタ）アクリル酸の生産効率を向上できるとともに、ランニングコストを抑えることができる理由は、以下のとおりである。
【００２７】
（メタ）アクロレインや（メタ）アクリル酸を製造する際に使用される触媒は、伝熱管Ｐに充填する触媒の量が増加すると触媒の寿命を長くできるという特性を有している。
本実施形態の伝熱管Ｐの場合、ガス流入口から触媒層Ｃまでの距離を短くしても、触媒層Ｃに流入する原料ガスBRGの温度を適切な温度まで予熱できるから、予熱層の長さを短くして触媒層Ｃの長さを長くできる。言い換えれば、伝熱管Ｐに充填する触媒の量を増加させることができる。
よって、本実施形態の伝熱管Ｐを使用すれば、伝熱管Ｐに充填する触媒の量を増加させることができ触媒の寿命を長くすることができるから、アクロレインやアクリル酸の生産効率を向上できるとともに、ランニングコストを抑えることができるのである。
【実施例１】
【００２８】
本発明の多管式反応器用伝熱管を使用することによる原料ガスの予熱効果を実験により確認した。
実験では、伝熱管の予熱層に、本発明の内挿物（波板であって軸方向の投影面積を伝熱管の空間断面積によって除した値が０．５〜０．７の範囲内となるように形成されているもの）を挿入した場合（本実施例１、２）について、総括伝熱係数を確認した。
比較として、内挿物を配置しない場合（比較例１）と、内挿物として従来の波板（軸方向の投影面積を該伝熱管の空間断面積によって除した値が０．４１のもの）を配置した場合（比較例２）についても、総括伝熱係数を確認した。
【００２９】
総括伝熱係数は、単位時間、面積あたりの熱交換量を表す指標であり、実験にて入口ガス温度、出口ガス温度、ガス流量、ガス比熱を測定して、測定された各値に基づいて、次の式１および式２を用いて求めた。
式１：Ｑ＝ＵＡｌｎΔＴ
Ｑ：熱交換量（kcal/hr）
Ｕ：総括伝熱係数（kcal/hr/m２/K）
Ａ：伝熱管の外面の表面積（m２）
ΔＴ：入口ガス温度と出口ガス温度の差（K)
式２Ｑ＝ｍｃΔＴ
ｍ：ガス流量（Ｌ/min）
ｃ：ガス比熱（kcal/L/K）
【００３０】
実験に使用した伝熱管、内挿物およびガスは、以下のとおりである。
なお、実験では、伝熱管の周囲にＨＴＳを流しており、その温度は280℃としている。
【００３１】
（１）ガス（空気）
ガスの流量：２３L／min.
ガス入口温度：２５℃
（２）伝熱管
伝熱管材料：SUS304
伝熱管内径：３０ｍｍ
伝熱管板厚：１．０ｍｍ
伝熱管の長さ：３ｍ
予熱層の長さ：300ｍｍ
（３）内挿物に関する条件
内挿物は、実施例１、２および比較例１とも、板材を折り曲げて形成された波板構造とした（図１参照）。
なお、内挿物は、本実施例、比較例ともに、その中心軸と伝熱管の中心軸とが一致した状態で配置した。
また、この実験では、伝熱管に触媒は入れていない。よって、伝熱管内において、触媒が入っているときにおける触媒層上端の位置に網を設け、その網の上に各内挿物を配置した。
（ｉ）本実施例
ａ．実施例１
材料：SUS304
全長：200ｍｍ
板厚：０．５ｍｍ
板材の幅：20.4ｍｍ
折り曲げピッチ：40.8ｍｍ
折り曲げ角度：９０°
ｂ．実施例２
材料：SUS304
全長：200ｍｍ
板厚：０．５ｍｍ
板材の幅：20.4ｍｍ
折り曲げピッチ：10.9ｍｍ
折り曲げ角度：３０°
（ii）比較例
材料：SUS304
全長：300ｍｍ
板厚：０．５ｍｍ
板材の幅：17.0ｍｍ
折り曲げピッチ：24.0ｍｍ
折り曲げ角度：９０°
【００３２】
結果を、図５に示す。
図５に示すように、本実施例１、２は、比較例１と比べて、総括伝熱係数が約４倍になっており、本発明の内挿物を入れることで総括伝熱係数を非常に高くできることが確認できる。また、比較例２と比べても、本実施例１、２の総括伝熱係数はいずれも約１．５倍以上に高くなっている。
以上の結果より、本実施例の内挿物を予熱層に挿入することにより総括伝熱係数を非常に高くできるから、本実施例の内挿物は、原料ガスの温度を早期に上昇させる上で非常に有効であることが確認できた。
【実施例２】
【００３３】
本発明の多管式反応器用伝熱管を使用することによる、原料ガスの予熱効果を数値シミュレーションによって確認した。
数値シミュレーションでは、伝熱管の予熱層に、本発明の内挿物（波板であって軸方向の投影面積を伝熱管の空間断面積によって除した値が、０．５〜０．７の範囲内となるように形成されているもの）を挿入した場合について、予熱層内における原料ガスの温度変化を計算した。
比較として、内挿物を配置しない場合（比較例１）と、内挿物として従来の波板（軸方向の投影面積を該伝熱管の空間断面積によって除した値が、０．４１のもの）を配置した場合（比較例２）について、予熱層内における原料ガスの温度変化を計算した。
【００３４】
シミュレーションは、シミュレーションソフト（Fluent Ver6.3.26）により、二次元軸対称もしくは三次元モデルを使用して、原料ガスが非圧縮性流体であると仮定して、定常計算を行った。なお、乱流モデルは、k-omega(SST)modelを使用した。
【００３５】
以下、その他の計算条件を説明する。
（１）原料ガスに関する条件
（ｉ）原料ガスは、メタクロレイン、窒素、酸素等の混合ガスとし、そのガス物性は、270℃での推算データとして、以下の値を用いた。
ガスの密度：0.6517kg/m３
ガスの粘度：2.646×10−５Pa・s
ガスの比熱：1188J/(kg・K)
ガスの熱伝導度：0.0414W/(m・K)
（ii）原料ガスの入口条件
ガスの流量：1400NL/hr
ガス入口温度：254℃
（２）触媒層に関する条件
触媒層は、以下の物性を有する固体を仮定した。
密度：7930 kg/m３
比熱：590J/（m・K）
熱伝導度：16.7W/(m・K)
（３）伝熱管に関する条件
伝熱管材料：SUS304
伝熱管内径：２５ｍｍ
伝熱管板厚：１.0ｍｍ
予熱層の長さ：315ｍｍ
予熱層の壁面温度：280℃
（４）内挿物に関する条件
内挿物は、実施例１、２および比較例１とも、板材を折り曲げて形成された波板構造とした（図５参照）。
なお、内挿物は、本実施例、比較例ともに、その中心軸と伝熱管の中心軸とが一致した状態で配置されている状態とし、20℃における物性値を使用した。
（ｉ）本実施例
ａ．実施例１
材料：SUS304
全長：200ｍｍ
板厚：０．５ｍｍ
板材の幅：20.4ｍｍ
折り曲げピッチ：40.8ｍｍ
折り曲げ角度：90°
ｂ．実施例２
材料：SUS304
全長：200ｍｍ
板厚：０．５ｍｍ
板材の幅：20.4ｍｍ
折り曲げピッチ：10.9ｍｍ
折り曲げ角度：30°
（ii）比較例
材料：SUS304
全長：300ｍｍ
板厚：０．５ｍｍ
板材の幅：17.0ｍｍ
折り曲げピッチ：34.0ｍｍ
折り曲げ角度：９０°
【００３６】
結果を、図６に示す。なお、図６（Ｂ）のグラフは、予熱層深さ（ガス流入口からの距離）を横軸、ガス温度を縦軸としている。
図６に示すように、本実施例１、２の場合、いずれも、約１／３の位置（100ｍｍ）において、比較例１の300ｍｍの位置と同等の温度まで原料ガスの温度を上昇させることができている。また、比較例２と比べても、本実施例１、２の場合には、約２／３の位置（200ｍｍ）において、比較例２の300ｍｍの位置と同等の温度まで原料ガスの温度を上昇させることができている。
以上の結果より、本発明の内挿物を予熱層に配置することにより、早期に原料ガスの温度を上昇させることができていることが確認できた。
【００３７】
以上の結果より、内挿物の軸方向の投影面積を伝熱管の空間断面積によって除した値が、０．５〜０．７となるようにすれば、原料ガスの温度を上昇させる効果が高いことが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の多管式反応器用伝熱管は、（メタ）アクロレインや（メタ）アクリル酸の生産に使用する触媒のように、伝熱管に充填する触媒の量を増加させることによって触媒の寿命を長くすることができるような固定床触媒等を使用して目的物質を生成する固定床反応器の伝熱管に適している。
【符号の説明】
【００３９】
１０        内挿物
１０ｆ      傾斜面
Ｐ        伝熱管
Ｃ        触媒層
ＢＲＧ      原料ガス
ＡＲＧ      目的物質
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図４】
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【図６】
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