(57)【要約】  気‐液二相性反応を行う竪形反応器であって、重ね合わされると共に垂直軸線に沿って互いに適当に間隔を置いて配置された複数枚の穴あきプレートを有し、分割隔壁が穴あきプレートによって画定されたセクタ内に垂直に位置決めされている、反応器。反応器は、特に、アンモニア及び二酸化炭素から始まる尿素の直接合成反応を行うために用いられる。
2013525389.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気‐液二相性反応を行う竪形反応器であって、
ａ）実質的に円筒形の形をした外壁（４）によって画定されると共に端部が実質的に半球形キャップ（８，９）によって閉鎖された中空構造体を有し、前記中空構造体は、気相及び液相が前記反応器内を並流状態で流れることができるようにするようプロセス流体の入口及び出口のための開口部を有し、
ｂ）複数枚の互いに重ね合わされた穴あきプレート（７）を有し、前記穴あきプレートは、前記構造体内で水平に前記円筒形壁（４）の内面まで延びると共に前記垂直軸線に沿って適切に互いに間隔を置いて配置され、隣り合う穴あきプレートの各対相互間にセクタ（５）が設けられ、該セクタは、該セクタの上及び／又は下にそれぞれ位置決めされたセクタと流体連通関係をなす、竪形反応器において、
少なくとも１つのセクタ（５）は、それぞれのセクタを少なくとも２つの区分に分割するよう２つの隣り合う前記穴あきプレート相互間に且つ該穴あきプレートに垂直に位置する少なくとも１つの分割隔壁（６）を有し、前記２つの区分の相互容積比は、１／３〜３／１、好ましくは０．９５〜１．０５、より好ましくは１に等しい、竪形反応器。
【請求項２】
隣り合う前記穴あきプレートにより画定された少なくとも２つのセクタは、少なくとも１つの分割隔壁を有する、請求項１記載の竪形反応器。
【請求項３】
隣り合う前記穴あきプレートにより画定された前記セクタのうちの少なくとも９０％は、少なくとも１つの分割隔壁を有する、請求項１記載の竪形反応器。
【請求項４】
前記少なくとも１つのセクタは、単一の実質的に平板状の分割隔壁を有する、請求項１〜３のうちいずれか一に記載の竪形反応器。
【請求項５】
前記穴あきプレートの枚数は、５〜４０の範囲内にあり、好ましくは１０〜２０の範囲内にある、請求項１〜４のうちいずれか一に記載の竪形反応器。
【請求項６】
隣り合う前記穴あきプレート相互間の距離は、５０〜４００ｃｍである、請求項１〜５のうちいずれか一に記載の竪形反応器。
【請求項７】
隣り合う前記穴あきプレート相互間の距離は、ほぼ一定であり、１５０〜３００ｃｍである、請求項６記載の竪形反応器。
【請求項８】
前記穴あきプレート及び前記分割隔壁は、チタン、ジルコニウム、ＡＩＳＩ３１６Ｌスチール、オーステノ・フェライト系スチール、ＩＮＯＸ２５／２２／２Ｃｒ／Ｎｉ／Ｍｏスチールから選択された金属又は合金から成る、請求項１〜７のうちいずれか一に記載の竪形反応器。
【請求項９】
前記穴の平均密度は、１ｍ2当たり穴１００〜１０００個である、請求項１〜８のうちいずれか一に記載の竪形反応器。
【請求項１０】
前記単一の分割隔壁は全て、実質的に、前記竪形反応器の主軸線を含む単一の幾何学的平面上で整列している、請求項４〜９のうちいずれか一に記載の竪形反応器。
【請求項１１】
前記単一の分割隔壁の各々の平面は、前記竪形反応器の前記主軸線に沿って前記隔壁のすぐ後又はすぐ前の隔壁の平面に対して３０°〜９０°の角度をなして垂直に位置決めされている、請求項４〜９のうちいずれか一に記載の竪形反応器。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの分割隔壁は、その縁部の溶接によって密封的に固定されている、請求項１〜１１のうちいずれか一に記載の竪形反応器。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの分割隔壁は、ボルト留め金属製支持体によって固定されている、請求項１〜１１のうちいずれか一に記載の竪形反応器。
【請求項１４】
プレート型の既存の竪形反応器を改良する方法であって、前記竪形反応器は、
ａ）実質的に円筒形の形をした外壁によって画定されると共に端部が実質的に半球形キャップによって閉鎖された中空構造体を有し、前記中空構造体は、プロセス流体の入口及び出口のための開口部を有し、
ｂ）複数枚の互いに重ね合わされた穴あきプレートを有し、前記穴あきプレートは、前記構造体内で水平に前記円筒形壁の内面まで延びると共に前記垂直軸線に沿って適切に互いに間隔を置いて配置され、隣り合う穴あきプレートの各対相互間のセクタであって、該セクタは、該セクタの上及び／又は下にそれぞれ位置決めされたセクタと流体連通関係をなすように設けられている、方法において、
少なくとも１つの分割隔壁を前記セクタのうちの少なくとも１つのセクタ、好ましくは９０％を超える個数のセクタ、より好ましくは前記セクタの全ての中に位置決めすると共にそれぞれのセクタを少なくとも２つの区分に分割するよう２枚の隣り合う前記穴あきプレート相互間に且つ該穴あきプレートに垂直に配置し、前記２つの区分の相互容積比は、１／３〜３／１、好ましくは０．９５〜１．０５、より好ましくは１に等しい、方法。
【請求項１５】
アンモニア及び二酸化炭素から始まり、カルバミン酸アンモニウムを中間生成物とする直接合成法によって尿素を製造する方法において、前記合成反応を請求項１〜１４のうちいずれか一に記載の竪形反応器内において高圧且つ高温で気‐液二相性混合物の状態で実施する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気‐液二相性化学反応を行う反応器に関する。
【０００２】
本発明は、特に、互いに接触状態にあると共に並流の液相と気相を含む環境内における反応、特に、アンモニア及び二酸化炭素から始まり、カルバミン酸アンモニウムを中間生成物とする尿素の直接的合成反応を高圧及び高温で実施するのに適したプレート型の反応器に関する。
【背景技術】
【０００３】
互いに混合状態にある気‐液二相性流体に対する一体的プロセス作業、例えば化学反応、蒸発、分離等は、通常、必要ならば、高い動作温度及び圧力を許容することができ、端部が半球形キャップで閉鎖され、適当に形作られると共に流体の出口及び入口に必要な開口部を備えた中空円筒形本体を有する垂直塔形機器で実施され、この中空円筒形本体内には、複数枚の穴あき又は有孔プレートが適当な間隔を置いて配置され、これら穴あきプレートは、円筒形本体内に互いに流体連通状態にある一連の幾何学的円筒形区分を画定する。
【０００４】
アンモニア及び二酸化炭素から始まり、副生物として水を生成する尿素の直接合成のための又は処分されることが決まっている水溶液中に存在する尿素の逆加水分解反応を行うための反応器は、特に重要なものであるが、製作が難しい。両方の反応は、高圧及び高温で行われ、これら反応では、中間生成物としてのカルバミン酸アンモニウムの生成に起因した塩類による腐食に耐える特定の装置が必要である。これら装置は、尿素、水、アンモニア、二酸化炭素及びカルバミン酸アンモニウムを含む二相性混合物が存在している中で通常１０〜４０ＭＰａの圧力で且つ７０〜３００℃の温度で動作し、カルバミン酸アンモニウムは、次の既知の凝縮反応に従って生じる。
[ 2 NH3  +  CO2 + n H2O  →  NH4OCONH2 ・ n H2O  ]
【０００５】
動作条件は、好ましくは、１２〜２５ＭＰａの圧力及び１２０〜２４０℃の温度である。
【０００６】
尿素の製造のための通常の工業プラントでは、上述の高圧型装置は、一般に、１０，０００〜４００，０００リットルの容積を有する。最大の変換率を得るためには、２つの気相と液相は、互いにできるだけ分散状態に保たれなければならず、逆混合を最小限に抑える必要がある。この目的のため、反応器は、通常、１日当たり２，０００トンを超える生産能力を有するプラントでは、高さが６０メートルに達する場合のある垂直プレート型塔から成る。塔内のプレートは、通常、互いに５０〜３００ｃｍの距離を隔てて位置し、これらプレートは、プロセス流体の再混合度を向上させるために種々の形式の小穴を有している。隣り合うプレートの各対により画定されたセクタ相互間を流体連通させる多くの装置及びダクト、例えばベル、格子、スリーブ、オーバーフロー等を備えた反応器も又、当該技術分野において文献記載されている。多くの特許文献の中で、例えば欧州特許第４９５４１８号明細書及び米国特許第６，１６５，３１５号明細書を挙げることができる。
【０００７】
現在用いられているプロセスに採用された種々の解決策にもかかわらず、肥料としてのその使用の不断の拡大に起因して市場の要求する尿素の製造のかなりの増大により、容量をますます大きくした状態で塔形反応器が製作されており、その目的は、適切な接触時間を維持すると共に尿素への最大変換率に熱力学的平衡状態で達することができるようにすることにある。水分子をなくすことによりカルバミン酸アンモニウムを尿素の変換することは、比較的遅いステップであることは事実であり、このために、反応混合物を適当な温度及び温度条件下において１５〜１２０分間維持することが必要である。多量の反応混合物のこれら接触時間を得るためには、反応器の高さ及びプレートの枚数を増大させなければならず、その結果、相当な費用上の負担が生じると共に点検のために内部構造部品への接近及び稼働中における大きな圧力降下に加えて、組み立て及び輸送が困難であるという特徴をもつ過度に背の高い反応器を用いなければならないという欠点が生じる。
【０００８】
提案された解決策のうちの１つは、プロセスライン１つ当たり２つ又は３つ以上の反応器を用いることであり、しかしながら、これには、製造費、経常費及びプラント保守費が増大するという欠点がある。他方、塔の直径を大きくすることによって反応器の容積を増大させることが有利であるというわけではない。というのは、これにより、逆混合現象及び反応混合物の拡散に起因して尿素への変換効率がかなり減少するからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】欧州特許第４９５４１８号明細書
【特許文献２】米国特許第６，１６５，３１５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、二相性反応、特に尿素の合成のための反応器の生産能力を増大させることができる効果的且つ経済的な解決策の必要性が強く感じられている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本出願人は、今や、本発明の反応器によって上述の問題を解決することができるということを発見した。
【００１２】
これによれば、本発明は、第１に、気‐液二相性環境内において好ましくは高圧及び高温で反応を行う反応器に関する。本発明は又、二相性反応を行う反応器を有するプラント及びこのプラントによって行われるプロセスに関する。
【００１３】
本発明の第１の目的は、気‐液二相性反応を行う竪形反応器であって、
ａ）実質的に円筒形の形をした外壁によって画定されると共に端部が実質的に半球形キャップによって閉鎖された中空構造体を有し、中空構造体は、気相及び液相が反応器内を並流状態で流れることができるようにするようプロセス流体の入口及び出口のための開口部を有し、
ｂ）複数枚の互いに重ね合わされた穴あきプレートを有し、穴あきプレートは、構造体内で水平に円筒形壁の内面まで延びると共に垂直軸線に沿って適切に互いに間隔を置いて配置され、隣り合う穴あきプレートの各対相互間にセクタが設けられ、セクタは、当該セクタの上及び／又は下にそれぞれ位置決めされたセクタと流体連通関係をなす、竪形反応器において、
少なくとも１つのセクタは、それぞれのセクタを少なくとも２つの区分に分割するよう２つの隣り合う穴あきプレート相互間に且つこれら穴あきプレートに垂直に位置する少なくとも１つの分割隔壁を有し、２つの区分の相互容積比は、１／３〜３／１、好ましくは０．９５〜１．０５、より好ましくは１に等しいことを特徴とする竪形反応器を提供することにある。
【００１４】
本発明の第２の目的は、プレート型の既存の竪形反応器を改良する方法であって、竪形反応器は、
ａ）実質的に円筒形の形をした外壁によって画定されると共に端部が実質的に半球形キャップによって閉鎖された中空構造体を有し、中空構造体は、気相及び液相が反応器内を並流状態で流れることができるようにするようプロセス流体の入口及び出口のための開口部を有し、
ｂ）複数枚の互いに重ね合わされた穴あきプレートを有し、穴あきプレートは、構造体内で水平に円筒形壁の内面まで延びると共に垂直軸線に沿って適切に互いに間隔を置いて配置され、隣り合う穴あきプレートの各対相互間にセクタ（キャビティ）が設けられ、セクタは、このセクタの上及び／又は下にそれぞれ位置決めされた２つの隣接のセクタと流体連通関係をなす、方法において、
少なくとも１つの分割隔壁をセクタのうちの少なくとも１つのセクタ、好ましくは９０％を超える個数のセクタ、より好ましくはセクタの全ての中に位置決めすると共にそれぞれのセクタを少なくとも２つの区分に分割するよう２枚の隣り合う穴あきプレート相互間に且つこれら穴あきプレートに垂直に配置し、２つの区分の相互容積比は、１／３〜３／１、好ましくは０．９５〜１．０５、より好ましくは１に等しいことを特徴とする方法を提供することにある。
【００１５】
本明細書で用いられる「実質的に円筒形」という用語は、筒体の側面の形態に類似した任意の丸形構造体を意味し、更に、例えば、楕円形又は卵形断面を有する構造体を含む。
【００１６】
本明細書で用いられる「実質的に半球形」という用語は、半球形の形に類似した任意の丸形構造体を意味し、更に、例えば非一様な曲率半径をもつ凸状キャップ構造体を含む。
【００１７】
反応器又はその部分に関して本明細書で用いられる「垂直」又は「竪形」という用語は、その通常の稼働中における装置の位置状態を意味している。
【００１８】
反応器のセクタ又はプレートに関して本明細書で用いられる「隣り合う」という用語は、長手方向における意味であり、即ち、垂直方向においてすぐ上又はすぐ下であることを意味している。
【００１９】
２つの中空本体、例えば区分、セクタ、キャビティに関して本明細書で用いられる「流体連通」という用語は、少なくとも１つの流体、液体又は気体が稼働中、一方の中空本体から他方の中空本体に流れることができることを意味している。
【００２０】
本発明の反応器は、その設計対象である反応プロセスに応じて、様々な寸法形状を有することができると共にかかる反応器を様々な構造のものにすることができる。外壁は、種々の厚さを有することができ、外壁は、反応器内で実施されるプロセスの圧力及び温度に従って且つ関与する流体との関係で種々の金属から成る。尿素の合成のための反応器の場合、通常の圧力及び温度は、上述の圧力及び温度であり、関与する流体は、プロセス条件下において極めて腐食性が高く、それ故、構成材料として、相当な厚さを有し、一般的に、５０〜３００ｍｍの厚さ、好ましくは１００〜２５０ｍｍの厚さを有するスチールで作り、通常、内部が耐食性の金属、例えばＡＩＳＩ３１６Ｌスチール（尿素等級）、ＩＮＯＸ２５／２２／２Ｃｒ／Ｎｉ／Ｍｏスチール、専用オーステナイト・フェライト系スチール、チタン、ジルコニウム及び関連合金からなる層を１層又は２層以上、内張りした本体又は中空構造体が設けられる。
【００２１】
本発明の反応器の直径は、広い限度の範囲内で様々であって良く、通常、５０〜５００ｃｍである。尿素の合成用途にとって好ましい直径は、１５０〜４００ｃｍである。
【００２２】
２つの半球形キャップ（ヘッド）が圧力スラストの良好な分布を可能にするために反応器の円筒形本体の端部のところに位置決めされる。流体の入口及び出口、用いられる場合のあるセンサの導入のための開口部及び点検のための開口部（マンホール）が半球形キャップの内側に且つ円筒形本体に沿って適切に配置される。
【００２３】
種々の穴あきプレートが気‐液二相性反応、周知のように、特に上記特許文献では、尿素の製造のための反応器の通常の製作技術に従って、水平に且つ主軸線に対して垂直に又は実質的に垂直に延びる状態で反応器内に存在する。これらプレートは、反応器の水平断面全体にわたって延び又は液相及び気相の流れを有利にし又は区別するために断面の僅かな部分を開放状態のままにすることができる。各プレートは、気体及び液体の流れ及び分散を調節すると共にこれらの混合具合及び相互の接触を調節するのに適した多くの穴を備え、これら穴は、単純な穴であっても良く、或いは弁又はベルを備えていても良い。穴の平均密度は、好ましくは、特定の使用条件に応じて、ほぼ一様であるのが良いプレートの表面上に分配された状態で１ｍ2当たり穴１００〜１，０００個の状態で存在する。さらに、穴の密度は、反応器の別々の領域内における気相及び液相の流動学的特性及び所望の流れに応じて、通常の製作技術に従って、同一の反応器内において１枚のプレートと別のプレートとでは著しく異なっていても良い。
【００２４】
本発明によれば、気‐液二相性反応のための反応器は、互いに混合される気相と液相の並流、好ましくは上方への流れを可能にするよう構成されている。反応器の高さは、反応をできるだけ平衡状態にするために所望の接触時間を得るよう選択される。したがって、プレートの枚数は、或る１枚のプレートとその隣りのプレートとの間の距離が相の相互の良好な分散状態を維持して交換表面積を増大させるが、平衡状態の達成に悪影響を及ぼす逆混合を減少させ又は完全に阻止することができるよう選択される。好ましい条件は、セクタ内でいわゆるピストン流れ（プラグ流れともいう）を得るようなものである（これについては、「ペリーズ・ケミカル・エンジニアリング・ハンドブック（Perry's Chemical Engineering Handbook）」，マグローヒル（McGraw-Hill），５版，第５〜４１頁を参照されたい）。これらの条件を得るために、本発明の竪形反応器は、通常、隣り合うプレート相互間のセクタ内に下降管を備えていない。
【００２５】
反応器が尿素の合成に用いられる場合、プレートは、互いに５０〜４００ｃｍ、好ましくは１５０〜３００ｃｍの距離を置いて配置され、かかる距離は、直径の増大につれて増大するのが良い。これら条件下において、反応器内に存在するプレートの枚数は、５〜４０、好ましくは１０〜２０である。より好ましくは、隣り合うプレート相互間の距離は、製作要件に関する±１０％以内の公差を別として反応器全体に沿ってほぼ一定に保たれる。
【００２６】
プレートは、一般に、金属製であり、溶接又は好ましくはボルト留めによって反応器の内面にヒンジ止めされ、その結果、これらプレートは、容易に取り外して交換することができるようになっている。プレートの構成材料としての金属は、特に腐食性流体又は浸食（エロージョン）現象を引き起こす流動学的条件が存在する場合、反応器の動作条件下において良好な耐食性及び硬度を備えなければならない。尿素の合成の場合、プレートは、好ましくは、プロセス条件下においてカルバミン酸アンモニウムの腐食に対して耐性のある金属又は合金、例えばチタン、ジルコニウム、ＡＩＳＩ３１６Ｌスチール（尿素等級）、専用オーステナイト・フェライト系スチール及び好ましくはＩＮＯＸ２５／２２／２Ｃｒ／Ｎｉ／Ｍｏスチールから成る。
【００２７】
本発明によれば、１つ又は２つ以上の分割隔壁をセクタ内に設けることによって得られる各区分は、好都合には、隣りのセクタとの流体連通を可能にする少なくとも１つの穴が設けられた上側プレートと下側プレートの両方の表面の一部分を含む。穴の平均密度は、好ましくは、１ｍ2当たり穴１００〜１，０００個、より好ましくは２００〜６００個である。
【００２８】
本発明の反応器は、上側部分内で全体としてキャップの高さ位置のところに、特定の構造体及び追加の部分、例えば、液相を収集するための開口部並びに温度及び圧力レベルを制御する器具に加えて、適当なパイプラインを通って収集された残留気相の一部又は全ての上向きの出口のための開口部を備えるのが良い。
【００２９】
反応器が尿素の合成向けに設計されている場合、反応生成物及び非変換試薬の残留部分を含む気‐液混合物は、好ましくは、反応器の上側キャップ（ヘッド）の近くに位置したオーバーフローによって集められ、そして垂直方向外側で又は好ましくは内部で反応器それ自体の軸線に平行に下降するダクト内に送られ、ついには、気‐液混合物は、尿素の分離・浄化装置、特に高圧合成サイクルのストリッパの高さに達し、かかるストリッパの頂部は、反応器の高さの０．５〜０．８倍の高さのところに位置している。当業者には周知であるこの手段により、有利には、反応器の竪形構造に起因して生じる圧力降下を部分的に回収することができる。
【００３０】
本発明によれば、２枚の隣り合うプレート相互間に画定されたセクタのうちの少なくとも１つのセクタ、好ましくは少なくとも２つのセクタ、より好ましくは少なくとも９０％の個数のセクタ、更により好ましくはセクタの全ては、これらプレートに垂直又は実質的に垂直であるが、必ずしもそうでなくても良い少なくとも１つの分割隔壁によって少なくとも２つの区分に分割され、かかる分割隔壁は、プレート自体と同一の材料から成る。本発明の竪形反応器に適した隔壁は、好ましくは、平板状であり又は互いに接合されていて、場合によっては直角をなす平板状要素により構成される。「平板状」という用語は、本明細書においては、隔壁又はかかる隔壁の要素の全体的寸法形状を意味しており、隔壁が波形のように種々の仕方で微細構造化されることを排除するものではない。
【００３１】
隔壁は、閉鎖型のものであっても良く、開放型のものであっても良い。前者の場合、閉鎖型の隔壁は、セクタを分割して形成される区分相互間における材料の部分交換を可能にしない。この目的のため、かかる隔壁は、一般に、プレートと接触状態にあると共に円筒形本体の内面と接触状態にある周辺部に沿って漏れ止め溶接される。後者の場合、隔壁は、周辺部の部分溶接又はボルト留めによって反応器のプレート及び／又は内面に固定されるが、隔壁は、これが画定する区分相互間を流体連通させる１つ又は２つ以上の開口部を有する。これら開口部は、例えば、各側壁の外側周辺部の近くに固定線に沿っているのが良く、又はこれら開口部は、この目的のために隔壁に特別に形成された穴からなっていても良い。両方の手段は、本発明の範囲内に含まれ、かかる手段により、反応器の特性を反応混合物の動力学的及び流体力学的パラメータに最適に合わせることができる。ボルト留めによって反応器内に固定された分割隔壁は、これらの構成及び保守を大幅に簡単にする上で好ましい。
【００３２】
分割隔壁が平板状であり又は実質的に平板状である場合、分割隔壁は、好ましくは、その表面が反応器の主軸線の近くに位置し、又はこれと一致するよう位置決めされ、それにより、分割隔壁が収納配置されたセクタを容積が互いにほぼ等しい区分に分割し、特に、セクタを分割した区分のうちの任意の２つの容積相互の比が１．０５〜０．９５であるようにする。これによれば、種々の、例えば２つの分割隔壁がセクタ内に存在する場合、分割隔壁は、好ましくは、これらを交差させることによって固定され、それにより、例えば４つの上反角を形成し、セクタをより好ましくは容積がほぼ同一の対応の角度区分に分割する。
【００３３】
本発明の好ましい観点によれば、２枚の隣り合うプレート相互間にはたった１つの分割隔壁が設けられ、より好ましくは、かかる分割隔壁は、反応器の軸線と交差するよう位置決めされ、即ち、隣り合うプレートの直径のうちの一方の方向上に差し向けられる。この後者のようにすると、各セクタは、容積及び幾何学的形状が実質的に等しい２つの区分に分割される。
【００３４】
反応済み混合物を分離ユニットに送る内部垂直ダクトが反応器の上側部分内に存在する場合、かかる内部垂直ダクトは、好都合には、反応器の内壁の近くに位置決めされると共にセクタが分割された区分のうちの一方だけを横切って延びる。
【００３５】
本発明によれば、反応器内に存在する分割隔壁の各々は、平面の準線（directrix）が他の準線とは独立した状態で位置決めされるのが良い。しかしながら、セクタが単一の分割隔壁を有している場合、互いに２つの代替的な解決手段が特に有利であることが判明した。これら解決手段の第１のものでは、分割隔壁は全て、竪形反応器の主軸線を含む単一の幾何学的平面（構成上の取るに足らないほどのばらつきを除く）上に実質的に整列する。この構成により、実際、場合によっては互いに部分的に連通した２つの並行な反応ラインを有する反応器が得られる。このように形成された２つの反応ラインが同一円筒形本体内で閉じられているので、これら反応ラインは、特に高圧プロセスの場合、２つの別々の反応器の並行採用に対して構造をかなり単純化することができ、しかも、非常に高い流量が必要であると共に／或いは大量の流体が処理されるべき場合、高さが極めて高い反応器の採用が回避される。
【００３６】
第２の有利な解決手段では、単一の仕切り又は分割隔壁の各々の平面は、反応器の主軸線に沿ってこの隔壁のすぐ後又はすぐ前に位置する隔壁の平面に対して３０°〜９０°、より好ましくは約９０°の角度をなして垂直に位置決めされる。仕切り又は分割隔壁をオフセットして配置したこの構成により、流体の横方向再混合が生じ、流体は、従って、反応器に沿うこれらの再上昇の際に正弦波の流れパターンを辿る。このようにして、二相のさらなる混合が得られる。
【００３７】
しかしながら、互いに対して種々の配向状態に設けられた隔壁の他の考えられるあらゆる組み合わせは、本発明の範囲に含まれる変形例である。
【００３８】
本発明の利点のうちの１つは、種々の分割隔壁を構成して配置する際の融通性にあり、それにより、更に稼働中における示数に基づき、反応器の流体力学的及び動力学的パラメータを最適にすることができる。
【００３９】
分割隔壁は、反応器が用いられるプロセスに基づいて選択された材料で作られる。分割隔壁は、有利には、プレートの構成材料と同一の構成材料から成り又は適合性のある材料から成る。分割隔壁の厚さは、特に重要ではないが、通常、これがかなり高い圧力を受けることがないので、非常に厚いわけではない。数ミリメートル、例えば１〜１０ｍｍ、好ましくは２〜５ｍｍの厚さが通常の用途にとって十分である。
【００４０】
本発明により、適当な設計及びプロセスパラメータを維持し、それと同時に反応器の高さを上述の分割隔壁が存在しない場合に同一の生産性を得るのに必要な高さに対して４０％も低くすることができる。反応器の全体的直径が比例的に大きくなるが、このことが分割隔壁の特定の配置に起因する効率の減少を意味しているわけではない。
【００４１】
添付の図は、特に、高圧及び高温での尿素の直接的合成に用いることができる反応器を参照して本発明の幾つかの例示の且つ非限定的な例を相対的に記載している。互いに異なる図において機能が同一の部分は、同一の符号で示されている。分かりやすくするために、本発明の完全な理解及び開示に必要ではない装置の部分は、図から省かれている。
【００４２】
次に、特に添付の図を参照して例示目的で本発明を説明するが、これは、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲及び更に本発明の範囲の均等範囲に属する解決手段に対して何ら制限を加えるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の竪形反応器の概略斜視図であり、円筒形本体の前壁が最も重要な内部要素を示すために除かれている状態を示す図である。
【図２】図１の竪形反応器のセグメントの概略詳細斜視図であり、分割隔壁の平面が互いに対して９０°だけオフセットしている状態を示す図である。
【図３】本発明の竪形反応器のセグメントの概略詳細斜視図であり、隣り合うセクタ内の分割隔壁の平面が互いに整列している状態を示す図である。
【図４】本発明の竪形反応器の細部の略図であり、分割隔壁が漏れ止め溶接により２枚の隣り合うプレート相互間に位置決めされている状態を示す図である。
【図５】本発明の竪形反応器の細部の略図であり、分割隔壁がボルト留めによって２枚の隣り合うプレート相互間に位置決めされ、２つの区分を互いに流体連通させる開口部を有している状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
図１には、両端部がそれぞれ下側キャップ８及び上側キャップ９で閉鎖された本体（中空構造体）又は外壁４により画定されている竪形又は垂直塔形反応器が示されており、下側キャップ８には、二酸化炭素並びに液体アンモニア及びカルバミン酸アンモニウムを含む流れの入口２，３が挿入され、上側キャップ９内では、反応器内で形成された尿素を含む反応後混合物が集められ、そしてヘッドから出ているライン１を通ってストリッパの方へ送られる。ライン１は、変形例として、中間高さ位置で反応器から出ても良く、かかるライン１は、場合により液相又は気‐液混合物の収集のために反応器の上側キャップ内に配置されたオーバーフローに達するまで装置内で垂直方向に設けられたダクトに連結されても良い。
【００４５】
塔に沿って、複数枚の穴あき又は有孔プレート７が対応した数のセクタ５を画定しており、稼働中、二相性反応混合物がこれらセクタ内に流れる。隣り合うセクタを互いに流体連通させることができるよう各プレートに設けられた穴は、図１には示されていないが、他方、次の図４及び図５にはこれら穴が示されている。各セクタは、仕切り又は分割隔壁６によって容積が実質的に同一の２つの区分に分割され、分割隔壁６は、隣り合うプレートに対して垂直に配置されると共に反応器の軸線を通って延びている。特に、図１は、平面が互いに対して９０°だけ回転した状態で交互に配置された分割隔壁を示している。
【００４６】
図２を参照すると、図示の塔の断面内において、図１を参照して上述したのと本質的に同一の要素が示されている。
【００４７】
図３を参照すると、図示の塔の断面において、図２を参照して上述したのと本質的に同一の要素が示されているが、分割隔壁６が全て同一平面上に整列しているという重要な相違点が見られる。
【００４８】
図４を参照すると、これは、本発明の特定の実施形態を示しており、この実施形態では、分割隔壁６は、その縁部の適当な溶接１０，１１によってそれぞれプレート７の表面及び外壁４の内張りの内面にそれぞれ密封的に固定されている。
【００４９】
図５を参照すると、これは、本発明の特定の実施形態を示しており、この実施形態では、分割隔壁６は、ボルト留め金属製支持体１３によってプレート７の表面及び本体４の内張りの内面に固定されている。この手段により、必要な場合、反応器の保守介入又は改造が容易になる。というのは、この手段により、分割隔壁（及び場合によってはプレートも又ボルトで固定されている場合、これらプレート）の取り外し及び交換が容易になるからである。また、稼働中、反応混合物の一部分が同一セクタの一方の区分から他方の区分に移動するよう分割隔壁を形成すると共に固定することができる。
【００５０】
図４及び図５は又、一方のセクタから他方のセクタへの気体／液体反応混合物の流れを可能にするよう各プレート７に設けられた穴１２を概略的に示している。これらの穴は又、円の形とは異なる形態、例えば正方形又は長方形を有しても良く、これら穴は、液相と気相のうちの一方又は両方の流れを差し向け若しくは調節し又はより効果的な混合を可能にするのに適した場合によっては３次元要素、例えばベル、カラー、ヒンジ、格子を備えるのが良い。穴の寸法（最大幅）は、通常、１〜１０ｃｍである。
【００５１】
本発明の反応器は、この種の工業化学装置の通常の製作技術を利用することにより製造できる。特に、反応器が尿素の合成又は加水分解向けである場合、当業者であれば、例えば上述したように耐食性金属又は合金の１つ又は２つ以上の薄板で内部が内張りされた適当な厚さの本体及びスチール製のキャップを利用して、プロセス流体の化学的攻撃性が高い条件下において高圧及び高温で動作する機器を得る最も適した且つ普及した技術的解決手段を採用することであろう。この場合、穴あきプレート及び分割隔壁は、得られるべき流れ特性に対して適当な間隔を置いて配置された状態で反応器内に配置され、これら穴あきプレート及び分割隔壁については、通常、マンホールを通って点検作業が行われる。２つの互いに交差した分割隔壁が１つ又は２つ以上のセクタ内に位置決めされる場合、例えば隔壁の半分を他方の隔壁の各側の中心線に直交して溶接することによって交差配列形態を得ることができる。
【００５２】
本出願人は又、気体／液体二相性反応を実施する既存の垂直プレート型反応器を改造すると、稼働中、変換効率を増大させた本発明の反応器と同一の特性を有する反応器を介入作業の終わりに得ることができるということを発見した。したがって、本発明の別の目的は、垂直プレート型反応器が挿入されるプラントに加えて、垂直プレート型反応器を最新式に改造して二相性反応を処理する方法であって、少なくとも１つの分割隔壁を２枚の隣り合うプレート相互間に設けられた少なくとも１つのセクタ内に位置決めするステップを含む方法に関する。
【００５３】
さらに、かかる最新式改造方法は、１枚又は２枚以上のプレートを取り外すステップと、残りのプレートを再位置決めして既存の反応器の高さとは異なる高さを有する隣り合うプレート相互間にセクタを得るステップとを更に有するのが良い。
【００５４】
本発明の反応器又は上述の最新式改造方法によって得られた反応器では、高圧及び高温で気‐液二相性混合物中のアンモニア及び二酸化炭素から始まり、カルバミン酸アンモニウムを中間生成物とする直接合成によって尿素を製造する方法を実施することが特に有利であることが判明した。したがって、本発明の別の目的は、尿素の形成が本発明の反応器内において部分的に又は全体的に、好ましくは少なくとも６０％行われるプロセスの提供に関する。
【００５５】
本発明の反応器では、分割隔壁を備えていない公知技術の類似の反応器と同一の通過ごとの変換及びプロセス生産性を得ることができるが、後者に対して高さが著しく減少し、好ましくは２０〜４０％低くなっている。他方において、高さを減少させた状態で分割隔壁が存在しない場合に極めて多量の試薬混合物を処理することができる反応器は、満足の行く変換効率を得ることができない。
【００５６】
次に、本発明の反応器の使用の非限定的な例を純然たる例示目的で提供する。
【００５７】
実施例
尿素の製造方法の実施にあたり、以下の特性を備えた図１及び図２に示されている形式の本発明の反応器を一日あたり１，７５０トンの製造能力で用いた。
内径  ２６５ｃｍ
高さ  ２，５２０ｃｍ
厚さ約１０ｃｍの炭素鋼で作られた外壁
プレートの枚数  ９
プレート相互間の距離  ２５０ｃｍ
【００５８】
厚さ０．８ｃｍの２５／２２／２Ｃｒ／Ｎｉ／Ｍｏスチールで作られたプレートが、約２５０ｃｍの高さを有すると共に１ｍ2当たり穴約４００個という密度で表面上に分布して配置された直径が約３ｃｍの所与の数の穴を有する全部で８つの円筒形セクタを構成している。
【００５９】
反応器の軸線を通る垂直仕切り又は分割隔壁をボルト留めによって各セクタ内に位置決めし、この垂直分割隔壁は、セクタの容積部を半分に分割した。隔壁は、穴を備えておらず、厚さ０．８ｃｍの２５／２２／２Ｃｒ／Ｎｉ／Ｍｏスチール製薄板から成っていた。図２で十分理解できるように、各分割隔壁の平面をすぐ隣接して位置する隔壁の各々に対して反応器の軸線に沿って９０°回転させた。
【００６０】
７５０ｋｇ／ｈの不活性生成物を含む５４，２００ｋｇ／ｈのＣＯ2のガス状流れをライン２から１２０℃の温度及び１６ＭＰａの圧力を有する反応器内に導入した。カルバミン酸アンモニウム及びアンモニアを過剰に含む液体流れが以下の組成、即ち、
ＮＨ3    １１４，２４６ｋｇ／ｈ
ＣＯ2    ３１，４６７ｋｇ／ｈ
Ｈ2Ｏ    ２３，６６０ｋｇ／ｈ
を有する状態でライン３を通って１３５℃の温度及び１６ＭＰａの圧力状態にある反応器に入り、ここで、カルバミン酸アンモニウムは、ＣＯ2として表され、上述の量のアンモニアは、自由アンモニアとカルバミン酸アンモニウムに結合されたアンモニアの両方を含んでいる。反応器の底部で形成された反応混合物は、種々のプレート及びセクタがプレートとプレートとの間に分割されている区分を通って上昇した。各プレート通過では、１つの区分の反応混合物は、同一セクタ内の隣りの区分の反応混合物と部分的に混合され、平衡状態を均等に達成させた。材料の流れは、これらの条件下において、乱流が著しい逆混合を生じさせるのを阻止するようなものであった。終わりに、混合状態の気体／液体流を以下の組成、即ち、
ＮＨ3          ７３，６０８ｋｇ／ｈ
ＣＯ2          ３１，６０９ｋｇ／ｈ
尿素           ７３，１８７ｋｇ／ｈ
Ｈ2Ｏ          ４４，００１ｋｇ／ｈ
不活性生成物    ７５０ｋｇ／ｈ
を有する状態で反応器のヘッドからライン１を通って１９０℃及び１５．５ＭＰａで取り出し、ＣＯ2は、カルバミン酸アンモニウムとして本質的に塩類の形態で存在する。この流れを公知の技術に従って動作する尿素の分離及び浄化区分に送り、ここから、補充アンモニアの追加後、カルバミン酸アンモニウムとアンモニアの水性流をライン３を通って反応器に再循環させた。
【００６１】
生じた尿素とライン２，３により供給された全ＣＯ2のモル比百分率として計算されたＣＯ2から尿素への通過１回当たりの変換率は、６３％に等しかった。
【００６２】
伝統的な形式の反応器は、尿素を１日当たり１，７５０トン製造するために上述した流量と同一の流量で尿素への同一の変換率を得る上で通常、２１０ｃｍの直径及び４，０００ｃｍの高さを有している。
【００６３】
本発明の反応器の顕著な利点は、同一の変換効率を得るうえで、製作して輸送するのが容易になり、かかる反応器をいったん動作を開始すると、保守が容易であるということにある。
【００６４】
また、比較目的で、モデル計算により、上述したのと同一の寸法を有するが、上述の分割隔壁を備えていない反応器は、１日当たり１，７５０トンという同一の生産方式で動作した場合、通過１回当たりのＣＯ2の変換率が５７％で尿素を製造するという評価が得られた。
【００６５】
当業者が種々の使用上の要件に適合させることにより上述の実施形態とは異なる本発明の実施形態を得ることができ、かかる要件は、いずれの場合においても、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に含まれる明白な変形例を表している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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