(57)【要約】　　　（修正有）【課題】反応熱を有効に除去し、ホットスポットの生成を防止し、目的生成物を効率的に得ることができる気相接触酸化方法を提供する。【解決手段】原料供給口（４ｂ）と生成物排出口（４ａ）とを有する円筒状反応器シェル（２）と、該円筒状反応器シェルに熱媒体を導入又は導出するための円筒状反応器シェルの外周に配置される複数の環状導管（３ａ，３ｂ）と、該複数の環状導管を互いに接続する循環装置（７）と、該反応器の複数の管板５ａ，５ｂによって拘束され触媒を包含する複数の反応管（１ａ，１ｂ，１ｃ）と、該反応器シェルに導入された熱媒体の方向を変更するための、該反応管の長手方向に配置される複数の邪魔板（６ａ，６ｂ）とを有する多管式反応器を用いて、被酸化物を分子状酸素含有ガスにて気相接触酸化する方法において、熱媒体の伝熱係数が１０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）以上となる条件下で気相接触酸化反応を行う気相接触酸化方法を提供する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料供給口と生成物排出口とを有する円筒状反応器シェルと、該円筒状反応器シェルに熱媒体を導入又は導出するための、円筒状反応器シェルの外周に配置される複数の環状導管と、該複数の環状導管を互いに接続する循環装置と、該反応器の複数の管板によって拘束され触媒を包含する複数の反応管と、該反応器シェルに導入された熱媒体の方向を変更するための、該反応管の長手方向に配置される複数の邪魔板とを有する多管式反応器を用いて、被酸化物を分子状酸素含有ガスにて気相接触酸化する方法において、熱媒体の伝熱係数が１０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）以上となる条件下で気相接触酸化反応を行うことを特徴とする気相接触酸化方法。
【請求項２】
前記気相接触酸化方法により、プロピレン、プロパン又はイソブチレンを分子状酸素を用いて酸化し（メタ）アクロレイン、及び／又は（メタ）アクロレインを分子状酸素を用いて酸化し（メタ）アクリル酸を製造することを特徴とする、請求項１に記載の気相接触酸化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気相接触酸化方法に関する。本発明は、プロピレン、プロパン又はイソブチレンを分子状酸素を用いて酸化し、（メタ）アクロレイン又は（メタ）アクリル酸を効率的に製造するのに好適に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
多管式反応器は、内部に固体触媒を充填し原料と接触させる反応に用いられるものであり、被酸化物を固体触媒存在下で分子状酸素と接触させる気相接触酸化反応により発生する大きな反応熱を効率よく除去することによって反応温度を制御し、反応熱によって触媒が過度の高温にさらされ触媒の劣化を早める結果になることを防ぐ必要が有る場合に多く用いられる。
【０００３】
このような多管式反応器においては、その反応管束の外側（シェル側）に除熱用の流体（以下、熱媒体ともいう）を循環させることで、反応に必要な温度を維持するとともに、化学プラントで多く使用されている熱交換器のようにプロセス流体（気相接触酸化反応においては、プロセスガス）と熱媒体の間で熱交換を同時に行い、触媒層の温度が局部的に上昇し過ぎること（ホットスポットの形成）により管内の触媒が劣化するのを防止する方法がとられている。
【０００４】
しかし、気相接触酸化反応の反応熱は非常に大きく、しばしばホットスポットが発生して触媒を劣化させたり、該触媒の許容温度を超えたことによって暴走反応に至り、触媒が使用不能になるなどの問題が発生することがある。
【０００５】
気相接触酸化反応に用いられる多管式反応器でのホットスポットの形成を抑制する方法が、多く提案されている。例えば特開平８−９２１４７号公報には、熱媒体の反応器シェル内の流れと反応器に導かれる原料ガスの流れ方向を並流とし、更には邪魔板によって熱媒体の流れを蛇行させて上昇させ、熱媒体の反応器入口から出口までの温度差を２〜１０℃以下とすることによって熱媒体の温度を均一にする方法が開示されている。しかし、この方法は熱媒体の温度差のみに着目しており、反応器内部の伝熱係数が不均一である実際の反応器においては、伝熱係数の悪い領域ではホットスポットが生じてしまうという欠点を有する。
【０００６】
特開平２０００−９３７８４号公報には、反応原料ガスと熱媒体の流れを下向き並流とし、熱媒体の存在しないガス溜まりを防止することでホットスポットの形成を抑制する方法が提案されている。該方法は、さらに原料ガスを反応器上部より供給し反応管の触媒層内を下向きに通過させることによって、最も劣化しやすい触媒層入口付近の触媒だけを交換可能とする方法が記載されている。しかし、この方法は熱媒体と原料ガス流れの関係に着目しており、熱媒体流速が低く伝熱係数が低い場合には反応熱の除去が不十分となり、ホットスポットを生じるという欠点を有している。
【０００７】
また特開平２００１−１３７６８９号公報には、熱媒体の流れの向きを変える邪魔板の設置と反応管の設置方法を規定することでホットスポットの形成を抑制する方法が提案されている。多管式反応器で反応熱を除熱するために熱媒体がシェル側に循環されるが、シェル側流路としては反応管束、邪魔板があるため、熱媒体は反応管束部、邪魔板と反応管束との隙間、邪魔板と反応器胴部との隙間に分かれて流れを形成する。しかし、反応管束以外の部分を通過する熱媒体は反応管の除熱に有効でないため、出来るだけ少なくすることが望ましい。また、特開平２００１−１３７６８９号公報には全熱媒体の流量が記載されているが、伝熱係数については記載されておらず、伝熱係数を考慮することにより、ホットスポット等の問題を改良する余地があった。
【０００８】
多管式反応器においては熱媒体の循環によって反応管内で発生する反応熱を除去するため、反応熱を有効に除去できない場合には触媒層にホットスポットを形成し目的生成物の収率低下、触媒活性の劣化等の問題が生じる。
【０００９】
また、触媒層の温度分布は反応管内の発熱量と熱媒体への熱移動量のバランスから決定されるものであり、熱媒体の流量を増やすことで熱媒体側の伝熱係数を大きくし、ホットスポットの温度を下げる対策も試みられたが、必要以上に熱媒体流量を増やすことは熱媒体循環ポンプの大型化を招き、さらには熱媒体循環ポンプ駆動用の動力が大きくなることで、運転コストが増大するという問題が生じる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、適切な熱媒体循環量を維持しつつ、反応熱を有効に除去し、ホットスポットの形成を防止し、目的生成物を効率的に得ることができ、また触媒活性の劣化もなく触媒の寿命を長くする、多管式反応器を用いた気相接触酸化方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決するため各種の検討を行い、大型化された多管式反応器のシェル側の熱媒体の流れと熱伝達を解析した結果、熱媒体の伝熱係数を適切な値となる条件下で気相接触酸化反応を行うことで、上記課題を解決できる気相接触酸化方法が提供できることを見い出し、本発明に至った。
【００１２】
即ち、本発明は以下の通りである。
（１）原料供給口と生成物排出口とを有する円筒状反応器シェルと、該円筒状反応器シェルに熱媒体を導入又は導出するための、円筒状反応器シェルの外周に配置される複数の環状導管と、該複数の環状導管を互いに接続する循環装置と、該反応器の複数の管板によって拘束され触媒を包含する複数の反応管と、該反応器シェルに導入された熱媒体の方向を変更するための、該反応管の長手方向に配置される複数の邪魔板とを有する多管式反応器を用いて、被酸化物を分子状酸素含有ガスにて気相接触酸化する方法において、熱媒体の伝熱係数が１０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）以上となる条件下で気相接触酸化反応を行うことを特徴とする気相接触酸化方法。
（２）前記気相接触酸化方法により、プロピレン、プロパン又はイソブチレンを分子状酸素を用いて酸化し（メタ）アクロレイン、及び／又は（メタ）アクロレインを分子状酸素を用いて酸化し（メタ）アクリル酸を製造することを特徴とする、（１）に記載の気相接触酸化方法。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１４】
本発明は、原料供給口と生成物排出口とを有する円筒状反応器シェルと、該円筒状反応器シェルに熱媒体を導入又は導出するための、円筒状反応器シェルの外周に配置される複数の環状導管と、該複数の環状導管を互いに接続する循環装置と、該反応器の複数の管板によって拘束され触媒を包含する複数の反応管と、該反応器シェルに導入された熱媒体の方向を変更するための、該反応管の長手方向に配置される複数の邪魔板とを有する多管式反応器を用いて、被酸化物を分子状酸素含有ガスにて気相接触酸化する方法において、熱媒体の伝熱係数が１０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）以上となる条件下で気相接触酸化反応を行うことを特徴とする気相接触酸化方法である。
【００１５】
本発明では、ベンゼンまたはブタンを被酸化物として用い、分子状酸素含有ガスにて気相接触酸化し、無水マレイン酸を、又はキシレン及び／又はナフタレンを被酸化物として用い、分子状酸素含有ガスにて気相接触酸化し、無水フタル酸を製造するのにも用いられる。
【００１６】
より好ましくは、プロピレン、プロパンもしくはイソブチレンを被酸化物として用い、分子状酸素含有ガスにて気相接触酸化し、（メタ）アクロレインを製造し（以下、前段（第１段）反応ともいう）、該前段反応で生成した（メタ）アクロレインを被酸化物として用い、分子状酸素含有ガスにて気相接触酸化し、（メタ）アクリル酸を製造する（以下、後段（第２段）反応ともいう）のに用いる。
【００１７】
本発明において、熱媒体の伝熱係数は、具体的には、コンピューターによるシミュレーション解析を用いて熱媒体の流動解析を行うことにより求めることができる。
【００１８】
上記熱媒体の流動解析は、邪魔板や反応管のレイアウト、及び熱媒体供給口等の反応器の構造、及び、熱媒体の物性や熱媒体の流通量等熱媒体の関する項目を決めシミュレ−ションすることにより行うことができる。より具体的には、運動量保存式、質量保存式、エンタルピー保存式等を用いて熱媒体の流れ方向及び熱媒体流れの速度等を計算して算出する。本発明では、流体解析ソフトとして、ＣＦＸ（ＡＥＡ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ社製）を用いて解析を行うことができる。
【００１９】
このようにして、上記熱媒体の流動解析により、熱媒体の伝熱係数が低い部分を探すことができる。
【００２０】
そして、本発明では、熱媒体の伝熱係数が１０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）以上となる条件下で気相接触酸化反応を行うようにするが、具体的には、熱媒体側伝熱係数が１０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）未満の低い領域に存在する反応管についてはガスが流れないように栓をしたり、その反応管に触媒を充填せず反応を行わないか、又は反応管そのものをそのような領域には設けないという方法をとることができる。このようにして、熱媒体の伝熱係数が低い領域にある反応管で温度が上昇し過ぎることによる異常な反応を防ぐことができる。
【００２１】
また、熱媒体が流れる反応器シェル側に設置された邪魔板と反応器本体との隙間あるいは邪魔板と反応管の隙間に対し、その隙間を狭くしたり隙間に当て板をしたりすることにより隙間から漏れる熱媒体の量を減らすことで、熱媒体の伝熱係数を高くすることもできる。また、熱媒体の流量を増やしたり邪魔板の大きさを変化させて、熱媒体の伝熱係数が１０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）未満の領域をなくすようにして気相接触酸化反応を行うことができる。
【００２２】
本発明の気相接触酸化方法で用いる、多管式熱交換器型反応器の第１の実施態様を図１に示す。
【００２３】
多管式反応器のシェル２に反応管１ａ、１ｂ、１ｃが管板５ａ、５ｂに固定され配置されている。反応の原料ガスの入り口である原料供給口、生成物の出口である生成物排出口は４ａ又は４ｂであるが、ガスの流れ方向は何れでもかまわない。反応器シェルの外周には熱媒体を導入する環状導管３ａが設置される。熱媒体の循環ポンプ７によって昇圧された熱媒体は、環状導管３ａより反応器シェル内を上昇し、反応器シェルの中央部付近に開口部を有する穴あき邪魔板６ａと、反応器シェルの外周部との間に開口部を有するように配置された穴あき邪魔板６ｂとを交互に複数配置することによって流れの方向が転換されて環状導管３ｂより循環ポンプに戻る。反応熱を吸収した熱媒体の一部は循環ポンプ７の上部に設けられた排出管より熱交換器（図には示されていない）によって冷却されて熱媒体供給ライン８ａより、再度反応器へ導入される。熱媒体温度の調節は、温度計１４の指示に基づいて熱媒体供給ライン８ａから導入される還流熱媒体の温度又は流量を調節することにより行われる。
【００２４】
熱媒体の温度調節は、用いる触媒の性能にもよるが、熱媒体供給ライン８ａと熱媒体抜き出しライン８ｂとの熱媒体の温度差が１〜１０℃、好ましくは２〜６℃となるように行われるとよい。
【００２５】
環状導管３ａ及び３ｂの内側の胴板部には熱媒体流速の円周方向分布を極小化する為、整流板（図示されていない）が設置されることが好ましい。整流板は多孔板やスリットを持った板などが用いられ、多孔板の開口面積やスリット間隔を変えて全円周より同流速で熱媒が流入する様に整流される。環状導管（３ａ、好ましくは３ｂも）内の温度は複数個の温度計１５を設置して監視することが出来る。
【００２６】
反応器シェル内に設置する邪魔板の数は特に制限はないが、通常３枚（６ａタイプ２枚と６ｂタイプ１枚）以上設置するのが好ましい。以下、この３枚の邪魔板を有する反応器（図１）を例にとって説明する。
【００２７】
この邪魔板の存在により、熱媒体の流れは上昇流が妨げられ、反応管管軸方向に対して横方向に転換し、熱媒体は反応器シェルの外周部より中心部へ集まり、邪魔板６ａの開口部で方向転換して外周部へ向かいシェルの外筒に到達する。熱媒体は、邪魔板６ｂの外周で再度方向転換して中心部へ集められ、邪魔板６ａの開口部を上昇して、反応器シェルの上部管板５ａに沿って外周へ向かい、環状導管３ｂを通ってポンプに循環する。
【００２８】
また邪魔板６ａ、６ｂには、反応管を通す為の穴と反応器の熱膨張対策としての胴との隙間を有するので、この穴および隙間もある程度の熱媒体が通過する測流が発生する。この測流は反応熱の除去に有効に作用しないので少なくすることが望ましい。
【００２９】
反応器内に配置された反応管には温度計１１が挿入され、反応器外まで信号が伝えられて、触媒層の反応器管軸方向の温度分布が記録される。反応管には複数本の温度計が挿入され、１本の温度計では管軸方向に通常３〜２０点の温度が測定される。
【００３０】
反応管は、３枚の邪魔板の開口部との関係の配置により、即ち熱媒体の流れ方向との関係により３種類に分けられる。
【００３１】
反応管１ａは邪魔板６ｂにのみ拘束せられ、２枚の邪魔板６ａの開口部に位置し拘束されていない。反応管の外部を流れる熱媒体は反応器の中心部で方向転換する領域に反応管１ａが位置している。熱媒体の流れは主として、反応管の管軸方向と平行である。反応管１ｂは３枚の邪魔板６ａ、６ｂ、６ａに拘束され、大部分の反応管はこの領域に配置されている。反応管との関係に於いて、熱媒体の流れ方向は反応管の全領域で反応管管軸方向に対しほぼ直角である。反応管１ｃは反応器シェルの外周近くで、邪魔板６ｂには拘束されていないで邪魔板６ｂの外周部に位置する。該反応器１ｃは反応管の中央部では、熱媒体が方向転換する領域にあり、この領域即ち反応管の中央部では熱媒体が反応管管軸方向と平行に流れる。
【００３２】
図４は、図１の反応器を上方から見た図を表している。邪魔板６ａや邪魔板６ｂの開口部で熱媒体が集合する領域即ち反応器シェルの中心部及び縁辺部、即ち反応管１ａや１ｃの設置されている領域は、熱媒体流れが管軸と平行になるのみではなく流速も非常に小さくなるため、熱媒体の伝熱係数がこの領域は低くなりやすい。
【００３３】
本発明に用いられる邪魔板は、邪魔板６ａが反応器シェルの中央部付近に開口部を持ち、邪魔板６ｂが外周部とシェルの外筒との間に開口し、それぞれの開口部で熱媒体が方向転換をし、熱媒体のバイパス流を防ぎ、流速を変えられる構成であれば、図２に示すセグメントタイプの欠円邪魔板や図３に示す円盤形邪魔板のどちらでも適用可能である。両タイプの邪魔板とも熱媒体の流れ方向と反応管管軸との関係は変わらない。
【００３４】
通常の邪魔板としては、特に円盤形邪魔板が多く用いられる。邪魔板６ａの中心部開口面積は反応器シェル断面積の５〜５０％であるのが好ましく、さらには１０〜３０％であるのが好ましい。邪魔板６ｂの反応器シェル胴板２との開口面積は反応器シェル断面積の５〜５０％であるのが好ましく、さらには１０〜３０％であるのが好ましい。邪魔板（６ａ及び６ｂ）の開口比が小さすぎると熱媒体の流路が長くなり、環状導管（３ａ及び３ｂ）間の圧力損失が増大し、熱媒体循環ポンプ７の動力が大きくなる。邪魔板の開口比が大きすぎると一般に熱媒体の伝熱係数が低くなりやすい領域に設置される反応管（１ａ及び１ｃ）の本数が増加してしまう。
【００３５】
各邪魔板の設置間隔（邪魔板６ａと６ｂの間隔及び邪魔板６ａと管板５ａ、５ｂとの間隔）は等間隔が多いが、必ずしも等しくする必要はない。反応管内で発生する酸化反応熱によって決まる熱媒体の必要流量を確保し、熱媒体の圧力損失が低くなる様に設定されることがよい。また、反応管内の触媒層の示す温度分布のうち最も高い温度を示す温度ピーク位置と邪魔板の位置が同じになることを避けることが好ましい。邪魔板表面近傍は熱媒体流速が低下するので伝熱係数が低く、邪魔板と温度ピークの位置が重なった時には当該部位の温度が更に高くなってしまうからである。
【００３６】
温度ピーク位置と邪魔板の位置が同じになることを避けるためには、上記したコンピュータシュミレーションを用いて検討することができる。
【００３７】
本発明では、多管式反応器に、原料ガスとして、プロピレン、プロパン又はイソブチレン、及び／又は（メタ）アクロレイン、分子状酸素含有ガスと水蒸気の混合ガスが導入される。
【００３８】
原料ガス中のプロピレン、プロパンやイソブチレンの濃度は３〜１５容量％であり、酸素はプロピレン、プロパン又はイソブチレンに対して１．５〜２．５モル倍、水蒸気は０．８〜２モル倍である。
【００３９】
導入された原料ガスは、各反応管１ａ、１ｂ、１ｃなどに分割されて反応管内を通過し内包する酸化触媒のもとで反応する。
【００４０】
本発明の気相接触酸化反応で用いられる触媒、例えば、プロピレン、プロパン又はイソブチレンの酸化や（メタ）アクロレインの酸化に用いられる触媒としては、一般的に用いられる触媒でよく、例えばＭｏ、Ｂｉ、Ｓｂ等を含む触媒系がよい。
【００４１】
反応管内の触媒は、ホットスポットの発生及びホットスポット部の蓄熱を抑制するために活性を変化させて充填すると好ましい。
【００４２】
反応管内の触媒の活性を変化するための方法としては種々あり、具体的には、異なる種類の触媒を用いたり、触媒を不活性物質と混合し希釈することにより活性を調整をする方法等が挙げられる。例えば、反応管の原料ガス入口部分に不活性物質割合の高い触媒を、反応管の出口側にはこの割合の低い或いは希釈しない触媒を充填することができる。
【００４３】
また、一本の反応管において触媒の活性を変化させるだけでなく、各反応管毎でも触媒の活性を変えてもよい。
【００４４】
全ての反応管の触媒の希釈の程度を同じにする必要はなく、例えば、反応器シェルの中心部分にある反応管１ａはピーク温度（反応管内の触媒層の温度が最も高い部分）が高いのでこれを避けるために他の部分にある反応管（１ｂ、１ｃ）よりも不活性物質の割合を高くするとよい。このようにして、各反応管毎に触媒の希釈の程度を変更し、全反応管で同じ転化率となるように調整する好ましい。
【００４５】
尚、本発明において用いられる不活性物質としては、反応条件下で安定であり、原料物質及び生成物と反応性がない材質ものであれば特に制限はないが、具体的には、アルミナ、シリコンカーバイト、シリカ、酸化ジルコニア、酸化チタン等の触媒の担体に用いられるものが良い。またその形状は、触媒と同様に制限はなく、球状、円柱状、リング状、不定形等のいずれでも良い。大きさは、反応管径及び差圧を考慮して決めればよい。
【００４６】
反応器のシェル側に流動する熱媒体としては、硝酸塩類の混合物であるナイターが多く用いられるが、有機液体系のフェニルエーテル系熱媒体も用いられることもある。該熱媒体の流動によって反応管中の反応熱が除熱されるが、熱媒体導入の環状導管３ａより反応器シェル内に導入された熱媒体は、反応器外周部より中心部へ流れる領域と、中心部で流れ方向を反転する領域が存在する。熱媒体の流れ方向が反応管の管軸と直角のとき、伝熱係数は通常１，０００〜２，０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）であり、直角ではない流れのときは流速や上方流か下降流かによって異なるが熱媒体としてナイターを用いた場合で１００〜３００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）となることがある。
【００４７】
他方、反応管内の触媒層における伝熱係数は勿論原料ガスの流速に依存するが、１００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）程度である。熱媒体の流れが反応管軸に直角の時、管外の熱媒体の伝熱係数は、管内触媒層の伝熱係数の１０〜２０倍であるため、熱媒体の流速が変化しても総括の伝熱係数（ここで総括の伝熱係数とは、反応管外の熱媒体の伝熱係数、反応管内の触媒層の伝熱係数、及び反応管熱伝導度や反応管の厚みといった諸条件を勘案して算出されるところの伝熱係数をいう）への影響は小さい。しかし、熱媒体が管軸と平行の流れの時には反応管の内外で伝熱係数が同程度である為、除熱効率は管外の熱媒体の流動状態の影響を大いに受ける。即ち、管外の熱媒体の伝熱係数が１００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）のとき、総括の伝熱係数は、熱媒体の伝熱係数が１，０００〜２，０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）の時のおよそ半分の値となり、管外の熱媒体の伝熱係数の低下は、総括の伝熱係数に大きく影響する。よって、これら反応管内外における伝熱係数を考慮しつつ、気相接触酸化反応させるときの条件を検討する必要がある。
【００４８】
本発明に係る多管式反応器の反応管内径は、反応管内の反応熱量と触媒粒径によって影響されるが、１０〜５０ｍｍが好ましく用いられ、より好ましくは２０〜３０ｍｍである。反応管内径が小さすぎると充填される触媒の量が減少し、必要な触媒量に対して反応管本数が多くなり反応器が大きくなってしまう。一方、反応管内径が大きすぎると必要な触媒量に対して反応管表面積が小さくなり、反応熱の除熱のための伝熱面積を小さくしてしまう。
【００４９】
図５は反応器のシェルを中間管板９で分割した場合の多管式反応器を示しており、本発明の気相接触酸化方法はこれを用いた方法も包含する。分割されたそれぞれの空間は別々の熱媒体が循環され、別々の温度に制御される。原料ガスは４ａ又は４ｂのどちらから導入されても良い。原料供給口から導入された原料ガスが反応器の反応管内で逐次反応する。
【００５０】
図５に示す多管式反応器は、中間管板９で区切られた反応器の上下のエリアで異なる温度の熱媒体が存在するため、反応管内は、１）同一触媒を全体に充填し、反応管の原料ガス入口と出口で温度を変えて反応させるケース、２）原料ガス入口部には触媒を充填し、反応生成物を急激に冷却するため出口部分には触媒を充填せず空筒あるいは反応活性の無い不活性物質を充填するケース、３）原料ガス入口部分と出口部分には異なる触媒が充填され、その間に反応生成物を急激に冷却するため触媒を充填せず空筒あるいは反応活性の無い不活性物質を充填するケースがある。
【００５１】
例えば、図５に示す本発明に用いる多管式反応器にプロピレン、プロパン又はイソブチレンを分子状酸素含有ガスとの混合ガスとして、原料供給口から導入し、まず前段反応用の１段目で（メタ）アクロレインとし、さらに後段反応用の２段目で該（メタ）アクロレインを酸化し（メタ）アクリル酸を製造する。反応管の１段部分と２段部分には別の触媒が充填され、それぞれ異なった温度に制御されて最適な条件で反応が行われる。反応管の前段部分と後段部分の間の中間管板が存在する部分には反応には関与しない不活性物質が充填されることが好ましい。
【００５２】
図６に中間管板を拡大して示す。前段部分と後段部分では異なった温度に制御されるが温度差が１００℃を超えるような時には、高温熱媒体から低温熱媒体への熱移動が無視できなくなり、低温側の反応温度の精度が悪化する傾向がある。このような場合には、中間管板の上あるいは下で熱移動を妨げる断熱が必要となる。図６は断熱板を用いた場合であり、中間管板の下あるいは上の１０ｃｍ程度の位置に２〜３枚の熱遮蔽板１０を設置することにより、熱媒体が充満しているが、流れのない淀み空間１２を形成しこれにより断熱効果を持たせることが好ましい。熱遮蔽板１０は、例えばスペーサーロッド１３により中間管板９に固定される。
【００５３】
図１及び図５には、反応器シェル内の熱媒体の流れ方向が上昇流として矢印で記入されているが、本発明では逆方向でも可能である。熱媒体の循環流の方向の決定に際しては、反応器シェル２及び循環ポンプ７の上端に存在するであろうガス、具体的には窒素などの不活性ガスが熱媒体流に巻き込まれる現象を避けなければならない。熱媒体が上昇流（図１）の場合には、循環ポンプ７内の上部でガスが巻き込まれると循環ポンプ内でキャビテーション現象がみられポンプが破損する最悪の場合もある。熱媒体が下降流の場合は、反応器シェル上部でガスも巻き込み現象がおこり、シェル上部に気相の滞留部ができ、該ガス滞留部の配置された反応管の上部は熱媒体によって冷却されない。
【００５４】
ガス溜まりの防止策はガス抜きラインを設置し、ガス層のガスを熱媒体で置換することが必須であり、そのためには熱媒体に供給ライン８ａの熱媒体圧力を高くし、熱媒体の抜き出しライン８ｂを出来る限り上方に設置することによってシェル内圧力上昇を計る。熱媒体抜き出しラインは少なくとも管板５ａより上方に設置されることが好ましい。
【００５５】
プロピレン、プロパン又はイソブチレンを分子状酸素含有ガスで酸化する多管式反応器において、図１に示す多管式反応器を採用し、プロセスガスが下降流の場合、即ち原料ガスが４ｂから入り生成物が４ａから排出される場合には、反応器の生成物排出口４ａ付近において、目的生成物である（メタ）アクロレインの濃度が高く、反応熱によって加熱されることからプロセスガス温度も高くなる。したがって、この場合には図１の反応器の４ａ以降に熱交換器を設置しプロセスガスを十分冷却し（メタ）アクロレインが自動酸化反応（自己分解反応）を起こさないようにするのが好ましい。
【００５６】
また、図５に示す多管式反応器を採用し、プロセスガスが下降流の場合、即ち原料ガスが４ｂから入り生成物が４ａから排出される場合には、１段目の反応終了点である中間管板９付近においては、目的生成物である（メタ）アクロレインの濃度が高く、反応熱によって加熱されることからプロセスガス温度も高くなる。触媒を１段目（５ａ−６ａ−６ｂ−６ａ−９）のみに充填した場合、反応管１ａ、１ｂ、１ｃの２段目（９から５ｂの間）では反応を実施せず、シェル側流路に流れる熱媒体によってプロセスガスを冷却し、（メタ）アクロレインが自動酸化反応を起こさないようにする。この場合、反応管１ａ、１ｂ、１ｃのエリア（９から５ｂの間）には触媒を充填せず、空筒とするか又は反応活性の無い固体を充填する。熱伝達の特性をよくするためには後者が望ましい。
【００５７】
また、図５に示す多管式反応器の１段目（５ａ−６ａ−６ｂ−６ａ−９）と２段目（９−６ａ’−６ｂ’−６ａ’−５ｂ）に異なる触媒を充填し、１段目でプロピレン、プロパン又はイソブチレンから（メタ）アクロレインを得、２段目で及び（メタ）アクリル酸を得る場合には、１段目の触媒層温度が２段目の触媒層温度に比べ高くなる。具体的には、１段目の反応終了点付近（６ａ−９）及び２段目反応開始点付近（９−６ａ’）が高温となるため、この部分では反応を実施せず、シェル側流路に流れる熱媒体によってプロセスガスを冷却し、（メタ）アクロレインが自動酸化反応を起こさないようにすることが好ましい。この場合、中間管板９付近（反応管１ａ、１ｂ、１ｃの６ａ−９−６ａ’の間）に触媒を充填しない部分を設置し、空筒とするか又は反応活性の無い固体を充填する。熱伝達の特性をよくするためには後者が望ましい。
【００５８】
【実施例】
【００５９】
【実施例１】
プロピレンの酸化反応を実施するに当たり、前段触媒として、Ｍｏ（１２）Ｂｉ（５）Ｎｉ（３）Ｃｏ（２）Ｆｅ（０．４）Ｎａ（０．２）Ｂ（０．４）Ｋ（０．１）Ｓｉ（２４）Ｏ（ｘ）の組成の触媒粉を製造した（酸素の組成ｘは各金属の酸化状態によって定まる値である）。該触媒粉を成型し外径５ｍｍφ、内径２ｍｍφ、高さ４ｍｍのリング状触媒を製造して用いた。
【００６０】
図１に示すタイプの反応器であって、反応管の長さが３．５ｍ、内径２４ｍｍφ、外径２８ｍｍφのステンレス製反応管を１２，０００本有する反応器シェル内径４５００ｍｍφの反応器を用いた。
【００６１】
熱媒体として硝酸塩類混合物溶融塩ナイターを用い、反応器下部より供給した。
【００６２】
熱媒体温度とは、反応器へ供給する熱媒体の温度を示す。そして、熱媒体の流量２５００ｍ３／ｈｒで運転を行った。
【００６３】
流体解析ソフトＣＦＸ４（ＡＥＡ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ社製）を用いて反応管のサイズや反応管の配置、フィードガス流量、熱媒体の流量等の条件に基づき、熱媒体の流体解析シミュレーションを行ったところ、反応器の中心部分に伝熱係数が５００〜９００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）の領域が存在し、それ以外の部分については伝熱係数は１０００〜１６００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）であった。
【００６４】
伝熱係数が５００〜９００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）の領域にある反応管に金属製の栓をし、ガスが流れないようにした。
【００６５】
それ以外の反応管には上記の前段触媒を１．５リッター充填した。
【００６６】
反応器上部よりゲージ圧７５ｋＰａ（キロハ゜スカル）でプロピレン濃度９容量％の原料ガスを供給した。反応管には管軸方向に１０点の測定点を有する温度計を挿入して温度分布を測定した。特に最も高い温度をピーク温度として表した。
【００６７】
熱媒体温度を３３０℃に設定し１週間運転したところ、プロピレン転化率は９７％で、アクロレインとアクリル酸を合わせた収率は９２％、反応触媒層のピーク温度は３８５度であった。
【００６８】
【比較例１】
実施例１で伝熱係数が５００〜９００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）と低い部分に存在する反応管に設置した、金属製の栓を除去し、この領域にも実施例１で用いたのと同じ前段触媒を１．５リッター充填した以外は実施例１と同じ条件でテストを実施した。
【００６９】
反応器上部よりゲージ圧７５ｋＰａ（キロハ゜スカル）でプロピレン濃度９容量％の原料ガスを供給した。反応管には管軸方向に１０点の測定点を有する温度計を挿入して温度分布を測定した。
【００７０】
熱媒体温度を３３０℃に設定し１週間運転したところ、プロピレン転化率は９５％で、アクロレインとアクリル酸を合わせた収率は８９％、反応触媒層のピーク温度は反応器中心部が４３０度、それ以外は３８５度であった。
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば、熱媒体の伝熱係数が１０００Ｗ／（ｍ２・Ｋ）以上となる条件下で気相接触酸化反応を行うことにより、反応熱を有効に除去し、ホットスポットの生成を防止し、目的生成物を効率的に得ることができ、また触媒活性の劣化もなく触媒の寿命を長くする、多管式反応器を用いた気相接触酸化方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気相接触酸化方法に用いる多管式熱交換型反応器の一つの実施の形態を示す。
【図２】本発明に係る多管式反応器に用いる邪魔板の一つの実施の形態を示す。
【図３】本発明に係る多管式反応器に用いる邪魔板の一つの実施の形態を示す。
【図４】本発明に係る多管式反応器を上方から見た図を示す。
【図５】本発明の気相接触酸化方法に用いる多管式熱交換型反応器の一つの実施の形態を示す。
【図６】図５の多管式反応器のシェルを分割する中間管板の拡大図を示す。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ、１ｃ　反応管
２　反応器
３ａ、３ｂ　環状導管
４ａ　生成物排出口
４ｂ　原料供給口
５ａ、５ｂ　管板
６ａ、６ｂ　穴あき邪魔板
７　循環ポンプ
８ａ　熱媒体供給ライン
８ｂ　熱媒体抜き出しライン
９　中間管板
１０　熱遮蔽板
１１、１４、１５　温度計
１２　淀み空間
１３　スぺーサーロッド
【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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【図６】
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