(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半径流反応器装置であって、
（ａ）実質的に円筒形の反応器ハウジングであって、該反応器の中心軸の周囲の反応器コア領域を含む反応器内部、該反応器コア領域の第１端に隣接する反応器入口領域、および該反応器コア領域の第２端に隣接する反応器出口領域を画定している反応器ハウジング；
（ｂ）該反応器入口領域に流体反応ストリームを供給する反応器フィード入口；
（ｃ）該反応器内部にあって該反応器コア領域を半径方向に取り囲む第１環形触媒床領域であって、触媒材料からなる第１床をその中に保持し、かつ流体流れを通過させるのに適当なメッシュサイズの多孔質材料からなる実質的に同心の第１床内壁および第１床外壁によって画定されている第１環形触媒床領域；
（ｄ）該第１環形触媒床領域を半径方向に取り囲む第２環形領域であって、該第１環形触媒床領域の外壁が該第２環形領域の内壁を画定している第２環形領域；
（ｅ）該反応器出口領域から流体反応生成物ストリームを回収する反応器生成物出口；ならびに
（ｆ）該反応器コア領域内の該第１環形触媒床領域の外側に該第１床内壁に沿って軸方向に配された複数の熱交換管および／または該第２環形領域内に該第１床外壁に沿って軸方向に配された複数の熱交換管、
を組み合せて有しており、
該反応器内部が、該反応器入口領域から該反応器コア領域へと該触媒床領域のいずれの部分をも通過することなく、実質的に軸方向に続く第１の軸方向部分；該反応器コア領域から、該第１床内壁に沿った各熱交換管のいずれかを横切り、該第１環形触媒床領域を抜け、該第１床外壁に沿った各熱交換管のいずれかを横切って該第２環形領域へと実質的に半径方向に続く半径方向部分；および該第２環形領域から該反応器出口領域へと実質的に軸方向に続く第２の軸方向部分、の順でなる流体ストリーム流路を画定していることを特徴とする半径流反応器装置。
【請求項２】
前記熱交換管が前記反応器コア領域内に配置されている請求項１記載の半径流反応器装置。
【請求項３】
前記熱交換管が、前記流体ストリームが前記第１環形触媒床領域に半径方向に流入する前または前記第１環形触媒床領域から半径方向に流出した後またはその両時点で、実質的に軸方向に均一な熱エネルギー交換を前記流体ストリームに提供することができるように、前記第１環形触媒床領域に対して設けられている請求項１記載の半径流反応器装置。
【請求項４】
前記熱交換管が、前記第１床内壁、または前記第１床外壁、またはその双方の近くに概ね円形の構成で間隔を置いて配置されている請求項１記載の半径流反応器装置。
【請求項５】
前記熱交換管が、前記第１床外壁に沿って概ね円形の構成で間隔を置いて配置されている請求項１記載の半径流反応器装置。
【請求項６】
前記熱交換管の少なくともいくつかがフィン部材を有している請求項１記載の半径流反応器装置。
【請求項７】
前記熱交換管が、軸方向に配置された、流動熱伝達媒体を運ぶ複数の熱交換管からなる請求項１記載の半径流反応器装置。
【請求項８】
前記熱交換管が、軸方向に配置された複数の熱伝導性熱交換管からなり、該熱交換管がそれぞれ、可燃材料の内部被制御燃焼手段、ならびに該可燃材料および酸化剤を該管の内部に供給する手段を有している請求項１記載の半径流反応器装置。
【請求項９】
前記熱交換管が、軸方向に配置され熱伝達媒体が充填された複数の熱交換管と、該熱伝達媒体を加熱または冷却する手段とを有している請求項１記載の半径流反応器装置。
【請求項１０】
前記加熱手段が電気抵抗加熱器からなる請求項９記載の半径流反応器装置。
【請求項１１】
前記反応器内部内に、前記第２環形領域を半径方向に取り囲み、前記触媒材料からなる第１床から半径方向に離隔された第３環形領域であって、触媒材料からなる第２床をその中に保持し、かつ流体流れを通過させるのに適当なメッシュサイズの多孔質材料からなる実質的に同心の第２床内壁および第２床外壁によって画定された第３環形領域；および該第３環形領域を半径方向に取り囲む第４環形領域をさらに有する請求項１記載の半径流反応器装置。
【請求項１２】
前記第２環形領域内に配置された熱交換管を有する請求項１１記載の半径流反応器装置。
【請求項１３】
前記反応器コア領域内に配置された流体変位手段をさらに有する請求項１２記載の半径流反応器装置。
【請求項１４】
前記反応器コア領域内に配置された第１熱交換管群と、前記第２環形領域内に配置された第２熱交換管群とを有する請求項１１記載の半径流反応器装置。
【請求項１５】
前記反応器コア領域内に配置された第１熱交換管群、前記第２環形領域内に配置された第２熱交換管群、および前記第４環形領域内に配置された第３熱交換管群を有する請求項１１記載の半径流反応器装置。
【請求項１６】
半径方向に間隔を置いて配置された複数の環形触媒床を有し、該触媒床がそれぞれ触媒材料をその中に保持し、かつ流体流れを通過させるのに適当なメッシュサイズの多孔質材料からなる実質的に同心の内壁および外壁によって画定され、さらに、隣接する各触媒床を分離する少なくとも１つの環形領域の内部に軸方向に配置された熱交換管群を有する請求項１記載の半径流反応器装置。
【請求項１７】
流体反応ストリームを実質的に円筒形の反応器内に収容された触媒材料と接触させることによって処理する方法であって、該反応器が、該反応器の中心軸の周囲の反応器コア領域、該反応器コア領域の第１端に隣接する反応器入口領域、該反応器コア領域の第２端に隣接する反応器出口領域、少なくとも、該反応器コア領域を半径方向に取り囲み、多孔質材料からなる実質的に同心の第１床内壁および第１床外壁によって画定される第１環形触媒床、および該第１環形触媒床を半径方向に取り囲む第１環形収集領域を有しており、さらに該反応器コア領域内に該第１床内壁に沿って軸方向に配された熱交換管および／または該第１環形収集領域内に該第１床外壁に沿って軸方向に配された熱交換管を有している処理方法であって：
（ａ）流体反応ストリームを、該反応器入口領域から該反応器コア領域へと、該第１環形触媒床のいずれの部分をも通過することなく実質的に軸方向に流す工程；
（ｂ）該流体反応ストリームを、該反応器コア領域から、該第１床内壁に沿ったいずれかの熱交換管を横切り、該第１環形触媒床に入って抜けるように実質的に半径方向に流し、それによって該流体反応ストリームを触媒に接触させて第１床生成物ストリームを生成する工程；
（ｃ）該第１床生成物ストリームを、該第１環形触媒床を抜け、該第１床外壁に沿ったいずれかの熱交換管を横切って、該第１収集領域へと実質的に半径方向に流す工程；および
（ｄ）該第１床生成物ストリームを該第１収集領域から該反応器出口領域へと実質的に軸方向に、あるいは隣接する第２環形触媒床へと実質的に半径方向に流す工程、
を上記の順に有することを特徴とする処理方法。
【請求項１８】
前記熱交換管が、前記第１床内壁、前記第１床外壁、またはその双方の近くに概ね円形の構成で間隔を置いて配置されている請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記熱交換管が、前記第１床外壁の近くに概ね円形の構成で間隔を置いて配置されている請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
前記熱交換管の少なくともいくつかがフィン部材を含んでいる請求項１７記載の方法。
【請求項２１】
前記熱交換管が流動熱伝達媒体を運ぶ請求項１７記載の方法。
【請求項２２】
前記熱交換管が、可燃材料および酸化剤を該管の内部に供給することによる該可燃材料の内部被制御燃焼によって加熱される請求項１７記載の方法。
【請求項２３】
前記熱交換管が電気抵抗加熱部品を有している請求項１７記載の方法。
【請求項２４】
前記反応器内部がさらに、前記第１環形収集領域を半径方向に取り囲む同心の第２床内壁および第２床外壁によって画定された第２環形触媒床ならびに該第２環形触媒床を半径方向に取り囲む第２環形収集領域を有しており、かつ、前記第１床生成物ストリームを、前記第１収集領域を抜けて該第２環形触媒床中に実質的に半径方向に流入、通過させ、これによって前記第１床生成物ストリームを該第２環形触媒床に含まれる触媒と接触させて第２床生成物ストリームを生成する工程；該第２床生成物ストリームを該第２環形触媒床から流出させて該第２収集領域に実質的に半径方向に流入させる工程；および該第２床生成物ストリームを該第２収集領域から該反応器出口領域へと実質的に軸方向に流す工程をさらに有する請求項１７記載の方法。
【請求項２５】
前記流体反応ストリームを、前記反応器コア領域内に位置する熱交換管と接触させる請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
前記第１床生成物ストリームを、前記第１収集領域内に位置する熱交換管と接触させる工程をさらに有する請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
前記第２床生成物ストリームを、前記第２収集領域内に位置する熱交換管と接触させる工程をさらに有する請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
前記流体反応ストリームを、前記反応器コア領域から、前記反応器内部に半径方向に間隔を置いて配置された、直径が順に増大する複数の追加の環形触媒床中に実質的に半径方向に順々に流入、通過させる工程をさらに有しており、隣接する各触媒床が環形収集領域によって分離されており、触媒床列の最後の触媒床中で最終生成物ストリームを生成する請求項１７記載の方法。
【請求項２９】
半径方向に流れるストリームを、各触媒床間の複数の環形収集領域内に軸方向に配された熱交換管と接触させる工程をさらに有する請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
半径方向に流れるストリームを、各触媒床間の各環形収集領域のそれぞれの中の熱交換管と接触させる工程をさらに有する請求項２８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は一般に、熱エネルギー交換を組み込んだ半径流反応器設計、ならびにこの装置を使用して触媒促進炭化水素処理を実行する方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
周知のさまざまな炭化水素処理操作は、固定床または流動床内の制御された温度／圧力条件下で炭化水素を、選択した触媒と接触させることによって促進される。このような従来の炭化水素処理操作の１つに、水蒸気の存在下でのアルキル芳香族炭化水素の、対応するアルケニル芳香族炭化水素への触媒脱水素、例えば、参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第５，４６１，１７９号（Ｃｈｅｎ他）によって教示されるような、エチルベンゼンを脱水素してスチレンを生成する操作がある。
【０００３】
１列に並んだ２つ以上の触媒床を利用することによって、これらの触媒炭化水素処理操作の効率をしばしば向上させることができる。主として、所望の最終生成物を未反応の炭化水素とともに含む第１の触媒床、または反応域からの流出物が第１の触媒床の下流に配置された第２の触媒床または反応域に供給され、そこで反応がさらに起こって、第２の触媒床または反応域からの流出物中の所望の生成物の濃度がさらに高まる。同じように、第３、第４または追加の下流側直列触媒床／反応域を希望に応じて追加することができる。
【０００４】
２以上の触媒床／反応域間で、次の下流側触媒床／反応域での所望の生成物へのさらなる転化に対して適したものにするために、上流の触媒床／反応域からの流出物を（反応が吸熱反応であるか発熱反応であるかに応じ）加熱または冷却しなければならない場合がある。したがって触媒反応が事実上、基本的に吸熱反応である場合には、下流での触媒転化を効率的にまたはとにかく進行させることを確実にするため、２つの触媒床／反応域間で流出物を加熱しなければならない。
【０００５】
このような吸熱反応の１つが、エチルベンゼンのスチレンへの触媒脱水素反応である。したがって米国特許第５，４６１，１７９号に記載されているように、この特許の上流の触媒反応器５０と下流の触媒反応器５４の間に、上流の反応器５０からの流出物を再加熱するための外部再熱器５２が直列に配置される。このようなエチルベンゼン脱水素反応では一般に、吸熱反応が２以上の単床断熱反応器内で実施され、上流の反応器からの流出物が下流の反応器に供給される前に、外シェルおよび管交換器内で再加熱される。このように再加熱段階を実行すると、（交換器管内での高い摩擦損失による）追加の圧力降下が生じ、追加の配管が必要なために空隙容積（空きスペース）が増大する。系圧力を高めると低価値副生物の収量損を招き、（平衡およびコークス化の影響により）見かけの触媒活性が低下する。空隙容積が大きくなると収量損が生じ、非選択的熱反応を介して望ましくない生成不純物が形成される。したがって、従来のプロセスのこれらの限界を回避する経済的な方法を考案することは非常に有益である。
【０００６】
したがって、多段触媒反応器設計の有用性は、さまざまな物理的、経済的、プロセス的および熱力学的要因によって制限される。空間的な考慮から、一般的にはよりコンパクトな反応器設計が望ましい。エチルベンゼン−スチレン反応などのいくつかの触媒炭化水素反応は、比較的低い運転圧を維持することによって有利になる。エチルベンゼン−スチレンプロセスの反応器段間の流出物に比較的大量の熱を迅速に追加する能力は、経済的、冶金学的および熱力学的な考慮事項によって制限される。したがって過熱水蒸気を使用して流出物を再加熱する場合には、非常に高温の水蒸気を使用して、加えられた有限の水蒸気中の熱エネルギーを十分に供給することが必要になる可能性がある。これによって、再熱器に関してより高価な耐熱性材料を使用する必要が生じる場合がある。したがって、従来技術の反応器設計が本来的に有している問題のいくつかを軽減する改良型の多段触媒反応プロセス設計を開発することが望ましい。
【０００７】
本技術分野では、より知られている軸流（すなわち末端−末端）反応器設計とは対照的に、プロセスストリームの少なくとも一部分がある点で反応器中を半径方向（すなわち内側から外側、または外側から内側）に移動するさまざまな種類のいわゆる半径流または軸流／半径流反応器設計がさまざまな応用に対して知られている。例えば、参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第４，３２１，２３４号には、単一の反応室を含む一種の半径流反応器が開示されている。この装置は、外シェルの内部に配置された通気性円筒形外側触媒保持具と外側触媒保持器の中に配置された通気性円筒形内側触媒保持具とによって画定された円筒間室を備える。反応室内には、垂直に延びる複数の熱交換管が、両方の触媒保持具の共通中心軸と同心の円形群として配置される。フィードガスは外側気体流路または内側気体流路に供給され、全半径方向に半径方向外側または半径方向内側に向かって同時かつ均一に流れる。すなわち気体は、触媒床の断面の環状の広がり全体を通過する。
【０００８】
参照によって本明細書に組み込まれる別の特許、米国特許第４，５９４，２２７号には、直径の異なる２つの共軸円筒によって画定された環状空間の中に充填された触媒床中に半径方向にフィードガスを流す反応器が開示されている。外側触媒保持円筒と内側触媒保持円筒の間に画定された垂直に延びる円筒間環状空間が、半径方向に延びる垂直仕切り壁によって複数の部屋に分割される。触媒反応に適当な温度を維持するための熱交換管が、これらの部屋の中に垂直に配置される。これらの部屋には触媒が充填され、これによってフィードガスがその中を半径方向に流れる反応室が形成される。この反応器が間接的に加熱され、対流熱伝達に依存することがこの熱交換器から明らかである。
【０００９】
参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第４，９０９，８０８号は、環形の触媒反応管を有する円筒構造の中に含まれる水蒸気改質器を提供することによって特許第４，５９４，２２７号の反応器設計を改良した。外部加熱装置を使用して反応器管中に高温気体を導入するのではなく、本発明は、円筒構造の中央に配置した一種の触媒燃焼器を利用する。したがって２つの異なる触媒反応、すなわち水蒸気改質器の触媒反応管に共通の反応と水蒸気改質器に必要な熱を作り出す第２の反応が起こる。この熱源の内部配置および触媒燃焼器の使用は、放射と対流の両方によって熱伝達を強化する。これらの特性の改良は主に、触媒床の内部で起こっている反応が必要とする熱量が反応器の外部の燃焼ガスの熱および温度と一致するように熱流束（反応器管の外側の燃料から使用可能な熱量）を制御することができることによる。
【００１０】
別のいわゆる半径流触媒反応器が、参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第４，７１４，５９２号に示されている。標的触媒反応が発熱反応であるため、このケースでは反応環境から過剰な熱を除去する必要がある。これは、触媒床を貫通する冷却液流路構造中を循環して反応熱を吸収する冷却液を含む入口および出口管によって達成される。少なくとも部分的に半径流反応器設計を示すその他の特許には、やはり参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第４，２３０，６６９号、５，２５０，２７０号、５，５８５，０７４号などがある。
【００１１】
しかし以上に述べた特許には、触媒反応が現実に極めて吸熱的または発熱的であり、そのため単一触媒床の前および／または後、あるいは連続触媒床の前、後、および／または間で、プロセスストリームへの非常に均一なかなりの入熱またはプロセスストリームからの除熱が必要な炭化水素の効率的な単段または多段半径流反応器処理に真に適した反応器設計は示されていない。従来技術の反応器のこれらの欠点および限界ならびにその他の欠点および限界は、本発明の反応器設計によって完全にまたは部分的に克服される。
【００１２】
【発明の目的】
したがって本発明の主な目的は、炭化水素の単段または多段触媒床処理用の半径流反応器設計に組み込まれた熱エネルギー交換手段を提供することにある。
【００１３】
本発明の一般的な目的は、炭化水素の単段または多段触媒床処理のコンパクトで効率的かつ経済的な手法を提供することにある。
【００１４】
本発明の特別の目的は、改良型の半径流反応器設計、ならびに前記設計を、直列触媒床の前、後および／または間、あるいは単一触媒床の上流および／または下流で熱を付加または除去する熱エネルギー交換システムを組み込んだ炭化水素の単段または多段触媒床処理に関連して使用する方法を提供することにある。
【００１５】
本発明の他の特別の目的は、アルキル芳香族炭化水素から対応するアルケニル芳香族炭化水素、具体的にはエチルベンゼンからスチレンへの単段または多段触床脱水素操作を達成するための改良型の半径流型反応装置および方法を提供することにある。
【００１６】
本発明のその他の目的および利点のあるものは明らかであり、またあるものは以下で明らかにする。したがって本発明は、以下の説明および添付図面によって例示される複数の段階およびさまざまな構成要素、ならびにこのような１つまたは複数の段階および構成要素の相互の関係および順序を含む方法および関連装置を含む。ただしこれらに限定されるわけではない。本明細書に記載する方法および装置のさまざまな修正および変形が当業者には明白であり、このような修正および変形は全て本発明の範囲に含まれる。
【００１７】
【発明の概要】
本発明では、１つまたは複数の環形触媒床が反応器シェルの内部に含まれ、加熱または冷却が、反応器内部のコア領域および／または直列触媒床間の環状領域、あるいは単一の触媒床の前方および／または後方で実施される。代表的な一実施形態では、内側の第１の触媒床を出た後に、プロセスストリームが１列または数列の加熱（または冷却）管列などの加熱（または冷却）手段を含む再熱（または冷却）環を実質的に半径方向に通過し、その後、（穴の開いたまたはスロットが切られた一組のプレートなどの）混合部品を通過して、外側の第２の環状触媒床に入る。本発明の代表的な一実施形態では、加熱（または冷却）管の内部を流れる熱伝達媒体がプロセスガスに熱を供給する（またはプロセスガスから熱を回収する）。この方式によって、従来の外部シェルおよび管熱交換器の使用に比べ、再加熱による圧力降下が無視できるほどになり、空隙容積が大幅に低減する。その結果、プロセス収率は向上し、２つの以上の容器および関連配管の排除によって装置コストの大幅な削減が達成される。
【００１８】
本発明の加熱または冷却手段は、一般に少なくとも１つの環状触媒床に対して、１つまたは複数の環状触媒床中半径方向に流入または流出する気体状プロセスストリームが希望に応じて加熱または冷却されるように配置された熱交換装置を有する。一実施形態では、熱交換装置が、単一の環状触媒床の環、または半径方向に離隔した一連の同心環状触媒床の最も内側の触媒床の環の内側の反応器のコア領域に配置される。他の実施形態では熱交換装置が、単一の環状触媒床の外周を取り囲む環状領域に配置される。他の実施形態では、第１の熱交換装置が反応器のコア領域に配置され、第２の熱交換装置が単一の環状触媒床の外周を取り囲む環状領域、または内側の第１の環状触媒床を外側の第２の環状触媒床から分離する環状領域に配置される。同様に、半径方向に離隔された追加の同心環状触媒床を反応器内に配置することができ、追加の熱交換装置を、いくつかの環状触媒床の間または全ての環状触媒床の間、ならびに最も外側の触媒床を取り囲む環状領域に配置することができる。
【００１９】
【好ましい実施形態の詳細な説明】
図１の正面断面図に、本発明に基づく多段環状床半径流反応器１０を示す。反応器１０は、概ね円筒形の外シェルまたはハウジング１２、ならびにその中に含まれ、互いに半径方向に実質的に均等に離隔され、環状再熱（または冷却）領域または熱エネルギー域１８によって分離された２つの環状触媒床または反応域１４および１６を備える。内床１４の内壁および外壁（符号２０および２２）ならびに外床１６の内壁および外壁（符号２４および２６）を画定する概ね円筒形でかつ実質的に同心の各壁部分（図２参照）は、過度の抵抗または大きな圧力降下なしに流体流れストリームを通過させ、かつその中に触媒材料を保持するのに十分な大きさのメッシュサイズを有するスクリーンまたは多孔質材料からなる。
【００２０】
図１で、内床１４の外壁２２が再熱（または冷却）域１８の内壁を形成し、外床１６の内壁２４が再熱（または冷却）域１８の外壁を形成することは明らかである。さらに、図１には、半径方向に離隔された２つの環形触媒床が単一の環形再熱（または冷却）域によって分離された本発明の一実施形態が示されているが、別の環状再熱（または冷却）域によってすぐ内側または外側の触媒床から分離され、半径方向に離隔された追加の環状触媒床を追加することができることは当業者には明らかである。図３および図４に関して論じるように反応器内で触媒床を１つだけ使用するときには、再熱（または冷却）域を触媒床の前方または後方、あるいは図３および図４に示すように触媒床の前方と後方の両方に配置することができる。
【００２１】
内床１４の内壁２０は、反応器１０の共通中心軸から半径方向に離隔され、内部円筒形のコア領域３０を画定する。反応器内で適当な温度および圧力で処理する炭化水素を含む反応器入口フィードまたは反応ストリーム６０が、反応器入口３２を通して反応器１０の領域３０に供給される。図１には、反応ストリーム６０が反応器１０の底部に供給され、生成物ストリーム６４が反応器１０の頂部から回収されるように示されているが、この半径流装置の動作に影響を与えることなくこの配置を逆にすることができることを理解されたい。したがって、反応ストリーム６０を反応器１０の頂部に供給し、生成物ストリーム６４を反応器１０の底部から回収することも本発明の範囲に含まれる。
【００２２】
図１には、反応ストリーム６０が反応器１０のコア領域３０に供給され、生成物ストリーム６４が反応器１０の最も外側の環状領域２８から回収されるように示されているが、この半径流装置の動作に影響することなしこの配置を逆にすることができることを理解されたい。したがって、反応ストリーム６０を反応器１０の最も外側の環状領域２８に供給し、生成物ストリーム６４を応器１０のコア領域３０から回収することも本発明の範囲に含まれる。
【００２３】
例えばスチレンプラントでは、フィードストリーム６０はエチルベンゼンと水蒸気の混合物を含む。図１の本発明の実施形態では、図１に示す変位円筒などの適当なサイズおよび形状の流体変位手段３４を任意選択で領域３０の内部に配置することができる。このような変位円筒３４の目的は、入ってきたフィードストリーム６０が実質的に半径方向に第１の触媒床中へ向かうのを助け、望ましくない化学反応が生じる可能性のある領域３０内でのフィードストリームの滞留時間を最小化することにある。図１の矢印は、フィードストリーム６０が実質的に半径方向に触媒床１４中へ向かうのを円筒３４がどのように助けるかを示す。図１のプロセスストリームの矢印によって示されるように、壁２０に隣接した触媒床１４の一部分では、プロセスストリームの流れに比較的に小さな軸方向の成分が生じる可能性がある。同様に、壁２６に隣接した触媒床１６の一部分でも、プロセスストリームの流れに比較的小さな軸方向の成分が生じる可能性がある。しかし、触媒床１４および１６の大部分、および熱交換域１８の実質的に全ての部分では、プロセスストリームの流れの方向は事実上完全に半径方向である。この点が、反応器内でのプロセスストリームの半径流が部分的または最小限でしかないか、または本発明の一方向半径流（外向きまたは内向き）とは対照的に内向きと外向きの両方の半径流がある前述の従来技術の装置の多くから本発明が区別される点である。
【００２４】
図１に示すとおり、炭化水素フィードストリームは実質的に半径方向に触媒床１４を通過し、その結果、この炭水化物が少なくとも部分的に所望の最終生成物に転換される。壁２２を通過して床１４から実質的に半径方向に現れる流出生成物ストリーム６２は環状再熱域１８に直接に入る。床１４で起こる触媒反応が、エチルベンゼンからスチレンへの転化などの吸熱反応である場合、床１４からの流出生成物ストリーム６２は入ってきたフィードストリーム６０よりも温度が下がっており、第２の触媒床１６に通す前に域１８で再加熱して最適温度に戻しておく必要がある。
【００２５】
熱エネルギーを生成し伝達するさまざまな手法および熱交換装置を有利に適合させて、反応器１０の再熱域１８に熱を供給するようにすることができる。図１および図２に示した１つの手法は、軸方向に配置された一組の熱伝導性熱交換（すなわち加熱または冷却）管４０を域１８に挿入し、域１８の中を通し、域１８から外に戻すものである。適当な熱伝達媒体／流体を内部に含む管４０の外面はそのままでもよいしフィンを取り付けてもよい。熱の追加または除去を実行するのに必要な管の本数、したがって管を設置するのに必要な環状領域１８の大きさを大幅に減らすことができるため、フィンを付けたほうが好ましい。
【００２６】
域１８の加熱管群を出たプロセス流体の温度が半径方向に均一に分布するようなことは普通はない。この不均一な温度分布の程度は主として管の間隔および管列の数によって決まる。管の間隔を狭くすれば半径方向の温度不均一分布は緩和されるが、管の本数を増やさなければならない。半径方向の温度不均一分布を修正する好ましい方法は、加熱管群の下流で１つまたは複数の混合装置を使用する方法である。これらの混合プレートが管の中心と整列したスロットまたは垂直な穴列を含むことが好ましい。厳密な熱／物質移動シミュレーションの結果によれば、このような設計によって、圧力降下をあまり増大させることなくこの種の装置内の半径方向の温度不均一分布の程度をある程度減らすことができる。
【００２７】
加熱管の長さに沿って加熱管の壁面温度が不均一であると軸方向の温度不均一分布（すなわち反応器の頂部と底部の間のプロセス流体の温度差）が生じ、触媒性能に不利な影響が生じる。しかし、実質的に軸方向に均一な熱エネルギー交換を提供することができるよう熱交換装置が適当なサイズおよび形状であり、前記第１の触媒床１４に対して適当に配置されることが好ましい。第１の触媒床１４を出たプロセス流体の温度および流量は軸方向に概ね均一であるため、熱交換の軸方向の実質的な均一性を達成する唯一の方法は、何らかの方法で加熱管を頂部から底部まで一定の温度に維持することである。理想的な軸方向温度分布に近づけることは、管側面の温度降下を非常に小さく保つのに十分な速度で加熱媒体（普通は高熱容量液体）を循環させるなど、いくつかの手段によって可能である。
【００２８】
循環させることが実際的ではない（過熱水蒸気などの）気体加熱媒体では、複数のパス管の使用によってプロセス流体の軸方向の温度勾配の発生を最小限に抑えることができる。同様に、非常に安定な熱伝達流体、融解塩などの循環液を介してプロセス流体に熱を供給することができる。液循環速度は、加熱管に沿った温度降下が最小限に抑えられるような十分に大きなものでなければならない。これらの場合では、熱は、燃焼式加熱器または電熱器によって外部から熱伝達流体に供給される。しかし、当業者には、再熱域１８に熱エネルギーを供給するその他の技術も明らかである。
【００２９】
ある特定の炭化水素処理操作においては、再熱域１８に熱エネルギーを供給するいくつかの技術が特定の相乗作用および／または有効性を有するが分かっている。一例として、燃焼加熱、電気抵抗加熱などによって管の内部の加熱媒体に熱を直接に供給することは、とりわけエチルベンゼン脱水素によるスチレンの製造において有用である。
【００３０】
従来のエチルベンゼン−スチレン脱水素プロセスでは、炭化水素フィードと一緒に供給される水蒸気を加熱媒体として、また平衡の限界を克服し触媒のコークス化を防ぐために必要な要件である反応物の分圧を下げるための希釈剤として使用する。このタイプの系の限界は必要なメタラジのタイプおよび再熱交換器の物理的なサイズである。同様に、これらの限界は、再熱がシェルおよび管交換器内で外部的に実行されるのか、または同じ容器に含まれる半径方向に離隔した２つの環状触媒床間の環状空間内で内部的に実行されるのかに関わらず存在する。
【００３１】
非常に安定で活性な脱水素触媒の出現で、このプロセスに必要な水蒸気量が、触媒の制約およびプロセス熱交換装置、具体的には再熱交換器の温度限界によって厳しく支配されることはなくなった。以前の脱水素触媒は、炭化水素フィード１モルあたり８〜１２モル程度の水蒸気を必要としたが、より新しい触媒製品は、炭化水素フィード１モルあたり５〜７モルの水蒸気しか必要としない。
【００３２】
エチルベンゼン−スチレン脱水素プロセスでは一般に、１４５０°Ｆ（約７９０℃）〜１６５０°Ｆ（約９００℃）のプロセス水蒸気が再熱器に供給される。１５００°Ｆ（約８２０℃）以下の温度では３０４ＳＳが経済的かつ実際的な構造材である。しかし水蒸気−炭化水素比が低い（５〜７モル水蒸気／モル炭化水素）触媒に対して一般的に必要な１５００°Ｆ以上の温度では、８００Ｈ／ＨＴなどの高価な耐熱性合金を指定しなければならない。あるいは、装置コストの増大および追加の圧力降下（特に外シェルおよび管交換器の場合）と引き替えに熱伝達領域を広げることによって、水蒸気の最高温度を下げることができる。
【００３３】
これらの限界は、水蒸気ストリームの加熱媒体としての役割とプロセス希釈剤としての役割を分離することによって克服することができる。これは、前述の方法でプロセスに熱を直接に供給することによって達成することができる。直接加熱の例には、水蒸気、煙道ガス、融解塩などの加熱媒体の循環、電気抵抗加熱、熱管自体の内部での燃料の燃焼などがある。
【００３４】
外側がプロセス流体と接触した熱管の内部に熱を直接に供給する、部分的に有効な１つの方法は、燃料ガス（水素、炭化水素など）の無炎燃焼によるものである。このような無炎燃焼設計の１つが、参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第５，２５５，７４２号および５，４０４，９５２号によって教示されている。この方法の利点の１つは、管内部での適当な燃料分布によって達成される比較的均一な管温度分布である。したがって米国特許第５，２５５，７４２号および５，４０４，９５２号の方法の適用は、単床または多床半径流反応器内で再加熱が実施される本発明のプロセス体系に特に有利である。
【００３５】
熱管の内部で燃料を燃焼する別の方法は、焼結金属、細孔性セラミックスなどの多孔質材料の使用を含む。この代替形態では、内管が多孔質材料から構築され、外管が燃焼室として機能する２重管配置が利用される。代替形態としては、内側の多孔質管を通して燃料を供給し、外管の環の中を流れる気流中に燃料を噴射することが考えられる。
【００３６】
このように再加熱され、再熱域１８から実質的に半径方向に流れる流出生成物ストリーム６２は次いで、壁２４を通過して第２の触媒床１６の中に入り、プロセスストリームが実質的に半径方向に床１６を通過するときに未反応炭化水素の反応／転化がさらに起こる。触媒床１６から現れた流出生成物ストリーム６４は壁２６を通過して、１つの側を壁２６によって、さらにもう一方の側を反応器１０のシェルまたはハウジング部材部分１２の内面とによって画定された最も外側の環状収集領域２８に入る。収集領域２８で、流出生成物ストリーム６４は概ね軸方向に反応器出口３６へ向かって流れ、そこで流出生成物ストリーム６４は反応器出口３６を通って反応器１０を出て、所望の生成物の回収を含む、成分のさらなる処理および分離のため下流に送られる。前述のとおり生成物ストリーム６４は、反応器１０の頂部から回収する代わりに底部から回収してもよく、環２８から回収する代わりにコア３０から回収してもよい。
【００３７】
図３および４に、本発明の半径流反応器の他の実施形態を示す。この実施形態では半径流反応器１１０が、概ね円筒形の外シェルまたはハウジング１１２、その中に含まれた単一の環状触媒床または反応域１１４、および反応域１１４に周囲を取り囲まれ、触媒床１１４の内壁１２０によって画定された概ね円筒形の領域を含む反応器コア域１３０を含む。さらにこの実施形態ではコア域１３０の内部に、反応器入口１３２を通してコア域１３０に供給された反応器入口フィードまたは反応ストリーム１６０を加熱（または冷却）する熱交換装置１５０が配置される。この実施形態では熱交換装置１５０が、図１および図２に関連して先に説明したものなどの適当な任意の加熱（または冷却）手段を備えることができ、入ってきたフィードまたは反応ストリーム１６０を実質的に半径方向に触媒床１１４の中に通す前にこの反応ストリームに熱交換を提供する働きをする。
【００３８】
図３では、反応ストリーム１６０が反応器１１０の底部を通してコア域１３０に供給されるように図示されているが、図１および図２の実施形態について先に述べたように、反応ストリーム１６０を反応器１１０の底部を通してではなく頂部を通して供給し、かつ／または反応ストリーム１６０をコア域１３０に供給するのではなく最も外側の環状領域１１８に供給することも本発明の範囲に含まれる。
【００３９】
例えばスチレン操作では、図３に示すフィード／反応ストリーム１６０がエチルベンゼンと水蒸気の混合物からなることができる。フィードストリーム１６０は、熱交換装置１５０との接触によってコア域１３０内で適当な温度にまで加熱され、次いで、実質的に半径方向に内壁１２０を通過して触媒床１１４に入り、この中を通過する。その結果、炭化水素が少なくとも部分的に所望の最終生成物に転化される。床１１４から外壁１２２を通過して実質的に半径方向に現れた流出生成物ストリーム１６２は、収集域または再加熱（または冷却）域、あるいはその両方とすることができる環状域１１８の中に直接入る。
【００４０】
図３および図４に実際に示すように反応器１１０が単床反応器からなる場合、域１１８は、収集または収集／加熱（または冷却）域であり、この中で流出生成物ストリーム１６２は概ね軸方向に反応器出口１３６へ向かって流れ、反応器出口１３６を通して反応器１１０へ出、さらなる処理のため下流に送られる。先に論じたように、生成物ストリーム１６４を反応器１１０の底部から回収すること、および／またはコア域１３０から回収することも本発明の範囲に含まれることを理解されたい。図３および図４に示すこの実施形態の変形形態では、流出生成物ストリーム１６４を下流での処理により適したものにするために第２の熱エネルギー交換装置１４０を域１１８に配置することによって、収集域１１８が再加熱（または冷却）域としての役割も果たす。
【００４１】
あるいは本発明のこの実施形態の別の変形形態（図示せず）では、反応器１１０が、図１および図２に示したものと同様の多床反応器を有することができる。この実施形態では、１つまたは複数の追加の同心環状触媒床（図１および図２の床１６に相当する）が反応器１１０の内部に配置される。この変形形態では、最も内側の床１１４を取り囲む環状域１１８が、流出生成物ストリーム１６２が実質的に半径方向に沿って域１１８を通過し、第２の（または次の）触媒床の中に入るときに、これを再加熱（または冷却）する第２の熱エネルギー交換装置１４０を有していても、有していなくてもよい。
【００４２】
この実施形態では、最も外側の触媒床を取り囲む環状収集領域（図１および図２の領域２８に相当する）を利用して、最も外側の触媒床の外壁から現れた流出生成物ストリームを集め、この生成物ストリームを概ね軸方向に反応器出口１３６へ向けて流す。いくつかの実施形態では、この多床半径流反応器の環状収集領域が、反応器出口１３６に向かう途中で流出生成物ストリームを加熱（または冷却）する追加の熱エネルギー交換装置を含む。
【００４３】
本明細書の発明の範囲から逸脱することなしに、前述の装置および方法にその他の変更および修正を加えることができることは当業者には明らかであり、また、以上の説明に含まれる全ての事項は例示的なものと解釈すべきであり、限定的な意味で解釈してはならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  組込み床間熱エネルギー交換を使用した本発明に基づく多段環状床半径流反応器の一実施形態の正面断面図である。
【図２】  図１の線２−２に沿った反応器の上面断面図である。
【図３】  単段環状触媒床および反応器のコアと触媒床を半径方向に取り囲む環状領域の両方に組み込まれた熱エネルギー交換を使用した本発明に基づく半径流反応器の第２の実施形態の正面断面図である。
【図４】  図３の線４−４に沿った反応器の上面断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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