(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応器（１）の長手方向に相互に平行に配列されていてそれらの両端の各々で管板（３）内に溶接されている触媒管（２）束の触媒管（２）内に用意されている固体触媒の存在下での一酸化炭素および塩素の気相反応によりホスゲンを調製するための円筒形反応器（１）であって、
前記触媒管（２）の上端における出発材料の導入および触媒管（２）の下端におけるガス状反応混合物の放出を、いずれの場合にも１つのキャップを経由して、およびさらにシェル内の触媒管（２）間の空間（４）内の液体伝熱媒体（６）用の導入および放出設備を用いて行い、ここで触媒管（２）間の中間空間（４）内の伝熱媒体（６）の流動は前記反応器の内壁において対向する両側で交互開口部（７）を空けている偏向板（５）によって誘導され、
前記開口部では偏向板（５）は円の部分形状を有する切り欠きを有しており、反応器（１）は開口部（７）の領域内には管を有しておらず、このとき触媒管（２）と伝熱媒体（６）との界面での伝熱係数は、触媒管（２）の変化した配列によって、２つの連続する偏向板（５）間の水平面にある触媒管（２）を通る横断面内で触媒管（２）束の側面境界が円の部分（９）から円弧形に変化させられるような方法で、相互に適応させられる伝熱媒体（６）の流動方向においていずれの場合にも最初の触媒管から最後の触媒管（２）までを評価すると、各反応器横断面における伝熱媒体（６）の流路毎に各反応器横断面にわたって一様化されている反応器。
【請求項２】
各反応器横断面内において伝熱媒体（６）の流動方向において最初の触媒管から最後の触媒管（２）までの評価で、各反応器横断面内の伝熱媒体（６）の流路が、ダミー管（８）の据え付けによってさらに相互に適応する請求項１に記載の反応器。
【請求項３】
触媒管（２）の前記変化した配列は、前記触媒管（２）の束の２つの対向する側面境界を円の弦（９）から円弧に変化させることによって引き起こされる請求項１または２に記載の反応器。
【請求項４】
触媒管（２）の束の前記対向する側面境界は、円の弦（９）から円弧に内在する折れ線に変化させられる請求項１または２に記載の反応器。
【請求項５】
偏向板（５）の反対側に位置する交互開口部（７）は、触媒管（２）の束の前記側面境界に適応させられる、請求項１〜４のいずれかに記載の反応器。
【請求項６】
反応器（１）の内部領域に、流動妨害性内部構造物が提供される、請求項１〜５のいずれかに記載の反応器。
【請求項７】
固体触媒の存在下での一酸化炭素および塩素の気相反応によりホスゲンを調製するための方法であって、
前記固体触媒を含む触媒管（２）の束を有し、該触媒管（２）はそれらの両端の各々で管板（３）内に溶接されている反応器（１）内で、前記触媒管（２）の上端における出発材料の導入および触媒管（２）の下端におけるガス状反応混合物の放出を、いずれの場合にも１つのキャップを経由して、およびさらにシェル内の触媒管（２）間の空間（４）内の液体伝熱媒体（６）用の導入および放出設備を用いて行い、ここで触媒管（２）間の中間空間（４）内の伝熱媒体（６）の流動は前記反応器の内壁において対向する両側で交互開口部（７）を空けている偏向板（５）によって誘導され、
前記開口部では偏向板（５）は円の部分形状を有する切り欠きを有しており、反応器（１）は開口部（７）の領域内には管を有しておらず、
前記反応器（１）の長手方向に相互に平行に配列されている多数の前記触媒管（２）は、触媒管（２）を有していない領域によって相互から分離されている同一触媒管（２）の２つの束に配列されており、
触媒管（２）と伝熱媒体（６）との界面での伝熱係数は、触媒管（２）の変化した配列および／またはダミー管（８）の据え付けによって、２つの連続する偏向板（５）間の水平面にある触媒管（２）を通る横断面内で触媒管（２）束の側面境界が円の部分（９）から円弧形に変化させられるような方法で、相互に適応させられる伝熱媒体（６）の流動方向においていずれの場合にも最初の触媒管から最後の触媒管（２）までを評価すると、各反応器横断面における伝熱媒体（６）の流路毎に各反応器横断面にわたって一様化される方法。
【請求項８】
各反応器横断面内において伝熱媒体（６）の流動方向において最初の触媒管から最後の触媒管（２）までの評価で、各反応器横断面内の伝熱媒体（６）の流路が、ダミー管（８）の据え付けによってさらに相互に適応する請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体触媒の存在下での一酸化炭素および塩素の気相反応によってホスゲンを調製するための反応器および方法に関する。
【０００２】
ホスゲンは、固体触媒、好ましくは活性炭の存在下での一酸化炭素および塩素の触媒気相反応において工業的に調製される。この反応は強度に発熱性であり、生成エンタルピーは−１０７．６ｋＪ／ｍｏｌである。この反応は一般に、Ｕｌｌｍａｎｎｓ  Ｅｎｚｙｋｌｏｐａｅｄｉｅ  ｄｅｒ  ｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅｎ  Ｃｈｅｍｉｅ，ｖｏｌ．Ａ１９の第４１３〜４１４頁に記載された方法を使用してシェルアンドチューブ（ｓｈｅｌｌ−ａｎｄ−ｔｕｂｅ）反応器内で実施される。この文献によると、３〜５ｍｍの範囲内の粒径を有する粒子状触媒が５０〜７０ｍｍの内径を有する管内で使用される。この反応は４０〜５０℃で始まり、管内の温度は約５８０℃へ上昇し、その後は再び低下する。一酸化炭素は、全塩素を反応させ、塩素を含有しないホスゲンを入手することを保証するために、わずかに過剰で使用される。この反応は、冷却水によってホスゲンを凝縮できるように、大気圧下または超大気圧下、多くの場合２〜５ｂａｒで実施できる。
【０００３】
ホスゲンは、化学のほぼ全部門において中間体および最終生成物の調製における重要な助剤である。量に関する最大の使用分野は、ポリウレタン化学のためのジイソシアネート類、特にトリレンジイソシアネートおよび４，４−ジイソシアナトジフェニルメタンの調製である。
【０００４】
触媒管の間を循環する伝熱媒体による反応熱をより良好に除去するために、触媒管間には、伝熱媒体が触媒管を横断して流動するのを誘導するために偏向板が据え付けられる。
【０００５】
ホスゲンを調製するための公知のシェルアンドチューブ反応器は、反応器内部の空間の最大活用を達成するために管の完全装備を有する。公知のシェルアンドチューブ反応器は、触媒管の間に比較的短く保持される偏向板を有している、つまり偏向板は偏向領域内で反応器の内壁にまで届いておらず、その代わりに、伝熱媒体が経験する圧力損失、および伝熱媒体用の循環ポンプのための操業コストを制限するために、全反応器横断面の約２５〜３０％の比率を空いた状態にする。偏向領域では、触媒管の周囲の伝熱媒体の流動プロファイルは、管への横断流から管に沿った縦断流に変化する。触媒管は余り効率的には冷却されず、その結果として偏向領域における触媒管上では腐食問題が発生する。
【０００６】
国際公開第０３／０７２２３７号は、ホスゲンを調製するための改良された反応器であって、偏向領域内での触媒管についての腐食問題を回避することによって、増加した比横断面負荷およびより高い容量を可能にする反応器について記載している。このために、国際公開第０３／０７２２３７号は、該反応器の長手方向に相互に平行に配列されており、該反応器の両端の各々でキャップを用いて管板（ｔｕｂｅ  ｐｌａｔｅ）の両端で固定されている触媒管の束、ならびに該触媒管間の中間空間内で該反応器の長手方向に垂直に配列されていて該反応器の内壁の交互の反対側では開口部を空けている偏向板を有する反応器であって、このとき該触媒管には固体触媒が充填され、気体状反応混合物は該触媒管を該反応器の一端からキャップを経由して通過させられ、該反応器の反対側の端部から第２キャップを経由して排出され、液体伝熱媒体は該触媒管の周囲の中間空間を通過させられ、およびこのとき該反応器は該開口部の領域内では管を有していない反応器を提案している。
【０００７】
しかし、相当に大きな直径、特に約３ｍより大きい反応器直径を有する反応器では、反応器直径が増加するにつれて、反応器の内壁にある１つの開口部から反応器の内壁にある反対側の開口部への反応器横断面の上方でシェル内の空間内を流動する伝熱媒体が経験する圧力損失は、過度に大きくなることが見いだされている。さらに、触媒管の外壁と製造目的のために存在する偏向板との間の間隙にわたる伝熱媒体の損失および圧力損失もまた過度に大きくなる。これに対応して、伝熱媒体用のポンプの経費もまた過度に大きくなる。
【０００８】
さらに、反応器の内壁にある２つの対向する開口部間の反応器横断面にわたる大きな圧力損失は、触媒管と伝熱媒体との界面での伝熱係数におけるより大きな差を引き起こし、その結果として反応器横断面内での良好な伝熱を有する領域と不良な伝熱を有する領域との間で１：２の係数が発生する可能性がある。その結果、不良な伝熱を有する領域内の触媒管は余り良好には冷却されない。しかし触媒管は、使用される材料、特に二相鋼に依存して、多くの場合約１６０〜２００℃、特に１７０〜１８０℃の範囲内の、さもなければ材料の腐食が大きく増加するために越えられてはならない最大作動温度を有するので、不良な伝熱を有する領域は、スループット、および反応器の容量を制限する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第０３／０７２２３７号
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｕｌｌｍａｎｎｓ  Ｅｎｚｙｋｌｏｐａｅｄｉｅ  ｄｅｒ  ｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅｎ  Ｃｈｅｍｉｅ，ｖｏｌ．Ａ  １９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
先行技術を考察すると、本発明の課題は、２ｍを超える、もしくは３．５ｍさえ超える大きな反応器直径を有するホスゲンを調製するための工業用反応器を公知の反応器より高いスループットで、触媒管と伝熱媒体との界面での伝熱係数を反応器横断面にわたって適応させることによって同時に腐食問題を減少させながら伝熱媒体の循環量を増加させる必要を伴わずに作動させることを可能にする技術的に単純で洗練された解決策を提供することであった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題は、それらの両端の各々で管板内に溶接されている触媒管の束の触媒管内に用意されている固体触媒の存在下での一酸化炭素および塩素の気相反応によりホスゲンを調製するための反応器であって、いずれの場合にも１つのキャップを経由して該触媒管の上端での出発材料の導入および該触媒管の下端でのガス状反応混合物の放出、およびさらにシェル内の触媒管間の空間内の液体伝熱媒体のための導入および放出設備を用いて、ここで該触媒管間の中間空間内の該伝熱媒体の流動は該反応器の内壁の反対側で空いている交互開口部を有する偏向板によって誘導され、該開口部では該偏向板は円の１区間の形状を有する切り欠きを有しており、該反応器は該開口部の領域内には管を有しておらず、このとき該触媒管と該伝熱媒体との界面での伝熱係数は、該触媒管の変化した配列によって相互に適応させられる該伝熱媒体の流動方向においていずれの場合にも最初の触媒管から最後の触媒管までを測定すると、各反応器横断面における該伝熱媒体の流路毎に各反応器横断面にわたって均等化される反応器によって解決される。
【００１３】
伝熱係数を触媒管と伝熱媒体との界面で実質的な程度まで該反応器横断面にわたって相互に適応させること、およびしたがって高い伝熱係数を有する、つまり不良な伝熱を備える臨界領域を該触媒管の変化した配列によって実質的に縮小させることが可能であることが見いだされている。
【００１４】
伝熱媒体が反応器横断面内の２枚の偏向板間の反応器の外側空間内において、いずれの場合にも反応器の内壁で一方の管を有していない領域（開口部）から反対側の管を有していない領域へ流動するために、圧力損失は伝熱媒体の全流路について同一である。
【００１５】
圧力損失Δｐは、以下の方程式：
【００１６】
【数１】
0005378539.tif 000002
（式中、Δｐは圧力損失（パスカル）、ζ1およびζ2は無次元圧力損失係数、ｌは流路の長さ（ｍ）、ｄRは触媒管の直径（ｍ）（特性パラメータ）、ρは密度（ｋｇ／ｍ3）、ｖは速度（ｍ／ｓ）、ならびにηは粘度（Ｐａ・ｓ）である）によって説明することができる。
【００１７】
上記の式では、第１項は粘度に比例する圧力損失の層流成分に対応し、第２項は速度の二乗に比例する乱流成分に対応する。
【００１８】
各流路についての圧力損失は同一であるので、他の点では変わらない条件下、特に同一の管の分布下では、反応器の内壁での流路に比較して円の弦の形状にある触媒管の束の相互に逆の境界を備える先行技術による反応器の管面の中央部で発生するようなより短い流路については、伝熱媒体の速度は、圧力損失についての上記の式に従うと相応してより大きくなる。伝熱係数αは出力０．８までは速度とほぼ正比例するので、反応器の中央部にある短い流路に比較して反応器の内壁でのより長い流路については、伝熱媒体のより低い流速およびしたがってより低い伝熱係数、すなわちより不良な伝熱が生じる。
【００１９】
本発明による反応器は円筒形であり、好ましくは０．５〜６ｍ、より好ましくは２．５〜６ｍ、特に３．５〜６ｍの内径を有する。
【００２０】
反応器内には、１つの束、すなわち該反応器の長手方向に相互に平行に配列された多数の触媒管が存在する。
【００２１】
触媒管の数は、好ましくは１００〜１０，０００本の範囲内、特に１，０００〜３，５００本である。
【００２２】
触媒管は、耐食性材料、例えばステンレス鋼、好ましくは二相鋼１．４４６２、ステンレス鋼１．４５７１もしくはステンレス鋼１．４５４１またはニッケル基合金もしくはニッケルから作製される。管板または反応器全体もまた、好ましくは上述の材料、特に二相鋼またはステンレス鋼から作製される。
【００２３】
各触媒管は、好ましくは２．０〜４．０ｍｍの範囲内、特に２．５〜３．０ｍｍの肉厚、および２０〜９０ｍｍの範囲内、好ましくは３０〜５０ｍｍの範囲内の管内径を有する。
【００２４】
触媒管は、好ましくは１．５〜６．０ｍの範囲内、特に２．５〜４．５ｍの範囲内にある長さを有する。
【００２５】
触媒管は、好ましくは、直接隣接する触媒管の中点距離対触媒管の外径の比率が１．１５〜１．４の範囲内、好ましくは１．２〜１．３の範囲内にあり、触媒管が反応器内で三角形配列されるように反応器の内部に配列される。
【００２６】
触媒管は、両端で管板に液密法で固定、好ましくは溶接される。管板も、同様に耐食性材料、好ましくはステンレス鋼、特に二相鋼、特に好ましくは触媒管と同一の材料を含んでいる。
【００２７】
反応器の両端は、キャップによって外部から境界されている。反応混合物は、触媒管内へ一方のキャップを通して供給され、生成物流は反応器の他方の端部にあるキャップを経由して排出される。キャップは、好ましくは取り外し可能であるように構成され、好ましくは溶接リップシールが用意される。
【００２８】
キャップ内には、例えば板、特に多孔板の形状にある、ガス流を均等化するためのガス分配器が好ましくは配列される。
【００２９】
偏向板は、触媒管間の中間空間内で反応器の長手方向に垂直に配列されるが、該偏向板は該反応器の内壁の反対側で交互開口部を空けている。偏向板は反応器の内部において触媒管間の中間空間内を循環する伝熱媒体を偏向させるので、伝熱媒体は、熱除去が改良される結果として、触媒管を横断するように流動する。該触媒管に対するこの有益な横断流動を達成するために、該偏向板は該反応器の内壁の反対側で伝熱媒体のための開口部を交互に空けていなければならない。
【００３０】
偏向板の数は、好ましくは約５〜２１枚である。偏向板は、好ましくは相互に等距離にあるが、一番下と一番上の偏向板は各々が２枚の連続する偏向板間の距離より好ましくは約１．５倍管板から遠くに離れていることが特に好ましい。
【００３１】
空けられている開口部は、最初は円の１区間の形状を有する。
【００３２】
本反応器には、開口部の領域内には管がない、すなわちこの領域には本質的に触媒管がない。１つの実施形態では、個々の触媒管を偏向領域の開口部に配列することができる。
【００３３】
また別の実施形態では、開口部には完全に触媒管が存在しない。
【００３４】
全ての偏向板が同一開口部を空けておくことが好ましい。
【００３５】
各開口部の面積は、反応器横断面の好ましくは５〜２０％、特に８〜１４％である。
【００３６】
偏向板は、好ましくは触媒管の周囲でシールを形成せず、伝熱媒体の総流量の４０容積％までの漏れ流れを許容する。このため、触媒管と偏向板との間には０．１〜０．６ｍｍ、好ましくは０．２〜０．４ｍｍの範囲内の間隙が提供される。
【００３７】
偏向板は、内壁で追加の漏れ流れが発生しないように、開口部の領域を除いて反応器の内壁に対して液密に作製することが有益である。
【００３８】
偏向板は、好ましくは耐食性材料、好ましくはステンレス鋼、特に二相鋼から、好ましくは８〜３０ｍｍ、好ましくは１０〜２０ｍｍの厚さで作製される。
【００３９】
触媒管には、固体触媒、好ましくは活性炭が充填される。触媒管内の触媒床は、好ましくは０．３３〜０．５、特に０．３３〜０．４０の空隙容量を有する。
【００４０】
偏向板が最初は円の１区間の形状を有する切り欠きを有しており、このため反応器の内壁で開口部を空けている結果として、管面、すなわち２枚の連続する偏向板間の水平面内の触媒管を通る横断面は同様に、開口部に管が存在しないために、反応器の内壁の反対側で円の１区間の形状を有する２つの切り欠きを有する。
【００４１】
本発明によると、文献の国際公開第０３／０７２２３７号に記載された上述の触媒管の配列を出発点として、触媒管の配列は、管面内の触媒管の束の側面境界を円の弦から円弧へ変化させることによって修正される。この方法で、伝熱媒体の最長流路上の触媒管の数は、先行技術による反応器と比較して、反応器の内壁では最大限に減少させられ、これに対応して反応器の中央部では増加させられる。本発明による触媒管の配列内では触媒管の束の側面境界が円弧形状に精密に対応することは必要ではなく、好ましいのはそれらが円弧形状に近似することだけである。
【００４２】
特に、触媒管の束の側面境界は、いずれの場合にも円弧内に内在する折れ線へいずれの場合にも変化させることができる。
【００４３】
また別の実施形態では、触媒管と伝熱媒体との界面での伝熱係数は、最も不良な伝熱を有する領域内、すなわち伝熱媒体の最長流路を有する反応器の内壁に近い領域内にダミー管を据え付けることによって、またはこの領域から触媒管を取り除くことによって相互に適応させることができる。さらに、比較的不良な伝熱係数を有し、腐食の危険状態にある領域において触媒管を閉鎖することもまた可能である。
【００４４】
偏向板の反対側に位置する交互開口部は、好ましくは触媒管の束の側面境界に適応させることができる。
【００４５】
さらに別の実施形態では、全反応器横断面にわたる伝熱係数のいっそうの均等化を達成するために、流動妨害性内部構造物、例えば有孔板を、伝熱媒体の流路が最短であり、このため伝熱係数が最大である該反応器の内部領域内に提供することができる。
【００４６】
特に、各反応器横断面内で伝熱媒体の流路を均等化するための触媒管の配列の変化は、以下のアルゴリズムによって実行することができる：
−  管面、すなわち反応器横断面内の触媒管の配列が最初に描出されるが、このとき該管面内の触媒管の束の２つの対向する側面境界は円の弦であり、該管面内の伝熱媒体の主要流動方向はｙ座標として指定され、反応器横断面の該管面内のそれに直角にある座標はｘ座標として指定される；
−  管面は、引き続いて円の弦に平行で相互から等距離にあるｎ本の直線に分けられる；
−  ｎ本の直線の各々はそこで自然数ｉ（ｉ＝１〜ｍ）でナンバリングされるｍ個の等距離点に分けられ、最も外側の点、つまり点ｉ＝１および点ｉ＝ｍである点は、各々管面の外側縁、つまり該反応器の壁に位置する；
−  直線上のｉ番目の点は、流路を提供するために相互に接合されるが、いずれの場合にもその長さは以下の繰り返し工程によって適応させられる：
（１）最長流路ｉmaxおよび最短流路ｉminを決定する；２つ以上の最長もしくは最短流路が存在する場合は、無作為に選択する、
（２）最長および最短流路の流路の長さの差、つまり流路長の不均等を決定する；流路長の不均等が流路長の平均値の１％未満である場合は（８）に進む；
（３）最長流路ｉmaxを、２つの最も外側の点、つまりこの流路上の最初の点とｎ番目の直線上の点のｙ座標を一様に減少させ、引き続いてその間に位置する点を等距離で再分配することによって不均等性の２５％短縮する；
（４）最短流路を、管面の面積、つまり２本の円の弦と該反応器のシェルによって境界された面積が以前の繰り返しに比較して変化しないように類似して伸長させる；
（５）最も外側の流路（ｉ＝１およびｉ＝ｍ）ではない流路の場合は、ｘ座標はこれらの点のｙ座標におけるこの変化中に変化させない；
（６）２本の外側曲線の１本の場合には、ｘ座標は、点が反応器シェル上に存在し続けるような方法で変化させる；１つの点をｘ方向に移動させることが必要な場合は、線ｉ＝ｎ上の全部の点をそれらが同様に相互から等距離にあるように移動させる；
（７）（１）へ戻る；
（８）繰り返しの終了。
【００４７】
上記のアルゴリズムでは、反応器の内壁上で相互に反対側の開口部間の、本明細書ではｙ座標と指定される反応器横断面の平面内での伝熱媒体の主要流動方向だけが考察されている。この概論は、触媒管の変化した配列を突き止めるための根拠としては一般的に十分である。
【００４８】
しかし、伝熱媒体の流路についてより精密に考察する場合は、反応器横断面の平面内における上記の流動方向に垂直な流動方向が考慮に入れられなければならず、本明細書ではｘ座標と指定される。
【００４９】
反応器横断面を越えるｙ座標に沿った主要流動方向しか考慮に入れられない場合は、触媒管の配列は、各反応器横断面内の最初の触媒管から最後の触媒管への流路がいずれの場合にも同一であるような方法で変化させられなければならない。
【００５０】
しかし、ｘ方向の流動を均等化するためにはｘ座標に沿った伝熱媒体の流動もまた有益にも考慮に入れられるので、触媒管の配列は、反応器の内壁での伝熱媒体の流路が中心軸に沿って２５％まで短くなるように適合させられなければならない。
【００５１】
国際公開第０３／０７２２３７号に対応する先行技術による反応器に比較して流路が全体的に短縮される結果として、本発明による触媒管の配列によって、伝熱媒体の圧力損失は、伝熱媒体の速度が同一の場合は全体として小さくなる。これに相応して、偏向板と触媒管との間隙を通る伝熱媒体のバイパス流もまた低くなり、循環させなければならない伝熱媒体の量も少なくなる。
【００５２】
本発明は、固体触媒の存在下での一酸化炭素および塩素の気相反応によりホスゲンを調製するための反応器であって、該固体触媒を含む触媒管の束を有する反応器内で、このとき該触媒管はそれらの両端の各々で管板内に溶接されており、いずれの場合にも１つのキャップを経由して該触媒管の上端での出発材料の導入および該触媒管の下端でのガス状反応混合物の放出、およびさらにシェル内の触媒管間の空間内の液体伝熱媒体のための導入および放出設備を用いて、ここで該触媒管間の中間空間内の該伝熱媒体の流動は該反応器の内壁の反対側で交互開口部を空けている偏向板によって誘導され、該開口部では該偏向板は円の１区間の形状を有する切り欠きを有しており、該反応器は該開口部の領域内には管を有しておらず、このとき該触媒管と該伝熱媒体との界面での伝熱係数は、該触媒管の変化した配列によって相互に適応させられる該伝熱媒体の流動方向においていずれの場合にも最初の触媒管から最後の触媒管までを測定すると、各反応器横断面における該伝熱媒体の流路毎に各反応器横断面にわたって均等化される反応器をさらに提供する。
【００５３】
伝熱媒体の流動方向においていずれの場合にも最初の触媒管から最後の触媒管までを測定して、各反応器横断面内の伝熱媒体の流路は、好ましくはダミー管の据え付けによって相互にさらに適応させることができる。
【００５４】
本発明による触媒管の配列は、３．５ｍ以上の直径を有する、ホスゲンを調製するための大型反応器についての各反応器横断面にわたる伝熱係数を国際公開第０３／０７２２３７号に対応する先行技術による反応器の場合の約１３〜２０％の差からたった約８〜１０％までの相当に低い数値へ減少させることを可能にする。
【００５５】
以下では、本発明について実施例および図面を用いて説明する。
【００５６】
ホスゲンは、図１に略図で示した工業用反応器内で比較のための文献国際公開第０３／０７２２３７号から公知の先行技術に対応する触媒管の配列を用いて、および本発明に対応する触媒管の適応させられた配列を用いて調製された。
【００５７】
各々が４４．５ｍｍの外径、２．６ｍｍの肉厚、３，８００ｍｍの長さ、５５ｍｍの管間隔および正三角形の角への配置を備える２，９１４本の触媒管が使用された。
【００５８】
触媒管は、二相鋼１．４４６２から製造された。
【００５９】
反応器は、伝熱媒体としてのモノクロロベンゼンによって冷却されたが、該モノクロロベンゼンは偏向板の周囲を蛇行流動しながら反応器シェル内を上から下へ運ばれた。冷却剤の流速はモノクロロベンゼン１，８００ｔ／ｈであり、モノクロロベンゼンの入口温度は６７℃であり、モノクロロベンゼンの出口温度は、先行技術による例示的な実施例および増加したホスゲン装填量を用いない本発明による例示的な実施例については７８．４℃であったが、ホスゲン装填量を増加させた本発明による例示的な実施例については８０．８℃であった。
【００６０】
一酸化炭素および塩素は触媒管を通して固体触媒としての活性炭の上方を上から下へ通過させられたが、一酸化炭素は３．５重量％過剰であり、反応ガス混合気の入口温度は４０℃および反応混合気の入口圧は４．８ｂａｒ（絶対値）であった。
【００６１】
製造されたホスゲン量は、先行技術による例示的な実施形態および本発明による実施例１ではどちらも２６，７１７ｋｇ／ｈであり、本発明による例示的な第二の実施形態では３２，０６０ｋｇ／ｈであった。
【００６２】
熱除去は先行技術による例示的な実施形態および本発明による例示的な第一の実施形態では８．２５ＭＷ（メガワット）であり、本発明による例示的な第二の実施形態では９．９ＭＷであった。
【００６３】
先行技術による例示的な実施形態の場合は、冷却剤側で１，０００Ｗ／ｍ2／Ｋの最悪伝熱係数に達した。これは熱除去を限定し、ホスゲン２．１ｋｇ／ｍ2／ｓのホスゲン装填量では、１６８℃の触媒管内壁温度を生じさせた。
【００６４】
本発明の実施例によると、管の配列は、伝熱媒体の流路が反応器横断面にわたって相互に適応させられて、管面が図３の略図に対応するように変化させられた。この方法で、反応器横断面にわたる最悪伝熱係数は、１，１５０Ｗ／ｍ2／Ｋへ増加した。他の点では変わりがない方法条件下では、これは１６０℃という触媒管のより低い内壁温度をもたらした。
【００６５】
１６８℃までの温度は触媒管の材料にとって臨界的ではないので、このため本発明による触媒管の配列を有する反応器についてのホスゲン装填量を増加させる機会が生じた。再び１６８℃という非臨界的な触媒管の内壁温度に達するまで、ホスゲン装填量をホスゲン２．１ｋｇ／ｍ2／ｓからホスゲン２．５２ｋｇ／ｍ2／ｓへ２０％増加させることができた。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明による反応器の１つの実施形態を通る略横断面を示した図である。
【図２Ａ】管面内の温度分布を示した図であり、先行技術による触媒管の配列に対応する。
【図２Ｂ】管面内の温度分布を示した図であり、本発明による触媒管の配列に対応する。
【図２Ｃ】管面内の温度分布を示した図であり、本発明による触媒管の配列に対応する。
【図３】例示的な実施形態で使用された、本発明による反応器の１つの実施形態を通る管面を示した図である。
【図４】腐食の危険状態にある領域内にダミー管の追加の配列を備える本発明による反応器の１つの実施形態を示す図である。
【図５】偏向板間の領域における伝熱媒体の主要流動方向の略図を示した図である。
【図５Ａ】区間Ａ−Ａを示す図である。
【図６】本発明によって変化させられた管面の略図を示した図である。
【図７】本発明によるまた別の管面の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
図１において略縦断面で示した反応器１は、上方管板および下方管板３内へ溶接されている触媒管２の束を有する。
【００６８】
伝熱媒体６は該触媒管２間のシェル内の空間を通って、１つの実施形態では反応器の上端での該伝熱媒体６の導入および該反応器の下端での放出を用いて、およびまた別の実施形態では該伝熱媒体の逆流を用いて、すなわち該反応器の下端での導入および該反応器の上端での放出を用いて運ばれる。
【００６９】
該触媒管２の周囲でのシェル内の空間４を通る該伝熱媒体６の流動は該反応器内で水平に配列されて該反応器の内部シェルで交互開口部７を空けている偏向板５によって方向付けられる。
【００７０】
図２Ａは、管面、すなわち先行技術による２枚の連続する偏向板間の横断面内の触媒管の配列を示しており、該管面の対向する側面境界は円の弦９である。２つの対向する管のない領域７間での伝熱媒体の主要流動方向はｙ座標によって示され、それに垂直な、該反応器を通る横断面内の流動方向はｘ座標として示されている。
【００７１】
図１は、該管面にわたる伝熱係数の分布を示しており、内側の２つの管上での最低の最悪伝熱係数１，１６８Ｗ／ｍ2／Ｋはｘ座標の極値で測定され、最善の最大伝熱係数１，５００Ｗ／ｍ2／Ｋは、ｙ軸の円の弦９との交点である２つの極値で測定された。
【００７２】
図２Ｂは、本発明による触媒管の変化した配列を備える管面を示しており、先行技術による円の弦９の側面境界は折れ線に変化させられている。
【００７３】
この変化は、図２Ｃにおいてより明白に顕著である。これに対応して、１，３０８Ｗ／ｍ2／Ｋの最低（最悪）伝熱係数は、該管の内壁でのｘ軸の２つの極値で測定された。
【００７４】
そこで図２Ａ〜図２Ｃは、本発明によって変化させられている触媒管の配列の場合には、最悪伝熱係数は先行技術に比較して有意に上昇し、腐食の危険状態にある領域は対応してより小さくなることを示している。
【００７５】
図３は、例示的な実施形態で使用された本発明による反応器の１つの実施形態のための管面を示している。３，５５０ｍｍの内径を有する反応器では、触媒管の配列は管面内の側面境界を円の弦から図３に示した寸法（ｍｍ）を有する折れ線に変化させることによって変化させられた。
【００７６】
図４は、本発明による触媒管の配列の１つの好ましい実施形態を通る横断面を示しており、腐食の危険状態にある領域内にはダミー管が追加して用意されている。
【００７７】
図５は、該触媒管間でシェル内の空間４を通る伝熱媒体の主要流動方向の略図を示しており、偏向板５は反応器の内部シェルの反対側で交互開口部７を空けている。主要流動方向はｙ方向と指定され、該反応器を通る長手方向はｚ座標と指定されている。
【００７８】
図５Ａは、図５に略図で示した反応器を通る平面Ａ−Ａの断面を、本発明による触媒管の配列を決定するための繰り返しアルゴリズムとともに示している。
【００７９】
反応器１を通る平面Ａ−Ａにおける断面は、本発明の出発点として使用した先行技術による管面、すなわち円の弦９の形状にある管面の側面境界を備える管面を示している。
【００８０】
伝熱媒体の主要流動方向はｙ座標と指定されており、それに対して直角の座標は、該反応器横断面の平面内でｘ座標と指定されている。
【００８１】
実施例３では、管面は円の弦９に平行および等距離の直線１０に分割される。その直線１０はｍ個、今回の場合には５個の等距離点に分割され、最初および最後の、今回の場合には第１および第５の点は各々管面の最外縁に、つまり該反応器１のシェルに位置している。直線１０上の各ｉ番目の点は、流路を提供するために相互に接合され、その長さは上述の繰り返し工程によって相互に適応させられる。
【００８２】
図６は、本発明による触媒管の配列についての管面を示しており、該触媒管では側面境界は円の弦から円弧に変化させられている。
【００８３】
図７は、本発明による触媒管の配列についてのまた別の実施形態を示しており、該触媒管では該管面の側面境界の１つだけが円の弦から円弧に変化させられている。該管面の第２側面境界は、この例示的な実施形態においては円の弦９の形状のままである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図５Ａ】
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【図６】
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【図７】
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