(57)【要約】【課題】過剰反応による選択率の低下が生じにくい反応装置を提供する。【解決手段】本発明の反応装置は、反応容器２０と、反応容器２０の内部に配置された固体触媒からなる流動層と、流動層から吹き上げられた固体触媒を含む反応ガスＧ２を、反応容器２０の内部に開放されたガス流入口１０４から流入させ、反応ガスＧ２から固体触媒を分離して捕集する気固分離装置２３Ａ〜２３Ｄと、を備え、気固分離装置２３Ａ〜２３Ｄは、反応容器２０の中心軸Ａｘを囲むように配置され、気固分離装置２３Ａ〜２３Ｄのガス流入口１０４は、気固分離装置２３Ａ〜２３Ｄに囲まれた領域の内側を向いて開口している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器と、
前記反応容器の内部に配置された固体触媒からなる流動層と、
前記流動層から吹き上げられた前記固体触媒を含む反応ガスを、前記反応容器の内部に開放されたガス流入口から流入させ、前記反応ガスから前記固体触媒を分離して捕集する気固分離装置と、を備え、
前記気固分離装置は、前記反応容器の中心軸を囲むように配置され、
前記気固分離装置のガス流入口は、前記気固分離装置に囲まれた領域の内側を向いて開口している反応装置。
【請求項２】
前記気固分離装置として、前記反応容器の中心軸を囲むように配置された複数の集塵機が備えられている請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
前記集塵機は、複数のサイクロンを直列に接続したサイクロン式集塵機であり、
前記ガス流入口の向きは、当該ガス流入口が形成されたサイクロンと隣接する他のサイクロンと干渉しない向きに設置されている請求項２に記載の反応装置。
【請求項４】
前記複数のサイクロンは、前記反応容器の内壁に沿って弧を描くように配置されている請求項３に記載の反応装置。
【請求項５】
前記複数の集塵機は、前記反応容器の中心軸を対称軸として、回転対称に配置されている請求項４に記載の反応装置。
【請求項６】
前記反応容器の触媒排出口から排出された前記固体触媒を酸素含有ガスの雰囲気下で加熱して触媒活性が回復するよう再生する再生器と、
前記再生器に向けて空気を送り出すことにより、前記触媒排出口から排出された前記固体触媒を前記再生器に移送する触媒移送機構と、
前記再生器で再生された前記固体触媒を前記反応容器に戻す再生触媒移送機構と、を備えている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の反応装置。
【請求項７】
前記原料ガスとしてシクロヘキサノンオキシムを用い、前記反応容器で前記固体触媒と低級アルコールの共存化でシクロヘキサノンオキシムをベックマン転位反応させてε−カプロラクタムを製造する請求項１ないし６のいずれか1項に記載の反応装置。
【請求項８】
反応容器の固体触媒１ｋｇあたりの原料シクロヘキサノンオキシムの供給速度（ＷＨＳＶ）が０．５〜２０ｈ−１、反応容器の触媒滞留時間が０．５〜５００時間、反応温度が２５０℃〜５００℃、反応圧力が０．０１〜０．５ＭＰａ、反応容器の濃厚層の厚さが２ｍ以下、反応容器のガス空塔速度が０．１〜１０ｍ／ｓ、反応容器の分散板ノズル径が３ｍｍ以下、反応容器の分散板からのガス噴出し速度が１０〜２００m／ｓ、反応容器の分散板ノズルの孔間隔が０．５〜２５ｃｍ、反応容器ジェット径が１〜５０ｍｍ、反応容器ジェット長さが１０〜１００ｍｍ、ジェットの上端から冷却部下端までの距離が５０ｍｍ以上、分散板シュラウド長さが７〜７０ｍｍ、および分散板シュラウド径が１０ｍｍ以下である請求項１ないし７のいずれか1項に記載の反応装置。
【請求項９】
再生温度が３５０〜７００℃、再生器圧力が０．０１〜０．５ＭＰａ、反応容器のガス空塔速度が０．０１〜１ｍ／ｓ、反応容器の分散板ノズル径が０．１〜１０ｍｍ、再生器の分散板からのガス噴出し速度が１０〜２００m／ｓ、再生器ジェット径が１〜５０ｍｍ、再生器ジェット長さが１０〜１００ｍｍ、分散板シュラウド長さが７〜７０ｍｍ、および分散板シュラウド径が０．２〜２０ｍｍ以下である請求項６に記載の反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流動層を利用した反応装置として、特許文献１に記載の反応装置が知られている。特許文献１の反応装置は、反応容器内の設置した固体触媒に原料ガスを噴射して流動化し、固体触媒と原料ガスとの接触効率を向上させて、目的の化学反応を行わせる反応装置である。粉体状の固体触媒が原料ガスの流れによって流動状態となったものを流動層という。流動層を利用した反応装置は、固体触媒と原料ガスとの接触効率が良好で、目的とする化学反応が円滑に行われることから、触媒反応の分野において広く利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１６８３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の反応装置では、反応ガスとともに吹き上げられた固体触媒が反応容器の外部に流出しないように、反応容器の上部に集塵機が設置されている。集塵機は反応容器の内部に複数設置することが望ましいが、集塵機を複数設置すると、集塵機の配置によっては、反応容器の内部の反応ガスの流れが変化し、集塵機に流入するまでの反応ガスの滞留時間が変化する。滞留時間が長くなると、過剰反応による選択率の低下が懸念されるため、集塵機の配置は適切に設計される必要がある。
【０００５】
本発明の目的は、過剰反応による選択率の低下が生じにくい反応装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の反応装置は、反応容器と、前記反応容器の内部に配置された固体触媒からなる流動層と、前記流動層から吹き上げられた前記固体触媒を含む反応ガスを、前記反応容器の内部に開放されたガス流入口から流入させ、前記反応ガスから前記固体触媒を分離して捕集する気固分離装置と、を備え、前記気固分離装置は、前記反応容器の中心軸を囲むように配置され、前記気固分離装置のガス流入口は、前記気固分離装置に囲まれた領域の内側を向いて開口している。
【０００７】
気固分離装置は、サイクロン式集塵機などの集塵機で構成することが好ましい。前記集塵機は、１つでも構わないが、個々の集塵機のサイズを小さくするために、複数の集塵機を備えていることが好ましい。また、集塵効率を高めるために、複数のサイクロンを直列に接続したサイクロン式集塵機を用いることが好ましく、さらに複数のサイクロンを直列に接続したサイクロン式集塵機を複数系列設置することがより好ましい。前記ガス流入口の向きは、当該ガス流入口が形成されたサイクロンと隣接する他のサイクロンと干渉しない向きに設置されていてもよい。
【０００８】
前記集塵機として、複数のサイクロンを直列に接続したサイクロン式集塵機を用いた場合には、前記複数のサイクロンは、前記反応容器の内壁に沿って弧を描くように配置されていてもよい。
【０００９】
前記気固分離装置として複数の集塵機を備える場合には、前記複数の集塵機は、前記反応容器の中心軸を対称軸として、回転対称に配置されていてもよい。
【００１０】
前記反応容器の触媒排出口から排出された前記固体触媒を酸素含有ガスの雰囲気下で加熱して触媒活性が回復するよう再生する再生器と、前記再生器に向けて空気などの空送用ガスを送り出すことにより、前記触媒排出口から排出された前記固体触媒を前記再生器に移送する触媒移送機構と、前記再生器で再生された前記固体触媒を前記反応容器に戻す再生触媒移送機構と、を備えていてもよい。
【００１１】
反応容器の固体触媒１ｋｇあたりの原料シクロヘキサノンオキシムの供給速度（ＷＨＳＶ）が０．５〜２０ｈ−１、反応容器の触媒滞留時間が０．５〜５００時間、反応温度が２５０℃〜５００℃、反応圧力が０．０１〜０．５ＭＰａ、反応容器の濃厚層の厚さが２ｍ以下、反応容器のガス空塔速度が０．１〜１０ｍ／ｓ、反応容器の分散板ノズル径が３ｍｍ以下、反応容器の分散板からのガス噴出し速度が１０〜２００m／ｓ、反応容器の分散板ノズルの孔間隔が０．５〜２５ｃｍ、反応容器ジェット径が１〜５０ｍｍ、反応容器ジェット長さが１０〜１００ｍｍ、ジェットの上端から冷却部下端までの距離が５０ｍｍ以上、分散板シュラウド長さが７〜７０ｍｍ、および分散板シュラウド径が１０ｍｍ以下であってもよい。
【００１２】
再生温度が３５０〜７００℃、再生器圧力が０．０１〜０．５ＭＰａ、反応容器のガス空塔速度が０．０１〜１ｍ／ｓ、反応容器の分散板ノズル径が０．１〜１０ｍｍ、再生器の分散板からのガス噴出し速度が１０〜２００m／ｓ、再生器ジェット径が１〜５０ｍｍ、再生器ジェット長さが１０〜１００ｍｍ、分散板シュラウド長さが７〜７０ｍｍ、および分散板シュラウド径が０．２〜２０ｍｍ以下であってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、過剰反応による選択率の低下が生じにくい反応装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態の反応装置の模式図である。
【図２】反応器の平面図である。
【図３】第１サイクロンの概略構成を示す斜視図である。
【図４】分散板の断面図である。
【図５】集塵機のガス流入口の配置を異ならせた複数の反応器の平面図である。
【図６】反応容器の内部の反応ガスの流れを示すシミュレーション結果である。
【図７】反応容器の内部の反応ガスの流れを示すシミュレーション結果である。
【図８】反応容器の内部の反応ガスの流れを示すシミュレーション結果である。
【図９】反応容器の内部の反応ガスの流れを示すシミュレーション結果である。
【図１０】反応容器の内部の反応ガスの流れを示すシミュレーション結果である。
【図１１】反応容器の内部の反応ガスの流れを示すシミュレーション結果である。
【図１２】反応容器の内部の反応ガスの流れを示すシミュレーション結果である。
【図１３】反応容器の内部の反応ガスの流れを示すシミュレーション結果である。
【図１４】反応容器の内部の反応ガスの流れを示すシミュレーション結果である。
【図１５】反応容器の内部の反応ガスの流れを示すシミュレーション結果である。
【図１６】反応容器の内部の反応ガスの流れを示すシミュレーション結果である。
【図１７】反応容器の内部の反応ガスの流れを示すシミュレーション結果である。
【図１８】反応容器の内部の反応ガスの流れを示すシミュレーション結果である。
【図１９】反応容器の内部の反応ガスの流れを示すシミュレーション結果である。
【図２０】第２実施形態の反応器の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態の反応装置１の模式図である。反応装置１は、例えば、固体触媒１０ａと低級アルコールの共存化でシクロヘキサノンオキシムをベックマン転位反応させてε−カプロラクタムを製造するものである。
【００１６】
反応装置１は、反応器２と、再生器３と、触媒移送機構６と、再生触媒移送機構８と、を含んで構成されている。
【００１７】
反応器２は、反応容器２０と、原料ガス導入部２１と、反応ガス排出部２２と、気固分離装置としての集塵機２３と、冷却部２４と、触媒排出口２８と、触媒流入口２９と、を備えている。
【００１８】
反応容器２０は、円筒状の直胴部２０ａを有する容器である。直胴部２０ａの上方には、直胴部２０ａよりも内径の大きい円筒状の拡大部が接続されていてもよい。直胴部２０ａの下部には、例えば、内径が漸減する円錐状のコーン部２０ｃが接続されているが、直胴部２０ａの下部が円錐上のコーン形状でなくても構わない。直胴部２０ａとコーン部２０ｃとの境界には、多数の孔が分散して形成された分散板２５が設けられている。分散板２５上には固体触媒１０ａの粉体からなる粉体層１０が形成されている。
【００１９】
コーン部２０ｃには、原料ガスＧ１を導入する原料ガス導入部２１が接続されている。原料ガス導入部２１により、シクロヘキサノンオキシムを含む原料ガスＧ１がコーン部２０ｃの内部に導入されるようになっている。原料ガスＧ１は、分散板２５に形成された多数の孔を介して粉体層１０の底部に噴射される。粉体層１０は、分散板２５から鉛直上方に吹き上げられた原料ガスＧ１の流れによって流動化し、流動層となる。原料ガスＧ１は、流動層となった粉体層１０の内部を均一に流れ、固体触媒１０ａと接触してベックマン転位する。これにより、ε−カプロラクタムを含む反応ガスＧ２が生成される。
【００２０】
固体触媒１０ａとしては、例えば、ホウ酸触媒、シリカ・アルミナ触媒、リン酸触媒、複合金属酸化物触媒、ゼオライト触媒等が挙げられる。中でもゼオライト触媒が好ましく、さらに好ましくはペンタシル型ゼオライト、特に好ましくはＭＦＩゼオライトである。
【００２１】
ゼオライト触媒は、その骨格が実質的にケイ素及び酸素のみから構成される結晶性シリカであってもよいし、骨格を構成する元素としてさらに他の元素を含む結晶性メタロシリケート等であってもよい。結晶性メタロシリケート等である場合、ケイ素及び酸素以外に存在しうる元素としては、例えば、Ｂｅ、Ｂ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｂｉ等が挙げられ、これらの２種以上が含まれていてもよい。これら元素に対するケイ素の原子比は、通常５以上であり、好ましくは５０以上、さらに好ましくは５００以上である。なお、この原子比は、原子吸光法や蛍光Ｘ線法等により測定することができる。
【００２２】
ゼオライト触媒は、例えば、ケイ素化合物、４級アンモニウム化合物、水、及び必要に応じて金属化合物等を原料として水熱合成に付し、得られた結晶を乾燥、焼成した後、アンモニアやアンモニウム塩で接触処理し、次いで乾燥することにより、好適に調製することができる。
【００２３】
固体触媒１０ａの粒径は０．００１〜５ｍｍであるのが好ましく、さらに好ましくは０．０１〜３ｍｍである。また、固体触媒１０ａは、例えば、実質的に触媒成分のみからなる成形体であってもよいし、触媒成分を担体に担持したものであってもよい。
【００２４】
固体触媒１０ａを用いたシクロヘキサノンオキシムのベックマン転位反応は、気相条件下で行うことができる。反応温度は通常２５０〜５００℃、好ましくは３００〜４５０℃である。反応圧力は通常０．０１〜０．５ＭＰａ、好ましくは０．０２〜０．２ＭＰａである。また、固体触媒１ｋｇあたりの原料シクロヘキサノンオキシムの供給速度（ｋｇ／ｈ）、すなわち空間速度ＷＨＳＶ（ｈ−１）は、通常０．５〜２０ｈ−１、好ましくは１〜１０ｈ−１である。
【００２５】
シクロヘキサノンオキシムは、低級アルコールとともに反応容器２０に導入される。なお、シクロヘキサノンオキシム単独で反応系内に導入してもよいし、窒素、アルゴン、二酸化炭素等の不活性ガスと共に導入してもよい。
【００２６】
ここで用いられるアルコールとしては炭素数６以下の低級アルコールが好ましい。例えばメタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、sec−ブタノール、イソブタノール、ｎ−アミルアルコール、ｎ−ヘキサノール、2,2,2−トリフルオロエタノール等の１種または２種以上用いることができる。特にメタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノールを１種または２種以上用いればε−カプロラクタムの選択率および触媒寿命の改良に著しい効果を示し、より好ましい。中でもメタノールまたはエタノールは著しい効果を示し、工業的観点から最も好ましいものである。
【００２７】
低級アルコールの量は、シクロヘキサノンオキシムに対して重量比で、通常０．１〜２０倍が適当である。好ましくは１０倍以下がよく、さらに好ましくは０．３〜８倍の範囲がよい。
【００２８】
希釈ガスとしてベンゼン、シクロヘキサン、トルエン等のような反応に不活性な化合物の蒸気あるいは窒素、二酸化炭素等の不活性ガスを共存させることもできる。反応温度は通常２５０℃〜５００℃の範囲がよい。２５０℃未満の温度では反応速度が十分でなく、またε−カプロラクタムの選択率も低下する傾向がある。一方、５００℃を越えるとシクロヘキサノンオキシムの熱分解が無視できなくなるためにε−カプロラクタムの選択率が低下する傾向がある。特に好ましい温度範囲は３００℃〜４５０℃であり、最も好ましい温度範囲は３００℃〜４００℃である。原料シクロヘキサノンオキシムの空間速度は、ＷＨＳＶ＝０．５〜２０hr−１ （すなわち固体触媒１kg当りのシクロヘキサノンオキシム供給速度０．５〜２０kg/hr）である。好ましくは１〜１０hr−１の範囲から選ばれる。反応混合物からのε−カプロラクタムの分離は、通常の方法で実施できる。例えば反応生成ガスを冷却して凝縮させ、次いで抽出、蒸留あるいは晶析等により精製されたε−カプロラクタムを得ることができる。
【００２９】
反応器２は、粉体層１０を冷却する冷却部２４を備えている。冷却部２４は、冷媒を流通させる複数の除熱管２４ａを備えている。除熱管２４ａの少なくとも一部は粉体層１０の内部に埋設されている。粉体層１０の内部にこもった反応熱は、除熱管２４ａを通る冷媒によって回収され、反応容器２０の外部に排出される。反応容器２０内の反応温度は、冷却部２４によって所定の温度範囲を超えないように調整される。冷媒としては、例えば、水が用いられる。図１では、除熱管２４ａは粉体層１０の一部のみに設置されているように図示されているが、除熱管２４ａは粉体層１０の全面に設置する方が局所的な温度上昇が抑制され、反応容器２０内の反応温度が均一に制御できるため、好ましい。
【００３０】
反応容器２０の内部には、粉体層１０から吹き上げられた固体触媒１０ａを含む反応ガスＧ２を、反応容器２０の内部に開放されたガス流入口１０４から流入させ、反応ガスＧ２から固体触媒１０ａを分離して捕集する気固分離装置としての集塵機２３が設けられている。集塵機２３は、例えば、第１サイクロン１００と第２サイクロン１１０と第３サイクロン１２０とを直列に接続した多段式のサイクロン式集塵機が考えられるが、直列に接続するサイクロン数は特に限定されない。
【００３１】
第１サイクロン１００は、ガス流入口１０４およびガス排出口１０６を含むサイクロン本体部１０１と、サイクロン本体部１０１で捕集した固体触媒１０ａを粉体層１０に排出する排出管１０３と、を備えており、捕集された固体触媒１０ａは排出管１０３の先端部から粉体層１０に排出される。排出口には、原料ガスＧ１の圧力によって固体触媒１０ａがサイクロン本体部側に逆流することを抑制するための邪魔板を設けてもよい。排出口が設けられた排出管１０３の先端部は、粉体層１０の内部に配置されている。
【００３２】
第２サイクロン１１０は、ガス流入口１１４およびガス排出口１１６を含むサイクロン本体部１１１と、サイクロン本体部１１１で捕集した固体触媒１０ａを粉体層１０に排出する排出管１１３と、を備えている。ガス流入口１１４は、第１サイクロン１００のガス排出口１０６と接続されている。サイクロン本体部１１１には、第１サイクロン１００で固体触媒１０ａが一部除去された反応ガスＧ２が流入される。排出管１１３の先端部には、固体触媒１０ａの排出口が設けられており、排出口は、トリクル弁やフラッパ弁などの、所定の大きさ以上の負荷が作用すると開放する重量弁を設けてもよい。排出口が設けられた排出管１１３の先端部は、粉体層１０の内部に配置されている。
【００３３】
第３サイクロン１２０は、ガス流入口１２４およびガス排出口１２６を含むサイクロン本体部１２１と、サイクロン本体部１２１で捕集した固体触媒１０ａを粉体層１０に排出する排出管１２３と、を備えている。ガス流入口１２４は、第２サイクロン１１０のガス排出口１１６と接続されている。サイクロン本体部１２１には、第２サイクロン１１０で固体触媒１０ａが一部除去された反応ガスＧ２が流入される。排出管１２３の先端部には、固体触媒１０ａの排出口が設けられており、排出口は、トリクル弁やフラッパ弁などの重量弁でもよい。排出口が設けられた排出管１２３の先端部は、粉体層１０の内部に配置されている。ガス排出口１２６は、反応容器１０の反応ガス排出部２２に接続されている。
【００３４】
本実施形態では、３つのサイクロンを直列に接続し、前段側のサイクロンで粒径の比較的大きい固体触媒１０ａを捕集し、後段側のサイクロンで、前段側のサイクロンで捕集されなかった粒径の比較的小さい固体触媒１０ａを捕集している。これにより、大小様々な粒径を有する固体触媒１０ａを漏れなく捕集し、固体触媒１０ａの捕集効率を向上させている。図１では、３つのサイクロンを直列に接続した３段式のサイクロン式集塵機が用いられているが、集塵機２３の構成はこれに限られない。例えば、２つ若しくは４つ以上のサイクロンを直列に接続した多段式のサイクロン式集塵機を用いてもよく、２つ若しくは４つ以上のサイクロンを直列に接続した多段式のサイクロン式集塵機を複数系列設置してもよい。また、サイクロンのように遠心力によって固体触媒１０ａと反応ガスＧ２とを分離する遠心力集塵機に限らず、他の方式、例えば、反応ガスＧ２の流れる向きを変化させ、慣性で固体触媒１０ａと反応ガスＧ２とを分離する慣性力集塵機などを用いてもよい。
【００３５】
集塵機２３で固体触媒１０ａと分離されたε−カプロラクタムを含む反応ガスＧ２は、反応ガス排出部２２を介して反応容器２０の外部に排出される。反応ガス排出部２２から排出された反応ガスＧ２は、図示略の蒸留装置あるいは晶析装置などに導入され、高純度のε−カプロラクタムに精製される。
【００３６】
反応器２には、再生器３が接続されている。再生器３は、反応器２で使用された固体触媒１０ａを再生処理し、触媒活性を再生するものである。本実施形態の反応装置１は、反応器２中の固定触媒を連続的に抜き出し再生器３に移送するとともに、再生済みの固体触媒１０ａを再生器３から反応器２に同量連続的に戻すことで、触媒活性を維持する循環式の反応装置となっている。なお、再生器３は直列あるいは並列に複数備えていても構わない。
【００３７】
反応器２と再生器３との間には、触媒移送機構６が設けられている。触媒移送機構６は、再生器３に向けて空気などの空送ガスを送り出すことにより、反応器２で使用されて触媒活性の低下した固体触媒１０ａの一部を再生器３に移送するものである。
【００３８】
固体触媒１０ａの存在下にシクロヘキサノンオキシムのベックマン転位反応を行うと、反応時間が経過するにつれて（触媒単位重量あたりのシリロヘキサノンオキシムの通算処理量が増えるにつれて）、シクロヘキサノンオキシムやε−カプロラクタムの重合などにより、いわゆるコーク成分（炭素質物質）が固体触媒１０ａに徐々に付着する。これにより、固体触媒１０ａの触媒活性が経時的に低下する。すなわち、シクロヘキサノンオキシムの転化率が徐々に低下する。
【００３９】
再生器３は、再生容器５０と、排気ガス排出部５２と、を備えている。再生器３は、反応器２で触媒活性が低下した固体触媒１０ａの一部を酸素含有ガスの雰囲気下で加熱して触媒活性が十分に回復するよう再生するものである。再生器３においては、反応器２において触媒として使用し得る程度に十分に触媒活性が回復するような再生が行われる。再生器３では、固体触媒１０ａの表面に付着したコーク成分を燃焼し、反応ガスＥ（排気ガス）を排出する。
【００４０】
再生容器５０は、円筒状の直胴部５０ａを有する容器である。直胴部５０ａには、触媒移送機構６のラインの他端が接続されている。反応器２により、触媒活性が低下した固体触媒１０ａの一部が再生容器５０に導入される。
【００４１】
再生器３の直胴部５０ａの下部には、例えば、内径が漸減する円錐状のコーン部５０ｃが接続されているが、再生器下部の形状には特に制限はない。直胴部５０ａとコーン部５０ｃとの境界には、多数の孔が分散して形成された分散板２７が設けられており、分散板２７上には固体触媒１０ａの粉体からなる粉体層１２が形成されている。粉体層１２には、反応器２において触媒活性が低下した固体触媒１０ａの一部と再生器３により再生されて十分に触媒活性が回復した固体触媒１０ａとが含まれている。
【００４２】
コーン部５０ｃには、例えば、空気などの酸素含有ガスを導入する再生ガス導入部４１が接続されている。再生ガス導入部４１により、酸素含有ガスがコーン部５０ｃの内部に導入されるようになっている。酸素含有ガスは、分散板２７に形成された多数の孔を介して粉体層１２の底部に噴射される。粉体層１２は、分散板２７から鉛直上方に吹き上げられた酸素含有ガスの流れによって流動化し、流動層となる。酸素含有ガスは、流動層となった粉体層１２の内部を均一に流れ、固体触媒１０ａの表面のコーク成分を効率的に燃焼させる。
【００４３】
直胴部５０ａの内部には、粉体層１２から吹き上げられた固体触媒１０ａを反応ガスＥ（排気ガス）から分離して捕集し、捕集した固体触媒１０ａを粉体層１２に排出する集塵機を設けることが好ましい。その場合、集塵機は、例えば、複数のサイクロンを直列に接続した多段式のサイクロン式集塵機であってもよい。複数のサイクロンを直列に接続することにより、固体触媒１０ａの捕集効率を向上させることができる。また、サイクロンのように遠心力によって固体触媒１０ａと反応ガスＥとを分離する遠心力集塵機に限らず、他の方式、例えば、反応ガスＥの流れる向きを変化させ、慣性で固体触媒１０ａと反応ガスＥとを分離する慣性力集塵機などを用いてもよい。
【００４４】
反応ガスＥは、直胴部５０ａの上部に接続された排気ガス排出部５２を介して再生器３の外部に排出される。
【００４５】
再生器３と反応器２との間には、再生触媒移送機構８が設けられている。再生触媒移送機構８は、再生器３で再生された固体触媒１０ａの一部を反応器２に移送するものである。再生触媒移送機構８は、再生器３で再生された固体触媒１０ａの一部が自重により反応器２に移動するように構成されている。
【００４６】
なお、再生触媒移送機構８における固体触媒１０ａの流動性を良くするため、再生触媒移送機構８のラインに窒素ガスなどの不活性ガスを供給する不活性ガス供給機構が設けられていてもよい。
【００４７】
本実施形態の反応装置１では、粉体層１０と粉体層１２の各上面の位置を比較すると、粉体層１０の上面の位置が低く、粉体層１２の上面の位置が高い位置となっている。そのため、再生器３から反応器２への固体触媒１０ａの移動は、固体触媒１０ａの自重のみで行うことができる。何らの圧送手段も用いないので、経済的であり、空気のような圧送媒体が反応器２に流入しないので、目的とする化学反応が阻害されないというメリットがある。
【００４８】
例えば、反応器２と再生器３との配置関係を本実施形態とは逆にすると、粉体層１０の上面の位置が粉体層１２の上面の位置よりも高くなるので、再生器３から反応器２への固体触媒１０ａの移動は、固体触媒１０ａの自重のみで行うことができない。よって、圧送手段が必要となる。圧送媒体としては、空気を用いることがコストの面で有利となるが、圧送媒体である空気が反応器２に流入すると、反応器２において目的とする化学反応が阻害される惧れがある。化学反応の実行を阻害しない媒体、例えば、不活性ガスや原料ガスＧ１に含まれる低級アルコールと同じ低級アルコールを圧送媒体として用いることも考えられるが、その場合には、空気よりもコストが高くなるので、不経済である。本実施形態のように圧送空気で反応器２から再生器３に固体触媒１０ａを移送する場合には、もともと空気が再生器３において燃焼用のガスとして用いられているので、再生器３で行われる再生処理には大きな影響はない。なお、上述したような問題が生じない場合は、反応器２と再生器３の粉体層の位置が、反応器２が高く、再生器３が低くなっても構わない。
【００４９】
なお、本明細書において、「粉体層の上面の位置」は、次のようにして規定される。粉体層は、原料ガスＧ１または空気により流動状態に置かれている固体触媒１０ａを濃厚に含む濃厚層と、濃厚層の鉛直上方に配置され、固体触媒１０ａと反応ガス（反応ガスＧ２または反応ガスＥ）とが共存し、固体触媒１０ａが勢いよく跳ね上がっている希薄層とを含む。希薄層の上方は、固体触媒１０ａを殆ど含まず反応ガスを主体とするフリーボード部となっている。固体触媒１０ａの密度（ｋｇ／ｍ３）を横軸、分散板からの鉛直方向の高さを縦軸として、固体触媒１０ａの密度分布を測定すると、ある高さまでは固体触媒１０ａの密度は上に凸の曲線を描き、それ以上高くなると、下に凸の曲線を描くＳ字状のカーブが得られる。このＳ字状のカーブの変曲点の位置が粉体層の上面の位置である。
【００５０】
図２は、反応器２を反応容器２０の中心軸Ａｘの方向から見た平面図である。
【００５１】
反応容器２０の内部には、気固分離装置としての複数の集塵機２３が反応容器２０の内壁に沿って設置されている。図２では、第１集塵機２３Ａ、第２集塵機２３Ｂ、第３集塵機２３Ｃおよび第４集塵機２３Ｄからなる４つの集塵機２３が反応容器２０の内部に設置されているが、集塵機２３の数はこれに限らない。例えば、１つ、２つ、３つ、あるいは、５つ以上の集塵機２３が反応容器２０の内壁に沿って設置されていてもよい。
【００５２】
複数の集塵機２３（第１集塵機２３Ａ、第２集塵機２３Ｂ、第３集塵機２３Ｃおよび第４集塵機２３Ｄ）の構成は全く同じである。複数の集塵機２３は、反応容器２０の中心軸Ａｘの周りに輪を描くように配置されている。複数の集塵機２３は、反応容器２０の中心軸Ａｘを対称軸として、回転対称（４回対称）に配置されている。
【００５３】
第１集塵機２３Ａ、第２集塵機２３Ｂ、第３集塵機２３Ｃおよび第４集塵機２３Ｄは、それぞれ第１サイクロン１００、第２サイクロン１１０および第３サイクロン１２０からなる３つのサイクロンによって構成されている。第１サイクロン１００、第２サイクロン１１０および第３サイクロン１２０は、反応容器２０の内壁に沿って弧を描くように配置されている。第１サイクロン１００のサイクロン本体部１０１の中心軸をＡ、第２サイクロン１１０のサイクロン本体部１１１の中心軸をＢ、第３サイクロン１２０のサイクロン本体部１２１の中心軸をＣとすると、中心軸Ａと中心軸Ｂとを結ぶ仮想線は、中心軸Ｂと中心軸Ｃとを結ぶ仮想線と鈍角をなして交差している。
【００５４】
各集塵機２３には、それぞれ第１サイクロン１００に原料ガスＧ１を流入させる筒状のガス流入口１０４が設けられている。ガス流入口１０４は、反応容器２０の中心軸Ａｘの方向から見て、円形をなすサイクロン本体部１０１の接線方向に延びている。ガス流入口１０４は、例えば、流入側が広く流出側が狭いベルマウス形状を有している。
【００５５】
各集塵機２３のガス流入口１０４は、複数の集塵機２３で囲まれた領域の内側を向いて開口している。そのため、反応容器２０の中心部を吹き上げられた固体触媒が効率よく捕集される。なお、「ガス流入口が、複数の集塵機３で囲まれた領域の内側を向いて開口している」とは、ガス流入口１０４が接続されたサイクロン本体部１０１の中心軸をＡ、サイクロン本体部１０１の中心軸Ａと反応容器２０の中心軸Ａｘとを結ぶ第１仮想線をＫ１、サイクロン本体部１０１の中心軸Ａを通って第１仮想線Ｋ１と直交する第２仮想線をＫ２としたときに、ガス流入口１０４の開口面１０４ａが第２仮想線Ｋ２よりも反応容器２０の中心軸Ａｘ側に配置されていることを意味する。
【００５６】
本実施形態の場合、ガス流入口１０４の向きは、第１仮想線Ｋ１と概ね平行な方向であって、反応容器２０の中心部を向く向きとされているが、ガス流入口１０４の向きはこれに限定されない。ガス流入口１０４の向きは、当該ガス流入口１０４が形成されたサイクロンと隣接する他のサイクロンと干渉しない向きであることが好ましい。これにより、ガス流入口１０４に効率よく反応ガスＧ２が流入し、固体触媒の捕集効率が向上する。なお、「ガス流入口の向きが、隣接する他のサイクロンと干渉しない向きである」とは、ガス流入口１０４の開口面１０４ａの中心を通り、ガス流入口１０４の外側に向かってガス流入口１０４の延在方向と平行に延びる第３仮想線をＫ３とすると、第３仮想線Ｋ３上に、当該ガス流入口１０４が形成されたサイクロンと隣接する他のサイクロンが存在しないことを意味する。
【００５７】
本実施形態では、複数の集塵機２３のガス流入口１０４は、全て第３仮想線Ｋ３が第１仮想線Ｋ１と概ね平行となる向きに設置されているが、各集塵機のガス流入口１０４の向きは、これに限定されない。第３仮想線Ｋ３と第１仮想線Ｋ１とのなす角度は、全ての集塵機２３で等しくてもよく、一部の集塵機２３で異なっていてもよく、全ての集塵機２３で異なっていてもよい。
【００５８】
図３は、第１サイクロン１００の概略構成の一例を示す斜視図であるが、サイクロンの構成はこれに限定されない。なお、本実施形態の反応器および再生器で用いられるサイクロンの基本構成は全て同じである。よって、ここでは、第１サイクロン１００の構成を例に挙げて、本実施形態で用いられるサイクロンの基本構成を説明する。
【００５９】
第１サイクロン１００は、ガス流入口１０４およびガス排出口１０６を含むサイクロン本体部１０１と、サイクロン本体部１０１の下端部に接続されたダストボックス１０２と、ダストボックス１０２の下端部に接続された排出管１０３と、を備えている。
【００６０】
サイクロン本体部１０１は、上部が円筒状の直胴部１０１ａ、下部が下方に向けて縮径する円錐状のコーン部１０１ｂとなっており、直胴部１０１ａの上面が天板部１０１ｃとなっている。直胴部１０１ａの側壁の上端部には、固体触媒１０ａを含んだ反応ガスＧ２を直胴部１０１ａの接線方向に流入させる開口部Ｈ１が設けられている。開口部Ｈ１には、直胴部１０１ａの接線方向に延びる筒状のガス流入口１０４が接続されている。天板部１０１ｃの中央部には、サイクロン本体部１０１で分離された反応ガスＧ２を排出する開口部Ｈ２が設けられている。開口部Ｈ２には、筒状のガス排出口１０６が接続されており、ガス排出口１０６の一部が直胴部１０１ａの内部に挿入されている。開口部Ｈ２とガス排出管１０６は、直胴部１０１ａと同心状に配置されている。直胴部１０１ａの中心軸Ｄはサイクロン本体部１０１の中心軸Ａと一致する。以下の説明では、サイクロン本体部の中心軸を便宜上サイクロンの中心軸と呼ぶことがある。
【００６１】
コーン部１０１ｂの下端部には、サイクロン本体部１０１で捕集した固体触媒１０ａを溜め置くダストボックス１０２が接続されている。ダストボックス１０２は、上部が円筒状の直胴部１０２ａ、下部が下方に向けて縮径する円錐状のコーン部１０２ｂとなっている。コーン部１０２ｂの下端部には、ダストボックス１０２に溜まった固体触媒１０ａを排出する排出管１０３が接続されている。排出管１０３は、コーン部１０２ｂから鉛直下方に延びる細長い配管として構成されており、排出管１０３の下端部は、図１に示した粉体層１０の内部に埋設されている。
【００６２】
固体触媒１０ａを含んだ反応ガスＧ２は、ガス流入口１０４からサイクロン本体部１０１の直胴部１０１ａに流入する。反応ガスＧ２は、直胴部１０１ａの接線方向に流入し、旋回流となって直胴部１０１ａおよびコーン部１０１ｂの内部を旋回しながら下降する。固体触媒１０ａは、反応ガスＧ２の旋回に伴う遠心力によって直胴部１０１ａおよびコーン部１０１ｂの内壁に押し付けられ、当該内壁との摩擦によって減速する。摩擦によって減速した固体触媒１０ａは、直胴部１０１ａおよびコーン部１０１ｂの内壁に沿って降下し、コーン部１０１ｂの下端部に接続されたダストボックス１０２に流入する。直胴部１０１ａおよびコーン部１０１ｂの内部を旋回しながら下降した反応ガスＧ２は、コーン部１０１ｂにおいて反転し、コーン部１０１ｂおよび直胴部１０１ａの中心部を上昇する。そして、固体触媒１０ａの一部が除去された反応ガスＧ２が、ガス排出口１０６から排出される。
【００６３】
ダストボックス１０２に溜まった固体触媒１０ａは、ダストボックス１０２の下端部に接続された排出管１０３の内部を降下し、反応容器内の粉体層に戻される。
【００６４】
図１に戻って、分散板２５には、板厚方向に貫通する複数の孔が形成されている。孔は、原料ガスＧ１を流通させて粉体層１０に原料ガスＧ１を噴射するガス噴射孔である。分散板２５上には固体触媒１０ａが充填されるため、孔の大きさ（直径）は原料ガスＧ１を通し且つ固体触媒１０ａを通さない大きさに設定されている。孔の中心間の間隔は、複数の孔から噴射された原料ガスＧ１が粉体層１０全体を均一に流動化させることができるように、所定の間隔以下に設定されている。
【００６５】
孔の配置は任意に設計することができる。複数の孔が正方格子状に配置されても良いし、複数の孔が六方格子状に配置されていてもよい。孔の密度は、例えば分散板２５全体で均一であるが、孔の密度は必ずしも分散板全体で均一である必要はない。例えば、分散板２５の中央部と周辺部で孔の密度を異ならせるなど、孔の密度を分散板２５の面内で部分的に異ならせるようにしてもよい。上述した孔の配置は一例であって、孔の配置はこれらに限定されるものではない。
【００６６】
図４（ａ）および図４（ｂ）は、分散板２５の断面形状の一例を示す図である。
【００６７】
図４（ａ）に示すように、分散板２５は、平面状に形成された平板部３１と、平板部３１から下方に突出した複数の有底筒状のシュラウド部３２と、各シュラウド部３２の底部を開口して形成された孔３０と、を備えている。平板部３１の法線方向から見たシュラウド３２の平面形状は、円形でもよく、四角形でもよい。図４（ａ）は平板部３１にシュラウド部３２を設けた例であるが、図４（ｂ）に示すように、平板部３１にシュラウド部３２を設けない構成としてもよい。図４（ｂ）の例は、平板部３１に複数の孔３０を形成し、分散板２５を平坦な板状に構成した例である。
【００６８】
図１に戻って、除熱管２４ａは、粉体層１０の厚み方向に蛇行しながら分散板２５と平行な方向に延びている。除熱管２４ａは、分散板２５と接触しないように分散板２５の上方に設置されている。除熱管２４ａのうち、蛇行によって下方に突出した部分は粉体層１０の内部に埋設され、蛇行によって上方に突出した部分は粉体層１０の上面から露出せず、除熱管２４ａ全体が粉体層１０の内部に埋設されることが望ましい。更に、除熱管２４ａ全体が粉体層１０の濃厚層内に浸漬され、濃厚層全体が均一に冷却されることがより好ましい。
【００６９】
反応容器２０の内部には、複数の除熱管２４ａが互いに隙間を空けて配置されることが望ましいが、１本の除熱管２４ａを蛇行させて反応容器全体に配置させても構わない。
【００７０】
図５は、集塵機２３のガス流入口１０４の配置を異ならせた複数の反応器の平面図である。図６ないし図１９は、各反応器において反応容器２０の内部に形成される反応ガスＧ２の流れを示すシミュレーション結果である。
【００７１】
図５（ａ）は、各集塵機２３のガス流入口１０４が反応容器２０の内側を向いて開口し、且つ、その向きが、当該ガス流入口１０４が形成されたサイクロンの中心軸Ａと反応容器２０の中心軸Ａｘとを結ぶ仮想線と概ね平行となる向きとなっている例であり、図５（ｂ）は、各集塵機２３のガス流入口１０４が４つの集塵機２３で囲まれた領域の外側を向いて開口し、且つ、その向きが、当該ガス流入口１０４が形成されたサイクロンの中心軸Ａと反応容器２０の中心軸Ａｘとを結ぶ仮想線と概ね直交する向きとなっている例であり、図５（ｃ）は、各集塵機２３のガス流入口１０４が４つの集塵機２３で囲まれた領域の内側を向いて開口し、且つ、その向きが、当該ガス流入口１０４が形成されたサイクロンの中心軸Ａと反応容器２０の中心軸Ａｘとを結ぶ仮想線と概ね直交する向きとなっている例である。以下、図５（ａ）の構成を「タイプＡ」、図５（ｂ）の構成を「タイプＢ」、図５（ｃ）の構成を「タイプＣ」と呼ぶ。図６ないし図１９において、（ａ）はタイプＡのシミュレーション結果であり、（ｂ）はタイプＢのシミュレーション結果であり、（ｃ）はタイプＣのシミュレーション結果である。
【００７２】
図６は、反応容器２０の中心部を流れる反応ガスＧ２の流れを示すシミュレーション結果である。図７は、反応容器２０の内壁近傍を流れる反応ガスＧ２の流れを示すシミュレーション結果である。
【００７３】
図６に示すように、タイプＡの構成では、ガス流入口１０４が反応容器２０の中心部を向いて開口しているため、反応容器２０の中心部を上昇する反応ガスＧ２は、反応容器２０の天井部に達する前にガス流入口１０４に流入する。反応ガスＧ２は、粉体層１０から吹き上げられてすぐにガス流入口１０４に流入するため、固体触媒と分離されるまでの時間が短い。タイプＢの構成では、ガス流入口１０４が反応容器２０の内壁側を向いて開口しているため、反応容器２０の中心部を上昇する反応ガスＧ２は、反応容器２０の天井部に達した後、反応容器２０の内壁近傍を伝わって下降し、ガス流入口１０４に流入する。そのため、反応ガスが固体触媒と分離されないまま反応容器２０の内部を滞留している時間がタイプＡの構成に比べて長い。タイプＣの構成では、タイプＡと同様に、ガス流入口１０４が反応容器２０の中心部を向いて開口しているため、粉体層１０から吹き上げられた反応ガスＧ２は、天井部に達する前にガス流入口１０４に流入し、速やかに固体触媒と分離される。
【００７４】
一方、図７に示すように、反応容器２０の内壁近傍を上昇する反応ガスＧ２は、タイプＡの構成では、反応容器２０の内壁近傍を伝わって天井部に達し、反応容器２０の中心部を下降してガス流入口１０４に流入する。そのため、反応ガスＧ２が固体触媒と分離されないまま反応容器２０の内部を滞留している時間が、中心部を上昇する反応ガスＧ２に比べて長い。タイプＢの構成では、反応容器２０の内壁近傍を上昇する反応ガスＧ２が、天井部に達する前にガス流入口１０４に流入するため、反応ガスＧ２と固体触媒とが分離されるまでの時間は短い。タイプＣの構成では、タイプＡと同様に、粉体層１０から吹き上げられた反応ガスＧ２は、天井部を通って反応容器２０の中心部を下降してからガス流入口１０４に流入するため、固体触媒と分離されないまま反応容器２０の内部を滞留している時間が比較的長い。
【００７５】
反応ガスＧ２の滞留時間は、反応ガスＧ２の反応成績に影響を与える。反応ガスＧ２が固体触媒と分離されずに長時間反応容器の２０の内部を滞留すると、過剰反応による選択率の低下が生じる場合がある。
【００７６】
反応ガスＧ２の滞留時間は、反応ガスＧ２が粉体層１０のどの場所から吹き上げられたか、あるいは、ガス流入口１０４がどの方向を向いているか、によって変化する。本実施形態の場合、第１サイクロン１００、第２サイクロン１１０および第３サイクロン１２０は、反応容器２０の内壁に沿って配置されているため、粉体層１０から吹き上げられる反応ガスＧ２の多くは、第１サイクロン１００、第２サイクロン１１０および第３サイクロン１２０よりも反応容器２０の中心部側を通って上昇する。そのため、反応ガスＧ２の反応成績は、粉体層１０の中心部から吹き上げられた反応ガスＧ２の滞留時間によって大きく影響を受ける。タイプＡおよびタイプＣの構成では、タイプＢと比較して、粉体層１０の中心部から吹き上げられた反応ガスＧ２の滞留時間が短い。よって、過剰反応による選択率の低下を抑制するためには、タイプＡやタイプＣの構成が好ましい構成となる。
【００７７】
図８ないし図１３は、粉体層１０からの高さを変えながら、反応容器２０の中心軸Ａｘと直交する平面内における反応ガスの高さ方向の速度分布をシミュレーションした結果である。図８は、第３サイクロン１２０の上部の位置における速度分布を示す図であり、図９は、ガス流入口１０４のやや上の位置における速度分布を示す図であり、図１０は、ガス流入口１０４の高さにおける速度分布を示す図であり、図１１は、ガス流入口１０４のやや下であって反応容器２０の中央やや上の位置における速度分布を示す図であり、図１２は、反応容器２０の中央やや下の位置における速度分布を示す図であり、図１３は、反応容器２０の下部（粉体層１０の上面近傍）の位置における速度分布を示す図である。図８ないし図１３では、上向きの速度を正とし、下向きの速度を負としている。
【００７８】
図８ないし図１３に示すように、タイプＡおよびタイプＣの構成では、反応容器２０の内壁近傍では、反応容器２０の下部から上部に向かう反応ガスの流れが発生し、反応容器２０の中心部では、反応容器２０の上部からガス流入口１０４へ向かう反応ガスの流れ、および、反応容器２０の下部からガス流入口１０４へ向かう反応ガスの流れが発生する。反応容器２０の下部では、反応容器２０の内壁近傍よりも反応容器２０の中心部において特に強い上向きの反応ガスの流れが発生する。タイプＡとタイプＣの構成では、同じような反応ガスの流れが発生するが、図１３に示すように、粉体層１０の近傍では、タイプＡよりもタイプＣのほうが反応ガスの流れが均一になっている。よって、反応ガスの流れをより均一化するためには、タイプＡよりもタイプＣのほうが好ましい。
【００７９】
タイプＢの構成では、反応容器２０の中心部では、反応容器２０の下部から上部に向かう反応ガスの流れが発生し、反応容器２０の内壁近傍では、反応容器２０の上部からガス流入口１０４へ向かう反応ガスの流れ、および、反応容器２０の下部からガス流入口１０４へ向かう反応ガスの流れが発生する。図１０および図１１に示すように、ガス流入口の近傍では、反応容器２０の内壁近傍においてガス流入口に向かう強い反応ガスの流れが発生するが、それ以外の部分では、反応ガスの速度が反応容器２０の中心部と内壁近傍とで大きく異なる部分は発生しない。また、図８ないし図１３を通じて、タイプＢの構成では、タイプＡやタイプＣの構成に比べて、反応ガスの速度分布が中心軸Ａｘを中心として概ね同心円状に形成されている。よって、タイプＡやタイプＣよりもタイプＢのほうが均一な反応ガスの流れが形成される。
【００８０】
すなわち、図６および図７に示したように、タイプＢの構成では、反応容器２０の中心部を上昇する反応ガスは、天井部から内壁近傍を伝わって下降する際にガス流入口１０４に流入する。そのため、反応容器２０の中心部では、均一な反応ガスの流れが形成される。一方、反応容器２０の内壁近傍では、反応器２０の中心部と比べて、ガス流入口１０４よりも下方の反応容器２０の下部から上部に向かう反応ガスの風速が低いため、粉体層１０から吹き上げられてすぐにガス流入口１０４に流入し、かつ、反応容器２０の上部からガス流入口１０４へ向かう反応ガスの流れと接触しても反応ガスの流れの乱れが少ない。よって、タイプＡやタイプＣに比べて、反応容器２０の中心部と内壁近傍の双方を通じて均一な反応ガスの流れが形成される。タイプＡやタイプＣの構成では、タイプＢと比べて、反応容器２０の中心部を上昇する反応ガスの風速が高く、粉体層１０から吹き上げられてすぐにガス流入口１０４に流入する際に著しい反応ガスの乱れが生じるため、その影響でガス流入口１０４よりも上方と下方の両方の領域でも、反応ガスの流れが乱れやすい。よって、タイプＡやタイプＣの構成では、タイプＢの構成に比べて、反応容器の上部と下部の両方で反応ガスの流れが乱れやすい。タイプＢでは、このような乱れが発生しにくいので、タイプＡやタイプＣに比べて、反応ガスの流れは均一になりやすい。
【００８１】
図１４ないし図１９は、粉体層１０からの高さを変えながら、反応容器２０の中心軸Ａｘと直交する平面内における反応ガスの中心軸Ａｘ方向の速度分布をシミュレーションした結果を示す図である。図１４は、第３サイクロン１２０の上部の位置における速度分布を示す図であり、図１５は、ガス流入口１０４のやや上の位置における速度分布を示す図であり、図１６は、ガス流入口１０４の高さにおける速度分布を示す図であり、図１７は、ガス流入口１０４のやや下であって反応容器２０の中央やや上の位置における速度分布を示す図であり、図１８は、反応容器２０の中央やや下の位置における速度分布を示す図であり、図１９は、反応容器２０の下部（粉体層１０の上面近傍）の位置における速度分布を示す図である。図１４ないし図１９では、中心軸Ａｘから遠ざかる方向の速度を正とし、中心軸Ａｘに近付く方向の速度を負としている。
【００８２】
図１４ないし図１９に示すように、タイプＡおよびタイプＣの構成では、反応容器２０の内壁近傍を流れる反応ガスは、反応容器２０の水平方向の速度が低いことから、反応容器２０の鉛直方向に概ね真っ直ぐ進行することがわかる。ガス流入口１０４の上方では、第１サイクロン１００の近傍において中心軸Ａｘに近付く向きの強い流れが発生し、それ以外の部分では、中心軸Ａｘに近付く方向の流れは発生していない。よって、反応容器２０の内壁近傍から吹き上げられた反応ガスは、第１サイクロン１００の近傍を通ってガス流入口１０４に流入することがわかる。図１５に示すように、タイプＣの構成では、ガス流入口１０４の入口やや上の部分で、反応容器２０の内壁近傍に、中心軸Ａｘから遠ざかる向きの反応ガスの流れが発生するが、これは第1サイクロン１００および第２サイクロン１１０によって反応ガスの進行が阻まれた結果であり、それ以外の部分では、反応ガスの流れは概ねタイプＡと同じである。内壁近傍から吹き上げられた反応ガスは、短い距離でガス流入口１０４に流入するため、反応ガスの滞留時間は比較的短くなる。
【００８３】
タイプＢの構成では、反応容器２０の中心部を流れる反応ガスは、ガス流入口１０４の下方では、鉛直方向に概ね真っ直ぐ進行し、ガス流入口１０４よりも上方では、中心部から内壁に向かって強く流れる。反応容器２０の上部の反応ガスの流れをタイプＡの構成と比較すると、タイプＡの構成では、中心軸Ａｘに近付く方向の反応ガスの流れは第１サイクロン１００の近傍の狭い範囲でのみ発生しているが、タイプＢの構成では、反応容器２０の天井部の広い範囲で中心軸Ａｘから遠ざかる方向の反応ガスの流れが発生している。よって、タイプＢの構成では、反応ガスは、反応容器２０の天井部全体に広く広がる分だけ反応ガスの滞留時間が長くなることがわかる。よって、反応ガスの流れはタイプＡやＣよりもタイプＢの方が均一であるが、反応ガスの滞留時間は、タイプＢよりもタイプＡやタイプＣのほうが短くなる傾向にあることから、タイプＡやＣを用いることで滞留時間が長くなることによる反応成績の悪化を抑制できる。
【００８４】
本実施形態の反応装置１によれば、次のような効果が得られる。
【００８５】
（１）複数の集塵機２３が反応容器２０の中心軸Ａｘを囲むように配置され、各集塵機２３のガス流入口１０４が、複数の集塵機２３に囲まれた領域の内側を向いて開口している。そのため、反応ガスＧ２の滞留時間が短く、過剰反応による選択率の低下が生じにくい反応装置が提供される。
【００８６】
（２）複数の集塵機２３のガス流入口１０４の向きが、当該ガス流入口１０４が形成されたサイクロンと隣接する他のサイクロンと干渉しない向きに設置されている。そのため、ガス流入口１０４に効率よく反応ガスＧ２を流入させることができ、固体触媒１０ａの捕集効率が向上する。
【００８７】
（３）集塵機２３を構成する複数のサイクロン（第１サイクロン１００、第２サイクロン１１０、第３サイクロン１２０）が、反応容器２０の内壁に沿って弧を描くように配置されている。そのため、粉体層１０から吹き上げられた反応ガスＧ２の大部分が、複数の集塵機２３で囲まれた領域の内側を上昇し、反応容器２０の天井部に達する前にガス流入口１０４に流入して速やかに固体触媒１０ａと分離される。よって、反応ガスＧ２の選択率を向上させることができる。
【００８８】
（４）複数の集塵機２３は、反応容器２０の中心軸Ａｘを対称軸として、回転対称に配置されている。そのため、反応容器２０の内部に均一な反応ガスＧ２の流れが形成され、反応ガスＧ２の滞留時間にバラツキが発生することを抑制することができる。
【００８９】
（５）反応容器２０の内部に複数の集塵機２３が設置されている。そのため、集塵機１個当たりの大きさを小さくすることができる。また、集塵機２３が多数設置されているので、反応ガスＧ２の滞留時間のバラツキも抑制することができる。
【００９０】
［第２実施形態］
図２０は、第２実施形態の反応装置に用いられる反応器２００を反応容器２０１の中心軸Ａｘの方向から見た平面図である。本実施形態の反応装置において第１実施形態の反応装置１と異なる点は、反応器２００の構成である。よって、ここでは、反応器２００の構成を中心に説明し、第１実施形態と共通する構成については、詳細な説明を省略する。
【００９１】
反応容器２０１の内部には、気固分離装置として、第１サイクロン２１０、第２サイクロン２２０および第３サイクロン２３０を１組とする２組のサイクロン式集塵機２０３が反応容器２０１の内壁に沿って設置されている。２つの集塵機２０３（第１集塵機２０３Ａおよび第２集塵機２０３Ｂ）の構成は全く同じである。２つの集塵機２０３は、反応容器２０１の中心軸Ａｘの周りに輪を描くように配置されている。２つの集塵機２０３は、反応容器２０１の中心軸Ａｘを対称軸として、回転対称（２回対称）に配置されている。
【００９２】
第１サイクロン２１０、第２サイクロン２２０および第３サイクロン２３０は、反応容器２０１の内壁に沿って弧を描くように配置されている。第１サイクロン２１０のサイクロン本体部の中心軸をＡ、第２サイクロン２２０のサイクロン本体部の中心軸をＢ、第３サイクロン２３０のサイクロン本体部の中心軸をＣとすると、中心軸Ａと中心軸Ｂとを結ぶ仮想線は、中心軸Ｂと中心軸Ｃとを結ぶ仮想線と鈍角をなして交差している。
【００９３】
各集塵機２０３には、それぞれ第１サイクロン２１０に反応ガスＧ２を流入させる筒状のガス流入口２０４が設けられている。ガス流入口２０４は、反応容器２０１の中心軸Ａｘの方向から見て、円形をなすサイクロン本体部２１１の接線方向に延びている。ガス流入口２０４の向きは、当該ガス流入口２０４が形成されたサイクロンと隣接する他のサイクロンと干渉しない向きであることが好ましい。ガス流入口２０４は、例えば、流入側が広く流出側が狭いベルマウス形状を有している。
【００９４】
各集塵機２０３のガス流入口２０４は、複数の集塵機２０３（第１集塵機２０３Ａおよび第２集塵機２０３Ｂ）で囲まれた領域の内側を向くように開口している。これにより、反応ガスＧ２の滞留時間が短くなり、反応ガスＧ２と固体触媒とが速やかに分離される。
【００９５】
本実施形態の反応装置では、反応容器２０１の内部に設置する集塵機２０３の数が第１実施形態の反応装置に比べて少ない。よって、サイクロン１個あたりの大きさは、第１実施形態のものに比べて大きくなるが、サイクロンの大きさがそれほど問題にならなければ、本実施形態の構成も利用可能である。サイクロンの大きさが問題となる場合は、例えば、サイクロンの少なくとも一部を反応器の外部へ配置しても構わない。
【００９６】
［反応装置における各種条件］
以下、反応装置における各種条件をより具体的に記載する。
【００９７】
＜触媒量＞
本実施形態では、原料供給速度（重量／時間）の反応器内の触媒重量に対する比である空間速度（Weight Hourly Space Velocity；ＷＨＳＶ）は、０．５〜２０hr−１ （すなわち固体触媒１kg当りのシクロヘキサノンオキシム供給速度０．５〜２０kg/hr）である。好ましくは１〜１０hr−１の範囲から選ばれ、シクロヘキサノンオキシムの供給量に見合った固体触媒を反応器内に充填する。また、原料供給速度（重量／時間）の反応器内および再生器内の触媒重量に対する比である空間速度（Weight Hourly Space Velocity；ＷＨＳＶ）は、０．1〜２０hr−１ （すなわち固体触媒１kg当りのシクロヘキサノンオキシム供給速度０．１〜２０kg/hr）である。好ましくは１〜１０hr−１の範囲から選ばれ、シクロヘキサノンオキシムの供給量に見合った固体触媒を反応器および再生器内に充填する。
【００９８】
＜反応器および再生器における固体触媒の滞留時間＞
固体触媒の反応器内の滞留時間は０．５〜５００時間が好ましく、固体触媒の再生器内の滞留時間は０．５〜５００時間が好ましい。
【００９９】
＜反応温度＞
反応温度は通常２５０℃〜５００℃の範囲がよい。２５０℃未満の温度では反応速度が十分でなく、またε−カプロラクタムの選択率も低下する傾向がある。一方、５００℃を越えるとシクロヘキサノンオキシムの熱分解が無視できなくなるためにε−カプロラクタムの選択率が低下する傾向がある。特に好ましい温度範囲は３００℃〜４５０℃であり、最も好ましい温度範囲は３００℃〜４００℃である。
【０１００】
＜反応圧力＞
反応圧力は通常０．０１〜０．５ＭＰａであり、好ましくは０．０２〜０．２ＭＰａである。
【０１０１】
＜反応器の流動層の濃厚層の厚さ＞
反応器でシクロヘキサノンオキシムをベックマン転位させる場合、流動層の濃厚層の厚さが厚い場合には、濃厚層での過剰反応が進行して、不純物が多量に生成して反応成績が悪化する。そのため、濃厚層の厚さは２ｍ以下とすることが好ましい。
【０１０２】
＜反応器内のガス空塔速度＞
反応器内のガス空塔速度は固体触媒の流動化の観点から、０．１〜１０ｍ／ｓの範囲が好ましい。
【０１０３】
＜分散板＞
原料ガスを全量流動層の底部から供給する。分散板の形式は、板面に多数の孔が形成された多孔板タイプ、ノズルは、シュラウド部を備えたシュラウドタイプであることが好ましい。
【０１０４】
＜分散板のノズル数、孔径＞
分散板のノズル孔径は流動性の観点から、３ｍｍ以下が好ましい。また、分散板のノズルの孔配列は各孔が正方形の頂点に位置するように配置される正方配置でもよいし、正三角形の頂点に位置するように配置される三角配置でもよく、孔配列は特に規定されない。分散板からの原料ガスの噴出し速度は、１０〜２００ｍ／ｓの範囲が好ましい。お互いに隣接する孔と孔との間隔は通常、０．５〜２５ｃｍ程度、好ましくは１〜８ｃｍ程度である。
【０１０５】
＜ジェット径、長さ＞
堀尾らの式（「流動層の反応工学」、培風館、ｐａｇｅ９５、精度±４０％）を用いて、通常、ジェット径は１〜５０ｍｍ、ジェット長さは１０〜１００ｍｍの範囲とされる。ジェットの上端から冷却部下端までの距離は、通常、５０ｍｍ以上の空間が確保される。
【０１０６】
＜シュラウド径、長さ＞
シュラウド長さは、ジェット長さを考慮して、７〜７０ｍｍの範囲であり、シュラウド径は、孔径を考慮して、１０ｍｍ以下が好ましい。
【０１０７】
＜サイクロン＞
サイクロンは第１実施形態にて、３段のサイクロンからなる集塵機を４系列用いているが、複数のサイクロンの組み合わせに関する限定はない。
【０１０８】
＜再生器の反応温度＞
再生器の反応温度（再生温度）は３５０〜７００℃であり、好ましくは４００〜５５０℃である。３５０℃未満の温度では固体触媒上に沈積した炭素質物質を十分除去することができず、また窒素の残存量も多くなる。このため固体触媒の活性が低下する不都合が生じる。７００℃を越えると固体触媒を構成するゼオライトの分解が起こりやすくなり固体触媒の活性が次第に低下するようになる。
【０１０９】
＜再生器の反応圧力＞
再生器の反応圧力は特に限定されないが、反応器の反応圧力と同様に、通常０．０１〜０．５ＭＰａであり、好ましくは０．０２〜０．２ＭＰａである。
【０１１０】
＜再生器の流動層の濃厚層の厚さ＞
再生器では、流動層の濃厚層の厚さは特に限定されず、適切な流動状態が確保されていれば良い。
【０１１１】
＜再生器内のガス空塔速度＞
再生器内のガス空塔速度は固体触媒の流動化の観点から、０．０１〜１ｍ／ｓの範囲が好ましい。
【０１１２】
＜再生器の分散板＞
酸素含有ガスを流動層の底部から供給する。分散板の形式は、板面に多数の孔が形成された多孔板タイプ、ノズルは、シュラウド部を備えたシュラウドタイプであることが好ましい。
【０１１３】
＜再生器の分散板のノズル数、孔径＞
分散板のノズル孔径は、０．１〜１０ｍｍの範囲が好ましい。また、分散板ノズルの孔配列は各孔が正方形の頂点に位置するように配置される正方配置でもよいし、正三角形の頂点に位置するように配置される三角配置でもよく、孔配列は特に規定されない。分散板からの酸素含有ガスの噴出し速度は、１０〜２００ｍ／ｓの範囲が好ましい。
【０１１４】
＜再生器のジェット径、長さ＞
堀尾らの式（「流動層の反応工学」、培風館、ｐａｇｅ９５、精度±４０％）を用いて、通常、ジェット径は１〜５０ｍｍ、ジェット長さは１０〜１００ｍｍの範囲とされる。
【０１１５】
＜再生器のシュラウド径、長さ＞
シュラウド長さは、ジェット長さを考慮して、７〜７０ｍｍの範囲であり、シュラウド径は、孔径を考慮して、０．２〜２０ｍｍ以下が好ましい。
【０１１６】
＜再生器の気固分離装置＞
再生ガス（空気）と再生ガスに同伴される固体触媒を分離するために、サイクロン集塵機などの気固分離装置を設置することが望ましい。また、再生ガスと再生ガスに同伴される固体触媒の分離効率を高めるために、複数のサイクロンを用いた多段式サイクロン式集塵機からなる気固分離装置が望ましいが、その組み合わせに関する限定はない。
【０１１７】
［変形形態］
上記実施形態では、反応装置の一例として、固体触媒１０ａと低級アルコールの共存化でシクロヘキサノンオキシムをベックマン転位反応させてε−カプロラクタムを製造する反応装置を説明した。しかし、本発明の反応装置は、これに限らない。本発明は、種々の化学反応を生じさせる反応装置に対して広く適用可能である。
【符号の説明】
【０１１８】
１…反応装置、２…反応器、３…再生器、６…触媒移送機構、８…再生触媒移送機構、１０…反応器粉体層（流動層）、１０ａ…固体触媒、１２…再生器粉体層、２０…反応容器、２０ａ…反応容器直胴部、２０ｃ…反応容器コーン部、２１…原料ガス導入部、２２…反応ガス排出部、２３，２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ…集塵機（気固分離装置）、２４…冷却部、２４ａ…除熱管、２５…反応器分散板、２７…再生器分散板、２８…触媒排出口、２９…触媒流入口、３０…分散板孔、３１…分散板平板部、３２…分散板シュラウド部、４１…再生ガス導入部、５０…再生容器、５０ａ…再生容器直胴部、５０ｃ…再生容器コーン部、５２…排気ガス排出部、１００…第１サイクロン、１０１…第１サイクロン本体部、１０２…第１サイクロンダストボックス、１０３…第１サイクロン排出管、１０４…第１サイクロンガス流入口、１０４ａ…第１サイクロンガス流入口の開口面、１０６…第１サイクロンガス排出口、１１０…第２サイクロン、１１１…第２サイクロン本体部、１１３…第２サイクロン排出管、１１４…第２サイクロンガス流入口、１１６…第２サイクロンガス排出口、１２０…第３サイクロン、１２１…第３サイクロン本体部、１２３…第３サイクロン排出管、１２４…第３サイクロンガス流入口、１２６…第３サイクロンガス排出口、２００…反応器、２０１…反応容器、２０３，２０３Ａ，２０３Ｂ…集塵機（気固分離装置）、２０４…第1サイクロンガス流入口、２１０…第１サイクロン、２１１…第1サイクロン本体部、２２０…第２サイクロン、２３０…第３サイクロン、Ａｘ…反応容器の中心軸、Ｇ１…原料ガス、Ｇ２…反応ガス、Ｋ１…第1サイクロンの中心軸と反応容器の中心軸とを結ぶ第１仮想線、Ｋ２…第１サイクロンの中心軸を通って第１仮想線と直交する第２仮想線、Ｋ３…第１サイクロンガス流入口の開口面の中心を通り、該ガス流入口の外側に向かって該ガス流入口の延在方向と平行に延びる第３仮想線、Ａ…第１サイクロンの中心軸、Ｂ…第２サイクロンの中心軸、Ｃ…第３サイクロンの中心軸、Ｄ…サイクロン本体部の直胴部の中心軸、Ｈ１…サイクロン本体部入口開口部、Ｈ２…サイクロン本体部出口開口部
【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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【図７】
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【図２０】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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