(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に複数本の反応管を配設し、該反応管のほぼ中央に下端を閉じた内管を設置するとともに、該内管のほぼ中央に中心管を配置し、前記反応管と前記内管とで囲まれた環状空間を粒状触媒充填部として構成する一方、前記中心管を上部に設けられたガス供給室に連結し、該ガス供給室へ供給された未反応供給ガスが前記中心管の上方より下方へ流通して、前記中心管の下端出口より前記内管内へ流通し、更に前記未反応供給ガスが前記内管と前記中心管とで囲まれた環状流路を上方へ流れ、かつ前記粒状触媒充填部においては、上方より下方へ流れるように構成した反応器であって、前記内管のほぼ中央に位置する中心管の下端位置が、前記反応管の上端より、反応管長さの１／１０から２／３の距離にあり、前記中心管の下端位置が前記反応管の下端位置よりも上方に位置すべく配設されていることを特徴とする反応器。
【請求項２】
前記複数本の反応管のほぼ中央に配置され、かつ下端を閉じた前記内管は、その下端が前記反応管の下端よりも上方に位置していることを特徴とする請求項１に記載の反応器。
【請求項３】
前記内管から流出した未反応供給ガスよりも低い温度の冷たい未反応供給ガスを前記粒状触媒充填部の上端へ直接供給できる導入部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の反応器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と一酸化炭素（および二酸化炭素）ガスを用いたメタノール合成の如く、固体触媒の存在下で複数の元素から成る混合ガスの発熱反応を行わす目的で使用される改善された反応器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体触媒の存在下で発熱反応を行わす目的で使用される反応器においては、運転中の発熱反応によるガス温度の上昇を制御する手段・構造に種々のものが提案されている。このような提案は、図５の例、例えばメタノール合成反応のメタノール平衡濃度に対する温度の効果が明らかな如く、温度の上昇とともにメタノール平衡濃度が低下し、工業的プラントの経済性が損なわれることを考慮してなされたものである。
【０００３】
すなわち、図５は、化学工学ＶＯＬ．４６（１９８２）ＮＯ．９５０７頁“野沢”「メタノール」より引用したものであって、ＣＯ＋２Ｈ2 →ＣＨ3 ＯＨ反応のＣＯとＨ2 の比を４とした計算値である。ただし、触媒を使用しても反応速度は有限であり、反応速度は当然ながら温度低下とともに小さくなるので、工業的には触媒性能を考慮したある適性温度範囲で運転することが好ましい。本発明者らは鋼系触媒を用いて水素、一酸化炭素、二酸化炭素を有意物質とした混合ガスからメタノールを合成する場合には、２２０〜２８０℃が適正であると考えており、またガスの圧力（全圧力）としては、５０〜３００ｋｇ／ｃｍ2 ・Ｇが経済的な適性圧力範囲であると考えているが、これは将来の触媒の改良等により変わり得るものであって特に拘束されない。
【０００４】
本発明者らは、この温度調整の方法として二重管式発熱反応器を先に提案（特公平３−６３４２５号公報及び特公平４−５４８７号公報）した。
特公平４−５４８７号公報を例にしてこの発明を説明する。この発明では図６に示すように反応管５１を二重管とし、外管５２と内管５３との空間に円環柱状に粒状触媒５４を充填して触媒層厚さを小さくするとともに、この触媒層の外管５２の外表面では冷却水による冷却を行わせ、また当該触媒層の内管５３の内表面では未反応供給ガスＡによる冷却を行わせている。これにより本発明者らは、触媒層厚さ方向のガス温度を狭い温度範囲の適正条件に維持し、同時に未反応供給ガスＡの予熱をし得るようにすることが、反応温度の制御に有利であり、かつ未反応供給ガス予熱用交換器を不要にし得る効果があること、並びに中心管を上昇して予熱された未反応供給ガスに更に冷たい未反応供給ガスを混合することにより、触媒層の入口温度を下げることができ、ひいては触媒層の温度を適宜調整できることを知った。
【０００５】
図７を用いてこのような従来の技術を更に詳しく説明する。図７で示す反応器の構造は従来技術の一例である。このような反応器６１の反応管６２は、上下両端を２つの管板６３にそれぞれ取付けられており、反応器６１の中央には、内管６４が設置され、反応管６２と内管６４との間の環状空間には、粒状触媒が充填された環状触媒層６５が形成されている。
前記反応器６１では、底部に設けられている未反応供給ガスノズル６６より供給された未反応供給ガス６７が分岐管６８，６９などを経て内管６４の下部より流通し、上部に設置された混合室７０に導かれる。また、冷たいもう一つの未反応ガス７１は、反応器６１の頂部に設けられたノズル７２より混合室７０へ導かれ、内管６４を経た未反応供給ガス６７と混合されて、環状触媒層６５へ導かれる。
【０００６】
この環状触媒層６５を経たガスは触媒層出口７３より下部の集合室７４に流通して、反応器６１の出口ノズル７５を経て反応ガス７６となり、反応器６１の外部に流出する。
反応管６２を管外より冷却する沸騰液７７は、側部の入口ノズル７８より流入し、側部の出口ノズル７９を経て反応器６１より流出するようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の反応器６１では、下部の集合室７４に分岐管６８，６９などが設けられいるので、構造が複雑となりかつ重量が嵩む上に、下部の集合室７４における触媒抜き出し作業が面倒であった。
【０００８】
本発明者らは、先に発明した前記反応器の構造に更に改良を加え、前記従来の反応器の下部集合室における触媒抜き出し作業を容易にし、更に、分岐管を不要とするとともに、全体の軽量化を可能にする構造を有する反応器を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記従来技術の有する課題を解決するため、本発明に係る反応器の具体的構造は、
（１）内部に複数本の反応管を配設し、該反応管のほぼ中央に下端を閉じた内管を設置するとともに、該内管のほぼ中央に中心管を配置し、前記反応管と前記内管とで囲まれた環状空間を粒状触媒充填部として構成する一方、前記中心管を上部に設けられたガス供給室に連結し、該ガス供給室へ供給された未反応供給ガスが前記中心管の上方より下方へ流通して、前記中心管の下端出口より前記内管内へ流通し、更に前記未反応供給ガスが前記内管と前記中心管とで囲まれた環状流路を上方へ流れ、かつ前記粒状触媒充填部においては、上方より下方へ流れるように構成した反応器であって、前記内管のほぼ中央に位置する中心管の下端位置が、前記反応管の上端より、反応管長さの１／１０から２／３の距離にあり、前記中心管の下端位置が前記反応管の下端位置よりも上方に位置すべく配設されている。
（２）又は、前記複数本の反応管のほぼ中央に配置され、かつ下端を閉じた前記内管は、その下端が前記反応管の下端よりも上方に位置している。
（３）又は、前記内管から流出した未反応供給ガスよりも低い温度の冷たい未反応供給ガスを前記粒状触媒充填部の上端へ直接供給できる導入部が設けられている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
図１及び図２は、本発明に係る反応器の実施の形態を示している。ここで、図１は本反応器の構造を示す縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。
本反応器１は、外形がシェル状のケーシング２で形成されており、該ケーシング２の内部には反応管３が配設されている。この反応管３は、両端部が上下管板４ａ，４ｂにそれぞれ取付けられ、当該反応管３の中央には下端がプラグ５で塞がれた複数本の内管６が設置されている。しかも、これら内管６の中央には、中心管７が同心円状に配置されており、内管６と中心管７との間には環状流路８が形成されている。
【００１２】
中心管７の下端は開放され、その長さは内管６よりも短く形成されており、下端の位置が内管６の下端よりも上方に位置すべく配設されている。また、中心管７の上端は取付管９を介して水平方向に延びる隔壁１０に接続されている。この隔壁１０は上部管板４ａの上方に配設されており、ケーシング２の上部空間は、当該隔壁１０によって未反応ガス供給室１１と未反応ガス集合室１２とに画成されている。そして取付管９の上端は、上方に位置する未反応ガス供給室１１と連通している。
【００１３】
前記反応管３と内管６とで囲まれた環状空間には、粒状触媒が充填された粒状触媒充填部の環状触媒層１３が形成されている。未反応供給ガス１４は、図１中の矢印Ｂで示す如く、ケーシング２の頂部に設けた未反応供給ガスノズル１５より未反応ガス供給室１１へ供給され、隔壁１０に取付けられた取付管９を経て中心管７の上端入口より流通し、下端出口より流出して内管６内へ流入する。しかる後、中心管７と内管６との間の環状流路８を上方へ流れ、未反応ガス集合室１２を経由して環状触媒層１３へ導かれる。
【００１４】
前記環状触媒層１３に導かれた未反応供給ガス１４は、該環状触媒層１３内を上方より下方へ向かって流れ、流下しながらメタノールが合成されるとともに、触媒層出口１６より下部集合室１７に流入し、該ケーシング２の底部に設けた反応器出口ノズル１８より反応ガス１９となって反応器１から外部へ流出することになる。下部集合室１７は、反応管３の下方であって、ケーシング２の下部に設けられている。
なお、反応管３を管外より冷却する沸騰液２０は、ケーシング２の側部に設けた入口ノズル２１より流入し、矢印Ｃで示す如く、当該入口ノズル２１と反対側のケーシング２の側部に設けた出口ノズル２２を経て反応器１から流出するようになっている。
【００１５】
ところで、前記中心管７の下端位置は、前記反応管３の上端より、該反応管長さの１／１０から２／３の距離に位置させるのが好ましい。この距離は、中心管７と環状流路８を未反応ガス１４が通過するときの圧力損失の上昇をできるだけ抑制し、かつ環状触媒層１３の内側からの冷却効果が期待できる値である。
【００１６】
図３は本発明に係る反応器の他の実施の形態を示しており、前記実施の形態に比して内管の長さを短くした場合の実施態様である。この実施の形態では、内管６ａの下端がプラグ５で塞がれ、環状触媒層１３内での高さ位置が、反応管３の下端よりも上方に配置されている。このため、内管６ａの下端位置の下方には、触媒粒子が充填された円筒触媒層２３が形成されている。その他の構成は前記実施の形態と同様である。
図３において、未反応供給ガス１４は矢印Ｂで示す如く、取付管９を経て中心管７を流下し、下端より内管６ａ内へ流入した後、中心管７と内管６ａとの間の環状流路８を上方へ流れ、未反応ガス集合室１２を経由して環状触媒層１３へ導かれる。そして、環状触媒層１３へ導かれた未反応供給ガス１４は、環状触媒層１３内を流下した後、内管６ａの下端から円筒触媒層２３中を流下し、触媒層出口１６より集合室１７及び反応器出口ノズル１８を経て流出する。
なお、前記中心管７の下端位置は、内管６ａの下端よりも上方に位置していることは明らかである。
【００１７】
図４は本発明に係る反応器の更に他の実施の形態を示しており、本実施の形態では、内管６より流出する未反応ガスの温度よりも低い未反応ガスを未反応ガス集合室１２へ供給し、触媒層へ流入する未反応ガスの温度を制御することのできる反応器構造の実施態様である。図４における冷却用未反応ガス２４は、ケーシング２の側部に設けたノズル２５から未反応ガス集合室１２へ供給されるようになっている。その他の構成は図１で示す実施の形態と同様である。
本実施の形態においては、未反応供給ガス１４が未反応ガス供給室１１、取付管９、中心管７、環状流路８を経由して未反応ガス集合室１２に流入する。そして、この未反応ガス集合室１２で未反応供給ガス１４は、前記冷却用未反応ガス２４と混合し、冷却された未反応ガスは環状触媒層１３を流下して、図１で示す実施の形態と同様の経路で反応器１より流出するようになっている。
【００１８】
（実施例）
図１および図４に示す実施の形態について、それぞれ実施例１および実施例２として比較例１，２とともに下記の表１に示す。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
供給原料ガス組成、供給原料ガス空間速度、反応圧力は実施例、比較例共通である。
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【００２１】
これらの実施例によって、本発明の実施の形態に係る構造の反応器１における環状触媒層１３の温度特性を示す。冷却用の沸騰液２０は飽和加圧水である。実施例２では、図４で示したノズル２５より冷却用未反応ガス２４を未反応ガス集合室１２へ供給し、環状触媒層１３へ流入するガス温度を低下させている。実施例１、２とも比較例とほぼ同様の温度特性を示しており、反応器構造が変更されているものの反応器の所期性能が得られていることが分かる。
【００２２】
比較例１では触媒層入口温度が２８２℃であり、触媒層最高温度が３１５℃と高くなっている。なお、特に触媒活性の良い運転初期においては、触媒層の温度を全体に下げた方が、触媒の寿命をより長くすることができる。
比較例２では、図７の反応器による反応実施例である。内管を出た未反応供給ガスに冷たい未反応供給ガスであるクエンチガスを混合させて、触媒層の入口温度を下げた場合を示す。一方、本実施例では、加圧水の圧力を下げないで、触媒層の最高温度を可能にしている。
【００２３】
加圧水は反応熱にて蒸発し、水蒸気の形で反応器より取り出され、各種のエネルギー源として有効に利用されるが、この場合には水蒸気の圧力は高い程、そのエネルギーとしての価値が高いことは言うまでもない。
従って、本発明による実施例が示すように、内管内に中心管を設置する反応器構造を用いることで、回収蒸気圧力を下げることなく、触媒層の最高温度を所定の値以下に保つことができる効果を有する。
【００２４】
以上のように、本発明の反応器は、粒状固体触媒を用いて気相発熱反応を行わせる反応器として工業的に大きい価値を有するものであり、メタノール合成反応以外の用途にも適用可能であって、ガスの組成、触媒の種類、形状、空間速度、圧力、温度には特に拘束されない。
【００２５】
なお、図１では省略したが、内管６や中心管７を反応管３の中央に位置させる構造、および下部管板４ｂに設けて触媒落下を防止させる構造はすでに公知であり、本発明はこれらについて何ら規定するものではない。また、触媒充填反応管３の長さ、内管６と中心管７の径についてもあるいは伝熱面積増加のために管表面に設けるフィン、溝の有無、管の材料、バッフル形状についても何ら特定するものではない。これらの要目は、圧力、ガス組成、温度、反応熱の大きさ、触媒性能などの多くの条件で決まるものであって、本発明においては、特に制限されるものではない。
【００２６】
【発明の効果】
上述の如く、本発明に係る反応器では、内管に更に中心管を設け、その中心管の下端位置が、反応管の上端より、反応管長さの１／１０から２／３の距離にあり、中心管の下端位置が反応管の下端位置よりも上方に位置すべく配設され、未反応ガスを反応器上部より供給することで、反応器の下部集合室における触媒抜き出し作業を効率化でき、更に、触媒充填時に下部集合室での分岐管の取付作業の効率化も図ることができる。しかも、上記距離によって、中心管とその周囲の環状流路を未反応ガスが通過するときの圧力損失の上昇をできるだけ抑制することが可能であり、環状触媒層の内側からの冷却効果が期待できる。
すなわち、本発明においては、触媒層内で反応しつつあるガスの反応熱の一部を内管の管壁を介したまま、中心管では環状流路と管壁を介した熱移動により環状流路および中心管内を流動する未反応ガスに与えて、この未反応ガスを予熱するので、当然ながら反応温度に比し中心管内および環状流路のガス温度を低く維持させる必要があり、この熱移動により未反応ガスの予熱と反応しつつある触媒層内ガスの冷却、温度制御を行わせている。ただし、残りの反応熱は反応管外表面に接しさせた飽和温度の加圧水に管壁を介した熱移動により水の蒸発潜熱として取り除き、発生した加圧水蒸気は反応器から取り出して他の用途に使用する。当然のことながら、反応温度に比し加圧水温度を低い条件に設定しなければ熱移動は起こらず反応熱の除去作用が生じないので、必要伝熱量、目標反応温度をベースに加圧水の圧力（飽和温度）を適性条件に設置すべきである。
【００２７】
このように、本発明はメタノール合成反応器のごとく、固体粒状触媒を用いて発熱反応を行わす目的の反応器で反応温度の制御が反応器性能上好ましい場合に適したものであって、構造が単純で運転の安定性にも優れ、設計、制作、点検、補修、触媒充填、触媒抜き出しもより効率的に行うことができる構造を有しており、工業的に大きい価値を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る反応器を示す縦断面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図３】本発明の別の実施態様に係る反応器を示す縦断面図である。
【図４】本発明の更に別の実施態様に係る反応器を示す縦断面図である。
【図５】メタノール反応平衡濃度に対する圧力と温度の効果の関係を示すグラフである。
【図６】従来の反応器の反応管を示す水平断面図である。
【図７】従来の反応器を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１  反応器
２  ケーシング
３  反応管
４ａ，４ｂ  管板
５  プラグ
６，６ａ  内管
７  中心管
８  環状流路
９  取付管
１０  隔壁
１１  未反応ガス供給室
１２  未反応ガス集合室
１３  環状触媒層
１４  未反応供給ガス
１５  未反応供給ガスノズル
１６  触媒層出口
１７  下部集合室
１８  反応器出口ノズル
１９  反応ガス
２０  沸騰液
２１  入口ノズル
２２  出口ノズル
２３  円筒触媒層
２４  冷却用未反応ガス
２５  ノズル
【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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