JP2001510391A - 触媒蒸留用構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 蒸留用構造体として有用な接触構造体は、複数のほぼ水平な堅固部材（２０）によって隔置され且つ堅固に保持された２つのほぼ垂直なグリッド（２２）によって作られた堅固なフレームと、前記グリッドに取り付けられたほぼ水平な複数のワイヤメッシュの管であって同管同士の間に複数の流体経路を形成する複数の管と、を有している。蒸留用構造体及び触媒としての役目を果たす触媒蒸留用構造体として使用するために、ワイヤメッシュの管の少なくとも一部分は、特定の触媒物質（３０）を含んでいる。管内の触媒は、触媒反応が起こる反応領域を提供し、ワイヤメッシュの管は、留分蒸留をもたらす移送表面を提供する。触媒密度の変化のため及び装荷及び構造上の一体化のために、スペーサ部材が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】 触媒蒸留用構造体 発明の背景 発明の分野 本発明は、概して、反応触媒と蒸留のための物質移動表面との２つの機能を発 揮する蒸留用構造体に関する。より特定すると、本発明は、固体粒子触媒を含む 固定された蒸留用構造体に関する。 従来技術 反応と反応物から生じる生成物の分離とを同時に行うことは時々行われてきて おり、その利点が認められている。同時発生の反応と蒸留との使用の例が、米国 特許（エーテル化）第４，２３２，１７７号；第４，３０７，２５４号；第４， ３３６，４０７号；第４，５０４，６８７号；第４，９１８，８０７号；(二量 体化)第４，２４２，５３０号；(水和)第４，９８２，０２２号；(解離)第４， ４４７，６６８号；(芳香族のアルキル化)第４，９５０，８３４号；第５，０１ ９，６６９号に開示されている。 いくつかの異なる触媒蒸留用構造体が提案されてきた。例えば、米国特許第４ ，３０２，３５６号及び第４，４４３，５５９号を参照すると、これらの特許に おいては、粒子状の触媒が、曇り取りワイヤ（ｄｅｍｉｓｔｅｒ ｗｉｒｅ）に よって巻かれた布の帯上に設けられたポケット内に含まれた、触媒蒸留用構造体 を形成しており、米国特許第４，７３１，２２９号は、触媒部材を形成するため に、ひだの付いた部材又はテープを備えた充填物を開示している。米国特許第５ ，０７３，２３６号に開示されているように、高効率の充填物が触媒を含むよう に変形されてきた。いくつかの実施形態においては、カラムの流体をより動き易 くすることができることは、本発明の利点である。本発明の触媒蒸留用構造体が 、多くの従来技術によるものより良好な蒸留特性を提供できることは、更に別の 利点である。 発明の概要 本発明は、少なくとも２つのほぼ垂直なグリッドと、同グリッドを隔置し且つ 隔てた状態で保持する複数のほぼ水平な堅固な部材と、それらの間に複数の流体 流路を形成するための複数のほぼ水平の流体透過性のワイヤメッシュの管と、か ら構成された堅固なフレームを含む可動性の接触構造体を提供する。 好ましくは、前記ワイヤメッシュの管の少なくとも一部分は、粒状の触媒物質を 含んでいる。これらの構造体は、流体（液体及び／又はガス）が触媒物質と接触 するようになされた、いかなる固定床装置において使用しても良い。この構造体 は、液体／液体、気体／液体又は気体／気体の、順流又は向流に対しても有用で あるけれども、本発明は、反応蒸留すなわち触媒蒸留工程に対して特に有用であ る。 グリッドは、堅固な部材例えばステンレス鋼又は管及びワイヤメッシュの管に ほぼ直角であり、グリッド上のパターンも同じであるのが好ましい。グリッド上 のパターンは、規則正しい孔の列であるのが好ましい。この構造体内には十分な 量の堅固な部材が含まれていて、構造上の一体化を付与して、その結果、構造体 をカラム内である程度の深さに積み重ねることができる。一般的には、堅固な部 材は、構造体の周辺近くに隔置され且つ例えば溶接によってグリッドに堅固に取 り付けられている。 ワイヤメッシュの管同士の間に通路を形成するために、構造体は、ほぼ平行に 互いに隣接した垂直方向に整合された列状に配列された少なくとも２つのワイヤ メッシュの管と、同垂直方向に整合されたワイヤメッシュの管に隣接し且つ同管 から隔てて配置された少なくとも１つのずらされたワイヤメッシュの管と、を含 んでいるのが好ましい。より好ましい実施形態においては、垂直方向に整列され たカラムの管同士の間の距離は、前記ずらされたワイヤメッシュの管が前記垂直 方向に整列されたワイヤメッシュの管に触れることなく垂直方向に整列されたワ イヤメッシュの管に重なることができて、ねじれた流体流路を形成するのに十分 な距離である。 本明細書において使用されている”管”という用語は、あらゆる断面例えば丸 、正方形、矩形断面の包囲された細長い構造体を意味する。 粒子状材料を含まない構造体は、上に記載したような優れた特性を呈し且つ単 独で使用されるか又は一般的なトレイ、降下管等と組み合わせて使用される一般 的な蒸留装置用の優れた構造体である。図面の簡単な説明 図１は、触媒を含む部材及び好ましい実施形態の空間的な関係を示す構造体の 断面図である。 図２は、図１の空間的相対関係によって表された好ましい実施形態の等角図で ある。 図３は、図１に示したものと異なる空間的相対関係を有する別の実施形態の断 面図である。 図４は、粒状物質の空隙（気孔）が無い（ｄｅｖｏｉｄ）構造体の断面図であ る。 図５は、蒸留カラム反応器内に配置された構造体の断面図である。 好ましい実施形態の説明 好ましい実施形態を詳細に説明するために、読者によって添付図面が参照され るべきである。これらの添付図面においては、参照の容易化のために、同様の構 成要素には同様の番号が付されている。 図１は、垂直方向に位置決めされた管１０同士の間の距離が２ｈである１つの 実施形態を図示したものである。この実施形態においては、横方向に隣接した管 １２の最も近い位置１４と管１０のカラムの中心の垂直軸１６との間の距離ｘが 、横方向に隣接した管１０と１２との間の距離ｙに等しい(ｘ＝ｙ)。図１の構造 は、隣接する列の管がずらされて各カラム内の管の一部分が重なるけれども接触 しないように空間的に配列されている。このような重なりは、流体のねじれた通 路１８を提供しそれによって流体が構造体内の管と接触する機会がより多く提供 される。 触媒３０は、寸法τの矩形の管１０ａ〜１０ｈ内に含まれており、一方、管１ ０ｊは空っぽである。充填物内の最も緊密な構造においては、蒸気及び流体の流 れのための開口した領域の留分（ｆｒａｃｔｉｏｎ）は、（ｘ−δ）／ｄの比率 で与えられる。所定のプレート間距離ｄのための最も高い触媒密度において、距 離ｙはｘに等しい。最も低い触媒密度が望ましい場合には、管同士の間の空間パ ラメータｈを増すことができる。結局、ｙはｘより大きくなる。別の方法として 、触媒密度は、不活性の充填物又は空の管によって低くすることができる。従っ て、 構造的形態と管の装荷との組み合わせによって、本接触構造体は、大きな変化の 流体と接触するための適用性が高い手段を提供する。図面の右手側の二点鎖線は 、充填物内の流れのための最小（Ｌｍｉｎ）及び最大（Ｌｍａｘ）自由経路を表 している。これらの経路の数学的平均は、充填物のねじれ度を表わす。 図１の実施形態は、良好な液体−触媒間接触を維持するのに必要な充填物上の 液圧負荷を最小化し且つ蒸気−液体交換が起こる前に液体と触媒との間の極めて 短い接触時間を提供する。これらの２つのファクタは、出水点（ｆｌｏｏｄ ｐ ｏｉｎｔ）の下方の液圧負荷の範囲に亘って及び還流比（ｒｅｆｌｕｘ ｒａｔ ｉｏ）のような広範囲の動作条件に亘って、触媒のためのより効率の良い利用を 提供するように選択される。均衡が制限された装置のためのより大きな駆動力を 提供するためには、低いＨＥＴＰを付与するように充填物が設計されることもあ った。 図１の装置の幾何学的形態は、ｘ＝ｙのとき、以下の関係を生ずる。 式中、 ｈ＝管同士の間の空間パラメータ ｄ＝プレート間隔離距離（中心から中心まで） ｘ＝最小プレート間間隔 τ＝管サイズ ε＝充填物内の最も小さい構造体における流れのための開口空隙 Ｔ_L＝高さがＬの充填物の束内のプレート当たりの管の数 Ｐ_D＝幅Ｄの充填物の束内のプレートの数 Ｐ_M＝充填物触媒密度 Ｐ_b＝触媒の嵩密度 L_MIN＝単位充填物高さ当たりの最小蒸気経路長さ L_MAX＝単位充填物高さ当たりの最大蒸気経路長さ Ｑ＝ねじれファクタ Ｌ＝充填物の束の高さ Ｄ＝充填物の束の幅 Ｓ_M＝充填物の単位体積当たりに必要なスクリーンの面積 δ＝ワイヤの直径 図４は、管１０が全て空であること以外は、図１とほぼ同じ空間的関係を有す る接触構造体の断面図である。この実施形態は、従来の蒸留カラム内に蒸気及び 液体を給送するための極めて有効な手段を提供する。 触媒蒸留に使用する場合には、液相と蒸気相との両方が存在するであろう。液 体及び内部還流は、ワイヤメッシュであり且つ膜を形成しているのが最も望まし い管と接触し、また、液体は、管内の触媒又はその他の充填物質への吸着によっ て、ある程度、管内に吸収されるであろう。この構造体は蒸留用構造体の役目を 果たすけれども、管内の特定の材料の存在及び液体の毛管作用は、通常の蒸留用 構造体とは異なる環境を提供するであろう。通常の蒸留用構造体においては、液 体だけでなく気体も通路内の最も抵抗が少ない経路をたどることが予想される。 しかしながら、カラム内の液体の一部分が管によって処理される状態では、抵抗 の少ない開口した経路を提供する対抗手段はより少なく、予想よりも低い背圧が 形成されるであろう。 図３は、管１１０及び１１２の隣接するカラムの構造体を提供しており、これ らは各々、同じカラム内で、例えば、図１の構造体よりも大きい垂直方向の管同 士の間の移動（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）を有している。距離ｘ₁とｙ₁とは等 しくなく、管同士の間のねじれた隙間間経路１１８に加えて、管の横方向の列間 の制限されない横方向経路１２０が、矢印で示されている気体の流れ用として設 けられている。互いに隣接する列の両端部において１以上の管を除去することに よって、横方向経路１２０の接続のための開口した空間１２２が残される。以前 と同様に、液体は、脱字記号（ｃａｒｅｔｓ）▼によって示されているように管 及び内部の材料の上及び中を流れる傾向があるであろう。 図２は、図１の空間的な相対関係を具体化した構造体を示している。ワイヤメ ッシュによって作られた矩形管１０がグリッド２２の穴２４内に位置決めされて いる。グリッド２２同士は鏡像である。これらは、例えば、溶接２６によって両 方のグリッドに各々固定されている中空の支持ロッド２０によって隔置されてい る。グリッド同士を一緒に固定する他の手段としては、ねじが切られたロッドと ボルト又はナットとボルト（図示せず）の使用が含まれる。結果的に得られる構 造体は、堅固で且つ少なくとも１つの本発明の他の構造体好ましくは１００〜２ ００ポンド（４５．４〜９０．８ｋｇ）の負荷を支持することができる。管１０ は、通常は、穴２４とほぼ同じ大きさ及び形状であり、その結果、管は、２つの 端部のグリッドがロッド２０によって相互に固定されるときに、穴内に迅速に保 持され且つ縛り付けられる。 通常の環境下に置いては、各管１０は、粒子状の触媒物質３０を含むであろう 。粒子状の触媒物質を含んでいる各管１０の端部は、例えば、カシメ２８又は挿 入された端部キャップ（図示せず）又は溶接によってシールされるであろう。 図２に示された触媒構造体においては、図示された管のうちのいくつかは、あ らゆる粒子状の物質の空隙であり且つ／又は不活性の粒子物質を含んでも良い。 空隙による充填物は、密度がより低く且つたくさんの開口した空間及び表面によ り、優れた蒸留特性を提供する。 不活性部材は、触媒粒子状物質と同じ大きさか、より小さいか又はより大きく てもよい不活性粒状物質が充填された充填物である。不活性部材は、触媒物質の 同じ液圧特性の全てに対して可能であるが、同じく反応蒸留と呼ばれる触媒蒸留 （米国特許第５，０１９，６６９号）においてはしばしば可逆反応である触媒反 応を、低下させる。従って、反応物質を希釈させるが蒸留物質を維持することに よって、高レベルの触媒蒸留の分離特性を得ることができる。言い換えれば、与 えられた構造体内の触媒物質間に不活性物質を分散させることによって、留分の 分離が強化され、一方、全体として、複数の触媒構造体を備えたカラムを含む装 置内に反応力が維持される。 あらゆる与えられたカラム内に存在する触媒の体積の希釈によって、上記した 触媒蒸留及び改良された蒸留特性の力強い特性が多少少なく与えられるかもしれ ない。 ワイヤメッシュ内に装荷された触媒の体積は、反応による膨張に依存するであ ろう。使用される１つの一般的な酸性のイオン交換樹脂、アンバリスト（Ａｍｂ ｅｒｌｙｓｔ）１５は、湿潤したときに２０〜３０％まで膨張するのに対して、 別のＣＴ−１７５は、ほんの１０〜１５％しか膨張しない。沸石結晶は、湿潤し たときに、全く膨張しない。アルミナ又はアルミナに支持された触媒の何れかの ような押し出し成形された粒子を使用しても良いことが予想できるけれども、粒 子の大きさは、０．１５ｍｍから約２ｍｍまでの粒子を採用することができ、一 般的には、約０．２５〜１ｍｍである。 触媒部材と非触媒部材（管）とは、いくつかのロッド又は棒によって確実に隔 置されるときにフレーム本体内のスペーサの役目を果たす、各グループの部材の 端部に設けられた、通常は、金属グリッド又はテンプレート（型板）によって束 ねられて、一つの構造体を形成する。 二つ以上の構造体を、カラム内の所望に応じた種々の高さに配置しても良いこ とが理解されるであろう。実際の使用時には、反応蒸留カラム内に垂直方向及び 横方向に多くの構造体が配列されることが企画される。更に、この構造体は、あ らゆる効率的な方法でカラム内に支持しても良い。例えば、構造体は、ラッシヒ リング等のような不活性蒸留充填物によって支持され且つ分離されても良い。 図５は、蒸留カラム反応器４０内に位置決めされカシメられた端縁２０ａを備 えた管２０を有する構造体を断面で示している。管２０の前方領域は断面図で示 されており、一方、すぐ後方及び隣接した部分は完全な管である。管２０は、図 １に従って位置決めされている。 実施例 図１の空間的相対関係を有する構造体を準備し、ダウＭ−３１イオン交換樹脂 （ダウ・ケミカル・カンパニーの製品）５．４ポンド（２．４５キログラム）( 水２６％)を以下の寸法、すなわち、τ＝０．４インチ（１．０２センチメート ル)、ｘ＝０．１７インチ(０．４３センチメートル)、ｄ＝０．４５３インチ(１ ．１５センチメートル)、ｈ＝０．０７０インチ(０．１７８センチメートル)、 ε＝０．３３６、Ｐ_M＝９．９ポンド／立方フィート(１５８．６０キログラム／ 立方メートル)、Ｓ_M＝６３．９ｆｔ（フィート）²／ｆｔ（フィート）³、Ｑ＝１ ．４３を有する構造体内に装荷した。ワイヤスクリーンは、ワイヤ直径がδ（０ ．００９インチ(０．０２２９センチメートル)）であり、メッシュサイズが５０ である。Ｍ−３１触媒を備えた全長が１０フィート（３．０５メートル.）の充 填物を^a１００フィート３インチＩＤカラム内で使用した。 この構造体を使用して、イソブチレンをメタノールによってエーテル化してメ チル第三ブチルエーテルを生成した。１．４〜１．６％のイソブチレンを含む原 料が１００〜１１０ｐｓｉｇ（ポンド／平方インチ）で０．４６〜０．７５の還 流比でメタノールと反応して、８３〜８９％の範囲のイソブチレンの変換がなさ れた。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｌ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ブッカー，ダーウィン アメリカ合衆国テキサス州77507，パサデ ナ，ベイ・エリア・ブールヴァード 10100 (72)発明者 クロスランド，クリフォード・エス アメリカ合衆国テキサス州77507，パサデ ナ，ベイ・エリア・ブールヴァード 10100

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも２つのほぼ垂直な２つのグリッドを有する堅固なフレームと、 同グリッドを隔置して保持する複数のほぼ水平な堅固部材と、複数のほぼ水平の 流体透過性の管であって前記グリッドに取り付けられて前記管同士の間に複数の 流体通路を形成する複数の管と、を含む、接触構造体。 ２．請求項１に記載の接触構造体であって、 前記流体透過性の管の少なくとも一部分が、粒子状の触媒物質を含んでいる、 接触構造体。 ３．請求項２に記載の接触構造体であって、 前記流体透過性の管がワイヤメッシュを含む、接触構造体。 ４．請求項３に記載の接触構造体であって、 前記ワイヤメッシュの管の一部分内に不活性の粒子状物質が配置されている、 接触構造体。 ５．請求項３に記載の接触構造体であって、 前記グリッドが前記堅固な部材及びワイヤメッシュの管にほぼ直角であり、グ リッド上のパターンが好ましくは互いに同じである、接触構造体。 ６．請求項５に記載の接触構造体であって、 各グリッドがワイヤメッシュの管を挿入するための穴のパターンを有している 、接触構造体。 ７．請求項６に記載の接触構造体であって、 前記グリッド上のパターンが、穴の規則正しい列である、接触構造体。 ８．請求項６に記載の接触構造体であって、 前記グリッド上のパターンがほぼ同じである、接触構造体。 ９．請求項３に記載の接触構造体であって、 当該構造体が、ほぼ平行で互いに隣接して垂直に整合された列状に配列された 少なくとも２つのワイヤメッシュの管と、前記垂直方向に整合されたワイヤメッ シュの管に隣接し且つ同垂直方向に整合されたワイヤメッシュの管から隔置され て配置された少なくとも１つずらされたワイヤメッシュの管と、を含む接触構造 体。 １０．請求項９に記載の接触構造体であって、 カラムの垂直方向に整合された管が、前記ずらされたワイヤメッシュの管が前 記垂直方向に整合されたワイヤメッシュの管と接触することなく同垂直方向に整 合されたワイヤメッシュの管と重ねられて、ねじれた流体通路を形成するのに十 分な距離で配置されている、接触構造体。 １１．請求項１０に記載の接触構造体であって、 前記ワイヤメッシュの管の一部分の内部に、不活性の粒子状物質が配設されて いる、接触構造体。 １２．請求項１に記載の接触構造体であって、 前記流体透過性の管がワイヤメッシュを含む、接触構造体。 １３．請求項１２に記載の接触構造体であって、 前記ワイヤメッシュの管の一部分の内部に不活性の粒子状物質が配設されてい る、接触構造体。 １４．請求項１２に記載の接触構造体であって、 前記グリッドが、前記堅固な部材及びワイヤメッシュの管にほぼ直角であり、 前記グリッド上のパターンが好ましくは互いに同じである、接触構造体。 １５．請求項１４に記載の接触構造体であって、 各グリッドが、ワイヤメッシュの管を挿入するための穴のパターンを有してい る、接触構造体。 １６．請求項１５に記載の接触構造体であって、 前記グリッド上のパターンが穴の規則正しい列である、接触構造体。 １７．請求項１５に記載の接触構造体であって、 前記グリッド上のパターンが互いにほぼ同じである、接触構造体。 １８．請求項１２に記載の接触構造体であって、 当該構造体が、ほぼ平行で互いに隣接して垂直方向に整合された列状に配列さ れた少なくとも２つのワイヤメッシュの管と、前記垂直方向に整合されたワイヤ メッシュの管に隣接し且つ同垂直方向に整合されたワイヤメッシュの管から隔置 されて配置された少なくとも１つずらされたワイヤメッシュの管と、を含む接触 構造体。 １９．請求項１８に記載の接触構造体であって、 前記カラムの垂直方向に整合された管が、前記ずらされたワイヤメッシュの管 が同垂直方向に整合されたワイヤメッシュの管と接触することなく同垂直方向に 整合されたワイヤメッシュの管と重ねられて、ねじれた流体通路を形成するのに 十分な距離で配置されている、接触構造体。 ２０．反応と、同反応から生じる生成物の分離と、を同時に行うための蒸留カ ラム反応器であって、 （ａ）垂直方向に配設された容器と、 （ｂ）内部に配設された触媒蒸留構造体と、含み、 少なくとも２つのほぼ垂直な２つのグリッドを有する堅固なフレームと、前記 グリッドを隔置して保持する複数のほぼ水平な堅固部材と、複数のほぼ水平の流 体透過性の管であって前記グリッドに取り付けられて前記管同士の間に複数の流 体通路を形成する複数の管と、を含み、前記流体透過性管の少なくとも一部分が 粒子状の触媒物質を含んでいる、蒸留カラム反応器。