JP2013503732A - シェルアンドチューブ型垂直等温リアクタ - Google Patents

Abstract

化学反応のための垂直等温リアクタ（１）であって、垂直等温リアクタは、入口分配チャンバ（１７）および生成物収集チャンバ（１９）を画定する内部ガス透過性壁（１６，１８）、前記ガス透過性壁の間のオープントップ触媒層、および、前記触媒層に埋め込まれるチューブ熱交換器（５）を有し、チューブ熱交換器（５）は、Ｕチューブの束を含み、入口（１４）は、上部チャンバ（２１）の新たな充填を、触媒層およびチューブの束のＵ形状上部より上に方向づけるために配置され、新たな充填の一部（Ｆ１）は、軸方向−横方向の混合流で触媒層を通過し、新たな充填の他の一部（Ｆ２）は、ガス分配チャンバ（１７）の入口から入り、実質的に横断流で触媒層を通過する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばメタノール合成のような、触媒化学反応を実施するためのシェルアンドチューブ型、垂直等温リアクタに関する。

等温または疑似等温化学リアクタは、一般的には触媒ラック内に埋め込まれる、化学反応の温度を最適な範囲に保つための内部熱交換器が装着されるリアクタである。一般的な例はメタノール合成であり、熱交換器は、例えば沸騰水を蒸気に変換することによって、発熱化学反応の熱を、適切な冷却流体により除去する。反応が吸熱性の場合、熱交換器には加熱媒体が供給され、反応自体を持続させるために必要な熱を提供する。

内部チューブ熱交換器が装着されるリアクタは、単純にチューブ型リアクタと呼ばれる。
既知の配置においては、チューブ型リアクタは、基本的には固定されたチューブの束、およびチューブの内部に収容される触媒を含むシェルである。しかしこの配置は、ユニット毎の最大生産量に限界がある。例えばメタノール合成に関しては、この種類の既知のリアクタは、一般的にはユニット毎に２０００ｍｔｄ（メートルトン／日）以下であり、一方で、市場では５０００ｍｔｄ以上の大きなプラントが求められる。しかし、さらに平行して複数のユニットを設置するのには大変に費用が掛かるため、単一の大きなユニットを実現することが好ましい。さらに、このリアクタは、生産量に比べて比較的寸法が大きい。

リアクタの他の配置では、チューブの外側に分配された触媒を有する。既知のこれらのリアクタは、軸方向フローおよび半径方向外向きフローのユニットを含む。リアクタを通過する最大流量が実質的に断面積および流速に依存するため、軸方向フローのリアクタもまた最大容量に関しては制限がある。反応物の速度は、ある一定の値以上には増加させることができない、さもなくば圧力のロスが大き過ぎることになりまた、断面積を増加させること、すなわち、より大きなシェルを作ることは、より高価なリアクタを作ることを意味する。半径方向外向きフローのリアクタは一方で、低い熱交換性能を有すること、また概して触媒を排出および再充填することがより困難であることが知られている。

上記の理由から、従来のチューブ型等温リアクタは、高い生産性、高い効率性、低コストおよび触媒の簡単な排出／再充填の要求の間でのベストな妥協点を見出す必要がある。
ＥＰ−Ａ−１９０４２４には、実質的に円筒型の外殻シェル、触媒層、反応物／生成物の入口／出口のための対向する有孔ガス透過性壁、および触媒層に浸けられた熱交換器ユニットを含む、等温リアクタが開示されている。触媒層は、対向する有孔壁によって側方に区分けされ、熱交換器は、触媒層を横切って流れるガス状の流れの方向と実質的に平行に配置される。

本発明は、上記従来技術の欠点を解消する。本発明は特に、寸法と比較して大きな流量を扱うことができる、単純で低コストのチューブ型リアクタに最適な配置に関する。

上記問題は、化学反応のための垂直等温リアクタにより解決され、その垂直等温リアクタは、縦軸を具備するシェル、新たな充填ガスのための少なくとも１つのガス入口および生成物の出口、軸に平行な少なくとも１つの第一ガス透過性壁、軸に平行な少なくとも１つの第二ガス透過性壁、ここで、ガス分配チャンバが、第一ガス透過性壁およびリアクタのシェルの間で画定され、生成物の出口と通じている生成物収集チャンバが、第二ガス透過性壁およびリアクタのシェルの間で画定され、シェル、触媒層に面した分配チャンバのガス透過性壁および収集チャンバのガス透過性壁の内側に収容される触媒層、および、触媒層内に埋め込まれる熱交換器を有し、
熱交換器は、Ｕ形状チューブの束を含み、各Ｕ形状チューブは、Ｕ形状の部分で接続された２つの直線状の部分を有することで、チューブ束のＵ形状の端部を形成し、
前記ガス入口は、触媒層の上でリアクタの上部チャンバへの新たな充填を導くために配置され、
触媒層および流入ガス分配チャンバは、リアクタの前記上部チャンバと通じており、よってリアクタの動作中に、新たな充填の第一の部分が、チューブ束のＵ形状端部を通過して触媒層に直接入ることができ、新たな充填の第二の部分が、流入ガス分配チャンバに入ることができ、第一の部分は、触媒層内を収集チャンバへ向けて混合軸方向横断流で流れ、第二の部分は、触媒層内をガス分配チャンバからガス収集チャンバへ向けて実質的に横断流で流れる。

好ましくは、前記流入ガス分配チャンバは、リアクタの上部チャンバへ開き、触媒の最大レベルよりも上に位置する上部入口を有する。好ましい態様によれば、リアクタは、２つの対向する平行なガス透過性壁で画定される、一つの分配チャンバおよび一つの収集チャンバを有する。ガス透過性壁は、反応物／生成物の通過が可能となるような、穴、スロットまたは同等のものによる孔であってもよい。
さらに好ましい態様によれば、新たなガス充填の入口は、少なくとも１つの分配ノズル入口を含む。好ましくは、前記ノズルは、リアクタの上部カバーに取り付けられ、より好ましくは、前記ノズルは、リアクタの縦主軸に揃えられる。ノズルは、前記リアクタの上部チャンバに新たな充填を分配するための、一つの開口部または複数の前側および／または側部開口部を有してもよい。

本発明の好ましい態様によれば、リアクタは、ガス分配チャンバに入る新たな充填の第二の部分が、チューブの束を通って触媒層に直接入る新たな充填の第一の部分より大きくなるように構成される。前記第一の部分および第二の部分の間の比率は、反応の種類およびリアクタの寸法によって異なっていてもよく、好ましくは２４％〜４５％である。
熱交換器のチューブは、好ましくはチューブシート（ｔｕｂｅ ｓｈｅｅｔ）またはリアクタ下部のマニホールド（ｍａｎｉｆｏｌｄ）に固定される。チューブ束の上部におけるＵ形状部分は、好ましくは半円形である。チューブ内部を循環する加熱または冷却流体は、任意の好適な流体であってもよく、いくつかの態様で、流体は水である。

特に好ましい態様によれば、リアクタは、新たな充填ガスが供給される上部チャンバを画定する上部カバーを有しており、縦主軸に揃えられる軸方向ガス分配入口およびマンホールを含む。シェルの下部には、生成物収集チャンバと通じる少なくとも１つの生成物出口および使用済みの触媒を排出するための一つまたは好ましくは複数の触媒ドロップアウト開口部を有する。
本発明の好ましい用途は、メタノール合成のためのリアクタ（メタノール変換器）である。特に好ましい用途は、メタノール変換器であり、そこでは、反応熱は、蒸気を生成するために利用される、すなわち、チューブ熱交換器は、沸騰給水（ＢＦＷ）が供給され、蒸気または水／蒸気の混合物が、チューブの出口で収集される。

本発明によるリアクタは、下記の利点を有する。ガス状の流れは、触媒層を通過する間に、軸方向横方向の混合流のお陰で圧力損失が低い。したがって、リアクタは、シェルの寸法および直径と比較して大きな流量を受け入れることができる。リアクタの費用は、その直径と密接に関係していることに注意しなければならない。
本発明は、利用可能な触媒の最大限の利用を可能とするが、それは、新たな充填が、分配チャンバの有孔壁および層の上部開口を介して、触媒層に一様に分配され、熱交換器のシェル側において、低い圧力損失でより大きな流量の反応物／生成物を扱うことを可能にするためである。

リアクタの主要部は、シェル、チューブ束、一つのチューブシートまたはチューブマニホールド、および内部ガス透過性壁のみの、比較的単純なものである。
もう一つの利点は、メンテナンスのために触媒層に簡単にアクセス可能なことである。リアクタの上部チャンバへ開いている触媒層は、リアクタの上部から簡単にアクセス可能な一方で、触媒は下部ドロップアウトから排出可能である。本発明は、オープントップバスケット配置および簡単で迅速な古い（使用済み）触媒の取り換え作業を提供する。
本発明の特徴および利点は、それに限定されないが例示として示される、詳細な説明および参照として組み込まれる図面からより明らかになる。

図１は、本発明の好ましい態様にしたがった、リアクタの縦断面図である。 図２は、図１のリアクタの断面図である。

詳細な説明
図１を参照して、例えばメタノール交換器のための、化学反応のための垂直リアクタ１は、上部カバー３および下部カバー４により閉じられる、縦軸Ａ−Ａを具備するシェル２を有する。
チューブ型熱交換器５は、リアクタ１に含まれ、触媒層内に埋め込まれる。熱交換器５は、下部チューブシート７に固定された複数のＵ形状のチューブを具備する、チューブ型熱交換器である。別の態様において、チューブはマニホールドに接続される。

触媒は、例えば固体粒子の形状で、前記チューブシート７から最大レベル６までの反応空間に充填される。触媒は、動作中に統合および／または縮小され、触媒層を下位レベル６’に至らせる。動作中の等温反応のために利用できる空間はしたがって、触媒層の下部シート７および上位レベル６’の間に含まれる。この反応空間において、反応物および生成物は、実質的に等温状態に保たれる。
上部カバー３は、反応物の新たな充填ガスＦのための入口ノズル１４を備えている。化学反応の生成物Ｐは、シェル２の下部領域内の出口１５に送られる。

熱交換器５は、化学反応により生成または吸収された熱を補償して、触媒層の温度を事前設定された範囲に保つように適合される。この目的に適した熱交換流体が交換器５のチューブ側に供給され、下部カバー４上の入口８から入り、同じカバー４の出口９から出る。熱交換流体分配チャンバ１０および収集チャンバ１１は、隔壁１２により区切られる。
熱交換器５の各Ｕ形状チューブは、Ｕターンにより接続された２つの直線部分を有する。チューブの一つが、図１に１３として示され、該チューブは、シート７に固定され流体分配チャンバ１０に通じる直線部分１３ａ、Ｕ形状部分１３ｂ、および、シート７に固定され流体収集チャンバ１１に通じるもう一つの直線部分１３ｃを有する。Ｕ形状部分１３ｂは、直線部分１３ａおよび１３ｂをつなぐ。つまり、交換器５の全てのチューブの束は、チューブのＵ形状部分により形成される、Ｕ形状上部５ｂを有する。

リアクタ１はまた、軸Ａ−Ａに平行で、側方ガス分配チャンバ１７を画定するガス透過性有孔壁１６、および、側方生成物収集チャンバ１９を画定するガス透過性有孔壁１８を含む。生成物出口１５は、前記収集物チャンバ１９に通じる。
分配チャンバ１７および生成物収集チャンバ１９は、シェル２と、有孔壁１６および１８の間でそれぞれ画定される。触媒層は、前記有孔壁の間に収容されるため、有孔壁はリアクタ１内部の触媒層および反応空間に面する。

好ましくは、ガス透過性壁は示されるように平行および対向しているが、例えば、複数のガス透過性壁および対応する分配および収集チャンバを具備する態様も可能である。分配チャンバ１７および収集チャンバ１９の配置は、図２示される断面によってさらによく理解できる。
分配チャンバ１７は、触媒の最大レベル６の上で、リアクタ１の上部チャンバ２１内に開いた、上部入口開口部２０を有する。前記チャンバ２１は、触媒層の上で、実質的に上部カバー３により区切られる。触媒層は、リアクタの前記上部チャンバ２１に直接接するように開いている。

また、上部カバー３にはマンホール２２が提供される。一つ以上の触媒ドロップアウト（ｄｒｏｐ−ｏｕｔ）２３がシェル２に提供される。水平な取り付けのために適したサポート２４がシェル２に固定される。動作において、マンホール２２および触媒ドロップアウト２３は、デッドフランジ（ｄｅａｄ ｆｌａｎｇｅ）により閉じられる。圧力計、熱電対等の他の機能は、従来技術にしたがって実現される。
ノズル１４および分配チャンバ１７は、新たな充填Ｆの第一部分Ｆ１が、リアクタの上部チャンバ２１から熱交換器５のＵ形状の上部５ｂを通って触媒層へ、そして有孔壁１８および収集チャンバ１９へ、図１の矢印で示される軸方向−横方向流のように直接流れるように配置される。

新たな充填Ｆの第二部分Ｆ２は、分配器１７の入口２０に入り、有孔壁１６および触媒層を通って流れ、実質的に横方向の（水平方向の）流れでチャンバ１９に達する。
好ましくは、前記第二部分Ｆ２は、前記第一部分Ｆ１より大きい。充填Ｆの一部を分配器１７を介して供給することは、触媒の最大限の利用を可能にし、よって、ノズル１４から遠い下部もまた利用可能になる。これは、触媒層全体を通した一様な等温反応を保持し、リアクタ１の生産性を最大限に高めることに寄与する。一方で、少なくとも一部を触媒層に直接与えることは、完全なオープントップバスケット（ｏｐｅｎ−ｔｏｐ ｂａｓｋｅｔ）を可能にし、触媒の充填を容易にする。

リアクタ１の動作は以下の通りである。新たな充填Ｆは、ノズル１４を介してリアクタ１の上部チャンバ２１に入る。流れラインＦ１に対応する、充填Ｆの一部は、チャンバ２１からオープントップの触媒層を直接通過し、チューブの束を流れ、そして、軸方向−横方向の流れで収集チャンバ１９の有孔壁１８を通る。残りの部分Ｆ２は、開口部２０を介して分配チャンバ１７へ導かれ、実質的に横断的な流れで触媒層に流れる。生成物は、チャンバ１９で収集され、出口１５から出る。
好ましいが、それには限定されない用途は、メタノール合成である。この場合、充填Ｆは、適した補給合成ガスであって、熱交換器５は、メタノール合成の発熱反応により生成される熱を取り除く務めを果たす。出口９が蒸気または水／蒸気の混合流を送達するように、熱交換流体は、好ましくは、フランジ８から入り、チューブの内部で少なくとも部分的に蒸発する沸騰水である。

Claims (8)

1. 縦軸（Ａ−Ａ）を具備するシェル（２）、
   新たな充填ガス（Ｆ）のための少なくとも１つのガス入口（１４）および生成物の出口（１５）、
   前記軸に平行な少なくとも１つの第一ガス透過性壁（１６）および前記縦軸（Ａ−Ａ）に平行な少なくとも１つの第二ガス透過性壁（１８）であって、分配チャンバ（１７）が、第一ガス透過性壁およびリアクタのシェルの間で画定され、生成物の出口（１５）と通じている生成物収集チャンバ（１９）が、第二ガス透過性壁およびリアクタのシェルの間で画定される、前記第一および第二ガス透過性壁、
   シェル、触媒層に面した分配チャンバのガス透過性壁および収集チャンバのガス透過性壁、の内側に収容される触媒層、および、
   触媒層内に埋め込まれる熱交換器（５）、
   を有する、化学反応のための等温垂直リアクタ（１）であって、
   熱交換器（５）は、Ｕ形状チューブの束（１３）を含み、各Ｕ形状チューブは、Ｕ形状の部分（１３ｂ）で接続された２つの直線状の部分（１３ａ、１３ｃ）を有することで、チューブ束のＵ形状端部（５ｂ）を形成し、
   前記ガス入口（１４）は、触媒層の上で、新たな充填をリアクタの上部チャンバ（２１）へ導くために配置され、
   触媒層およびガス分配チャンバ（１７）は、リアクタの前記上部チャンバ（２１）と通じており、よってリアクタの動作中に、新たな充填（Ｆ）の第一の部分（Ｆ１）を、チューブ束のＵ形状部分（５ｂ）を通過して触媒層に直接入れることができ、新たな充填の第二の部分（Ｆ２）を、ガス分配チャンバ（１７）入口に入れることができ、第一の部分は、触媒層内を生成物収集チャンバ（１９）へ向けて軸方向−横方向の混合方向に流れ、第二の部分は、触媒層内をガス分配チャンバ（１７）から収集チャンバ（１９）へ向けて実質的に横方向に流れることを特徴とする、前記リアクタ。
2. 分配チャンバ（１７）が、リアクタの上部チャンバ（２１）に位置し、かつ、触媒層の触媒の最大レベル（６）より上に位置する上部入口開口部（２０）を有する、請求項１に記載のリアクタ。
3. リアクタが、２つの対向する平行なガス透過性壁（１６，１８）で画定される、一つの分配チャンバおよび一つの生成物収集チャンバを有する、請求項１または２のいずれかに記載のリアクタ。
4. ガス入口が、少なくとも１つの分配ノズル（１４）を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のリアクタ。
5. ノズルが、リアクタ（１）の上部カバー（３）に提供され、縦主軸（Ａ−Ａ）に揃えられる、請求項４に記載のリアクタ。
6. シェル（２）が、少なくとも１つの触媒ドロップアウト（２３）を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のリアクタ。
7. リアクタの動作中、新たな充填の第二の部分（Ｆ２）が新たな充填の第一の部分（Ｆ１）より大きいことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のリアクタ。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のリアクタの、メタノール補給合成ガスの変換によるメタノール合成のための使用。

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