JP4386719B2 - 触媒系の試験のための反応器 - Google Patents

Description

本発明は触媒系の試験のための反応器、試験法並びに使用に関する。

化学工業において、多数の大規模な反応は触媒を含む多管式反応器中で行われる。このような反応において、流体、しばしばガス状の反応媒体は、触媒系、即ちその上に活性材料が施与された触媒担体か又は非担持バルク触媒で充填されている多数の、しばしば１００００〜４００００個の管に導通される。熱を供給又は排出するために、熱交換媒体、例えば塩溶融物は触媒管の間の空間を貫通する。

従来、新規の触媒系又は公知の触媒系を新規の反応媒体と一緒に試験するためには、試験されるべき触媒系でそれぞれ充填されかつ周囲に熱交換媒体が流動している複数の管を備えたパイロット規模の反応器が使用されている。従って、このような反応器は、触媒系が試験されている間に他の使用のために利用されることができない。

本発明の課題は、複数の触媒系を同時に試験することができるか、又は１種の触媒を異なる条件下で同時に試験することができる反応器及び試験法を提供することである。

上記課題の達成は、反応器の内部空間内に相互に平行に配置されかつその端部が管板に溶接されている複数の触媒管を備えており、かつ、反応器の両端に、その都度キャップ空間を区画するキャップを備えており、その際、流体の反応媒体はキャップ空間を経て触媒管に供給され、触媒管を貫通し、別のキャップ空間を経て排出され、並びに、反応器の１つの端部で熱交換媒体が供給され、触媒管の間の空間を貫流し、かつ反応器の別の端部で排出される熱交換媒体循環部を備えた、触媒系を試験するための反応器に基礎をなす。本発明の反応器内で、触媒管は熱的に相互に隔離された２個以上の触媒管領域内に配置されている。

本発明の反応器は一般にパイロット規模の反応器であるが、しかしながら本発明は反応器のサイズに関して限定されない。反応器の形状はしばしば円筒状であるが、必ずしも円筒状である必要はない。例えば、長方形又は多角形の反応器横断面も可能である。反応器の内部空間内で、少なくとも１０個、有利に少なくとも２０個の複数の触媒管は反応器の縦軸方向に相互に平行に配置されており、かつその端部で管板に溶接されている。記載された触媒管の最小数は、触媒を含む多管式反応器のための代表的な測定結果を得るために必要である。反応器の両端には、その都度キャップ空間を区画するキャップが存在する。流体、しばしばガス状の反応媒体は、キャップ空間を経て反応器中に供給され、触媒管を貫通し、別のキャップ空間を経て排出される。熱交換媒体は触媒管の間の空間を貫通し、その際、該熱交換媒体は反応器の１つの端部で供給され、反応器の別の端部で排出される。

本発明によれば、触媒管は熱的に相互に隔離された、２個以上の、有利に４個の触媒管領域内に配置されている。この目的のために、熱的な隔離は個々の触媒管領域の相互の完全な隔離を意味するものではないが、個々の触媒管領域間に本質的な熱交換が生じないために相互に十分に隔離された触媒管領域のために必要である。

この目的のためには一般に、異なる触媒管領域に属する２個の隣接する触媒管の間にその都度配置される触媒管と同じ外径を有する、少なくとも１個のダミー管又は環状の中実な棒で十分である。ダミー管は両端で閉鎖された管であるため、反応媒体はこれを貫通することはできない。中実な棒はしばしば鉄棒である。その周囲の流れの同一の条件を保証するために、触媒管の外径と同じ外径であることが必要である。触媒管領域間へのダミー管又は中実な棒の配置は、熱交換媒体のためのバイパスが作られることのないように行われるべきである。反応器の全横断面に亘る触媒管の配置は、有利に、触媒管領域なしの公知の反応器と比較して、ダミー管又は中実な棒を用いて触媒管領域を形成することにより変更されず、従って触媒管の間の空間を通過する熱交換媒体の流動挙動の妨害は回避される。

有利に、１つ以上の触媒管領域内で、それぞれ少なくとも１個の触媒管に、熱電対を組み込むためのシースが備えられており、その他の点では、不活性材料、殊に酸化アルミニウムの堆積物で充填されており、かつ両端で閉鎖されている。この配置により、触媒管の周囲を流動する熱交換媒体の、反応器の縦方向での温度プロフィールを決定することができる。熱電対を用いて、触媒管の周囲を流動する熱交換媒体の温度を可能な限り的確に測定することができるようにするためには、不活性材料での充填は合理的である。適当な不活性材料は、殊に、良好に堆積可能であるようにその粒径及び形状が有利に選択された酸化アルミニウムの堆積物である。１〜５ｍｍ、有利に約２ｍｍの平均粒径は殊に有用である。触媒管は、該触媒管を反応混合物が貫通しないよう、有利にその両端で閉鎖されていなければならない。

１つ以上の各触媒管領域内の１つ以上の触媒管は、有利に、試料採取小管及び／又は熱電対を組み込むためのシースを備えていてよい。シース及びその中に配置された試料採取小管及び／又は熱電対の構成は、有利にドイツ連邦共和国特許出願ＤＥ１０１１０８４７．８に記載された通りであり、この場合該刊行物は事前公開されておらず、本発明の開示のために参考にあげられたものである。

シースにより管の内部空間内の占有容積を補填し、このようにして実際の濃度又は触媒管内の温度プロフィールが歪曲されないようにする目的で、試料採取小管及び／又は熱電対を組み込むためのシースを備えた触媒管のために、残りの触媒管と比較してより大きな外径、殊に約２〜３ｍｍだけ大きな外径を選択することは有利である。

同様に、熱電対を組み込むためのシースを備え、かつその他の点では、不活性材料で充填されており、かつ両端で閉鎖されており、かつ熱交換媒体の縦の温度プロフィールの測定に利用される触媒管のために、同様により大きな外径を与えることも可能である。

それとは別に有利に、異なる触媒管領域内の触媒管は、異なる管内径及び／又は異なる管間隔を有してよい。ここで管間隔なる用語は、２個の隣接する触媒管の中心点間の距離を指す。三角形の間隔、即ち隣接する管の中心点が正三角形の角に配置されていることは有利である。

１つ以上の触媒管領域の触媒管のための被覆部は有利であり得る。これにより、反応媒体がキャップ空間を経て流入し、触媒管領域又は被覆されていない領域を貫通し、引き続き別のキャップ空間を経て反応器を去ることが可能となる。このような場合、反応媒体は被覆された触媒管領域内の触媒系を貫通しない。これにより例えば、被覆された１つ以上の触媒管領域内の触媒系が影響されるか又は損傷されることなく、より過酷な条件下で、被覆されていない触媒管領域を操作することが可能となる。

もう１つの実施態様において、反応媒体が取り出されるキャップ空間を隔壁を用いて分割することは可能であり、それにより反応媒体は各触媒管領域から別々に取り出されることができる。この実施態様は、殊に、個々の触媒管領域の要求に応じて切り替えが可能である分析設備を単に１つ必要とするに過ぎないという利点を有する。それとは別に、又は付加的に、反応媒体の供給に利用される別のキャップ空間は、同様に分割されていてよい。この反応器の変形により、反応媒体が反応器に導通される方法に関する適応性はさらに増加する。例えば、この方法、殊に双方のキャップ空間が分割される変法により、１つの触媒管領域から取り出される反応媒体が、場合により、他の出発材料の中間供給及び／又は中間冷却を伴って、熱交換器を経て他の触媒管領域内へ供給されることが可能となる。この方法は同様に他の触媒管領域、殊に全ての触媒管領域に拡張されることができ、この場合その都度反応媒体は１つの触媒管領域から取り出され、場合により他の出発材料の中間供給及び／又は中間冷却下に、次の触媒管領域へ再度供給される。これにより、殊に、所定の長さの触媒管を備えた反応器を用いて、その触媒管が２又は３倍の長さであるより大きな反応器のシミュレートが可能となる。

さらなる適応性は、熱交換媒体により導通される、触媒管の間の空間が、隔壁により、それぞれ１つの触媒管領域に相当する、２つ以上、有利に４つのチャンバに分割されている、有利な反応器の変形を用いて達成される。これにより、１つの隔離された熱交換媒体循環部が、それぞれ個々の触媒管領域に対して実現され得る。個々の熱交換媒体循環部は、殊に反応媒体の並流又は向流の流路の点で、冷却剤温度及び／又は熱交換媒体の体積流量の点で、相互に無関係に操作されてよい。熱交換媒体のための個々のチャンバは、殊に金属シールを用いて反応器の内壁に対してシールされている。この場合原則的に、当業者に公知であるシール要素、例えば誘導された(guided)金属製シールストリップを有する弾力性のあるシール要素が使用されてよい。

特別な変形において、１つ以上の熱交換媒体循環部内で、特別に備えられた１つのポンプが使用され、該ポンプにより、熱交換媒体、殊に塩溶融物を常用のポンプ配置で、即ち下方への搬送を行うことが可能となるが、しかしながらそれにもかかわらず熱交換媒体は空間の上方領域内の触媒管の間の空間へ流入する。これにより、触媒管を通じた上方から下方への反応媒体の通常の流路において、容易な方法で、並流の流路が達成され得る。

この変法は、有利にそれぞれ環状導管を介して、熱交換媒体が反応器の上方領域内の触媒管の間の空間へ供給され、かつ熱交換媒体が反応器の下方領域から排出され、その際、反応器の下方領域からポンプを用いて取り出された熱交換媒体が、ポンプ導管を包囲するケーシング中に流入し、ケーシングの内壁とポンプ導管の外壁との間の領域内で、場合により熱交換器を経て上方へ流動し、ポンプ導管の上方領域内の開口部を経てポンプ導管の内部空間へ流入し、この内部空間を上方から下方へ貫流し、ポンプ導管の下方領域内の開口部を経てケーシングの内壁とポンプ導管の外壁との間のもう１つの空間へ流入し、この空間を下方から上方へ貫流し、かつこの空間の上方領域内の開口部を経て触媒管の間の空間の上方領域へ流入する、垂直に配置された縦軸を有する反応器を含む。

ケーシングは有利に長方形の横断面で製造されていてよいが、しかしながら殊に比較的高い操作圧の場合のためには、円形の横断面を有するケーシングを提供することも可能である。

本発明は、活性材料及び／又は触媒担体、殊に触媒担体の材料及び／又は形状及び／又は粒径に関して異なる触媒系を、異なる触媒管領域内で試験する、反応器を用いた触媒系の試験法をも提供する。ここで、異なる触媒系を同時に、同一か又は異なる条件下で試験することもできるし、所定の触媒系を種々の条件下で同時に試験することもできる。

研究により、上記の意図的な操作条件下での触媒系の適性を断定することができる。反応器の製造の他の操作を最適化すること、及び触媒系の長時間の、殊に長期間に亘る挙動を試験することが可能である。

方法の殊に有利な変法は、有利にポンプ内での熱交換媒体の流れの偏向を伴う熱交換媒体及び反応媒体の並流である。

個々のチャンバ内の熱交換媒体のパラメータ、殊に反応媒体に対する熱交換媒体の流動方向、温度及び／又は熱交換媒体の体積流量をそれぞれ別々に設定することのできる反応器を使用した触媒系の試験法は殊に有利である。

反応媒体を、この反応媒体をキャップ空間の相応する領域を経て触媒管領域から取り出した後に、場合により、出発材料の中間供給及び／又は中間冷却下に、キャップ空間の相応する部分を経て直接、即ち、反応媒体を反応器の外部へ排出して他の触媒管領域内にフィードバックすることなく、もう１つの触媒管領域へ供給することはさらに有利である。

本発明の試験法及び本発明の装置は、発熱反応又は吸熱反応、殊に酸化反応のための触媒系を試験するのに殊に適当である。

従って本発明は、同時に多数の実験を行うことを可能にするために多機能であると評されることのできる、触媒系の試験のための極めて適応性のある反応器を提供する。これにより、実験に必要な時間及び費用は極めて軽減される。該応器により、例えば１年規模での長期間に亘る場合でも、触媒の長期の挙動を試験することが可能となる。新規の触媒は製造条件下でより迅速に使用されることができ、従ってより迅速に経済的に評価されることができる。さらに、分析設備はより効果的に利用されることができる。

本発明は図を用いて以下で詳説される。

図１は本発明による反応器１の実施態様の横断面を示し、これは、不活性材料で充填されたダミー管８により例えば４つの触媒管領域７に分割された触媒管２を有する。相互に離れて配置された若干の触媒管９には、試料採取小管及び／又は熱電対のためのシースが備えられている。

図１ａは図１に示された特別な実施態様の横断面を示し、例示的に、上下に配置された４個の隔離された熱交換媒体循環部が示されている。触媒管２はキャップ３を有する反応器１中に配置されている。反応媒体５は上方から下方へと反応器に導通され、かつ熱交換媒体６は触媒管の間のそれぞれ隔離されて上下に配置された４つの循環部内に、それぞれポンプ１３を経て、偏向板２１による偏向を伴って搬送される。反応器１内には、熱交換媒体６を偏向させるための触媒管を有しない空間２０が備えられている。

図２は本発明による反応器１の特別な変形のキャップ空間の横断面を示し、その際、キャップ空間内の隔壁１０は、キャップ空間を、相応する触媒管領域に割り当てられた４つの領域に分割する。この場合、この隔壁１０の配置は、下方及び上方のキャップ空間内か又は双方のキャップ空間内のどちらかに備えられていてよい。

図３は本発明による反応器１の例示的な実施態様の縦断面を示し、これは、触媒管２、熱交換媒体６を偏向させるための反応器１中の触媒管を有しない空間２０、キャップ３、キャップ空間４及び隔離された熱交換媒体循環部６を有しており、その際、横断面の右側は反応媒体５及び熱交換媒体６の向流運転方式であり、左半分は並流運転方式であり、これらはそれぞれ、ポンプ中での熱交換媒体６の偏向を伴う。例示的に示されているように、反応媒体５は上方から反応器１内に供給されてよいが、しかしながら下方から反応器１内に供給されることも同様に可能である。参照数字１４は、その上方領域内の流入分１６及びその下方領域内の流出分１７を伴うポンプ導管を示し、かつ参照番号１８はポンプ自体の中（縦断面の右側に示されている通り）か又は図３中の左側に示されているようにポンプへの導管の中のどちらかに配置されていてよい熱交換器を示す。

図４は、図３中で縦断面が示されている、触媒管２を備えた本発明による反応器１の特別な実施態様の横断面を示し、その際、隔壁１１は熱交換媒体６により導通される、触媒管２の間の空間を、この場合例えば４つのチャンバ１２に分割する。この場合例示的に示された４つの隔離された熱交換媒体循環部は、それぞれポンプ１３介して保持されており、その際、図の上方部分内のポンプは図の下方部分内のポンプよりも大きく記されているが、これは、図３中で横断面の左部分内に示されているように、このポンプがポンプ中での熱交換媒体流６の偏向を伴うポンプであることを示すためである。

図５はポンプ中での熱交換媒体６の偏向を伴うポンプ１３を示し、これは、上方領域内の流入分１６及び管の下方領域内の流出分１７を伴う導管１４を有しており、導管１４の周囲のケーシング１５、及びケーシング１５内に配置された熱交換器１８を有している。図５ａ中の横断面Ｄ−Ｄは、ケーシング１５の横断面における長方形の構造を明確に示している。熱交換媒体のための偏向板１９は、有利に、ケーシング１５の１つ以上の偏向領域内に配置されている。

図６は図６ａ中の横断面Ｅ−Ｅを有する、熱交換媒体６の偏向のためのポンプ１３のもう１つの変形を示し、その際、図５中に示された設計とは異なり、図６ａ中の横断面の記載において明確に認められるように、ケーシング１５はポンプ導管１４の周囲の円形の横断面を伴って周囲に配置されている。

図１ａの縦断面を有する本発明による反応器の横断面を示す図。

キャップ空間の特別な実施態様の横断面を示す図。

ポンプ中の熱交換媒体流の偏向部及び反応媒体を取り出すための４つの隔離されたキャップ空間を有する有利な実施態様の変形の縦断面を示す図。

図３に縦断面が示された有利な実施態様の横断面を示す図。

ポンプ中で熱交換媒体流を偏向させるための有利なポンプの変形を示す図。

ポンプ中で熱交換媒体流を偏向させるためのもう１つの有利な実施態様変形を示す図。

符号の説明

１ 反応器
２ 触媒管
３ キャップ
４ キャップ空間
５ 反応媒体
６ 熱交換媒体
７ 触媒管領域
８ ダミー管
９ 触媒管
１０ 隔壁
１１ 隔壁
１２ チャンバ
１３ ポンプ
１４ 導管
１５ ケーシング
１６ 流入分
１７ 流出分
１８ 熱交換器
１９ 偏向板
２０ 空間
２１ 偏向板

Claims (15)

1. 反応器の内部空間内に相互に平行に配置されかつその端部が管板に溶接されている複数の触媒管（２）を備えており、かつ、反応器の両端に、それぞれキャップ空間（４）を区画するキャップ（３）を備えており、その際、流体の反応媒体（５）はキャップ空間（４）を経て触媒管（２）に供給され、触媒管（２）を貫通し、別のキャップ空間（４）を経て排出される、触媒系を試験するための反応器（１）において、反応器の１つの端部で熱交換媒体（６）が供給され、触媒管（２）の間の空間を貫流し、かつ反応器の別の端部で排出される熱交換媒体循環部を備えることにより熱的に相互に隔離された触媒管（２）が、２個以上の触媒管領域（７）内に並んで配置されており、その際、個々の触媒管領域（７）に属する２個の隣接する触媒管（２）の間で、それぞれ個々の触媒管領域（７）内に配置される触媒管（２）と同じ外径を有する少なくとも１個のダミー管又は環状の中実な棒により、個々の触媒管領域（７）が熱的に相互に隔離されていることを特徴とする、触媒系を試験するための反応器（１）。
2. １つ以上の触媒管領域（７）内で、それぞれ少なくとも１個の触媒管（２）に、熱電対を組み込むためのシース（９）が備えられており、その他の点では、不活性材料の堆積物で充填されており、かつ少なくとも１つの端部で閉鎖されている、請求項１記載の反応器（１）。
3. １つ以上の触媒管領域（７）内に、試料採取小管及び／又は熱電対を組み込むためのシース（９）を備えたそれぞれ１個以上の触媒管（２）が配置されている、請求項１又は２記載の反応器（１）。
4. 個々の触媒管領域（７）内の触媒管（２）が、触媒管の内径及び／又は触媒管の間隔に関して異なる、請求項１から３までのいずれか１項記載の反応器（１）。
5. １つ以上の触媒管領域（７）の触媒管（２）のために被覆部が備えられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の反応器（１）。
6. 反応媒体（５）が取り出されるキャップ空間（４）が隔壁（１０）を用いて分割されており、従って反応媒体（５）は個々の触媒管領域（７）から別々に取り出されることができる、請求項１から５までのいずれか１項記載の反応器（１）。
7. 反応媒体（５）が取り出されるキャップ空間（４）に対して付加的に、又はこのキャップ空間（４）とは別に、反応媒体（５）が供給されるキャップ空間（４）が隔壁（１０）を用いて分割されており、従って反応媒体（５）は各触媒管領域（７）へ別々に供給されることができる、請求項１から６までのいずれか１項記載の反応器（１）。
8. 熱交換媒体（６）が触媒管（２）の間を導通する中間の空間が、隔壁（１１）により、それぞれ熱交換媒体（６）のための注入部及び排出部を備えた２つ以上のチャンバ（１２）に分割されており、その際、各チャンバ（１２）は１つの触媒管領域（７）に相当する、請求項１から７までのいずれか１項記載の反応器（１）。
9. それぞれ環状導管を介して、熱交換媒体（６）が反応器（１）の上方領域内の触媒管（２）間の中間の空間へ供給され、かつ熱交換媒体（６）が反応器（１）の下方領域から排出され、その際、反応器（１）の下方領域からポンプ（１３）を用いて取り出された熱交換媒体（６）が、ポンプ導管（１４）を包囲するケーシング（１５）中に流入し、ケーシング（１５）の内壁とポンプ導管（１４）の外壁との間の領域内で、熱交換器（１８）を経て上方へ流動し、ポンプ導管（１４）の上方領域内の開口部（１６）を経てポンプ導管（１４）の内部空間へ流入し、この内部空間を上方から下方へ貫流し、ポンプ導管（１４）の下方領域内の開口部（１７）を経てケーシング（１５）の内壁とポンプ導管（１４）の外壁との間のもう１つの中間の空間へ流入し、この中間の空間を下方から上方へ貫流し、かつこの中間の空間の上方領域内の開口部を経て触媒管（２）の間の中間の空間の上方領域へ流入する、垂直な縦軸を有する請求項１から８までのいずれか１項記載の反応器（１）。
10. ケーシング（１５）が長方形の横断面を有する、請求項９記載の反応器（１）。
11. ケーシング（１５）が円形の横断面を有する、請求項９記載の反応器（１）。
12. 請求項１から１１までのいずれか１項記載の反応器（１）を用いた触媒系の試験法において、活性材料及び／又は触媒担体に関して異なる触媒系を、異なる触媒管領域（７）内で試験することを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項記載の反応器（１）を用いた触媒系の試験法。
13. 反応媒体（５）及び熱交換媒体（６）を並流で搬送する、請求項１２記載の触媒系の試験法。
14. 個々のチャンバ（１２）内で、反応媒体（５）に対する熱交換媒体（６）の流動方向、温度及び／又は熱交換媒体（６）の体積流量をそれぞれ別々に設定する、請求項８記載の反応器（１）を使用した触媒系の試験法。
15. 反応媒体（５）を、この反応媒体（５）をキャップ空間（４）の相応する領域を経て触媒管領域（７）から取り出した後に、出発材料の中間供給及び／又は中間冷却下に、キャップ空間（４）の相応する部分を経て直接もう１つの触媒管領域（７）へ供給する、請求項１２から１４までのいずれか１項記載の方法。

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