JP4507711B2 - 触媒反応器 - Google Patents

Description

本発明は、内部に配置した触媒を介して反応原料を反応させて反応生成物を生成する反応流路と、内部に熱媒を通過させて上記反応流路との熱交換を行う熱媒流路とを有してなる触媒反応器に関する。

反応原料と触媒とを接触させて化学反応を行い反応生成物を得る際には、内部に触媒を充填してなる反応管を複数有してなる多管式の反応器が用いられる。この反応器は、上記複数の反応管の外側に、この複数の反応管と熱交換を行うための熱媒流路を有している。そして、この熱媒流路に流す熱媒の温度を適温に維持することにより、上記反応管内に充填した触媒の温度を適温に維持し、目的とする反応生成物を得ている。このような反応器としては、例えば特許文献１に示すものがある。

また、特許文献１の反応器内においては、円筒状の反応器シェル内に、複数の反応管を配設し、この反応管の長手方向に向けて、略中央部に穴（空間部）を有する穴あき円板型邪魔板と、外周部に隙間を形成する円板型邪魔板とを交互に配設して、反応器シェル内に供給された熱媒が方向を変更しながら流れるようにしている。また、穴あき円板型邪魔板の空間部内にも上記反応管を配置していることにより、生成する目的生成物の収率（生成率）を悪化させることなく、上記熱媒を供給するポンプの動力を低減させている。

ところで、上記触媒反応器においては、まだ反応が行われていないフレッシュな反応原料が流れる上記反応管の上流側、特に反応管の入口部の近傍において、最も活発に反応が行われる。そして、上記反応が発熱反応である場合には、上記入口部の近傍に充填された触媒の温度が他の部位に比べて高温になる。このとき、この部分的に高温になった熱媒により反応管内の触媒を十分に冷却できないときには、触媒の温度が上昇し、触媒が熱により劣化してしまうホットスポットと呼ばれる現象が発生してしまう。
そのため、特許文献１の反応器においては、反応器内に熱媒が円滑に流れるようにして、上記ホットスポットの現象の発生を抑制している。

しかしながら、上記反応生成物の収率を一層向上させ、上記熱媒を供給するポンプの動力を一層低減させるためには、上記従来の反応器では十分ではない。すなわち、反応原料による反応のピーク温度は触媒の温度に大きく依存しており、反応管の各部における触媒の温度にばらつき（温度分布）があると、反応管内において反応が均一に行われないおそれがある。そして、反応が均一に行われないことにより、反応生成物の収率も高くすることができなくなる。

特開２００１−１３７６８９号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、反応生成物の収率を一層向上させることができ、第１熱媒を供給する動力を一層低減させることができる触媒反応器を提供しようとするものである。

本発明は、内部に触媒を配置してなる反応流路と、該反応流路に隣接形成された熱媒流路とを有し、上記反応流路は、その内部に反応原料を導入すると共に該反応原料と上記触媒とを接触させて反応生成物を生成し排出するよう構成してあり、一方上記熱媒流路は、その内部に第１熱媒を通過させて上記反応流路との熱交換を行うよう構成してなる触媒反応器において、
上記熱媒流路内には、上記第１熱媒とは温度が異なる第２熱媒を噴出して上記第１熱媒に混合させる複数の噴出孔を有する第２熱媒噴出ヘッダーが配設されており、かつ該第２熱媒噴出ヘッダーは、上記反応原料の流れ方向における上流側に配設されていることを特徴とする触媒反応器にある（請求項１）。

本発明の触媒反応器は、触媒を配置してなる上記反応流路とこの反応流路と熱交換を行う上記熱媒流路とを有しており、この熱媒流路内における上流側には、上記第２熱媒噴出ヘッダーを有している。そして、上記反応生成物を得る際には、上記反応流路に上記反応原料を流入させ、この反応原料を上記触媒に接触させて反応を行い、反応生成物を生成する。このとき、上記第１熱媒を上記熱媒流路内に流し、第１熱媒が反応流路と熱交換を行うことにより、反応流路内の触媒の温度を適温に維持する。

ところで、上記反応原料による反応は、上記反応流路における上流側（上記反応原料の流れ方向における上流側）において活発に行われる。
そこで、本発明においては、上記第２熱媒噴出ヘッダーは、反応原料の流れ方向における上流側に配設されており、この第２熱媒噴出ヘッダーは上記第１熱媒とは温度が異なる第２熱媒を噴出させる。そして、第２熱媒噴出ヘッダーによる第２熱媒の噴出は、上記熱媒流路内における第１熱媒に対して直接行れ、噴出された直後に直ちに熱媒流路内の第１熱媒に混合される。
これにより、上記熱媒流路は、反応が活発に行われる反応流路における上流側と重点的に熱交換することができる。

また、上記触媒反応器においては、上記熱媒流路内に第２熱媒を直接噴出させているものの、この第２熱媒は噴出された後に直ちに第１熱媒と混合される。そのため、熱媒流路内に第１熱媒とは温度が異なる第２熱媒が長く介在することがなく、熱媒流路内の各部における第１熱媒の温度にばらつき（温度分布）が生じることを抑制することができる。
これにより、反応流路内の各部に配置された触媒の温度にばらつきが生じることを抑制することができ、上記触媒反応器によって生成する反応生成物の収率（生産率）を向上させることができる。

また、上記熱媒流路が上記反応が活発に行われる反応流路における上流側と重点的に熱交換することにより、反応による触媒の温度変化が激しい部位と効果的に熱交換を行うことができる。そのため、上記温度変化が激しい部位と熱交換を行うために第１熱媒の流量を増大させる必要がなく、上記熱媒流路に供給する第１熱媒の流量を減少させることができる。そのため、第１熱媒を供給する動力を低減させることができる。

それ故、本発明の触媒反応器によれば、反応生成物の収率を一層向上させることができ、第１熱媒を供給する動力を一層低減させることができる。

上述した本発明の触媒反応器における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記上流側とは、上記反応流路の形成方向における中央位置よりも、上記反応原料の流れ方向における上流側のことをいう。
また、上記第２熱媒噴出ヘッダーは、上記熱媒流路内において、上記反応流路の全長に対して、この反応流路における上記反応原料の入口部から５割の長さ以下の範囲に配設することが好ましく、上記反応原料の入口部から１〜３割の長さの範囲に配設することがより好ましい。
さらに、第２熱媒噴出ヘッダーは、上記熱媒流路内において、上記反応流路における上記反応原料の入口部の近傍に配設することが好ましい。これらの場合には、一層効果的に上記触媒の温度のばらつきの発生を抑制することができる。

また、本発明において、上記反応流路において行う反応が発熱反応である場合には、上記第１熱媒によって上記熱媒流路から上記反応流路を冷却することができる。この場合には、上記第２熱媒は、上記熱媒流路内における第１熱媒よりも低い温度とすることができる。例えば、第２熱媒の温度は、熱媒流路内における第１熱媒の温度よりも、１０〜１００℃低い温度とすることができ、熱媒流路内に供給する第１熱媒の温度よりも、５〜１００℃低い温度とすることができる。

一方で、上記反応流路において行う反応が吸熱反応である場合には、上記第１熱媒によって上記熱媒流路から上記反応流路を加熱することができる。また、この場合には、上記第２熱媒は、上記第１熱媒よりも高い温度とすることができる。例えば、第２熱媒の温度は、熱媒流路内における第１熱媒の温度よりも、１０〜１００℃高い温度とすることができ、熱媒流路内に供給する第１熱媒の温度よりも、５〜１００℃高い温度とすることができる。
また、上記第２熱媒噴出ヘッダーから噴出させる第２熱媒の噴出量は、上記第１熱媒流路に供給する第１熱媒の流量に対して、５〜５０［％］の量とすることができ、さらに好ましくは１０〜３０［％］の量とすることができる。

上記触媒反応器においては、上記発熱反応としては、例えば、上記反応原料としてのエチレン、酸素等を上記反応流路に導入し、上記反応生成物としての酸化エチレンを生成することができる。また、例えば、上記反応原料としてのプロピレン（又はイソブチレン）、酸素等を上記反応流路に導入し、上記反応生成物としての（メタ）アクリル酸を生成することもできる。
また、上記触媒反応器においては、上記吸熱反応としては、例えば、上記反応原料としてのエチルベンゼン等を上記反応流路に導入し、上記反応生成物としてのスチレンを生成することができる。

また、上記例外にも、上記触媒反応器においては、マレイン酸、フタール酸等の反応生成物を生成することができる。
上記反応原料としては、ガス状態の種々の反応原料ガスを用いることができ、上記触媒としては、上記反応原料による反応を活性化させる種々の触媒を使用することができる。
また、上記第１熱媒と第２熱媒とは同種のものとし、これらには、種々の溶融塩、水、種々の有機溶媒、ブライン、空気等のガス体等を用いることができる。

また、上記熱媒流路における上記第１熱媒の入口部と出口部とは、上記出口部から排出された第１熱媒を上記入口部へと還流させるための還流ラインによって接続されており、該還流ラインと上記第２熱媒噴出ヘッダーとは、上記出口部から排出された第１熱媒の一部を流すための分岐ラインによって接続されており、また、該分岐ラインには、これを流れる第１熱媒の温度を上昇又は低下させて上記第２熱媒を作り出すための熱交換器が配設されており、かつ、上記還流ラインには、上記出口部から排出された第１熱媒を、上記入口部及び上記分岐ラインへ送り出すための還流ポンプが配設されていることが好ましい（請求項２）。

この場合には、上記熱交換器は、上記還流ラインから分岐して上記分岐ラインに流れる第１熱媒の一部のみと熱交換を行って上記第２熱媒を作り出すことができる。そのため、熱交換器は、第１熱媒の全体と熱交換をすることがなく、第２熱媒を少ない動力により効果的に作り出すことができる。
なお、上記還流ラインには、上記熱媒流路の出口部から排出された第１熱媒を回収するタンクを配設することができる。この場合には、上記分岐ラインは、上記タンクから上記第２熱媒噴出ヘッダーへと接続することができる。
また、上記還流ポンプは、上記熱媒流路の入口部に第１熱媒を送り出すものと、上記分岐ラインに第１熱媒を送り出すものとによって構成することもできる。

また、上記触媒反応器は、その内部に配設した複数の反応管内に上記反応流路をそれぞれ形成していると共に、上記複数の反応管の外側には上記熱媒流路を形成しており、
上記熱媒流路における上記第１熱媒の入口部を上記反応原料の流れ方向における下流側に形成すると共に、上記熱媒流路内には上記反応原料の流れ方向を横切る邪魔板を上記流れ方向に並べて複数個配設することにより、上記熱媒流路は上記第１熱媒が上記横切る方向に向きを変えつつ上記反応原料の流れ方向とは逆方向に向けて流れる蛇行ルートを形成していることが好ましい（請求項３）。

この場合は、上記複数の反応管を有してなる多管式の触媒反応器を形成することができる。そして、上記複数の反応管の外側に形成した上記熱媒流路における上流側に上記第２熱媒噴出ヘッダーを配設して、複数の反応管内に配置された触媒の温度にばらつきが生じることを抑制することができる。

また、上記第１熱媒を、上記反応原料の流れ方向とは逆方向から流すことにより、第１熱媒が上記反応流路と効果的に熱交換を行うことができ、複数の反応流路の各部における触媒に温度のばらつきが発生することを一層効果的に抑制することができる。
なお、上記熱媒流路における上記第１熱媒の入口部は、上記第１熱媒の蛇行ルートの始点に形成し、上記熱媒流路における第１熱媒の出口部は、上記反応原料の流れ方向における上流側であって、上記蛇行ルートの終点に形成することができる。

また、上記第２熱媒噴出ヘッダーは、上記複数の邪魔板よりも上記反応原料の流れ方向における上流側に配設されており、上記複数の邪魔板と共に上記蛇行ルートを形成していることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記熱媒流路内に上記第２熱媒噴出ヘッダーを配設することによって第１熱媒の流れを乱すことがなく、第２熱媒噴出ヘッダーも上記複数の邪魔板と共に上記第１熱媒の蛇行ルートを形成することができる。

また、第２熱媒噴出ヘッダーを、上記複数の邪魔板よりも上流側に配設したことにより、上記第２熱媒を、上記反応流路における反応原料の入口部の近傍において上記第１熱媒に噴出混合させることができる。そのため、一層効果的に複数の反応流路の各部における触媒の温度のばらつきの発生を抑制することができる。

また、上記触媒反応器は、上記熱媒流路を形成するプレート状熱媒管を複数個対向配設してなると共に、該プレート状熱媒管同士の間には上記反応流路を形成してなり、上記プレート状熱媒管は、上記第１熱媒を上記反応原料の流れ方向を横切る方向に流すよう上記流れ方向に並べて形成された複数の流路形成部を有しており、上記第２熱媒噴出ヘッダーは、上記複数の流路形成部のうち上記流れ方向における上流側に位置する流路形成部内に配設することもできる。

この場合は、複数のプレート状熱媒管の対向配設によって、上記熱媒流路と上記反応流路とを交互に形成してなるプレート型の触媒反応器を形成することができる。そして、上記第１熱媒を、上記反応原料の流れ方向を横切る方向に向けて流すことにより、第１熱媒が上記反応流路と効果的に熱交換を行うことができる。そして、上記第２熱媒噴出ヘッダーから、上記流れ方向における上流側に位置する流路形成部内を流れる第１熱媒に、上記第２熱媒を噴出混合することにより、一層効果的に複数の反応流路の各部における触媒の温度のばらつきの発生を抑制することができる。

また、上記プレート状熱媒管における各流路形成部は、一対のプレートを複数の接合部によって接合した後、当該一対のプレート同士の間を広げることにより形成されており、互いに対向する一対の上記プレート状熱媒管は、一方のプレート状熱媒管における上記各接合部と、他方のプレート状熱媒管における上記各流路形成部とが対向しており、上記反応流路は、上記各接合部と上記各流路形成部との間の流路間隙によって形成されていることが好ましい。

この場合には、上記複数の流路形成部を有するプレート状熱媒管を形成することが容易である。また、上記一対のプレート同士の間を広げる量を調節することにより、上記反応流路を形成する流路間隙の間隙量を調節することができる。
また、上記反応流路を各接合部と各流路形成部との間の流路間隙によって形成していることにより、反応流路は、複数回に折れ曲がる波状の流路として形成される。そのため、反応流路内における反応原料の流れを乱すことができ、上記熱媒流路における第１熱媒が上記反応流路と熱交換を行う効率を向上させることができる。

また、上記複数の流路形成部の断面形状を変化させることにより、上記流路間隙は、上記反応原料の流れ方向における下流側に位置する部分が、上流側に位置する部分よりも広くなっていることが好ましい。
この場合には、上記反応流路を形成する流路間隙の下流側に位置する部分に、上流側に位置する部分よりも多く触媒を配置することができ、上記反応が活発に行われる反応流路の上流側における反応活性を小さくすることができる。そのため、上記触媒の温度のばらつきの発生を一層抑制することができる。

また、上記複数の流路形成部の断面形状は、例えば、上記上流側に位置する流路形成部の流路断面積が、上記下流側に位置する流路形成部の流路断面積よりも大きくなるよう変化させることができる。この場合には、上流側に位置する流路形成部内を流れる第１熱媒は、下流側に位置する流路形成部内を流れる第１熱媒よりも、上記反応流路内の触媒と多く熱交換を行うことができる。そのため、これによっても、上記触媒の温度のばらつきの発生を一層抑制することができる。

また、複数の流路形成部の断面形状は、上記複数の接合部を形成する間隔を変化させておき、一対のプレートの間を広げる量を変化させることによって変化させることができる。また、上記複数の流路形成部の断面形状は、上記流れ方向における下流側に位置する流路形成部の幅を、上流側に位置する流路形成部の幅よりも小さくして、変化させることができる。

また、上記複数の流路形成部のうち上記反応原料の流れ方向における最も下流側に位置する第１流路形成部の一端部に、上記第１熱媒の入口部を形成し、当該第１流路形成部の他端部と、該第１流路形成部の上流側に位置する第２流路形成部の他端部とが接続され、かつ該第２流路形成部の一端部と、該第２流路形成部の上流側に位置する第３流路形成部の一端部とが接続され、以降同様に各流路形成部が上記流れ方向の上流側に向けて他端部同士と一端部同士とにおいて交互に接続されており、上記熱媒流路は、上記第１熱媒が上記反応原料の流れ方向を横切る方向に流れると共に、上記反応原料の流れ方向とは逆方向に向けて流れる蛇行ルートを形成していることが好ましい。
この場合には、上記プレート型の触媒反応器においても、上記第１熱媒が上記反応原料の流れ方向とは逆方向に向けて流れる第１熱媒の蛇行ルートを形成することができる。

以下に、図面を用いて本発明の触媒反応器にかかる実施例につき説明する。
（実施例１）
本例の触媒反応器１は、図１に示すごとく、内部に触媒２１を配置してなる反応流路２と、この反応流路２に隣接形成された熱媒流路３とを有してなる。上記反応流路２は、その内部に反応原料Ｍを導入すると共にこの反応原料Ｍと上記触媒２１とを接触させて反応生成物Ｐを生成し排出するよう構成されている。一方、上記熱媒流路３は、その内部に第１熱媒Ｃ１を通過させて上記反応流路２との熱交換を行うよう構成されている。

そして、上記熱媒流路３内には、上記第１熱媒Ｃ１とは温度が異なる第２熱媒Ｃ２を噴出して上記第１熱媒Ｃ１に混合させる第２熱媒噴出ヘッダー６が配設されている。この第２熱媒噴出ヘッダー６は、上記反応原料Ｍの流れ方向Ｌにおける上流側であって、上記反応流路２における反応原料Ｍの入口部（原料入口部）２２の近傍に配設されている。
以下に、これを詳説する。

図１、図２に示すごとく、本例の第２熱媒噴出ヘッダー６は、その内部に上記第２熱媒Ｃ２を導入させる箱型形状を有しており、第２熱媒Ｃ２を噴出させるための複数の噴出孔６１１を有している。また、第２熱媒噴出ヘッダー６は、上記反応原料Ｍの流れ方向Ｌを横切る方向に向けて配設されている。さらに、第２熱媒噴出ヘッダー６は、複数の噴出孔６１１をそれぞれ有する一対の噴出プレート部６１を、上記反応原料Ｍの流れ方向Ｌを横切るよう配設してなる。また、第２熱媒噴出ヘッダー６には、複数の反応管４を貫通配置するための複数の貫通配置穴６２が形成されている。

また、本例においては、第２熱媒噴出ヘッダー６は、反応流路２における原料入口部２２の近傍（反応流路２の全長に対して、原料入口部２２から約２．５割の長さの位置）に配設されている。
また、第２熱媒噴出ヘッダー６は、切欠き部６３による切欠き形状を有しており、この切欠き部６３によって、上記容器本体部１０の内壁との間に、第１熱媒Ｃ１を通過させるための第１熱媒通過口６４を形成している。
なお、図１、図２は、触媒反応器１を模式的に示す図であり、上記反応管４の配設位置及び本数、並びに上記第２熱媒噴出ヘッダー６における噴出孔６１１の数、大きさ及び形成位置等は、触媒反応器１の設計条件に応じて適宜決定することができる。

図１に示すごとく、上記触媒反応器１は、筒状の容器本体部１０内に、内部に触媒２１を有する複数の反応管４を配設してなる多管式のものである。複数の反応管４は、上記原料入口部２２を形成する一端部同士と、上記反応原料Ｍの出口部（原料出口部）２３を形成する他端部同士とが、それぞれ支持プレート１４によって容器本体部１０に支持されている。
なお、図１、図２においては、支持プレート１４の全面に反応管４が配設されているが、部分的に反応管４が配設されない部分があってもよい。

また、複数の反応管４内には、反応流路２が形成されていると共に、この反応流路２には触媒２１を充填してなる触媒層が形成されている。また、上記容器本体部１０内における上記複数の反応管４の外側には、上記第１熱媒Ｃ１が流れる熱媒流路３が形成されている。本例の熱媒流路３は、上記複数の反応管４の外側であって、上記容器本体部１０と上記２つの支持プレート１４とによって囲まれて形成されている。

また、図１に示すごとく、容器本体部１０は、上記反応原料Ｍが供給される供給口１１１と、上記反応生成物Ｐを排出する排出口１２１とを有している。また、上記容器本体部１０の上流側端部には、上記供給口１１１を有する入口側接続部１１が接続されており、上記容器本体部１０の下流側端部には、上記排出口１２１を有する出口側接続部１２が接続されている。そして、上記複数の反応管４における原料入口部２２は、それぞれ上記供給口１１１と連通しており、上記複数の反応管４における原料出口部２３は、それぞれ上記排出口１２１と連通している。

上記熱媒流路３における上記第１熱媒Ｃ１の入口部（第１熱媒入口部）３１は、上記反応原料Ｍの流れ方向Ｌにおける下流側に形成されており、上記熱媒流路３における上記第１熱媒Ｃ１の出口部（第１熱媒出口部）３２は、上記反応原料Ｍの流れ方向Ｌにおける上流側に形成されている。本例の第１熱媒入口部３１は、上記容器本体部１０における下流側端部の近傍に形成されており、本例の第１熱媒出口部３２は、上記容器本体部１０における上流側端部の近傍に形成されている。
また、上記容器本体部１０における熱媒流路３内には、上記反応原料Ｍの流れ方向Ｌを横切る邪魔板１３が、上記流れ方向Ｌに並べて複数個配設されている。すなわち、複数の邪魔板１３は、上記反応原料Ｍの流れ方向Ｌを横切る方向に向けて配設されている。また、各邪魔板１３は、上記複数の反応管４を貫通配置するための複数の貫通配置穴１３１を有している。

また、図１、図２に示すごとく、各邪魔板１３は、切欠き部１３２による切欠き形状（欠円形状）を有しており、この切欠き部１３２によって、上記容器本体部１０の内壁との間に、第１熱媒Ｃ１を通過させるための第１熱媒通過口１３３を形成している。
本例では、上記第２熱媒噴出ヘッダー６の切欠き部６３と、各邪魔板１３の切欠き部１３２との配置位置を適宜異ならせることにより、上記容器本体部１０内には、上記第１熱媒Ｃ１が上記横切る方向に向きを変えつつ上記反応原料Ｍの流れ方向Ｌとは逆方向に向けて流れる熱媒流路３の蛇行ルート３０が形成されている。

また、上記第２熱媒噴出ヘッダー６は、上記複数の邪魔板１３よりも上記反応原料Ｍの流れ方向Ｌにおける上流側に配設されており、上記複数の邪魔板１３と共に上記蛇行ルート３０を形成している。また、上記熱媒流路３における上記第１熱媒入口部３１は、上記第１熱媒Ｃ１の蛇行ルート３０の始点３０Ａに形成されており、上記熱媒流路３における第１熱媒出口部３２は、上記蛇行ルート３０の終点３０Ｅに形成されている。

なお、邪魔板１３の形状は、図１、図２に示す欠円形状以外にも、外周に熱媒流路３を形成する円板形状又は中心部に熱媒流路３を形成する穴あき円板形状とすることができる。そして、円板形状の邪魔板１３と穴あき円板形状の邪魔板１３とを交互に配設することができる。また、この場合には、第２熱媒噴出ヘッダー６の形状は、穴あき円板形状とすることが好ましい。

また、図１に示すごとく、上記熱媒流路３における上記第１熱媒入口部３１と第１熱媒出口部３２とは、第１熱媒出口部３２から排出された第１熱媒Ｃ１を第１熱媒入口部３１へと還流させるための還流ライン７１によって接続されている。
また、還流ライン７１と上記第２熱媒噴出ヘッダー６とは、上記第１熱媒出口部３２から排出された第１熱媒Ｃ１の一部を流すための分岐ライン７２によって接続されている。そして、この分岐ライン７２には、これを流れる第１熱媒Ｃ１の温度を上昇又は低下させて上記第２熱媒Ｃ２を作り出すための熱交換器７２１が配設されている。
また、上記還流ライン７１には、上記第１熱媒出口部３２から排出された第１熱媒Ｃ１を、上記第１熱媒入口部３１及び上記分岐ライン７２へ送り出すための還流ポンプ７１１が配設されている。

上記熱交換器７２１は、上記還流ライン７１から分岐して上記分岐ライン７２に流れる第１熱媒Ｃ１の一部のみと熱交換を行って上記第２熱媒Ｃ２を作り出すことができる。そのため、熱交換器７２１は、第１熱媒Ｃ１の全体と熱交換をすることがなく、第２熱媒Ｃ２を少ない動力により効果的に作り出すことができる。
また、熱交換器７２１は、上記反応原料Ｍによって発熱反応を行う場合には、上記第１熱媒Ｃ１の一部を冷却して、この第１熱媒Ｃ１よりも温度が低い第２熱媒Ｃ２を作り出すことができる。一方、熱交換器７２１は、上記反応原料Ｍによって吸熱反応を行う場合には、上記第１熱媒Ｃ１の一部を加熱して、この第１熱媒Ｃ１よりも温度が高い第２熱媒Ｃ２を作り出すことができる。

また、本例においては、上記分岐ライン７２には、この分岐ライン７２に流れる第１熱媒Ｃ１の流量を調節するための流量調節弁７２２が配設されている。そして、この流量調節弁７２２の開度を調節することによって、上記還流ライン７１から上記分岐ライン７２に分岐して流す第１熱媒Ｃ１の流量を調節することができ、上記第２熱媒噴出ヘッダー６から噴出させる第２熱媒Ｃ２の噴出量も調節することができる。
なお、上記流量調節弁７２２は、上記還流ライン７１に配設し、この還流ライン７１に流れる第１熱媒Ｃ１の流量を調節することによって、上記第２熱媒噴出ヘッダー６から噴出させる第２熱媒Ｃ２の噴出量を調節することもできる。

本例の触媒反応器１において、上記反応生成物Ｐを得る際には、上記各反応流路２に上記反応原料Ｍを流入させ、この反応原料Ｍを上記触媒２１に接触させて反応を行い、反応生成物Ｐを生成する。
そして、上記反応原料Ｍによって発熱反応を行う場合には、上記熱媒流路３には、冷却媒体としての第１熱媒Ｃ１を通過させ、この第１熱媒Ｃ１によって上記反応流路２に配置した触媒２１を冷却する。

ところで、上記反応流路２における上流側、特に上記原料入口部２２の近傍においては、発熱反応が行われていないフレッシュな反応原料Ｍが多く存在する。そのため、上記反応原料Ｍによる発熱反応は、特に原料入口部２２の近傍において活発に行われる。
そこで、本例においては、第２熱媒噴出ヘッダー６は、反応流路２における原料入口部２２の近傍（原料入口部２２から約２．５割の長さの位置）に配設されており、第２熱媒噴出ヘッダー６は上記複数の噴出孔６１１から上記第１熱媒Ｃ１よりも温度が低い第２熱媒Ｃ２を噴出させる。そして、上記第２熱媒噴出ヘッダー６による第２熱媒Ｃ２の噴出は、上記熱媒流路３内における第１熱媒Ｃ１に対して直接行れ、噴出された直後に直ちに熱媒流路３内の第１熱媒Ｃ１に混合される。

これにより、発熱反応が活発に行われる反応流路２における原料入口部２２の近傍を重点的に冷却することができ、この原料入口部２２の近傍に配置された触媒２１が局所的に加熱されて劣化してしまうことを抑制することができる。
また、上記触媒反応器１においては、熱媒流路３内に第２熱媒Ｃ２を直接噴出させているものの、この第２熱媒Ｃ２は噴出された後に直ちに第１熱媒Ｃ１と混合される。そのため、熱媒流路３内に局所的に温度が低い第２熱媒Ｃ２が長く介在することがなく、熱媒流路３内の各部における第１熱媒Ｃ１の温度のばらつき（温度分布）はほとんど生じない。
これにより、反応流路２内の各部に配置された触媒２１の温度にばらつきが生じることを抑制することができ、上記触媒反応器１によって生成する反応生成物Ｐの収率（生産率）を向上させることができる。

また、上記発熱反応が活発に行われる反応流路２における原料入口部２２の近傍を重点的に冷却することにより、発熱反応による触媒２１の温度上昇が激しい部位を効果的に冷却することができる。そのため、上記温度上昇が激しい部位の冷却を行うために第１熱媒Ｃ１の流量を増大させる必要がなく、熱媒流路３に供給する第１熱媒Ｃ１の流量を減少させることができる。そのため、第１熱媒Ｃ１を供給する動力を低減させることができる。
それ故、本発明の触媒反応器１によれば、反応生成物Ｐの収率を一層向上させると共に触媒２１の寿命を一層向上させることができ、かつ第１熱媒Ｃ１を供給する動力を低減させることができる。

なお、上記反応原料Ｍによる反応が吸熱反応である場合においても、この吸熱反応は、特に原料入口部２２の近傍において活発に行われる。
そして、この場合には、上記熱媒流路３には、加熱媒体としての第１熱媒Ｃ１を通過させ、この第１熱媒Ｃ１によって上記反応流路２に配置した触媒２１を加熱する。そして、反応流路２における原料入口部２２の近傍に配設した第２熱媒噴出ヘッダー６における複数の噴出孔６１１から上記第１熱媒Ｃ１よりも温度が高い第２熱媒Ｃ２を噴出させ、噴出された直後に直ちに熱媒流路３内の第１熱媒Ｃ１に混合される。

これにより、反応流路２における原料入口部２２の近傍に配置された触媒２１が局所的に冷却されてしまうことがほとんどない。そのため、吸熱反応の進行速度の低下を抑制し、反応生成物Ｐの収率を高く維持することができる。また、吸熱反応の場合においても、上記発熱反応の場合と同様に、第１熱媒Ｃ１を供給する動力を低減させることができる。

（実施例２）
本例においては、上記実施例１に示した触媒反応器１（発明品）（図１参照）の優れた作用効果を確認する試験を行った。この確認試験においては、比較のために従来の触媒反応器９（比較品）（図１０参照）についても確認試験を行った。
発明品については、触媒反応器１の容器本体部１０の大きさは、直径６［ｍ］×長さ５［ｍ］とし、上記反応管４は内径２４［ｍｍ］のものを２３１００本配設し、各反応管４内に触媒２１を充填した。また、比較品についても同様に、触媒反応器９の容器本体部９１０の大きさは、直径６［ｍ］×長さ５［ｍ］とし、反応管９４は内径２４［ｍｍ］のものを２３１００本配設し、各反応管９４内に触媒９２１を充填した。

また、比較品については、図１０に示すごとく、触媒反応器９内に、邪魔板９１３を３枚配設し、熱媒Ｃ９が蛇行して流れる熱媒流路９３の蛇行ルート９３０を形成した。一方、発明品については、図１に示すごとく、触媒反応器１内に、上記邪魔板１３を２枚配設すると共に、その上流側に上記第２熱媒噴出ヘッダー６を配設し、第１熱媒Ｃ１が蛇行して流れる熱媒流路３の蛇行ルート３０を形成すると共に、第１熱媒Ｃ１に第２熱媒噴出ヘッダー６から第２熱媒Ｃ２を噴出混合した。

そして、比較品については、図１０に示すごとく、上記反応原料Ｍとしてのプロピレン、酸素含有ガス等を６５．６［ｔ／ｈ］の流量で導入し、上記複数の反応管９４内において触媒９２１を介して反応を行った。また、このとき、上記熱媒Ｃ９としての溶融塩を６０００［ｔ／ｈ］の流量で、上記反応原料Ｍの流れ方向Ｌとは逆方向から上記熱媒流路９３の蛇行ルート９３０に流した。また、熱媒流路９３に供給する熱媒Ｃ９（溶融塩）の温度は３３０［℃］とした。

そして、蛇行ルート９３０の各部における熱媒Ｃ９の温度を測定した。この測定を行った結果、蛇行ルート９３０の始点部９３０Ａ（熱媒Ｃ９の入口部９３１の近傍）の温度Ｔ１は３３０［℃］、蛇行ルート９３０の第１折返し点９３０Ｂの温度Ｔ２は３３０［℃］、蛇行ルート３０の第２折返し点９３０Ｃの温度Ｔ３は３３１［℃］、蛇行ルート３０の第３折返し点９３０Ｄの温度Ｔ４は３３２［℃］、蛇行ルート３０の終点部９３０Ｅ（熱媒Ｃ９の出口部９３２の近傍）の温度Ｔ５は３３７［℃］であった。

一方、発明品については、図１に示すごとく、上記反応原料Ｍとしてのプロピレン、酸素含有ガス等を６５．６［ｔ／ｈ］の流量で導入し、上記複数の反応管４内において触媒２１を介して反応を行った。また、このとき、上記第１熱媒Ｃ１としての溶融塩を４４００［ｔ／ｈ］の流量で、上記反応原料Ｍの流れ方向Ｌとは逆方向から上記熱媒流路３の蛇行ルート３０に流し、上記第２熱媒Ｃ２としての溶融塩を５００［ｔ／ｈ］の流量で、上記第２熱媒噴出ヘッダー６から噴出させた。また、また、熱媒流路３に供給する第１熱媒Ｃ１（溶融塩）の温度は３３３［℃］とし、第２熱媒Ｃ２（溶融塩）の温度は２４９［℃］とした。

そして、蛇行ルート３０の各部における第１熱媒Ｃ１の温度を測定した。この測定を行った結果、蛇行ルート３０の始点部３０Ａ（第１熱媒入口部３１の近傍）の温度Ｔ１は３３３［℃］、蛇行ルート３０の第１折返し点３０Ｂの温度Ｔ２は３３３［℃］、蛇行ルート３０の第２折返し点３０Ｃの温度Ｔ３は３３４［℃］、蛇行ルート３０の第３折返し点３０Ｄの温度Ｔ４は３３４［℃］、蛇行ルート３０の終点部３０Ｅ（第１熱媒出口部３２の近傍）の温度Ｔ５は３３３［℃］であった。

上記結果よりわかるのは、比較品についてはＴ１〜Ｔ５における最大温度差が７［℃］であるのに対し、発明品についてはＴ１〜Ｔ５における最大温度差が１［℃］であることである。そのため、発明品、すなわち上記第２熱媒噴出ヘッダー６を設けた触媒反応器１の構成によれば、熱媒流路３における各部の温度のばらつきが極めて少なく、反応管４内の触媒２１の温度も、全体でほとんど均一に維持できることがわかった。
また、比較品については、熱媒Ｃ９の供給流量を６０００［ｔ／ｈ］としたのに対し、発明品については、上記第１熱媒Ｃ１の供給流量と第２熱媒Ｃ２の供給流量とを合わせた熱媒全体の供給流量を４９００［ｔ／ｈ］とすることができた。そのため、発明品によれば、熱媒の供給量を大幅に減少できることがわかった。

また、比較品については、反応生成物Ｐの収率（生成率）が８８［％］であったのに対し、発明品については、反応生成物Ｐの収率を９０［％］にすることができた。さらに、発明品については、熱媒流路３における各部の温度のばらつきが極めて少ないことにより、触媒２１の寿命を約３０［％］延ばすことができることが試算された。

（実施例３）
本例の触媒反応器１は、図３〜図５に示すごとく、上記熱媒流路３を形成するプレート状熱媒管５を所定の間隔をあけて複数個対向配設してなると共に、このプレート状熱媒管５同士の間に上記反応流路２を形成してなるプレート型の触媒反応器１である。
図３、図４に示すごとく、上記プレート状熱媒管５は、上記第１熱媒Ｃ１を上記反応原料Ｍの流れ方向Ｌを横切る方向に流すよう上記流れ方向Ｌに並べて形成された複数の流路形成部５３を有している。そして、上記第２熱媒噴出ヘッダー６は、上記複数の流路形成部５３のうち上記流れ方向Ｌにおける上流側であって、反応流路２における原料入口部２２の近傍に位置する流路形成部５３内に配設されている。

図５に示すごとく、本例のプレート状熱媒管５は、互いに対面させた一対のプレート５１を、その一辺から他辺に向けて複数箇所において接合し、その後、一対のプレート５１同士の間に流体を流し、一対のプレート５１同士の間を広げて形成したものである。このプレート状熱媒管５においては、上記接合箇所にはプレート５１同士が対面接合された接合部５２が形成されており、この接合部５２同士の間には、各プレート５１がそれぞれ円弧状又は楕円弧状に膨らんでなる流路形成部５３が形成されている。

また、本例の触媒反応器１においては、互いに対向配設された一対のプレート状熱媒管５は、一方のプレート状熱媒管５における上記各接合部５２と、他方のプレート状熱媒管５における上記各流路形成部５３とが対向している。そして、上記反応流路２は、上記各接合部５２と上記各流路形成部５３との間の間隙である流路間隙Ｓによって形成されている。また、本例の触媒反応器１においては、上記熱媒流路３と上記反応流路２とは交互に形成されている。
また、本例の第２熱媒噴出プレート６は、パイプ形状を有しており、このパイプ形状の外周に上記第２熱媒Ｃ２を噴出させるための複数の噴出孔６１１を有している。

本例の触媒反応器１においては、上記第１熱媒Ｃ１は、上記反応原料Ｍの流れ方向Ｌを横切る方向に流れ、反応流路２と効果的に熱交換を行うことができる。そして、上記第２熱媒噴出ヘッダー６から、上記流れ方向Ｌにおける上流側に位置する流路形成部５３内を流れる第１熱媒Ｃ１に、上記第２熱媒Ｃ２を噴出混合することにより、効果的に複数の反応流路２の各部における触媒２１の温度のばらつきの発生を抑制することができる。
また、上記各流路形成部５３の断面形状は、上記一対のプレート５１の成形時において、上記接合部５２の間隔を変更し、プレート５１同士の間に流す流体の圧力及び流量を調節することにより、容易に変更することができる。これにより、上記反応流路２を形成する流路間隙Ｓの間隙量を調節することも容易である。

また、上記反応流路２を各接合部５２と各流路形成部５３との間の流路間隙Ｓによって形成していることにより、反応流路２は、複数回に折れ曲がる波状の流路として形成される。そのため、反応流路２内における反応原料Ｍの流れを乱すことができ、上記熱媒流路３における第１熱媒Ｃ１が上記反応流路２と熱交換を行う効率を向上させることができる。本例においても、その他は上記実施例１と同様であり、上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
なお、上記プレート状熱媒管５は、図６に示すごとく、一対のプレート５１を波状の接合プレート５５によって接合してなるものとすることもできる。

（実施例４）
本例は、図７、図８に示すごとく、上記実施例２におけるプレート型の触媒反応器１について、上記複数の流路形成部５３をそれぞれ一端部５３１同士と他端部５３２同士とで交互に接続することにより、上記熱媒流路３の蛇行ルート３０を形成した例である。
すなわち、本例では、図７に示すごとく、上記複数の流路形成部５３のうち上記反応原料Ｍの流れ方向Ｌにおける最も下流側に位置する第１流路形成部５３Ａの一端部５３１に、上記第１熱媒入口部３１を形成している。

また、第１流路形成部５３Ａの他端部５３２と、第１流路形成部５３Ａの上流側に位置する第２流路形成部５３Ｂの他端部５３２とを接続し、かつこの第２流路形成部５３Ｂの一端部５３１と、第２流路形成部５３Ｂの上流側に位置する第３流路形成部５３Ｃの一端部５３１とを接続している。また、以降同様に、上記流れ方向Ｌの上流側に向けて各流路形成部５３を他端部５３２同士と一端部５３１同士とにおいて交互に接続している。
なお、熱媒流路３の蛇行ルート３０は、複数の流路形成部５３の各他端部５３２と、この上流側に位置する複数の流路形成部５３の各他端部５３２とをまとめて接続し、また、複数の流路形成部５３の各一端部５３１と、この上流側に位置する複数の流路形成部５３の各一端部５３１とをまとめて接続して形成することができる。

また、図８に示すごとく、上記複数の流路形成部５３の接続は、各プレート状熱媒管５同士についても同様に行っている。すなわち、第１熱媒入口部３１は、各プレート状熱媒管５に対しても同様に形成されている。また、内部に接続通路５４１を有する接続ヘッド５４によって、各プレート状熱媒管５の第１流路形成部５３Ａの他端部５３２と、各プレート状熱媒管５の第２流路形成部５３Ｂの他端部５３２とが接続されており、また、各プレート状熱媒管５の第２流路形成部５３Ｂの一端部５３１と、各プレート状熱媒管５の第３流路形成部５３Ｃの一端部５３１とが接続されている。また、以降同様に、上記流れ方向Ｌの上流側に向けて各プレート状熱媒管５の各流路形成部５３を他端部５３２同士と一端部５３１同士とにおいて交互に接続されている。

上記各流路形成部５３の接続により、上記第１熱媒Ｃ１が上記反応原料Ｍの流れ方向Ｌを横切る方向に流れると共に、上記反応原料Ｍの流れ方向Ｌとは逆方向に向けて流れる熱媒流路３の蛇行ルート３０を形成することができる。
本例においては、上記第１熱媒Ｃ１が上記反応原料Ｍの流れ方向Ｌとは逆方向に流れるため、熱媒流路３と反応流路２との熱交換を一層効率的に行うことができる。
本例においても、その他は上記実施例３と同様であり、上記実施例３と同様の作用効果を得ることができる。

（実施例５）
本例は、図９に示すごとく、上記プレート状熱媒管５における複数の流路形成部５３の断面形状を変化させることにより、上記反応流路２における流路間隙Ｓの間隙量の調節を行った例である。本例では、上記複数の流路形成部５３の断面形状を変化させることにより、上記反応原料Ｍの流れ方向Ｌにおける下流側に位置する流路間隙Ｓの部分を、上流側に位置する流路間隙Ｓの部分よりも広くしている。

本例においては、上記複数の流路形成部５３の断面形状は、上記反応原料Ｍの流れ方向Ｌにおいて段階的に変化させている。具体的には、上記流れ方向Ｌの最も上流側に位置する幾つか（本例では２個）の第１流路形成部５３Ａを、略円形状に近い形状に形成し、上記流れ方向Ｌの最も下流側に位置する幾つか（本例では３個）の第３流路形成部５３Ｃを楕円形状に形成し、残り（本例では１０個）の第２流路形成部５３Ｂを第３流路形成部５３Ｃよりも大きな楕円形状に形成している。
これにより、上記流れ方向Ｌの最も上流側に位置する第１流路間隙Ｓ１を最も小さくすると共に上記流れ方向Ｌの最も下流側に位置する第３流路間隙Ｓ３を最も大きくし、残りの第２流路間隙Ｓ２を両者の中間の大きさにすることができる。

この場合には、上記反応流路２を形成する流路間隙Ｓの下流側に位置する部分に、上流側に位置する部分よりも多く触媒２１を配置することができ、上記反応が活発に行われる反応流路２の上流側における反応活性を小さくすることができる。そのため、上記触媒２１の温度のばらつきの発生を一層抑制することができる。
本例においても、その他は上記実施例３と同様であり、上記実施例３と同様の作用効果を得ることができる。

実施例１における、多管式の触媒反応器を示す説明図。 実施例１における、多管式の触媒反応器を示す図で、図１におけるＡ−Ａ線断面説明図。 実施例３における、プレート型の触媒反応器を示す斜視説明図。 実施例３における、プレート型の触媒反応器を示す説明図。 実施例３における、プレート型の触媒反応器を示す拡大説明図。 実施例３における、他のプレート型の触媒反応器を示す説明図。 実施例４における、プレート型の触媒反応器を示す説明図。 実施例４における、プレート型の触媒反応器を示す図で、図７におけるＢ−Ｂ線断面説明図。 実施例５における、他のプレート型の触媒反応器を示す説明図。 従来例における、触媒反応器を示す説明図。

符号の説明

１ 触媒反応器
１３ 邪魔板
２ 反応流路
２１ 触媒
２２ 原料入口部
２３ 原料出口部
３ 熱媒流路
３０ 蛇行ルート
３１ 第１熱媒入口部
３２ 第１熱媒出口部
４ 反応管
５ プレート状熱媒管
５１ プレート
５２ 接合部
５３ 流路形成部
６ 第２熱媒噴出ヘッダー
７１ 還流ライン
７１１ 還流ポンプ
７２ 分岐ライン
７２１ 熱交換器
Ｃ１ 第１熱媒
Ｃ２ 第２熱媒
Ｍ 反応原料
Ｐ 反応生成物
Ｌ 流れ方向
Ｓ 流路間隙

Claims (4)

1. 内部に触媒を配置してなる反応流路と、該反応流路に隣接形成された熱媒流路とを有し、上記反応流路は、その内部に反応原料を導入すると共に該反応原料と上記触媒とを接触させて反応生成物を生成し排出するよう構成してあり、一方上記熱媒流路は、その内部に第１熱媒を通過させて上記反応流路との熱交換を行うよう構成してなる触媒反応器において、
   上記熱媒流路内には、上記第１熱媒とは温度が異なる第２熱媒を噴出して上記第１熱媒に混合させる複数の噴出孔を有する第２熱媒噴出ヘッダーが配設されており、かつ該第２熱媒噴出ヘッダーは、上記反応原料の流れ方向における上流側に配設されていることを特徴とする触媒反応器。
2. 請求項１において、上記熱媒流路における上記第１熱媒の入口部と出口部とは、上記出口部から排出された第１熱媒を上記入口部へと還流させるための還流ラインによって接続されており、該還流ラインと上記第２熱媒噴出ヘッダーとは、上記出口部から排出された第１熱媒の一部を流すための分岐ラインによって接続されており、また、該分岐ラインには、これを流れる第１熱媒の温度を上昇又は低下させて上記第２熱媒を作り出すための熱交換器が配設されており、
   かつ、上記還流ラインには、上記出口部から排出された第１熱媒を、上記入口部及び上記分岐ラインへ送り出すための還流ポンプが配設されていることを特徴とする触媒反応器。
3. 請求項１又は２において、上記触媒反応器は、その内部に配設した複数の反応管内に上記反応流路をそれぞれ形成していると共に、上記複数の反応管の外側には上記熱媒流路を形成しており、
   上記熱媒流路における上記第１熱媒の入口部を上記反応原料の流れ方向における下流側に形成すると共に、上記熱媒流路内には上記反応原料の流れ方向を横切る邪魔板を上記流れ方向に並べて複数個配設することにより、上記熱媒流路は上記第１熱媒が上記横切る方向に向きを変えつつ上記反応原料の流れ方向とは逆方向に向けて流れる蛇行ルートを形成していることを特徴とする触媒反応器。
4. 請求項３において、上記第２熱媒噴出ヘッダーは、上記複数の邪魔板よりも上記反応原料の流れ方向における上流側に配設されており、上記複数の邪魔板と共に上記蛇行ルートを形成していることを特徴とする触媒反応器。

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