JP4980344B2

JP4980344B2 - 気泡塔型炭化水素合成反応器

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Publication number: JP4980344B2
Application number: JP2008508617A
Authority: JP
Inventors: 靖之大澤; 康博大西; 栄一山田; 讓加藤; 修若村
Original assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: JPWO2007114271A1; WO2007114271A1; CN101432394A; MY154308A; AU2007232919A1; AU2007232919B2; CN101432394B

Description

本発明は、気泡塔型炭化水素合成反応器に関し、特に、液体炭化水素中に固体の触媒粒子を懸濁させたスラリー中に合成ガスを吹き込んでフィッシャー・トロプシュ合成反応を行うための反応器に関する。
本願は、２００６年３月３０日に出願された日本国特許出願第２００６−９５０２０号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。

水素と一酸化炭素とを主成分とする合成ガスから、炭化水素化合物と水とを生成するフィッシャー・トロプシュ合成反応（以下、「ＦＴ反応」という。）の反応システムの１つとして、液体炭化水素中に固体の触媒粒子を懸濁させたスラリー中に合成ガスを吹き込んでＦＴ反応を行わせる気泡塔型スラリー床ＦＴ反応システムがある。なお、ＦＴ反応により合成された炭化水素化合物は、主に燃料油や潤滑油の原料などとして利用される。

この気泡塔型スラリー床ＦＴ反応システムに供するＦＴ反応器（以下、単に「反応器」という場合もある）においては、液体炭化水素中に固体の触媒粒子を懸濁させたスラリーに、反応器の下部から合成ガスを気泡状にして吹き込むことにより、ＦＴ反応を行わせる。このとき、反応器の内部では、上昇する気泡のエアリフト効果などによって液体（スラリー）が混合された状態となる。ところが、反応器の高さ方向の全域にわたる循環（以下、「大循環」という）によって反応器内部の液体が全体的に良好に撹拌されると、ＦＴ反応によって生成された気体炭化水素（主にＣ_１からＣ_４の軽質炭化水素から成る）を多く含む気泡が、スラリーの下降流による流体の混合（以下、「逆混合」という）によって反応器下部に移動する傾向が強まる。その結果、反応器内部の反応速度を全域で低下させ、原料である合成ガスの反応転化率を低下させる可能性がある。

このような問題を解決するために、一般の気泡塔型反応器において次のような方法が従来から行われている（例えば、非特許文献１を参照）。すなわち、反応器の内部空間を多孔板等によって反応器の高さ方向（鉛直方向）に分割し、反応器内の気泡の流れを、反応器内を下から上に向かう押し出し流れ（「プラグフロー」と呼ばれ、流体の逆流がない状態）に近づける。これにより、反応器全体での混合（大循環）を抑制することができる。

柘植秀樹・海野肇共著、「『泡』技術−使う、作る、排除する」、初版、株式会社工業調査会、２００４年４月、ｐ．７５−８１

しかしながら、気泡塔型スラリー床ＦＴ反応システムにおいては、反応器の容積に対し、液体の流量が極めて小さい場合がある。この場合、液体の正味の上昇速度（塔内空塔速度）はゼロに近い。そのため、多孔板を設置すると、多孔板の抵抗によって、気泡の上昇が阻害されるとともに気泡の上昇に伴うスラリーの上昇速度が低減され、スラリーの上昇速度が十分に得られない。そのため、触媒粒子が反応器の下部に偏在したり、多孔板上に堆積したりして、触媒粒子の分散状態が悪くなる可能性がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、フィッシャー・トロプシュ合成反応を行うための気泡塔型炭化水素合成反応器において、反応器内における気泡の逆混合を抑制するとともに、スラリーの上昇流を妨げずに触媒粒子の分散状態を良好に保つことを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、反応器の側壁側を遮蔽するとともに中央側を開放する部材（例えばバッフルプレートなど）を設け、反応器の内部空間を高さ方向に複数の区画に分割することで、隣接する区画間における気泡の逆流を抑制するとともに、反応器の中央側では気泡およびスラリーの上昇流を確保できることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の気泡塔型炭化水素合成反応器は、液体炭化水素中に固体の触媒粒子を懸濁させたスラリーを収容する反応器本体と；前記反応器本体の下部に配設され、水素および一酸化炭素を主成分とする合成ガスを前記スラリーに供給する合成ガス供給部と；前記反応器本体内に設けられ、前記スラリーの下降流を阻むバッフル部材と；を備え、前記バッフル部材は、反応器本体内における該反応器本体の側壁に近い対向する半月状の領域を遮蔽し、かつ前記対向する半月状の領域で挟まれた前記反応器本体の中央および中央付近から両側端部までの領域を開放して形成し、前記バッフル部材の前記対向する半月状の領域に複数の貫通孔が形成され、該貫通孔はその上面から下方に向かうにつれて断面積が小さくなるテーパ部が形成され、前記バッフル部材の半月状の領域で挟まれた領域では前記スラリー及び合成ガスの上昇流を生じさせると共に、前記反応器本体の側壁付近では下降流を生じさせ、前記バッフル部材の貫通孔は、前記テーパ部によって、スラリーの降下を許容すると共に、前記合成ガスまたは前記合成ガスの反応により生成した気体炭化水素を含む気泡の通過を抑制するようにしたことで、前記気体炭化水素を含む気泡が前記バッフル部材で分割された区画内で循環するようにしたことを特徴とする。

本発明の気泡塔型炭化水素合成反応器において、前記貫通孔は、前記触媒粒子の平均粒子径の１０倍から１００倍であってもよい。

本発明の気泡塔型炭化水素合成反応器において、前記貫通孔の少なくとも一部は、下方に向かうにつれて断面積が小さくなる略テーパ状に形成されていてもよい。

本発明の気泡塔型炭化水素合成反応器において、前記バッフル部材は、前記反応器本体の中央側が側壁側よりも低くなるように傾斜していてもよい。

本発明によれば、フィッシャー・トロプシュ合成反応を行うための気泡塔型炭化水素合成反応器において、反応器内での気泡の逆混合を抑制できるとともに、スラリーの上昇流を妨げずに触媒粒子の分散状態を良好に保つことができる。したがって、本発明によれば、原料である合成ガスの反応転化率を向上させるとともに、反応器の内部空間の全域で効率的に反応を行わせることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るＦＴ反応器の全体構成を示す縦断面図である。図２は、図１に示したＦＴ反応器に具備されるバッフルプレートを示す斜視図である。図３は、図１に示したＦＴ反応器に具備されるバッフルプレートの変形例を示す斜視図である。図４は、図１は、図２に示したバッフルプレートに形成される貫通孔を示す断面図である。図５は、図２に示したバッフルプレートに形成される貫通孔の変形例を示す断面図である。図６は、図２に示したバッフルプレートに形成される貫通孔の変形例を示す断面図である。図７は、図２に示したバッフルプレートに形成される貫通孔の変形例を示す断面図である。図８は、図２に示したバッフルプレートに形成される貫通孔の変形例を示す断面図である。図９は、図２に示したバッフルプレートに形成される貫通孔の変形例を示す断面図である。図１０は、図１に示したＦＴ反応器の内部におけるスラリーおよび気泡の流れを示す説明図である。図１１は、図２に示したバッフルプレート付近におけるスラリーおよび気泡の流れを示す説明図である。図１２は、図３に示したバッフルプレート付近におけるスラリーおよび気泡の流れを示す説明図である。図１３は、図２に示したバッフルプレートに形成された貫通孔付近におけるスラリーおよび気泡の流れを示す説明図である。図１４は、本発明の第２の実施形態に係るＦＴ反応器の全体構成を示す縦断面図である。図１５は、本発明の第３の実施形態に係るＦＴ反応器の全体構成を示す縦断面図である。図１６は、従来のＦＴ反応器の全体構成を示す縦断面図である。

符号の説明

１００，２００，３００…合成反応器、１１０，２１０，３１０…反応器本体、１２０，２２０，３２０…スラリー、１２２…液体炭化水素、１２４…触媒粒子、１３０…気泡、１４０，２４０，３４０…ディストリビュータ（合成ガス供給部）、１４２，２４２，３４２…合成ガス噴射口、１５０，２５０，３５０…バッフルプレート（バッフル部材）、１５２，２５２，３５２…貫通孔、１５２ａ，１５２ｂ，１５２ｃ，１５２ｄ…テーパ部、１５３…直線部

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（従来の気泡塔型反応器の構成）
まず、図１６に基づいて、従来の気泡塔型反応器１の構成について説明する。なお、図１６は、従来の気泡塔型反応器１の全体構成を示す垂直断面図である。なお、以下の説明では、気泡塔型反応器の例として、液体中に固体触媒粒子が分散されたスラリー床式の反応器を例に挙げて説明するが、従来の気泡塔型反応器１としては、かかるスラリー床式の反応器に限られず、反応によってガスを生成する気泡塔型反応器、または、原料ガス中に反応に関与しないガス成分を含む気泡塔型反応器であればよい。例えば、固体触媒を含まない液体が収容された気泡塔型反応器であってもよい。

図１６に示すように、従来の気泡塔型反応器１は、反応器本体１０と、原料ガス供給部の一例としてのディストリビュータ４０と、多孔板５０とを主に備える。

反応器本体１０は、略円筒型の金属製の容器であり、その内部には、液体（例えば、液体炭化水素）２２中に固体の触媒粒子２４を懸濁させたスラリー２０が収容される。また、反応器本体１０の底部には、スラリー２０を反応器本体１０内に導入するためのスラリー入口１１が設けられている。反応器本体１０の側壁部には、スラリー２０を排出するためのスラリー排出口１２が設けられている。反応器本体１０の塔頂部には、反応により生成したガスや未反応の原料ガスを排出するためのガス排出口１４が設けられている。なお、スラリー入口１１、スラリー排出口１２およびガス排出口１４が設けられる位置は、上述した位置には限られない。

上記のように構成された反応器本体１０においては、液体２２は、触媒粒子２４とともにスラリー排出口１２から排出され、触媒粒子２４を分離した後、一部は系外（反応器本体１０の外部）へ抜き出され、残りは分離された触媒粒子２４とともに、スラリー入口１１から反応器本体１０内に戻される。

ここで、スラリー入口１１から反応器本体１０内に戻される液体２２の流量は、個々の反応システムにより異なる。

また、フィルター等を用いて、反応により生成した液体２２と触媒粒子２４とを反応器本体１０の外部に抜き出すような反応システムにおいては、スラリー入口１１から反応器本体１０内に戻される液体２２の流量をゼロとする場合もある。

ディストリビュータ４０は、反応器本体１０の下部に配設され、原料ガスをスラリー２０中に供給する。このディストリビュータ４０の上部には、複数の原料ガス噴射口４２が設けられている。なお、原料ガス噴射口４２の設けられる数および位置は特に限定されない。

外部からディストリビュータ４０を通じて供給された原料ガスは、原料ガス噴射口４２から例えば上方（図の矢印で示した方向）に向かって噴射される。このようにしてディストリビュータ４０から吹き込まれた原料ガスは、気泡３０となって、スラリー２０中を反応器本体１０の高さ方向（鉛直方向）の下から上へ向かって流れる際に液体２２中に溶解し、溶解した原料ガスの成分が触媒粒子２４と接触することにより、所定の反応が行われる。

また、上記のように原料ガスが反応器本体１０の底部から吹き込まれ、吹き込まれた原料ガスが気泡３０となって反応器本体１０内を上昇することにより、反応器本体１０内部においては、主として中央部（反応器本体１０の中心軸付近）にスラリー２０の上昇流Ｋが生じるとともに、反応器本体１０の側壁付近（円周部付近）には主として下降流Ｊが生じ、スラリー２０が反応器本体１０内部全体を循環するような流れ（大循環）が生じる。ただし、図１６中の矢印Ｋ，Ｊは、反応器本体１０内に主に生じるスラリー２０の流れの向きを示したものであり、この流れは、時間とともに変化するものであって、常に一定の箇所を一定の方向に一定の速度で流れるものではない。

このような大循環によって反応器本体１０内部のスラリー２０が全体的に良好に撹拌されると、原料ガスの濃度が低くなった気泡３０が逆混合によって反応器本体１０下部に移動する傾向が強まる。その結果、反応器本体１０内部の反応速度を全体的に低下させ、原料ガスの反応転化率を低下させる可能性がある。

このような問題を解決するために、従来の気泡塔型反応器１においては、反応器本体１０内に、反応器本体１０内の流動を部分的に妨げる障壁部材として、例えば、多孔板５０を設ける。多孔板５０は、反応器本体１０の内部空間を高さ方向（鉛直方向）に複数に分割するように設けられた略円盤状の部材であり、原料ガスの濃度が低くなった気泡３０が反応器本体１０下部へ流れることを抑制する。この多孔板５０には、複数の貫通孔５２が設けられており、気泡３０およびスラリー２０はこの貫通孔５２を通過することができる。
さらに、スラリー２０（または触媒粒子２４を含まない液体２２）が常に反応器本体１０の下から上に向かって流れるように、スラリー２０（または触媒粒子２４を含まない液体２２）を一旦反応器本体１０の外部に取り出して循環させる。これにより、気泡３０が多孔板５０などの障壁部材を介して上から下に向かって流れることを防止する。

このように、多孔板５０などの障壁部材を設けることにより、反応器本体１０内のスラリー２０の流れを、反応器本体１０内を下から上へ向かう押し出し流れ（「プラグフロー」と呼ばれ、流体の逆流がない状態）に近づける。これにより、反応器本体１０の内部における全体的な混合（大循環）を抑制することができる。

ところが、気泡塔型スラリー床式ＦＴ反応システムにおいては、反応器本体１０の容積に対し、スラリー２０の流量が極めて小さい場合があり、この場合はスラリー２０の正味の上昇速度はゼロに近い。そのため、従来の気泡塔型反応器１と同様に多孔板５０を設置すると、気泡３０およびスラリー２０が多孔板５０を通過する際に、多孔板５０の抵抗によって、気泡３０の上昇が阻害されるとともに気泡３０の上昇に伴うスラリー２０の上昇流Ｋの速度が低減され、スラリー２０の上昇流Ｋの速度が十分に得られない。そのため、図１６に示したように、触媒粒子２４が反応器本体１０の下部に偏在したり、多孔板５０上に堆積したりして、触媒粒子２４の分散状態が悪くなる可能性がある。このように触媒粒子２４の分散状態が悪いと、触媒粒子２４の濃度が小さい領域で反応速度が低下し、反応器本体１０内部の全域で反応効率が低下してしまう。

そこで、本発明に係るＦＴ反応器においては、多孔板５０の代わりに、反応器本体１０の側壁側を遮蔽するとともに中央側を開放するような部材を設けている。
以下、本発明に係るＦＴ反応器について、具体的な実施の形態を示しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
まず、図１に基づいて、本発明の第１の実施形態に係る気泡塔型炭化水素合成反応器の一例としての気泡塔型スラリー床ＦＴ合成反応器１００（以下、単に「ＦＴ反応器１００」という）の構成について説明する。なお、図１は、本実施形態に係るＦＴ反応器１００の全体構成を示す垂直断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係るＦＴ反応器１００は、反応器本体１１０と、本発明に係る合成ガス供給部の一例としてのディストリビュータ１４０と、本発明に係るバッフル部材の一例としてのバッフルプレート１５０と、を主に備える。

反応器本体１１０は略円筒型の金属製の容器であって、その直径は１から２０ｍ程度、好ましくは２から１０ｍ程度である。反応器本体１０の高さは、１０から５０ｍ程度、好ましくは１５から４５ｍ程度である、反応気本体１０の内部には、液体炭化水素（ＦＴ反応の生成物）１２２中に、固体の触媒粒子１２４を懸濁させたスラリー１２０が収容される。反応器本体１１０の底部には、スラリー１２０を反応器本体１１０内に導入するためのスラリー入口１１１が設けられている。反応器本体１１０の側壁部には、スラリー１２０を排出するためのスラリー排出口１１２が設けられている。反応器本体１１０の塔頂部には、ＦＴ反応により生成した軽質炭化水素のガスや未反応の合成ガスを排出するためのガス排出口１１４が設けられている。なお、スラリー入口１１１、スラリー排出口１１２およびガス排出口１１４が設けられる位置は上述した位置には限られない。

ディストリビュータ１４０は、本実施形態に係る反応ガス供給部の一例であり、反応器本体１１０の下部に配設され、水素および一酸化炭素を主成分とする合成ガスをスラリー１２０中に供給する。このディストリビュータ１４０の上部には、複数の合成ガス噴射口１４２が設けられている。なお、合成ガス噴射口１４２の設けられる数および位置は特に限定されない。

外部からディストリビュータ１４０を通じて供給された合成ガスは、合成ガス噴射口１４２から例えば上方（図の矢印で示した方向）に向かって噴射される。このようにしてディストリビュータ１４０から吹き込まれた合成ガスは、気泡１３０となって、スラリー１２０中を反応器本体１１０の高さ方向（鉛直方向）下から上へ向かって流れる際に液体炭化水素１２２中に溶解し、溶解した合成ガスの成分が触媒粒子１２４と接触することにより、液体炭化水素の合成反応（ＦＴ合成反応）が行われる。

バッフルプレート１５０は、反応器本体１１０内部に、反応器本体１１０の側壁に近い領域を遮断し、反応器本体１１０の中央および中央付近の領域を開放するように設けられている。このバッフルプレート１５０により、反応器本体１１０の内部空間が高さ方向に複数の区画に分割される。本実施形態においては、反応器本体１１０内部に２枚のバッフルプレート１５０が設けられている。これにより、反応器本体１１０の内部空間が３つの区画に分割されている。

詳細については後述するが、このように、バッフルプレート１５０が、反応器本体１１０の側壁に近い領域を遮断するように設けられていることにより、ＦＴ反応により生成した軽質炭化水素を多く含む気泡１３０が、自らが存在する区画内で循環するようになり、他の区画には流れ込み難くなる。これにより、各区画間で逆流（逆混合）することを抑制できる。また、バッフルプレート１５０が、反応器本体１１０の中央および中央付近の領域を開放するように設けられていることにより、反応器本体１１０の中央を上昇しようとするスラリー１２０の上昇流を妨げることもない。

ここで、バッフルプレート１５０の枚数あるいは各区画の鉛直方向の長さＬは、反応器本体１１０の高さに応じて適宜定めることができる。具体的には、バッフルプレート１５０により分割された反応器本体１１０の各区画の高さ方向の長さＬは、反応器本体１１０の塔内直径Ｄの０．５から１０倍程度が好ましく、１から５倍程度がより好ましい。

反応器本体１１０の塔内直径Ｄに対する反応器本体１１０の各区画の高さ方向の長さＬの比、すなわちＬ／Ｄが上記範囲を外れて小さすぎると、各区画内で十分な循環流が発達せず、逆混合が過度に抑制されてしまう。そのため、触媒粒子１２４の分散状態が悪くなったり、気泡１３０の吹き抜けにより気泡１３０の滞留時間が短くなり、原料である合成ガスの反応転化率が低下したりするおそれがある。一方、Ｌ／Ｄが上記範囲を外れて大きすぎると、バッフルプレート１５０によって分割することの効果、すなわち、逆混合を抑制する効果が十分に発揮されなくなる。

以下、図２から図９に基づいて、本実施形態に係るバッフルプレート１５０の構成について詳細に説明する。なお、図２は、本実施形態に係るバッフルプレート１５０の構成を示す斜視図であり、図３は、本実施形態の変形例に係るバッフルプレート１５０’の構成を示す斜視図である。また、図４から図９は、それぞれ本実施形態に係る貫通孔１５２の構成例を示す断面図である。

図２に示すように、バッフルプレート１５０は、中央に開口部１５０ａが形成された略円盤状の部材であり、このバッフルプレート１５０により反応器本体１１０の側壁に違い領域が遮断され、反応器本体１１０の中央および中央付近の領域が開放される。なお、本発明のバッフル部材は、本実施形態に係るバッフルプレート１５０のように、略円盤状の部材の中央に開口部１５０ａが形成されるものに限られず、反応器本体１０の中央および中央付近に開放された空間が設けられていればよい。例えば、図３に示すように、反応器本体１０の側壁側に設けられた２枚の略半月状のプレートを１組とするバッフルプレート１５０’（言い換えると、略円盤状のバッフルプレートが三分割され、中央の分割片が除かれることによって開放部１５０’ａが形成されたもの）であってもよい。

ここで、上記バッフルプレート１５０（または１５０’（以下省略する））の開放されている部分（図２の例では開口部１５０ａ、図３の例では開放部１５０’ａ）の面積Ａｃは、反応器本体１０内部の水平断面の面積Ａｔの１０から９０％程度が好ましく、３５から６５％程度がより好ましい。

反応器本体１０内部の水平断面の面積Ａｔに対するバッフルプレート１５０の開放されている部分の面積Ａｃの比、すなわちＡｃ／Ａｔが上記範囲を外れて小さすぎると、気泡１３０とスラリー１２０の上昇流が妨げられるので、十分な触媒粒子１２４の分散効果を得ることができないおそれがある。一方、Ａｃ／Ａｔが上記範囲を外れて大きすぎると、バッフルプレート１５０によって分割することの効果、すなわち、逆混合を抑制する効果が十分に発揮されなくなる。

また、バッフルプレート１５０には、複数の貫通孔１５２（または１５２’（以下省略する））が設けられている。貫通孔１５２は、液体炭化水素１２２および触媒粒子１２４の通過を許容し、かつＦＴ反応により生成した軽質炭化水素を含む気泡１３０の通過を抑制できるように、適切な大きさに形成されている。貫通孔１５２の大きさを上記のようにすることにより、触媒粒子１２４が貫通孔１５２を閉塞するのを防止することができる。また、スラリー１２０の下降流に伴って気泡１３０がバッフルプレート１５０の貫通孔１５２を上から下に通過したり、上昇する気泡１３０がバッフルプレート１５０の下から上に通過したりすることを抑制したりすることができる。

より具体的には、貫通孔１５２の断面が略円形の場合には、貫通孔１５２の径は、触媒粒子１２４の平均粒子径の１０から１００倍が好ましく、３０から５０倍がより好ましい。また、本実施形態に係る触媒粒子１２４としては、平均粒子径が１０から１０００μｍが好ましく、２０から５００μｍがより好ましい。１００μｍ程度であればさらに好ましい。例えば、触媒粒子１２４として平均粒子径が１００μｍ程度のものを使用した場合には、貫通孔１５２の径は、１から１０ｍｍ程度が好ましく、３から５ｍｍ程度がより好ましい。貫通孔１５２の径を触媒粒子１２４の平均粒子径の１０倍以上とするのは、バッフルプレート１５０上に堆積しようとする触媒粒子１２４が、貫通孔１５２を閉塞することなくバッフルプレート１５０を上から下に通過できるように、触媒粒子の径よりも十分に大きくする必要があるためである。また、貫通孔１５２の径を触媒粒子１２４の平均粒子径の１００倍以下とするのは、貫通孔１５２の径が大きすぎると、貫通孔１５２を通過するスラリー１２０の流速が大きくなり、気泡１３０（大きさ数ｍｍから数ｃｍ）がスラリー１２０に同伴して貫通孔１５２を通過する可能性が大きくなるためである。加えて、上昇する気泡１３０が貫通孔１５２を通過する可能性が大きくなるためである。なお、貫通孔１５２の径とは、貫通孔１５２の径が一定でない場合、例えば、後述するように貫通孔１５２にテーパ部などを設けた場合には、貫通孔１５２のうち最も狭い部分の代表長さ（例えば、貫通孔１５２の断面が円形であれば径、断面が正方形であれば１辺の長さ）のことを指す。

また、貫通孔１５２の開孔率ε、すなわち、バッフルプレート１５０の面積Ａｐ（中央の開口部１５０ａの面積は除く）に対する貫通孔１５２の開口面積の合計Ａｈの割合（ε＝Ａｈ／Ａｐ）は、１から５０％が好ましく、５から２５％がより好ましい。開孔率εを１％以上（好ましくは５％以上）とするのは、バッフルプレート１５０を通過する十分な量のスラリー１２０の下降流を得る必要があるためである。ただし、開孔率εを大きくするために、貫通孔１５２の径を大きくしすぎると、上述したように、気泡１３０が貫通孔１５２を通過する可能性が大きくなるので、好ましくない。また、開孔率εを大きくするために、貫通孔１５２の数を増やすと、後述するテーパ部を設けたときに、十分な大きさのバッフルプレート１５０上面の面積を確保することができないため、好ましくない。このような観点から、開孔率εは、５０％以下（好ましくは２５％以下）である必要がある。なお、この開孔率εの計算に用いられる貫通孔１５２の開口面積は、貫通孔１５２の径が一定でない場合、例えば、後述するように貫通孔１５２にテーパ部などを設けた場合には、貫通孔１５２のうち最も狭い部分の断面積のことを指す。

貫通孔１５２は、例えば、図４に示すように、貫通孔１５２の断面積（開口面積）が一定であるように形成されてもよい。また、図５に示すように、貫通孔１５２の少なくとも一部、例えばバッフルプレート１５０上面側に、下方に向かうにつれて断面積が小さくなるテーパ部１５２ａが設けられていてもよい。

かかるテーパ部の形状としては、図５に示す場合に限られず、下方に向かうにつれて断面積が小さくなるような形状であれば任意の形状を採用することができる。例えば、図６から図８に示すように、テーパ部１５２ｂの上方に断面積が一定の直線部１５３（鉛直方向の長さＲ）が設けられた形状（図６）、テーパ部１５２ｃの垂直断面が曲線となる形状（図７）、テーパ部１５２ｄが複数の段からなる階段状の形状（図８）などを採用することができる。

このように貫通孔１５２の少なくとも一部にテーパ部（１５２ａ，１５２ｂ，１５２ｃおよび１５２ｄ等）を設けることにより、バッフルプレート１５０の上面の平坦な部分の面積を最小にして、触媒粒子１２４がバッフルプレート１５０の上面に堆積することを最小限に抑制することができる。また、テーパ部を設け、貫通孔１５２のバッフルプレート１５０上面側の断面積を大きくすることにより、貫通孔１５２を通過するスラリー１２０のバッフルプレート１５０上面における流速を小さくすることができる。これにより、スラリー１２０に同伴して気泡１３０が貫通孔１５２を通過することを抑制する効果をさらに向上させることができる。

なお、貫通孔１５２の（水平）断面の形状は、図２、図３等に示すように略円形とすることができるが、略円形の場合には限られず、その他の形状（例えば、略正方形状等）であってもよい。

また、貫通孔１５２のバッフルプレート１５０の下面側の断面積Ａ_０（以下、「下面断面積Ａ_０」という）に対するバッフルプレート１５０の上面側の断面積Ａ_１（以下、「上面断面積Ａ_１」という）の比率α（＝Ａ_１／Ａ_０）は、１≦α≦１００とすることができる。

この理由としては、テーパ部１５２ａ等における気泡１３０の分離効果（スラリー１２０に同伴して気泡１３０が貫通孔１５２を通過することを抑制する効果）を高めるためには、αが大きい方が好ましい。これは、αを大きくすることにより、貫通孔１５２を通過するスラリー１２０の流速をより小さくすることができるためである。

具体的には、以下の点からαの数値範囲が決定される。すなわち、下面断面積Ａ_０と上面断面積Ａ_１とが等しい場合（図４のようにテーパ部を設けない場合）は、α＝１となるので、αを１以上とする必要がある。なお、α＜１、すなわち、Ａ_０＞Ａ_１とすることも可能であるが、貫通孔１５２を通過するスラリー１２０の下面側での流速が小さくなることにより、バッフルプレート１５０の下から上に気泡が通過してしまう可能性があるので、α≧１とすることが好ましい。一方、αの上限は、開口率εの下限によって定まり、ε＝１％（下限値）のとき、αの最大値はα＝１００となるので、α≦１００とすることが好ましい。

また、テーパ部として、図９に示すような垂直断面が直線状の傾斜面を有するテーパ部１５２ａを適用する場合には、この傾斜面の角度（開口角度）θは、貫通孔１５２の中心軸に対して３０から６０°程度であることが好ましい。開口角度θは、触媒粒子１２４が貫通孔１５２内をスムーズに流下するように、開口角度θを小さく（傾斜をきつく）する必要がある。しかしながら、開口角度θを小さくしすぎると、必要な上面断面積Ａ_１を確保するためには、バッフルプレート１５０の厚みを厚くする必要が生じる。一方、開口角度θが大きすぎると、テーパ部を設けない場合と実質的に変わらなくなる。このような観点から、開口角度θを３０から６０°程度とすることが好ましい。

また、貫通孔１５２の配列は特に限定されないが、バッフルプレート１５０全体に概ね均等に配列されることが好ましい。さらに、バッフルプレート１５０の平坦部の面積を小さくするためには、貫通孔１５２は三角配列されることが好ましい。このように貫通孔１５２を三角配列することにより、触媒粒子１２４のバッフルプレート１５０上への堆積を抑制することができる。

以上、図１から図９に基づいて、本実施形態に係るＦＴ反応器１００の構成について詳細に説明した。次に、図１０から図１３に基づいて、このＦＴ反応器１００の機能や作用を、反応器本体１１０内部におけるスラリー１２０および気泡１３０の流れを示しながら説明する。なお、図１０は、本実施形態に係る反応器本体１１０内部全体のスラリー１２０および気泡１３０の流れを示す説明図である。図１１および図１２は、本実施形態に係るバッフルプレート１５０（または１５０’）付近におけるスラリー１２０および気泡１３０の流れを示す説明図である。図１３は、本実施形態に係る貫通孔１５２付近におけるスラリー１２０および気泡１３０の流れを示す説明図である。ただし、図１０から図１３中の矢印は、反応器本体１１０内に主に生じる流れの向きを示したものであり、この流れは、時間とともに変化するものであって、常に一定の箇所を一定の方向に一定の速度で流れるものではない。

まず、図１０から図１２に基づいて、反応器本体１１０内部全体およびバッフルプレート１５０（または１５０’）付近のスラリー１２０および気泡１３０の流れについて説明する。図１０に示すように、ディストリビュータ１４０の合成ガス噴射口１４２を通して反応器本体１１０の底部から吹き込まれた合成ガスは、気泡１３０となって反応器本体１１０内を上昇する。これにより、反応器本体１１０内部においては、主として中央部（反応器本体１１０の中央および中心付近）にスラリー１２０の上昇流Ａが生じるとともに、反応器本体１１０の側壁付近には主として下降流が生じる。

しかし、本実施形態においては、バッフルプレート１５０が設けられていることから、従来のように、気泡１３０がスラリー１２０とともに反応器本体１１０内部全体を循環するような流れ（大循環）が生じることはない。すなわち、バッフルプレート１５０は、反応器本体１１０の側壁に近い領域を遮断するように設けられていることから、ＦＴ反応により生成した軽質炭化水素を多く含む気泡１３０は、図１０および図１１の矢印Ｂに示すように、バッフルプレート１５０の上面側および下面側でその流れが妨げられ、バッフルプレート１５０により分割された区画内でのみ循環するようになるため、気泡１３０が各区画間で逆流（逆混合）することを抑制できる。したがって、軽質炭化水素を多く含む気泡１３０が反応器本体１１０内部全体で循環することを抑制できるため、合成ガスの反応転化率を高めることができる。

一方、本実施形態においては、バッフルプレート１５０は、反応器本体１１０の中央および中央付近の領域が開放されるように設けられていることから、従来とは異なり、図１０および図１１に示すように、反応器本体１１０の中央部におけるスラリー１２０および気泡１３０の上昇流Ａが妨げられることもない。したがって、触媒粒子１２４が反応器本体１１０の下部に偏在することを抑制して、触媒粒子１２４の分散状態を良好に保つことができる。

さらに、本実施形態においては、バッフルプレート１５０に複数の貫通孔１５２が設けられていることから、液体炭化水素１２２および触媒粒子１２４を含むスラリーは、図１０の矢印Ｃに示すように、貫通孔１５２を通過して反応器本体１１０の下方に向かって流下する。したがって、バッフルプレート１５０に堆積しようとする触媒粒子１２４を、貫通孔１５２を通じてバッフルプレート１５０の上から下に流下させることにより、バッフルプレート１５０上への触媒粒子１２４の堆積を防止することができる。また、貫通孔１５２を設けてバッフルプレート１５０を通過するスラリー１２０の下降流Ｃを確保することにより、バッフルプレート１５０の開口部１５０ａにおけるスラリー１２０および気泡１３０の上昇流Ａをさらに促進することができる。このように、バッフルプレート１５０上への触媒粒子１２４の堆積を防止するとともに、バッフルプレート１５０を通過するスラリー１２０の上昇流Ａを促進することにより、触媒粒子１２４の分散状態をさらに良好に保つことができる。

なお、以上説明したことは、図１２に示すような本実施形態の変形例に係るバッフルプレート１５０’を用いた場合も同様である。

次に、図１３に基づいて、貫通孔１５２の機能や作用についてさらに詳細に説明する。図１３に示すように、ＦＴ反応により生成した軽質炭化水素ガスを多く含む気泡１３０は、矢印Ｂに示すように、バッフルプレート１５０によりその流れが妨げられて、バッフルプレート１５０を通過して隣り合う区画間で移動することを抑制されている。また、触媒粒子１２４は、矢印Ｃ１に示すように、スラリー１２０の下降流に同伴して貫通孔１５２へ向かい、矢印Ｃ２に示すように、貫通孔１５２を通過して反応器本体１１０の下方へ流れる。

ここで、気泡１３０の流れＢの速度と触媒粒子１２４（および液体炭化水素１２２）の流れＣ１の速度とを比較すると、流れＢの速度の方が流れＣ１の速度よりもはるかに速いため、スラリー１２０と比べて比重の小さな気泡１３０がスラリー１２０等の流れＣ１に同伴して貫通孔１５２を通過することはほとんどない。さらに、貫通孔１５２にテーパ部１５２ａを設けると、貫通孔１５２の上面を通過するスラリー１２０の流れＣ１の速度をさらに小さくすることができ、これにより、スラリー１２０に同伴して気泡１３０が貫通孔１５２を通過することを抑制する効果をさらに向上させることができる。

以上のようにして、気泡１３０は各区画内で循環し、スラリー１２０はバッフルプレート１５０を通過して反応器本体１１０全体で循環するようにすることができる。

（第２の実施形態）
次に、図１４に基づいて、本発明の第２の実施形態に係る気泡塔型炭化水素合成反応器の一例としての気泡塔型スラリー床ＦＴ合成反応器２００（以下、単に「ＦＴ反応器２００」という）の構成について説明する。なお、図１４は、本実施形態に係るＦＴ反応器２００の全体構成を示す垂直断面図である。

図１４に示すように、本実施形態に係るＦＴ反応器２００は、反応器本体２１０と、本実施形態に係る合成ガス供給部の一例としてのディストリビュータ２４０と、本実施形態に係るバッフル部材の一例としてのバッフルプレート２５０と、を主に備える。

反応器本体２１０には、スラリー２２０が収容される。反応器本体２１０の底部には、スラリー２２０を反応器本体２１０内に導入するためのスラリー入口２１１が設けられている。反応器本体２１０の側壁部には、スラリー２２０を排出するためのスラリー排出口２１２が設けられている。反応器本体２１０の塔頂部には、ＦＴ反応により生成した軽質炭化水素のガスや未反応の合成ガスを排出するためのガス排出口２１４が設けられている。

ディストリビュータ２４０は、本実施形態に係る反応ガス供給部の一例であり、反応器本体２１０の下部に配設され、水素および一酸化炭素を主成分とする合成ガスをスラリー２２０中に供給する。このディストリビュータ２４０の上部には、複数の合成ガス噴射口２４２が設けられている。

バッフルプレート２５０は、反応器本体２１０内部に、反応器本体２１０の側壁に近い領域を遮断し、反応器本体２１０の中央および中央付近の領域を開放するように設けられている。このバッフルプレート２５０により、反応器本体２１０の内部が高さ方向に複数の区画に分割される。また、バッフルプレート２５０には、複数の貫通孔２５２が設けられている。

本実施形態に係るＦＴ反応器２００では、かかる構成を有することにより、反応器本体１０の内部において、ディストリビュータ２４０から供給された合成ガスおよびスラリー２２０の上昇流Ｄは、バッフルプレート２５０の中央に設けられた開放部を通じて上昇することができる。また、ＦＴ反応により生成した軽質炭化水素を多く含む気泡は、バッフルプレート２５０により、他の区画には流れ込み難くなり、自らが存在する区画内で循環流Ｅを生じる。さらに、スラリー２２０は、貫通孔２５２を通過して、下降流Ｆを生じる。ただし、図１４中の矢印は、反応器本体２１０内に主に生じる流れの向きを示したものであり、この流れは、時間とともに変化するものであって、常に一定の箇所を一定の方向に一定の速度で流れるものではない。

ここで、本実施形態に係るＦＴ反応器２００においては、上述した第１の実施形態の場合と異なり、バッフルプレート２５０は、その中央が反応器本体１１０の側壁に近い周縁よりも低くなるように、すなわち、反応器本体１１０の中央に向かって下向きに傾斜して設置されている。このように、貫通孔２５２を設けることに加えて、バッフルプレート２５０を下向きに傾斜させることにより、バッフルプレート２５０上への触媒粒子の堆積を防止する効果をさらに向上させることができる。

なお、上記以外のＦＴ反応器２００の構成および作用効果は、上述した第１の実施形態に係るＦＴ反応器１００の場合と同様であるので、詳細な説明は省略する。

（第３の実施形態）
次に、図１５に基づいて、本発明の第３の実施形態に係る気泡塔型炭化水素合成反応器の一例としての気泡塔型スラリー床ＦＴ合成反応器３００（以下、単に「ＦＴ反応器３００」という）の構成について説明する。なお、図１５は、本実施形態に係るＦＴ反応器３００の全体構成を示す垂直断面図である。

図１５に示すように、本実施形態に係るＦＴ反応器３００は、反応器本体３１０と、本実施形態に係る合成ガス供給部の一例としてのディストリビュータ３４０と、本実施形態に係るバッフル部材の一例としてのバッフルプレート３５０と、を主に備える。

反応器本体３１０には、スラリー３２０が収容される。反応器本体３１０の底部には、スラリー３２０を反応器本体３１０内に導入するためのスラリー入口３１１が設けられている。反応器本体３１０の側壁部には、スラリー３２０を排出するためのスラリー排出口３１２が設けられている。反応器本体３１０の塔頂部には、ＦＴ反応により生成した軽質炭化水素のガスや未反応の合成ガスを排出するためのガス排出口３１４が設けられている。

ディストリビュータ３４０は、本実施形態に係る反応ガス供給部の一例であり、反応器本体３１０の下部に配設され水素および一酸化炭素を主成分とする合成ガスをスラリー３２０中に供給する。このディストリビュータ３４０の上部には、複数の合成ガス噴射口３４２が設けられている。

バッフルプレート３５０は、反応器本体３１０内部に、反応器本体３１０の横断面の一部を遮蔽するように設けられている。このバッフルプレート３５０により、反応器本体３１０の内部が高さ方向に複数の区画に分割される。また、バッフルプレート３５０には、複数の貫通孔３５２が設けられている。具体的には、本実施形態に係るＦＴ反応器３００においては、上述した第１および第２の実施形態の場合と異なり、バッフルプレート３５０は、反応器本体３１０内部の両側に、互い違いになるように設置されており、各区画の境界において、バッフルプレート３５０により、反応器本体３１０内部の横断面の一方側が開放され、他方側が遮蔽されている。

本実施形態に係るＦＴ反応器３００では、かかる構成を有することにより、反応器本体３１０の内部において、ディストリビュータ３４０から供給された合成ガスおよびスラリー３２０の上昇流Ｇは、バッフルプレート３５０により遮蔽されていない開放部を上昇することができる。また、ＦＴ反応により生成した軽質炭化水素を多く含む気泡は、バッフルプレート３５０により、他の区画には流れ込み難くなり、自らが存在する区画内で循環流Ｈを生じる。さらに、スラリー３２０は、貫通孔２５２を通過して、下降流Ｉを生じる。ただし、図１５中の矢印は、反応器本体３１０内に主に生じる流れの向きを示したものであり、この流れは、時間とともに変化するものであって、常に一定の箇所を一定の方向に一定の速度で流れるものではない。

このように、バッフルプレート３５０を互い違いになるように設置することにより、上昇流Ｇが反応器本体３１０内の一方の側に偏ることを防止し、他方の側でスラリー３２０が滞留したり、スラリー３２０の混合状態が悪化したりすることを防止することができる。

なお、上記以外のＦＴ反応器３００の構成および作用効果は、上述した第１の実施形態に係るＦＴ反応器１００の場合と同様であるので、詳細な説明は省略する。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態においては、バッフル部材がプレート状のバッフルプレート１５０，２５０，３５０の場合について説明したが、バッフル部材はプレート状に限られず、反応器本体の側壁側を遮蔽し、中央側が開放されるものであれば、任意の形状とすることができる。

本発明は、液体炭化水素中に固体の触媒粒子を懸濁させたスラリーを収容する反応器本体と；前記反応器本体の下部に配設され、水素および一酸化炭素を主成分とする合成ガスを前記スラリーに供給する合成ガス供給部と；前記反応器本体内に設けられ、前記スラリーの下降流を阻むバッフル部材と；を備える気泡塔型炭化水素合成反応器に関する。
本発明の気泡塔型炭化水素合成反応器によれば、原料である合成ガスの反応転化率を向上させるとともに、反応器の内部空間の全域で効率的に反応を行わせることができる。

Claims

液体炭化水素中に固体の触媒粒子を懸濁させたスラリーを収容する反応器本体と；
前記反応器本体の下部に配設され、水素および一酸化炭素を主成分とする合成ガスを前記スラリーに供給する合成ガス供給部と；
前記反応器本体内に設けられ、前記スラリーの下降流を阻むバッフル部材と；を備え、
前記バッフル部材は、反応器本体内における該反応器本体の側壁に近い対向する半月状の領域を遮蔽し、かつ前記対向する半月状の領域で挟まれた前記反応器本体の中央および中央付近から両側端部までの領域を開放して形成し、
前記バッフル部材の前記対向する半月状の領域に複数の貫通孔が形成され、該貫通孔はその上面から下方に向かうにつれて断面積が小さくなるテーパ部が形成され、
前記バッフル部材の半月状の領域で挟まれた領域では前記スラリー及び合成ガスの上昇流を生じさせると共に、前記反応器本体の側壁付近では下降流を生じさせ、
前記バッフル部材の貫通孔は、前記テーパ部によって、スラリーの降下を許容すると共に、前記合成ガスまたは前記合成ガスの反応により生成した気体炭化水素を含む気泡の通過を抑制するようにしたことで、前記気体炭化水素を含む気泡が前記バッフル部材で分割された区画内で循環するようにしたことを特徴とする気泡塔型炭化水素合成反応器。
前記貫通孔は、前記触媒粒子の平均粒子径の１０倍から１００倍である請求項１に記載の気泡塔型炭化水素合成反応器。
前記バッフル部材は、前記反応器本体の中央側が側壁側よりも低くなるように傾斜している請求項１に記載の気泡塔型炭化水素合成反応器。