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JP4028392B2 - 気相接触酸化方法 - Google Patents

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JP4028392B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の反応管を有し、反応管外部に流れる熱媒体の流路を変えるための邪魔板を有する固定床式多管熱交換型反応器を用い、反応管外部に熱媒体を循環させ、触媒を充填した反応管内部に反応原料ガスを供給することにより、反応生成ガスを得る気相接触酸化方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、複数の反応管を有する固定床式多管熱交換型反応器が知られている。また、固定床式多管熱交換型反応器を用いて気相接触酸化方法を行うことが知られている。
【0003】
例えば、固定床式多管熱交換型反応器を用い、反応管外部に熱媒体を循環させ、触媒を充填した反応管内部に反応原料ガスを供給する。すると、反応管内で接触酸化反応が生じ、該反応により反応生成ガスが得られるというものである。
【0004】
この場合、反応管内で生じた反応熱を吸収するために熱媒体が使用されている固定床式多管熱交換型反応器においては、熱媒体が該反応器内をできるだけ均一に流れるようにするために、邪魔板と呼ばれる、熱媒体の流路を変えるための板が設置されている。
【0005】
しかし、このような、邪魔板を設置した固定床式多管熱交換型反応器においては、この邪魔板と反応管が溶接あるいは拡管等で固着されている場合は、この部分には全く熱媒体は流れない。反応管外壁と邪魔板を固着しない反応器もあるが、このクリアランスに流れる熱媒体の量は限られる。
【0006】
上記のような固定床式多管熱交換型反応器を用いた気相接触酸化方法では、以下のような問題が生じる。
【0007】
反応器シェル内での熱媒体の流れが充分でない部分に在る反応管では除熱の悪い状態が形成される。そして、このような除熱の悪い状態にさらされた反応管においては、局部的異常高温帯(ホットスポット)が発生し、反応の暴走が起こる場合がある。
【0008】
また、反応の暴走が起きないまでも、反応管が閉塞しやすくなり、反応生成ガスの収率が低下したり、触媒の寿命が低下したり、長期間安定した運転が困難になるという問題が発生する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、複数の反応管を有し、熱媒体の流路を変えるための邪魔板を有する固定床式多管熱交換型反応器を用い、反応管外部に熱媒体を循環させ、触媒を充填した反応管内部に反応原料ガスを供給することにより、反応生成ガスを得る気相接触酸化方法において、ホットスポットの発生を有効に防止でき、かつ、反応管も閉塞することなく、反応生成ガスの収率も高く、触媒の寿命も長い、長期間安定した運転が可能な気相接触酸化方法を提供することを課題とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、邪魔板により熱媒体が全く流れない又は流れにくくなった部分に、触媒層の高温部である触媒層ピーク温度が位置すると、上記問題が発生することを確認した。
【0011】
そこで、本発明者らは、以下に記載する方法とすることで、上記課題を解決する気相接触酸化方法が提供できることを見出し、本発明の完成に至った。
【0012】
すなわち、本発明は、以下のとおりである。
(1)複数の反応管と、反応管外部に流れる熱媒体の流路を変えるために接続部位を介して反応管に接続される邪魔板とを有する固定床式多管熱交換型反応器を用い、反応管外部に熱媒体を循環させ、触媒を充填した反応管内部に反応原料ガスを供給することにより、反応生成ガスを得る気相接触酸化方法において、反応管内の触媒層ピーク温度部位が、邪魔板と反応管との接続部位に位置しないよう、反応管における触媒の充填仕様を設定することを特徴とする、気相接触酸化方法。
(2)前記熱媒体が、反応管から発生する反応熱を吸収するためのものである、(1)に記載の気相接触酸化方法。
(3)一つの反応管において、触媒の充填仕様の異なる層が少なくとも2層以上設けられていることを特徴とする、(1)又は(2)に記載の気相接触酸化方法。
(4)前記触媒の充填仕様を決める項目として、触媒の種類、触媒の量、触媒の形状、触媒の希釈方法、反応帯域の長さの各項目が挙げられることを特徴とする、(1)〜(3)の何れかに記載の気相接触酸化方法。
(5)前記気相接触酸化方法により、プロパン、プロピレン又はイソブチレンを分子状酸素で酸化して、アクリル酸又はメタアクリル酸を製造することを特徴とする、(1)〜(4)の何れかに記載の気相接触酸化方法。
【0013】
以下、本発明を詳細に説明する。
【0014】
本発明は、複数の反応管と、反応管外部に流れる熱媒体の流路を変えるために接続部位を介して反応管に接続される邪魔板とを有する固定床式多管熱交換型反応器を用いて、気相接触酸化方法を行う。
【0015】
つまり、上記反応器において、反応管外部に熱媒体を循環させ、触媒を充填した反応管内部に反応原料ガスを供給することにより、反応生成ガスを生成させる。
【0016】
本発明において、上記熱媒体は、反応管から発生する反応熱を吸収するために使用することが好ましい。該熱媒体としては、反応管から発生する反応熱を吸収する機能を有していれば、例えば、部分水素化トリフェニル等の有機熱媒や、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属(亜)硝酸塩いわゆるナイター等の無機溶触塩等、如何なる材料も使用し得る。
【0017】
また、本発明の気相接触酸化方法では、生成させたい反応生成ガスの種類に応じて、反応原料ガスや触媒を適宜選択することができる。
【0018】
例えば、本発明の気相接触酸化方法により、プロパン、プロピレンまたはイソブチレンを分子状酸素または分子状酸素含有ガスにより、複合酸化物触媒の存在下で酸化して、(メタ)アクロレイン或いは(メタ)アクリル酸を製造することができる。より詳しくは、プロピレンまたはイソブチレンをMo−Bi系複合酸化物触媒の存在下で酸化して主に(メタ)アクロレインを製造し(前段反応)、該前段反応で生成した(メタ)アクロレインをMo−V系複合酸化物触媒の存在下で酸化して(メタ)アクリル酸を製造することができる。また、プロパンをMo−V−Te系複合酸化物触媒、或いはMo−V−Sb系複合酸化物触媒を用いて気相酸化させてアクリル酸を製造することもできる。
【0019】
上記(メタ)アクロレイン或いは(メタ)アクリル酸を本発明の気相接触酸化方法を用いて製造する場合、特に工業化を考慮すると、以下に記載する製造方式を利用することが有効となる。以下、プロピレンを例に挙げて説明する。
1)ワンパス方式
プロピレンと空気とスチームを混合供給して、主としてアクロレインとアクリル酸を製造する(前段反応)。この前段反応で得られたガスを分離することなく後段反応へ供給する。このとき、後段反応で反応させるのに必要な空気およびスチームを前段反応で得られたガスに加えて後段反応へ供給する方式。
2)未反応プロピレンリサイクル方式
後段反応で得られたアクリル酸を含有する反応生成ガスをアクリル酸捕集装置に導き、アクリル酸を水溶液として捕集する。該捕集装置より未反応プロピレンを含有する廃ガスの一部を分離する。該廃ガスを再び前段反応に供するよう供給すると、未反応プロピレンの一部をリサイクルすることができる方式。
3)燃焼廃ガスリサイクル方式
後段反応で得られたアクリル酸を含有する反応生成ガスをアクリル酸捕集装置に導き、アクリル酸を水溶液として捕集する。該捕集装置より廃ガスを全量接触的に燃焼酸化させ、含有される未反応プロピレン等を主として二酸化炭素及び水に変換する。得られた燃焼廃ガスの一部を再び前段反応に供するよう供給する方式。
【0020】
本発明の気相接触酸化方法は、上記の3つの方式の何れを用いて、工業的製造を行ってもよく、特に製造方式には限定されるものではない。
【0021】
また、上記のオレフィンから不飽和アルデヒドまたは不飽和酸を得る前段反応で使用する触媒としては、下記一般式(1)で示されるMo−Bi系複合酸化物触媒が好ましく用いられる。
【0022】
【化1】
MoabBicFedefghix ・・・(1)
(上記式(1)中、Moはモリブデン、Wはタングステン、Biはビスマス、Feは鉄、Aはニッケルおよびコバルトから選ばれる少なくとも一種の元素、Bはナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムおよびタリウムから選ばれる少なくとも一種の元素、Cはアルカリ土類金属から選ばれる少なくとも一種の元素、Dはリン、テルル、アンチモン、スズ、セリウム、鉛、ニオブ、マンガン、ヒ素、ホウ素および亜鉛から選ばれる少なくとも一種の元素、Eはシリコン、アルミニウム、チタニウムおよびジルコニウムから選ばれる少なくとも一種の元素、そしてOは酸素であり、a、b、c、d、e、f、g、h、iおよびxはそれぞれMo、W、Bi、Fe、A、B、C、D、EおよびOの原子比を表し、a=12のとき、0≦b≦10、0<c≦10(好ましくは0.1≦c≦10)、0<d≦10(好ましくは0.1≦d≦10)、2≦e≦15、0<f≦10(好ましくは0.001≦f≦10)、0≦g≦10、0≦h≦4、0≦i≦30、xは各々の元素の酸化状態によって定まる数値である。)
【0023】
また、上記のオレフィンから不飽和アルデヒドまたは不飽和酸を得る後段反応で使用する触媒としては、下記の一般式(2)で示されるMo−V系複合酸化物触媒が好ましく用いられる。
【0024】
【化2】
MoabcCudefg ・・・(2)
(上記式(2)中、Moはモリブデン、Vはバナジウム、Wはタングステン、Cuは銅、XはMg、Ca、SrおよびBaよりなる群から選ばれる少なくとも一種の元素、YはTi、Zr、Ce、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Nb、Sn、Sb、PbおよびBiよりなる群から選ばれる少なくとも一種の元素、そしてOは酸素であり、a、b、c、d、e、fおよびgはそれぞれMo、V、W、Cu、X、YおよびOの原子比を示し、a=12とするとき、2≦b≦14、0≦c≦12、0<d≦6、0≦e≦3、0≦f≦3であり、gは各々の元素の酸化状態によって定まる数値である。)
【0025】
本発明の気相接触酸化方法で使用する反応管には、触媒と必要に応じて触媒希釈用の不活性物質(以下、「希釈剤」ともいう)とを充填する。
【0026】
触媒の反応管への充填仕様は、触媒の種類、触媒の量、触媒の形状(形、大きさ)、触媒の希釈方法(希釈剤の種類、希釈剤の量)、反応帯域の長さ等の各要素を総合的に勘案し、決定するとよい。反応帯域の長さは、触媒の形状および使用量、希釈剤の併用等によって調整される。
【0027】
本発明の気相接触酸化方法で使用する触媒の形状(形、大きさ)は特に制限はなく、触媒の成型法についても特に制限はない。例えば、押し出し成型法または打錠成型法の何れで成型された触媒でも使用可能であり、また触媒成分よりなる複合酸化物を、炭化ケイ素、アルミナ、酸化ジルコニウム、酸化チタンなどの不活性な担体に担持して構成させた触媒を使用してもよい。また、触媒の形も、球状、円柱状、リング状、不定形などのいずれの形でも良い。但し、特にリング状触媒を使用するとホットスポット部における蓄熱の防止に効果がある。
【0028】
また、希釈剤の種類としては、気相接触酸化反応条件下で安定であり、反応原料物質及び生成物と反応性がない材質のものであれば何でもよく、具体的には、アルミナ、シリコンカーバイド、シリカ、酸化ジルコニア、酸化チタン等、触媒の担体に使われるものを使用するとよい。また、希釈剤の形状は触媒と同様に制限はなく、球状、円柱状、リング状、不定形などのいずれでもよい。大きさは、反応管径及び差圧を考慮して決めればよい。
【0029】
触媒と希釈剤との混合比は、特に制限はないが、混合比が極端に大きい、あるいは小さい場合は、触媒と希釈剤の混合状態が不均一とならないよう混合比を留意するとよい。
【0030】
また、一つの反応管における反応帯域において、触媒の充填仕様を層状で異ならせてもよい。例えば、反応管上部に充填する触媒の充填仕様と、反応管下部に充填する触媒の充填仕様とを異ならせてもよい。一般に、一つの反応管における反応帯数は2〜3までの数で設定するとよい。
【0031】
また、反応原料ガスを導入する反応管の入口部分から出口部分に向かって触媒活性が高くなるように触媒を充填するとよい。
【0032】
本発明の気相接触酸化方法では、反応管内の触媒層ピーク温度部位が、邪魔板と反応管との接続部位に位置しないようにする。
【0033】
ここで、触媒層ピーク温度とは、反応時に測定される触媒層の最も高い温度である。触媒層ピーク温度部位とは、最も高い触媒層ピーク温度が測定される部位であり、反応管に触媒を単層で充填する場合は、最も温度の高い部分をいい、複数個の反応帯に分割して触媒を充填する場合は、それぞれの反応帯での最も温度の高い部分をいう。
【0034】
この触媒層のピーク温度は、次のようにして求める。
【0035】
反応管に多点式熱電対を挿入した上で触媒を充填し、触媒層各部の温度を測定する。尚、多点式熱電対の測定点数は、通常5〜100、好ましくは7〜50、より好ましくは10〜30点で行うとよい。または、反応管にウェルを挿入した上で触媒を充填し、ウェル内で熱電対を移動させて温度を測定する。
【0036】
触媒層ピーク温度部位は、例えば、移動式の熱電対を使用した場合では、それぞれの反応帯で最も温度の高い部位を指し、多点式熱電対で測定した場合では、それぞれの反応帯で最も温度の高い測定点の部位を指す。
【0037】
本発明において、邪魔板と反応管との接続部位とは、より具体的には、邪魔板と反応管が溶接あるいは拡管等で固着されている部位、又は、固着されていないまでも反応管をまたいで邪魔板が存在する部位をいう。
【0038】
そして、本発明の気相接触酸化方法では、反応管内の触媒層ピーク温度部位が、邪魔板と反応管との接続部位に位置しないよう反応管における触媒の充填仕様を設定する。
【0039】
つまり、反応管内の触媒層ピーク温度部位が、邪魔板と反応管との接続部位に位置する反応管については、位置しないように、充填仕様を変更する。
【0040】
触媒の充填仕様は、触媒の種類、触媒の量、触媒の形状(形や大きさ)、触媒の希釈方法(希釈剤の種類、希釈剤の量)、反応帯域の長さの各要素を考慮して、変更することができる。
【0041】
本発明では、反応管内の触媒層ピーク温度部位が、邪魔板の厚さ方向の中心に対して、邪魔板の一方の表面側を+方向とし、邪魔板の他方の表面側を−方向としたときに、邪魔板の厚さ方向の中心から、邪魔板厚の+/−100%以下の範囲に位置しないように、触媒を充填していることが好ましい。ここで、通常用いられる邪魔板の厚さは、5mm〜50mm位である。
【0042】
本発明では、一つの反応管において、触媒の充填仕様の異なる層を少なくとも2層以上設けることにより、充填仕様を変更させることがより好ましい。
【0043】
そして、このように複数の反応帯を有する場合には、特に反応帯域の長さを変更することにより、反応管に沿った縦方向に、触媒層のピーク温度部位を移動させることができる。
【0044】
また、本発明では、邪魔板と反応管との接続部位に、希釈剤のみからなる不活性層を形成させるか、または希釈剤の量を多くする等の処理によりその部分での反応熱をおさえるように充填仕様を設定することも、好ましい方法となる。
【0045】
また、本発明では、反応管内の触媒層ピーク温度部位を、邪魔板と反応管との接続部位に位置しないようすることができれば、同一反応器内に触媒の充填仕様が異なる反応管が複数形成されていてもよい。
【0046】
【発明の実施の形態】
本発明の気相接触酸化方法で用いる、固定床式多管熱交換型反応器の第1の実施態様を図1に示す。
【0047】
図1において、1は反応器、2は反応原料ガス導入口(ダウンフローの場合)或いは反応生成ガス排出口(アップフローの場合)、3は反応生成ガス排出口(ダウンフローの場合)或いは反応原料ガス導入口(アップフローの場合)、4は反応管(内部には触媒を充填)、5は上部管板、6は下部管板、7、8、9は邪魔板、10は熱媒体出口ノズル、11は熱媒体入口ノズル、13は反応温度調節用熱媒体入口ライン、14は熱媒体オーバーフローラインをそれぞれ示す。
【0048】
尚、図1の固定床式多管熱交換型反応器は、アップフローで熱媒体を流したときの構成であるが、本発明では、むろんダウンフローで熱媒体を流すこともできる。
【0049】
反応原料ガスは空気及び/或いは希釈ガス、リサイクルガス等と混合されて、反応原料ガス導入口(2或いは3)から反応器(1)へ導入されて、触媒が充填された反応管(4)へ供給、反応管内で接触酸化反応により酸化されて生成した反応生成ガス及び未反応ガスは、反応生成ガス排出口(3或いは2)より排出される。
【0050】
熱媒体は、ポンプ(12)によって熱媒体入口ノズル(11)より反応器シェルに導入され、反応管内で発生した反応熱を除去しながら反応器シェル内を流通し、熱媒体出口ノズル(10)より排出され、ポンプにより循環される。熱媒体の温度制御は、反応温度調節用熱媒体入口ライン(13)より冷熱媒体を導入することにより行われ、反応温度調節用熱媒体入口ライン(13)より導入された熱媒体量が熱媒体オーバーフローライン(14)より排出される。
【0051】
上記本発明の固定床式多管熱交換型反応器における邪魔板の構造は特に限定はない。本発明では、例えば、図2で示すダブルセグメント・バッフルタイプ、図3で示すディスクアンドドーナツ・バッフルタイプ、図4で示すマルチ・バッフルタイプの邪魔板を有する固定床式多管熱交換型反応器の何れも使用できる。尚、図2〜4には、邪魔板の形状及び熱媒体の流れを記載している。
【0052】
また、上記固定床式多管熱交換型反応器において、邪魔板と反応管との接続部位が、溶接あるいは拡管等で固着されている場合には、この部分に熱媒体は流れないことを説明するための概略図を図5に示す。また、上記固定床式多管熱交換型反応器において、邪魔板と反応管との接続部位が、固着されていないまでも反応管をまたいで邪魔板が存在する場合には、この部分に流れる熱媒体の量は限られていることを説明するための概略図を図6に示す。
【0053】
図5及び6中、符号15は反応管を、符号16は邪魔板を、符号17、18は熱媒体の流れを示す。
【0054】
【実施例】
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。
【0055】
【実施例1】
内径が27mm長さ5mのステンレス製反応管20000本からなり、シェル側に熱媒体の流路を変更する為にダブルセグメントタイプの邪魔板を設置した図7に示す固定床式多管熱交換型反応器を用いて、反応管の触媒層温度を測定できるように多点式熱電対設置した。熱媒体は、ナイターを用いた。
【0056】
図7のAの位置にある反応管にアルミナボール1.7mを充填し、次に常法に準じた方法により調製したMo−Bi−Fe系触媒を触媒70%とアルミナボール30%を体積比で混合したものを3m充填し、その上にアルミナボールを0.3m充填した。
【0057】
プロピレン9mol%、空気71mol%、水蒸気10mol%及び窒素等からなる混合ガスを接触時間3秒の条件でダウンフローで供給した。この時の熱媒温度は320℃であった。
【0058】
この時の触媒層ピーク温度部位は邪魔板(第1の邪魔板、すなわち図7中に示される邪魔板のうち、上位に位置する邪魔板)の手前にあり、触媒層ピーク温度は400℃で、1年間運転後及び2年間運転後のこの反応管の差圧上昇は、それぞれ0.1kPa、0.15kPaであった。
【0059】
ここで、差圧上昇とは、反応管の温度が高すぎることにより、反応原料が炭化し、反応管が閉塞し、反応管内の圧力が上がる現象をいう。差圧測定は、停止時、反応時と同じ流量の空気或いは窒素を各反応管に供給して反応管入口の圧力を測定することにより得た。
【0060】
【比較例1】
図7のBの位置(Aの隣)にある反応管にアルミナボール1.5mを充填し、次に実施例1と同じ触媒70%とアルミナボール30%を体積比で混合したものを3m充填し、その上にアルミナボールを0.5m充填した。
【0061】
この時の触媒層ピーク温度部位は、第1の邪魔板と反応管との接続部位にあり、触媒層ピーク温度は415℃であり、1年間運転後のこの反応管の差圧上昇は、0.5kPaであり、2年後は完全に閉塞して差圧測定不可能であった。このように、触媒層ピーク温度部位が前記接続部位に位置していると、触媒層ピーク温度が高いことからも明らかなように反応熱の除熱は充分ではなく、過度な反応が起こり、反応管の閉塞を生じる。
【0062】
上記実験から明かなように、本発明の方法は、反応管の閉塞をおさえ、長期間安定した運転が行えるものである。
【0063】
本発明により、ホットスポットの発生を有効に防止でき、かつ、反応管の閉塞もなく、触媒の寿命も長い、長期間安定した運転が可能な気相接触酸化方法を提供することができた。
【0064】
【発明の効果】
本発明により、複数の反応管を有し、熱媒体の流路を変えるための邪魔板を有する固定床式多管熱交換型反応器を用い、反応管外部に熱媒体を循環させ、触媒を充填した反応管内部に反応原料ガスを供給することにより、反応生成ガスを得る気相接触酸化方法において、ホットスポットの発生を有効に防止でき、かつ、反応管の閉塞もなく、反応生成ガスの収率も高く、触媒の寿命も長い、長期間安定した運転が可能な気相接触酸化方法を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明で使用する固定床式多管熱交換型反応器の1態様図
【図2】 本発明で使用する固定床式多管熱交換型反応器の1態様図
【図3】 本発明で使用する固定床式多管熱交換型反応器の1態様図
【図4】 本発明で使用する固定床式多管熱交換型反応器の1態様図
【図5】 本発明で使用する固定床式多管熱交換型反応器において、邪魔板と反応管との接続部位における状態を説明するための図
【図6】 本発明で使用する固定床式多管熱交換型反応器において、邪魔板と反応管との接続部位における状態を説明するための図
【図7】 本発明の実施例1を説明するための概略図
【符号の説明】
1 反応器
2 反応原料ガス導入口(又は反応生成ガス排出口)
3 反応生成ガス排出口(又は反応原料ガス導入口)
4、15 反応管
5 上部管板
6 下部管板
7、8、9、16 邪魔板
10 熱媒体出口ノズル
11 熱媒体入口ノズル
12 ポンプ
13 反応温度調節用熱媒体入口ライン
14 熱媒体オーバーフローライン
17、18 熱媒体の流れを示す矢印

Claims (4)

  1. 複数の反応管と、反応管外部に流れる熱媒体の流路を変えるために接続部位を介して反応管に接続される邪魔板とを有する固定床式多管熱交換型反応器を用い、反応管外部に熱媒体を循環させ、触媒を充填した反応管内部に反応原料ガスを供給することにより、反応生成ガスを得る気相接触酸化方法において、反応管内の触媒層ピーク温度部位が、邪魔板と反応管との接続部位に位置しないよう、反応管における触媒の充填仕様を設定する気相接触酸化方法であって、
    一つの反応管において触媒の充填仕様の異なる層を二層以上設けて二以上の反応帯域を形成し、形成された反応帯域の長さの調整によって反応管における触媒層ピーク温度部位の位置を反応管に沿った方向において調整することを特徴とする、気相接触酸化方法。
  2. 前記熱媒体が、反応管から発生する反応熱を吸収するためのものである、請求項1に記載の気相接触酸化方法。
  3. 前記触媒の充填仕様を決める項目として、触媒の種類、触媒の量、触媒の形状、の各項目が挙げられることを特徴とする、請求項1又は2に記載の気相接触酸化方法。
  4. 前記気相接触酸化方法により、プロパン、プロピレン又はイソブチレンを分子状酸素で酸化して、アクリル酸又はメタアクリル酸を製造することを特徴とする、請求項1〜の何れか一項に記載の気相接触酸化方法。
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