特許 5906311 ＮＨ３酸化器のガス分配器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5906311

(24)【登録日】2016年3月25日

(45)【発行日】2016年4月20日

(54)【発明の名称】ＮＨ３酸化器のガス分配器

(51)【国際特許分類】

   C01B 21/50 20060101AFI20160407BHJP

   B01J 35/02 20060101ALI20160407BHJP

   B01J 23/75 20060101ALI20160407BHJP

   B01J 8/02 20060101ALI20160407BHJP

【ＦＩ】

   C01B21/50 A

   B01J35/02 301Z

   B01J23/75 M

   B01J8/02 E

【請求項の数】3

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2014-517044(P2014-517044)

(86)(22)【出願日】2012年6月18日

(65)【公表番号】特表2014-531378(P2014-531378A)

(43)【公表日】2014年11月27日

(86)【国際出願番号】US2012042870

(87)【国際公開番号】WO2012177532

(87)【国際公開日】20121227

【審査請求日】2015年5月15日

(31)【優先権主張番号】13/164,194

(32)【優先日】2011年6月20日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】500575824

【氏名又は名称】ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100140109

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 新次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100075270

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 泰

(74)【代理人】

【識別番号】100101373

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 茂雄

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(72)【発明者】

【氏名】グオ，ジーン

(72)【発明者】

【氏名】ウォーレン，マシュー

【審査官】 田澤 俊樹

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第３４６２２４３（ＵＳ，Ａ）

【文献】 実開昭５１−００９０３８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０２９７４１７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 実開昭５３−０８３５３１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０００−００５５９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０１Ｂ ２１／００−２１／５０

Ｂ０１Ｊ ８／００−８／４６

２１／００−３８／７４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内壁を有する容器と、
前記容器内に収容された触媒層と、
前記容器内のガス入口と、
前記ガス入口内に設置されたガス分配器であって、厚さおよび中心点を有する円形のガス拡散板と、一連の同心状のリングとして構成された複数の孔とを備え、各リングが前記ガス拡散板の前記中心点に中心を有する、ガス分配器とを備え、
前記ガス拡散板は、各々が異なる複数の孔からなる、少なくとも内側のリング、中間のリング、外側のリングを有し、
前記内側のリングの孔は、第１の配向角を有し、前記中間のリングと前記外側のリングの少なくとも一方の孔は、前記第１の配向角より大きな第２の配向角を有する、
アンモニア酸化器。

【請求項2】

前記ガス分配器より下の所定の位置で前記容器の前記内壁に取り付けられた分配リングをさらに備え、前記分配リングが幅を有する、請求項１に記載のアンモニア酸化器。

【請求項3】

前記ガス分配器が、
ガス分配器側壁をさらに備え、前記ガス分配器側壁が、前記ガス分配器側壁の下端部で前記ガス拡散板に接続され、前記ガス分配器側壁の上端部で前記容器の前記ガス入口に接続される、請求項１に記載のアンモニア酸化器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

[0001]本技術は、アンモニア（ＮＨ_３）酸化器に関し、詳細には、アンモニア（ＮＨ_３）酸化器向けのガス分配器に関する。

【背景技術】

【0002】

[0002]カプロラクタムの生成には、硫酸ヒドロキシルアミンを使用することができる。カプロラクタムとは、式（ＣＨ_２）_５Ｃ（Ｏ）ＮＨを有する有機化合物であり、ナイロン６を作る際の原材料として広く使用されている。硫酸ヒドロキシルアミンの生成は、たとえば炭酸アンモニウムの生成、亜硝酸アンモニウムの生成、水酸化アンモニウムの生成、ヒドロキシルアミンジスルホン酸塩の生成、および加水分解という動作からなる複数の平行する工程で実施することができる。

【0003】

[0003]亜硝酸アンモニウムの生成プロセスは、空気の存在下でアンモニアを焼損または酸化させることから始まる一連のステップを含むことができる。アンモニアの酸化は、アンモニア（ＮＨ_３）酸化器と呼ばれる容器内に収容されているコバルト触媒層で行うことができる。この触媒層は、アンモニア酸化反応の動力学のために浅くなり、わずか数インチ（１インチ＝２．５４ｃｍ）の深さを有する傾向がある。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

[0004]本技術は、アンモニア（ＮＨ_３）酸化器向けのガス分配器に関する。
[0005]一態様では、内壁を有する容器と、容器内に収容された触媒層と、容器内のガス入口と、ガス入口内に設置されたガス分配器とを含むアンモニア酸化器が提供される。アンモニア酸化器はまた、ガス分配器より下の所定の位置で容器の内壁に取り付けられた分配リングを含むことができ、分配リングは幅を有する。

【0005】

[0006]別の態様では、内壁およびガス入口を有する容器と、容器内に収容された触媒層と、容器内のガス入口と、ガス入口内に設置されたガス分配器と、ガス分配器より下の所定の位置で容器の内壁に取り付けられた分配リングとを含むアンモニア酸化器が提供され、分配リングは幅を有する。ガス分配器は、厚さおよび中心点を有する円形のガス拡散板と、一連の同心状のリングとして構成された複数の孔とを備えることができ、各リングは、ガス拡散板の中心点に中心を有する。

【0006】

[0007]さらなる態様では、内壁およびガス入口を有する容器と、容器内に収容された触媒層と、容器内のガス入口と、ガス入口内に設置されたガス分配器とを含むアンモニア酸化器が提供される。ガス分配器は、厚さおよび中心点を有する円形のガス拡散板と、一連の同心状のリングとして構成された複数の孔であって、各リングがガス拡散板の中心点に中心を有する、複数の孔と、ガス分配器側壁とを含むことができ、ガス分配器側壁は、ガス分配器側壁の下端部でガス拡散板に接続され、ガス分配器側壁の上端部で容器のガス入口に接続される。

【0007】

[0008]例示および説明の目的で特有の例を選択し、本明細書の一部を形成する添付の図面に示す。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】[0009]概ね円筒形の容器を有するアンモニア酸化器の一例の横断面図である。

【図2】[0010]本技術のガス分配器の一例の上面図である。

【図3】[0011]本技術のガス分配器の第２の例の横断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

[0012]図１は、硫酸ヒドロキシルアミンの生成プロセスで使用できるアンモニア（ＮＨ_３）酸化器１００を示す。アンモニア酸化器１００は、容器１０２と、容器１０２内に収容された触媒層１０４とを含む。触媒層１０４内に収容される触媒はコバルト触媒とすることができ、触媒層１０４は浅くすることができる。たとえば、コバルト触媒層１０４は直径１２２を有することができ、直径１２２は、容器１０２の直径１２４より小さくすることができる。触媒層が約２．７４３ｍ（９フィート）の直径を有する例では、触媒層１０４は、約７．６２ｃｍ（３インチ）〜約１２．７ｃｍ（５インチ）の深さを有することができる。そのような例では、容器の直径１２４を約３０４．８ｃｍ（１２０インチ）とすることができる。

【0010】

[0013]アンモニアの酸化は、アンモニアガス供給流１０６を提供することを含むことができ、静的混合器などの混合器１２６内でアンモニアガス供給流１０６と空気供給流１０８を組み合わせて、混合ガス供給流１１０を形成することができる。アンモニアガス供給流１０６内のアンモニアと空気供給流１０８を任意の適した比で組み合わせて、たとえばアンモニア対空気のモル比を約１０％などにして、混合ガス供給流１１０を形成することができる。混合ガス供給流１１０は、アンモニア酸化器１００の容器１０２内のガス入口１１４内に設置されたガス分配器１１２を通って、アンモニア酸化器１００内へ導入することができる。

【0011】

[0014]流量が大きくなると、混合ガス供給流１１０は、触媒層１０４内の触媒を移動させる傾向があり、その結果、無めっきが生じ、未反応のアンモニアが触媒層１０４を通過することが可能になる。コバルト触媒層１０４全体にわたって混合ガス供給流１１０を効率的に分配することで、触媒層１０４内の触媒の移動を低減させることができる。たとえば、アンモニアの酸化プロセスにおける現在の触媒変換は約９６％〜約９８％とすることができ、単一のアンモニア酸化器に対する平均アンモニア消費は約２０４１ｋｇ（４，５００ｌｂｓ）／時である。コバルト触媒層１０４全体にわたって混合ガス供給流１１０の分配を改善する結果、触媒変換を改善することができる。触媒変換が１％改善される結果、アンモニア消費は２０．４１ｋｇ（４５ｌｂｓ）／時減少するはずである。

【0012】

[0015]図１に示す例では、アンモニア酸化器１００はまた、分配リング１１６を含む。ただし、アンモニア酸化器１００内に分配リング１１６を含むことは、少なくともいくつかの例における任意選択であることを理解されたい。分配リング１１６は、容器１０２の壁からのガス流の向きを再び触媒層１０４の方へ変えることによって、混合ガス供給流１１０の分配を変えることができる。図１に示すように、容器１０２の内壁１２６に分配リング１１６を取り付けることができ、分配リング１１６は、容器１０２の内壁１２６の周りを円周方向に延びることができる。分配リング１１６は、内壁１２６から容器１０２の内部の方へ延びる幅１１８を有しており、ガス分配器１１２より下に所定の距離１２０を隔てて位置することができる。容器が約３．０４８ｍ（１０フィート）などの最大約４．５７２ｍ（１５フィート）の直径を有するいくつかの例では、分配リング１１６は、約２．５４ｃｍ（１インチ）〜約１０．１６ｃｍ（４インチ）または約３．８１ｃｍ（１．５インチ）〜約７．６２ｃｍ（３インチ）を含む最大約１２．７ｃｍ（５インチ）の幅を有することができる。そのような例では、ガス分配器１１２より下で分配リング１１６が位置するところまでの所定の距離１２０は、約７６．２ｃｍ（３０インチ）〜約１２７ｃｍ（５０インチ）または約１０６．７ｃｍ（４２インチ）〜約１１９．４ｃｍ（４７インチ）とすることができる。

【0013】

[0016]ガス分配器１１２は、円形のガス拡散板を備えることができ、または円形のガス拡散板からなることができる。円形のガス拡散板の一例を図２に示す。図２はガス拡散板２００の上面図であり、一連の同心状のリング２１２、２１４、２１６、２１８、および２２０として構成された複数の孔２０２、２０４、２０６、２０８、および２１０を示し、各リングの中心はガス拡散板２００の中心点２２２である。１つの四分円に対する孔２０２、２０４、２０６、２０８、および２１０の構成のみを示すが、これらの孔の構成は、水平基準線Ａと垂直基準線Ｂの両方に対して対称とすることができる。したがって、図２に示す例では、ガス拡散板２００は、８つの孔２０２を有する第１のリング２１２と、８つの孔２０４を有する第２のリング２１４と、８つの孔２０６を有する第３のリング２１６と、１６個の孔２０８を有する第４のリング２１８と、２４個の孔２１０を有する第５のリング２２０とを含む。所与のリング上のそれぞれの孔と孔の間の角度は、リングの３６０°をリング内の孔の数で割ることによって判定することができる。

【0014】

[0017]図１〜３を参照すると、混合ガス供給流１１０は容器１０２の内部へ入り、触媒層１０４全体にわたってガス拡散板２００の孔２０２、２０４、２０６、２０８、および２１０を通って進む。図２および図３に示すように、孔２１８、２２０、２２２、２２４、および２２６は、ガス拡散板２００を通って延びており、容器内で混合ガス供給流１１０の所望の分配を提供するように構成された一連のリングなどのパターンで構成することができる。

【0015】

[0018]孔２０２、２０４、２０６、２０８、および２１０の構成を、ガス拡散板２００の孔スケジュールと呼ぶことができる。たとえば、図２および図３に示す例のガス拡散板２００はそれぞれ、下の表１に記載の孔スケジュールを有する。

【0016】

【表1】

【0017】

[0019]これらの孔は、任意の適した直径を有することができ、任意の１つの孔の直径は、任意の他の孔の直径と同じであっても異なってもよいが、これらの孔はすべて同じ直径を有することが好ましい。

【0018】

[0020]また、孔２０２、２０４、２０６、２０８、および２１０はそれぞれ、図３に示すように、垂直中心線Ｃに対して配向角を有することができ、配向角は、容器内で混合ガス供給流１１０の所望の分配を提供するように選択することができる。本明細書における「垂直」という用語の使用は、図示の構成要素の向きを参照するために例示のみを目的とするものであり、実際にはこれらの構成要素を異なる向きにすることもできることに留意されたい。

【0019】

[0021]一例では、孔２０２、２０４、２０６、２０８、および２１０のそれぞれの配向角は、垂直中心線Ｃに対して約０°であり、これは、すべての孔がガス拡散板２００内で垂直方向を有することを意味する。別の例では、図３に示すように、第１のリングの孔２０２は第１の配向角Ｄを有することができ、第２のリングの孔２０４は第２の配向角Ｅを有することができ、第３のリングの孔２０６は第３の配向角Ｆを有することができ、第４のリングの孔２０８は第４の配向角Ｇを有することができ、第５のリングの孔２１０は第５の配向角Ｈを有することができる。配向角Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、およびＨは、同じであっても異なってもよい。一例では、配向角Ｄを約０°とすることができ、配向角Ｅを約３５°とすることができ、配向角Ｆを約３０°とすることができ、配向角Ｇを約３０°とすることができ、配向角Ｈを約４５°とすることができる。

【0020】

[0022]いくつかの例では、本技術のガス分配器は、ガス拡散板２００に加えて側壁を含むことができる。図３は、ガス分配器３００の１つのそのような例を示し、ガス分配器３００は、円形のガス拡散板２００および側壁３０２を含む。図３に示すガス拡散板２００は、厚さ３０４および直径３０６を有する。ガス分配器３００はまた、ガス分配器側壁３０８を含み、ガス分配器側壁３０８は、ガス分配器側壁３０８の下端部３１０でガス拡散板２００に接続される。ガス分配器側壁３０８の上端部３１２は、アンモニア酸化器１００の容器１０２内のガス入口１１４に取り付けることができる。図示の例では、ガス分配器側壁３０８は切頭円錐として成形されており、下端部３１０の直径はガス拡散板２００の直径３０６に等しく、上端部３１２の上部直径３１４は下端部３１０の直径より小さい。ガス分配器３００はまた、高さ３１６を有する。

【0021】

[0023]実際には、混合ガス供給流１１０は、ガス分配器側壁３０８の上端部３１２でガス分配器３００に入り、ガス拡散板２００の孔２０２、２０４、２０６、２０８、および２１０を通ってガス分配器側壁３０８の下端部３１０でガス分配器３００から出ることによって、容器１０２内へ提供される。

【実施例1】

【0022】

[0024]計算流体力学（ＣＦＤ）コンピュータモデルを使用して、図２および図３に従って設計された本技術のガス分配器の設計１を評価した。ガス分配器の高さを約３５．５６ｃｍ（１４インチ）とした。ガス分配器側壁の上部直径を約５９．０５ｃｍ（２３．２５インチ）とし、ガス分配器側壁の下部直径を約１１１．８ｃｍ（４４インチ）とした。ガス拡散板の直径も約１１１．８ｃｍ（４４インチ）とし、ガス拡散板の厚さを約４ｃｍ（１．５７５インチ）とした。ガス拡散板の孔スケジュールは、上記の表１に記載のとおりとした。ガス拡散板内の孔の配向角を、以下の表２に記載のように変動させて、角度がアンモニア酸化器の容器内の混合ガス供給流の分配に与える影響を判定した。

【0023】

【表2】

【0024】

[0025]これらの結果は、ガス拡散板内の孔の配向角が容器内で触媒層におけるガス流の分配に著しい影響を与えることを示した。触媒層全体にわたって最も効率的なガス分配を提供することに関しては、事例１３の結果が最良であった。

【実施例2】

【0025】

[0026]上記の実施例１の事例１３による配向角を有する上記の実施例１に記載した本技術の設計１のガス分配器の性能と、アンモニア酸化器のガス入口に三角形のガス拡散板を有するが側壁のない現在知られているガス分配器の性能とを比較した。三角形のガス拡散板は４５個の孔を有し、各孔の直径を約２．５４ｃｍ（１インチ）とした。

【0026】

[0027]２つの分配器の定量的な比較を以下の表３に示す。触媒層と入口全体のガスの質量パーセント、局部重点平均ガス速度、および速度の大きさの標準偏差を並列に示す。

【0027】

【表3】

【0028】

[0028]動作圧力が約８２７４０ＰａＧ（１２ｐｓｉｇ）である場合の設計１および三角形板のガス拡散器の圧力降下も判定し、以下の表４に記載した。設計１のガス分配器に対する分配器の圧力降下は、三角形板のガス拡散器の圧力降下より大きい。いかなる特定の理論にも拘束されるものではないが、これは実施例１のガス分配器の側壁によると考えられる。しかし、約８２７４０ＰａＧ（１２ｐｓｉｇ）の動作圧力および正常なガス供給速度（４６００Ｐａ（０．６６７ｐｓｉ））における設計１のガス分配器の圧力降下は、動作圧力の５．５％にすぎず、これは著しい量と見なされるものではない。

【0029】

【表4】

【実施例3】

【0030】

[0029]アンモニア酸化器のガス入口に位置する三角形のガス拡散板を有するが側壁のない現在知られているガス分配器を有するアンモニア酸化器に関して、アンモニア酸化器の容器の内壁に分配リングを取り付ける影響を試験した。三角形のガス拡散板は４５個の孔を有し、各孔の直径を約２．５４ｃｍ（１インチ）とした。分配リングの幅を約７．６２ｃｍ（３インチ）とし、ガス分配器より下に約１１４．３ｃｍ（４５インチ）隔てて配置した。

【0031】

[0030]２つのアンモニア酸化器の定量的な比較を以下の表５に示す。局部重点平均ガス速度および速度の大きさの標準偏差を並列に示す。

【0032】

【表5】

【0033】

[0031]この定量的な比較に基づいて、分配リングを追加すると、触媒層におけるガス速度の標準偏差が２．０２から１．６３に低減した。これは、ガス分配の均一性の１９％の改善である。

【実施例4】

【0034】

[0032]計算流体力学（ＣＦＤ）コンピュータモデルを使用して、本技術のガス分配器と本技術の分配リングを組み合わせた代替設計の例を評価した。ガス分配器は、図２に従って設計した。このモデルは、直径約３０４．８ｃｍ（１２０インチ）の容器と、直径約２７４．３ｃｍ（１０８インチ）および深さ約１０．１６ｃｍ（４インチ）の触媒層とを有するアンモニア酸化器を含んだ。ガス分配器は、厚さ約０．６３５ｃｍ（０．２５インチ）の薄い円形のガス拡散板を含むが、ガス分配器側壁はなかった。円形のガス拡散板は、円形のガス拡散板の表面に対して９０°の角度で円形のガス拡散板を貫通してあけられた垂直の孔を含み、各孔は約５．０８ｃｍ（２インチ）の直径を有した。アンモニア酸化器は、各例でガス分配器より下に約１１４．３ｃｍ（４５インチ）隔てて位置する４つの異なる幅の分配リングを有するものとしてモデル化したものであり、それらの結果を表６に示す。

【0035】

【表6】

【0036】

[0033]表６の設計３〜５は、触媒層におけるガス速度の標準偏差に対して最良の結果を示し、各結果は、上記の表３の三角形板によって提示された２．０２という触媒層における標準的な速度より小さかった。実施例３は、ＨｏｐｅｗｅｌｌのＮＨ_３酸化器内の既存の三角形板からのものである。したがって、簡略化された設計＃２の新しい設計を設置することによって、ガス分配の均一性の３９％の改善が実現される。

【0037】

[0034]実施例４は、実施例１よりガス拡散器の圧力降下が小さいことを示し、これは、いかなる特定の理論にも拘束されるものではないが、分配器側壁が除去されたためであると考えられる。正常な流量では、実施例１から得られた４５９９Ｐａ（０．６６７ｐｓｉ）、すなわち動作圧力８２７４０Ｐａ（１２ｐｓｉ）の５．５％という圧力降下と比較すると、実施例４の場合の圧力降下は約１１０３Ｐａ（０．１６ｐｓｉ）、すなわち動作圧力８２７４０Ｐａ（１２ｐｓｉ）の１．３％である。

【0038】

[0035]上記から、本明細書では例示を目的として特有の例について説明したが、本開示の精神または範囲から逸脱することなく、様々な修正を加えることができることが理解される。したがって、上記の詳細な説明は、限定ではなく例示であると見なされ、あらゆる均等物を含む以下の特許請求の範囲が、請求する主題を具体的に指摘し明確に記載することが理解されるものとする。

【図1】

【図2】

【図3】