不均一触媒反応器

不均一触媒反応器は、触媒の有効性要因と熱および質量移動の影響に重点を置いています。不均一触媒反応器は、化学工学業界で 最も一般的に使用されている化学反応器の 1 つです。

不均一触媒反応器は、通常、触媒粒子の相対運動によって分類されます。

固定床反応器は、触媒ペレットが充填された円筒形の管で、反応物が床を流れ、生成物に変換されます。触媒は、1つの大きな床、複数の水平床、複数の平行充填管、独自のシェル内の複数の床など、複数の構成を持つことができます。システム内の温度制御を維持する必要性に応じて、さまざまな構成を適応させることができます。2つの反応器を直列に接続し、各段階の間に酸化剤を投与するオプションを使用すると、最適な条件下で酸化触媒の生成物収率を高めることができます。^[1]段階間で中間体または生成物を投与することで、反応経路に関する貴重な情報が得られます。

触媒ペレットは、球形、円筒形、またはランダムな形状のペレットです。直径は 0.25 cm ～ 1.0 cm です。固定床反応器の流れは通常、下向きです。充填床反応器。

トリクルベッド反応器は、液体が粒子間の空間を埋めずに流れる固定床です。固定床反応器と同様に、液体は通常下向きに流れます。同時に、ガスは上向きに流れます。トリクルベッド反応器の主な用途は、水素化処理反応（重質原油の水素化脱硫および水素化脱金属、 ^[2]コールタールの水素化脱アスファルテン^[3]）です。この反応器は、沸点が非常に高い原料を処理するためによく使用されます。

移動床反応器には、充填床を通り抜ける流体相があります。固体は反応器の上部に供給され、下に移動します。下部で除去されます。移動床反応器では、固体を厳密に制御するために特別な制御バルブが必要です。このため、移動床反応器は上記の 2 つの反応器ほど頻繁には使用されません。移動床反応器は、固体含有量が 10% 未満の場合に最も適しており、通常、固体 (主に触媒) がミクロン単位のサイズであるため表面積が大きい場合に使用されます。

回転床反応器 (RBR) は、中央に穴の開いたバスケット内に充填床を固定します。バスケットが流体相に浸された状態で回転すると、回転運動によって生じる慣性力によって流体が外側に押し出され、回転する充填床を通る循環流が生成されます。回転床反応器は比較的新しい発明で、質量移動率が高く、流体の混合が良好です。RBR タイプの反応器は、高価値のバイオ触媒反応に頻繁に適用されており、固定化酵素の再利用が容易で、固相触媒の機械的損傷を防止できます^{[4] 。 [5]} RBR 構造は、数百立方メートル規模の液体廃棄物を浄化するために、原子力産業でも登場しています。^[6]

流動床反応器は、反応させる流体の上向きの動きによって触媒の小さな粒子を浮遊させます。流体は通常、粒子を反応器から運び出さずに混合できるほどの流量のガスです。粒子は上記の反応器の粒子よりもはるかに小さく、通常は 10 ～ 300 ミクロンの規模です。流動床反応器を使用する主な利点の 1 つは、反応器内の温度を非常に均一にできることです。流動床反応器は、固体が作動流体によって流動化され、固体に機械的な影響がないため、固体にドープされたバイオ触媒または酵素に最適です。

スラリー反応器には、粉末または顆粒状の触媒が含まれています。^[7]この反応器は通常、一方の反応物がガスでもう一方が液体で、触媒が固体である場合に使用されます。反応ガスは液体に通されて溶解します。次に、触媒表面に拡散します。スラリー反応器では非常に細かい粒子を使用できるため、液体から触媒が分離するという問題が発生する可能性があります。トリクルベッド反応器にはこの問題がなく、これがトリクルベッド反応器の大きな利点です。残念ながら、トリクルベッド内のこれらの大きな粒子は、反応速度が大幅に低下することを意味します。全体的に、トリクルベッドはより単純で、スラリー反応器は通常、反応速度が高く、流動床は中間のようなものです。

• ヒル、チャールズ G. 化学工学反応速度論と反応器設計入門。ニューヨーク: ワイリー、1977 年。
• H. Mallin、J. Muschiol、E. Byström、UT Bornscheuer、ChemCatChem、5 (2013) 3529-3532
• SpinChem回転床反応器技術