ミスト分離装置、反応システム及びε−カプロラクタムの製造方法
【課題】蒸発ガスに含まれるミストを十分に捕捉することが可能なミスト分離装置を提供する。
【解決手段】本発明のミスト分離装置は、複数のチューブと、複数のチューブを収容するシェルと、シェルの内壁に設けられ、複数のチューブの外周面に向けて原料ガスを流入させる流入部と、シェルの内壁に設けられ、複数のチューブの延在方向において流入部と離れた位置に、流入部から流入された原料ガスを流出させる流出部と、を含む。
【解決手段】本発明のミスト分離装置は、複数のチューブと、複数のチューブを収容するシェルと、シェルの内壁に設けられ、複数のチューブの外周面に向けて原料ガスを流入させる流入部と、シェルの内壁に設けられ、複数のチューブの延在方向において流入部と離れた位置に、流入部から流入された原料ガスを流出させる流出部と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミスト分離装置、反応システム及びε−カプロラクタムの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
原料を蒸発させる蒸発装置と、蒸発された原料の蒸発ガスを加熱する加熱装置と、加熱された蒸発ガスを触媒の存在下で化学反応させる反応装置と、を有する反応システムが知られている。この反応システムでは、蒸発装置により原料を蒸発させる際に、高沸点の不純物等を含むミストが生成されることがある。このミストは、ある温度以上で加熱されるとタール化する。そのため、蒸発装置により生成された蒸発ガスが加熱装置に導入された場合、タールが加熱装置の細管や配管等を閉塞させるといった問題がある。
【０００３】
例えば特許文献１では、蒸発装置と加熱装置との間に、ミスト分離装置が設けられている。このミスト分離装置は、複数の鎖が容器上部から所定の間隔で吊り下げられて構成されている。このような複数の鎖が蒸発ガスの流れ方向と交差して配置されることにより、蒸発ガスに含まれるミストが捕捉されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２９７８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のミスト分離装置では、複数の鎖の隙間からミストを含む蒸発ガスがすり抜けることがある。複数の鎖の隙間をすり抜けた蒸発ガスは、ミストを含んだ状態で加熱装置に導入されてしまう。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、蒸発ガスに含まれるミストを十分に捕捉することが可能なミスト分離装置及び反応システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明のミスト分離装置は、複数のチューブと、前記複数のチューブを収容するシェルと、前記シェルの内壁に設けられ、前記複数のチューブの外周面に向けて原料ガスを流入させる流入部と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明において、前記複数のチューブ内には、加熱媒体が流れており、前記外周面で捕捉された前記原料ガスに含まれるミストの一部が前記加熱媒体による加熱により気化されるように構成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明において、前記シェルの内壁には、前記複数のチューブの延在方向において前記流入部と離れた位置に、前記流入部から流入された原料ガスを流出させる流出部が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
本発明において、前記複数のチューブのうち最も前記流入部に近い位置に配置されたチューブの外周面と前記流入部との間の距離は、前記複数のチューブのうち最も前記流出部に近い位置に配置されたチューブの外周面と前記流出部との間の距離よりも大きいことを特徴とする。
【００１１】
本発明において、前記複数のチューブは、互いに間隔を空けて平行に配置されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明において、前記複数のチューブを当該複数のチューブの延在方向と直交する平面で切断したときの断面形状は、概ね円形であることを特徴とする。
【００１３】
本発明において、前記複数のチューブは、少なくとも一部が屈曲していることを特徴とする。
【００１４】
本発明において、前記複数のチューブは、当該複数のチューブの延在方向に摺動可能になっていることを特徴とする。
【００１５】
本発明において、前記原料ガスはシクロヘキサノンオキシムの蒸発ガスを含むことを特徴とする。
【００１６】
本発明の反応システムは、原料を蒸発させる蒸発装置と、前記蒸発装置により蒸発された原料の蒸発ガスに含まれるミストを分離する前記ミスト分離装置と、前記ミスト分離装置によりミストが分離された原料の蒸発ガスを触媒の存在下で化学反応させる反応装置と、を含むことを特徴とする。
【００１７】
すなわち、本発明は以下に関する。
【００１８】
（１）複数のチューブと、前記複数のチューブを収容するシェルと、前記シェルの内壁に設けられ、前記複数のチューブの外周面に向けて原料ガスを流入させる流入部と、前記シェルの内壁に設けられ、前記複数のチューブの延在方向において前記流入部と離れた位置に、前記流入部から流入された原料ガスを流出させる流出部と、を含む、ミスト分離装置。
【００１９】
（２）前記複数のチューブは、その内部に前記加熱媒体を流すことができ、前記複数のチューブの外周面で捕捉された前記原料ガスに含まれるミストの一部を気化させることができるように構成されている、（１）に記載のミスト分離装置。
【００２０】
（３）前記複数のチューブのうち最も前記流入部に近い位置に配置されたチューブの外周面と前記流入部は、前記複数のチューブのうち最も前記流入部に近い位置に配置されたチューブの外周面と前記流入部との間の距離が、前記複数のチューブのうち最も前記流出部に近い位置に配置されたチューブの外周面と前記流出部との間の距離よりも大きくなるように設定されている、（１）又は（２）に記載のミスト分離装置。
【００２１】
（４）前記複数のチューブは、互いに間隔を空けて平行に配置されている、（１）〜（３）のいずれか１つに記載のミスト分離装置。
【００２２】
（５）前記複数のチューブを当該複数のチューブの延在方向と直交する平面で切断したときの各チューブの断面形状は、概ね円形である、（１）〜（４）のいずれか１つの態様に記載のミスト分離装置。
【００２３】
（６）前記複数のチューブは、少なくとも一部が屈曲している、（１）〜（５）のいずれか１つに記載のミスト分離装置。
【００２４】
（７）前記複数のチューブの一端部が、管板によって保持されている、（１）〜（６）のいずれか１つに記載のミスト分離装置。
【００２５】
（８）前記複数のチューブは、当該複数のチューブの延在方向に摺動可能になっている、（１）〜（７）のいずれか１つに記載のミスト分離装置。
【００２６】
（９）前記原料ガスはシクロヘキサノンオキシムの蒸発ガスを含む、（１）〜（８）のいずれか１つの態様に記載のミスト分離装置。
【００２７】
（１０）原料を蒸発させる蒸発装置と、前記蒸発装置により蒸発された原料の蒸発ガスに含まれるミストを分離する（１）〜（９）のいずれか１つに記載のミスト分離装置と、所定の温度まで蒸発ガスを加熱する加熱装置と、前記ミスト分離装置によりミストが分離された原料の蒸発ガスを触媒の存在下で化学反応させる反応装置とを含む反応システム。
【００２８】
（１１）シクロヘキサノンオキシムを蒸発させる蒸発工程と、得られた蒸発ガス中のミストをミスト分離装置により分離する分離工程と、前記ミストを分離したシクロヘキサノンオキシムの蒸発ガスを所定の温度まで加熱する加熱工程と、前記加熱したシクロヘキサノンオキシムの蒸発ガスを触媒の存在下で、気相ベックマン転位反応によりε−カプロラクタムを得る工程とを含み、前記ミスト分離装置が（１）〜（９）のいずれか１つに記載のミスト分離装置である、ε−カプロラクタムの製造方法。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、蒸発ガスに含まれるミストを十分に捕捉することが可能なミスト分離装置、反応システム及びε−カプロラクタムの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に係る反応システムを示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るミスト分離装置の平断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るミスト捕捉部の側断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るミスト分離装置における蒸発ガスの流れを示す説明図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るミスト分離装置における蒸発ガスの流れを示す説明図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るミスト分離装置における蒸発ガスの流れを示す説明図である。
【図７】チューブの変形例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。また、以下の説明及び図面中、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３２】
図１は、本発明の一実施形態の反応システムを示す模式図である。
図１に示すように、反応システム１は、蒸発装置２と、ポンプ３と、第１ミスト分離装置４と、第２ミスト分離装置５と、加熱装置６と、反応装置７と、各種配管１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８と、を含んで構成されている。
【００３３】
反応システム１は、原料であるシクロヘキサノンオキシムを蒸発装置２において蒸発させ、得られた蒸発ガスの中の不純物を含むミストを第１ミスト分離装置４及び第２ミスト分離装置５により分離し、ミストが除去されたシクロヘキサノンオキシムの蒸発ガスを加熱装置６により所定の温度まで加熱した後、加熱されたシクロヘキサノンオキシムの蒸発ガスを反応装置７に送り、固体触媒の存在下でシクロヘキサノンオキシムをベックマン転位反応させてε―カプロラクタムを生成するものである。
【００３４】
蒸発装置２には、第１原料供給配管１０と第２原料供給配管１１とが接続されている。ε−カプロラクタムを製造する際の出発原料はシクロヘキサノンオキシムである。本実施形態では、原料として当該シクロヘキサノンオキシムと当該シクロヘキサノンオキシムを希釈する溶剤との混合液を用いる。当該混合液は、第１原料供給配管１０及び第２原料供給配管１１の双方の配管を経て蒸発装置２に供給される。なお、第１原料供給配管１０及び第２原料供給配管１１を介して前記混合液を蒸発装置２に移送する際には、メタノール等の低級アルコールを窒素ガス等の不活性ガスとともに導入することが好ましい。
【００３５】
前記混合液を蒸発させる際の圧力は１３３ｋＰａ以下の範囲であることが好ましい。また、前記混合液を蒸発させる際の温度は１３０℃以上かつ１７０℃以下の範囲であることが好ましい。蒸発装置２により得られた蒸発ガスは、蒸発ガス供給配管１４を経て第１ミスト分離装置４に供給される。
【００３６】
一方、蒸発装置２内で蒸発せずに蒸発装置２の底に溜まる未蒸発液もある。当該未蒸発液は、蒸発装置２から排出配管１２を経てポンプ３に供給される。当該未蒸発液は、ポンプ３により循環配管１３を通って第１原料供給配管１０を経て再び蒸発装置２内に供給される。
【００３７】
蒸発ガス供給配管１４を経て第１ミスト分離装置４に供給された蒸発ガスは、第１ミスト分離装置４によりミストが分離される。第１ミスト分離装置４においては、ある程度の量のミストが捕捉されるような粗い分離（プレ分離）が行われる。
【００３８】
第１ミスト分離装置４としては、例えば特許文献１に示すミスト分離装置（複数の鎖が容器上部から所定の間隔で吊り下げられて形成されたミスト捕集用スクリーンを備えたもの）を用いることができる。
【００３９】
第１ミスト分離装置４によりプレ分離された蒸発ガスは、プレ分離ガス供給配管１５を経て本発明に係る第２ミスト分離装置５に供給される。
【００４０】
プレ分離ガス供給配管１５を経て供給された蒸発ガスは、第２ミスト分離装置５によりミストが分離される。第２ミスト分離装置５は、第１ミスト分離装置４においてある程度の量のミストが捕捉された蒸発ガスに含まれる残りのミストを捕捉するものである。第２ミスト分離装置５においては、加熱装置６においてミストがタール化して細管や配管等が閉塞されない程度に十分にミストが捕捉されるような分離（本分離）が行われる。
【００４１】
図２は、第２ミスト分離装置５を示す模式図である。図２（ａ）は第２ミスト分離装置５の平断面図であり、図２（ｂ）は第２ミスト分離装置５の側断面図である。
【００４２】
図２（ａ）に示すように、第２ミスト分離装置５は、ミスト捕捉部５３と、ミスト捕捉部５３を収容するシェル５０と、ミスト捕捉部５３に向けて蒸発ガスを流入させる流入部５１と、流入部５１から流入された蒸発ガスを流出させる流出部５２と、を含んで構成されている。流入部５１及び流出部５２は、それぞれシェル５０の内壁に設けられている。なお、シェル５０は、ジャケット型式として加熱媒体を流してもよい。
【００４３】
ミスト捕捉部５３は、複数のチューブ５３０と管板５３２とを有している。ミスト捕捉部５３は、複数のチューブ５３０が略円柱形状に束ねられて形成されている。本実施形態において、ミスト捕捉部５３は、いわゆるチューブバンドルである。
【００４４】
複数のチューブ５３０は、図２（ａ）に示すように、管板５３２と反対側の部分が屈曲している。本実施形態において、複数のチューブ５３０はＵ字管型である。
【００４５】
複数のチューブ５３０内には加熱媒体を流すことができる。加熱媒体としては、複数のチューブ５３０の外周面の温度を蒸発ガスに含まれるミストの沸点よりも高い温度にすることが可能な媒体（例えばミストの沸点よりも高温の蒸気）を用いることができる。複数のチューブ５３０内に加熱媒体を流すことにより、複数のチューブ５３０の外周面で捕捉されたミストの一部は、当該加熱媒体による加熱により気化される。
【００４６】
流入部５１と流出部５２とは、複数のチューブ５３０の延在方向において互いに離れた位置に配置されている。流入部５１は管板５３２の側に配置されており、流出部５２は複数のチューブ５３０の管板５３２と反対側に配置されている。なお、流入部５１と流出部５２の配置位置はこれに限らない。例えば、前記配置位置とは反対に、流入部５１が複数のチューブ５３０の管板５３２と反対側に配置されており、流出部５２が管板５３２の側に配置されていてもよい。
【００４７】
図２（ａ）において、符号Ｌ１は複数のチューブ５３０のうち最も流入部５１に近い位置に配置されたチューブ５３０の外周面と流入部５１との間の距離である。符号Ｌ２は複数のチューブ５３０のうち最も流出部５２に近い位置に配置されたチューブ５３０の外周面と流出部５２との間の距離である。図２（ａ）に示すように、第２ミスト分離装置５において、複数のチューブ５３０のうち最も流入部５１に近い位置に配置されたチューブ５３０の外周面と流入部５１との間の距離Ｌ１は、最も流出部５２に近い位置に配置されたチューブ５３０の外周面と流出部５２との間の距離Ｌ２よりも大きくなっている。
【００４８】
複数のチューブ５３０のうち最も流入部５１に近い位置に配置されたチューブ５３０の外周面と流入部５１とは、複数のチューブ５３０のうち最も流入部５１に近い位置に配置されたチューブ５３０の外周面と流入部５１との間の距離Ｌ１が、少なくとも２００ｍｍ確保されるように配置されている。また、チューブ５３０の外周面と流入部５１とは、チューブ５３０の外周面と流入部５１との間の隙間部分を流れる蒸発ガスの流速が、流入部５１の内部を流れる蒸発ガスの流速よりも小さくなるように構成されている。
【００４９】
図２（ｂ）に示すように、ミスト捕捉部５３はシェル５０内において流出部５２寄りに偏心している。図２（ｂ）において、符号Ｌ３は、円柱形状のミスト捕捉部５３の中心軸と円筒形状のシェル５０の中心軸との間の距離である。ミスト捕捉部５３の偏心率は１０％〜３０％である。
【００５０】
図３は、ミスト捕捉部５３を示す模式図である。図３（ａ）はミスト捕捉部５３の側面図であり、図３（ｂ）はミスト捕捉部５３の平面図である。
【００５１】
図３（ａ）に示すように、ミスト捕捉部５３は、複数のチューブ５３０と、複数のチューブ５３０の長手方向に間隔を空けて配置された複数のバッフル５３１と、複数のチューブ５３０の端部を保持する管板５３２と、を備えて構成されている。
【００５２】
複数のチューブ５３０は、互いに間隔を空けて平行に配置されている。複数のバッフル５３１は、概ね半円形である。ここで、概ね半円形とは、５０％切り欠きのことであり、当該断面形状が半円形であることに限らず、半楕円形であることも含む。また、バッフルの断面形状はドーナツ型（中は空洞で外周のみに形状を有する構造）でもよい。（図３（ａ）に示すように、複数のバッフル５３１は、シェル５０内を流れる蒸発ガスの流速を阻害しないように上下交互に所定の間隔を空けて配置されている。
【００５３】
図３（ｂ）に示すように、管板５３２には複数のチューブ５３０を挿通可能な複数のチューブ用孔５３２ａが形成されている。複数のチューブ５３０の端部は、管板５３２に形成された複数のチューブ用孔５３２ａによって支持されている。
【００５４】
複数のチューブ用孔５３２ａの間隔は、チューブ５３０の直径の１．５倍〜２．０倍の大きさとなっている。複数のチューブ用孔５３２ａは、当該複数のチューブ用孔５３２ａのうちの１つのチューブ用孔５３２ａと隣り合う２つのチューブ用孔５３２ａとのなす角θが通常６０°〜１２０°、好ましくは７０°〜１１０°、より好ましくは８０°〜１００°になるように配置されている。
【００５５】
複数のチューブ５３０を当該複数のチューブ５３０の延在方向と直交する平面で切断したときの断面形状は、概ね円形である。ここで、概ね円形とは、当該断面形状が円形であることに限らず、楕円形であることも含む。
【００５６】
図４、図５及び図６は、第２ミスト分離装置５における蒸発ガスの流れを示す説明図である。図４は図２（ａ）に対応した平断面図であり、図５は図２（ｂ）に対応した側断面図であり、図６は第２ミスト分離装置５における複数のチューブ５３０の側断面図である。
【００５７】
本実施形態の第２ミスト分離装置５は、流入部５１から流入された蒸発ガスが複数のチューブ５３０の外周面に衝突することにより、蒸発ガスに含まれるミストが当該外周面で捕捉されるように構成されている。
以下、第２ミスト分離装置５においてシェル５０の内部を蒸発ガスが流れる様子について、図４、図５及び図６を用いて一例を挙げて説明する。
【００５８】
第１ミスト分離装置４によりプレ分離された蒸発ガスは、プレ分離ガス供給配管１５（図１参照）を経て第２ミスト分離装置５に供給され得る。当該蒸発ガスは、流入部５１を介してシェル５０の内部に導入され得る。流入部５１から流入された蒸発ガスは、複数のチューブ５３０の外周面に向けて流れ得る（図４（ａ）、図５（ａ）参照）。
【００５９】
流入部５１から流入した蒸発ガスが、複数のチューブ５３０の外周面に衝突するように設定されている。これにより、蒸発ガスに含まれるミストの一部が複数のチューブ５３０の外周面で捕捉される。また、複数のチューブ５３０内には加熱媒体（高温の蒸気）を流し得る。そのため、当該外周面で捕捉されたミストの一部は、加熱媒体による加熱により気化させることができる。
【００６０】
先ず、流入部５１から流入して複数のチューブ５３０の外周面に衝突した蒸発ガスの一部は、互いに間隔を空けて配置された複数のチューブ５３０の隙間を流れて複数のチューブ５３０の外周面を伝わる（図６参照）。これにより、蒸発ガスに含まれるミストの一部が複数のチューブ５３０の外周面で捕捉される。また、当該外周面で捕捉されたミストの一部は、加熱媒体による加熱により気化される。
【００６１】
複数のチューブ５３０の外周面で捕捉されたミストが炭化し、複数のチューブ５３０の隙間が閉塞すると、流入部５１から流入して複数のチューブ５３０の外周面に衝突した蒸発ガスの一部は、複数のチューブ５３０の延在方向に沿って流れて複数のチューブ５３０の外周面を伝わるように、複数のチューブ５３０が設定されている。（図４（ｂ）参照）。これにより、蒸発ガスに含まれるミストの一部が複数のチューブ５３０の外周面で捕捉される。
【００６２】
また、流入部５１から流入して複数のチューブ５３０の外周面に衝突した蒸発ガスの一部は、略円柱形状のミスト捕捉部５３の円周方向に沿って流れて複数のチューブ５３０の外周面を伝わるように、複数のチューブ５３０が設定されている（図５（ｂ）参照）。これにより、蒸発ガスに含まれるミストの一部が複数のチューブ５３０の外周面で捕捉される。
【００６３】
複数のチューブ５３０の外周面によりミストが十分に捕捉された蒸発ガスが、流出部５２により流出されるように、複数のチューブ５３０が設定されている（図４（ｃ）、図５（ｃ）参照）。
【００６４】
図１に戻り、前記第２ミスト分離装置５でミストが十分に分離された蒸発ガスは、分離ガス供給配管１６を経て加熱装置６に供給され得る。加熱装置６は、多数の細管（直径が約２〜３ｃｍ）を備えた熱交換器である。加熱装置６は、多数の細管内に蒸発ガスを通し、細管の外面にスチーム、熱風などの熱媒体を通して熱交換を行なわせ、蒸発ガスを所定の温度まで加熱するように設定されている。この温度は２５０℃以上かつ５００℃以下の範囲内の温度である。なお、この加熱装置６は複数配設されていてもよい。
【００６５】
加熱装置６により所定の温度まで加熱されたシクロヘキサノンオキシムの蒸発ガスは加熱ガス供給配管１７を通って反応装置７に供給される。
【００６６】
反応装置７では、固体触媒と低級アルコールとの共存下でシクロヘキサノンオキシムをε−カプロラクタムに転位させるベックマン転位反応が行われる。このベックマン転位反応は、例えば流動層式の気相接触反応によって行われる。
【００６７】
固体触媒としては、例えば、ホウ酸触媒、シリカ・アルミナ触媒、リン酸触媒、複合金属酸化物触媒、ゼオライト触媒等が挙げられる。中でもゼオライト触媒が好ましく、さらに好ましくはペンタシル型ゼオライト、特に好ましくはＭＦＩゼオライトである。
【００６８】
ゼオライト触媒は、その骨格が実質的にケイ素及び酸素のみから構成される結晶性シリカであってもよいし、骨格を構成する元素としてさらに他の元素を含む結晶性メタロシリケート等であってもよい。結晶性メタロシリケート等である場合、ケイ素及び酸素以外に存在しうる元素としては、例えば、Ｂｅ、Ｂ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｂｉ等が挙げられ、これらの２種以上が含まれていてもよい。これら元素に対するケイ素の原子比は、通常５以上であり、好ましくは５０以上、さらに好ましくは５００以上である。なお、この原子比は、原子吸光法や蛍光Ｘ線法等により測定することができる。
【００６９】
ゼオライト触媒は、例えば、ケイ素化合物、４級アンモニウム化合物、水、及び必要に応じて金属化合物等を原料として水熱合成に付し、得られた結晶を乾燥、焼成した後、アンモニアやアンモニウム塩で接触処理し、次いで乾燥することにより、好適に調製することができる。
【００７０】
固体触媒の粒径は０．００１〜５ｍｍであるのが好ましく、さらに好ましくは０．０１〜３ｍｍである。また、固体触媒は、例えば、実質的に触媒成分のみからなる成形体であってもよいし、触媒成分を担体に担持したものであってもよい。
【００７１】
固体触媒を用いたシクロヘキサノンオキシムのベックマン転位反応は、気相条件下で行うことができる。反応温度は通常２５０〜５００℃、好ましくは３００〜４５０℃である。反応圧力は通常０．００５〜０．５ＭＰａ、好ましくは０．００５〜０．２ＭＰａである。また、触媒１ｋｇあたりの原料シクロヘキサノンオキシムの供給速度（ｋｇ／ｈ）、すなわち空間速度ＷＨＳＶ（ｈ−１）は、通常０．１〜２０ｈ−１、好ましくは０．２〜１０ｈ−１である。
【００７２】
シクロヘキサノンオキシムと共に水の共存も有利であり、水の量はシクロヘキサノンオキシムに対して２．５モル倍以下の量が好ましい。
【００７３】
固体触媒と低級アルコールの共存下で、気相条件下でシクロヘキサノンオキシムをベックマン転位反応させてε−カプロラクタムを生成する際に用いられる低級アルコールとしては、炭素数６以下の低級アルコールが好ましい。具体的には、例えば、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、ｓｅｃ−ブタノール、イソブタノール、ｎ−アミルアルコール、ｎ−ヘキサノール、２，２，２−トリフルオロエタノール等の１種または２種以上用いることができる。特にメタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノールを１種または２種以上用いることが、ε−カプロラクタムの選択率および触媒寿命の改良に著しい効果を示すため、より好ましい。中でもメタノールまたはエタノールを用いることで、著しい効果を示し、工業的観点から最も好ましい。
また、低級アルコールの量は、シクロヘキサノンオキシムに対して重量比で、通常０．１〜２０倍が用いられる。低級アルコールの量は、シクロヘキサノンオキシムに対して、重量比で好ましくは１０倍以下であり、さらに好ましくは０．３〜８倍である。
【００７４】
このようにして、反応装置７においてε―カプロラクタムを主成分とする反応生成物がガス状態で生成される。当該生成ガスは、生成ガス排出配管１８を経て系外に取り出される。
【００７５】
本実施形態の第２ミスト分離装置５は、流入部により、複数のチューブの外周面に向けて原料ガスが流入されるように設定されている。そのため、流入部から流入した原料ガスが外周面に衝突することにより、原料ガスに含まれるミストが外周面で捕捉される。
特許文献１に示すように、複数の鎖が容器上部から所定の間隔で吊り下げられた構成の場合、複数の鎖の隙間からミストを含む蒸発ガスがすり抜けることがある。
これに対し、本実施形態においては、複数のチューブは、複数のチューブの外周面に向けて原料ガスを衝突させる構成を採用しているので、当該外周面を蒸発ガスがすり抜けることはない。これにより、当該外周面には原料ガスに含まれるミストが付着する。よって、蒸発ガスに含まれるミストを十分に捕捉することができる。
【００７６】
また、複数のチューブ内には加熱媒体が流すことができ、複数のチューブ内に加熱媒体を流すことにより、外周面で捕捉された原料ガスに含まれるミストの一部が加熱媒体による加熱により気化される。また、外周面で捕捉されていないミストも原料ガスが加熱されることにより気化し消滅する。よって、蒸発ガスに含まれるミストを低減させることができる。
【００７７】
また、流出部が複数のチューブの延在方向において流入部と離れた位置に配置されている。そのため、流入部から流入した原料ガスが複数のチューブの延在方向に沿って流れて外周面を伝わるように、流出部が設定されている。これにより、原料ガスに含まれるミストが外周面で捕捉される。
【００７８】
また、複数のチューブ５３０のうち最も流入部５１に近い位置に配置されたチューブ５３０の外周面と流入部５１は、複数のチューブ５３０のうち最も流入部５１に近い位置に配置されたチューブ５３０の外周面と流入部５１との間の距離Ｌ１が、最も流出部５２に近い位置に配置されたチューブ５３０の外周面と流出部５２との間の距離Ｌ２よりも大きくなるように設定されている。そのため、複数のチューブ５３０のうち最も流入部５１に近い位置に配置されたチューブ５３０の外周面で十分な量のミストを捕捉することができる。また、最も流入部５１に近い位置に配置されたチューブ５３０の外周面で多くのミストがされた場合であっても、当該ミストにより隙間部分が閉塞されることは生じにくい。
【００７９】
また、複数のチューブ５３０は、複数のチューブ５３０の外周面に衝突した蒸発ガスの一部が、互いに間隔を空けて平行に配置された複数のチューブ５３０の隙間を流れて複数のチューブ５３０の外周面を伝わるように設定されている。よって、蒸発ガスに含まれるミストの一部が複数のチューブ５３０の外周面で捕捉される。
【００８０】
また、複数のチューブ５３０の各チューブの側断面形状が概ね円形である。そのため、ミスト捕捉部５３の円周方向に沿って流れて複数のチューブ５３０の外周面を伝わる。これにより、蒸発ガスに含まれるミストの一部が複数のチューブ５３０の外周面で捕捉される。
【００８１】
また、複数のチューブ５３０はＵ字管型である。そのため、複数のチューブ５３０の一端部が管板５３２で保持される。よって、簡素な構成のミスト分離装置５を実現することができる。
【００８２】
本実施形態の反応システム１によれば、前記ミスト分離装置５を備えているので、蒸発ガスに含まれるミストを十分に捕捉することができ、加熱装置６において前記ミストがタール化して細管や配管等が閉塞されない。よって、反応システムを長時間連続して稼動させることが可能となる。
【００８３】
なお、本実施形態の反応装置においては、原料としてシクロヘキサノンオキシムを用いることができるが、これに限らない。この他にも、蒸発させる際に高沸点の不純物等を含むミストが生成されることがある種々の原料を用いることができる。
【００８４】
また、本実施形態の反応装置においては、ミスト分離装置として第１ミスト分離装置４と第２ミスト分離装置５とを有して構成されているが、これに限らない。例えば、ミスト分離装置として第２ミスト分離装置５のみを有して構成されていてもよい。
【００８５】
また、本実施形態の反応装置においては、固体触媒と低級アルコールの共存下でシクロヘキサノンオキシムをベックマン転位反応させてε−カプロラクタムが生成されているが、これに限らない。例えば、低級アルコールを含まない環境下でε−カプロラクタムが生成されていてもよい。すなわち、少なくとも固体触媒の存在下でε−カプロラクタムが生成されていればよい。
【００８６】
また、本実施形態のミスト分離装置においては、複数のチューブがＵ字型管である例を挙げて説明したが、これに限らない。複数のチューブは、一部が屈曲していること（Ｕ字管型）に限らず、複数個所が屈曲していてもよい。
【００８７】
図７（ａ）に示すように、例えば、複数のチューブ５３０Ａとしては、２箇所が屈曲しているいわゆる３流路形式を採用していてもよい。すなわち、複数のチューブは、少なくとも一部が屈曲していればよい。
【００８８】
なお、図７（ｂ）に示すように、例えば、複数のチューブ５３０Ｂとしては、１流路形式を採用してもよい。
【００８９】
また、本実施形態のミスト分離装置においては、管板５３２がシェル５０に固定されているが、これに限らない。例えば、管板５３２が円筒形状のシェル５０の延在方向に沿って摺動可能ないわゆる遊動管板型を採用していてもよい。すなわち、複数のチューブが当該複数のチューブの延在方向に摺動可能になっていてもよい。これにより、複数のチューブに生じる熱応力を逃がしやすくなる。
【００９０】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例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。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明のミスト分離装置は、蒸発ガスに含まれるミストを十分に捕捉することができるため、例えば、シクロヘキサノンオキシムを原料として用いるε−カプロラクタムの製造等に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００９２】
１…反応システム、２…蒸発装置、５…第２ミスト分離装置（ミスト分離装置）、７…反応装置、５０…シェル、５１…流入部、５２…流出部、５３０…チューブ、Ｌ１…複数のチューブのうち最も前記流入部に近い位置に配置されたチューブの外周面と流入部との間の距離、Ｌ２…複数のチューブのうち最も流出部に近い位置に配置されたチューブの外周面と流出部との間の距離
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミスト分離装置、反応システム及びε−カプロラクタムの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
原料を蒸発させる蒸発装置と、蒸発された原料の蒸発ガスを加熱する加熱装置と、加熱された蒸発ガスを触媒の存在下で化学反応させる反応装置と、を有する反応システムが知られている。この反応システムでは、蒸発装置により原料を蒸発させる際に、高沸点の不純物等を含むミストが生成されることがある。このミストは、ある温度以上で加熱されるとタール化する。そのため、蒸発装置により生成された蒸発ガスが加熱装置に導入された場合、タールが加熱装置の細管や配管等を閉塞させるといった問題がある。
【０００３】
例えば特許文献１では、蒸発装置と加熱装置との間に、ミスト分離装置が設けられている。このミスト分離装置は、複数の鎖が容器上部から所定の間隔で吊り下げられて構成されている。このような複数の鎖が蒸発ガスの流れ方向と交差して配置されることにより、蒸発ガスに含まれるミストが捕捉されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２９７８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のミスト分離装置では、複数の鎖の隙間からミストを含む蒸発ガスがすり抜けることがある。複数の鎖の隙間をすり抜けた蒸発ガスは、ミストを含んだ状態で加熱装置に導入されてしまう。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、蒸発ガスに含まれるミストを十分に捕捉することが可能なミスト分離装置及び反応システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明のミスト分離装置は、複数のチューブと、前記複数のチューブを収容するシェルと、前記シェルの内壁に設けられ、前記複数のチューブの外周面に向けて原料ガスを流入させる流入部と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明において、前記複数のチューブ内には、加熱媒体が流れており、前記外周面で捕捉された前記原料ガスに含まれるミストの一部が前記加熱媒体による加熱により気化されるように構成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明において、前記シェルの内壁には、前記複数のチューブの延在方向において前記流入部と離れた位置に、前記流入部から流入された原料ガスを流出させる流出部が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
本発明において、前記複数のチューブのうち最も前記流入部に近い位置に配置されたチューブの外周面と前記流入部との間の距離は、前記複数のチューブのうち最も前記流出部に近い位置に配置されたチューブの外周面と前記流出部との間の距離よりも大きいことを特徴とする。
【００１１】
本発明において、前記複数のチューブは、互いに間隔を空けて平行に配置されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明において、前記複数のチューブを当該複数のチューブの延在方向と直交する平面で切断したときの断面形状は、概ね円形であることを特徴とする。
【００１３】
本発明において、前記複数のチューブは、少なくとも一部が屈曲していることを特徴とする。
【００１４】
本発明において、前記複数のチューブは、当該複数のチューブの延在方向に摺動可能になっていることを特徴とする。
【００１５】
本発明において、前記原料ガスはシクロヘキサノンオキシムの蒸発ガスを含むことを特徴とする。
【００１６】
本発明の反応システムは、原料を蒸発させる蒸発装置と、前記蒸発装置により蒸発された原料の蒸発ガスに含まれるミストを分離する前記ミスト分離装置と、前記ミスト分離装置によりミストが分離された原料の蒸発ガスを触媒の存在下で化学反応させる反応装置と、を含むことを特徴とする。
【００１７】
すなわち、本発明は以下に関する。
【００１８】
（１）複数のチューブと、前記複数のチューブを収容するシェルと、前記シェルの内壁に設けられ、前記複数のチューブの外周面に向けて原料ガスを流入させる流入部と、前記シェルの内壁に設けられ、前記複数のチューブの延在方向において前記流入部と離れた位置に、前記流入部から流入された原料ガスを流出させる流出部と、を含む、ミスト分離装置。
【００１９】
（２）前記複数のチューブは、その内部に前記加熱媒体を流すことができ、前記複数のチューブの外周面で捕捉された前記原料ガスに含まれるミストの一部を気化させることができるように構成されている、（１）に記載のミスト分離装置。
【００２０】
（３）前記複数のチューブのうち最も前記流入部に近い位置に配置されたチューブの外周面と前記流入部は、前記複数のチューブのうち最も前記流入部に近い位置に配置されたチューブの外周面と前記流入部との間の距離が、前記複数のチューブのうち最も前記流出部に近い位置に配置されたチューブの外周面と前記流出部との間の距離よりも大きくなるように設定されている、（１）又は（２）に記載のミスト分離装置。
【００２１】
（４）前記複数のチューブは、互いに間隔を空けて平行に配置されている、（１）〜（３）のいずれか１つに記載のミスト分離装置。
【００２２】
（５）前記複数のチューブを当該複数のチューブの延在方向と直交する平面で切断したときの各チューブの断面形状は、概ね円形である、（１）〜（４）のいずれか１つの態様に記載のミスト分離装置。
【００２３】
（６）前記複数のチューブは、少なくとも一部が屈曲している、（１）〜（５）のいずれか１つに記載のミスト分離装置。
【００２４】
（７）前記複数のチューブの一端部が、管板によって保持されている、（１）〜（６）のいずれか１つに記載のミスト分離装置。
【００２５】
（８）前記複数のチューブは、当該複数のチューブの延在方向に摺動可能になっている、（１）〜（７）のいずれか１つに記載のミスト分離装置。
【００２６】
（９）前記原料ガスはシクロヘキサノンオキシムの蒸発ガスを含む、（１）〜（８）のいずれか１つの態様に記載のミスト分離装置。
【００２７】
（１０）原料を蒸発させる蒸発装置と、前記蒸発装置により蒸発された原料の蒸発ガスに含まれるミストを分離する（１）〜（９）のいずれか１つに記載のミスト分離装置と、所定の温度まで蒸発ガスを加熱する加熱装置と、前記ミスト分離装置によりミストが分離された原料の蒸発ガスを触媒の存在下で化学反応させる反応装置とを含む反応システム。
【００２８】
（１１）シクロヘキサノンオキシムを蒸発させる蒸発工程と、得られた蒸発ガス中のミストをミスト分離装置により分離する分離工程と、前記ミストを分離したシクロヘキサノンオキシムの蒸発ガスを所定の温度まで加熱する加熱工程と、前記加熱したシクロヘキサノンオキシムの蒸発ガスを触媒の存在下で、気相ベックマン転位反応によりε−カプロラクタムを得る工程とを含み、前記ミスト分離装置が（１）〜（９）のいずれか１つに記載のミスト分離装置である、ε−カプロラクタムの製造方法。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、蒸発ガスに含まれるミストを十分に捕捉することが可能なミスト分離装置、反応システム及びε−カプロラクタムの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に係る反応システムを示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るミスト分離装置の平断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るミスト捕捉部の側断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るミスト分離装置における蒸発ガスの流れを示す説明図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るミスト分離装置における蒸発ガスの流れを示す説明図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るミスト分離装置における蒸発ガスの流れを示す説明図である。
【図７】チューブの変形例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。また、以下の説明及び図面中、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３２】
図１は、本発明の一実施形態の反応システムを示す模式図である。
図１に示すように、反応システム１は、蒸発装置２と、ポンプ３と、第１ミスト分離装置４と、第２ミスト分離装置５と、加熱装置６と、反応装置７と、各種配管１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８と、を含んで構成されている。
【００３３】
反応システム１は、原料であるシクロヘキサノンオキシムを蒸発装置２において蒸発させ、得られた蒸発ガスの中の不純物を含むミストを第１ミスト分離装置４及び第２ミスト分離装置５により分離し、ミストが除去されたシクロヘキサノンオキシムの蒸発ガスを加熱装置６により所定の温度まで加熱した後、加熱されたシクロヘキサノンオキシムの蒸発ガスを反応装置７に送り、固体触媒の存在下でシクロヘキサノンオキシムをベックマン転位反応させてε―カプロラクタムを生成するものである。
【００３４】
蒸発装置２には、第１原料供給配管１０と第２原料供給配管１１とが接続されている。ε−カプロラクタムを製造する際の出発原料はシクロヘキサノンオキシムである。本実施形態では、原料として当該シクロヘキサノンオキシムと当該シクロヘキサノンオキシムを希釈する溶剤との混合液を用いる。当該混合液は、第１原料供給配管１０及び第２原料供給配管１１の双方の配管を経て蒸発装置２に供給される。なお、第１原料供給配管１０及び第２原料供給配管１１を介して前記混合液を蒸発装置２に移送する際には、メタノール等の低級アルコールを窒素ガス等の不活性ガスとともに導入することが好ましい。
【００３５】
前記混合液を蒸発させる際の圧力は１３３ｋＰａ以下の範囲であることが好ましい。また、前記混合液を蒸発させる際の温度は１３０℃以上かつ１７０℃以下の範囲であることが好ましい。蒸発装置２により得られた蒸発ガスは、蒸発ガス供給配管１４を経て第１ミスト分離装置４に供給される。
【００３６】
一方、蒸発装置２内で蒸発せずに蒸発装置２の底に溜まる未蒸発液もある。当該未蒸発液は、蒸発装置２から排出配管１２を経てポンプ３に供給される。当該未蒸発液は、ポンプ３により循環配管１３を通って第１原料供給配管１０を経て再び蒸発装置２内に供給される。
【００３７】
蒸発ガス供給配管１４を経て第１ミスト分離装置４に供給された蒸発ガスは、第１ミスト分離装置４によりミストが分離される。第１ミスト分離装置４においては、ある程度の量のミストが捕捉されるような粗い分離（プレ分離）が行われる。
【００３８】
第１ミスト分離装置４としては、例えば特許文献１に示すミスト分離装置（複数の鎖が容器上部から所定の間隔で吊り下げられて形成されたミスト捕集用スクリーンを備えたもの）を用いることができる。
【００３９】
第１ミスト分離装置４によりプレ分離された蒸発ガスは、プレ分離ガス供給配管１５を経て本発明に係る第２ミスト分離装置５に供給される。
【００４０】
プレ分離ガス供給配管１５を経て供給された蒸発ガスは、第２ミスト分離装置５によりミストが分離される。第２ミスト分離装置５は、第１ミスト分離装置４においてある程度の量のミストが捕捉された蒸発ガスに含まれる残りのミストを捕捉するものである。第２ミスト分離装置５においては、加熱装置６においてミストがタール化して細管や配管等が閉塞されない程度に十分にミストが捕捉されるような分離（本分離）が行われる。
【００４１】
図２は、第２ミスト分離装置５を示す模式図である。図２（ａ）は第２ミスト分離装置５の平断面図であり、図２（ｂ）は第２ミスト分離装置５の側断面図である。
【００４２】
図２（ａ）に示すように、第２ミスト分離装置５は、ミスト捕捉部５３と、ミスト捕捉部５３を収容するシェル５０と、ミスト捕捉部５３に向けて蒸発ガスを流入させる流入部５１と、流入部５１から流入された蒸発ガスを流出させる流出部５２と、を含んで構成されている。流入部５１及び流出部５２は、それぞれシェル５０の内壁に設けられている。なお、シェル５０は、ジャケット型式として加熱媒体を流してもよい。
【００４３】
ミスト捕捉部５３は、複数のチューブ５３０と管板５３２とを有している。ミスト捕捉部５３は、複数のチューブ５３０が略円柱形状に束ねられて形成されている。本実施形態において、ミスト捕捉部５３は、いわゆるチューブバンドルである。
【００４４】
複数のチューブ５３０は、図２（ａ）に示すように、管板５３２と反対側の部分が屈曲している。本実施形態において、複数のチューブ５３０はＵ字管型である。
【００４５】
複数のチューブ５３０内には加熱媒体を流すことができる。加熱媒体としては、複数のチューブ５３０の外周面の温度を蒸発ガスに含まれるミストの沸点よりも高い温度にすることが可能な媒体（例えばミストの沸点よりも高温の蒸気）を用いることができる。複数のチューブ５３０内に加熱媒体を流すことにより、複数のチューブ５３０の外周面で捕捉されたミストの一部は、当該加熱媒体による加熱により気化される。
【００４６】
流入部５１と流出部５２とは、複数のチューブ５３０の延在方向において互いに離れた位置に配置されている。流入部５１は管板５３２の側に配置されており、流出部５２は複数のチューブ５３０の管板５３２と反対側に配置されている。なお、流入部５１と流出部５２の配置位置はこれに限らない。例えば、前記配置位置とは反対に、流入部５１が複数のチューブ５３０の管板５３２と反対側に配置されており、流出部５２が管板５３２の側に配置されていてもよい。
【００４７】
図２（ａ）において、符号Ｌ１は複数のチューブ５３０のうち最も流入部５１に近い位置に配置されたチューブ５３０の外周面と流入部５１との間の距離である。符号Ｌ２は複数のチューブ５３０のうち最も流出部５２に近い位置に配置されたチューブ５３０の外周面と流出部５２との間の距離である。図２（ａ）に示すように、第２ミスト分離装置５において、複数のチューブ５３０のうち最も流入部５１に近い位置に配置されたチューブ５３０の外周面と流入部５１との間の距離Ｌ１は、最も流出部５２に近い位置に配置されたチューブ５３０の外周面と流出部５２との間の距離Ｌ２よりも大きくなっている。
【００４８】
複数のチューブ５３０のうち最も流入部５１に近い位置に配置されたチューブ５３０の外周面と流入部５１とは、複数のチューブ５３０のうち最も流入部５１に近い位置に配置されたチューブ５３０の外周面と流入部５１との間の距離Ｌ１が、少なくとも２００ｍｍ確保されるように配置されている。また、チューブ５３０の外周面と流入部５１とは、チューブ５３０の外周面と流入部５１との間の隙間部分を流れる蒸発ガスの流速が、流入部５１の内部を流れる蒸発ガスの流速よりも小さくなるように構成されている。
【００４９】
図２（ｂ）に示すように、ミスト捕捉部５３はシェル５０内において流出部５２寄りに偏心している。図２（ｂ）において、符号Ｌ３は、円柱形状のミスト捕捉部５３の中心軸と円筒形状のシェル５０の中心軸との間の距離である。ミスト捕捉部５３の偏心率は１０％〜３０％である。
【００５０】
図３は、ミスト捕捉部５３を示す模式図である。図３（ａ）はミスト捕捉部５３の側面図であり、図３（ｂ）はミスト捕捉部５３の平面図である。
【００５１】
図３（ａ）に示すように、ミスト捕捉部５３は、複数のチューブ５３０と、複数のチューブ５３０の長手方向に間隔を空けて配置された複数のバッフル５３１と、複数のチューブ５３０の端部を保持する管板５３２と、を備えて構成されている。
【００５２】
複数のチューブ５３０は、互いに間隔を空けて平行に配置されている。複数のバッフル５３１は、概ね半円形である。ここで、概ね半円形とは、５０％切り欠きのことであり、当該断面形状が半円形であることに限らず、半楕円形であることも含む。また、バッフルの断面形状はドーナツ型（中は空洞で外周のみに形状を有する構造）でもよい。（図３（ａ）に示すように、複数のバッフル５３１は、シェル５０内を流れる蒸発ガスの流速を阻害しないように上下交互に所定の間隔を空けて配置されている。
【００５３】
図３（ｂ）に示すように、管板５３２には複数のチューブ５３０を挿通可能な複数のチューブ用孔５３２ａが形成されている。複数のチューブ５３０の端部は、管板５３２に形成された複数のチューブ用孔５３２ａによって支持されている。
【００５４】
複数のチューブ用孔５３２ａの間隔は、チューブ５３０の直径の１．５倍〜２．０倍の大きさとなっている。複数のチューブ用孔５３２ａは、当該複数のチューブ用孔５３２ａのうちの１つのチューブ用孔５３２ａと隣り合う２つのチューブ用孔５３２ａとのなす角θが通常６０°〜１２０°、好ましくは７０°〜１１０°、より好ましくは８０°〜１００°になるように配置されている。
【００５５】
複数のチューブ５３０を当該複数のチューブ５３０の延在方向と直交する平面で切断したときの断面形状は、概ね円形である。ここで、概ね円形とは、当該断面形状が円形であることに限らず、楕円形であることも含む。
【００５６】
図４、図５及び図６は、第２ミスト分離装置５における蒸発ガスの流れを示す説明図である。図４は図２（ａ）に対応した平断面図であり、図５は図２（ｂ）に対応した側断面図であり、図６は第２ミスト分離装置５における複数のチューブ５３０の側断面図である。
【００５７】
本実施形態の第２ミスト分離装置５は、流入部５１から流入された蒸発ガスが複数のチューブ５３０の外周面に衝突することにより、蒸発ガスに含まれるミストが当該外周面で捕捉されるように構成されている。
以下、第２ミスト分離装置５においてシェル５０の内部を蒸発ガスが流れる様子について、図４、図５及び図６を用いて一例を挙げて説明する。
【００５８】
第１ミスト分離装置４によりプレ分離された蒸発ガスは、プレ分離ガス供給配管１５（図１参照）を経て第２ミスト分離装置５に供給され得る。当該蒸発ガスは、流入部５１を介してシェル５０の内部に導入され得る。流入部５１から流入された蒸発ガスは、複数のチューブ５３０の外周面に向けて流れ得る（図４（ａ）、図５（ａ）参照）。
【００５９】
流入部５１から流入した蒸発ガスが、複数のチューブ５３０の外周面に衝突するように設定されている。これにより、蒸発ガスに含まれるミストの一部が複数のチューブ５３０の外周面で捕捉される。また、複数のチューブ５３０内には加熱媒体（高温の蒸気）を流し得る。そのため、当該外周面で捕捉されたミストの一部は、加熱媒体による加熱により気化させることができる。
【００６０】
先ず、流入部５１から流入して複数のチューブ５３０の外周面に衝突した蒸発ガスの一部は、互いに間隔を空けて配置された複数のチューブ５３０の隙間を流れて複数のチューブ５３０の外周面を伝わる（図６参照）。これにより、蒸発ガスに含まれるミストの一部が複数のチューブ５３０の外周面で捕捉される。また、当該外周面で捕捉されたミストの一部は、加熱媒体による加熱により気化される。
【００６１】
複数のチューブ５３０の外周面で捕捉されたミストが炭化し、複数のチューブ５３０の隙間が閉塞すると、流入部５１から流入して複数のチューブ５３０の外周面に衝突した蒸発ガスの一部は、複数のチューブ５３０の延在方向に沿って流れて複数のチューブ５３０の外周面を伝わるように、複数のチューブ５３０が設定されている。（図４（ｂ）参照）。これにより、蒸発ガスに含まれるミストの一部が複数のチューブ５３０の外周面で捕捉される。
【００６２】
また、流入部５１から流入して複数のチューブ５３０の外周面に衝突した蒸発ガスの一部は、略円柱形状のミスト捕捉部５３の円周方向に沿って流れて複数のチューブ５３０の外周面を伝わるように、複数のチューブ５３０が設定されている（図５（ｂ）参照）。これにより、蒸発ガスに含まれるミストの一部が複数のチューブ５３０の外周面で捕捉される。
【００６３】
複数のチューブ５３０の外周面によりミストが十分に捕捉された蒸発ガスが、流出部５２により流出されるように、複数のチューブ５３０が設定されている（図４（ｃ）、図５（ｃ）参照）。
【００６４】
図１に戻り、前記第２ミスト分離装置５でミストが十分に分離された蒸発ガスは、分離ガス供給配管１６を経て加熱装置６に供給され得る。加熱装置６は、多数の細管（直径が約２〜３ｃｍ）を備えた熱交換器である。加熱装置６は、多数の細管内に蒸発ガスを通し、細管の外面にスチーム、熱風などの熱媒体を通して熱交換を行なわせ、蒸発ガスを所定の温度まで加熱するように設定されている。この温度は２５０℃以上かつ５００℃以下の範囲内の温度である。なお、この加熱装置６は複数配設されていてもよい。
【００６５】
加熱装置６により所定の温度まで加熱されたシクロヘキサノンオキシムの蒸発ガスは加熱ガス供給配管１７を通って反応装置７に供給される。
【００６６】
反応装置７では、固体触媒と低級アルコールとの共存下でシクロヘキサノンオキシムをε−カプロラクタムに転位させるベックマン転位反応が行われる。このベックマン転位反応は、例えば流動層式の気相接触反応によって行われる。
【００６７】
固体触媒としては、例えば、ホウ酸触媒、シリカ・アルミナ触媒、リン酸触媒、複合金属酸化物触媒、ゼオライト触媒等が挙げられる。中でもゼオライト触媒が好ましく、さらに好ましくはペンタシル型ゼオライト、特に好ましくはＭＦＩゼオライトである。
【００６８】
ゼオライト触媒は、その骨格が実質的にケイ素及び酸素のみから構成される結晶性シリカであってもよいし、骨格を構成する元素としてさらに他の元素を含む結晶性メタロシリケート等であってもよい。結晶性メタロシリケート等である場合、ケイ素及び酸素以外に存在しうる元素としては、例えば、Ｂｅ、Ｂ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｂｉ等が挙げられ、これらの２種以上が含まれていてもよい。これら元素に対するケイ素の原子比は、通常５以上であり、好ましくは５０以上、さらに好ましくは５００以上である。なお、この原子比は、原子吸光法や蛍光Ｘ線法等により測定することができる。
【００６９】
ゼオライト触媒は、例えば、ケイ素化合物、４級アンモニウム化合物、水、及び必要に応じて金属化合物等を原料として水熱合成に付し、得られた結晶を乾燥、焼成した後、アンモニアやアンモニウム塩で接触処理し、次いで乾燥することにより、好適に調製することができる。
【００７０】
固体触媒の粒径は０．００１〜５ｍｍであるのが好ましく、さらに好ましくは０．０１〜３ｍｍである。また、固体触媒は、例えば、実質的に触媒成分のみからなる成形体であってもよいし、触媒成分を担体に担持したものであってもよい。
【００７１】
固体触媒を用いたシクロヘキサノンオキシムのベックマン転位反応は、気相条件下で行うことができる。反応温度は通常２５０〜５００℃、好ましくは３００〜４５０℃である。反応圧力は通常０．００５〜０．５ＭＰａ、好ましくは０．００５〜０．２ＭＰａである。また、触媒１ｋｇあたりの原料シクロヘキサノンオキシムの供給速度（ｋｇ／ｈ）、すなわち空間速度ＷＨＳＶ（ｈ−１）は、通常０．１〜２０ｈ−１、好ましくは０．２〜１０ｈ−１である。
【００７２】
シクロヘキサノンオキシムと共に水の共存も有利であり、水の量はシクロヘキサノンオキシムに対して２．５モル倍以下の量が好ましい。
【００７３】
固体触媒と低級アルコールの共存下で、気相条件下でシクロヘキサノンオキシムをベックマン転位反応させてε−カプロラクタムを生成する際に用いられる低級アルコールとしては、炭素数６以下の低級アルコールが好ましい。具体的には、例えば、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、ｓｅｃ−ブタノール、イソブタノール、ｎ−アミルアルコール、ｎ−ヘキサノール、２，２，２−トリフルオロエタノール等の１種または２種以上用いることができる。特にメタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノールを１種または２種以上用いることが、ε−カプロラクタムの選択率および触媒寿命の改良に著しい効果を示すため、より好ましい。中でもメタノールまたはエタノールを用いることで、著しい効果を示し、工業的観点から最も好ましい。
また、低級アルコールの量は、シクロヘキサノンオキシムに対して重量比で、通常０．１〜２０倍が用いられる。低級アルコールの量は、シクロヘキサノンオキシムに対して、重量比で好ましくは１０倍以下であり、さらに好ましくは０．３〜８倍である。
【００７４】
このようにして、反応装置７においてε―カプロラクタムを主成分とする反応生成物がガス状態で生成される。当該生成ガスは、生成ガス排出配管１８を経て系外に取り出される。
【００７５】
本実施形態の第２ミスト分離装置５は、流入部により、複数のチューブの外周面に向けて原料ガスが流入されるように設定されている。そのため、流入部から流入した原料ガスが外周面に衝突することにより、原料ガスに含まれるミストが外周面で捕捉される。
特許文献１に示すように、複数の鎖が容器上部から所定の間隔で吊り下げられた構成の場合、複数の鎖の隙間からミストを含む蒸発ガスがすり抜けることがある。
これに対し、本実施形態においては、複数のチューブは、複数のチューブの外周面に向けて原料ガスを衝突させる構成を採用しているので、当該外周面を蒸発ガスがすり抜けることはない。これにより、当該外周面には原料ガスに含まれるミストが付着する。よって、蒸発ガスに含まれるミストを十分に捕捉することができる。
【００７６】
また、複数のチューブ内には加熱媒体が流すことができ、複数のチューブ内に加熱媒体を流すことにより、外周面で捕捉された原料ガスに含まれるミストの一部が加熱媒体による加熱により気化される。また、外周面で捕捉されていないミストも原料ガスが加熱されることにより気化し消滅する。よって、蒸発ガスに含まれるミストを低減させることができる。
【００７７】
また、流出部が複数のチューブの延在方向において流入部と離れた位置に配置されている。そのため、流入部から流入した原料ガスが複数のチューブの延在方向に沿って流れて外周面を伝わるように、流出部が設定されている。これにより、原料ガスに含まれるミストが外周面で捕捉される。
【００７８】
また、複数のチューブ５３０のうち最も流入部５１に近い位置に配置されたチューブ５３０の外周面と流入部５１は、複数のチューブ５３０のうち最も流入部５１に近い位置に配置されたチューブ５３０の外周面と流入部５１との間の距離Ｌ１が、最も流出部５２に近い位置に配置されたチューブ５３０の外周面と流出部５２との間の距離Ｌ２よりも大きくなるように設定されている。そのため、複数のチューブ５３０のうち最も流入部５１に近い位置に配置されたチューブ５３０の外周面で十分な量のミストを捕捉することができる。また、最も流入部５１に近い位置に配置されたチューブ５３０の外周面で多くのミストがされた場合であっても、当該ミストにより隙間部分が閉塞されることは生じにくい。
【００７９】
また、複数のチューブ５３０は、複数のチューブ５３０の外周面に衝突した蒸発ガスの一部が、互いに間隔を空けて平行に配置された複数のチューブ５３０の隙間を流れて複数のチューブ５３０の外周面を伝わるように設定されている。よって、蒸発ガスに含まれるミストの一部が複数のチューブ５３０の外周面で捕捉される。
【００８０】
また、複数のチューブ５３０の各チューブの側断面形状が概ね円形である。そのため、ミスト捕捉部５３の円周方向に沿って流れて複数のチューブ５３０の外周面を伝わる。これにより、蒸発ガスに含まれるミストの一部が複数のチューブ５３０の外周面で捕捉される。
【００８１】
また、複数のチューブ５３０はＵ字管型である。そのため、複数のチューブ５３０の一端部が管板５３２で保持される。よって、簡素な構成のミスト分離装置５を実現することができる。
【００８２】
本実施形態の反応システム１によれば、前記ミスト分離装置５を備えているので、蒸発ガスに含まれるミストを十分に捕捉することができ、加熱装置６において前記ミストがタール化して細管や配管等が閉塞されない。よって、反応システムを長時間連続して稼動させることが可能となる。
【００８３】
なお、本実施形態の反応装置においては、原料としてシクロヘキサノンオキシムを用いることができるが、これに限らない。この他にも、蒸発させる際に高沸点の不純物等を含むミストが生成されることがある種々の原料を用いることができる。
【００８４】
また、本実施形態の反応装置においては、ミスト分離装置として第１ミスト分離装置４と第２ミスト分離装置５とを有して構成されているが、これに限らない。例えば、ミスト分離装置として第２ミスト分離装置５のみを有して構成されていてもよい。
【００８５】
また、本実施形態の反応装置においては、固体触媒と低級アルコールの共存下でシクロヘキサノンオキシムをベックマン転位反応させてε−カプロラクタムが生成されているが、これに限らない。例えば、低級アルコールを含まない環境下でε−カプロラクタムが生成されていてもよい。すなわち、少なくとも固体触媒の存在下でε−カプロラクタムが生成されていればよい。
【００８６】
また、本実施形態のミスト分離装置においては、複数のチューブがＵ字型管である例を挙げて説明したが、これに限らない。複数のチューブは、一部が屈曲していること（Ｕ字管型）に限らず、複数個所が屈曲していてもよい。
【００８７】
図７（ａ）に示すように、例えば、複数のチューブ５３０Ａとしては、２箇所が屈曲しているいわゆる３流路形式を採用していてもよい。すなわち、複数のチューブは、少なくとも一部が屈曲していればよい。
【００８８】
なお、図７（ｂ）に示すように、例えば、複数のチューブ５３０Ｂとしては、１流路形式を採用してもよい。
【００８９】
また、本実施形態のミスト分離装置においては、管板５３２がシェル５０に固定されているが、これに限らない。例えば、管板５３２が円筒形状のシェル５０の延在方向に沿って摺動可能ないわゆる遊動管板型を採用していてもよい。すなわち、複数のチューブが当該複数のチューブの延在方向に摺動可能になっていてもよい。これにより、複数のチューブに生じる熱応力を逃がしやすくなる。
【００９０】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例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。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明のミスト分離装置は、蒸発ガスに含まれるミストを十分に捕捉することができるため、例えば、シクロヘキサノンオキシムを原料として用いるε−カプロラクタムの製造等に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００９２】
１…反応システム、２…蒸発装置、５…第２ミスト分離装置（ミスト分離装置）、７…反応装置、５０…シェル、５１…流入部、５２…流出部、５３０…チューブ、Ｌ１…複数のチューブのうち最も前記流入部に近い位置に配置されたチューブの外周面と流入部との間の距離、Ｌ２…複数のチューブのうち最も流出部に近い位置に配置されたチューブの外周面と流出部との間の距離
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のチューブと、
前記複数のチューブを収容するシェルと、
前記シェルの内壁に設けられ、前記複数のチューブの外周面に向けて原料ガスを流入させる流入部と、
前記シェルの内壁に設けられ、前記複数のチューブの延在方向において前記流入部と離れた位置に、前記流入部から流入された原料ガスを流出させる流出部と、
を含む、ミスト分離装置。
【請求項２】
前記複数のチューブは、その内部に加熱媒体を流すことができ、前記複数のチューブの外周面で捕捉された前記原料ガスに含まれるミストの一部を気化させることができるように構成されている、請求項１に記載のミスト分離装置。
【請求項３】
前記複数のチューブのうち最も前記流入部に近い位置に配置されたチューブの外周面と前記流入部は、前記複数のチューブのうち最も前記流入部に近い位置に配置されたチューブの外周面と前記流入部との間の距離が、前記複数のチューブのうち最も前記流出部に近い位置に配置されたチューブの外周面と前記流出部との間の距離よりも大きくなるように設定されている、請求項１又は２に記載のミスト分離装置。
【請求項４】
前記複数のチューブは、互いに間隔を空けて平行に配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のミスト分離装置。
【請求項５】
前記複数のチューブを当該複数のチューブの延在方向と直交する平面で切断したときの各チューブの断面形状は、概ね円形である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のミスト分離装置。
【請求項６】
前記複数のチューブは、少なくとも一部が屈曲している、請求項１〜５のいずれか一項に記載のミスト分離装置。
【請求項７】
前記複数のチューブの一端部が、管板によって保持されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のミスト分離装置。
【請求項８】
前記複数のチューブは、当該複数のチューブの延在方向に摺動可能になっている、請求項１〜７のいずれか一項に記載のミスト分離装置。
【請求項９】
前記原料ガスはシクロヘキサノンオキシムの蒸発ガスを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載のミスト分離装置。
【請求項１０】
原料を蒸発させる蒸発装置と、
前記蒸発装置により蒸発された原料の蒸発ガスに含まれるミストを分離する請求項１〜９のいずれか一項に記載のミスト分離装置と、
所定の温度まで蒸発ガスを加熱する加熱装置と、
前記ミスト分離装置によりミストが分離された原料の蒸発ガスを触媒の存在下で化学反応させる反応装置と、
を含む、反応システム。
【請求項１１】
シクロヘキサノンオキシムを蒸発させる蒸発工程と、
得られた蒸発ガス中のミストをミスト分離装置により分離する分離工程と、
前記ミストを分離したシクロヘキサノンオキシムの蒸発ガスを所定の温度まで加熱する加熱工程と、
前記加熱したシクロヘキサノンオキシムの蒸発ガスを触媒の存在下で、気相ベックマン転位反応によりε−カプロラクタムを得る工程と、
を含み、
前記ミスト分離装置が請求項１〜９のいずれか一項に記載のミスト分離装置である、ε−カプロラクタムの製造方法。
【請求項１】
複数のチューブと、
前記複数のチューブを収容するシェルと、
前記シェルの内壁に設けられ、前記複数のチューブの外周面に向けて原料ガスを流入させる流入部と、
前記シェルの内壁に設けられ、前記複数のチューブの延在方向において前記流入部と離れた位置に、前記流入部から流入された原料ガスを流出させる流出部と、
を含む、ミスト分離装置。
【請求項２】
前記複数のチューブは、その内部に加熱媒体を流すことができ、前記複数のチューブの外周面で捕捉された前記原料ガスに含まれるミストの一部を気化させることができるように構成されている、請求項１に記載のミスト分離装置。
【請求項３】
前記複数のチューブのうち最も前記流入部に近い位置に配置されたチューブの外周面と前記流入部は、前記複数のチューブのうち最も前記流入部に近い位置に配置されたチューブの外周面と前記流入部との間の距離が、前記複数のチューブのうち最も前記流出部に近い位置に配置されたチューブの外周面と前記流出部との間の距離よりも大きくなるように設定されている、請求項１又は２に記載のミスト分離装置。
【請求項４】
前記複数のチューブは、互いに間隔を空けて平行に配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のミスト分離装置。
【請求項５】
前記複数のチューブを当該複数のチューブの延在方向と直交する平面で切断したときの各チューブの断面形状は、概ね円形である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のミスト分離装置。
【請求項６】
前記複数のチューブは、少なくとも一部が屈曲している、請求項１〜５のいずれか一項に記載のミスト分離装置。
【請求項７】
前記複数のチューブの一端部が、管板によって保持されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のミスト分離装置。
【請求項８】
前記複数のチューブは、当該複数のチューブの延在方向に摺動可能になっている、請求項１〜７のいずれか一項に記載のミスト分離装置。
【請求項９】
前記原料ガスはシクロヘキサノンオキシムの蒸発ガスを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載のミスト分離装置。
【請求項１０】
原料を蒸発させる蒸発装置と、
前記蒸発装置により蒸発された原料の蒸発ガスに含まれるミストを分離する請求項１〜９のいずれか一項に記載のミスト分離装置と、
所定の温度まで蒸発ガスを加熱する加熱装置と、
前記ミスト分離装置によりミストが分離された原料の蒸発ガスを触媒の存在下で化学反応させる反応装置と、
を含む、反応システム。
【請求項１１】
シクロヘキサノンオキシムを蒸発させる蒸発工程と、
得られた蒸発ガス中のミストをミスト分離装置により分離する分離工程と、
前記ミストを分離したシクロヘキサノンオキシムの蒸発ガスを所定の温度まで加熱する加熱工程と、
前記加熱したシクロヘキサノンオキシムの蒸発ガスを触媒の存在下で、気相ベックマン転位反応によりε−カプロラクタムを得る工程と、
を含み、
前記ミスト分離装置が請求項１〜９のいずれか一項に記載のミスト分離装置である、ε−カプロラクタムの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−７５２９０（Ｐ２０１３−７５２９０Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１８６６４６（Ｐ２０１２−１８６６４６）
【出願日】平成２４年８月２７日（２０１２．８．２７）
【出願人】（０００００２０９３）住友化学株式会社 (8,981)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年８月２７日（２０１２．８．２７）
【出願人】（０００００２０９３）住友化学株式会社 (8,981)
【Ｆターム（参考）】
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