技術計算：反応器の分類
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橋本の図書1)は、工業反応装置の選定・設計・実例を紹介している。ここで反応器の分類を行っており、詳細はそちらを参照されたい。
ここでは、今までプロセス・エンジニアとして経験し携わってきた数多くの反応器の設計、解析、シミュレーションに係わる知見を、反応器の様式分類の観点から述べる。
- 1. 反応装置内の混合と拡散
- 7. 特殊な混合モデル
- 8. 過去の解析事例
- 9. Literature Cited
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反応器の分類
化学工学の一つの分野である反応工学という面から、すなわち何らかの化学反応を、工業規模の、装置内で起こさせ、製品となる化学物質を製造するという 装置設計を念頭に入れて、反応器の分類を行う必要がある。この分類に従って、使用する原料の化学種が異なっていても、反応器設計という面から共通点を拾い出し、 設計手法としてまとめることは、有意義で価値のあることである。
ここでは、工業製造装置としての反応器を分類する方法が、いろいろ提案されている。その一例を以下に示す。
- 反応が起きている相による分類：
気相、液相、固相 - 触媒の有無による分類：
触媒反応器、無触媒反応 - 相の数：
均一系反応、不均一系反応 - 反応器形状による分類：
管型、槽型、塔型、固定層、移動層、流動層
また化学反応を有利に進めるために、触媒を用いることが多い。触媒の形状として主に固体のペレット状、粉末、液など様々な形状がある。触媒の相（固相）も相の数に入れて、 以下分類する。触媒以外に気液接触を促進するため固体充填物を使うことがあり、これら反応に直接関与しないが、気液間の物質移動を促進するための固体も、装置形式を 分類する上で考慮し、分類した。
反応器様式による分類
下表の横軸には反応様式（反応が起きている相）を分類しています。縦軸は反応装置の形式を分類しています。●をクリックすると、該当プロセスの実績例にリンクしています。
| 気相 | 液相 | 気－固 | 液－固 | 気－液 | 気－液－固 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 固定層 | － | － | ● | ● | － | ● |
| 移動層 | － | － | － | |||
| 流動層 | － | － | ● | ● | － | ● |
| 撹拌槽 | － | ● | － | ● | ● | ● |
| 気泡塔 | － | － | － | － | ● | ● |
| （多）管型 | ● | ● | ● | |||
| 塔型 | － | ● | － | ● | ||
| 特殊型 | ● | ● | ● | ● |
この表で、固相とは、固体触媒や固体充填物を意味します。また生成物が不溶性の固体となるときも固相に分類しています。表中の ● は、経験したことのある実績のある反応器を示しています。また、'－' は現実にありえない反応形式を示しています。たとえば、気相で固定層の反応器は、固定層（触媒や充填物）といった固相が含まれ、気－固の二相反応に分類されます。
ここでいう撹拌槽型とは完全混合型の意味であり、機械的撹拌や外部循環撹拌を含む。また（多）管型と塔型の区別は厳密に行っていないが、外形から判断している。
固定層型反応器
固定層型反応器では、流体の流れが軸方向である"axial"型と、半径方向である"radial"型に大別される。 反応による吸発熱を伴い、非等温操作となる。固定層ベッドを分割し、除加熱装置を通すこともある。 固相は主に固体触媒ペレットが充填される。固定層型反応器は気固反応、気液固三相反応が多く、極めて稀に液固反応 がある。
気－固
工業的プロセスの例：アンモニア合成、ナフサ水蒸気改質、プロピレン直接酸化
検討実績：
液－固
工業的プロセスの例：イオン交換反応、エステル化反応
検討実績：酢酸エチルのエステル化（パイロット装置）
気－液－固
工業的プロセスの例：水素化脱硫反応、トリクルベッド反応器
検討実績：トリクルベッドの反応器シミュレーション実施
酢酸エチルのエステル化（反応蒸留との組み合わせ）
移動層型反応器
固体粒子が通常気体と向流、並流または十文字流となって接触し、重力により移動しながら反応を進行させる。
気相
液相
気－固
工業的プロセスの例：セメント製造、ロータリーキルン反応器
液－固
気－液
気－液－固
流動層型反応器
気－固
工業的プロセスの例：アクリロニトリル合成（ソハイオ法）
無水マレイン酸
流動接触分解(FCC)
気相法PE、PP
高速流動層
噴流層(spouted bed)
液－固
気－液－固
撹拌槽型反応器
円筒型反応器に撹拌翼を上部または下部から挿入し、完全混合槽を狙った反応器。撹拌軸は通常鉛直である。 ごく稀に撹拌機付反応器を90度寝かせた水平設置の反応器もある。
液相
工業的プロセスの例：ポリスチレン塊状重合、HIPS、SAN、ABS
検討実績：ポリスチレン、
液－固
工業的プロセスの例：スラリー反応器
気－液
撹拌機付きの完全混合槽に、反応原料である気体を通気することから通気撹拌槽と呼ばれる。
工業的プロセスの例：CXの空気酸化（Agitatorless）
検討実績：シクロヘキサンの空気酸化、
気－液－固
撹拌機付きの完全混合槽に、反応原料である気体を通気し、しかも固体触媒を流動させることから三相スラリー反応器と呼ばれる。
工業的プロセスの例：
検討実績：脱水素反応（縦置き型）
気泡塔型反応器
気－液
工業的プロセスの例：湿式酸化、CXの空気酸化（Agitatorless）、MEK水和
検討実績：水和反応、尿素（多段気泡塔）
気－液－固
工業的プロセスの例：HSC
（多）管型反応器
気相
検討実績：
液相
検討実績：
気－固
検討実績：
液－固
検討実績：
気－液
検討実績：
気－液－固
塔型反応器
液相
工業的プロセスの例：ポリスチレン（HIPS)、ナフサ分解炉
気－固
気－液
気－液－固
検討実績：
特殊型
気相
液相
気－固
液－固
気－液
気－液－固
参考ライブラリ
参考ライブラリ
は、ここで取り扱っています。
Literature Cited
- 引用文献
- 1) 橋本健治編著：「工業反応装置 選定・設計・実例」、培風館、東京(1984).