JP2010505609A - 混合ゾーンを有する熱交換器反応器 - Google Patents

Abstract

本発明は、容器と、プレート、壁、または螺旋状シートから選択され、少なくとも１つの混合ゾーンへの流体から少なくとも１つの熱交換ゾーンへの熱交換流体を分離する少なくとも１つの分離部材と、１つまたは２つ以上のポート（３）あるいは１つまたは２つ以上の噴射ポートを有し、混合ゾーンに挿入される少なくとも１つの流れ方向付け装置（１）とを有する熱交換器反応器に関する。１つまたは２つ以上の混合ゾーンへの熱または１つまたは２つ以上の混合ゾーンからの熱は、１つまたは２つ以上の熱交換ゾーンとの間で交換される。本発明は、熱交換器反応器の使用方法にも関する。

Description

本発明は、混合ゾーンを有する熱交換器反応器と、本発明による熱交換器反応器の使用法とに関する。

多くのプロセスでは、反応物または流体が、熱交換ゾーンに進入する前に混合されてから、その混合物が熱交換ゾーン内で所望の温度に調節される。いくつかのプロセスでは、直列に連結された熱交換器によって流体の流れから熱が伝達され、各熱交換器の前に、１つまたは２つ以上の反応物または流体がバッチ式部分に添加される。温度の上昇を制限するために、別の実施によると、反応流が循環される。使用される更なる解決策は、１つまたは２つ以上の混合容器を混合容器のいわゆるカスケードとして直列に連結することである。

上述したすべての解決策は、複雑でありコストがかかるため欠点を有する。

したがって、本発明では上述の問題の解決手段が提供される。そのため、本発明は、混合ゾーンを有する熱交換器反応器であって、容器と、プレート、壁、または螺旋状シートから選択された少なくとも１つの分離部材であって１つまたは２つ以上の熱交換ゾーンを１つまたは２つ以上の混合ゾーンから分離する分離部材と、流体用の１つまたは２つ以上のポートまたは孔を有する少なくとも１つの流れ方向付け装置と、を有し、流れ方向付け装置は、混合ゾーンに挿入されており、混合ゾーンへの熱または混合ゾーンからの熱が、熱交換ゾーンから直接与えられるかまたは熱交換ゾーンに直接与えられる熱交換器反応器に関する。

混合ゾーンを有する熱交換器反応器は、反応−混合冷却器（ＲＭＣ）、１つまたは２つ以上の混合ゾーンで流体の混合が行われる熱交換器、化学反応が生じる混合ゾーンを有する熱交換器、流体の希釈が生じる混合ゾーンを有する熱交換器など、またはこれらの組み合わせであってよい。

熱交換器反応器は、熱交換流体用の少なくとも１つのゾーンと、混合すべき流体、反応させるべき流体、希釈すべき流体など用の少なくとも１つの混合ゾーンとに分割された容器を有し、熱交換器反応器は、プレート、壁、または螺旋状シートから選択された少なくとも１つの分離部材であって混合ゾーン内の流体から熱交換流体を分離する分離部材をさらに有する。混合ゾーンへの熱および混合ゾーンからの熱は、熱交換ゾーン内の熱交換流体と熱交換される。流れ方向付け装置は、チューブ、パイプ、コンジット、チャンバ、流体シートチャンバ、またはこれらの組み合わせであってよく、流れ方向付け装置は、１つまたは２つ以上のノズルまたはジェットノズル、１つまたは２つ以上の噴霧器、１つまたは２つ以上のスプリンクラ、流体用の１つまたは２つ以上のポートまたは孔など、あるいはこれらの組み合わせを有する。流れ方向付け装置は混合ゾーンもしくはゾーンに挿入され、混合ゾーンへの熱または混合ゾーンからの熱は、熱交換ゾーンから直接与えられるかまたは熱交換ゾーンに直接与えられる。

本発明の一の実施態様では、流れ方向付け装置全体を加圧し、流れ方向付け装置内部の流体の圧力を混合ゾーンの流体の圧力より高くすることができる。他の実施態様によれば、流れ方向付け装置の流体と混合ゾーンの流体との圧力差はまったくまたはほとんどない。この発明によれば、流体は液体、気体、微粒子、およびそれらの組み合わせと定義される。したがって、流体は、任意の種類の流体、または液体−液体、液体−気体、気体−気体のような流体の組み合わせであってよい。本発明の一の実施態様では、流体の混合を混合ゾーン内の静的混合器または任意の種類の混合部材によって行うことで、乱流を増大させることができる。流体を混合する他の方法として、混合ゾーン内で、ある流体を他の流体に噴射する方法がある。

前述のように、流体の混合または反応物の混合は熱交換器内で行われる。発熱反応からの熱は、伝導によってただちに反応から伝達される。プロセスの制御は、流れ方向付け装置のポート、地点、孔、噴射ポートなどの数量、混合ゾーンの数などに依存し、プロセスは、動力学および懸案の反応に基づいて算出された所定の温度範囲、圧力範囲などによってバランスが取られる。一の実施態様によれば、熱交換ゾーンは螺旋形熱交換器であってよい。螺旋形熱交換器は、圧力降下を妨害することなく流体の流れに所望の乱流を生じさせるように構成することができる。螺旋形熱交換器を使用する１つの利点は、標準ユニットを使用することができることと、注入口チューブに連結された、ノズルでかまわない注入口点または混合点の配置である。ノズルが連結された注入口チューブの設置は本発明の一の実施態様である。他の実施態様によれば、熱交換ゾーンはプレート形熱交換器であってよい。

流れ方向付け装置は、流体用のポート、ノズル、噴射ポート、スプリンクラ、噴霧器などを有する１つまたは２つ以上のチューブもしくはパイプ、流体用の孔を有する１つまたは２つ以上の流体シートチャンバ、あるいはそれらの組み合わせであってよい。一の実施態様によれば、流れ方向付け装置のチューブを螺旋状注入口チューブに取り付けることができる。ポート、ノズル、噴射ポート、スプリンクラ、噴霧器などのサイズと直径は用途に応じて調整することができる。

螺旋形熱交換器内の注入口チューブまたはパイプの配置を安定させるために、ノズル同士の間のチューブに距離部材が取り付けられる。距離部材は、流体がノズルを通過する際にチューブの振動を低減させ、また、材料が温度によって膨張したときにチューブを所定の位置に維持する。

ノズルは任意の適切な種類のノズルであっても、ジェットノズルであっても、所定の穴、所定のスロット、またはそれらの組み合わせを有する微細分散システムであってもよい。本発明の一の実施態様によれば、注入口チューブに沿って分散されたノズルは、すべて同じ種類のノズルであってよく、したがって、すべてのノズルは同一である。一の実施態様によれば、ユニット内、すなわち混合ゾーン内の位置に応じてそれぞれの異なるノズル、ポート、噴射ポート、スプリンクラ、噴霧器などを分散させることができる。他の実施態様によれば、各ノズルはチューブにおける流速および構成が同一であっても異なっていてもよく、各ノズルは注入口チューブ上に同一の間隔、異なる間隔などを置いて配置することができる。生成物の濃度、エンタルピー、エントロピーなどのプロセス特性に応じて、ユニット内の位置および分散装置の種類を変えることを含め、ユニットの構成を変えてよい。

本発明は、化学反応、流体の希釈、流体の混合などにおける本発明による熱交換器反応器の使用法にも関する。本発明の更なる実施態様は特許請求の範囲によって定義される。

以下に、図１〜４を使用することによって本発明について説明する。各図は、本発明を例示するためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。

本発明の一例による螺旋形熱交換器の中へ挿入すべき注入口チューブを示す図。 本発明の一例によるノズルを有する注入口チューブを示す図。 様々な方向に流体を拡散する、ノズルを有する注入口チューブを示す図。本発明の一例による熱交換器では、各チューブ上に距離部材が取り付けられてチューブが固定されている。 注入口チューブに垂直な螺旋状チューブに連結された当該注入口チューブの構成を示す図。螺旋状チューブは、すべての注入口チューブを連結しており、かつ流体源にも連結されている。注入口チューブの設備は、本発明の一例による螺旋形熱交換器に挿入される。

図１の螺旋形熱交換器２の中へパイプあるいはチューブ１が挿入されている。螺旋形熱交換器２の混合ゾーンへ流体を導入するために１つまたは２つ以上のノズル３がチューブ１上に配置されている。距離部材４がチューブ１に沿って配置されて該チューブが混合ゾーン内に固定される。図２は、ノズル３を有するチューブ１の拡大図である。図３では、流体、すなわち水がノズル３から散布されている。水はそれぞれの異なる方向に散布されて拡散し、熱交換器内の混合ゾーンをおおう。図３はまた、距離部材４を詳しく示している。距離部材４は、該距離部材を側方に動かないように固定するペグまたはピンを有する平面構造から成っている。

図４では、螺旋状注入口チューブ５あるいは螺旋状注入口パイプ５上に数本のチューブ１が取り付けられている。この螺旋状チューブ５は、チューブ１を熱交換器２の中へ挿入するのを容易にするように螺旋形熱交換器２の螺旋と形状が類似している。また、図４には示されていない混合部材を螺旋形熱交換器の中へ挿入することもできる。混合部材は静的混合器であってよい。

本発明の混合ゾーンを有する熱交換器反応器は、たとえば、３０〜６０トンの範囲内であってよいプロセス流体、０．１〜４トンの範囲内であってよい反応流体を有するプロセスに使用することができ、温度は、３０℃から２００℃の温度範囲にわたって変動することができる。この例の目的は、本発明の熱交換器反応器の性能を示すことであり、本発明の範囲を制限することではない。

Claims (13)

1. 容器と、プレート、壁、または螺旋状シートから選択された少なくとも１つの分離部材であって１つまたは２つ以上の熱交換ゾーンを１つまたは２つ以上の混合ゾーンから分離する分離部材と、を有する熱交換器反応器であって、１つまたは２つ以上の流れ方向付け装置をさらに備え、前記流れ方向付け装置は、１つ以上の流体用のポートまたは１つまたは２つ以上の流体用の噴射ポートを有し、かつ、前記１つまたは２つ以上の混合ゾーンの中に挿入されており、前記１つまたは２つ以上の混合ゾーンへの熱または前記１つまたは２つ以上の混合ゾーンからの熱は、前記１つまたは２つ以上の熱交換ゾーンとの間で熱交換される熱交換器反応器。
2. 前記１つまたは２つ以上の混合ゾーンは１つまたは２つ以上の静的混合器を有する、請求項１に記載の熱交換器反応器。
3. 前記流れ方向付け装置は、１本または２本以上のチューブ、１本または２本以上のパイプ、１本または２本以上のコンジット、１つまたは２つ以上のチャンバ、１つまたは２つ以上の流体シートチャンバ、またはこれらの組み合わせである、請求項１または２に記載の熱交換器反応器。
4. 前記流れ方向付け装置は、流体用のポートを有する１本または２本以上のチューブであり、該チューブは螺旋状注入口チューブに取り付けられる、請求項３に記載の熱交換器反応器。
5. 前記流れ方向付け装置は、流体用のポートを有する１本または２本以上のチューブであり、該チューブは、流体用の孔を有する１つまたは２つ以上の流体シートチャンバと組み合わされた螺旋状注入口チューブに取り付けられる、請求項３に記載の熱交換器反応器。
6. １つまたは２つ以上のポートは、１つまたは２つ以上のノズル、１つまたは２つ以上のジェットノズル、１つまたは２つ以上の噴霧器、１つまたは２つ以上のスプリンクラ、流体用の孔を有する１つまたは２つ以上のポート、穴もしくはスロットが形成された微細分散システムを有する１つまたは２つ以上のポート、またはそれらの組み合わせである、請求項１から５のいずれかに記載の熱交換器反応器。
7. 前記熱交換ゾーンは螺旋形熱交換器である、請求項１から６のいずれかに記載の熱交換器反応器。
8. 前記熱交換ゾーンはプレート形熱交換器である、請求項１から７のいずれかに記載の熱交換器反応器。
9. 前記パイプまたは前記チューブは距離部材を有する、請求項１から８のいずれかに記載の熱交換器反応器。
10. 前記ポートはノズルまたはジェットノズルである、請求項１から９のいずれかに記載の熱交換器反応器。
11. すべての前記ポートまたは噴射ポートは同一であるか、あるいはすべての前記ポートまたは噴射ポートは、ノズル、ジェットノズル、噴射ポート、スプリンクラ、噴霧器から成る群から選択される互いに異なるポートである、請求項１から１０のいずれかに記載の熱交換器反応器。
12. 前記ポートまたは噴射ポートは、前記注入口チューブ上に同一の間隔または互いに異なる間隔を置いて配置される、請求項１から１１のいずれかに記載の熱交換器反応器。
13. 化学反応、流体の希釈、流体の混合、ある流体と他の流体との反応のための請求項１から１２のいずれかに記載の熱交換器反応器の使用方法。

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