JP2017511250A - 反応器システム及びその使用 - Google Patents
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Abstract
本発明は、反応器（３）と、反応器（３）と接続する、少なくとも１つの冷却器（５）と、液状熱媒体（９）の少なくとも一部を循環するための、反応器（３）及び／又は冷却器（５）と接続する、少なくとも１つのポンプと、液状媒体（９）を収容するための、反応器（３）及び／又は少なくとも１つの冷却器（５）と接続する、容器（１１）とを備え、この容器（１１）は、反応器（３）及び／又は少なくとも１つの冷却器（５）の下方に配置されている、反応器システム（１）に関する。更に、発熱反応を実施するための、本発明による反応器システム（１）の使用が記載されている。
Description
本発明は、反応器と、この反応器に接続されている少なくとも１つの冷却器と、液状熱媒体を反応器及び少なくとも１つの冷却器を介してポンプ循環するために用いる少なくとも１つのポンプとを備えた反応器システムに関する。
この種の反応器システムは、先行技術から原則として公知である。
独国特許出願公開２２０７１６６号（DE 22 07 166 A1）は、循環路中に案内される熱媒体を有する反応装置用の冷却装置を備え、この熱媒体用に、循環ポンプ及び冷却器は、反応容器の外側に配置されている反応器システムを記載している。ここで、循環ポンプ及び冷却器は、２つの並列に配置されたハウジング内に取り付けられている。更に、熱媒体用の膨張タンクはポンプハウジングの上方にかつポンプハウジングと接続して配置され、並びに冷媒用の蒸気分離器は冷却器ハウジングの直上にかつ冷却管と接続して配置されている。
独国特許出願公開１０２００６０３４８１１号（DE 10 2006 034 811 A1）は、管束型反応器の温度を変化させる方法との関連で、塩浴冷却器を備えた反応器システムを記載していて、この冷媒は特に限定されてはいない。この冷却器は、充填レベル測定器が配置されている補償容器を備えている。
国際公開第２００４／０９００６６号（WO 2004/090066 A1）は、イオン液体の使用を開示していて、このイオン液体は特に好ましい実施形態によると、管束型反応器に熱を間接的に供給する及び管束型反応器から熱を間接的に排出する熱媒体として使用されている。ここには、円筒状の容器からなり、その中に接触管の束が垂直配置で取り付けられている管束型反応器を記載している。場合により担持触媒を備えていてもよいこれらの接触管は、その端部で管板中に密閉して固定されていて、かつそれぞれ上端部と下端部とで、この容器と接続するフードに合流している。このフードを介して、接続管を貫流する反応混合物が供給若しくは搬出される。これらの接触管の周囲の空間を通るように熱媒体循環路が通され、特に著しい熱上昇を伴う反応の場合に熱収支が合わせられる。記載された管束型反応器の場合に、できる限り全ての接触管を均一に反応進行に関与させるために、反応器のそれぞれの水平方向の断面において熱媒体の十分に均一な温度分布が実現される。更に、貫通切断部が反応器中央部と反応器周辺部とで交互に空いているじゃま板が組み込まれていてもよい。
公知の反応器システムの欠点は、熱媒体用の貯蔵容器がそれぞれの装置の内部に配置されていてかつその貯蔵容器は一般に地面水準と同じ高さにあることである、というのも反応器も収容容器も数百トンの重さであるためである。この反応器を、例えば触媒交換の過程で又は修理若しくは整備作業のために冷却しなければならない場合には、熱媒体を反応器から予め除去しなければならない、そうしないと熱媒体の凍結によって、特に再加熱の際に反応器内部に応力が生じ、この応力が反応器を損ないかねないためである。この場合、その都度の熱媒体は貯蔵のために高所にある容器に圧送しなければならないか又は反応器の塩室をガス圧下に置かなければならず、これは高い建設費用を意味する。更に、容器の漏洩の場合に、流出する熱媒体の比較的高い温度のため及び燃焼促進作用のため人や環境にとって危険となる。
先行技術のこれらの欠点を考慮して、本発明の基礎となる課題は、上記欠点を克服するように改善された反応器システムを提供することにある。特に、液状熱媒体の安全な取り扱いを保証する反応器システムを創出することである。
上記の課題は、本発明の第１の態様で、
− 反応器（３）、
− 反応器（３）と接続する、少なくとも１つの冷却器（５）、
− 液状熱媒体（９）の少なくとも一部を循環するための、反応器（３）及び／又は少なくとも１つの冷却器（５）と接続する、少なくとも１つのポンプ（７）及び
− この液状熱媒体（９）を収容するための、この反応器（３）及び／又はこの少なくとも１つの冷却器（５）と接続する容器（１１）を備え、
容器（１１）は、反応器（３）及び／又は少なくとも１つの冷却器（５）の下方に配置されている、反応器システム（１）により解決される。
− 反応器（３）、
− 反応器（３）と接続する、少なくとも１つの冷却器（５）、
− 液状熱媒体（９）の少なくとも一部を循環するための、反応器（３）及び／又は少なくとも１つの冷却器（５）と接続する、少なくとも１つのポンプ（７）及び
− この液状熱媒体（９）を収容するための、この反応器（３）及び／又はこの少なくとも１つの冷却器（５）と接続する容器（１１）を備え、
容器（１１）は、反応器（３）及び／又は少なくとも１つの冷却器（５）の下方に配置されている、反応器システム（１）により解決される。
本発明による反応器システムは、特に、液状熱媒体（９）を容易に抜き出すことができることにより優れている。
本発明の第２の態様において、この課題は、発熱反応の実施のために、上述に定義されたような本発明による反応器システム（１）を使用することにより解決される。
次に、本発明を詳細に記載する。
本発明の第１の主題は、反応器（３）と、反応器（３）と接続する、少なくとも１つの冷却器（５）と、液状熱媒体（９）の少なくとも一部を循環するための、反応器（３）及び／又は少なくとも１つの冷却器（５）と接続する、少なくとも１つのポンプ（７）と、液状熱媒体（９）を収容するための、反応器（３）及び／又は少なくとも１つの冷却器（５）と接続する容器（１１）とを備えた反応器システム（１）である。この場合、容器（１１）は、反応器（３）及び／又は少なくとも１つの冷却器（５）の下方に配置されている。
反応器（３）及び／又は冷却器（５）の下方に容器（１１）を配置することにより、まず、液状熱媒体（９）を容易に装置から抜き出すことができるという利点が達成される、というのも、液状熱媒体（９）は、容器（１１）中でその静水圧下で流動するからである。更に、反応器システム（１）から抜き出された液状熱媒体（９）を、先行技術の場合のように、より高所に位置するタンク中に貯蔵するのではなく、より低所に位置する容器（１１）に貯蔵するため、人や環境に対して液状熱媒体（９）による危険がないか又はわずかな危険しか生じないためである。このために、好ましくは容器（１１）はフロアパネル内に掘り込まれた窪み内に設置される。容器（１１）のより低所の配置は、更に、容器（１１）を格納するために、反応器システム（１）を高所で組み立てる必要がないという利点を有する。この窪みは、交換する熱媒体（９）が漏洩する場合に確実に収容することができるという利点を有する。
「下方」の表現は、本発明の意味範囲で、容器（１１）が、反応器（３）及び／又は冷却器（５）との関係で、液状熱媒体（９）がその静水圧に基づいて付加的な支援を必要とせずに容器（１１）内へ流出することができるように配置されていることを意味する。
本発明による反応器システム（１）の実施形態の場合に、容器（１１）は、液状熱媒体（９）を加熱するための加熱装置（１３）を備えている。液状熱媒体（９）とは、一般に、周囲温度で固体であるか又は極めて高粘性である媒体である。この熱媒体（９）は、所定の温度から、一般に１４０℃より高い温度で液体の状態に達する。容器（１１）内での液状熱媒体（９）の粘度上昇及び凝固を避けるために、加熱装置（１３）が好ましい。
加熱装置（１３）は、容器壁を介して熱媒体（９）を加熱するために、容器（１１）の外側に加熱エレメントが配置されているように実施されていてもよい。付加的に又はこれとは別に、容器（１１）自体内に１つ以上の加熱素子が存在していてもよい。これは、特に、容器（１１）の寸法が大きなサイズに達しかつそれにより容器（１１）の外壁を介して導入される熱出力が液状熱媒体（９）のために十分ではない場合に好ましい。加熱装置（１３）は、液状及び／又はガス状の媒体によって、特に水蒸気によって加熱作用することができるか又は電気的加熱エレメントを備えていてもよい。
好ましくは、容器（１１）は、少なくとも部分的に地面水準よりも下方に配置されている。既に先に言及したように、容器（１１）のより低所の配置により、反応器システム（１）の全体の建設高さを低くすることができる。本発明において「少なくとも部分的に地面水準よりも下方」の表現は、容器（１１）が、用地の凹所内に、特に窪み内に配置されていることを意味する。このような凹所は、一方で容器（１１）の断熱のために好ましい、というのも地表上に配置されたタンクは、かなりの程度で気候の影響を受けるためである。他方で、この凹所は、容器（１１）の漏洩の場合に、流出する液状熱媒体（９）を収容し、このようにして人及び環境を危険から保護するように設計することができる。
本発明の別の実施形態の場合に、容器（１１）は、更にポンプ（１５）を備え、このポンプ（１５）を用いて、容器（１１）内に存在する液状熱媒体（９）を装置内へ、つまり反応器（３）及び／又は少なくとも１つの冷却器（５）内へ返送することができる。このようにして、容器（１１）は液状熱媒体（９）用の収容装置として用いるだけでなく、液状熱媒体（９）の貯蔵容器及び中間貯蔵のため装置としても用いることができる。
容器（１１）の容積が、理論的に反応器（３）及び／又は冷却器（５）中に含まれる液状熱媒体（９）の体積よりも１０％大きい場合に好ましいことが判明した。容器（１１）は、反応器システム（１）中に存在する、反応器（３）及び少なくとも１つの冷却器（５）からの液状熱媒体（９）の少なくとも２０％を収容できることが好ましい。しかしながら、液状熱媒体の密度は一般に温度と共に変化するため、容器（１１）を過度の負荷に曝さないために少なくとも１０％の安全領域を予定することが好ましい。
一実施態様の場合に、更に、容器（１１）は、排出管（１７ａ，１７ｂ）を介して、それぞれ反応器（３）及び／又は冷却器（５）の最も低い箇所と接続されていてもよい。これらの排出管は、好ましくは容器（１１）に対して傾斜して設置され、追従加熱装置を備えている。この配置は、反応器（３）及び／又は少なくとも１つの冷却器（５）から液状熱媒体（９）をほぼ完全に抜き出すことを可能にする。というのも液状熱媒体（９）は、その静水圧に基づいて、最も低い箇所で（ほぼ）完全に流出させることができるためである。
液状熱媒体（９）を循環させるために、又は容器（１１）を貯蔵容器として利用するために、容器（１１）は少なくとも１つの返送管（１９）を介して、それぞれ反応器（３）及び／又は少なくとも１つの冷却器（５）と接続されていることが合目的である。それによりかつポンプ（１５）を用いて、容器（１１）内に存在する液状熱媒体（９）は反応器（３）及び／又は冷却器（５）に圧送して戻すことができる。ポンプ（１５）は、この場合、好ましくは浸漬ポンプとして実施されていて、この場合、駆動モータは乾燥設置箇所に存在し、本来のポンプケーシングは熱媒体（９）に浸されている。
更に、排出管（１７ａ，１７ｂ）及び／又は返送管（１９）が、それぞれ加熱装置を備えている場合に好ましいことが判明した。それにより、好ましくは、これらの導管内で液状熱媒体（９）の粘度が上昇するか又は熱媒体（９）が凝固し、それによりこのシステムを閉塞することが避けられる。
好ましくは、反応器システム（１）の全ての導管は少なくとも部分的に追従加熱されている。
本発明による反応器システム（１）の別の利点は、液状熱媒体（９）が本質的には冷却されずかつ引き続き再び加熱する必要がないことである。それにより、一方でエネルギーが節約される。他方で、液状熱媒体（９）が高粘性になるか又は固体になりかつこの場合に熱媒体（９）の密度が変化する場合に、反応器システム（１）に起こりえる損傷が避けられる。これは、特にポンプ（７）及び導管（１７ａ，１７ｂ、１９）に当てはまる。
この反応器システム（１）の好ましい実施形態の場合に、反応器（３）は、発熱反応を実施するための管束型反応器である。これとは別に又は付加的に、この実施形態の場合に、冷却器（５）は塩浴冷却器でありかつ液状熱媒体（９）は塩溶融物であることができる。
塩溶融物として、アルカリ金属硝酸塩とアルカリ金属亜硝酸塩との混合物が好ましい。特に好ましい塩混合物は、硝酸カリウム５３質量％、亜硝酸ナトリウム４０質量％及び硝酸ナトリウム７質量％からなる。この混合物は、約１４２℃で溶融する共融混合物を形成する。この塩浴の運転温度は、２００℃〜５００℃である。
塩溶融物の形態の液状熱媒体（９）の他に、本発明は熱媒体油を転用することもできる。しかしながら、この熱媒体油は、最大運転温度が、一般に２５０℃〜２８０℃に制限され、この温度は多くの反応の温度のため、例えば管束式反応器中での多くの反応の温度のために十分ではない。
本発明の別の態様の場合に、発熱反応を実施するための、先に記載されたような反応器システム（１）の使用が用いられる。
発熱反応の場合に、反応熱の搬出は大きな挑戦である。このために、反応器から反応熱を液状熱媒体によって搬出する反応器システムが使用される。反応熱により加熱された液状熱媒体は引き続く冷却器中で冷却され、この場合、そこで遊離した熱エネルギーを、例えば水蒸気の生成のために利用する。反応熱の搬出での変動を補償するために、本発明による反応器システム（１）の使用が好ましいことが判明した。
他の目的、特徴、利点及び適用可能性は、図面を用いた本発明の実施例の次の記載から明らかとなる。この場合、記載した全ての特徴及び／又は図示した全ての特徴は、請求項又はその従属関係でのその構成とは無関係に、その組み合わせについて又は任意の組み合わせで本発明の主題を形成する。
図１は、本発明による反応器システム１の好ましい実施態様を図式的に示す。この反応器システム１は、冷却器５と接続している反応器３を備えている。ポンプ７は、液状熱媒体９の少なくとも一部を反応器３及び冷却器５を通して循環させる。このポンプ７は、特に循環ポンプである。液状熱媒体９の圧力が上昇する場合に、導管２７を介して液状熱媒体９を容器１１内へ搬送し、かつこのようにして反応器ハウジングの圧力解放を行うために、冷却器５は緊急負荷解除管２１及び安全装置２３を備えている。
本発明による反応器システム１は、ほぼ無圧に設計されている。無圧とは、この場合、５ｂａｒより高い圧力に対して予防対策を講じる必要がないことを意味している。もちろん、反応器３及び冷却器５は、例えばポンプ７及び熱媒体９の静水圧が加える圧力に耐えるように設計されている。しかしながら、より高い圧力は、本発明の場合には生じることはないか、又は特に安全装置２３により妨げられる。
冷却器５は、機能的に反応器３にフランジ止めされているか又は溶接されている。調節器具２９は、冷却器を経由する熱媒体の流れを調節することにより反応器の温度調節のために利用される。この実施態様の場合には、特に管束型反応器に関しており、この管束型反応器内では垂直方向に整列された複数の接触管の束が、２枚の管板の間に配置されている。この場合、接触管は、適用目的に応じて触媒材料からなる床（固体触媒）で充填されていてもよい。この接触管の周囲に液状熱媒体９が流通し、この液状熱媒体９が発熱反応の際に生じる熱を受け取りかつ搬出する。一定の反応条件は、所定の温度で熱媒体９をポンプ７で冷却のために循環させることにより造り出される。
例えば、所定の運転時間の後に反応管内に存在する触媒を交換しなければならないことが必要な場合がある。交換を行うために反応器を冷却しなければならない。反応器３を再加熱の際に損なわないために、熱媒体内容物の少なくとも２０％を取り除かなければならない。反応器３中に残留する熱媒体９の冷却及び再加熱のための時間を最短化するために、熱媒体９を完全に取り除くことが好ましい。
排出のために、反応器３の最も低い箇所、同様に冷却器５の最も低い箇所には、排出管１７ａ、１７ｂが設けられていて、これらの排出管１７ａ、１７ｂは本発明による容器１１内に案内される。この排出管１７ａ、１７ｂには、反応器３及び冷却器５のそれぞれの最も低い箇所に同様に、遮断弁２９ｃ、２９ｄが機能的に設けられている。この場合、これらの遮断器具２９ｃ及び２９ｄは、それぞれ反応器ハウジング又は冷却器ハウジングのできる限り近くに取り付けられている。液状熱媒体の排出の際に、この液状熱媒体は容器１１内へ流入し、この容器１１は、図１に示された実施形態の場合に、地面水準よりも部分的に下方の窪み内に配置されている。この実施形態は、内部に配置された加熱装置１３を備えた容器１１が示されており、この加熱装置１３は例えば水蒸気によって作動する。この実施形態の場合に、容器１１内にポンプ１５が配置されていて、このポンプ１５は返送管１９を介して液状熱媒体９を返送することができる。このポンプ１５は、特に供給ポンプである。ここでも、遮断弁２９ｅが設けられていることが合目的である。熱媒体９を反応器システム１内へ送る場合、遮断器具２９ｆは閉鎖されている。容器１１内の熱媒体９を熱交換の目的で循環しようとする場合には、器具２９ｆは開放される。
図１には示されていないが、容器１１には更に攪拌機が取り付けられていて、液状熱媒体９を運動させ、それにより均一な温度分布を提供することが合目的である。
図１には、返送管１９が排出管１７ａ、１７ｂに合流する反応器システム１の構成が示されていて、排出管１７ａ、１７ｂは、部分的に液状熱媒体９の返送のためにも利用される。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。同様に、返送管１９は専用の管として反応器３及び／又は冷却器５内へ直接案内されていてもよい。
図１に示された実施形態は、更に、安全装置２３の後方に存在する分離器２５及び導管２７を備える。分離器は、冷却器漏洩の場合に、蒸気が熱媒体９内に侵入しかつこの蒸気が安全装置２３を介して容器内に放圧される場合に、安全装置２３の液体内容物を収容することになる。このようにして、導管システム（安全装置２３＋導管２７）中に生じる圧力は低減され、かつ反応器ハウジングの迅速な放圧が達成される。更に、流れ出る熱媒体は導管２７によって容器１１中に集められ、漏洩箇所により熱媒体９内へ侵入した蒸気とは重力分離によって分離される。この場合、漏洩の際に流出する熱媒体９を確実に受け取ることができ、蒸気から分離しかつ冷却器５の補修後に反応器３内に返送することができる。
Claims (10)
- − 反応器（３）、
− 前記反応器（３）と接続する、少なくとも１つの冷却器（５）、
− 液状熱媒体（９）の少なくとも一部を循環するための、前記反応器（３）及び／又は前記少なくとも１つの冷却器（５）と接続する、少なくとも１つのポンプ（７）、及び
− 前記液状熱媒体（９）を収容するための、前記反応器（３）及び／又は前記少なくとも１つの冷却器（５）と接続する容器（１１）とを備え、
前記容器（１１）は、前記反応器（３）及び／又は前記少なくとも１つの冷却器（５）の下方に配置されている、反応器システム（１）。 - 前記容器（１１）は、前記液状熱媒体（９）を加熱するための加熱装置（１３）を備える、請求項１に記載の反応器システム（１）。
- 前記容器（１１）は、少なくとも部分的に地面水準の下方に配置されている、請求項１又は２に記載の反応器システム（１）。
- 前記容器（１１）は、更にポンプ（１５）を備える、請求項１から３までのいずれか１項に記載の反応器システム（１）。
- 前記容器（１１）の容積は、理論的に、前記反応器（３）及び／又は前記少なくとも１つの冷却器（５）内に含まれる液状熱媒体（９）の体積よりも１０％大きい、請求項１から４までのいずれか１項に記載の反応器システム（１）。
- 前記容器（１１）は、排出管（１７ａ，１７ｂ）を介してそれぞれ、前記反応器（３）及び／又は前記少なくとも１つの冷却器（５）の最も低い箇所と接続されている、請求項１から５までのいずれか１項に記載の反応器システム（１）。
- 前記容器（１１）は、少なくとも１つの返送管（１９）を介してそれぞれ、前記反応器（３）及び／又は前記少なくとも１つの冷却器（５）と接続されている、請求項１から６までのいずれか１項に記載の反応器システム（１）。
- 前記排出管（１７ａ，１７ｂ）及び／又は前記返送管（１９）はそれぞれ１つの加熱装置を備える、請求項１から７までのいずれか１項に記載の反応器システム（１）。
- 前記反応器（３）は、発熱反応を実施するための管束型反応器であり、及び／又は前記少なくとも１つの冷却器（５）は、塩浴冷却器であり、かつ前記液状熱媒体（９）は、塩溶融物である、請求項１から８までのいずれか１項に記載の反応器システム（１）。
- 発熱反応を実施するための、請求項１から９までのいずれか１項に記載の反応器システム（１）の使用。
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