JP2019202313A - 反応器の温度を制御するための機器 - Google Patents

Abstract

【課題】化学反応が進行する化学反応器からの熱の除去または化学反応器への熱の導入のために使用することができる熱交換器システムの提供。【解決手段】反応器と熱交換器システムとから構成され、熱交換器システムが、温度制御流体１を導入する断熱されている内管２と温度を制御される媒体に直接接触する外管３とからなり、温度制御流体のリターンフローが内管と外管との間の環状ギャップに存する二重管である、少なくとも１つの温度制御指（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｉｎｇｅｒ）を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、反応器の温度を制御するための機器、ならびに、各場合において、断熱された内管を含む熱交換器を使用する、化学反応を実行するためのプロセスを提供する。

熱交換器システムは、化学工学において十分に周知であり、反応器から熱を除去しなければならない場合、または反応器に熱を導入しなければならない場合に使用される。原則として、熱交換器システムは、発生した反応の熱を除去するため、したがって、冷却効果を有するために、特に発熱性化学反応において使用され得る。その一方で、二者択一的に、熱交換器システムは、特に吸熱反応の場合に、吸熱反応を行うことができるように、反応器に熱を導入するために使用することができることも可能である。この場合、当該熱交換器システムは、加熱効果を有する。

先行技術において、例えば、欧州特許第０７９２６８３（Ｂ１）号において開示されるように、管式システムまたはシェルアンドチューブ式システムの形態において熱交換器システムを使用することは有用であることがわかっている。熱交換器システムは、典型的には、少なくとも１つの温度制御指（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｉｎｇｅｒ）を含み、それらは、例えば、内管および外管で構成される二重管からなり、反応器内へと入れることができる。この場合、当該温度制御指の外管は、環境、特に反応媒体に接触する。したがって、所望の熱伝達は、当該外管を介して生じる。内管は、温度制御媒体を供給する働きをし、そのリターンフローは、内管の外壁と外管の内壁との間の環状ギャップに存する。熱は、温度制御媒体から反応媒体へと、または反応媒体から温度制御媒体へと、外管を通して伝達され、これにより、所望の効果、すなわち、加熱効果または冷却効果が達成される。

産業において、反応器における熱交換器システムの使用は、実際の冷却効果および／または加熱効果以外に、化学反応が反応器のあらゆる部分において進行することができるために、および物質の最大変換を達成することができるために、可能な限り反応器内での温度差の発生を防ぐという目的も有する。

既知の熱交換器システムの使用に伴う技術的問題は、温度制御媒体の供給の場所と、熱交換エリアに対する熱の最大放出または最大熱需要の場所とが遠く離れていることである。上記の温度制御指の内管中へと流れる温度制御媒体は、外側の環状ギャップ内を反対方向に流れる加熱されたまたは冷却された温度制御媒体によって予熱または予冷される。これは、これらの領域が、内管を介する熱の伝導によって結合されているからである。

先行技術における既知の熱交換器システムが使用される場合、結果として、より大きい温度差が、冷却または加熱される反応器内に生じることは事実であり得、その効果は、化学反応の収率および／または選択性の低下である。さらに、負荷の変動に対する影響の受けやすさが高まる。

欧州特許第０７９２６８３（Ｂ１）号

本発明によって対処される問題は、反応器内での化学反応の温度を制御するために使用される場合に前述の欠点を生じない、新規の熱交換器システムを提供することである。

本発明に対する基本的な問題は、反応媒体中において発熱または吸熱反応を実施することができる反応器の温度制御（反応媒体からの熱の除去または反応媒体への熱の供給）のための機器によって、請求項１に従って解決することができ、この場合、当該機器は、とりわけ、熱交換器システムを含む。本発明による機器の熱交換器システムは、二重管として構成され、温度制御流体を当該二重管内に導入するための断熱された内管と、温度を制御される媒体、とりわけ、反応媒体、に直接接触する外管とからなる少なくとも１つの温度制御指を含み、その場合、当該温度制御流体のリターンフローは、内管と外管との間の環状ギャップ内に存する。

本発明による機器の熱交換器システムを示す。 少なくとも２つの温度測定装置（１７、１８）を含む反応器（６）において、本発明による熱交換器システムによって反応器（６）の温度を制御するための本発明による例示的機器を示す。

当該温度制御指の二重管の内管の断熱の効果は、当該内管中に導入される温度制御流体と、環状ギャップを通る冷却されたまたは加熱された温度制御流体のリターンフローとの間の熱伝達が、最小限に抑えられるかまたは完全に防がれることである。それにより達成されることは、熱伝達が、ほぼ例外なく、当該温度制御流体と反応媒体との間で生じ、流入する温度制御流体と流出する温度制御流体との間において、熱の一部の交換が全くないことである。当該温度制御指の下端は、通常、化学反応の大部分が進行する反応器の領域に配置されるため、当該熱交換器システムの使用によってさらに達成できることは、当該温度制御流体が、反応器における最も温かいポイントまたは最も冷たいポイント、すなわち、化学反応の大部分が進行する場所、において最大の可能な熱吸収能力（冷却のための使用）または最大の可能な熱放出能力（加熱のための使用）を有することであり、ならびに、内管と外管との間の熱伝達によってまだ予熱または予冷されていないということである。

温度制御指の数は、原則として、自由に選ぶことができ、ならびに、最終用途、とりわけ、冷却または加熱される化学反応、および／または使用の場所の構成、とりわけ、反応器の設計に適合させることができる。

温度制御指の二重管の断熱された内管の熱伝導率が、合計で、当該温度制御指の二重管の外管の熱伝導率より、５倍、好ましくは１０倍小さいことが、本発明による機器における熱交換器システムの構成の特定の特徴である。内管および外管の熱伝導率における本発明の差は、様々な方法において達成することができる。

温度制御指の二重管の外管または当該外管を構成する材料と比べて減じられた内管の熱伝導率は、断熱材による片面コーティングまたは両面コーティングによって、または断熱固体材料、とりわけ、プラスチックによる内管の構成によって、または密封された空洞が内側二重管の２つの管壁の間に存在する、二重管としての内管の構成によって、本発明に従って確立することができる。

当該温度制御指の二重管の外管は、好ましくは、反応媒体からまたは反応媒体への熱伝達を可能にするために、熱伝導性材料からなる。当該外管を構成する、可能な材料は、とりわけ、金属材料、例えば、炭素含有鉄鋼および／または合金鋼、ニッケル−銅、ニッケル、ニッケル−クロム−鉄、アルミニウムおよびアルミニウム合金、銅および銅合金、チタン、ならびにジルコニウムである。

内管のコーティングは、内管の内壁および／または外壁上であり得る。当該温度制御指の二重管の内管の内壁および外壁上の両面コーティングの存在下において、当該内側コーティングおよび外側コーティングは、シース（ｓｈｅａｔｈ）の様式において、内管壁の端面を介して接合していてもよい。当該コーティングは、好ましくは、プラスチックおよび／またはセラミックからなる。当該プラスチックは、とりわけ、ポリウレタン、ゴム、エポキシ樹脂、ポリアミド、ポリエステル、例えば、ポリエチレンテレフタレートなど、ポリエーテル、ポリアクリレート、例えば、ポリメチルメタクリレートなど、ポリピロール、ポリビニルエステル、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ポリオレフィン、例えば、ポリエチレンおよびポリプロピレンなど、ならびにポリアミド、例えば、ナイロンなど、ならびにＰＶＣからなる群より選択され得る。当該セラミックは、とりわけ、任意選択により結晶性化合物からなる群より選択され得、該結晶性化合物は、金属元素もしくは半金属元素および非金属元素、またはそれらの混合物、例えば、ケイ酸塩ベースのセラミック、例えば、アルミノケイ酸塩またはカオリンなど、あるいは酸化アルミニウム、酸化ベリリウム、酸化ジルコニウム（ＩＶ）、酸化チタン（ＩＶ）、チタン酸アルミニウム、またはチタン酸バリウムをベースとする酸化セラミック、あるいはシリコンカーバイド、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ホウ素カーバイド、窒化アルミニウム、二ケイ化モリブデン、またはタングステンカーバイドをベースとする非酸化セラミック、で構成される。当該コーティング材料は、内管の熱伝導率が、合計で（内管およびコーティング）、外管の熱伝導率より低くなるように選択されるべきである。同時に、当該熱交換器システム内において支配的な温度、とりわけ、熱制御流体の温度、に耐え、耐化学薬品性であるか、高々、当該温度制御流体に対して不活性であるような材料を選択することが必要である。

さらに、内管が完全に絶縁性固体材料からなる場合、内管の熱伝導率に対する要求を満たすことも可能である。同様に、この目的に対して好ましく好適であるのは、プラスチックおよび／またはセラミックである。当該プラスチックは、とりわけ、ポリウレタン、ゴム、エポキシ樹脂、ポリアミド、ポリエステル、例えば、ポリエチレンテレフタレートなど、ポリエーテル、ポリアクリレート、例えば、ポリメチルメタクリレートなど、ポリピロール、ポリビニルエステル、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ポリオレフィン、例えば、ポリエチレンおよびポリプロピレンなど、ならびにポリアミド、例えば、ナイロンなど、ならびにＰＶＣからなる群より選択され得る。当該セラミックは、とりわけ、任意選択により結晶性化合物からなる群より選択され得、該結晶性化合物は、金属元素もしくは半金属元素および非金属元素、またはそれらの混合物、例えば、ケイ酸塩ベースのセラミック、例えば、アルミノケイ酸塩またはカオリンなど、あるいは酸化アルミニウム、酸化ベリリウム、酸化ジルコニウム（ＩＶ）、酸化チタン（ＩＶ）、チタン酸アルミニウム、またはチタン酸バリウムをベースとする酸化セラミック、あるいはシリコンカーバイド、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ホウ素カーバイド、窒化アルミニウム、二ケイ化モリブデン、またはタングステンカーバイドをベースとする非酸化セラミック、で構成される。当該固体材料は、混合セラミック／プラスチック系であってもよく、または十分な割合において、金属材料への、詳細には非熱伝導性添加物、例えば、ガラスウールなどの繊維材料またはガラスビーズなどのフィラー、の添加によって製造され得る。温度制御指の二重管の内管を構成する、当該選択された断熱性固体材料は、当該熱交換器システム内において支配的な温度、とりわけ、温度制御流体の温度、に耐え、耐化学薬品性であるか、高々、当該温度制御流体に対して不活性であるような材料であるべきである。

さらなる手段は、キャビティが環境から密封されている二重管としての内管の構成である。例えば、二重管として構築された当該内管は、より大きなまたはより小さな直径を有する管が、内管に被せられるかまたは内管中に挿入され、ならびに被せられた、または挿入された当該第二管が、例えば、接着剤接合、圧着、ねじ接続、または溶接によって、上端または下端において内管に接合されるように、製造され得る。あるいは、二重管として構築される当該内管は、対応する鋳型による鋳造法または射出成形法によっても製造することができる。これは、好ましくは、内管と第二管との間に均一な環状ギャップを生じさせ、これは、任意選択により、追加のスペーサーによって保証される。この場合の当該環状ギャップは、前述のキャビティに対応する。好ましい実施形態において、このキャビティは、断熱ガスおよび／または断熱材料で満たされ得る。その一方で、当該キャビティ内は真空であってもよい。

当該二重管の内管のキャビティを満たすことができる、使用される当該断熱ガスは、空気、不活性ガス、例えば、窒素、または希ガス、例えば、アルゴン、クリプトン、またはキセノンなど、ブタン、トリクロロメタン、１，１，２−トリクロロ−１，１，２−トリフルオロエタン、１，２−ジクロロ−１，１，２，２−テトラフルオロエタン、テトラフルオロエタン、二酸化炭素、ジエチルエーテル、イソブタン、ペンタン、ペルオクタフルオロシクロブタン（ｐｅｒｏｃｔａｆｌｕｏｒｏｃｙｃｌｏｂｕｔａｎｅ）、プロパン、テトラフルオロメタン、ＣＦＣ−１１、またはＨＣＦＣ−１４１ｂであり得る。当該キャビティに導入することができる好適な断熱材は、好ましくは、上記において定義されるようなプラスチック、あるいは、例えば、ポリマーフォーム、例えば、ＰＵフォームまたはＳｔｙｒｏｐｏｒ（登録商標）など、またはポリマーペレット、および／または上記において定義されるようなセラミック、および／または液体、および／または有機天然物、例えば、綿およびコルク、であり得る。

本発明による熱交換器の断熱された内管は、好ましくは、≦０．５Ｗ／ｍＫ、好ましくは≦０．２５Ｗ／ｍＫ、より好ましくは≦０．１Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。これは、使用された前述の断熱材のタイプに関係ない。

本発明による機器の熱交換器システムのための温度制御流体は、最終用途に応じて、したがって、必要な効果に応じて選択され得る。使用される温度制御流体は、とりわけ、水、水溶液、とりわけ、塩水溶液、水ベースの混合物、とりわけ、１種または複数種のアルコールとの混合物、Ｍａｒｌｏｔｈｅｒｍ（登録商標）、または熱媒油であり得る。

特に好ましい実施形態において、反応器の温度を制御するための当該機器は、反応器を冷却するための機器である。その場合の本発明による機器の熱交換器システムは、内管が断熱された、上記のように構成された冷却指（ｃｏｏｌｉｎｇ ｆｉｎｇｅｒ）を有する冷却システムである。内管の断熱は、内管と外管との間の環状ギャップを通る加熱された冷却流体（温度制御流体に対応する）のリターンフローから、当該内管へと新たに入ってきたより冷たい冷却流体への熱伝達を抑制する。

図１は、本発明による機器の熱交換器システムを示しており、当該システムにおいて、温度制御流体（１）は、供給分配器（４）によって内管（２）中へと流れ込み、内管（２）と外管（３）との間の環状ギャップにおけるリターンフロー制御器（５）へと再び戻る。

本発明による機器、ならびに上記において説明した熱交換器システムはまた、当該熱交換器システムに供給される温度制御流体を収容する循環槽、当該温度制御流体の圧力を調節することができる第一シャットオフ継手、温度制御流体の温度をモニターし制御することができる第二シャットオフ継手、ならびに循環路内において温度制御流体を循環槽から熱交換器システムへと導き、温度制御循環路内の温度制御流体の体積を確立することができるポンプを含む。

発熱反応または吸熱反応が生じる、すなわち、その中に反応媒体が存在する当該反応器は、一般的に知られている反応器であってもよい。当該反応器は、典型的には、反応剤ならびに任意選択により触媒および／または溶媒を反応器内に導入することができる少なくとも１つの導入口と、例えば、さらなる処理のためまたは後処理のために、反応生成物および副産物を反応器から取り出すことができる少なくとも１つの導出口とを有する。本発明の好ましい実施形態において、当該反応器は、内部反応器温度または反応媒体の温度を異なるポイントにおいて測定できるように、少なくとも２つの温度測定装置を含み得る。好ましくは、当該少なくとも２つの温度測定装置の１つは、発熱反応の場合、反応のほとんどの熱が放出される反応器内のポイントに、または、吸熱反応の場合、（反応の）ほとんどの熱が必要とされる反応器内のポイント、すなわち、化学反応の大部分が進行する反応器内のポイントに配置される。

図２は、少なくとも２つの温度測定装置（１７、１８）を含む反応器（６）において、本発明による熱交換器システムによって反応器（６）の温度を制御するための本発明による例示的機器を示している。当該温度制御流体は、導管（７）を介してポンプ（１２）によって循環槽（９）から熱交換器システムへと導かれ、ならびに導管（８）を介して循環槽（９）へと戻される。圧力を制御するための第一シャットオフ継手（１４）は、循環槽へと導く導管（８）に取り付けられる。第二シャットオフ継手（１６）は、循環槽の導出導管（１１）に存在し、当該導管によって、蒸気または液体を排出することができる。導管（１０）によって、当該循環槽へ新鮮な温度制御粒体を供給することができる。当該機器はさらに、測定センサー（１３、１５）を含んでもよく、それらによって、当該シャットオフ継手は制御される。参照番号（１９）は、反応器（６）からの反応剤／生成物の流入および／または流出を示している。

好ましくは、本発明により、当該反応器は、気泡塔反応器、ジェットループ反応器、固定床反応器、またはトリクル床反応器である。全てのこれらの反応器のタイプは、先行技術において十分に説明され、当業者に既知である。好ましい反応器のタイプは、気泡塔反応器であり、より好ましくは、少なくとも１つの内部プレート、とりわけ、穴あきプレートを有する、カスケード式気泡塔反応器である。そのようなカスケード式気泡塔反応器は、例えば、独国特許出願公開第２１５７７３７（Ａ）号において開示されている。当該カスケード式気泡塔反応器は、好ましくは５０未満、より好ましくは２０未満の内部プレート、とりわけ、穴あきプレートを有する。

反応器の温度を制御するための本発明による機器のための温度制御流体は、最終用途に応じて、したがって、必要な効果に応じて選択され得る。使用される温度制御流体は、とりわけ、水、水溶液、とりわけ、塩水溶液、水ベースの混合物、とりわけ、１種または複数種のアルコールとの混合物、Ｍａｒｌｏｔｈｅｒｍ（登録商標）、または熱媒油である。

本発明による熱交換器システムまたは当該熱交換器システムの温度制御指は、当該熱交換器システムの外管が反応媒体と接触するように、およびその／それらの冷却効果または加熱効果を示すことができるように、反応器内に入れられる。当該熱交換器システムは、その少なくとも１つの温度制御指によって、上部から、底部から、または側部から、反応器内へと入れられ得る。したがって、当該熱交換器システムは、当該反応器のベースフランジ、トップフランジ、またはサイドフランジに接合される。好ましいのは、当該熱交換器システムがトップフランジに接合され、温度制御指が上からつるされて反応器内へと導入される構造を使用することである。

当該反応媒体は、原則として、単相形態または多相形態であり得る。単相または多相反応媒体の存在は、対応する発熱または吸熱化学反応および対応する反応パラメータの状況に依存する。当該反応器において行うことができる好ましい発熱または吸熱反応は、ヒドロホルミル化、ガス状モノマーの溶液重合、例えば、カルボン酸の製造などのための有機化合物の選択的酸化、Ｃ−ＣまたはＣ−Ｘ多重結合の水素化（この場合、Ｘ＝ＯまたはＮである）、フィッシャー−トロプシュ合成、スラリー相の場合、カルボニル化反応、ヒドロアミノメチル化反応、ヒドロシアン化、水素化、ヒドロシリル化、酸化、熱分解、水蒸気改質、脱水素化、脱水、オリゴマー化である。さらに、想到されるのは、アルコキシル化またはヒドロキシカルボニル化である。

使用される循環槽は、既知の循環槽であってよい。前提条件は、当該循環槽が、（化学的に）安定であり、高々、温度制御流体および支配的な温度に対して不活性であることである。当該循環槽のサイズは、化学反応に関して、温度制御流体における必要な冷却効果または加熱効果に適合されるべきである。当該循環槽は、温度制御流体を熱交換器システムに導くための少なくとも１つの導出口と、熱交換器システムを通って導かれた当該温度制御流体を循環槽へと戻すための少なくとも１つの導入口とを含む。さらに、当該循環槽は、新鮮な温度制御流体を加えるためのさらなる導入口および／または、例えば、蒸気などを当該循環槽から放出することができるさらなる導出口も有していてもよい。

温度制御流体の圧力をモニターし制御することができる第一シャットオフ継手は、とりわけ、温度制御指における、あるいは熱交換器システムからの導管または熱交換器システムへの導管における、温度制御流体の蒸発を防ぐ働きをする。本発明による第一シャットオフ継手は、バルブ、ゲートバルブ、ストップコック、またはフラップであってもよく、当該第一シャットオフ継手は、好ましくは、バルブ、ゲートバルブ、より好ましくはバルブである。さらに好ましい実施形態において、当該温度制御流体の圧力は、当該反応器内の少なくとも２つの温度測定装置における内部反応器温度の間の温度差（ΔＴ）の関数として制御される。このために、当該第一シャットオフ継手は、熱交換器システムを越えた（すなわち、熱交換器システムの下流の）パイプラインに配置され得る。反応器内のモニターされている場所での少なくとも２つの温度測定装置における温度の間の温度差に関して、温度制御流体の圧力の調節が必要な場合（例えば、圧力が、予め設定されたΔＴの限界を超えるかまたは下回る場合）、当該第一シャットオフ継手を開くことによりさらに圧力を下げることができ、または閉じることによりさらに圧力を高めることができる。開閉は、手動または自動によって、とりわけ、コンピュータ支援の方法において、行うことができる。

温度制御流体の温度（熱交換器システムにおける導出口温度）をモニターし制御することができる第二シャットオフ継手は、温度を調節する働きをし、それにより、温度制御流体による熱の吸収能力を調節することができる。本発明による第二シャットオフ継手は、バルブ、ゲートバルブ、ストップコック、またはフラップであってもよく、当該第二シャットオフ継手は、好ましくは、バルブ、ゲートバルブ、より好ましくはバルブである。さらに好ましい実施形態において、当該温度制御流体の温度は、内部反応器温度、好ましくは化学反応の大部分が進行する反応器内のポイントにおける内部反応器温度、の関数として制御される。このために、当該第二シャットオフ継手は、例えば、蒸気などを循環槽から放出することができる循環槽のさらなる導出口またはさらなる導出導管に配置され得る。言及された場所での温度測定装置における温度測定に関して、温度制御流体の導入口温度における調節が必要な場合、当該第二シャットオフ継手を開くことにより、例えば、循環槽から蒸気または加熱された温度制御流体を放出することができ、または当該第二シャットオフ継手を閉じることにより、放出される蒸気または加熱された温度制御流体の量を制限または完全に止めることができる。開閉は、手動または自動によって、とりわけ、コンピュータ支援の方法において、行うことができる。放出される蒸気または加熱された温度制御流体は、次いで、新鮮な温度制御流体を加えることによって取り換えることができる。

図２の温度測定装置は、任意に選択されており、それらの位置は、制限として見なされるべきではない。より良い反応レジームに役立つ場合には、当該反応器の他のポイントにおいて温度測定装置を使用することも可能である。

循環路内の温度制御流体を循環槽から熱交換器システムへと導き、温度制御循環路における温度制御流体の体積を確立することができるポンプは、温度制御流体の量を需要に応じて調節することができることを保証する。反応器の温度を制御するための本発明による機器のポンプは、温度制御流体を、十分な体積、適切な温度窓、および十分な圧力において、当該導管を通ってポンプ流送することができる、当業者に既知のポンプであり得る。当該ポンプは、化学的に安定であり、高々、温度制御流体に対して不活性であるべきである。

特に好ましい実施形態において、温度を制御するための本発明による機器は、発熱反応を行うことができるような、または反応が反応媒体中において行われるような、反応器を冷却するために（すなわち、反応の熱の除去のために）使用することができる。当該機器は、反応器と、１つまたは複数の冷却指および対応する冷却流体を有する前述の熱交換器システムと、熱交換器システムに供給される当該冷却流体を収容する循環槽と、当該冷却流体の圧力を調節することができる第一シャットオフ継手と、当該冷却流体の温度をモニターし制御することができる第二シャットオフ継手と、循環路内において当該冷却流体を循環槽から熱交換器システムへと導き、冷却循環路における当該冷却流体の体積を確立することができるポンプとを含み得る。

当該反応器は、好ましくは、気泡塔反応器、ジェットループ反応器、固定床反応器、またはトリクル床反応器である。好ましい反応器のタイプは、気泡塔反応器であり、より好ましくは、少なくとも１つの内部プレート、とりわけ、穴あきプレートを有する、カスケード式気泡塔反応器である。当該カスケード式気泡塔反応器は、好ましくは５０未満、より好ましくは２０未満の内部プレート、とりわけ、穴あきプレートを有する。

さらに好ましくは、使用される冷却流体は、水ベースの冷却流体、とりわけ、水である。本発明により、好ましくは、加圧された水冷却および蒸発しない水冷却がある。

蒸発冷却は、発熱反応の冷却のための標準的概念である。これは、熱交換器への液体冷却水の供給を伴う。反応媒体と接触している壁部において、当該水は、最初に加熱され、吸収される熱の量は、温度差および冷却水の熱容量に依存する。一般的に、蒸発冷却の場合、水は、沸点を少しだけ下回る温度において導入されるが、そのため、少量の熱の吸収の後に当該水は既に蒸発する。しかしながら、可能な熱の吸収は、支配的な状態（温度、圧力）の下での水の蒸発のエンタルピーによって制限される。当該水の沸点は、例えば、循環槽の圧力によって調節することができる。

反応剤の最も高い濃度のため反応の大部分が進行する反応器の一部において、除去されなければならない反応熱の大部分も放出される。この領域は、典型的には、温度制御指または冷却指の下端である。いくつかの化学反応（とりわけ、均一触媒反応、例えば、ヒドロホルミル化など）において使用される触媒は、過度に高い温度において熱破壊を受け得るため、この領域も、反応器全体の温度制御における特定の隙間に晒される。その結果、これらの下側ゾーンの最高温度は、当該触媒の破壊温度によって制限される。概して、高い温度は、反応速度および生成物の品質の両方を促進するため、反応器温度は、触媒安定性に対する最高許容温度に可能な限り近くまで上げられる。

この触媒安定性に連結した温度限界、除去されるべき熱の量、およびエネルギーに連結した、熱交換器における媒体の供給および除去（冷却のため）の効果は、冷却流体、とりわけ、水、の温度を冷却エリアの領域全体にわたって一定に維持することができる点である。発熱の少ない反応器部分において、この温度をプロセス全体に影響を及ぼすことなく調節することはできず、それは、反応器内の一部分における温度を、反応器全体に影響を及ぼすことなく調節することができないことを意味する。利用可能な熱交換エリアおよび作動パラメータに従って確立された冷却水の供給温度の効果は、冷却流体の温度が熱交換器の長さ全体にわたって広く行き渡ることである。前の変換によって既に減少している反応剤濃度（および／または、困難を伴ってのみ変換することができる反応剤の異性体が一部存在するという事実）に起因してはるかに少ない熱が放出される、反応器の部分において、熱交換エリアと冷却水温度との間の比は、この場合、芳しくない。当該反応混合物は、効率的な反応器操作にとって生産的であるよりも、はるかに著しく冷却され得る。したがって、蒸発冷却によって冷却された反応器において、操作の等温モードから逸脱して、２０Ｋまでまたはそれ以上の反応器に沿った温度差（反応媒体の流入および流出）が観察された。反応器の一部で温度が低くなることにより、反応速度は鈍化し、これによりいずれの場合もさらに生成物品質に悪影響を及ぼす。

加圧された水冷却は、液体の沸騰が十分に高い正の圧力によって抑えられ、原則として、反応媒体と冷却水との間のより高い温度差か、または熱交換器を通過しなければならない非常にはるかに多い量の冷却水のどちらかを必要とする。この理由は、水の蒸発のエンタルピーと、所定の温度での水の比熱容量との間の差であり、その理由から、好ましいのは、典型的には、工業プラントでの蒸発冷却である。驚くべきことに、蒸発冷却から加圧水冷却への切り替えは、化学反応、とりわけ、ヒドロホルミル化反応の変換性能に対してさらなる好ましい効果を有し得ることが見出された。

上記のように構成することができる断熱された熱交換器と併せての、加圧された水冷却の使用は、反応器全体にわたる、操作のほぼ等温モードを可能にする。「ほぼ等温」は、反応器内の最も温かいポイントと最も冷たいポイントとの間の温度差が、高々、蒸発冷却の半分であり、とりわけ、１３Ｋ未満、好ましくは７．４Ｋ未満、より好ましくは５Ｋ未満であることを意味するとして理解される。

本発明はさらに、反応器において発熱性化学反応を行うためのプロセスであって、反応の熱は、上記において定義されるような内部熱交換器システムによって除去され、当該熱交換器システムを通って流れる冷却流体は沸騰せず、ならびに反応器内の最も冷たいポイントと最も温かいポイントとの間の温度差は、１３Ｋ未満、好ましくは７．４Ｋ未満、より好ましくは５Ｋ未満である、プロセスに関する。

当該発熱性化学反応は、好ましくは、ヒドロホルミル化である。ヒドロホルミル化において、２個から２０個の炭素原子を有するオレフィンは、好ましくは、合成ガスと呼ばれる、水素と一酸化炭素とによる混合物と反応し、炭素原子をさらに一つ有するアルデヒドを与える。当該アルデヒドは、例えば、水素化によってアルコールへと転化され得る。

ヒドロホルミル化において使用される触媒は、様々な配位子によって錯化され得る中心原子として金属を有する金属化合物または有機金属錯体を含み得る。本発明により、好ましいのは、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、またはＦｅ触媒によるヒドロホルミル化であり、この場合、当該Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、またはＦｅ原子は、より好ましくは、配位子を有する。

使用される配位子は、有機リン化合物であり得、非限定的な例は、有機ホスフィンまたは有機ホスフィットである。そのような触媒系は、オレフィンとそれらに溶解された合成ガスとによる液体反応混合物に溶解され得、したがって、好ましくは均一である。当該触媒は、取り出される反応混合物から分離することができ、当該反応混合物は、典型的には、形成されたアルデヒド、副産物、未転化の反応剤、および溶存する触媒または成分またはそれらの分解生成物、すなわち、純金属、遊離配位子、または分解した金属および配位子、を含む。

特に好ましいのは、中心原子としてコバルトまたはロジウムを有する触媒系であり、後者は、多くの場合、有機リン配位子、例えば、ホスフィン、ホスフィット、またはホスホルアミダイト化合物など、によって錯化され得る。

特に、有機リン配位子を伴うロジウム触媒は、ロジウム金属の高い市場価格と、多くの場合、複雑な配位子合成のために、かなり高価であるため、産業において、触媒の活性をできるだけ長く維持するための多大な努力が為されている。触媒活性な錯体は、一般的に、反応の際および触媒含有反応混合物の後処理の際に、圧力（特に、一酸化炭素の分圧）および温度の両方に依存する錯体化学平衡に晒される。さらなる複雑さを増す要因は、触媒錯体の一部を形成する有機リン配位子が、状態における変化の影響を非常に受けやすく、場合により、急速に劣化することである。当該配位子の分解生成物は、もはや、有機金属錯体を安定化することも、金属中心に特に強く結合することもできないため、触媒反応を首尾よく達成するために必要な感度の高い触媒錯体平衡が乱される。これは、巨視的観点において、触媒の不活性化を生じる。最良の場合、不活性化された触媒は、高価で不便な方法においてのみ、再活性化することができる。特に、とりわけ活性な配位子として知られる有機ホスフィットは、温度が高くなるとますます分解反応を受けるため、ヒドロホルミル化の発熱性化学反応の間、制御された温度レジームが不可欠である。

ヒドロホルミル化によって放出される反応熱の除去のため、当該反応器は、上記において定義されるような本発明による熱交換器を備えるか、または上記において定義されるような温度制御のための本発明による機器を備える。

ヒドロホルミル化は、反応混合物が好ましくは少なくとも２つの相からなる、反応である。アルケンは、液相として反応器に導入され得るか、あるいは反応器においてまたは反応器の上流において有機溶媒に溶解され、結果として、当該反応器において液相を生じる。当該合成ガスは、典型的には、ガス状形態において反応器に導入される。当該合成ガスは、同様に、反応のために液相に溶解されたアルケンおよび触媒と接触しなければならないので、当該合成ガスの成分は、当該液相に溶解される必要がある。ガス相から液相への物質移動は、相界面のサイズによって極めて重要な程度にまで影響されるため、目的は、液相における当該ガスの最大分散を達成することである。これを可能にするために、当該反応器は、好ましくは、気泡塔反応器またはジェットループ反応器である。好ましい反応器のタイプは、気泡塔反応器であり、より好ましくは、少なくとも１つの内部プレート、とりわけ、穴あきプレートを有する、カスケード式気泡塔反応器である。当該カスケード式気泡塔反応器は、好ましくは５０未満、より好ましくは２０未満の内部プレート、とりわけ、穴あきプレートを有する。

当該ヒドロホルミル化は、１０ｂａｒから４００ｂａｒ、好ましくは１５ｂａｒから２５０ｂａｒの圧力において行うことができる。当該ヒドロホルミル化における温度は、７０℃から２５０℃、好ましくは１００℃から２００℃であり得る。

特に好ましいのは、本発明により、内管および外管で構成された二重管として構築された少なくとも１つの冷却指を有する本発明による内部熱交換器を伴った任意選択によりカスケード式の気泡塔反応器を含む、２個から２０個の炭素原子を有するオレフィンのヒドロホルミル化のための機器であり、この場合、当該内管は、反応器または反応媒体の冷却のために、上記において定義されるように断熱される。当該冷却流体は、好ましくは、水である。その上、オレフィンのヒドロホルミル化のための本発明による当該機器は、循環槽と、ポンプと、冷却管における冷却材の蒸発を防ぐことができる第一シャットオフ継手と、冷却流体の導入口温度を制御することができる第二シャットオフ継手とを有する。特定の実施形態において、当該冷却水の導入口温度は、温度測定装置による内部反応器温度の測定値の関数として、循環槽の第二シャットオフ継手によって制御される。本発明のさらなる好ましい実施形態において、さらに、当該温度制御流体の圧力は、反応器内の２つの温度測定装置の間の温度差（ΔＴ）の関数として、第一シャットオフ継手によって制御される。

Claims (14)

1. 反応器（６）と、熱交換器システムと、該熱交換器システムに供給される冷却流体を収容する循環槽（９）と、該温度制御流体の圧力を調節することができる第一シャットオフ継手（１４）と、該温度制御流体の該温度をモニターし制御することができる第二シャットオフ継手（１６）と、循環路内において該温度制御流体を該循環槽（９）から該熱交換器システムへと導き、該温度制御循環路内の温度制御流体の体積を調節することができるポンプ（１２）とを含む、反応媒体中において発熱または吸熱反応を行うことができる反応器の温度を制御するための機器であって、
   該熱交換器システムが、少なくとも１つの温度制御指（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｉｎｇｅｒ）を含み、
   該温度制御指が、温度制御流体（１）を二重管に導入する内管（２）と、温度を制御される媒体に直接接触する外管（３）とからなる該二重管であって、該温度制御流体（１）のリターンフローが内管（２）と外管（３）との間の環状ギャップに存する、二重管であり、該二重管の該内管（２）が断熱されていることを特徴とし、ならびに
   該温度制御指の該外管が該反応媒体と接触するように、該熱交換器システムが反応器内に入れられる、
   機器。
2. 前記熱交換器の前記二重管の前記内管（２）が、断熱材、とりわけ、プラスチックおよび／またはセラミック、による片面コーティングまたは両面コーティングによって、または断熱固体材料、とりわけ、プラスチックおよび／またはセラミック、による内管の構成によって、または該内側二重管の２つの管壁の間に密封された空洞が存在する二重管としての該内管の構成によって、形成される、請求項１記載の、反応器の温度を制御するための機器。
3. 前記熱交換器の前記内側二重管の前記２つの管壁の間の前記空洞が、断熱ガスおよび／または断熱材料で満たされているか、または該空洞が真空である、請求項２記載の、反応器の温度を制御するための機器。
4. 前記内部反応器温度を測定するための少なくとも２つの温度測定装置（１７、１８）を含む、請求項１〜３のいずれか一項記載の、反応器の温度を制御するための機器。
5. 前記温度制御流体の前記温度が、内部反応器温度、好ましくは前記化学反応の大部分が進行する前記反応器内のポイントにおける該内部反応器温度、の関数として制御される、請求項１〜４のいずれか一項記載の、反応器の温度を制御するための機器。
6. 前記温度制御流体の前記圧力が、前記反応器内の前記少なくとも２つの温度測定装置（１７、１８）における前記内部反応器温度の間の温度差（ΔＴ）の関数として制御される、請求項１〜５のいずれか一項記載の、反応器の温度を制御するための機器。
7. 使用される前記冷却流体が、水、水溶液、とりわけ、塩水溶液、水ベースの混合物、とりわけ、１種または複数種のアルコールとの混合物、Ｍａｒｌｏｔｈｅｒｍ（登録商標）、または熱媒油である、請求項１〜６のいずれか一項記載の、反応器の温度を制御するための機器。
8. 前記反応器が、気泡塔反応器、ジェットループ反応器、固定床反応器、またはトリクル床反応器である、請求項１〜７のいずれか一項記載の、反応器の温度を制御するための機器。
9. 前記発熱反応が、ヒドロホルミル化、ガス状モノマーの溶液重合、例えば、カルボン酸の製造などのための有機化合物の選択的酸化、Ｃ−ＣまたはＣ−Ｘ多重結合の水素化（この場合、Ｘ＝ＯまたはＮである）、フィッシャー−トロプシュ合成、スラリー相の場合、カルボニル化反応、ヒドロアミノメチル化反応、ヒドロシアン化、水素化、ヒドロシリル化、酸化、熱分解、水蒸気改質、脱水素化、脱水、オリゴマー化である、請求項１〜８のいずれか一項記載の、反応器の温度を制御するための機器。
10. 前記熱交換器システムが、底部から、上部から、または側部から前記反応器内へと導かれ、それに応じて、該反応器のベースフランジ、トップフランジ、またはサイドフランジに接合され、好ましくは、上部から該反応器内へと導かれ、該トップフランジに接合される、請求項１〜９のいずれか一項記載の、反応器の温度を制御するための機器。
11. 発熱反応を行うことができる反応器の冷却のための、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の、反応器の温度を制御するための機器の使用。
12. 反応器において発熱化学反応を行うための方法であって、反応の該熱が、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の、前記反応器の前記温度を制御するための機器によって除去され、前記熱交換器システムを通って流れる前記冷却流体が、沸騰せず、ならびに該反応器内の前記最も冷たいポイントと前記最も温かいポイントとの間の前記温度差が、１３Ｋ未満である、方法。
13. 前記発熱化学反応が、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、またはＦｅ触媒によるヒドロホルミル化である、請求項１２記載の方法。
14. 前記反応器内の前記最も冷たいポイントと前記最も温かいポイントとの間の前記温度差（反応の性能に対する）が、１３Ｋ未満、好ましくは７．４Ｋ未満、より好ましくは５Ｋ未満である、請求項１３記載の方法。