JP2024516787A - 重合傾向のある化合物の混合物の熱処理用カラム - Google Patents

重合傾向のある化合物の混合物の熱処理用カラム Download PDF

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Abstract

本発明は、重合傾向のある化合物の混合物を熱処理するためのカラム1に関する。カラム1は、下方に入口開口部9と上方に出口開口部10とを有する上昇管8を備える質量移動トレイ5を備える。上昇管8は、質量移動トレイ5の上面に近い質量移動トレイの上方に側方開口部11をさらに備える。前記上昇管8は、側方開口部を通って上昇管8に入る質量移動トレイからの化合物の混合物の液体画分の霧化によって出口開口部10に湿し水13を形成するように適合されている。湿し水13は、重合が起こりやすいカラム1のスポット16にスプレーされる。さらに、本発明は、そのようなカラム1を使用する熱分離プロセスに関する。

Description

本発明は、重合する傾向がある化合物の混合物を熱処理するためのカラムに関し、カラムは、カラムキャビティを形成する円筒形の垂直カラム本体と、カラムキャビティ内に配置され、質量移動トレイのリムによって囲まれた少なくとも1つの開口部を含む少なくとも1つの質量移動トレイとを含む。さらに、本発明は、そのようなカラムを使用する熱分離プロセスに関する。
分離カラムでは、上昇ガス流および下降液体流は、多くの場合、向流で行われ、流れの少なくとも1つは、特に（メタ）アクリルモノマーを含む。流れの間に存在する非平衡の結果として、熱および質量の移動が起こり、最終的に分離カラム内で所望の除去または分離を引き起こす。本明細書では、このような分離プロセスを熱分離プロセスと呼ぶものとする。
本明細書で使用される「熱分離プロセス」という表現の例、したがってその要素は、分別凝縮（例えば、独国特許出願公開第19924532号明細書、独国特許出願公開第10243625号明細書および国際公開第2008／090190号パンフレットを参照）および整流（どちらの場合も、上昇気相は、下降液相に向流で導かれ、分離作用は、平衡時のガス組成が液体組成と異なることに基づく）、吸収（少なくとも1つの上昇ガスは、少なくとも1つの下降液体に向流で導かれ、分離作用は、液体中のガス成分の異なる溶解度に基づく）および脱着〔吸収の逆プロセス、液相に溶解したガスは、分圧を下げることによって除去される、液相に溶解した材料の分圧が、キャリアガスを液相に通過させることによって少なくとも部分的に低下する場合、この熱分離プロセスは、ストリッピングとも呼ばれ、代替的または追加的に（組み合わせとして同時に）、分圧の低下は、作動圧力を低下させることによってもたらすこともできる〕である。
例えば、触媒気相酸化の生成ガス混合物からの（メタ）アクリル酸および／または（メタ）アクロレインの除去は、（メタ）アクリル酸および／または（メタ）アクロレインが最初に溶媒（例えば、水または有機溶媒）への吸収または生成ガス混合物の分別凝縮による塩基性除去に供され、得られた吸収物または凝縮物がその後さらに分離されて、より高いまたはより低い純度の（メタ）アクリル酸および／または（メタ）アクロレインが得られるように行うことができる（例えば、独国特許出願公開第10332758号明細書、独国特許出願公開第10243625号明細書、国際公開第2008／090190号パンフレット、独国特許出願公開第10336386号明細書、独国特許出願公開第19924532号明細書、独国特許出願公開第19924533号明細書、独国特許出願公開第102010001228号明細書、国際公開第2004／035514号パンフレット、欧州特許出願公開第1125912号明細書、欧州特許出願公開第982289号明細書、欧州特許出願公開第982287号明細書および独国特許出願公開第10218419号明細書を参照）。
本明細書における「（メタ）アクリルモノマー」の表記は、「アクリルモノマーおよび／またはメタクリルモノマー」の省略形である。
本明細書における用語「アクリルモノマー」は、「アクロレイン、アクリル酸および／またはアクリル酸のエステル」の省略形である。
本明細書における用語「メタクリルモノマー」は、「メタクロレイン、メタクリル酸および／またはメタクリル酸のエステル」の省略形である。
特に、本文書で述べられる（メタ）アクリルモノマーは、以下の（メタ）アクリル酸エステル、ヒドロキシエチルアクリレート、ヒドロキシエチルメタクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、ヒドロキシプロピルメタクリレート、グリシジルアクリレート、グリシジルメタクリレート、メチルアクリレート、メチルメタクリレート、n－ブチルアクリレート、イソブチルアクリレート、イソブチルメタクリレート、n－ブチルメタクリレート、tert－ブチルアクリレート、tert－ブチルメタクリレート、エチルアクリレート、エチルメタクリレート、2－エチルヘキシルアクリレート、2－エチルヘキシルメタクリレート、N，N－ジメチルアミノエチルアクリレートおよびN，N－ジメチルアミノエチルメタクリレートを含むことが意図される。
（メタ）アクリルモノマーは、例えば、接着剤として、または衛生物品中の水超吸収材料としての用途が見出されるポリマーの調製のための重要な出発化合物である。
工業規模では、（メタ）アクロレインおよび（メタ）アクリル酸は、主に、適切なC3／C4前駆体化合物（またはその前駆体化合物）の触媒気相酸化によって調製される。アクロレインおよびアクリル酸の場合、使用されるそのような前駆体化合物は、好ましくはプロペンおよびプロパンである。メタクリル酸およびメタクロレインの場合、イソブテンおよびイソブタンが好ましい前駆体化合物である。
プロペン、プロパン、イソブテンおよびイソブタンだけでなく、3または4個の炭素原子を含む他の化合物、例えばイソブタノール、n－プロパノール、またはその前駆体化合物、例えばイソブタノールのメチルエーテルも出発材料として適している。アクリル酸は、気相触媒作用下でのアクロレインの酸化によっても得ることができる。メタクリル酸は、気相触媒作用下でのメタクロレインの酸化によっても得ることができる。
このような調製プロセスの文脈では、（メタ）アクリル酸および／または（メタ）アクロレインを除去しなければならない生成ガス混合物を得ることが通常である。
（メタ）アクリル酸のエステルは、例えば、（メタ）アクリル酸および／または（メタ）アクロレインと適切なアルコールとの直接反応によって得ることができる。しかし、この場合も、生成物混合物が最初に得られ、そこから（メタ）アクリル酸エステルを除去しなければならない。
これらの分離プロセスが行われる分離カラムは、内部構造物を含む。熱分離プロセスでは、これらは、分離カラムでの分離をもたらす熱および質量移動のための表面積（「移動面積」）を増加させる目的を有する。
この種の有用な内部構造物には、例えば、質量移動トレイとも呼ばれる構造化パッキン、ランダムパッキンおよび／またはトレイが含まれる。しばしば、使用される分離カラムは、分離内部構造物の一部として少なくとも1つの一連の質量移動トレイを含むものである。
質量移動トレイの目的は、その上に形成される液体層の形態で、分離カラム内に本質的に連続的な液相を有する領域を提供することである。液体層内を上昇し、液相に分配されるガス流の表面は、重要な移動領域である。
質量移動トレイのシーケンスは、分離カラム内で互いに上下に配置された、一般に同じ設計（すなわち、同一）の少なくとも2つの質量移動トレイのシーケンス（連続）を意味すると理解される。有利には、適用目的のために、そのような一連の（シーケンスの）質量移動トレイにおける2つの直接連続する質量移動トレイ間の明確な距離は均一である（質量移動トレイが分離カラム内で互いに等距離に配置されることを意味する）。
質量移動トレイの最も単純な実施形態は、トリクルシーブトレイと呼ばれる。これは、プレート、またはプレートを形成するように接合されたプレートセグメントを含み、プレート上に分配された上昇気相のための本質的に平坦な通路オリフィス（passage orifice）形孔および／またはスロットを有する（例えば、独国特許出願公開第10230219号明細書、欧州特許出願公開第1279429号明細書、米国特許出願公開第3988213号明細書および欧州特許出願公開第1029573号明細書を参照）。これら以外のオリフィス（例えば、少なくとも1つの下降管（少なくとも1つの排水セグメント））は、一般に、トリクルシーブトレイには存在しない。この下降管の不在の結果として、分離カラム内で上昇するガス（分離カラム内で上昇するガス）と分離カラム内で下降する液体の両方は、（同じ）通路オリフィスを通って（通路の開放断面を通って）、時間的に交互に、反対方向に流れて移動しなければならない。通路オリフィスを通る上昇ガスおよび下降液体の「デュアルフロー」も参照され、これが、文献がこのタイプの質量移動トレイに対して「デュアルフロートレイ」という用語を頻繁に使用する理由である。
デュアルフロートレイの通路オリフィスの断面は、それ自体既知の方法でその上の負荷に合わせられる。断面が小さすぎる場合、上昇ガスは、分離カラム内を下降する液体が本質的に分離作用なしに同伴されるような高速で通路オリフィスを通過する。通路オリフィスの断面積が大きすぎる場合、上昇ガスおよび下降液体は、本質的に交換することなく互いに通過し、質量移動トレイは乾燥する危険性がある。
言い換えれば、トリクルシーブトレイ（デュアルフロートレイ）の分離活性動作範囲には2つの限界がある。トリクルシーブトレイの分離活性動作を可能にするために、特定の液体層がトリクルシーブトレイ上に保持されるように、上昇ガスの最小制限速度が必要である。上昇ガスの速度の上限は、ガス速度がトリクルシーブトレイ上の液体をせき止め、液体がトリクルシーブトレイを通って流れるのを防ぐとき、フラッドポイントによって固定される。
産業用デュアルフロートレイの通路オリフィスの最長寸法（＝通路オリフィス断面の輪郭上の二点を結ぶ最長直線）は、典型的には10から80 mm（例えば、独国特許出願公開第10156988号明細書を参照）である。通常、通路オリフィスは、トリクルシーブトレイ内で同一である（言い換えれば、それらはすべて同じ幾何学的形状および同じ断面（同じ断面積）を有する）。適切には、適用上、断面積は円である。言い換えれば、トリクルシーブトレイの好ましい通路オリフィスは円形孔である。トリクルシーブトレイの通路オリフィスの相対配置は、有利には厳密な三角形ピッチに従う（例えば、独国特許出願公開第10230219号明細書を参照）。もちろん、1つの同じトリクルシーブトレイ内で通路オリフィスを異なる（トリクルシーブトレイにわたって変化する）ように構成することも可能である。
有利には、適用上、一連のトリクルシーブトレイは、好ましくは互いに等距離に配置された分離カラム内の同じ設計のトリクルシーブトレイ（同一のトリクルシーブトレイ）を含む。
独国特許出願公開第10156988号明細書によれば、デュアルフロートレイ内で均一な（好ましくは円形の）断面を有するが、シーケンス内で変化する（例えば、下から上に向かって減少する）分離カラム内のトリクルシーブトレイのシーケンスを使用することも可能である。
一般に、対応するトレイシーケンス内の各デュアルフロートレイは、分離カラムの壁と同一平面上で終わる。しかしながら、カラム壁とトレイとの間にブリッジによって部分的にのみ中断された中間空間が存在する実施形態もある。実際の通路オリフィスとは別に、トリクルシーブトレイは、典型的には、せいぜい、トレイを支持リングなどに固定するのに役立つオリフィスを有する（例えば、独国特許出願公開第10159823号明細書を参照）。
一連のトリクルシーブトレイの通常の動作範囲内では、分離カラム内を下降する液体は、デュアルフロートレイからデュアルフロートレイへ液滴状で下方に滴下し、これは、デュアルフロートレイ間を上昇する気相が分割液相によって浸透されることを意味する。それぞれの場合に下のトリクルシーブトレイに当たった液滴の一部は霧化される。通路オリフィスを通って流れるガス流は、トレイの表面に形成された液体層を通って気泡を発生させ、液体とガスとの間の強い熱および質量移動を伴う。
気体および液体の負荷に応じて、2 mを超えるカラム直径の場合、トリクルシーブトレイでは、液体のわずかに不均等な分布が蓄積し、したがってトレイの液体ホールドアップが広い面積にわたって変化するか、または循環波が形成される傾向があり、これらの条件下での液体分布は時間依存性で位置依存性が高いため、第1にカラム本体の機械的安定性に悪影響を及ぼし、第2に分離作用を減少させる可能性がある。したがって、このような非定常状態を回避するために、トレイ断面にわたって垂直金属シートの形態のバッフルを分配することが有利であり、これによりカラム本体内の液体の蓄積が防止されるか、または少なくとも大幅に低減することが分かった。金属シートの高さは、形成される液体泡沫層の高さにほぼ対応する必要がある。これは通常の負荷では典型的には約20 cmである。
分離カラムの断面は一般に円形である。これは、付随する質量移動トレイに対応して適用される。
この文書の目的のために使用可能なデュアルフロートレイは、例えば、Technische Fortschrittsberichte［Technical Progress Reports］，vol．61，Grundlagen der Dimensionierung von Kolonnenboden［Fundamentals of the Dimensioning of Column Trays］，198～211ページ，Verlag Theodor Steinkopf，ドレスデン（1967年）および独国特許出願公開第10230219号明細書に記載されている。
トレイ上のトレイ上に下降する液体の強制的な流れのない質量移動トレイを含む上述のトリクルシーブトレイのシーケンスは、そのような強制的な液体の流れを有する質量移動トレイのシーケンスとは区別される。
これらの質量移動トレイの特徴的な特徴は、それらが、既に説明した通路オリフィスと同様に、少なくとも1つの下降管をさらに有することである。これは、質量移動トレイに存在する少なくとも1つの下降流オリフィスであり、これに向かって、質量移動トレイ上に降下した液体（例えば、出口堰（最も単純な実施形態では、これは、ネック（煙突；円形の下降流オリフィスの場合、管）を有する下降流オリフィスの上方延長部であってもよい）の上）が流れ、このオリフィスは、シーケンスにおいて下にある質量移動トレイに供給するシャフトに流れ込み、このシャフトは、一般に、カラムの長手方向を指す軸に対して中心対称性を有するように構成されている。シャフトの断面は、この軸に沿って（例えば狭く）変化してもよく、あるいは一定であってもよい。
質量移動トレイの少なくとも1つの下降管によって、そのような質量移動トレイのシーケンス内で、より高い質量移動トレイから下降する液体は、シーケンスの次に最も低い質量移動トレイへの液体の少なくとも1つの供給としてこの質量移動トレイの通路オリフィスを通って上昇し続けるガスとは無関係に下降することができる。
下降液体および上昇ガスの流路のこの分離の本質的な基礎は、上昇ガスのそれぞれの下降管の油圧シール（液体シールまたはシャフトシール）である（下降管は、上昇ガス用の通路オリフィスを通過するバイパスを形成してはならす、ガス流は、下降管を通って通路オリフィスを通過して上昇してはならない）。
そのような油圧シールは、例えば、下降管を、シーケンスの次の最も低い質量移動トレイ上の液体層に十分深く浸かる程度まで下方に引き込む（下降管を下方に延伸させる）ことによって達成することができる（そのようなシールは、本明細書では「静的シール」とも呼ばれる）。この目的に必要な液面は、例えば適切な出口堰の高さを介して、下部の質量移動トレイ上で達成することができる。
しかしながら、このような設計には、上方の質量移動トレイの下降管の流出断面の真下の下方の質量移動トレイの領域（供給領域と呼ばれる）は、上昇ガス用のいかなる通路オリフィスも有することができず、したがって、下方の質量移動トレイ上に形成された液体層と上昇ガスとの間の熱および質量移動に利用できないという欠点がある。
代替的な実施形態では、下降管の下側流出端は、下方の質量移動トレイ上に存在する液体層にもはや浸からない程度まで切頭される。この場合、少なくとも1つの下降管の下端と下降管が走行する質量移動トレイとの間には、十分に大きな中間空間が残り、その中に泡沫層が形成され、（下部の質量移動トレイ上に）蓄積する液体層と（このトレイを通って）上昇するガスとの間で熱および質量移動が起こり得る。言い換えれば、この場合、下方の質量移動トレイ上の少なくとも1つの下降管の「供給領域」も通路オリフィスを有することができ、したがって、質量移動トレイの利用可能な交換領域、したがってその分離作用を増大させることができる。
この場合、例えば、下降管の流出端の下方に取り付けられた回収カップを用いて、下降管の静的液体シールをもたらすことができる。適切には適用上、この場合、回収カップの外壁は、下降管の流出端が回収カップ内に浸かる程度に切頭される（下降管の下縁を回収カップの上縁で終端させることも可能である）。カラムの動作の過程で、下降管を通って下方に流れる液体は、回収カップの外壁の上縁を越えて流れるまで回収カップ内に集まる。下降管の下縁は、回収カップ内に存在する液体に浸かり、回収カップは、下降管のサイフォン状の液体シールを形成する。
あるいは、切頭下降管を動的にシールすることもできる。この目的のために、下降管は、例えば、その下端において、液体が下降管内でせき止められ、ガスの浸透を防止するような寸法の出口オリフィスを備えたトレイでシールすることができる（例えば、欧州特許出願公開第0882481号明細書および独国特許出願公開第10257915号明細書を参照）。この場合、シャフトシールは、出口オリフィスで生じる圧力降下によって動的に確立される。言い換えれば、静的シールの場合、下降管は、その流出端がせき止められた液体に浸かることによってシールされ、動的シールの場合、下降管の流出端の構造的特徴は、流出する液体が圧力降下を受け、下降管内を下降する液体をせき止め、それがシールを引き起こすという効果を有する。最も単純なケースでは、そのような圧力降下は、シャフトの平均断面と比較して、下降管の出口オリフィスの小さな断面が選択されることによって引き起こされ得る。
そのような一連の質量移動トレイの分離活性動作のために、少なくとも1つの下降管の設計が関連する。第1に、選択された少なくとも1つの下降管の断面は、液体が、分離カラムの最大装填時でも、少なくとも1つの下降管を通って確実に降下することができ、上のトレイに戻らないように、十分に大きくなければならない（一般に、対応する断面積は、通路オリフィスの断面積よりも大きい）。一方、最小限の液体負荷の場合でも、少なくとも1つの下降管の油圧シールが依然として存在することを保証しなければならない。
低いガス負荷では、同様に、液体が通路オリフィスを通って滴下する危険性がある。さらに、液体は、せき止められた液体カラムの重量が、下降管が接続されている質量移動トレイの下方のガス空間に液体を搬送するのに十分である程度まで、下降管内でせき止められなければならない。このせき止め高さは、下降管の必要な最小長さを決定し、したがって、対応する質量移動トレイのシーケンスにおいて必要とされるトレイ分離を部分的に決定する。上記せき止め高さ（せき止め長さ）の重要な部分的決定因子は、質量移動トレイの圧力降下Δpである。この圧力降下は、通路オリフィスを通って流れる上昇ガス、および質量移動トレイ上の泡沫層の「静水圧」ヘッドによるものである。これは、一連のそのような質量移動トレイの気相中の圧力が上から下に向かって増加するという事実に関与する。したがって、質量移動トレイの下降管にせき止められた液体の「静水圧」圧力hpについては、少なくとも質量移動トレイの条件hp＞Δpが満たされる必要がある。これらの接続は、例えば欧州特許出願公開第1704906号明細書からも当業者に知られており、下側の質量移動トレイ上の流入堰を用いて、下側の質量移動トレイ上の液体層内の上側の質量移動トレイの下降管の静的シーリングの場合に、下降液体による低ロードの場合でもシャフトシールが依然として存在することを保証する可能性がある。しかしながら、流入堰の使用は、その中にせき止められた液体を下側の質量移動トレイに押し付けるために下降管において必要とされるせき止め高さを増加させる。全体として、下降管の要素は、トリクルシーブトレイと比較して分離活性動作範囲の拡大を可能にする。本発明によるプロセスにおける下降管からの下降管内でせき止められた液体の好ましい流出速度は、例えば1．2 m／sである。
さらに、このトレイ上の質量移動トレイ上に下降する液体の強制循環を可能にする。
例えば、（好ましくは円形の）質量移動トレイの半分のみが少なくとも1つの下降管を有し（これは、すべての下降オリフィスが対応する円セグメント内にその全範囲で存在することを意味する）、この種の少なくとも2つの同一の質量移動トレイのシーケンスにおいて、分離カラム内の質量移動トレイは、分離カラム内の2つの質量移動トレイが互いに上下に配置され、その結果、その一方が他方に下方向に続く分離カラム内の2つの質量移動トレイは、その下降管が分離カラムの反対側（反対側の半分）にあるように、カラムの長手方向軸を中心に互いに対して180°オフセットしてそれぞれ取り付けられ（回転され）、上側の質量移動トレイからその少なくとも1つの下降管を通って下方に取り付けられた質量移動トレイまで下降する液体は、下側の質量移動トレイから見てこの下側の質量移動トレイ上を必ず（すなわち、必然的に）流れなければならず、（上方に取り付けられた）上側の質量移動トレイの少なくとも1つの下降管の少なくとも1つの供給領域から（上側の質量移動トレイの少なくとも1つの下降管を通る少なくとも1つの供給部から）この下側の質量移動トレイの少なくとも1つの下降管へと供給される。言い換えれば、上側トレイから下側トレイに下降する液体は、必然的に、少なくとも1つの供給部から少なくとも1つの出口までトレイを横切って導かれる。
一連の同一の質量移動トレイ内の質量移動トレイ上のそのような液体流は、本明細書ではクロスフローと呼ばれ、そのような同一の質量移動トレイのシーケンスは同一のクロスフロー質量移動トレイのシーケンスと呼ばれ、シーケンス内の個々の質量移動トレイはクロスフロー質量移動トレイと呼ばれる。
最も単純な場合、クロスフロー質量移動トレイは、クロスフローシーブトレイである。少なくとも1つの下降管とは別に、分離カラム内で上昇するガスのための通路オリフィスを有し、その構成のための有用な実施形態は、原則として、トリクルシーブトレイ用のものすべてである。クロスフローシーブトレイは、好ましくは同様に、通路オリフィスとして円形孔を有し、これらは同様に、有利には適用目的のために、均一な半径を有する。既に述べたように、少なくとも1つの下降管は、一連のクロスフローシーブトレイにおいて、一連の上昇するガスの流路に関係なく、分離カラム内を下降する液体が、より高いクロスフローシーブトレイから次に低いクロスフローシーブトレイに（通路オリフィスを通って）下降することを可能にする。下側トレイ上では、液体は、より高いクロスフローシーブトレイの少なくとも1つの出口によって形成される下側トレイの少なくとも1つの供給部から下側トレイの少なくとも1つの下降管（少なくとも1つの出口）へと横流で流れ、下側クロスフローシーブトレイ上の所望の液体高さは、例えば、液体がそれを超えて少なくとも1つの下降管に流れることができる少なくとも1つの出口堰の高さによって部分的に確保される。また、分離カラム内を上昇するガスの背圧により、クロスフローシーブトレイ上に液体が保持される。しかしながら、クロスフローシーブトレイのガス充填量が最小値を下回ると、その結果は通路オリフィスを通る液体の滴下であり得、これにより、クロスフローシーブトレイの分離作用が減少し、および／またはクロスフローシーブトレイが乾燥する。
乾燥のこのリスクは、少なくとも1つの下降管の下降流オリフィスに出口堰を設け、それぞれの通路オリフィスをネック（煙突、円形通路オリフィスの場合、管）で上方向に延ばすことによって打ち消すことができる。
通常、ガス偏向フード（気泡キャップ、倒立カップ）は、ネックの端部上に取り付けられ（これらは、最も単純な場合には、例えば前後にネックへのねじ接続部を有して配置されてもよく、ネック上に効果的に引っ張られる）、トレイ上にせき止められた液体に浸かる。それぞれの通路オリフィスを通って上昇するガスは、最初にそのネックを通って付随するフード内に流れ、そこで、クロスフローシーブトレイとは対照的に、フードからその上にせき止められた液体内にトレイ表面と平行に流れるように偏向される（そのような「平行流出」は、望ましくないように形成されたポリマー粒子を「吹き飛ばす」ことができ、したがって自己洗浄効果をもたらすことができるという点で、本発明によるプロセスにおいて一般に好ましい）。隣接するフードから出るガス流は、好ましくはトレイ上に等距離に分配され、トレイ上に戻された液体を撹拌し、その中に泡沫層を形成し、そこで熱および質量移動が起こる。そのようなクロスフロー質量移動トレイは、クロスフロー気泡キャップトレイまたはクロスフローフードトレイとも呼ばれる。それらは、上昇ガスによる低充填の場合でもせき止められた液体を有し、したがって乾燥する危険性がないので、液圧シールされたクロスフロートレイとも呼ばれる。クロスフローシーブトレイと比較して、それらは通常、より高い資本コストを必要とし、それらを通って上昇するガスのより大きい圧力降下を引き起こす。上述のように設計（構成）されたこれらのトレイの通路オリフィスは、シーブトレイの単純なシーブ通路オリフィスとは対照的に、気泡キャップ通路オリフィスまたはフード通路オリフィスとも呼ばれる。
クロスフロー気泡キャップトレイの最も重要な構成要素は、気泡キャップである（例えば、独国特許出願公開第10243625号明細書およびChemie－Ing．Techn．Volume 45，1973年／第9＋10号，617～620ページ）。気泡キャップ（ガス偏向フード）の構成と配置により、クロスフロー気泡キャップトレイは、例えば、クロスフローラウンド気泡キャップトレイ（通路オリフィス、煙突（ネック）、および気泡キャップ（ガス偏向フード）の断面が円形（例えばシリンダー気泡キャップトレイまたはフラット気泡キャップトレイ））、トンネル型クロスフロートレイ（通路オリフィス、煙突、気泡キャップ（フード）の断面が長方形で、気泡キャップ付きの通路が、液体のクロスフロー方向と平行に長方形の長辺を揃えて、互いに並んで配列されている）、およびクロスフローソーマン（登録商標）トレイ（通路オリフィス、煙突、気泡キャップ（フード）の断面が長方形で、気泡キャップ付き通路が、長方形の長い方の縁部が液体のクロスフロー方向と直角になるように、互いに並んで配置された列の中に次々と配置されている）に分けられる。クロスフローソーマントレイは、例えば、独国特許出願公開第19924532号明細書および独国特許出願公開第10243625号明細書に記載されており、これらの2つの文献で認められている先行技術である。
クロスフロー気泡キャップトレイの気泡キャップ縁部は、非常に異なる形態を有することができる（独国特許出願公開第10243625号明細書およびChemie－Ing．Techn．Volume 45，1973／No．9＋10，617～620ページ参照）。Chemie－Ing．Techn．Volume 45，1973／No．9＋10，618ページの図3は、鋸歯状およびスロット状の縁部のいくつかの例を示している。セレーションおよびスロットは、典型的には、気泡キャップから質量移動トレイ上に貯まった液体中に出現するガスが多数の気泡またはガスジェット中に非常に容易に溶解するように成形される。上記の図3および独国特許出願公開第10243625号明細書の様々な図はまた、鋸歯状構造を有する気泡キャップ縁部の例示的な実施形態を示しており、その歯にはガイドフィン（ガイド面、「スロットが屈曲して開いている」）がさらに装備されている。ガイドフィンは、開いて屈曲した鋸歯状スロットから出るガス流に接線方向の出口方向を課す（斜め方向にガス出口を液体内に向ける）ことを意図しており、その結果として、周囲の液体は、気泡キャップ（ガス偏向フード）の配置と協働して、質量移動トレイから見て確立されたクロスフロー上に重ね合わされた、クロスフロー気泡キャップトレイ上の指向性液体流をもたらすことができる指向性移動パルスを受ける（多くの場合、開いて屈曲したこのようなスロットは、付勢スロットとも呼ばれる）。例えば、一連のクロスフローソーマントレイでは、下側のクロスフローソーマントレイ上の液体はトレイを直接横切って流れるのではなく、むしろ上述のように、少なくとも1つの供給部から少なくとも1つの出口まで蛇行して駆動される。クロスフロー方向に次々に配置されたクロスフローソーマントレイの2つのフードの間の空間は、いずれの場合も液体が流れるチャネルを形成する。さらに、クロスフローソーマントレイの詳細な構成は、通常、液体が、いずれの場合もクロスフロー方向に連続する2つのチャネル内を向流で流れるようになっている（例えば、独国特許出願公開第10243625号明細書の図3を参照）。このようにして生じる蛇行したクロスフローは、少なくとも1つの供給部から少なくとも1つの出口への液体の流路を長くし、これにより、クロスフローソーマントレイの分離作用が促進される。
既に述べたように、クロスフロー気泡キャップトレイでは、クロスフローシーブトレイとは対照的に、気泡キャップから出てくるガスは、トレイ表面に平行に、クロスフロー気泡キャップトレイにせき止められた液体に導入される。摩擦力および浮力は、気泡キャップ縁部から出てくるガス流の距離が増加するにつれて、そのより多くのサブ流がクロスフロー気泡キャップトレイに対して直角の方向に偏向され、最終的に液体層から逃げることを確実にする。気泡キャップのガス充填が増加すると、そこから出るガス流の速度が増加し、これにより、上述の偏向が発生するまでの気泡キャップの縁部からの距離（「気泡キャップの有効範囲」）が増大する。
ガス充填に対する剛性気泡キャップの有効範囲のこの依存性は、クロスフロー質量移動トレイの通路オリフィスをバルブとして（バルブ通路オリフィスとして）構成（設計）することによって打ち消すことができる。得られたクロスフロー質量移動トレイは、クロスフローバルブトレイ（例えば、独国特許出願公開第279822号明細書、独国特許出願公開第216633号明細書および独国特許出願公開第102010001228明細書を参照）と呼ばれる。
したがって、本明細書における「クロスフロー気泡トレイ」という用語は、ガス通路オリフィスのサイズをそれぞれのカラム装填量に調整する制限ストロークプレート、バラストまたはリフトバルブ（フローティングフラップ）を有する通路オリフィス（トレイ孔）を有するクロスフロー質量移動トレイを包含する。
簡単な構成では、トレイの通路オリフィスは、上述の目的のために、上方向に移動可能なカバーまたはプレート（ディスク）で覆われる。上昇ガスが通過する過程で、蓋（プレート、ディスク）は、それぞれの通路オリフィス上に追加的に取り付けられた対応するガイド構造（ガイドケージ）（通常はトレイ上にしっかりと固定されている）内のガス流によって上昇し、最終的にガス充填に対応するストローク高さに達する（ガイドケージの代わりに、ディスクはまた、トレイに固定された上方に移動可能な弁脚部を有することができ、その上方移動可能性は上限を有する）。通路オリフィスを通って上昇するガス流は、隆起した蓋（プレート、ディスク）の下側で気泡キャップ（気泡キャップ通路オリフィスの場合）と同様に偏向され、隆起したプレート（蓋、ディスク）の下に形成された出口領域から出て、気泡キャップトレイの場合と同様に、それと平行にトレイ上にせき止められた液体に入る。したがって、プレートストロークは、ガス出口領域のサイズを制御し、ガイドケージの上端が可能な最大ストローク高さを制限するまでカラム充填に自動的に合わせる。プレートは、下方に向けられたスペーサを有することができ、それにより、低いガス負荷では、弁は、スペーサによって提供される空間が依然として側方ガス流出物とクロスフロー液体との激しい混合を可能にする程度までのみ閉じる。スペーサはまた、トレイ上のバルブディスクの粘着を妨げる。クロスフローバルブトレイのバルブ要素の適切な構成により、バルブ要素の吹出方向を調整することができ、したがって、クロスフローバルブトレイ上の強制液体流はさらに影響を受ける可能性がある（例えば、独国特許出願公開第216633号明細書）。本文書の目的のために使用可能なクロスフロー弁トレイおよび弁トレイの原理は、例えば、Technische Fortschrittsberichte，volume 61，Grundlagen der Dimensionierung von Kolonnenboden，96～138ページに見出すことができる。上述の可動バルブと同様に、当業者は固定バルブも知っている。これらは、通常、トレイプレートから打ち抜かれ、上方に向けられた固定脚を介してトレイプレートに接続された円盤状、台形、または長方形のユニットである。
特に分離カラムの直径が比較的大きい場合、クロスフロー質量移動トレイでは、少なくとも1つの供給口から少なくとも1つの出口の出口堰に達するまで顕著な液体勾配が自然に形成される（液体のせき止め高さの勾配は、クロスフローを（限られた程度まで）供給する）。この結果、比較的低い液体高さを有する領域では、結果として生じるより低い抵抗に起因して、上昇ガスが比較的により容易に液体層を通過することができる。これは最終的に、クロスフロー質量移動トレイの不均一なガス充填を引き起こす可能性があり（より低い液体高さ（より低い流れ抵抗）を有する領域を通る優先的な流れがあり）、その分離作用を損なう。これに関して、補償効果は、例えば、クロスフロー気泡キャップトレイの場合には調整可能な高さ（あるいは、気泡キャップサイズを変更することもできる）の気泡キャップを使用することによって、または例えば、質量移動トレイがその断面にわたって本質的に均一にガスを生成するように、クロスフローバルブトレイの場合には異なる重量を有するプレート（蓋）を使用することによって可能である（クロスフロー質量移動トレイ上の液体高さがより低い場合、気泡キャップの高さは、適切には適用上、それに対応してより低いレベルで選択されるか、またはストロークプレート（ストローク蓋）の重量は、それに対応してより高いレベルで選択され、気泡キャップの高さは、例えば、対応する煙突の長さの制御された短縮によって下げることもでき、その端部で気泡キャップは任意選択的にねじ込まれ、代替的または追加的に、例えば、所望の流れ抵抗補償をもたらすために、気泡キャップ縁部のセレーション／スロット構造を変更することもでき、理想的には、分離カラムの動作において、クロスフロー気泡キャップトレイ上に存在するすべての気泡キャップが上昇ガスに対して同じ流れ抵抗を引き起こすように、クロスフロー質量移動トレイにわたって調整が行われる）。そうでなければ、クロスフロー質量移動トレイの通路（通路オリフィス）は、一般に、有利には均一に構成される。
クロスフロー質量移動トレイを通って（上から下へ）延びるオリフィスであって、その断面積は、典型的には、クロスフロー質量移動トレイの他のすべてのオリフィスの全断面積（少なくとも1つの下降管の断面を含まない）よりも200倍以上小さい、オリフィスは、クロスフロー質量移動トレイを通って上昇するガスのための通路オリフィスを構成（分離）せず、したがって、その一部としてカウントされない。例えば、そのようなオリフィスは、分離カラムが停止したときに油圧シールクロスフロートレイが空になることができる小さな空孔であってもよい。そのようなオリフィスがねじ接続目的に役立つことも可能である。
少なくとも1つの下降管を有し、少なくとも1つのフィードおよび少なくとも1つの出口が、例えば、（円形の）質量移動トレイの同じ半分に存在するか、または少なくとも1つのフィードがトレイの中央にあり、少なくとも1つの出口がトレイの縁部にある質量移動トレイのシーケンスは、（本発明の）用途の意味でのクロスフロー質量移動トレイのシーケンスを構成しない。
上述したように設計されたクロスフロー質量移動トレイの有効性は、典型的には、1つの理論段（1つの理論的分離段）の有効性よりも低い。理論プレート（または理論的分離段階）は、本明細書では、内部構造物を含み、熱力学的平衡に従って物質の富化をもたらす熱分離プロセスに使用される分離カラムの空間単位を意味するものと非常に一般的に理解されるべきである。言い換えれば、「理論段」という用語は、質量移動トレイを有する分離カラム、ならびに構造化パッキンおよび／またはランダムパッキンを有する分離カラムの両方に適用可能である。
先行技術は、分離カラム内で上昇する少なくとも1つのガス流と、分離カラム内で下降する少なくとも1つの液体流との間で熱分離プロセスを実施するために使用される分離内部構造物を含む分離カラムにおいて、少なくとも2つの同一のクロスフロー質量移動トレイのシーケンスの使用を推奨し、流れの少なくとも1つは、少なくとも1つの（メタ）アクリルモノマーを含む。例えば、独国特許出願公開第19924532号明細書、独国特許出願公開第10243625号明細書および国際公開第2008／090190号パンフレットの文献は、アクリル酸のC3前駆体の分子状酸素による不均一に触媒された気相部分酸化からのアクリル酸を含む生成ガス混合物の分別凝縮のためのプロセスを実行するための分離カラム内の一連の同一の液圧シールされたクロスフロー質量移動トレイの追加の使用を推奨しており、これは底部から上方に、第1のデュアルフロートレイおよびその後液圧シールされたクロスフロー質量移動トレイを含む。
従来技術において推奨されるクロスフロー質量移動トレイのシーケンスの特徴は、その少なくとも1つの供給部からその少なくとも1つの下降管へのクロスフローの方向において、それぞれの場合にシーケンス内の2つの連続するクロスフロー質量移動トレイのうちの下側のものが、少なくとも1つの供給部と少なくとも1つの下降管との間の領域にのみ通路オリフィスを有することである（少なくとも1つの下降流オリフィスは、例えば、独国特許出願公開第10243625号明細書の図3および図4、独国特許出願公開第279822号明細書の図1、独国特許出願公開第216633号明細書の図1、ならびにChemie－Ing．－Techn．Volume 45，1973／No．9＋10，617～620ページを参照）。
（メタ）アクリルモノマーの問題のある特性は、特に液相中で重合防止剤を添加しても完全に抑制することができない望ましくない重合への傾向である。
既知の分離カラムの欠点は、熱分離プロセスを連続的に実行する場合、質量移動トレイ内で長時間の動作にわたって望ましくないポリマーが比較的頻繁に形成されることである。これは、熱分離プロセスのオペレータが、望ましくないポリマー形成に起因して、形成されたポリマーを除去するために熱分離プロセスの時間を再び中断しなければならないため、特に不利である。これは、後者が質量移動トレイの通路オリフィスを部分的または完全に塞ぐことができるためである。さらに、（メタ）アクリルモノマーのフリーラジカル重合は、通常、著しく発熱性であり、すなわち、高い熱発生を有する。重合混合物を含む分離カラムが爆発するほど激しく重合が進行する危険性がある。
国際公開第2017／012855号パンフレットは、流体混合物の熱処理のためのカラムに関し、カラムは、カラムキャビティを形成する円筒形の垂直カラム本体と、カラムキャビティ内に取り付けられ、互いに垂直に離間した複数のトレイと、カラム本体内に配置され、カラム本体から離れて延びる少なくとも1つのスタブと、スタブ内に形成された閉鎖可能な検査オリフィスとを有し、カラム本体内に配置された噴霧装置は、少なくともカラムキャビティ内に導かれたスタブの表面に対して液体を噴霧することができる。さらに、カラム内で上昇する少なくとも1つのガスとカラム内で下降する少なくとも1つの液体との間の熱分離プロセスが開示される。例えば、気体および／または液体が（メタ）アクリルモノマーを含む場合、そのようなカラムで重合する傾向が特に大きい。このような望ましくない重合は、前記プロセスにおいて、カラム本体内に配置された噴霧装置によって防止され、噴霧装置は、少なくとも、カラムキャビティ内に導かれたスタブの表面に対して液体を噴霧することができる。そのようなプロセスは、高い投資コストを伴い、また通常のプロセスモード中のエネルギーおよび保守のためのコストを増加させるという欠点を有する。
独国特許出願公開第19924532号明細書 独国特許出願公開第10243625号明細書 国際公開第2008／090190号パンフレット 独国特許出願公開第10332758号明細書 独国特許出願公開第10336386号明細書 独国特許出願公開第19924533号明細書 独国特許出願公開第102010001228号明細書 国際公開第2004／035514号パンフレット 欧州特許出願公開第1125912号明細書 欧州特許出願公開第982289号明細書 欧州特許出願公開第982287号明細書 独国特許出願公開第10218419号明細書 独国特許出願公開第10230219号明細書 欧州特許出願公開第1279429号明細書 米国特許出願公開第3988213号明細書 欧州特許出願公開第1029573号明細書 独国特許出願公開第10156988号明細書 独国特許出願公開第10159823号明細書 欧州特許出願公開第0882481号明細書 独国特許出願公開第10257915号明細書 欧州特許出願公開第1704906号明細書 独国特許出願公開第279822号明細書 独国特許出願公開第216633号明細書 国際公開第2017／012855号パンフレット
Technische Fortschrittsberichte［Technical Progress Reports］，vol．61，Grundlagen der Dimensionierung vonKolonnenboden［Fundamentals of the Dimensioning of Column Trays］，96～211ページ，Verlag Theodor Steinkopf，ドレスデン（1967年） Chemie-Ing．Techn．Volume 45，1973年／第9＋10号，617～620ページ
したがって、本発明の目的は、構造上の労力が少なく、メンテナンスが少なく、プロセスモード中のコストの影響を受けにくいより単純なカラムが得られるように、上記のようなタイプのカラムを提供することである。本発明のさらなる目的は、メンテナンスが少なく、プロセスモード中のコストの影響を受けにくいより単純なプロセスが得られるように、上記のようなタイプの熱分離プロセスを提供することである。
本発明によれば、この目的は、本出願の文脈において「第1の発明のカラム」と呼ばれる請求項1の特徴を有するカラム、または「第2の発明のカラム」と呼ばれる請求項8の特徴を有するカラム、および請求項12の特徴を有する熱分離プロセスによって達成される。有利な構成および展開は、従属請求項から明らかである。
「上」、「下」、「水平」、および「垂直」という空間的用語は、特に明記しない限り、動作中の列の向きに関する。
したがって、本発明は、重合する傾向がある化合物の混合物を熱処理するためのカラムに関し、カラムは、カラムキャビティを形成する円筒形の垂直カラム本体と、カラムキャビティ内に配置され、質量移動トレイのリムによって囲まれた少なくとも1つの開口部を含む少なくとも1つの質量移動トレイとを含む。カラムは、質量移動トレイが、質量移動トレイのリムに気密に接続され、少なくとも1つの質量移動トレイにまたはその下方に位置する入口開口部と、少なくとも1つの質量移動トレイの上方に位置する出口開口部とを備える少なくとも1つの上昇管を備えることを特徴とする。上昇管は、質量移動トレイの上面に近い垂直方向において質量移動トレイの上方に位置する少なくとも1つの側方開口部をさらに備える。前記上昇管は、入口開口部から上昇管を通って出口開口部に流れる化合物の混合物の気相の上昇によって、少なくとも1つの側方開口部を通って上昇管に入る質量移動トレイからの化合物の混合物の液体画分の霧化によって湿し水を形成するように適合され、湿し水は、質量移動トレイの上方に位置するカラムの一部に、重合が起こりやすいカラムの内面のスポットにスプレーされる。
本発明のカラムは、カラムキャビティを形成する円筒形の垂直カラム本体を備える。これは、重合傾向のある化合物の混合物の熱処理に適している。前記熱処理プロセスは、カラムキャビティ内で実行される。
本発明のカラムは、カラムキャビティ内に配置された少なくとも1つの質量移動トレイを備える。適切には、カラムは、2つ以上の質量移動トレイ、すなわち一連の質量移動トレイを含む。例えば、そのような質量移動トレイは、トリクルシーブトレイおよびデュアルフロートレイなどの強制流のない質量移動トレイ、ならびにクロスフロー質量移動トレイ、クロスフロー気泡キャップトレイ、クロスフローフードトレイ、クロスフローソーマントレイおよびクロスフローバルブトレイなどの強制液体流を有する質量移動トレイから選択することができる。
カラムが一連の質量移動トレイを含む場合、2つの直接連続するトレイ間のクリア距離は、適切には700 mm以下、好ましくは600 mm以下または500 mm以下であり得る。適切には、適用上、トレイシーケンス内のクリア距離は300から500 mmである。一般に、トレイ間隔は250 mm未満であってはならない。
一般に、さらに分離内部構造物がトレイ間に配置されてもよい。このような分離内部構造物は、分離カラムにおける質量分離を改善する。例えば、これらのさらなる内部構造物は、構造化または順序付けられたパッキンなどのパッキン、および／またはランダムなパッキンの床の形態で提供されてもよい。ランダムパッキンの中でも、ラシヒリング、IntosリングまたはPallリング、螺旋、BerlサドルまたはIntaloxサドルなどのサドルといったリングを含むものが好ましい。ステンレス鋼板から作られた穿孔構造化パッキンなどの構造化パッキンは、それ自体当業者に知られている。
本発明のカラムの少なくとも1つの質量移動トレイは、少なくとも1つの開口部を含む。本出願の文脈では、「開口部」という用語は、追加的に質量移動トレイ内に存在し得るトレイ孔などの、通路オリフィス以外の質量移動トレイ内の少なくとも1つの挿入された開放通路を指す。適切には、そのような開口部は、円形、正方形、長方形などの断面を有することができる。好ましくは、開口部は円形、例えば円形孔である。
本発明のカラムの少なくとも1つの質量移動トレイの少なくとも1つの開口部は、質量移動トレイのリムによって囲まれている。本出願の文脈では、「質量移動トレイのリム」という用語は、質量移動トレイ内の幾何学的表面の閉じた周囲を指し、幾何学的表面は開口部であり、閉じた周囲は前記開口部を囲む。例えば、開口部が円形孔である場合、質量移動トレイのリムは、前記円形孔を囲む質量移動トレイ内の円周である。
本発明のカラムの少なくとも1つの質量移動トレイは、少なくとも1つの上昇管を含む。本出願の文脈では、「上昇管」という用語は、液相および／または気相が上がる、すなわち上昇するように前記中空管を通って流れることができるように設計された中空管を指す。上昇管は、質量移動トレイのリムに気密に接続されている。適切には、上昇管は、質量移動のリムに溶接されてもよい。適切には、上昇管は、円形、正方形、長方形などの断面を有することができる。開口部および上昇管は同じ断面形状を有し、例えば、開口部は円形孔であってもよく、上昇管は円筒管であってもよい。この場合、開口部の直径は、上昇管の内径と同様の範囲にあるか、または特に等しくてもよい。
一般に、質量移動トレイは、2つ以上の上昇管を備えてもよい。
本発明のカラムの上昇管は、入口開口部を備える。本出願の文脈では、「入口開口部」という用語は、上昇管の一部を指し、液相および／または気相は、上昇管を通って流れる前に上昇管に入ることができる。入口開口部は、少なくとも1つの質量移動トレイまたはその下方に配置される。
本発明のカラムの上昇管は、出口開口部を備える。本出願の文脈では、「出口開口部」という用語は、上昇管の一部を指し、液相および／または気相は、上昇管を通って流れた後に上昇管を出ることができる。出口開口部は、少なくとも1つの質量移動トレイの上方に位置し、すなわち、出口開口部も入口開口部の上方に位置する。
本発明のカラムの上昇管は、側方開口部を備える。本出願の文脈では、「側方開口部」という用語は、上昇管の少なくとも1つの挿入された開放通路を指す。適切には、少なくとも1つの側方開口部は、円形、正方形、長方形などの断面を有する孔であってもよい。好ましくは、開口部は円形孔である。側方開口部は、質量移動トレイの上面に近い垂直方向において質量移動トレイの上方に位置する。例えば、側方開口部は、質量移動トレイのすぐ上方に位置する円形孔であってもよい。
上述のようなカラムおよび設備の機器によって、湿し水が生成され得る。前記湿し水は、質量移動トレイからの化合物の混合物の液体画分を含み、それによって連続的に供給され得る。まず、化合物の混合物の前記液体画分は、少なくとも1つの側方開口部を通って上昇管に入る。同時に、化合物の混合物の気相は、入口開口部で同じ上昇管に入り、上昇管を通って上昇管の出口開口部への方向に流れる、すなわち上昇する。入口開口部から出口開口部への途中で、化合物の混合物の気相および少なくとも1つの側方開口部を通って上昇管に入る化合物の混合物の液体画分は、側方開口部が入口開口部と出口開口部との間に位置するときに接触する。これは、化合物の混合物の液体画分の霧化をもたらす。化合物の混合物の霧化された液体画分は、上昇管を通過する、すなわち上昇し、湿し水の形態で出口開口部を通って前記上昇管を出る。
次いで、湿し水は、重合が起こりやすいカラムの内面のスポットまで、質量移動トレイの上方に位置するカラムの一部にスプレーされる。例えば、分離される化合物の混合物が潜在的に重合し得る化合物を含む場合、重合が発生しやすいいくつかの分離プロセスが存在する。上でより詳細に説明したように、そのような重合は、多くの点で問題があり、例えば、化合物の1つの少なくとも一部の望ましくない消費、分離プロセスの劣化または複雑化に関連する化合物の混合物の汚染、および最も重要なことに、例えば毒性または潜在的に爆発性であり得る有害な副生成物の形成に起因する。非限定的な例として、アクリルモノマーを含有する混合物の分離が、この文脈において言及され得る。例えば、アクリル酸の重合は、潜在的に爆発性であり、本出願の文脈において「重合が起こりやすいカラム内面のスポット」と呼ばれるカラムの特定の点に付着する傾向がある望ましくない固体副生成物を生成する可能性がある。
適切には、これらのスポットは、いわゆるデッドゾーンとも呼ばれる。そのような「デッドゾーン」では、質量移動トレイ内の流体の滞留時間が特に長い。このような長い滞留時間は、重合を促進する。カラムのそのようなスポットまたはデッドゾーンは、上記で詳細に説明したように湿し水をスプレーすることによって到達することができ、湿し水による液体循環の生成をもたらす。結果として、質量移動トレイ上の化合物の混合物の液体画分の滞留時間が短縮される。
これは、以下の理由により有利である。上記のような望ましくない固体重合副生成物が既に形成され、重合が発生する可能性があるカラムの内面のスポットに付着した場合、「付着物を洗い流す」と記載され得る湿し水を連続的にスプレーすることによって前記付着物を除去することができる。望ましくない固体重合副生成物が形成されていないかまたはまだ形成されていない場合、湿し水による連続スプレーは、カラムの内面のスポットの形成および／または付着を防止することができる。したがって、第1の本発明のカラムは、アクリルモノマーの望ましくない消費および化合物の混合物の汚染を低減し、分離プロセスの劣化または複雑化を回避することを可能にする。また、潜在的に爆発性の副生成物の形成が最小限に抑えられ、したがって、カラム操作中の爆発リスクが低減され得る。上述のような上昇管を含む第1の本発明のカラムの設計により、湿し水を生成するために利用される化合物の混合物の液体画分は、それが「スプレーされて戻される」のと同じレベルでカラム内に引き出されることがさらに有利である。したがって、湿し水は、重合が起こりやすいカラムの内面のスポットの領域に存在する化合物の混合物と同じ組成を有する。
したがって、第1の本発明のカラムは、精製が行われるカラムの機器のデッドスポットにおけるポリマー形成を著しく減少させるかなり単純な設備を提供する。有利には、ポリマー形成が起こりやすい場所でスポットの表面を濡らすためのスプレーが生成される。スプレーは、適切な機器の外側の任意の設備、例えばポンプへの接続を必要としない上昇管によって生成される。スプレー生成の駆動力として、分離トレイの圧力差を利用してもよい。これとは対照的に、先行技術に開示されているような方法は、カラムキャビティ内の特定のスポットの表面に液体をスプレーすることができる、そのような望ましくない重合を防止するためのスプレー装置を適切に使用する。しかしながら、そのようなスプレー装置は、高い投資コストを伴い、また通常のプロセスモード中のエネルギーおよび保守のためのコストを増加させるという欠点を有する。従来技術の方法の前記欠点は、上昇管によって生成されるスプレーを提供するので、本出願の第1の本発明のカラムによって克服され、上昇管はポンプなどのいかなる設備も必要としない。したがって、第1の本発明のカラムは、従来技術のカラムと比較して単純なカラムである。さらに、第1の本発明のカラムは、構造上の労力が少なく、メンテナンスが少なく、プロセスモード中のコストの影響を受けにくい。
一実施形態では、側方開口部の中心から質量移動トレイまでの距離に対する側方開口部の中心から出口開口部までの距離の比は、0．001～0．1、好ましくは0．005～0．01の範囲である。前記比は、少なくとも1つの側方開口部が上昇管の下部に位置することを確実にする。適切には、これにより、側方開口部を通って流れる質量移動トレイからの化合物の混合物の液体画分が湿し水に絶えず供給され得る。これにより、より効率的な湿し水を生成することができる。これにより、化合物の混合物の熱処理中に重合が起こりやすいカラムの内面のスポット、例えばデッドゾーンでの望ましくない重合副生成物の形成がさらに効果的に防止される。
一実施形態では、側方開口部の中心から質量移動トレイまでの距離は、1～45 mm、好ましくは2～10 mmの範囲である。前記距離により、さらに効率的な湿し水を生成することが可能である。これにより、化合物の混合物の熱処理中に重合が起こりやすいカラムの内面のスポット、例えばデッドゾーンでの望ましくない重合副生成物の形成がさらに効果的に防止される。
一実施形態では、側方開口部の内径に対する上昇管の内径の比は、0．01～0．8、好ましくは0．05～0．2の範囲である。化合物の混合物の液体画分を本質的に含まない化合物の混合物の気相のみがその入口開口部を通って上昇管に入る場合、側方開口部を通って上昇管に流れる質量移動トレイからの化合物の混合物の液体画分の量は、湿し水を生成するのに十分な高さでなければならない。上記の比率により、液体画分の量を制御して、さらに効率的な湿し水を生成することができる。これにより、化合物の混合物の熱処理中に重合が起こりやすいカラムの内面のスポット、例えばデッドゾーンでの望ましくない重合副生成物の形成がさらに効果的に防止される。
一実施形態では、側方開口部は、1～10 mm、好ましくは3～7 mmの範囲の直径を有する。前記直径により、さらに効率的な湿し水を生成することが可能である。これにより、化合物の混合物の熱処理中に重合が起こりやすいカラムの内面のスポット、例えばデッドゾーンでの望ましくない重合副生成物の形成がさらに効果的に防止される。
一実施形態では、上昇管は、側方開口部を気密に囲み、上昇管の半径方向に上昇管内に突出する少なくとも1つの側方管を備える。
本出願の文脈では、「側方管」という用語は、液相が前記中空管を通って上昇管に水平に流れることができるように設計された中空管を指す。側方管は、側方開口部を気密に取り囲む。この目的のために、側方管は、例えば、側方開口部において上昇管に溶接されてもよい。適切には、側方管は、円形、正方形、長方形などの断面を有することができる。側方管および側方開口部は同じ断面形状を有し、例えば、側方開口部は円形孔であってもよく、側方管は円筒管であってもよい。好ましくは、側方開口部の直径は、側方管の内径と同様の範囲にあるか、または特に等しくてもよい。上昇管は、2つ以上の側方開口部および／または側方管を備えてもよい。
少なくとも1つの側方管によって、化合物の混合物の液体画分は、上昇管のさらに内側に位置する位置に導入されてもよく、これにより、さらに効率的な湿し水（fountain）が生成され得る。これにより、化合物の混合物の熱処理中に重合が起こりやすいカラムの内面のスポット、例えばデッドゾーンでの望ましくない重合副生成物の形成がさらに効果的に防止される。
一実施形態では、側方管は、上昇管から半径方向に突出する。例えば、重合副生成物または任意の種類の沈殿物などの固体が、側方開口部または側方管の領域において上昇管の外面に付着し得る。側方管を、側方管が上昇管の外面で終端せず、上昇管から突出するように設計することによって、そのような固体は、側方管の周囲、側方管において、または側方管の内側に沈降し得ない。したがって、側方管の詰まりを防止することができる。
一実施形態では、側方管は、上昇管の中心に向かって先細になる円筒形状または円錐形状を有する。このように側方管を設計することにより、化合物の混合物の液体画分が上昇管に導入される位置をさらにより正確に決定することができる。これにより、さらに効率的な湿し水が生成され得る。これにより、化合物の混合物の熱処理中に重合が起こりやすいカラムの内面のスポット、例えばデッドゾーンでの望ましくない重合副生成物の形成がさらに効果的に防止される。
一実施形態では、側方管の長さに対する上昇管の内径の比は、0．5～2、好ましくは0．5～0．8の範囲である。本発明の文脈では、側方管の長さは、いずれの場合も半径方向において、上昇管から最も遠くに突出する側方管の部分から上昇管内に最も遠くに突出する側方管の部分までの距離と呼ばれる。前記比によって、化合物の混合物の液体画分が上昇管に導入される位置をさらにより正確に決定することができる。これにより、さらに効率的な湿し水が生成され得る。これにより、化合物の混合物の熱処理中に重合が起こりやすいカラムの内面のスポット、例えばデッドゾーンでの望ましくない重合副生成物の形成がさらに効果的に防止される。
一実施形態では、側方管の長さは、5～20 mm、好ましくは5～10 mmの範囲である。前記長さにより、さらに効率的な湿し水を生成することが可能である。これにより、さらに効率的な湿し水が生成され得る。これにより、化合物の混合物の熱処理中に重合が起こりやすいカラムの内面のスポット、例えばデッドゾーンでの望ましくない重合副生成物の形成がさらに効果的に防止される。
一実施形態では、上昇管内に突出する側方管は傾斜した端部を有し、上昇管の半径方向に上昇管内に最も遠く突出する側方管の部分は、上昇管の半径方向に上昇管内に最も遠く突出しない側方管の部分よりも、質量移動トレイまでの垂直距離が小さい。
本出願の文脈では、側方管の「傾斜端部」という用語は、側方管の端部の断面が側方管の軸と直角を囲まないことを示す。これに関連して、「側方管の端部」という用語は、側方管の終端、すなわち側方管のうち上昇管内に最も遠く突出している部分を示す。言い換えれば、側方管は、上昇管内に突出する端部で、例えば斜めに切断されてもよい。好ましくは、上昇管の半径方向において上昇管内に最も遠くに突出する側方管の部分が、上昇管内に最も遠くに突出する側方管の部分よりも質量移動トレイまでの距離が小さくなるように切断される。
上述のように上昇管内に突出する側方管の端部に傾斜端部を備えるように側方管を設計することにより、化合物の混合物の液体画分が上昇管に導入される位置をさらにより正確に決定することができる。これにより、さらに効率的な湿し水が生成され得る。これにより、化合物の混合物の熱処理中に重合が起こりやすいカラムの内面のスポット、例えばデッドゾーンでの望ましくない重合副生成物の形成がさらに効果的に防止される。
本発明の別の態様によれば、上記の問題は、重合傾向を有する化合物の混合物を熱処理するためのカラムであって、カラムキャビティを形成する円筒形の垂直カラム本体と、カラムキャビティ内に配置され、質量移動トレイのリムによって囲まれた少なくとも1つの開口部を含む質量移動トレイと、少なくとも1つの下側質量移動トレイであって、下側質量移動トレイが質量移動トレイの下に配置される質量移動トレイと、を備えるカラムによって解決される。カラムは、質量移動トレイが、質量移動トレイのリムに気密に接続され、質量移動トレイにまたはその下方に位置する入口開口部と、質量移動トレイの上方に位置する出口開口部とを備える少なくとも1つの上昇管を備えることを特徴とする。前記上昇管は、入口開口部から上昇管を通って出口開口部に流れる化合物の混合物の気相の上昇によって、下側質量移動トレイからの化合物の混合物の液体画分の霧化によって湿し水を形成するように適合され、湿し水は、質量移動トレイの上方に位置するカラムの一部にスプレーされ、カラムキャビティは、上昇管の出口開口部から、湿し水によるスポットの直接スプレーのために重合が起こりやすいカラムの内面のスポットまで直線経路が存在するように形成される。
前記カラムは、上述のように「第2の本発明のカラム」と呼ばれる。基本的に、前述の第1の本発明のカラムの用語の定義は、第2の本発明のカラムにも適用される。
第2の本発明のカラムは、一方では「少なくとも1つの下側質量移動トレイ」と呼ばれ、他方では「質量移動トレイ」または「少なくとも1つの質量移動トレイ」と呼ばれる少なくとも2つの質量移動トレイの必須の存在において第1の本発明のカラムとは異なる。両方の質量移動トレイは、カラムキャビティ内に配置され、下側質量移動トレイは、質量移動トレイの下に配置される。少なくとも1つの上昇管は、上側質量移動トレイ上に配置され、下側質量移動トレイからの化合物の混合物の液体画分の霧化によって湿し水が生成される。これとは対照的に、第1の本発明のカラムでは、化合物の混合物の液体画分の少なくとも一部が、上昇管を含む質量移動トレイの上面からもたらされ、霧化され、液体画分の前記少なくとも一部は、少なくとも1つの側方開口部を通って上昇管に入ることができる。
第2の本発明のカラムのカラムキャビティは、上昇管の出口開口部から、湿し水によるスポットの直接スプレーのために重合が起こりやすいカラムの内面のスポットまでの直線経路が存在するように形成される。「直線経路」および「直接スプレー」という用語は、カラムキャビティが、湿し水が上昇管を出る出口開口部から重合が起こりやすいカラムの内面のスポットまでの直接経路に設置される設備を含まないことを表すことを意図している。これは、湿し水が前記1つまたは複数のスポットに到達するのを防止するのを回避するために、経路が自由であり、そのような設備によって遮断されないことを保証するためである。
これは、以下の理由により有利である。上記のような望ましくない固体重合副生成物が既に形成され、重合が発生する可能性があるカラムの内面のスポットに付着した場合、「付着物を洗い流す」と記載され得る湿し水を連続的に直接スプレーすることによって前記付着物を除去することができる。望ましくない固体重合副生成物が形成されていないかまたはまだ形成されていない場合、湿し水による連続的かつ直接のスプレーは、カラムの内面のスポットの形成および／または付着を防止することができる。したがって、第2の本発明のカラムは、アクリルモノマーの望ましくない消費および化合物の混合物の汚染を低減し、分離プロセスの劣化または複雑化を回避することを可能にする。また、潜在的に爆発性の副生成物の形成が最小限に抑えられ、したがって、カラム操作中の爆発リスクが低減され得る。上述のような上昇管を含む第2の本発明のカラムの設計により、湿し水を生成するために利用される化合物の混合物の液体画分は、それが「スプレーされて戻される」のと同じレベルでカラム内に引き出されることがさらに有利である。したがって、湿し水は、重合が起こりやすいカラムの内面のスポットの領域に存在する化合物の混合物と同じ組成を有する。
一実施形態では、カラムの断面積に対する、同じ質量移動トレイ上に位置するすべての上昇管によって囲まれた水平断面積の合計の比は、0．00001～0．1、好ましくは0．00001～0．001の範囲内である。前記比によって、化合物の混合物の十分な量の液体画分が下側質量移動トレイ上に存在し、質量移動トレイ上に含まれる上昇管の湿し水が液体画分によって十分に供給され得ることが保証され得る。したがって、効率的な湿し水、または複数の上昇管が質量移動トレイ上に存在する場合の効率的な湿し水を生成することができる。これにより、化合物の混合物の熱処理中に重合が起こりやすいカラムの内面のスポット、例えばデッドゾーンでの望ましくない重合副生成物の形成がさらに効果的に防止される。
一実施形態では、上昇管は、5～50 mm、好ましくは15～40 mm、より好ましくは25～35 mmの範囲の直径を有する。前記直径により、さらに効率的な湿し水を生成することが可能である。これにより、化合物の混合物の熱処理中に重合が起こりやすいカラムの内面のスポット、例えばデッドゾーンでの望ましくない重合副生成物の形成がさらに効果的に防止される。
一実施形態では、2つの隣接する質量移動トレイ間の距離に対する上昇管の長さの比は、0．1～0．9、好ましくは0．12～0．5の範囲である。本出願の文脈では、上昇管の長さは、上昇管の入口開口部と上昇管の出口開口部との間の垂直距離として定義される。前記比により、さらに効率的な湿し水を生成することが可能である。これにより、化合物の混合物の熱処理中に重合が起こりやすいカラムの内面のスポット、例えばデッドゾーンでの望ましくない重合副生成物の形成がさらに効果的に防止される。
一実施形態では、上昇管は、50～500 mm、好ましくは100～300 mmの範囲の長さを有する。前記長さにより、さらに効率的な湿し水を生成することが可能である。これにより、化合物の混合物の熱処理中に重合が起こりやすいカラムの内面のスポット、例えばデッドゾーンでの望ましくない重合副生成物の形成がさらに効果的に防止される。
一実施形態では、上昇管は、その軸が上昇管の下部の軸と共に90°～170°の範囲の角度αを形成する上部ねじれ部を含む。
本出願の文脈では、上昇管の「ねじれ部分」という用語は、直線管ではなく、少なくとも1つの座屈を含む管である上昇管を示す。前記座屈は、座屈の片側に位置する上昇管の部分が、座屈の反対側に位置する上昇管の部分と共に90°～170°の範囲の鋭角αを囲むように設計されてもよい。あるいは、管を曲げてもよい。この場合、座屈の一方の側に位置する上昇管の部分および座屈の反対側に位置する上昇管の部分は、鋭い角度を囲まないが、移行はむしろ緩やかである。
ねじれた部分を有する前記上昇管によって、出口開口部を介して上昇管を出る湿し水を、例えばスポットがアクセスが困難なカラムの領域に位置する場合に、より効率的な方法で重合が起こりやすいカラムの内面のスポットに導くことが可能である。
これにより、化合物の混合物の熱処理中に重合が起こりやすいカラムの内面のスポット、例えばデッドゾーンでの望ましくない重合副生成物の形成がさらに効果的に防止される。
一実施形態では、重合が起こりやすいカラムの内面のスポットは、支持構造の表面の鋭角、下降管の底部の鋭角、マンウェイおよび／またはハンドホールから選択される。適切には、前記スポットは、いわゆる「デッドゾーン」とも呼ばれる（上記参照）。
カラムキャビティ内の前記スポット、例えばデッドゾーンは、通常、アクセスが困難である。上記スポットを特に効率的にスプレーすることにより、上記のような望ましくない固体重合副生成物が既に形成されて上記スポットに付着している場合、これらの付着物は除去され得、これは「付着物を洗い流す」と記載され得る。望ましくない固体重合副産物が形成されていないかまたはまだ形成されていない場合、特に、前記スポットを効率的にスプレーすることにより、前記スポットへの形成および／または付着を防止することができる。
したがって、アクリルモノマーの望ましくない消費および化合物の混合物の汚染を低減することができ、分離プロセスの劣化または複雑化を回避することができる。また、潜在的に爆発性の副生成物の形成が最小限に抑えられ、したがって、カラム操作中の爆発リスクが低減され得る。
したがって、第2の本発明のカラムもまた、精製が行われるカラムの機器のデッドスポットにおけるポリマー形成を著しく減少させるかなり単純な設備を提供する。有利には、ポリマー形成が起こりやすい場所でスポットの表面を濡らすためのスプレーが生成される。スプレーは、適切な機器の外側の任意の設備、例えばポンプへの接続を必要としない上昇管によって生成される。スプレー生成の駆動力として、分離トレイの圧力差を利用してもよい。これとは対照的に、先行技術に開示されているような方法は、カラムキャビティ内の特定のスポットの表面に液体をスプレーすることができる、そのような望ましくない重合を防止するためのスプレー装置を適切に使用する。しかしながら、そのようなスプレー装置は、高い投資コストを伴い、また通常のプロセスモード中のエネルギーおよび保守のためのコストを増加させるという欠点を有する。従来技術の方法の前記欠点は、上昇管によって生成されるスプレーを提供するので、本出願の第2の本発明のカラムによって克服され、上昇管はポンプなどのいかなる設備も必要としない。したがって、第2の本発明のカラムは、従来技術のカラムと比較して単純なカラムである。さらに、第2の本発明のカラムは、構造上の労力が少なく、メンテナンスが少なく、プロセスモード中のコストの影響を受けにくい。
本発明はさらに、上記のようにカラム内で上昇する化合物の混合物の少なくとも1つの気相と、カラム内で下降する化合物の混合物の少なくとも1つの液体画分との間の熱分離プロセスに関する。
本発明のカラムの利点を考慮すると、第1または第2の本発明のカラムを使用する本発明の熱分離プロセスは、従来技術のプロセスと比較して、メンテナンスが少なく、プロセスモード中のコストの影響を受けにくいより単純なプロセスである。
基本的に、前述の第1の本発明のカラムおよび第2の本発明のカラムの用語の定義は、熱分離プロセスにも適用される。
一実施形態では、重合が起こりやすいカラムの内面のスポットを湿し水によって直接スプレーするために、質量移動トレイ上に位置する化合物の混合物の滞留液体画分が霧化され、上昇管の出口開口部で湿し水を形成する。
本出願の文脈において、化合物の混合物の「滞留液体画分」という用語は、質量移動トレイ上に位置する液体画分の量を示す。
化合物の混合物の霧化されたホールドアップ液体画分を含有する湿し水によって重合が起こりやすいカラムの内面のスポットを直接スプレーすることによって、メンテナンスがほとんどなく、費用の影響を受けない簡単な方法で前記湿し水を生成することが可能である。例えば、前記湿し水を生成することは、ポンプまたは同等の装置の設置または動作を必要としない。
一実施形態では、質量移動トレイ上に位置する化合物の混合物の滞留液体画分のレベルは、上昇管の側方開口部の中心が少なくとも部分的に浸かるように調整される。このようにして滞留液体画分のレベルを制御することにより、側方開口部を通る液体画分の好ましくは一定の流れが生じるように、化合物の混合物の十分な量の液体画分が下側質量移動トレイ上に存在することを確実にすることができる。そうすることにより、湿し水が滞留液体画分によって十分に供給され、さらに効率的な湿し水が生成され得ることが保証される。これにより、化合物の混合物の熱処理中に重合が起こりやすいカラムの内面のスポット、例えばデッドゾーンでの望ましくない重合副生成物の形成がさらに効果的に防止される。
一実施形態では、上昇管の数ならびに1つまたは複数の上昇管の長さおよび内径は、プロセスモード中に、質量移動トレイの下に位置するカラムの部分と質量移動トレイの上に位置するカラムの部分との間の圧力降下が少なくとも1ミリバール、好ましくは少なくとも4ミリバールであるように調整される。上述のような圧力降下が設定されるようにカラムの設備を調整することにより、例えばスプレー出力に関して、さらにより効率的な湿し水を生成することが可能である。これにより、化合物の混合物の熱処理中に重合が起こりやすいカラムの内面のスポット、例えばデッドゾーンでの望ましくない重合副生成物の形成がさらに効果的に防止される。
一実施形態では、上昇気相および／または下降液体画分は、（メタ）アクリルモノマーを含む。
本発明による熱分離プロセスは、例えば、アクリル酸のC3前駆体化合物、特にプロペンおよび／またはプロパンを分子状酸素で不均一触媒気相酸化してアクリル酸を得たアクリル酸からなる生成ガス混合物からアクリル酸を分離するための分別凝縮プロセスであってもよい。
このような熱分離プロセスでは、（メタ）アクリルモノマーを使用するため、重合する傾向が特に大きい。そのような望ましくない重合は、本発明による方法において、（メタ）アクリルモノマーを含有する化合物の混合物の霧化された液体画分を含む湿し水によって防止される。前記湿し水は、重合が起こりやすいカラムの内面のスポットにスプレーされる。
カラム内のスポット、例えばデッドゾーンの前記スプレーによって、熱処理プロセス中の望ましくない重合副生成物の形成を防止することができる。
以下、添付図面および実施例を参照して、本発明を詳細に説明する。
本発明の実施例におけるカラムの一部の概略垂直断面図である。 本発明の実施例で使用することができる上昇管の概略垂直断面図である。 本発明のさらなる実施例におけるカラムの一部の概略垂直断面図である。
実施例
以下に記載される実施例は、アクリル酸のC3前駆体化合物、特にプロペンおよび／またはプロパンの不均一触媒気相部分酸化からの、アクリル酸を含む「生成気相」とも呼ばれる気相から、アクリル酸を分離してアクリル酸を得るための、例えば分別凝縮による熱処理のためのプロセスで使用されるカラム1に関する。
図1は、カラム1の一部の概略垂直断面図を示す。前記カラム1は、円筒形の垂直カラム本体3を備え、「垂直」という用語は、この文脈において、カラム1の軸が垂直に整列していることを意味する。本質的に、カラム1は中空円筒である。これは、カラム1のシェルがカラムキャビティ4を囲んでいることを意味する。カラム1は、ステンレスで製造されている。通常、カラム1は、従来の方法でその外側が断熱されている。カラム1は、61 mの長さ32、すなわち高さを有する。カラム1の直径は7．4 mであり、断面積は43 m2である。
いくつかの質量移動トレイ5は、水平にカラムキャビティ4内に固定され、垂直間隔で取り付けられ、2つの隣接する質量移動トレイ5間の距離29は、図1の実施例の文脈では600 mmである。質量移動トレイ5は、熱分離プロセス中にカラム1内の分離を改善する分離内部構造物として機能する。図1に示す部分図は、2つの質量移動トレイ5を示す。この場合、質量移動トレイ5は、一般に「回収領域」とも呼ばれる質量移動トレイ5の上面12を有するソーマントレイである。
1つの開口部6は、質量移動トレイ5から切り出された円形の孔の形態で質量移動トレイ5に挿入される。前記開口部6は33．7 mmの直径を有し、したがって、開口部6の周囲、または開口部6を画定する質量移動トレイ5のリム7は106 mmである。
質量移動トレイ5は、いくつかの上昇管8を備える。本明細書に記載の実施形態では、1つの上昇管8が質量移動トレイ5に挿入される。上昇管8は、ステンレス鋼製の円筒管であり、質量移動トレイ5の開口部6に気密かつ液密に溶接されている。上昇管8は、質量移動トレイ5のリム7に溶接された上昇管8の底部である入口開口部9を備える。さらに、上昇管8は、上昇管8の上部である出口開口部10を備える。言い換えると、出口開口部10は、上昇管8の入口開口部9の反対側に位置する。
図1の実施例では、上昇管8は2つの隣接する質量移動トレイ5の間に位置し、2つの隣接する質量移動トレイ5の間の距離29は約600 mmである。上昇管8の長さ31は、上昇管8の入口開口部9と上昇管8の出口開口部10との間の垂直距離として定義される。図1の実施例の文脈では、上昇管8の長さ31は約200 mmである。したがって、2つの隣接する質量移動トレイ5間の距離29に対する上昇管8の長さ31の比は0．33である。
上昇管8の数が1つである図1の場合、同じ質量移動トレイ5上に位置するすべての上昇管8によって囲まれた水平断面積の合計は、唯一存在する上昇管8の水平断面積に等しく、33895 mm2であるカラム1は7．4 mの直径、したがって43 m2の断面積を有するので、図1の文脈では、カラム1の断面積に対する同じ質量移動トレイ5上に位置するすべての上昇管8によって囲まれた水平断面積の合計の比は0．00079である。
図1のカラム1は、液体画分14と、重合する傾向がある化合物の混合物であるアクリル酸を含む気相15とを含む。化合物の前記混合物は、カラムキャビティ4内の熱処理プロセスにおいて熱処理される。液体画分14の少なくとも一部は、液体画分14のレベル36を提供する質量移動トレイ5の上面12上に配置される。気相15は、質量移動トレイ5の下方または上方のいずれかでカラムキャビティ4内に存在してもよい。質量移動トレイ5の下方に位置するカラム1の部分は参照番号38で示されており、質量移動トレイ5の上方に位置するカラム1の部分は参照番号39で示されている。
図2は、本発明の実施例で使用するための移動トレイ5を集めるように接続された上昇管8の一部の概略垂直断面の拡大図を示す。図2の対応する構成要素には、図1と同じ参照符号が使用されている。
上昇管8は、液体画分14が上昇管8に流入することを可能にするために、互いに対向する2つの側方開口部11を備える。側方開口部11は、中心18を有する円形孔の形態で上昇管8に挿入される。円形孔は、上昇管8に穿孔される。
側方開口部11の中心18から質量移動トレイ5までの距離17は、化合物の混合物の滞留液体画分14のレベル36から質量移動トレイ5までの距離よりも小さい。この特徴、ならびに上昇管8の数、ならびに1つまたは複数の上昇管8の長さ31および内径21、ならびに／あるいは温度および／または圧力などのさらなるプロセス特徴は、質量移動トレイ5上に位置する化合物の混合物の滞留液体画分14のレベル36が、上昇管8の側方開口部11の中心18が少なくとも部分的に浸かるように調整されるように調整される。これにより、化合物の混合物の液体画分14が側方開口部11を通って上昇管8に流入できることが保証される。図1の実施例では、距離17は5 mmであり、滞留液体画分14のレベル36は、質量移動トレイ5の上面12の35 mm上方に位置する。
図1および図2の上昇管8は、各々が側方開口部11を囲み、上昇管8の半径方向に上昇管8の内外の両方に突出する2つの側方管22をさらに備える。側方管22は、ステンレス鋼製の円筒管であり、上昇管8に気密かつ液密に溶接されている。側方管22は、4 mmの内径および10 mmの長さ23を有する（図2参照）。上昇管8は、29．7 mmの内径21および約200 mmの長さ31を有する。したがって、上昇管8の内径21に対する側方管22の長さ23の比は0．34であり、上昇管8の内径21に対する側方管22の内径の比は0．135である。
上昇管8によって、質量移動トレイ5の上面12上に位置する化合物の混合物の液体画分14の一部は、側方管22を通って流れることによって側方開口部11を通って上昇管8に入る。上昇管8の内部で、化合物の混合物の液体画分14は、質量移動トレイ5の下方に位置するカラム1の部分38から上昇している気相15と接触することによって霧化される。前記気相15は、入口開口部9から上昇管8を通って出口開口部10に流れ、それによって上昇管8に入った液体画分14の一部を同伴する。したがって、上昇管8の出口開口部10には、湿し水13が形成される（図1参照）。前記湿し水13によって、重合が起こりやすいカラム1の内面のスポット16にスプレーすることができる。図1において、前記スポット16は、マンウェイの内面である。このようなマンウェイでは、重合アクリル酸からの望ましくない副生成物が形成され、マンウェイの表面に付着することが一般的である。そのようなスポット16に湿し水13をスプレーできるために、出口開口部10からスポット16まで湿し水13の途中にあるカラムキャビティ4内の設備はない。言い換えると、上昇管8の出口開口部10から重合が起こりやすいカラム1の内面のスポット16までの直線経路28がある。
図1において、重合が起こりやすいカラム1の内面、すなわちマンウェイの内面のスポット16は、質量移動トレイ5の開口部6の真上に位置するのではなく、側方にオフセットされて円筒形の垂直カラム本体3内に設けられている。したがって、湿し水13でスポット16に到達することができるように、本実施形態の上昇管8は、垂直に向けられた下部37と、出口開口部10がスポット16を向くように上部ねじれ部分33とを備える。上昇管8の出口開口部10から重合が起こりやすいカラム1の内面のスポット16までの直線経路28は、前記ねじれ部分33の軸34の延長である。上昇管8の下部37の軸35とねじれ部分33の軸34との間の角度αは、140°である。上昇管8がねじれ部分33を含まない場合（図2参照）、上昇管8の長さ31は、側方開口部11の中心18から質量移動トレイ5までの距離17と、側方開口部11の中心18から出口開口部10までの距離19との合計である。上昇管8がねじれ部分33を含む場合（図1参照）、上昇管8の長さ31は、質量移動トレイ5の上面12と上昇管8の出口開口部10との間の垂直距離である。
図1および図2により詳細に見られるように、上昇管8内に突出する側方管22の部分は、傾斜端部24を有する。これは、側方管22の端部セクションの端部における断面が、側方管22の軸と直角を囲まないことを意味する。言い換えれば、側方管22は、上昇管8内に突出する端部で、例えば斜めに切断されてもよい。図2では、傾斜端部24は45°の角度で切断されている。
図2において、上昇管8の半径方向に上昇管8内に最も遠くに突出する側方管22の部分25は、側方管22の底部に位置する。一方、上昇管8の半径方向に上昇管8内に最も突出していない側方管22の部分26は、側方管22の頂部に位置している。したがって、部分25の質量移動トレイ5に対する垂直距離は、部分26の質量移動トレイ5に対する垂直距離よりも小さい。傾斜端部24の設置は、液体画分14が気相15のガス流に注入されるときに、液体画分15が上昇気相とより効率的に接触することを確実にする。
カラム1ならびに上昇管8の数ならびに1つまたは複数の上昇管8の長さ31および内径21ならびに／あるいは温度および／または圧力などのプロセス特徴は、プロセスモード中に、カラム1のうちの質量移動トレイ5の下方に位置する部分38とカラム1のうちの質量移動トレイ5の上方に位置する部分39との間の圧力降下が2 mbar～4 mbarであるように調整される。
さらなる実施例を図3に示す。基本的に、図1に既に示されているのと同様のカラム1が示されている。図3のカラム1の対応する構成要素には、図1および図2と同じ参照符号が使用されている。
図1のカラム1と比較して、図3のカラム1の上昇管8は、側方管22を備えていない。図1のカラム1と比較した図3のカラム1の追加の特徴は、質量移動トレイ5の他にさらなる下方の質量移動トレイ27が存在することである。さらなる下方の質量移動トレイ27は、質量移動トレイ5の下方に位置する。図3のカラム1の概略垂直断面図は、3つのトレイの総数、すなわち2つの質量移動トレイ5および1つのさらなる下方の質量移動トレイ27を示す。さらなる下方の質量移動トレイ27の存在により、図3の実施例のプロセスにおいて、化合物の混合物の液体画分14は、化合物の混合物の気相15と共に、質量移動トレイ5ではなくさらなる下方の質量移動トレイ27から上昇する。これと比較して、図1のカラム1では、化合物の混合物の液体画分14は、側方管22を介して上昇管8に入る。
すべての実施例において導入として述べたもののうち、他の質量移動トレイを使用することも可能であることが指摘される。
以下では、実施例の1つの上記のカラム1で実行される本発明によるプロセスの実施例について説明する。
このプロセスは、カラム1で上昇する化合物の混合物の少なくとも1つの気相15と、カラム1で下降する化合物の混合物の少なくとも1つの液体画分14との間の熱分離プロセスである。上昇気相15および／または下降液体画分14は、特に（メタ）アクリルモノマーを含む。
前記熱分離プロセスでは、アクリル酸を得るためのC3前駆体化合物、特にプロパンおよび／またはプロペンの分子状酸素で不均一触媒気相部分酸化からのアクリル酸を含む生成物気相からのアクリル酸の分離のための分別凝縮が、内部物質を分離することを含むカラム1内で行われる。カラム1は、下から上に向かって、複数の質量移動トレイ5を備える。そうでなければ、プロセスは、文献独国特許出願公開第19924532号明細書，独国特許出願公開第10243625号明細書および国際公開第2008／090190号パンフレットに記載されているように行われる。しかしながら、この場合、質量移動トレイ5上またはさらなる下方の質量移動トレイ27上に位置する化合物の混合物の液体画分14は、重合が起こりやすいカラム1の内面のスポット16に対して質量移動トレイ5の上方39に位置するカラム1の一部にスプレーされる湿し水13を得るために、上でさらに詳細に説明したように、上昇管8および上昇気相15を使用して霧化される。
アクリル酸の「C3前駆体」という用語は、正式な意味でアクリル酸の還元によって得ることができる化合物を包含する。アクリル酸の既知のC3前駆体は、例えば、プロパン、プロペンおよびアクロレインである。しかしながら、グリセロール、プロピオンアルデヒド、プロピオン酸または3－ヒドロキシプロピオン酸などの化合物もまた、これらのC3前駆体に数えられるべきである。これらから進行して、分子状酸素によって不均一に触媒された気相部分酸化は、少なくとも部分的に酸化的脱水素化である。関連する不均一触媒気相部分酸化では、一般に不活性ガス、例えば分子状窒素、CO、CO2、不活性炭化水素および／または蒸気で希釈された、言及されたアクリル酸のC3前駆体は、高温および場合により高圧で、遷移金属混合酸化物触媒上を分子状酸素との混合物中を通過し、酸化的にアクリル酸を含む生成気相に変換される。
典型的には、固体触媒上での分子状酸素によるC3前駆体、例えばプロペンの不均一触媒気相部分酸化からのアクリル酸を含む生成気相は、その中に存在する特定の成分の総量に基づいて、以下の含有量を有する。
1～30重量％のアクリル酸、
0．05～10重量％の分子酸素、
1～30重量％の水、
0～5重量％の酢酸、
0～3重量％のプロピオン酸、
0～1重量％のマレイン酸および／または無水マレイン酸、
0～2重量％のアクロレイン、
0～1重量％のホルムアルデヒド、
0～1重量％のフルフラール、
0～0．5重量％のベンズアルデヒド、
0～1重量％のプロペン、および
残りの不活性ガスとして、例えばAr、N2またはCO2。
部分気相酸化自体は、従来技術に記載されているように行うことができる。プロペンから進行して、部分気相酸化は、例えば、欧州特許出願公開第700714号明細書および欧州特許出願公開第700893号明細書に記載されているように、例えば、2つの連続する酸化段階で行うことができる。しかしながら、独国特許出願公開第19740253号明細書および独国特許出願公開第19740252号明細書に引用されている部分気相酸化を使用することも可能であることが理解されよう。
一般に、部分気相酸化を残す生成気相の温度は、約150～約350℃、好ましくは約200～約300℃である。
直接冷却および／または間接冷却は、前記生成物気相の熱処理プロセス、例えば分別凝縮を実施するためにカラム1の底部に導かれる前に、最初に約100～約180℃の範囲の温度まで高温生成物気相を適切に冷却する。カラム1の動作圧力は、一般に0．5～5バール、好ましくは0．5～3バール、多くの場合1～2バールである。
1 カラム
3 円筒形の垂直カラム本体
4 カラムキャビティ
5 質量移動トレイ
6 開口部
7 リム
8 上昇管
9 入口開口部
10 出口開口部
11 側方開口部
12 上面
13 湿し水
14 液体画分
15 気相
16 重合が起こりやすいカラム内面のスポット
17 距離
18 中心
19 距離
20 内径
21 内径
22 側方管
23 長さ
24 傾斜端部
25 最も突出している部分
26 最も遠くに突出する部分
27 さらなる下方の質量移動トレイ
28 直線経路
29 距離
31 長さ
32 長さ
33 ねじれ部分
34 軸
35 軸
36 レベル
37 上昇管の下部
38 下方に位置するカラムの一部
39 上方に位置するカラムの一部
α 角度

Claims (15)

  1. 重合傾向のある化合物の混合物を熱処理するためのカラム（１）であって、
    前記カラム（１）は、
    カラムキャビティ（４）を形成する円筒形の垂直カラム本体（３）と、
    前記カラムキャビティ（４）内に配置され、質量移動トレイ（５）のリム（７）によって囲まれた、少なくとも１つの開口部（６）を備える少なくとも１つの前記質量移動トレイ（５）と、
    を備え、
    前記質量移動トレイ（５）は、前記質量移動トレイ（５）の前記リム（７）に気密に接続された少なくとも１つの上昇管（８）を備え、
    前記上昇管（８）は、
    前記少なくとも１つの質量移動トレイ（５）またはその下方に位置する入口開口部（９）と、
    前記少なくとも１つの質量移動トレイ（５）の上方に位置する出口開口部（１０）と、
    前記質量移動トレイ（５）の上面（１２）に近い垂直方向において前記質量移動トレイ（５）の上方に位置する少なくとも１つの側方開口部（１１）と
    を備え、
    前記上昇管（８）は、前記入口開口部（９）から前記上昇管（８）を通って前記出口開口部（１０）へと流れる前記化合物の前記混合物の気相（１５）の上昇によって、少なくとも１つの側方開口部（１１）を通って前記上昇管（８）内に入る前記質量移動トレイ（５）からの前記化合物の混合物の液体画分（１４）が霧化することによって湿し水（１３）を形成するように適合されており、
    前記湿し水（１３）は、前記質量移動トレイ（５）の上方に位置する前記カラム（１）の部分内の、重合が起こりやすい前記カラム（１）の内面のスポット（１６）にスプレーされる、カラム（１）。
  2. 前記側方開口部（１１）の中心（１８）から前記質量移動トレイ（５）までの距離（１７）に対する前記側方開口部（１１）の前記中心（１８）から出口開口部（１０）までの距離（１９）の比は、０．００１～０．１、好ましくは０．００５～０．０１の範囲である、請求項１に記載のカラム（１）。
  3. 前記側方開口部（１１）の前記中心（１８）から前記質量移動トレイ（５）までの前記距離（１７）は、１～４５ｍｍ、好ましくは２～１０ｍｍの範囲である、請求項１または２に記載のカラム（１）。
  4. 前記側方開口部（１１）の内径（２０）に対する前記上昇管（８）の内径（２１）の比は、０．０１～０．８、好ましくは０．０５～０．２の範囲である、請求項１から２のいずれか一項に記載のカラム（１）。
  5. 前記上昇管（８）は、前記側方開口部（１１）を気密に囲み、前記上昇管（８）の半径方向に前記上昇管（８）内に突出する少なくとも１つの側方管（２２）を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載のカラム（１）。
  6. 前記側方管（２２）は、前記上昇管（８）の中心に向かって先細になる円筒形または円錐形の形状を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載のカラム（１）。
  7. 前記上昇管（８）内に突出する前記側方管（２２）は傾斜した端部（２４）を有し、前記上昇管（８）の半径方向に前記上昇管（８）内に最も遠く突出する前記側方管（２２）の部分（２５）は、前記上昇管（８）の半径方向に前記上昇管（８）内に最も遠く突出しない前記側方管（２２）の部分（２６）よりも、前記質量移動トレイ（５）までの垂直距離が小さい、請求項１から６のいずれか一項に記載のカラム（１）。
  8. 重合傾向のある化合物の混合物を熱処理するためのカラム（１）であって、
    前記カラム（１）は、
    カラムキャビティ（４）を形成する円筒形の垂直カラム本体（３）と、
    前記カラムキャビティ（４）内に配置され、質量移動トレイ（５）のリム（７）によって囲まれた少なくとも１つの開口部（６）を備える前記質量移動トレイ（５）と、
    少なくとも１つのさらなる下方の質量移動トレイ（２７）であって、前記質量移動トレイ（５）の下方に位置される、さらなる下方の質量移動トレイ（２７）と、
    を備え、
    前記質量移動トレイ（５）は、前記質量移動トレイ（５）の前記リム（７）に気密に接続された少なくとも１つの上昇管（８）を備え、
    前記上昇管（８）は、
    前記質量移動トレイ（５）またはその下方に位置する入口開口部（９）と、
    前記質量移動トレイ（５）の上方に位置する出口開口部（１０）と、
    を備え、
    前記上昇管（８）は、前記入口開口部（９）から前記上昇管（８）を通って前記出口開口部（１０）へと流れる前記化合物の混合物の気相（１５）の上昇によって前記さらなる下方の質量移動トレイ（２７）からの前記化合物の混合物の液体画分（１４）が霧化することによって湿し水（１３）を形成するように適合されており、
    前記湿し水（１３）は、前記質量移動トレイ（５）の上方に位置する前記カラム（１）の部分内にスプレーされ、
    前記カラムキャビティ（４）は、前記スポット（１６）が前記湿し水（１３）によって直接スプレーされるように、前記上昇管（８）の前記出口開口部（１０）から重合が起こりやすい前記カラム（１）の内面の前記スポット（１６）までが直線経路（２８）となるように形成される、カラム（１）。
  9. 前記カラム（１）の断面積（３０）に対する、同じ質量移動トレイ（５）上に位置するすべての上昇管（８）によって囲まれた水平断面積（２９）の合計の比は、０．００００１～０．１、好ましくは０．００００１～０．００１の範囲内である、請求項１から８のいずれか一項に記載のカラム（１）。
  10. 前記上昇管（８）は、その軸（３４）が前記上昇管（８）の下部（３７）の軸（３５）と共に９０°～１７０°の範囲の角度（α）を形成する上部ねじれ部（３３）を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載のカラム（１）。
  11. 重合が起こりやすい前記カラム（１）の前記内面の前記スポット（１６）は、支持構造体の表面の鋭角、下降管の底部の鋭角、マンウェイおよび／またはハンドホールから選択される、請求項１から１０のいずれか一項に記載のカラム（１）。
  12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のカラム（１）内で上昇する化合物の混合物の少なくとも１つの気相（１５）と、前記カラム（１）内で下降する前記化合物の混合物の少なくとも１つの液体画分（１４）との間の熱分離プロセス。
  13. 重合が起こりやすい前記カラム（１）の前記内面の前記スポット（１６）が前記湿し水（１３）によって直接スプレーされるように、前記上昇管（８）の前記出口開口部（１０）で、前記質量移動トレイ（５）上に位置する前記化合物の混合物の滞留液体画分（１４）が霧化されて前記湿し水（１３）を形成する、請求項１から７のいずれか一項に従属する限り、請求項１２に記載のプロセス。
  14. 前記質量移動トレイ（５）上に位置する前記化合物の混合物の前記滞留液体画分（１４）のレベル（３６）は、前記上昇管（８）の前記側方開口部（１１）の前記中心（１８）が少なくとも部分的に浸かるように調整される、請求項１から７のいずれか一項に従属する限り、請求項１２または１３に記載のプロセス。
  15. 前記上昇管（８）の数ならびに１つまたは複数の前記上昇管（８）の長さ（３１）および内径（２１）は、プロセスモード中に、前記質量移動トレイ（５）の下に位置する前記カラムの部分（３８）と前記質量移動トレイ（５）の上に位置する前記カラムの部分（３９）との間の圧力降下が少なくとも１ミリバール、好ましくは少なくとも４ミリバールであるように調整される、請求項１２から１４のいずれか一項に記載のプロセス。
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