JP3969769B2

JP3969769B2 - 筒型化学反応装置

Info

Publication number: JP3969769B2
Application number: JP17618096A
Authority: JP
Inventors: 一夫吉田; 篤津田
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1996-07-05
Filing date: 1996-07-05
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2016-07-05
Also published as: JPH1015381A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は筒型化学反応装置に関し、更に詳しくは、逆混合特性を有する筒型反応装置の反応温度調節技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化学反応を伴う気体−液体二相間の反応に用いられる反応装置はその気−液の混合状態によって以下の３種類に大別される。第１は、管軸方向又は流れ方向で反応成分の混合が無視できるピストンフロー特性を有する管型反応装置である。ピストンフロー特性は、押出し流れ（Pluy flow ）特性とも呼ばれる。第２は、槽内の組成および温度が均一になるように充分に混合された状態の完全混合特性を有する攪拌槽型反応装置である。第３は、上記ピストンフロー特性と完全混合特性の中間領域の特性である不完全混合特性を有する、気泡塔に代表される塔式又は筒型反応装置である。
【０００３】
完全混合特性を有する攪拌槽型反応装置では、槽内が十分に混合されて反応温度が均一になるので、反応温度の調節が容易であるという利点を有するが、反応転換率を上げるためには反応装置が大型化するという欠点がある。また、ピストンフロー特性を有する管型反応装置では、後述する逆混合が少なく、反応速度が速いという利点を有するものの、反応熱の除去や急速な加熱、冷却等による温度調節面で問題点がある。
【０００４】
不完全混合特性を有する円筒型反応装置は、反応液の逆混合特性のために、筒内で反応速度が不均一となり、反応熱による温度差が出来るため反応温度の調節が難しいという問題がある。つまり、反応液は一般に塔底から入り塔頂から生成物として流出するが、その間に上昇ガス気泡群による攪拌作用を受けるため反応液の流通方向への混合（逆混合）作用が生じる。この逆混合は、反応液の反応達成率（転換率）や生成物の副反応等に影響を与えるため、多孔板や邪魔板等を入れて反応液の流れをピストンフロー流に近づける工夫が採用される。この形式の円筒型反応装置としては、特公昭５１−１５００７の号公報に記載されたものがあり、これを図７に示す。垂直方向に延びる多数の冷却管が反応装置（反応器）１内に並列配置され、これらは反応器１の横断面方向に見て均一に分配される。各冷却管は、反応器１の軸と直交方向に延在して反応器１を軸方向に区画する複数の多孔プレート（多孔板）１２によって相互の離隔距離が確保される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の筒型化学反応装置では、反応装置内部における除熱量を、多孔プレート１２で区画された各反応領域で個々に設定することが出来ない。従って、各反応領域で発生する反応液の逆混合によって反応速度に不均一が生じ、各反応領域間で反応速度を均一に調節することが出来ないという問題がある。
【０００６】
また、反応装置では、生成物の時間当たりの生産量（生産レート）を変える場合に、ガス・液体原料、及び、触媒流量の時間当たりのフィード量を変える必要があるが、その際には、プロセス特性が変化するので、反応装置内の反応温度が不安定になり、所望の範囲内に反応温度を制御することが困難である。同様に、原料中の不純物濃度が変化した場合にも、反応装置内の反応速度や反応圧力等が変化し、所望の範囲内に反応温度を制御することが困難となる。これらに起因する反応温度の変動により、生成物の生成量（生成濃度）が変化し、生産レートを所望の値に調整出来ないという問題もある。
【０００７】
本発明は、上記従来の筒型反応装置における反応温度の不均一性や変動を軽減することにより、生産レートを所望の値に容易に調節可能な筒型化学反応装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の筒型化学反応装置は、２種類以上の原料を供給して化学反応を行う筒型化学反応装置において、
反応装置の内部全体における原料の流通を可能としつつ反応装置内部を複数の反応領域に区画すると共に原料に特定の混合特性を与える多孔板と、
前記各反応領域の夫々に対応して配設され、対応する反応領域の反応温度を夫々個別に制御する複数の温度調節部とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の筒型化学反応装置では、反応装置内部を多孔板によって複数の反応領域に区画して原料に所定の混合特性を与えると共に各反応領域の温度を個別に制御する構成を採用したことにより、複数の反応領域における温度の不均一性が軽減され、また、各反応領域における温度変動も軽減される。
【００１０】
ここで、本発明の筒型化学反応装置は、如何なる化学反応装置としても利用できる。また、本発明で採用する多孔板は、反応装置内部の原料に特定の混合特性乃至は流動特性を与えれば足り、特定の形状のものに限定されない。
【００１１】
多孔板としては、反応装置の内部における原料の混合特性を、拡散モデルで表した時の流通混合パラメータＵが０．４以上であるピストンフロー型の混合特性とするものが好ましい。
【００１２】
また、温度調節部が、熱交換のための冷却媒体を通ずる冷却管と、反応領域の反応温度を検出する第１の温度検出器と、該第１の温度検出器の検出出力が入力される第１の温度調節器と、前記冷却媒体の入口温度を検出する第２の温度検出器と、該第２の温度検出器の出力が入力されると共に前記第１の温度調節器の操作量が設定値として入力される第２の温度調節器と、該第２の温度調節器の出力によって制御され、前記冷却媒体の流量を調整する流量調整弁とを備える構成も好ましい。この場合、正確な制御が得られる。
【００１３】
更に、上記に代えて、各温度調節部が、各反応領域の反応温度を平均した反応温度平均値の第１の所定値からの偏差と、前記各反応領域の反応温度の第２の所定値からの偏差とに基づいて、前記各反応領域の温度を制御することも好ましい態様である。この場合、反応装置全体及び各反応領域の温度を容易に所定値に保つことが出来る。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態例に基づいて本発明の筒型化学反応装置を更に詳細にに説明する。図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態例の筒型化学反応装置の構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は、この装置における反応の様子を示す模式的断面図である。図中、符号１は円筒型の反応器を示し、その内部で気体−液体原料による２相間の化学反応が行なわれる。反応器１の内部は、水平方向に延在する多孔板（流動特性調整機構）２により、垂直方向に並ぶｎ個（図では、＃１〜＃４から成る４個）の反応領域１１に仕切られている。
【００１５】
多孔板２で仕切られた各領域＃１〜＃４には、反応温度を下げるための冷却媒体（冷却水）を通ずる冷却コイル等の熱交換器３、反応温度を測定する温度検出器４、冷却水の入口温度を測定する温度検出器５、及び、冷却水流量を調節するための流量調節弁６が設けられており、各領域＃１〜＃４の夫々において個別に反応温度の調節が行なわれる。
【００１６】
反応器１の底部からは、液体原料７、ガス原料８及び触媒９を夫々供給し、多孔板の作用と組み合せたガスの攪拌効果によって、原料に逆混合特性を持たせる。図１（ｂ）に示すように、各反応領域は、多孔板の孔によって原料に逆混合特性を与えつつ原料を循環させる。反応器内部の反応温度の制御は各反応領域で個々に行なわれるものの、反応自体は、反応器全体が１つの領域として行なわれる。
【００１７】
反応器１の形式は、触媒液が生成物と共に反応器１の外に抜き出される触媒循環型であってもよく、或いは、触媒液を反応器１の内部に閉じこめたまま、生成物をガスで留出させる、いわゆるガスストリップ型であってもよい。
【００１８】
最上段の反応領域１１から留出するガス・液混合物（ストリップ型反応器の場合にはガス状生成物）から成る出口生成物１０は、必要に応じて冷却コイル又はジャケット等によって冷却、又は加熱される。
【００１９】
以下、上記反応器における混合特性について説明する。本発明の筒型化学反応装置を作用させるために、反応器内の液相の混合特性は、後に詳述するように、流通混合パラメータＵをＵ≧０．４、好ましくはＵ≧０．５としたピストンフロー型混合特性とする。流通混合パラメータＵには、上限は特にないが（Ｕ＝∞）、工業的にはこのパラメータＵを、通常は０．４〜１００、望ましくは０．５〜５０の範囲として実施する。
【００２０】
上記反応器の構成自体は、公知の方法、例えば円筒型反応器で多孔板の仕切板を複数設置する従来の方法で製作できる。
【００２１】
反応器の液相の混合特性は、前述の如く、拡散モデルを用いて表される流通混合パラメータＵを指標にして把握することができる。本発明の筒型化学反応装置で実施されるプロセスでは、この拡散モデルで表した時のパラメータＵの値によって、反応器内部の液相の混合特性を表現する。
【００２２】
矢木ら（化学工学，第１７巻，第１０号，第３８２〜３８６頁（１９５３））によれば、拡散モデルにおける液相の混合特性は、パルス応答法によるトレーサーテストにより定量化できる。上記文献によると、反応器からの排出流体の反応器内における滞留時間と排出頻度との関係（DanckwertsのＥ（φ）関数）は以下のようになることが示されている。
【００２３】
即ち、
【数１】

で定義される無次元数Ｕ（流通混合パラメータ）を用いてＥ（φ）は、
【数２】

と表わされる。ここでμ_n は、
cot μ＝｛（μ／Ｕ）−（Ｕ／μ）｝／２
のｎ番目の正根である。
【００２４】
上式（II）について、ＵをパラメータにしてＥ（φ）をφに対してプロットすると図２に示した通りである。ここで、グラフａはＵ＝０に、ｂはＵ＝０．２に、ｃはＵ＝０．４に、ｄはＵ＝１．０に、ｅはＵ＝１．４に、ｆはＵ＝２．０に、ｇはＵ＝∞に夫々対応する。グラフａを示すＵ＝０が理想的な完全混合に、グラフｇを示すＵ＝∞が理想的なピストンフローに夫々対応している。そこで、トレーサーテストの応答データを規格化して図２に合わせてみればパラメータＵの値を知ることが出来る。規格化は、よく知られているように、トレーサー実験データをプロットし、なめらかな応答カーブを書いたときに、
【数３】

より、
【数４】

であり、
Ｅ（ｔ）＝Ｃw／ΣＣw・Δｔ（Ｖ）
より
【数５】

である。
【００２５】
本発明の反応装置は、前記の通り、例えば円筒型反応器の内部に多孔板から成る複数の仕切板を設置する等の方法で構成出来る。反応器内の反応生成液はガス・液混相であり、反応温度の調節に際しては、まず、各段を成す反応領域には所定の設定温度が決められる。この設定値に基づいて、一般的には下記のような制御が行われる。
【００２６】
検出された第ｉ段（１≦ｉ≦ｎ）の反応温度を目標値に調節するために、第ｉ段の領域１１のための冷却水調節弁６の調整が行われる。その際、第ｉ段の冷却水調節弁６は、例えば図３（ａ）に示すように、第ｉ段の反応領域１１における反応温度に基づいて、ＰＩＤ（比例・積分・微分）制御を行なう温度調節装置１３によって直接に制御する。或いは、これに代えて、例えば図３（ｂ）に示すように、第ｉ段の反応温度を入力とする第１の温度調節計（ＰＩＤ）１３と、第ｉ段の冷却水入口温度を入力とする第２の温度調節計（ＰＩＤ）１４とを利用することも出来る。この場合、第１の温度調節計１４の操作量出力を第２の温度調節計の設定値として入力して、双方の温度調節計１３、１４をカスケード接続することによって制御する。
【００２７】
図４は本発明の第２の実施形態例の筒型化学反応装置を示す。また、図５は、図４の筒型化学反応装置で行なわれる制御における反応平均温度制御アルゴリズムを示している。反応器内部の構成自体は先の実施形態例と同様であり、本実施形態例では反応温度の制御方法が先の実施形態例と異なる。図４に示すように、本実施形態例では、各段の反応領域１１毎に、反応温度検出器４の出力を入力とする反応温度補償フィードバック制御コントローラ（制御ブロック）１５、冷却水温度検出器５の出力を入力とし、冷却水調節弁６の開度を制御する冷却水温度制御装置（制御ブロック）１６、及び、加算器１７を設け、また、反応器１の全体に１つの反応平均温度制御装置（制御ブロック）１８を設けている。各段の反応温度補償フィードバック制御コントローラ１５の出力と、反応平均温度制御装置１８の出力とを加算器１７で加算して、冷却水温度制御装置１６の設定値としている。
【００２８】
図５に示すように、まず、反応器内の各反応領域の全て又はその一部の温度Ｔ_pv_1〜Ｔ_pv_nを検出し、反応温度制御装置１８において、後述する演算式に基づいて反応平均温度Ｔ_avg_pvを求める（ステップ１）。この反応平均温度Ｔ_avg_pvを目標値Ｔ_avg_spと比較して、ＰＩＤ制御により第１の操作量Ｔ_avg_mvを求める（ステップ２）。全段又は特定段に設けられた反応温度補償フィードバック制御コントローラ１５によって第２の操作量Ｔ_sub_mv_iを求めておき（ステップ３）、前記第１の操作量Ｔ_avg_mvに適切なゲインを乗じたものと、ステップ３で求めた第２の操作量Ｔ_sub_mv_i（１≦ｉ≦ｎ）とを加算器１７で加えることにより、冷却水温度設定値Ｔ_cold_sp_iを各段毎に求める（ステップ４）。図５ではこの部分はｎ段のみが例示してある。冷却水温度設定値Ｔ_cold_sp_iに基づいて、冷却水温度制御装置１６において、各段の反応領域１１の冷却水入口温度をフィードバック制御する。この場合、冷却水調節弁６の開度を調節することで、この制御が行なわれる（ステップ５）。
【００２９】
本実施形態例では、冷却水（冷却材）の温度を制御し調整しているが、その他に冷却材流量の設定値、冷却材圧力の設定値、又は、調節弁の開度を制御し調整することによっても同様な効果が得られる。この場合、ステップ５は夫々の制御に見合った調整方法になる。
【００３０】
演算に用いる各反応領域内の反応温度、冷却温度又は各出力を、任意にフィルタ定数を可変としたフィルター（例えば１次遅れ系のアナログ又はデジタル式のフィルタ）によって平滑化することにより、上記効果をより適切なものにすることも出来る。以下、各ステップにおける演算の具体的内容を説明する。
【００３１】
ステップ１
下記演算式を利用し、与えられた各段の反応温度の検出データに、任意に可変とした重ねゲインを乗算して重み付き平均化処理を行い、反応平均温度Ｔ_avg_pvを求める。なお、この重み付き平均化処理に代えて単純平均を利用してもよい。
【数６】

【００３２】
ステップ２
反応平均温度フィードバック制御（例えばＰＩＤ）にて、下記式により制御出力である操作量Ｔ_avg_mvを算出する。
【数７】

反応平均温度制御の目標値は、各段の反応温度補償フィードバック制御の目標値と整合性が保てるように設定しなければならない。この場合、自動的に設定されることが望ましい。
【００３３】
ステップ３
反応温度補償フィードバック制御（例えばＰＩＤ）を利用し、下記式に基づいて各段ごとに制御出力である操作量Ｔ_sub_mv_i（１≦ｉ≦ｎ）を算出する。
【数８】

【００３４】
ステップ４
下記演算式に基づいて、与えられた反応平均温度フィードバック制御出力に、任意に可変とした重ねゲインを乗算し、次いでこれに反応温度補償フィードバック制御出力を加算し、冷却水温度設定Ｔ_cold_sp_iを各段ごとに求める。
【数９】

なお、ここでは、各段の冷却水温度設定値を求めているが、これに代えて、各段の冷却水調節弁の開度設定値を直接的に求めてもよく、この場合にも同様な効果が得られる。この場合には、以下のステップ５は省略される。
【００３５】
ステップ５
冷却水温度フィードバック制御（例えばＰＩＤ）により、制御出力を算出し、冷却水調節弁開度を各段ごとに調整する。
【数１０】

【００３６】
実施例
従来の筒型化学反応装置（比較例）及び上記実施形態例の筒型化学反応装置（実施例）を利用して円筒型反応器の温度調節を行なった。原料ガス及び液体（プロピレン）を下部から挿入し、ガスの攪拌効果で混合させた。夫々の制御結果を図６（ａ）及び（ｂ）に示した。
【００３７】
実施例の制御方法としては、上記実施形態例で説明したような、多孔板で仕切られた４段の反応温度の平均値をフィードバックさせる制御ブロックと、各段の反応温度をフィードバックさせる制御ブロックの双方の出力の和を、各段の冷却水温度制御ブロックの目標値（設定値）として与えている。グラフの縦目盛りは目標温度に対する温度偏差値である。
【００３８】
図６（ａ）及び（ｂ）から理解できるように、本発明によると、従来に比して反応温度の変動における振れ幅が減り、且つ、温度制御の安定化が得られる。ここで、反応温度に対する外乱としては、反応圧力、周囲温度、原料組成の変動による反応率の変動等々が考えられるが、特別に大きな外乱変動がなければ、本温度調節装置による制御フィードバック方法で充分に補償可能である。
【００３９】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明の筒型化学反応装置は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施した筒型化学反応装置も、本発明の範囲に含まれる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の筒型化学反応装置によると、化学反応装置において、種々の外乱要因に影響を受け難く、充分に安定で且つ均一な反応温度が得られるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は夫々、本発明の実施形態例の筒型化学反応装置の構成を示す断面図及び反応の様子を示す模式的断面図。
【図２】流通混合パラメータＵをパラメータとするＥ（φ）関数のグラフ。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は夫々、図１の実施形態例の反応温度測定装置で採用される各段の温度制御の例を示すブロック図。
【図４】本発明の第２の実施形態例の筒型化学反応装置の構成を示すブロック図。
【図５】図４の筒型化学反応装置で採用される制御アルゴリズムを示すフロー図。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は夫々、従来及び実施形態例の反応温度測定装置による温度調節の結果を示すグラフ。
【図７】従来の筒型化学反応装置の構成を示す断面図。
【符号の説明】
１反応器
２多孔板
３熱交換器
４、５温度検出器
６調節弁
７液原料
８ガス原料
９触媒
１０出口生成物
１１反応領域
１２多孔板
１３、１４温度調節計
１５温度補償フィードバック制御コントローラ
１６冷却水温度制御装置
１７加算器
１８反応温度制御装置

Claims

２種類以上の原料を供給して化学反応を行う筒型化学反応装置において、反応装置の内部全体における原料の流通を可能としつつ反応装置内部を複数の反応領域に区画すると共に原料に特定の混合特性を与える多孔板と、前記各反応領域の夫々に対応して配設され、対応する反応領域の反応温度を夫々個別に制御する複数の温度調節部とを備え、前記温度調節部が、熱交換のための冷却媒体を通ずる冷却管と、反応領域の反応温度を検出する第１の温度検出器と、該第１の温度検出器の検出出力が入力される第１の温度調節器と、前記冷却媒体の入口温度を検出する第２の温度検出器と、該第２の温度検出器の出力が入力されると共に前記第１の温度調節器の操作量が設定値として入力される第２の温度調節器と、該第２の温度調節器の出力によって制御され、前記冷却媒体の流量を調整する流量調整弁とを備えることを特徴とする筒型化学反応装置。
２種類以上の原料を供給して化学反応を行う筒型化学反応装置において、反応装置の内部全体における原料の流通を可能としつつ反応装置内部を複数の反応領域に区画すると共に原料に特定の混合特性を与える多孔板と、前記各反応領域の夫々に対応して配設され、対応する反応領域の反応温度を夫々個別に制御する複数の温度調節部とを備え、前記各反応領域の反応温度を平均した反応温度平均値の第１の所定値からの偏差と、前記各反応領域の反応温度の第２の所定値からの偏差とに基づいて、前記各反応領域の温度を制御することを特徴とする筒型化学反応装置。