JP4331434B2 - 気相触媒反応のためのガスインジェクタを備えた管状反応器 - Google Patents
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Description
【０００１】
発明の分野
本発明は、最適化された条件下および／または爆発を起こしやすい状況を避ける条件下において反応体を反応区域に導入するための流体インジェクタを備えた改良型連続流動式化学反応装置に関する。
【０００２】
関連技術の説明
本出願にいくつかの出版物および公報が参照されている。これらの文献には、本発明の関連する従来技術が記載されており、これらの文献をここに引用する。
【０００３】
酸化脱水素化プロセス、すなわち、部分酸化プロセスは、軽質炭化水素のオレフィンおよびカルボン酸の一段階転化である。このプロセスは、潜在的に、資本とエネルギーが非常にかかるクラッキングや純粋な脱水素化よりも優れた多くの利点を提供する。低温触媒上での飽和炭化水素のオレフィンおよびカルボン酸への転化は、ソルステンソン(Thorstienson)等により、ジャーナル・オブ・キャタリシス(Journal of Catalysis)、第５２巻、１１６−１３２頁（１９７８年）に発行されたレポートに開示された。
【０００４】
米国特許第４２５０３４６号明細書には、異なる低温触媒系を提案している、エタンのエチレンへの酸化脱水素化のためのプロセスが開示されている。欧州特許出願公開第５１８５４８号明細書には、酢酸を製造する方法であって、反応体を、バナジウムおよび酸化リンを含有する固体触媒（ＶＰＯ系）に接触させながら、少なくともゲージ圧で１００ｐｓｉ（０．７ＭＰａ）の圧力で反応区域内において分子の酸素によりエタンを酸化させる工程を含む方法が開示されている。
【０００５】
しかしながら、酸化脱水素化反応は、(a)反応による発熱の除去、(b)可能性のある関連する温度暴走、(c)所望の生成物に対する選択性の調節、および(d)望ましくない酸素化された副生成物および炭素の酸化物の形成の制限のような問題を生じる。
【０００６】
酸化脱水素化プロセス、並びに酸化プロセスに関連する別の問題として、爆発性混合物が形成されるという制約により課せられる酸化体の炭化水素供給材料に対する比率への制限がある。自己発火、曝燃および爆発に至ることがある組成物を差し控えるという規則のために、反応の化学量論的要件および反応速度的要件を満たす供給組成物の最適化を達成するためのプロセスの能力が損なわれる。
【０００７】
これらの問題は、多くの特許により対処されてきた。各々の特許は、改良型反応器システムまたは異なる反応器の構成を提案することにより、上述した難点の１つ以上を克服しようと試みた。
【０００８】
ユニオンカーバイド(Union Carbide)社に譲渡された米国特許第４８９９００３号明細書は多段階反応器システムに関し、このシステムにおいて、エタンおよび酸素を含有する供給ガスが、酸化脱水素化触媒上で、エチレン、酢酸、水、エタンおよび炭素酸化物を含有する生成ガスに転化される。各々の段階（最後の段階以外）からの生成ガスが冷却され、水および酢酸の一部が分離され、生成ガス流が次の反応段階に通過する前に酸素が加えられる。いずれの反応器への供給流中の全酸素含有量は、その段階における全流入ガス流に関して６モルパーセント未満に維持された。
【０００９】
エス・アール・アイ(SRI)社に譲渡された米国特許第５５８３２４０号明細書は、局部的な高濃度勾配およびホットスポットを最小にするかまたはなくすために、反応器に始終一種類の反応体を連続添加し、反応器の全容積に亘り混合する、多孔質膜を備えた反応器に関する。他の反応体は、混合要素を含有する浸透管の内部に流される。それらの混合要素は、伝熱率および物質移動速度を上昇させることにより、所望の生成物の収率を増加させるものであることが請求された。
【００１０】
欧州特許出願公開第５４６６７７Ａ１号明細書は、酢酸へのエタン酸化のための流動床に関する。開示されたプロセスには、３つの重要な工程が含まれた：(1)反応区域からのガス状排出流を冷却する工程；(2)排出流から酢酸のほとんどを液体の形態で分離して、排出流中に含まれた炭素酸化物のほぼ全てを含有するガス状流を残す工程；(3)このガス状流のほんの一部をパージし、ガス状流の大部分を反応区域への供給材料の一部として再利用する工程。パージは、反応区域中に炭素酸化物が蓄積するのを避けることを意図したものであり、一方で、再利用は、反応区域のガス中の炭素酸化物を高い比率に維持するのに役立ち、したがって、高発熱性の酸化反応の温度上昇の影響を抑えるのに役立つ。
【００１１】
米国特許第５７２３０９４号明細書は、所望の生成物に対する反応選択性を増加させるために、改善されたマイクロミキシング条件および減少した濃度の局所区域を提供する化学反応器設計に関する。この設計は、シェル型反応器内に配置された流動管内にその長手方向に亘り配置された毛管、および第１の反応体を流動管中に、第２の反応体を毛管中に分配するための１つ以上のディストリビュータを備えている。
【００１２】
欧州特許第０５３２３２５号明細書は、エチレンオキシドを生成するための方法および装置に関する。欧州特許第０３８３２２４号明細書は、シェル・アンド・チューブ反応器およびそれを用いる方法に関する。
【００１３】
反応混合物を爆発性混合物の形成に関する制約内に維持しながら、反応区域の大部分に沿って供給組成物を最適化し、反応の化学量論的要件および反応速度的要件を満たし、したがって、自己発火、曝燃および爆発に至ることがある反応体混合物を差し控える連続流動式化学反応系を提供することが望ましいであろう。
【００１４】
発明の目的
本発明の目的は、上述した欠点を克服することにある。
【００１５】
本発明の別の目的は、改良型の連続流動式化学反応装置を提供することにある。
【００１６】
本発明の別の目的は、制御された量の少なくとも一種類の流動性反応体が複数の位置で反応区域中に導入される、改良型の連続流動式化学反応系を提供することにある。
【００１７】
本発明のさらなる目的は、少なくとも一種類の流動性反応体が複数の位置で反応区域中に導入される、触媒反応を行うための改良型の連続流動式化学系を提供することにある。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、一種類以上の反応体が、安全性および性能の要件を満たすように最適化された分配様式で供給される装置を提供することにある。
【００１９】
本発明のさらに別の目的は、所望の作業温度範囲が反応管の全長に亘り達成されるような不均一反応体分配により制御された触媒床温度プロファイルを達成する反応器を提供する。
【００２０】
本発明のさらなる別の目的は、反応区域の大部分に沿って反応混合物の組成を最適化し、その反応の化学量論的要件および反応速度的要件を満たす改良型の連続流動式化学反応系を提供することにある。
【００２１】
本発明のさらなる目的は、反応混合物の全種類が非安全／爆発性組成領域内に入り、一方で、反応器内の所定の地点または領域で、合成された混合物が安全／非爆発性の領域にある反応器を提供することにある。
【００２２】
本発明の上述したものと他の目的および利点が、以下の記載に述べられているかまたはそれから明らかになる。
【００２３】
発明の概要
本発明は、連続流動式化学反応、好ましくは、酸化脱水素化反応、部分酸化反応または酸化反応において、反応体の制御された／最適化された添加のための方法および装置に関する。本発明は、より詳しくは、管状反応器の長手方向に沿った中央管すなわち内部導管により達成される反応体の制御添加によりこれらの見込みの高いプロセスの欠点に対処する。この中央管には、インジェクタ部位で制御された量の反応体を反応区域中に導入できるように特化された形状にあるインジェクタが設けられている。
【００２４】
中央管には、２つの機能：(1)圧力降下制御および(2)流量制御を果たすことのできるインジェクタが設けられている。ある好ましい実施の形態によれば、これらのインジェクタにより、どのような反応体も反応区域からインジェクタすなわち中央管中に流動させずに、制御された量の反応体を反応区域中に導入できる。
【００２５】
インジェクタは、環状インジェクタノズルおよび圧力と流量の制御エレメントの組合せから構成される。好ましい実施の形態において、ほとんどの場合酸素である、中央管からの流体が、精密な寸法のベンチュリノズルを通って、環状インジェクタノズルの下流にある中央管の部分まで流れさせられる。次いで、ベンチュリノズルにより繋がった中央管の下流に接続されたボトルネックノズルを通って反応体が環状インジェクタノズルに供給される。この環状インジェクタノズルは、内部導管すなわち中央管の外側の周りに垂直かつ周囲に配置されている。
【００２６】
本発明の設計は、複数の噴射地点間の距離を調節することにより、噴射地点の位置および反応体噴射の量を高度に制御する。したがって、噴射は、十分かつ反応速度的に必要とされる量の反応体のみが各々の地点で供給され、これが、反応条件（すなわち、温度、圧力および反応混合物の組成）の空間変動に応答して制御されるような様式で最適化できる。
【００２７】
反応体の制御された／最適化された添加により特徴付けられる反応体設計を含む前記装置は、(i)反応体混合物（例えば、炭化水素／酸化体の混合物）の爆発状況を避ける；(ii)反応の所望の生成物への選択性を最大にする；(iii)反応器の温度勾配、したがって、反応の暴走の虞を制限する；および(iv)全区域に亘り望ましい温度範囲が維持されるように反応区域の作業温度を制御する；という目的で、酸化プロセス、酸化脱水素化プロセスおよび部分酸化プロセスのような連続流動式化学反応を実施するのに適している。
【００２８】
別の実施の形態によれば、触媒の性能を向上させるまたはある毒性効果を抑制する中間体または補助供給材料を噴射させてもよい。これにより本発明のさらに別の効用が得られる。
【００２９】
本発明を使用することにより達成できる利点としては、反応体の添加の量的および位置的制御により、反応の程度および熱放出を制御することにより、触媒床に沿った温度プロファイルの精密な制御が挙げられる。
【００３０】
本発明はまた、爆発状況の制限、および反応暴走の制限のために、従来の反応器において可能ではなかった比率で反応体を導入することにより、触媒の生産性を向上させる。
【００３１】
本発明はまた、所望の生成物の生成が最適化されるような様式で反応を設計するためのツールを提供する。
【００３２】
本発明は、爆発状況にある反応体混合物が避けられるように、反応器内の全ての地点、並びに反応器の入口で反応体混合物の組成を調節できる。
【００３３】
さらに、本発明は、還元／酸化状態を戻す成分または触媒毒状況を改善する成分を遅れて添加することにより、触媒の性能を改善する。
【００３４】
好ましい実施の形態の説明
本発明のある態様は、改良型の連続流動式反応系に関する。
【００３５】
本発明のある好ましい実施の形態は、図３に示したものに類似のインジェクタの新規の特徴を備えた多管型固定床触媒反応器に関する。このインジェクタは、好ましくは、触媒床の長手方向に沿って各々の地点で重要な２つの基準：（１）圧力降下制御；および（２）流量制御を満たす。
【００３６】
本発明の別の実施の形態は、長さを有し、第１の端部に第１の流動反応体入口を、第２の端部に生成物出口を有する管状反応区域を備えた連続流動式化学反応装置であって、前記管状反応区域が、この管状反応区域内に長手方向に延在する内部導管すなわち中央管を有し、該導管が、この導管の長手方向に沿って間隔のおかれた多数のインジェクタを有し、各々のインジェクタが、制御された量の第２の流動反応体を管状反応区域中に導入できる化学反応装置に関する。
【００３７】
好ましくは、第２の反応体の一部は、第１の流動反応体入口を介して第１の反応体と一緒に導入される。
【００３８】
本発明のさらに別の実施の形態は、少なくとも１つの伝熱区域を有する伝熱容器内に複数の管状反応区域を有してなる連続流動式化学反応装置であって、各々の伝熱区域が伝熱流体入口および伝熱流体出口を有し、各々の管状反応区域が、長さと、第１の端部での第１の流動性反応体入口と、第２の端部での生成物出口と、前記管状反応区域内に長手方向に延在する内部導管すなわち中央管を有し、この内部導管または中央管が、前記管状反応区域の長手方向に沿って間隔のおかれた複数のインジェクタを有し、各々のインジェクタが、制御された量の第２の流動性反応体を前記管状反応区域中に導入するように適用されているものである化学反応装置に関する。好ましくは、伝熱容器は複数の伝熱区域を備える。ある好ましい実施の形態によれば、伝熱容器は円筒容器である。
【００３９】
好ましくは、前記装置はさらに、管状反応区域内に触媒を有する。都合よくは、前記装置はさらに、管状反応区域内に、前記内部導管を囲む触媒床を有する。
【００４０】
ある好ましい実施の形態によれば、前記内部導管すなわち中央管は、前記管状反応区域と同心である。好ましくは、管状反応区域は実質的に円形の断面を有し、内部導管すなわち中央管は管状反応区域と同心であり、管状反応区域は内部導管を囲む触媒床を有する。
【００４１】
本発明の装置は、複数のインジェクタ、好ましくは、２から４０までのインジェクタ、より好ましくは、４から２５までのインジェクタ、最も好ましくは、６から１５までのインジェクタを有する。
【００４２】
別の好ましい実施の形態によれば、前記装置はさらに、少なくとも１つのインジェクタに最も近い導管中に圧力降下制御手段を有する。
【００４３】
本発明の別の実施の形態は、高さを有し、下端に第１の流動性反応体入口を、上端に生成物出口を有する流動床反応区域を有する連続流動式化学反応装置であって、この流動床反応区域が、該流動床反応区域内に垂直に延在する内部導管すなわち中央管を有し、その導管が、該導管の長手方向に沿って間隔のおかれた複数のインジェクタを有し、各々のインジェクタが制御された量の第２の流動性反応体を前記流動床反応区域中に導入できるものである化学反応装置に関する。
【００４４】
本発明のさらに別の実施の形態は、少なくとも１つの伝熱区域を有する伝熱容器内に複数の流動床反応区域を備えた連続流動式化学反応装置であって、各々の伝熱区域が伝熱流体入口および伝熱流体出口を有し、各々の流動床反応区域が、高さと、下端に第１の流動性反応体入口と、上端に生成物出口と、該流動床反応区域の各々の内部に垂直に延在する内部導管とを有し、この内部導管が、前記流動床反応区域の長手方向に沿って間隔がおかれた複数のインジェクタを有し、各々のインジェクタが制御された量の第２の流動性反応体を前記流動床反応区域中に導入するように適用されたものである化学反応装置に関する。
【００４５】
好ましくは、流動床型装置は気泡形式で作動できる。ある実施の形態によれば、反応区域は循環式流動床である。
【００４６】
本発明の反応系を使用すると、収率および選択性が改善された化学反応を実施できる。分配部材を通って流動する流体は、単独の反応体成分、反応成分の混合物または反応成分と不活性成分との混合物であって差し支えない。
【００４７】
本発明の装置を使用すると、少なくとも一種類の第１の流動性反応体と少なくとも一種類の第２の流動性反応体との間の連続式化学反応で、
(a) 第１の流動性反応体および好ましくは第２の反応体の一部を、長さを有する管状反応区域の第１の端部に連続的に導入し、それによって、それらの反応体を管状反応区域の第２の端部に向かって連続的に流動させ；
(b) 第２の流動性反応体を、管状反応区域内に長手方向に延在する内部導管であって、該導管の長手方向に間隔のおかれた複数のインジェクタを有する内部導管中に連続的に導入し；
(c) 制御された量の第２の反応体を複数のインジェクタに通して、管状反応区域中に通過させることにより、管状反応区域の長手方向に沿った多数の地点で第２の流動性反応体を第１の流動性反応体中に導入し；
(d) 管状反応区域中の化学反応に貢献する条件を提供し、それによって、化学反応が進行し、反応生成物が形成される；
各工程により反応生成物を形成する。
【００４８】
本発明の装置を用いた別の実施の形態は、触媒床において、第１の流動性反応体を第２の流動性反応体と反応させて、反応生成物を形成する工程を有してなる触媒化学反応であって、ここで、
(a) 第１の流動性反応体が、長さを有し、触媒床を備えた管状反応区域の第１の端部に導入され、第１の流動性反応体が管状反応区域の第２の端部に向かって流動し；
(b) 第２の流動性反応体が管状反応区域内に同心にある導管中に導入され、導管が、これ自体に沿って長手方向に間隔のおかれた本発明の複数のインジェクタを有し、各々のインジェクタが制御された量の第２の反応体を管状反応区域中に導入し；
(c) 管状反応区域中の化学反応に貢献する条件を提供し、それによって、化学反応が進行し、反応生成物が成形される；
触媒化学反応の実施に関する。
【００４９】
好ましくは、管状反応区域は触媒を含有し、第１の流動性反応体はその触媒を通って流動する。
【００５０】
ある好ましい実施の形態によれば、前記化学反応は選択された反応温度を有し、前記管状反応区域中の温度は、この管状反応区域の少なくとも５０％の長さに亘りその選択された反応温度の１５℃以内に維持される。好ましくは、この反応温度は、管状反応区域の少なくとも５０％の長さに亘りその選択された反応温度の１０℃以内、都合よくは、６℃以内に維持される。
【００５１】
別の好ましい実施の形態によれば、本発明の装置は、前記管状反応区域中の第２の流動性反応体の濃度が爆発性濃度にある場合に爆発状況にある化学反応であって、第２の流動性反応体の濃度が、管状反応区域中の少なくとも５０％の長さに亘り爆発性濃度の少なくとも７０％、好ましくは、少なくとも８０％、より好ましくは、少なくとも９０％であり、この管状反応区域の長さ全体に亘り任意の地点で爆発性濃度を超えないように、管状反応区域中に導入される第２の流動性反応体の量を制御する工程を含む化学反応を実施できる。
【００５２】
ある好ましい実施の形態によれば、反応混合物の全ての品種が非安全／爆発性組成の領域内に入り、一方で、反応器内の任意の所定の地点または領域で、組成混合物が安全／非爆発性組成の領域内にある。
【００５３】
ある実施の形態によれば、前記化学反応系が、エタンのエチレンおよび酢酸への部分酸化のために用いられ、ここで、第１の流動性反応体がエタンを含み、第２の流動性反応体が酸素を含む。
【００５４】
別の実施の形態によれば、前記化学反応系は、エタンのエチレンおよび酢酸への部分酸化のために用いられ、ここで、第１の流動性反応体がエタンを含み、第２の流動性反応体が酸素を含み、前記管状反応区域を一回通るごとに、この第１の流動性反応体中のエタンの少なくとも１０％が反応して、酢酸を形成する。
【００５５】
図面の以下の説明において、管４０は管状反応区域であると考えられ、中央管４２は、内部導管であると考えられる。
【００５６】
図１に示した反応器２は、垂直型円筒反応器シェル３およびそれぞれ頂部と底部の２つの管板４および６、並びに管板４および６を覆う２つの反応器ヘッド８および１０から構成されている。
【００５７】
図１にのみ示されている複数すなわち束の管４０は、管板４および６の間に延在し、頂部管板４の上に位置する供給材料入口チャンバ１４並びに底部管板６の下に位置する生成物出口チャンバ１６に繋がっている。管４０は伝熱流体中に完全に浸漬され、この流体は、好ましくは液体であり、伝熱流体入口１８を通って反応器シェル３中に進入し、伝熱流体出口２０を通って反応器シェル３から排出される。以下に説明する理由のために、ディスプレーサ体２２が上部、すなわち、入口側の反応器ヘッド８内に取り付けられている。
【００５８】
従来の管状反応器と図１に示されているものとの間の違いの１つは、入口側管板４上に取り付けられている追加の管板２４の存在である。管板２４は、図２に詳細に示されている、管４０中に延在する内側導管４２の入口端を保持する。したがって、この設計において、供給材料入口チャンバ１４は、２つの管板４および２４の間に位置している。
【００５９】
図１において、第１の反応流３３は、別々の熱交換器３４および３６を介してミキサ３８に供給される２つのプロセス流３０および３２からなる。熱交換器３４および３６は、特定のプロセス要件にしたがって、別々にプロセス流３０および３２を予熱するのに用いることができる。例えば、プロセス流３０は炭化水素を含有し、第２のプロセス流３２は空気または酸素もしくはそれらの混合物を含有してもよい。ミキサ３８は、第１の反応流３３が、供給材料入口チャンバ１４内および触媒床４４（図２に示されている）の頂部での予測温度で、確実に爆発制限よりわずかに低くなるような様式で、反応成分としてプロセス流３０および３２を混ぜ合わせるのに用いられる。第１の反応流３３は、反応体入口２８を通って反応器２の供給材料入口チャンバ１４中に流入する。
【００６０】
チャンバ２６に供給を行う第２の反応体入口５４は、反応器ヘッド８の中央を貫通するように位置している。同様に、生成物出口チャンバ１６からの生成物流３７の排出は、生成物出口５３を通り反応器ヘッド１０の中央を通るように行われる。内部導管４２（図２に示す）と管４０との間の環状領域には従来、適切な粒状触媒４４が十分に充填されている。
【００６１】
第１の反応流３３の管４０内の触媒（図２）との接触により、反応が直ちに開始される。反応中、反応を完了させるのに必要とされるよりも少量で存在する反応成分、通常は酸素が、少なくともある程度消費される。しかしながら、第１の反応流３３中の酸素の比率を増加させると、爆発の危険が生じるであろう。一方で、反応の収率を高くするためには、追加の酸素が要求される。
【００６２】
図２に例示した本発明は、管４０内に位置する内部導管４２によりこの問題に対処しており、ここで、各々の内部導管４２には、第２の反応体３９を追加に供給するための、少なくとも１つの、好ましくは複数のインジェクタ５８および５９が設けられている。第２の反応体３９は、熱交換器５２および反応器ヘッド８上の反応体入口５４を介してチャンバ２６に供給される。反応器ヘッド８内のディスプレーサ体２２（図１）は、入口チャンバ２６内の第２の反応体３９の滞留時間および量を最小にして、単独でまたは爆発性組成物を製造する他の反応器供給材料と組み合わせて、第２の反応体３９の危険を最小にするために用いられる。
【００６３】
図２は、例示を目的として、内部導管４２を含む１つの管４０と、管板４，６および２４と、管４０と内部導管４２との間に閉じ込められた触媒４４とを有する反応器２を示している。ほとんどの商業用途において、反応器２は、複数の管４０および内部導管４２を含有するであろう。管４０は、溶接のような従来の様式で管板４および６に取り付けられ、内部導管４２は、好ましくは、環状パッキング４８および管板２４にボルト締めされたフランジリング５０からなるスタッフィング・ボックス４６により管板２４に取外可能に封止されている。第１の反応流３３は、反応体入口２８を通って供給材料入口チャンバ１４中に、次いで、管４０中に流入する。第２の反応体３９は、反応体入口５４を通ってチャンバ２６中に、次いで、内部導管４２中に流入する。
【００６４】
さらに図２に示したように、内部導管４２には、その長手方向に沿っていくつかの位置にインジェクタ５８が取り付けられている。各々のインジェクタ５８は、環状出口６４（図３に示す）を有する。内部導管４２の底部には、図４に示すように、端部インジェクタ５９が設けられている。
【００６５】
中央管４２は、管４０中の選択された位置において、管４０内の反応の進行に応じて完全に制御された様式で第２の反応体３９を導入できるように少なくとも１つのインジェクタ５８または５９を有する。一般に、内部導管４２は、少なくとも、その周りにある反応管４０の長さの大部分に亘り延在し、複数のインジェクタ５８を有する。各々のインジェクタ５８または５９を通る第２の反応体３９の流れは、各々のインジェクタ５８および５９の位置で最適濃度に近い反応体を提供するように調節される。
【００６６】
図３は、１つのインジェクタ５８を含有する内部導管４２の拡大断面を示している。第２の反応体３９は、内部導管４２内の流体通路６６を通って流動する。インジェクタ５８は流体通路６６と流体連絡している。第２の反応体３９は、流体通路６６から入口チャンネル６０へと、次いで、ベンチュリ７２を通って出口チャンネル６１へと流動する。次いで、第２の反応体３９は、ベンチュリ７２の下流にある流体通路６６中に流入する。次いで、第２の反応体３９の一部が、背部チャンネル６８およびボトルネック７４を通って、ラジアルチャンネル７０へと流動する。第２の反応体３９は、ラジアルチャンネル７０から、環状チャンネル５２および環状イジェクタ６４を通って、触媒４４中の反応区域に進入する。ベンチュリ７２および／またはボトルネック７４は、第２の反応体３９の流動を絞り制御するために精密な寸法となっている。ベンチュリ７２およびボトルネック７４は、少なくともガス入口側をバリ取りできる平行な長手方向のドリル孔として製造できる。
【００６７】
ベンチュリ７２およびボトルネック７４の直径は、一般に、内部導管内のあるインジェクタから次のインジェクタへと変動する。内部導管４２の複数のインジェクタ５８および／または５９間の距離もまた、実施される反応の要件に応じて変動しても差し支えない。インジェクタ５８および５９は、別々に製造し、その連続部分の間の内部導管４２中に溶接しても差し支えない。
【００６８】
インジェクタ５８の設計は、流体圧力を変更するように機能する。第１の反応体３３の圧力は、触媒４４を通って流動しながら降下する。触媒４４を通って流動する反応体および生成物と、各々のインジェクタ５８または５９の位置で内部導管４２を通って流動する第２の反応体３９との間の圧力差を厳密に制御することを可能にするために、インジェクタ５８および５９は、触媒床４４中の圧力降下に対応する中央管４２内の圧力降下を生じるように設計される。
【００６９】
図４は、端部インジェクタ５９を含有する内部導管４２の拡大断面を示している。端部インジェクタ５９の構造はインジェクタ５８と実質的に同じであり、図４における部材には、図３と同様の部材と同じ番号が付けられている。端部インジェクタ５９は、インジェクタ５９の下流端で、流体通路６６の代わりに行止りチャンバ６７が用いられている点のみインジェクタ５８とは異なる。
【００７０】
図５は、関連する管板２４およびスタッフィング・ボックス４６と共に内部導管４２の上端（ガス入口端）のいくぶん小さな倍率の好ましい実施の形態を示している。スタッフィング・ボックス４６には、頂部から管板２４中に開けられた行止り穴７８の内側のスペーサ・ブッシュ８０により互いから間隔のおかれた２つのシーリング・パッキング８２および８４が設けられている。行止り穴７８の上端は、内部導管４２を囲み、ブッシュ８８によりシーリング・パッキング８２および８４に圧力を加え、シーリング・パッキング８２および８４を圧縮するネジプラグ９０を保持する雌ネジ８６を有する。スペーサ・ブッシュ８０は、ドリル孔９２により互いに繋がった内側と外側の円周凹部９４および９６を有する。管板２４は、対応するドリル孔９２により繋がっている、円周凹部９４および９６と同じレベルに多数のチャンネル９８を有する。チャンネル９８は、もしあれば、シーリング・パッキング８２および８４を越えて漏れている反応ガスを漏れ検出プローブまで導くように設けられる。この構成により、第２の反応体３９のものよりも高い圧力下で不活性ガスをチャンネル９８を通して行止り穴７８まで導入して、チャンバ２６からの第２の反応体３９を隣接する供給材料入口チャンバ１４中に浸透するのを防ぐこともできる。図５に示したように、内部導管４２のガス入口側端部には、側方開口部１００を有し、ノブ１０４の頂部で終わるキャップ１０２を取り付けても差し支えない。必要であれば、ノブ１０４は、内部導管４２をそれを囲む管４０から引き抜くために用いることもできる。さらに、キャップ１０２は、内部導管４２の端部に挿入されるスクリーン１０６を含有する。図５は、内部導管４２に、第２の反応体３９の内部導管４２中への流動を制限するガス入口端部でベンチュリ１０８の形態にある絞り弁を与えても差し支えないことを示している。
【００７１】
図６および７は、内部導管４２を通る第２の反応体３９の流動および圧力をするための２つの随意的な解決手段を示しており、これらは、図３，４および５によるベンチュリ管７２および１０８に加えて、またはそれらの代わりとして設けても差し支えない。図６に示した実施の形態において、ベンチュリ７２または１０８の代わりに、スピンドル１１０が取り付けられている。図７に示した別の実施の形態において、顆粒またはペレット１１２、例えば、セラミックペレットが、ベンチュリ７２または１０８の代わりに組み込まれている。スピンドル１１０のピッチと溝の深さ、並びにペレット１１２の寸法の両方は、内部導管４２の異なる断面において異なる圧力降下および流体処理量を達成するために、変動させても差し支えない。
【００７２】
図８は、底部ガス入口について設計されているが、図１に示したものと同様の管状反応器を示している。この設計において、内部導管４２は、反対の配置（上下反対）に取り付けられているが、上述したものと実質的に同じ設計であって差し支えない。供給材料入口チャンバ１４および２６は、反応器の底部端に位置している。これに対応して、この場合は、供給材料入口チャンバ２６の容量を制限するために、底部反応器ヘッド１０の内側にディスプレーサ体２２を取り付けても差し支えない。必要に応じて、粗い粒子の不活性ペレットを同じ目的のために用いても差し支えない。ガス入口側の管板４および２４を互いに固定するために、ネジ付きタイロッド１１４（図９に示されている）等を用いても差し支えない。
【００７３】
図９は、図１に示したもののような、底部ガス入口のための内部導管４２を含むより大きな管の束の内の１つの管４０を含有する反応器２を示している。この内部導管４２は、上下反対の位置で、頂部ガス入口のために使用しても差し支えない。この実施の形態において、内部導管４２は、管４０の長さの一部のみに延在している。管４０は、管板６のレベルでスクリーン型触媒保持具５６により覆われている。この実施の形態において、内部導管４２は管板２４に溶接されている。図９はまた、管４０内にある内部導管４２に固定された半径方向羽根型心出し装置１１６を示している。反応器２を分解する目的のために、所望であれば、内部導管４２は、触媒保持具５６および羽根型心出し装置１１６と共に、管４０から取り出しても差し支えない。
【００７４】
同日に出願されたエイドリス(Adris)等による、「連続流動反応系における反応体の制御され最適化された添加のための装置およびそれを用いた方法」("An Apparatus for the controlled Oprimized/Addition of Reactants in Continuous Flow Reaction Systems and Methods of Using the Same")と題する同時係属出願である米国特許出願（代理人参照番号００８０５７７−００６０）を参照し、ここに引用する。
【００７５】
本発明の上述の記載は、説明を意図したものであり、制限を意図したものではない。記載した実施の形態における様々な変更や改変が当業者には明らかであろう。これらは、本発明の精神すなわち範囲から逸脱せずに行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガスが下降する管状反応器の長手方向断面を示す
【図２】 長手方向断面として中央管が示された、図１による反応器中に含まれる管の束の内の１つの反応管を有する管状反応器を示す
【図３】 本発明のある実施の形態によるインジェクタを含有する図２に示した内側導管の一部を拡大した長手方向断面を示す
【図４】 本発明のある実施の形態による端部インジェクタを含有する図２に示した内側導管の一部を拡大した長手方向断面を示す
【図５】 圧力降下エレメントおよび内側導管を関連する管板にシールするためのシーリングユニットを含む、本発明の内側導管の好ましい実施の形態の上端の長手方向断面を示す
【図６】 圧力降下エレメントとして螺旋状に巻かれたオーガーを含有する内側導管の一部の拡大した長手方向断面を示す
【図７】 圧力降下エレメントとしてペレットまたは顆粒材料充填剤を含有する内側導管の拡大した長手方向断面を示す
【図８】 本発明の実施の形態によるインジェクタを備えた中央管を含み、ガスが上昇する反応器を通る、図２に似た長手方向断面を示す
【図９】 本発明の実施の形態によるインジェクタを備えた中央管を含み、ガスが上昇する１つの反応管を通る、図２に似た長手方向断面を示す
発明の分野
本発明は、最適化された条件下および／または爆発を起こしやすい状況を避ける条件下において反応体を反応区域に導入するための流体インジェクタを備えた改良型連続流動式化学反応装置に関する。
【０００２】
関連技術の説明
本出願にいくつかの出版物および公報が参照されている。これらの文献には、本発明の関連する従来技術が記載されており、これらの文献をここに引用する。
【０００３】
酸化脱水素化プロセス、すなわち、部分酸化プロセスは、軽質炭化水素のオレフィンおよびカルボン酸の一段階転化である。このプロセスは、潜在的に、資本とエネルギーが非常にかかるクラッキングや純粋な脱水素化よりも優れた多くの利点を提供する。低温触媒上での飽和炭化水素のオレフィンおよびカルボン酸への転化は、ソルステンソン(Thorstienson)等により、ジャーナル・オブ・キャタリシス(Journal of Catalysis)、第５２巻、１１６−１３２頁（１９７８年）に発行されたレポートに開示された。
【０００４】
米国特許第４２５０３４６号明細書には、異なる低温触媒系を提案している、エタンのエチレンへの酸化脱水素化のためのプロセスが開示されている。欧州特許出願公開第５１８５４８号明細書には、酢酸を製造する方法であって、反応体を、バナジウムおよび酸化リンを含有する固体触媒（ＶＰＯ系）に接触させながら、少なくともゲージ圧で１００ｐｓｉ（０．７ＭＰａ）の圧力で反応区域内において分子の酸素によりエタンを酸化させる工程を含む方法が開示されている。
【０００５】
しかしながら、酸化脱水素化反応は、(a)反応による発熱の除去、(b)可能性のある関連する温度暴走、(c)所望の生成物に対する選択性の調節、および(d)望ましくない酸素化された副生成物および炭素の酸化物の形成の制限のような問題を生じる。
【０００６】
酸化脱水素化プロセス、並びに酸化プロセスに関連する別の問題として、爆発性混合物が形成されるという制約により課せられる酸化体の炭化水素供給材料に対する比率への制限がある。自己発火、曝燃および爆発に至ることがある組成物を差し控えるという規則のために、反応の化学量論的要件および反応速度的要件を満たす供給組成物の最適化を達成するためのプロセスの能力が損なわれる。
【０００７】
これらの問題は、多くの特許により対処されてきた。各々の特許は、改良型反応器システムまたは異なる反応器の構成を提案することにより、上述した難点の１つ以上を克服しようと試みた。
【０００８】
ユニオンカーバイド(Union Carbide)社に譲渡された米国特許第４８９９００３号明細書は多段階反応器システムに関し、このシステムにおいて、エタンおよび酸素を含有する供給ガスが、酸化脱水素化触媒上で、エチレン、酢酸、水、エタンおよび炭素酸化物を含有する生成ガスに転化される。各々の段階（最後の段階以外）からの生成ガスが冷却され、水および酢酸の一部が分離され、生成ガス流が次の反応段階に通過する前に酸素が加えられる。いずれの反応器への供給流中の全酸素含有量は、その段階における全流入ガス流に関して６モルパーセント未満に維持された。
【０００９】
エス・アール・アイ(SRI)社に譲渡された米国特許第５５８３２４０号明細書は、局部的な高濃度勾配およびホットスポットを最小にするかまたはなくすために、反応器に始終一種類の反応体を連続添加し、反応器の全容積に亘り混合する、多孔質膜を備えた反応器に関する。他の反応体は、混合要素を含有する浸透管の内部に流される。それらの混合要素は、伝熱率および物質移動速度を上昇させることにより、所望の生成物の収率を増加させるものであることが請求された。
【００１０】
欧州特許出願公開第５４６６７７Ａ１号明細書は、酢酸へのエタン酸化のための流動床に関する。開示されたプロセスには、３つの重要な工程が含まれた：(1)反応区域からのガス状排出流を冷却する工程；(2)排出流から酢酸のほとんどを液体の形態で分離して、排出流中に含まれた炭素酸化物のほぼ全てを含有するガス状流を残す工程；(3)このガス状流のほんの一部をパージし、ガス状流の大部分を反応区域への供給材料の一部として再利用する工程。パージは、反応区域中に炭素酸化物が蓄積するのを避けることを意図したものであり、一方で、再利用は、反応区域のガス中の炭素酸化物を高い比率に維持するのに役立ち、したがって、高発熱性の酸化反応の温度上昇の影響を抑えるのに役立つ。
【００１１】
米国特許第５７２３０９４号明細書は、所望の生成物に対する反応選択性を増加させるために、改善されたマイクロミキシング条件および減少した濃度の局所区域を提供する化学反応器設計に関する。この設計は、シェル型反応器内に配置された流動管内にその長手方向に亘り配置された毛管、および第１の反応体を流動管中に、第２の反応体を毛管中に分配するための１つ以上のディストリビュータを備えている。
【００１２】
欧州特許第０５３２３２５号明細書は、エチレンオキシドを生成するための方法および装置に関する。欧州特許第０３８３２２４号明細書は、シェル・アンド・チューブ反応器およびそれを用いる方法に関する。
【００１３】
反応混合物を爆発性混合物の形成に関する制約内に維持しながら、反応区域の大部分に沿って供給組成物を最適化し、反応の化学量論的要件および反応速度的要件を満たし、したがって、自己発火、曝燃および爆発に至ることがある反応体混合物を差し控える連続流動式化学反応系を提供することが望ましいであろう。
【００１４】
発明の目的
本発明の目的は、上述した欠点を克服することにある。
【００１５】
本発明の別の目的は、改良型の連続流動式化学反応装置を提供することにある。
【００１６】
本発明の別の目的は、制御された量の少なくとも一種類の流動性反応体が複数の位置で反応区域中に導入される、改良型の連続流動式化学反応系を提供することにある。
【００１７】
本発明のさらなる目的は、少なくとも一種類の流動性反応体が複数の位置で反応区域中に導入される、触媒反応を行うための改良型の連続流動式化学系を提供することにある。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、一種類以上の反応体が、安全性および性能の要件を満たすように最適化された分配様式で供給される装置を提供することにある。
【００１９】
本発明のさらに別の目的は、所望の作業温度範囲が反応管の全長に亘り達成されるような不均一反応体分配により制御された触媒床温度プロファイルを達成する反応器を提供する。
【００２０】
本発明のさらなる別の目的は、反応区域の大部分に沿って反応混合物の組成を最適化し、その反応の化学量論的要件および反応速度的要件を満たす改良型の連続流動式化学反応系を提供することにある。
【００２１】
本発明のさらなる目的は、反応混合物の全種類が非安全／爆発性組成領域内に入り、一方で、反応器内の所定の地点または領域で、合成された混合物が安全／非爆発性の領域にある反応器を提供することにある。
【００２２】
本発明の上述したものと他の目的および利点が、以下の記載に述べられているかまたはそれから明らかになる。
【００２３】
発明の概要
本発明は、連続流動式化学反応、好ましくは、酸化脱水素化反応、部分酸化反応または酸化反応において、反応体の制御された／最適化された添加のための方法および装置に関する。本発明は、より詳しくは、管状反応器の長手方向に沿った中央管すなわち内部導管により達成される反応体の制御添加によりこれらの見込みの高いプロセスの欠点に対処する。この中央管には、インジェクタ部位で制御された量の反応体を反応区域中に導入できるように特化された形状にあるインジェクタが設けられている。
【００２４】
中央管には、２つの機能：(1)圧力降下制御および(2)流量制御を果たすことのできるインジェクタが設けられている。ある好ましい実施の形態によれば、これらのインジェクタにより、どのような反応体も反応区域からインジェクタすなわち中央管中に流動させずに、制御された量の反応体を反応区域中に導入できる。
【００２５】
インジェクタは、環状インジェクタノズルおよび圧力と流量の制御エレメントの組合せから構成される。好ましい実施の形態において、ほとんどの場合酸素である、中央管からの流体が、精密な寸法のベンチュリノズルを通って、環状インジェクタノズルの下流にある中央管の部分まで流れさせられる。次いで、ベンチュリノズルにより繋がった中央管の下流に接続されたボトルネックノズルを通って反応体が環状インジェクタノズルに供給される。この環状インジェクタノズルは、内部導管すなわち中央管の外側の周りに垂直かつ周囲に配置されている。
【００２６】
本発明の設計は、複数の噴射地点間の距離を調節することにより、噴射地点の位置および反応体噴射の量を高度に制御する。したがって、噴射は、十分かつ反応速度的に必要とされる量の反応体のみが各々の地点で供給され、これが、反応条件（すなわち、温度、圧力および反応混合物の組成）の空間変動に応答して制御されるような様式で最適化できる。
【００２７】
反応体の制御された／最適化された添加により特徴付けられる反応体設計を含む前記装置は、(i)反応体混合物（例えば、炭化水素／酸化体の混合物）の爆発状況を避ける；(ii)反応の所望の生成物への選択性を最大にする；(iii)反応器の温度勾配、したがって、反応の暴走の虞を制限する；および(iv)全区域に亘り望ましい温度範囲が維持されるように反応区域の作業温度を制御する；という目的で、酸化プロセス、酸化脱水素化プロセスおよび部分酸化プロセスのような連続流動式化学反応を実施するのに適している。
【００２８】
別の実施の形態によれば、触媒の性能を向上させるまたはある毒性効果を抑制する中間体または補助供給材料を噴射させてもよい。これにより本発明のさらに別の効用が得られる。
【００２９】
本発明を使用することにより達成できる利点としては、反応体の添加の量的および位置的制御により、反応の程度および熱放出を制御することにより、触媒床に沿った温度プロファイルの精密な制御が挙げられる。
【００３０】
本発明はまた、爆発状況の制限、および反応暴走の制限のために、従来の反応器において可能ではなかった比率で反応体を導入することにより、触媒の生産性を向上させる。
【００３１】
本発明はまた、所望の生成物の生成が最適化されるような様式で反応を設計するためのツールを提供する。
【００３２】
本発明は、爆発状況にある反応体混合物が避けられるように、反応器内の全ての地点、並びに反応器の入口で反応体混合物の組成を調節できる。
【００３３】
さらに、本発明は、還元／酸化状態を戻す成分または触媒毒状況を改善する成分を遅れて添加することにより、触媒の性能を改善する。
【００３４】
好ましい実施の形態の説明
本発明のある態様は、改良型の連続流動式反応系に関する。
【００３５】
本発明のある好ましい実施の形態は、図３に示したものに類似のインジェクタの新規の特徴を備えた多管型固定床触媒反応器に関する。このインジェクタは、好ましくは、触媒床の長手方向に沿って各々の地点で重要な２つの基準：（１）圧力降下制御；および（２）流量制御を満たす。
【００３６】
本発明の別の実施の形態は、長さを有し、第１の端部に第１の流動反応体入口を、第２の端部に生成物出口を有する管状反応区域を備えた連続流動式化学反応装置であって、前記管状反応区域が、この管状反応区域内に長手方向に延在する内部導管すなわち中央管を有し、該導管が、この導管の長手方向に沿って間隔のおかれた多数のインジェクタを有し、各々のインジェクタが、制御された量の第２の流動反応体を管状反応区域中に導入できる化学反応装置に関する。
【００３７】
好ましくは、第２の反応体の一部は、第１の流動反応体入口を介して第１の反応体と一緒に導入される。
【００３８】
本発明のさらに別の実施の形態は、少なくとも１つの伝熱区域を有する伝熱容器内に複数の管状反応区域を有してなる連続流動式化学反応装置であって、各々の伝熱区域が伝熱流体入口および伝熱流体出口を有し、各々の管状反応区域が、長さと、第１の端部での第１の流動性反応体入口と、第２の端部での生成物出口と、前記管状反応区域内に長手方向に延在する内部導管すなわち中央管を有し、この内部導管または中央管が、前記管状反応区域の長手方向に沿って間隔のおかれた複数のインジェクタを有し、各々のインジェクタが、制御された量の第２の流動性反応体を前記管状反応区域中に導入するように適用されているものである化学反応装置に関する。好ましくは、伝熱容器は複数の伝熱区域を備える。ある好ましい実施の形態によれば、伝熱容器は円筒容器である。
【００３９】
好ましくは、前記装置はさらに、管状反応区域内に触媒を有する。都合よくは、前記装置はさらに、管状反応区域内に、前記内部導管を囲む触媒床を有する。
【００４０】
ある好ましい実施の形態によれば、前記内部導管すなわち中央管は、前記管状反応区域と同心である。好ましくは、管状反応区域は実質的に円形の断面を有し、内部導管すなわち中央管は管状反応区域と同心であり、管状反応区域は内部導管を囲む触媒床を有する。
【００４１】
本発明の装置は、複数のインジェクタ、好ましくは、２から４０までのインジェクタ、より好ましくは、４から２５までのインジェクタ、最も好ましくは、６から１５までのインジェクタを有する。
【００４２】
別の好ましい実施の形態によれば、前記装置はさらに、少なくとも１つのインジェクタに最も近い導管中に圧力降下制御手段を有する。
【００４３】
本発明の別の実施の形態は、高さを有し、下端に第１の流動性反応体入口を、上端に生成物出口を有する流動床反応区域を有する連続流動式化学反応装置であって、この流動床反応区域が、該流動床反応区域内に垂直に延在する内部導管すなわち中央管を有し、その導管が、該導管の長手方向に沿って間隔のおかれた複数のインジェクタを有し、各々のインジェクタが制御された量の第２の流動性反応体を前記流動床反応区域中に導入できるものである化学反応装置に関する。
【００４４】
本発明のさらに別の実施の形態は、少なくとも１つの伝熱区域を有する伝熱容器内に複数の流動床反応区域を備えた連続流動式化学反応装置であって、各々の伝熱区域が伝熱流体入口および伝熱流体出口を有し、各々の流動床反応区域が、高さと、下端に第１の流動性反応体入口と、上端に生成物出口と、該流動床反応区域の各々の内部に垂直に延在する内部導管とを有し、この内部導管が、前記流動床反応区域の長手方向に沿って間隔がおかれた複数のインジェクタを有し、各々のインジェクタが制御された量の第２の流動性反応体を前記流動床反応区域中に導入するように適用されたものである化学反応装置に関する。
【００４５】
好ましくは、流動床型装置は気泡形式で作動できる。ある実施の形態によれば、反応区域は循環式流動床である。
【００４６】
本発明の反応系を使用すると、収率および選択性が改善された化学反応を実施できる。分配部材を通って流動する流体は、単独の反応体成分、反応成分の混合物または反応成分と不活性成分との混合物であって差し支えない。
【００４７】
本発明の装置を使用すると、少なくとも一種類の第１の流動性反応体と少なくとも一種類の第２の流動性反応体との間の連続式化学反応で、
(a) 第１の流動性反応体および好ましくは第２の反応体の一部を、長さを有する管状反応区域の第１の端部に連続的に導入し、それによって、それらの反応体を管状反応区域の第２の端部に向かって連続的に流動させ；
(b) 第２の流動性反応体を、管状反応区域内に長手方向に延在する内部導管であって、該導管の長手方向に間隔のおかれた複数のインジェクタを有する内部導管中に連続的に導入し；
(c) 制御された量の第２の反応体を複数のインジェクタに通して、管状反応区域中に通過させることにより、管状反応区域の長手方向に沿った多数の地点で第２の流動性反応体を第１の流動性反応体中に導入し；
(d) 管状反応区域中の化学反応に貢献する条件を提供し、それによって、化学反応が進行し、反応生成物が形成される；
各工程により反応生成物を形成する。
【００４８】
本発明の装置を用いた別の実施の形態は、触媒床において、第１の流動性反応体を第２の流動性反応体と反応させて、反応生成物を形成する工程を有してなる触媒化学反応であって、ここで、
(a) 第１の流動性反応体が、長さを有し、触媒床を備えた管状反応区域の第１の端部に導入され、第１の流動性反応体が管状反応区域の第２の端部に向かって流動し；
(b) 第２の流動性反応体が管状反応区域内に同心にある導管中に導入され、導管が、これ自体に沿って長手方向に間隔のおかれた本発明の複数のインジェクタを有し、各々のインジェクタが制御された量の第２の反応体を管状反応区域中に導入し；
(c) 管状反応区域中の化学反応に貢献する条件を提供し、それによって、化学反応が進行し、反応生成物が成形される；
触媒化学反応の実施に関する。
【００４９】
好ましくは、管状反応区域は触媒を含有し、第１の流動性反応体はその触媒を通って流動する。
【００５０】
ある好ましい実施の形態によれば、前記化学反応は選択された反応温度を有し、前記管状反応区域中の温度は、この管状反応区域の少なくとも５０％の長さに亘りその選択された反応温度の１５℃以内に維持される。好ましくは、この反応温度は、管状反応区域の少なくとも５０％の長さに亘りその選択された反応温度の１０℃以内、都合よくは、６℃以内に維持される。
【００５１】
別の好ましい実施の形態によれば、本発明の装置は、前記管状反応区域中の第２の流動性反応体の濃度が爆発性濃度にある場合に爆発状況にある化学反応であって、第２の流動性反応体の濃度が、管状反応区域中の少なくとも５０％の長さに亘り爆発性濃度の少なくとも７０％、好ましくは、少なくとも８０％、より好ましくは、少なくとも９０％であり、この管状反応区域の長さ全体に亘り任意の地点で爆発性濃度を超えないように、管状反応区域中に導入される第２の流動性反応体の量を制御する工程を含む化学反応を実施できる。
【００５２】
ある好ましい実施の形態によれば、反応混合物の全ての品種が非安全／爆発性組成の領域内に入り、一方で、反応器内の任意の所定の地点または領域で、組成混合物が安全／非爆発性組成の領域内にある。
【００５３】
ある実施の形態によれば、前記化学反応系が、エタンのエチレンおよび酢酸への部分酸化のために用いられ、ここで、第１の流動性反応体がエタンを含み、第２の流動性反応体が酸素を含む。
【００５４】
別の実施の形態によれば、前記化学反応系は、エタンのエチレンおよび酢酸への部分酸化のために用いられ、ここで、第１の流動性反応体がエタンを含み、第２の流動性反応体が酸素を含み、前記管状反応区域を一回通るごとに、この第１の流動性反応体中のエタンの少なくとも１０％が反応して、酢酸を形成する。
【００５５】
図面の以下の説明において、管４０は管状反応区域であると考えられ、中央管４２は、内部導管であると考えられる。
【００５６】
図１に示した反応器２は、垂直型円筒反応器シェル３およびそれぞれ頂部と底部の２つの管板４および６、並びに管板４および６を覆う２つの反応器ヘッド８および１０から構成されている。
【００５７】
図１にのみ示されている複数すなわち束の管４０は、管板４および６の間に延在し、頂部管板４の上に位置する供給材料入口チャンバ１４並びに底部管板６の下に位置する生成物出口チャンバ１６に繋がっている。管４０は伝熱流体中に完全に浸漬され、この流体は、好ましくは液体であり、伝熱流体入口１８を通って反応器シェル３中に進入し、伝熱流体出口２０を通って反応器シェル３から排出される。以下に説明する理由のために、ディスプレーサ体２２が上部、すなわち、入口側の反応器ヘッド８内に取り付けられている。
【００５８】
従来の管状反応器と図１に示されているものとの間の違いの１つは、入口側管板４上に取り付けられている追加の管板２４の存在である。管板２４は、図２に詳細に示されている、管４０中に延在する内側導管４２の入口端を保持する。したがって、この設計において、供給材料入口チャンバ１４は、２つの管板４および２４の間に位置している。
【００５９】
図１において、第１の反応流３３は、別々の熱交換器３４および３６を介してミキサ３８に供給される２つのプロセス流３０および３２からなる。熱交換器３４および３６は、特定のプロセス要件にしたがって、別々にプロセス流３０および３２を予熱するのに用いることができる。例えば、プロセス流３０は炭化水素を含有し、第２のプロセス流３２は空気または酸素もしくはそれらの混合物を含有してもよい。ミキサ３８は、第１の反応流３３が、供給材料入口チャンバ１４内および触媒床４４（図２に示されている）の頂部での予測温度で、確実に爆発制限よりわずかに低くなるような様式で、反応成分としてプロセス流３０および３２を混ぜ合わせるのに用いられる。第１の反応流３３は、反応体入口２８を通って反応器２の供給材料入口チャンバ１４中に流入する。
【００６０】
チャンバ２６に供給を行う第２の反応体入口５４は、反応器ヘッド８の中央を貫通するように位置している。同様に、生成物出口チャンバ１６からの生成物流３７の排出は、生成物出口５３を通り反応器ヘッド１０の中央を通るように行われる。内部導管４２（図２に示す）と管４０との間の環状領域には従来、適切な粒状触媒４４が十分に充填されている。
【００６１】
第１の反応流３３の管４０内の触媒（図２）との接触により、反応が直ちに開始される。反応中、反応を完了させるのに必要とされるよりも少量で存在する反応成分、通常は酸素が、少なくともある程度消費される。しかしながら、第１の反応流３３中の酸素の比率を増加させると、爆発の危険が生じるであろう。一方で、反応の収率を高くするためには、追加の酸素が要求される。
【００６２】
図２に例示した本発明は、管４０内に位置する内部導管４２によりこの問題に対処しており、ここで、各々の内部導管４２には、第２の反応体３９を追加に供給するための、少なくとも１つの、好ましくは複数のインジェクタ５８および５９が設けられている。第２の反応体３９は、熱交換器５２および反応器ヘッド８上の反応体入口５４を介してチャンバ２６に供給される。反応器ヘッド８内のディスプレーサ体２２（図１）は、入口チャンバ２６内の第２の反応体３９の滞留時間および量を最小にして、単独でまたは爆発性組成物を製造する他の反応器供給材料と組み合わせて、第２の反応体３９の危険を最小にするために用いられる。
【００６３】
図２は、例示を目的として、内部導管４２を含む１つの管４０と、管板４，６および２４と、管４０と内部導管４２との間に閉じ込められた触媒４４とを有する反応器２を示している。ほとんどの商業用途において、反応器２は、複数の管４０および内部導管４２を含有するであろう。管４０は、溶接のような従来の様式で管板４および６に取り付けられ、内部導管４２は、好ましくは、環状パッキング４８および管板２４にボルト締めされたフランジリング５０からなるスタッフィング・ボックス４６により管板２４に取外可能に封止されている。第１の反応流３３は、反応体入口２８を通って供給材料入口チャンバ１４中に、次いで、管４０中に流入する。第２の反応体３９は、反応体入口５４を通ってチャンバ２６中に、次いで、内部導管４２中に流入する。
【００６４】
さらに図２に示したように、内部導管４２には、その長手方向に沿っていくつかの位置にインジェクタ５８が取り付けられている。各々のインジェクタ５８は、環状出口６４（図３に示す）を有する。内部導管４２の底部には、図４に示すように、端部インジェクタ５９が設けられている。
【００６５】
中央管４２は、管４０中の選択された位置において、管４０内の反応の進行に応じて完全に制御された様式で第２の反応体３９を導入できるように少なくとも１つのインジェクタ５８または５９を有する。一般に、内部導管４２は、少なくとも、その周りにある反応管４０の長さの大部分に亘り延在し、複数のインジェクタ５８を有する。各々のインジェクタ５８または５９を通る第２の反応体３９の流れは、各々のインジェクタ５８および５９の位置で最適濃度に近い反応体を提供するように調節される。
【００６６】
図３は、１つのインジェクタ５８を含有する内部導管４２の拡大断面を示している。第２の反応体３９は、内部導管４２内の流体通路６６を通って流動する。インジェクタ５８は流体通路６６と流体連絡している。第２の反応体３９は、流体通路６６から入口チャンネル６０へと、次いで、ベンチュリ７２を通って出口チャンネル６１へと流動する。次いで、第２の反応体３９は、ベンチュリ７２の下流にある流体通路６６中に流入する。次いで、第２の反応体３９の一部が、背部チャンネル６８およびボトルネック７４を通って、ラジアルチャンネル７０へと流動する。第２の反応体３９は、ラジアルチャンネル７０から、環状チャンネル５２および環状イジェクタ６４を通って、触媒４４中の反応区域に進入する。ベンチュリ７２および／またはボトルネック７４は、第２の反応体３９の流動を絞り制御するために精密な寸法となっている。ベンチュリ７２およびボトルネック７４は、少なくともガス入口側をバリ取りできる平行な長手方向のドリル孔として製造できる。
【００６７】
ベンチュリ７２およびボトルネック７４の直径は、一般に、内部導管内のあるインジェクタから次のインジェクタへと変動する。内部導管４２の複数のインジェクタ５８および／または５９間の距離もまた、実施される反応の要件に応じて変動しても差し支えない。インジェクタ５８および５９は、別々に製造し、その連続部分の間の内部導管４２中に溶接しても差し支えない。
【００６８】
インジェクタ５８の設計は、流体圧力を変更するように機能する。第１の反応体３３の圧力は、触媒４４を通って流動しながら降下する。触媒４４を通って流動する反応体および生成物と、各々のインジェクタ５８または５９の位置で内部導管４２を通って流動する第２の反応体３９との間の圧力差を厳密に制御することを可能にするために、インジェクタ５８および５９は、触媒床４４中の圧力降下に対応する中央管４２内の圧力降下を生じるように設計される。
【００６９】
図４は、端部インジェクタ５９を含有する内部導管４２の拡大断面を示している。端部インジェクタ５９の構造はインジェクタ５８と実質的に同じであり、図４における部材には、図３と同様の部材と同じ番号が付けられている。端部インジェクタ５９は、インジェクタ５９の下流端で、流体通路６６の代わりに行止りチャンバ６７が用いられている点のみインジェクタ５８とは異なる。
【００７０】
図５は、関連する管板２４およびスタッフィング・ボックス４６と共に内部導管４２の上端（ガス入口端）のいくぶん小さな倍率の好ましい実施の形態を示している。スタッフィング・ボックス４６には、頂部から管板２４中に開けられた行止り穴７８の内側のスペーサ・ブッシュ８０により互いから間隔のおかれた２つのシーリング・パッキング８２および８４が設けられている。行止り穴７８の上端は、内部導管４２を囲み、ブッシュ８８によりシーリング・パッキング８２および８４に圧力を加え、シーリング・パッキング８２および８４を圧縮するネジプラグ９０を保持する雌ネジ８６を有する。スペーサ・ブッシュ８０は、ドリル孔９２により互いに繋がった内側と外側の円周凹部９４および９６を有する。管板２４は、対応するドリル孔９２により繋がっている、円周凹部９４および９６と同じレベルに多数のチャンネル９８を有する。チャンネル９８は、もしあれば、シーリング・パッキング８２および８４を越えて漏れている反応ガスを漏れ検出プローブまで導くように設けられる。この構成により、第２の反応体３９のものよりも高い圧力下で不活性ガスをチャンネル９８を通して行止り穴７８まで導入して、チャンバ２６からの第２の反応体３９を隣接する供給材料入口チャンバ１４中に浸透するのを防ぐこともできる。図５に示したように、内部導管４２のガス入口側端部には、側方開口部１００を有し、ノブ１０４の頂部で終わるキャップ１０２を取り付けても差し支えない。必要であれば、ノブ１０４は、内部導管４２をそれを囲む管４０から引き抜くために用いることもできる。さらに、キャップ１０２は、内部導管４２の端部に挿入されるスクリーン１０６を含有する。図５は、内部導管４２に、第２の反応体３９の内部導管４２中への流動を制限するガス入口端部でベンチュリ１０８の形態にある絞り弁を与えても差し支えないことを示している。
【００７１】
図６および７は、内部導管４２を通る第２の反応体３９の流動および圧力をするための２つの随意的な解決手段を示しており、これらは、図３，４および５によるベンチュリ管７２および１０８に加えて、またはそれらの代わりとして設けても差し支えない。図６に示した実施の形態において、ベンチュリ７２または１０８の代わりに、スピンドル１１０が取り付けられている。図７に示した別の実施の形態において、顆粒またはペレット１１２、例えば、セラミックペレットが、ベンチュリ７２または１０８の代わりに組み込まれている。スピンドル１１０のピッチと溝の深さ、並びにペレット１１２の寸法の両方は、内部導管４２の異なる断面において異なる圧力降下および流体処理量を達成するために、変動させても差し支えない。
【００７２】
図８は、底部ガス入口について設計されているが、図１に示したものと同様の管状反応器を示している。この設計において、内部導管４２は、反対の配置（上下反対）に取り付けられているが、上述したものと実質的に同じ設計であって差し支えない。供給材料入口チャンバ１４および２６は、反応器の底部端に位置している。これに対応して、この場合は、供給材料入口チャンバ２６の容量を制限するために、底部反応器ヘッド１０の内側にディスプレーサ体２２を取り付けても差し支えない。必要に応じて、粗い粒子の不活性ペレットを同じ目的のために用いても差し支えない。ガス入口側の管板４および２４を互いに固定するために、ネジ付きタイロッド１１４（図９に示されている）等を用いても差し支えない。
【００７３】
図９は、図１に示したもののような、底部ガス入口のための内部導管４２を含むより大きな管の束の内の１つの管４０を含有する反応器２を示している。この内部導管４２は、上下反対の位置で、頂部ガス入口のために使用しても差し支えない。この実施の形態において、内部導管４２は、管４０の長さの一部のみに延在している。管４０は、管板６のレベルでスクリーン型触媒保持具５６により覆われている。この実施の形態において、内部導管４２は管板２４に溶接されている。図９はまた、管４０内にある内部導管４２に固定された半径方向羽根型心出し装置１１６を示している。反応器２を分解する目的のために、所望であれば、内部導管４２は、触媒保持具５６および羽根型心出し装置１１６と共に、管４０から取り出しても差し支えない。
【００７４】
同日に出願されたエイドリス(Adris)等による、「連続流動反応系における反応体の制御され最適化された添加のための装置およびそれを用いた方法」("An Apparatus for the controlled Oprimized/Addition of Reactants in Continuous Flow Reaction Systems and Methods of Using the Same")と題する同時係属出願である米国特許出願（代理人参照番号００８０５７７−００６０）を参照し、ここに引用する。
【００７５】
本発明の上述の記載は、説明を意図したものであり、制限を意図したものではない。記載した実施の形態における様々な変更や改変が当業者には明らかであろう。これらは、本発明の精神すなわち範囲から逸脱せずに行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガスが下降する管状反応器の長手方向断面を示す
【図２】 長手方向断面として中央管が示された、図１による反応器中に含まれる管の束の内の１つの反応管を有する管状反応器を示す
【図３】 本発明のある実施の形態によるインジェクタを含有する図２に示した内側導管の一部を拡大した長手方向断面を示す
【図４】 本発明のある実施の形態による端部インジェクタを含有する図２に示した内側導管の一部を拡大した長手方向断面を示す
【図５】 圧力降下エレメントおよび内側導管を関連する管板にシールするためのシーリングユニットを含む、本発明の内側導管の好ましい実施の形態の上端の長手方向断面を示す
【図６】 圧力降下エレメントとして螺旋状に巻かれたオーガーを含有する内側導管の一部の拡大した長手方向断面を示す
【図７】 圧力降下エレメントとしてペレットまたは顆粒材料充填剤を含有する内側導管の拡大した長手方向断面を示す
【図８】 本発明の実施の形態によるインジェクタを備えた中央管を含み、ガスが上昇する反応器を通る、図２に似た長手方向断面を示す
【図９】 本発明の実施の形態によるインジェクタを備えた中央管を含み、ガスが上昇する１つの反応管を通る、図２に似た長手方向断面を示す
Claims (16)
- 長さと内面を有し、第１の端部に第１の流動性反応体入口を、第２の端部に生成物出口を有する管状反応器を有してなる連続流動式化学反応装置であって、前記管状反応器が、該管状反応器内で長手方向に延在する外面を持つ内部導管を有し、該内部導管が、一方の端部に第２の流動性反応体入口を、該内部導管の長さの範囲内に少なくとも１つのインジェクタ（５８、５９）を有し、該インジェクタ（５８、５９）が、前記内部導管の外面と前記管状反応器の内面との間に画成された環状反応区域中に制御された量の前記第２の流動性反応体を導入できるものである化学反応装置において、
前記インジェクタ（５８、５９）が、前記第２の流動性反応体を受容するように配置された前記内部導管内にベンチュリ（７２、１０８）を備え、該ベンチュリ（７２、１０８）が、前記内部導管の周りに垂直かつ環状に配置された環状チャンネル（５２）と流体連絡しており、該環状チャンネル（５２）が、前記環状反応区域と流体連絡している環状出口（６４）と繋がっていることを特徴とする化学反応装置。 - 前記管状反応器内に触媒をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の化学反応装置。
- 前記内部導管が複数のインジェクタ（５８、５９）を有することを特徴とする請求項１記載の化学反応装置。
- 少なくとも１つの伝熱区域を有する伝熱容器内に複数の管状反応器を有してなる連続流動式化学反応装置であって、前記伝熱区域の各々が伝熱流体入口および伝熱流体出口を有し、前記管状反応器の各々が、長さと、第１の端部に第１の流動性反応体入口と、第２の端部に生成物出口と、前記管状反応器内に長手方向に延在する内部導管とを有し、該内部導管が前記管状反応器の長手方向に沿って間隔のおかれた複数のインジェクタ（５８、５９）を有し、該インジェクタ（５８、５９）の各々が、前記管状反応器中に制御された量の第２の流動性反応体を導入するように適用されているものである化学反応装置において、
前記インジェクタ（５８、５９）が、前記内部導管と流体連絡したガス出口チャンネルおよびガス入口チャンネルを備え、該ガス入口チャンネルが前記内部導管の上流側と繋がっており、該ガス出口チャンネルが該内部導管の下流側に繋がっており、該ガス入口チャンネルの前記内部導管と繋がったのとは反対の端部がベンチュリ（７２、１０８）と繋がって接触しており、該ベンチュリ（７２、１０８）が前記ガス出口チャンネルで終わり、該ガス出口チャンネルが、前記内部導管の下流側と流体連絡していることに加え、該内部導管の下流側を介して、末端ボトルネックで終わる分岐チャンネルとも流体連絡しており、該分岐チャンネルが、該末端ボトルネックで、ラジアル分岐チャンネルに繋がっており、該ラジアル分岐チャンネルが、前記内部導管の外側の周りに垂直かつ環状に位置する環状リングチャンネルと流体連絡しており、該環状リングチャンネルが、前記管状反応器の内部と流体連絡している環状間隙にあるガス出口に至ることを特徴とする化学反応装置。 - 前記伝熱容器が複数の伝熱区域を有することを特徴とする請求項４記載の化学反応装置。
- 前記管状反応器の内の少なくとも１つの内部に触媒をさらに含むことを特徴とする請求項４記載の化学反応装置。
- 前記内部導管が前記管状反応器と同心にあることを特徴とする請求項１記載の化学反応装置。
- 前記内部導管が前記管状反応器と同心にあることを特徴とする請求項４記載の化学反応装置。
- 前記インジェクタ（５８、５９）の内の少なくとも１つに最も近い前記導管内に圧力降下制御手段をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の化学反応装置。
- 前記インジェクタ（５８、５９）の内の少なくとも１つに最も近い前記導管内に圧力降下制御手段をさらに含むことを特徴とする請求項４記載の化学反応装置。
- 前記伝熱容器が円筒容器であることを特徴とする請求項４記載の化学反応装置。
- 前記管状反応器内で、前記内部導管を囲む触媒床をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の化学反応装置。
- 前記管状反応器内で、前記内部導管の各々を囲む触媒床をさらに含むことを特徴とする請求項４記載の化学反応装置。
- 前記複数のインジェクタ（５８、５９）が２から４０までのインジェクタ（５８、５９）から構成されることを特徴とする請求項３記載の化学反応装置。
- 前記管状反応器が実質的に円形の断面を有し、前記内部導管が前記管状反応器と同心にあり、該管状反応器が、前記内部導管を囲む触媒床を備えることを特徴とする請求項１記載の化学反応装置。
- 前記管状反応器の各々が実質的に円形の断面を有し、前記内部導管が前記管状反応器と同心にあり、該管状反応器の各々が、前記内部導管を囲む触媒床を備えることを特徴とする請求項４記載の化学反応装置。
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