JP4999248B2 - Chemical reactor with heat exchanger - Google Patents

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Description

【0001】
発明の分野
本発明は、化学工学の分野に応用可能であり、特に化学反応器の改善に関する。本発明は一般的には、吸熱または発熱反応中の反応物温度の制御に関する。具体的には本発明は、熱交換器パネルの出口における反応物の温度プロファイルが「平坦」、すなわち熱交換器パネルの幅方向における反応物出口温度が、理想的に均一であり、かつ可能な限り一定である、プリント回路反応器(PCR)とプロセス制御方法に関する。
【0002】
発明の背景
反応温度を許容範囲に制御することは、広範に研究がなされており、化学工業においてはいくつかの装置が考案されている。一般に使用されるものについては、標準的な参考書や教科書に記述されており、一般知識については、例えばOctave LEVENSPIELによる「化学反応工学」の第19章(Chemical Reaction Engineering, published by John Wiley & Sons)を参照することができる。
【0003】
従来技術の中には、反応物温度をさらに一層制御できるように設計された従来型反応器もあり、これは段階式断熱充填層反応器(staged adiabatic packed bed reactor)と呼ばれている。このシステムで使用される装置には、ある数の互いに間隔を空けた離散型の反応ゾーンの間に、第1の反応ゾーンから出る生成物の温度を、次の反応ゾーンに入る前に制御する手段が設けられている。この反応ゾーン中には、反応温度を制御するための熱交換器は設けられていない。つまり、所望の温度で反応器に入る反応物流体は、触媒を包含する充填層を通過する。この第1段階から出るときには、反応物ガスおよび生成物は、反応の熱的な特性によって、初期温度よりも高いか、または低い温度となる。ここで次の充填層、すなわち第2段階に移行する以前に熱交換器によって、反応物ガスが第2の所望温度に加熱あるいは冷却される。この手順が、所望の転換が達成されるまで反復される。したがって、反応の温度プロファイルは、許容温度範囲内で段階状となり、真に等温状態ではない。
【0004】
本発明の目的で選択する熱交換器パネルは、複数のプレートを重ね合わせて、拡散接合してプレートのスタックを形成したものであり、前記プレートを前処理することによってスタック中に流体通路が画定されており、各プレートは例えば化学エッチング、液圧ミルなどの方法で所望の深さまで表面材料を除去する処理を行うことによって、所望の流体通路パターンにしたがってチャネル加工表面とするか、またはブランク表面とするように選択的に構成されている。任意選択で、適切な工具を使用する機械化学式処理によって化学処理を強化してもよい。
【0005】
このようなプレートの前処理は、プリント回路基板(PCB)の製造とある程度類似する方法で実施され、この意味で、この熱交換器の設計はプリント回路熱交換器(PCHE: Printed Circuit Heat Exchanger)と呼ぶことができる。金属プレートに拡散接合技術を応用することは、金属加工の技術分野で良く知られており、例えば医療用人工器官の製造などの、多様な目的に応用されている。
このPCHEの設計は、これらの小型熱交換器が最初に導入された1985年以来、提案されたPCRの設計者たちによって実証されている。
【0006】
本発明の出願者が設計した、PCR型の反応器の一例が、本出願とは別に特許出願されている(参照:32 46271WO−01/54806 )。このような反応器は、複数のプレートを重ね合わせて、拡散接合してプレートのスタックを形成した熱交換器を境界に置いた少なくとも1つの反応ゾーンを提供するように構成されており、流体チャネルは前記プレートの前処理によって前記スタック内に画定されており、各プレートは、表面材料を除去する化学処理、例えば化学エッチングによって所望の深さまで処理することによって所望のチャネルのパターンにしたがって選択的に構成されている。このようなスタック内に画定された流体チャネルによって、反応物の温度を制御するための少なくとも1種の補助流体を含む離散型チャネルと熱交換をするように配設されたチャネル内に、様々な反応物を搬送するようにすることができる。
【0007】
反応物は全体規模で混合される機会がなく、直接的に後続の断熱反応ゾーン内に進むために、反応に対して適度な制御を維持するためには、熱交換器パネルの出口における反応物の温度プロファイルは、平坦であるのが望ましい。反応物が部分的に温度が高すぎたり、低すぎたりする場合には、選択性および転換処理も阻害される可能性がある。この問題は強い発熱反応の場合に、反応物の一部が反応段階間で十分に冷却されないときに、熱流出が発生する可能性があるために特に重要であり、このような場合には、高温になるほど反応速度は増大し、これによってさらに温度が上昇する。
【0008】
反応物まで、または反応物から熱を運搬する熱伝達媒体は、水、蒸気、溶融塩、液体金属、燃焼ガスまたは加圧閉ループガスなどの流体でよい。反応が大気温度付近である場合には、大量の熱伝達媒体流の提供と、その媒体への熱の供給、あるいはそれからの熱の抽出においては、問題は少ないと思われる。その場合には、単に水を使用して、反応が発熱反応である場合には、冷却タワーで廃棄される低級の熱を、反応が吸熱反応である場合には排出蒸気から得られる低級の熱を利用できる。あるいは、より高温においては沸騰水または凝縮水を利用することができる。
【0009】
しかし、温度が極限であり、熱を供給または抽出することがより困難な場合には、多くの課題が発生する。例えば水が臨界点を超える場合には、その場の状況によっては、沸騰と凝縮を用いる等温の熱供給ができなくなったり、構造材料の温度限界が近づいたり、あるいは溶融塩が劣化したりする。
典型的な例が、スチレン反応であり、これは吸熱反応であるが、この反応では触媒層は理想的には600℃付近に維持される。これはPCRにおいては、反応物の温度を各断熱層において約580℃まで低下させ、各熱交換器において約620℃に再加熱する必要があることを意味する。
【0010】
適切な熱交換媒体としては、750℃で過熱した蒸気がある。熱交換器からの蒸気の出口温度は、蒸気の流速を最小化し、それを搬送するパイプの寸法を最小化し、その流体によるエネルギ損失を最小化するためには、理想的には反応物の入口温度に接近することになる。
しかし、これには重大な問題が発生する可能性がある。つまり、750℃で流入し反応物の入口温度まで冷却されている蒸気と、580℃で流入する反応物との間の熱交換を注意深く管理しないと、反応物の平均出口温度が所要の620℃となったとしても、熱交換器から出る反応物の温度が大幅に変動することになる。
【0011】
この問題を図1に示してある。蒸気と反応物との間に単純な対向流接触がある場合、反応物の出口温度は、蒸気が流出するプレートの端部に向かって、より高温に偏奇しているのがわかる。
また、平均温度は620℃に調整されているが、熱交換器パネルの幅方向における反応物の出口温度の変動は、約580℃から720℃であり、±70℃の幅がある。これは反応の収量にとっては、致命的である。
本発明の一目的は、この種の性質の問題を解消あるいは緩和することである。特に、本発明の一目的は、化学反応ゾーンと、そのゾーン内で反応する反応物の温度を制御する方法とを含む装置を提供することである。
【0012】
発明の概要
したがって、ここにより具体的に説明する本発明は、断熱型触媒層間に挿入された少なくとも1つの熱交換器パネルを備える、広義には段階式断熱型反応器方式の反応器であり、前記パネルの表面積とこれに対応する触媒の名目表面積(superficial facial area)が、実質上同等でありと共に、前記パネルが反応物と熱伝達媒体を移送するための離散型の通路を画定する手段を含み、前記熱伝達媒体の通路を画定する手段が、前記熱伝達媒体に対して、前記熱交換器パネルを通過する少なくとも2つの異なる流路方向を提供し、それによって温度偏奇あるいは差異の発生を減少させた、反応器である。
【0013】
好ましくは、熱交換器パネルの全体がプリント回路熱交換器型(PCHE)であり、少なくとも2種類の異なるプレート設計を用いて、パネルを構成し、それによって流路設計の大幅な変更を達成できるようにする。第1には、PCHE内の流体の流れ方向は、パネルを構成する組立てられたPCHEプレートの流入口および流出口それぞれへの供給と換気接続によって初期に設定される。しかしながら、プレート内の流路の「プリント回路」方式設計を変更して、パネル内に異なるPCHEプレートを設けることによって、流路方向と熱伝達の影響度の両方を制御することができる。
【0014】
異なる設計のプレートを使用することは、設計選択上の自由度を得る好ましい方法であるが、ある場合においては、実質的に同じ設計のプレートを使用することもできる。同一の四角形プレート(square plates)を並設してスタックとする特殊な場合においては、それぞれが表面上にエッチング加工された特有の通路パターンを有し、交互のプレートをプレートの面内で回転させることによって、また任意選択として、流体の相互混合を防止するために必要な場合には、エッチング加工を施さない表面〔ブランクス(blanks)〕を有するプレートを挿入することによって、異なる方向の通路を画定することができる。このようにして、異なる方向の連続する流路を達成することができる。
【0015】
エッチングなどによって画定された適当なチャネルを有するプレートがスタックにされて互いに拡散接合されて、熱交換器パネルを形成し、またそのように形成されたパネルは、必要であれば並設して、例えば溶接によって接合し、必要な触媒層の断面積に見合う、所望の高さと幅を有するより大型のパネルを提供することもできる。ある場合には、ブランクプレート(エッチング加工していないプレート)を使用して、パネルを完成して、隣接するエッチング加工したプレート内に形成されたチャネルの開放側を閉止するのが適当である。このパネルについての言及は、便宜上のものであり、寸法的な制約を意図するものではない。しかし、熱交換器ユニットの寸法は、選択する反応器設計によって、変わるものであり、現在利用可能な製造装置が、1ステップで製作できるパネル寸法に実際的な制約を課すこともあることがわかるであろう。比較的大型のパネルを形成するのが望ましい場合には、このような実際的な制約は、利用可能な装置の能力範囲で形成された寸法のパネルを複数、並設して、それを適当な方法、例えば溶接によって接合することによって解消することができる。このようにして、様々な形状と寸法のPCHEパネルを構築することができる。
【0016】
また好ましくは、プレートの設計は、プリント回路技術によって画定される通路によって、熱伝達媒体の流れがプレートの長さに沿って両方向に2回以上通過できるようにする。流路は蛇行経路としてもよく、また任意選択で熱交換媒体の流れの中に乱流を強化する方向に目立つ変化を設けてもよい。
本発明の好ましい態様において、熱伝達媒体は、熱交換パネルの外部にあるヘッダーに収納されており、任意選択で流体の流れを可能にするためにそこに連結される。パネル、好ましくはPCHE式のパネルに対するヘッダーの配設には、ヘッダーの特定の位置に、離散型の熱交換パネル通路内、特に分離された流入口と流出口へ熱交換媒体を分配するための隔壁を含んでもよく、あるいは代替配設においてはマニホルドシステムを設け、これによって例えばパネルの組立て前の拡散接合時に、入口および出口チャンバが生成されるように、対向するプレート内に開口を形成することによってパネルの周縁内に直接形成したポートに、またこのポートから熱交換媒体を分配する。
【0017】
本発明の一態様によると、段階式断熱型反応器方式の装置であって、反応を達成するために化学反応ゾーンを通過する流体と熱交換を達成する手段を含む、少なくとも1つの表面で画定された前記化学反応ゾーンを含み、前記ゾーンおよび前記表面が、少なくとも部分的にプリント回路熱交換(PCHE)パネルによって画定され、前記パネルが、流体反応物と熱伝達媒体の流れを可能にする離散型の通路を画定し、少なくとも2つの異なる流路が、熱伝達媒体を取り扱うPCHEプレート設計によって画定され、これによって前記熱伝達媒体が、流体反応物の流れに対して少なくとも2つの異なる方向に、PCHEパネルを介して通過することが可能となり、これによって特にPCHEパネルから流出する流体の温度プロファイルの制御を改善した装置が提供される。
【0018】
好ましくは、熱交換を達成する手段の全体を、本明細書に記載するPCHE型とする。このような配設では通常、熱伝達の寸法は、触媒粒寸法よりも小さく、これによって通路中の流体への熱伝達に特有の温度プロファイルは、触媒粒子の寸法に対して重要でなくなる。また、熱伝達寸法は、層の深さに比較して相対的に小さく、その結果、いずれの通路スケールの温度プロファイルも、例えば通常は最大で約200mmである個々の触媒層の長さのごくわずかの部分だけを占める。これは、従来技術が例えば25mm外径の交換器チューブを使用しているのと非常に対照的であり、この場合には温度プロファイルに下流の伴流を生じさせ、これは次いで必然的に個別の触媒粒よりも大幅に大きなスケールとなり、各触媒層の少なくとも有意な部分にわたって広がる。
【0019】
熱交換媒体は、プレートの長さに沿って両方向に2回以上通過させるのが有利である。
また好ましくは、熱交換媒体が通過する通路は、一連の短く鋭い回転を含む蛇行部分を含む。
【0020】
本発明の別の態様によると、制御された温度条件下、好ましくは段階式断熱型の反応器中で化学反応を実施する方法であって、流体反応物を、反応と熱交換手段を達成するために化学反応ゾーンを介して連続的に配分するステップであって、前記ゾーンが、前記流体と熱交換を達成するための手段を含む少なくとも1つの表面によって区画されており、前記表面が、その中の熱伝達媒体の流れを可能にする離散型通路を画定する手段を提供するプリント回路熱交換器(PCHE)パネルによって少なくとも部分的に画定されており、かつ別の通路が反応物流体の流れを可能にするステップと、前記PCHEパネルに熱伝達媒体を導入するステップと、前記熱伝達媒体を、流体反応物の流れに対して少なくとも2つの方向に、前記PCHEパネルを介して通過させて、これによってPCHEパネルから流出する流体の、反応物温度プロファイルの制御を改善するステップとを含む方法が提供される。
【0021】
本発明によると、温度制御の方法についてのいくつかの変形形態が可能であり、この変形形態は化学反応システムについて現場で考えるオペレータの選択にしたがって選択される。温度制御の目的で考慮すべきPCRシステムの主要な変形態様には、(a)化学反応物(CR)の流れの方向に対して熱交換媒体(HE)の流れの方向として、本質的には並流(同じ主流方向)、交差流(CR主流の軸方向に対して斜め、または横断方向)、対向流(CR主流軸に反対のHE主流)があり、(b)一方の他方に対する通過回数(HE対CR)、(c)CRを実行中の対応するプレートに曝される1つのPCHEプレート内のHE流の方向と、そのCR実行プレートに曝された別のPCHE内のHE流の方向との相対関係、(d)PCHEパネル内に組み込まれる、異なるPCHEプレート設計の数などがある。2つ以上の加熱または冷却流体を単一パネル内で利用することは、1プレート上にある分離された回路内、または分離されたプレート内のいずれにおいても利用可能である。
【0022】
熱交換器を横断しての優れた反応物出口温度プロファイルが達成されるのは、CR反応ゾーンと流体連通する流体運搬通路を有するプレートに並設された1つのPCHE内のHE流が、例えば最初のPCHEプレートから反対側にあるCR反応ゾーンと流体連通するプレートと熱伝達関係をもつように配設された別のPCHEプレート内のHE流に、相補的に対応すると共に、一般にHE主流経路が、CR主流経路に対して交差流、つまり正接または斜め角度になるときである。この一例は、図6および8に示す2方向3回通過の並流である。図3および5に示す配設によっても、好適さは劣るが、反応システムによっては許容できる結果が得られる。性能の悪いシステムとしては、図1、2および4に示すシステムがその例である。
【0023】
本発明の別の態様によれば、PCHEプレート設計は、例えば各個別通路の実質的に全長にジグザグパターンをもたせることにより、蛇行経路内で急な方向変換を示す蛇行経路に追従する、本質的に平行な多重流通路からなる。各経路における蛇行回転の数は変動可能であるが、帰還通路および出口通路を提供するために少なくとも2回転は必要である。ジグザグ設計の使用は、任意選択の特徴である。本質的に、曲り流路(convoluted flow passage)配設の利点は、流動長(flow length)の整数または非整数倍の流体経路長(fluid path flow length)を提供し、熱伝達と圧力低下要件との適合性を改善することにある。
このようなプレートは、このプレートを反映して相補的に設計された対応するプレートと組み合わせて、1対のプレートとして、その間には反応物流体を搬送するのに適した設計のプレートが配置される。この一対のプレートの両端にバッフルを設けても良い。
次に、添付の図面を参照して、例としてのみ記載し、発明を制限するものではない、いくつかの実施態様を示して、本発明をさらに詳細に説明する。
【0024】
発明を実施するための形態
PCHEパネルを用いる本発明によれば、改良型の触媒反応器システムを得ることが可能であり、前記パネルは、特に図6の好ましい実施例を参照して以下に述べるように、従来技術システムと比較して、PCHEから流出時に実質的に平坦な反応物の温度プロファイルが得られるように配設される。
本記述においては便宜上、熱伝達媒体がPCHEパネルの両側に入る設計を、「二方向」設計と呼び、熱交換媒体がPCHEの片側だけから入る設計を、「一方向」と呼ぶ。
【0025】
図6(下図)は、熱交換媒体ここでは蒸気を受容するプレートから構成されるPCHEパネル4の配設を図解したものであり、プレートは異なる設計1、2からなり、それぞれが反応物流動プレート3の両側に配設され、わかりやすくするためにプレートは最初に、使用時の配設で示し、その下に、それぞれの流路を分かり易くするためにプレートを分離して図示してある。両側には、各プレート端の蒸気流入口、流出口を分離するための、隔壁21を有する、半円筒ヘッダー20がある。矢印は、蒸気または意図する反応物の流れの方向を意味している。
プレートは、蛇行経路15、25を備えることによって、スチームがプレートを横断して多数回通過することを可能にし、これによってプレートの幅に対して流路長(flow path length)を増大させ、プレート間を通過する反応物との熱伝達を改良するように設計されている。
【0026】
使用時には、加熱または再加熱しようとする流体反応物は、PCHEパネルに導入され、ここで蒸気は下部蒸気プレート2の左端から入り、右端から出て、矢印の方向にプレートを貫通して流れる。上部プレート1では、下部プレートでの流れと相補的に、右側に蒸気入口があり、左端方向に流れる。隣接する反応ゾーン内での反応が吸熱反応であるために、流出する反応物流体がPCHEパネルに進入し、蒸気がプレート1を通過するときにその蒸気を冷却させる。流出する反応物流体の温度プロファイルは、反応物流体が、プレート両側における両方向の加熱流体(蒸気)と相互作用するために、実質的に対称であり、これは図1の一方向接触PCHEと比較して好適である。
【0027】
したがってこのプロセスは、蒸気が、反応物の通路を横切って「多数回通過(multi-pass)」することにより、すなわち蒸気を同一のプレート上で往復して2度以上通過させることによって改善される。PCHEパネルでは、光化学加工方法によって複雑なチャネル配設を容易に製造できるために、プレート上の多数回通過を容易に利用することが可能である。
図6には、蒸気がそれぞれの蒸気プレートを3回通過する配設を示してある。上部プレート1の蒸気は、右から左に2回、左から右に1回通過し、この間に相補的な下部プレート2では逆になっており、これによって、温度プロファイルのプロットに示すように、PCHEの横断方向の反応物の出口温度プロファイルは、実質的に均一である。したがって、両プレートの結合効果によって、PCHEパネルから流出時に、実質的に平坦かつ対象形の反応物の温度プロファイルが得られ、温度変動は無視可能な±1.6℃幅とわずかである。
【0028】
この配設の変形形態を図5に示してあり、この配設においても蒸気は各蒸気プレート上を3回通過する。ここで、上部プレート11上の蒸気は、反応物流動プレート13の出口側に隣接するプレートに入り、左から右に2回、右から左に1回通過して、反応物流プレートの入口側に隣接して流出する。同様に、下部プレート12上では、蒸気の流路は、反応物流動プレートの出口側に隣接するプレート12に入り、プレートを3回通過して、反応物流動プレート13の入口側に隣接して流出する。同様に、下部プレート12上では、蒸気流路は、蒸気が反応物流動プレートの出口側に隣接するプレートに入り、プレート12を3回横断して通過し、反応物流動プレート13の入口側に隣接して流出する。したがって、ここでも図5に示すようにPCHEパネルの横断方向に対して対称形の曲線となる反応物流体の出口温度プロファイルが得ることができる。しかし、この対角的に反対向き(蒸気流入に対して)の多数回通過では、温度幅がわずかに±5℃であるプロファイルが得られた。
【0029】
さらに簡単な配設を図4に示してあり、ここでは蒸気は各蒸気プレート上を1回のみ通過する。このような単一通過設計においては、片方の蒸気プレートの流れを、プレートの両端で90度転回させることによって、蒸気流が分離される。すべての通路を同じ長さに保つために、通路は一端で上向きに、多端で下向きに曲がっている。
図4の上図の温度プロットから、このような配設によっても、入口から出口までの温度範囲を、±70℃(図1のとおり)から±29℃に低減することが可能である点において、図1の配設に対して大幅な改善が得られることがわかる。
【0030】
図8および9に、それぞれが何らかの観点で改善された、代替実施態様を示してある。図8は、ポート式のプレート構成を示しており、この構成によって、プレートを拡散接合するときにパネル内部に流入口8および流出口9を作成するために、プレート内に開口7が形成されている。
もう一つの改善は図9に示したジグザグ通路10の適用であり、これは乱流を導入することによって、熱伝達を改良するという利点がある。また、通路を、プレート長の整数倍、または分数倍の長さとして、なお蒸気が一端から流入し、他端から流出すると共に、互いに同じ長さにすることが可能である。
【0031】
化学反応プロセスを実施するための、新型の断熱型触媒層反応器システム(図10に示す)は一連の触媒反応ゾーン80を備え、この触媒反応ゾーンは、反応器容器上部および下部壁面82とメッシュ形態の触媒反応ゾーン端壁83の中に封入された触媒充填層81からなる。このメッシュは、触媒が大流量の流体によって層から移動するのに対する抵抗として働き、そうでなければこの流れが、触媒粒子を触媒反応システムの下流に運搬することになる。このような触媒反応器ゾーンは連続して配設されており、この反応器ゾーンの間に、混合反応物が次の工程ステージに入る前に、その熱的な条件を整える目的で、触媒層と流体連通するPCHEパネル90が設けられている。各PCHEパネルは、適切に孔を設けると共に、条件を整えようとする反応物と接触して2方向、3回通過の熱交換を可能とする蛇行経路を設けた、複数のPCHEプレートで構成される。PCHEパネルは、蒸気を熱交換媒体(HE)として適当に供給あるいは排気するための外部蒸気マニホルドに連結されている。
【0032】
図10のように具体的には示していないが、パネルは異なる設計としてもよく、HEスループットのために蛇行経路の内径を変更したり、反応が触媒反応器全体に発展したときのプロセスのニーズを吸収するため、特に触媒層に必要となる変更に合わせて調整するために、熱伝達表面の表面積を変更してもよい。
使用時には、例えばスチレンを製造(吸熱反応)するための反応物は、理想的には約600℃またはそれ以上の温度で、第1の触媒層81に導入され、この触媒層は所望の流速に適合し、適当な全体スループット流量を保証するように寸法が決められる。反応に対する特定の熱要求から、反応物と部分的な生成物混合物が、第1触媒層を、最適温度未満、例えば約580℃で流出することもある。したがって、第1のPCHEパネル90は、反応物と生成物の部分混合物を、次の触媒層に入る前に、約800℃まで、再加熱する目的で、約800℃の温度まで過熱された蒸気を受容するように設計される。
【0033】
産業上の利用分野
本出願において開示する、PCHEプレート設計、PCHEパネル、PCR触媒システムおよび制御された温度条件下で化学反応を実施する方法は、化学工学の分野において応用可能であり、広範囲の工業規模の化学反応において有用であるが、小規模、例えば小規模、例えば実験室やパイロットプラント作業などの小規模にも適合可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 下図は、従来技術による1回通過対向流型熱交換システムを、流れの離散型通路を識別し易くするために、使用状態の重ね合わせ平面図と、分解状態(これも平面図)を示す概略図であり、上図は、下図に示す熱交換システムの幅方向における典型的な出口温度プロファイルを示すグラフである。
【図2】 下図は、改良型の熱交換システムを、流れの離散型通路を識別し易くするために、使用状態の重ね合わせ平面図と、分解状態(これも平面図)を示す概略図であり、上図は、下図に示す熱交換システムの幅方向における典型的な出口温度プロファイルを示すグラフである。
【図3】 下図は、代替の改良型の熱交換システムを、流れの離散型通路を識別し易くするために、使用状態の重ね合わせ平面図と、分解状態(これも平面図)とを示す概略図であり、上図は、下図に示す熱交換システムの幅方向における典型的な出口温度プロファイルを示すグラフである。
【図4】 下図は、1回通過2方向型熱交換システムを、流れの離散型通路を識別し易くするために、使用状態の重ね合わせ平面図と、分解状態(これも平面図)とを示す概略図であり、上図は、下図に示す熱交換システムの幅方向における典型的な出口温度プロファイルを示すグラフである。
【図5】 下図は、改良型の熱交換システムを、流れの離散型通路を識別し易くするために、使用状態の重ね合わせ平面図と、分解状態(これも平面図)を示す概略図であり、上図は、下図に示す熱交換システムの幅方向における典型的な出口温度プロファイルを示すグラフである。
【図6】 下図は、さらに改良を加えた好適な熱交換システムを、流れの離散型通路を識別し易くするために、使用状態の重ね合わせ平面図と、分解状態(これも平面図)を示す概略図であり、上図は、下図に示す熱交換システムの幅方向における典型的な出口温度プロファイルを示すグラフである。
【図7】 反応物の流れに対する熱交換通路の流れを変更することによって達成が可能な、異なる反応物出口温度プロファイルを、比較の目的で示す概要図である。
【図8】 プレートの周縁に入口および出口ポートを実装するプレート設計の好ましい配設を示す概略図である。
【図9】 蛇行平行流路を用いる非奇数全通路長および離散型流路方向の乱流誘導用ジグザグ変化の、2つの任意選択特性を含む、好ましい熱交換媒体の流路配設を示す図である。
【図10】 連続する熱交換器(PCHE)パネルを間に挿入した連続する充填触媒層を備えることにより、例えばスチレン生産工程に使用するのに適した、一連の温度制御ゾーンと一連の化学反応ゾーンとを交互に提供する、好ましいプリント回路反応器(PCR)システムを示す平面図である。
[0001]
Field of Invention
The present invention is applicable to the field of chemical engineering, and particularly relates to the improvement of chemical reactors. The present invention generally relates to control of reactant temperature during endothermic or exothermic reactions. Specifically, the present invention has a "flat" reactant temperature profile at the outlet of the heat exchanger panel, i.e., the reactant outlet temperature in the width direction of the heat exchanger panel is ideally uniform and possible. It relates to a printed circuit reactor (PCR) and a process control method that are as constant as possible.
[0002]
Background of the Invention
Controlling the reaction temperature to an acceptable range has been extensively studied, and several apparatuses have been devised in the chemical industry. Commonly used materials are described in standard reference books and textbooks. General knowledge can be found in, for example, Chapter 19 of “Chemical Reaction Engineering” by Octave LEVENSPIEL (Chemical Reaction Engineering, published by John Wiley & Sons). ) Can be referred to.
[0003]
Some of the prior art is a conventional reactor designed to allow even more control of the reactant temperature, which is called a staged adiabatic packed bed reactor. In the apparatus used in this system, during a number of spaced apart reaction zones, the temperature of the product leaving the first reaction zone is controlled before entering the next reaction zone. Means are provided. In this reaction zone, a heat exchanger for controlling the reaction temperature is not provided. That is, the reactant fluid entering the reactor at the desired temperature passes through a packed bed containing the catalyst. Upon exiting this first stage, the reactant gas and product will be at a temperature above or below the initial temperature, depending on the thermal characteristics of the reaction. Here, the reactant gas is heated or cooled to a second desired temperature by means of a heat exchanger before moving on to the next packed bed, ie the second stage. This procedure is repeated until the desired conversion is achieved. Therefore, the temperature profile of the reaction is stepped within the allowable temperature range and is not truly isothermal.
[0004]
The heat exchanger panel selected for the purposes of the present invention is a stack of plates stacked together and diffusion bonded to form a stack of plates, and fluid passages are defined in the stack by pretreatment of the plates. Each plate is processed into a channel processed surface according to a desired fluid path pattern by performing a process of removing the surface material to a desired depth by a method such as chemical etching or hydraulic mill, or a blank surface. Is selectively configured. Optionally, chemical processing may be enhanced by mechanochemical processing using appropriate tools.
[0005]
Such plate pre-treatment is performed in a manner somewhat similar to printed circuit board (PCB) manufacturing, and in this sense, the design of this heat exchanger is the Printed Circuit Heat Exchanger (PCHE). Can be called. Application of diffusion bonding technology to metal plates is well known in the technical field of metal processing, and is applied for various purposes such as the production of medical prostheses.
This PCHE design has been demonstrated by the proposed PCR designers since 1985 when these small heat exchangers were first introduced.
[0006]
An example of a PCR-type reactor designed by the applicant of the present invention has been filed separately from the present application (see: 32 46271 WO-01 / 54806). Such a reactor is configured to provide at least one reaction zone bounded by a heat exchanger in which a plurality of plates are overlaid and diffusion bonded to form a stack of plates. Are defined in the stack by pretreatment of the plates, and each plate is selectively selected according to the desired channel pattern by processing to a desired depth by a chemical treatment, such as chemical etching, that removes the surface material. It is configured. With the fluid channels defined in such a stack, various channels are provided in the channels arranged for heat exchange with the discrete channels containing at least one auxiliary fluid for controlling the temperature of the reactants. The reactant can be conveyed.
[0007]
In order to maintain reasonable control over the reaction, the reactants at the outlet of the heat exchanger panel have no opportunity to be mixed on a whole scale and go directly into the subsequent adiabatic reaction zone. The temperature profile is preferably flat. If the reactants are partially too hot or too cold, selectivity and conversion processes can also be hindered. This problem is particularly important in the case of a strongly exothermic reaction, because a heat spill can occur when some of the reactants are not sufficiently cooled between reaction stages, The higher the temperature, the higher the reaction rate, which further increases the temperature.
[0008]
The heat transfer medium that carries heat to or from the reactants may be a fluid such as water, steam, molten salt, liquid metal, combustion gas or pressurized closed loop gas. If the reaction is near atmospheric temperature, there appears to be little problem in providing a large amount of heat transfer medium flow, supplying heat to the medium, or extracting heat therefrom. In that case, simply using water, if the reaction is an exothermic reaction, the lower heat that is discarded in the cooling tower, and if the reaction is an endothermic reaction, the lower heat obtained from the exhaust steam. Can be used. Alternatively, boiling water or condensed water can be used at higher temperatures.
[0009]
However, many challenges arise when the temperature is extreme and it is more difficult to supply or extract heat. For example, when water exceeds the critical point, depending on the situation, isothermal heat supply using boiling and condensation cannot be performed, the temperature limit of the structural material approaches, or the molten salt deteriorates.
A typical example is the styrene reaction, which is an endothermic reaction, in which the catalyst layer is ideally maintained near 600 ° C. This means that in PCR, the temperature of the reaction must be reduced to about 580 ° C. in each insulation layer and reheated to about 620 ° C. in each heat exchanger.
[0010]
A suitable heat exchange medium is steam superheated at 750 ° C. The steam outlet temperature from the heat exchanger is ideally designed to minimize the flow rate of the steam, minimize the size of the pipe that carries it, and minimize energy loss due to the fluid. It will approach the temperature.
However, this can cause serious problems. That is, if the heat exchange between the steam flowing in at 750 ° C. and being cooled to the reactant inlet temperature and the reactant flowing in at 580 ° C. is not carefully controlled, the average outlet temperature of the reactant will be the required 620 ° C. Even so, the temperature of the reactants leaving the heat exchanger will fluctuate significantly.
[0011]
This problem is illustrated in FIG. If there is a simple counter-flow contact between the steam and the reactants, it can be seen that the outlet temperature of the reactants is biased to higher temperatures towards the end of the plate where the steam exits.
Moreover, although the average temperature is adjusted to 620 ° C., the fluctuation of the outlet temperature of the reactant in the width direction of the heat exchanger panel is about 580 ° C. to 720 ° C., and has a range of ± 70 ° C. This is fatal to the yield of the reaction.
One object of the present invention is to eliminate or mitigate this type of property problem. In particular, it is an object of the present invention to provide an apparatus that includes a chemical reaction zone and a method for controlling the temperature of reactants that react within the zone.
[0012]
Summary of the Invention
Therefore, the present invention described more specifically here is a reactor of a staged adiabatic reactor type in a broad sense, comprising at least one heat exchanger panel inserted between adiabatic catalyst layers, The surface area and the corresponding superficial facial area of the catalyst are substantially equivalent, and the panel includes means for defining discrete passages for transporting the reactants and heat transfer medium, Means for defining a passage for the heat transfer medium provide the heat transfer medium with at least two different flow paths through the heat exchanger panel, thereby reducing the occurrence of temperature deviations or differences. The reactor.
[0013]
Preferably, the entire heat exchanger panel is a printed circuit heat exchanger type (PCHE), and at least two different plate designs can be used to construct the panel, thereby achieving significant changes in flow path design. Like that. First, the flow direction of the fluid in the PCHE is initially set by the supply and ventilation connections to the inlet and outlet, respectively, of the assembled PCHE plates that make up the panel. However, by changing the “printed circuit” scheme design of the flow path in the plate and providing different PCHE plates in the panel, both the flow path direction and the heat transfer influence can be controlled.
[0014]
Using plates with different designs is a preferred way of gaining design freedom, but in some cases, plates with substantially the same design can be used. In the special case where the same square plates are stacked side by side, each has a unique passage pattern etched on the surface, and the alternating plates are rotated in the plane of the plate. And optionally, if necessary to prevent intermixing of fluids, the passages in different directions are defined by inserting plates with non-etched surfaces (blanks). can do. In this way, continuous flow paths in different directions can be achieved.
[0015]
Plates with appropriate channels defined by etching or the like are stacked and diffusion bonded together to form a heat exchanger panel, and so formed panels are juxtaposed if necessary, It is also possible to provide a larger panel having the desired height and width that are joined, for example by welding, to meet the required cross-sectional area of the catalyst layer. In some cases, it is appropriate to use a blank plate (non-etched plate) to complete the panel and close the open side of the channel formed in the adjacent etched plate. Reference to this panel is for convenience only and is not intended to be a dimensional constraint. However, it can be seen that the dimensions of the heat exchanger unit will vary depending on the reactor design chosen and presently available manufacturing equipment may impose practical constraints on the panel dimensions that can be produced in one step. Will. When it is desirable to form a relatively large panel, such a practical constraint is that multiple panels of dimensions formed within the capability range of the available equipment can be placed side-by-side. It can be solved by joining by a method, for example, welding. In this manner, PCHE panels having various shapes and sizes can be constructed.
[0016]
Also preferably, the plate design allows the flow of the heat transfer medium to pass more than once in both directions along the length of the plate, with passages defined by printed circuit technology. The flow path may be a serpentine path, and optionally may be provided with a noticeable change in the direction of enhancing turbulence in the heat exchange medium flow.
In a preferred embodiment of the invention, the heat transfer medium is housed in a header external to the heat exchange panel and is optionally coupled thereto to allow fluid flow. The arrangement of the header on a panel, preferably a PCHE-type panel, is used to distribute the heat exchange medium in a discrete heat exchange panel passageway, in particular to separate inlets and outlets, at specific positions of the header. A septum may be included, or in an alternative arrangement, a manifold system may be provided, thereby forming openings in opposing plates so that inlet and outlet chambers are created, for example during diffusion bonding prior to panel assembly. Distributes the heat exchange medium to and from ports formed directly in the periphery of the panel.
[0017]
In accordance with one aspect of the present invention, a staged adiabatic reactor type apparatus, defined by at least one surface, comprising means for effecting heat exchange with a fluid passing through a chemical reaction zone to effect a reaction. Said chemical reaction zone, wherein said zone and said surface are at least partially defined by a printed circuit heat exchange (PCHE) panel, said panel allowing discrete flow of fluid reactant and heat transfer medium A mold passage is defined and at least two different flow paths are defined by a PCHE plate design that handles the heat transfer medium so that the heat transfer medium is in at least two different directions relative to the flow of fluid reactants. It is possible to pass through the PCHE panel, which in particular controls the temperature profile of the fluid flowing out of the PCHE panel. Goodness the apparatus is provided.
[0018]
Preferably, the entire means for achieving heat exchange is of the PCHE type as described herein. In such an arrangement, the size of the heat transfer is usually smaller than the size of the catalyst particles, so that the temperature profile specific to heat transfer to the fluid in the passages is not critical to the size of the catalyst particles. Also, the heat transfer dimensions are relatively small compared to the depth of the layers, so that the temperature profile of any passage scale is, for example, only the length of the individual catalyst layers, which are typically up to about 200 mm. Occupies only a small part. This is in sharp contrast to the prior art using, for example, a 25 mm outer diameter exchanger tube, which in this case results in a downstream wake in the temperature profile, which then inevitably becomes discrete. The scale is significantly larger than the catalyst particles of the catalyst layer and extends over at least a significant portion of each catalyst layer.
[0019]
The heat exchange medium is advantageously passed more than once in both directions along the length of the plate.
Also preferably, the passage through which the heat exchange medium includes a serpentine portion comprising a series of short and sharp turns.
[0020]
According to another aspect of the present invention, a method for carrying out a chemical reaction under controlled temperature conditions, preferably in a staged adiabatic reactor, which achieves a reaction between the fluid reactant and the heat exchange means. Continuously distributing through a chemical reaction zone for said zone, said zone being delimited by at least one surface comprising means for achieving heat exchange with said fluid, said surface being Defined at least in part by a printed circuit heat exchanger (PCHE) panel that provides a means for defining discrete passages that allow flow of the heat transfer medium therein, and separate passages of the reactant fluid flow. Enabling introduction of a heat transfer medium into the PCHE panel, and placing the heat transfer medium in at least two directions relative to a flow of fluid reactants in the PCHE panel. It was allowed to pass through, whereby the fluid flowing from the PCHE panel, the method comprising the step of improving the control of the reactant temperature profile is provided.
[0021]
In accordance with the present invention, several variations on the method of temperature control are possible, and this variation is selected according to the operator's choice to think about the chemical reaction system in the field. The main variants of the PCR system that should be considered for temperature control purposes include (a) the direction of flow of the heat exchange medium (HE) relative to the direction of flow of the chemical reactant (CR), essentially There are parallel flow (same main flow direction), cross flow (oblique or cross direction with respect to the axial direction of the CR main flow), counter flow (HE main flow opposite to the CR main flow axis), and (b) the number of passes to one of the other. (HE vs. CR), (c) the direction of HE flow in one PCHE plate exposed to the corresponding plate performing CR and the direction of HE flow in another PCHE exposed to that CR performing plate And (d) the number of different PCHE plate designs incorporated into the PCHE panel. Utilizing two or more heating or cooling fluids in a single panel can be used either in a separate circuit on one plate or in a separate plate.
[0022]
An excellent reactant outlet temperature profile across the heat exchanger is achieved when the HE flow in one PCHE juxtaposed to a plate having fluid transport passages in fluid communication with the CR reaction zone, for example, Complementarily corresponds to the HE flow in another PCHE plate arranged to have a heat transfer relationship with a plate in fluid communication with the CR reaction zone on the opposite side of the first PCHE plate, and generally the HE mainstream path Is a cross flow, that is, a tangent or oblique angle with respect to the CR mainstream path. An example of this is the two-way, three-pass parallel flow shown in FIGS. The arrangements shown in FIGS. 3 and 5 are also less suitable, but acceptable results are obtained with some reaction systems. Examples of systems with poor performance are the systems shown in FIGS.
[0023]
According to another aspect of the present invention, the PCHE plate design essentially follows a meandering path that exhibits a sharp turn in the meandering path, for example by having a zigzag pattern over substantially the entire length of each individual path. It consists of multiple flow passages parallel to. The number of meandering rotations in each path can vary, but at least two rotations are required to provide a return path and an exit path. The use of a zigzag design is an optional feature. In essence, the advantages of a convoluted flow passage arrangement provide fluid path flow lengths that are integer or non-integer multiples of the flow length, heat transfer and pressure drop requirements. It is to improve the compatibility with.
Such a plate is combined with a correspondingly designed complementary plate reflecting this plate, as a pair of plates, between which there is a plate designed to carry the reactant fluid. The Baffles may be provided at both ends of the pair of plates.
The present invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, given by way of example only and not by way of limitation.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In accordance with the present invention using a PCHE panel, it is possible to obtain an improved catalytic reactor system, which, as described below with particular reference to the preferred embodiment of FIG. In comparison, the arrangement is such that a substantially flat reactant temperature profile is obtained upon exit from the PCHE.
In this description, for convenience, a design in which the heat transfer medium enters both sides of the PCHE panel is referred to as a “two-way” design, and a design in which the heat exchange medium enters from only one side of the PCHE is referred to as “one-way”.
[0025]
FIG. 6 (bottom) illustrates the arrangement of a PCHE panel 4 comprised of a heat exchange medium, here a plate that receives steam, the plates comprising different designs 1 and 2, each of which is a reactant flow plate. For ease of understanding, the plate is initially shown as in use, and below it is shown separately for clarity of the respective flow paths. On both sides, there is a semi-cylindrical header 20 with a partition wall 21 for separating the steam inlet and outlet at each plate end. Arrows indicate the direction of steam or intended reactant flow.
The plate is provided with serpentine paths 15, 25, allowing steam to pass multiple times across the plate, thereby increasing the flow path length relative to the plate width, Designed to improve heat transfer with reactants passing between them.
[0026]
In use, the fluid reactant to be heated or reheated is introduced into the PCHE panel, where steam enters from the left end of the lower steam plate 2 and exits from the right end and flows through the plate in the direction of the arrow. In the upper plate 1, there is a steam inlet on the right side, which is complementary to the flow in the lower plate, and flows in the left end direction. Since the reaction in the adjacent reaction zone is an endothermic reaction, the flowing reactant fluid enters the PCHE panel and cools the vapor as it passes through the plate 1. The temperature profile of the exiting reactant fluid is substantially symmetrical because the reactant fluid interacts with the heated fluid (vapor) in both directions on both sides of the plate, which is compared to the one-way contact PCHE in FIG. It is preferable.
[0027]
This process is thus improved by passing the vapor "multi-pass" across the reactant path, i.e., passing the vapor back and forth more than once on the same plate. . In the PCHE panel, a complicated channel arrangement can be easily manufactured by a photochemical processing method, and thus it is possible to easily use multiple passes on the plate.
FIG. 6 shows an arrangement in which steam passes through each steam plate three times. The vapor of the upper plate 1 passes twice from right to left and once from left to right, during which time it is reversed in the complementary lower plate 2 so that, as shown in the temperature profile plot, The outlet temperature profile of the reactant in the transverse direction of the PCHE is substantially uniform. Thus, the combined effect of both plates results in a substantially flat and target temperature profile of the reactants as they flow out of the PCHE panel, with temperature fluctuations of negligible ± 1.6 ° C. width.
[0028]
A variation of this arrangement is shown in FIG. 5, in which the steam passes three times on each steam plate. Here, the vapor on the upper plate 11 enters the plate adjacent to the outlet side of the reactant flow plate 13 and passes twice from the left to the right and once from the right to the left to reach the inlet side of the reaction flow plate. Spill adjacent. Similarly, on the lower plate 12, the vapor flow path enters the plate 12 adjacent to the outlet side of the reactant flow plate, passes three times through the plate, and is adjacent to the inlet side of the reactant flow plate 13. leak. Similarly, on the lower plate 12, the steam channel enters the plate adjacent to the outlet side of the reactant flow plate and passes across the plate 12 three times to the inlet side of the reactant flow plate 13. Spill adjacent. Accordingly, as shown in FIG. 5, an outlet temperature profile of the reactant fluid having a symmetrical curve with respect to the transverse direction of the PCHE panel can also be obtained here. However, the multiple passes in this diagonally opposite direction (vs. steam inflow) gave a profile with a temperature range of only ± 5 ° C.
[0029]
A simpler arrangement is shown in FIG. 4, where the steam passes only once on each steam plate. In such a single-pass design, the steam flow is separated by turning the flow of one steam plate 90 degrees at both ends of the plate. In order to keep all the passages the same length, the passages are bent upward at one end and downward at multiple ends.
From the temperature plot in the upper diagram of FIG. 4, it is possible to reduce the temperature range from the inlet to the outlet from ± 70 ° C. (as shown in FIG. 1) to ± 29 ° C. even by such an arrangement. It can be seen that a significant improvement over the arrangement of FIG.
[0030]
FIGS. 8 and 9 show alternative embodiments, each improved in some respect. FIG. 8 shows a port-type plate configuration that allows an opening 7 to be formed in the plate to create an inlet 8 and an outlet 9 within the panel when the plates are diffusion bonded. Yes.
Another improvement is the application of the zigzag passage 10 shown in FIG. 9, which has the advantage of improving heat transfer by introducing turbulence. In addition, the passage may be an integral multiple or a fractional multiple of the plate length, and steam may flow from one end and flow out from the other end, and have the same length.
[0031]
A new adiabatic catalytic bed reactor system (shown in FIG. 10) for carrying out a chemical reaction process comprises a series of catalytic reaction zones 80, which comprise a reactor vessel upper and lower wall 82 and a mesh. It consists of a catalyst packed bed 81 enclosed in a catalytic reaction zone end wall 83 of the form. This mesh acts as a resistance to the catalyst moving from the bed by a large flow of fluid, otherwise this flow will carry the catalyst particles downstream of the catalytic reaction system. Such catalytic reactor zones are arranged in series, and between these reactor zones, the catalyst layer is used for the purpose of adjusting its thermal conditions before the mixed reactant enters the next process stage. A PCHE panel 90 is provided in fluid communication therewith. Each PCHE panel is composed of a plurality of PCHE plates that are appropriately perforated and provided with meandering paths that allow heat exchange in two directions and three times in contact with the reactants to be conditioned. The The PCHE panel is connected to an external steam manifold for suitably supplying or exhausting steam as a heat exchange medium (HE).
[0032]
Although not specifically shown as in FIG. 10, the panel may have a different design, changing the inner diameter of the meander path for HE throughput, or process needs when the reaction develops throughout the catalytic reactor. The surface area of the heat transfer surface may be changed, particularly to adjust for changes required for the catalyst layer.
In use, for example, a reactant for producing styrene (endothermic reaction) is introduced into the first catalyst layer 81, ideally at a temperature of about 600 ° C. or higher, and this catalyst layer is brought to a desired flow rate. Fit and dimensioned to ensure proper overall throughput flow. Depending on the specific heat requirements for the reaction, the reactants and partial product mixture may exit the first catalyst layer below the optimum temperature, for example at about 580 ° C. Thus, the first PCHE panel 90 is a steam that has been superheated to a temperature of about 800 ° C. for the purpose of reheating the partial mixture of reactants and products to about 800 ° C. before entering the next catalyst layer. Designed to accept.
[0033]
Industrial application fields
The PCHE plate design, PCHE panel, PCR catalyst system and method for performing chemical reactions under controlled temperature conditions disclosed in this application are applicable in the field of chemical engineering and are used in a wide range of industrial scale chemical reactions. Although useful, it is also adaptable to small scale, eg small scale, eg small scale laboratories or pilot plant operations.
[Brief description of the drawings]
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 shows a prior art one-pass counter-flow heat exchange system in a superposed plan view and a disassembled state (also a plan view) for easy identification of discrete flow paths. The upper figure is a graph showing a typical outlet temperature profile in the width direction of the heat exchange system shown in the lower figure.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a superposed plan view and a disassembled state (also a plan view) of the improved heat exchange system in order to facilitate identification of discrete flow paths. The upper figure is a graph showing a typical outlet temperature profile in the width direction of the heat exchange system shown in the lower figure.
FIG. 3 shows an overlaid plan view and an exploded view (also a plan view) of an alternative improved heat exchange system in use to facilitate identification of discrete flow paths. It is a schematic diagram and the upper figure is a graph showing a typical outlet temperature profile in the width direction of the heat exchange system shown in the lower figure.
FIG. 4 shows a one-way two-way heat exchange system with a superposed plan view and a disassembled state (also a plan view) in order to make it easy to identify discrete flow paths. The upper figure is a graph showing a typical outlet temperature profile in the width direction of the heat exchange system shown in the lower figure.
FIG. 5 is a schematic diagram showing an overlaid plan view and an exploded view (also a plan view) of the improved heat exchange system in order to facilitate identification of discrete flow paths. The upper figure is a graph showing a typical outlet temperature profile in the width direction of the heat exchange system shown in the lower figure.
FIG. 6 shows a preferred heat exchange system with further improvements in a superposed plan view and a disassembled state (also a plan view) in order to make it easier to identify discrete flow paths. The upper figure is a graph showing a typical outlet temperature profile in the width direction of the heat exchange system shown in the lower figure.
FIG. 7 is a schematic diagram showing, for comparison purposes, different reactant outlet temperature profiles that can be achieved by changing the heat exchange passage flow relative to the reactant flow.
FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a preferred arrangement of a plate design that implements inlet and outlet ports at the periphery of the plate.
FIG. 9 shows a preferred heat exchange medium flow path arrangement including two optional characteristics of non-odd total path length using serpentine parallel flow paths and turbulence inducing zigzag changes in discrete flow path directions. It is.
FIG. 10 includes a series of temperature control zones and a series of chemical reactions suitable for use, for example, in a styrene production process, by providing a continuous packed catalyst layer with a continuous heat exchanger (PCHE) panel interposed therebetween. FIG. 2 is a plan view of a preferred printed circuit reactor (PCR) system that provides alternating zones.

Claims (10)

断熱型触媒層間に挿入された少なくとも1つの熱交換器パネルを含む、段階式断熱型反応器方式の反応器であって、前記パネルはプレートのスタックとして形成され、各プレートは、反応物を移送するための複数の通路、または熱伝達媒体を移送するための少なくとも1つの通路を画定し、前記プレートを通過する前記熱伝達媒体の流路方向をプレートごとに異ならせることによって、前記熱交換器パネルの出口における反応物の温度偏奇または温度差の発生を減少させた、前記反応器。Comprising at least one heat exchanger panel is inserted into the adiabatic catalyst layers, a reactor staged adiabatic reactor type, before Symbol panel is formed as a stack of plates, each plate, a reaction product a plurality of passages for transferring or by at least one passage for transporting the heat transfer medium and image constant, varying the flow path direction of the heat transfer medium you pass the plate for each plate, the The reactor , wherein the occurrence of temperature deviation or temperature difference of the reactants at the outlet of the heat exchanger panel is reduced. 熱交換器パネル全体が、複数のプレートを重ね合わせ、拡散接合してプレートのスタックを形成した、プリント回路熱交換器型(PCHE)であり、該スタック内に、前記プレートを前処理することによって流体通路を画定し、各プレートを、所望の流体通路パターンにしたがって、表面材料を除去する処理によってチャネル付き、またはブランク表面を提供するように、選択的に構成した、請求項1に記載の反応器。  The entire heat exchanger panel is a printed circuit heat exchanger type (PCHE), in which a plurality of plates are stacked and diffusion bonded to form a stack of plates, by pre-treating the plates in the stack The reaction of claim 1 wherein fluid passages are defined and each plate is selectively configured to provide a channeled or blank surface by a process of removing surface material according to a desired fluid passage pattern. vessel. 少なくとも2つの通路パターンを使用して、パネルを構成する、請求項2に記載の反応器。The reactor of claim 2, wherein the panel is constructed using at least two passage patterns . 一長方形形状のプレートがスタック内に並設され、各プレートが、その表面上にエッチング加工された特有の通路パターンを有しており、スタック内のそれぞれのプレートを回転させて配列することによって、異なる方向の通路を画定した、請求項2に記載の反応器。Plates of the same rectangular shape are juxtaposed in a stack, each plate, to sequence the surface thereof on has a unique path patterns etched into, to the respective plate rotating in the stack The reactor of claim 2, wherein the reactor defines passages in different directions. 流体の相互混合を防止するために、表面にチャネルを設けない(ブランク)プレートを、パネル内に組み込んだ、請求項2または3に記載の反応器。To prevent intermixing of fluids, without the channel on the front surface (the blank) plate was incorporated in the panel, the reactor according to claim 2 or 3. 反応を達成するために化学反応ゾーンを通過して流れる流体と熱交換を達成するための手段を含み、少なくとも1つの表面によって画定された、前記化学反応ゾーンを含み、前記ゾーンおよび前記表面が、少なくとも部分的にプリント回路熱交換(PCHE)パネルによって画定され、前記パネルが、流体反応物と熱伝達媒体の流れに備える複数の通路を画定し、少なくとも2つの異なる流路が、熱伝達媒体を取り扱うPCHEプレート設計によって画定され、これによって前記熱伝達媒体が、流体反応物の流れに対して少なくとも2つの異なる方向に、PCHEパネルを介して通過することが可能となり、これによってPCHEパネルから流出する流体の反応物温度プロファイルの制御を改善した、請求項1に記載の反応器。Means for achieving heat exchange with a fluid flowing through the chemical reaction zone to effect a reaction, the chemical reaction zone defined by at least one surface, the zone and the surface comprising: defined by at least partially printed circuit heat exchanger (PCHE) panel, said panel defining a plurality of passages Ru with the flow of fluid reactants and a heat transfer medium, at least two different flow paths, the heat transfer medium defined by PCHE plate design for handling, whereby said heat transfer medium, at least two different directions relative to the flow of fluid reactants, it is possible to pass through the PCHE panel, P CHE This ensures that The reactor of claim 1 having improved control of a reactant temperature profile of fluid exiting the panel. 熱伝達媒体がプレートの長さ方向に沿って2回以上通過するように、流体通路が構成されている請求項6に記載の反応器。  The reactor according to claim 6, wherein the fluid passage is configured so that the heat transfer medium passes twice or more along the length direction of the plate. 流体通路が、一連の鋭い蛇行部分を含む、請求項7に記載の反応器。Fluid passageway comprises a series of sharp meandering portion, the reactor of claim 7. 流体通路が、実質的に各個別通路の全長に課したジグザグパターンを含む、請求項6に記載の反応器。  The reactor of claim 6, wherein the fluid passage comprises a zigzag pattern imposed on substantially the entire length of each individual passage. 段階式断熱型の反応器内の、制御された温度条件下で化学反応を実施する方法であって、
流体反応物を、反応と熱交換手段を達成するために化学反応ゾーンを介して連続的に配分するステップであって、前記ゾーンが、前記流体と熱交換を達成するための手段を含む少なくとも1つの表面によって区画されており、前記表面が少なくとも部分的に、その中の熱伝達媒体の流れを可能にする複数の通路を画定する手段を提供するプレートのスタックを含むプリント回路熱交換(PCHE)パネルによって画定されており、かつさらなる通路が反応物流体の流れに備えるステップと、
前記PCHEパネルに熱伝達媒体を導入するステップと、前記熱伝達媒体を流体反応物の流れに対して少なくとも2つの異なる方向に、前記PCHEを介して通過させて、PCHEパネルから流出する流体の、反応物温度プロファイルの制御を改善するステップとを含む、前記方法。
Reactor of the staged adiabatic, under controlled temperature conditions provides a method of conducting a chemical reaction,
Continuously allocating a fluid reactant through a chemical reaction zone to achieve a reaction and heat exchange means, the zone comprising means for achieving heat exchange with the fluid One of which is defined by a surface, said surface is at least partially, printed circuit heat exchanger (PCHE comprising a stack of plates to provide a means for defining a plurality of passages flow that enables heat transfer medium therein A) defined by the panel, and further passages providing for the flow of reactant fluid;
Introducing a heat transfer medium into the PCHE panel, and passing the heat transfer medium through the PCHE in at least two different directions relative to a flow of fluid reactants, and fluid exiting the PCHE panel. Improving the control of the reactant temperature profile.
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