JP5224627B2 - 熱交換器付き化学反応器 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、化学工学の分野で応用が可能であり、特に化学反応器の改良に関する。本発明は一般的には化学反応システムおよび処理プラントにおける温度制御に関する。本発明は特に、熱交換流体を用いて反応物の温度を間接的に所望のプロファイルに維持する反応器の内部で、流体反応物を急速転化させるのに適した反応器を提供する。

発明の背景
大多数の化学プロセスにおいては、熱供給に対する要求、または熱を放散させたいという要望がある。したがって、広範囲の化学プラントにおいて、プロセスのある段階で加熱あるいは冷却を要する流体が包含されていたり、搬送されたりしている。例えば、熱伝達それ自体が設計および操業の問題となっているプラントとして、炉、蒸発器、蒸留ユニット、乾燥装置や反応器をあげることができる。特に、多くの工業化学プロセスでは、触媒の存在下で所与の温度と圧力で反応を発生させる、反応器が利用されている。これらの反応の殆んどすべてが熱を発生するか、または吸収する、すなわち発熱反応または吸熱反応である。吸熱反応に対する冷却効果は一般に、反応速度や、反応による生成物の転化率や選択性などの関連するパラメータには逆効果となる。発熱反応に対して無制御に加熱を行うと、温度が非常に高いレベルに上昇する可能性があるために、一般に関連する装置の損傷につながる。

このような場合に、反応は無制御（いわゆる「暴走反応（runaway reaction）」）となり、プロセス触媒の不活性化などの不要な副産物や望ましくない影響につながる可能性がある。また理想的な触媒は理論的には反応に関与しないが、実際には多くの触媒が反応の進行と共に劣化したり損傷を受けたりし、工業規模においては触媒の再生または交換に伴う費用は重大な負担となっている。このような費用には、プラントの停止時間、あるいは触媒の再生のために特定の反応器が停止しなくてはならない場合には、設備能力上の制約も含まれることが理解されるであろう。したがって、触媒層の寿命を延長することは、全体的に得ることのできる費用効果の観点において望ましい。本明細書に記載する発明は、理想的には触媒反応器設計に使用するのに適するが、その他の目的にも適応が可能である。バッチ式または連続式の反応システムへの応用については、区別をするものではない。

当業者であれば、反応の加熱または冷却効果から生じる温度の変化を制御すると便益があることを理解している。反応の温度を所要の一定値に維持することは、転化率および選択性の向上、触媒およびその関連する装置の寿命の延長、不要な複製産物の低減など、反応に対する大幅な利点となり得ることは広く知られている。一定の温度プロファイルを変化させることがより有益である場合もある。
許容範囲内で反応温度を効率的に制御するために、化学工業においてはいくつかの装置が発明されており、一般的に使用されるものについては、標準的な参考書および教科書に記述されており、例えばOctave LEVENSPIELの「化学反応工学」の第１９章によって一般知識を得ることができる。それぞれのアプローチの相対的な長所についても同書で論じられている。

従来から、反応器内の温度の制御は、チューブ中またはプレート間に補助的な熱交換流体を流通させることによって行われており、このチューブまたはプレートが熱伝導媒体または熱的架橋を形成し、同時に反応種を補助熱交換流体から分離する。すなわち、このような間接熱伝達システムにおいては、チューブ壁（または複数の壁）またはプレート表面（または複数の表面）によって隔離されて、一方ではプロセス経路またはゾーンがあり、他方で、補助流体経路またはゾーンがあることが理解されよう。

この公知の概念を触媒充填層反応器との関係で考えると、反応物流体は触媒層を通過し、その中での反応熱は、触媒層反応ゾーンと、そのような補助流体を包含するチューブまたはプレートとを接触させることによって制御される。しかし、特に高度な発熱反応に対しては、このようなアプローチは理想的でないことがわかっている。それは充填層では熱勾配を生じることが多く、例えば触媒層は、前記チューブまたはプレートと接触する領域では温度が低く、前記チューブまたはプレートから離れた深い部分では温度が高くなり、ホットスポットまたは移動ホットフロント(hot fronts)を生成し、層全体の中での反応進行の変動を招くことになる。したがってそのようなホットスポットにおいては、反応がより迅速に進行し、このために触媒がより迅速に劣化することになる。これは、大規模プラントにおいて特に重要なことである。

したがって、本発明が解決しようとする課題には、次のような観点で反応物と触媒を満足な温度範囲に保つことが含まれる。それは、反応速度の最大化、反応器または触媒体積の最小化、所望の生成物の収量最大化、触媒の損傷の最小化（例えば過熱、または液相との直接汚染などによる）、および副産物形成の最小化である。
このような問題に対する一般的な解決手法としては、システムを冷却するために冷却ガス(quench gas)を添加する方法があるが、これは効率性の低下を招き、したがって収量に悪影響を与える可能性がある。さらに別の解決手法は、断熱層の間に熱交換ステップを導入する方法であり、この場合には反応器の中に熱交換器を組み入れることもあるが、これはチューブ式設計における体積と、プレート式交換器での差圧容器の不足が原因で、設計および操業の両方において問題となる。また、反応物の再配送においても問題がある。代替手法として、中間での熱交換として、例えば冷却のために、反応物を反応器から除去してもよいが、これも追加の高価なパイプ設備が原因でプラント設計とプロセス操業に大きな影響を与えると共に、抽出および再注入それぞれにおいて配送の問題がある。したがって、いかなる特定のシステムにおいても、１度を超えてつまり２度実行するのは現実的ではない。

さらに別の解決手法は、触媒層内にチューブまたはプレートを充填することによる連続熱交換を採用することであるが、これは設計の柔軟性を失うこと、追加の費用、触媒の不均一充填、そしてもちろん触媒を交換または再生する上での困難さを招くことになる。代替手法として、熱交換チューブ、プレートおよび反応器の通路を、触媒で被覆してもよいが、この方法でもやはり設計の柔軟性の不足、確実に触媒を被覆することの困難さ、および利用可能な名目触媒表面積（superficial catalyst surface area)に対する制約、などの問題につながる。また、この解決手法によると、触媒を交換または再生する上で明らかな困難が伴う。

流動層反応器は、このような問題に対する別の可能性のある解決策であるが、その適合性は、すべての反応システムに理想的とはいえず、つまりある種の反応システムには理想的ではない可能性がある。
断熱層内の反応物温度を安定化させるために、不活性または反応性の希釈剤を使用する可能性については考慮されてきたが、そのような希釈剤は加熱、冷却、およびポンプ配送が必要であり、これにはプロセスに追加のエネルギを要求し、さらに反応に対する拡散バリヤとなって意図する反応に干渉する可能性もある。

この問題は、反応物温度を制御しやすくするために設計された装置の例である、段階式断熱型充填層反応器システムの原理を引用することで、さらに詳しく説明することができる。このシステムでは、間隔を空けた複数の離散型の反応ゾーン間に、第１のゾーンから流出する生成物の温度を、次の反応ゾーンに流入する以前に制御する手段が設けられている。反応ゾーン内には、温度を制御するための熱交換手段は設けられていない。したがって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段階から流出するときに、反応の熱的特性に応じて、反応ガスおよび生成物はいずれも、初期温度よりも高いか、または低い温度となる。次いで熱交換器が反応ガスを、次の充填層、つまり第２段階に入る以前に、第１の温度と等しいか、またはそうではない第２の所望温度まで、加熱または冷却する。この手順は、所望の転化が得ら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、許容温度範囲内でステップ状となり、真に等温状態ではない。

反応温度を制御する方法と装置についての代替的な提案が、米国特許第Ａ−５６０００５３号に開示されている。この装置では、各プレートがその片側で熱交換流チャネルの境界を画定し、反対側で反応流チャネルの境界を画定する、互いに間隔を空けた波型熱交換プレートが使用される。この装置においては、熱交換流体は、前述のチャネルの第１番目に入り、反応物流が第２番目に、好ましくは触媒が存在する状態で通過する。この装置は、いわゆる等温状態の目標に達するため通常用いられる、段階式の解決手法を不要とするか、または最小化することを意図したものである。

しかしながら、米国特許第Ａ−５６０００５３号に提案されている装置では、隣接する波型プレートを互いに接合する必要がある。このために、多数プレートを重ね合わせてチャネルを形成するのを容易にするために、平滑な端部が設けられている。プレートはこれらの平滑な端部に沿って、溶接などで接合されるが、隣接するプレートの波型によって形成されるチャネルのシールの保全性が理想的ではないために、特に熱交換チャネルと反応流チャネルとの間で大きな圧力差が存在する場所では、これが隣接するプレートを引き離す傾向を示す。したがって、この装置は反応のパラメータに対して、すなわち熱交換流体の圧力と反応ガスの圧力の関係に対して、不必要な制約を加えることになる。

さらに初期のシステムが、米国特許第Ａ−５０７３３５２号に記載されており、それには低圧下で、かつ少なくとも１種類の触媒の存在下において、ガソリンを改質するプロセスを実行する装置が提案されており、この装置では反応に必要な熱は、天然ガスなどの熱運搬流体によって供給される。
ここに記載された装置は、垂直方向に配設され、略平行六面体の形状の、多数の離散型の反応セルを備える。これらのセルは、横方向に間隔を空けて配置されて、熱運搬流体の流れのためのチャネルをその間に形成している。改質触媒を収容するチャンバは、それぞれ等温または断熱状態であり、寸法が次のように決められる。高さ（Ｈ）、幅（Ｗ）および厚さ（Ｔ）が、Ｈ＞Ｗ＞Ｔの条件を満たし、Ｈは少なくともＷの２倍であり、Ｗは５０ｍｍ〜１００００ｍｍ（０．０５〜１０ｍ）の範囲にあり、そしてＴは２ｍｍ〜２０００ｍｍ（０．００２〜２ｍ）の範囲にある。したがって、このような大規模な触媒反応器容積においては、ホットスポットや不満足な温度制御が生じる可能性がある。

当業者には、充填層における熱伝達係数は、触媒の粒子寸法と触媒層を通過する反応物流の速度に依存することは公知である。残念ながら、これらのパラメータは両方とも、プロセス要件であり、充填層内の熱伝達を向上させるために変更することはできず、したがって米国特許第Ａ−５０７３３５２号に記載された反応セルもそのようになっている。さらに、そこを通過して触媒が流れるように設計されたギャップまたはチューブの寸法を制限しながら、触媒を狭いギャップまたはチューブの間を移動させるのは困難である。

既存技術による、既知の形式の反応器には、熱伝達能力において多くの重要な制限が課せられている。プレート式反応器は、チューブ式反応器よりも、補助媒体側においては有利であるが、上記のように全体熱伝達係数は、通常はプロセス側によって支配されるために、最終結果としては大きく影響はしない。一方チューブ式反応器は、反応流体と熱交換流体間の差圧に対する抵抗が大きいために、プレート式反応器に比較して機械的特性において有利である。
反応が触媒の存在なしに実施される、工業規模の化学プロセスもある。このような反応は、攪拌式タンク（いわゆるＣＳＴＲ反応器）中で頻繁に実行され、連続式、バッチ式、またはセミバッチ式プロセスがある。

ＣＳＴＲ反応器の加熱または冷却は、通常は外部熱伝達ジャケット、内部熱伝達コイル、または反応物を外部熱交換器を通過して循環させることによる。一般に外部ジャケットおよび内部コイルの両方とも、限定された熱伝達表面しか利用できない。外部熱伝達は、ポンピングによる循環を必要とし、反応器内での混合が不完全になると、外部熱交換器と反応器内の全混合流体成分の間に重大なずれが生じることになる。この後者の問題は、反応物を反応器に添加している間に最も発生しやすい。

ＣＳＴＲ内部の流体混合は、攪拌器およびバッフル設計、攪拌器速度、反応混合物の物理的性質などの因子に依存する。良好な混合を保証しようとする努力が、不満足な結果に終わることが多く、反応物濃度の変動を許容するためには、反応を最適ではない状態にしなくてはならないことも多い。
上記で概説した欠点の結果として、ある反応においては、熱および／または物質伝達が少ないために、反応器滞留時間を、化学反応速度論からのみ必要とされる時間よりも大幅に長くした結果、反応選択性を喪失している。さらにＣＳＴＲは、反応生成物と反応物とが実質的に完全に逆混合することが特徴であり、これは反応速度を低下させ、不要の反応による生成物損失を生じる結果ともなる。本発明では、熱伝達が制限された高速の反応を、大幅に短縮した滞留時間で、いわゆるプラグフロー反応器に類似する、一連の連続する短い滞留時間段階で実施することが可能となる。

上記のことを考慮すると、本発明の一目的は、既存または先行提案された設計および方法の欠点を解消または軽減する観点で、化学プラント設計およびその操業方法の改善を提供することである。本発明のねらいは特に、熱交換流体を用いる間接熱伝達法によって化学プロセスの操業中に、反応温度を許容範囲内に制御するための装置と方法を提供することである。

以下にさらに詳細に説明する、本発明の別の目的は、反応物温度を所望のプロファイル範囲内に厳密に制御できるようにすることであり、さらに具体的には、温度を実質的に一定レベルに維持すること、すなわち工業的規模において実用的である限り、許容できる近似度で等温反応ゾーンを達成できる装置を提供することである。
本発明のさらなる目的は、価格と空間効率の両方の観点で、既知のプラント装置よりも改善された化学プラントを提供することである。

発明の概要
本発明では、従来技術において認められる問題に、段階式断熱型反応器による解決手法を適用し、反応器の性能を改善する設計をすることによって対処する。その反応器は、反応ゾーンと、該反応ゾーンと動作可能に接触して熱伝達の目的で反応物を受容する、プレート式の熱交換手段とを備え、該熱交換手段は、所定のパターンにしたがって例えばエッチング、化学式または液圧式ミリング(milling)などによって流体チャネルが形成された金属プレートを複数、重ね合わせで形成されており、前記チャネル付きプレートは、重ね合わせ中に位置合わせして流体用の離散型の熱交換経路を画定すると共に、互いに拡散接合されている。適用するプレート式交換器は、エッチング、化学式ミリングまたは水圧切断技術により加工されたパネルであって、流体チャネルの画定と形成の方法がプリント回路基板の製造と類似しているために、通常プリント回路設計と呼ばれる。

理想的には、複数の熱交換パネルが反応ゾーンの内部に埋設され、パネルの接触面積が、反応ゾーンの接触面積と同等となるように設計する。反応ゾーンは、１つまたは２つ以上の触媒層から構成してもよい。複数のそのような触媒層を、各層の間に熱交換パネルを配置して、連続的に配設することが可能であり通常、そのような層を少なくとも３つ設ける。
選択する交換器は、複数のプレートを重ね合わせて拡散接合し、プレートのスタックを形成することによって形成したものであり、前記プレートの前処理によって前記スタック内に流体チャネルが画定されており、各プレートは、所望のチャネルのパターンに従って、例えば化学式エッチング、または水圧ミリング、または例えば水ジェットによる切削によって所望の深さまで表面材料を除去する化学式および／または機械式の処理によって、選択的に構成する。このようなプレートの前処理は、いくぶんプリント回路基板（ＰＣＢ）の製造に類似する方法で実施されるために、このような反応器設計をプリント回路反応器（ＰＣＲ）と呼ぶことができる。同様に、このようにして反応器内に配置するために形成された熱交換器は、プリント回路熱交換器（ＰＣＨＥ）と呼ぶことができる。

この提案の反応器設計は、補助熱交換流体経路と、反応物流経路との無限の組合せを提供し、これによってプロセス制御を大幅に改善することが可能となる。通常通路は非常に小さな内径のものであり、通常はその深さが約３ｍｍ未満である。この設計の特性は、例えば溶接によって簡単に固定のできる小型サブパネルユニット内に、熱交換器を構築するのに向いていることである。また、ＰＣＨＥパネル厚さが反応器のそれぞれの段階で異なる反応器設計を提供し、触媒層の厚さを段階から段階へと変更することが可能である。各段階の触媒の組成は、生産を向上させる観点で、プロセス要件にしたがって同じとしても、または変えてもよい。

本発明は、取入れ口および／または取出し口に、遅延型またはＰＣＨＥ型熱交換器によって区切られた１つまたは複数の反応器区画のある、無触媒プロセスにも応用可能である。反応器の実施態様としては、触媒ベッド（単数または複数）の代わりに反応器区画（単数または複数）を適切に寸法決めすれば、前述の触媒反応器の説明と同様に考えることがえきる。
反応物流体を混合することが要件である場合には、供給取入れ口ＰＣＨＥパネルに、流れ通路を組み入れて、各反応物流体を所望の取入れ口温度まで予熱すると共に、１つまたは複数の流体を、それぞれの通路を結合することによって結合し、これによって反応物流体の一様で均質な混合を達成することができる。

さらに、段階式に反応物を添加することは、各反応区画の前にある、連続するＰＣＨＥパネルを介して反応物を配送することによって簡便に達成できる。
本発明の一利点は、反応物温度プロファイルの細かな制御が達成できること、および温度プロファイルを連続する反応区画間で調整できることであり、これによって変化する反応物と生成物の組成に対して、反応条件を最適化することができる。また正確な温度制御によって、反応物または生成物の遷移的または局所的な過熱を避けることができる。これは、反応物の１つが特に熱に敏感であり、不完全な混合が生じると熱的に劣化する可能性がある場合に、特に重要である。さらに、プラグ流れ反応器に近づけることによって、逆混合を実質的に低減し、不用の反応を避けることができる。したがって反応転化、収量、および製品品質が改善される。

本発明のさらに重要な便益は、攪拌器を使用することなく完全で均一な混合が達成されることである。これによってエネルギが節減され、攪拌器のベアリングとシャフトシールの維持のための費用が不要となる。
また、必要な滞留時間を低減することによって、反応物および生成物の滞留量が大幅に低減される。反応物または生成物が危険物、例えば毒物または可燃物の場合には、プロセスの安全性が実質的に改善される。

好ましくは、反応器内で使用するすべての熱交換器を、全体がプリント回路熱交換器型（ＰＣＨＥ）のパネルとする。そのような配設においては通常、熱伝達の寸法は、触媒粒子寸法よりも小さく、通路中の流体への熱伝達に固有の温度プロファイルは、触媒粒子寸法と比較して影響が大きくないことが保証される。また、熱伝達の寸法は、層厚と比較して相対的に小さく、このために通路規模の温度プロファイルは、通常は最大が約２００ｍｍである個々の触媒層長さのほんのわずかな部分を占めるのみである。このことは、例えば２５ｍｍ外径の交換器チューブを使用する従来技術とは、きわめて対照的であり、このチューブの場合には、本質的に温度プロファイルに下流の伴流を生じさせ、これは必然的に個々の触媒粒子よりも大幅に大きい規模となり、各触媒層の少なくともかなりの部分にわたって延びることになる。

触媒は、例えば球状体、円筒体、中空体、中実粒子、発泡もしくは多孔質固体、被覆基質触媒または裏付き触媒などから選択される種々の形状としてもよい。一般に、最大約１０ｍｍ（主寸法）までの粒子が企図される。
好ましくは、触媒粒子がＰＣＨＥ通路に進入する可能性を、理想的には動作温度で触媒の粒子を拘束することのできる耐久性のあるメッシュのスクリーンを設けることによって制限する。
熱伝達媒体は、ガス、または相変化のない、もしくはプロセス（発熱反応または吸熱反応）に応じて沸騰または凝縮している液体でもよく、反応プロセス中に、触媒反応ゾーンに進入する以前に反応物を熱伝達媒体として使用し、反応物予熱段階を可能にすることも考えられる。

ＰＣＨＥパネルは、触媒ゾーン間の圧力低下を最小化するための厚さ、例えば最大約１００ｍｍにできる。これによって、ＰＣＨＥの熱伝達面積と、触媒層体積を一致させて、費用効果の高い設計が達成でき、このことは従来技術式の被覆通路または充填プレートもしくはチューブ設計では達成が困難である。
ＰＣＨＥパネル設計によれば、例えば回旋（convolutions）および／またはジグザグを有する屈曲経路のように、通路の長さおよび形状を変えて、これによって反応物温度と熱伝達温度をより近くに接近させたり、設計パラメータとより一致したシステム内の温度プロファイルを提供することが可能となる。

本発明は、流体反応物の転化方法を提供することにより、従来技術の欠点にさらに対処する。この本発明による方法は、反応ゾーンを含む反応器を使用し、この反応ゾーンが、１つまたは複数の触媒層と、前記ゾーンと動作可能に接触し、流体の混合を避ける一方で、異なる温度において流体間の熱交換を行うための離散型の流体経路を有するプレート型の熱交換手段とからなる方法であって、転化しようとする適当な流体反応種を、反応器内の反応ゾーンに供給し、所定の反応段階において少なくとも流体反応種の一部を、前記熱交換手段の反応流体通路内に導入すると共に、補充流体を、流体反応種と異なる温度で、前記熱交換手段内にあり第１の流体経路に並設された別の流体経路に導入し、これによって、それぞれの経路が離散型であることを利用して流体反応種間の熱交換を可能とする方法である。また、この方法は任意選択で連続する段階で反復される。

本方法の修正形態によると、後続の触媒層段階において、追加の流体反応種を導入してもよい。すなわち、この方法は、公知の段階式断熱型反応器システムと同じ方法で、一連の段階において操業することができると思われるが、提案する反応器設計によれば、熱管理においてのみだけでなく、化学反応制御においても、プロセスに対する制御を強化することが可能である。

したがって本発明の一態様によれば、吸熱または発熱反応の間に触媒の存在下で、反応物流体の温度プロファイルを制御する装置において、反応器流体取入れ手段と反応器流体取出し手段とを有する反応器と、プリント回路熱交換器（ＰＣＨＥ）によって隔てられて、その中間に設けられている触媒層とを備える装置であって、前記熱交換器が、熱交換流体取入れ手段と、熱交換流体取出し手段と、熱交換流体の通路のための第１のチャネルまたは一式のチャネルと、隣接する触媒層に連通して反応物流が１つの触媒から次の触媒まで通過することを可能にする第２のチャネルまたは一式のチャネルとを備え、前記第２のチャネルまたは一式のチャネルが反応流体と連通していない、装置が提供される。

好ましくは、微細メッシュ製のスクリーンで、触媒層の壁面を裏打ちすると共に、理想的には前記壁面は、その少なくとも一部を、前記熱交換器のプレートによって形成する。このメッシュは、触媒が触媒反応ゾーンの下流にある熱交換器の反応物流体収容チャネル中に移動するのに対しての抵抗となる。
各熱交換スタックは、所望の寸法の個々のスプライスに分割、例えば切断することによって、ある長さまたはブロックの重ね合わせたプレートから形成してもよく、これによって非常にスリムな設計が可能となる。

したがって、ある１つの構成においては、第１のそのようなチャネルまたは一式のチャネルは、第２のチャネルまたは一式のチャネルに直角である。別の代替構成おいては、それぞれのチャネルは平行である。当然ながら、一般には並設されたチャネルのそれぞれが、一方で反応物流体種を、他方では補助流体を包含することによって、所望の熱伝達を達成するように構成される。このようにすることで、反応物流体を補助流体と混合することなく、間接的に温度制御を達成することができる。

このＰＣＨＥパネル設計は、片側または両側にエッチングされた通路を有するプレートを含み、パネルは、エッチング加工していない（ブランク）プレートからなるスタックされたプレートと、適切に並設したエッチング加工したパネルとの組立体を含めることによって、最終パネル内に所望の通路を形成してもよい。これによって、スタックされたプレートは、所望のパターンにしたがって流体チャネルを配設した金属プレートを重ね合わせた積層組立体を形成し、前記チャネル付きプレートが、重ね合わせ時に流体用の離散型の熱交換経路を画定し、組立体は拡散接合法によって一体型熱交換器パネルに形残される。
チャネルのプロファイル、すなわち流路に直角の断面プロファイルは、一般に重要ではないが、曲線形状が従来から使用されており、これらは化学式または液圧式ミリングによって比較的に形成しやすいが、望ましい場合には他の適当なプロファイルを化学式または液圧式プロセスと組み合わせて適用することもできる。

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をスタックして拡散接合し、熱交換パネルを形成すること、またそのようにして形成したパネルを、必要であれば並設し、例えば溶接によって接合することによって、所要の触媒層断面積に合致する、所望の高さと幅を有するパネルを提供できることが理解されるであろう。場合によっては、ブランク（エッチング加工していないプレート）を使用して、パネルを完成させて、隣接するエッチング加工されたプレート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のためであり、寸法的な制限を示すものではない。しかしながら、熱交換ユニットの寸法は、選択される反応器設計に応じて変わること、また現在利用可能な製造装置によって１ステップで製造できるパネルの寸法には、実際的な制約があることが理解されるであろう。比較的大型のパネルを形成する必要がある場合には、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複数のパネルを並設し、溶接などの適切な方法で接合することにより簡単に克服することができる。このようにすることで、様々な形状と寸法のＰＣＨＥパネルを構築することができる。

このようなＰＣＲ反応器の使用において、熱交換流体は反応物の流れと直角の方向に流されることもある。あるいは、流れの方向は、制御しようとする反応プロセスを担当する作業者の選択によって、実質的に平行で、かつ同方向流または対向流のいずれかとしてもよい。
本発明は、第１義的に、不均質触媒システムを使用する反応に使用することを意図するものである。
特定の反応によっては、その反応の最適化は、複数の触媒を設けることによって、特に分離された触媒層に異なる触媒を設けることによって達成することができる。

熱交換流体は、当業者であればわかるように、液体またはガスでよい。このような流体には通常、液体補助媒体用として溶融塩、溶融金属また熱水があり、熱を反応システムに間接的に供給するものとして、高温のガス、蒸気または過熱蒸気がある。逆の場合として、冷却したガスまたは蒸気を使用することができる。化学技術者であれば、広範囲に利用可能な作業流体を容易に思いつくことができ、また流体反応種の転化反応のプロセス要件に、必要な補助流体を適合させる上で、顕熱と潜熱の両方を考慮することについて知識がある。
各熱交換スタックまたは各補助流体媒体チャネルまたは一式のチャネルには、反応器内における反応物流体の温度プロファイルを最適化するために、異なる補助流体を含めてもよい。

本発明の別の態様によれば、特に移動層反応器としての使用に適した、前述の反応器を製作するための追加の手段、すなわち触媒取入れ手段、触媒取出し手段、および新規または再生された触媒を触媒取入れ手段中に供給する手段、および触媒取出し手段から触媒を除去する別の手段が提供される。好ましくは、触媒は、重力作用で触媒取出し口に向かって進むようにする。当業者であれば、移動層反応器を操業する代替手法の知識を有しており、本発明の範囲は、本明細書に記載される特定の方法に制限されるべきものではない。
このような移動相反応器の場合には、層幅は、触媒の直径の倍数、好ましくは少なくとも直径の３倍である。

本発明のさらに別の態様によると、吸熱または発熱反応中に触媒の存在下で反応物流体の温度プロファイルを間接的に制御する方法であって、反応物流体を、プリント回路熱交換器（ＰＣＨＥ）内の第１のチャネルまたは一式のチャネルを通過させる以前に、反応器内の反応物流体取入れ手段から、第１の触媒層中を通過させ、続いてさらなる別の触媒層に通過させるステップと、熱交換流体を、熱交換取入れ手段から、前記プリント回路熱交換器（ＰＣＨＥ）内の第２のチャネルまたは一式のチャネル中を通過させるステップと、熱交換流体と反応物流体との間で、前記プリント回路熱交換器（ＰＣＨＥ）を通過させる間に、熱交換させるステップとを含み、反応の生成物が最終的に触媒層を離れ、反応物流体取出し手段に移送される、方法が提供される。この方法は、プロセスの要求に従って、ＰＣＨＥを備える不特定多数の触媒層に対して反復可能である。

代替的な一実施態様においては、吸熱または発熱反応中に触媒の存在下で反応物流体の温度プロファイルを間接的に制御する方法は、触媒に触媒層を通過させるステップであって、触媒層を離れる触媒を、新規または再生された触媒と交換するステップをさらに含む。
好ましい一態様においては、熱交換流体は、反応物流に実質的に直角の方向に流れる。別の選択肢として、流れの方向は、略平行であり、かつ同方向流または対向流としてもよい。
熱交換流体は、従来技術において知られているように、液体またはガスとしてもよい。このような流体としては、例えば溶融塩、溶融金属、沸騰水、蒸気または過熱蒸気がある。

本発明は、最も広義の態様において、連続する化学反応ゾーンと熱伝達ゾーンとを含み、後者は所定のパターンにしたがってエッチング加工されたマイクロチャネルを設けた熱伝達表面を含む、段階式反応システムであって、最適の間接式熱交換戦略と、取入れチャネルと隣接する補助流体チャネルとの関連を選択することによって、流体反応物を、個別に次の反応ゾーンに対して熱的に準備をする能力とを提供する、段階式反応システムを提供することが理解されるであろう。
このシステムは、異なる揮発性の物質を取り扱うように特別に設計することができる。
以下に、添付の図面を参照して本発明を制限することのない実施態様を説明する。

発明を実施をるための態様
図面を参照すると、図１は、処理しょうとする反応物流体を通過させる反応物流体取入れ口２と反応物流体取出し口（図示せず）を設けた反応器１を示す。
反応器１は、少なくとも１つの触媒層４を備える。装置が移動層反応器として構成される場合には、触媒にチャンバ中を容易に移動させるために、触媒層４は実質的に垂直型とする。

触媒層反応器４に隣接して設けられているのは、プリント回路熱交換器（ＰＣＨＥ）５である。ＰＨＣＥ５は、その内部に形成された少なくとも２セットのチャネルを有し、それは反応物流体の第１の触媒層４から第２の触媒層への通路として設けられた第１のセットのチャネル６と、熱交換流体が流れる第２のセットのチャネル７である。ＰＣＨＥ５の第１番目は、反応物取入れ口２と連通しており、予熱チャネル３を収容している。これらの予熱チャネル３は、熱交換流体が流れ、反応物が第１の触媒層４に入る以前に、反応物を反応に適切な温度に加熱する、特別垂直通路である。この例においては、予熱チャネル３は反応物流を横断して３回通過するが、これは任意形態の図である。
触媒粒子の大きさに応じて適切に寸法決めした、微細メッシュのスクリーンを任意選択で設けて、触媒層に隣接する反応物チャネルの端部を覆い、これによって触媒が前記チャネル内に、特に触媒に対して下流に移動するのを防止し、流れを止める閉塞の危険性を低減する。

チャネルは、個々のプレートを互いに接合することによって形成され、前記プレートは、ミリングやエッチング加工などによって、少なくともその片側にチャネルが形成されている。亀裂のない設計を保証するために、隣接するプレートどうしを接合するのに使用する接合方法では、ミリングまたはエッチング加工されたチャネルとの干渉を避けなくてはならない。したがって、これは従来型の溶接プロセスの使用に対する受容性を制限することになる。しかしながら、拡散接合プロセスでは、プレートが圧力下で配置されと共に、プレート金属の溶融温度近くまで加熱され、これによって境界を横断する粒子成長を促すことによって、そのような亀裂のない設計が可能となる。この方式はまた、プレートをそれぞれのチャネルに接合して、チャネルの機械的特性を増大させると共に、反応物流体と熱交換流体との間のより大きな圧力差を許容する。この熱交換器の設計は、提案されたＰＣＲの設計者たちによって、Ｈｅａｔｒｉｃが最初にその小型プリント回路熱交換器（ＰＣＨＥ）を導入した１９８５年から、実証されている。拡散接合技術の応用は、現在では当該技術において公知である。

このような熱交換器の設計はまた、所与の体積に対してより大きな熱交換速度をもたらし、所与の反応に対する空間の要求を低減する。したがってこれらを特定用途の反応器設計に組み入れることによって、従来は予知できない利点がもたらされる。
反応器１の性能要件に応じて、追加の熱交換器５によって間隔を空けて、追加の触媒層４を備えてもよい。一連の触媒層の最終触媒層４は、反応物流体取出し手段と連通しており、反応の生成物が反応器１から流出するのを可能にしている。

装置を移動層反応器として使用するように適合させた、別の実施態様においては、触媒取出し手段（図示せず）は、各触媒層４の下端に隣接して設けられており、この取出し手段を通過するように触媒が重力による力を受けている。触媒層４を離れる触媒を、再生器に供給して、次いで各触媒層４の上部に隣接して設けられた、触媒取入れ手段（図示せず）を通過させてもよい。代替手法として、触媒が取出し手段から流出したあとに、触媒取入れ手段から新規の触媒材料を通過させてもよい。
したがって、本発明の装置は、一連の断熱反応を容易にし、連続する反応間で反応物流の温度を変化させて、反応温度を許容範囲内に維持すると共に、所望の温度プロファイルに一致させる。

図２は、よく制御されていない発熱反応（無水フタル酸製造）の温度プロファイルであり、チューブ状反応器に典型的な、深刻なホットスポットの発達を示している。高すぎる入口温度は熱暴走を招き、ホットスポットが制限される条件下においては、これが０−キシレン供給の制限につながる。対照的に、触媒層間にＰＣＨＥ段階を含む２４個の触媒層を収納する反応器では、図３に示す温度プロファイルを有する非常に制御し易いプロセスが可能になる。これは、上方傾斜として触媒層における温度上昇を示し（プロセスは左から右に発達する）、急下降傾斜によって熱交換を示している。通常チューブ状反応器に供給される高い０-キシレン濃度においても、熱暴走に対する大幅な安全マージンが、低い入口温度と短い触媒層（約１２５ｍｍ）によって維持されている。しかし、反応物が連続する触媒層を通過するにつれて、平均温度は、制御可能で、かつ予測可能な状況で徐々に上昇しており、これによって熱暴走の危険が大幅に低減された後の段階において、反応速度を増大させることができる。

使用する熱交換器の数は、ホットスポットを回避し、かつ、単位流れ速度あたり、より高い供給負荷でプロセスを進行させるために、当業者に公知の方法によって計算する。
図４は、無水フタル酸の製造に使用するのに適した、プリント回路反応器１１を示し、この反応器は、処理しようとする反応物流体を収容する、反応物流体取入れ口１２と、そこから生成物を回収する流体取出し口１３とを有する。
反応器１１は、反応物流体取入れ口１２と連通する、少なくとも１つの触媒層１４を備える。触媒層反応器１４に隣接して、プリント回路熱交換器（ＰＣＨＥ）１５が設けられている。

本発明による反応器の一部を示す側断面図である。 「ホットスポット」の問題を示す、大きな発熱反応における温度プロファイルを示す図である。 図２と対照的に、本発明に従って設計されたチューブ状反応器を用いて制御した発熱反応における温度プロファイルを示す図である。 プリント回路反応器を示す、側面図（図４（ａ））と端面図（図４（ｂ））である。

Claims (18)

1. 反応ゾーンと、該反応ゾーンと連続的に配設された熱交換の目的で反応物を受容するプレート型の熱交換手段とを含む反応器であって、前記熱交換手段が、所定のパターンにしたがってプレート表面材料の除去により流体チャネルが形成された金属プレートを複数重ね合わせて形成された、プリント回路熱交換器（ＰＣＨＥ）型パネルであり、前記チャネル付きプレートは、重ね合わせ互いに拡散接合されるものであり、位置合わせされて反応物流体用と熱交換流体用の離散型熱交換経路を画定し、一式の反応物チャネルはパネル面に開口し、一式の熱交換流体チャネルはパネル端面に開口し、前記反応器は、反応ゾーンと熱交換パネルとを交互に複数含み、反応ゾーンとＰＣＨＥ型パネルは、互いに接触しており、ＰＣＨＥ型パネルの一式の反応物チャネルのそれぞれにより反応ゾーン同士が連通し、ＰＣＨＥ型パネルは、反応ゾーンの横断面面積に合致する面積となる高さと幅を有する、前記反応器。
   
2. 反応ゾーンが、少なくとも１つの触媒層を含む、請求項１に記載の反応器。
   
3. 触媒が、球状体、円筒体、中空体、中実粒子、発泡固体、多孔質固体、ワイヤメッシュ被覆基質触媒、ガーゼ織被覆基質触媒、およびその他を裏打ちした触媒から選択される、請求項２に記載の反応器。
   
4. 触媒粒子が、ＰＣＨＥ型パネルの通路に進入するのを制限するために、スクリーンが設けられた、請求項２または３に記載の反応器。
   
5. 流体チャネルが、チャネル付きプレートを化学的にエッチングすることによって形成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の反応器。
   
6. 流体チャネルが、チャネル付きプレートを液圧ミリングによって形成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の反応器。
   
7. 流体チャネルが、ツールを使用して形成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の反応器。
   
8. 流体チャネルが、水ジェットを使用して形成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の反応器。
   
9. 少なくとも３つの反応ゾーンが連続して配設された、請求項１〜８のいずれか一項に記載の反応器。
   
10. パネルが、最大１００ｍｍの厚さである、請求項１〜９のいずれか一項に記載の反応器。
    
11. パネルが、熱交換を強化するための回旋および／またはジグザグを含む屈曲経路を含む通路を備えるように設計された、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の反応器。
    
12. 反応ゾーンと、該反応ゾーンと連続的に配設された熱交換手段であるプリント回路熱交換器（ＰＣＨＥ）型パネルとを含み、流体の混合を回避すると同時に、異なる温度において流体間の熱交換のための離散型の流体経路を有する反応器内で、流体反応物を転化する方法であって、転化しようとする適切な流体反応種を反応器内の反応ゾーンに供給し、所定の反応段階において、少なくとも一部の流体反応種を、一式の反応物チャネルがパネル面に開口し、一式の熱交換流体チャネルがパネル端面に開口している前記ＰＣＨＥ型パネル内の反応物チャネルに導入するステップと、前記ＰＣＨＥ型パネル内に反応物チャネルと並設された熱交換流体チャネルに、補助流体を、流体反応種の温度と異なる温度で導入するステップとを含み、それぞれのチャネルの離散型特性によって、流体反応種間の間接的な熱交換を可能とし、前記反応器は、反応ゾーンとＰＣＨＥ型パネルとを交互に複数含み、反応ゾーンとＰＣＨＥ型パネルは、互いに接触しており、ＰＣＨＥ型パネルの一式の反応物チャネルそれぞれにより反応ゾーン同士が連通し、ＰＣＨＥ型パネルは、反応ゾーンの横断面面積に合致する面積となる高さと幅を有する、前記方法。
    
13. 反応ゾーンが異種触媒を包含する、請求項１２に記載の方法。
    
14. 吸熱化学反応または発熱化学反応中に触媒の存在下で、反応物流体の温度プロファイルを制御する装置であって、
    反応物流体取入れ手段と反応物流体取出し手段;
    熱交換手段であるプリント回路熱交換器（ＰＣＨＥ）型パネルによって隔離され、その間に配置された触媒層;および
    熱交換流体取入れ手段と、熱交換流体取出し手段と、熱交換流体の通路用の一式の熱交換流体チャネルと、反応物流体を１つの触媒層から次の触媒層まで通過させることを可能とし、隣接する触媒層と連通する一式の反応物チャネルとを含み、前記一式の熱交換流体チャネルが、反応物流体と連通しておらず、一式の反応物チャネルがパネル面に開口し、一式の熱交換流体チャネルがパネル端面に開口している、ＰＣＨＥ型パネルを含む反応器を含み、前記反応器は、触媒層とＰＣＨＥ型パネルとを交互に複数含み、触媒層とＰＣＨＥ型パネルは、互いに接触しており、ＰＣＨＥ型パネルの一式の反応物チャネルそれぞれにより触媒層同士が連通し、ＰＣＨＥ型パネルは、反応ゾーンの横断面面積に合致する面積となる高さと幅を有する、前記装置。
    
15. 隔離された複数の触媒層内に、異なる触媒が備えられた、請求項１４に記載の装置。
    
16. 熱交換流体が、溶融塩、溶融金属、熱湯もしくはその他の高温液体、高温ガス、蒸気、過熱蒸気、冷却液体および冷却ガス、気化もしくは凝縮流体から選択される、請求項１４または１５に記載の装置。
    
17. 移動層反応器の提供を可能にする追加手段、すなわち触媒取入れ手段と、触媒取出し手段と、新規または再生触媒を触媒取入れ手段中に供給する手段と、触媒取出し手段から触媒を除去するさらに別の手段とを備えた、請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の装置。
    
18. 吸熱化学反応または発熱化学反応中に触媒の存在下で、反応物流体の温度プロファイルを間接的に制御する方法であって、
    反応物流体を反応器内の反応物流体取入れ手段から、第１の触媒層中に通過させるステップ；
    前記反応物流体を、一式の反応物チャネルがパネル面に開口し、一式の熱交換流体チャネルがパネル端面に開口しているプリント回路熱交換器（ＰＣＨＥ）型パネルの一式の反応物チャネルを通過させ、その後さらに別の触媒層を通過させるステップ；
    熱交換取入れ手段から熱交換取出し手段へ、前記ＰＣＨＥ型パネル内の一式の熱交換流体チャネルを介して、熱交換流体を通過させるステップ；および
    熱交換流体と反応物流体とが、前記ＰＣＨＥ型パネルを通過する間に、同流体間で熱交換をさせるステップを含み、反応の生成物を、反応流体取出し手段まで通過させるものであって、前記反応器が、触媒層とＰＣＨＥ型パネルとを交互に複数含み、触媒層とＰＣＨＥ型パネルは、互いに接触しており、ＰＣＨＥ型パネルの反応物チャネルそれぞれにより触媒層同士が連通し、ＰＣＨＥ型パネルは、反応ゾーンの横断面面積に合致する面積となる高さと幅を有する、前記方法。

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