JP7719082B2 - 化学反応方法、化学反応装置および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、原料ガスから生成物を得るための化学反応を、触媒を用いて気相で進行させる化学反応装置および化学反応方法に関する。

特許文献１では、水素と、一酸化炭素あるいは二酸化炭素とを主成分とする原料ガスを触媒の存在下にて反応させてメタノールを合成する方法および当該方法のための装置が開示されている。当該方法では、冷却面で液化させたメタノールを反応系外に抜き出し、平衡転化率を超えてメタノールへの反応を進行させている。

日本国特開２００５－２９８４１３号公報（２００５年１０月２７日公開）

特許文献１に記載のような反応装置を用いた反応方法を含む、触媒を用いた気相で進行させる反応方法において、反応系における圧力、温度、および触媒量と原料供給速度との比（Ｗ／Ｆ）などの条件パラメータを変更することが生成物の反応収率に寄与することは、公知である。

本発明の一態様は、反応装置の内部構造を変更することにより、当該条件パラメータを変更しなくとも、生成物の収率を向上させる化学反応方法および化学反応装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る化学反応方法は、原料ガス中の成分よりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を進行させる化学反応方法であって、前記反応を促進する触媒を含む触媒層と、前記触媒層と空間を隔てて配置され、前記反応で生じた反応ガスの露点以下の温度に維持され、所定の方向に延びる冷却面と、前記触媒層と前記空間との境界に設けられ、前記反応ガスの透過が可能な透過壁とを備え、前記触媒層の前記透過壁と接する面と、前記冷却面との間の距離と、当該距離を有する前記冷却面に対応する前記触媒層の高さとの積を、前記所定の方向における前記冷却面の一端から他端にわたって積算した積算値が、５００ｍｍ^２以上である化学反応装置を使用し、前記触媒層に前記原料ガスを供給することにより化学反応を進行させ、前記冷却面および前記空間内において、前記化学反応で生じた生成物の一部を凝縮させる。

本発明の一態様に係る化学反応装置は、原料ガス中の成分よりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を進行させる化学反応装置であって、前記原料ガスが供給され、前記反応を促進する触媒を含む触媒層と、前記触媒層と空間を隔てて配置され、前記反応ガスの露点以下の温度に維持され、所定の方向に延びる冷却面と、前記触媒層と前記空間との境界に設けられ、前記反応で生じた反応ガスの透過が可能な透過壁と、を備え、前記触媒層の前記透過壁と接する面と、前記冷却面の外表面との間の距離と、当該距離を有する前記外表面に対応する前記触媒層の高さとの積を、前記所定の方向における前記冷却面の一端から他端にわたって積算した積算値は、５００ｍｍ^２以上であり、前記冷却面表面および前記空間内において、生成物の一部を凝縮させる。

本発明の一態様に係る化学反応装置は、原料ガス中の成分よりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を内部で進行させる多重構造の反応管を少なくとも１つ含む反応容器を備え、少なくとも１つの前記反応管のそれぞれは、前記反応で生じた反応ガスの透過が可能な内筒と、前記内筒が内部に設けられた外筒と、前記内筒の内部に設けられ、所定の方向に延びる冷却管と、前記内筒と前記外筒との間に設けられた触媒層とを備え、前記触媒層の前記内筒と接する面と、前記冷却管の外表面との間の距離と、当該距離を有する前記外表面に対応する前記触媒層の高さとの積を、前記所定の方向における前記冷却管の一端から他端にわたって積算した積算値が、５００ｍｍ^２以上であり、前記冷却管の外表面の温度は、前記反応ガスの露点以下の温度に維持されており、前記冷却管と前記内筒との間に形成された空間内で生成物の一部を凝縮させる。

本発明の一態様に係る化学反応装置は、原料ガス中の成分よりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を内部で進行させる多重構造の反応管を少なくとも１つ含む反応容器を備え、少なくとも１つの前記反応管のそれぞれは、前記反応で生じた反応ガスの透過が可能な内筒と、前記内筒が内部に設けられ、所定の方向に延びる外筒と、前記内筒の内部に設けられる触媒層とを備え、前記触媒層の前記内筒と接する面と、前記外筒の内表面との間の距離と、当該距離を有する前記内表面に対応する前記触媒層の高さとの積を、前記所定の方向における前記内表面の一端から他端にわたって積算した積算値が、５００ｍｍ^２以上であり、前記外筒の内表面の温度は、前記反応ガスの露点以下の温度に維持されており、前記外筒と前記内筒との間に形成された空間内で生成物の一部を凝縮させる。

本発明の一態様に係るメタノールの製造方法は、原料ガス中の成分よりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を進行させるメタノールの製造方法であって、前記原料ガスとして酸化炭素および水素を含み、メタノール合成用触媒を含む触媒層と、前記触媒層と空間を隔てて配置され、前記反応で生じた反応ガスの露点以下の温度に維持され、所定の方向に延びる冷却面と、前記触媒層と前記空間との境界に設けられ、前記反応ガスの透過が可能な透過壁とを備え、前記触媒層の前記透過壁と接する面と、前記冷却面との間の距離と、当該距離を有する前記冷却面に対応する前記触媒層の高さとの積を、前記所定の方向における前記冷却面の一端から他端にわたって積算した積算値が、５００ｍｍ^２以上である化学反応装置を使用し、前記触媒層に前記原料ガスを供給することにより化学反応を進行させ、前記冷却面および前記空間内において、前記化学反応で生じた反応ガスの一部を凝縮させる。

本発明の一態様によれば、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を進行させる反応装置の内部構造を変更することにより、生成物の収率を向上させることができる。

実施形態１に係る反応装置の断面図である。 実施形態１に係る反応装置の部分的な概略断面図である。 実施形態２に係る反応装置の断面図である。 実施形態２に係る反応装置が備える反応管の断面図である。 実施形態３に係る反応装置の断面図である。 実施形態３に係る反応装置が備える反応管の断面図である。 比較例および実施例１～５についての、距離Ｌと高さＨとの関係図を示すグラフである。 比較例および実施例１～５の距離Ｌと高さＨとの積の積算値と、メタノール生成率との関係を示すグラフである。

〔実施形態１〕
（反応装置１００の構成）
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。図１は、実施形態１に係る反応装置１００（化学反応装置）を底面に垂直な平面で切断したときの断面図である。反応装置１００は、原料ガス３１の主成分よりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を進行させる化学反応装置である。なお、図面中のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、それぞれの図面における３次元空間における方向を規定している。本明細書中における「高さ」は図面のＺ軸方向における長さに対応している。以下、本明細書において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸はそれぞれ同じ方向を表す。

反応装置１００では、生成物を凝縮させ、反応容器内から回収することで、化学平衡を生成物側にシフトさせ、反応を進めることが可能となる。特に、反応装置１００は、原料ガス３１に酸化炭素および水素を含み、上記生成物にメタノールを含む、下記式（１）～（３）に示す化学反応を行う装置として好適に利用できる。

ＣＯ＋２Ｈ_２⇔ＣＨ_３ＯＨ ・・・（１）
ＣＯ_２＋３Ｈ_２⇔ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ ・・・（２）
ＣＯ_２＋Ｈ_２⇔ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ ・・・（３）
上記式（１）～（３）に示す化学反応によりメタノールを生成する場合、メタノール合成用触媒（下記に詳述する触媒３０）として、銅および亜鉛を含む触媒を使用することができる。当該化学反応において用いられる酸化炭素としては、例えば、二酸化炭素および一酸化炭素が挙げられる。当該化学反応において、二酸化炭素および一酸化炭素の少なくとも１種と、水素とを含むガスを原料ガスとして用いることができる。

上述のメタノール合成反応の他、ジメチルエーテルまたはアンモニアを生成物として生じる反応を行うために反応装置１００を用いることもできる。

反応装置１００は、図１に示すように、反応容器１と、第１熱交換部２２と、第１熱交換部２２に接する触媒層３と、透過壁４０と、透過壁４０と空間４を隔てて配置される第２熱交換部５２とを備えている。透過壁４０は、触媒層３の、第１熱交換部２２が位置する側とは反対側に設けられている。反応容器１は、例えば、耐圧性を有するステンレス製の金属製の容器である。

第１熱交換部２２は、反応容器１の内側壁面と第１熱交換壁２０とによって構成され、触媒層３側に伝熱面２３を有する熱交換器である。第１熱交換部２２の内部には、第１熱媒２１を流通させる第１熱媒領域２が形成されている。第１熱交換部２２には、第１熱媒２１を第１熱媒領域２に供給するための第１熱媒供給口２５、および第１熱媒２１を第１熱媒領域２から排出するための第１熱媒回収口２６が形成されている。第１熱交換壁２０は、流体が通過できない部材からなり、第１熱交換壁２０の伝熱面２３は、第１熱交換面として作用する。図１では、第１熱交換壁２０は、板状の部材として示されているが、その形状は板状に限定されない。第１熱交換壁２０は、その表面が波状などに成形されていてもよい。また、第１熱交換部２２の形状も図１の形状に限定されず、多管式、スパイラル形状など、熱交換の効率を向上させるような多様な形状を採用することができる。

第１熱交換部２２は、第１熱媒２１を第１熱媒領域２に流通させることによって、伝熱面２３を反応ガス３２の露点より高い温度に維持することができる。触媒層３内で起こる反応が発熱反応の場合、第１熱媒２１は、反応によって生じる反応熱を冷却するための熱媒として作用する。触媒層３内で起こる反応が吸熱反応の場合、第１熱媒は、触媒層３の温度を、反応ガス３２の露点以上に維持するために、触媒層３に熱を加えるための熱媒として作用する。

ここで、「反応ガス３２の露点」とは、反応ガス３２が触媒層３内に存在する温度、圧力において、気相での反応が化学平衡に達した状況で反応ガス３２を冷却した際、凝縮が開始する温度を意味する。

反応ガス３２の露点は、気相組成と圧力を与えれば、気液平衡モデルを用いて適切な気液平衡計算を行うことにより、凝縮液組成と同時に求めることができる。圧力が１ＭＰａを超える高圧の場合は、気液平衡モデルとして、例えばＰｅｎｇ－Ｒｏｂｉｎｓｏｎ式、Ｒｅｄｉｃｈ－Ｋｗｏｎｇ－Ｓｏａｖｅ式などの拡張された３次状態方程式を用いることができる。

伝熱面２３の温度は、触媒層３全体が反応ガス３２の露点より高い温度に維持されるような温度であることがより好ましい。伝熱面２３を備えることにより、反応装置１００は、触媒層３の温度を反応に適した温度に維持することができ、反応の効率を向上させることができる。第１熱媒２１としては、生成物がメタノールである場合、例えば、２２０～２６５℃の高圧ボイラ水（例えば、２．２ＭＰａＧ～５．０ＭＰａＧの飽和水）、溶融金属塩（例えば、亜硝酸ナトリウムと硝酸カリウムの混合物）、熱媒油を利用することができる。なお、本明細書において、「Ａ～Ｂ」とは、Ａ以上Ｂ以下であることを示している。

第２熱交換部５２は、反応容器１の内側壁面と第２熱交換壁５０とによって構成される熱交換器である。第２熱交換部５２の内部には、第２熱媒５１を流通させる第２熱媒領域５が形成されている。第２熱交換部５２には、第２熱媒領域５に第２熱媒５１を供給するための第２熱媒供給口５５、および第２熱媒領域５から第２熱媒５１を排出するための第２熱媒回収口５６が形成されている。第２熱交換壁５０は、流体が通過できない部材からなる。第２熱交換部５２は、空間４側に冷却面５３を有している。冷却面５３は、Ｚ軸方向に延びており、反応ガス３２の露点以下の温度を維持することにより、空間４内の反応ガス３２を冷却し、冷却面５３表面および空間４内で生成物を凝縮させる。図１では、第２熱交換壁５０は、板状の部材として示されているが、その形状は板状に限定されない。つまり、冷却面５３が波状などに成形されていてもよい。また、第２熱交換部５２の形状も図１の形状に限定されず、多管式、スパイラル形状など、熱交換の効率を向上させるような多様な形状を採用することができる。

第２熱交換部５２は、第２熱媒５１を第２熱媒領域５に流通させることによって、冷却面５３の温度を反応ガス３２の露点以下に維持することができる。第２熱媒５１としては、生成物がメタノールである場合、例えば、８０～１５０℃の低圧ボイラ水（例えば、－０．０５～０．４ＭＰａＧの飽和水）、－２０℃～１００℃の冷却水（例えば、メタノール水、エチレングリコール水）、工業用水、アンモニア水溶液、ペンタン等の炭化水素化合物、１，１，１，３，３－ペンタフルオロプロパン等のフロン化合物、を利用することができる。

より詳細には、触媒３０により触媒される反応が、反応ガス３２の露点より８０℃以上高い温度で行われる発熱反応の場合、第１熱媒２１の温度は、触媒層３の平均温度より５～３０℃低く、第２熱媒５１の温度は、反応ガス３２の露点より２０℃以上低いことが好ましい。ここで、第１熱媒、第２熱媒の温度とは、それぞれの供給口における温度と回収口における温度との平均を意味する。

なお、第１熱媒供給口２５および第１熱媒回収口２６、並びに第２熱媒供給口５５および第２熱媒回収口５６は、図１において、反応容器１の下部と上部とに形成されている。しかしながら、これらの位置は、用いる熱媒の圧力により、適切な位置に、適切な仕様で設けることができることを理解されたい。また、第１熱媒２１および第２熱媒５１の供給温度および供給圧力は、反応容器１内で実施される反応の温度および反応ガス３２の露点に応じて、適切な値に設定され得る。

触媒層３には、反応に適切な触媒３０が充填されている。触媒層３は、触媒３０を含み、原料ガス３１と触媒３０とが接触し、反応が進行する領域である。触媒３０として、例えば、銅および酸化亜鉛を主成分とする触媒を用いることができる。触媒層３と、反応容器１との間の空間には、充填物３００が充填されていてもよい。また、触媒層３の底部には、触媒３０を支持するために、多孔部材からなる支持板（図示せず）を備えていてもよい。

図２は、実施形態１に係る反応装置１００を底面に垂直な平面で切断したときの断面図を部分的に拡大した図である。図２は、冷却面５３のＺ軸方向において、複数の凸部が形成されている場合の例を示している。触媒層３は、図２に示すように、距離Ｌ_Ｘ（ｘ＝１、２、…）を有する冷却面５３に対応する高さＨ_Ｘ（ｘ＝１、２、…）を有している。距離Ｌ_Ｘは、触媒層３の透過壁４０と接する面と、冷却面５３との間の距離である。具体的には、距離Ｌ_１に対応する高さＨ_１、距離Ｌ_２に対応する高さＨ_２・・・距離Ｌ_ｎに対応する高さＨ_ｎを有する。この場合、触媒層３の高さＨは、各高さＨ_Ｘの総和（Ｈ_１＋Ｈ_２＋・・・＋Ｈ_ｎ）で表すことができる。なお、触媒層３の透過壁４０と接する面および冷却面５３が、Ｚ軸方向において平面である場合、距離Ｌ_Ｘは、冷却面５３の全体に亘って同じ距離である。そのため、この場合の所定の位置における距離は、単に距離Ｌとして表すことができる。

図２に示すように触媒層３が連続していない複数の触媒層の集合として構成されている場合、触媒層３の高さＨは、各高さＨ_Ｘの総和（Ｈ_１＋Ｈ_２＋・・・＋Ｈ_ｎ）で表すことができる。

触媒３０の充填具合により、触媒層３の上端面または下端面が平坦でない場合、または上端面と下端面とが平行でない場合がある。このような場合、本明細書において、触媒層３の高さＨは、透過壁４０との接触面における触媒層３の高さを意味する。触媒層３の、透過壁４０と接する面が平面でない場合も、冷却面５３に上記凸部が形成されている場合と同様に距離Ｌ_Ｘおよび高さＨ_Ｘを規定する。

反応装置１基あたりの処理量の観点から、高さＨ_Ｘの総和は、１，０００ｍｍ以上が好ましい。また、経済的な観点から、高さＨ_Ｘの総和は、２０，０００ｍｍ以下であることが好ましい。

透過壁４０は、触媒層３と空間４との境界に設けられ、反応ガス３２を透過し得る部材である。透過壁４０は、例えば、ステンレス製の金属部材で構成される。透過壁４０は、反応ガス３２が通過可能であり、触媒３０が通過できない部材が利用され、例えば、適切な孔サイズの金属メッシュなどが用いられる。反応ガス３２は、未反応の原料ガスと未凝縮の反応生成物ガスとを含んでいる。

空間４は、透過壁４０と冷却面５３との間に形成された空間である。空間４の下部には、冷却面５３および／または冷却面５３近傍で凝縮し、液化した生成物を貯留することのできる凝縮液貯留部４７が形成されており、凝縮液貯留部４７の底部に設けられた凝縮液回収口４６を通して、凝縮液４１が回収される。

ここで、触媒層３の透過壁４０と接する面と、冷却面５３との間の距離Ｌ_Ｘは、０．５ｍｍ以上５００ｍｍ以下であることが好ましい。当該距離Ｌ_Ｘの範囲は、触媒層３と対向する冷却面５３の部分領域を足し合わせた場合に、当該足し合わせた全領域の鉛直方向の長さの８０％以上の領域において実現されていることが好ましく、９５％以上の領域において実現されていることがより好ましい。距離Ｌ_Ｘは、凝縮した液滴が重力で落下するためのスペースを確保する観点から、０．５ｍｍ以上が望ましい。また、距離Ｌ_Ｘが０．５ｍｍよりも小さい場合、触媒層３内にて生成物の凝縮が生じる可能性がある。一方、距離Ｌ_Ｘが５００ｍｍよりも大きくなると、反応容器１のサイズが増大することによる様々なコストが増大し、経済面で不都合が生じる可能性がある。よって、距離Ｌ_Ｘは、０．５ｍｍ以上５００ｍｍ以下であることが好ましい。

（積算値について）
本実施形態の反応装置１００は、触媒層３の透過壁４０と接する面と、冷却面５３との間の距離Ｌ_Ｘと、距離Ｌ_Ｘを有する冷却面に対応する触媒層３の高さＨ_Ｘとの積を、Ｚ軸方向における冷却面５３の一端から他端にわたって積算した積算値が５００ｍｍ^２以上である。

本発明において、所定の方向における冷却面５３の一端から他端にわたって積算した積算値が５００ｍｍ^２であるとは、少なくとも所定の一ヵ所において、Ｚ軸方向における冷却面５３の一端から他端にわたって積算した積算値が５００ｍｍ^２以上を満たしていればよいことを意味する。Ｘ軸方向の所定の位置によって当該積算値の値が異なる場合は、Ｘ軸方向の５０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは９５％以上、特に好ましくは１００％の領域において、Ｚ軸方向における冷却面５３の一端から他端にわたって積算した積算値が５００ｍｍ^２であり得る。

反応装置１００は、Ｘ軸方向の少なくとも所定の一ヵ所において、Ｚ軸方向における冷却面５３の一端から他端にわたって積算した積算値が５００ｍｍ^２以上を満たす。これにより、Ｘ軸方向の１００％の領域において当該積算値が５００ｍｍ^２未満である反応装置と比較した場合、条件パラメータが同じであっても生成物の反応収率を向上させることができる。当該条件パラメータとは、反応系における圧力、温度、および触媒量と原料供給速度の比（Ｗ／Ｆ）を含む。

生成物を凝縮させ、反応容器内から回収することで、化学平衡を生成物側にシフトさせる上記反応では、触媒層３内で生じる反応の反応速度、生成物が冷却面５３に向かって拡散する拡散速度、冷却面５３における凝縮速度のいずれかが全体の反応速度を支配する。距離Ｌ_Ｘを大きくすることは、化学平衡を生成物側へシフトさせる推進力を低減させると考えられるため、距離Ｌ_Ｘを大きくする変更は一般的にはなされない。しかしながら、本発明者らは、反応装置１００の内部構造を、上記積算値が５００ｍｍ^２以上となる構造とすることにより、逆に生成物の反応収率を向上させることができることを見出した。

一方、上述のように、経済的な観点から、距離Ｌ_Ｘは５００ｍｍ以下であることが好ましく、高さＨ_Ｘの総和は２０，０００ｍｍ以下であることが好ましいため、上記積算値は、１０，０００，０００ｍｍ^２以下であることが好ましい。上記積算値が５００ｍｍ^２以上１０，０００，０００ｍｍ^２以下の構成を有することにより、反応装置１００および反応装置１００を用いた化学反応方法は、生成物の反応収率を向上させることができる。また、経済的な観点からも好ましい反応装置１００および化学反応方法を提供することができる。

（反応の流れ）
原料ガス３１は、触媒層３の上部に設けられた原料ガス入口３５から供給され、触媒層３に充填されている触媒３０と接触することにより反応が進行する。反応により生成した反応ガス３２は、透過壁４０を通過して空間４に進み、冷却面５３で反応ガス３２の露点以下に冷却されることにより、生成物が凝縮される。凝縮し、液化した生成物は、凝縮液貯留部４７に落下し、凝縮液回収口４６を介して、凝縮液４１として回収される。

触媒層３側から透過壁４０を通過する反応ガス３２には、未反応の原料ガスも含まれる。しかしながら、未反応の原料ガスに含まれる主成分は、冷却面５３では凝縮されない。また、空間４の下部に凝縮液貯留部４７が設けられていることにより、未反応の原料ガスは凝縮液回収口４６から凝縮液４１と共に排気されることなく、再び触媒層３に戻る。

ここで、空間４を通って触媒層３の出口に向かう未反応の原料ガスの比率が過大にならないよう、透過壁４０を通過するガス流量を適正範囲に保つことが好ましい。上記ガス流量を適正範囲に保つために、例えば、透過壁４０を形成する多孔部材の開孔率を調整してもよい。または、上記ガス流量を適正範囲に保つために、空間４内にガス流れの抵抗となる部材を挿入してもよい。

触媒層３で反応しなかった原料を含む反応ガス３２は、反応ガス回収口３６から回収される。

（反応熱および凝縮熱の回収）
第１熱媒２１は、例えば、２．２～５．０ＭＰａＧのボイラ水として第１熱媒供給口２５から供給される。発熱反応の場合、触媒層３で生じた反応熱は、第１熱交換壁２０を介して熱交換し、第１熱媒２１に回収される。第１熱媒２１は、第１熱媒回収口２６を通り、高圧スチーム分離ドラム（図示せず）に回収される。その後、気液分離されて得られる高圧蒸気は、例えば、原料を圧縮するための動力源として利用される。

第２熱媒５１は、例えば、０．０５ＭＰａＧのボイラ水として第２熱媒供給口５５から供給される。第２熱媒５１は、空間４内の反応ガス３２の温度を冷却面５３の表面で露点以下まで低下させるために、第２熱交換壁５０を介して熱交換することで、反応ガス３２の熱を第２熱媒５１に回収する。第２熱媒５１は、第２熱媒回収口５６を通り、低圧スチーム分離ドラム（図示せず）に回収される。その後、気液分離されて得られる低圧蒸気は、例えば、生成物の精製工程における熱源などとして利用される。

（実施形態１の効果）
以上のように、実施形態１の反応装置１００は、原料ガス３１中の成分よりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を進行させる化学反応装置である。また、実施形態１の化学反応方法は、反応装置１００を使用した方法である。反応装置１００は、原料ガス３１が供給され、上記反応を促進する触媒３０を含む触媒層３と、触媒層３と空間４を隔てて配置され、反応ガス３２の露点以下の温度に維持され、所定の方向に延びる冷却面５３と、触媒層３と空間４との境界に設けられ、上記反応で生じた反応ガス３２の透過が可能な透過壁４０と、を備える。触媒層３の透過壁４０と接する面と、冷却面５３との間の距離Ｌ_Ｘと、距離Ｌ_Ｘを有する冷却面５３に対応する触媒層の高さＨ_Ｘとの積を、高さ方向における冷却面５３の一端から他端にわたって積算した積算値は、５００ｍｍ^２以上である。反応装置１００は、冷却面５３表面および空間４内において、生成物の一部を凝縮させる。

反応装置１００および反応装置１００を用いた化学反応方法によれば、生成物を凝縮液４１として反応容器１内から回収することにより、気相での反応の進行が化学平衡により制約される反応系において、平衡転化率を超えて反応を進行させることができる。

また、反応装置１００は、Ｘ軸方向の少なくとも所定の一ヵ所において、Ｚ軸方向における冷却面５３の一端から他端にわたって積算した積算値が５００ｍｍ^２以上を満たしている。これにより、反応装置１００および反応装置１００を用いた化学反応方法は、Ｘ軸方向の１００％の領域において上記積算値が５００ｍｍ^２未満である反応装置と同じ条件パラメータを用いた場合であっても、生成物の反応収率を向上させることができる。

反応装置１００および反応装置１００を用いた化学反応方法において、原料ガス３１として酸化炭素および水素を含み、触媒３０としてメタノール合成用触媒を用いる、メタノールの製造方法によれば、メタノールの反応収率を向上させることができる。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について以下に説明する。なお、説明の便宜上、実施形態１にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

図３は、実施形態２に係る反応装置１００Ａを底面に垂直な平面で切断したときの断面図である。図４は、反応装置１００Ａに含まれる反応管１０Ａを、反応管１０Ａの長軸に対して垂直な平面で切断したときの断面図である。反応装置１００Ａの基本的な原理は、反応装置１００の当該原理と同じである。反応装置１００Ａでは円筒形状の反応管を用いている点において、反応装置１００と異なっている。

反応装置１００Ａは、反応装置１００と同様に、原料ガス３１に酸化炭素および水素を含み、生成物にメタノールを含む化学反応を行う装置として好適に利用できる。その他、ジメチルエーテルまたはアンモニアを生成物として生じる反応を行うために反応装置１００Ａを用いることもできる。

原料ガス３１において、以下に例示する不純物は、メタノール生成に過大な影響を及ぼさない程度にまで低減することが好ましい。硫黄化合物および硫黄元素（例えば、硫化水素、硫化カルボニル、二硫化炭素、酸化硫黄、チオフェン、チオシアン酸メチル）、ハロゲン化合物およびハロゲン元素（例えば、塩化水素、塩化炭化水素）、金属カルボニル（例えば、Ｆｅカルボニル、Ｎｉカルボニル）、金属化合物（例えば、バナジウム、アルカリ金属を含む金属化合物）、窒素化合物（例えば、アンモニア、アミン、酸化窒素、ニトリル、シアン化水素）、液体状および固体状物質（例えば、タール、カーボンブラック、煤、灰分、金属微粉）、および不飽和炭化水素。なお、触媒３０としては、反応を促進させる触媒であれば特に限定されないが、ＣｕやＺｎを含む触媒であってもよく、更にＡｌ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、希土類、Ｇａなどを含む触媒であっても良い。

（反応装置１００Ａ）
図３に示されるように、反応装置１００Ａは、反応容器１Ａの内部にＺ軸方向に延びる複数の反応管１０Ａを備えている。反応容器１Ａの内部に設けられる反応管１０Ａの数は、特に限定されず、１つ以上であればよい。反応の効率を考慮すると、反応管１０Ａの数は、複数であることが好ましい。複数の反応管１０Ａの上側には、各反応管１０Ａに供給される原料ガス３１が充満する原料ガス供給部３７Ａが形成されている。複数の反応管１０Ａの下側には、反応管１０Ａの内部で凝縮した液体および、触媒層３Ａを通過したガスを貯留する貯留部４８Ａが形成されている。貯留部４８Ａの下側には、後述する第２熱交換部５２Ａ（冷却管）から排出された第２熱媒５１を貯留する第２熱媒回収部５８Ａが形成されている。さらにその下側には、第２熱交換部５２Ａに供給される第２熱媒５１を貯留する第２熱媒供給部５７Ａが形成されている。上記各部は、金属板、例えば、ステンレス製の板で反応容器１Ａの内部空間を区切ることによって形成されている。

反応管１０Ａは、当該反応管１０Ａの上部に位置する金属板１１Ａおよび反応管１０Ａ下部に位置する金属板１２Ａに対して開口しており、反応管１０Ａの外筒２０Ａと、金属板１１Ａ・１２Ａとは溶接により接合されている。

図２および図４に示されるように、反応管１０Ａは、外側から順に、外筒２０Ａと、外筒２０Ａの内側壁面に接する筒状の触媒層３Ａと、触媒層３Ａの内側に設けられる内筒４０Ａと、第２熱交換部５２Ａ（冷却管）とを備えている。第２熱交換部５２Ａは、内筒４０Ａと空間４Ａ（第１空間）を隔てて配置されている。

第１熱交換部２２Ａは、反応容器１Ａの内側壁面の一部と、外筒２０Ａの外側壁面と、金属板１１Ａ・１２Ａとによって構成され、触媒層３Ａ側に伝熱面２３Ａを有する熱交換器である。第１熱交換部２２Ａの内部には、複数の反応管１０Ａに共通の第１熱媒領域２Ａが形成されている。第１熱媒領域２Ａには、第１熱媒２１（熱媒）が流通される。第１熱媒２１は、外筒２０Ａを反応ガス３２の露点より高い温度に維持するための熱媒である。外筒２０Ａは、流体が通過できない部材からなり、外筒２０Ａの伝熱面２３Ａは、第１熱交換面として作用する。

反応容器１Ａの側壁には、第１熱媒２１を第１熱媒領域２Ａに供給するための第１熱媒供給口２５Ａおよび第１熱媒２１を第１熱媒領域２Ａから排出するための第１熱媒回収口２６Ａが形成されている。第１熱交換部２２Ａは、第１熱媒２１を第１熱媒領域２Ａに流通させることによって、伝熱面２３Ａを反応ガス３２の露点より高い温度に維持することができる。伝熱面２３Ａを備えることにより、反応装置１００Ａは、触媒層３Ａの温度を反応に適した温度に維持することができ、反応の効率を向上させることができる。

第２熱交換部５２Ａは、図３および図４に示すように、第２熱交換壁５０Ａと内管５９Ａとを備えている。第２熱交換壁５０Ａと内管５９Ａとの間には、第２熱媒領域５Ａが形成されている。第２熱媒領域５Ａは、第２熱媒５１が流通する領域である。第２熱交換部５２Ａは、２重管構造を有している。第２熱媒供給部５７Ａ内の第２熱媒５１は、内管５９Ａを通して第２熱交換部５２Ａ内に供給される。一方、内管の外側壁面と第２熱交換壁５０Ａの内側壁面との間の流路は、第２熱媒回収部５８Ａの内部に連通している。第２熱媒供給部５７Ａから出て内管内の上端に達した第２熱媒５１は、上記流路を通過し、第２熱媒回収部５８Ａの上側壁面に形成された流出口５４Ａを通して、第２熱媒回収部５８Ａに排出される。

第２熱交換壁５０Ａは、流体が通過できない部材からなり、第２熱交換壁５０Ａの冷却面５３Ａ（冷却管の外表面）は、第２熱交換面として作用する。第２熱交換部５２Ａは、第２熱媒５１を第２熱媒領域５Ａに流通させることによって、第２熱交換壁５０Ａおよび冷却面５３Ａの温度を反応ガス３２の露点以下に維持することができる。

触媒層３Ａには、反応に適切な触媒３０が充填されている。反応管１０Ａの上端は、触媒層３Ａの上端以外の範囲が金属製のキャップによって覆われており、ガスの流通が不可能なように形成されている。触媒層３Ａの上方には開口部３８Ａが形成されており、開口部３８Ａを通して、原料ガス３１が触媒層３Ａに供給される。触媒層３Ａの上端と、開口部３８Ａは、同一面上になくてもよく、触媒層３Ａの上端と開口部３８Ａとの間に、充填物３００Ａが充填されていてもよい。触媒層３Ａの下方には、開口部３９Ａが形成されている。触媒層３Ａの下端と、開口部３９Ａは、同一面上になくてもよく、触媒層３Ａの下端と開口部３９Ａとの間に、充填物３００Ａが充填されていてもよい。触媒層３Ａの下端には、例えば、金属メッシュからなる支持部材が設けられており、当該支持部材は、触媒３０の落下を防ぐ役割を果たしている。

触媒層３Ａは、Ｚ軸方向に延びており、距離Ｌ_Ａを有する冷却面５３Ａに対応する高さＨ_Ａを有している。距離Ｌ_Ａは、触媒層３Ａの内筒４０Ａと接する面と、冷却面５３Ａとの間の距離である。冷却面５３ＡがＺ軸方向において凹凸のない曲面である場合、触媒層３Ａの上端から下端までの長さは、単に高さＨ_Ａで表すことができる。一方、冷却面５３Ａにおいて、Ｚ軸方向に凹凸がある場合など、距離Ｌ_Ａが一定でない場合、触媒層３Ａは、各距離Ｌ_Ｘにそれぞれ対応する高さＨ_Ｘを有する。具体的には、距離Ｌ_１に対応する高さＨ_１、距離Ｌ_２に対応する高さＨ_２・・・距離Ｌ_ｎに対応する高さＨ_ｎを有する。そしてこの場合、触媒層３の上端から下端までの長さは、各高さＨ_Ｘの総和（Ｈ_１＋Ｈ_２＋・・・＋Ｈ_ｎ）で表すことができる。

距離Ｌ_Ｘは、０．５ｍｍ以上５００ｍｍ以下であることが好ましい。当該距離Ｌ_Ｘの範囲は、触媒層３Ａと対向する冷却面５３Ａの部分領域を足し合わせた場合に、当該足し合わせた全領域の鉛直方向の長さの８０％以上の領域において実現されていることが好ましく、９５％以上の領域において実現されていることがより好ましい。

高さＨ_Ｘの総和は、１，０００ｍｍ以上、２０，０００ｍｍ以下であることが好ましい。当該総和が１，０００ｍｍより小さい場合、反応装置１００Ａ内の触媒充填量を十分に確保するためには、反応管１０Ａの本数を増加させる必要がある。反応管１０Ａの本数の増加は、製造コストの増加などにつながるため、経済的な観点から上記総和は、１，０００ｍｍ以上であることが好ましい。上記総和が２０，０００ｍｍよりも大きい場合、非常に長い反応管１０Ａおよび高さの高い反応装置１００Ａを製造する必要がある。このような反応管１０Ａおよび反応装置１００Ａは、製造コストの増加などにつながるため、経済的な観点から、上記総和は、２０，０００ｍｍ以下であることが好ましい。

内筒４０Ａは、ガスが透過できる多孔部材からなり、触媒層３Ａ内で生じた生成物および未反応原料を含むガスを、第２熱交換部５２Ａ側に透過させることができる。

空間４Ａは、内筒４０Ａと第２熱交換壁５０Ａとの間に形成された空間である。本実施形態では、空間４Ａの鉛直下側に凝縮液流通管（連通管）４２Ａが設けられている。凝縮液流通管４２Ａは、空間４Ａを鉛直下側に延長するように構成され、液体の透過できない部材からなる。より詳細には、凝縮液流通管４２Ａは、空間４Ａと連続する空間（第２空間）６Ａを第２熱交換部５２Ａの表面との間に形成する。

反応管１０Ａの下側には、空間４Ａ内で生じた凝縮液４１および、触媒層３Ａを通過したガスを、空間４Ａの鉛直下側で貯留する貯留部４８Ａが形成されている。凝縮液流通管４２Ａは、貯留部４８Ａの内部に設けられており、凝縮液流通管４２Ａの下端は、貯留部４８Ａの底部（凝縮液貯留部４７Ａと称する）に貯留された凝縮液４１内に浸漬するように位置決めされている。

また、貯留部４８Ａの内部における上側の空間（ガス回収領域４９Ａと称する）には、触媒層３Ａを通過した、未凝縮ガス３２Ａが貯留される。未凝縮ガス３２Ａは、反応ガス３２が凝縮することなく触媒層３Ａを通過し、ガス回収領域４９Ａ（貯留部４８Ａ）を経て凝縮液貯留部（液体貯留部）４７Ａと接触した後に排出されるガスである。貯留部４８Ａは、ガス回収領域４９Ａに貯留された、未凝縮ガス３２Ａを排気する未凝縮ガス回収口３６Ａ（排気部）を備えている。未凝縮ガス回収口３６Ａは、凝縮液流通管４２Ａの下端よりも鉛直上側の位置に設けられている。

空間４Ａ内で凝縮された生成物である凝縮液４１は、凝縮液流通管４２Ａの内部を通り、凝縮液貯留部４７Ａに排出される。凝縮液貯留部４７Ａの凝縮液４１は、貯留部４８Ａの底部付近に設けられた凝縮液回収口４６Ａを通して回収される。ここで、凝縮液回収口４６Ａから反応ガス３２が回収されないように、凝縮液回収口４６Ａからの流体の排出制御が行われる。

（積算値について）
本実施形態の反応装置１００Ａは、距離Ｌ_Ｘと、高さＨ_Ｘとの積を、高さ方向における冷却面５３Ａの一端から他端にわたって積算した積算値が、５００ｍｍ^２以上である。反応装置１００Ａが複数の反応管１０Ａを含む多管型の反応器である場合、各反応管１０Ａについて、上記積算値が５００ｍｍ^２以上である。

本発明において、所定の方向における冷却面５３Ａの一端から他端にわたって積算した積算値が５００ｍｍ^２であるとは、少なくとも所定の一ヵ所において、Ｚ軸方向における冷却面５３Ａの一端から他端にわたって積算した積算値が５００ｍｍ^２以上を満たしていればよいことを意味する。Ｘ軸方向の所定の位置によって当該積算値の値が異なる場合は、Ｘ軸方向の５０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは９５％以上、特に好ましくは１００％の領域において、Ｚ軸方向における冷却面５３Ａの一端から他端にわたって積算した積算値が５００ｍｍ^２であり得る。なお、本実施形態におけるＸ軸方向は、円筒形状を有する冷却面５３Ａの周方向を意味している。

本発明者らは、円筒形状を有する冷却面５３Ａの周方向の少なくとも所定の一ヵ所において、Ｚ軸方向における冷却面５３Ａの一端から他端にわたって積算した積算値が５００ｍｍ^２以上を満たすことにより、円筒形状を有する冷却面５３Ａの周方向１００％の領域において上記積算値が５００ｍｍ^２未満である反応装置と比較した場合、条件パラメータが同じであっても生成物の反応収率を向上させることができることを実験的に見出した。当該条件パラメータとは、反応系における圧力、温度、および触媒量と原料供給速度の比（Ｗ／Ｆ）を含む。

従来の反応装置を上記積算値が５００ｍｍ^２以上となるように内部構造を変更する場合、当該変更は、例えば、外筒２０Ａの直径を変更せずに、内筒４０Ａの直径を大きくすることにより実現することができる。まず、触媒３０の充填量および触媒層３Ａにおける触媒３０の密度（触媒３０の希釈倍率）が同じである場合を考える。この場合、反応管１０Ａにおいて、内筒４０Ａの直径を大きくすると、触媒層３Ａの高さＨ_Ｘの総和も高くなる。これにより、上記積算値が５００ｍｍ^２以上である反応装置１００Ａを実現することができる。この変更は、換言すると、触媒層３Ａと内筒４０Ａとの接触部分の面積を大きくする変更である。

生成物を凝縮させ、反応容器内から回収することで、化学平衡を生成物側にシフトさせる上記反応では、触媒層３内で生じる反応の反応速度、生成物が冷却面５３に向かって拡散する拡散速度、冷却面５３における凝縮速度のいずれかが全体の反応速度を支配する。全体の反応速度が拡散速度律速である場合には、距離Ｌ_Ｘを大きくすることは、化学平衡を生成物側へシフトさせる推進力を低減し、全体の反応速度を低下させると考えられるため、距離Ｌ_Ｘを大きくする変更は一般的にはなされない。しかしながら、本発明者らは、反応装置１００Ａの内部構造を、上記積算値が５００ｍｍ^２以上となる構造とすることにより、逆に生成物の反応収率を向上させることができることを実験的に見出した。

また、上記積算値が５００ｍｍ^２以上となるような内部構造の変更は、高さＨ_Ｘの総和を高くすることによっても実現することができる。例えば、触媒層３Ａ内の触媒３０を希釈することにより、高さＨ_Ｘの総和を高くしてもよい。上記積算値をさらに増加させるために、内筒４０Ａの直径を大きくし、かつ触媒３０を希釈してもよい。

一方、上述のように、経済的な観点から、距離Ｌ_Ｘは５００ｍｍ以下であることが好ましく、高さＨ_Ｘの総和は２０，０００ｍｍ以下であることが好ましい。そのため、上記積算値は、１０，０００，０００ｍｍ^２以下であることが好ましい。

（反応の流れ）
原料ガス３１は、原料ガス入口３５Ａから供給され、開口部３８Ａを通して、反応管１０Ａ内の触媒層３Ａに供給される。触媒層３Ａ内で原料ガス３１と触媒３０とが接触することにより反応が進行する。反応により生成した反応ガス３２は、内筒４０Ａを通過して空間４Ａに進み、冷却面５３Ａで反応ガス３２の露点以下に冷却されることにより、生成物が凝縮される。凝縮し、液化した生成物は、空間４Ａおよび凝縮液流通管４２Ａを通り、凝縮液貯留部４７Ａに落下する。凝縮液貯留部４７Ａに貯留された凝縮液４１は、凝縮液回収口４６Ａを介して、回収される。

触媒層３Ａ側から内筒４０Ａを通過する反応ガス３２には、未反応の原料ガスも含まれる。しかしながら、未反応の原料ガスに含まれる主成分は、冷却面５３Ａでは凝縮されない。また、凝縮液流通管４２Ａの下端は、凝縮液貯留部４７Ａに貯留された凝縮液４１内に浸漬していることにより、凝縮液流通管４２Ａの内部を移動する未反応の原料ガスは、凝縮液４１の液面によってその進行を妨げられ、再び触媒層３Ａに戻る。ガス回収領域４９Ａには、原料ガス３１の注入により所定の圧力がかかっており、凝縮液貯留部４７Ａにおける凝縮液４１の液面にも当該圧力がかかっている。そのため、当該液面により、未反応の原料ガスが触媒層３Ａに戻らずに凝縮液流通管４２Ａの下端から排気されることが妨げられる。ここで、凝縮液貯留部４７Ａの液高さｈ_Ａは以下の関係を満たす範囲に維持されることが望ましい。

ｈ_Ａ＝αΔＰ／ρｇ
１．０＜α＜１０
ｈ_Ａ：貯留部液高さ[ｍ]、
ΔP：触媒層を通過する反応ガスの圧力損失[Pa]
ρ：凝縮液の密度[kg/m³]
ｇ：重力加速度（＝９．８[m/s²]）、
α：係数〔-〕
ｈ_Ａが過小の場合、反応ガスの一部が空間４Ａおよび凝縮液貯留部４７Ａを通って凝縮液回収口４６Ａから凝縮液とともに流出し、触媒３０との接触効率が低下する可能性がある。ｈ_Ａが過大の場合、反応容器の高さが大きくなるとともに、空間４Ａの圧力が触媒層３Ａの圧力より大きくなり、触媒層３Ａから空間４Ａへの生成物の移動を妨げる可能性がある。

触媒層３Ａで反応しなかった原料を含む未凝縮ガス３２Ａは、ガス回収領域４９Ａに回収され、貯留部４８Ａの上部に形成された未凝縮ガス回収口３６Ａから回収される。

（反応熱および凝縮熱の回収）
第１熱媒２１は、第１熱媒供給口２５Ａから第１熱交換部２２Ａに供給される。触媒層３Ａで生じた反応熱は、外筒２０Ａを介して熱交換され、第１熱媒２１に回収される。第１熱媒２１は、第１熱媒回収口２６Ａを通り、高圧スチーム分離ドラム（図示せず）に回収される。その後、気液分離されて得られる高圧蒸気は、例えば、原料を圧縮するための動力源として利用される。

第２熱媒５１は、第２熱媒供給口５５Ａから第２熱媒供給部５７Ａに供給された後、第２熱交換部５２Ａに供給される。第２熱媒５１は、第２熱交換壁５０Ａを介して熱交換することで空間４Ａ内の反応ガス３２の温度を冷却面５３Ａで露点以下まで低下させ、反応ガス３２の熱を回収する。第２熱媒５１は、第２熱媒回収口５６Ａを通り、低圧スチーム分離ドラム（図示せず）に回収される。その後、気液分離されて得られる低圧蒸気は、例えば、生成物の精製工程における熱源などとして利用される。

（実施形態２の効果）
以上のように、反応装置１００Ａは、原料ガス中の成分よりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を内部で進行させる多重構造の反応管１０Ａを少なくとも１つ含む反応容器１Ａを備えている。少なくとも１つの反応管１０Ａのそれぞれは、Ｚ軸方向に延びており、上記反応で生じた反応ガス３２の透過が可能な内筒４０Ａと、内筒４０Ａが内部に設けられた外筒２０Ａと、内筒４０Ａの内部に設けられた第２熱交換部５２Ａ（冷却管）と、内筒４０Ａと外筒２０Ａとの間に設けられた触媒層３Ａとを備える。触媒層３Ａの内筒４０Ａと接する面と、冷却面５３との間の距離Ｌ_Ｘと、距離Ｌ_Ｘを有する冷却面５３に対応する触媒層３Ａの高さＨ_Ｘとの積を、高さ方向における冷却面５３の一端から他端にわたって積算した積算値が、５００ｍｍ^２以上である。冷却面５３の温度は、反応ガス３２の露点以下の温度に維持されており、第２熱交換部５２Ａと内筒４０Ａとの間に形成された空間４Ａ内で生成物の一部を凝縮させる。

上記のように構成した反応装置１００Ａおよび反応装置１００Ａを用いた化学反応方法によれば、生成物を凝縮液４１として反応装置１００Ａ内から回収することにより、平衡転化率を超えて反応を進行させることができる。

また、反応装置１００Ａは、円筒形状を有する冷却面５３Ａの周方向の少なくとも所定の一ヵ所において、Ｚ軸方向における冷却面５３Ａの一端から他端にわたって積算した積算値が５００ｍｍ^２以上を満たしている。これにより、反応装置１００Ａおよび反応装置１００Ａを用いた化学反応方法は、円筒形状を有する冷却面５３Ａの周方向１００％の領域において上記積算値が５００ｍｍ^２未満である反応装置と比較して、生成物の反応収率を向上させることができる。

〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について以下に説明する。実施形態２は、図３から分かるように、凝縮熱を回収するための第２熱媒５１と比較して、反応熱を回収するための第１熱媒２１を大量に利用することができる。つまり、実施形態２の反応装置１００Ａは、反応熱の除去が重要な反応系において、有利な構成である。

一方、以下に詳述する実施形態３の反応装置１００Ｂは、凝縮熱の除去が重要な反応系において有利な構成である。反応装置１００Ｂの基本的な原理は、反応装置１００Ａの当該原理と同じである。

反応装置１００Ｂも反応装置１００と同様に、原料ガス３１に酸化炭素および水素を含み、生成物にメタノールを含む化学反応を行う装置として好適に利用できる。その他、ジメチルエーテルまたはアンモニアを生成物として生じる反応を行うために反応装置１００Ｂを用いることもできる。

図５は、反応装置１００Ｂを底面に垂直な平面で切断したときの断面図である。図６は、反応装置１００Ｂに含まれる反応管１０Ｂを、反応管１０Ｂの長軸に対して垂直な平行な平面で切断したときの断面図である。

（反応装置１００Ｂ）
図５および図６に示されるように、反応装置１００Ｂは、反応容器１Ｂの内部に複数の反応管１０Ｂを備えている。反応容器１Ｂの内部に設けられる反応管１０Ｂの数は、特に限定されず、１つ以上であればよい。反応の効率を考慮すると、反応管１０Ｂの数は、複数であることが好ましい。複数の反応管１０Ｂの上側には、各反応管１０Ｂに供給される原料ガス３１が充満する原料ガス供給部３７Ｂが形成されている。複数の反応管１０Ｂの下側には、反応管１０Ｂの内部で凝縮した液体を貯留するための凝縮液貯留部４７Ｂ（液体貯留部）が形成されている。凝縮液貯留部４７Ｂの下側には、触媒層３Ｂを通過したガスを貯留するガス回収部４８Ｂが形成されている。ガス回収部４８Ｂの下側には、後述する第１熱交換部２２Ｂから排出された第１熱媒２１を貯留する第１熱媒回収部２８Ｂが形成されている。さらにその下側には、第１熱交換部２２Ｂに供給される第１熱媒２１を貯留する第１熱媒供給部２７Ｂが形成されている。上記各部は、金属板、例えば、ステンレス製の板で反応容器１Ｂの内部空間を区切ることによって形成されている。

反応管１０Ｂは、外側から順に、外筒５０Ｂと、外筒５０Ｂの内側壁面と空間４Ｂ（第１空間）を隔てて配置される内筒４０Ｂと、内筒４０Ｂの内側壁面に接する筒状の触媒層３Ｂと、触媒層３Ｂの内部に設けられた第１熱交換部２２Ｂ（熱源）とを備える。触媒層３Ｂは、触媒層３Ａと同様の材質および構造を有している。内筒４０Ｂは、反応ガス３２の透過が可能な筒であり、内筒４０Ａと同様の材質および構造を有している。

第２熱交換部５２Ｂは、反応容器１Ａの内側壁面の一部と、外筒５０Ｂの外側壁面と、金属板１１Ｂ・１２Ｂとによって構成される熱交換器である。第２熱交換部５２Ｂの内部には、複数の反応管１０Ｂに共通の第２熱媒領域５Ｂが形成されている。第２熱媒領域５Ｂには、第２熱媒５１が流通される。外筒５０Ｂは、流体が通過できない部材からなり、外筒５０Ｂの冷却面５３Ｂ（外筒５０Ｂの内表面）は、第２熱交換面として作用する。

反応容器１Ｂの側壁には、第２熱媒５１を第２熱媒領域５Ｂに供給するための第２熱媒供給口５５Ｂおよび第２熱媒５１を第２熱媒領域５Ｂから排出するための第２熱媒回収口５６Ｂが形成されている。第２熱交換部５２Ｂは、第２熱媒５１を第２熱媒領域５Ｂに流通させることによって、外筒５０Ｂおよび冷却面５３Ｂを反応ガス３２の露点以下の温度に維持することができる。

第１熱交換部２２Ｂは、図５および図６に示すように、第１熱交換壁２０Ｂと内管２９Ｂとを備え、触媒層３Ｂ側に伝熱面２３Ｂを有する熱交換器である。第１熱交換壁２０Ｂと内管２９Ｂとの間には、第１熱媒領域２Ｂが形成されている。第１熱媒領域２Ｂは、第１熱媒２１が流通する領域である。

第１熱交換部２２Ｂは、２重管構造を有している。第１熱媒供給部２７Ｂ内の第１熱媒２１は、内管２９Ｂを通して第１熱交換部２２Ｂ内に供給される。一方、内管２９Ｂの外側壁面と第１熱交換壁２０Ｂの内側壁面との間の流路は、第１熱媒回収部２８Ｂの内部に連通している。内管２９Ｂ内を通過した第１熱媒２１は、上記流路を通過し、第１熱媒回収部２８Ｂの上側壁面に形成された流出口２４Ｂを通して、第１熱媒回収部２８Ｂに排出される。

触媒層３Ｂは、Ｚ軸方向に延びており、距離Ｌ_Ｂを有する冷却面５３Ｂに対応する高さＨ_Ｂを有している。距離Ｌ_Ｂは、触媒層３Ｂの内筒４０Ｂと接する面と、冷却面５３Ｂとの間の距離である。距離Ｌ_Ｂ、距離Ｌ_Ｘ、高さＨ_Ｂ、および触媒層３Ｂの上端から下端までの長さ（高さＨ_Ｘの総和）については、実施形態２と同様である。距離Ｌ_Ｘは、０．５ｍｍ以上５００ｍｍ以下であることが好ましい。当該距離Ｌ_Ｘの範囲は、触媒層３Ｂと対向する冷却面５３Ｂの部分領域を足し合わせた場合に、当該足し合わせた全領域の鉛直方向の長さの８０％以上の領域において実現されていることが好ましく、９５％以上の領域において実現されていることがより好ましい。

空間４Ｂは、内筒４０Ｂと外筒５０Ｂとの間に形成された空間である。本実施形態では、空間４Ｂの鉛直下側に凝縮液貯留部４７Ｂが設けられている。また、凝縮液流通管４２Ｂ（延長管）が、凝縮液貯留部４７Ｂの内部に、外筒５０Ｂを鉛直下側に延長するよう設けられている。凝縮液流通管４２Ｂの下端は、凝縮液貯留部４７Ｂに貯留された凝縮液４１内に浸漬するように位置決めされている。凝縮液流通管４２Ｂは、空間４Ｂと連続する空間（第２空間）６Ｂを凝縮液貯留部４７Ｂの内部に形成する。

空間４Ｂ内で凝縮した液体（凝縮液４１）は、凝縮液流通管４２Ｂ内側の空間６Ｂを通り、凝縮液貯留部４７Ｂに貯留される。凝縮液貯留部４７Ｂに貯留された凝縮液４１は、凝縮液回収口４６Ｂを通して回収される。ここで、凝縮液回収口４６Ｂから反応ガス３２が回収されないように、凝縮液回収口４６Ｂからの流体の排出制御が行われる。

触媒層３Ｂの鉛直下側には、触媒層３Ｂを通過したガスが流入するガス回収部４８Ｂ（ガス貯留部）が設けられている。ガス回収部４８Ｂは、未凝縮ガス回収口３６Ｂ（排気部）を備えている。

このように、凝縮液貯留部４７Ｂとガス回収部４８Ｂとは、別々の空間を形成している。凝縮液貯留部４７Ｂは、気体に関しては閉空間を形成しているため、空間４Ｂを下降した原料ガス３１は、行き場を失い、触媒層３Ｂへ逆戻りすることになる。そのため、原料ガス３１が空間４Ｂを通過してそのまま外部に排出される可能性を低減できる。

第１熱交換部２２Ｂは、ガス回収部４８Ｂを貫いており、第１熱交換部２２Ｂの内管２９Ｂの下端は、第１熱媒供給部２７Ｂの内部空間に対して開口している。内管２９Ｂの外側壁面と第１熱交換壁２０Ｂの内側壁面との間の流路は、第１熱媒回収部２８Ｂの内部に連通している。第１熱媒供給部２７Ｂから出て内管２９Ｂ内の上端に達した第１熱媒２１は、上記流路を通過し、第１熱媒回収部２８Ｂの上側壁面に形成された流出口２４Ｂを通して、第１熱媒回収部２８Ｂに排出される。

（積算値について）
本実施形態の反応装置１００Ｂは、距離Ｌ_Ｘ、高さＨ_Ｘとの積を、高さ方向における冷却面５３Ｂの一端から他端にわたって積算した積算値が５００ｍｍ^２以上である。反応装置１００Ｂが複数の反応管１０Ｂを含む多管型の反応器である場合、各反応管１０Ｂについて、上記積算値が５００ｍｍ^２以上である。

本発明において、所定の方向における冷却面５３Ｂの一端から他端にわたって積算した積算値が５００ｍｍ^２であるとは、少なくとも所定の一ヵ所において、Ｚ軸方向における冷却面５３Ｂの一端から他端にわたって積算した積算値が５００ｍｍ^２以上を満たしていればよいことを意味する。Ｘ軸方向の所定の位置によって当該積算値の値が異なる場合は、Ｘ軸方向の５０％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは９５％以上、特に好ましくは１００％の領域において、Ｚ軸方向における冷却面５３Ｂの一端から他端にわたって積算した積算値が５００ｍｍ^２であり得る。なお、本実施形態におけるＸ軸方向は、円筒形状を有する冷却面５３Ｂの周方向を意味している。

従来の反応装置を、上記積算値が５００ｍｍ^２以上となるように内部構造を変更する場合、当該変更は、例えば、内筒４０Ｂの直径を小さくすることにより実現することができる。まず、触媒３０の充填量および触媒層３Ｂにおける触媒３０の密度（触媒３０の希釈倍率）が同じである場合を考える。この場合、反応管１０Ｂにおいて、内筒４０Ｂの直径を小さくすると、触媒層３Ｂの高さＨ_Ｘの総和も高くなる。これにより、上記積算値が５００ｍｍ^２以上である反応装置１００Ｂを実現することができる。この変更は、換言すると、触媒層３Ｂと内筒４０Ｂとの接触部分の面積を大きくする変更である。

また、上記積算値が５００ｍｍ^２以上となるような内部構造の変更は、例えば、触媒層３Ｂ内の触媒３０を希釈することによっても実現することができる。上記積算値をさらに増加させるために、内筒４０Ａの直径を大きくし、かつ触媒３０を希釈してもよい。

一方、上述のように、経済的な観点から、距離Ｌ_Ｘは５００ｍｍ以下であることが好ましく、高さＨ_Ｘの総和は２０，０００ｍｍ以下であることが好ましい。そのため、上記積算値は、１０，０００，０００ｍｍ^２以下であることが好ましい。

（反応の流れ）
原料ガス３１は、原料ガス入口３５Ｂから供給され、開口部３８Ｂを通して、反応管１０Ｂ内の触媒層３Ｂに供給される。触媒層３Ｂ内で原料ガス３１と触媒３０とが接触することにより反応が進行する。反応により生成した反応ガス３２は、内筒４０Ｂを通過して空間４Ｂに進み、外筒５０Ｂの内側壁面（第２熱交換面）で反応ガス３２の露点以下に冷却されることにより、生成物が凝縮される。凝縮し、液化した生成物は、空間４Ｂを通り、凝縮液貯留部４７Ｂに落下する。凝縮液貯留部４７Ｂに貯留された凝縮液４１は、凝縮液回収口４６Ｂを介して、回収される。

触媒層３Ｂ側から外筒５０Ｂに向かって内筒４０Ｂを通過する反応ガス３２には、未反応の原料ガスも含まれる。しかしながら、未反応の原料ガスに含まれる主成分は、外筒５０Ｂでは凝縮されない。また、凝縮液貯留部４７Ｂは、気体に関しては閉空間を形成しているため、空間４Ｂを下降した未反応の原料ガスは、行き場を失い、凝縮液４１の液面によってその進行を妨げられ、再び触媒層３Ｂに戻る。ここで、凝縮液貯留部４７Ｂの液高さｈ_Ｂは以下の関係を満たす範囲に維持されることが望ましい。

ｈ_Ｂ＝αΔＰ／ρｇ
１．０＜α＜１０
ｈ_Ｂ：貯留部液高さ[m]、
ΔP：触媒層を通過する反応ガスの圧力損失[Pa]
ρ：凝縮液の密度[kg/m³]
ｇ：重力加速度（＝９．８[m/s²]）、
α：係数〔-〕
ｈ_Ｂが過小の場合、反応ガス３２の一部が空間４Ｂおよび凝縮液貯留部４７Ｂを通って凝縮液回収口４６Ｂから凝縮液とともに流出し、触媒３０との接触効率が低下する可能性がある。ｈ_Ｂが過大の場合、反応容器の高さが大きくなるとともに、空間４Ｂの圧力が触媒層３Ｂの圧力より大きくなり、触媒層３Ｂから空間４Ｂへの生成物の物質移動を妨げる可能性がある。

触媒層３Ｂ内で反応せずに触媒層３Ｂを降下した原料を含む未凝縮ガス３２Ｂは、ガス回収部４８Ｂに回収され、ガス回収部４８Ｂに形成された未凝縮ガス回収口３６Ｂから回収される。

（反応熱および凝縮熱の回収）
第１熱媒２１は、第１熱媒供給口２５Ｂから第１熱媒供給部２７Ｂに供給された後、第１熱交換部２２Ｂに供給される。触媒層３Ｂで生じた反応熱は、第１熱交換壁２０Ｂを介して熱交換され、第１熱媒２１に回収される。第１熱媒２１は、第１熱媒回収口２６Ｂを通り、高圧スチーム分離ドラム（図示せず）に回収される。その後、気液分離されて得られる高圧蒸気は、例えば、原料を圧縮するための動力源として利用される。

第２熱媒５１は、第２熱媒供給口５５Ｂから第２熱交換部５２Ｂに供給される。第２熱媒５１は、外筒５０Ｂを介して熱交換することで、空間４Ｂ内の反応ガス３２の温度を露点以下まで低下させ、反応ガス３２の熱を回収する。第２熱媒５１は、第２熱媒回収口５６Ｂを通り、低圧スチーム分離ドラム（図示せず）に回収される。その後、気液分離されて得られる低圧蒸気は、例えば、生成物の精製工程における熱源などとして利用される。

（実施形態３の効果）
以上のように、反応装置１００Ｂは、原料ガス３１中の成分よりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を内部で進行させる多重構造の反応管１０Ｂを少なくとも１つ含む反応容器１Ｂを備えている。少なくとも１つの反応管１０Ｂのそれぞれは、Ｚ軸方向に延びており、上記反応で生じた反応ガス３２の透過が可能な内筒４０Ｂと、内筒４０Ｂが内部に設けられた外筒５０Ｂと、内筒４０Ｂの内部に設けられる触媒層３Ｂとを備える。触媒層３Ｂの内筒４０Ｂと接する面と、冷却面５３Ｂとの間の距離Ｌ_Ｘと、距離Ｌ_Ｘを有する冷却面５３Ｂに対応する触媒層３Ｂの高さＨ_Ｘとの積を、Ｚ軸方向における冷却面５３Ｂの一端から他端にわたって積算した積算値は、５００ｍｍ^２以上である。外筒５０Ｂの冷却面５３Ｂの温度は、反応ガス３２の露点以下の温度に維持されており、外筒５０Ｂと内筒４０Ｂとの間に形成された空間４内で生成物の一部を凝縮させる。

上記のように構成した反応装置１００Ｂおよび反応装置１００Ｂを用いた化学反応方法によれば、生成物を凝縮液４１として反応装置１００Ｂ内から回収することにより、平衡転化率を超えて反応を進行させることができる。

また、反応装置１００Ｂは、円筒形状を有する冷却面５３Ｂの周方向における少なくとも所定の一ヵ所において、Ｚ軸方向における冷却面５３Ｂの一端から他端にわたって積算した積算値が５００ｍｍ^２以上を満たしている。これにより、反応装置１００Ｂおよび反応装置１００Ｂを用いた化学反応方法は、円筒形状を有する冷却面５３Ｂの周方向１００％の領域において上記積算値が５００ｍｍ^２未満である反応装置と同じ条件パラメータを用いた場合であっても、生成物の反応収率を向上させることができる。

（比較例および実施例１～５）
（実証試験）
本実証試験では、上記積算値とメタノールの生成率との関係を調べるべく、実施形態２に記載の反応装置１００Ａを用いて、メタノールの合成反応を実施した。円筒形状を有する冷却面の周方向１００％の領域において上記積算値が５００ｍｍ^２未満である内部構成で実施した例を比較例とする。表１は、比較例および実施例１～５の内部構成の条件、ならびに得られた結果を示している。図７は、比較例および実施例１～５についての、距離Ｌ_Ａと高さＨ_Ａとの関係図を示すグラフである。図８は、比較例および実施例１～５の上記積算値と、メタノール生成率との関係を示すグラフである。本実証試験において比較例および実施例１～５間で統一した条件パラメータは、以下のとおりである。

原料流量・・・１１５［Ncc/min］
原料ガス組成：Ｈ_２ ７２％、ＣＯ_２ ２４％、Ｎ_２ ４％
触媒：Alfa Aesarより購入した「Copper based methanol synthesis catalyst」
触媒充填量・・・１２２［g］
触媒量と原料供給速度の比（Ｗ／Ｆ）・・・４１２［g/(mol/h)］
圧力・・・０．８５［MPaG］
反応温度・・・２４０［℃］
冷却水温度・・・－１０［℃］
比較例および各実施例の条件を、以下の表１に示す。
実施例１および３は、比較例に対し、触媒３０を希釈することにより、高さＨを大きくすることで、上記積算値を増加させた例である。実施例２は、実施例１に対し、距離Ｌを大きくすることで、上記積算値を増加させた例である。実施例４および５は、実施例１に対し、距離Ｌを大きくするとともに、触媒３０を希釈することにより高さＨを大きくすることで、上記積算値をさらに増加させた例である。

図８に示すように、円筒形状を有する冷却面の周方向１００％の領域において上記積算値が５００ｍｍ^２未満である比較例と比較して、上記積算値が５００ｍｍ^２以上である実施例はいずれもメタノール生成率が向上していることがわかる。また、図７より、上記積算値の値が高いほど、メタノール生成率が向上していることがわかる。

すなわち、条件パラメータが同一であっても、上記積算値を５００ｍｍ^２以上となるように内部構造を変更することにより、生成物の収率を向上させることができることが実証された。

（その他の実施例）
以下の実施例６および実施例７は、条件パラメータが上記実施例１～５とは異なるが、本発明の範囲内の実施例である。実施例６および実施例７は、上記積算値が、実施例１～５よりも大きい例である。

（実施例６）
実施例６の条件パラメータは、以下の通りである。原料流量：１，０００［Ncc/min］、原料ガス組成：Ｈ_２ ７１％、ＣＯ_２ ２５％、Ｎ_２ ４％、触媒：Alfa Aesarより購入した「Copper based methanol synthesis catalyst」、触媒充填量：１７４６［g］、触媒希釈率：１．０［倍］、触媒量と原料供給速度の比（Ｗ／Ｆ）：６７９［g/(mol/h)］、圧力：０．８５［MPaG］、反応温度：２００［℃］、冷却水温度：－１０［℃］、距離Ｌ：７．８［mm］、高さＨ：１，５００［mm］、積算値：１１，７００［mm²］。実施例６におけるメタノール生成率は８７．３％であった。

（実施例７）
実施例７の条件パラメータは、以下の通りである。原料流量１，０００［Ncc/min］、原料ガス組成：Ｈ_２ ７１％、ＣＯ_２ ２５％、Ｎ_２ ４％、触媒：Alfa Aesarより購入した「Copper based methanol synthesis catalyst」、触媒充填量：２５８０［g］、触媒希釈率：１．０［倍］、触媒量と原料供給速度の比（Ｗ／Ｆ）：１００３［g/(mol/h)］、圧力：０．８５［MPaG］、反応温度：２００［℃］、冷却水温度：－１０［℃］、距離Ｌ：３．８［mm］、高さＨ：１，５００［mm］、積算値：５，７００［mm²］。実施例７におけるメタノール生成率は８８．１％であった。

１、１Ａ、１Ｂ・・・反応容器
３、３Ａ、３Ｂ・・・触媒層
４、４Ａ、４Ｂ・・・空間
１０Ａ、１０Ｂ・・・反応管
２０Ａ・・・外筒
２３、２３Ａ、２３Ｂ・・・伝熱面
３０・・・触媒
３１・・・原料ガス
３２・・・反応ガス
４０・・・透過壁
４０Ａ、４０Ｂ・・・内筒
５０Ｂ・・・外筒
５３、５３Ａ、５３Ｂ 冷却面
１００、１００Ａ、１００Ｂ・・・反応装置
３００、３００Ａ、３００Ｂ・・・充填物

Claims (15)

1. 原料ガス中の成分よりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を進行させる化学反応方法であって、
   前記原料ガスは、酸化炭素および水素を含み、前記生成物は、メタノールを含み、
   化学反応装置であって、
   前記反応を促進する触媒を含む触媒層と、
   前記触媒層と空間を隔てて配置され、前記反応で生じた反応ガスの露点以下の温度に維持され、前記化学反応装置の高さ方向に延びる冷却面と、
   前記触媒層と前記空間との境界に設けられ、前記反応ガスの透過が可能な透過壁とを備え、
   前記触媒層の前記透過壁と接する面と、前記冷却面との間の距離をＬｘ（ｘ＝１，２，・・・，ｎ）、当該距離を有する前記冷却面に対応する前記触媒層の高さをＨｘ（ｘ＝１，２，・・・，ｎ）とすると、
   高さＨｘの総和は、１，０００ｍｍ以上であり、
   距離Ｌｘは、０．５ｍｍ以上であり、
   距離Ｌｘと高さＨｘとの積を、前記冷却面における前記高さ方向に直交する方向に沿った少なくとも１カ所において、前記高さ方向における前記冷却面の一端から他端にわたって積算した積算値が、５００ｍｍ^２以上である化学反応装置を使用し、
   前記触媒層に前記原料ガスを供給することにより化学反応を進行させ、
   前記冷却面および前記空間内において、前記化学反応で生じた生成物の一部を凝縮させる、化学反応方法。
2. 前記積算値は、１０，０００，０００ｍｍ^２以下である、請求項１に記載の化学反応方法。
3. 原料ガス中の成分よりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を進行させる化学反応装置であって、
   前記原料ガスは、酸化炭素および水素を含み、前記生成物は、メタノールを含み、
   前記原料ガスが供給され、前記反応を促進する触媒を含む触媒層と、
   前記触媒層と空間を隔てて配置され、反応ガスの露点以下の温度に維持され、前記化学反応装置の高さ方向に延びる冷却面と、
   前記触媒層と前記空間との境界に設けられ、前記反応で生じた前記反応ガスの透過が可能な透過壁と、を備え、
   前記触媒層の前記透過壁と接する面と、前記冷却面の外表面との間の距離をＬｘ（ｘ＝１，２，・・・，ｎ）、当該距離を有する前記外表面に対応する前記触媒層の高さをＨｘ（ｘ＝１，２，・・・，ｎ）とすると、
   高さＨｘの総和は、１，０００ｍｍ以上であり、
   距離Ｌｘは、０．５ｍｍ以上であり、
   距離Ｌｘと高さＨｘとの積を、前記冷却面における前記高さ方向に直交する方向の少なくとも１カ所において、前記高さ方向における前記冷却面の一端から他端にわたって積算した積算値は、５００ｍｍ^２以上であり、
   前記冷却面表面および前記空間内において、生成物の一部を凝縮させる、化学反応装置。
4. 前記積算値は、１０，０００，０００ｍｍ^２以下である、請求項３に記載の化学反応装置。
5. 前記透過壁とは前記触媒を挟んで反対側に、前記冷却面よりも高い温度に維持される伝熱面を備える、請求項３または４に記載の化学反応装置。
6. 前記距離Ｌｘは、５００ｍｍ以下であり、前記触媒層の高さＨｘの総和は、２０，０００ｍｍ以下である、請求項３から５のいずれか１項に記載の化学反応装置。
7. 原料ガス中の成分よりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を内部で進行させる多重構造の反応管を少なくとも１つ含む反応容器を備え、
   前記原料ガスは、酸化炭素および水素を含み、前記生成物は、メタノールを含み、
   少なくとも１つの前記反応管のそれぞれは、
   前記反応で生じた反応ガスの透過が可能な内筒と、
   前記内筒が内部に設けられた外筒と、
   前記内筒の内部に設けられ、前記反応管の高さ方向に延びる冷却管と、
   前記内筒と前記外筒との間に設けられた触媒層とを備え、
   前記触媒層の前記内筒と接する面と、前記冷却管の外表面との間の距離をＬｘ（ｘ＝１，２，・・・，ｎ）、当該距離を有する前記外表面に対応する前記触媒層の高さをＨｘ（ｘ＝１，２，・・・，ｎ）とすると、
   高さＨｘの総和は、１，０００ｍｍ以上であり、
   距離Ｌｘは、０．５ｍｍ以上であり、
   距離Ｌｘと高さＨｘとの積を、前記冷却管の外表面の周方向の少なくとも１カ所において、前記高さ方向における前記冷却管の一端から他端にわたって積算した積算値が、５００ｍｍ^２以上であり、
   前記冷却管の外表面の温度は、前記反応ガスの露点以下の温度に維持されており、
   前記冷却管と前記内筒との間に形成された空間内で生成物の一部を凝縮させる、化学反応装置。
8. 前記積算値は、１０，０００，０００ｍｍ^２以下である、請求項７に記載の化学反応装置。
9. 前記反応容器内壁と、前記反応管外壁とで規定される空間に熱媒を備える、請求項７または８に記載の化学反応装置。
10. 前記距離Ｌｘは、５００ｍｍ以下であり、前記触媒層の高さＨｘは、２０，０００ｍｍ以下である、請求項７から９のいずれか１項に記載の化学反応装置。
11. 原料ガス中の成分よりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を内部で進行させる多重構造の反応管を少なくとも１つ含む反応容器を備え、
    前記原料ガスは、酸化炭素および水素を含み、前記生成物は、メタノールを含み、
    少なくとも１つの前記反応管のそれぞれは、
    前記反応で生じた反応ガスの透過が可能な内筒と、
    前記内筒が内部に設けられ、前記反応管の高さ方向に延びる外筒と、
    前記内筒の内部に設けられる触媒層とを備え、
    前記触媒層の前記内筒と接する面と、前記外筒の内表面との間の距離をＬｘ（ｘ＝１，２，・・・，ｎ）、当該距離を有する前記内表面に対応する前記触媒層の高さをＨｘ（ｘ＝１，２，・・・，ｎ）とすると、
    高さＨｘの総和は、１，０００ｍｍ以上であり、
    距離Ｌｘは、０．５ｍｍ以上であり、
    距離Ｌｘと高さＨｘとの積を、前記外筒の周方向の少なくとも１カ所において、前記高さ方向における前記内表面の一端から他端にわたって積算した積算値が、５００ｍｍ^２以上であり、
    前記外筒の内表面の温度は、前記反応ガスの露点以下の温度に維持されており、
    前記外筒と前記内筒との間に形成された空間内で生成物の一部を凝縮させる、化学反応装置。
12. 前記積算値は、１０，０００，０００ｍｍ^２以下である、請求項１１に記載の化学反応装置。
13. 前記触媒層の内部に、熱源をさらに備える、請求項１１または１２に記載の化学反応装置。
14. 前記距離Ｌｘは、５００ｍｍ以下であり、前記触媒層の高さＨｘは、２０，０００ｍｍ以下である、請求項１１から１３のいずれか１項に記載の化学反応装置。
15. 原料ガス中の成分よりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を進行させるメタノールの製造方法であって、
    前記原料ガスとして酸化炭素および水素を含み、
    化学反応装置であって、
    メタノール合成用触媒を含む触媒層と、
    前記触媒層と空間を隔てて配置され、前記反応で生じた反応ガスの露点以下の温度に維持され、前記化学反応装置の高さ方向に延びる冷却面と、
    前記触媒層と前記空間との境界に設けられ、前記反応ガスの透過が可能な透過壁とを備え、
    前記触媒層の前記透過壁と接する面と、前記冷却面との間の距離をＬｘ（ｘ＝１，２，・・・，ｎ）、当該距離を有する前記冷却面に対応する前記触媒層の高さをＨｘ（ｘ＝１，２，・・・，ｎ）とすると、
    高さＨｘの総和は、１，０００ｍｍ以上であり、
    距離Ｌｘは、０．５ｍｍ以上であり、
    距離Ｌｘと高さＨｘとの積を、前記冷却面における前記高さ方向に直交する方向に沿った少なくとも１カ所において、前記高さ方向における前記冷却面の一端から他端にわたって積算した積算値が、５００ｍｍ^２以上である化学反応装置を使用し、
    前記触媒層に前記原料ガスを供給することにより化学反応を進行させ、
    前記冷却面および前記空間内において、前記化学反応で生じた反応ガスの一部を凝縮させる、メタノールの製造方法。