TWI592209B - 反應器及其溫度的控制方法 - Google Patents

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Description

反應器及其溫度的控制方法
本發明是有關於一種反應器及其溫度的控制方法，且特別是有關於一種適用於放熱反應的反應器及其溫度的控制方法。
觸媒應用於放熱反應時常會產生熱點效應（hot spot effect），亦即放熱反應所放出的熱量使觸媒出現熱點誘導過氧化或引起觸媒燒結，進而使觸媒失效。此外，上述熱點效應在某些放熱反應中會提高有害的副產物的產率。具體而言，熱點效應經常發生在反應器中反應物濃度高的區域，特別是在反應器的入口處。
目前抑制熱點效應的方法包括降低靠近反應器的入口的觸媒濃度或觸媒活性，以及採用高導熱性材料製造反應器或縮小反應器的尺寸。然而，對於降低靠近反應器的入口的觸媒濃度或觸媒活性的方法而言，在具有複雜幾何形狀的反應流道的反應器中，局部的散熱性彼此不同。舉例而言，在具有螺旋狀反應流道的反應器中，反應器的中心處易產生局部高溫。因此，將上述方法應用到此類型的反應器時，只能抑制入口處的熱點效應而不能解決反應器中其他區域產生局部高溫的問題。此外，對於採用高導熱性材料製造反應器或縮小反應器的尺寸的方法而言，反應器的應用領域則受到材料種類以及尺寸所限制。
本發明提供一種反應器，其可延長觸媒的使用壽命。
本發明提供一種反應器溫度的控制方法，其可抑制反應器中產生局部高溫的現象。
本發明提出一種反應器，適用於放熱反應。反應器包括反應流道、前段觸媒擔體、中段觸媒擔體、後段觸媒擔體、前段觸媒、中段觸媒與後段觸媒。反應流道具有入口與出口，且反應流道自入口至出口依序包括前段反應區、多個中段反應區與後段反應區。前段觸媒擔體、中段觸媒擔體與後段觸媒擔體分別位於前段反應區、多個中段反應區與後段反應區中。前段觸媒、中段觸媒與後段觸媒分別位於前段觸媒擔體、中段觸媒擔體與後段觸媒擔體上。在前段反應區中前段觸媒濃度小於在後段反應區中後段觸媒濃度，且在各個中段反應區中中段觸媒濃度是藉由對反應參數進行電腦模擬而決定。反應參數包括反應流道的尺寸及幾何形狀。
在本發明的一實施例中，上述的放熱反應包括甲醇部份氧化（partial oxidation）反應、二氧化硫氧化反應或乙烯部分氧化反應。
在本發明的一實施例中，上述的反應流道的幾何形狀包括螺旋形、蛇腹形、微反應室陣列型或平行直管陣列型。
在本發明的一實施例中，上述的前段反應區、多個中段反應區與後段反應區可彼此分離設置。
在本發明的一實施例中，上述的前段觸媒、中段觸媒與後段觸媒的材料包括銅錳鋅合金、五氧化二釩或銀。
在本發明的一實施例中，上述的前段觸媒擔體、中段觸媒擔體與後段觸媒擔體的材料包括金屬泡棉、陶瓷泡棉或陶瓷顆粒。
在本發明的一實施例中，上述的前段觸媒擔體的比表面積可小於或等於後段觸媒擔體的比表面積。
在本發明的一實施例中，上述的反應參數更可包括放熱反應的反應熱、反應物的濃度與流速、中段觸媒擔體的熱導率與比表面積、中段觸媒的熱導率以及反應流道的熱導率中的至少一者。
在本發明的一實施例中，上述的後段觸媒濃度可大於中段觸媒濃度，且中段觸媒濃度可大於前段觸媒濃度。
在本發明的一實施例中，上述的自最鄰近入口的中段觸媒濃度至最鄰近出口的中段觸媒濃度的變化方式包括單調遞增（monotonically increasing）、單調遞減（monotonically decreasing）或其組合。
在本發明的一實施例中，上述的多個中段反應區中的中段觸媒濃度均相同。
在本發明的一實施例中，上述的前段觸媒濃度與後段觸媒濃度，可藉由對反應參數進行電腦模擬而決定。
在本發明的一實施例中，上述的反應參數更可包括前段觸媒擔體與後段觸媒擔體的熱導率與比表面積、前段觸媒與後段觸媒的熱導率以及反應流道的熱導率中的至少一者。
本發明提出一種反應器溫度的控制方法，其中反應器包括具有入口與出口的反應流道。反應器溫度的控制方法適用於放熱反應，且包括下列步驟。自入口至出口將反應流道依序劃分為前段反應區、多個中段反應區及後段反應區。將前段觸媒擔體、中段觸媒擔體與後段觸媒擔體分別設置於前段反應區、多個中段反應區與後段反應區中。進行電腦模擬步驟，根據反應參數計算出在各個中段反應區中的中段觸媒濃度，且反應參數包括反應流道的尺寸及幾何形狀。將前段觸媒與後段觸媒分別形成於前段觸媒擔體與後段觸媒擔體上，其中在前段反應區中的前段觸媒濃度小於在後段反應區中的後段觸媒濃度。依照電腦模擬步驟所計算出的中段觸媒濃度，將中段觸媒形成於中段觸媒擔體上。
在本發明的一實施例中，上述的將前段觸媒、中段觸媒及後段觸媒分別形成於前段觸媒擔體、中段觸媒擔體及後段觸媒擔體上的方法包括含浸法、共沉澱法、沉澱法、溶膠凝膠法、多元醇法、化學氣相沉積法或其組合。
在本發明的一實施例中，上述的反應參數更可包括放熱反應的反應熱、反應物的濃度與流速、中段觸媒擔體的熱導率與比表面積、中段觸媒的熱導率以及反應流道的熱導率中的至少一者。
在本發明的一實施例中，上述的後段觸媒濃度可大於中段觸媒濃度，且中段觸媒濃度可大於前段觸媒濃度。
在本發明的一實施例中，上述的自最鄰近入口的中段觸媒濃度至最鄰近出口的中段觸媒濃度變化包括單調遞增、單調遞減或其組合。
在本發明的一實施例中，上述的多個中段反應區中的中段觸媒濃度均相同。
在本發明的一實施例中，上述的進行電腦模擬的步驟更可包括根據反應參數計算出前段觸媒濃度以及後段觸媒濃度。在將前段觸媒與後段觸媒分別形成於前段觸媒擔體與後段觸媒擔體上的步驟中，前段觸媒濃度與後段觸媒濃度可根據電腦模擬步驟所計算的結果而決定。
在本發明的一實施例中，上述的反應參數更可包括前段觸媒擔體與後段觸媒擔體的熱導率與比表面積、前段觸媒與後段觸媒的熱導率以及反應流道的熱導率中的至少一者。
基於上述，在本發明所提出的反應器及其溫度的控制方法中，由於前段觸媒濃度小於後段觸媒濃度，故可有效地抑制在前段反應區中產生局部高溫的現象。此外，藉由根據反應參數進行電腦模擬的結果，以最佳化各個中段反應區中的中段觸媒濃度，可避免中段觸媒濃度過高而造成在中段反應區中產生局部高溫。因此，本發明所提出的反應器及其溫度的控制方法可避免因局部高溫而產生觸媒燒結，以延長觸媒的使用壽命，且在某些放熱反應中可降低有害的副產物的產率。另外，藉由電腦模擬計算出中段觸媒濃度，可避免中段觸媒濃度過低而造成放熱反應的產率下降。再者，由於本發明所提出的反應器及其溫度的控制方法可適用於以各種材料製造的反應器以及各種尺寸的反應器，故其應用的領域可不受材料的種類以及反應器的尺寸所限制。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1是依照本發明的一實施例的反應器的立體示意圖。圖2A是沿圖1中的Ⅰ-Ⅰ’剖面線的剖面示意圖。圖2B是沿圖1中的Ⅱ-Ⅱ’剖面線的剖面示意圖。圖2C是沿圖1中的Ⅲ-Ⅲ’剖面線的剖面示意圖。圖2D是沿圖1中的Ⅵ-Ⅵ’剖面線的剖面示意圖。圖2E是沿圖1中的Ⅴ-Ⅴ’剖面線的剖面示意圖。圖2F是沿圖1中的Ⅵ-Ⅵ’剖面線的剖面示意圖。
請參照圖1及圖2A至圖2F，本實施例提供一種反應器100。反應器100適用於放熱反應。放熱反應包括甲醇部份氧化（partial oxidation）反應、二氧化硫氧化反應或乙烯部分氧化反應。在本實施例中，放熱反應是以甲醇部份氧化反應為例來進行說明，其中甲醇部份氧化反應的產物（如，氫氣）作為燃料電池的原料。反應器100包括反應流道106、前段觸媒擔體114、前段觸媒116、中段觸媒擔體118a~118d、中段觸媒120a~120d、後段觸媒擔體122與後段觸媒124。
反應流道106具有入口102與出口104。反應流道106自入口102至出口104依序包括前段反應區108、多個中段反應區110a~110d及後段反應區112。反應流道106的幾何形狀包括螺旋形、蛇腹形、微反應室陣列型或平行直管陣列型。
在本實施例中，反應流道106是以4個中段反應區(110a~110d)為例進行說明，然而本發明並不以中段反應區的數量為限，所屬技術領域中具有通常知識者可依據例如是反應器的設計需求調整中段反應區的數量。前段反應區108、中段反應區110a~110d及後段反應區112可彼此分離設置或彼此相連。在本實施例中，前段反應區108、中段反應區110a~110d及後段反應區112是以分離設置的態樣來進行說明，但本發明並不以此為限。此外，所屬領域中具有通常知識者亦可依據例如是反應流道106的設計需求調整前段反應區108、中段反應區110a~110d及後段反應區112的長度。
前段觸媒擔體114、中段觸媒擔體118a~118d與後段觸媒擔體122分別位於前段反應區108、中段反應區110a~110d與後段反應區112中。前段觸媒擔體114、中段觸媒擔體118a~118d與後段觸媒擔體122的材料包括金屬泡棉、陶瓷泡棉或陶瓷顆粒。在本實施例中，前段觸媒擔體114、中段觸媒擔體118a~118d與後段觸媒擔體122是以相同材料為例來進行說明，但本發明並不以此為限。然而，在其他實施例中，前段觸媒擔體114、中段觸媒擔體118a~118d與後段觸媒擔體122亦可為不同材料。
前段觸媒116、中段觸媒120a~120d與後段觸媒124分別位於前段觸媒擔體114、中段觸媒擔體118a~118d與後段觸媒擔體122上。前段觸媒116、中段觸媒120a~120d與後段觸媒124的材料包括銅錳鋅合金、五氧化二釩或銀。在本實施例中，前段觸媒116、中段觸媒120a~120d與後段觸媒124是以相同材料為例來進行說明，但本發明並不以此為限。在其他實施例中，前段觸媒116、中段觸媒120a~120d與後段觸媒124亦可為不同材料。
在前段反應區108中的前段觸媒116的濃度小於在後段反應區112中的後段觸媒124的濃度。在全文中，所提及的觸媒濃度（如，前段觸媒116的濃度、中段觸媒120a~120d的濃度與後段觸媒124的濃度）代表每單位體積中觸媒位於活性位置（active site）的莫耳數，其會受到每單位體積的觸媒含量及觸媒擔體的比表面積所影響。具體而言，前段反應區108在反應流道106中鄰近於入口102，故在前段反應區108中的反應物（在本實施例中為甲醇與氧氣）濃度大於後段反應區112中的反應物濃度。因此，當在前段反應區108中的前段觸媒116的濃度大於或等於在後段反應區112中的後段觸媒124的濃度時，因在前段反應區108中放熱反應較為劇烈，將使得在前段反應區108中容易發生局部高溫而造成觸媒燒結的問題。此外，在某些放熱反應中上述局部高溫更會使有害的副產物產率提高。舉例而言，在甲醇部分氧化反應中溫度超過200℃時會使副產物一氧化碳的產率提高。在一氧化碳隨著甲醇部分氧化反應的產物作為燃料電池的原料之情況下，將會造成燃料電池毒化的問題。在本發明中，由於在前段反應區108中的前段觸媒116的濃度小於在後段反應區112中的後段觸媒124的濃度，故可抑制在前段反應區108中產生局部高溫而造成觸媒燒結的現象，進而延長前段觸媒116的使用壽命。此外，更可改善在某些放熱反應中有害的副產物產率提高的問題。
前段觸媒擔體114的比表面積可小於或等於後段觸媒擔體122的比表面積。所屬技術領域中具有通常知識者可知，觸媒擔體的比表面積越大，代表每單位質量的觸媒擔體可被觸媒披覆的表面積越大，亦即有越多含量的觸媒可批覆在每單位質量的觸媒擔體上。因此，當前段觸媒擔體114的比表面積小於或等於後段觸媒擔體122的比表面積時，有助於避免在前段反應區108中放熱反應過於劇烈而造成局部高溫，進而可抑制觸媒燒結以及在某些放熱反應中有害的副產物產率提高的現象。在本實施例中，是以前段觸媒擔體114、中段觸媒擔體118a~118d與後段觸媒擔體122的比表面積相同為例進行說明，但本發明並不以此為限。在另一實施例中，前段觸媒擔體114的比表面積亦可小於後段觸媒擔體122的比表面積。此外，在其他實施例中，前段觸媒擔體114的比表面積、中段觸媒擔體118a~118d的比表面積與後段觸媒擔體122的比表面積亦可依序遞增。
在本實施例中，前段觸媒擔體114、中段觸媒擔體118a~118d與後段觸媒擔體122的材料為金屬泡棉或陶瓷泡棉，故可藉由調整金屬泡棉或陶瓷泡棉的孔隙率以與孔徑以調整觸媒擔體的比表面積。一般而言，增加上述孔隙率與降低孔徑，可增加觸媒擔體的比表面積。在其他實施例中，前段觸媒擔體114、中段觸媒擔體118a~118d與後段觸媒擔體122的材料亦可為陶瓷顆粒，此時可藉由調整陶瓷顆粒的粒徑與數量來調整觸媒擔體的比表面積。具體而言，降低粒徑與增加數量，可增加觸媒擔體的比表面積。
在中段反應區110a~110d中的中段觸媒120a~120d的濃度是藉由對反應參數進行電腦模擬而決定，其中反應參數包括反應流道106的尺寸及幾何形狀。
除了在前段反應區108中容易發生局部高溫的問題之外，反應流道106的尺寸及幾何形狀也有可能會使中段反應區110a~110d中產生局部高溫。
舉例而言，在本實施例中的反應流道106的幾何形狀為螺旋形，在中段反應區110a~110d容易產生局部高溫而造成觸媒燒結，以及造成在某些放熱反應中有害的副產物產率提高的問題。雖然在中段反應區110a~110d中設置較低濃度的中段觸媒120a~120d，有助於抑制在中段反應區110a~110d中產生局部高溫的現象，然而當中段觸媒120a~120d的濃度過低時，放熱反應所產生的熱能不足以維持適當的反應溫度，進而使放熱反應的產率下降。舉例而言，在甲醇部分氧化反應中，當反應溫度小於160°C時會使反應產率明顯下降。因此，藉由對反應流道106的尺寸及幾何形狀等反應參數進行電腦模擬，可分別計算出在中段反應區110a~110d中的中段觸媒120a~120d的最佳化濃度，以改善在中段反應區110a~110d中產生觸媒燒結的問題，進而延長中段觸媒120a~120d的使用壽命，且可避免在某些放熱反應中有害的副產物產率提高。此外，更可避免因中段觸媒120a~120d的濃度過低而造成放熱反應的產率下降。
上述反應參數更可選擇性地包括放熱反應的反應熱、反應物的濃度與流速、中段觸媒擔體118a~118d的熱導率與比表面積、中段觸媒120a~120d的熱導率以及反應流道106的熱導率中的至少一者，而可更準確地藉由電腦模擬計算出中段觸媒擔體118a~118d的最佳化濃度。
此外，在後段反應區112中的後段觸媒124的濃度可大於在中段反應區110a~110d中的中段觸媒120a~120d的濃度，且在中段反應區110a~110d中的中段觸媒120a~120d的濃度可大於在前段反應區108中前段觸媒116的濃度。亦即，中段觸媒120a~120d的濃度可介於前段觸媒116的濃度與後段觸媒124的濃度之間。
依據電腦模擬計算的結果，在中段反應區110a~110d中的中段觸媒120a~120d的濃度依據電腦模擬計算的結果可為彼此相同或不同的值。在一實施例中，自最鄰近入口102的中段觸媒120a的濃度至最鄰近出口104的中段觸媒120d的濃度的變化可為單調遞增、單調遞減或其組合。在另一實施例中，多個中段反應區110a~110d中的中段觸媒120a~120d的濃度亦可均為相同。
此外，在前段反應區108中的前段觸媒116的濃度與在後段反應區112中的後段觸媒124的濃度，亦可藉由對反應參數進行電腦模擬而決定。此時，上述反應參數更可選擇性地包括前段觸媒擔體114與後段觸媒擔體122的熱導率與比表面積、前段觸媒116與後段觸媒124的熱導率以及反應流道106的熱導率中的至少一者。類似於上述以電腦模擬決定在中段反應區110a~110d中的中段觸媒120a~120d的濃度，藉由進行電腦模擬決定在前段反應區108中的前段觸媒116的濃度與在後段反應區112中的後段觸媒124的濃度，可進一步防止在前段反應區108中產生局部高溫，以延長前段觸媒116的使用壽命，且可改善在某些放熱反應中有害的副產物產率提高的問題。此外，更可避免因前段觸媒116及後段觸媒124的濃度過低而造成放熱反應的產率下降。
基於上述實施例可知，在反應器100中，由於在前段反應區108中的前段觸媒116的濃度小於在後段反應區112中的後段觸媒124的濃度，故可有效地抑制在前段反應區108中產生局部高溫的現象。此外，藉由根據反應流道106的尺寸及幾何形狀進行電腦模擬，以最佳化各個中段反應區110a~110d中的中段觸媒濃度120a~120d，可避免中段觸媒濃度120a~120d過高而造成在中段反應區110a~110d中產生局部高溫。因此，反應器100可具有較長的觸媒使用壽命，且可改善在某些放熱反應中有害的副產物的產率提高的問題。另外，藉由電腦模擬計算出中段觸媒濃度120a~120d，可避免中段觸媒濃度過低而造成放熱反應的產率下降。再者，由於本發明所提出的反應器可以各種材料製造，且可適用於各種尺寸，故本發明所能應用的領域可不受材料的種類以及反應器的尺寸所限制。
圖3是依照本發明的一實施例的反應器溫度的控制方法的流程圖。在此實施例中，是以上述實施例的反應器100來對反應器溫度的控制方法進行說明，但本發明並不以此為限。
請同時參照圖1、圖2A至圖2F及圖3，進行步驟S100，自入口102至出口104將反應流道106依序劃分為前段反應區108、多個中段反應區110a~110d及後段反應區112。
進行步驟S102，將前段觸媒擔體114、中段觸媒擔體118a~118d與後段觸媒擔體122分別設置於前段反應區108、多個中段反應區110a~110d與後段反應區112中。
進行步驟S104，進行電腦模擬步驟。具體而言，根據反應參數計算出在中段反應區110a~110d中的中段觸媒120a~120d的濃度。上述反應參數包括反應流道106的尺寸與幾何形狀，且更可選擇性地包括放熱反應的反應熱、反應物的濃度與流速、中段觸媒擔體118a~118d的熱導率與比表面積、中段觸媒120a~120d的熱導率以及反應流道106的熱導率中的至少一者。
因此，藉由步驟S104可分別計算出在中段反應區110a~110d中的中段觸媒120a~120d的濃度，以避免在中段反應區110a~110d中產生局部高溫，進而延長中段觸媒120a~120d的使用壽命，以及改善在某些放熱反應中有害的副產物產率提高的問題。此外，更可避免因中段觸媒120a~120d的濃度過低而造成產率下降。
進行步驟S106，將前段觸媒116與後段觸媒124分別形成於前段觸媒擔體114與後段觸媒擔體122上。在前段反應區108中的前段觸媒116的濃度小於在後段反應區112中的後段觸媒124的濃度，故可抑制因在前段反應區108中產生局部高溫的現象，進而可延長前段觸媒116的使用壽命，以及改善在某些放熱反應中有害的副產物產率提高的問題。將前段觸媒116及後段觸媒124分別形成於前段觸媒擔體114及後段觸媒擔體116上的方法包括含浸法、共沉澱法、沉澱法、溶膠凝膠法、多元醇法、化學氣相沉積法或其組合。
進行步驟S108，依照電腦模擬所計算出的在中段反應區110a~110d中的中段觸媒120a~120d的濃度，將中段觸媒120a~120d形成於中段觸媒擔體118a~118d上。將中段觸媒120a~120d形成於中段觸媒擔體118a~118d上的方法包括含浸法、共沉澱法、沉澱法、溶膠凝膠法、多元醇法、化學氣相沉積法或其組合。
在後段反應區112中後段觸媒124的濃度可大於在中段反應區110a~110d中的中段觸媒120a~120d的含量，且在中段反應區110a~110d中中段觸媒120a~120d的濃度可大於在前段反應區108中前段觸媒116的濃度。詳而言之，在中段反應區110a~110d中的中段觸媒120a~120d的濃度依據步驟S104所決定而為彼此相同或不同的值，但上述中段觸媒120a~120d的濃度可介於在前段反應區108中前段觸媒116的濃度與在後段反應區112中後段觸媒124的濃度之間。
在一實施例中，依據電腦模擬計算的結果，自最鄰近入口102的中段觸媒120a的濃度至最鄰近出口104的中段觸媒120d的濃度的變化可為單調遞增、單調遞減或其組合。在另一實施例中，多個中段反應區110a~110d中的中段觸媒120a~120d的濃度亦可均為相同。
在另一實施例中，步驟S104更可選擇性地包括根據反應參數計算出在前段反應區108中前段觸媒116的濃度，以及在後段反應區112中後段觸媒124的濃度。此時，上述反應參數更可選擇性地包括前段觸媒擔體114與後段觸媒擔體122的熱導率與比表面積、前段觸媒116與後段觸媒124的熱導率以及反應流道106的熱導率中的至少一者。藉此，在步驟S106中，在前段反應區108中的前段觸媒116的濃度與在後段反應區112中的後段觸媒124的濃度可根據步驟S104的電腦模擬計算結果來決定。
此外，各個反應區中的觸媒濃度可藉由調整觸媒擔體的孔徑或粒徑來進行控制。此外，在採用含浸法來形成觸媒時，可藉由調整含浸溶液的濃度來控制各個反應區中的觸媒濃度。當然，更可同時藉由調整觸媒擔體的孔徑或粒徑以及調整含浸溶液的濃度來控制各個反應區中的觸媒濃度。
基於上述可知，藉由上述實施例的反應器溫度的控制方法來設定前段觸媒116、中段觸媒120a~120d與後段觸媒124的觸媒濃度，可有效地抑制在前段反應區108與中段反應區110a~110d中產生局部高溫的現象，進而可延長觸媒使用壽命，以及改善在某些放熱反應中有害的副產物產率提高的問題。另外，藉由電腦模擬計算出中段觸媒濃度120a~120d，可避免中段觸媒濃度過低而造成放熱反應的產率下降。再者，由於本發明所提出的反應器溫度的控制方法可適用於各種材料所製造的反應器，且可適用於各種尺寸的反應器，故本發明所能應用的領域可不受材料的種類以及反應器的尺寸所限制。
以下列舉實驗例來驗證本發明的功效，但本發明並不侷限於以下實驗例的內容。
＜實驗例＞
請同時參照圖1、圖2A至圖2F以及圖3。在本實驗例中，以反應器100進行甲醇部分氧化反應，其反應熱為-186 KJ/mol且反應溫度較佳為在180℃至200℃的範圍，最佳為約190℃。反應溫度若小於160℃，此時反應進行緩慢且所產生的反應熱不足自我維持（self-sustain）反應的進行。反之，反應溫度若大於200℃，此時副產物一氧化碳的產率提高。在一氧化碳隨著甲醇部分氧化反應的產物作為燃料電池的原料之情況下，將會造成燃料電池毒化的問題。
反應流道106為螺旋形反應流道，其截面積為2 mm × 2 mm、側牆厚度為1 mm、反應觸媒區總長為3.5 cm以及熱導率為401 W/（m．K）。作為反應物的甲醇以及氧氣的濃度分別為12.2 mol/m 3與6.1 mol/m 3，且甲醇與氧氣混合氣體的進料的速率為12 SCCM。前段觸媒擔體114、中段觸媒擔體118a~118d及後段觸媒擔體122的材料皆為銅泡綿（copper foam）且其孔隙率為0.9。由於上述銅泡棉的本體（不含孔隙）的熱導率為337 W/（m．K），故上述銅泡棉的整體（包含孔隙）的熱導率為33.7 W/（m．K）（337 W/（m．K）× （1-0.9（孔隙率）＝33.7 W/（m．K））。此外，前段觸媒擔體114、中段觸媒擔體118a~118d及後段觸媒擔體122的比表面積相同。前段觸媒116、中段觸媒120a~120d及後段觸媒124的材料為銅錳鋅合金，其在溫度超過約360℃時易發生觸媒燒結而造成觸媒失效。
在本實驗例中，依照步驟S100至步驟S108來控制反應器100的溫度，其中藉由含浸法將前段觸媒116、中段觸媒120a~120d及後段觸媒124分別形成於前段觸媒擔體114、中段觸媒擔體118a~118d及後段觸媒擔體122上。前段觸媒116、中段觸媒120a~120d及後段觸媒124的濃度是依照步驟S104進行的電腦模擬所決定，其結果詳如下表1所示。
表1 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0004"><TBODY><tr><td> 觸媒 </td><td> 觸媒濃度 （每單位體積中觸媒位於活性位置的莫耳數） </td></tr><tr><td> 前段觸媒116 </td><td> 1.3 </td></tr><tr><td> 中段觸媒120a </td><td> 1.6 </td></tr><tr><td> 中段觸媒120b </td><td> 1.5 </td></tr><tr><td> 中段觸媒120c </td><td> 2.1 </td></tr><tr><td> 中段觸媒120d </td><td> 2.6 </td></tr><tr><td> 後段觸媒124 </td><td> 3.5 </td></tr></TBODY></TABLE>
＜比較例1＞
比較例1與實驗例的差別僅在於：比較例1中未根據步驟S104進行電腦模擬，而將前段觸媒116、中段觸媒120a~120d及後段觸媒124的濃度固定為3.5 mol/m 3。
＜比較例2＞
比較例2與實驗例的差別僅在於：比較例2中未根據步驟S104進行電腦模擬，而將前段觸媒116、中段觸媒120a~120d及後段觸媒124的濃度設定為自1.3 mol/m 3至3.5 mol/m 3單調遞增的數列，詳如下表2所示。
表2 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0005"><TBODY><tr><td> 觸媒 </td><td> 觸媒濃度 （每單位體積中觸媒位於活性位置的莫耳數） </td></tr><tr><td> 前段觸媒116 </td><td> 1.3 </td></tr><tr><td> 中段觸媒120a </td><td> 1.74 </td></tr><tr><td> 中段觸媒120b </td><td> 2.18 </td></tr><tr><td> 中段觸媒120c </td><td> 2.62 </td></tr><tr><td> 中段觸媒120d </td><td> 3.06 </td></tr><tr><td> 後段觸媒124 </td><td> 3.5 </td></tr></TBODY></TABLE>
＜實驗例、比較例1與比較例2的結果與討論＞
實驗例、比較例1與比較例2中反應器100的最高溫以及最高溫與最低溫差如下表3所示。
表3 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0006"><TBODY><tr><td>   </td><td> 最高溫（℃） </td><td> 最低溫（℃） </td><td> 最高溫與最低溫差（℃） </td></tr><tr><td> 實驗例 </td><td> 192 </td><td> 188 </td><td> 4 </td></tr><tr><td> 比較例1 </td><td> 382 </td><td> 173 </td><td> 209 </td></tr><tr><td> 比較例2 </td><td> 217 </td><td> 180 </td><td> 37 </td></tr></TBODY></TABLE>
由上表3可知，比較例1的最高溫（382℃）大於引發觸媒燒結的溫度（360℃），故在比較例1中易發生觸媒燒結的問題，而縮短觸媒的使用壽命，並且在此高溫下將會提高副產物一氧化碳的產率。此外，實驗例的最高溫以及最高溫與最低溫差的數值均低於比較例1與比較例2，且比較例2的最高溫以及最高溫與最低溫差的數值均低於比較例1。由此可知，雖然將前段觸媒116、中段觸媒120a~120d及後段觸媒124的濃度自入口102至出口104設定為單調遞增的數列已可抑制局部高溫的現象，但其高溫抑制效果仍低於實驗例。此外，在實驗例中，藉由電腦模擬來最佳化中段觸媒120a~120d的濃度，因此具有更佳的高溫抑制效果。
此外，由上表3可知，實驗例中反應器100的溫度範圍在192℃至188℃的區間內，其整體溫度最為接近甲醇部分氧化反應的最佳反應溫度（190℃）。
綜上所述，上述實施例的反應器及其溫度的控制方法可有效地抑制在反應區中產生局部高溫而造成觸媒燒結的現象，進而可延長觸媒使用壽命，以及在某些放熱反應中改善有害的副產物產率提高的問題。另外，藉由電腦模擬計算出中段觸媒濃度，可避免中段觸媒濃度過低而造成放熱反應的產率下降。再者，由於本發明所提出的反應器及其溫度的控制方法可適用於以各種材料製造的反應器以及各種尺寸的反應器，故其應用的領域可不受材料的種類以及反應器的尺寸所限制。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧反應器
102‧‧‧入口
104‧‧‧出口
106‧‧‧反應流道
108‧‧‧前段反應區
110a~110d‧‧‧中段反應區
112‧‧‧後段反應區
114‧‧‧前段觸媒擔體
116‧‧‧前段觸媒
118a~118d‧‧‧中段觸媒擔體
120a~120d‧‧‧中段觸媒
122‧‧‧後段觸媒擔體
124‧‧‧後段觸媒
S100、S102、S104、S106、S108‧‧‧步驟
圖1是依照本發明的一實施例的反應器的立體示意圖。 圖2A是沿圖1中的Ⅰ-Ⅰ’剖面線的剖面示意圖。 圖2B是沿圖1中的Ⅱ-Ⅱ’剖面線的剖面示意圖。 圖2C是沿圖1中的Ⅲ-Ⅲ’剖面線的剖面示意圖。 圖2D是沿圖1中的Ⅵ-Ⅵ’剖面線的剖面示意圖。 圖2E是沿圖1中的Ⅴ-Ⅴ’剖面線的剖面示意圖。 圖2F是沿圖1中的Ⅵ-Ⅵ’剖面線的剖面示意圖。 圖3是依照本發明的一實施例的反應器溫度的控制方法的流程圖。
100‧‧‧反應器
102‧‧‧入口
104‧‧‧出口
106‧‧‧反應流道
108‧‧‧前段反應區
110a~110d‧‧‧中段反應區
112‧‧‧後段反應區

Claims (21)

  1. 一種反應器，適用於放熱反應，且包括： 反應流道，具有入口與出口，所述反應流道自所述入口至所述出口依序包括前段反應區、多個中段反應區與後段反應區； 前段觸媒擔體、中段觸媒擔體與後段觸媒擔體，分別位於所述前段反應區、所述多個中段反應區與所述後段反應區中；以及 前段觸媒、中段觸媒與後段觸媒，分別位於所述前段觸媒擔體、所述中段觸媒擔體與所述後段觸媒擔體上，其中 在所述前段反應區中的前段觸媒濃度小於在所述後段反應區中的後段觸媒濃度，且在各個中段反應區中的中段觸媒濃度是藉由對反應參數進行電腦模擬而決定，所述反應參數包括所述反應流道的尺寸及幾何形狀。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的反應器，其中所述放熱反應包括甲醇部份氧化反應、二氧化硫氧化反應或乙烯部分氧化反應。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的反應器，其中所述反應流道的幾何形狀包括螺旋形、蛇腹形、微反應室陣列型或平行直管陣列型。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的反應器，其中所述前段反應區、所述多個中段反應區與所述後段反應區彼此分離設置。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的反應器，其中所述前段觸媒、所述中段觸媒與所述後段觸媒的材料包括銅錳鋅合金、五氧化二釩或銀。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的反應器，其中所述前段觸媒擔體、所述中段觸媒擔體與所述後段觸媒擔體的材料包括金屬泡棉、陶瓷泡棉或陶瓷顆粒。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的反應器，其中所述前段觸媒擔體的比表面積小於或等於所述後段觸媒擔體的比表面積。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的反應器，其中所述反應參數更包括所述放熱反應的反應熱、反應物的濃度與流速、所述中段觸媒擔體的熱導率與比表面積、所述中段觸媒的熱導率以及所述反應流道的熱導率中的至少一者。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的反應器，其中所述後段觸媒濃度大於所述中段觸媒濃度，且所述中段觸媒濃度大於所述前段觸媒濃度。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的反應器，其中自最鄰近所述入口的所述中段觸媒濃度至最鄰近所述出口的所述中段觸媒濃度的變化方式包括單調遞增、單調遞減或其組合。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的反應器，其中所述多個中段反應區中的所述中段觸媒濃度均相同。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的反應器，其中所述前段觸媒濃度與所述後段觸媒濃度是藉由對所述反應參數進行電腦模擬而決定。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的反應器，其中所述反應參數更包括所述前段觸媒擔體與所述後段觸媒擔體的熱導率與比表面積、所述前段觸媒與所述後段觸媒的熱導率以及所述反應流道的熱導率中的至少一者。
  14. 一種反應器溫度的控制方法，所述反應器包括具有入口與出口的反應流道，所述反應器溫度的控制方法適用於放熱反應，且包括： 自所述入口至所述出口將所述反應流道依序劃分為前段反應區、多個中段反應區及後段反應區； 將前段觸媒擔體、中段觸媒擔體與後段觸媒擔體分別設置於所述前段反應區、所述多個中段反應區與所述後段反應區中； 進行電腦模擬步驟，根據反應參數計算出在各個中段反應區中的中段觸媒濃度，且所述反應參數包括所述反應流道的尺寸及幾何形狀； 將前段觸媒與後段觸媒分別形成於所述前段觸媒擔體與所述後段觸媒擔體上，其中在所述前段反應區中的前段觸媒濃度小於在所述後段反應區中的後段觸媒濃度；以及 依照所述電腦模擬步驟所計算出的所述中段觸媒濃度，將所述中段觸媒形成於所述中段觸媒擔體上。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的反應器溫度的控制方法，其中將所述前段觸媒、所述中段觸媒及所述後段觸媒分別形成於所述前段觸媒擔體、所述中段觸媒擔體及所述後段觸媒擔體上的方法包括含浸法、共沉澱法、沉澱法、溶膠凝膠法、多元醇法、化學氣相沉積法或其組合。
  16. 如申請專利範圍第14項所述的反應器溫度的控制方法，其中所述反應參數更包括所述放熱反應的反應熱、反應物的濃度與流速、所述中段觸媒擔體的熱導率與比表面積、所述中段觸媒的熱導率以及所述反應流道的熱導率中的至少一者。
  17. 如申請專利範圍第14項所述的反應器溫度的控制方法，其中所述後段觸媒濃度大於所述中段觸媒濃度，且所述中段觸媒濃度大於所述前段觸媒濃度。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的反應器溫度的控制方法，其中自最鄰近所述入口的所述中段觸媒濃度至最鄰近所述出口的所述中段觸媒濃度的變化方式包括單調遞增、單調遞減或其組合。
  19. 如申請專利範圍第17項所述的反應器溫度的控制方法，其中所述多個中段反應區中的所述中段觸媒濃度均相同。
  20. 如申請專利範圍第14項所述的反應器溫度的控制方法，其中所述電腦模擬步驟更包括根據所述反應參數計算出所述前段觸媒濃度以及所述後段觸媒濃度，以及 在將所述前段觸媒與所述後段觸媒分別形成於所述前段觸媒擔體與所述後段觸媒擔體上的步驟中，所述前段觸媒濃度與所述後段觸媒濃度是根據所述電腦模擬步驟所計算的結果而決定。
  21. 如申請專利範圍第20項所述的反應器溫度的控制方法，其中所述反應參數更包括所述前段觸媒擔體與所述後段觸媒擔體的熱導率與比表面積、所述前段觸媒與所述後段觸媒的熱導率以及所述反應流道的熱導率中的至少一者。
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US3856927A (en) * 1972-07-12 1974-12-24 P Silveston Acceleration of oxidation processes over vanadia catalysts
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US6960684B2 (en) 2002-03-29 2005-11-01 Nippon Shokubai Co., Ltd. Production process for unsaturated aldehyde
US7012103B2 (en) * 2003-03-24 2006-03-14 Conocophillips Company Commercial fischer-tropsch reactor
DE102005009473A1 (de) 2005-03-02 2006-09-07 Süd-Chemie AG Mehrlagen-Katalysator zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid
US7981397B2 (en) 2007-07-26 2011-07-19 Bang-Cheng Xu Partial oxidation of hydrocarbons
DE102008044946B4 (de) * 2008-08-29 2022-06-15 Evonik Superabsorber Gmbh Einsatz von Schaumkörpern in Oxidations-Reaktoren zur Herstellung ungesättigter Carbonsäuren

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