(57)【要約】      （修正有）【課題】資本コストの削減、洗浄時及び触媒交換時の到達度の向上、反応器内への炭素質固体蓄積及び酸化モリブデン蓄積の減少、圧力低下の減少、脱コークに必要な休止時間の減少、固体堆積に起因する活性損失の減少、アクロレイン自動酸化の減少、副生成物酢酸形成の減少、部分的触媒再充填の減少を達成し、反応段間に追加の酸化剤を提供可能なアップフロー単一シェルオープン段間反応器の提供。【解決手段】ａ）複数の反応チューブを含む第１シェルアンドチューブ反応段１１０と、ｂ）段間熱交換器１３０と、ｃ）オープン段間領域１５０と、ｄ）複数の反応チューブを含む第２シェルアンドチューブ反応段１６０であって、第２反応段の反応チューブは第２触媒を含み、段間熱交換器が、第１反応段とオープン段間領域との間に配置され、反応器が、アップフロー操作用として構成される、アップフロー単一シェルオープン段間反応器。【選択図】図１ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）複数の反応チューブを含む第１シェルアンドチューブ反応段であって、前記第１反応段の反応チューブは第１触媒を含む、第１シェルアンドチューブ反応段と、
ｂ）段間熱交換器と、
ｃ）オープン段間領域と、
ｄ）複数の反応チューブを含む第２シェルアンドチューブ反応段であって、前記第２反応段の反応チューブは第２触媒を含む、第２シェルアンドチューブ反応段
を含み、
前記段間熱交換器が、前記第１反応段と前記オープン段間領域との間に配置され、かつ
前記反応器が、アップフロー操作用として構成される、
アップフロー単一シェルオープン段間反応器。
【請求項２】
前記段間熱交換器が、シェルアンドチューブ熱交換器であり、かつ複数の段間熱交換器チューブを含む、請求項１に記載の反応器。
【請求項３】
前記段間熱交換器チューブが前記第１反応段の反応チューブと同軸状に連続する、請求項２に記載の反応器。
【請求項４】
前記段間熱交換器チューブが触媒保持装置を含む、請求項２に記載の反応器。
【請求項５】
前記触媒保持装置が前記段間熱交換器チューブ内に乱流を誘発可能である、請求項４に記載の反応器。
【請求項６】
前記段間熱交換器チューブが高空隙率乱流誘発インサートを含む、請求項２に記載の反応器。
【請求項７】
前記インサートが少なくとも８５％の空隙率を有する、請求項６に記載の反応器。
【請求項８】
前記第１反応段が第１シェル側クーラントをさらに含み、かつ前記第２反応段が第２シェル側クーラントをさらに含む、請求項１に記載の反応器。
【請求項９】
前記第１シェル側クーラントが前記第２シェル側クーラントとは独立して制御される、請求項８に記載の反応器。
【請求項１０】
前記段間熱交換器がシェル側熱交換器クーラントをさらに含む、請求項２に記載の反応器。
【請求項１１】
前記第１反応段が、前記熱交換器クーラントとは独立して制御される第１シェル側クーラントをさらに含む、請求項１０に記載の反応器。
【請求項１２】
前記オープン段間領域が少なくとも１種の不活性材料で少なくとも部分的に充填される、請求項１に記載の反応器。
【請求項１３】
前記不活性材料が少なくとも７８．７ｍ2／立方ｍ（２４ｆｔ2／立方ｆｔ）の表面積対バルク体積比を有する、請求項１２に記載の反応器。
【請求項１４】
前記不活性材料が、少なくとも２７９０ｍ2（３０，０００ｆｔ2）の全表面積を提供するのに十分な量で存在する、請求項１２に記載の反応器。
【請求項１５】
前記第１反応段の反応チューブが、前記第２反応段の反応チューブとは異なる断面積を有する、請求項１に記載の反応器。
【請求項１６】
前記第２反応段の反応チューブが、前記第１反応段の反応チューブの断面積よりも少なくとも２５％大きい断面積を有する、請求項１５に記載の反応器。
【請求項１７】
前記第２反応段の反応チューブが、前記第１反応段の反応チューブの断面積よりも少なくとも５０％大きい断面積を有する、請求項１６に記載の反応器。
【請求項１８】
前記第２反応段の反応チューブが２２．３ｍｍ（０．８７８ｉｎ）超の内径を有する、請求項１に記載の反応器。
【請求項１９】
前記第２反応段の反応チューブが２５．４ｍｍ（１ｉｎ）超の内径を有する、請求項１８に記載の反応器。
【請求項２０】
前記オープン段間領域が追加の酸化剤供給ラインを含む、請求項１に記載の反応器。
【請求項２１】
前記オープン段間領域が追加の酸化剤混合アセンブリーをさらに含む、請求項２０に記載の反応器。
【請求項２２】
前記追加の酸化剤混合アセンブリーがベンチュリーミキサーを含む、請求項２１に記載の反応器。
【請求項２３】
前記追加の酸化剤供給ラインが酸化剤熱交換器を含む、請求項２０に記載の反応器。
【請求項２４】
入口反応器ヘッドと出口反応器ヘッドとをさらに含み、前記入口反応器ヘッド及び前記出口反応器ヘッドの少なくとも１つが取外し可能である、請求項１に記載の反応器。
【請求項２５】
前記第１反応段、前記段間熱交換器、及び前記第２反応段から選択される少なくとも１つの領域が、並流クーラント循環用に構成される、請求項１に記載の反応器。
【請求項２６】
前記第１反応段、前記段間熱交換器、及び前記第２反応段から選択される少なくとも１つ領域が、向流クーラント循環用に構成される、請求項１に記載の反応器。
【請求項２７】
前記第２反応段が少なくとも２２，０００本の反応チューブを含む、請求項１に記載の反応器。
【請求項２８】
前記第２反応段が少なくとも３０，０００本の反応チューブを含む、請求項２７に記載の反応器。
【請求項２９】
前記第１反応段の反応チューブの数が前記第２反応段の反応チューブの数にほぼ等しい、請求項１に記載の反応器。
【請求項３０】
前記第１反応段の反応チューブの数が前記第２反応段の反応チューブの数と異なる、請求項１に記載の反応器。
【請求項３１】
前記第２反応段の反応チューブが４，５００ｍｍ（１７７ｉｎ）以下の長さである、請求項１に記載の反応器。
【請求項３２】
前記段間熱交換器が、前記段間熱交換器を離れるプロセスガスを２４０℃〜２８０℃の範囲内の温度に維持可能である、請求項１に記載の反応器。
【請求項３３】
前記第１反応段の前記反応チューブが２２．３ｍｍ超の内径を有する、請求項１に記載の反応器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロピレンの酸化を介してアクリル酸を製造するためのシェルアンドチューブ酸化反応器及びプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
プロピレンの固定床接触酸化によるアクリル酸の製造は、広く実施されており、プロピレンを中間体アクロレインに酸化することと、次いで、アクロレインをアクリル酸にさらに酸化することと、を含む。この二段酸化プロセスを促進するために、多くの固体微粒子型触媒が開発されてきた。また、これらの触媒の調製方法は、文献で十分に実証されている。
【０００３】
一般的には、商業規模の製造設備では、アクリル酸の製造時、組成の異なる２種の触媒、すなわち、第１段触媒及び第２段触媒が利用される。第１段触媒（本明細書では「Ｒ１触媒」として参照される）は、一般にモリブデンとビスマスと任意選択で鉄とを含む混合金属酸化物（「ＭＭＯ」）触媒であり、プロピレンからアクロレインへの転化を促進するために使用される。第２段触媒（本明細書では「Ｒ２触媒」として参照される）もまた、混合金属酸化物（ＭＭＯ）触媒であるが、これは、一般にモリブデンとバナジウムとを含み、アクロレインからアクリル酸への転化を促進するために使用される。
【０００４】
アクリル酸を製造するための現在の商業規模のプロセスでは、多くの場合、シェルアンドチューブ熱交換器をモデルにした反応器が利用される。典型的には、そのような商用反応器は、単一の反応槽内に約１２，０００〜約２２，０００本のチューブを含み、９３％の稼働率で操作して１００ｋＴ／年（２２０，０００，０００ポンド／年）までのアクリル酸製造能力を有しうる。大規模な商用反応器は、あまり一般的ではないが、単一の反応槽内に２５，０００〜約５０，０００本のチューブを含みうる。この場合、２２５ｋＴ／年（５００，０００，０００ポンド／年）までの製造能力を有する。そのようなシェルアンドチューブ型反応器では、反応器のチューブ内に微粒子型ＭＭＯ触媒を充填することにより、固定触媒床を構成することが可能である。プロセスガスは、触媒粒子と直接接触した状態でチューブを貫流しうる。一方、クーラントは、槽シェルを通り抜けて反応熱を除去することが可能である。典型的なクーラントとしては、溶融硝酸塩及び有機伝熱流体、例えば、Ｄｏｗｔｈｅｒｍ（商標）が挙げられる。反応器から得られた生成物ガスは、販売に好適な、又はアクリレートエステル、超吸収性ポリマーなどの製造に使用するのに好適な、アクリル酸生成物を得るために、追加の下流の装置で、例えば、クエンチ槽、吸収塔、脱水塔、抽出器、共沸蒸留塔、及び晶析器の１つ以上で、捕集及び精製が可能である。
【０００５】
先行技術で一般に使用される基本的シェルアンドチューブ型酸化反応器設計には、タンデム反応器及び単一反応器シェル（「ＳＲＳ」）反応器の２つが存在する。
【０００６】
タンデム反応器は、一般的には、中間導管により逐次接続された２つの個別のシェルアンドチューブ型反応槽を含む。第１反応槽（Ｒ１触媒を使用する）でプロピレンからアクロレインへの転化を行えるように、かつ第２反応槽（Ｒ２触媒を使用する）でアクロレインからアクリル酸への転化を行えるように、２つの反応槽を逐次操作することが可能である。第１反応槽及び第２反応槽の操作温度を互いに独立して制御しうるように、各反応槽シェルにそれ自体のクーラント循環を備えることが可能である。タンデム反応器の代表例は、米国特許第４，１４７，８８５号明細書、米国特許第４，８７３，３６８号明細書、及び米国特許第６，６３９，１０６号明細書に提供されている。いくつかの実施形態では、第２反応槽に入る前に中間プロセスガスストリームを冷却するために、第１反応槽と第２反応槽との間に任意選択の熱交換器を追加しうる。他の実施形態では、タンデム反応器設計に「追加の酸化剤供給」機能を組み込みうる。この場合、中間導管への接続部を介して追加の酸素（又は空気）が第２反応槽に提供される。そのような特徴を持たせれば、タンデム反応器をより高い製造速度で操作したりかつ／又は反応器供給原料中の酸素濃度を低減したりできるので、供給システム火災の可能性が低減されうる（例えば、米国特許第７，０３８，０７９号明細書を参照されたい）。しかしながら、長年にわたる開発及び最適化にもかかわらず、アクロレインの自動酸化、中間導管の有機ファウリング、及び２つの反応槽（１つと対比して）を有することに伴う高い資本コストが、タンデム反応器の主な欠点であることに変わりはない。
【０００７】
ＳＲＳ反応器は、典型的には、タンデム反応槽内のチューブの約２倍の長さのチューブを有する単一のシェルアンドチューブ型反応槽を含む。各チューブの上流端部にＲ１触媒を充填して、かつ各チューブの下流端部にＲ２触媒を充填して、各チューブ内に２つの逐次反応ゾーンを形成することが可能である。各チューブのほぼ中点に一定量の不活性材料（例えばラシヒリング）を配置して、２つの触媒反応ゾーンを互いに分離するいわゆる不活性物質層を形成しうる。そのほかに、不活性物質層とほぼ同じ場所でＳＲＳ反応器のシェル内に中間チューブシートを配置して、シェルを上側冷却ゾーンと下側冷却ゾーンとに分割しうる。第１反応ゾーン及び第２反応ゾーンの操作温度を互いに独立して制御しうるように、各冷却ゾーンにそれ自体のクーラント循環を備えることが可能である。ＳＲＳ反応器の代表例は、米国特許第６，０６９，２７１号明細書及び米国特許第６，３８４，２７４号明細書に提供されている。ＳＲＳ反応器でアクロレインの自動酸化を大幅に排除することが可能であるが、段間ゾーン内及び第２反応ゾーン内の両方へのモリブデン及び炭素質物質の蓄積が重大な問題であることに変わりはなく、これらの蓄積は、反応チューブを通るフローを制限して生産性を抑制するだけでなく、Ｒ２反応ゾーンでの触媒表面のマスキングに起因して収率を低減する。そのほかに、ＳＲＳ反応器設計で利用される長いチューブは、蓄積された固体をチューブの中点から除去するのを非常に困難にするので、高圧ウォーターブラスト処理などの大胆な技術の使用及びドリル装置の使用、例えば、米国特許出願公開第２００９／０１１２３６７号明細書に開示される装置が必要になる。ＳＲＳ反応器設計の他の欠点は、追加の酸化剤供給に適応するように容易に変更できないことである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様では、先行技術のタンデム反応器及びＳＲＳ反応器の欠点の少なくともいくつかに対処するとともに商業量のアクリル酸を経済的に製造するシェルアンドチューブ型反応器設計を含む単一シェルオープン段間（「ＳＳＯＩ」）反応器が提供される。本発明に係るＳＳＯＩ反応器は、公知のシェルアンドチューブ反応器と比較して、次の利点、すなわち、単一の反応槽を用いることによる資本コストの削減、洗浄時及び触媒交換時の到達度の向上、反応器内への炭素質固体蓄積及び酸化モリブデン蓄積の減少、反応器を介する圧力低下の減少、脱コークに必要とされる休止時間の減少、固体堆積に起因する触媒活性損失の減少、アクロレイン自動酸化の減少、副生成物酢酸形成の減少、触媒耐用寿命に合わせた部分的触媒再充填の減少、及び反応段間に追加の酸化剤を提供する能力、の少なくとも１つ以上を提供しうる。
【０００９】
本発明の一態様は、
ａ）複数の反応チューブを含む第１シェルアンドチューブ反応段であって、第１反応段の反応チューブは第１触媒を含む、第１シェルアンドチューブ反応段と、
ｂ）段間熱交換器と、
ｃ）オープン段間領域と、
ｄ）複数の反応チューブを含む第２シェルアンドチューブ反応段であって、第２反応段の反応チューブは第２触媒を含む、第２シェルアンドチューブ反応段
を含むアップフロー単一シェルオープン段間反応器に関する。この場合、前記段間熱交換器は、前記第１反応段と前記オープン段間領域との間に配置され、前記反応器は、アップフロー操作用として構成される。
【００１０】
本発明の他の態様は、プロセスフロー順に、
ａ）第１触媒を含有する複数の反応チューブを含むシェルアンドチューブ第１反応段と、
ｂ）第１反応段の複数の反応チューブと同軸状に連続する複数のチューブを含む一体化段間熱交換器と、
ｃ）追加の酸化剤混合アセンブリーを含むオープン段間領域と、
ｄ）第２触媒を含有する複数の反応チューブを含むシェルアンドチューブ第２反応段と、
を含む単一シェルオープン段間段反応器に関する。
【００１１】
本発明のさらに他の態様は、
ａ）複数の反応チューブを含む第１シェルアンドチューブ反応段と、
ｂ）段間熱交換器と、
ｃ）オープン段間領域と、
ｄ）複数の反応チューブを含む第２シェルアンドチューブ反応段と、
を含む単一シェルオープン段間反応器に関する。この場合、第２反応段の反応チューブは、前記第１反応段の反応チューブの直径よりも大きい直径を有する。
【００１２】
本発明の他のさらなる態様は、本明細書に開示される反応器を用いたアクリル酸の製造方法に関する。
【００１３】
本発明のさらなる態様は、プロセスフロー順に、
ａ）複数の反応チューブを含む第１シェルアンドチューブ反応段であって、第１反応段の反応チューブはプロピレンを酸化してアクロレインを生成するための第１触媒を含む、第１シェルアンドチューブ反応段と、
ｂ）段間熱交換器と、
ｃ）オープン段間領域と、
ｄ）複数の反応チューブを含む第２シェルアンドチューブ反応段であって、第２反応段の反応チューブはアクロレインを酸化してアクリル酸を生成するための第２触媒を含む、第２シェルアンドチューブ反応段と、
を含む、プロピレンからアクリル酸を製造するための単一シェルオープン段間反応器に関する。この場合、第２反応段の反応チューブは、２２．３ｍｍ（０．８７８ｉｎ）超の直径を有する。
【００１４】
本発明のまたさらなる態様は、
ａ）単一シェルオープン段間反応器の下端部に位置する第１反応段にプロピレンを含む混合供給ガスを提供することであって、第１反応段は、混合金属酸化物触媒を含む提供することと、
ｂ）第１反応段でプロピレンを酸化してアクロレインを含むプロセスガスを生成することと、
ｃ）段間熱交換器でプロセスガスを冷却することと、
ｄ）冷却されたプロセスガスをオープン段間領域に上向きに通すことと、
ｅ）プロセスガスを第２反応段に上向きに通すことであって、第２反応段は、混合金属酸化物触媒を含む通すことと、
ｆ）第２反応段でアクロレインを酸化してアクリル酸を含む生成物ガスを生成することと、
を含むアクリル酸の製造プロセスに関する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１ａ】ＳＳＯＩ反応器の第１実施形態のチューブ側（プロセス）の特徴を示す側面図である。
【図１ｂ】ＳＳＯＩ反応器の第１実施形態のシェル側（クーラント）の特徴を示す側面図である。
【図１ｃ】ＳＳＯＩ反応器の第１実施形態のチューブシートのレイアウトを示す上面図である。
【図１ｄ】コニカル触媒保持スプリングの側面図である。
【図１ｅ】触媒保持クリップの上面図である。
【図２】ＳＳＯＩ反応器の第２実施形態のチューブ側（プロセス）の特徴を示す側面図である。
【図３ａ】ＳＳＯＩ反応器の第３実施形態のチューブ側（プロセス）の特徴を示す側面図である。
【図３ｂ】ＳＳＯＩ反応器の第３実施形態のシェル側（クーラント）の特徴を示す側面図である。
【図４】追加の酸化剤添加のための混合手段を含むＳＳＯＩ反応器の一実施形態のチューブ側（プロセス）の特徴を示す側面図である。
【図５】追加の酸化剤添加のための混合手段を含むＳＳＯＩ反応器の他の実施形態のチューブ側（プロセス）の特徴を示す側面図である。
【図６】追加の酸化剤添加のためのベンチュリーミキサーの断面側面図である。
【図７】酢酸収率％対第２反応段圧力の関係を示すグラフである。
【図８】本発明に係るＳＳＯＩ反応器と無溶媒アクリル酸捕集・精製システムとを含むアクリル酸の統合製造プロセスの一実施形態である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以上の一般的な説明及び以下の詳細な説明は両方とも、例示的かつ解説的なものにすぎず、本教示を限定するものではないことを理解すべきである。本出願に引用された特許及び特許出願は全て、その全体が参照によりいずれの目的に対しても明示的に組み込まれる。組み込まれた参照文献中の用語の定義が本教示に提供された定義と異なると思われる場合、本教示に提供された定義が優先するものとする。わずかな実質的でない逸脱が本教示の範囲内にあるように、本教示で考察された温度、寸法、流量、濃度、時間などの前に黙示的な「約」が存在することは、分かるであろう。
【００１７】
とくに定義されていないかぎり、本明細書に記載の本教示との関連で用いられる科学技術用語は、当業者が通常理解する意味を有するものとする。さらに、とくに文脈上必要とされないかぎり、単数形の用語は、複数形を含むものとし、複数形の用語は、単数形を含むものとする。一般的には、シェルアンドチューブ反応器設計、アクリル酸製造、及び酸化反応との関連で利用される名称及びそれらの技術は、当技術分野で通常用いられる周知のものである。本明細書に提供される実施形態に従って利用される場合、とくに指定がないかぎり、以下の用語は、以下の意味を有すると理解されるものとする。
【００１８】
本明細書で用いられる場合、「段間熱交換器」又は「ＩＳＨＸ」という語句は、単一反応器の段間に位置する熱交換器を意味する。例えば、ＩＳＨＸは、第１反応段と第２反応段との間に配置されうる。
【００１９】
「一体化段間熱交換器」又は「一体化ＩＳＨＸ」という語句は、反応段の反応チューブと同軸状に連続するチューブを有する熱交換器を意味する。
【００２０】
「オープン段間」又は「ＯＩＳ」という語句は、反応チューブを含まないかつ単一反応器の段間又は単一反応器の段と段間熱交換器との間に位置する領域を意味する。例えば、ＯＩＳは、段間熱交換器と第２反応段との間に配置されうる。
【００２１】
本明細書で用いられる場合、「大表面積材料」という語句及びその変化形は、少なくとも７８．７ｍ2／ｍ3（２４ｆｔ2／ｆｔ3）の表面積対バルク体積比を意味する。
【００２２】
本明細書で用いられる場合、「不活性材料」という用語は、供給材料又は反応生成物の反応の触媒に実質的に無効な材料を意味する。例えば、プロピレンの酸化を介してアクリル酸を製造する反応器では、不活性材料は、プロピレンの酸化の触媒又はアクロレインの酸化の触媒に実質的に無効なものである。
【００２３】
「安定材料」という用語は、本明細書で用いられる場合、プロセス温度、プロセス操作圧力、又はプロセス内の化学成分に暴露された時に変形、溶融、気化、分解、又は燃焼を起こさない材料を意味する。
【００２４】
本明細書で用いられる場合、「インターフェース」という用語は、２つの近接反応器セクション間の境界部を意味する。「接続部」という用語は、近接反応器セクション間のインターフェース外周接触箇所を意味し、一時的又は永久的なものでありうる。「チューブシート」という用語は、インターフェースに配置された平面表面材を意味し、前記表面材は、反応器の実質的に全断面にわたり延在し、かつ反応チューブの端部が通り抜ける複数の孔を含む。反応チューブの端部は、溶接や圧延などの公知の手段によりチューブシートに装着され、チューブシートはさらに、その外周で槽シェルに装着される。それにより、シェル側クーラントが一方のセクションから他方のセクションに流れるのを防止する。「段間バッフル」という用語は、インターフェースに配置された平面表面材を意味し、前記表面材は、実質的に全反応器断面にわたり延在し、かつ反応チューブが通り抜ける複数の孔を含む。しかしながら、チューブシートとは異なり、反応チューブは、バッフルに装着されず、シェル側クーラントの流体連通は、近接セクション間で許容される。最後に、「セグメントバッフル」という用語は、インターフェースに配置された平面表面材を意味し、前記表面材は、反応器断面の一部のみにわたり延在し、かつ反応チューブが通り抜ける複数の孔を含む。段間バッフルと同様に、反応チューブは、セグメントバッフルに装着されず、シェル側クーラントの流体連通は、セグメントバッフルの対向表面間で許容される。
【００２５】
「直径」及び「断面積」という用語は、チューブを参照する場合、チューブの形状ではなくチューブのサイズを定義するために用いられる。本明細書に提供される実施例では、円形断面を有するチューブが使用されるが、他の形状を有するチューブを使用してもよい。他の形状を有するチューブの場合、代替形状から生じる変化（例えば、熱伝達、物質移動など）をいずれも考慮しつつ断面積を決定することにより、本明細書に開示される直径を代替形状の適切な寸法に変換可能であることは、当業者であれば理解されるであろう。「直径」及び「断面積」という用語は、チューブの開口の直径又は断面積、すなわち、内側の直径又は断面積を意味すべく用いられる。
【００２６】
本明細書で用いられる場合、「アップフロー」及び「ダウンフロー」という用語は、重力を基準にして反応器を通る流れの方向を意味する。アップフローとは、重力と反対方向に進行する上向き垂直プロセスフローを意味する。ダウンフローとは、重力の方向に進行する下向きプロセスフローを意味する。
【００２７】
「滞留時間」という用語は、１つ以上の特定セクションにガスが留まる時間を意味する。例えば、滞留時間は、ＩＳＨＸに留まる時間を意味しうる。同様に、滞留時間は、複数のセクションに留まる時間、例えば、ＩＳＨＸ及びＯＩＳ領域に留まる時間の合計などを意味しうる。とくに明記されていないかぎり、反応器内のプロセスガスフローの滞留時間は、２４０℃及び圧力３０ｐｓｉａ（２ａｔｍ）の参照条件で決定される。
【００２８】
少なくとも一実施形態では、ＳＳＯＩ反応器は、プロセスフロー順に、
ａ）入口反応器ヘッドと、
ｂ）シェルアンドチューブ第１反応段と、
ｃ）一体化段間熱交換器と、
ｄ）オープン段間領域と、
ｅ）シェルアンドチューブ第２反応段と、
ｆ）出口反応器ヘッドと、
を含む。
【００２９】
第１反応段（「Ｒ１」）は、複数の反応チューブを含みうる。また、各反応チューブには、触媒例えばＲ１触媒が充填されうる。アクリル酸を形成すべくプロピレンの酸化に使用する場合、Ｒ１触媒は、モリブデン、ビスマス、及び鉄の酸化物から選択されるＭＭＯ触媒でありうる。
【００３０】
第１反応段は、シェル側クーラントを含みうる。特定の用途の熱伝達要件を満たすようにクーラント及びクーラント循環の選択及び設計が可能であることは、当業者であれば分かるであろう。
【００３１】
第２反応段（「Ｒ２」）は、複数の反応チューブを含みうる。Ｒ２反応チューブには、第２段反応を触媒すべく触媒（Ｒ２触媒）が充填されうる。Ｒ２でアクロレインを酸化してアクリル酸を形成する例示的反応では、Ｒ２触媒は、酸化モリブデン及び酸化バナジウムから選択されるＭＭＯを含みうる。第２反応段のシェル側は、クーラントを含みうる。第２反応段のクーラントは、第１反応段のクーラントとは独立して制御されうる。他の選択肢として、第２反応段のクーラントは、第１反応段のクーラントと共に制御されうる。
【００３２】
少なくとも一実施形態では、ＩＳＨＸは、シェル側クーラントを含みうる。ＩＳＨＸクーラントは、第１反応段クーラントと個別に又は一緒に制御されうる。少なくとも一実施形態では、ＩＳＨＸクーラントは、第１反応段クーラントとは独立して制御される。少なくとも一実施形態によれば、ＩＳＨＸクーラントは、ＩＳＨＸを離れるプロセスガスの温度を２４０℃〜２８０℃に維持する。
【００３３】
本開示の少なくとも一実施形態では、Ｒ１反応チューブ及びＲ２反応チューブは、異なる直径又は断面積を有することが可能である。例えば、Ｒ２反応チューブは、Ｒ１反応チューブよりも大きいものでありうる。他の選択肢として、Ｒ１反応チューブ及びＲ２反応チューブは、同一の直径又は断面積を有しうる。少なくとも一実施形態では、Ｒ２反応チューブは、Ｒ１反応チューブの断面積よりも少なくとも２５％大きい断面積を有しうる。さらなる実施形態では、Ｒ２反応チューブは、Ｒ１反応チューブの断面積よりも少なくとも５０％大きい断面積を有しうる。
【００３４】
少なくとも一実施形態では、Ｒ１反応チューブは、２２．３ｍｍ（０．８７８ｉｎ）以下の直径を有しうる。他の実施形態では、Ｒ１反応チューブは、２２．３ｍｍ（０．８７８ｉｎ）超、例えば、２５．４ｍｍ（１ｉｎ）以上などの直径を有しうる。
【００３５】
少なくとも一実施形態では、ＳＳＯＩ反応器内の第２反応段のチューブの内径は、２２．３ｍｍ超でありうる。少なくとも一実施形態では、Ｒ１反応チューブ及びＲ２反応チューブは、２２．３ｍｍ（０．８７８ｉｎ）超の直径を有する。さらなる実施形態では、ＳＳＯＩ反応器内の第２反応段のチューブの内径は、２３．６ｍｍ〜５０ｍｍの範囲内である。少なくとも一実施形態では、ＳＳＯＩ反応器内の第２反応段のチューブの内径は、少なくとも２５．４ｍｍ（１ｉｎ）である。本開示の実施形態によれば、第２反応段のチューブは、４，５００ｍｍ（１７７ｉｎ）以下の長さである。
【００３６】
より大きい直径のチューブの熱除去に及ぼす悪影響は、他の設計変数、例えば、シェル側バッフルの数、バッフルのジオメトリー及び配置、チューブシートのレイアウト及びチューブの間隔（チューブピッチとしても知られる）、冷却塩の循環速度、冷却塩の供給温度などの１つ以上の適切な調整により補償されうる。例えば、一実施形態では、反応器シェルを介して低い塩循環速度を利用することにより、塩循環ポンプの電力要件が最小限に抑えられる。そのような設計理念では、一般的には、反応器シェルを介して１４〜１７℃（２５〜３０°Ｆ）程度の塩の温度上昇（流入塩温度に対する流出塩温度）を生じうる。代替実施形態では、高い塩循環速度が利用され、反応器のシェルを介する塩の温度上昇は、１〜３℃（２〜５°Ｆ）の適正範囲に制限される。
【００３７】
熱交換器設計の当業者であれば、ＨＴＲＩ製の市販の設計ソフトウェアなどを用いて、そのような設計調整を行うことが可能である。他の選択肢として、既存の反応器製造会社、例えば、ＭＡＮ  Ｔｕｒｂｏ  ＡＧ（以前はＤｅｇｇｅｎｄｏｒｆｅｒ  Ｗｅｒｆｔ  ａｎｄ  Ｅｉｓｅｎｂａｕ  ＧｍｂＨ）などに冷却システム設計サービスを外注してもよい。そこでは、その会社独自の十分に確立された設計ルール及び方法が使用されるであろう。
【００３８】
同様に、Ｒ１及びＲ２の反応チューブの数は、同一であっても異なっていてもよい。少なくとも一実施形態では、Ｒ１反応チューブの数は、Ｒ２反応チューブの数よりも多数でありうる。少なくともさらなる一実施形態では、Ｒ１反応チューブの数は、Ｒ２反応チューブの数よりも多数でありうるうえに、Ｒ２反応チューブは、Ｒ１反応チューブよりも大きい直径又は断面積を有しうる。
【００３９】
本明細書に開示されるＳＳＯＩ反応器は、アップフロー操作用又はダウンフロー操作用に構成されうる。少なくとも一実施形態では、ＳＳＯＩ反応器は、アップフロー操作用に構成される。アップフローＳＳＯＩ反応器では、入口反応器ヘッドは、底部に位置し、かつ出口反応器ヘッドは、ＳＳＯＩ反応器の頂部に位置する。
【００４０】
少なくとも一実施形態では、ＯＩＳ領域は、追加の酸化剤供給物を含む。追加の酸化剤供給物が存在する場合、ＯＩＳ領域は、追加の酸化剤混合アセンブリーをさらに含みうる。
【００４１】
プロピレンの酸化からアクリル酸を製造するいくつかの実施形態では、ＩＳＨＸ内及びＯＩＳ内の両方の滞留時間の合計（本明細書では「段間滞留時間」として知られる）は、３秒以下である。少なくとも一実施形態では、ＩＳＨＸ内の滞留時間は、１．５秒未満である。
【００４２】
少なくとも一実施形態では、少なくとも１つのオンラインアナライザー、例えば、ガスクロマトグラフ、近赤外（「ＮＩＲ」）アナライザー、チューナブルダイオードレーザー（「ＴＤＬ」）アナライザー、ラマン分光器などの１つ以上を用いて、未反応プロピレン濃度及び未反応アクロレイン濃度に関して、操作中のＳＳＯＩ反応器のプロセスガスをモニターすることが可能であり、かつ第１反応段及び第２反応段への塩供給温度を調整して、プロピレン及びアクロレインの転化を制御することが可能である。一実施形態では、第１段冷却塩（ＴＲ１塩）の供給温度を調整して、プロピレ転化率を９４％以上、９５％以上、又は９６．５％以上に維持しうる。
【００４３】
他の実施形態では、第１段冷却塩（ＴＲ１塩）の供給温度を調整して、ＳＳＯＩ反応器生成物ガス中の未反応プロピレン濃度を０．０５〜０．３５ｍｏｌ％、例えば、０．１３〜０．２６ｍｏｌ％などに維持することが可能である。一実施形態では、第２段冷却塩（ＴＲ２塩）の供給温度を調整して、アクロレイン転化率を９８％以上、例えば、９９％以上又は９９．５％以上に維持することが可能である。
【００４４】
他の実施形態では、第２段冷却塩（ＴＲ２塩）の供給温度を調整して、ＳＳＯＩ反応器生成物ガス中の未反応アクロレイン濃度を５００ｐｐｍ以下、例えば、３００ｐｐｍ以下などに維持することが可能である。
【００４５】
少なくとも一実施形態では、熱電対や抵抗サーマルデバイス（ＲＴＤ）などの温度測定デバイスを反応系内に提供して、プロセス操作条件をモニターしたり、任意選択で、反応系に対する安全計装システム（ＳＩＳ）内のセンサーとして機能させたりすることが可能である。シングルポイント及びマルチポイントのＥ型、Ｊ型、及びＫ型の熱電対は全て、本発明に係るＳＳＯＩ反応器と併用するのに好適であり、ＳＴＩ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｉｎｃ．（Ｗｉｌｌｉｓ，Ｔｅｘａｓ  ＵＳＡ）、Ｗａｔｌｏｗ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，Ｍｉｓｓｏｕｒｉ  ＵＳＡ）、Ｓａｎｄｅｌｉｕｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ（Ｈｏｕｓｔｏｎ，Ｔｅｘａｓ  ＵＳＡ）、及びＧａｙｅｓｃｏ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｃ．（Ｐａｓａｄｅｎａ，Ｔｅｘａｓ  ＵＳＡ）を含めて、複数の供給業者から市販されている。
【００４６】
任意選択で、入口ヘッド内、出口ヘッド内、入口パイプ内、出口パイプ内、及びオープン段間領域内の１つ以上に１つ以上の熱電対を配置しうる。一実施形態では、ＳＩＳシャットダウンシステムと併用すべく、複数の熱電対を反応器入口ヘッド内に配置しうる。少なくとも一実施形態によれば、少なくとも４つの熱電対をオープン段間領域内に設置しうるとともに、これらの熱電対を段間領域全体にわたり一様に分配させうる。さらに、任意選択で、熱電対を反応器内のチューブシートに直接装着しうる。
【００４７】
複数のマルチポイントプロセス熱電対を反応器のチューブ内で使用して、チューブの軸に沿ってさまざまな距離でプロセス側触媒温度をモニターすることが可能である。少なくとも一実施形態では、複数のマルチポイント塩熱電対を反応器のチューブ内に配置して、反応器の長さに沿ってシェル側塩温度をモニターすることが可能である。しかしながら、マルチポイントプロセス熱電対及びマルチポイント塩熱電対は、同一の反応器チューブ内に共存できないことことに留意すべきである。
【００４８】
一実施形態では、長さに沿ってさまざまな間隔で配置された１４個の熱電対接合部を含みかつ外径３．２ｍｍのシース内に収容されたマルチポイントプロセス熱電対アセンブリーが、内径２２．３ｍｍの第１反応段チューブ内で使用される。他の実施形態では、長さに沿って等間隔に配置された少なくとも１０個の熱電対接合部を含みかつ外径６ｍｍのシース内に収容されたマルチポイントプロセス熱電対アセンブリーが、内径２５．４ｍｍの第１反応段チューブ内で使用される。いずれの実施形態でも、プロセス熱電対アセンブリーは、反応器チューブの中心線に沿って方向付け可能であり、かつ触媒及び不活性物質は、チューブの残りの環状空間内に配置可能である。
【００４９】
少なくとも一実施形態では、そのようなマルチポイントプロセス熱電対アセンブリーは、少なくとも４本の反応器チューブ、例えば、少なくとも６本のチューブ、少なくとも１０本のチューブなどに取付け可能である。同様に、一実施形態では、長さに沿って等間隔に配置された４個の熱電対接合部を含みかつ外径３．２ｍｍのシース内に収容されたマルチポイント塩熱電対集合が、内径２２．３ｍｍの第１反応段チューブ内で使用される。
【００５０】
代替実施形態では、長さに沿って等間隔に配置された少なくとも３個の熱電対接合部を含みかつ外径６ｍｍのシース内に収容されたマルチポイント塩熱電対アセンブリーを、内径２５．４ｍｍの第１反応段チューブ内で使用可能である。そのようなマルチポイント塩熱電対アセンブリーは、少なくとも４本の反応器チューブ、例えば、少なくとも６本のチューブ、少なくとも１０本のチューブなどに取付け可能である。一実施形態では、塩熱電対アセンブリーは、反応器チューブの中心線に沿って方向付け可能であり、チューブの残りの環状空間内には、不活性スフェアが配置され、かつチューブの少なくとも上流端部には、軸方向プロセスガスがチューブを貫流するのを防止すべくシール可能なキャップ又はプラグが配置される。代替実施形態では、塩熱電対アセンブリーは、反応器チューブの中心線に沿って方向付け可能であり、チューブの残りの環状空間内には、軸方向プロセスガスフローに対して高い抵抗を提供すべく、小さい直径（例えば、４ｍｍ以下の直径）の不活性粒子、例えば、砂、アルミナ粉末、炭化ケイ素粗粒などを配置可能であり、そのような実施形態はさらに、任意選択で、チューブの少なくとも上流端部にシール可能なキャップ又はプラグを含む。
【００５１】
一実施形態では、長さに沿ってさまざまな間隔で配置された少なくとも８個の熱電対接合部を含みかつ外径３．２ｍｍのシース内に収容されたマルチポイントプロセス熱電対アセンブリーを、内径２２．３ｍｍの第２反応段チューブ内で使用可能である。他の実施形態では、長さに沿って等間隔に配置された少なくとも１０個の熱電対接合部を含みかつ外径６ｍｍのシース内に収容されたマルチポイントプロセス熱電対アセンブリーを、内径２５．４ｍｍの第２反応段チューブ内で使用可能である。プロセス熱電対アセンブリーは、反応器チューブの中心線に沿って方向付け可能であり、チューブの残りの環状空間内には、触媒及び不活性物質を配置可能である。少なくとも一実施形態では、そのようなマルチポイントプロセス熱電対アセンブリーは、少なくとも４本の反応器チューブ、例えば、少なくとも６本のチューブ、少なくとも１０本のチューブなどに取付け可能である。同様に、一実施形態では、長さに沿って等間隔に配置された少なくとも２個の熱電対接合部を含みかつ外径３．２ｍｍのシース内に収容されたマルチポイント塩熱電対アセンブリーを、内径２２．３ｍｍの第２反応段チューブ内で使用可能である。
【００５２】
代替実施形態では、長さに沿って等間隔に配置された少なくとも３個の熱電対接合部を含みかつ外径６ｍｍのシース内に収容されたマルチポイント塩熱電対アセンブリーを、内径２５．４ｍｍの第２反応段チューブ内で使用可能である。少なくとも一実施形態では、そのようなマルチポイント塩熱電対アセンブリーを少なくとも４本の反応器チューブ、例えば、少なくとも６本のチューブ、少なくとも１０本のチューブなどに取付け可能である。一実施形態では、塩熱電対アセンブリーは、反応器チューブの中心線に沿って方向付け可能であり、チューブの残りの環状空間内には、不活性スフェアが配置され、かつチューブの少なくとも上流端部には、軸方向プロセスガスがチューブを貫流するのを防止すべくシール可能なキャップ又はプラグが配置される。代替実施形態では、塩熱電対アセンブリーは、反応器チューブの中心線に沿って方向付け可能であり、チューブの残りの環状空間内には、軸方向プロセスガスフローに対して高い抵抗を提供すべく、小さい直径（例えば、４ｍｍ以下の直径）の不活性粒子、例えば、砂、アルミナ粉末、炭化ケイ素粗粒などが配置され、そのような実施形態はさらに、任意選択で、チューブの少なくとも上流端部にシール可能なキャップ又はプラグを含む。
【００５３】
図１ａ、１ｂ、及び１ｃは、組合せで、単一シェルオープン段間（「ＳＳＯＩ」）反応器設計の一実施形態を示している。この実施形態に係る反応器は、約５，６００ｍｍ（１８．４ｆｔ）のシェル直径及び１５，２４０ｍｍ（５０ｆｔ）超の全長を有する。典型的な供給比及び１７７０ｈｒ-1（０℃及び１ａｔｍで決定される）の全供給ガス空間速度で、この実施形態に係る反応器は、約１００ｋＴのアクリル酸の公称年間製造能力を有する。
【００５４】
供給ガス（例えば、プロピレン、スチーム、酸素、及び窒素を含む）は、頂部から反応器に入り（図１ａ参照）、反応器を介して垂直に流下し、そして底部で反応器から出る。したがって、この配置は、ダウンフロープロセス構成である。
【００５５】
反応器の主要セクションは、入口ヘッド１００、第１反応段１１０（「Ｒ１」）、段間熱交換器１３０（「ＩＳＨＸ」）、オープン段間領域１５０、第２反応段１６０（「Ｒ２」）、及び出口ヘッド１８０を含む。とくに明記されていないかぎり、反応器コンポーネントは全て、炭素鋼、例えば、ＡＳＭＥ  ＳＡ−５１６グレード７０の炭素鋼などで構築可能である。
【００５６】
１０５、１２５、１４５、１５５、及び１７５として図中に規定された近接セクション間インターフェースは、永久（例えば溶接）接続部を含みうるか、又は任意選択で、複数のファスナー例えばボルトやクランプなどで固定されたフランジ接続部などの分離可能接続部を含みうる。図１ａの実施形態では、インターフェース１０５及び１７５は、分離可能接続部であり、触媒交換のために入口ヘッド１００及び出口ヘッド１８０を容易に取外し可能であり、一方、インターフェース１２５、１４５、及び１５５は、溶接接続部である。
【００５７】
この実施形態では、反応器入口ヘッド１００は、耐食性を付与すべく３１６ステンレス鋼で構築される。また、内表面温度をプロセスガスストリームの露点温度超に維持するのに使用すべく、任意選択の温度制御コンポーネント（図示せず）、例えば、電気トレース、スチーム加熱ジャケット、循環塩伝熱コイルなどが反応器の入口ヘッド１００及び出口ヘッド１８０の両方に組み込まれる。反応器ヘッド上で、さらには反応器シェル上及び関連パイプシステム上の他の箇所で、外断熱材を利用することも可能である。
【００５８】
反応器の入口ヘッド１００及び出口ヘッド１８０にはさらに、１つ以上の任意選択の非常用圧力解放装置（図示せず）、例えば、圧力安全バルブ（ＰＳＶ）、ラプチャーディスクなどが装備されうる。いくつかの実施形態では、その代わりに、そのような非常用圧力解放装置は、反応器に接続された入口パイプ及び／又は出口パイプに設置されうる。
【００５９】
再度、図１ａを参照すると、第１反応段１１０は、４，６００ｍｍ（１５ｆｔ）の長さを有し、かつ１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃとして図中に一般的に示される複数のシームレス炭素鋼チューブを含有する。第１反応段の各チューブの入口端部は、例えば溶接又は圧延により、Ｒ１入口チューブシート（それ自体は示されていないが、分離可能接続部１０５と図中で同一位置に位置決めされる）に装着可能である。第１反応段１１０内の各チューブは、段間バッフル１２６（図１ｂ参照）を介して延在し、かつ２，１００ｍｍ（６．９ｆｔ）の長さを有する段間熱交換器１３０を完全に貫通する。このことは、チューブセグメント１３５ａがチューブ１１５ａの下端部であり、チューブセグメント１３５ｂがチューブ１１５ｂの下端部であり、チューブセグメント１３５ｃがチューブ１１５ｃの下端部であり、以下同様であることを意味する。結果として、これらの同軸状に連続するチューブの実際の長さは、分離可能接続部１０５と溶接接続部１４５との間の距離に等しい６，７００ｍｍ（２２ｆｔ）である。各チューブセグメント１３５ａ、１３５ｂ、１３５ｃの出口端部は、例えば溶接又は圧延により、ＩＳＨＸチューブシート（それ自体は示されていないが、溶接接続部１４５と図中で同一位置に位置決めされる）に装着可能である。第１反応段のチューブが段間熱交換器のチューブと連続しており、かつ第１反応段及び段間熱交換器が両方とも共通の槽シェルを共有するこの設計上の特徴は、本明細書では一体化段間熱交換器として参照される。バッフルへのチューブの装着（例えば溶接）が存在せず、その代わりに、段間バッフル１２６を貫通する穿孔が、チューブ（１１５ａ、ｂ、ｃ）の外径よりもわずかに大きい内径であり、その結果、幅０．２５〜２．５ｍｍの小さい環状ギャップ（図示せず）が各チューブの周りに形成されるという点で、段間バッフル１２６は、真のチューブシートとは異なることに留意すべきである。この環状ギャップが理由で、少量のＩＳＨＸ冷却塩（好ましくは、Ｒ１冷却塩よりもわずかに高い圧力で供給される）は、段間バッフルを連続的に通り抜けて、Ｒ１冷却塩循環と合流一体化しうる。本開示の利点を考慮して、プロセス工学の当業者であれば、Ｒ１循環系から適切量の塩を再循環してＩＳＨＸ循環系に戻すための手段を容易に特定しうるので、本明細書にさらに詳細に記載する必要はない。
【００６０】
この実施形態では、Ｒ１入口チューブシートは、５，５１７ｍｍ（１８．１ｆｔ）の直径であり、かつ２２，０００本のチューブを含む。図１ｃは、上から見たＲ１入口チューブシートのレイアウトを示している。この図は、チューブシートの中心にチューブが存在しない円形領域（破線の円により示される）が存在することを示しており、この空の円形領域は、約１，１４４ｍｍ（３．７５ｆｔ）の直径を有する。チューブは、２２．３ｍｍ（０．８７８”）の内径及び２６．９ｍｍ（１．０６０”）の外径を有する。チューブは、３４ｍｍ（１．３４”）のチューブシートピッチで６０度の三角形パターン上に配置されるので、チューブ間距離は、７ｍｍ（０．２７５”）になる。これらの寸法から、米国特許第７，２２６，５６７号明細書に定義されたように、チューブ間隔（ｔ）とチューブの外径（ｄa）との比を次のように計算することが可能である。
ｔ＝（２６．９＋７）及びｄa＝（２６．９）、したがってｔ／ｄa＝１．２６
【００６１】
多くのＲ１触媒が市販されており、本発明に係るＳＳＯＩ反応装置で使用するのに好適である。例としては、第１段（Ｒ１）触媒ＡＣＦ、ＡＣＦ−２、ＡＣＦ−４、ＡＣＦ−７、及びＡＣＦ−８（全て日本の株式会社日本触媒から市販されている）、ならびにＹＸ−３８、ＹＸ−１１１、及びＹＸ−１２９（全て日本の日本化薬株式会社から市販されている）が挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらのＲ１触媒のいくつかは、２つ以上のサイズで入手可能である。例えば、ＡＣＦ−７触媒は、大寸法及び小寸法の両方のシリンダー形として入手可能であり（本明細書ではＡＣＦ−７Ｌ（大）及びＡＣＦ−７Ｓ（小）と称される）、単独又は組合せで使用されうる。また、Ｒ１チューブの一部分は、各チューブ内の特定位置に予備加熱ゾーン又は冷却ゾーンを形成するために、例えば、６．４ｍｍ（０．２５ｉｎ）のＤｅｎｓｔｏｎｅ５７スフェア（Ｎｏｒｔｏｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｃｏｒｐ（Ａｋｒｏｎ  ＯＨ，ＵＳＡ）から入手可能である）などの不活性材料を含有しうる。第１反応段のチューブ内の適切なＲ１触媒及び不活性物質の選択及び設置は、当業者の能力の範囲内である。
【００６２】
蓄積ファウリング物質を伴うことなく熱伝達を向上させるために、段間熱交換器のチューブセグメント（１３５ａ、ｂ、ｃ）内に高空隙率乱流誘発インサートを配置することが可能である。高空隙率とは、８５％超の空隙率、好ましくは９０％超の空隙率を意味する。この特定の実施形態では、ヘリカル金属ストリップ（本明細書では「ツイスティー（ｔｗｉｓｔｅｅ）」インサートとして参照される）が各チューブ内に配置される。各ツイスティーインサートは、幅１９．１ｍｍ（０．７５０ｉｎ）×長さ２，０５７ｍｍ（８１ｉｎ）の大きさを有する厚さ１．５７ｍｍ（０．０６２ｉｎ）の炭素鋼の単一矩形ストリップから作製される。ストリップは、１ｆｔ（３０５ｍｍ）の長さあたりの１回の３６０度回転及び２，０３２ｍｍ（８０ｉｎ）の最終長さを含む均一なヘリカルジオメトリーが得られるように、その長軸を中心として機械的に捩ることが可能である。次いで、チューブ内への乱流誘発インサートの配置を容易にするために、直径１．６ｍｍ（１／１６ｉｎ）のワイヤーから外径１７．５ｍｍ（１１／１６ｉｎ）の金属リングを形成して、ツイスティーインサートの長軸に垂直な方向にツイスティーの上流端部に装着することが可能である。
【００６３】
いくつかの実施形態では、０．０３５ｉｎ（０．９ｍｍ）ワイヤーを含む８×８ワイヤーメッシュの部材をツイスティーインサートの端部上の金属リングに固着して平面状フロースルーバリヤーを形成することにより、ツイスティーインサートの上流端部を触媒保持装置として機能させることが可能である。得られるツイスティーインサートは、約９２％の空隙率と、この実施形態に係る反応器チューブの内径の約８５％である有効外径と、を有しうるので、手で容易に設置及び除去を行うことが可能である。本開示の利点を考慮して、さまざまな内径のチューブで使用すべくツイスティーインサートを作製しうることもまた、明らかであろう。少なくとも一実施形態では、初期金属ストリップの幅（及び装着される上流リングの外径）は、チューブ内径の約８０〜９９．５％の範囲内である。
【００６４】
他の実施形態では、ツイスティーに８×８ワイヤーメッシュを固着するのではなく、改変ツイスティーインサートを使用することが可能である。そのような改変ツイスティーインサートは、以上に記載のツイスティーインサートの１つの上流端部に溶接されたコニカル触媒保持スプリングを含みうる（図１ｄ参照）。内径２２．３ｍｍ（０．８７８ｉｎ）のＩＳＨＸチューブで使用する場合、コニカルスプリングは、例えば、６．１ｍｍ（０．２４１ｉｎ）の頂部外径ｄＴＳと、ツイスティーインサートの有効直径に等しい１９．１ｍｍ（０．７５ｉｎ）の底部外径ｄＢＳと、を有しうる。２５．４ｍｍ（１ｉｎ）の全高さ（ｈｓ）と、改変ツイスティーインサートの上流端部を触媒保持装置として機能させるのに十分に狭いコイル間隔と、を有するコニカルスプリングを形成するために、例えば、直径１．４７ｍｍ（０．０５８ｉｎ）のステンレス鋼ワイヤーの１１個の等間隔コイルからコニカル触媒保持スプリングを作製することが可能である。
【００６５】
少なくとも一実施形態では、プロセスフロー条件下で反応器チューブの端部内に保持するために、取外し可能な保持装置、例えば、ＭＡＮ  Ｔｕｒｂｏ  ＡＧ（以前はＤｅｇｇｅｎｄｏｒｆｅｒ  Ｗｅｒｆｔ  ａｎｄ  Ｅｉｓｅｎｂａｕ  ＧｍｂＨ）（Ｏｂｅｒｈａｕｓｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ）から市販されている図１ｅに例示されるタイプの触媒クリップなどと組み合わせて、ツイスティーインサートを設置することが可能である。
【００６６】
本実施形態では段間熱交換器内でツイスティーインサートを利用するが、種々の代替的乱流誘発インサートが文献に開示されており、これらの多くは、熱交換器チューブで使用すべく市販されている。本開示の利点を考慮して、本発明に係るＳＳＯＩ反応器設計に使用するのに好適な高空隙率乱流誘発インサートを選択することは、当業者の能力の範囲内であり、少なくとも一実施形態では、「高空隙率乱流誘発インサート」という用語は、微粒子型不活性材料、例えば、５０％未満の典型的なバルク空隙率を有するＤｅｎｓｔｏｎｅ５７不活性スフェアなどを包含することは意図されないこともまた、理解すべきである。好適な市販の高空隙率乱流誘発インサートの例としては、米国特許第４，２０１，７３６号明細書に開示されかつＯｒｍｉｓｔｏｎ  Ｗｉｒｅ  Ｌｔｄ（Ｉｓｌｅｗｏｒｔｈ，Ｅｎｇｌａｎｄ）から市販されているワイヤータービュレーター、Ｃｈｅｍｉｎｅｅｒ，Ｉｎｃ．（Ｄａｙｔｏｎ，Ｏｈｉｏ  ＵＳＡ）から市販されているＫｅｎｉｃｓスタティックミキサーエレメント、及びＫｏｃｈ  Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｃｏｍｐａｎｙ，ＬＰ（Ｈｏｕｓｔｏｎ，Ｔｅｘａｓ  ＵＳＡ）から市販されているツイストテープが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００６７】
少なくとも一実施形態では、オープン段間領域１５０は、例えば、５，５１７ｍｍ（１８．１ｆｔ）の直径及び２，１００ｍｍ（６．９ｆｔ）の長さを有する。本発明に係るＳＳＯＩ反応器設計の少なくとも一実施形態によれば、ファウリング物質を除去すべく、少なくとも９３０ｍ2（１０，０００ｆｔ2）、例えば、少なくとも２，７９０ｍ2（３０，０００ｆｔ2）、３，７２０ｍ2（４０，０００ｆｔ2）などの全表面積を提供するのに十分な量で、１つ以上の安定大表面積不活性材料１５１がオープン段間領域に少なくとも部分的に充填される。
【００６８】
少なくとも一実施形態では、不活性材料は、セラミックス、鉱物、金属、及びポリマーからなる群から選択される少なくとも１つのタイプの材料を含みうる。
【００６９】
プロピレンをアクリル酸に酸化するプロセスに関する少なくとも一実施形態では、安定材料は、約３６５℃までの温度、約３ａｔｍまでの圧力、及び化学化合物、例えば、プロピレン、アクリル酸、一酸化炭素、酢酸、アクロレインなどに耐える材料から選択されうる。本発明に係るＳＳＯＩ反応器で使用するのに好適な安定不活性材料の例としては、炭素鋼、３１６ステンレス鋼、モネル、アルミナ、シリカ、炭化ケイ素、及び磁器が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００７０】
安定大表面積不活性材料の例としては、６ｍｍ×６ｍｍのアルミニウムラシヒリング、直径５ｍｍの炭化ケイ素スフェア、２０細孔／ｉｎ（ｐｐｉ）の連続気泡セラミックフォーム、直径１６ｍｍ（５／８ｉｎ）のステンレス鋼ポールリング、又は１３ｍｍのＭａｃｒｏＴｒａｐ（商標）Ｍｅｄｉａ１．５（Ｎｏｒｔｏｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｃｏｒｐ（Ａｋｒｏｎ  ＯＨ，ＵＳＡ）から入手可能である）が挙げられるが、これらに限定されるものではない。当然ながら、本開示の教示を考慮して、本発明に係るＳＳＯＩ反応器と併用すべく他の好適な安定大表面積不活性材料（本明細書で特定的に命名されているわけではない）を選択することは、プロセス工学の当業者の能力の範囲内である。
【００７１】
オープン段間領域１５０のシェルは、下側マンウェイ中心線がＲ２入口チューブシート１５５から約５００ｍｍ（１９．７ｉｎ）の距離に位置するように配置された２つの直径８３２ｍｍ（３２．７５ｉｎ）の下側マンウェイ（図１ａには示されていない）を反応器の両側に（１８０度離れて）含みうる。そのほかに、オープン段間領域１５０のシェルは、マンウェイ中心線がＩＳＨＸチューブシート１４５から約４２０ｍｍ（１６．５ｉｎ）の距離に位置するように配置された２つの直径６６７ｍｍ（２６．２６ｉｎ）の上側マンウェイ（図１ａには示されていない）を反応器の両側に（１８０度離れて）含みうる。これらのマンウェイは、触媒交換及び他の保守作業のためにオープン段間領域１５０の内部に人がアクセスできるようにする。上側マンウェイはまた、オープン段間領域内に微粒子状材料（例えば、ルーズフィルのスフェア、シリンダー、タブレット、ペレット、及びグラニュール）を移送するのに有利に利用されうる。この実施形態では、バルクの直径３８ｍｍ（１．５ｉｎ）のＥｎｖｉｒｏＳｔｏｎｅ６６セラミックススフェア（Ｃｒｙｓｔａｐｈａｓｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ（Ｈｏｕｓｔｏｎ  Ｔｅｘａｓ  ＵＳＡ）から入手可能である）を供給ホッパー内に配置し、一時的導管により上側マンウェイに接続し、次いで、重力の影響下で「注加」によりオープン段間領域内に移送する。
【００７２】
移送の終了時、注加により自己集合して約４０％の空隙率及び９４．５ｍ2／立方メートル（２８．８ｆｔ2／立方ｆｔ）の表面積対バルク体積を有する床を形成したスフェアは、オープン段間領域内の容積の約９３％を占めて、ＥｎｖｉｒｏＳｔｏｎｅ６６層の頂部とＩＳＨＸチューブシートの底部表面との間に約１５０ｍｍ（６ｉｎ）の空き空間を残す。得られたセラミックススフェア床は、１，９５７ｍｍ（６．４ｆｔ）の平均深さを有し、かつ４６．７ｍ3（１，６５０ｆｔ3）のバルク体積を占め、それにより、ファウリング物質を除去すべく４，４００ｍ2（４７，３００ｆｔ2）超の表面積を提供する。
【００７３】
以上の実施形態では、第２反応段１６０は、４，５００ｍｍ（１４．７６ｆｔ）の長さを有し、かつ１６５ａ、１６５ｂ、１６５ｃとして図中に一般的に示される複数のシームレス炭素鋼チューブを含有する。第２反応段の各チューブの入口端部は、例えば溶接又は圧延により、Ｒ２入口チューブシート（それ自体は示されていないが、溶接接続部１５５と図中で同一位置に位置決めされる）に装着可能である。各チューブセクション１６５ａ、１６５ｂ、１６５ｃの出口端部は、例えば溶接又は圧延により、Ｒ２出口チューブシート（それ自体は示されていないが、分離可能接続部１７５と図中で同一位置に位置決めされる）に装着可能である。
【００７４】
この実施形態に係るＲ２入口チューブシートは、５，５１７ｍｍ（１８．１ｆｔ）の直径であり、かつ２２，０００本のチューブを含む。Ｒ２入口チューブシートのレイアウトは、チューブシートの中心にあるチューブが存在しない空の円形領域を含めて、Ｒ１入口チューブシート（図１ｃ参照）と同一であり、この空の円形領域もまた、１，１４４ｍｍ（３．７５ｆｔ）の直径を有する。第２反応段内のチューブは、２２．３ｍｍ（０．８７８ｉｎ）の内径及び２６．９ｍｍ（１．０６０ｉｎ）の外径を有する。チューブは、３４ｍｍ（１．３４ｉｎ）のチューブシートピッチで６０度の三角形パターン上に配置されるので、チューブ間距離は、７ｍｍ（０．２７５ｉｎ）になる。
【００７５】
多くのＲ２触媒が市販されており、本発明に係るＳＳＯＩ反応装置で使用するのに好適である。好適な第２段（Ｒ２）触媒としては、日本の株式会社日本触媒から市販されているＡＣＳ、ＡＣＳ−２、ＡＣＳ−６、ＡＣＳ−７、及びＡＣＳ−８、ならびに日本の日本化薬株式会社から市販されているＴ−２０２が挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらの触媒のいくつかは、２つ以上のサイズで入手可能であり、例えば、ＡＣＳ−７触媒は、大直径及び小直径の両方のスフェアとして入手可能であり（本明細書ではＡＣＳ−７Ｌ（大）及びＡＣＳ−７Ｓ（小）と称される）、単独又は組合せで使用されうる。また、Ｒ２チューブの一部分は、各チューブ内の特定位置に予備加熱ゾーン又は冷却ゾーンを形成するために、例えば、直径５ｍｍ（３／１６インチ）のシリカアルミナ支持スフェア（「ＳＡ−５２１８」と称され、Ｎｏｒｔｏｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｃｏｒｐ（Ａｋｒｏｎ  ＯＨ，ＵＳＡ）から入手可能である）などの不活性材料を含有しうる。第２反応段のチューブ内の適切なＲ２触媒及び不活性物質の選択及び設置は、当業者の能力の範囲内である。
【００７６】
この実施形態では、段間熱交換器内のツイスティーインサートさらに第２反応段（Ｒ２）触媒は両方とも、ワイヤーメッシュを含む触媒支持グリッドパネルを用いて、反応器チューブ内に保持される。ワイヤーメッシュを含む触媒支持グリッドパネルを使用すると、伝統的な触媒クリップ又は他のチューブ内保持手段を使用する場合と比較して、触媒の設置時及び除去時に有意な人手及び時間の節約を提供しうる。この特定の実施形態では、触媒支持グリッドパネルは、直径０．６ｍｍのワイヤーから形成された２．７ｍｍワイヤーメッシュのセグメントを含む。ワイヤーメッシュセグメントは、Ｒ２出口チューブシートの特定のジオメトリーにマッチするパターンで複数の直径２２．３ｍｍの孔を含む厚さ１５ｍｍ（０．６ｉｎ）の支持プレートに溶接される。この結果、約９１８ｍｍ×４７１ｍｍ（３６ｉｎ×１８．５ｉｎ）の公称矩形寸法を有する一群の略矩形触媒支持グリッドパネルが得られる。反応器チューブシートの外周に沿って取付けられるパネルは、当然ながら、１つ以上の弧の存在により真の矩形形状から外れるので、フルサイズの矩形パネルよりもやや小さい面積を呈する。
【００７７】
この実施形態では、第２反応段のチューブ内にＲ２触媒を保持するために、合計６０個の触媒支持グリッドパネルが利用される。反応器チューブ内に触媒を導入する前、各触媒支持グリッドパネルは、Ｒ２出口チューブシートの底部表面と直接接触した状態でワイヤーメッシュと共に配置可能であり、かつパネルは、パネルの中実領域を貫通するボルトで固定可能であり、チューブシートに直接固定される。少なくとも一実施形態では、ボルトは、Ｒ２出口チューブシートに永久的に装着可能であり、触媒支持グリッドパネルを完全に貫通して延在するように十分に露出される垂直長さを有する。その場合、触媒支持グリッドパネルは、コッターピンなどの２つのタインを含む取外し可能な金属ファスナーを用いて、所定の位置に固定可能である。各ボルトの端部は、ボルトの軸に垂直に走る孔を含み、その孔をコッターピンのタインが貫通する。次いで、設置の際に２つのタインを外向きに曲げてコッターピンをボルトに固定する。ツイスティーインサートもまた、ボルト及びコッターピンでＩＳＨＸチューブシートの底部表面に固定された類似の触媒支持グリッドパネルを用いて、段間熱交換器のチューブ内に保持される。
【００７８】
本明細書ではこの実施形態に係る２２，０００本チューブＳＳＯＩ反応器との関連で説明されているが、ワイヤーメッシュを含む触媒支持グリッドパネルを使用すると、大規模な商用ＳＳＯＩ反応器、例えば、２５，０００本のチューブ、３０，０００本のチューブ、４５，０００本のチューブ、それ以上のチューブなどを含むＳＳＯＩ反応器のさらに大きな利点が提供されるであろう。したがって、本発明では、ワイヤーメッシュを含む触媒支持グリッドパネルを用いて２５，０００本以上のチューブを含むＳＳＯＩ反応器のチューブ内に触媒を保持することが最も好ましい。また、本開示を考慮して、本明細書に開示されるワイヤーメッシュを含む触媒支持グリッドパネルは、他の反応器設計、例えば、タンデム反応器、ＳＲＳ反応器などに有利に組み込まれうることは、明らかであろう。したがって、本発明はさらに、ワイヤーメッシュを含む触媒支持グリッドパネルを用いてタンデム反応器又はＳＲＳ反応器のチューブ内に触媒を保持することを含む。
【００７９】
次に、図１ｂを参照すると、本発明に係るＳＳＯＩ反応器のこの実施形態は、必要に応じて各冷却セクション（１１０、１３０、１６０）の温度を個別に調整する能力を提供する、独立して制御される３つのクーラント循環系を含む。Ｃｏａｓｔａｌ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．（Ｈｏｕｓｔｏｎ，Ｔｅｘａｓ  ＵＳＡ）から入手可能なＨＩＴＥＣ（登録商標）伝熱塩は、この実施形態の３つの循環系の全てにクーラント媒体として使用される。これらの系は、本明細書では、第１反応段１１０を支援するＲ１塩循環系、段間熱交換器１３０を支援するＩＳＨＸ塩循環系、及び第２反応段１６０を支援するＲ２塩循環系として参照される。
【００８０】
本発明の少なくとも一実施形態に適合して、そのようなクーラント系構成は、第１反応段のプロセス温度とは独立して段間熱交換器のプロセス側温度の制御を可能にしうるので、ＩＳＨＸを離れるプロセスガスを少なくとも２４０℃かつ２８０℃以下の温度に維持しうる。本発明に係る設計の本質的特徴ではないが、この実施形態はまた、段間熱交換器のプロセス温度とは独立して第２反応段のプロセス側温度を制御する能力を提供し、酸化プロセス操作を制御するそのような追加の能力は、本発明の少なくとも一実施形態で使用される。
【００８１】
この実施形態の３つのクーラント循環系のそれぞれは、１つ以上の塩循環ポンプ、廃熱ボイラー、及び副生成物スチームを生成すべく酸化反応の発熱を回収可能な関連移送パイプ（図示せず）を含みうる。また、塩貯蔵タンク、ガス燃焼塩ヒーター、一体型熱膨張槽（「塩バッスル」としても知られる）、塩移送ポンプなどの任意選択の装置を塩循環系に組み込みうる。さらに、これらの各循環系は、反応器に供給される塩の温度及び循環速度を所望の目標値に維持すべく、熱電対などの機器（図示せず）及び流量制御バルブなどの自動制御手段を含みうる。
【００８２】
Ｒ１塩循環系支援セクション１１０では、冷却塩は、セクションの底部近傍のＲ１供給ライン１２１を介して進入しうる。また、１つ以上のバッフル、フローベーン、堰、スクリーン、有孔プレートディストリビューターなどの内部フロー分布手段を含みかつ「下側塩マニホールド」として一般に参照される入口チャネル（図示せず）を介して、反応器の外周の周りに均一に分布させることが可能である。反応器シェル内に入った後、塩は、熱交換の技術分野で「ダブルセグメントバッフル」１２２として公知の一連の等間隔のシェル側プレートの周りを流れることにより、反応器シェルを半径方向に繰返し横切って流上しうる。この半径方向フローパターンは、チューブからの高い熱除去効率を達成すべく、チューブへの塩の良好な接触を確保しうる。Ｒ１セクションの頂部に達した後、加温塩は、「上側塩マニホールド」として一般に参照される他の外周出口チャネル（図示せず）（任意選択でフロー分布手段を含みうる）を介して捕集可能であり、かつＲ１帰還ライン１２３を介して廃熱ボイラー（図示せず）に移送可能である。
【００８３】
ＩＳＨＸ塩循環系支援セクション１３０では、冷却塩は、セクションの底部近傍のＩＳＨＸ供給ライン１４１を介して進入しうる。また、１つ以上のバッフル、フローベーン、堰、スクリーン、有孔プレートディストリビューターなどの内部フロー分布手段を含む入口チャネル（「下側塩マニホールド」、図示せず）を介して、反応器の外周の周りに均一に分布させうる。反応器シェル内に入った後、塩は、一連の等間隔のダブルセグメントバッフル１４２の周りを流れることにより、反応器シェルを半径方向に繰返し横切って流上可能である。ＩＳＨＸセクションの頂部に達した後、加温塩は、フロー分布手段を任意選択で含みうる他の外周出口チャネル（「上側塩マニホールド」、図示せず）を介して捕集可能であり、かつＩＳＨＸ帰還ライン１４３を介して廃熱ボイラー（図示せず）に移送される。
【００８４】
同様に、Ｒ２塩循環系支援セクション１６０では、冷却塩は、セクションの底部近傍のＲ２供給ライン１７１を介して進入しうる。また、１つ以上のバッフル、フローベーン、堰、スクリーン、有孔プレートディストリビューターなどの内部フロー分布手段を含む「下側塩マニホールド」（図示せず）を介して、反応器の外周の周りに均一に分布させることが可能である。反応器シェル内に入った後、塩は、一連の等間隔のダブルセグメントバッフル１７２の周りを流れることにより、反応器シェルを半径方向に繰返し横切って流上しうる。Ｒ２セクションの頂部に達した後、加温塩は、フロー分布手段を任意選択で含みうる他の外周「上側塩マニホールド」（図示せず）を介して捕集可能であり、かつＲ２帰還ライン１７３を介して廃熱ボイラー（図示せず）に移送される。
【００８５】
プロセスフローに対して略反対方向に移動するクーラントフローの構成（この場合、塩は、シェルを介して流上し、一方、プロセスガスは、チューブを介して流下する）は、向流クーラント循環として一般に参照される。クーラントがシェルを介して略下向きに流れ、かつプロセスガスがチューブを介して略上向きに流れる代替構成もまた、向流クーラント循環とみなされることに留意すべきである。さらに、本実施形態は、同一構成のクーラント循環系を３つ含むが、いくつかの場合、いくつかのクーラント循環を向流として構成することが有益でありうるとともに、同一反応器内の他の循環を並流として構成しうることを認識すべきである。そのような不均一構成は、「ハイブリッド」クーラント循環として知られる。
【００８６】
本発明に係るＳＳＯＩ反応器のプロセス「アップフロー」構成は、図２に例示される。供給ガス（プロピレン、スチーム、酸素、及び窒素を含む）は、底部から反応器に入り、反応器を介して垂直に流上し、そして頂部で反応器から出る。
【００８７】
反応器の主要セクションは、入口ヘッド２００、第１反応段２１０（本明細書では「Ｒ１」としても参照される）、段間熱交換器２３０（本明細書では「ＩＳＨＸ」としても参照される）、オープン段間領域２５０、第２反応段２６０（本明細書では「Ｒ２」としても参照される）、及び出口ヘッド２８０を含む。インターフェース２２５、２４５、及び２５５は全て、永久（例えば溶接）接続部であり、一方、インターフェース２０５及び２７５は、分離可能接続部であり、保守のために反応器ヘッド２００及び２８０を取外し可能である。
【００８８】
第１反応段２１０は、２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃとして図中に一般的に示される複数のチューブを含有する。これらの各チューブの入口端部は、例えば溶接又は圧延により、Ｒ１入口チューブシート（それ自体は示されていないが、分離可能接続部２０５と同一位置に位置決めされる）に装着される。また、段間熱交換器２３０は、２３５ａ、２３５ｂ、２３５ｃとして図中に一般的に示されるかつ数、直径、及び配置が第１反応段のチューブに等しい複数のチューブを含有する。各ＩＳＨＸチューブセグメント２３５ａ、２３５ｂ、２３５ｃの出口端部は、例えば溶接又は圧延により、ＩＳＨＸチューブシート（それ自体は示されていないが、溶接接続部２４５と図中で同一位置に位置決めされる）に装着可能である。
【００８９】
段間熱交換器のチューブは、第１反応段のＲ１チューブと同軸状に連続していると言われ、このことは、チューブセグメント２３５ａがチューブ２１５ａの上端部であり、チューブセグメント２３５ｂがチューブ２１５ｂの上端部であり、チューブセグメント２３５ｃがチューブ２１５ｃの上端部であり、他も同様であることを意味する。以上で述べたように、第１反応段への段間熱交換器の直接接続は、本明細書では一体化段間熱交換器として参照される。
【００９０】
Ｒ１シェル側クーラント循環は、段間バッフル（それ自体は示されていないが、接続部２２５と図中で同一位置に位置決めされる）によりＩＳＨＸシェル側クーラントから分離可能であり、Ｒ１入口チューブシートからＩＳＨＸ出口チューブシートまで延在する同軸状に連続するチューブのそれぞれは、この段間バッフルを貫通可能である。バッフルへのチューブの装着が存在せず、その代わりに、段間バッフルを貫通する穿孔が、チューブ（２１５ａ、ｂ、ｃ）の外径よりもわずかに大きい内径であり、その結果、幅０．２５〜２．５ｍｍの小さい環状ギャップ（図示せず）が各チューブの周りに形成されるという点で、段間バッフルは、真のチューブシートとは異なることに留意すべきである。Ｒ１シェル側クーラント循環（図示せず）は、並流構成又は向流構成で配置されうる。同様に、ＩＳＨＸシェル側クーラント循環もまた、並流構成又は向流構成で配置されうるが、Ｒ１シェル側クーラント循環の構成にマッチさせる必要はない。
【００９１】
少なくとも一実施形態では、オープン段間領域２５０は、チューブを含有しない。本発明の少なくとも一実施形態に係るＳＳＯＩ反応器設計によれば、ファウリング物質を除去すべく、少なくとも９３０ｍ2（１０，０００ｆｔ2）、好ましくは少なくとも２，７９０ｍ2（３０，０００ｆｔ2）、最も好ましくは３，７２０ｍ2（４０，０００ｆｔ2）の全表面積を提供するのに十分な量で、１つ以上の安定大表面積不活性材料２５１がオープン段間領域に少なくとも部分的に充填される。
【００９２】
第２反応段２６０は、２６５ａ、２６５ｂ、２６５ｃとして図中に一般的に示される複数のチューブを含有しうる。第２反応段の各チューブの入口端部は、例えば溶接又は圧延により、Ｒ２入口チューブシート（それ自体は示されていないが、溶接接続部２５５と図中で同一位置に位置決めされる）に装着されうる。各チューブセクション２６５ａ、２６５ｂ、２６５ｃの出口端部は、例えば溶接又は圧延により、Ｒ２出口チューブシート（それ自体は示されていないが、インターフェース２７５と図中で同一位置に位置決めされる）に装着されうる。図２に示される実施形態の新規な特徴は、第２反応段のチューブ（Ｒ２チューブ）の数、直径、及び配置の１つ以上が、第１反応段（Ｒ１チューブ）のチューブとは異なることである。
【００９３】
図２の反応器の一実施形態は、１２０ｋＴのアクリル酸の公称年間製造能力を有する。この実施形態で使用されるクーラント媒体は、Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．（Ｍｉｄｌａｎｄ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ  ＵＳＡ）  から入手可能なＤｏｗｔｈｅｒｍ（商標）伝熱流体である。この実施形態では、２２，６６９本の第１反応段（Ｒ１）チューブ及び１４，５２３本の第２反応段（Ｒ２）チューブが存在する。Ｒ１チューブは、内径２５．４ｍｍ（１ｉｎ）及び長さ４，７００ｍｍ（１５．４ｆｔ）（Ｒ１チューブシートから段間バッフルまで）であり、Ｒ２チューブは、内径３１．８ｍｍ（１．２５ｉｎ）及び長さ４，５００ｍｍ（１４．７５ｆｔ）である。以上に記載のツイスティーインサートは、各ＩＳＨＸチューブセグメントに設置される。この実施形態に係るオープン段間領域は、４０ｍ3（１，４１３ｆｔ3）の全容積を有し、かつ不活性材料として１６ｍｍ（５／８ｉｎ）のステンレス鋼ポールリングが完全に充填される。そのようなポールリングは、９３％の空隙率及び３１６ｍ2／ｍ3の比表面積を有し、それにより、オープン段間領域内で４１，４８０ｍ2（４４６，５００ｆｔ2）超の全表面積を提供する。この実施形態の段間滞留時間は、３秒間である。
【００９４】
図２の反応器の代替実施形態はまた、１２０ｋＴのアクリル酸の公称年間製造能力を有する。しかしながら、この実施形態では、２９，４１０本の第１反応段（Ｒ１）チューブ及び２２，６７２本の第２反応段（Ｒ２）チューブが存在する。Ｒ１チューブは、内径２２．３ｍｍ（０．８７８ｉｎ）及び長さ４，６００ｍｍ（１５．１ｆｔ）（Ｒ１チューブシートから段間バッフルまで）であり、Ｒ２チューブは、内径２５．４ｍｍ（１ｉｎ）及び長さ４，２００ｍｍ（１３．８ｆｔ）である。以上に記載のツイスティーインサートをＩＳＨＸチューブ内に配置するのではなく、この実施形態に係るＩＳＨＸチューブは、その代わりに、乱流誘発インサートを用いることなく乱流を誘発する特別ヘリカルチューブ設計の「ツイストチューブ」を用いて構築される。ツイストチューブは、Ｋｏｃｈ  Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｃｏｍｐａｎｙ，ＬＰ（Ｈｏｕｓｔｏｎ，Ｔｅｘａｓ  ＵＳＡ）から市販されている。オープン段間領域は、２，４３８ｍｍ（８ｆｔ）の全長を有し、かつ直径２ｉｎのＥｎｖｉｒｏＳｔｏｎｅ６６スフェアが充填され、４，４５０ｍ2（４８，０００ｆｔ2）超の全表面積及び約２．１秒間の段間滞留時間を提供する。この実施形態で使用されるクーラント媒体は、ＨＩＴＥＣ（登録商標）伝熱塩である。
【００９５】
図３ａ及び３ｂは、組合せで、１６，０００本超のチューブを含む本発明に係る単一シェルオープン段間（ＳＳＯＩ）反応器設計の他の実施形態を示している。この実施形態に係る反応器は、約４，８００ｍｍ（１５．７５ｆｔ）のシェル直径及び１８，２９０ｍｍ（６０ｆｔ）超の全長を有する。典型的な供給比及び２，９３５Ｎｍ3／ｈｒ（１１０ＭＳＣＦＨ）の設計プロピレン供給速度で、この実施形態に係る反応器は、約６３ｋＴのアクリル酸の公称年間製造能力を有する。
【００９６】
供給ガス（例えば、プロピレン、スチーム、酸素、及び窒素を含みうる）は、頂部から反応器に入り（図３ａ参照）、反応器を介して垂直に流下し、そして底部で反応器から出る（すなわち、ダウンフロー操作）。
【００９７】
反応器の主要セクションは、入口ヘッド３００、第１反応段３１０（本明細書では「Ｒ１」としても参照される）、段間熱交換器３３０（本明細書では「ＩＳＨＸ」としても参照される）、オープン段間領域３５０、第２反応段３６０（本明細書では「Ｒ２」としても参照される）、及び出口ヘッド３８０を含む。とくに明記されていないかぎり、この実施形態の反応器コンポーネントは全て、炭素鋼から構築される。３０５、３２５、３４５、３５５、及び３７５として図中に規定される近接セクション間のインターフェースは全て、永久（例えば溶接）接続部でありうる。
【００９８】
反応器入口ヘッド３００は、約４，０４０ｍｍ（１３．２５ｆｔ）の高さであり、かつ取外し可能ではない。それは、保守アクセスのためにヘッドの側部及び頂部に複数の６１０ｍｍ（２４ｉｎ）のマンウェイ（図示せず）を含む。入口ヘッドはさらに、５０８ｍｍ（２０ｉｎ）のプロセスガス入口ノズルを含む。
【００９９】
この実施形態によれば、第１反応段３１０は、４，６００ｍｍ（１５．１ｆｔ）の長さを有し、かつ３１５ａ、３１５ｂ、３１５ｃとして図中に一般的に示される複数のシームレス炭素鋼チューブを含有する。第１反応段の各チューブの入口端部は、例えば溶接又は圧延により、Ｒ１入口チューブシート（それ自体は示されていないが、分離可能接続部３０５と図中で同一位置に位置決めされる）に装着可能である。第１反応段３１０内の各チューブは、段間バッフル３２６（図３ｂ参照）を介して延在し、かつ１，９５６ｍｍ（６．４ｆｔ）の長さを有する段間熱交換器３３０を完全に貫通する。このことは、チューブセグメント３３５ａがチューブ３１５ａの下端部であり、チューブセグメント３３５ｂがチューブ３１５ｂの下端部であり、チューブセグメント３３５ｃがチューブ３１５ｃの下端部であり、以下同様であることを意味する。結果として、これらの同軸状に連続するチューブの実際の長さは、インターフェーシャル接続部３０５とインターフェーシャル接続部３４５との間の距離に等しい６，５５６ｍｍ（２１．５ｆｔ）である。各チューブセグメント３３５ａ、３３５ｂ、３３５ｃの出口端部は、例えば溶接又は圧延により、ＩＳＨＸチューブシート（それ自体は示されていないが、溶接接続部３４５と図中で同一位置に位置決めされる）に装着される。以上に記載したように、この設計上の特徴は、本明細書では一体化段間熱交換器として参照される。この実施形態では、バッフルへのチューブの溶接が存在せず、その代わりに、段間バッフル３２６を貫通する穿孔が、チューブ（３１５ａ、ｂ、ｃ）の外径よりもわずかに大きい内径であり、その結果、幅０．２５〜２．５ｍｍの小さい環状ギャップ（図示せず）が各チューブの周りに形成されるという点で、段間バッフル３２６は、真のチューブシートとは異なることに留意すべきである。この環状ギャップが理由で、少量のＩＳＨＸ冷却塩（好ましくは、Ｒ１冷却塩よりもわずかに高い圧力で供給される）は、段間バッフルを連続的に通り抜けて、Ｒ１冷却塩循環と合流一体化しうる。本開示の利点を考慮して、プロセス工学の当業者であれば、Ｒ１循環系から適切量の塩を再循環してＩＳＨＸ循環系に戻すための手段を容易に特定しうるので、本明細書にさらに詳細に記載する必要はない。
【０１００】
図３ａに一般的に示されるように、反応器の第１反応段領域は、チューブシートの中心に位置しかつ反応器の長手方向軸にアライメントされた空のシリンダー状容積を含みうる。このシリンダー状容積内にはチューブは存在しない。この空のシリンダー状容積は、６１０ｍｍ（２ｆｔ）超の平均直径を有し、かつさらにＩＳＨＸを介して延在する。第１反応段及びＩＳＨＸの残りの環状容積は、１６，０００本超の同軸状に連続するチューブを含む。これらの各連続チューブは、２２．３ｍｍ（０．８７８ｉｎ）の内径及び２７．３ｍｍ（１．０７４ｉｎ）の外径を有する。チューブは、３３．７３ｍｍ（１．３２８ｉｎ）のチューブシートピッチで６０度の三角形パターン上に配置されるので、チューブ間距離は、約６．５ｍｍ（０．２５４ｉｎ）になる。
【０１０１】
これらの連続チューブ内に触媒を保持するために、ワイヤーメッシュを含む複数の以上に記載の触媒支持グリッドパネルをＩＳＨＸ出口チューブシート３４５に直接装着することが可能である。次いで、チューブの上流（入口）端部から始めて、次のように連続チューブのそれぞれに充填しうる。
・  ２８２ｍｍ（１１インチ）の直径３／１６インチ（４．７５ｍｍ）のＳＡ−５２１８シリカアルミナ支持スフェア（Ｎｏｒｔｏｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｃｏｒｐ（Ａｋｒｏｎ  ＯＨ，ＵＳＡ）から入手可能である）
・  ９０５ｍｍ（３６インチ）のＡＣＦ７−Ｌ（大シリンダー）触媒
・  ３，４１３ｍｍ（１３４インチ）のＡＣＦ７−Ｓ（小シリンダー）触媒
・  ５１ｍｍ（２インチ）の５／１６インチ直径の炭化ケイ素リング（Ｎｏｒｔｏｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｃｏｒｐ（Ａｋｒｏｎ  ＯＨ，ＵＳＡ）から入手可能である）
・  上流端部に任意選択の８×８ワイヤーメッシュを備えた長さ１，９０５ｍｍ（７５インチ）のツイスティー乱流誘発インサート
【０１０２】
この充填スケジュールは、各第１反応段チューブ内に１．２７３ｋｇの仕込み量の全ＡＣＦ７触媒（大＋小サイズシリンダー）をもたらす。
【０１０３】
この実施形態では、段間熱交換器を介するプロセスガスの滞留時間は、０．９６秒間であることが見いだされる。
【０１０４】
この実施形態に係るオープン段間領域３５０は、２，１３４ｍｍ（７ｆｔ）の全長を有する。そのシェルは、下側マンウェイ中心線がＲ２入口チューブシート３５５から約３５６ｍｍ（１４ｉｎ）の距離に位置するように配置された２つの直径６１０ｍｍ（２４ｉｎ）の下側マンウェイ（図３ａには示されていない）を反応器の両側に（１８０度離れて）含む。そのほかに、オープン段間領域３５０のシェルは、マンウェイ中心線がＩＳＨＸチューブシート３４５から約３５６ｍｍ（１４ｉｎ）の距離に位置するように配置された２つの直径６１０ｍｍ（２４ｉｎ）の上側マンウェイ（図示せず）を反応器の両側に（１８０度離れて）含む。これらのマンウェイは、触媒交換及び他の保守作業のためにオープン段間領域３５０の内部に人がアクセスできるようにする。上側マンウェイはまた、オープン段間領域内に微粒子状材料（例えば、ルーズフィルのスフェア、シリンダー、タブレット、ペレット、及びグラニュール）を注加などにより移送するのに有利に利用されうる。
【０１０５】
図３ａに一般的に示されるように、オープン段間領域は、反応器の長手方向軸にアライメントされた直径６１０ｍｍ（２ｆｔ）の内部塩移送パイプ３５３を含む。内部塩移送パイプ３５３は、ＩＳＨＸチューブシート３４５からＲ２入口チューブシート３５５までオープン段間領域の長さ全体にわたり延在し、かつ熱膨張に適応すべく一体型エキスパンションジョイント（図示せず）をさらに含む。この実施形態では、オープン段間領域の残りの環状容積の約７５％は、図３ａに３５１として一般的に示されるバルクの直径３８ｍｍ（１．５ｉｎ）のＤｅｎｓｔｏｎｅ２０００不活性スフェア（Ｎｏｒｔｏｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｃｏｒｐ（Ａｋｒｏｎ  ＯＨ，ＵＳＡ）から入手可能である）が充填される。
【０１０６】
少なくとも一実施形態では、注加により自己集合して約４０％の空隙率及び９４．５ｍ2／ｍ3（２８．８ｆｔ2／ｆｔ3）の表面積対バルク体積を有する床を形成した不活性スフェアは、約１，６００ｍｍ（５．２５ｆｔ）の平均深さを有する床を形成し、かつＤｅｎｓｔｏｎｅ２０００層の頂部とＩＳＨＸチューブシートの底部表面との間に約５３３ｍｍ（１．７５ｆｔ）の空き空間を残す。したがって、セラミックススフェア床は、２８．５ｍ3（１，００６ｆｔ3）のバルク体積を占め、かつファウリング物質を除去すべく２，６９０ｍ2（２８，９６５ｆｔ2）超の表面積を提供する。
【０１０７】
オープン段間領域を介するプロセスガスの滞留時間は、１．７９秒間であることが見いだされる。ＩＳＨＸ及びオープン段間領域を介する滞留時間の和をとると、２．７５秒間の合計段間滞留時間になる。
【０１０８】
この実施形態では、第２反応段３６０は、２，９２５ｍｍ（９．６ｆｔ）の長さを有し、かつ３６５ａ、３６５ｂ、３６５ｃとして図中に一般的に示される複数のシームレス炭素鋼チューブを含有する。第２反応段の各チューブの入口端部は、例えば溶接又は圧延により、Ｒ２入口チューブシート（それ自体は示されていないが、溶接接続部３５５と図中で同一位置に位置決めされる）に装着される。各チューブセクション３６５ａ、３６５ｂ、３６５ｃの出口端部は、例えば溶接又は圧延により、Ｒ２出口チューブシート（それ自体は示されていないが、溶接接続部３７５と図中で同一位置に位置決めされる）に装着される。
【０１０９】
図３ａに一般的に示されるように、反応器の第２反応段領域は、チューブシートの中心に位置しかつ反応器の長手方向軸にアライメントされた空のシリンダー状容積を含みうる。このシリンダー状容積内にはチューブは存在しない。この空のシリンダー状体積は、６１０ｍｍ（２ｆｔ）超の直径を有する。第２反応段の残りの環状容積は、第１反応段と同一方式で配置された１６，０００本超のチューブを含み、これらのチューブのそれぞれは、２２．３ｍｍ（０．８７８ｉｎ）の内径及び２７．３ｍｍ（１．０７４ｉｎ）の外径を有する。第１反応段と同様に、これらのチューブは、３３．７３ｍｍ（１．３２８ｉｎ）のチューブシートピッチで６０度の三角形パターン上に配置される。
【０１１０】
第２反応段のチューブ内に触媒を保持するために、ワイヤーメッシュを含む複数の以上に記載の触媒支持グリッドパネルをＲ２出口チューブシート３７５に直接装着しうる。次いで、チューブの上流（入口）端部から始めて、次のように第２反応段チューブのそれぞれに充填可能である。
・  １０２ｍｍ（４ｉｎ）の直径３／１６ｉｎ（４．７５ｍｍ）のＳＡ−５２１８シリカアルミナ支持スフェア（Ｎｏｒｔｏｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｃｏｒｐから入手可能である）
・  ８００ｍｍ（３１．５ｉｎ）のＡＣＳ７−Ｌ（大スフェア）触媒
・  ２，０２３ｍｍ（７９．６ｉｎ）のＡＣＦ７−Ｓ（小スフェア）触媒
【０１１１】
この充填スケジュールは、各第２反応段チューブ内に１．３３８ｋｇの仕込み量の全ＡＣＳ７触媒（大＋小サイズスフェア）及び反応器に対して１．０５の全触媒質量比をもたらす。
【０１１２】
反応器出口ヘッド３８０は、約３，４３０ｍｍ（１１．２５ｆｔ）の高さであり、かつ取外し可能ではない。それは、保守アクセスのためにヘッドの底部に２つの６１０ｍｍ（２４ｉｎ）のマンウェイ（図示せず）を含む。出口ヘッドはさらに、６１０ｍｍ（２４ｉｎ）のプロセスガス出口ノズルを含む。
【０１１３】
次に、図３ｂを参照すると、本発明に係るＳＳＯＩ反応器のこの実施形態は、独立して制御される２つのクーラント循環系、すなわち、第１反応段３１０を支援するＲ１塩循環系と、段間熱交換器３３０及び第２反応段３６０を組み合わせて支援するＩＳＨＸ／Ｒ２塩循環系と、を含む。Ｃｏａｓｔａｌ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．（Ｈｏｕｓｔｏｎ，Ｔｅｘａｓ  ＵＳＡ）から入手可能なＨＩＴＥＣ（登録商標）伝熱塩は、この実施形態の循環系の両方にクーラントとして使用される。
【０１１４】
本開示の教示に適合して、そのようなクーラント系構成は、第１反応段のプロセス温度とは独立して段間熱交換器のプロセス側温度の制御を可能にするので、ＩＳＨＸを離れるプロセスガスを例えば少なくとも２４０℃かつ２８０℃以下の温度に維持しうる。しかしながら、この実施形態では、第２反応段のプロセス側温度は、段間熱交換器のプロセス温度とは独立して制御されないことに留意すべきである。
【０１１５】
これらの循環系のそれぞれは、１つ以上の塩循環ポンプ、廃熱ボイラー、及び副生成物スチームを生成すべく酸化反応の発熱を回収可能な関連移送パイプ（図示せず）を含みうる。また、塩貯蔵タンク、ガス燃焼塩ヒーター、一体型熱膨張槽（「塩バッスル」としても知られる）、塩移送ポンプなどの任意選択の装置を塩循環系に組み込みうる。さらに、これらの各循環系は、反応器に供給される塩の温度及び循環速度を所望の目標値に維持すべく、熱電対などの機器（図示せず）及び流量制御バルブなどの自動制御手段を含みうる。
【０１１６】
Ｒ１塩循環系支援セクション３１０では、冷却塩は、セクションの頂部近傍のＲ１供給ライン３２３を介して進入し、１つ以上のバッフル、フローベーン、堰、スクリーン、有孔プレートディストリビューターなどの内部フロー分布手段を含みかつ「上側塩マニホールド」として一般に参照される入口チャネル（図示せず）を介して、反応器の外周の周りに均一に分布される。反応器シェル内に入った後、塩は、約３８０ｍｍ（１．２５ｆｔ）の間隔を隔てて配置されたかつ「ダブルセグメントバッフル」（３２２として一般的に示される）として熱交換の技術分野で公知の一連の１１個のシェル側プレートの周りを流れることにより、反応器を半径方向に繰返し横切って流下する。この半径方向フローパターンは、チューブからの高い熱除去効率を達成すべく、チューブへの塩の良好な接触を確保する。Ｒ１セクションの底部に達した後、加温塩は、「下側塩マニホールド」として一般に参照される他の外周出口チャネル（図示せず）（任意選択でフロー分布手段を含みうる）を介して捕集可能であり、かつＲ１帰還ライン３２１を介して廃熱ボイラー（図示せず）に移送可能である。
【０１１７】
ＩＳＨＸ／Ｒ２塩循環系支援セクション３３０及び３６０では、冷却塩は、セクション３３０の頂部近傍のＩＳＨＸ供給ライン３４３を介して進入し、１つ以上のバッフル、フローベーン、堰、スクリーン、有孔プレートディストリビューターなどの内部フロー分布手段を含む入口チャネル（「上側塩マニホールド」、図示せず）を介して、反応器の外周の周りに均一に分布される。反応器シェル内に入った後、塩は、約３６６ｍｍ（１．２０ｆｔ）の間隔を隔てて配置された一連の４個のダブルセグメントバッフル３４２の周りを流れることにより、反応器を半径方向に繰返し横切って流下する。ＩＳＨＸセクションの底部に達した後、塩は、内部塩移送パイプ３５３を介してＲ２セクション３６０内に流下することにより、オープン段間領域３５０を横切って移送されうる。Ｒ２セクション３６０のシェル内に入った後、塩は、約３９０ｍｍ（１．３０ｆｔ）の間隔を隔てて配置された他の一連の６個のダブルセグメントバッフル（３７２）の周りを流下することにより、継続して反応器シェルを半径方向に横切りうる。Ｒ２セクションの底部に達した後、加温塩は、任意選択でフロー分布手段を含みうる他の外周出口チャネル（「下側塩マニホールド」、図示せず）を介して捕集可能であり、かつＲ２帰還ライン３７１を介して廃熱ボイラー（図示せず）に移送可能である。
【０１１８】
プロセスフローに対して略等価な方向に移動する塩フローのこの構成（この場合、塩は、シェルを介して流下し、一方、プロセスガスは、チューブを介して流下する）は、並流クーラント循環として一般に参照される。塩がシェルを介して略上向きに流れ、かつプロセスガスがチューブを介して略上向きに流れる代替構成もまた、並流クーラント循環とみなされることに留意すべきである。
【０１１９】
図４は、それぞれ２２．３ｍｍ（０．８７８ｉｎ）の内径を有する２２，０００本のチューブを含む本発明に係る単一シェルオープン段間（ＳＳＯＩ）反応器設計の他の実施形態を示している。この実施形態に係る反応器は、約５，６００ｍｍ（１８．４ｆｔ）のシェル直径及び１５，２４０ｍｍ（５０ｆｔ）超の全長を有する。この反応器実施形態はさらに、反応器の段間領域への追加の酸化剤添加のための手段を含む。追加の酸化剤添加により提供される操作の柔軟性により、第１反応段に通常供給される酸素の一部をＲ１の下流の点に再配置できるようになるので、反応器供給原料中のプロピレン：空気モル比の増加及び反応器供給ガスの引火性の有利な低減がもたらされる。また、以下でより詳細に説明されるように、追加の酸化剤添加により、同様のサイズのＳＳＯＩ反応器と対比して、より高いプロピレン設計供給速度で反応器を効率的に操作できるようになるので、アクリル酸製造能力の増加がもたらされる。例えば、典型的な供給比で、この実施形態に係る反応器は、同様に２２，０００本の内径２２．３ｍｍのチューブを含むが約１００ｋＴのアクリル酸の公称年間製造能力しか有していない図１ａの反応器実施形態と比較して、約１１０ｋＴのアクリル酸の公称年間製造能力を有する。
【０１２０】
図４を参照すると、供給ガス（例えば、プロピレン、スチーム、酸素、及び窒素）は、底部から反応器に入り、反応器を介して垂直に流上し、そして頂部で反応器から出る。したがって、この配置は、「アップフロー」プロセス構成として知られる。
【０１２１】
反応器の主要セクションは、入口ヘッド４００、第１反応段４１０（本明細書では「Ｒ１」としても参照される）、段間熱交換器４３０（本明細書では「ＩＳＨＸ」としても参照される）、オープン段間領域４５０、第２反応段４６０（本明細書では「Ｒ２」としても参照される）、及び出口ヘッド４８０を含む。
【０１２２】
４０５、４２５、４４５、４５５、及び４７５として図中に規定された近接セクション間インターフェーシャル接続部は、永久（例えば溶接）接続部を含みうるか、又は任意選択で、複数のファスナー例えばボルトやクランプなどで固定されたフランジ接続部などの分離可能接続部を含みうる。図４の実施形態では、インターフェース４０５及び４７５は、分離可能接続部であるので、触媒交換のために入口ヘッド４００及び出口ヘッド４８０を容易に取外し可能であり、さらに、インターフェース４４５及び４５５もまた、分離可能接続部でありうるので、オープン段間領域４５０内のコンポーネントへの保守アクセスの改良がもたらされる。インターフェース４２５は、溶接接続部でありうる。
【０１２３】
第１反応段４１０は、４，６００ｍｍ（１５ｆｔ）の長さを有し、かつ４１５ａ、４１５ｂ、４１５ｃとして図中に一般的に示される複数のチューブを含有する。これらの各チューブの入口端部は、例えば溶接又は圧延により、Ｒ１入口チューブシート（それ自体は示されていないが、分離可能接続部４０５と同一位置に位置決めされる）に装着される。Ｒ１入口チューブシートは、５，５１７ｍｍ（１８．１ｆｔ）の直径であり、かつ２２，０００本のチューブを含む。チューブは、２２．３ｍｍ（０．８７８ｉｎ）の内径及び２６．９ｍｍ（１．０６０ｉｎ）の外径を有する。チューブは、３４ｍｍ（１．３４ｉｎ）のチューブシートピッチで６０度の三角形パターン上に配置されるので、チューブ間距離は、７ｍｍ（０．２７５ｉｎ）になる。
【０１２４】
また、段間熱交換器４３０は、４３５ａ、４３５ｂ、４３５ｃとして図中に一般的に示されるかつ数、直径、及び配置が第１反応段のチューブに等しい複数のチューブを含有しうる。各ＩＳＨＸチューブセグメント４３５ａ、４３５ｂ、４３５ｃの出口端部は、例えば溶接又は圧延により、ＩＳＨＸチューブシート（それ自体は示されていないが、インターフェーシャル接続部４４５と図中で同一位置に位置決めされる）に装着されうる。
【０１２５】
段間熱交換器のチューブは、第１反応段のＲ１チューブと同軸状に連続可能であり、このことは、チューブセグメント４３５ａがチューブ４１５ａの下流端部であり、チューブセグメント４３５ｂがチューブ４１５ｂの下流端部であり、チューブセグメント４３５ｃがチューブ４１５ｃの下流端部であり、他も同様であることを意味する。以上で述べたように、第１反応段のシェル及びチューブへの段間熱交換器のそのような直接接続は、本明細書では一体化段間熱交換器として参照される。
【０１２６】
蓄積ファウリング物質を伴うことなく熱伝達を向上させるために、段間熱交換器のチューブセグメント（４３５ａ、ｂ、ｃ）内に高空隙率乱流誘発インサートが配置される。この特定の実施形態では、各ＩＳＨＸチューブセグメント内にツイスティーインサートが配置される。
【０１２７】
Ｒ１シェル側クーラント循環は、段間バッフル（それ自体は示されていないが、接続部４２５と図中で同一位置に位置決めされる）によりＩＳＨＸシェル側クーラントから分離され、Ｒ１入口チューブシートからＩＳＨＸ出口チューブシートまで延在する同軸状に連続するチューブのそれぞれは、この段間バッフルを貫通しうる。以上に記載したように、バッフルへのチューブの溶接が存在しえず、その代わりに、段間バッフルを貫通する穿孔が、チューブ（４１５ａ、ｂ、ｃ）の外径よりもわずかに大きい内径であり、その結果、幅０．２５〜２．５ｍｍの小さい環状ギャップ（図示せず）が各チューブの周りに形成されるという点で、段間バッフルは、真のチューブシートとは異なる。Ｒ１シェル側クーラント循環は、並流構成又は向流構成で配置されうる。同様に、ＩＳＨＸシェル側クーラント循環もまた、並流構成又は向流構成で配置されうるが、Ｒ１シェル側クーラント循環の構成にマッチさせる必要はない。
【０１２８】
オープン段間領域４５０は、チューブを含有せず、かつ３，１３７ｍｍ（１０．３ｆｔ）の全長を有する。本発明に係るＳＳＯＩ反応器設計によれば、ファウリング物質を除去すべく、少なくとも９３０ｍ2（１０，０００ｆｔ2）、例えば、少なくとも２，７９０ｍ2（３０，０００ｆｔ2）、少なくとも３，７２０ｍ2（４０，０００平方ｆｔ）などの全表面積を提供するのに十分な量で、１つ以上の安定大表面積不活性材料４５１がオープン段間領域に少なくとも部分的に充填される。この実施形態では、安定大表面積不活性材料は、約１２ｍｍ〜３０５ｍｍ（０．５〜１２ｉｎ）の厚さで入手可能な略矩形形状の２０ｐｐｉ（「細孔／ｉｎ」）セラミックフォームタイルである。好適なセラミックフォームタイルは、Ｕｌｔｒａｍｅｔ  ｏｆ  Ｐａｃｏｉｍａ（Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ  ＵＳＡ）、ＥＲＧ  Ａｅｒｏｓｐａｃｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｏａｋｌａｎｄ（Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ  ＵＳＡ）、Ｓｅｌｅｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈｅｎｄｅｒｓｏｎｖｉｌｌｅ（Ｎｏｒｔｈ  Ｃａｒｏｌｉｎａ  ＵＳＡ）、及びＳｕｄ−Ｃｈｅｍｉｅ  Ｈｉ−Ｔｅｃｈ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ（Ａｌｆｒｅｄ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ  ＵＳＡ）をはじめとするいくつかの供給業者から市販されている。
【０１２９】
この実施形態に係る特定の２０ｐｐｉセラミックフォームタイルは、５１ｍｍ（２ｉｎ）の厚さ、８％の相対密度、９２％の空隙率、及び約１，２６０ｍ2／ｍ3（３８４ｆｔ2／ｆｔ3）の有効表面積を有する。チューブシートの全表面を均一に覆うように、このセラミックフォームタイルをＩＳＨＸ出口チューブシート４４５上に直接配置して一体的に収めることが可能である。平面状頂部表面及び１５２．４ｍｍ（６ｉｎ）の均一厚さを有する連続セラミックフォーム床を達成するために、多層のタイルがスタッキングされる。そのようなセラミックフォーム床は、ファウリング物質を除去すべく４，５５０ｍ2（４９，０００ｆｔ2）超の全表面積を提供する。
【０１３０】
オープン段間領域４５０内かつセラミックフォーム床のすぐ下流には、追加の酸化剤混合アセンブリーが存在する。この実施形態では、特定の混合アセンブリーが「ベンチュリーミキサー」として本明細書で参照されるが、本発明の趣旨から逸脱することなく、他の追加の酸化剤混合アセンブリーも利用しうる。
【０１３１】
追加の酸化剤供給ライン４４６は、例えば酸素を含む追加の酸化剤と、任意選択で、例えば窒素、水、二酸化炭素などの１種以上の不活性物質と、をガスストリームとしてベンチュリーミキサーに提供する。ベンチュリーミキサーに達する前に追加の酸化剤の温度を調整すべく、任意選択の酸化剤熱交換器４４７を使用しうる。任意選択のフロー制御手段、例えば、フロー制御バルブ（図示せず）などもまた、追加の酸化剤供給ライン４４６に存在しうる。
【０１３２】
この実施形態に係るベンチュリーミキサーは、連続フロースルー混合アセンブリーを形成するように相互接続された３つのセクション、すなわち、入口縮小セクション４５２、中間スロートセクション４５３、及び出口拡大セクション４５４を含む。ベンチュリーミキサーの全長は、２，９８５ｍｍ（９．７９ｆｔ）である。
【０１３３】
この実施形態では、入口縮小セクション４５２は、５，５１７ｍｍ（１８．１ｆｔ）の入口直径、１，２１９ｍｍ（４ｆｔ）の出口直径、３７８ｍｍ（１．２４ｆｔ）の全長、及び１６０度の開先角を有する切頭円錐である。任意選択で、縮小セクション４５２は、複数の分離可能セグメント又は「ステーブ」を含み、そのそれぞれは、オープン段間領域４５０のシェル壁のアクセスマンウェイ（図示せず）を介してステーブの容易な通過を可能にするように選択されたジオメトリーを有する。そのような分離可能セグメントの使用により、オープン段間領域内の保守アクセスを改良しうるとともに、インターフェース４４５及び４５５で分離可能接続部を使用する必要性を低減しうる。
【０１３４】
中間スロートセクション４５３は、１，２１９ｍｍ（４ｆｔ）の内径及び４５７ｍｍ（１８ｉｎ）の全長を有するシリンダーであり、このスロートセクションは、ノズル、インジェクター、気−気混合エレメント、ディストリビューター、アスピレーター、コアンダ効果混合エレメント、スパージャー、スタティック混合エレメント、エダクター、及びランスを含むリストから選択される１つ以上のブレンディングエレメント（図示せず）を含む。
【０１３５】
出口拡大セクション４５４は、１，２１９ｍｍ（４ｆｔ）の入口直径、５，５１７ｍｍ（１８．１ｆｔ）の出口直径、２，１４９ｍｍ（７．０５ｆｔ）の全長、及び９０度の開先角を有する逆切頭円錐である。任意選択で、拡大セクション４５４は、複数の分離可能セグメント又はステーブを含み、そのそれぞれは、オープン段間領域４５０のシェル壁のアクセスマンウェイ（図示せず）を介してステーブの容易な通過を可能にするように選択されたジオメトリーを有する。そのような分離可能セグメントの使用により、オープン段間領域内の保守アクセスを改良しうるとともに、インターフェース４４５及び４５５で分離可能接続部を使用する必要性を低減しうる。
【０１３６】
第２反応段４６０は、４，５００ｍｍ（１４．７６ｆｔ）の長さを有し、かつ４６５ａ、４６５ｂ、４６５ｃとして図中に一般的に示される複数のチューブを含有する。第２反応段の各チューブの入口端部は、例えば溶接又は圧延により、Ｒ２入口チューブシート（それ自体は示されていないが、インターフェーシャル接続部４５５と図中で同一位置に位置決めされる）に装着される。各チューブセクション４６５ａ、４６５ｂ、４６５ｃの出口端部は、例えば溶接又は圧延により、Ｒ２出口チューブシート（それ自体は示されていないが、インターフェーシャル接続部４７５と図中で同一位置に位置決めされる）に装着される。Ｒ２入口チューブシートは、５，５１７ｍｍ（１８．１ｆｔ）の直径であり、かつ２２，０００本のチューブを含む。Ｒ２入口チューブシートのレイアウトは、Ｒ１入口チューブシートと同一である。第２反応段内のチューブは、２２．３ｍｍ（０．８７８ｉｎ）の内径及び２６．９ｍｍ（１．０６０ｉｎ）の外径を有する。チューブは、３４ｍｍ（１．３４ｉｎ）のチューブシートピッチで６０度の三角形パターン上に配置されるので、チューブ間距離は、７ｍｍ（０．２７５ｉｎ）になる。図４に示される実施形態では、第２反応段のチューブ（Ｒ２チューブ）の数、直径、及び配置は、第１反応段（Ｒ１チューブ）のチューブと同一である。
【０１３７】
この実施形態では、第１反応段（Ｒ１）触媒及び第２反応段（Ｒ２）触媒は両方とも、ワイヤーメッシュを含む触媒支持グリッドパネルを用いてそれらのそれぞれの反応器チューブ内に保持される。Ｒ１チューブのそれぞれには、１．２９５ｋｇのＡＣＦ７触媒が充填され、かつＲ２チューブのそれぞれには、１．９６２ｋｇのＡＣＳ７触媒が充填されるので、触媒質量比は、１．５２になる。
【０１３８】
図４には示されていないが、本発明に係るＳＳＯＩ反応器のこの実施形態はさらに、必要に応じて各冷却セクション（４１０、４３０、４６０）の温度を個別に調整する能力を提供する独立して制御される３つのクーラント循環系を含みうる。Ｃｏａｓｔａｌ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．（Ｈｏｕｓｔｏｎ，Ｔｅｘａｓ  ＵＳＡ）から入手可能なＨＩＴＥＣ（登録商標）伝熱塩は、この実施形態の３つの循環系の全てにクーラント媒体として使用される。これらの系は、本明細書では、第１反応段４１０を支援するＲ１塩循環系、段間熱交換器４３０を支援するＩＳＨＸ塩循環系、及び第２反応段４６０を支援するＲ２塩循環系として参照される。
【０１３９】
本発明に係る設計に適合して、そのようなクーラント系構成は、第１反応段のプロセス温度とは独立して段間熱交換器のプロセス側温度の制御を可能にしうるので、ＩＳＨＸを離れるプロセスガスを例えば少なくとも２４０℃かつ２８０℃以下の温度に維持しうる。本発明に係る設計の本質的特徴ではないが、この特定の実施形態はまた、段間熱交換器のプロセス温度とは独立して第２反応段のプロセス側温度を制御する能力を提供する。シェル側塩循環系の他の特徴は、システム装置及びシェル側バッフルを含めて、図１ｂの以上に記載の実施形態と一致する。プロセスフローと略等価な方向に移動する本実施形態に係るクーラントフロー（すなわち、塩は、シェルを介して流上し、一方、プロセスガスは、チューブを介して同様に流上する）は、並流クーラント循環として一般に参照されることに留意すべきである。この実施形態に係るクーラントフローは、向流クーラント循環で略下向きに流れるように、さらには「ハイブリッド」クーラント循環として、構成可能である。本開示の少なくとも一実施形態では、並流クーラント循環の使用が用いられる。
【０１４０】
この例示的実施形態の操作では、供給ガス混合物は、第１反応段４１０に入ってアクロレインを含むＲ１出口ガスストリームを生成する。Ｒ１出口ガスストリームは、一体型段間熱交換器４３０で２４０℃〜２８０℃の温度に急速に冷却され、次いで、大表面積不活性セラミックフォーム４５１の非冷却床を通り抜ける。次いで、冷却及び濾過されたＲ１出口ガスは、ベンチュリーミキサーの縮小セクション４５２に入る。追加の酸化剤供給ライン４４６は、空気と水蒸気とを含む追加の酸化剤ストリームを熱交換器４４７に連続的に提供し、そこで、追加の酸化剤ストリームは、約２６０℃の温度に設定された後、中間スロートセクション４５３に移送される。スロートセクション４５３では、ブレンディングエレメント（図示せず）により追加の酸化剤ストリームがＲ１出口ガスと急速に混合され、２４０℃〜２８０℃の温度の酸素富化Ｒ２供給ストリームが形成される。次いで、酸素富化Ｒ２供給ストリームは、ベンチュリーミキサーの拡大セクション４５４を通り抜け、そしてアクリル酸へのさらなる変換のために第２反応段のチューブに分配される。
【０１４１】
この実施形態の供給ガス（表の右側の「ケース２」を参照されたい）は、図１ａの実施形態のもの（表の左側の「ケース１」を参照されたい）と共に表７Ａに記載されている。９０％のプロピレン分子を含むケミカルグレードのプロピレンが、これらの実施形態の両方で主要炭化水素供給原料（本明細書では「Ｃ３」により表される）として使用されることに留意されたい。表７Ａは、この実施形態の追加の酸化剤添加供給を用いた本発明に係るＳＳＯＩ反応器の操作がプロピレン速度をどの程度増加可能であるか、つまり、反応器生産性を少なくとも１０％増加可能であることを示している。
【０１４２】
【表１】
2020185568.tif 000003
【０１４３】
図５は、反応器の段間領域への追加の酸化剤添加のための手段を含む本発明に係る単一シェルオープン段間（ＳＳＯＩ）反応器設計のさらなる実施形態を示している。
【０１４４】
供給ガス（例えば、プロピレン、スチーム、酸素、及び窒素）は、頂部から反応器に入り、反応器を介して垂直に流下し、そして底部で反応器から出る。この配置は、ダウンフロープロセス構成である。
【０１４５】
反応器の主要セクションは、ドーム状入口ヘッド５００、第１反応段５１０（本明細書では「Ｒ１」としても参照される）、段間熱交換器５３０（本明細書では「ＩＳＨＸ」としても参照される）、オープン段間領域５５０、第２反応段５６０（本明細書では「Ｒ２」としても参照される）、及びコニカル出口ヘッド５８０を含む。
【０１４６】
５０５、５２５、５４５、５５５、及び５７５として図中に規定された近接セクション間インターフェーシャル接続部は、永久（例えば溶接）接続部を含みうるか、又は任意選択で、複数のファスナー例えばボルトやクランプなどで固定されたフランジ接続部などの分離可能接続部を含みうる。図５の実施形態では、インターフェース５０５及び５７５は、分離可能接続部であるので、触媒交換のために入口ヘッド５００及びコニカル出口ヘッド５８０を容易に取外し可能であり、さらに、少なくとも一実施形態では、インターフェース５４５及び５５５の少なくとも１つもまた、分離可能接続部であり、それにより、オープン段間領域５５０内のコンポーネントへの改良された保守アクセスを提供する。インターフェース５２５は、溶接接続部でありうる。
【０１４７】
第１反応段５１０は、５１５ａ、５１５ｂ、５１５ｃとして図中に一般的に示される複数の内径２２．３ｍｍ（０．８７８ｉｎ）のチューブを含有する。これらの各チューブの入口端部は、例えば溶接又は圧延により、Ｒ１入口チューブシート（それ自体は示されていないが、分離可能接続部５０５と同一位置に位置決めされる）に装着される。また、段間熱交換器５３０は、５３５ａ、５３５ｂ、５３５ｃとして図中に一般的に示されるかつ数、直径、及び配置が第１反応段のチューブに等しい内径２２．３ｍｍ（０．８７８ｉｎ）の複数のチューブを含有する。各ＩＳＨＸチューブセグメント５３５ａ、５３５ｂ、５３５ｃの出口端部は、例えば溶接又は圧延により、ＩＳＨＸチューブシート（それ自体は示されていないが、インターフェーシャル接続部５４５と図中で同一位置に位置決めされる）に装着される。
【０１４８】
段間熱交換器のチューブは、第１反応段のＲ１チューブと同軸状に連続し、このことは、チューブセグメント５３５ａがチューブ５１５ａの下端部であり、チューブセグメント５３５ｂがチューブ５１５ｂの下端部であり、チューブセグメント５３５ｃがチューブ５１５ｃの下端部であり、他も同様であることを意味する。以上で述べたように、第１反応段のシェル及びチューブへの段間熱交換器のそのような直接接続は、本明細書では一体化段間熱交換器として参照される。
【０１４９】
蓄積ファウリング物質を伴うことなく熱伝達を向上させるために、段間熱交換器のチューブセグメント（５３５ａ、ｂ、ｃ）内に高空隙率乱流誘発インサートを配置することが可能である。
【０１５０】
Ｒ１シェル側クーラント循環は、段間バッフル（それ自体は示されていないが、接続部５２５と図中で同一位置に位置決めされる）によりＩＳＨＸシェル側クーラントから分離され、Ｒ１入口チューブシートからＩＳＨＸ出口チューブシートまで延在する同軸状に連続するチューブのそれぞれは、この段間バッフルを貫通しなければならない。以上に記載したように、バッフルへのチューブの溶接が存在せず、その代わりに、段間バッフルを貫通する穿孔が、チューブ（５１５ａ、ｂ、ｃ）の外径よりもわずかに大きい内径であり、その結果、幅０．２５〜２．５ｍｍの小さい環状ギャップ（図示せず）が各チューブの周りに形成されるという点で、段間バッフルは、真のチューブシートとは異なる。Ｒ１シェル側クーラント循環は、並流構成又は向流構成で配置されうる。同様に、ＩＳＨＸシェル側クーラント循環もまた、並流構成又は向流構成で配置されうるが、Ｒ１シェル側クーラント循環の構成にマッチさせる必要はない。
【０１５１】
この特定の実施形態では、オープン段間領域５５０は、チューブを含有せず、かつ約６，１７０ｍｍ（２０．２５ｆｔ）の全長を有する。本発明に係るＳＳＯＩ反応器設計によれば、ファウリング物質を除去すべく、少なくとも９３０ｍ2（１０，０００ｆｔ2）、好ましくは少なくとも２，７９０ｍ2（３０，０００ｆｔ2）、最も好ましくは３，７２０ｍ2（４０，０００ｆｔ2）の全表面積を提供するのに十分な量で、１つ以上の安定大表面積不活性材料５５１及び５５６がオープン段間領域に少なくとも部分的に充填される。この実施形態では、選択される安定大表面積不活性材料５５６は、８％の相対密度、９２％の空隙率、及び約１，２６０ｍ2／ｍ3（３８４ｆｔ2／ｆｔ3）の有効表面積を有する略矩形形状の２０ｐｐｉ（「細孔／ｉｎ」）セラミックフォームタイルである。セラミックフォームタイルは、ＩＳＨＸ出口チューブシート（５４５）と直接接触した状態で置かれ、平面状頂部表面及び７６ｍｍ（３ｉｎ）の均一厚さを有する連続セラミックフォーム床を達成するような方法で配置される。このセラミックフォーム床は、ワイヤーメッシュを含む触媒支持グリッドパネルを用いて固定することが好ましいが、任意選択で、他の固定手段を使用してもよい。この実施形態で構成される場合、そのようなセラミックフォーム床は、ファウリング物質を除去すべく２，２９０ｍ2（２４，６５０ｆｔ2）超の全表面積を提供する。
【０１５２】
オープン段間領域５５０内かつセラミックフォーム床のすぐ下流には、追加の酸化剤混合アセンブリーが存在し、この実施形態では、特定の混合アセンブリーは、「ベンチュリーミキサー」であるが、本発明の趣旨から逸脱することなく、他の追加の酸化剤混合アセンブリーも利用しうる。
【０１５３】
追加の酸化剤供給ライン５４６は、例えば酸素を含む追加の酸化剤と、任意選択で、例えば窒素、水、二酸化炭素などの１種以上の不活性物質と、をガスストリームとしてベンチュリーミキサーに提供する。ベンチュリーミキサーに達する前に追加の酸化剤の温度を調整すべく、任意選択の酸化剤熱交換器５４７を使用しうる。任意選択のフロー制御手段、例えば、フロー制御バルブ（図示せず）などもまた、追加の酸化剤供給ライン５４６に存在しうる。
【０１５４】
この実施形態に係るベンチュリーミキサーは、連続フロースルー混合アセンブリーを形成するように相互接続された３つのセクション、すなわち、入口縮小セクション５５２、中間スロートセクション５５３、及び出口拡大セクション５５４を含む。ベンチュリーミキサーの全長は、６，０９６ｍｍ（２０ｆｔ）である。
【０１５５】
入口縮小セクション５５２は、５，４８６ｍｍ（１８ｆｔ）の入口直径、３０５ｍｍ（１２ｉｎ）の出口直径、１，４９４ｍｍ（４．９ｆｔ）の全長、及び１２０度の開先角を有する逆切頭円錐である。この実施形態では、追加の安定大表面積不活性材料５５１が、入口縮小セクション５５２内に配置され、特定的には、ファウリング物質を除去すべく、追加の１，７６９ｍ2（１９，０００ｆｔ2）の表面積を提供する直径２５．４ｍｍ（１ｉｎ）のＥｎｖｉｒｏＳｔｏｎｅ６６不活性セラミックススフェアが、縮小セクション５５２に完全に充填される。ＩＳＨＸチューブシートに近接する２０ｐｐｉセラミックフォーム層と組み合わせた場合、これにより、オープン段間領域５５０内に４，０６０ｍ2（４３，７００ｆｔ2）超の全表面積がもたらされる。不活性スフェアを支持するために、かつスロートセクション５５３に入るのを防止するために、水平ワイヤーメッシュスクリーン（図示せず）もまた、縮小セクション５５２とスロートセクション５５３との交差部に配置される。
【０１５６】
中間スロートセクション５５３は、３０５ｍｍ（１２ｉｎ）の内径及び１，２１９ｍｍ（４ｆｔ）の全長を有するシリンダーであり、このスロートセクションは、ノズル、インジェクター、気−気混合エレメント、ディストリビューター、アスピレーター、コアンダ効果混合エレメント、スパージャー、スタティック混合エレメント、エダクター、及びランスを含むリストから選択される１つ以上のブレンディングエレメント５４８を含みうる。ブレンディングエレメント以外には、スロートセクション５５３は、混合効率を最大化するように障害物を含まないことが好ましく、例えば、少なくとも一実施形態では、スロートセクション５５３は、安定大表面積不活性材料を含まない。
【０１５７】
この特定の実施形態では、ブレンディングエレメント５４８は、気−気混合エレメントを含む。好適な気−気混合エレメントの一例は、欧州特許第１７２６３５５Ｂ１号明細書に開示されている。好適な気−気混合エレメントの他の例としては、ＯＸＹＮＡＴＯＲ（商標）（Ａｉｒ  Ｌｉｑｕｉｄｅ（Ｐａｒｉｓ，Ｆｒａｎｃｅ）から入手可能である）やＯＸＹＭＩＸ（商標）酸素インジェクター（Ｌｉｎｄｅ  Ｇａｓ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  ｏｆ  Ｌｉｎｄｅ  ＡＧ（Ｈｏｌｌｒｉｅｇｅｌｓｋｒｅｕｔｈ，Ｇｅｒｍａｎｙ）から入手可能である）などの市販のエレメントが挙げられる。
【０１５８】
気−気混合エレメントをブレンディングエレメントとして使用する場合、エレメントの下流に少なくとも３パイプ直径の非障害長さが存在するように、エレメントをスロートセクション５５３の上流端部近傍に配置することが可能である。したがって、この実施形態では、ブレンディングエレメント５４８は、スロートセクション５５３の上流端部から３０５ｍｍ（１２ｉｎ）以下の距離に配置される。
【０１５９】
出口拡大セクション５５４は、３０５ｍｍ（１２ｉｎ）の入口直径、５，４８６ｍｍ（１８ｆｔ）の出口直径、３，３７７ｍｍ（１１．１ｆｔ）の全長、及び７５度の開先角を有する切頭円錐である。拡大セクション５５４は、空である。すなわち、安定大表面積不活性材料を含まない。
【０１６０】
任意選択で、オープン段間領域５５０のシェル壁の少なくとも一部分は、図５に点線により示されるように、取外し可能なシェルセグメントを含む。一実施形態では、取外し可能なシェルセグメントは、インターフェース５４５から５５５まで延在し、ベンチュリーミキサーの１つ以上の完全セクション（５５２、５５３、又は５５４）をオープン段間領域５５０から取り外すのに十分なアクセスを提供する。他の実施形態では、オープン段間領域５５０のシェル壁は、反応器から完全に取外し可能であり、ベンチュリーミキサーの３セクションを全て同時に取り外すのに十分なクリアランスを提供する。そのような任意選択の取外し可能なシェルセグメントの使用により、オープン段間領域５５０のシェル壁のアクセスマンウェイの必要を低減しうる。
【０１６１】
第２反応段５６０は、５６５ａ、５６５ｂ、５６５ｃとして図中に一般的に示される複数の内径３１．７５ｍｍ（１．２５ｉｎ）のチューブを含有する。第２反応段の各チューブの入口端部は、例えば溶接又は圧延により、Ｒ２入口チューブシート（それ自体は示されていないが、インターフェーシャル接続部５５５と図中で同一位置に位置決めされる）に装着される。各チューブセクション５６５ａ、５６５ｂ、５６５ｃの出口端部は、例えば溶接又は圧延により、Ｒ２出口チューブシート（それ自体は示されていないが、インターフェーシャル接続部５７５と図中で同一位置に位置決めされる）に装着される。この実施形態では、第２反応段のチューブ（Ｒ２チューブ）の数及び直径は、第１反応段のチューブ（Ｒ１チューブ）とは異なる。
【０１６２】
図５には示されていないが、本発明に係るＳＳＯＩ反応器のこの実施形態はさらに、必要に応じて各冷却セクション（５１０、５３０、５６０）の温度を個別に調整する能力を提供する独立して制御される３つのクーラント循環系を含む。これらの系は、本明細書では、第１反応段５１０を支援するＲ１クーラント循環系、段間熱交換器５３０を支援するＩＳＨＸクーラント循環系、及び第２反応段５６０を支援するＲ２クーラント循環系として参照される。少なくとも一実施形態では、Ｓｙｌｔｈｅｒｍ（商標）伝熱流体（Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．（Ｍｉｄｌａｎｄ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ  ＵＳＡ）から入手可能である）が、クーラント媒体として３つの循環系の全てに使用される。
【０１６３】
本発明に係る設計に適合して、そのようなクーラント系構成は、第１反応段のプロセス温度とは独立して段間熱交換器のプロセス側温度の制御を可能にするので、ＩＳＨＸを離れるプロセスガスを例えば少なくとも２４０℃かつ２８０℃以下の温度に維持しうる。本発明に係る設計の本質的特徴ではないが、この特定の実施形態はまた、段間熱交換器のプロセス温度とは独立して第２反応段のプロセス側温度を制御する能力を提供しうる。酸化プロセス操作を制御するそのような追加の能力は、本発明の少なくとも一実施形態で使用される。シェル側塩循環系の他の特徴は、システム装置及びシェル側バッフルを含めて、図１ｂの以上に記載の実施形態と一致する。プロセスフローと反対の方向に移動する本実施形態に係るクーラントフロー（すなわち、クーラント媒体は、シェルを介して流上し、一方、プロセスガスもまた、チューブを介して流下する）は、向流クーラント循環として一般に参照されることに留意すべきである。また、並流クーラント循環で略下向きに流れるように、さらには「ハイブリッド」クーラント循環として（この場合、いくつかのクーラントフローは、並流であり、一方、他のフローは、向流である）、この実施形態のクーラントフローを構成することも可能である。そのほかに、いくつかの実施形態では、単一反応器に対して２種以上のクーラント媒体、例えば、Ｒ１クーラント循環系及びＩＳＨＸクーラント循環系でＳｙｌｔｈｅｒｍ（商標）伝熱流体、Ｒ２クーラント循環系でＨＩＴＥＣ（登録商標）塩などを利用することが有利でありうると考えられる。
【０１６４】
表７Ａのケース２にまとめられた追加の酸化剤添加条件下で操作した場合、この実施形態に係る反応器は、１１０ｋＴ／年の公称アクリル酸製造能力を有する。また、段間熱交換器、セラミックフォーム層、及びベンチュリーミキサーの各セクションを介する滞留時間の合計であるこの実施形態の段間滞留時間は、２．８５秒間であると決定される。実施例７（以下参照）は、追加の酸化剤添加を用いて操作されるＳＳＯＩ反応器で段間滞留時間がどのように計算されるかを示している。
【０１６５】
図６は、追加の酸化剤添加を用いて操作されるＳＳＯＩ反応器に有用な追加の酸化剤混合アセンブリーの一実施形態の詳細図を提供する。この実施形態では、追加の酸化剤混合アセンブリーは、新規なインジェクターリングを含むベンチュリーミキサーであり、前記ベンチュリーミキサーは、プロセスアップフロー方向で示されている。この場合で、プロセスガスは、底部から入口縮小セクション６５０に入り、中間スロートセクション６３０を通り抜けて、出口拡大セクション６４０を介して出る。そのような方向は、例えば、図４に示される反応器実施形態などのプロセスアップフロー反応器に有用でありうる。本明細書にはプロセスアップフロー方向で記載されているが、図６のベンチュリーミキサー装置はまた、ダウンフロー方向でも有利には利用可能であることに留意すべきである。
【０１６６】
この実施形態では、ベンチュリーミキサーは、厚さ１５０ｍｍ（６ｉｎ）のステンレス鋼連続気泡フォーム層６６０の上に着座する。入口縮小セクション６５０は、５５１７ｍｍ（１８．１ｆｔ）の底面寸法Ｄ１、３７９ｍｍ（１．２４ｆｔ）の高さＨ１、及び１６０度の開先角Ａ１を有する円錐形状である。セクション６５０はさらに、厚さ約７６ｍｍ（３ｉｎ）の取付けフランジ６５１を含む。少なくとも一実施形態では、入口縮小セクションの内部容積は、５０％未満のバルク空隙率を有する粒子状不活性材料を含む。一実施形態では、ベンチュリーミキサーのこのセクションの滞留時間を低減すべく、例えば、入口縮小セクション６５０の内部体積の５０％が、直径２５．４ｍｍ（１ｉｎ）のＤｅｎｓｔｏｎｅ５７不活性スフェア（６５５としての図に示される）で占められる。
【０１６７】
中間スロートセクション６３０は、１，２１９ｍｍ（４ｆｔ）の内径Ｄ０を有するシリンダーである。セクション６３０は、厚さ３０５ｍｍ（１２ｉｎ）の壁セクションと一対の７６ｍｍ（３ｉｎ）取付けフランジ６４１及び６５１とを組み合わせて得られる４５７ｍｍ（１．５ｆｔ）の全高さＨ０を有する。取付けフランジ６４１及び６５１は、セクション６３０に対して分離可能接続部を提供し、取外し可能なファスナー（図示せず）例えばボルトなどを用いて所定の位置に保持される。スロートセクション６３０の内部は、複数のインジェクターポート６３５に流体接続した状態の一体型環状チャネル６３１を含み、本明細書では「インジェクターリング」として参照される。インジェクターポート６３５は、インジェクターリングのブレンディングエレメントであり、ベンチュリーミキサー装置のスロートセクション全体にわたり追加の酸化剤ストリームを均一に分布させるように機能する。
【０１６８】
図６の実施形態では、インジェクターリングは、合計２１６個の直径各９．５ｍｍ（３／８ｉｎ）のインジェクターポートを利用する。図に示されるように、これらのインジェクターポートは、インジェクターリングの内部表面に沿って規則的な三角形／ジグザグパターンで配置され、３つの平行な並びで構成される。各並びは、インジェクターリングの内周の周りに等間隔に７２個のインジェクターポートを含有し、並びの各ポート間距離は、約４４ｍｍ（１．７ｉｎ）である。少なくとも１つの追加の酸化剤供給ライン６３３をスロートセクション６３０に接続して、追加の酸化剤供給ガスが環状チャネル６３１に入る経路を提供する。この実施形態では、追加の酸化剤供給ライン６３３は、２０３ｍｍ（８ｉｎ）の直径であり、任意選択の上流温度制御熱交換器（図示せず）などの温度制御手段、さらには上流フロー制御バルブ（図示せず）などのフロー制御手段を含む。少なくとも一実施形態では、インジェクターリングの全周の周りの供給ガスの分布を向上させるために、供給ライン６３３の直径は、インジェクターポート６３５のサイズと比べて大きく、例えば、供給ライン６３３の直径とインジェクターポート６３５の直径との比は、少なくとも１０、例えば、少なくとも１５又は少なくとも２０でありうる。この特定の実施形態では、供給ラインの直径は、２０３ｍｍであり、かつインジェクターポートの直径は、９．５ｍｍであることから、供給ライン６３３の直径とインジェクターポート６３５の直径との比は、２１である。また、この比が大きいため、引火の可能性のあるプロセスガスがインジェクターリングから追加の酸化剤供給ライン６３３に逆流するのを阻止するのに十分な圧力低下が確保される。また、望ましくない材料、例えば、高分子固体、錆粒子、連行液体ドロップレットなどで小さい直径のインジェクターポートが詰まる可能性を最小限に抑えるべく、追加の酸化剤ガスストリームの任意選択の濾過を利用しうる。
【０１６９】
出口拡大セグメント６４０は、５５１７ｍｍ（１８．１ｆｔ）の底面寸法Ｄ２、２１４９ｍｍ（７ｆｔ）の高さＨ２、及び９０度の開先角Ａ２を有する円錐形状でありうる。セグメント６４０はさらに、厚さ約７６ｍｍ（３ｉｎ）の取付けフランジ６４１を含む。少なくとも一実施形態では、出口拡大セグメント６４０の内部容積は、空である。
【０１７０】
縮小セグメント６５０に上述のＤｅｎｓｔｏｎｅスフェアを含むこの実施形態に係る追加の酸化剤混合アセンブリーを図４にすでに示されたタイプのＳＳＯＩ反応器に設置し、さらに、表７Ａのケース２の条件下（例えば、９，７０２ｋｇ／ｈｒのプロピレン速度及び６，４３７Ｎｍ3／ｈｒの追加の全酸化剤フロー）で操作した場合、得られるＳＳＯＩ反応器は、約２．５秒間の段間滞留時間で操作され、かつ段間領域内に４，８５０ｍ2（５２，３００ｆｔ2）超の不活性表面積を有するであろう。
【０１７１】
本発明に係るＳＳＯＩ反応器をアクリル酸捕集・精製システムと組み合わせることにより、商用純度のアクリル酸の製造プロセスを改良しうる。例えば、吸収剤液体ストリーム、例えば、水、ジフェニルなどを備えた向流吸収塔を用いて、反応器生成物ガスからアクリル酸を捕集することにより、アクリル酸と吸収剤とを含む粗生成物溶液を形成しうる。次いで、溶媒抽出や共沸蒸留などの分離工程を用いて、粗生成物溶液からアクリル酸を回収しうる。そのような吸収ベースのアクリル酸捕集・精製システムの例は、米国特許第５，４２６，２２１号明細書、同第６，６３９，１０６号明細書、及び同第６，９９８，５０５号明細書に提供されている。
【０１７２】
図８は、アップフローＳＳＯＩ反応器（８３０）と無溶媒アクリル酸捕集・精製システムとを含む統合アクリル酸製造プロセスに関する本発明の一実施形態を示している。無溶媒アクリル酸捕集・精製システムは、脱水塔と仕上げ塔とを含む。
【０１７３】
この特定の実施形態に係る大規模な商用ＳＳＯＩ反応器は、１６０ｋＴ／年の公称アクリル酸製造能力を有する。また、本明細書で「ＳＦＴ」システムとして参照される無溶媒アクリル酸捕集・精製システムは、等価（同等）なアクリル酸処理能力を提供するようにサイズ決めされる。ＳＦＴシステムの例は、米国特許第８，２４２，３０８号明細書（参照により本明細書に組み込まれる）に開示されている。本発明に係るＳＳＯＩ反応器と組み合わせてＳＦＴシステムを使用することにより、ＳＳＯＩ反応器とより伝統的な吸収剤ベースのアクリル酸捕集・精製プロセスとの組合せよりも優れた以下の利点の少なくともの１つを提供しうる。
（１）ＳＦＴシステムは、吸収塔を含まないので、例えばジフェニルや水を含む液体ストリームなどの吸収剤の添加を必要としない。
（２）ＳＦＴシステムは、エチルアクリレートなどの抽出溶媒を用いることなく、又は例えばメチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）、エチルアセテート、トルエン、イソプロピルアセテートなどの水と共沸混合物を形成する蒸留溶媒を用いることなく、粗アクリル酸の脱水が可能である。
【０１７４】
そのような改良により、アクリル酸の製造を大幅に単純化しうるとともに、必要とされるプロセス装置の量を低減しうるので、先行技術のプロセスよりも運転コスト及び資本コストが有意に削減される。
【０１７５】
図８を参照すると、反応器８３０は、取外し可能な入口及び出口反応器ヘッドを用いて構築される。設計条件では、プロピレンは、１４，１００キログラム／時（３１，０００ポンド／時）を超える流量で反応器に提供される。プロピレン、空気、再循環ガス（ストリーム８１４）、及び任意選択のスチームは、インラインスタティック混合エレメントを用いてブレンド一体化され、少なくとも７．５ｍｏｌ％のプロピレン濃度、１．６〜２．０の酸素対プロピレンのモル比、及び約１．２以下の水蒸気対プロピレンのモル比を有する混合供給ガスを形成する。一実施形態では、混合供給ガスは、少なくとも８ｍｏｌ％のプロピレン濃度を有し、かつ酸素対プロピレンのモル比は、約１．８であり、かつ水蒸気対プロピレンのモル比は、約０．７５以下である。
【０１７６】
混合供給ガスは、混合物の露点温度よりも高い温度で、共通供給ライン８３１を介して反応器の底部に入る。一実施形態では、混合供給ガスは、約２００℃未満、例えば、約１９５℃、さらには約１４５℃の温度で反応器に入る。熱交換器及びプロピレン気化器（図示せず）の１つ以上を任意選択で使用して個別の供給ガスの温度を制御することにより、反応器に入る混合供給ガスの温度を制御しうる。任意選択で、生成物ガスストリーム８０１との熱交換を介して、再循環ガスストリーム８１４の温度は制御しうる。熱交換装置８３２は、この目的のために構成されうる（図示せず）。反応器の下側部分に存在する第１反応段は、６０度の三角形パターン上に配置された３３，０００本の内径２５．４ｍｍのシームレス炭素鋼チューブを含み、かつ３，７５０ｍｍ（１２．３ｆｔ）の長さを有する。第１反応段内の各チューブは、第１反応段のすぐ下流に位置決めされた本明細書では一体化段間熱交換器として参照される段間熱交換器のチューブと同軸状に連続する。したがって、段間熱交換器（ＩＳＨＸ）もまた、３３，０００本の内径２５．４ｍｍのシームレス炭素鋼チューブを含む。ＩＳＨＸは、２，１００ｍｍ（６．９ｆｔ）の長さを有する。したがって、第１反応段及び段間熱交換器の両方を貫通する連続チューブの全長は、５，８５０ｍｍ（１９．２ｆｔ）である。これらの連続チューブ内に触媒を保持するために、ワイヤーメッシュを含む複数の以上に記載の触媒支持グリッドパネルを第１段入口チューブシートに直接装着する。次いで、チューブの上流（入口）端部から始めて、次のように連続チューブのそれぞれに充填する。
・  ２５０ｍｍ（１０ｉｎ）の直径１／４ｉｎ（６ｍｍ）のＥｎｖｉｒｏＳｔｏｎｅ６６不活性セラミックススフェア
・  ７３０ｍｍ（２９ｉｎ）のＡＣＦ７−Ｌ（大シリンダー）触媒
・  ２７７０ｍｍ（１０９ｉｎ）のＡＣＦ７−Ｓ（小シリンダー）触媒
・  長さ２１００ｍｍ（８３ｉｎ）のツイスティー乱流誘発インサート
【０１７７】
この充填スケジュールは、各第１反応段チューブ内に１．０４２ｋｇの仕込み量の全ＡＣＦ７触媒（大＋小サイズ粒子）をもたらす。段間熱交換器を介するプロセスガスの滞留時間は、約０．９４秒間である。
【０１７８】
プロセスガスは、約２８０℃（５３６°Ｆ）以下の温度で段間熱交換器から出て、次いで、オープン段間領域を通り抜ける。空気や他の酸素含有ガスなどの任意選択の追加の酸化剤８３５は、任意選択の熱交換器８３６を通り抜けてからオープン段間領域に添加されうる。そのような場合、任意選択の混合装置、例えば、本明細書にすでに記載されたかつさらに図６に示されたタイプのベンチュリーミキサーなどを用いて、プロセスガスと追加の酸化剤との混合物を安全にホモジナイズしうる。しかしながら、この特定の実施形態では、追加の酸化剤をオープン段間領域に添加しない。
【０１７９】
オープン段間領域は、２，１００ｍｍ（６．９ｆｔ）の長さであり、オープン段間領域内の容積の約９０％を占めるのに十分な直径３８ｍｍ（１．５ｉｎ）のＥｎｖｉｒｏＳｔｏｎｅ６６不活性スフェアが充填され、それにより、ファウリング物質を除去すべく１，８９５ｍｍ（６．２ｆｔ）超の平均深さ及び４，１８０ｍ2超（４５，０００ｆｔ2超）の表面積を有するセラミックススフェア床が提供される。そのほかに、段間滞留時間（ＩＳＨＸ及びオープン段間領域の滞留時間の合計）は、２４０℃及び３０ｐｓｉａ（２ａｔｍ）の参照条件で測定したときに、約２．２秒間、すなわち、３秒未満の滞留時間である。
【０１８０】
次いで、プロセスガスは、反応器の上側部分に位置決めされた第２反応段に移行する。第２反応段は、３，４０５ｍｍの（１１．２ｆｔ）の長さを有する。第２反応段は、第１反応段に等しいチューブカウント、チューブ内径、及びチューブレイアウトを有するので、同様に、６０度の三角形パターン上に配置された３３，０００本の内径２５．４ｍｍのシームレス炭素鋼チューブを含む。これらのチューブ内に触媒を保持するために、ワイヤーメッシュを含む複数の以上に記載の触媒支持グリッドパネルを第２段入口チューブシートに直接装着する。チューブの上流（入口）端部から始めて、次のようにこれらの各チューブのそれぞれに充填する。
・  長さ２８０ｍｍ（１１ｉｎ）のツイスティー乱流誘発インサートの上流端部に装着された長さ２５．４ｍｍ（１ｉｎ）のコニカル保持スプリングを含む全長３０５ｍｍ（１２ｉｎ）の改変ツイスティーインサート
・  ６４０ｍｍ（２５ｉｎ）のＡＣＳ７−Ｌ（大スフェア）触媒
・  ２２６０ｍｍ（８９ｉｎ）のＡＣＳ７−Ｓ（小スフェア）触媒
・  ２００ｍｍ（７．９ｉｎ）の直径１／４ｉｎ（６ｍｍ）のＥｎｖｉｒｏＳｔｏｎｅ６６不活性セラミックススフェア
【０１８１】
この充填スケジュールは、各第２反応段チューブ内に１．４１７ｋｇの仕込み量の全ＡＣＳ７触媒（大＋小サイズ粒子）及び反応器に対して１．３６の全触媒質量比をもたらす。
【０１８２】
３つの主要な反応器領域（第１反応段、段間熱交換器、及び第２反応段）は全て、それ自体独立したシェル側クーラント循環系により冷却されうる。Ｄｏｗｔｈｅｒｍ（商標）、Ｓｙｌｔｈｅｒｍ（商標）、又はＨＩＴＥＣ（登録商標）塩の１つ以上を冷却媒体として使用しうる。この特定の実施形態では、溶融ＨＩＴＥＣ（登録商標）冷却塩が利用される。図に特定的に示されるわけではないが、これらの各クーラント循環系は、他のコンポーネント、例えば、ポンプ、クーラントフロー制御バルブ、スチームボイラーなどを含み、並流循環構成で操作される。つまり、各反応器領域に対して、冷却塩のストリームは、領域の下側部分に入り、加温塩のストリームは、領域の上側部分から出る。
【０１８３】
アクリル酸８０１を含む生成物ガスは、反応器の頂部を出て、間接熱交換器８３２で約２２５℃（４３７°Ｆ）の温度に冷却される。間接熱交換器８３２は、限定されるものではないが、シェルアンドチューブ熱交換器、ジャケット付きチューブ、平板熱交換器（ＰＨＥ）、ツイストチューブ熱交換器、及びスパイラル熱交換器をはじめとする１つ以上の伝熱装置を含みうる。この実施形態では、熱交換器８３２は、シェルアンドチューブ熱交換器である。代替実施形態では、間接熱交換器８３２は、省略され、ＳＳＯＩ反応器は、第２反応段の出口（頂部）チューブシートと出口反応器ヘッドとの間に位置する一体型出口クーラー（図示せず）を含む。そのような一体型出口クーラーは、段間熱交換器の設計に類似しており、第２反応段のチューブと同軸状に連続するチューブ、独立したクーラント循環、及び各チューブ内の高空隙率乱流誘発インサートを有する。
【０１８４】
次いで、冷却生成物ガスは、脱水塔８１０の下側部分に入り、そこで、循環液体スプレーと直接接触する。液体脱水ボトムストリーム８１６は、塔８１０の底部から取り出され、ストリームの一部分（８２０）は、１つ以上の熱サイホン又は強制循環型リボイラーを含みうるリボイラー８１２に移送される。次いで、加熱ストリームは、脱水塔８１０の下側部分内のスプレー装置に供給される（移送ライン８１１を介して）。そのような脱水塔構成は、本明細書では「一体化クエンチ」工程として知られる。代替実施形態では、この液体接触クエンチ工程は、脱水塔８１０のすぐ上流の１つ以上の槽（図示せず）で行われる。そのような代替実施形態は、「段階的クエンチ」工程として参照される。
【０１８５】
図８の実施形態では、脱水塔内の液体スプレーとの接触の後、クエンチされたプロセスガスは、次いで、一連の分離段コンポーネント、例えば、１つ以上のシーブトレイ、デュアルフロートレイ、バッブルキャップトレイ、ルーズフィルパッキング、バルブトレイ、構造化パッキングなどを介して流上し、ライトエンド不純物からアクリル酸が分離される。水蒸気及び非凝縮性ガス、例えば、窒素、二酸化炭素、プロパン、未反応プロピレンなどを含む中間プロセスガスストリームは、塔８１０の頂部から出て、凝縮器８１３を通り抜け、還流させて塔８１０に戻される凝縮物８０７と、水蒸気及び非凝縮性ガスを含む脱水塔オーバーヘッド蒸気ストリーム８０２と、を生成する。一実施形態では、脱水塔オーバーヘッド蒸気ストリーム８０２は、２５ｍｏｌ％未満の水蒸気を含む。一実施形態では、ストリーム８０２は、約８０％の窒素及び５％以下のＣＯ2とＣＯとの組合せを含む。脱水塔オーバーヘッド蒸気ストリーム８０２は、２つの部分、すなわち、再循環ガスストリーム８１４及びパージストリーム８１５に分割される。再循環ガスストリーム８１４は、オーバーヘッド蒸気ストリーム８０２の質量流量の５〜５０％、例えば、オーバーヘッド蒸気ストリーム８０２の１０〜４０％、オーバーヘッド蒸気ストリーム８０２の１５〜３５％などの質量流量を有する。再循環ガスストリーム８１４は、ＳＳＯＩ反応器８３０に戻される。任意選択で、再循環ガスストリーム８１４は、反応器８３０に戻される前、１つ以上コンディショニング工程、例えば、濾過、凝集、予備加熱、圧縮（図示せず）などで処理されうる。コンプレッサーを使用する場合、前記コンプレッサーの少なくとも１つは、ブロワー（当技術分野ではラジアルコンプレッサー又は遠心コンプレッサーとしても知られる）、オイルフリースクリューコンプレッサー、及び液体ジェットエジェクターコンプレッサーを含むリストから選択されるタイプであることが好ましい。一実施形態では、再循環ガスストリーム８１４は、ＳＳＯＩ反応器８３０に戻す前、最初に、プロセス空気とブレンドされ、次いで、遠心コンプレッサーで処理される。少なくとも一実施形態では、再循環ガスストリーム８１４が流れるプロセスラインの内部表面は、そこでの水蒸気の凝縮を防止するために、約９０℃以上及び水の露点超の温度に維持される。パージストリーム８１５は、ベントされうるか、又は少なくとも一実施形態では、接触燃焼ユニット（ＣＣＵ）、熱酸化器、及び廃熱回収システム（図示せず）の１つ以上でさらに処理されうる。
【０１８６】
リボイラー８１２に移送されない液体脱水ボトムストリーム８１６の一部分のストリーム８０３は、仕上げ塔８１７に提供される。仕上げ塔８１７は、大気圧未満の圧力で操作され、ヘビーエンド不純物からアクリル酸を分離して側流抜出しアクリル酸生成物ストリーム８０５を生成するために、一連の分離段コンポーネント、例えば、シーブトレイ、デュアルフロートレイ、バッブルキャップトレイ、ルーズフィルパッキング、バルブトレイ、構造化パッキングなどの１つ以上を含む。側流抜出しアクリル酸ストリーム８０５は、重量基準で少なくとも９９．５％のアクリル酸、０．１５％未満の水、及び０．０７５％未満の酢酸を含む。したがって、ストリームは、「工業グレードアクリル酸」の純度規格を満たし、この目的ではさらなる精製を行うことなく使用されうる。任意選択で、さらにより高純度のアクリル酸を得るべく、側流抜出しアクリル酸生成物ストリーム８０５を溶融結晶化プロセス（図示せず）でさらに処理しうる。
【０１８７】
一般的には、例えばアクリル酸二量体などのヘビーエンドを含むボトム再循環８０９は、１つ以上の熱サイホン又は強制循環型リボイラーを含みうるリボイラー８１８を介して循環され、仕上げ塔の下側部分に戻される。ボトム再循環８０９の少なくとも一部分は、例えば、二量体分解器を含むブチルアクリレート製造プロセスなどのエステルプロセスに移送される（エステルグレード生成物ストリーム８０６を介する）。一実施形態では、エステルグレード生成物ストリーム８０６と側流抜出しアクリル酸生成物ストリーム８０５とのマスフロー比は、１．５以下である。他の実施形態では、エステルグレード生成物ストリーム８０６と側流抜出しアクリル酸生成物ストリーム８０５とのマスフロー比は、１．０以下である。任意選択で、ボトム再循環８０９の一部分は、重合禁止剤消費を低減するために仕上げ塔の頂部へ再循環される。仕上げ塔オーバーヘッドストリーム８０８は、全凝縮器８１９を通り抜け、得られた液体凝縮物は、塔８１７に還流されず、その代わりに、仕上げ塔凝縮物ストリーム８０４は全て、ストリーム８２０と組み合わされて、脱水塔８１０の下側部分内のスプレー装置に戻される。
【０１８８】
本発明の実施形態の範囲から逸脱することなく、かなりの数の知られたさらなる特徴及び詳細、例えば、トレース、断熱材、洗浄装置、機器、インラインフィルター、マルチポイント熱電対、安全装置、エネルギー回収装置、インヒビタースプレー散布装置、及び特定の構築材料の使用、さらにはプロセス内の特定の箇所への重合禁止剤、酸素含有ガス、ファウリング防止剤、及び防食剤の添加を本プロセス設計にさらに組み込みうると考えられる。
【０１８９】
少なくとも一実施形態では、第２反応段内の操作圧力を低下させる手段を利用しうる。そのような手段は、個別に使用しうるが、１つ以上の設計上の特徴、例えば、内径２２．３ｍｍ超のチューブの上記使用などと組み合わせて使用することも可能である。一実施形態では、反応器出口で乱流圧力損失を低減すべく、ドーム状又は楕円状ヘッドではなく、コニカル出口反応器ヘッド（コンポーネント５８０により図５に示される）を利用することが可能である。
【０１９０】
他の実施形態では（図８参照）、ＳＳＯＩ反応器８３０内の圧力を最小限に抑えるべく、大径出口パイプ８０１を用いて、反応器出口と、下流の捕集・精製装置、例えば、脱水塔８１０などと、の間で反応器生成物ガス（「反応ガス」としても知られる）を移送することが可能である。本明細書で用いられる場合、「大径出口パイプ」という用語は、０．０８以上の出口径比ＫＯを達成するのに十分な直径の出口パイプを意味する。出口径比ＫＯは、本明細書では、出口パイプの直径（ＤＰ）と出口反応器ヘッドの直径（ＤＲ）との比、すなわち、ＫＯ＝ＤＰ／ＤＲとして定義される。例として、５，５１７ｍｍ（１８．１ｆｔ）の出口反応器ヘッド直径を有する図１に示される反応器実施形態では、直径３０５ｍｍ（１２ｉｎ）の出口パイプは、ＫＯ＝０．０５５であるので、「大径出口パイプ」とはみなされないであろう。したがって、出口反応器ヘッド直径が５，５１７ｍｍ（１８．１ｆｔ）である一実施形態では、反応器出口から脱水塔までの出口パイプは、少なくとも４５７ｍｍ（１８ｉｎ）の直径（Ｋ＝０．０８３）、例えば、少なくとも６１０ｍｍ（２４ｉｎ）の直径（Ｋ＝０．１１１）、少なくとも７６２ｍｍ（３０ｉｎ）の直径（Ｋ＝０．１３８）、少なくとも９１４ｍｍ（３６ｉｎ）の直径（Ｋ＝０．１６６）などであろう。当然ながら、反応器出口ヘッド直径が既知であると仮定すると、当業者であれば、本開示の利点を考慮して、類似の計算を行うことにより、他の「大径出口パイプ」の適切な寸法を決定することが可能である。
【０１９１】
いくつかの実施形態では、「Ｒ２出口クーラー」として本明細書で参照される任意選択の熱交換器を反応器出口の下流に配置して、生成物ガスの温度を調整してから水性吸収器や脱水塔などの下流の捕集装置に移送する。シェルアンドチューブ型設計は、Ｒ２出口クーラーサービスで使用される非常に代表的な先行技術であり（例えば、米国特許第７，０３８，０７９号明細書を参照されたい）、使用する場合、プロセスガス側の圧力低下を最小限に抑えるように設計可能である。そのほかに、そのような任意選択のシェルアンドチューブ型Ｒ２出口クーラーは、通常、ファウリングを起こすので、少なくとも一実施形態では、Ｒ２出口クーラーのプロセスガス側を例えばモネルや他の銅含有金属などの耐ファウリング性材料で構築することが可能である（例えば、米国特許第７，９０６，６７９号明細書（参照により本明細書に組み込まれる）を参照されたい）。傾斜プロセスラインや垂直配向交換器チューブなどのジオメトリー設計上の特徴もまた、ファウリング物質の蓄積を抑制するうえで有益でありうる。液相又は気相インヒビター及びファウリング防止剤の使用もまた、有益でありうる。最後に、ローポイントドレインの組込み及びプロセスガス側交換器表面のファウリングの断続的モニタリング（前記モニタリング時に確認された蓄積の迅速な除去との組合せ）は、交換器を横切る圧力低下の増加を最小限に抑えるのに役立ちうるとともに、関連する上流の第２反応段操作圧力の上昇を抑制するのに役立ちうる。
【０１９２】
上記のシェルアンドチューブ型Ｒ２出口クーラーの代替手段は、米国特許第８，２４２，３０８号明細書（例えば、図２参照）（参照により本明細書に組み込まれる）に記載の「スプレークーラー」としても知られる低圧力低下液体接触熱交換器である。いくつかの実施形態では、シェルアンドチューブ型Ｒ２出口クーラー及びスプレークーラーの両方を利用することが可能であり、両方のタイプの交換器を本発明に係るＳＳＯＩ反応器と組み合わせて使用する場合、少なくとも一実施形態では、液体接触熱交換器は、シェルアンドチューブ型Ｒ２出口クーラーの下流に配置可能である。
【実施例】
【０１９３】
実施例１−脱コーク試験
特別な方法に利用してＭＭＯ触媒を「脱コーク」及び／又は「再生」することにより、転化率及び選択率を向上させることが可能であると、文献に報告されてきた。この方法は、一般的には、１２時間以上の短い処理時間を利用することを含み、その間、反応器を製造から外して、ＭＭＯ触媒を空気又はスチームと空気との組合せにｉｎ  ｓｉｔｕで暴露する。文献によれば、そのような処理は、ＭＭＯ触媒の酸化状態を向上させ、炭素質堆積物を除去し（その酸化を介して）、かつ反応器を横切るプロセス側圧力低下を低減することにより、性能を向上させると予想されうる（例えば、米国特許第７，８９７，８１３号明細書、第７欄、第３３〜６７行を参照されたい）。本発明に係るＳＳＯＩ反応器に適用した場合、その処理方法の使用により利点が提供されうるかを調べるために、実施例１を行った。
【０１９４】
この試験を行うために、図１ａ、１ｂ、及び１ｃに示される以上に記載のＳＳＯＩ反応器に新しい市販の触媒を充填した。この特定の実施例では、本発明に係るＳＳＯＩ反応器に使用すべくＡＣＦ−７及びＡＣＳ−７触媒を選択した。
【０１９５】
第１反応段１１０の各チューブにＡＣＦ−７触媒を充填した。Ｒ１入口チューブシートのチューブ入口から始めて、第１反応段のチューブ（１１５ａ、ｂ、ｃ）に次のように充填した。約２６７ｍｍの不活性スフェア、９０５ｍｍのＡＣＦ−７Ｌ触媒、及び３４４５ｍｍのＡＣＦ−７Ｓ触媒。この結果、第１段触媒の全質量（ＡＣＦ−７Ｌ＋ＡＣＦ−７Ｓ）は、１．２９５ｋｇ／チューブとなった。
【０１９６】
一体型段間熱交換器１３０を通り抜ける残りの長さ２，０５７ｍｍのチューブセグメント（１３５ａ、ｂ、ｃ）は、改変ツイスティーインサートの上に着座した不活性５／１６”（８ｍｍ）炭化ケイ素リング（Ｎｏｒｔｏｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｃｏｒｐ（Ａｋｒｏｎ  ＯＨ，ＵＳＡ）から入手可能である）の短尺（深さ２５〜５０ｍｍ）遷移層により占有された。以上に記載したように、そのような改変ツイスティーインサートは、以上に記載の長さ２，０３２ｍｍ（８０ｉｎ）のツイスティーインサートの１つの上流端部に溶接された長さ２５．４ｍｍ（１ｉｎ）のコニカル触媒保持スプリング（図１ｄ参照）を含んでいた。コニカルスプリングは、６．１ｍｍ（０．２４１”）の頂部外径（ｄＴＳ）及びツイスティーインサートの有効直径に等しい１９．１ｍｍ（０．７５”）の底部外径ｄＢＳを有していた。２５．４ｍｍ（１ｉｎ）の全高さ（ｈｓ）と、炭化ケイ素リングが通り抜けないように十分に狭いコイル間隔と、を有するコニカルスプリングを形成するために、直径１．４７ｍｍ（０．０５８ｉｎ）のステンレス鋼ワイヤーの１１個の等間隔コイルからコニカル触媒保持スプリングを作製した。したがって、コニカル触媒保持スプリングをツイスティーインサートの端部に装着することにより、高さ２５．４ｍｍ〜５１ｍｍのリング遷移層をツイスティーインサートのすぐ上流の所定の位置に保持した。次に、この遷移層で上流のＡＣＦ−７Ｓ触媒を支持して第１段反応セクション内に保持し、段間熱交換器内のチューブ（１３５ａ、ｂ、ｃ）の下端部が占有されないようにした。段間熱交換器内のツイスティーインサート自体は、ワイヤーメッシュを含む以上に記載の触媒支持グリッドパネルを用いてＩＳＨＸチューブ内に保持された。
【０１９７】
利用可能な段間容積の約９３％を充填するのに十分な直径１．５ｉｎのＥｎｖｉｒｏＳｔｏｎｅ６６セラミックススフェアをオープン段間領域１５０に充填した。これらのスフェアは、反応器内に注加することにより充填され、そして自己集合により約４０％の空隙率を有する床を形成した。以上に述べたように、これにより、ファウリング物質を除去すべく約４，４００ｍ2の表面積（４７，５００ｆｔ2）を形成した。
【０１９８】
第２反応段１６０の各チューブにＡＣＳ−７触媒を充填した。Ｒ２入口チューブシートのチューブ入口から始めて、第２反応段（１６５ａ、ｂ、ｃ）のチューブに次のように充填した。２００ｍｍの不活性スフェア、８００ｍｍのＡＣＳ−７Ｌ触媒、及び３５００ｍｍのＡＣＳ−７Ｓ触媒。この結果、第２段触媒の全質量（ＡＣＳ−７Ｌ＋ＡＣＳ−７Ｓ）は、２．１２２ｋｇ／チューブとなり、Ｒ２：Ｒ１触媒質量比は、１．６４となる。第２反応段（Ｒ２）触媒は、ワイヤーメッシュを含む以上に記載の触媒支持グリッドパネルを用いて、反応器チューブ内に保持される。
【０１９９】
次いで、６．５体積％〜７．１体積％の目標プロピレン供給濃度、１３．６体積％の平均酸素供給濃度、２７．７体積％の平均水供給濃度、及び窒素を含む不活性ガスである残部を用いて、この実施例のＳＳＯＩ反応器を長時間にわたり操作した。
【０２００】
４，７７６時間の操作経過時間の後、反応器をオフラインにして、「脱コーク」又は「再生」処理方法の第１の試験を行った。処理は、１３，１７０ｍ3／ｈｒ（４６５ＭＳＣＦＨ）の流量及び２２４℃（４３５°Ｆ）の温度で空気のみを反応器に供給することからなっていた。Ｒ１塩供給温度（ＴR1塩）を約９時間にわたり３４７℃（６５７°Ｆ）の最高温度まで徐々に上昇させ、２１時間にわたりこの温度に維持した。この時間の間、Ｒ２触媒を過熱から保護するために、Ｒ２塩供給温度（ＴR2塩）を２８５℃（５４５°Ｆ）に維持した。合計３０時間の再生時間の間、触媒温度及び送出プロセスガスをモニターした。驚くべきことに、発熱は検出されず、ＣＯ又はＣＯ２形成（炭素質固体の酸化を表す）の徴候もなんら検出されなかった。実際に、２１時間の最大加熱の間、第１段触媒温度（ＴR1触媒）と第１段塩供給温度（ＴR1塩）との差は、本質的にゼロであった（ＴR1塩−ＴR1触媒≦０．３３）。処理終了時、反応器を通常操作に戻した。２４時間の定常状態操作の後、転化率の改良も選択率の改良もはっきりと認められなかった。また、反応器を横切る圧力低下の変化も、検出されなかった。この処理方法では、炭素堆積物の除去は見られず、ＭＭＯ触媒の有意な再生もなんら見られないことが結論付けられた。
【０２０１】
さらに約３，４００時間の操作後（８，１８４時間の操作経過時間）、反応器を再度オフラインにして第２の試験処理を行った。処理は、同様に、１３，１７０ｍ3／ｈｒ（４６５ＭＳＣＦＨ）の流量及び２２４℃（４３５°Ｆ）の温度で空気のみを反応器に供給することからなっていた。Ｒ１塩供給温度（ＴR1塩）を３５０℃（６６２°Ｆ）〜３６５℃（６９０°Ｆ）に維持し、Ｒ２触媒を過熱から保護するためにＲ２塩供給温度（ＴR2塩）を３００℃（５７２°Ｆ）に維持した。２１時間の処理時間の間、ＣＯ又はＣＯ2発生の証拠は見られず、発熱反応の徴候もなんら見られなかった。反応器を通常操作に戻した。２４時間後、転化率の改良も選択率の改良もはっきりと認められなかった。また、反応器を横切る圧力低下の変化も、検出されなかった。この処理方法では、炭素堆積物の除去は見られず、ＭＭＯ触媒の有意な再生もなんら見られないことが結論付けられた。
【０２０２】
触媒が有意な時間にわたりオンストリーム状態を経た後、利点が実現されるかを確認すべく、空気のみの処理をさらに４回繰り返した。得られた結果は、最初の２回の試験と変わらなかった。全ての処理試験を表１Ａにまとめる。
【０２０３】
【表２】
2020185568.tif 000004
【０２０４】
反応器の追加の圧力測定データを表１Ｂにまとめる。この表は、再生処理を実施する前の反応器内の圧力値と、全ての再生処理を終了した後の反応器内の圧力値と、を比較している。表は、各時間にわたり２つの本質的に等価な流量条件で得られたデータを含む。
【０２０５】
【表３】
2020185568.tif 000005
【０２０６】
本発明に係るＳＳＯＩ反応器では、「脱コーク」又は「再生」の処理による性能の向上が見られないことは、これらの実験試験から明らかである。そのような処理がタンデム反応器やＳＲＳ反応器などの他の反応器設計では利点を提供すると思われることを考えると、この結果は、驚くべきことである。理論に拘束されるものではないが、炭素質堆積物除去の徴候が見られなかった理由は、本発明に係るＳＳＯＩ反応器設計がこれらの炭素質堆積物の形成を効率的に防止することにあるという仮説が立てられる。この結論は、２８，０００時間超の操作経過時間にわたり反応器圧力プロファイルが本質的に変化しないことによりさらに裏付けられる（表１Ｂ）。有意な堆積物が蓄積していたのであれば、ＳＳＯＩ反応器を横切る圧力低下は、そのような長い操作時間にわたり有意に増加したはずであると予想されよう。最後に、触媒交換のために反応器をオフラインにした時、反応器の内部を検査したが、段間熱交換器内にもオープン段間領域内にも、顕著な炭素質堆積物は見られなかった。したがって、本発明に係るＳＳＯＩ反応器設計は、例えば米国特許第７，８９７，８１３号明細書の反応器などの先行技術の反応器設計よりも明らかに良好な性能であった。
【０２０７】
実施例２−滞留時間ＩＳＨＸ＋ＯＩＳ
以上に記載した図１の反応器実施形態は、２２，０００本のチューブ及び１００ｋＴＡのアクリル酸の公称製造能力を有する。段間滞留時間さらには段間熱交換器チューブを介するプロセスガスフローの滞留時間（ＩＳＨＸ滞留時間）を設計操作速度で決定することが望まれた。
【０２０８】
１９，４００ｐｐｈ（８，７９９ｋｇ／ｈｒ）のプロピレン供給速度、１．８のＯ2：プロピレン体積比、及び３．６のスチーム：プロピレン体積比で操作すべく、反応器を設計した。２４０℃及び３０ｐｓｉａ（２ａｔｍ）の参照条件で測定した場合、段間領域を介する全ガスフローは、約２，２８４，３６０ｆｔ3／ｈｒ（６４，６９４ｍ3／ｈｒ）であった。
【０２０９】
【表４】
2020185568.tif 000006
【０２１０】
この０．９３秒間という結果は、段間熱交換器を介するプロセスガスの滞留時間が１．５秒間以下であるという目標ＳＳＯＩ反応器設計要件の範囲内であった。
【０２１１】
【表５】
2020185568.tif 000007
【０２１２】
ＩＳＨＸ及びオープン段間領域を介する滞留時間の和をとることにより、２．１７秒間の合計時間を得た。本明細書では、これを段間滞留時間であると定義した。この結果は、段間滞留時間が３秒間以下であるという目標ＳＳＯＩ反応器設計要件に適合した。
【０２１３】
実施例３−酢酸収率
パイロットプラントスケールの反応系を用いて、プロセス変数の変化に対する酸化反応器の応答を研究した。第１反応段は、通常の第１段循環塩冷却ジャケット内に内径２２．１ｍｍ（０．８７ｉｎ）の２本の垂直チューブを含んでいた。日本の日本触媒化学工業株式会社から市販されているシリンダー状ＡＣＦ  Ｒ１触媒を４，１９１ｍｍ（１３．７５ｆｔ）の長さまで第１反応段のチューブに仕込んだ。第２反応段は、通常の第２段循環塩冷却ジャケット内に内径２２．１ｍｍ（０．８７ｉｎ）の３本の垂直チューブを含んでいた。同様に日本の日本触媒化学工業株式会社から市販されている球状ＡＣＳ  Ｒ２触媒を２，７４３ｍｍ（９ｆｔ）の長さまで第２反応段のチューブに仕込んだ。２つの反応段間の滞留時間を３秒間以下に維持するように寸法決めされた十分に断熱された段間パイプにより２つの反応段を接続した。第１反応段の頂部に入り、垂直チューブを介して流下し、そして第１反応段の底部で出るようにプロセスガスフローを構成した。次いで、「Ｓ」形の段間パイプによりプロセスガスフローを第２反応段の頂部に方向付けた。ここで、垂直チューブを介して流下し、第２反応段の底部で出た。第１及び第２反応段の両方に対して、塩循環を向流フローで構成した。この場合、塩は、ジャケットの底部に入り、流上し、そしてジャケットの頂部から出る。Ｒ１及びＲ２塩循環の両方に対する供給温度は、独立して制御可能であった。
【０２１４】
パイロットプラントスケールの反応系を前の実験で利用したので、この研究時、Ｒ１及びＲ２触媒は、すでに約２，４５０時間にわたり操作されたものであった。
【０２１５】
これらの研究では、１本のチューブあたり０．３２ｋｇ／ｈｒ（１本のチューブあたり０．７１ポンド／ｈｒ）の速度でプロピレンを第１段に供給した。反応系への供給ガスは、６体積％の公称プロピレン濃度を有し、２．０７±０．０２の酸素／プロピレン体積比及び５．１５±０．１０の水／プロピレン体積比を用いて操作された。第２反応段から出る生成物ガスストリームをプロピレン及びアクロレインの含有率に関して分析し、転化率を決定した。研究の間、実施計画に依存してプロピレン転化率を９５．５％又は９６．５％のいずれかに維持するように、Ｒ１塩供給温度（ＴR1塩）を調整した。同様に、アクロレイン転化率を９９．５％に維持するように、Ｒ２塩供給温度（ＴR2塩）を調整した。第２反応段の出口のバルブを調整することにより、反応器内の操作圧力を制御した。
【０２１６】
図７からわかるように、副生成物酢酸の収率が第２反応段内の操作圧力にかなり依存することを、これらの実験で見いだした（０．９６７６のＲ2値で、強い相関を示す）。プロピレン酸化反応系の目的がアクリル酸を生成することであったので、第２反応段を低圧で操作することにより副生成物酢酸の収率を最小限に抑えることが好ましかった。
【０２１７】
実施例４−チューブサイズの選択
（Ａ）Ｐｅｒｒｙ’ｓ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ’Ｈａｎｄｂｏｏｋ（６ｔｈ  ｅｄ．，１９８４）の第１１節には、標準的熱交換器チューブの外径が６．３５ｍｍ（０．２５ｉｎ）〜３８ｍｍ（１．５０ｉｎ）の範囲内であること、及び熱交換器チューブの壁厚がバーミンガムワイヤーゲージ（ＢＷＧ）ユニットで測定されること、が教示されている。この用語を用いた記述は、熱交換器設計の技術分野では周知であるが、分野外の者には馴染みがないかもしれない。例えば、「１ｉｎ×１６ＢＷＧ熱交換器チューブ」という記述は、次の寸法、すなわち、２５．４ｍｍ（１ｉｎ）の外径、１．６５ｍｍ（０．０６５ｉｎ）の壁厚、及び２２．１ｍｍ（０．８７ｉｎ）の内径を有するチューブを意味する。同様に、「１．０６ｉｎ×１８ＢＷＧ熱交換器チューブ」という記述は、２６．９ｍｍ（１．０６ｉｎ）の外径、１．２４ｍｍ（０．０４９ｉｎ）の壁厚、及び２４．４ｍｍ（０．９６２ｉｎ）の内径のチューブを意味する。そのほかに、「１．５ｉｎ×１３ＢＷＧ熱交換器チューブ」という記述は、３８．１ｍｍ（１．５ｉｎ）の外径、２．４ｍｍ（０．０９５ｉｎ）の壁厚、及び３３．３ｍｍ（１．３１ｉｎ）の内径のチューブを意味する。これらの例を考慮すれば、いくつかの先行技術文書で用いられる不正確な記述、例えば、「１ｉｎのチューブ」という語句などが、不要な混乱を引き起こすおそれがあることは、明らかであろう。したがって、そのような問題を回避するために、本明細書の実施例では、チューブの実際の内径を明記する。
【０２１８】
（Ｂ）実際問題として、約５１ｍｍ（２ｉｎ）超の外径の熱交換器チューブが使用されることは、非常に稀である。なぜなら、これは、典型的には、チューブ製造業者の日常的な在庫の中で最も大きいシームレスチューブサイズであると考えられるからである（５１ｍｍ超のサイズは、典型的には、割増価格及びより長い納期を有するカスタムオーダーであるとみなされる）。
【０２１９】
（Ｃ）さらに、反応器チューブに充填される市販の触媒ペレットは、典型的には、最小直径が５〜６ｍｍである。したがって、反応器チューブ用として特定可能な内径の範囲は、実際上、約７ｍｍ〜約５０ｍｍの範囲に制限される。
【０２２０】
（Ｄ）操作温度を高くすると、アクリル酸に対する選択率が低くなり、同時に、副生成物例えばＣＯ／ＣＯ2や酢酸などの発生が増加することは、プロピレン酸化の技術分野で広く知られている。したがって、酸化反応器設計の目的は、チューブ内のＭＭＯ触媒の体積からの発熱の速度（Ｑg）に対してチューブ壁の表面積を介する熱除去の速度（Ｑr）を効率的にバランスさせることにより、操作温度を最小限に抑えることである。
【０２２１】
熱伝達技術の当業者であれば、Ｑrが、次の関係：
Ｑr＝ＵＡ（ΔＴ）
を介してチューブの表面積Ａに依存すること、及びチューブの表面積が、次のジオメトリー関係：  
Ａ＝２π（ｒ）ｌ
（式中、ｒは、チューブの半径であり、かつｌは、チューブの長さである）
から計算可能であることは、分かるであろう。
【０２２２】
同様に、Ｑgは、次のジオメトリー関係：  
Ｖ＝π（ｒ）2ｌ
（式中、ｒは、この場合もチューブの半径であり、かつｌは、チューブの長さである）
から計算可能なチューブ内のＭＭＯ触媒の体積Ｖに依存性する。
【０２２３】
当業者であれば、さらに、チューブの半径ｒが増加するにつれて、チューブ内のＭＭＯ触媒の体積（したがって発熱速度Ｑg）が、チューブの表面積（したがって熱除去速度Ｑr）よりもかなり急速に増加することは、分かるであろう。この関係［（ｒ）2＞（ｒ）］から、明らかに、小さい直径の反応チューブ（この場合、チューブ壁の伝熱表面積（Ａ）は、チューブ内の触媒体積（Ｖ）と比べて大きい）は、大きい直径の反応チューブよりも操作温度を最小限に抑えるうえでより効果的であるという結論が導かれる。
【０２２４】
そのほかに、Ｐｅｔｅｒｓ及びＴｉｍｍｅｒｈａｕｓ（Ｐｌａｎｔ  Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ  ｆｏｒ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，３ｒｄ  ｅｄ．，１９８０）は、「小さい直径のチューブを有する交換器は、所与の表面積をより小さいシェル直径に適合させることができるので、大きい直径のチューブを有するものよりも伝熱表面の１平方ｆｔあたりの費用が安くなる…」と教示している。
【０２２５】
したがって、プロピレン酸化反応器設計の当業者の一致した意見は、小さい直径のチューブの優先的使用であった。
【０２２６】
本発明者らは、驚くべきことに、当技術分野の通常の教示に従うことは実際には逆効果であることを発見した。約５０ｍｍまでのチューブサイズの範囲内で、本発明者らは、驚くべきことに、本発明に係るＳＳＯＩ反応器の第２反応段内では、より小さい内径ではなくむしろより大きい内径のチューブを使用するほうが好ましいことを発見した。理論により限定することを望むものではないが、第２反応段でより大きい直径のチューブを使用すると、触媒含有チューブを介する全圧力低下を小さくできるので、ＭＭＯ触媒を介する全空間速度を変化させることなく、副生成物酢酸形成の実質的低減がもたらされると考えられる（図７参照）。
【０２２７】
この効果を例示するために、次の方法を用いて、異なる直径のチューブを介する圧力低下を決定した。当然ながら、このデータを直接測定により収集することが可能であるが、そのような手法は、時間もコストもかかる。本明細書に開示される計算方法を用いれば、その必要はない。
【０２２８】
２２．３ｍｍの内径及び４５００ｍｍの長さを有する第２反応段（Ｒ２）チューブを含む実施例１の反応器を用いて、この実施例の初期プロセスデータを収集した。次の平均供給組成物、すなわち、６．５体積％のプロピレン、１３体積％の酸素、３１体積％の水、及び窒素を含む不活性ガスである残部を用いて、４，７４５Ｎｍ3／時（６０°Ｆ／１ａｔｍで１７７．１ＭＳＣＦＨ）の全プロピレン供給速度で、反応器を操作した。直接測定により、反応器内の反応器圧力は、次のように見いだされた。
【０２２９】
【表６】
2020185568.tif 000008
【０２３０】
Ｍ．Ｌｅｖａら（Ｂｕｌｌｅｔｉｎ  ５０４，Ｂｕｒｅａｕ  ｏｆ  Ｍｉｎｅｓ，１９５１）の研究に基づいて、追加の実験室研究により、反応器チューブ内の球状触媒粒子を介する圧力低下の関係式を開発及び精密化した。球状ＭＭＯ触媒粒子が充填されて、同一プロセス条件（フロー、温度、入口圧力、及び組成）下で操作された異なるジオメトリーのチューブに対して、単純化された圧力低下関係式を以下のように決定した。
ｄＰ＝（ｋ）（Ｌ／ｅ3）（１−ｅ）1.1
式中、
ｄＰは、単一チューブを介する圧力低下であり、
ｋは、プロセス条件に関連付けられる定数であり、
Ｌは、チューブの長さである、かつ
ｅは、チューブ内の触媒粒子間の実際の空隙率である
【０２３１】
空隙率（ｅ）は、粒子直径とチューブ直径との比に依存するので、粒子直径とチューブサイズとの各組合せに対して測定により決定しなければならない。このデータの有意なコレクションは、Ａ．Ｄｉｘｏｎ’ｓ  Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ  ｆｏｒ  Ｗａｌｌ  ａｎｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｓｈａｐｅ  Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｏｎ  Ｆｉｘｅｄ  Ｂｅｄ  Ｂｕｌｋ  Ｖｏｉｄａｇｅ（Ｃａｎａｄｉａｎ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．６６，Ｏｃｔｏｂｅｒ  １９８８，ｐｐ７０５−７０８）で入手可能であり、この実施例で利用された。
【０２３２】
内径２２．３ｍｍ及び長さ４５００ｍｍの寸法を有する２２，０００本の反応器チューブの全容積は、３８．６５ｍ3であった。実施例で考慮した各代替的チューブ直径に対して、この全容積を一定に保って得られるチューブの長さ（Ｌ）を表４に示されるように計算した。次いで、各チューブサイズに対して、空隙率及び圧力低下を決定した。最後に、これら値を実施例３の実験データと組み合わせて、以下の表４にまとめられた結果を得た。
【０２３３】
【表７】
2020185568.tif 000009
【０２３４】
基準の内径２２．３ｍｍよりも大きいチューブは、より少量の副生成物酢酸を提供し、一方、基準の内径２２．３ｍｍよりも小さいチューブは、より多量の副生成物酢酸を提供することが、この実施例から明らかであった。さらに、チューブ内径を比較的わずかに変化させた場合でさえも、副生成物酢酸生成の有益な低減を達成しうることが、実験データから明らかである。そのほかに、本発明に係るＳＳＯＩ反応器設計では、炭素質ファウリング物質の蓄積が抑制されたので、反応器を横切る圧力低下、したがって第２反応段の操作圧力は、経時的に有意に変化しなかった。結果として、最初の数ヶ月間の操作だけでなく、触媒仕込みの全寿命にわたり、第２反応段チューブ直径の増加による圧力低減効果が実現された。
【０２３５】
実施例５−チューブカウント
第２反応段内の圧力を最小化する他の手法は、チューブの全長を低減すると同時に反応器内のチューブの全数（「チューブカウント」としても知られる）を増加させることである。この設計最適化は、チューブ内径や各反応段の全容積を変化させることなく利用されうる。反応器シェル直径、したがって製造コストは、チューブカウントの増加に伴って増加するが、圧力低下の低減及びそれに伴う酢酸収率の低減を達成するために、ときには追加の資本コストを負担することが、有利なこともありうる。そのような経済アセスメントは、本開示の利点を考慮して、プロセス設計の当業者の能力の範囲内である。
【０２３６】
表５Ａは、２２．３ｍｍの固定チューブ内径及び反応器内の固定反応段容積を維持しつつ、触媒により占有される各チューブの長さ及びチューブカウントをＳＳＯＩ反応器の設計でどのように変化させうるかを示している。
【０２３７】
【表８】
2020185568.tif 000010
【０２３８】
表５Ｂは、２５．４ｍｍの固定チューブ内径及び反応器内の固定反応段容積を維持しつつ、触媒により占有される各チューブの長さ及びチューブカウントをＳＳＯＩ反応器の設計でどのように変化させうるかを示している。
【０２３９】
【表９】
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【０２４０】
表５Ｃは、触媒により占有される各チューブの長さ及びチューブカウントを固定反応段容積のＳＳＯＩ反応器の設計でどのように変化させうるかを示している。この表はまた、チューブの内径にかかわらず、触媒長さの等価な変化がチューブカウントの同一パーセント増加を生じることを示している。
【０２４１】
【表１０】
2020185568.tif 000012
【０２４２】
実施例６−触媒質量比
以下の実施例は、長い持続時間の個別実験さらには多数の商業規模の試験を行ったという両方の点で、当技術分野では例外的である。この実施例では、１５，０００〜２５，０００本のチューブをそれぞれ含む商業規模のＳＳＯＩ型プロピレン酸化反応器を用いて、一連の触媒評価を行った。各反応器の第１（Ｒ１）反応段及び第２（Ｒ２）反応段の両方に等しい数のチューブが存在し、チューブは全て、２２．３ｍｍ（０．８７８ｉｎ）の内径であった。
【０２４３】
各実験試験で、等しい質量の触媒を所与の反応器内の反応チューブの全てに充填し、各チューブを介して均一な圧力低下を達成するのに十分な６．４ｍｍ（０．２５”）のＥｎｖｉｒｏＳｔｏｎｅ６６セラミックススフェアをチューブ端部の空隙空間に充填した。
【０２４４】
本開示の少なくとも一実施形態に適合して、各反応器の段間冷却セクションに高空隙率（少なくとも９０％の空隙率）乱流促進インサートを取り付け、オープン段間領域に直径１．５”の大表面積ＥｎｖｉｒｏＳｔｏｎｅ６６セラミックススフェアを充填し、そして段間クーラー内及びオープン段間領域内の合計プロセスガス滞留時間（本明細書では「段間滞留時間」として参照される）を３．０秒間以下に制限した。
【０２４５】
試験時、１本のチューブあたり０．１６〜０．２１Ｎｍ3／時（６０Ｆ／１ａｔｍで６〜８ＳＣＦＨ）の平均流量で試験反応器内の各チューブにプロピレンを供給した。各反応器への供給ガス組成物を平均で７±０．５％のプロピレン、約３．６±２のスチーム：プロピレン体積比、及び約１．８±１の酸素：プロピレン体積比に制御した。
【０２４６】
全ての反応器をＨＩＴＥＣ塩の循環ストリームで冷却した。操作の開始時、第１反応段用の冷却塩を約３１５℃（６００°Ｆ）の温度ＴR1塩で最初に供給し、第２反応段用の冷却塩を約２６５℃（５１０°Ｆ）の温度ＴR2塩で最初に供給した。
【０２４７】
オンラインガスクロマトグラフアナライザーを用いて、各反応器の第２反応段から出るガスストリーム（本明細書では「反応器生成物ガス」ストリームとして参照される）の組成をモニターした。特定の測定は、生成物ガス中に残留する未反応プロピレンの濃度及び未反応アクロレインの濃度を含んでいた。
【０２４８】
実験操作の時間全体にわたり、生成物ガス中の未反応プロピレン濃度を０．１３〜０．２６ｍｏｌ％に維持するようにＴR1塩（第１段塩供給温度）を調整し、生成物ガス中の未反応アクロレイン濃度を約３００ｐｐｍに維持するようにＴR2塩（第２段塩供給温度）を調整した。そのほかに、段間熱交換器に供給される冷却塩の温度（ＴISHX塩）を調整して、オープン段間領域に入るプロセスガスの温度を約２４０℃〜２８０℃の値に維持した。
【０２４９】
長時間の操作にわたり、触媒エージングが原因で、ＴR1塩及びＴR2塩を徐々に上昇させて、反応器からのアクリル酸の収率を維持することが必要であった。しかしながら、最終的には、触媒操作温度は、最大値に達し、ＴR1塩、ＴR2塩のいずれをさらに上昇させても、アクリル酸収率の向上には無効であった。この時点で、触媒は、その耐用寿命の終りを迎え、交換が必要であった。一般的には、ＴR1塩及びＴR2塩のこれらの最終値は、それぞれ、約３５５℃（６７０°Ｆ）及び約２９５℃（５６０°Ｆ）であった。
【０２５０】
【表１１】
2020185568.tif 000013
【０２５１】
表６に示されるように、試験１、２、４、及び６は全て、部分的Ｒ２触媒再充填を必要とした。すなわち、Ｒ２触媒仕込みの耐用寿命は、Ｒ１触媒仕込みのおよそ半分であったので、Ｒ１触媒の交換が必要になるかなり前にＲ２触媒を交換する必要があった。試験８では、Ｒ２触媒仕込みの耐用寿命は、Ｒ１仕込みのものを超えた。しかしながら、試験３、５、及び７では、Ｒ１及びＲ２触媒仕込みの耐用寿命は、効率的にマッチしたので、部分的再充填の必要性が回避された。これらの実験から、本発明の少なくとも一実施形態に係るＳＳＯＩ反応器設計では、触媒質量比（第１段触媒ｋｇ／第２段触媒ｋｇ）が約１．２５〜約１．６０である場合、第１段及び第２段の触媒寿命をマッチさせて操作可能であることが示された。約０．９５未満の触媒質量比では、Ｒ２触媒の耐用寿命は、Ｒ１触媒のものよりも実質的に短かった。約１．６０超の触媒質量比では、試験８の場合のように、Ｒ２触媒の耐用寿命は、Ｒ１触媒のものよりも長かった。さらに、約１．６５よりも実質的に高い触媒質量比では、例えば、１．８０さらには２．０の比では、Ｒ２触媒の耐用寿命は、Ｒ１触媒のものよりも有意に長いので、Ｒ１触媒の早期の交換が必要になると予想できることが、データから示唆された。２つ以上の供給業者からの触媒を含めて、多くの異なる市販の触媒タイプにこの発見が適用されることを見いだしたことは、とくに驚くべきことであった。触媒寿命をマッチさせた反応器操作では、過剰量の触媒を設置する追加のコストを負担することなく部分的再充填を回避することにより、有意な経済効果が提供された。特定の実施形態に係るＳＳＯＩ反応器のチューブに充填される触媒の量を制御して、約０．９５以上かつ約１．６５以下、例えば、約１．２５〜約１．６０などの触媒質量比（第１段触媒ｋｇ／第２段触媒ｋｇ）を達成可能であると結論付けられた。
【０２５２】
実施例７−追加の酸化剤添加／滞留時間
以上に記載される図４の反応器実施形態は、２２，０００本のチューブを有しており、追加の酸化剤添加を用いて操作されて１１０ｋＴ／年のアクリル酸公称製造能力を達成した。段間滞留時間さらには段間熱交換器チューブを介するプロセスガスフローの滞留時間（ＩＳＨＸ滞留時間）を設計操作速度で決定することが望まれた。
【０２５３】
表７Ａ（ケース２）にすでに示されたように、図４の反応器実施形態は、２１，３４４ｐｐｈ（９，７０２ｋｇ／ｈｒ）のプロピレン供給速度、０．１２２のプロピレン：空気体積比、及び０．３６７のスチーム：空気体積比で操作するように設計された。２４０℃及び３０ｐｓｉａ（２ａｔｍ）の参照条件で測定した場合、段間領域に入る全ガスフローは、約２，１８７，６６２ｆｔ3／ｈｒ（６１，９５６ｍ3／ｈｒ）であった。
【０２５４】
【表１２】
2020185568.tif 000014
【０２５５】
この０．９６９秒間という結果は、段間熱交換器を介するプロセスガスの滞留時間の目標実施形態である１．５秒間以下に十分に適合した。
【０２５６】
【表１３】
2020185568.tif 000015
【０２５７】
【表１４】
2020185568.tif 000016
【０２５８】
ミキサーの中間スロートセクションでは、追加の酸化剤供給原料の添加に起因して全体積流量が増加した。２４０℃及び３０ｐｓｉａ（２ａｔｍ）の参照条件で測定した場合、中間スロートセクション及び出口拡大セクションを通り抜ける全ガスフローは、約２，４０８，８２０ｆｔ3／ｈｒ（６８，２２０ｍ3／ｈｒ）に増加した。
【０２５９】
【表１５】
2020185568.tif 000017
【０２６０】
以上の実施例の定義によれば、この実施形態の段間滞留時間は、段間熱交換器、セラミックフォーム、及びベンチュリーミキサーの各セクションを介する滞留時間の合計であった。したがって、表７Ｂ〜７Ｅの結果を組み合わせて、段間滞留時間は、２．５６秒間であると決定された。この結果は、３秒間以下という目標段間滞留時間に適合した。
【図１ａ】
2020185568.tif 000018
【図１ｂ】
2020185568.tif 000019
【図１ｃ】
2020185568.tif 000020
【図１ｄ】
2020185568.tif 000021
【図１ｅ】
2020185568.tif 000022
【図２】
2020185568.tif 000023
【図３ａ】
2020185568.tif 000024
【図３ｂ】
2020185568.tif 000025
【図４】
2020185568.tif 000026
【図５】
2020185568.tif 000027
【図６】
2020185568.tif 000028
【図７】
2020185568.tif 000029
【図８】
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