(57)【要約】連続法による化学反応を行うための装置であって、フローの方向を規定する少なくとも２つの反応器区画（１、２、３、４）を備える反応器を有する。前記反応器は、前記フローの方向に沿ってプラグフロー特性を有する。前記反応器から第１の地点（Ｐ２）で部分フローを引き出し、前記部分フローを、フロー方向の前記第１の地点の上流に位置する第２の地点（Ｐ１）で前記反応器に戻すための再循環ラインが提供される。所定の温度範囲にわたって、前記反応器内の温度上昇、具体的には約５０Ｋを超える温度変化を防止する手段（７、７’）が設けられている。【選択図】図３
2019500202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続法による化学反応を行うための装置であって、
前記装置は、フローの方向を規定する少なくとも２つの反応器区画を備える反応器を有し、
前記反応器は、前記フローの方向に沿ってプラグフロー特性を有し、
第１の地点で前記反応器から部分フローを引き出し、前記部分フローを前記フローの方向において前記第１の地点より上流に位置する第２の地点で前記反応器に戻すための再循環ラインが設けられ、所定の温度範囲にわたる前記反応器内の温度上昇を、具体的には約５０Ｋを超える温度変化を防止する少なくとも１つの手段が設けられる、前記装置。
【請求項２】
前記手段は、前記反応器の温度又は温度変化を測定する、少なくとも１つの温度センサを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記フローの方向に連続して配置された複数の温度センサが設けられている、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記複数の温度センサの少なくとも一部が保護チューブ内にまとまって配置される、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記複数の温度センサからの信号に基づいて、前記反応器内での反応が点火された、前記フローの方向に沿った局所位置を決定するための評価ユニットが設けられている、請求項３又は４に記載の装置。
【請求項６】
前記温度センサによって測定された値に従って前記再循環ラインの再循環率を制御する制御ユニットが設けられている、請求項２〜５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記再循環ラインは、制御可能なポンプを介して前記反応器に接続される、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
少なくとも１つの反応器区画が、ミキサー熱交換器である、請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記再循環ラインは、第１又は第２の反応器区画から、前記フローの方向に戻るように導かれる、請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記再循環ラインは、前記装置の反応器の反応器入口に戻るように導かれる、請求項１〜９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
前記再循環ラインは、反応流体が少なくとも３０％、好ましくは少なくとも６０％、さらにより好ましくは少なくとも８０％のターンオーバーを有する前記反応器の地点で引き出され、前記反応流体は、前記装置の反応器の出口で８０％より大きい、好ましくは９５％より大きい、さらにより好ましくは９９％より大きいターンオーバーを有する、請求項１〜１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記装置の反応器の反応器入口と、前記装置の反応器の反応器出口とをさらに含み、前記反応器入口、前記反応器出口、及び前記再循環ラインは、１ｍ当たり２０を超えるボーデンシュタイン数を有する、請求項１〜１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
前記再循環ラインが、プラグフロー特性を有する、請求項１〜１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
前記反応器が少なくとも２つの反応器区画を有し、部分フローの再循環のための再循環ラインを備えている、好ましくは請求項１〜１３のいずれかに記載の装置の反応器。
【請求項１５】
前記少なくとも２つのフロー区画がフローの方向を画定し、前記反応器が前記フローの方向に沿ったプラグフロー特性を有し、前記再循環ラインが、第１の地点で前記反応器から部分フローを引き出し、前記部分フローを前記フローの方向において前記第１の地点より上流に位置する第２の地点で前記反応器に戻すように構成されている、請求項１４に記載の反応器。
【請求項１６】
前記反応器が、前記反応器内の温度及び／又は温度変化を測定するための、少なくとも１つの温度センサを有する、請求項１４又は１５に記載の反応器。
【請求項１７】
前記制御ユニットが、少なくとも１つの温度センサの信号、好ましくは測定された温度センサの値に従って、再循環ラインの再循環率を制御する、好ましくは請求項１〜１３のいずれかに記載の装置の制御ユニット。
【請求項１８】
好ましくは請求項１〜１３のいずれかに記載の装置及び／又は請求項１４又は１６に記載の反応器中で、連続法で化学反応を行う方法であって、プラグフロー中の反応器内の材料フローが、フローの方向に連続的に供給され、前記材料フローの一部は、前記反応器の反応器出口からある距離をおいて、前記反応器から少なくとも一時的に引き出され、前記反応器の上流でフロー方向にに戻され、所定の温度変化、好ましくは約５０Ｋを超える、前記反応器の温度上昇を防止する再循環率が選択される方法。
【請求項１９】
ヒドロシリル化、エステル化、ニトロ化、ジアゾ化、中和、転位、アルキル化、ハロゲン化、水和、酸化、又は重合、特にラジカル重合、イオン重合、アニオン重合若しくはリビング重合、重付加若しくは重縮合を行うための、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
化学反応、特にヒドロシリル化、エステル化、ニトロ化、ジアゾ化、中和、転位、アルキル化、ハロゲン化、水和、酸化、又は重合、特にラジカル重合、イオン重合、アニオン重合若しくはリビング重合、重付加若しくは重縮合を行うための、請求項１〜１３のいずれかに記載の装置及び／又は請求項１４〜１６のいずれかに記載の反応器の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続法による化学反応を行うための装置、そのような装置の反応器及び制御ユニット、並びに、対応する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学反応器は、化学工程が起き、化学反応が行われるプラントの一部である。そのような反応器は、通常、回分工程で、又は連続的に運転される。半回分工程も知られている。
【０００３】
回分工程では、ある量の材料がまとめて反応器に供給され、製造工程の完了後、まとめて取り出される。従って、生成物は、反応が進行して次の製造段階が完了するまで、反応器内に留まる。
【０００４】
反応物が最初に反応器に充填され、その後、反応過程の間にさらなる成分が添加されるか、又は除去される場合、半連続運転又は半回分工程と言う。半連続運転では、反応器は、いくつかの成分に関しては連続モードで、他の成分に関しては不連続モードで運転される。
【０００５】
回分工程と比較して、連続運転は、安全性の向上や、より均一な生成物の品質等、様々な決定的利点をもたらす。回分法及び半回分法において工程の充填及び排出に必要とされる反応器の停止時間が不要になるため、連続運転は経済的に有利である。工業安全の要件、又は、一定の加熱及び冷却工程等の追加の反応器固有の熱伝達性能要件から生じる長い反応時間もまた回避することができる。
【０００６】
非特許文献１は、回分工程を連続運転に変換する方法を示す。
【０００７】
反応工学では、不連続回分反応器（ＢＲ）と連続プラグフロー管型反応器（ＰＦＴＲ）とを比較した際の類似性が、不連続回分工程の変換に使用できる。等温反応では、２つの反応器のダムケラー数が同じであれば、２つの反応器は同じターンオーバーと同じ選択性を示す。この場合、同一の初期濃度値であれば、反応時間は両方の工程で同じでなければならない。
【０００８】
一方で、プラグフロー特性を有する連続管型反応器は、公称直径及び粘度に依存して、少なくとも２４００から少なくとも２００００のレイノルズ数を有するフローを備える空の管である。他方で、特許文献１〜４に記載されているようなスタティックミキサー又はミキサー熱交換器は、すべてのフロー範囲においてプラグフロー特性を有する。
【０００９】
プラグフローは、反応質量の限りなく薄い切片の非常に長い一続きが、反応器を通過する移動として示すことができる。これらの切片は互いに、如何なる材料交換又は如何なる熱交換を示さない。一つの切片の内部で、すべての濃度と温度が同一であるため、良好で迅速な相互混合が極めて重要である。好ましくは実質的に均質な、特に好ましくは均質な、又は十分な半径方向の相互混合が起こり、反応器内で１００を超えるボーデンシュタイン数が達成されるとき、プラグフロー特性について言及することができる。具体的には、半径方向の相互混合は、反応質量内の化学成分の半径方向の相互混合を指すと理解される。
【００１０】
ボーデンシュタイン数は、通常、１次元分散モデルを使用して説明される。このモデル概念は、フローチューブ（プラグフロー）内の１次元工程を起点とする。主フロー方向zには、それぞれのミキサー断面Ａが事実上一定である流量ｕｚが存在する。理想的な管状フローからの逸脱は、境界摩擦（粗さ）に起因する、分子拡散、乱流対流、及び放物線型速度プロファイル（例えば、層状管状フロー）に起因する。これらの効果を特徴付ける値として、軸方向分散係数Ｄａｘが使用され、従って、これは逆混合の尺度である。１次元分散モデルの初期方程式は次のとおりである。
【数１】
2019500202.tif 000003
この初期方程式は解き易くするために無次元形式で示されている。定常状態では、以下が適用される。
【数２】
2019500202.tif 000004
【００１１】
式（２）中で無次元の特性値、即ちミキサー熱交換器ハウジングの「代表長さ」Ｌによって定義される、所謂ボーデンシュタイン数が得られる。
【数３】
2019500202.tif 000005
定常無次元方程式の厳密解は（レーベンスピールとスミスによれば）、以下の通りである。
【数４】
2019500202.tif 000006
【００１２】
Ｂｏ＝∞（理想管状フロー、プラグフロー特性）の軸方向分散を伴わない変位モデル、及び軸方向分散を伴うＢｏ＝０（理想撹拌槽、再循環率の高いループ反応器）の逆混合モデルは、分散モデルの境界ケースである。
【００１３】
ほとんどの場合、半回分法は急速な発熱反応に使用される。この場合、点火された半回分反応器の運転は、通常、供給を制御しながら行われ、供給された材料は迅速に変換される。反応器の一時的な残留濃度が低いため、このような反応器は、ＴＲＡＳ  ４１０の公式の「プラント安全性のための工業規格」が遵守されていれば、強い発熱反応であっても非常に安全である。
【００１４】
この場合、エダクトの熱安定性に加えて、熱工程の安全性も極めて重要である。 通常運転の安全性を評価するための簡単な予備的決定は、既知の反応熱ΔＨＲから得ることができる。断熱温度上昇ΔＴａｄｉａｂは、式（５）に従って反応熱ΔＨＲから決定することができる。反応温度Ｔは、反応エンタルピーΔＨＲ及び比熱容量ｃｐが一定であると仮定すれば、ターンオーバーＵＡによって直線的に増加する。
【数５】
2019500202.tif 000007
【００１５】
断熱温度上昇が分かっている場合は、ＴＲＡＳ  ４１０に従って、提案された反応に次の評価が適用される。
【００１６】
反応が通常の運転で行われる場合に、反応の断熱温度上昇が５０Ｋ未満であり、出発材料、反応混合物、又は生成物において、（Ｔ０＋ΔＴａｄｉａｂ）の温度範囲で熱不安定性が観察されないなら、通常運転は安全であるとみなすことができる。任意の分解反応や副反応の熱トーンが非常に低く、所望の反応の反応熱と合わせても断熱温度が５０Ｋを超える断熱温度上昇を生じない場合も同様である。ここで、工業プラントは、原則として、反応に通常使用される圧力容器及び接続されたシステム構成要素の場合のように、この限られた温度上昇に起因して起こりうる圧力上昇（蒸気圧又はガス放出による）に耐えるように構成されなければならない。この簡単なアプローチによって、冷却不良が発生した場合の温度上昇が緩やかとなり、従って、工程が安全になる。
【００１７】
半回分式反応器に対応する連続式反応器は、プラグフロー特性及び複数の軸方向に配置された側方投与地点を有する、直列に接続された管状反応器又はミキサー熱交換器反応器である。半回分式反応器に最初に投入された混合物は、主フローとして供給され、それ以外の部分的に投与される部分は、側方投与地点を介して連続的に供給される。この連続的な配置は、生成物の品質を保持しながら良好な発熱反応を行うことを可能にする。しかしながら、多数の投与ポンプを備えた多数の投与地点に必要な費用は相当なものである。さらに、多数の投与ポンプを使用すると、プロセスの安全性に悪影響を及ぼす可能性のある、故障のリスクが高まる。
【００１８】
極めて簡単に適用できる「プラント安全性のための工業規格」ＴＲＡＳ  ４１０は、半回分式工程にも適用される。連続工程に適用される公認規則はなく、多くの運転者が連続工程に移行することを妨げている。上記の非特許文献１は、見込みのある手順を提案している。残念ながら、この手順は微小反応器にのみ適している。大規模施設では、この提案は適用できないか、苦労なしには適用できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１０６７３５２号明細書
【特許文献２】国際公開第２００８／１４１４７２号
【特許文献３】欧州特許出願公開第２７９６１９５号明細書
【特許文献４】欧州特許出願公開第２２８６９０４号明細書
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】"Conversion of discontinuous chemical processes to continuous process control using microstructured reactors - Reaction technology and safety", Chem. Ing. Tech. 2009, 81, No. 1-2, by Peter Hugo and Fernando Lopez
【発明の概要】
【００２１】
従って、本発明の目的は、可能な限り柔軟で安全な、発熱反応のための連続工程を提供することである。
【００２２】
この目的は、請求項１の特徴を備える装置、請求項１４の特徴を備える反応器、請求項１７の特徴を備える制御ユニット、請求項１８の特徴を備える方法、及び請求項２０による使用によって達成される。
【００２３】
連続法によって化学反応を行うための本発明による装置は、フローの方向を規定する少なくとも２つの反応器区画を備える反応器を有する。反応器は、フローの方向に沿って、プラグフロー特性を有する。本発明によれば、第１の地点で反応器から部分フローを引き出し、フローの方向において第１の地点の上流に位置する第２の地点で反応器に戻すために、再循環ラインが設けられている。さらに、反応器内の所定の温度範囲を超える温度上昇、具体的には約５０Ｋを超える温度変化を防止する、少なくとも１つの手段が設けられている。
【００２４】
この少なくとも１つの手段は、反応器の構成及び寸法設計によって備えることができる。しかしながら、この少なくとも１つの手段は、好ましくは、反応器内の温度又は温度変化を測定する少なくとも１つの温度センサを含む。好ましくは、フローの方向に連続して配置された複数の温度センサが設けられている。好ましい実施形態では、これらの温度センサの少なくとも一部、好ましくはすべてがまとまって保護チューブ内に配置される。
【００２５】
複数の温度センサからの信号を評価するために評価ユニットが存在することが好ましく、評価ユニットは制御ユニットの一部であってもよい。これにより、反応器内で反応が点火される、フローの方向に沿った局所位置を決定することが可能になる。この情報は、反応器の制御に使用できる。言い換えると、制御ユニットによって、反応がどこで点火されたかに応じて措置が講じられる。そのような措置は、再循環率の変更、及び／又はエダクト供給の停止、及び／又は添加物供給の変更を含む。
【００２６】
好ましくは、温度センサによって測定された値によって再循環ラインの再循環率を制御する制御ユニットが設けられる。これは、再循環ラインが制御可能なバルブを介して反応器に接続されている場合に容易となる。この制御ユニットは、好ましくは、上の段落で述べた制御ユニットである。
【００２７】
本発明による解決方法は、好ましくは、工業安全規格に基づいており、さらにより好ましくは、ＴＲＡＳ  ４１０による工業規格に基づいている。
【００２８】
本発明による装置は、連続回路を構成する。装置は、プラグフロー特性及び部分的な材料再循環を有する少なくとも２つの反応器区画を有する。適切な供給速度、反応器区画内の滞留時間及び再循環率を選択し、及び／又は反応器内の温度モニタリングを対応させることにより、半回分工程の代わりに連続工程を行うことができるか、又は半回分工程を連続工程に変換することができる。このようにして、必要な安全面を考慮しながらもなお、連続工程の利点を利用することができる。
【００２９】
このような反応器への再循環は、特に再循環率が非常に高い場合には、選択性ひいては生成物の品質を犠牲にし得る。再循環率が高い場合には、反応器の性能も大幅に低下する可能性があり、その結果、完全なターンオーバーはもはや達成できない。従って、本発明による反応器は、以下の特徴の少なくともいくつか、好ましくはすべてを有するべきである：
−反応器は連続運転に適している；
−反応器の選択性及び生成物の品質が高い；
−反応器は安全に運転できる；
−安全評価を簡単に行うことができる；
−最低限の反応器体積で最大のターンオーバーを達成することができる；
−反応が点火する場所をモニターすることができる。
【００３０】
驚くべきことに、プラグフロー特性及び低再循環率での部分再循環を有する反応器において、高い選択性及び生成物の品質が保証されることが見出された。ポリトロープ的な挙動をする点火された反応器は、温度センサを用いて非常に良好にモニターできることも見出された。
【００３１】
反応が断熱的にも等温的にも行われない場合、即ち反応器区画に沿って温度が変化するか、又は測定できるほどに異なる場合、ポリトロープ反応であると言う。この変化に基づいて、点火の場所をモニターすることができ、反応をより安全に行うことができる。しかし、このための前提条件は、プラグフロー特性を有する反応器区画に沿った、確実かつ正確な温度測定である。
【００３２】
すべての場合において、温度センサによって測定される温度は、単にそれ自身の温度であることが知られている。これは、温度センサがそれ自身の温度を測定できるように、測定される生成物に十分に浸漬されなければならないことを意味する。温度計は、恒温反応体積へのさらなる浸漬時に、示された温度のさらなる変化が生じない場合に、十分な程度まで浸漬されている。その結果生じる測定誤差は、
−浸漬深さ、
−センサの断熱材、直径、長さ等のセンサの設計、
−生成物の特性、及び
−生成物の流量、
に大きく依存する。
【００３３】
例えば、反応器区画の長軸の中心において、流れる生成物にセンサを浸漬すると、１ｍｍ／ｓの流量でも高精度で温度を測定することが可能であることが見出された。センサは、センサチップに対するフローが顕著に増加するように、スタティックミキサー内に延びることが好ましい。温度測定において決定的に重要になり得るのは、チップに対する、まさしくこのフローである。ＣＦＤ計算と測定から、非常に小さなフローの場合、研究用途での浸漬深さは、センサ直径の少なくとも１０倍にすべきであることが示されている。精度要求が厳しくない工業用途では、センサの直径の５倍に相当する浸漬深さで、通常は十分である。
【００３４】
温度測定のための好ましい実施形態は、複数の内部温度センサを有する保護チューブである。理想的には、最大数のセンサを、できるだけ細くて長い保護チューブに取り付けるべきである。
【００３５】
本発明による反応器の構成において、選択性の低下及び生成物の品質の不良は、一方では大きな温度差によって引き起こされ、他方では過度に高い再循環率によって引き起こされ得る。これらのパラメータの両方、具体的には温度及び再循環率の推移、即ち希釈係数は、反応に適合するように調整しなければならない。冷却不良（例えば、冷却システムが故障した場合）の場合には、ＴＲＡＳ  ４１０への追従を容易に可能にするために、反応器全体にわたる温度上昇が５０Ｋ未満でなければならないことも認識された。この断熱温度上昇は、再循環率又は式（６）による希釈係数ｙが低すぎる場合に超過する。従って、流入流れ（添加物フローの合計）と希釈係数ｙとの積は、反応器入口Ｐ１と再循環出口Ｐ２との間の、反応器を安全に操作できる再循環フローを示す。
【数６】
2019500202.tif 000008
【００３６】
本発明によるこの魅力的で簡単な方法は、点火された反応器の、信頼性の高い制御を可能にする。最後に、再循環出口と反応器出口との間でプラグフロー特性を備える反応器区画において、断熱温度上昇は、所定の温度未満、特に５０Ｋ未満であるべきであることに留意すべきである。
【００３７】
従って、冷却不良の場合でも、反応器全体を安全に運転することができる。断熱温度上昇を、５０Ｋをわずかに上回るように設定することも可能である。しかし、冷却不良の場合に温度制御流体にどれだけの熱が流れ込むかについては、反応系から十分なデータを得ることが前提条件である。それでも、これらの非定常解析は難しいことが分かる。しかし、これらの値を実験により決定することは可能である。これは一方で、反応器全体にわたる正確な温度測定にも左右される。
【００３８】
少なくとも１つの反応器区画は、好ましくはミキサー熱交換器である。反応器区画のほとんどすべて又はすべては、好ましくはスタティックミキサー又はミキサー熱交換器である。実施形態に応じて、ミキサー熱交換器又はミキサーの一部、又はそれらのすべてを、冷却及び／又は加熱することができる。
【００３９】
再循環ラインは、好ましくは、第１又は第２の反応器区画からフローの方向に戻るように導かれる。好ましくは、反応器入口に戻るように導かれる。
【００４０】
再循環ラインは、好ましくは反応流体、特に反応液体が、少なくとも３０％、好ましくは少なくとも６０％、さらにより好ましくは少なくとも８０％のターンオーバーを有する反応器の地点から引き出され、１つの反応器出口における反応流体は、８０％より大きい、好ましくは９５％より大きい、さらにより好ましくは９９％より大きいターンオーバーを有する。この明細書では、反応流体は材料フローとも呼ばれる。
【００４１】
反応器入口、反応器出口、及び再循環ラインは、好ましくは、１メートル当たり２０を超えるボーデンシュタイン数を有する。
【００４２】
また、再循環ラインは、プラグフロー特性を有することが好ましい。反応器、及び場合によっては再循環ラインのプラグフロー特性は、好ましくは、それぞれ全長にわたって与えられるべきである。
【００４３】
再循環ラインは、好ましくは、搬送ユニットとして構成されるか、又は対応する搬送要素を有することが好ましい。
【００４４】
再循環率又は希釈係数は、ポンプ、特に再循環ラインのポンプのポンプ曲線によって、又は流量計によって、制御することができる。
【００４５】
連続工程で化学反応を行うための本発明による方法では、プラグフローを有する温度制御反応器内の材料フローが、連続的にフローの方向に供給され、この材料フローの一部は、反応器の反応器出口からある距離を置いて、反応器から少なくとも一時的に引き出され、フロー方向において反応器の上流に戻され、所定の温度変化、好ましくは約５０Ｋを超える反応器中の温度上昇を防止する再循環率が選択される。
【００４６】
本発明によれば、この再循環、特に制御された再循環により、反応器内の高温ピークが防止される。複数の温度センサが使用され、それらが好ましくはフローの方向に分布されるように配置される場合、反応器内の任意の反応点火の局所位置を特定することができ、反応器の制御ユニットは、対応する調整を行うことができる。反応器がモニターされ、制御ユニットによって、エダクト供給を停止することを含む、タイムリーな措置を講じることができる。
【００４７】
この方法の別の変形例では、反応器を純粋なプラグフロー反応器として通常モードで運転する。再循環は、安全措置として緊急時にのみ起動される。この目的のために、運転中に再循環を完全に停止することができる。再循環は、冷却不良又は反応の不適切な点火の場合にのみ起動される。これらの場合は、反応器内の温度測定によって検出することができる。上記のいずれかの緊急事態が発生した場合、又は大きな温度上昇が検出された場合、制御ユニットによって再循環が起動される。そのような場合、起動は、好ましくは、バルブの切り替えによって開始される。 バルブは、好ましくはデッドスペースを有さない。この場合、好ましくはエダクトの供給が中断される。従って、このような緊急時には、熱を十分かつ安全に排出することができ、使い切っていないエダクトが液溜めに流入するのを防止する。
【００４８】
本発明による反応器が使用され得る反応の例としては、ヒドロシリル化、エステル化、ニトロ化、ジアゾ化、転位、アルキル化、ハロゲン化、水和、酸化、又はラジカル重合、イオン重合、アニオン重合若しくはリビング重合等の重合反応、重付加若しくは重縮合、又は中和が挙げられる。また、気液反応にも使用できる。例えば、気相はこのために再循環の前に分離され、次いで入口で反応器に戻される。
【００４９】
さらなる実施形態は、従属請求項に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
本発明のさらなる利点、特徴、及び詳細は、好ましい例示的な実施形態の以下の説明において提示され、図面を参照して説明されるものであるが、これは専ら例示のためであり、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。図面は、次のものを示す。
【００５１】
【図１】図１は、第１の実施形態による異なる反応器区画を有する、本発明によるプラグフロー反応器の概略図である
【図２】図２は、希釈係数ｙの変化を伴う計算上の一次化学反応（ｎ＝１、ε＝０）に必要な相対空間時間τＲＲ／τＩＲのグラフ表示である（τＲＲは再循環の場合におけるＰ１以降及びＰ２の反応器内の平均滞留時間を示し、τＩＲは、再循環無い、Ｐ１以降及びＰ３のプラグフロー特性を有する、反応器内の平均滞留時間を示す）。
【図３】図３は、第２の実施形態における、異なる反応器区画及び軸上に分布する温度センサを有する、本発明によるプラグフロー反応器の概略図である。
【図４】図４は、図３による反応器の反応器区画の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
図１は、本発明による反応器の第１の実施形態を示す。これは、少なくとも２つの、好ましくは複数の反応器区画１、２、３、４から構成され、反応器区画の少なくともいくつかはミキサー熱交換器とすることができる。この例では、少なくとも第２の反応器区画２はミキサー熱交換器である。これは、ミキサーの断面Ａを示している。反応器区画は、一方では、その反応器区画中の支配的な工程条件が、直接的に隣接する区画と異なり、他方では、反応器区画が異なる幾何学的形状及び断面を示すことにより、特徴づけることができる。例えば、第１の反応器区画はプラグフロー特性を有する入口であり、第２の反応器区画２はプラグフロー特性を示すことができる、大きな熱交換表面を有するミキサー熱交換器であり、第３の反応器区画３はプラグフロー特性及び長い滞留時間を有するスタティックミキサーであり、第４の反応器区画４は、プラグフロー流れ及び／又はプラグフロー特性を有する出口である。
【００５３】
反応器入口は、図１ではＰ１で示され、反応器出口はＰ３によって示される。主フロー方向は矢印で示され、符号zで示されている。「ｕｚ」は流量を示す。
【００５４】
反応器入口Ｐ１の領域では、反応器に入る前又は反応器に入る際に、材料フロー、特に液体及び／又は気体に添加物を供給するために、少なくとも１つの添加物供給口５が設けられることが好ましい。
【００５５】
少なくとも１つの反応器区画、好ましくはフローの方向の第１の、又は前方の反応器区画では、本発明による反応器は、反応器入口Ｐ１への部分的な再循環ラインを有する。対応する再循環出口は、図１においてＰ２で示されている。再循環は、Ｐ１に直接的に、又はここには示されていない中間区画を介して行うことができる。再循環された材料フローは希釈フローを形成する。希釈係数はｙで示され、反応器から引き出され、反応器に戻される材料フローに基づいて決定される。
【００５６】
反応器区画１、２、３、４はプラグフロー特性を示す。反応器入口Ｐ１と、移送ラインを形成する反応器区画１、２、３、４と、反応器出口Ｐ３とは、１メートル当たり８０を超える高いボーデンシュタイン数を有する。個々の反応器区画の接続は、好ましくは、特許文献３に従って構成される。これらの特性により、反応器は、その全長にわたって所望のプラグフロー特性を有する。
【００５７】
従って、反応器の機能は、簡単で実質的に理想的なモデル概念によって説明することができる。このモデルは、次の５つの特性に基づく：
−反応器の全体のフロー及び粘度範囲にわたる、即ちすべての反応器区画にわたる、反応器内のフローの方向ｚのプラグフロー、
−供給フローと、希釈フロー及び／又は添加物フローとの、軸方向の即時混合、
−非常に短い混合時間の設定、
−コンパクトで正確な流量測定による、制御された再循環係数又は希釈係数ｙ、
−反応によって誘起される体積収縮が無い。
【００５８】
例：
急速発熱反応の断熱温度上昇は、２５０Ｋであり、ターンオーバーＵＡは１００％とする。この場合、ターンオーバーは数値的に計算できるので、一次反応が前提とされる。
【００５９】
図２によるデータは、これらの前提及び計算に基づいている。図２に基づいて、本発明による反応器の利点をはっきりと見ることができる。
【００６０】
本発明によれば、図１に示す反応器は、ＴＲＡＳ  ４１０に従う半回分式工程用に構成されている。反応器は点火状態で運転する。ＴＲＡＳ  ４１０によれば、反応器全体にわたって５０Ｋの最大断熱温度上昇を超えてはならない。しかし、半回分式工程の代わりに、連続工程が使用されるか、又は半回分式工程が連続工程に変換される。
【００６１】
反応器は、Ｐ１からＰ２への再循環を備える反応器区画に、及びＰ２からＰ３への再循環を備える反応器区画に分割される。
エダクトの８０％は、好ましくは、反応器入口Ｐ１と再循環出口Ｐ２との間の領域で変換され、２００Ｋの断熱温度上昇を引き起こす。必要な希釈係数は、式（７）を用いて計算することもできる。ここで、希釈係数ｙは、以下の計算が示すように３．０である。：
【数７】
2019500202.tif 000009
【００６２】
反応器をｙ＝３の希釈係数で運転すると、点火された状態であるにもかかわらず、５０℃の温度上昇を超えることができない。エダクトの残りの２０％の残留物は、再循環出口Ｐ２と反応器出口Ｐ３との間で反応する。これは、これらの区画における５０Ｋの最大断熱温度上昇に相当する。
【００６３】
断熱温度上昇が３００℃の場合には、それに応じて希釈係数を適合させなければならない。そのような場合、Ｐ１〜Ｐ２の反応器区画は、８３．３３％のターンオーバー及びｙ＝４の再循環率で運転することができ、Ｐ２〜Ｐ３の反応器区画は、１６．６７％のターンオーバーで操作することができる。
【００６４】
従って、ＴＲＡＳ  ４１０によるこの非常に簡単な安全モニタリングは、連続工程においても安全な運転を可能にする。反応器の性能も非常に高いままである。希釈係数ｙ＝３及びターンオーバー８０％の例を考えてみると、図２によれば、再循環のない従来のプラグフロー型反応器の、わずか１．５倍の反応器体積が必要とされる。反応器入口Ｐ１から再循環出口Ｐ２までの反応器領域で高いターンオーバーで運転する場合、かなり大きな反応器体積が必要となる。従って、反応器性能の低下は、この例では緩やかである。
【００６５】
最後に、反応器入口Ｐ１と反応器出口Ｐ３との間のプラグフロー特性は、高度の選択性及び高品質の生成物を提供する。再循環出口Ｐ２から反応器入口Ｐ１までの再循環ラインにもプラグフロー特性が提供される場合、反応に応じて生成物の品質がさらに改善される。
【００６６】
供給速度、反応器入口と再循環出口との間の滞留時間、及び再循環率を相応に設計することにより、反応器は、５０℃の特定の最大温度上昇を超えないように構成することができる。
【００６７】
しかしながら、反応器入口Ｐ１と再循環出口Ｐ２との間の領域における反応器内の温度Ｔを測定し、この温度を制御ユニットに報告する、少なくとも１つの第１の温度センサを設けることが好ましい。この少なくとも１つの第１の温度センサ７は、図１には示されていない。しかし、センサは図３では見られる。好ましくは、対応する反応器区画、ここでは第１の反応器区画１の断面のほぼ中央に浸漬される。センサは、センサの直径の少なくとも５倍の長さにわたって浸漬されることが好ましい。
【００６８】
温度センサ７、７’は、生成物体積内へのさらなる浸漬が、もはや表示温度の変化を引き起こさない場合に、十分な程度まで生成物空間に挿入されている。浸漬エラーが疑われるすべての場合において、センサ直径の１倍又は２倍の長さで浸漬深さを変更し、表示される温度が一定のままであるかどうかを観察する必要がある。必要とされる浸漬深さは、室温より高い温度で、最大約４００℃に達するまで増加する。
【００６９】
温度測定に基づいて、制御ユニットは、少なくとも１つの温度センサを用いて、反応が点火されたかどうか、及び複数のセンサの場合にはどこで点火されたかをモニターする。制御ユニットはまた、希釈係数ｙの再循環率をモニター及び調節することもできる。この場合、希釈係数ｙの決定は、流量測定又はポンプ、ここでは再循環ポンプの特性に基づいて行うことができる。さらに、制御ユニットはまた、例えば、温度制御装置をモニターし、異常の場合には、制御ユニットはエダクトの供給を制御するか、供給を完全に遮断することができる。エダクト供給の制御は、好ましくは、エダクトを反応器に供給する、好ましく設けられた供給ポンプを制御することによって行われるべきである。制御ユニットは、反応を安全に制御するタスクを完全に前提としている。必要に応じて、制御ユニットは、一実施形態では反応器内又は反応器上に配置される、ＡＴＲ又はＮＩＲ赤外線センサからの追加データを処理することができる。
【００７０】
フローは、好ましくは、反応器入口Ｐ１に再循環される。しかしながら、特に、再循環出口が最初の反応器区画に配置されず、後続の反応器区画に配置される場合は、先行する反応器区画に再循環することもできる。従って、この場合、再循環入口は反応器入口ではなく、別個の入口である。複数の連続的な再循環出口及び／又は再循環入口を、フローの方向に設けることもできる。
【００７１】
図３は、本発明による反応器の第２の実施形態を示す。ここでは、少なくとも１つの第２の温度センサ７’を備えた保護チューブ６が、再循環出口Ｐ２の上流に延びている。保護チューブ６は、対応する反応器区画の内径よりも何倍も小さい外径Ｄを有する。複数の第２の温度センサ７’は、好ましくは、フローの方向に連続的に配置される。これらの第２の温度センサは、保護チューブ６内に、又は複数の連続する保護チューブ内に、まとまって配置することができる。この例では、第２の温度センサは、第３及び第４の反応器区画に配置されている。しかしながら、第２の温度センサは他の区画、例えば、特に好ましくは第１の区画に配置され得る。
【００７２】
これらの第２の温度センサ７’は、それぞれの反応器区画内の温度Ｔをモニターするためにも使用される。上記の５０℃のような、所定の最高温度を超えると、対応する信号が制御ユニットに送られ、それに応じて希釈係数ｙの再循環率が増加する。必要に応じてエダクトの供給を中断することもできる。温度が、少なくとも１つの第１の温度センサ及び／又は少なくとも１つの第２の温度センサ７、７’によって測定された最低レベル以下に低下した場合、希釈係数ｙも制御ユニットによって減少させることができる。温度センサは、好ましくは、反応の点火が行われる場所を特定し、モニターすることができるように配置されるべきである。
【００７３】
第１及び第２の温度センサ７、７’としては、公知のセンサを用いることができる。図４は、図１及び図３に基づいて上述した、２つの例示的な実施形態で使用することができる温度センサ７、７’の２つの可能な実施形態を示す。
【００７４】
図４は、軸方向に構成されたセンサ７、７’と、半径方向に構成されたセンサ７、７’とを示している。軸方向に構成されたセンサ７、７’では、浸漬深さを十分に調整することができる。反応器区画としてスタティックミキサー又はミキサー熱交換器を使用する場合、例えば、反応器区画において十分な浸漬を可能にするために、混合要素を正確に穿孔することができる。ここで、保護チューブ６は、複数の温度センサを有することができる。具体例としては、古典的なＰＴ１００センサ、熱電素子、又は光ファイバーセンサが挙げられる。保護チューブ６を備えたセンサ７、７’は、反応器区画中にさらに浸漬することができる。センサ７、７’が半径方向に構成されている場合、特に小さな反応器区画の場合には、必要とされる浸漬深さが十分でないことがある。この場合、生成物の十分な測定を保証するために、センサ７、７’にさらなる断熱材８を設けなければならない。例えば、ＰＥＥＫプラスチックであるＰＴＦＥ、ＰＰ、ＰＥＴ、ＰＯＭを断熱材として使用することができる。断熱材８は、任意の所望の断熱材を使用して実現することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１     第１の反応器区画
２     第２の反応器区画
３     第３の反応器区画
４     第４の反応器区画
５     添加物供給口
６     保護チューブ
７     第１の温度センサ
７’   第２の温度センサ
８     断熱材
Ｐ１   反応器入口
Ｐ２   再循環出口
Ｐ３   反応器出口
Ａ     ミキサー断面
Ｄ     センサの直径
ｚ     主フロー方向
ｙ     希釈係数
Ｔ     局所反応温度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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