(57)【要約】  少なくとも１つの流体を予熱するための装置（１０）およびその使用が提案される。装置（１０）は、中実に形成された加熱体（１２）を有する。加熱体（１２）内には、流体を通すための流路（１６）が形成されている。加熱体（１２）は加熱可能である。加熱体（１２）は、目標時間内に目標温度へと流体を加熱できるように形成されており、ここで、目標温度とは、流体の所定の化学反応が所定時間内に所定転化率で起こる際の少なくとも１つの温度である。目標時間は、所定時間よりも短い。流体を予熱するために加熱体（１２）が目標温度へと加熱され、目標時間内に流路（１６）に流体が通される。
2019534138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの流体を予熱するための装置（１０）の使用であって、前記装置（１０）は、中実に形成された加熱体（１２）を備え、前記加熱体（１２）内には、前記流体を通すための流路（１６）が形成されており、前記加熱体（１２）は加熱可能であり、前記加熱体（１２）は、前記流体を目標時間内に目標温度へと加熱できるように形成されており、ここで、前記目標温度とは、前記流体の所定の化学反応が所定時間内に所定転化率で起こる際の少なくとも１つの温度であり、前記目標時間は、前記所定時間よりも短く、前記流体を予熱するために前記加熱体（１２）が前記目標温度へと加熱され、前記目標時間内に前記流体が前記流路（１６）に通される、使用。
【請求項２】
前記目標温度と、前記所定時間内に前記所定転化率で前記流体の前記所定の反応が起こる際の温度との差は、−２００Ｋ〜＋２００Ｋ、好ましくは−１００Ｋ〜＋１００Ｋである、請求項１記載の使用。
【請求項３】
前記目標時間は、０．１ｍｓ〜１５０ｍｓ、好ましくは０．５ｍｓ〜７５ｍｓ、特に好ましくは１ｍｓ〜５０ｍｓ、とりわけ好ましくは２ｍｓ〜２５ｍｓである、請求項１または２記載の使用。
【請求項４】
前記流体は、０．０１Ｎｍ３／ｈ〜５００Ｎｍ３／ｈ、好ましくは０．０２Ｎｍ３／ｈ〜２００Ｎｍ３／ｈ、特に好ましくは０．０５Ｎｍ３／ｈ〜１００Ｎｍ３／ｈ、とりわけ好ましくは０．１Ｎｍ３／ｈ〜５０Ｎｍ３／ｈの体積流量で前記各流路（１６）に通される、請求項１から３までのいずれか１項記載の使用。
【請求項５】
前記流体は、ガスであり、特に１つもしくは複数の熱不安定性化合物および／または互いに化学反応する２つもしくは複数の成分を含有するガスである、請求項１から４までのいずれか１項記載の使用。
【請求項６】
前記所定の反応は、熱分解、脱水素化、酸化からなる群から選択される反応である、請求項１から５までのいずれか１項記載の使用。
【請求項７】
前記加熱体（１２）は、１００℃〜１６００℃、好ましくは４００℃〜１４００℃、特に好ましくは７００℃〜１３００℃の温度へと加熱される、請求項１から６までのいずれか１項記載の使用。
【請求項８】
前記加熱体（１２）は、直接的または間接的に加熱される、請求項１から７までのいずれか１項記載の使用。
【請求項９】
前記流路（１６）は、長手方向に直線的に延在する、請求項１から８までのいずれか１項記載の使用。
【請求項１０】
前記流路（１６）は、互いに平行に形成されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の使用。
【請求項１１】
前記加熱体（１２）は、円筒状、特に円柱状または角柱状に形成されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の使用。
【請求項１２】
前記流路（１６）は、円柱軸に対して平行に形成されている、請求項１１記載の使用。
【請求項１３】
前記加熱体（１２）は長手軸（１４）を有し、前記流路（１６）は、前記長手軸（１４）に対して垂直な前記加熱体（１２）の断面全体に均等に分配された状態で形成されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の使用。
【請求項１４】
前記流路（１６）の自由断面積の合計は、前記加熱体（１２）の断面積に対して０．１％〜５０％、好ましくは０．２％〜２０％、特に好ましくは０．５％〜１０％である、請求項１から１３までのいずれか１項記載の使用。
【請求項１５】
前記流路（１６）は、円筒状、特に円柱状または角柱状に形成されている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の使用。
【請求項１６】
前記流路（１６）は、０．１ｍｍ〜１２．０ｍｍ、好ましくは０．２ｍｍ〜８ｍｍ、特に好ましくは０．３ｍｍ〜４ｍｍ、特に０．４ｍｍ〜２ｍｍの直径を有する、請求項１から１５までのいずれか１項記載の使用。
【請求項１７】
前記加熱体（１２）は、前記予熱された流体の所定の反応を行うための反応区間（２６）と結合され、前記装置（１０）と前記反応区間（２６）とが一体化して、特にモノリス状に形成されている、請求項１から１６までのいずれか１項記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの流体を予熱するための、改善された装置およびその使用に関する。
【０００２】
気相中での揮発性有機化合物の化学反応には、高められた温度が必要とされる場合が多い。その際、反応ゾーンに前置接続された予熱ゾーン（予備加熱）において、保管温度から必要な反応温度へと反応物を所定どおりに穏やかに移行させることが課題となる。予備加熱は通常は、熱交換器の高温表面から被加熱流体への対流伝熱によって行われる。所定どおりに、とは、流体流が、予熱ゾーンの出口において目標温度となることを意味し、その目標温度では、反応ゾーン内での所定滞留時間内に所定転化率が達成可能である。穏やかに、とは、化学反応が抑制されることを意味する。
【０００３】
その熱不安定性に起因し、有機化合物は熱分解する傾向がある。その結果、熱交換器の伝熱面には固体沈着物が形成され、その固体沈着物が、流れ断面を封鎖または閉塞させることによって伝熱を妨害する。例えばこのことは、炭化水素の熱分解、エチルベンゼンからスチレン、ブタンからブテンへの脱水素化、または炭素原子を１〜３個含む炭化水素（Ｃ１〜Ｃ３炭化水素）の環化の場合に当てはまる。
【０００４】
有機化合物は、その反応性に起因して、特に酸素の存在下では、非選択的に反応する傾向にある。その結果、目的生成物の収率が損なわれかねない。例えばこのことは、Ｃ２〜Ｃ６炭化水素の自熱式脱水素化の場合に当てはまり、その場合、脱水素化水素の選択的燃焼が、反応の熱供給に利用される。その際、反応混合物が触媒活性反応ゾーンに入る前に、炭化水素の言及に値する反応が起こらないようにして該反応混合物を予熱することが望ましい。
【０００５】
国際公開第２０１１／０８９２０９号（ＷＯ  ２０１１／０８９２０９  Ａ２）には、例えば単室蒸発装置および化学合成におけるその使用が記載されている。
【０００６】
こうした装置または熱交換器によってもたらされる利点にもかかわらず、依然として改善の余地がある。つまり、国際公開第２０１１／０８９２０９号（ＷＯ  ２０１１／０８９２０９  Ａ２）に記載されている単室蒸発装置は、２つの流体流の精細な分配を必要とする複雑な構成を有する。第１の流体流が本来のプロセス流であり、第２の流体流が熱媒である。この装置は、マイクロ構造化またはミリ構造化された装置として製作されている。それに応じて、加熱面の比表面積は、プロセス体積に対して３００ｍ２／ｍ３またはそれ以上である。この従来技術の欠点は、共通の管板における熱交換管の密封に手間がかかり、故障が起きやすいことである。この欠点は、プロセス流と熱源または熱媒とを互いに密封隔離する密封接合部の数および長さと相関関係にある。従来技術では、密封接合部は、熱交換管の数および周囲長と同一である。
【０００７】
したがって本発明の課題は、前記欠点を少なくとも大幅に低減し、特に装置の寿命を延長する、少なくとも１つの流体、特に１つもしくは複数の熱不安定性化合物および／または互いに化学反応する２つもしくは複数の成分を含有するガスを予熱するための装置ならびにその装置の使用を提示することである。
【０００８】
本発明によれば、高い比表面積は、反応性または熱不安定性のプロセス流体と熱交換器壁との間でしか必要とされない。比表面積が高いことが、伝熱の効率にとって重要である。それに対して、熱交換器壁と、予熱を生じる熱源との間の比表面積は、明らかに小さくてもよい。この表面は、同時に、プロセス流と熱源または熱媒とを隔離するための密封接合部として利用され、装置の、器具に関する複雑性を決定づける。
【０００９】
本発明の基本思想は、通常はガスであるプロセス流体の熱伝導率と、通常は金属またはセラミックスから製造されている熱交換器壁の熱伝導率との大きな相違にある。その結果、同一の温度差では、ガス中よりも著しく厚い、固体の層を介して熱流が伝達され得る。本発明によれば、プロセス流体を囲む壁がまとまって、連続した加熱体となる。
【００１０】
少なくとも１つの流体を予熱するための本発明による装置は、中実に形成された多流路の加熱体を有する。さらに、加熱体は、管状である。加熱体内には、流体を通すための流路が形成されている。加熱体は、加熱可能である。加熱体は、流体を目標時間内に目標温度へと加熱できるように形成されている。目標温度とは、流体の所定の化学反応が所定時間内に所定転化率で起こる際の少なくとも１つの温度である。目標時間は、所定時間よりも短い。この装置は、本発明によれば、少なくとも１つの流体を予熱するために使用される。その際、流体を予熱するために、加熱体が目標温度へと加熱され、加熱体内での流体の滞留時間は、目標時間と同一であるか、または目標時間より短い。
【００１１】
流路は、特に長手方向に直線的に延在している。それにより、流体力学的な流動効果、例えば剥離現象または渦形成を軽減できる。湾曲した流路を回避することにより、沈着物および流体流のデッドゾーンも回避できる。
【００１２】
流路は、特に互いに平行に形成されている。その結果、各流路への均等な伝熱が保証されている。
【００１３】
流路は、円筒状、特に円柱状に形成されていてもよいし、角柱状に形成されていてもよい。このことから、流路の断面形状は、本発明による装置の技術的効果にとって副次的な意味しかもたないことが明らかである。
【００１４】
中実に形成された加熱体とは、本発明においては、流体を加熱できるように形成されており、流路以外には空洞を有しない物体と理解される。言い換えると、加熱体の断面は、加熱体の材料のみを含み、流路以外は自由空間を含まない。本発明による加熱体の断面は、加熱体と熱源との間の境界によって包囲されている、流路の長手方向への投影面である。加熱体の断面は、規則的であっても不規則的であってもよく、凸面状であっても凹面状であってもよい。加熱体は、有利には、円筒状、特に円柱状に形成されていてもよいし、角柱状に形成されていてもよい。このことから、様々に形成された加熱体を用いて本発明を実現することができることが明らかである。
【００１５】
加熱体は、流路の長手軸と平行に延在する長手軸を有してもよい。流路は、断面全体に均等に分配された状態で形成されていてもよい。その結果、各流路への特に均等な伝熱が保証されている。また、流路が、断面全体に不均等に分配された状態で形成されていてもよい。
【００１６】
加熱体は、構造化された外被面を有してもよく、その際、流路の少なくとも一部は、外被面内の溝として形成されている。この構造は、製作上の利点を有する。なぜなら、外被上の溝は、断面内の穿孔よりも簡単に製作できるためである。
【００１７】
多流路管は、本技術において公知である。例えば多流路管が、例えばＰＡＬＬ  Ｓｃｈｕｍａｓｉｖの商品名で、浄水用のフィルタカートリッジとして使用されている。
【００１８】
さらに、例えば菫青石からなるセラミック多流路管が、例えばＲａｕｓｃｈｅｒｔ  ＰＹＲＯＬＩＴ−Ｃｏｒｄｉｅｒｉｔの商品名で、電気加熱カートリッジ用の加熱導体支持体として使用されている。
【００１９】
さらに、例えばα−Ａｌ２Ｏ３製のセラミック多流路管が、ハニカム状ヒーターとして使用されている。そのためには、導電体が抵抗加熱として流路壁内に埋め込まれている。そのようなセラミック多流路管は当業者に公知であり、例えばｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｅｒａｍｖｅｒｂａｎｄ．ｄｅ／ｋｅｒａｍｉｋ／ｐｄｆ／１１／Ｓｅｍ１１＿１４Ｋｅｒａｍｉｋ−Ｈｅｉｚｅｌｅｍｅｎｔｅ．ｐｄｆに記載されている。
【００２０】
本発明では、流体の、所定時間内における所定の化学転化率によって、目標温度が定められる。流体の化学反応に対する正確な温度指定は不可能であることから、この定義を利用することができる。言い換えると、その温度を超えると反応が進行しその温度を下回ると反応が起こらない、という温度限界は存在しない。考えられる理由の１つとして特にラジカル形成が挙げられ、これはまず、出発材料の測定可能な転化が生じることなく進行する。十分なラジカル濃度に達するとすぐに、反応は自己促進的に進行する。この理由から、目標温度指定が、予熱区間内での滞留時間にわたる反応速度の積分の評価に基づいて行われる。それに応じて、本発明において、流路内では温度に起因して、わずかであるとはいえ、ある一定範囲内で流体の化学反応が起こるものの、その範囲は、後続の反応ゾーンの化学反応の品質には影響を及ぼさないということを前提とする。この理由から、転化率を低く保つため、ただし、後続の反応に向けて流体を十分に高い温度に加熱するためには、所定時間よりも短い目標時間内に流体が流路に通される。その際、予熱器からの出口での温度は、後続の反応ゾーン内での温度よりも低くても、同一であっても、高くてもよい。
【００２１】
さらに、この装置は、加熱体の温度を制御するための制御システムを有してもよい。目標温度は、制御システムの目標値であってよい。それに応じて、特に制御システムを利用して加熱体の温度を自動的に変化させてもよい。
【００２２】
加熱体は、１００℃〜１６００℃、好ましくは４００℃〜１４００℃、特に好ましくは７００℃〜１３００℃の温度へと加熱可能である。したがって、熱伝導率に関して加熱体の材料を適切に設計すると、目標時間内に流体を、温度制御システムの目標値に近い温度へと加熱できる。加熱体の材料の熱伝導率は、前記の温度において定められていると理解される。それに対して、流体の熱伝導率は、０℃において定められている。
【００２３】
目標温度と、所定時間内に所定の転化が起こる際の温度との差は、−２００Ｋ〜＋２００Ｋ、好ましくは−１００Ｋ〜＋１００Ｋであってよい。それにより、流体の温度を、所望の転化率に適合させることができる。
【００２４】
本発明によれば、所定時間を、流体の種類および目標温度に基づいて求めることができる。言い換えると、所定時間は、それぞれの流体またはその組成に依存する。
【００２５】
所定時間は、流体の種類に基づいて、特に理論的または経験的に求めることができる。それに応じて、所定時間は、既知のまたは算出可能な量である。例えば、所定時間は、当業者に公知の参考書、例えば事典または表をもとに算出することができる。また、所定時間を、計算により、例えば模擬的に算出することもできる。
【００２６】
目標時間は、０．１ｍｓ〜１５０ｍｓ、好ましくは０．５ｍｓ〜７５ｍｓ、特に好ましくは１ｍｓ〜５０ｍｓ、とりわけ好ましくは２ｍｓ〜２５ｍｓであってよい。したがって、目標時間とは、流路内での流体の滞留時間を指す。滞留時間は、流路の長さと、標準状態下での流路を通る流体の平均速度との商として定められている。目標時間に関するこれらの数値から、さらなる加熱を行う必要なしに、直接に後続する反応ゾーン内での所望の種類の化学反応の主要分率を可能にする温度へと、流体が短時間内に加熱されるということが明らかである。装置は、特に流体を予熱するために連続的に使用することができる。それにより、装置を用いて流体の総化学転化率を高めることができる。
【００２７】
圧力損失は、例えば接続された装置の強度技術の設計、またはプロセス流を促進する際の所要動力、さらにはプロセスの運転コストを決定づける重要なプロセスパラメータである。特定の用途においては、許容圧力損失は、プロセス媒体の蒸気圧によって定められる。それに応じて、例えば装置内での被加熱流体の相変化を回避することが有利である。さらに、例えば流体を液状で予熱器へと配量し、予熱器内で蒸発を行うことが有利である。
【００２８】
つまり、許容圧力損失は、用途に固有のものとしてしか定めることができない。したがって、２つの範囲を記載する。第１の範囲は、後述の絶対値を含む。装置の入口と出口との間での流体の圧力差は、１ｍｂａｒ〜９００ｍｂａｒ、好ましくは１ｍｂａｒ〜５００ｍｂａｒ、特に好ましくは１ｍｂａｒ〜２００ｍｂａｒ、とりわけ好ましくは１ｍｂａｒ〜１００ｍｂａｒであってよい。第２の範囲は、後述の、プロセスの圧力レベルに対する相対値を含む。装置の入口と出口との間での流体の圧力差は、入口における流体の絶対圧の０．１％〜５０％、好ましくは０．１％〜２０％、特に好ましくは０．１％〜１０％であってよい。
【００２９】
最後に、事前設定された目標温度への、流体温度の要求される近似によって、加熱体の寸法取りを行う。そのための重要な係数は、加熱体内で実現されている移動単位数（ＮＴＵ：Ｎｕｍｂｅｒ  ｏｆ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｕｎｉｔｓ）である。ＮＴＵの算定は、当業者には公知である（ＶＤＩ熱アトラスの第Ｃａ章、第９版、２００２年）。ＮＴＵは、０．１〜１００、好ましくは０．２〜５０、特に好ましくは０．５〜２０、とりわけ好ましくは２〜５であってよい。
【００３０】
装置では、加熱体の流路の水力直径が、目標時間に基づいて形成されている。言い換えると、装置は、特に流路の水力直径は、目標時間に依存して設計または選択される。
【００３１】
有利には、流路の水力直径は、０．１ｍｍ〜１２ｍｍ、好ましくは０．２ｍｍ〜８ｍｍ、特に好ましくは０．３ｍｍ〜４ｍｍ、特に０．４ｍｍ〜２ｍｍである。水力直径のこの値を用いた場合、加熱体内での滞留時間を、本発明による使用に向けて特に良好に調整することができる。さらに、それによって、流路壁での沈着物が回避される。さもなくば、こうした沈着物によって流路の閉塞が生じかねない。
【００３２】
有利には、加熱体の水力直径の、個々の流路の水力直径に対する比率は、２〜１０００、好ましくは５〜５００、特に好ましくは１０〜１００である。水力直径は、物体の断面積の４倍／物体の周囲長または流路の断面積の４倍／流路の周囲長として定められている（ＶＤＩ熱アトラスの第Ｂａ章、第９版、２００２年）。
【００３３】
加熱体の等価断面積に対する流路の数は、２〜１０００、好ましくは５〜５００、特に好ましくは１０〜１００である。その際、加熱体の等価断面積は、その直径が、加熱体の水力直径に相当する円の面積として定められている。
【００３４】
流路の総断面積（自由断面積）は、加熱体断面積の０．１％〜５０％、好ましくは０．２％〜２０％、特に好ましくは０．５％〜１０％である。
【００３５】
加熱体の長さは、１０ｍｍ〜１０００ｍｍ、好ましくは３０ｍｍ〜３００ｍｍである。
【００３６】
流体を、０．０１Ｎｍ３／ｈ〜５００Ｎｍ３／ｈ、好ましくは０．０１Ｎｍ３／ｈ〜２００Ｎｍ３／ｈ、特に好ましくは０．０１Ｎｍ３／ｈ〜１００Ｎｍ３／ｈ、とりわけ好ましくは０．０１Ｎｍ３／ｈ〜５０Ｎｍ３／ｈの体積流量で各流路１６に通すことができる。
【００３７】
流体は、ガスであってよく、特に熱不安定性化合物および／または互いに化学反応する２つもしくは複数の成分を含有するガスであってよい。また流体は、液体であってもよく、特に熱不安定性化合物および／または互いに化学反応する２つもしくは複数の成分を含有する液体であってもよい。
【００３８】
熱不安定性化合物とは、本発明において、特定環境で特定温度を上回る温度で特定時間内に、固体反応生成物（コークスまたはポリマー）への特定の化学転化率を達成する有機化合物と理解される。所定転化率は、熱分解（パイロリシス）、脱水素化、連鎖重合、重縮合からなる群から選択される反応によってもたらされ得る。
【００３９】
互いに化学反応する成分とは、本発明において、特定環境で特定温度を上回る温度で特定時間内に、ＣＯおよび／またはＣＯ２への特定転化率を達成する、有機化合物と酸素とから構成される混合物と理解される。その際、本発明において、より狭義では、炭化水素混合物、例えば天然ガス、液化ガスおよびナフサ、二重結合を有する化合物、例えばオレフィン、ジオレフィンと理解される。所定転化率は、酸化反応によってもたされ得る。決定的パラメータである環境、温度、時間および転化率は、目指されるプロセス条件または目指される機能に依存する。その際、反応が発熱性または吸熱性であるかは重要ではない。
【００４０】
加熱体は、その外周を通じて加熱可能である。その際、熱は、熱源から、接触によって、対流によって、熱伝導によってまたは熱放射によって伝達され得る。
【００４１】
熱源は、電気抵抗加熱、発熱化学反応、特に燃焼、過熱流体熱媒であってよい。
【００４２】
さらに、熱を加熱体の外周の直上で直接生成させてもよく、これを例えば電気抵抗加熱によって、または触媒発熱反応によって行うことができる。
【００４３】
加熱体は、その体積全体にわたって加熱可能である。その際、熱は、導電性加熱体内において、オーム抵抗により、または渦電流の印加によって生成可能である。また加熱体は、その体積内に埋め込まれた、加熱体を加熱できるように形成されている加熱素子を有してもよい。例えばこれらの加熱素子は、鉱物質絶縁物を外装として有する加熱ケーブルまたは加熱カートリッジであってよい。熱は、固体の熱伝導率によって、加熱体の体積に対して均等に分配される。それにより、ブロック内の毛管壁において均一に高い温度が生じ、その高温が、流体への入熱の推進力として利用される。ガスの加熱を決定づける特徴的な時定数は、計算により算出可能である。
【００４４】
加熱体の少なくとも一部は、少なくとも１つの金属および／または少なくとも１つのセラミックスから形成されていてよい。金属は、フェライト鋼、オーステナイト鋼、ニッケルベース合金、アルミニウム合金、青銅、黄銅、銅、銀からなる群から選択される少なくとも１つの元素であってよい。セラミックスは、Ａｌ２Ｏ３（コランダム）、ＳｉＣ、炭素（グラファイト）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなる群から選択される少なくとも１つの元素であってよい。有利には、加熱体は、ＤＩＮ  ＥＮ  ６２３−２に準拠して０．３％未満の開放気孔率を有する。この種の材料は、優れた熱伝導率を有する。
【００４５】
また加熱体は、例えば非晶質ＳｉＯ２（石英ガラス）または菫青石からなる、熱伝導性にあまり優れない材料を含有してもよい。また加熱体は、ＤＩＮ  ＥＮ  ６２３−２に準拠して０．３％〜５％の開放気孔率を有することも可能である。
【００４６】
多層構造も基本的に可能であり、例えば鋼製スリーブが装入された銅ブロック、または電気ニッケルめっき、電気銀めっきもしくは電気金めっきされた銅ブロックも基本的に可能である。また加熱体は、複数の材料から製造されていてもよく、例えば加熱素子が埋め込まれた特殊鋼製ブッシュが装入された銅製基体である。
【００４７】
加熱体は、予熱された流体の所定の反応を行うための反応区間と結合可能である。装置と反応区間とが一体化して、特にモノリス状に形成されていてもよい。予熱器として利用される加熱体と反応区間とが直接結合されていることは、プロセスにおいて滞留時間を適切に管理するのに都合がよい。予熱器と反応区間とが、構造上１つの単位を形成する、例えば共通筐体を有すると、装置の機械強度および信頼性、特に装置の密封性が改善される。
【００４８】
反応区間は、流路状区間を有してもよく、その際、本発明による装置および反応区間は、流路が該流路状区間へと合流するように形成されている。
【００４９】
流路状区間は、加熱体の断面積と実質的に同一の断面積を有してもよい。それにより、加熱体の形状の予熱ゾーンと反応区間の形状の本来の反応ゾーンとからなるプロセス区間全体に沿って均等な流量分布を達成することができる。例えば、加熱体の束が、特に断熱的な共通の反応ゾーンを供給する用途が存在する。その反応ゾーンの断面積は、個々の加熱体の断面積よりも大きい。その際、加熱体は、共通チャンバ内に設置されていてもよく、そこで加熱体に熱が供給される。
【００５０】
流路状区間は、空洞であっても、固体充填体で充填されていてもよい。固体充填体は、触媒的に活性であってもよいし触媒的に不活性であってもよく、また気−固反応の固体反応パートナー（固体接触）を含んでいてもよい。
【００５１】
所定時間内の所定転化率は、反応区間において決定することができる。
【００５２】
本発明の基本思想は、プロセス区間を、２つのゾーン、つまり予熱区間と反応ゾーンとに軸方向に分割し、これらにプロセス流体を順に貫流させることにある。本発明によれば、予熱区間は、熱容量の高い金属性またはセラミック性の加熱体を含み、この加熱体は、長手方向に貫通する、円筒状または角柱状の断面をもつ直線流路を有する。その流路が、被加熱流体用の流れ断面を形成する。流路は、加熱体の断面全体に均等に分配されていてもよいし不均等に分配されていてもよい。また流路は、ブロックの外被面に沿った溝として製作されていてもよい。流路の総断面積（自由断面積）は、加熱体断面積の０．１％〜５０％、好ましくは０．２％〜２０％、特に好ましくは０．５％〜１０％である。その結果、加熱体の断面は、流路が埋め込まれた連続固体マトリクスを有する。
【００５３】
加熱体は、その外周を通じて加熱可能である。その際、熱は、熱源から、接触によって、対流によって、熱伝導によってまたは熱放射によって伝達され得る。
【００５４】
熱源は、電気抵抗加熱、発熱化学反応、特に燃焼、過熱流体熱媒であってよい。
【００５５】
さらに、熱を加熱体の外周の直上で直接生成させてもよく、これを例えば電気抵抗加熱によって、または触媒発熱反応によって行うことができる。
【００５６】
加熱体は、その体積全体にわたって加熱可能である。その際、熱は、導電性加熱体内において、オーム抵抗により、または渦電流の印加によって生成可能である。また加熱体は、その体積内に埋め込まれた、加熱体を加熱できるように形成されている加熱素子を有してもよい。例えばこれらの加熱素子は、鉱物質絶縁物を外装として有する加熱ケーブルまたは加熱カートリッジであってよい。
【００５７】
熱は、固体の熱伝導率によって、加熱体の体積に対して均等に分配される。それにより、ブロック内の毛管壁において均一に高い温度が生じ、壁温度と流体温度との差が、流体への入熱の推進力として利用される。ガスの加熱を決定づける特徴的な時定数は、計算により算出可能である。水力直径によって、加熱体と流体との間での伝熱に関する時定数を調節することができる。
【００５８】
加熱体は、その断面積が該加熱体の断面積とほぼ一致する流路内で終わる。この流路が、所望の化学反応が起こる本来の反応ゾーンである。反応ゾーンの断面は、空であっても、固体充填体で充填されていてもよい。プロセス区間の空洞分率は、典型的には２５％〜１００％の範囲にある。
【００５９】
その際、驚くべきことに、熱不安定性化合物を予熱する際に、流体の固体分解生成物から構成される沈着物によって流路が閉塞することなく、加熱体が、その機能を満たすことが認められた。流体によっては、プロセス区間が加熱体よりも明らかに大きい自由断面を有するにもかかわらず、プロセスの過程で本来のプロセス区間が閉塞してしまうというある種の傾向が存在する。しかし、プロセス区間は、自由断面が明らかに大きいことから、加熱体内の毛管流路よりも容易に洗浄可能である。
【００６０】
驚くべきことに、互いに化学反応する成分を含有する流体を予熱する際に、流路内で言及に値する転化率の非選択的反応が起こることなく、加熱体がその機能を満たすことが認められた。化学反応は、ほぼ例外なく触媒制御されて反応ゾーン内で起こる。この挙動の有利な副次的効果は、流入路への発熱反応、例えば酸化反応の逆火（Ｒｕｅｃｋｚｕｅｎｄｅｎ）が効果的に抑制されることである。これにより、予熱器は、フレームアレスタの機能も満たす。
【００６１】
さらに、本発明による装置は、高温反応器から得られた生成物流を急冷（クエンチ）するための冷却区間としても適切であることが認められた。この機能は特に、吸熱反応時に有利であり、急冷により、逆反応およびそれに起因する収率損失が効果的に抑制される。さらに、この機能は、熱不安定生成物において有利であり、急冷により、望ましくない連続反応、およびそれに起因する収率損失が効果的に抑制される。
【００６２】
本発明による利点は、次の点においてまとめることができる。
・予熱区間の製作費用が、ミリ構造化またはマイクロ構造化された構造での機能的に同等の解決策と比べて著しく低い。
・熱交換器機能とバリア機能とが、互いに固定結合されていない。プロセス要求に応じて、これらを互いに併用することも互いに分離することも可能である。
・加熱体が、簡便かつ安価に製作可能であり、多数の材料選択が可能となる。材料を、熱安定性、耐腐食性および化学的不動態の要求に応じて選択することができる。
・複雑さの点では同等である、固体の不規則充填体が充填された熱交換管と比べて、本発明による解決策は、予熱器の断面上でほぼ理想的な栓流が実現され得る点で異なる。それにより、予熱区間内でのガスの滞留時間を正確に調整することができる。流路の曲がりくねっていない均等な流れ断面により、沈着物の形成、それゆえ加熱体の閉塞傾向が効果的に抑制される。
【００６３】
まとめると、本発明の次の可能な実施形態がもたらされる。
【００６４】
実施形態１：少なくとも１つの流体を予熱するための装置の使用であって、前記装置は、中実に形成された加熱体を備え、前記加熱体内には、前記流体を通すための流路が形成されており、前記加熱体は加熱可能であり、前記加熱体は、前記流体を目標時間内に目標温度へと加熱できるように形成されており、ここで、前記目標温度とは、前記流体の所定の化学反応が所定時間内に所定転化率で起こる際の少なくとも１つの温度であり、前記目標時間は、前記所定時間よりも短く、前記流体を予熱するために前記加熱体が前記目標温度へと加熱され、前記目標時間内に前記流体が前記流路に通される、使用。
【００６５】
実施形態２：前記所定時間は、前記流体の種類に基づいて求められる、実施形態１記載の使用。
【００６６】
実施形態３：前記所定時間は、前記流体の種類に基づいて理論的または経験的に求められる、実施形態２記載の使用。
【００６７】
実施形態４：前記装置はさらに、前記加熱体の温度を制御するための制御システムを備え、前記目標温度は、前記制御システムの目標値である、実施形態１から３までのいずれか１つに記載の使用。
【００６８】
実施形態５：前記加熱体の流路の水力直径は、前記目標時間に基づいて形成されている、実施形態１から４までのいずれか１つに記載の使用。
【００６９】
実施形態６：前記目標温度と、前記所定時間内に前記所定転化率で前記流体の前記所定の反応が起こる際の温度との差は、−２００Ｋ〜＋２００Ｋ、好ましくは−１００Ｋ〜＋１００Ｋである、実施形態１から５までのいずれか１つに記載の使用。
【００７０】
実施形態７：前記目標時間は、０．１ｍｓ〜１５０ｍｓ、好ましくは０．５ｍｓ〜７５ｍｓ、特に好ましくは１ｍｓ〜５０ｍｓ、とりわけ好ましくは２ｍｓ〜２５ｍｓである、実施形態１から６までのいずれか１つに記載の使用。
【００７１】
実施形態８：前記目標時間は、前記流路の長さと、標準状態下での前記流路内の前記流体の平均速度との商として定められている、実施形態７記載の使用。
【００７２】
実施形態９：前記流体を予熱するために前記装置が連続的に使用される、実施形態１から８までのいずれか１つに記載の使用。
【００７３】
実施形態１０：前記装置の入口と出口との間での前記流体の圧力差は、１ｍｂａｒ〜９００ｍｂａｒ、好ましくは１ｍｂａｒ〜５００ｍｂａｒ、特に好ましくは１ｍｂａｒ〜２００ｍｂａｒ、とりわけ好ましくは１ｍｂａｒ〜１００ｍｂａｒである、実施形態１から９までのいずれか１つに記載の使用。
【００７４】
実施形態１１：前記装置の入口と出口との間での前記流体の圧力差は、前記入口における前記流体の絶対圧の０．１％〜５０％、好ましくは０．１％〜２０％、特に好ましくは０．１％〜１０％である、実施形態１から９までのいずれか１つに記載の使用。
【００７５】
実施形態１２：前記流体は、０．０１Ｎｍ３／ｈ〜５００Ｎｍ３／ｈ、好ましくは０．０２Ｎｍ３／ｈ〜２００Ｎｍ３／ｈ、特に好ましくは０．０５Ｎｍ３／ｈ〜１００Ｎｍ３／ｈ、とりわけ好ましくは０．１Ｎｍ３／ｈ〜５０Ｎｍ３／ｈの体積流量で前記各流路に通される、実施形態１から１１までのいずれか１つに記載の使用。
【００７６】
実施形態１３：前記流体は、ガスであり、特に１つもしくは複数の熱不安定性化合物および／または互いに化学反応する２つもしくは複数の成分を含有するガスである、実施形態１から１２までのいずれか１つに記載の使用。
【００７７】
実施形態１４：前記所定の反応は、熱分解、脱水素化、酸化からなる群から選択される反応である、実施形態１から１３までのいずれか１つに記載の使用。
【００７８】
実施形態１５：前記加熱体は、１００℃〜１６００℃、好ましくは４００℃〜１４００℃、特に好ましくは７００℃〜１３００℃の温度へと加熱される、実施形態１から１４までのいずれか１つに記載の使用。
【００７９】
実施形態１６：前記加熱体は、直接的または間接的に加熱される、実施形態１から１５までのいずれか１つに記載の使用。
【００８０】
実施形態１７：前記流路は、長手方向に直線的に延在する、実施形態１から１６までのいずれか１つに記載の使用。
【００８１】
実施形態１８：前記流路は、互いに平行に形成されている、実施形態１から１７までのいずれか１つに記載の使用。
【００８２】
実施形態１９：前記加熱体は、円筒状、特に円柱状または角柱状に形成されている、実施形態１から１８までのいずれか１つに記載の使用。
【００８３】
実施形態２０：前記流路は、円柱軸に対して平行に形成されている、実施形態１９記載の使用。
【００８４】
実施形態２１：前記加熱体は長手軸を有し、前記流路は、前記長手軸に対して垂直な前記加熱体の断面全体に均等に分配された状態で形成されている、実施形態１から２０までのいずれか１つに記載の使用。
【００８５】
実施形態２２：前記加熱体は、構造化された外被面を有し、前記流路の少なくとも一部は、前記外被面内の溝として形成されている、実施形態１から２１までのいずれか１つに記載の使用。
【００８６】
実施形態２３：前記流路の自由断面積の合計は、前記加熱体の断面積に対して０．１％〜５０％、好ましくは０．２％〜２０％、特に好ましくは０．５％〜１０％である、実施形態１から２２までのいずれか１つに記載の使用。
【００８７】
実施形態２４：前記流路は、円筒状、特に円柱状または角柱状に形成されている、実施形態１から２３までのいずれか１つに記載の使用。
【００８８】
実施形態２５：前記加熱体の少なくとも一部は、少なくとも１つの金属および／または少なくとも１つのセラミックスから形成されている、実施形態１から２４までのいずれか１つに記載の使用。
【００８９】
実施形態２６：前記流路は、０．１ｍｍ〜１２．０ｍｍ、好ましくは０．２ｍｍ〜８ｍｍ、特に好ましくは０．３ｍｍ〜４ｍｍ、特に０．４ｍｍ〜２ｍｍの直径を有する、実施形態１から２５までのいずれか１つに記載の使用。
【００９０】
実施形態２７：前記加熱体は、前記予熱された流体の所定の反応を行うための反応区間と結合される、実施形態１から２６までのいずれか１つに記載の使用。
【００９１】
実施形態２８：前記装置と前記反応区間とが一体化して、特にモノリス状に形成されている、実施形態２７記載の使用。
【００９２】
実施形態２９：前記反応区間は流路区間を有し、前記装置および前記反応区間は、前記流路が前記流路区間へと合流するように形成されている、実施形態２７または２８記載の使用。
【００９３】
実施形態３０：前記流路区間は、前記加熱体の断面積と実質的に同一の断面積を有する、実施形態２９記載の使用。
【００９４】
実施形態３１：前記流路区間は、空洞であるかまたは固体充填体で充填されている、実施形態２９または３０記載の使用。
【００９５】
実施形態３２：前記所定時間内の所定転化率が前記反応区間において決定される、実施形態２７から３１までのいずれか１つに記載の使用。
【００９６】
本発明のさらなる任意選択の詳細および特徴は、図面に図示されている以下の好ましい例示的実施形態の説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】図１に、本発明による装置における各相の面積分率の概略図を示す。
【図２】図２に、本発明による装置の考え得る様々な断面を、幾何学的特徴に応じて分類して示す。
【図３】図３に、本発明の第１の実施形態による装置の背面図を示す。
【図４】図４に、図３の線Ａ−Ａに沿った断面図を示す。
【図５】図５に、本発明の第２の実施形態による装置の背面図を示す。
【図６】図６に、図５の線Ａ−Ａに沿った断面図を示す。
【図７】図７に、恒温装置付き反応ゾーンを備えた反応器であって、加熱ブロックの断面積が反応ゾーンの断面積とほぼ同一の大きさである反応器を示す。
【図８】図８に、断熱的な反応ゾーンを備えた反応器であって、加熱ブロックの断面積が反応ゾーンの断面積よりもはるかに小さい反応器を示す。
【００９８】
本発明の実施形態
図１に、本発明の第１の実施形態による、少なくとも１つの流体を予熱するための本発明による装置１０における各相の面積分率の概略図を示す。装置１０は、中実に形成された加熱体１２を有する。加熱体１２の少なくとも一部は、少なくとも１つの金属および／または少なくとも１つのセラミックスから形成されている。例えば、加熱体１２は、α−アルミナ（コランダム）から製造されている。加熱体１２は、円筒状、特に円柱状に形成されている。それに応じて、加熱体１２は、円形断面を有する。また加熱体１２は、角柱状に形成されていてもよいし、幾何学的に不規則であってもよく、つまり、以下で詳説するように任意に形成された断面を有していてもよい。それに応じて、加熱体１２は長手軸１４に沿って延在しているが、加熱体１２の形状によってこの長手軸１４が決まる。示した例では、加熱体１２は、加熱チャンバ１５によって完全に包囲されている。加熱体１２内には、流路１６が形成されている。流路１６は、被加熱流体を通せるように形成されている。流路１６は、例えば、加熱体１２の固体材料中の穿孔として形成されている。加熱体１２は、加熱可能である。加熱体１２は、特に、直接的または間接的に加熱可能である。例えば、加熱体自体は、流路１６内の流体を電気加熱する加熱素子として形成されていてもよい。示した例では、加熱体１２は、加熱チャンバ１５によって完全に包囲されており、不透過性接合部１７によって、加熱体１２とこの加熱チャンバとが分離されている。熱伝導により、運転時に熱が加熱チャンバ１５から加熱体１２へと、そしてそこから流路１６へと、そしてその中に存在する流体へと伝えられる。
【００９９】
図２に、本発明による装置１０の考え得る様々な断面を、幾何学的特徴に応じて分類して示す。図２では、規則的な形状を有する考え得る断面を左側に、そして不規則的な形状を有する考え得る断面を右側に示す。規則的な形状の場合には、円形、角を丸めた矩形および星形を示す。不規則な形状の場合には、技術的に実現可能ないずれの形状も可能であり、特に角を丸めた任意の形が可能である。
【０１００】
図３に、本発明の第１の実施形態による装置の背面図を示す。図４に、図３の線Ａ−Ａに沿った断面図を示す。流路１６は、長手方向１８に沿って直線的に延在する。その際、流路１６は、互いに平行に形成されている。流路１６は、長手軸１４に対して平行に形成されている。流路１６は特に、長手軸１４に対して垂直な加熱体１２の断面において、不均等に分配された状態で形成されている。流路１６は、円筒状、特に円柱状に形成されている。また、流路１６は角柱状に形成されていてもよい。また、加熱体１２が、構造化された外被面を有し、流路１６の少なくとも一部が該外被面内の溝として形成されていることも可能である。
【０１０１】
有利には、流路の水力直径は、０．１ｍｍ〜１２ｍｍ、好ましくは０．２ｍｍ〜８ｍｍ、特に好ましくは０．３ｍｍ〜４ｍｍ、特に０．４ｍｍ〜２ｍｍである。水力直径のこの値を用いた場合、加熱体内での滞留時間を、本発明による使用に向けて特に良好に調整することができる。さらに、それによって、流路壁での沈着物が回避される。さもなくば、こうした沈着物によって流路の閉塞が生じかねない。
【０１０２】
有利には、加熱体の水力直径の、流路の水力直径に対する比率は、２〜１０００、好ましくは５〜５００、特に好ましくは１０〜１００である。水力直径は、物体の断面積の４倍／物体の周囲長または流路の断面積の４倍／流路の周囲長として定められている（ＶＤＩ熱アトラスの第Ｂａ章、第９版、２００２年）。
【０１０３】
加熱体の等価断面積に対する流路の数は、２〜１０００、好ましくは５〜５００、特に好ましくは１０〜１００である。その際、加熱体の等価断面積は、その直径が、加熱体の水力直径に相当する円の面積として定められている。
【０１０４】
流路の総断面積（自由断面積）は、加熱体断面積の０．１％〜５０％、好ましくは０．２％〜２０％、特に好ましくは０．５％〜１０％である。
【０１０５】
加熱体の長さは、１０ｍｍ〜１０００ｍｍ、好ましくは３０ｍｍ〜３００ｍｍである。流体は、ガスであってよく、特に１つもしくは複数の熱不安定性化合物および／または互いに化学反応する２つもしくは複数の成分を含有するガス混合物であってよい。装置１０は特に、流体の連続的な予熱に使用することができる。加熱体１２は特に、流体を、目標時間内に目標温度へと加熱できるように形成されている。目標温度とは、流体の所定の化学反応が所定時間内に所定転化率で起こる際の少なくとも１つの温度である。その際、目標時間は、所定時間よりも短い。次いで、流体を予熱するために加熱体１２が目標温度へと加熱され、目標時間内に流路１６に流体が通される。その際、所定時間は、以下で詳説するように、流体の種類に基づいて求められる。つまり、所定時間は、流体の種類に基づいて理論的または経験的に求めることができる。例えば、所定時間を模擬的に算出することができる。また、当業者には公知の標準ソフトウェアが存在し、それをもとに流体の転化率を算出することができる（Ｋｅｅ，  Ｒ．  Ｊ．、Ｍｉｌｌｅｒ，  Ｊ．  Ａ．、およびＪｅｆｆｅｒｓｏｎ，  Ｔ．  Ｈ．（１９８０年）。ＣＨＥＭＫＩＮ：  Ａ  ｇｅｎｅｒａｌ−ｐｕｒｐｏｓｅ，  ｐｒｏｂｌｅｍ−ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ，  ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｂｌｅ，  ＦＯＲＴＲＡＮ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｋｉｎｅｔｉｃｓ  ｃｏｄｅ  ｐａｃｋａｇｅ．  Ｓａｎｄｉａ  Ｌａｂｓ）。
【０１０６】
装置１０はさらに、加熱体１２の温度を制御するための制御システム２０を有し得る。その際、目標温度は、この制御システム２０の目標値である。その際、加熱体１２の流路１６の水力直径は、この目標時間に基づいて形成される。この目標温度と、所定時間内に流体の所定の転化が起こる際の温度との差は、−２００Ｋ〜＋２００Ｋ、好ましくは−１００Ｋ〜＋１００Ｋであってよい。目標時間は、０．１ｍｓ〜１５０ｍｓ、好ましくは０．５ｍｓ〜７５ｍｓ、特に好ましくは１ｍｓ〜５０ｍｓ、とりわけ好ましくは２ｍｓ〜２５ｍｓであってよい。したがって、目標時間とは、流路内での流体の滞留時間を指す。滞留時間は、流路の長さと、標準状態下での流路を通る流体の平均速度との商として定められている。流体の圧力差は、装置１０の入口２２と出口２４との間で、１ｍｂａｒ〜９００ｍｂａｒ、好ましくは１ｍｂａｒ〜５００ｍｂａｒ、特に好ましくは１ｍｂａｒ〜２００ｍｂａｒ、とりわけ好ましくは１ｍｂａｒ〜１００ｍｂａｒであってよい。装置１０の入口２２と出口２４との間での流体の圧力差は、入口２２における流体の絶対圧の０．１％〜５０％、好ましくは０．１％〜２０％、特に好ましくは０．１％〜１０％であってよい。総じて流体は、０．０１Ｎｍ３／ｈ〜５００Ｎｍ３／ｈ、好ましくは０．０１Ｎｍ３／ｈ〜２００Ｎｍ３／ｈ、特に好ましくは０．０１Ｎｍ３／ｈ〜１００Ｎｍ３／ｈ、とりわけ好ましくは０．０１Ｎｍ３／ｈ〜５０Ｎｍ３／ｈの体積流量で各流路１６に通され得る。その際、所定の転化は、熱分解、脱水素化反応、選択的不均一系接触酸化からなる群から選択される反応であってよい。加熱体１２は、１００℃〜１６００℃、好ましくは４００℃〜１４００℃、特に好ましくは７００℃〜１３００℃の温度へと加熱される。
【０１０７】
加熱体１２は、予熱された流体の所定の転化を行うための反応区間２６と結合可能である。装置１０と反応区間２６とが一体化して、特にモノリス状に形成されていてもよい。反応区間は、流路区間２８を有し得る。装置１０および反応区間２６は、流路１６が流路区間２８へと合流するように形成されていてもよい。その際、流路区間２８は、加熱体１２の断面積と実質的に同一の断面積を有し得る。流路区間２８は、空洞であってもよい。また流路区間２８は、固体充填体で充填されていてもよい。所定時間内の所定転化率は、反応区間において決定される。図４の描写に関連して、流体は、右側から左側へと、流路１６を通って流れる。
【０１０８】
加熱体１２の設計は、以下の関係式：
【化１】
2019534138.tif 000003
に基づき、ここで、記号は、以下の意味を有する：
τｈｅｘ［ｓ］：加熱体１２内での流体流の滞留時間。滞留時間は、流路１６の体積と、流路１６を通って流れる標準体積流量との商として定められている。
ＮＴＵ：加熱体１２内で実現されるべき移動単位数（ＮＴＵ：Ｎｕｍｂｅｒ  ｏｆ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｕｎｉｔｓ）。ＮＴＵの算定は、例えば、ＶＤＩ熱アトラスの第Ｃａ章、第９版、２００２年から当業者には公知である。
Ｎｕ：流路１６内での伝熱に関するヌセルト数。Ｎｕは、第一に流動様式に依存する。この場合、通常は、狭い毛管状の流路１６内には層流が存在する。その場合、Ｎｕ＝３．６６である。
α［ｍ２／ｓ］：流体流の比温度伝導率：α＝λ／ρ・ｃｐであり、ここで、αは、物質パラメータである。
ρ［ｋｇ／ｍ３］：流体の密度。
ｃｐ［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］：定圧下での流体の比熱容量。
λ［Ｗ／ｍ・ｓ］：流体の熱伝導率。
ｄｈ［ｍ］：流路１６の水力直径。
【０１０９】
加熱体１２の長さＬｈｅｘは、以下の関係式：
【化２】
2019534138.tif 000004
を用いて求めることができ、ここで、νＮは、流路１６内の平均空塔速度を意味する。νＮは、流路１６を通って流れる標準体積流量と、流路１６の断面積との商として定められている。ＬｈｅｘおよびνＮは、加熱体１２の第一の課題の主旨で、自由パラメータである。実際には、これらのパラメータは、付帯条件によって定められる。そのような付帯条件は、取付け長さ、圧力損失、流速であってよい。Ｌｈｅｘと、利用可能な取付け長さとの相関関係は、明らかである。圧力損失は、例えば装置の強度関連の設計またはプロセス流を促進する際の所要動力を決定づける重要なプロセスパラメータである。特定の用途においては、許容圧力損失は、プロセス媒体の蒸気圧によって定められる。例えば、加熱体１２内での相変化を回避することが有利である。つまり、許容圧力損失は、用途に固有のものとしてしか定めることができない。したがって、２つの範囲を記載する。一方の範囲は、絶対値を含み、第２の範囲は、プロセスの圧力レベルに対する相対値を含む。所与の圧力損失において、以下の関係式：
【化３】
2019534138.tif 000005
から流速が得られ、ここで、以下の意味を有する：
Δｐ：予熱器による圧力損失。
λｅｆｆ：毛管の圧力損失係数。λｅｆｆは、流動様式に依存する。層流の場合は、λｅｆｆ＝６４である。
Ｐｒ：プラントル数（物性値）。
ρＮ：標準状態下での密度（Ｔ＝２７３Ｋ、ｐ＝１．０１３５ｂａｒでの物性値）。
ＴＮ：ＤＩＮ  １９４５に準拠した標準状態での温度（２７３Ｋ）。
Ｔａｖｇ：予熱器に沿った平均流体温度。
ｐＮ：ＤＩＮ  １９４５に準拠した標準状態での絶対圧（１．０１３５ｂａｒ）。
ｐａｖｇ：予熱器に沿った平均圧力。
【０１１０】
毛管内での層流については、以下が成り立つ：
【化４】
2019534138.tif 000006
【０１１１】
流速は、上向きに限定されている。例えば、流速は、音速よりも低いことが望ましい。さらに、毛管からの出口における噴射の動圧は、制限されていることが望ましい。
【０１１２】
流路１６内の流体流が受容する容量（Ｌｅｉｓｔｕｎｇ）
【化５】
2019534138.tif 000007
は、以下の関係式：
【化６】
2019534138.tif 000008
を用いて求めることができ、ここで、以下の意味を有する：
Ｖｍｏｌ：標準状態でのモル体積（２２．４１４ｍ３／ｋｍｏｌ）。
ｃｐ，Ｎ：流体の平均モル熱容量。
ΔＴｇａｓ：加熱体１２内の流体流を、その分だけ加熱する温度差
ΔＴｇａｓ＝Ｔ目標−Ｔ流入（近似的にＴ壁−Ｔ流入）。
【０１１３】
加熱体１２が調達する必要のある総容量は、以下のとおり：
【化７】
2019534138.tif 000009
であり、ここで、以下の意味を有する：
ε：加熱体１２の自由断面積（加熱体１２の断面積に対する流路１６の総断面積）。
Ｄ：加熱体１２と面積が等しい円の直径。
【０１１４】
加熱体１２内の、単位体積あたりの平均熱流束は、以下のとおり：
【化８】
2019534138.tif 000010
であり、代入すると、
【化９】
2019534138.tif 000011
となる。
【０１１５】
完全に加熱体１２の外被面を介して入熱される場合、外被面内の単位面積あたりの熱流束は、
【化１０】
2019534138.tif 000012
である。
【０１１６】
【化１１】
2019534138.tif 000013
によって、自由度εおよびＤの値範囲を求めることができる。その場合、体積流量は、別のパラメータから得られる。
【０１１７】
前記のパラメータの可能な値範囲を、以下の表１に示す。
【０１１８】
【表１】
2019534138.tif 000014
【０１１９】
表１において、以下の意味を有する：
｛ｕ／ｏ｝ｇ：下限／上限
｛ｕ／ｏ｝ｇｂ：好ましい下限／上限
｛ｕ／ｏ｝ｇｂｂ：特に好ましい下限／上限
｛ｕ／ｏ｝ｇｇｂｂ：とりわけ好ましい下限／上限。
【０１２０】
図５に、本発明の第２の実施形態による、流体を予熱するための装置１０の背面図を示す。図６に、図５の線Ａ−Ａに沿った断面図を示す。以下では、前記実施形態との相違点のみを説明し、同一の部材には同一の参照符号が付されている。第２の実施形態の装置１０では、加熱体１２が、第１の実施形態の加熱体１２と比べて長手方向１８において短い長さを有する。さらに、流路１６が、加熱体１２の断面全体により広く分配されており、つまりこの流路は、加熱体１２の外周面の近傍まで延在する。図６の描写に関連して、流体は、下側から上側へと、流路１６を通って流れる。
【０１２１】
本明細書に記載される装置は、前記の実施形態または様式に限定されるものではないことが明確に強調される。前記実施形態は、単に装置１０の考え得る構造上の様式の一選択肢にすぎない。以下の例をもとに、本発明による装置１０およびその使用を明らかにする。本明細書に記載される装置１０は、後述の例示的実施形態の予熱に限定されるものではないことが明確に強調される。後述の例示的実施形態は、単に本発明による装置１０を用いて予熱され得る考えられる流体の一選択肢にすぎない。
【０１２２】
図７に、恒温装置付き反応ゾーン３２を備えた反応器３０を示すが、ただし、加熱体１２の断面積は、反応ゾーン３２の断面積とほぼ同一の大きさである。図示されているのは、反応器３０の予熱ゾーン３４内にある複数の加熱体１２の集成体、および該集成体に直接に接続している反応ゾーン３２である。その際、加熱体１２は、熱交換管内に挿入されている。被加熱流体が、流入口３６を通って予熱ゾーン３４へと到達し、そこから加熱体１２へと到達して予熱され、次いで反応ゾーン３２へと到達し、該ゾーンで、固体充填体を備えた反応管３８内で流体の本来の反応が起こり、そして流出口４０を通って反応器３０を離れる。流体を予熱するために、予熱ゾーン３４は、熱媒用の流入口４２および熱媒用の流出口４４を有する。反応ゾーン３２も同様に、熱媒用の流入口４６および熱媒用の流出口４８を有する。
【０１２３】
図８に、断熱的な反応ゾーン３２を備えた反応器３０を示すが、ただし、加熱体１２の断面積は、反応ゾーン３２の断面積よりもはるかに小さい。図７の反応器との相違点は、反応ゾーン３２に認めることができる。このゾーンは、複数の反応管３８の代わりに固体充填体５０を有するため、流入口４６も流出口４８も存在しない。
【０１２４】
例１：
例１を、図３および４における装置１０の第１の実施形態をもとに説明する。流体はメタンである。流体の種類に依存して、所定時間を求める。この流体を、水素および熱分解炭素へと反応させる。その際、この反応を１２００℃の所定温度において行う。恒温装置付きフロー式反応器内にある反応区間２６での測定をもとに、１．２ｓという所定時間内での７３．５９％という所定の相対転化率を求めることができる。
【０１２５】
メタンの相対転化率は、以下：
【化１２】
2019534138.tif 000015
のように定められており、ここで、以下の意味を有する：
【化１３】
2019534138.tif 000016
：反応ゾーンの出口でのメタンのモル流量。
【０１２６】
【化１４】
2019534138.tif 000017
：反応ゾーンの入口でのメタンのモル流量。
【０１２７】
具体的な事例では、相対転化率を、純粋に濃度測定から求めることができ：
【化１５】
2019534138.tif 000018
ここで、以下の意味を有する：
【化１６】
2019534138.tif 000019
：反応ゾーンの出口での成分メタン、エチレン、ベンゼンのモル分率（ｊ＝ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ６Ｈ６）。
【０１２８】
【化１７】
2019534138.tif 000020
：反応ゾーンの入口でのメタンのモル分率。
【０１２９】
記載した成分のモル分率は、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）を用いて測定する。
【０１３０】
反応を行うための所定時間は、以下：
【化１８】
2019534138.tif 000021
のように定められており、ここで、以下の意味を有する：
εｒｘ：反応区間内の固体充填体の空洞分率。適切な測定方法は、次の出版物に記載されている：Ｒｉｄｇｗａｙ，  Ｋ．およびＫ．  Ｊ．  Ｔａｒｂｕｃｋ著“Ｒａｄｉａｌ  ｖｏｉｄａｇｅ  ｖａｒｉａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｒａｎｄｏｍｌｙ−ｐａｃｋｅｄ  ｂｅｄｓ  ｏｆ  ｓｐｈｅｒｅｓ  ｏｆ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ  ｓｉｚｅｓ．”Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈａｒｍａｃｙ  ａｎｄ  Ｐｈａｒｍａｃｏｌｏｇｙ  １８．Ｓ１（１９６６年）：１６８Ｓ〜１７５Ｓ。
Ｄｒｘ、Ｌｒｘ：反応区間の直径および長さ。
【０１３１】
【化１９】
2019534138.tif 000022
：フロー式反応器の流入口での標準体積流量。適切な測定方法は、熱式質量流量計である。
Ｔｒｘ：反応区間内での所定温度。
ＴＮ：ＤＩＮ  １９４５に準拠した標準状態での温度（２７３．１５Ｋ）。
ｐｆｅｅｄ：反応区間の流入口での絶対圧。
ｐＮ：ＤＩＮ  １９４５に準拠した標準状態での絶対圧（１．０１３５ｂａｒ）。
【０１３２】
所定メタン転化率で、以下の生成物収率が達成される：
【表２】
2019534138.tif 000023
【０１３３】
ここで、熱分解炭素が目的生成物であり、炭化水素Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４およびＣ６Ｈ６は、熱分解の中間生成物である。
【０１３４】
したがって、目指される反応温度または所定温度に基づいて、予熱のために１２００℃という目標温度を求める。加熱体１２の出口２４で測定した、加熱体１２内で起こってよい許容相対事前転化率（Ｖｏｒｕｍｓａｔｚ）は、５％未満である。その際、事前転化率の値は、自由に設定されている。この設定値は、予熱区間の終わり、つまり加熱体１２の出口２４において、言及に値する転化が起こらないということをもとに定めている。経験に基づき、有意義な閾値として、５％という転化率を指定する。この値は、気相組成の分析における炭素収支の精度をもとに定めている。その際、流体は、５０ｍｓより短い目標時間内に、その目標温度へと加熱されるべきである。目標時間の値は、理想的な管型反応器内における１２００℃でのメタンの均一分解のシミュレーションをもとに、ＧＲＩ−３．０機序（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｅ．ｂｅｒｋｅｌｅｙ．ｅｄｕ／ｇｒｉ＿ｍｅｃｈ／）を利用して算出する。示した値は、メタン転化率が５％よりも明らかに低い滞留時間に相当する。その際、「明らかに」とは、示した値が、計算上５％の転化率が達成される時間のおよそ１／５に相当するということを意味する。目標値の偏差は、１０Ｋよりも小さいものとする。つまり、この目標時間内に、加熱体１２の流路１６に流体を通す必要がある。この例示的実施形態では、加熱体１２が、１６本の流路１６を有する。流路１６の数は、特に以下の目標値をもとに定められる。
【０１３５】
加熱体１２の長さは、第１の試験区間の構造上の設定値により、２００ｍｍに指定されている。最大流量は、１Ｎｍ３／ｈである。その際、次の設計仕様が達成される：５以上のＮＴＵ、加熱体１２内での、１０ｍｂａｒ未満の圧力損失（加熱体１２の入口２２での１．１５ｂａｒという流体絶対圧のおよそ１％に相当）、１０ｍｓ未満の滞留時間。
【０１３６】
加熱体１２は、１８ｃｍ２の断面積を有する。目標時間に基づき、各流路１６の１．２ｍｍという水力直径が求められる。流体を、９２．６Ｎｌ／ｈの体積流量で各流路１６に通す。その結果、２２．７５ｍ／ｓという平均速度（標準状態での仮想値）が得られる。
【０１３７】
例２：
例２を、図５および６における装置１０の第２の実施形態をもとに説明する。流体はメタンである。流体の種類に依存して、所定時間を求める。この流体を、水素および熱分解炭素へと反応させる。例１を起点に、例２では、熱分解炭素の収率を高めて中間生成物を除去すべく、熱分解反応に関してより高い反応進行度を達成することが必要である。そのために、有利には、反応温度を高めて、反応区間２６内での滞留時間を延長する。その際、この反応を、通常は１４００℃の所定温度において行う。反応区間２６内での測定をもとに、２．４ｓという所定時間内での９９．５％を超える所定の相対転化率を求めることができる。
【０１３８】
所定メタン転化率で、以下の生成物収率が達成される：
【表３】
2019534138.tif 000024
【０１３９】
したがって、目指される反応温度または所定温度に基づいて、１４００℃という目標温度を求める。その際、流体を、２ｍｓより短い目標時間内に、この目標温度へと加熱する。目標値の偏差は、１０Ｋよりも小さいものとする。つまり、この目標時間内に、加熱体１２の流路１６に流体を通す必要がある。この例示的実施形態では、加熱体１２が、４４本の流路１６を有する。流路１６の数は、特に以下の目標値をもとに定められる。加熱体１２の長さは、第２の試験区間の構造上の設定値により、３５ｍｍに指定されている。流路１６は、加熱体１２の断面全体に均等に分配されている。最大流量は、０．５Ｎｍ３／ｈである。その際、次の設計仕様が達成される：５以上のＮＴＵ、加熱体１２内での、１０ｍｂａｒ未満の圧力損失（加熱体１２の入口２２での１．１５ｂａｒという流体絶対圧のおよそ１％に相当）、１ｍｓ未満の滞留時間。
【０１４０】
加熱体１２は、１８ｃｍ２の断面積を有する。目標時間に基づき、０．５ｍｍという水力直径が求められる。プロセスに起因して、流体を、１１．５Ｎｌ／ｈの体積流量で各流路１６に通す。その結果、１６ｍ／ｓという平均速度（標準状態での仮想値）が得られる。このプロセスパラメータにより、目標時間内に目標温度へと流体を加熱するために、加熱体１２を１４００℃の温度へと、制御して加熱する。
【０１４１】
前記の例１および２のどちらにおいても、装置１０を８時間運転した後に、流路の沈着物または閉塞を検査した。装置１０の運転に不利に影響を及ぼすであろう著しい沈着物は認められなかった。このことは、本発明による装置１０およびその使用によって、流体、特に温度感受性の有機化合物を、従来の装置と比べて明らかに短い時間内に予熱できると同時に、従来の装置と比べて寿命を延長できるということを明らかに示している。
【符号の説明】
【０１４２】
１０  装置
１２  加熱体
１４  長手軸
１６  流路
１８  長手方向
２０  制御システム
２２  入口
２４  出口
２６  反応区間
２８  流路区間
３０  フランジ
【図１】
2019534138.tif 000025
【図２】
2019534138.tif 000026
【図３】
2019534138.tif 000027
【図４】
2019534138.tif 000028
【図５】
2019534138.tif 000029
【図６】
2019534138.tif 000030
【図７】
2019534138.tif 000031
【図８】
2019534138.tif 000032
【手続補正書】
【提出日】平成31年1月31日(2019.1.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの流体を予熱するための装置（１０）の使用であって、前記装置（１０）は、中実に形成された加熱体（１２）を備え、前記加熱体（１２）内には、前記流体を通すための流路（１６）が形成されており、前記加熱体（１２）は加熱可能であり、前記加熱体（１２）は、前記流体を目標時間内に目標温度へと加熱できるように形成されており、ここで、前記目標温度とは、前記流体の所定の化学反応が所定時間内に所定転化率で起こる際の少なくとも１つの温度であり、前記目標時間は、前記所定時間よりも短く、前記流体を予熱するために前記加熱体（１２）が前記目標温度へと加熱され、前記目標時間内に前記流体が前記流路（１６）に通され、その際、前記加熱体（１２）は、前記予熱された流体の所定の転化を行うための反応区間（２６）と結合される、使用。
【請求項２】
前記目標温度と、前記所定時間内に前記所定転化率で前記流体の前記所定の反応が起こる際の温度との差は、−２００Ｋ〜＋２００Ｋ、好ましくは−１００Ｋ〜＋１００Ｋである、請求項１記載の使用。
【請求項３】
前記目標時間は、０．１ｍｓ〜１５０ｍｓ、好ましくは０．５ｍｓ〜７５ｍｓ、特に好ましくは１ｍｓ〜５０ｍｓ、とりわけ好ましくは２ｍｓ〜２５ｍｓである、請求項１または２記載の使用。
【請求項４】
前記流体は、０．０１Ｎｍ３／ｈ〜５００Ｎｍ３／ｈ、好ましくは０．０２Ｎｍ３／ｈ〜２００Ｎｍ３／ｈ、特に好ましくは０．０５Ｎｍ３／ｈ〜１００Ｎｍ３／ｈ、とりわけ好ましくは０．１Ｎｍ３／ｈ〜５０Ｎｍ３／ｈの体積流量で前記各流路（１６）に通される、請求項１から３までのいずれか１項記載の使用。
【請求項５】
前記流体は、ガスであり、特に１つもしくは複数の熱不安定性化合物および／または互いに化学反応する２つもしくは複数の成分を含有するガスである、請求項１から４までのいずれか１項記載の使用。
【請求項６】
前記所定の反応は、熱分解、脱水素化、酸化からなる群から選択される反応である、請求項１から５までのいずれか１項記載の使用。
【請求項７】
前記加熱体（１２）は、１００℃〜１６００℃、好ましくは４００℃〜１４００℃、特に好ましくは７００℃〜１３００℃の温度へと加熱される、請求項１から６までのいずれか１項記載の使用。
【請求項８】
前記加熱体（１２）は、直接的または間接的に加熱される、請求項１から７までのいずれか１項記載の使用。
【請求項９】
前記流路（１６）は、長手方向に直線的に延在する、請求項１から８までのいずれか１項記載の使用。
【請求項１０】
前記流路（１６）は、互いに平行に形成されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の使用。
【請求項１１】
前記加熱体（１２）は、円筒状、特に円柱状または角柱状に形成されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の使用。
【請求項１２】
前記流路（１６）は、円柱軸に対して平行に形成されている、請求項１１記載の使用。
【請求項１３】
前記加熱体（１２）は長手軸（１４）を有し、前記流路（１６）は、前記長手軸（１４）に対して垂直な前記加熱体（１２）の断面全体に均等に分配された状態で形成されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の使用。
【請求項１４】
前記流路（１６）の自由断面積の合計は、前記加熱体（１２）の断面積に対して０．１％〜５０％、好ましくは０．２％〜２０％、特に好ましくは０．５％〜１０％である、請求項１から１３までのいずれか１項記載の使用。
【請求項１５】
前記流路（１６）は、円筒状、特に円柱状または角柱状に形成されている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の使用。
【請求項１６】
前記流路（１６）は、０．１ｍｍ〜１２．０ｍｍ、好ましくは０．２ｍｍ〜８ｍｍ、特に好ましくは０．３ｍｍ〜４ｍｍ、特に０．４ｍｍ〜２ｍｍの直径を有する、請求項１から１５までのいずれか１項記載の使用。
【請求項１７】
前記加熱体（１２）は、前記予熱された流体の所定の反応を行うための前記反応区間（２６）と結合され、前記装置（１０）と前記反応区間（２６）とが一体化して、特にモノリス状に形成されている、請求項１から１６までのいずれか１項記載の使用。
【国際調査報告】
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