(57)【要約】本発明は、不均一触媒式の反応の実施のためプレート構造若しくは層構造のマイクロ反応器（１）に関し、プレートは化学反応及び熱搬送のために設けられている。反応室内で内壁に触媒物質を施してあり、若しくは溝内に設けてあり、すべての室内にスペーサ部材（１１）を設けてある。特にマイクロ反応器のスリット状の反応室は、内法寸法が１５００マイクロメートルよりも小さく、かつ自由なスリット高さに対する自由なスリット幅の比が１０乃至４５０の範囲である通路を備えている。
2006523522.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不均一触媒式の反応の実施のためのマイクロ反応器であって、垂直方向若しくは水平方向に並べてかつ互いにほぼ平行に配置された複数の室を有しており、該室は少なくとも１つの供給通路部及び排出通路部を有しており、この場合に供給通路部は少なくとも１つの分配ユニットに接続されており、かつ排出通路部は少なくとも１つの集合ユニットに接続されており、前記室は積み重ねられたプレート若しくは層によって形成されており、前記一方の部分の室は反応室を成しており、前記他方の部分の室は熱搬送室を成しており、反応室と熱搬送室との間の熱搬送は共有の少なくとも１つの室壁を介して行われるようになっており、前記室壁は共有の１つのプレートによって形成されており、前記すべての室内にスペーサ部材を配置してある形式のものにおいて、反応室の内壁に触媒物質を少なくとも部分的に塗布してあり、反応室内で自由な流過横断面の周囲長さの四倍の面積の商によって規定されている液体用直径は４０００μｍより小さく、有利には１５００μ、理想的には５００より小さくなっており、隣接のスペーサ部材間の垂直方向の最小の間隔と反応室の触媒による被覆の後のスリット高さとの間の比は、８００よりも小さく、有利には４５０よりも小さく、理想的には１００よりも小さく、かつ１０よりも大きいか若しくは１０と同じ値であることを特徴とする、触媒を備えたプレート構造のマイクロ型反応器。
【請求項２】
スペーサ部材は回転対称形、滴形、菱形に若しくは有利にはウエブとして、理想的には一貫したウエブとして形成されている請求項１に記載の装置。
【請求項３】
反応室若しくは熱搬送室を取り囲み密閉するシール並びに溶接継ぎ目若しくはシールろう付け継ぎ目内にあるプレート面に対するスペース部材の支持面若しくはベース面の割合は、少なくとも２．５％であり、有利には５乃至１５％の範囲で３０％より小さい値である請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
ウエブとして若しくは一貫したウエブとして形成されたスペーサ部材のウエブ幅は、１０００μｍよりも大きく若しくは同じ値であり、かつ６０００μｍよりも小さい値である請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
触媒物質はスリット内でプレート上に塗布されている請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
分配ユニット及び／又は集合ユニットの少なくとも一部分の平面は触媒物質で被覆され、若しくは触媒作用の材料から形成されている請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
室壁若しくはスペーサ部材の少なくとも一部分の表面の材料は、触媒反応を生ぜしめるようになっている請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
反応室及び熱搬送室の供給通路部及び排出通路部は、通過流が隣接の室に対して並列流若しくは向流で、若しくは蛇行状に生ぜしめられるように配置されている請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
プレートは反応室内に凹設部を有しており、該凹設部内に触媒物質を少なくとも部分的に設けてあり、前記凹設部は任意の形状を有し、有利には細溝として形成されている請求項１から４のいずれか８項に記載の装置。
【請求項１０】
各２つのプレートのウエブは互いに向き合わされていて、互いに９０°以下の角度を成しており、前記ウエブは有利には互いに平行にかつ互いに直接に上下に配置されている請求項１から９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
主流方向で入口部分及び反応室内に、主流方向に対して垂直に規定される横断面の減少のための少なくとも装置を設けてあり、該装置は任意の形状を有している請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
入口部分及び反応室内に、少なくとも２つの流体の混合のための少なくとも１つの領域を設けてあり、この場合に少なくとも１つの流体は主流方向に対してほぼ垂直に注入されるようになっており、該注入領域の下流側に均質化区間を配置してある請求項１から１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
１つの流体の注入は、反応室の壁に設けられた孔を介して行われるようになっており、前記孔は、主流に対する垂直線を基準として−６０°乃至＋６０°の角度を成して、理想的には−３０°乃至＋３０°の角度を成して傾斜していて、主流方向に対してほぼ横方向に延びる少なくとも１つの流体通路に接続されている請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
流れ方向で反応室の終端部分に、主流方向に対して垂直に規定される横断面の減少のための少なくとも装置を設けてあり、該装置は任意の形状を有し、有利には複数のスペーサー部材として、若しくはウエブ幅の拡大部として、若しくはじゃま部材として、若しくは間隙高さの減少部として形成されている請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
プレートの出口での横断面縮小部による圧力損失は、触媒層及び／又は間隙の製作誤差に起因する圧力差の変化の少なくとも５倍である請求項１から１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれか１項に記載の装置の使用のための方法において、反応室と熱搬送室との間の差温度を０バール乃至１５バールの範囲、理想的には０バール乃至５バールの範囲にすることを特徴とする、装置の使用のための方法。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置の使用のための方法において、熱搬送室内に液相若しくは気相の媒体を供給して流過させることを特徴とする、装置の使用のための方法。
【請求項１８】
請求項１から１７のいずれか１項に記載の装置の使用のための方法において、熱搬送室内の媒体の流過中に媒体の凝集状態を完全に若しくは部分的に変化させることを特徴とする、装置の使用のための方法。
【請求項１９】
請求項１から１８のいずれか１項に記載の装置の使用のための方法において、プロセスを５００℃より低い温度でかつ０℃より低い温度でも実施することを特徴とする、装置の使用のための方法。
【請求項２０】
プロセスを炭化水素化合物の合成のため、かつ特に炭化水素化合物の酸素処理のために用いる請求項１６から１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
プロセスを、ほぼ過酸化水素及びプロピレンからの酸化プロピレンの合成のために用いる請求項１６から１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
プロセスを、フェノールの合成のために用いる請求項１６から１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
プロセスを、ほぼ水素及び酸素からの過酸化水素の合成のために用いる請求項１６から１９のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業規模での不均一触媒反応の実施のための壁面処理されたマイクロ反応器に関する。マイクロ反応器（マイクロリアクター）は、プレート型熱交換機に類似して層状に構成されており、この場合に形成されていてスペーサによって形状安定化されかつ区切られた室は、反応室及び熱搬送室を成している。反応器の層構造は、トン単位の製造の際の流れ、熱及び物質搬送、反応運動、プロセスの信頼性及び構造安定性に関連して最適な条件を得られるように寸法設定されている。
【０００２】
プレート構造のマイクロ反応器は、工場製造に広く種々に使用されている。積層された反応器の構造はほぼ類似していて、抽出物若しくは熱搬送媒体のための中央の単数又は複数の供給管路を含んでおり、供給管路から部分流に分岐され、部分流は各層に導かれる。各層及び化学的若しくは科学的なプロセス段を経た後に、各流れは物質毎に中央の排出管路内にまとめられて、後続の層へ供給され、若しくは反応器から導出される。
【０００３】
米国特許第２００２／０１０６３１１号明細書及び米国特許第５，５３４，３２８号明細書には、前記形式のプレート型マイクロ反応器（マイクロプレートリアクター[microplate reactor]）を開示してあり、ここに記載された複数の層及び層列は、部分的に異なる機能を備えているものの、工場生産規模での最適な構造及びプロセス制御手段については記載されていない。さらにプロセス条件、例えば圧力及び温度の高さ及び／又は発熱反応若しくは爆発性のガス混合物についても開示されていない。
【０００４】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第３９２６４６６号明細書には、化学的な二成分反応の実施のためのマイクロ反応器を記載してあり、該マイクロ反応器を過度な温度での反応に用いることに触れてあり、不均一触媒反応にも適している。層内には縦溝を配置してあり、該縦溝は例えば２つの媒体からなる反応物質によって貫流されるようになっているのに対して、後続の１つの層内で冷却媒体を流すようになっている。縦溝に対して横方向に行われるこのような冷却は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第３９２６４６６号明細書に開示の手段では縦溝の終端で層壁を介して若しくは層の全長にわたって行われる。熱搬送作用を生ぜしめかつコンパクト化を達成するために、壁厚さは１０００μｍより小さくなっており、このことは高圧下での腐食反応にとって反応器の使用を妨げている。さらに工場での使用の場合には、しばしば触媒物質を用いるようになっており、該触媒物質は触媒作用の金属から成るものではなくかつベース材料として使用できないものである。
【０００５】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６５４３６１号明細書には、積層構造の反応器を記載してあり、該反応器は化学触媒反応のプロセスに用いられるようになっており、この場合に触媒は層として反応通路の内壁に形成されている。反応通路を含む層と交互に別の層を配置してあり、該層内では熱搬送媒体を導くようになっている。ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６５４３６１号明細書には、反応器内の流れ制御の簡単な実施例を示してあり、上流側の層から到来する反応流体は、横方向のスリット若しくはスロットを介して下流側の反応層若しくは排出通路内へ分配されるようになっている。この場合には欠点として、前述のほぼ直接的な流体搬送に基づき個別の通路の部分流間で極めて小さい均質化作用しか生ぜず、例えば壁表面若しくは触媒表面の製作誤差並びに反応進行中の内部表面上への沈殿物の堆積に起因する異なる流動抵抗は、通路内の異なる流量を生ぜしめてしまうことになる。これによって反応作用は低下し、その結果、副産物及び誘導製品が多く生成され、或いは出口で反応されない抽出物の割合が大きくなることになる。個別の層の反応にとって重要な寸法若しくは通路寸法は前記明細書には開示されていない。
【０００６】
ヨーロッパ特許出願第１０３１３７５号明細書は、水平方向の室内での化学反応の実施のためのマイクロリアクターを開示しており、該マイクロリアクターは前述の反応器に類似して機能するようになっており、この場合には次の層若しくは機能段への流体輸送は回転対称的な通路を介して行われる。該ヨーロッパ特許出願第１０３１３７５号明細書に記載のマイクロリアクターにおいては、プレート間のシールは付加的なシール材料なしにシール区域によって行われており、該シール区域は両面に高価な表面処理を施されていて圧着されるようになっている。必要に応じて種々のプロセス及び合成を組み合わされるようになっており、このためにマイクロリアクターの機能モジュールは互いに容易に解離可能に結合されている。工場規模での使用においては、接触及び検査領域の表面処理特性に対する要求を満たすのは極めて困難であると考えられ、極めて高い温度及び交番圧力を伴う反応には十分な密閉性を得ることができない。
【０００７】
ヨーロッパ特許出願第０９０３１７４号明細書は、酸化剤として過酸化物を使用して有機化合物の気相反応のためのマイクロリアクターを開示しており、該マイクロリアクターは交互に積層された反応層及び冷却層にわたる確実な熱移動の問題を解決しようとするものであり、隣接の層のマイクロチャンネルは互いに直角を成して延びており、反応チャンネルと隣接の冷却層との間の最大の残留壁厚さは１０００μｍであり、反応器チャンネルの最大の内径は同じく１０００μｍである。該明細書に記載されている過酸化反応の重要な対策は耐爆機能である。従って装置の密閉性及び使用される反応物の最適な混合は、爆発のおそれのある過酸化物凝縮を避けるために重要であるものの、ヨーロッパ特許出願第０９０３１７４号明細書には、チャンネル（通路）の横断面の寸法についての示唆は見受けられない。耐爆機能は該明細書では必要な温度及び凝縮を維持することの観点からのみ考察されている。
【０００８】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１００４２７４６号明細書に記載の装置及び方法は、少なくとも２つの液相の媒体を互いに反応させるものであり、必要に応じて流動性若しくは壁面付着性の触媒を用いるようになっている。反応は反応器内の平面的な間隙状の反応室内で行われる。該反応室を形成するプレート内には中空室及び孔を設けてあり、該中空室及び孔内を熱搬送媒体が流れるようになっている。ドイツ連邦共和国特許出願公開第１００４２７４６号明細書に開示の反応器の基本思想は、平行及び面状に流過される単一構造の１つの反応室にあり、縁部領域のスペーサが２つのプレート間の間隙幅を保っている。この場合には１つの寸法、即ち間隙幅のみを５０乃至５０００μｍの範囲で示してある。該反応器は、小さい内法寸法が火炎伝播を防止することに基づき安全性を有しているものの、工場規模での使用に際して広い面状の間隙においては反応スリットの部分的な閉塞が予想される。このような部分的な閉塞は反応室と熱搬送室との間の高い圧力差若しくは例えば供給又は排出過程に際して熱に起因する応力を生ぜしめてしまうことになる。
【０００９】
壁面を触媒作用の材料で被覆してある場合には、前述の物質流やプロセスに起因する振動及びバイブレーションは剥がれ落ちを引き起こすおそれがあり、剥がれ落ちた破片若しくは薄片は部分的な閉塞を生ぜしめてしまうことになる。プレートの多数の空洞は加工を煩雑にし、かつ検査及び洗浄を困難にするものである。多くの反応器にとって必要である反応スリット及び熱搬送室の並流若しくは向流の可能性は役立つものではない。
【００１０】
本発明の課題は、従来技術のマイクロ反応器を改善して、該マイクロ反応器によって不均一触媒反応を高い温度及び圧力並びに爆発性のプロセス状態で実施できるようにして、生成物を一日に数トン単位で生産でき、かつ容量増大を反応室及び熱搬送室の簡単な増加によって達成できるようにすることである。
【００１１】
前記課題は本発明に基づき請求項１に記載の構成並びに従属請求項に記載の手段によって解決される。本発明の実施態様を従属請求項に記載してある。工業規模での不均一触媒反応の実施のための本発明に基づくマイクロ反応器は、互いにほぼ平行に配置された垂直方向若しくは水平方向の複数の室を有している。該室はそれぞれ少なくとも１つの供給通路を有しており、該供給通路（供給管路）は少なくとも１つの分配ユニットに接続されており、さらに前記室は複数の排出通路を有しており、該排出通路は少なくとも１つの集合ユニット（捕集ユニット）に接続されている。同一機能の室の供給通路、即ち同じ種類の流体の供給通路は互いに接続されており、このことは室からの排出通路にも当てはまる。室は積層されたプレート若しくは層によって形成されており、この場合に一方の室は、化学的な触媒反応の行われる反応室をなしており、他方の室は冷却媒体若しくは加熱媒体を流過させるための熱搬送室であり、反応室と熱搬送室との間の熱移動若しくは熱通過は、共有の少なくとも１つの室壁を介して若しくは互いに直接に接触する隣接のプレートを介して行われる。すべての室にスペーサ部材を配置してあり、該スペーサ部材は、外部から作用する圧着力を各プレートに伝達しかつ各プレートのたわみによる微細通路（マイクロチャンネル）の閉塞を防止している。プレートのたわみは、反応室と熱搬送室との間の圧力差を生ぜしめてしまうことになる。本発明に基づき反応室の内壁には少なくとも部分的に触媒物質を施してある。明らかになったことは、反応室の内壁に触媒を施した後の反応室若しくはスリットの自由な、即ち流体の流れる流過横断面は、４０００μｍより小さい内法寸法若しくは差し渡しを有していると極めて効果的であり、スリット幅とスリット高さとの比は８００より小さくしてある。
【００１２】
プレートの選ばれた基礎材料に依存して本発明の別の実施態様では、特に有利な反応器構造を提案してあり、この場合に自由な流過横断面の内法寸法は１５００μｍより小さく、理想的には５００μｍより小さくなっており、この場合に、反応室のスリット高さに対するスペーサ部材間の間隔の比は８００より小さく、有利には４５０より小さく、理想的には１００よりも小さくなっている。このような寸法比は１０より小さくならないようにしてある。この場合に２つのスペーサ部材間の間隔は、スペーサ部材に垂直に測定した最小の距離（隔たり）を意味していて、従って平行なスリットではスリット幅である。スリット高さ及びスペーサ部材間の間隔は被覆の後の寸法値であり、該寸法値は自由な流過横断面を規定している。上述の寸法のプレート構造は、流れ及び化学作用に基づく不都合なエッジ効果を無視できるほどに顕著な効果を示している。
【００１３】
プレートの金属性のベース材料でかつ４０００μｍより小さい有効なプレート高さの場合に、熱搬送に関連して触媒層の厚さは、ほぼ２ｍｍまでの値であり、これによってマイクロ反応器のほぼ等温運転を可能である。
【００１４】
内室の触媒被覆は、捕集室若しくは分配室内へ延びていてよく、この場合に反応スリット内の触媒と異なる触媒を捕集室若しくは分配室の壁面の領域に施すことも可能である。
【００１５】
スペーサ部材の断面形状は制限されることなく任意に、例えば回転対称、滴状、若しくは菱形に形成され、有利には条片又はウエブ若しくはリブとして、特に理想的には一貫した条片又はウエブ若しくはリブとして形成されている。重要なことは十分な支持力であり、支持力はベース材料の材料特性、プロセス温度、隣接の室間の差圧力、並びに外部から作用する圧着力の関数によって規定される。
【００１６】
一貫したウエブ若しくはリブから成るスペーサ部材は、該スペーサ部材によって画成された反応スリット内の流れ特性への影響、該スペーサ部材によって付加的に得られる、触媒物質のための付着面若しくは塗布面、並びに製作技術的な観点から有利である。
【００１７】
規定されたスリット内の流れ特性、拡散効果及び物質搬送経過は容易にシミュレーションされて最適にされる。これによって、横流及び逆流の影響は避けられる。スペーサ部材としてのウエブ若しくはリブの側面は、触媒にとって接触及び付着面として用いられ、触媒層を安定させるために役立っている。製作技術的な観点から、均一なスリット又はウエブ若しくはリブを備えたプレートは、標準機械によって技術的に簡単にかつ著しく経済的に製造される。十分な支持面を得るために実施態様では、反応室若しくは熱搬送室を形成するプレート面に対するスペーサ部材の接触面若しくはベース面の割合は、全プレート面を基準として５乃至１５％であり、この場合に該割合は２．５％を越えていて、しかしながら３０％を越えないようになっている。この場合に基準面、即ち全プレート面は、プレートにおいて環状に延びていて反応室若しくは熱搬送室を閉鎖するシール（ガスケット）並びにシール溶接継ぎ目若しくはシールろう付け継ぎ目の内側の面のみを意味する。シールの外側にあるプレート材料は、支持面として重要ではなく、中実になっている。反応室と熱搬送室との間の圧力差の大きい場合に、スペーサ部材のヘッド面は、両方の端板（エンドプレート）若しくは端部側の固定材若しくは固定プレートを介して生ぜしめられる圧着力の力伝達のために十分な支持力を生ぜしめる。スペーサ部材をウエブ若しくはリブとして形成してある場合には、最小のウエブ幅若しくはリブ幅は１０００μｍである。６０００μｍを越えるウエブ幅若しくはリブ幅は、通常は経済的並びに製作技術的に有利でなくなっている。
【００１８】
本発明に基づく装置の有利な別の実施態様では、触媒物質を凹設部内に施してあり、凹設部は例えばプレートからの材料除去によって形成されている。プレート上に触媒物質を施すこのような手段は、極めて均一な塗布を可能にしており、ベースプレートの表面から突き出た触媒物質を機械的な手段、例えばスクレーパ若しくは研磨部材によって除去できるからである。凹設部は任意の形状を有していてよく、有利には溝若しくは刻み目（細溝）として形成されており、この場合に溝若しくは刻み目は反応間隙内の２つのリブ間を延びている。
【００１９】
本発明の別の実施態様では、プレート材料若しくはリブ材料の少なくとも一部分は触媒作用を生ぜしめるようになっている。この場合に有利には、金属性の材料、例えば貴金属、マンガン、モリブデン、鉄、クロム、ニッケルなどを用いてある。触媒反応のエネルギー特性曲線に関連して、隣接の反応室及び熱搬送室の主流方向は、流れを隣接の室に対して並流、若しくは向流で、或いは蛇行状に生ぜしめるように規定されている。さらに、熱搬送を各反応室に対して並列的にかつ直接的な作用接続で行うことによって、ほぼ等温の反応条件を達成することもできる。金属性のベース材料を用い、かつ前記条件にスリット形状及びプレート形状を適合させると、熱搬送は触媒物質の層厚さに制限される。
【００２０】
別の実施態様では各２つのプレートのリブ若しくはスペーサ部材は互いに向き合わされていて、かつ互いに０°乃至９０°の角度を成している。特に有利な実施態様では、ウエブ若しくはスペーサ部材は互いに平行にかつ互いに整合させて、即ち直接に重なり合うように配置されている。ウエブ若しくはスペーサ部材を互いに平行ではなく、即ち互いに所定の角度で配置することによって、高い渦巻き及び混合効果を達成できる。
【００２１】
本発明の別の有利な実施態様では、入口部分及び反応室内に少なくとも２つの流体の混合のための少なくとも１つの領域を設けてあり、該領域内へ気相若しくは液相の少なくとも１つの流体を噴射させるようになっており、前記領域に均質化区域を接続してあってよい。さらに本発明の実施態様では、前記均質化区域に沿って若しくはその上流側に任意の形状若しくは構造の装置を設けてあり、該装置は入口部分若しくは反応室の自由な横断面を主流方向に対して垂直な方向で減少させるようになっている。横断面のこのような減少部分は、流速を増大させ、かつ流体の高い混合作用を生ぜしめる。自由な横断面を減少された領域は、機械的な火炎遮断部（フレームバリア）を成している。このような火炎遮断部若しくは消炎効果手段は、反応区域からの火炎による別の反応室への着火を防止するものであり、火炎は反応スリットの触媒被覆された領域で発生して別のプロセスユニット内へ若しくは分配ユニット若しくは集合ユニットから反応区域内へ伝播しようとするものである。
【００２２】
本発明に基づく別の装置では、孔を室壁に配置してあり、該孔は、主流に対する垂直線を基準として−６０°乃至＋６０°の角度を成して、有利には−３０°乃至＋３０°の角度を成して傾斜していて、主流方向に対してほぼ横方向に延びる共有の少なくとも１つの通路に接続されている。該主通路及び孔を介して、反応室若しくは各反応スリット内への流体の注入を行うようになっている。本発明の別の実施態様では流れ方向で反応室の終端部分に、主流方向に対して垂直に規定される自由な横断面の減少のための少なくとも１つの装置を設けてあり、該装置は任意の形状を有し、有利には複数のスペーサー部材として、若しくはウエブ幅の拡大部として、若しくはじゃま部材として、若しくは間隙高さの減少部として形成されている。反応室の終端部分に設けられたこのような横断面縮小部は、流れの均一化に役立ち、適切なマイクロ構造の場合に入口領域の前述の形状に類似して機械的な火炎遮断部若しくは火炎バリアを成していて、触媒から隣接の別の一般的にマクロ構造の反応ユニット若しくはプロセスユニット内への点火を阻止する。爆発防止を必要とする場合には、せき止め区域に触媒物質を設けないことが明らかに有利であり、それというのは触媒から発生した火炎は、存在する機械的な火炎遮断部をも通過して集合ユニットに達してしまうからである。
【００２３】
流れの均一化は極めて有利であり、例えば触媒層の起伏は反応室の領域内若しくは各スリット内に異なる圧力差をもたらし、その結果、不均一な通過流を生ぜしめることになり、このことは知られているように生成物の品質を低下させているからである。プレートの出口側の横断面縮小部による圧力損失若しくは絞りは、触媒層の製作誤差に起因する圧力差の変化の少なくとも５倍の大きさにすると明らかに効果的である。せき止め区域若しくは横断面縮小部による圧力損失は、理想的には前記圧力差の変化に起因する圧力損失の１０倍の大きさでありたい。マイクロ範囲内にない前記通路幅の選択によって、該部材は構造的に有利でありかつ製作技術的に容易に各通路若しくはチャンネル内に配置できる。
【００２４】
本発明はさらに前記反応器の使用のための方法に関し、該方法は０バール乃至１５バールの範囲の差圧力で実施され、この場合に理想的な使用範囲は、選ばれたベース部材に依存して０バールと１５バールとの間にある。可能なプロセス温度は、０℃より低い温度からほぼ５００℃の温度である。熱搬送室内を液相若しくは気相の媒体は熱移動のために流過される。
【００２５】
本発明の特別な手段では、熱搬送室内の媒体は流過中に凝集状態を凝縮若しくは蒸発によって完全に又は部分的に変化させられる。
【００２６】
従って本発明に基づく方法は、ほぼプロピレン及び過酸化水素からの酸化プロピレンの合成のため、若しくはほぼ芳香族の炭化水素からのフェノールの合成のため、並びに炭化水素化合物の合成のために、特に炭化水素化合物の酸素処理のために用いられる。さらに反応器は、ほぼ水素及び酸素からの過酸化水素の合成のために適している。
【００２７】
次の本発明を図面に示す実施例に即して説明する。図面において、
図１は、個別の１つの反応器プレートの平面図であり、該プレートの入口領域に図５の詳細図の位置を示し、該プレートの出口領域に図７の詳細図の位置を示し、かつシール装置及び案内リブ装置を示しており、
図２は、分配ユニットを有さず狭幅側で幅全体にわたって供給を受ける反応器プレートの平面図であり、
図３は、異なる形式のシール装置及び案内リブを有する熱搬送プレートの平面図であり、
図４は、反応室及び熱搬送室の積層構造の断面図であり、
図５は、スリット（チャンネル）の入口領域及び流体の噴射のための装置並びに均一化区域の２つの実施例の詳細図であり、
図６は、寸法を示す図であり、
図７は、反応スリットの端部、及びスペーサ部材の構成、並びにせき止め装置の構成の２つの実施例の詳細図であり、
図８は、反応室内の別の構造を示す図である。
【００２８】
図１に示すように反応室を形成する反応器プレートにおいて、到来した抽出物は、中央の供給通路部２を介して反応室８の分配ユニット６内へ送られる。分配ユニット内には案内リブ９を配置してあり、案内リブは抽出物を触媒物質で被覆されたスリットに対して均一に分配するようになっており、スリットはスペーサ部材１１間に形成されており、スペーサ部材はウエブ（条片又は帯状部材）若しくはリブとも呼ばれる。スリットは互いに並列的に配置されて、主流１４を規定していて、集合ユニット７に達しており、集合ユニット内に流れ込んだ生成物流は集合ユニット内の案内リブ９によって中央の排出通路部４へ導かれる。図１には別の、即ち第２の抽出物流のための中央の供給通路部２４を示してあり、該供給通路部は、ベースプレート１内を主流１４に対して横方向へ延びる管路２４ａに接続しており、該管路は図５に示す孔２５に接続されている。該孔から、第２の抽出物流は反応室内へ噴射される。反応室８及び熱搬送室１０、並びにこれらの室の入口及び出口は、非可逆の接続部及び／又はシール２６によって密閉されている。熱搬送室の図３に示すプレートは類似して形成されており、この場合に図示の実施例のウエブ１１は、反応室のウエブと平行に延びていてかつ合同である。該実施例には触媒被覆及び別の流体のための供給通路は設けられていない。
【００２９】
図２に示す反応器プレートは、反応室内に分配室を備えるものではなく、中央の抽出物流を別の反応器プレート（図示省略）と一緒に受けるようになっている。
【００３０】
図４には反応室と熱搬送室との積層構造の断面を示してあり、この場合に主流は図平面に対して垂直な方向に流れる。反応室ａ）は片側を触媒物質１２で被覆されたスリットによって形成されており、該スリットに続けて設けられた、即ち重ねられた熱搬送室は同様に形成されている。反応室の最大の流過横断面面積は、該反応室に重ねられた隣接の熱搬送室のスリットに対して触媒層の横断面面積だけ減少させられている。反応室ｂ）のスリットは、両方のプレート表面に触媒を備えている。続く熱搬送室は異なる数のスリットを有している。反応室ｃ）内でも両方のプレート表面（プレート壁）に触媒を被覆してあり、この場合に１つのプレート表面は溝を備えており、該溝内に触媒物質１２を設けてある（図６ｃも参照）。これによって、最大の流過横断面面積を触媒層の横断面面積だけ減少させてしまうことは避けられる。
【００３１】
図５には、個別の流入領域の３つの実施例を示してあり、この場合に抽出物流は分配ユニットから到来して混合区域３０内に流入し、該混合区域では管路（供給部）２４ａ及び孔２５を介して第２及び第３の流体を抽出物流内に混入するようになっている。孔２５は、図５のａに示してあるように主流方向に対して垂直に延びているか、若しくは主流方向に対して所定の角度γ（図５のｂ）で主流方向へ、即ち下流側へ或いは主流方向と逆方向へ、即ち上流側へ傾斜して延びている。触媒物質による壁面被覆を特徴としている反応区域の入口の前に、均質化区域３１を設けてあり、該均質化区域では組み込み部材２９によって流速高めかつ渦流を増大して、最適な混合を達成している。図５のｂには組み込み部材の２つの実施例を示してある。組み込み部材２９ｂはすでに混合区域３０の領域で流過断面を減少させていて、その結果、微細構造を生ぜしめ、ひいては組み込み部材２９ａよりも広い機械的な火炎バリアを形成している。
【００３２】
図６には寸法関係を示してある。スリットの有効な流過断面積は、間隙幅１６とウエブ高さ１７とを掛けた値から、塗布された触媒物質１２の横断面積の値を引いた値であり、この場合に、触媒物質の横断面積は、触媒物質の塗布層の厚さと間隙幅１６との積によって求められる。図６のｃに示してある別の実施例では、ウエブ側面も触媒物質で被覆されており、若しくは触媒物質は１つの溝若しくは複数の細溝内に満たされている。強度設定にとって重要な値はプレートの有効な厚さ、即ち図６のｃの実施例ではプレートの、溝の底部によって規定される最小の厚さ２２であり、図６のａ及びｂの実施例ではプレートの厚さ２１である。
【００３３】
図７は、スペーサ部材及び反応スリットの出口区域の３つの構成例を詳細に示している。図７の実施例ａではウエブ幅１８の拡大部を示してあり、該拡大部はせき止め区域３２を形成している。図７の実施例ｂでは、スリットは一種の柱廊によって形成されており、このために回転対称形若しくは円柱状のスペーサ部材は通路を形成するように配置され、該スペーサ部材による通路内に触媒物質を、図面に示すように点状に塗布してある。該実施例ではせき止め作用は、スリットの主流内に配置された横断面楕円形のスペーサ部材若しくは格子部材或いはじゃま部材２９によって達成されている。部分平面図ｃに示す実施例では、スペーサ部材を室内に任意に分配してあり、この場合にせき止め区域３２は、スペーサ部材を狭い間隔で配置することによって形成されている。該実施例では触媒物質はプレート表面全体に塗布されていて、せき止め区域の下流側の領域まで延びている。
【００３４】
反応室内のウエブ配置の２つの実施例を図８に示してある。該両方の実施例において、プレートのウエブは互いに向き合っており、この場合に部分図ａではウエブは互いに直角を成して配置されている。部分図ｂに示す実施例ではウエブは互いに任意の角度αを成している。両方の実施例では分配ユニット６と集合ユニット７との間の区間において横方向の高い混合を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】個別の１つの反応器プレートの平面図
【図２】別の反応器プレートの平面図
【図３】熱搬送プレートの平面図
【図４】反応室及び熱搬送室の積層構造の断面図
【図５】スリットの入口領域及び流体の噴射のための装置並びに均一化区域の２つの実施例の詳細図
【図６】寸法を示す図
【図７】反応スリットの端部、及びスペーサ部材の構成、並びにせき止め装置の構成の２つの実施例の詳細図
【図８】反応室内の別の構造を示す図
【符号の説明】
【００３６】
１  ベースプレート、  ２  供給通路部、  ４  排出通路部、  ５  熱搬送媒体用出口、  ６  分配ユニット、  ７  集合ユニット、  ８  反応室、  ９  案内リブ、  １０  熱搬送室、  １１  スペーサ部材、  １２  触媒物質、  １３  流過横断面、  １４  主流、  １５  スリット高さ、  １６  スリット幅、  １７  リブ高さ、  １８  リブ幅、  １９  リブ間隔、  ２０  触媒層高さ、  ２１  プレート高さ、  ２２  有効なプレート高さ、  ２３  溝幅、  ２４  入口、  ２５  孔、  ２６  シール、  ２７  スペーサ部材、  ２８  案内リブ、  ２９  組み込み部材（じゃま部材）、  ３０  混合区域、  ３１  均質化区域、  ３２  せき止め区域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年11月4日(2004.11.4)
【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】
不均一触媒式の反応の実施のためのマイクロ反応器であって、垂直方向若しくは水平方向に並べてかつ互いにほぼ平行に配置された複数の室を有しており、該室は少なくとも１つの供給通路部及び排出通路部を有しており、この場合に供給通路部は少なくとも１つの分配ユニットに接続されており、かつ排出通路部は少なくとも１つの集合ユニットに接続されており、前記室は積み重ねられたプレート若しくは層によって形成されており、前記一方の部分の室は反応室を成しており、前記他方の部分の室は熱搬送室を成しており、反応室と熱搬送室との間の熱移動は共有の少なくとも１つの室壁を介して行われるようになっており、該室壁は共有の１つのプレートによって形成されており、前記すべての室内にスペーサ部材を配置してある形式のものにおいて、反応室の内壁に触媒物質を少なくとも部分的に塗布してあり、反応室内で自由な流過横断面の周囲長さに対する四倍の面積の商によって規定された内法寸法は４０００μｍより小さく、有利には１５００μｍ、理想的には５００μｍより小さくなっており、反応室の触媒による被覆の後のスリット高さに対する隣接のスペーサ部材間の垂直な最小の間隔の比は、８００より小さく、有利には４５０より小さく、理想的には１００より小さく、かつ１０より大きいか若しくは１０と同じ値であることを特徴とする、触媒を備えたプレート構造のマイクロ反応器。
【請求項２】
反応室若しくは熱搬送室を取り囲み密閉するシール並びに溶接継ぎ目若しくはシールろう付け継ぎ目の内側のプレート面に対するスペース部材の支持面若しくはベース面の割合は、少なくとも２．５％であり、有利には５％乃至１５％の範囲で３０％より小さくなっている請求項１に記載の装置。
【請求項３】
ウエブとして若しくは一貫したウエブとして形成されたスペーサ部材のウエブ幅は、１０００μｍと同じ値であり、若しくは１０００μｍより大きく、かつ６０００μｍより小さくなっている請求項１又は２項に記載の装置。
【請求項４】
触媒材料はスリット内でプレート上に塗布されている請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
分配ユニット及び／又は集合ユニットの少なくとも一部分の平面は触媒材料で被覆され、若しくは触媒作用の材料から形成されている請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
室壁若しくはスペーサ部材の少なくとも一部分の表面の材料は、触媒反応を生ぜしめるようになっている請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
反応室及び熱搬送室の供給通路部及び排出通路部は、通過流が隣接の室に対して並列流若しくは向流で、若しくは蛇行状に生ぜしめられるように配置されている請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
プレートは反応室内に凹設部を有しており、該凹設部内に触媒材料を少なくとも部分的に設けてあり、前記凹設部は任意の形状を有し、有利には細溝として形成されている請求項１から７のいずれか８項に記載の装置。
【請求項９】
各２つのプレートのウエブは互いに向き合わされていて、互いに０°乃至９０°の角度を成しており、前記ウエブは有利には互いに平行にかつ互いに直接に上下に配置されている請求項１から８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
主流方向で入口部分及び反応室内に、主流方向に対して垂直に規定される自由な横断面の減少のための少なくとも装置を設けてあり、該装置は任意の形状を有している請求項１から９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
入口部分及び反応室内に、少なくとも２つの流体の混合のための少なくとも１つの領域を設けてあり、この場合に少なくとも１つの流体は主流方向に対してほぼ垂直に注入されるようになっており、該注入領域の下流側に均質化区間を配置してある請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
１つの流体の注入は、反応室の壁に設けられた孔を介して行われるようになっており、前記孔は、主流に対する垂直線を基準として−６０°乃至＋６０°の角度を成して、理想的には−３０°乃至＋３０°の角度を成して傾斜していて、主流方向に対してほぼ横方向に延びる少なくとも１つの流体通路に接続されている請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
流れ方向で反応室の終端部分に、主流方向に対して垂直に規定される横断面の減少のための少なくとも１つの装置を設けてあり、該装置は任意の形状を有し、有利には複数のスペーサー部材として、若しくはウエブ幅の拡大部として、若しくはじゃま部材として、若しくは間隙高さの減少部として形成されている請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
プレートの出口での横断面縮小部による圧力損失は、触媒層及び／又は間隙の製作誤差に起因する圧力差の変化の少なくとも５倍の大きさである請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか１項に記載の装置の使用のための方法において、熱搬送室内に液相若しくは気相の媒体を供給して流過させることを特徴とする、装置の使用のための方法。
【請求項１６】
熱搬送室内での媒体の流過中に媒体の凝集状態を完全に若しくは部分的に変化させる請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
反応室と熱搬送室との間の差温度を０バール乃至１５バールの範囲、理想的には０バール乃至５バールの範囲にする請求項１５又は１６に記載の方法。
【請求項１８】
プロセスを５００℃より低い温度でかつ０℃より低い温度でも実施する請求項１５から１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
プロセスを炭化水素化合物の合成のため、かつ特に炭化水素化合物の酸素処理のために用いる請求項１５から１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
プロセスを、ほぼ過酸化水素及びプロピレンからの酸化プロピレンの合成のために用いる請求項１５から１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
プロセスを、フェノールの合成のために用いる請求項１５から１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
プロセスを、ほぼ水素及び酸素からの過酸化水素の合成のために用いる請求項１５から１８のいずれか１項に記載の方法
【国際調査報告】
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