(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断熱型触媒層間に挿入された少なくとも１つの熱交換器パネルを含む、段階式断熱型反応器方式の反応器であって、前記パネルはプレートのスタックとして形成され、各プレートは、反応物を移送するための複数の通路、または熱伝達媒体を移送するための少なくとも１つの通路を画定し、前記プレートを通過する前記熱伝達媒体の流路方向をプレートごとに異ならせることによって、前記熱交換器パネルの出口における反応物の温度偏奇または温度差の発生を減少させた、前記反応器。
【請求項２】
熱交換器パネル全体が、複数のプレートを重ね合わせ、拡散接合してプレートのスタックを形成した、プリント回路熱交換器型（ＰＣＨＥ）であり、該スタック内に、前記プレートを前処理することによって流体通路を画定し、各プレートを、所望の流体通路パターンにしたがって、表面材料を除去する処理によってチャネル付き、またはブランク表面を提供するように、選択的に構成した、請求項１に記載の反応器。
【請求項３】
少なくとも２つの通路パターンを使用して、パネルを構成する、請求項２に記載の反応器。
【請求項４】
同一長方形形状のプレートがスタック内に並設され、各プレートが、その表面上にエッチング加工された特有の通路パターンを有しており、スタック内のそれぞれのプレートを回転させて配列することによって、異なる方向の通路を画定した、請求項２に記載の反応器。
【請求項５】
流体の相互混合を防止するために、表面にチャネルを設けない（ブランク）プレートを、パネル内に組み込んだ、請求項２または３に記載の反応器。
【請求項６】
反応を達成するために化学反応ゾーンを通過して流れる流体と熱交換を達成するための手段を含み、少なくとも１つの表面によって画定された、前記化学反応ゾーンを含み、前記ゾーンおよび前記表面が、少なくとも部分的にプリント回路熱交換（ＰＣＨＥ）パネルによって画定され、前記パネルが、流体反応物と熱伝達媒体の流れに備える複数の通路を画定し、少なくとも２つの異なる流路が、熱伝達媒体を取り扱うＰＣＨＥプレート設計によって画定され、これによって前記熱伝達媒体が、流体反応物の流れに対して少なくとも２つの異なる方向に、ＰＣＨＥパネルを介して通過することが可能となり、これによってＰＣＨＥパネルから流出する流体の反応物温度プロファイルの制御を改善した、請求項１に記載の反応器。
【請求項７】
熱伝達媒体がプレートの長さ方向に沿って２回以上通過するように、流体通路が構成されている請求項６に記載の反応器。
【請求項８】
流体通路が、一連の鋭い蛇行部分を含む、請求項７に記載の反応器。
【請求項９】
流体通路が、実質的に各個別通路の全長に課したジグザグパターンを含む、請求項６に記載の反応器。
【請求項１０】
段階式断熱型の反応器内の、制御された温度条件下で化学反応を実施する方法であって、
流体反応物を、反応と熱交換手段を達成するために化学反応ゾーンを介して連続的に配分するステップであって、前記ゾーンが、前記流体と熱交換を達成するための手段を含む少なくとも１つの表面によって区画されており、前記表面が少なくとも部分的に、その中の熱伝達媒体の流れを可能にする複数の通路を画定する手段を提供するプレートのスタックを含むプリント回路熱交換（ＰＣＨＥ）パネルによって画定されており、かつさらなる通路が反応物流体の流れに備えるステップと、
前記ＰＣＨＥパネルに熱伝達媒体を導入するステップと、前記熱伝達媒体を流体反応物の流れに対して少なくとも２つの異なる方向に、前記ＰＣＨＥを介して通過させて、ＰＣＨＥパネルから流出する流体の、反応物温度プロファイルの制御を改善するステップとを含む、前記方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、化学工学の分野に応用可能であり、特に化学反応器の改善に関する。本発明は一般的には、吸熱または発熱反応中の反応物温度の制御に関する。具体的には本発明は、熱交換器パネルの出口における反応物の温度プロファイルが「平坦」、すなわち熱交換器パネルの幅方向における反応物出口温度が、理想的に均一であり、かつ可能な限り一定である、プリント回路反応器（ＰＣＲ）とプロセス制御方法に関する。
【０００２】
発明の背景
反応温度を許容範囲に制御することは、広範に研究がなされており、化学工業においてはいくつかの装置が考案されている。一般に使用されるものについては、標準的な参考書や教科書に記述されており、一般知識については、例えばOctave LEVENSPIELによる「化学反応工学」の第１９章（Chemical Reaction Engineering, published by John Wiley & Sons）を参照することができる。
【０００３】
従来技術の中には、反応物温度をさらに一層制御できるように設計された従来型反応器もあり、これは段階式断熱充填層反応器（staged adiabatic packed bed reactor）と呼ばれている。このシステムで使用される装置には、ある数の互いに間隔を空けた離散型の反応ゾーンの間に、第１の反応ゾーンから出る生成物の温度を、次の反応ゾーンに入る前に制御する手段が設けられている。この反応ゾーン中には、反応温度を制御するための熱交換器は設けられていない。つまり、所望の温度で反応器に入る反応物流体は、触媒を包含する充填層を通過する。この第１段階から出るときには、反応物ガスおよび生成物は、反応の熱的な特性によって、初期温度よりも高いか、または低い温度となる。ここで次の充填層、すなわち第２段階に移行する以前に熱交換器によって、反応物ガスが第２の所望温度に加熱あるいは冷却される。この手順が、所望の転換が達成されるまで反復される。したがって、反応の温度プロファイルは、許容温度範囲内で段階状となり、真に等温状態ではない。
【０００４】
本発明の目的で選択する熱交換器パネルは、複数のプレートを重ね合わせて、拡散接合してプレートのスタックを形成したものであり、前記プレートを前処理することによってスタック中に流体通路が画定されており、各プレートは例えば化学エッチング、液圧ミルなどの方法で所望の深さまで表面材料を除去する処理を行うことによって、所望の流体通路パターンにしたがってチャネル加工表面とするか、またはブランク表面とするように選択的に構成されている。任意選択で、適切な工具を使用する機械化学式処理によって化学処理を強化してもよい。
【０００５】
このようなプレートの前処理は、プリント回路基板（ＰＣＢ）の製造とある程度類似する方法で実施され、この意味で、この熱交換器の設計はプリント回路熱交換器（PCHE: Printed Circuit Ｈeat Exchanger）と呼ぶことができる。金属プレートに拡散接合技術を応用することは、金属加工の技術分野で良く知られており、例えば医療用人工器官の製造などの、多様な目的に応用されている。
このＰＣＨＥの設計は、これらの小型熱交換器が最初に導入された１９８５年以来、提案されたＰＣＲの設計者たちによって実証されている。
【０００６】
本発明の出願者が設計した、ＰＣＲ型の反応器の一例が、本出願とは別に特許出願されている（参照：３２ ４６２７１ＷＯ−０１／５４８０６  ）。このような反応器は、複数のプレートを重ね合わせて、拡散接合してプレートのスタックを形成した熱交換器を境界に置いた少なくとも１つの反応ゾーンを提供するように構成されており、流体チャネルは前記プレートの前処理によって前記スタック内に画定されており、各プレートは、表面材料を除去する化学処理、例えば化学エッチングによって所望の深さまで処理することによって所望のチャネルのパターンにしたがって選択的に構成されている。このようなスタック内に画定された流体チャネルによって、反応物の温度を制御するための少なくとも１種の補助流体を含む離散型チャネルと熱交換をするように配設されたチャネル内に、様々な反応物を搬送するようにすることができる。
【０００７】
反応物は全体規模で混合される機会がなく、直接的に後続の断熱反応ゾーン内に進むために、反応に対して適度な制御を維持するためには、熱交換器パネルの出口における反応物の温度プロファイルは、平坦であるのが望ましい。反応物が部分的に温度が高すぎたり、低すぎたりする場合には、選択性および転換処理も阻害される可能性がある。この問題は強い発熱反応の場合に、反応物の一部が反応段階間で十分に冷却されないときに、熱流出が発生する可能性があるために特に重要であり、このような場合には、高温になるほど反応速度は増大し、これによってさらに温度が上昇する。
【０００８】
反応物まで、または反応物から熱を運搬する熱伝達媒体は、水、蒸気、溶融塩、液体金属、燃焼ガスまたは加圧閉ループガスなどの流体でよい。反応が大気温度付近である場合には、大量の熱伝達媒体流の提供と、その媒体への熱の供給、あるいはそれからの熱の抽出においては、問題は少ないと思われる。その場合には、単に水を使用して、反応が発熱反応である場合には、冷却タワーで廃棄される低級の熱を、反応が吸熱反応である場合には排出蒸気から得られる低級の熱を利用できる。あるいは、より高温においては沸騰水または凝縮水を利用することができる。
【０００９】
しかし、温度が極限であり、熱を供給または抽出することがより困難な場合には、多くの課題が発生する。例えば水が臨界点を超える場合には、その場の状況によっては、沸騰と凝縮を用いる等温の熱供給ができなくなったり、構造材料の温度限界が近づいたり、あるいは溶融塩が劣化したりする。
典型的な例が、スチレン反応であり、これは吸熱反応であるが、この反応では触媒層は理想的には６００℃付近に維持される。これはＰＣＲにおいては、反応物の温度を各断熱層において約５８０℃まで低下させ、各熱交換器において約６２０℃に再加熱する必要があることを意味する。
【００１０】
適切な熱交換媒体としては、７５０℃で過熱した蒸気がある。熱交換器からの蒸気の出口温度は、蒸気の流速を最小化し、それを搬送するパイプの寸法を最小化し、その流体によるエネルギ損失を最小化するためには、理想的には反応物の入口温度に接近することになる。
しかし、これには重大な問題が発生する可能性がある。つまり、７５０℃で流入し反応物の入口温度まで冷却されている蒸気と、５８０℃で流入する反応物との間の熱交換を注意深く管理しないと、反応物の平均出口温度が所要の６２０℃となったとしても、熱交換器から出る反応物の温度が大幅に変動することになる。
【００１１】
この問題を図１に示してある。蒸気と反応物との間に単純な対向流接触がある場合、反応物の出口温度は、蒸気が流出するプレートの端部に向かって、より高温に偏奇しているのがわかる。
また、平均温度は６２０℃に調整されているが、熱交換器パネルの幅方向における反応物の出口温度の変動は、約５８０℃から７２０℃であり、±７０℃の幅がある。これは反応の収量にとっては、致命的である。
本発明の一目的は、この種の性質の問題を解消あるいは緩和することである。特に、本発明の一目的は、化学反応ゾーンと、そのゾーン内で反応する反応物の温度を制御する方法とを含む装置を提供することである。
【００１２】
発明の概要
したがって、ここにより具体的に説明する本発明は、断熱型触媒層間に挿入された少なくとも１つの熱交換器パネルを備える、広義には段階式断熱型反応器方式の反応器であり、前記パネルの表面積とこれに対応する触媒の名目表面積(superficial facial area)が、実質上同等でありと共に、前記パネルが反応物と熱伝達媒体を移送するための離散型の通路を画定する手段を含み、前記熱伝達媒体の通路を画定する手段が、前記熱伝達媒体に対して、前記熱交換器パネルを通過する少なくとも２つの異なる流路方向を提供し、それによって温度偏奇あるいは差異の発生を減少させた、反応器である。
【００１３】
好ましくは、熱交換器パネルの全体がプリント回路熱交換器型（ＰＣＨＥ）であり、少なくとも２種類の異なるプレート設計を用いて、パネルを構成し、それによって流路設計の大幅な変更を達成できるようにする。第１には、ＰＣＨＥ内の流体の流れ方向は、パネルを構成する組立てられたＰＣＨＥプレートの流入口および流出口それぞれへの供給と換気接続によって初期に設定される。しかしながら、プレート内の流路の「プリント回路」方式設計を変更して、パネル内に異なるＰＣＨＥプレートを設けることによって、流路方向と熱伝達の影響度の両方を制御することができる。
【００１４】
異なる設計のプレートを使用することは、設計選択上の自由度を得る好ましい方法であるが、ある場合においては、実質的に同じ設計のプレートを使用することもできる。同一の四角形プレート(square plates)を並設してスタックとする特殊な場合においては、それぞれが表面上にエッチング加工された特有の通路パターンを有し、交互のプレートをプレートの面内で回転させることによって、また任意選択として、流体の相互混合を防止するために必要な場合には、エッチング加工を施さない表面〔ブランクス(blanks)〕を有するプレートを挿入することによって、異なる方向の通路を画定することができる。このようにして、異なる方向の連続する流路を達成することができる。
【００１５】
エッチングなどによって画定された適当なチャネルを有するプレートがスタックにされて互いに拡散接合されて、熱交換器パネルを形成し、またそのように形成されたパネルは、必要であれば並設して、例えば溶接によって接合し、必要な触媒層の断面積に見合う、所望の高さと幅を有するより大型のパネルを提供することもできる。ある場合には、ブランクプレート（エッチング加工していないプレート）を使用して、パネルを完成して、隣接するエッチング加工したプレート内に形成されたチャネルの開放側を閉止するのが適当である。このパネルについての言及は、便宜上のものであり、寸法的な制約を意図するものではない。しかし、熱交換器ユニットの寸法は、選択する反応器設計によって、変わるものであり、現在利用可能な製造装置が、１ステップで製作できるパネル寸法に実際的な制約を課すこともあることがわかるであろう。比較的大型のパネルを形成するのが望ましい場合には、このような実際的な制約は、利用可能な装置の能力範囲で形成された寸法のパネルを複数、並設して、それを適当な方法、例えば溶接によって接合することによって解消することができる。このようにして、様々な形状と寸法のＰＣＨＥパネルを構築することができる。
【００１６】
また好ましくは、プレートの設計は、プリント回路技術によって画定される通路によって、熱伝達媒体の流れがプレートの長さに沿って両方向に２回以上通過できるようにする。流路は蛇行経路としてもよく、また任意選択で熱交換媒体の流れの中に乱流を強化する方向に目立つ変化を設けてもよい。
本発明の好ましい態様において、熱伝達媒体は、熱交換パネルの外部にあるヘッダーに収納されており、任意選択で流体の流れを可能にするためにそこに連結される。パネル、好ましくはＰＣＨＥ式のパネルに対するヘッダーの配設には、ヘッダーの特定の位置に、離散型の熱交換パネル通路内、特に分離された流入口と流出口へ熱交換媒体を分配するための隔壁を含んでもよく、あるいは代替配設においてはマニホルドシステムを設け、これによって例えばパネルの組立て前の拡散接合時に、入口および出口チャンバが生成されるように、対向するプレート内に開口を形成することによってパネルの周縁内に直接形成したポートに、またこのポートから熱交換媒体を分配する。
【００１７】
本発明の一態様によると、段階式断熱型反応器方式の装置であって、反応を達成するために化学反応ゾーンを通過する流体と熱交換を達成する手段を含む、少なくとも１つの表面で画定された前記化学反応ゾーンを含み、前記ゾーンおよび前記表面が、少なくとも部分的にプリント回路熱交換（ＰＣＨＥ）パネルによって画定され、前記パネルが、流体反応物と熱伝達媒体の流れを可能にする離散型の通路を画定し、少なくとも２つの異なる流路が、熱伝達媒体を取り扱うＰＣＨＥプレート設計によって画定され、これによって前記熱伝達媒体が、流体反応物の流れに対して少なくとも２つの異なる方向に、ＰＣＨＥパネルを介して通過することが可能となり、これによって特にＰＣＨＥパネルから流出する流体の温度プロファイルの制御を改善した装置が提供される。
【００１８】
好ましくは、熱交換を達成する手段の全体を、本明細書に記載するＰＣＨＥ型とする。このような配設では通常、熱伝達の寸法は、触媒粒寸法よりも小さく、これによって通路中の流体への熱伝達に特有の温度プロファイルは、触媒粒子の寸法に対して重要でなくなる。また、熱伝達寸法は、層の深さに比較して相対的に小さく、その結果、いずれの通路スケールの温度プロファイルも、例えば通常は最大で約２００ｍｍである個々の触媒層の長さのごくわずかの部分だけを占める。これは、従来技術が例えば２５ｍｍ外径の交換器チューブを使用しているのと非常に対照的であり、この場合には温度プロファイルに下流の伴流を生じさせ、これは次いで必然的に個別の触媒粒よりも大幅に大きなスケールとなり、各触媒層の少なくとも有意な部分にわたって広がる。
【００１９】
熱交換媒体は、プレートの長さに沿って両方向に２回以上通過させるのが有利である。
また好ましくは、熱交換媒体が通過する通路は、一連の短く鋭い回転を含む蛇行部分を含む。
【００２０】
本発明の別の態様によると、制御された温度条件下、好ましくは段階式断熱型の反応器中で化学反応を実施する方法であって、流体反応物を、反応と熱交換手段を達成するために化学反応ゾーンを介して連続的に配分するステップであって、前記ゾーンが、前記流体と熱交換を達成するための手段を含む少なくとも１つの表面によって区画されており、前記表面が、その中の熱伝達媒体の流れを可能にする離散型通路を画定する手段を提供するプリント回路熱交換器（ＰＣＨＥ）パネルによって少なくとも部分的に画定されており、かつ別の通路が反応物流体の流れを可能にするステップと、前記ＰＣＨＥパネルに熱伝達媒体を導入するステップと、前記熱伝達媒体を、流体反応物の流れに対して少なくとも２つの方向に、前記ＰＣＨＥパネルを介して通過させて、これによってＰＣＨＥパネルから流出する流体の、反応物温度プロファイルの制御を改善するステップとを含む方法が提供される。
【００２１】
本発明によると、温度制御の方法についてのいくつかの変形形態が可能であり、この変形形態は化学反応システムについて現場で考えるオペレータの選択にしたがって選択される。温度制御の目的で考慮すべきＰＣＲシステムの主要な変形態様には、（ａ）化学反応物（ＣＲ）の流れの方向に対して熱交換媒体（ＨＥ）の流れの方向として、本質的には並流（同じ主流方向）、交差流（ＣＲ主流の軸方向に対して斜め、または横断方向）、対向流（ＣＲ主流軸に反対のＨＥ主流）があり、（ｂ）一方の他方に対する通過回数（ＨＥ対ＣＲ）、（ｃ）ＣＲを実行中の対応するプレートに曝される１つのＰＣＨＥプレート内のＨＥ流の方向と、そのＣＲ実行プレートに曝された別のＰＣＨＥ内のＨＥ流の方向との相対関係、（ｄ）ＰＣＨＥパネル内に組み込まれる、異なるＰＣＨＥプレート設計の数などがある。２つ以上の加熱または冷却流体を単一パネル内で利用することは、１プレート上にある分離された回路内、または分離されたプレート内のいずれにおいても利用可能である。
【００２２】
熱交換器を横断しての優れた反応物出口温度プロファイルが達成されるのは、ＣＲ反応ゾーンと流体連通する流体運搬通路を有するプレートに並設された１つのＰＣＨＥ内のＨＥ流が、例えば最初のＰＣＨＥプレートから反対側にあるＣＲ反応ゾーンと流体連通するプレートと熱伝達関係をもつように配設された別のＰＣＨＥプレート内のＨＥ流に、相補的に対応すると共に、一般にＨＥ主流経路が、ＣＲ主流経路に対して交差流、つまり正接または斜め角度になるときである。この一例は、図６および８に示す２方向３回通過の並流である。図３および５に示す配設によっても、好適さは劣るが、反応システムによっては許容できる結果が得られる。性能の悪いシステムとしては、図１、２および４に示すシステムがその例である。
【００２３】
本発明の別の態様によれば、ＰＣＨＥプレート設計は、例えば各個別通路の実質的に全長にジグザグパターンをもたせることにより、蛇行経路内で急な方向変換を示す蛇行経路に追従する、本質的に平行な多重流通路からなる。各経路における蛇行回転の数は変動可能であるが、帰還通路および出口通路を提供するために少なくとも２回転は必要である。ジグザグ設計の使用は、任意選択の特徴である。本質的に、曲り流路（convoluted flow passage）配設の利点は、流動長（flow length）の整数または非整数倍の流体経路長(fluid path flow length)を提供し、熱伝達と圧力低下要件との適合性を改善することにある。
このようなプレートは、このプレートを反映して相補的に設計された対応するプレートと組み合わせて、１対のプレートとして、その間には反応物流体を搬送するのに適した設計のプレートが配置される。この一対のプレートの両端にバッフルを設けても良い。
次に、添付の図面を参照して、例としてのみ記載し、発明を制限するものではない、いくつかの実施態様を示して、本発明をさらに詳細に説明する。
【００２４】
発明を実施するための形態
ＰＣＨＥパネルを用いる本発明によれば、改良型の触媒反応器システムを得ることが可能であり、前記パネルは、特に図６の好ましい実施例を参照して以下に述べるように、従来技術システムと比較して、ＰＣＨＥから流出時に実質的に平坦な反応物の温度プロファイルが得られるように配設される。
本記述においては便宜上、熱伝達媒体がＰＣＨＥパネルの両側に入る設計を、「二方向」設計と呼び、熱交換媒体がＰＣＨＥの片側だけから入る設計を、「一方向」と呼ぶ。
【００２５】
図６（下図）は、熱交換媒体ここでは蒸気を受容するプレートから構成されるＰＣＨＥパネル４の配設を図解したものであり、プレートは異なる設計１、２からなり、それぞれが反応物流動プレート３の両側に配設され、わかりやすくするためにプレートは最初に、使用時の配設で示し、その下に、それぞれの流路を分かり易くするためにプレートを分離して図示してある。両側には、各プレート端の蒸気流入口、流出口を分離するための、隔壁２１を有する、半円筒ヘッダー２０がある。矢印は、蒸気または意図する反応物の流れの方向を意味している。
プレートは、蛇行経路１５、２５を備えることによって、スチームがプレートを横断して多数回通過することを可能にし、これによってプレートの幅に対して流路長（flow path length）を増大させ、プレート間を通過する反応物との熱伝達を改良するように設計されている。
【００２６】
使用時には、加熱または再加熱しようとする流体反応物は、ＰＣＨＥパネルに導入され、ここで蒸気は下部蒸気プレート２の左端から入り、右端から出て、矢印の方向にプレートを貫通して流れる。上部プレート１では、下部プレートでの流れと相補的に、右側に蒸気入口があり、左端方向に流れる。隣接する反応ゾーン内での反応が吸熱反応であるために、流出する反応物流体がＰＣＨＥパネルに進入し、蒸気がプレート１を通過するときにその蒸気を冷却させる。流出する反応物流体の温度プロファイルは、反応物流体が、プレート両側における両方向の加熱流体（蒸気）と相互作用するために、実質的に対称であり、これは図１の一方向接触ＰＣＨＥと比較して好適である。
【００２７】
したがってこのプロセスは、蒸気が、反応物の通路を横切って「多数回通過（multi-pass）」することにより、すなわち蒸気を同一のプレート上で往復して２度以上通過させることによって改善される。ＰＣＨＥパネルでは、光化学加工方法によって複雑なチャネル配設を容易に製造できるために、プレート上の多数回通過を容易に利用することが可能である。
図６には、蒸気がそれぞれの蒸気プレートを３回通過する配設を示してある。上部プレート１の蒸気は、右から左に２回、左から右に１回通過し、この間に相補的な下部プレート２では逆になっており、これによって、温度プロファイルのプロットに示すように、ＰＣＨＥの横断方向の反応物の出口温度プロファイルは、実質的に均一である。したがって、両プレートの結合効果によって、ＰＣＨＥパネルから流出時に、実質的に平坦かつ対象形の反応物の温度プロファイルが得られ、温度変動は無視可能な±１．６℃幅とわずかである。
【００２８】
この配設の変形形態を図５に示してあり、この配設においても蒸気は各蒸気プレート上を３回通過する。ここで、上部プレート１１上の蒸気は、反応物流動プレート１３の出口側に隣接するプレートに入り、左から右に２回、右から左に１回通過して、反応物流プレートの入口側に隣接して流出する。同様に、下部プレート１２上では、蒸気の流路は、反応物流動プレートの出口側に隣接するプレート１２に入り、プレートを３回通過して、反応物流動プレート１３の入口側に隣接して流出する。同様に、下部プレート１２上では、蒸気流路は、蒸気が反応物流動プレートの出口側に隣接するプレートに入り、プレート１２を３回横断して通過し、反応物流動プレート１３の入口側に隣接して流出する。したがって、ここでも図５に示すようにＰＣＨＥパネルの横断方向に対して対称形の曲線となる反応物流体の出口温度プロファイルが得ることができる。しかし、この対角的に反対向き（蒸気流入に対して）の多数回通過では、温度幅がわずかに±５℃であるプロファイルが得られた。
【００２９】
さらに簡単な配設を図４に示してあり、ここでは蒸気は各蒸気プレート上を１回のみ通過する。このような単一通過設計においては、片方の蒸気プレートの流れを、プレートの両端で９０度転回させることによって、蒸気流が分離される。すべての通路を同じ長さに保つために、通路は一端で上向きに、多端で下向きに曲がっている。
図４の上図の温度プロットから、このような配設によっても、入口から出口までの温度範囲を、±７０℃（図１のとおり）から±２９℃に低減することが可能である点において、図１の配設に対して大幅な改善が得られることがわかる。
【００３０】
図８および９に、それぞれが何らかの観点で改善された、代替実施態様を示してある。図８は、ポート式のプレート構成を示しており、この構成によって、プレートを拡散接合するときにパネル内部に流入口８および流出口９を作成するために、プレート内に開口７が形成されている。
もう一つの改善は図９に示したジグザグ通路１０の適用であり、これは乱流を導入することによって、熱伝達を改良するという利点がある。また、通路を、プレート長の整数倍、または分数倍の長さとして、なお蒸気が一端から流入し、他端から流出すると共に、互いに同じ長さにすることが可能である。
【００３１】
化学反応プロセスを実施するための、新型の断熱型触媒層反応器システム（図１０に示す）は一連の触媒反応ゾーン８０を備え、この触媒反応ゾーンは、反応器容器上部および下部壁面８２とメッシュ形態の触媒反応ゾーン端壁８３の中に封入された触媒充填層８１からなる。このメッシュは、触媒が大流量の流体によって層から移動するのに対する抵抗として働き、そうでなければこの流れが、触媒粒子を触媒反応システムの下流に運搬することになる。このような触媒反応器ゾーンは連続して配設されており、この反応器ゾーンの間に、混合反応物が次の工程ステージに入る前に、その熱的な条件を整える目的で、触媒層と流体連通するＰＣＨＥパネル９０が設けられている。各ＰＣＨＥパネルは、適切に孔を設けると共に、条件を整えようとする反応物と接触して２方向、３回通過の熱交換を可能とする蛇行経路を設けた、複数のＰＣＨＥプレートで構成される。ＰＣＨＥパネルは、蒸気を熱交換媒体（ＨＥ）として適当に供給あるいは排気するための外部蒸気マニホルドに連結されている。
【００３２】
図１０のように具体的には示していないが、パネルは異なる設計としてもよく、ＨＥスループットのために蛇行経路の内径を変更したり、反応が触媒反応器全体に発展したときのプロセスのニーズを吸収するため、特に触媒層に必要となる変更に合わせて調整するために、熱伝達表面の表面積を変更してもよい。
使用時には、例えばスチレンを製造（吸熱反応）するための反応物は、理想的には約６００℃またはそれ以上の温度で、第１の触媒層８１に導入され、この触媒層は所望の流速に適合し、適当な全体スループット流量を保証するように寸法が決められる。反応に対する特定の熱要求から、反応物と部分的な生成物混合物が、第１触媒層を、最適温度未満、例えば約５８０℃で流出することもある。したがって、第１のＰＣＨＥパネル９０は、反応物と生成物の部分混合物を、次の触媒層に入る前に、約８００℃まで、再加熱する目的で、約８００℃の温度まで過熱された蒸気を受容するように設計される。
【００３３】
産業上の利用分野
本出願において開示する、ＰＣＨＥプレート設計、ＰＣＨＥパネル、ＰＣＲ触媒システムおよび制御された温度条件下で化学反応を実施する方法は、化学工学の分野において応用可能であり、広範囲の工業規模の化学反応において有用であるが、小規模、例えば小規模、例えば実験室やパイロットプラント作業などの小規模にも適合可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  下図は、従来技術による１回通過対向流型熱交換システムを、流れの離散型通路を識別し易くするために、使用状態の重ね合わせ平面図と、分解状態（これも平面図）を示す概略図であり、上図は、下図に示す熱交換システムの幅方向における典型的な出口温度プロファイルを示すグラフである。
【図２】  下図は、改良型の熱交換システムを、流れの離散型通路を識別し易くするために、使用状態の重ね合わせ平面図と、分解状態（これも平面図）を示す概略図であり、上図は、下図に示す熱交換システムの幅方向における典型的な出口温度プロファイルを示すグラフである。
【図３】  下図は、代替の改良型の熱交換システムを、流れの離散型通路を識別し易くするために、使用状態の重ね合わせ平面図と、分解状態（これも平面図）とを示す概略図であり、上図は、下図に示す熱交換システムの幅方向における典型的な出口温度プロファイルを示すグラフである。
【図４】  下図は、１回通過２方向型熱交換システムを、流れの離散型通路を識別し易くするために、使用状態の重ね合わせ平面図と、分解状態（これも平面図）とを示す概略図であり、上図は、下図に示す熱交換システムの幅方向における典型的な出口温度プロファイルを示すグラフである。
【図５】  下図は、改良型の熱交換システムを、流れの離散型通路を識別し易くするために、使用状態の重ね合わせ平面図と、分解状態（これも平面図）を示す概略図であり、上図は、下図に示す熱交換システムの幅方向における典型的な出口温度プロファイルを示すグラフである。
【図６】  下図は、さらに改良を加えた好適な熱交換システムを、流れの離散型通路を識別し易くするために、使用状態の重ね合わせ平面図と、分解状態（これも平面図）を示す概略図であり、上図は、下図に示す熱交換システムの幅方向における典型的な出口温度プロファイルを示すグラフである。
【図７】  反応物の流れに対する熱交換通路の流れを変更することによって達成が可能な、異なる反応物出口温度プロファイルを、比較の目的で示す概要図である。
【図８】  プレートの周縁に入口および出口ポートを実装するプレート設計の好ましい配設を示す概略図である。
【図９】  蛇行平行流路を用いる非奇数全通路長および離散型流路方向の乱流誘導用ジグザグ変化の、２つの任意選択特性を含む、好ましい熱交換媒体の流路配設を示す図である。
【図１０】  連続する熱交換器（ＰＣＨＥ）パネルを間に挿入した連続する充填触媒層を備えることにより、例えばスチレン生産工程に使用するのに適した、一連の温度制御ゾーンと一連の化学反応ゾーンとを交互に提供する、好ましいプリント回路反応器（ＰＣＲ）システムを示す平面図である。
【図１】
0004999248.tif 000002
【図２】
0004999248.tif 000003
【図３】
0004999248.tif 000004
【図４】
0004999248.tif 000005
【図５】
0004999248.tif 000006
【図６】
0004999248.tif 000007
【図７】
0004999248.tif 000008
【図８】
0004999248.tif 000009
【図９】
0004999248.tif 000010
【図１０】
0004999248.tif 000011