JP5523100B2 - 混合ゾーンを有する熱交換型反応器 - Google Patents

Description

本発明は、混合ゾーンを有する熱交換型反応器に関する。

多くのプロセスでは、反応物または流体が、熱交換ゾーンに進入する前に混合されてから、その混合物が熱交換ゾーン内で所望の温度に調節される。いくつかのプロセスでは、直列に連結された熱交換器によって流体の流れから熱が伝達され、各熱交換器の前に、１つまたは２つ以上の反応物または流体がバッチ式部分に添加される。温度の上昇を制限するために、別の実施によると、反応流が循環される。使用される更なる解決策は、１つまたは２つ以上の混合容器を混合容器のいわゆるカスケードとして直列に連結することである。

上述したすべての解決策は、複雑でありコストがかかるため欠点を有する。

したがって、本発明では上述の問題の解決手段が提供される。そのため、本発明は、混合ゾーンを有する熱交換型反応器であって、容器と、プレート、壁、または螺旋状シートから選択された少なくとも１つの分離部材であって１つまたは２つ以上の熱交換ゾーンを１つまたは２つ以上の混合ゾーンから分離する分離部材と、流体用の１つまたは２つ以上のポートまたは孔を有する少なくとも１つの流れ方向付け装置と、を有し、流れ方向付け装置は、混合ゾーンに挿入されており、混合ゾーンへの熱または混合ゾーンからの熱が、熱交換ゾーンから直接与えられるかまたは熱交換ゾーンに直接与えられる熱交換型反応器に関する。

混合ゾーンを有する熱交換型反応器は、反応−混合冷却器（ＲＭＣ）、１つまたは２つ以上の混合ゾーンで流体の混合が行われる熱交換器、化学反応が生じる混合ゾーンを有する熱交換器、流体の希釈が生じる混合ゾーンを有する熱交換器など、またはこれらの組み合わせであってよい。

熱交換型反応器は、熱交換流体用の少なくとも１つのゾーンと、混合すべき流体、反応させるべき流体、希釈すべき流体など用の少なくとも１つの混合ゾーンとに分割された容器を有し、熱交換型反応器は、プレート、壁、または螺旋状シートから選択された少なくとも１つの分離部材であって混合ゾーン内の流体から熱交換流体を分離する分離部材をさらに有する。混合ゾーンへの熱および混合ゾーンからの熱は、熱交換ゾーン内の熱交換流体と熱交換される。流れ方向付け装置は、チューブ、パイプ、コンジット、チャンバ、流体シートチャンバ、またはこれらの組み合わせであってよく、流れ方向付け装置は、１つまたは２つ以上のノズルまたはジェットノズル、１つまたは２つ以上の噴霧器、１つまたは２つ以上のスプリンクラ、流体用の１つまたは２つ以上のポートまたは孔など、あるいはこれらの組み合わせを有する。流れ方向付け装置は混合ゾーンもしくはゾーンに挿入され、混合ゾーンへの熱または混合ゾーンからの熱は、熱交換ゾーンから直接与えられるかまたは熱交換ゾーンに直接与えられる。

本発明の一の実施態様では、流れ方向付け装置全体を加圧し、流れ方向付け装置内部の流体の圧力を混合ゾーンの流体の圧力より高くすることができる。他の実施態様によれば、流れ方向付け装置の流体と混合ゾーンの流体との圧力差はまったくまたはほとんどない。この発明によれば、流体は液体、気体、微粒子、およびそれらの組み合わせと定義される。したがって、流体は、任意の種類の流体、または液体−液体、液体−気体、気体−気体のような流体の組み合わせであってよい。本発明の一の実施態様では、流体の混合を混合ゾーン内のスタティックミキサーまたは任意の種類の混合部材によって行うことで、乱流を増大させることができる。流体を混合する他の方法として、混合ゾーン内で、ある流体を他の流体に噴射する方法がある。

前述のように、流体の混合または反応物の混合は熱交換器内で行われる。発熱反応からの熱は、伝導によってただちに反応から伝達される。プロセスの制御は、流れ方向付け装置のポート、地点、孔、噴射ポートなどの数量、混合ゾーンの数などに依存し、プロセスは、動力学および懸案の反応に基づいて算出された所定の温度範囲、圧力範囲などによってバランスが取られる。一の実施態様によれば、熱交換ゾーンは螺旋形熱交換器であってよい。螺旋形熱交換器は、圧力降下を妨害することなく流体の流れに所望の乱流を生じさせるように構成することができる。螺旋形熱交換器を使用する１つの利点は、標準ユニットを使用することができることと、入口管に連結された、ノズルでかまわない入口点または混合点の配置である。ノズルが連結された入口管の設置は本発明の一の実施態様である。他の実施態様によれば、熱交換ゾーンはプレート形熱交換器であってよい。

流れ方向付け装置は、流体用のポート、ノズル、噴射ポート、スプリンクラ、噴霧器などを有する１つまたは２つ以上のチューブもしくはパイプ、流体用の孔を有する１つまたは２つ以上の流体シートチャンバ、あるいはそれらの組み合わせであってよい。一の実施態様によれば、流れ方向付け装置のチューブを螺旋状入口管に取り付けることができる。ポート、ノズル、噴射ポート、スプリンクラ、噴霧器などのサイズと直径は用途に応じて調整することができる。

螺旋形熱交換器内の入口管またはパイプの配置を安定させるために、ノズル同士の間のチューブに定置部材が取り付けられている。定置部材は、流体がノズルを通過する際にチューブの振動を低減させ、また、材料が温度によって膨張したときにチューブを所定の位置に維持する。

ノズルは任意の適切な種類のノズルであっても、ジェットノズルであっても、所定の穴、所定のスロット、またはそれらの組み合わせを有する微細分散システムであってもよい。本発明の一の実施態様によれば、入口管に沿って分散されたノズルは、すべて同じ種類のノズルであってよく、したがって、すべてのノズルは同一である。一の実施態様によれば、ユニット内、すなわち混合ゾーン内の位置に応じてそれぞれの異なるノズル、ポート、噴射ポート、スプリンクラ、噴霧器などを分散させることができる。他の実施態様によれば、各ノズルはチューブにおける流速および構成が同一であっても異なっていてもよく、各ノズルは入口管上に同一の間隔、異なる間隔などを置いて配置することができる。生成物の濃度、エンタルピー、エントロピーなどのプロセス特性に応じて、ユニット内の位置および分散装置の種類を変えることを含め、ユニットの構成を変えてよい。

本発明は、化学反応、流体の希釈、流体の混合などにおける本発明による熱交換型反応器の使用法にも関する。本発明の更なる実施態様は特許請求の範囲によって定義される。

以下に、図１〜４を使用することによって本発明について説明する。各図は、本発明を例示するためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。

本発明の一例による螺旋形熱交換器の中へ挿入すべき入口管を示す図。 本発明の一例によるノズルを有する入口管を示す図。 様々な方向に流体を拡散する、ノズルを有する入口管を示す図。本発明の一例による熱交換器では、各チューブ上に定置部材が取り付けられてチューブが固定されている。 入口管に垂直な螺旋状チューブに連結された入口管の構成を示す図。螺旋状チューブは、すべての入口管を連結しており、かつ流体源にも連結されている。入口管の設備は、本発明の一例による螺旋形熱交換器に挿入される。

図１の螺旋形熱交換器２の中へパイプあるいはチューブ１が挿入されている。螺旋形熱交換器２の混合ゾーンへ流体を導入するために１つまたは２つ以上のノズル３がチューブ１上に配置されている。複数の定置部材４がチューブ１に沿って配置されて該チューブが混合ゾーン内に固定される。図２は、ノズル３を有するチューブ１の拡大図である。図３では、流体、すなわち水がノズル３から散布されている。水はそれぞれの異なる方向に散布されて拡散し、熱交換器内の混合ゾーンをおおう。図３はまた、定置部材４を詳しく示している。定置部材４は、該定置部材を側方に動かないように固定するペグまたはピンを有する平面構造から成っている。

図４では、螺旋状入口チューブ５あるいは螺旋状入口パイプ５上に数本のチューブ１が取り付けられている。この螺旋状チューブ５は、チューブ１を熱交換器２の中へ挿入するのを容易にするように螺旋形熱交換器２の螺旋と形状が類似している。また、図４には示されていない混合部材を螺旋形熱交換器の中へ挿入することもできる。混合部材はスタティックミキサーであってよい。

本発明の混合ゾーンを有する熱交換型反応器は、たとえば、３０〜６０トンの範囲内であってよいプロセス流体、０．１〜４トンの範囲内であってよい反応流体を有するプロセスに使用することができ、温度は、３０℃から２００℃の温度範囲にわたって変動することができる。この例の目的は、本発明の熱交換型反応器の性能を示すことであり、本発明の範囲を制限することではない。

Claims (11)

1. 容器と、１つまたは２つ以上の熱交換ゾーンと、１つまたは２つ以上の混合ゾーンと、前記熱交換ゾーンを前記混合ゾーンから分離する少なくとも１つの分離部材と、を有し、前記分離部材の伝導性によって前記熱交換ゾーンと前記混合ゾーンの間を熱が移動する熱交換型反応器であって、
   １つまたは２つ以上の流れ方向付け装置をさらに備え、
   前記流れ方向付け装置は、１本または２本以上のチューブ、１本または２本以上のパイプ、またはこれらの組み合わせであり、１つまたは２つ以上の、流体用のポートを有し、前記流れ方向付け装置は前記１つまたは２つ以上の混合ゾーンの中に挿入されており、前記パイプまたは前記チューブは、該パイプまたは該チューブに沿って配置され該パイプまたは該チューブの位置を前記混合ゾーン内で動かないようにする複数の定置部材を有している、熱交換型反応器。
2. 前記１つまたは２つ以上の混合ゾーンは１つまたは２つ以上のスタティックミキサーを有する、請求項１に記載の熱交換型反応器。
3. 前記流れ方向付け装置は、流体用のポートを有する１本または２本以上のチューブであり、該チューブは該チューブを前記熱交換型反応器の中へ容易に挿入するための螺旋状チューブに取り付けられる、請求項１または２に記載の熱交換型反応器。
4. 前記流れ方向付け装置は、流体用のポートを有する１本または２本以上のチューブであり、該チューブは、流体用の孔を有する１つまたは２つ以上の流体シートチャンバと組み合わされた螺旋状チューブに取り付けられる、請求項１または２に記載の熱交換型反応器。
5. 前記流体用のポートは、１つまたは２つ以上のノズル、１つまたは２つ以上のジェットノズル、１つまたは２つ以上の噴霧器、１つまたは２つ以上のスプリンクラ、流体用の孔を有する１つまたは２つ以上のポート、穴もしくはスロットが形成された微細分散システムを有する１つまたは２つ以上のポート、またはそれらの組み合わせである、請求項１から４のいずれかに記載の熱交換型反応器。
6. 前記熱交換ゾーンは螺旋形熱交換器である、請求項１から５のいずれかに記載の熱交換型反応器。
7. 前記熱交換ゾーンはプレート形熱交換器である、請求項１から５のいずれかに記載の熱交換型反応器。
8. 前記少なくとも１つの分離部材は、プレート、壁、または螺旋状シートから選択される、請求項１から７のいずれかに記載の熱交換型反応器。
9. 前記流体用のポートはノズルまたはジェットノズルである、請求項１から８のいずれかに記載の熱交換型反応器。
10. すべての前記流体用のポートは同一であるか、あるいはすべての前記流体用のポートは、ノズル、ジェットノズル、噴射ポート、スプリンクラ、噴霧器から成る群から選択される互いに異なるポートである、請求項１から８のいずれかに記載の熱交換型反応器。
11. 前記流体用のポートは、前記パイプまたは前記チューブ上に間隔を置いて配置される、請求項１から１０のいずれかに記載の熱交換型反応器。
    

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