反応器内部の温度制御方法、反応装置及びジメチルエーテルの製造方法。
【課題】発熱反応を伴う平衡反応により例えばメタノールからジメチルエーテルを合成するにあたり、反応器内における温度及び転化率の制御性を向上させること。
【解決手段】反応器内に複数の触媒層を設けて、それらの触媒層間にメタノールとジメチルエーテルとを含む混合物を冷却するためのクエンチゾーンを設けて、このクエンチゾーンにジメチルエーテル及びジメチルエーテルと共に生成した水の少なくともいずれかを含む流体をクエンチ流体として供給する。
【解決手段】反応器内に複数の触媒層を設けて、それらの触媒層間にメタノールとジメチルエーテルとを含む混合物を冷却するためのクエンチゾーンを設けて、このクエンチゾーンにジメチルエーテル及びジメチルエーテルと共に生成した水の少なくともいずれかを含む流体をクエンチ流体として供給する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料を断熱型反応器に供給し、発熱を伴う平衡反応により目的物を製造するときに行う反応器内部の温度制御方法と反応装置、及びジメチルエーテルの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
製造プラントにおいては、反応器内に触媒層を設け、この中に原料を通流させて反応させ、その反応生成物である製品を得る場合がある。反応器内において適切に反応を進行させるための重要な運転条件の一つとして、反応器内の温度管理が挙げられる。一般に、反応器内の温度を反応に適した温度となるように調整するためには、原料を予め設定した温度に調整した後、反応器に供給するようにしている。
【０００３】
上記の反応が発熱反応である場合には、原料が反応器内を下流側に向かって通流するに従って、即ち反応が進行するにつれて、原料の温度が上昇していく。原料の温度が主反応に適した温度範囲よりも高くなってしまうと、好ましくない副生成物（不純物）が生成し、原料のロスとなったり、あるいはコーキングの促進によって触媒が劣化したりする一方、原料の温度が前記温度範囲を下回ると収率が低下するため、触媒層内の温度を目的とする温度範囲内に維持する種々の方法が提案されている。そのような反応器内の温度を維持するための代表的な例として、以下の手法が知られている。
【０００４】
図１４は、多管式反応器１００であり、多管式反応器１００内に多数垂設された管１０１内に原料を供給し、この管１０１内において反応を行い、その管１０１を外部から冷媒により冷却するように構成されている。この多管式反応器１００では、原料を確実に且つ速やかに冷却できるが、多量の冷媒が必要であり、また反応器１００の構造が複雑になるので、装置のコストが高くなってしまい、更に大型化には不向きである。
【０００５】
図１５は、複数基の反応器１０２を接続して、この反応器１０２、１０２の間に熱交換器（中間熱交換器）１０３を介設した装置を示している。この装置では、１段目の反応器１０２内に供給された原料は、この１段目の反応器１０２内で反応により発熱し、次いで熱交換器１０３により冷却された後に２段目の反応器１０２に供給され、そしてこの２段目の反応器１０２において反応が進行していく。その後、原料は、図示を省略するが、更に熱交換器を介して３段目以降の反応器に供給されていく。このような構成では、反応器１０２内での温度の制御性を高めるためには、反応器１０２及び熱交換器１０３の基数を増やす必要があると共に、接続配管なども必要になるので、装置のコストが高くなり、また装置構成が複雑になってしまう。また、このような熱交換器１０３では、熱交換用の冷媒として、１段目の反応器１０２に供給する前の反応前の原料を用いることが多く、反応生成物との間で熱交換した後の原料を１段目の反応器１０２に供給するようにしている。そのような場合には、反応器１０２の出口の温度が反応器１０２の入口の温度に影響を及ぼし、反応器１０２内の温度制御が難しくなるといった問題がある。
【０００６】
そこで、特許文献１は、固定床流通式の断熱型反応器内の触媒層を複数の層に分割し、この各層間に原料を冷却するためのクエンチゾーンを設けて、このクエンチゾーンにおいてクエンチ流体として原料を液体状で供給し、反応器内を冷却する手法が提案されている。この装置では、加熱された原料が上側から供給されると、上流側の触媒層において発熱反応が進行して、原料の温度が上昇する。そして、原料は、クエンチゾーンにおいてクエンチ流体により冷却され、その後下流側の触媒層に流れていき、同様に反応する。クエンチ流体の流量は、クエンチ流体を供給した後のクエンチゾーンの下側において原料の温度を測定して、この部位の温度が主反応に適した温度範囲となるように調整される。
【０００７】
この装置は、１基の反応器により構成されており、また熱交換器が不要なので、コストを抑えることができる。また、クエンチ流体として不活性成分を用いた場合には、不活性成分の精製や分離が必要になるが、原料を利用しているので、こうした操作が不要となるといったメリットがある。
【０００８】
ところで、上記の発熱を伴う平衡反応の一例として、例えばメタノールからジメチルエーテルを製造する反応器では、反応器の出口温度が通常運転時の温度よりも僅かに上昇した場合、好ましくない副反応により副生成物が生成してしまう。そのために、反応器内の温度を安定化させる必要がある。
上記の特許文献１に記載の反応器では、下流側の触媒層の入口側の温度に基づいて、クエンチ流体の供給量を調整し、反応器の内部温度を制御してはいるが、制御系の特性上、前記入口側の温度を一定化することは困難であり、原料の温度変化などの要因も加わって当該入口側の温度変化を避けることができない。
【０００９】
このような状況下において、特許文献１のように原料をクエンチ流体として供給すると、原料が多くなるので、平衡が反応生成物側に偏る。このため触媒層の入口側の温度変化に対し、反応速度が敏感に変わるので、反応器の出口側の温度に対する触媒層の入口側の温度の影響が大きくなり、結果として反応器の出口の温度の振れ幅が大きくなって、転化率の変化も大きくなる。このため反応器の出口の温度が高くなりすぎて、好ましくない副反応による副生成物が生成し、製品の純度が低下したり、また、反応器の出口の温度が低くなりすぎて、目的とする収率が得られなくなったりする。
そのため、大型化が可能な単純な構成の反応器にて、簡便な方法にて反応器内の温度を制御できる技術が求められている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−２９８７６８（段落００１４、００２０、００２１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、原料を断熱型の反応器に供給し、この反応器内において発熱を伴う平衡反応により目的物を製造するにあたり、反応器内の温度の制御性を向上させて、温度上昇による副生成物の生成や、温度低下による収率の低減を抑えるための技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の反応器内部の温度制御方法は、
反応領域を複数に分割し、分割された複数の反応領域が一つまたは二つ以上の断熱型反応器に割り当てられ、原料を断熱型反応器内に供給し、発熱を伴う平衡反応により目的物を製造するときに行う温度制御方法において、
原料を１段目の反応領域に供給して、目的物を含む反応生成物を得る工程と、
次いで、前段側の反応領域から取り出された反応生成物と未反応の原料とからなる混合物を順次後段側の反応領域に供給し、目的物を含む反応生成物を得る工程と、
前記反応領域同士の間の少なくとも１カ所において、前記混合物にクエンチ流体を供給して、混合することにより当該混合物を冷却する工程と、を含み、
前記クエンチ流体は、前記クエンチ流体の供給領域よりも後段側の反応領域で得られた前記反応生成物の一部及び前記断熱型反応器以外で得られた前記目的物と同じ化合物の少なくとも一方を含むことを特徴とする。
【００１３】
前記クエンチ流体は、最終段の反応領域にて得られた反応生成物を冷却した後の反応生成物の一部を含んでいても良い。
前記複数の反応領域は、各々触媒層により構成されていることが好ましい。
分割された前記反応領域は３個であることが好ましい。
前記冷却する工程は、前記クエンチ流体の供給量と組成と温度との少なくとも一つを調整して行うことが好ましい。
【００１４】
前記発熱を伴う平衡反応は、メタノールを原料として、水と目的物であるジメチルエーテルとからなる反応生成物を得る反応であっても良い。その場合には、前記クエンチ流体は、ジメチルエーテルとジメチルエーテル及び水の混合流体とのいずれかを含むことが好ましい。
【００１５】
本発明の反応装置は、
原料を断熱型反応器内に供給し、発熱を伴う平衡反応により目的物を製造する反応装置において、
反応領域を複数に分割し、分割された複数の反応領域が割り当てられる一つまたは二つ以上の断熱型反応器と、
１段目の反応領域に原料を供給する手段と、
前記反応領域同士の間の少なくとも１カ所に介在し、前段側の反応領域から取り出された前記反応生成物と未反応の原料とからなる混合物にクエンチ流体を供給し、混合することにより当該混合物を冷却するためのクエンチゾーンと、
前記クエンチゾーンよりも後段側の反応領域で得られた前記反応生成物の一部及び前記断熱型反応器以外で得られた前記目的物と同じ化合物の少なくとも一方を含む流体をクエンチ流体としてクエンチゾーンに供給する手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
前記反応装置は、
最終段の反応領域において得られた反応生成物を冷却するための冷却手段を備え、
前記クエンチ流体は、前記冷却手段により冷却された後の前記反応生成物の一部を含む流体であることが好ましい。
前記複数の反応領域は、各々触媒層により構成されていることが好ましい。
分割された前記反応領域は３個であることが好ましい。
また、本発明の反応装置は、前記クエンチ流体の供給量と組成と温度との少なくとも一つを調整して、前記クエンチ流体を前記クエンチゾーンに供給するような制御部を備えていることが好ましい。
【００１７】
前記発熱を伴う平衡反応は、メタノールを原料として、水と目的物であるジメチルエーテルとからなる反応生成物を得る反応であっても良い。その場合には、前記クエンチ流体は、ジメチルエーテルとジメチルエーテル及び水の混合流体とのいずれかを含むことが好ましい。
【００１８】
本発明のジメチルエーテルの製造方法は、
反応領域を複数に分割し、分割された複数の反応領域が一つまたは二つ以上の断熱型反応器に割り当てられ、メタノールを断熱型反応器内に供給し、脱水縮合反応によりジメチルエーテルを製造する方法において、
メタノールを１段目の反応領域に供給して、ジメチルエーテルと水とからなる反応生成物を得る工程と、
次いで、前段側の反応領域から取り出された反応生成物と未反応のメタノールとからなる混合物を順次後段側の反応領域に供給し、ジメチルエーテルと水とからなる反応生成物を得る工程と、
前記反応領域同士の間の少なくとも１カ所において、前記混合物にクエンチ流体を供給して、混合することにより当該混合物を冷却する工程と、を含み、
前記クエンチ流体は、前記クエンチ流体の供給領域よりも後段側の反応領域で得られたジメチルエーテル及び水の少なくとも一方と、前記断熱型反応器以外で得られたジメチルエーテルと、のいずれかを含むことを特徴とする。
【００１９】
前記冷却する工程は、前記クエンチ流体の供給量と組成と温度との少なくとも一つを調整して行うことが好ましい。
前記クエンチ流体は、最終段の反応領域にて得られ、冷却した後のジメチルエーテル及び水のいずれかを含むことが好ましい。
前記複数の反応領域は、各々触媒層により構成されていることが好ましい。
分割された前記反応領域は３個であることが好ましい。
前記クエンチ流体は、ジメチルエーテルに混在している副生成物である水と未反応のメタノールとを除去した後のジメチルエーテルの一部であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、反応領域を複数に分割し、分割された複数の反応領域が一つまたは二つ以上の断熱型反応器に割り当てられ、原料を断熱型反応器内に供給し、発熱を伴う平衡反応により目的物を製造するにあたり、原料を１段目の反応領域に供給することにより得られた目的物を含む反応生成物と、未反応の原料と、からなる混合物を、この１段目の反応領域から順次後段側の反応領域に供給して目的物を含む反応生成物を得て、反応領域同士の少なくとも１カ所において、当該反応領域よりも後段側で得られた反応生成物の一部及び前記断熱型反応器以外で得られた前記目的物を同じ化合物の少なくとも一方をクエンチ流体として供給して当該混合物を冷却するようにしている。そのため、混合物中の反応生成物の量が増えて、平衡が原料側に偏り、反応が穏やかに進んでいくので、反応領域の入口側の温度変化による反応速度の変化が少ない。この結果、反応器内の温度の制御性が向上し、温度上昇による予定しない副生成物の生成や、温度低下による収率の低減を簡便に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の反応装置及びこの装置を用いた温度制御方法の実施の形態について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、目的物を製造するための反応装置２を含む製造プラントの全体の概要を示している。反応装置２は、例えば固定床流通式の断熱型反応器である縦型の反応器２０を備えている。この反応器２０の塔頂部には、原料を供給する手段である原料ガス供給管２０ａの一端側が接続されており、この原料ガス供給管２０ａの他端側には、熱交換器２ａ及び蒸発器２ｂを介して、液体原料が貯留された原料貯留源４が接続されている。蒸発器２ｂは、液体原料を気化させて原料ガスを得るためのものである。
【００２２】
反応器２０の底部には、生成ガス流出管２０ｂの一端側が接続されており、この生成ガス流出管２０ｂには、上記の熱交換器２ａが接続されている。この熱交換器２ａにおいて、原料ガス供給管２０ａ内の原料と、生成ガス流出管２０ｂ内の反応生成物と原料とからなる混合物と、の間において、原料は加熱され、混合物は冷却されて熱交換が行われるように構成されている。この生成ガス流出管２０ｂの他端側は、後述の第１の蒸留塔３０の側壁に接続されている。
【００２３】
反応器２０の内部には、目的とする反応収率を得るのに必要な反応領域例えば触媒層２２が上流側と下流側とに分割して設けられており、上流側の反応領域は、第１の触媒層２２ａにより第１の反応領域として形成され、下流側の反応領域は、第２の触媒層２２ｂにより第２の反応領域として形成されている。これら触媒層２２（２２ａ、２２ｂ）は、多数の図示しないガス供給孔が形成されたサポート２３により支持されている。
【００２４】
反応器２０内の第１の触媒層２２ａと第２の触媒層２２ｂとの間の領域には、反応器２０内の混合物をクエンチ流体により冷却するためのクエンチゾーンＱが設けられている。このクエンチゾーンＱにおける反応器２０の側面には、反応生成物の一部をクエンチ流体としてクエンチゾーンに供給する手段であるクエンチ流体供給管２４が接続されており、このクエンチ流体供給管２４は、反応器２０内のクエンチゾーンＱの上方側の第１の触媒層２２ａに近接する部位において、クエンチ流体を均一に分散供給するための複数の吐出孔２４ｂが形成されたスプレー部２４ａに接続されている。
【００２５】
また、反応器２０の側面には温度検出部２９が設けられており、反応器２０内にその一端側が突出して、クエンチゾーンＱで冷却された混合物の温度を例えば第２の触媒層２２ｂの上部側付近において検出するように構成されている。この温度検出部２９には、制御部３が接続されており、この制御部３は、温度検出部２９の検出温度に基づいて、後述の流量調整バルブ２７により原料ガスの温度が反応に適した温度範囲となるように、クエンチ流体の流量を制御するように構成されている。
反応器２０の後段には、反応器２０から得られた混合物から目的とする反応生成物を取り出し、その一部をクエンチ流体として反応器２０に供給するための設備が設けられ、図１には例えばジメチルエーテルを目的物として得るための２本の蒸留塔３０、４０を含む設備が設けられている。
【００２６】
第１の蒸留塔３０は、未反応の原料と反応生成物とからなる混合物から、目的物を分離精製するためのものであり、塔頂部には冷却手段である目的物取り出し管３１が接続され、下端部には排出管３２の一端側が接続されている。目的物取り出し管３１から排出された目的物は、製品として系外に取り出されるが、その一部がこの目的物取り出し管３１から分岐した既述のクエンチ流体供給管２４により、クエンチ流体として既述のクエンチゾーンＱに戻されるように構成されている。クエンチ流体供給管２４には、流量調整バルブ２７が介設されている。
【００２７】
既述の排出管３２の他端側は、第２の蒸留塔４０の側壁に接続されている。この第２の蒸留塔４０は、上記の第１の蒸留塔３０において目的物が取り除かれた混合物から未反応の原料を分離精製するためのものであり、塔頂部には原料排出管４１の一端側が接続され、下端部には排出管４２が接続されている。原料排出管４１の他端側は、既述の蒸発器２ｂの上流側の原料ガス供給管２０ａに接続されており、未反応の原料を戻して再使用するように構成されている。排出管４２は、混合物から目的物及び未反応の原料が取り除かれた後に残った副生成物や不純物などを廃棄するためのものであり、これらは、系外に排出される。
【００２８】
続いて、上述の反応装置２を運転する方法について、図１及び図２を参照して説明する。
一つの物質あるいは複数の物質で構成される液体原料は、前段に設けられた蒸発器２ｂで気化され、また、熱交換器２ａにおいて、反応器２０から取り出された未反応の原料と反応生成物とからなる混合物との間で熱交換が行われて、温度Ｔ１に加熱される。
しかる後、原料ガスは、原料ガス供給管２０ａを介して反応器２０に供給され、この反応器２０内を上から下方向に流れていく。そして、第１の触媒層２２ａ内で以下の式（１）の平衡反応により、目的物を含む反応生成物が生成し、この反応生成物と未反応の原料ガスとを含んだ混合物のガスとなる。
原料ガス ⇔ 反応生成物（目的物（＋副生成物）） ＋ 反応熱 ・（１）
【００２９】
この時生じる反応熱により、混合物のガスの温度が上昇して温度Ｔ２になる。
ジメチルエーテルを製造する場合には、液体原料であるメタノールが気化し、第１の触媒層２２ａ内にて下記（２）式の平衡反応によりジメチルエーテルと水とが生成される。
２ＣＨ3ＯＨ ⇔ ＣＨ3ＯＣＨ3 ＋Ｈ2Ｏ ＋ ΔＨ ・・（２）
ΔＨ＝−２３．４ｋＪ／ｍｏｌ
【００３０】
続いて、クエンチゾーンＱにおいて、スプレー部２４ａからクエンチ流体を供給すると、このクエンチ流体と前段の触媒層２２ａの発熱反応により高温（Ｔ２）になった混合物のガスとが混ざり合い、混合物の温度がＴ３になる。このクエンチ流体は、当該反応装置２で得られた反応生成物の一部からなる流体であり、液体状あるいは気体状で供給される。ジメチルエーテルを製造する場合には、クエンチ流体は例えば気体であるジメチルエーテルが用いられる。
このように反応生成物の一部をクエンチ流体として供給することにより、第２の触媒層２２ｂ内において、上記の式（１）、（２）の右側の反応生成物の量が多くなるので、式（１）、（２）の平衡反応が原料側に偏り、目的物が生成する反応が抑えられるので、上記の反応が穏やかに進んでいくこととなる。
【００３１】
こうして冷却された混合物のガス、より詳しくはクエンチ流体を含んだ混合物は、第２の触媒層２２ｂに供給され、第２の触媒層２２ｂにおいて同様の反応により、穏やかに反応生成物が生成していく。この反応生成物と未反応の原料とからなる混合物は、この第２の触媒層２２ｂにおける反応で生じる反応熱により温度Ｔ４に上昇する。
その後、混合物は、生成ガス流出管２０ｂを介して反応器２０から取り出されて、熱交換器２ａにおいて原料との間で熱交換が行われる。
【００３２】
そして、ジメチルエーテルを製造する場合を例にとってこれ以降のフローを説明すると、反応器２０から排出された反応生成物であるジメチルエーテル及び水と未反応原料であるメタノールとからなる混合物は、第１の蒸留塔３０に供給されて、目的物であるジメチルエーテルが分離精製される。混合物から分離精製されたジメチルエーテルは、目的物取り出し管３１から取り出されて、目的物取り出し管３１の管壁などに放熱し、既述の温度Ｔ２以下の温度となり、一部がクエンチ流体供給管２４を介してクエンチ流体として反応器２０に戻される。残りのジメチルエーテルは、製品として系外に取り出される。
【００３３】
ジメチルエーテルが取り除かれた混合物は、第１の蒸留塔３０の下方側から排出されて第２の蒸留塔４０に供給され、この第２の蒸留塔４０において未反応の原料であるメタノールが分離精製される。既述のように、未反応の原料は、原料ガス供給管２０ａに戻されて、原料貯留源４から供給される原料と共に再度反応器２０に供給される。また、目的物及び未反応の原料が取り除かれた副生成物である廃棄物、この例では水は系外に排出される。
【００３４】
ここで、触媒層２２ｂの入り口の温度Ｔ３が温度検出部２９により検出され、その温度検出値に応じて制御部３及び流量調整バルブ２７を介してクエンチ流体の供給流量が制御され、以って触媒層２２ｂの入口温度Ｔ３の安定化が図られているが、この入口温度Ｔ３がある変動幅で変動することは避けられない。しかし、本発明では、クエンチ流体として反応生成物を用いているので、既述のように、平衡反応が原料側に偏り目的物が生成する反応が抑えられることから、触媒層２２ｂの出口温度Ｔ４に対する触媒層２２ａの入口温度Ｔ１の影響が小さくなる。即ち触媒層２２ａの入口温度Ｔ１の変化に対し、目的生成物への反応速度の変化が小さくなるので、触媒層２２ｂの出口温度Ｔ４の変化が鈍感になり、転化率の振れ幅が小さくなる。
【００３５】
上述の実施の形態によれば、原料を断熱型の反応器２０内に供給し、発熱を伴う平衡反応により目的物を製造するにあたり、原料の反応を行うための第１の反応領域と第２の反応領域との間にクエンチゾーンＱを設けて、このクエンチゾーンＱに第２の反応領域から取り出した反応生成物の一部を冷却してクエンチ流体として供給し、原料と反応生成物とからなる混合物を冷却するようにしている。そのために、既に詳述したように、混合物中の反応生成物の量が増えて、平衡が原料側に偏り、反応が穏やかに進んでいくので、反応器２０内の温度制御が容易になり、結果として、温度上昇による予定しない副生成物の生成を抑えることができると共に、温度低下による収率の低減を抑えることができる。更に触媒のコーキングを抑えて、触媒の寿命を長くすることができる。更にまた反応装置２における急激な温度上昇（暴走反応）を抑制することができ、安全に反応装置２を運転することができる。従って、既存の方法に比べて反応器２０の構成を簡略化することができ、大型化が容易となり、また反応器２０を構成する部品数が少なくてすむ。
【００３６】
上記のクエンチ流体としては、気体であっても良いし、液体であっても良い。気体のクエンチ流体を用いる場合には、蒸発潜熱を利用できないので、液体を用いる場合に比べて供給量を多くする必要があるが、反応器２０内における反応生成物の量が多くなるので、反応速度を抑える効果は大きい。一方、液体のクエンチ流体を用いる場合には、気体を用いる場合よりも少ない供給量で混合物の温度を下げることができる。尚、例えば原料の供給量が少なく、反応による混合物の温度上昇が小さい場合には、反応生成物を冷却せずにクエンチ流体として供給しても良い。そのような場合であっても、反応器２０内における反応生成物の量が多くなるので、反応速度が抑えられる。
【００３７】
尚、上記の例では、触媒層２２を２層としたが、例えば図３及び図４に示すように、それ以上の触媒層があっても良い。図３は３層の触媒層（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）、図４は５層の触媒層（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ）を備えた反応器２０を示している。図３、図４においても、各触媒層２２間のクエンチゾーンＱにて、温度検出部２９により混合物の温度が検出されて、スプレー部２４ａから供給されるクエンチ流体の流量が調整される。このような反応器２０でも、上記の例と同様にクエンチ流体により反応速度が抑えられた状態で反応が進行していく。このように触媒層２２を複数層とすることで、上記の例と同様の効果が得られる。
【００３８】
また、１基の反応器２０内に複数層の触媒層２２を設ける場合の他、例えば図５、図６に示すように、１層の触媒層２２を設けた反応器２０を複数基接続するようにしても良い。図５、図６は、このような反応器２０をそれぞれ３基、５基接続した例を示しており、各々の反応器２０間を接続する生成ガス流出管２０ｂには、クエンチ流体供給管２４が接続されている。更に、このような反応器２０以外にも、例えば図７、図８に示すように、少なくとも１層の触媒層２２を設けた反応器２０を複数基組み合わせて接続しても良い。図７は１層の触媒層２２を設けた反応器２０と２層の触媒層（２２ａ、２２ｂ）を設けた反応器２０とを直列に接続した例を示している。図８は、２層の触媒層（２２ａ、２２ｂ）を設けた反応器２０と３層の触媒層（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）を設けた反応器２０とを直列に接続した例を示している。これらの触媒層２２間においても、同様にクエンチゾーンＱにてクエンチ流体が供給されるように構成されている。このような構成においても、上記の例と同様の効果が得られる。
【００３９】
上記の各例において、各触媒層２２、２２間の全てにクエンチゾーンＱを設けることが好ましいが、例えば温度の振れ幅が小さい場合などには、クエンチゾーンＱの数を減らしても良く、つまり少なくとも１以上のクエンチゾーンＱがあれば良い。図９は、既述の図４に示した反応器２０において、上流側から２番目の触媒層２２ｂと３番目の触媒層２２ｃとの間のクエンチゾーンＱを省いた例を示している。このような反応器２０においても、同様の効果が得られる。
【００４０】
また、上記の例では、クエンチ流体として系内の目的物を利用したが、系外の目的物と同じ化合物をクエンチ流体として利用することもできる。このような例として、例えば図１０に示すように、複数の反応装置２を設けて、一方の反応装置２から他方の反応装置２にクエンチ流体を供給しても良い。このような場合には、一方の反応装置２の目的物取り出し管３１に、他方の反応装置２のクエンチ流体供給管２４が接続される。尚、以上の図３〜図１０においては、図１と同じ構成については、同じ符号を付してある。これらクエンチ流体である目的物には未反応の原料が混入していても良い。
【００４１】
更にクエンチ流体として目的物を利用する以外にも、例えば原料から目的物以外の反応生成物（副生成物）が生成する場合（目的物以外にも式（１）の右辺側において生成する物質がある場合）には、その反応生成物をクエンチ流体として利用しても良く、例えばジメチルエーテルを得る反応においては、クエンチ流体として水を用いても良い。その場合には、図１１に示すように、目的物の全量が目的物取り出し管３１から取り出されて、廃棄物の一部がクエンチ流体としてクエンチゾーンＱに戻されることとなる。この場合においても、上記の例と同様に式（１）、（２）の右辺側の反応生成物が増えることによって反応が抑制されるので、反応が穏やかに進んでいき、反応器２０の出口における混合物の温度の振れ幅が小さくなる。また、図１１では、既述の図１と同じ構成については、同じ符号を付してある。
尚、この副生成物と共に、目的物をクエンチ流体として用いても良く、例えばメタノールからジメチルエーテルを得る反応においては、ジメチルエーテルと水とをクエンチ流体として用いても良い。更に系外からのジメチルエーテルをクエンチ流体として利用しても良い。
【００４２】
また、上記の各例では、クエンチ流体として反応生成物や目的物と同じ系外の化合物を用いたが、反応速度が抑えられる程度に反応生成物や目的物と同じ系外の化合物を含んでいるのであれば、このクエンチ流体には、未反応の原料が含まれていても良い。その場合には、例えば図１において、バルブが介設された分岐管（いずれも図示せず）の一端側を原料排出管４１に接続し、この分岐管の他端側をクエンチ流体供給管２４に接続して、このバルブの開度を調整することにより未反応の原料を積極的にクエンチ流体の一部として用いても良い。
【００４３】
更に、上記の各例においては、制御部３によりクエンチ流体の流量を制御して、反応器２０の入口温度Ｔ３を安定化させているが、クエンチ流体の流量を一定にし、制御部３を介して例えば前述の分岐管のバルブ及び流量調整バルブ２７の開度を調整して、クエンチ流体に含まれる反応生成物や目的物と同じ系外の化合物の割合、つまりクエンチ流体の組成を調整することにより入口温度Ｔ３を安定化させるようにしても良い。また、クエンチ流体供給管２４に図示しない冷却機構を設けて、クエンチ流体の流量を一定にして、制御部３を介してこのクエンチ流体の温度を調整することにより、反応器２０の入口温度Ｔ３を安定化させるようにしても良い。更にまた、制御部３を介してクエンチ流体の流量と、クエンチ流体の組成と、クエンチ流体の温度と、の複数を組み合わせて調整することにより反応器２０の入口温度Ｔ３を安定化させるようにしても良い。
【００４４】
本発明の目的物の温度制御方法および反応装置は、上記のように、発熱を伴う平衡反応により目的物を生成する場合、例えば後述の実施例におけるメタノールからの脱水によるジメチルエーテルの合成反応や、水素と窒素とからのアンモニアの合成反応などに適用してもよい。また、前記合成反応の他にも、発熱を伴う平衡反応例えば酸化反応、水素化反応その他の反応に適用しても良いし、液相におけるこれらの反応に適用しても良い。
【実施例】
【００４５】
本発明の方法の効果を確かめるために行った実験について、以下に説明する。この実施例では、上記の原料としてメタノールを用いて、既述の（２）式における発熱を伴う平衡反応により目的物としてジメチルエーテルを得る実験を行った。
また、以下の各実験において標準条件を設定しているが、この標準条件は、最終触媒層出口におけるメタノールの転化率及び各触媒層の出口の温度をそれぞれの標準条件において等しくなるように設定した条件である。
【００４６】
（実施例１）
上記の反応を行うための装置としては、既述の図１に示した反応装置２を用いて、反応器２０の入口及び触媒層２２ａ、２２ｂのそれぞれの入口と出口とに温度計を設けた。
この反応装置２において、流量Ｆ１のメタノールを供給し、クエンチ流体としてジメチルエーテルをクエンチゾーンＱに流量Ｆ２で供給し、また未反応のメタノールを流量Ｆ３で戻した。副生成物である水については、既述の排出管４２から排出した。尚、各流量Ｆ１〜Ｆ３は、それぞれの流体の質量流量を表している。
【００４７】
実験条件としては、反応器２０の出口におけるメタノールの転化率及び温度がそれぞれ７５％、３４０℃となるように以下のように各条件を決定して、この条件を標準条件とした。また、反応器２０の入口の原料の温度を上記の標準条件から上下に１℃ずつ変えて、それ以外の条件については標準条件と同じ条件にて実験を行った。そして、それぞれの条件において反応器２０の出口の温度（第２の触媒層２２ｂの出口側の温度）および、また反応器２０の出口におけるメタノールの転化率を比較した。尚、クエンチ流体であるジメチルエーテルの流量Ｆ２及び原料排出管４１から戻される未反応の原料であるメタノールの流量Ｆ３の流量については標準条件と同じ流量とした。
【００４８】
（標準条件）
反応器２０の入口温度：２７９℃
反応器２０の入口の圧力：１．５５ＭＰａ（ゲージ圧）
原料の流量に対するクエンチ量の比（Ｆ２／（Ｆ１＋Ｆ３））：０．１８
クエンチジメチルエーテル条件：１．５ＭＰａ（ゲージ圧）
ジメチルエーテル飽和蒸気（１００％）
【００４９】
（実験結果）
実験結果を表１に示す。
（表１）
【００５０】
その結果、反応器２０の入口の温度（第１の触媒層２２ａの入口側の温度）の変化に応じて、反応器２０内の温度も変化していた。また、反応器２０の入口の温度の変化よりも、反応器２０の出口の温度の変化の方が大きくなることが分かった。反応器２０内の温度が高くなると転化率が増加し、また反応器２０内の温度が低くなると転化率が減少していた。
【００５１】
（比較例１−１）
続いて、比較例１−１として、既述の図１５の複数の反応器１０２、１０２間に熱交換器１０３を介設した装置に蒸留塔３０、４０を接続して実験を行った。この装置を図１２に示す。尚、既述の図１と同じ構成の部位には同じ符号を付している。この装置においても、上流側の反応器（第１反応器）１０２及び下流側の反応器（第２反応器）１０２のそれぞれの入口及び出口の原料の温度を測定した。
この装置では、蒸発器２ｂにおいて気化させた後の原料ガスを供給路２００から熱交換器１０３に供給し、この熱交換器１０３において、この原料ガスと、上流側の反応器１０２における反応により高温となった原料と反応生成物とからなる混合物と、の間で熱交換を行うように（混合物を冷却するように）構成した。尚、この熱交換器１０３において熱交換した（加熱された）後の原料ガスを、上流側の反応器１０２の手前側において、原料ガス供給管２０ａに戻すようにした。また、この熱交換器１０３へ供給される流体以外の原料や反応生成物などの流れについては、既述の図１の反応装置２と同様にした。
【００５２】
そして、上記の実施例１と同様に、下流側の反応器１０２の出口におけるメタノールの転化率及び原料の温度がそれぞれ７５％、３４０℃となるように以下の各条件を決定して、この条件を標準条件とした。また、同様に上流側の反応器１０２の入口の原料の温度を標準条件から上下に１℃ずつ変えて、それ以外の条件については標準条件と同じ条件で実験を行った。
【００５３】
そして、同様に下流側の反応器１０２の出口の温度を測定し、また転化率を比較した。尚、原料排出管４１から戻されるメタノールの量は、標準条件と同じ流量とした。また、熱交換器１０３におけるクエンチ流体と混合物との間の熱交換量（伝熱量）については、上流側の反応器１０２の入口の温度を変えても変化しないものとした。
【００５４】
（標準条件）
反応器１０２の入口温度：２７９℃
反応器２０の入口の圧力：１．５５ＭＰａ（ゲージ圧）
【００５５】
（実験結果）
実験結果を表２に示す。
（表２）
【００５６】
その結果、実施例１と同様に、上流側の温度変化に応じて、各部の温度及び転化率が変化していたが、その変化量は、実施例１の変化量よりも多くなっていた。このことから、実施例１では、クエンチ流体として反応生成物であるジメチルエーテルを用いることにより、反応が抑制され、反応器２０の内部の温度や転化率の制御性が向上していることが分かる。
【００５７】
（比較例１−２）
次に、既述の特許文献１に記載の装置と同様の構成の装置として、図１３に記載の装置を用いて実験を行った。この装置は、概略的には図１の反応器２０とほぼ同様の構成の反応器３００を備えているが、原料クエンチ供給路２００からクエンチ流体として液体状の原料を供給するように構成されている。尚、この図１３においても、図１と同様の構成の部位については同じ符号を付している。
【００５８】
また、上記の実験と同様に、反応器３００の出口側におけるメタノールの転化率及び原料の温度がそれぞれ７５％、３４０℃となるように以下の各条件を決定して、この条件を標準条件とし、同様に反応器３００の入口側の温度を上下に１℃ずつ変えて実験を行った。尚、この場合においても、原料排出管４１から戻される未反応のメタノールの流量及びクエンチ流体の流量は一定とした。この例においても、Ｆ１はメタノール供給量、Ｆ２はクエンチメタノールの供給量、Ｆ３はリサイクルのメタノール流量である。
【００５９】
（標準条件）
反応器３００の入口温度：２７９℃
反応器３００の入口の圧力：１．５５ＭＰａ（ゲージ圧）
原料の流量に対するクエンチ量の比（Ｆ２／（Ｆ１＋Ｆ３））：０．０９
クエンチメタノール条件：１．６ＭＰａ（ゲージ圧）、沸点における液体
【００６０】
（実験結果）
実験結果を表３に示す。
（表３）
【００６１】
この結果においても、反応器３００の入口の温度により、反応器３００の内部の各部の温度及び転化率が変化していたが、比較例１−１と同様に、その変化量は、実施例１よりも大きくなっていた。
【００６２】
以上の結果から、クエンチ流体として原料を用いる場合には、平衡反応が反応生成物側に偏り、目的生成物への反応速度が高くなってしまうので、発熱量が多くなり、結果として反応器２０の出口における混合物の温度のばらつきが大きくなってしまうが、反応生成物の一部をクエンチ流体として用いることで、目的生成物への反応を抑えて、反応器２０の出口における混合物の温度の振れ幅を小さくすることができることが分かった。
【００６３】
（実施例２）
次に、既述の図３に示したように、触媒層２２を３層とした場合、反応器２０の出口の温度と転化率とがどのように変化するか確認するための実験を行った。
実験には、図３の反応器２０を用いて、反応器２０の出口におけるメタノールの転化率及び温度がそれぞれ７５％、３４０℃となるように以下のように各条件を決定して、この条件を標準条件とした。また、反応器２０の入口の原料の温度を同様に上下に１℃ずつ変えて、それ以外の条件については標準条件と同じ条件にて実験を行った。そして、それぞれの条件において反応器２０の各触媒層２２の入口の温度と出口の温度とを測定し、また反応器２０の出口におけるメタノールの転化率を比較した。尚、クエンチ流体であるジメチルエーテルの流量Ｆ２及び原料排出管４１から戻される未反応の原料であるメタノールの流量Ｆ３の流量については標準条件と同じ流量とした。
【００６４】
（標準条件）
反応器２０の入口温度：２７９℃
反応器２０の入口の圧力：１．５５ＭＰａ（ゲージ圧）
原料の流量に対するクエンチ量の比（Ｆ２／（Ｆ１＋Ｆ３））：０．１８
クエンチジメチルエーテル条件：１．５ＭＰａ（ゲージ圧）
ジメチルエーテル飽和蒸気（１００％）
【００６５】
（実験結果）
実験結果を表４に示す。
（表４）
【００６６】
その結果、生成物をクエンチ流体として用いることで、実験例１の結果と同様に、反応器２０の入口側の温度が変化しても、反応器２０の出口側の温度と転化率との変化を抑えることができることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の製造方法を実施するための反応装置の一例を示す概略的な構成図である。
【図２】上記の反応装置における反応器内の原料の温度変化の一例を示す概略図である。
【図３】上記の反応装置の他の例を示す縦断面図である。
【図４】上記の反応装置の他の例を示す縦断面図である。
【図５】上記の反応装置の他の例を示す縦断面図である。
【図６】上記の反応装置の他の例を示す縦断面図である。
【図７】上記の反応装置の他の例を示す縦断面図である。
【図８】上記の反応装置の他の例を示す縦断面図である。
【図９】上記の反応装置の他の例を示す縦断面図である。
【図１０】上記の反応装置の他の例を示す縦断面図である。
【図１１】上記の反応装置の他の例を示す縦断面図である。
【図１２】本発明の実施例における比較例に用いた装置を示す概略図である。
【図１３】本発明の実施例における比較例に用いた装置を示す概略図である。
【図１４】合成反応に用いられている従来の装置を示す概略図である。
【図１５】合成反応に用いられている従来の装置を示す概略図である。
【符号の説明】
【００６８】
２ 反応装置
２ａ 熱交換器
２ｂ 蒸発器
２０ 反応器
２２ 触媒層
２４ クエンチ流体供給管
Ｑ クエンチゾーン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料を断熱型反応器に供給し、発熱を伴う平衡反応により目的物を製造するときに行う反応器内部の温度制御方法と反応装置、及びジメチルエーテルの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
製造プラントにおいては、反応器内に触媒層を設け、この中に原料を通流させて反応させ、その反応生成物である製品を得る場合がある。反応器内において適切に反応を進行させるための重要な運転条件の一つとして、反応器内の温度管理が挙げられる。一般に、反応器内の温度を反応に適した温度となるように調整するためには、原料を予め設定した温度に調整した後、反応器に供給するようにしている。
【０００３】
上記の反応が発熱反応である場合には、原料が反応器内を下流側に向かって通流するに従って、即ち反応が進行するにつれて、原料の温度が上昇していく。原料の温度が主反応に適した温度範囲よりも高くなってしまうと、好ましくない副生成物（不純物）が生成し、原料のロスとなったり、あるいはコーキングの促進によって触媒が劣化したりする一方、原料の温度が前記温度範囲を下回ると収率が低下するため、触媒層内の温度を目的とする温度範囲内に維持する種々の方法が提案されている。そのような反応器内の温度を維持するための代表的な例として、以下の手法が知られている。
【０００４】
図１４は、多管式反応器１００であり、多管式反応器１００内に多数垂設された管１０１内に原料を供給し、この管１０１内において反応を行い、その管１０１を外部から冷媒により冷却するように構成されている。この多管式反応器１００では、原料を確実に且つ速やかに冷却できるが、多量の冷媒が必要であり、また反応器１００の構造が複雑になるので、装置のコストが高くなってしまい、更に大型化には不向きである。
【０００５】
図１５は、複数基の反応器１０２を接続して、この反応器１０２、１０２の間に熱交換器（中間熱交換器）１０３を介設した装置を示している。この装置では、１段目の反応器１０２内に供給された原料は、この１段目の反応器１０２内で反応により発熱し、次いで熱交換器１０３により冷却された後に２段目の反応器１０２に供給され、そしてこの２段目の反応器１０２において反応が進行していく。その後、原料は、図示を省略するが、更に熱交換器を介して３段目以降の反応器に供給されていく。このような構成では、反応器１０２内での温度の制御性を高めるためには、反応器１０２及び熱交換器１０３の基数を増やす必要があると共に、接続配管なども必要になるので、装置のコストが高くなり、また装置構成が複雑になってしまう。また、このような熱交換器１０３では、熱交換用の冷媒として、１段目の反応器１０２に供給する前の反応前の原料を用いることが多く、反応生成物との間で熱交換した後の原料を１段目の反応器１０２に供給するようにしている。そのような場合には、反応器１０２の出口の温度が反応器１０２の入口の温度に影響を及ぼし、反応器１０２内の温度制御が難しくなるといった問題がある。
【０００６】
そこで、特許文献１は、固定床流通式の断熱型反応器内の触媒層を複数の層に分割し、この各層間に原料を冷却するためのクエンチゾーンを設けて、このクエンチゾーンにおいてクエンチ流体として原料を液体状で供給し、反応器内を冷却する手法が提案されている。この装置では、加熱された原料が上側から供給されると、上流側の触媒層において発熱反応が進行して、原料の温度が上昇する。そして、原料は、クエンチゾーンにおいてクエンチ流体により冷却され、その後下流側の触媒層に流れていき、同様に反応する。クエンチ流体の流量は、クエンチ流体を供給した後のクエンチゾーンの下側において原料の温度を測定して、この部位の温度が主反応に適した温度範囲となるように調整される。
【０００７】
この装置は、１基の反応器により構成されており、また熱交換器が不要なので、コストを抑えることができる。また、クエンチ流体として不活性成分を用いた場合には、不活性成分の精製や分離が必要になるが、原料を利用しているので、こうした操作が不要となるといったメリットがある。
【０００８】
ところで、上記の発熱を伴う平衡反応の一例として、例えばメタノールからジメチルエーテルを製造する反応器では、反応器の出口温度が通常運転時の温度よりも僅かに上昇した場合、好ましくない副反応により副生成物が生成してしまう。そのために、反応器内の温度を安定化させる必要がある。
上記の特許文献１に記載の反応器では、下流側の触媒層の入口側の温度に基づいて、クエンチ流体の供給量を調整し、反応器の内部温度を制御してはいるが、制御系の特性上、前記入口側の温度を一定化することは困難であり、原料の温度変化などの要因も加わって当該入口側の温度変化を避けることができない。
【０００９】
このような状況下において、特許文献１のように原料をクエンチ流体として供給すると、原料が多くなるので、平衡が反応生成物側に偏る。このため触媒層の入口側の温度変化に対し、反応速度が敏感に変わるので、反応器の出口側の温度に対する触媒層の入口側の温度の影響が大きくなり、結果として反応器の出口の温度の振れ幅が大きくなって、転化率の変化も大きくなる。このため反応器の出口の温度が高くなりすぎて、好ましくない副反応による副生成物が生成し、製品の純度が低下したり、また、反応器の出口の温度が低くなりすぎて、目的とする収率が得られなくなったりする。
そのため、大型化が可能な単純な構成の反応器にて、簡便な方法にて反応器内の温度を制御できる技術が求められている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−２９８７６８（段落００１４、００２０、００２１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、原料を断熱型の反応器に供給し、この反応器内において発熱を伴う平衡反応により目的物を製造するにあたり、反応器内の温度の制御性を向上させて、温度上昇による副生成物の生成や、温度低下による収率の低減を抑えるための技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の反応器内部の温度制御方法は、
反応領域を複数に分割し、分割された複数の反応領域が一つまたは二つ以上の断熱型反応器に割り当てられ、原料を断熱型反応器内に供給し、発熱を伴う平衡反応により目的物を製造するときに行う温度制御方法において、
原料を１段目の反応領域に供給して、目的物を含む反応生成物を得る工程と、
次いで、前段側の反応領域から取り出された反応生成物と未反応の原料とからなる混合物を順次後段側の反応領域に供給し、目的物を含む反応生成物を得る工程と、
前記反応領域同士の間の少なくとも１カ所において、前記混合物にクエンチ流体を供給して、混合することにより当該混合物を冷却する工程と、を含み、
前記クエンチ流体は、前記クエンチ流体の供給領域よりも後段側の反応領域で得られた前記反応生成物の一部及び前記断熱型反応器以外で得られた前記目的物と同じ化合物の少なくとも一方を含むことを特徴とする。
【００１３】
前記クエンチ流体は、最終段の反応領域にて得られた反応生成物を冷却した後の反応生成物の一部を含んでいても良い。
前記複数の反応領域は、各々触媒層により構成されていることが好ましい。
分割された前記反応領域は３個であることが好ましい。
前記冷却する工程は、前記クエンチ流体の供給量と組成と温度との少なくとも一つを調整して行うことが好ましい。
【００１４】
前記発熱を伴う平衡反応は、メタノールを原料として、水と目的物であるジメチルエーテルとからなる反応生成物を得る反応であっても良い。その場合には、前記クエンチ流体は、ジメチルエーテルとジメチルエーテル及び水の混合流体とのいずれかを含むことが好ましい。
【００１５】
本発明の反応装置は、
原料を断熱型反応器内に供給し、発熱を伴う平衡反応により目的物を製造する反応装置において、
反応領域を複数に分割し、分割された複数の反応領域が割り当てられる一つまたは二つ以上の断熱型反応器と、
１段目の反応領域に原料を供給する手段と、
前記反応領域同士の間の少なくとも１カ所に介在し、前段側の反応領域から取り出された前記反応生成物と未反応の原料とからなる混合物にクエンチ流体を供給し、混合することにより当該混合物を冷却するためのクエンチゾーンと、
前記クエンチゾーンよりも後段側の反応領域で得られた前記反応生成物の一部及び前記断熱型反応器以外で得られた前記目的物と同じ化合物の少なくとも一方を含む流体をクエンチ流体としてクエンチゾーンに供給する手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
前記反応装置は、
最終段の反応領域において得られた反応生成物を冷却するための冷却手段を備え、
前記クエンチ流体は、前記冷却手段により冷却された後の前記反応生成物の一部を含む流体であることが好ましい。
前記複数の反応領域は、各々触媒層により構成されていることが好ましい。
分割された前記反応領域は３個であることが好ましい。
また、本発明の反応装置は、前記クエンチ流体の供給量と組成と温度との少なくとも一つを調整して、前記クエンチ流体を前記クエンチゾーンに供給するような制御部を備えていることが好ましい。
【００１７】
前記発熱を伴う平衡反応は、メタノールを原料として、水と目的物であるジメチルエーテルとからなる反応生成物を得る反応であっても良い。その場合には、前記クエンチ流体は、ジメチルエーテルとジメチルエーテル及び水の混合流体とのいずれかを含むことが好ましい。
【００１８】
本発明のジメチルエーテルの製造方法は、
反応領域を複数に分割し、分割された複数の反応領域が一つまたは二つ以上の断熱型反応器に割り当てられ、メタノールを断熱型反応器内に供給し、脱水縮合反応によりジメチルエーテルを製造する方法において、
メタノールを１段目の反応領域に供給して、ジメチルエーテルと水とからなる反応生成物を得る工程と、
次いで、前段側の反応領域から取り出された反応生成物と未反応のメタノールとからなる混合物を順次後段側の反応領域に供給し、ジメチルエーテルと水とからなる反応生成物を得る工程と、
前記反応領域同士の間の少なくとも１カ所において、前記混合物にクエンチ流体を供給して、混合することにより当該混合物を冷却する工程と、を含み、
前記クエンチ流体は、前記クエンチ流体の供給領域よりも後段側の反応領域で得られたジメチルエーテル及び水の少なくとも一方と、前記断熱型反応器以外で得られたジメチルエーテルと、のいずれかを含むことを特徴とする。
【００１９】
前記冷却する工程は、前記クエンチ流体の供給量と組成と温度との少なくとも一つを調整して行うことが好ましい。
前記クエンチ流体は、最終段の反応領域にて得られ、冷却した後のジメチルエーテル及び水のいずれかを含むことが好ましい。
前記複数の反応領域は、各々触媒層により構成されていることが好ましい。
分割された前記反応領域は３個であることが好ましい。
前記クエンチ流体は、ジメチルエーテルに混在している副生成物である水と未反応のメタノールとを除去した後のジメチルエーテルの一部であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、反応領域を複数に分割し、分割された複数の反応領域が一つまたは二つ以上の断熱型反応器に割り当てられ、原料を断熱型反応器内に供給し、発熱を伴う平衡反応により目的物を製造するにあたり、原料を１段目の反応領域に供給することにより得られた目的物を含む反応生成物と、未反応の原料と、からなる混合物を、この１段目の反応領域から順次後段側の反応領域に供給して目的物を含む反応生成物を得て、反応領域同士の少なくとも１カ所において、当該反応領域よりも後段側で得られた反応生成物の一部及び前記断熱型反応器以外で得られた前記目的物を同じ化合物の少なくとも一方をクエンチ流体として供給して当該混合物を冷却するようにしている。そのため、混合物中の反応生成物の量が増えて、平衡が原料側に偏り、反応が穏やかに進んでいくので、反応領域の入口側の温度変化による反応速度の変化が少ない。この結果、反応器内の温度の制御性が向上し、温度上昇による予定しない副生成物の生成や、温度低下による収率の低減を簡便に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の反応装置及びこの装置を用いた温度制御方法の実施の形態について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、目的物を製造するための反応装置２を含む製造プラントの全体の概要を示している。反応装置２は、例えば固定床流通式の断熱型反応器である縦型の反応器２０を備えている。この反応器２０の塔頂部には、原料を供給する手段である原料ガス供給管２０ａの一端側が接続されており、この原料ガス供給管２０ａの他端側には、熱交換器２ａ及び蒸発器２ｂを介して、液体原料が貯留された原料貯留源４が接続されている。蒸発器２ｂは、液体原料を気化させて原料ガスを得るためのものである。
【００２２】
反応器２０の底部には、生成ガス流出管２０ｂの一端側が接続されており、この生成ガス流出管２０ｂには、上記の熱交換器２ａが接続されている。この熱交換器２ａにおいて、原料ガス供給管２０ａ内の原料と、生成ガス流出管２０ｂ内の反応生成物と原料とからなる混合物と、の間において、原料は加熱され、混合物は冷却されて熱交換が行われるように構成されている。この生成ガス流出管２０ｂの他端側は、後述の第１の蒸留塔３０の側壁に接続されている。
【００２３】
反応器２０の内部には、目的とする反応収率を得るのに必要な反応領域例えば触媒層２２が上流側と下流側とに分割して設けられており、上流側の反応領域は、第１の触媒層２２ａにより第１の反応領域として形成され、下流側の反応領域は、第２の触媒層２２ｂにより第２の反応領域として形成されている。これら触媒層２２（２２ａ、２２ｂ）は、多数の図示しないガス供給孔が形成されたサポート２３により支持されている。
【００２４】
反応器２０内の第１の触媒層２２ａと第２の触媒層２２ｂとの間の領域には、反応器２０内の混合物をクエンチ流体により冷却するためのクエンチゾーンＱが設けられている。このクエンチゾーンＱにおける反応器２０の側面には、反応生成物の一部をクエンチ流体としてクエンチゾーンに供給する手段であるクエンチ流体供給管２４が接続されており、このクエンチ流体供給管２４は、反応器２０内のクエンチゾーンＱの上方側の第１の触媒層２２ａに近接する部位において、クエンチ流体を均一に分散供給するための複数の吐出孔２４ｂが形成されたスプレー部２４ａに接続されている。
【００２５】
また、反応器２０の側面には温度検出部２９が設けられており、反応器２０内にその一端側が突出して、クエンチゾーンＱで冷却された混合物の温度を例えば第２の触媒層２２ｂの上部側付近において検出するように構成されている。この温度検出部２９には、制御部３が接続されており、この制御部３は、温度検出部２９の検出温度に基づいて、後述の流量調整バルブ２７により原料ガスの温度が反応に適した温度範囲となるように、クエンチ流体の流量を制御するように構成されている。
反応器２０の後段には、反応器２０から得られた混合物から目的とする反応生成物を取り出し、その一部をクエンチ流体として反応器２０に供給するための設備が設けられ、図１には例えばジメチルエーテルを目的物として得るための２本の蒸留塔３０、４０を含む設備が設けられている。
【００２６】
第１の蒸留塔３０は、未反応の原料と反応生成物とからなる混合物から、目的物を分離精製するためのものであり、塔頂部には冷却手段である目的物取り出し管３１が接続され、下端部には排出管３２の一端側が接続されている。目的物取り出し管３１から排出された目的物は、製品として系外に取り出されるが、その一部がこの目的物取り出し管３１から分岐した既述のクエンチ流体供給管２４により、クエンチ流体として既述のクエンチゾーンＱに戻されるように構成されている。クエンチ流体供給管２４には、流量調整バルブ２７が介設されている。
【００２７】
既述の排出管３２の他端側は、第２の蒸留塔４０の側壁に接続されている。この第２の蒸留塔４０は、上記の第１の蒸留塔３０において目的物が取り除かれた混合物から未反応の原料を分離精製するためのものであり、塔頂部には原料排出管４１の一端側が接続され、下端部には排出管４２が接続されている。原料排出管４１の他端側は、既述の蒸発器２ｂの上流側の原料ガス供給管２０ａに接続されており、未反応の原料を戻して再使用するように構成されている。排出管４２は、混合物から目的物及び未反応の原料が取り除かれた後に残った副生成物や不純物などを廃棄するためのものであり、これらは、系外に排出される。
【００２８】
続いて、上述の反応装置２を運転する方法について、図１及び図２を参照して説明する。
一つの物質あるいは複数の物質で構成される液体原料は、前段に設けられた蒸発器２ｂで気化され、また、熱交換器２ａにおいて、反応器２０から取り出された未反応の原料と反応生成物とからなる混合物との間で熱交換が行われて、温度Ｔ１に加熱される。
しかる後、原料ガスは、原料ガス供給管２０ａを介して反応器２０に供給され、この反応器２０内を上から下方向に流れていく。そして、第１の触媒層２２ａ内で以下の式（１）の平衡反応により、目的物を含む反応生成物が生成し、この反応生成物と未反応の原料ガスとを含んだ混合物のガスとなる。
原料ガス ⇔ 反応生成物（目的物（＋副生成物）） ＋ 反応熱 ・（１）
【００２９】
この時生じる反応熱により、混合物のガスの温度が上昇して温度Ｔ２になる。
ジメチルエーテルを製造する場合には、液体原料であるメタノールが気化し、第１の触媒層２２ａ内にて下記（２）式の平衡反応によりジメチルエーテルと水とが生成される。
２ＣＨ3ＯＨ ⇔ ＣＨ3ＯＣＨ3 ＋Ｈ2Ｏ ＋ ΔＨ ・・（２）
ΔＨ＝−２３．４ｋＪ／ｍｏｌ
【００３０】
続いて、クエンチゾーンＱにおいて、スプレー部２４ａからクエンチ流体を供給すると、このクエンチ流体と前段の触媒層２２ａの発熱反応により高温（Ｔ２）になった混合物のガスとが混ざり合い、混合物の温度がＴ３になる。このクエンチ流体は、当該反応装置２で得られた反応生成物の一部からなる流体であり、液体状あるいは気体状で供給される。ジメチルエーテルを製造する場合には、クエンチ流体は例えば気体であるジメチルエーテルが用いられる。
このように反応生成物の一部をクエンチ流体として供給することにより、第２の触媒層２２ｂ内において、上記の式（１）、（２）の右側の反応生成物の量が多くなるので、式（１）、（２）の平衡反応が原料側に偏り、目的物が生成する反応が抑えられるので、上記の反応が穏やかに進んでいくこととなる。
【００３１】
こうして冷却された混合物のガス、より詳しくはクエンチ流体を含んだ混合物は、第２の触媒層２２ｂに供給され、第２の触媒層２２ｂにおいて同様の反応により、穏やかに反応生成物が生成していく。この反応生成物と未反応の原料とからなる混合物は、この第２の触媒層２２ｂにおける反応で生じる反応熱により温度Ｔ４に上昇する。
その後、混合物は、生成ガス流出管２０ｂを介して反応器２０から取り出されて、熱交換器２ａにおいて原料との間で熱交換が行われる。
【００３２】
そして、ジメチルエーテルを製造する場合を例にとってこれ以降のフローを説明すると、反応器２０から排出された反応生成物であるジメチルエーテル及び水と未反応原料であるメタノールとからなる混合物は、第１の蒸留塔３０に供給されて、目的物であるジメチルエーテルが分離精製される。混合物から分離精製されたジメチルエーテルは、目的物取り出し管３１から取り出されて、目的物取り出し管３１の管壁などに放熱し、既述の温度Ｔ２以下の温度となり、一部がクエンチ流体供給管２４を介してクエンチ流体として反応器２０に戻される。残りのジメチルエーテルは、製品として系外に取り出される。
【００３３】
ジメチルエーテルが取り除かれた混合物は、第１の蒸留塔３０の下方側から排出されて第２の蒸留塔４０に供給され、この第２の蒸留塔４０において未反応の原料であるメタノールが分離精製される。既述のように、未反応の原料は、原料ガス供給管２０ａに戻されて、原料貯留源４から供給される原料と共に再度反応器２０に供給される。また、目的物及び未反応の原料が取り除かれた副生成物である廃棄物、この例では水は系外に排出される。
【００３４】
ここで、触媒層２２ｂの入り口の温度Ｔ３が温度検出部２９により検出され、その温度検出値に応じて制御部３及び流量調整バルブ２７を介してクエンチ流体の供給流量が制御され、以って触媒層２２ｂの入口温度Ｔ３の安定化が図られているが、この入口温度Ｔ３がある変動幅で変動することは避けられない。しかし、本発明では、クエンチ流体として反応生成物を用いているので、既述のように、平衡反応が原料側に偏り目的物が生成する反応が抑えられることから、触媒層２２ｂの出口温度Ｔ４に対する触媒層２２ａの入口温度Ｔ１の影響が小さくなる。即ち触媒層２２ａの入口温度Ｔ１の変化に対し、目的生成物への反応速度の変化が小さくなるので、触媒層２２ｂの出口温度Ｔ４の変化が鈍感になり、転化率の振れ幅が小さくなる。
【００３５】
上述の実施の形態によれば、原料を断熱型の反応器２０内に供給し、発熱を伴う平衡反応により目的物を製造するにあたり、原料の反応を行うための第１の反応領域と第２の反応領域との間にクエンチゾーンＱを設けて、このクエンチゾーンＱに第２の反応領域から取り出した反応生成物の一部を冷却してクエンチ流体として供給し、原料と反応生成物とからなる混合物を冷却するようにしている。そのために、既に詳述したように、混合物中の反応生成物の量が増えて、平衡が原料側に偏り、反応が穏やかに進んでいくので、反応器２０内の温度制御が容易になり、結果として、温度上昇による予定しない副生成物の生成を抑えることができると共に、温度低下による収率の低減を抑えることができる。更に触媒のコーキングを抑えて、触媒の寿命を長くすることができる。更にまた反応装置２における急激な温度上昇（暴走反応）を抑制することができ、安全に反応装置２を運転することができる。従って、既存の方法に比べて反応器２０の構成を簡略化することができ、大型化が容易となり、また反応器２０を構成する部品数が少なくてすむ。
【００３６】
上記のクエンチ流体としては、気体であっても良いし、液体であっても良い。気体のクエンチ流体を用いる場合には、蒸発潜熱を利用できないので、液体を用いる場合に比べて供給量を多くする必要があるが、反応器２０内における反応生成物の量が多くなるので、反応速度を抑える効果は大きい。一方、液体のクエンチ流体を用いる場合には、気体を用いる場合よりも少ない供給量で混合物の温度を下げることができる。尚、例えば原料の供給量が少なく、反応による混合物の温度上昇が小さい場合には、反応生成物を冷却せずにクエンチ流体として供給しても良い。そのような場合であっても、反応器２０内における反応生成物の量が多くなるので、反応速度が抑えられる。
【００３７】
尚、上記の例では、触媒層２２を２層としたが、例えば図３及び図４に示すように、それ以上の触媒層があっても良い。図３は３層の触媒層（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）、図４は５層の触媒層（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ）を備えた反応器２０を示している。図３、図４においても、各触媒層２２間のクエンチゾーンＱにて、温度検出部２９により混合物の温度が検出されて、スプレー部２４ａから供給されるクエンチ流体の流量が調整される。このような反応器２０でも、上記の例と同様にクエンチ流体により反応速度が抑えられた状態で反応が進行していく。このように触媒層２２を複数層とすることで、上記の例と同様の効果が得られる。
【００３８】
また、１基の反応器２０内に複数層の触媒層２２を設ける場合の他、例えば図５、図６に示すように、１層の触媒層２２を設けた反応器２０を複数基接続するようにしても良い。図５、図６は、このような反応器２０をそれぞれ３基、５基接続した例を示しており、各々の反応器２０間を接続する生成ガス流出管２０ｂには、クエンチ流体供給管２４が接続されている。更に、このような反応器２０以外にも、例えば図７、図８に示すように、少なくとも１層の触媒層２２を設けた反応器２０を複数基組み合わせて接続しても良い。図７は１層の触媒層２２を設けた反応器２０と２層の触媒層（２２ａ、２２ｂ）を設けた反応器２０とを直列に接続した例を示している。図８は、２層の触媒層（２２ａ、２２ｂ）を設けた反応器２０と３層の触媒層（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）を設けた反応器２０とを直列に接続した例を示している。これらの触媒層２２間においても、同様にクエンチゾーンＱにてクエンチ流体が供給されるように構成されている。このような構成においても、上記の例と同様の効果が得られる。
【００３９】
上記の各例において、各触媒層２２、２２間の全てにクエンチゾーンＱを設けることが好ましいが、例えば温度の振れ幅が小さい場合などには、クエンチゾーンＱの数を減らしても良く、つまり少なくとも１以上のクエンチゾーンＱがあれば良い。図９は、既述の図４に示した反応器２０において、上流側から２番目の触媒層２２ｂと３番目の触媒層２２ｃとの間のクエンチゾーンＱを省いた例を示している。このような反応器２０においても、同様の効果が得られる。
【００４０】
また、上記の例では、クエンチ流体として系内の目的物を利用したが、系外の目的物と同じ化合物をクエンチ流体として利用することもできる。このような例として、例えば図１０に示すように、複数の反応装置２を設けて、一方の反応装置２から他方の反応装置２にクエンチ流体を供給しても良い。このような場合には、一方の反応装置２の目的物取り出し管３１に、他方の反応装置２のクエンチ流体供給管２４が接続される。尚、以上の図３〜図１０においては、図１と同じ構成については、同じ符号を付してある。これらクエンチ流体である目的物には未反応の原料が混入していても良い。
【００４１】
更にクエンチ流体として目的物を利用する以外にも、例えば原料から目的物以外の反応生成物（副生成物）が生成する場合（目的物以外にも式（１）の右辺側において生成する物質がある場合）には、その反応生成物をクエンチ流体として利用しても良く、例えばジメチルエーテルを得る反応においては、クエンチ流体として水を用いても良い。その場合には、図１１に示すように、目的物の全量が目的物取り出し管３１から取り出されて、廃棄物の一部がクエンチ流体としてクエンチゾーンＱに戻されることとなる。この場合においても、上記の例と同様に式（１）、（２）の右辺側の反応生成物が増えることによって反応が抑制されるので、反応が穏やかに進んでいき、反応器２０の出口における混合物の温度の振れ幅が小さくなる。また、図１１では、既述の図１と同じ構成については、同じ符号を付してある。
尚、この副生成物と共に、目的物をクエンチ流体として用いても良く、例えばメタノールからジメチルエーテルを得る反応においては、ジメチルエーテルと水とをクエンチ流体として用いても良い。更に系外からのジメチルエーテルをクエンチ流体として利用しても良い。
【００４２】
また、上記の各例では、クエンチ流体として反応生成物や目的物と同じ系外の化合物を用いたが、反応速度が抑えられる程度に反応生成物や目的物と同じ系外の化合物を含んでいるのであれば、このクエンチ流体には、未反応の原料が含まれていても良い。その場合には、例えば図１において、バルブが介設された分岐管（いずれも図示せず）の一端側を原料排出管４１に接続し、この分岐管の他端側をクエンチ流体供給管２４に接続して、このバルブの開度を調整することにより未反応の原料を積極的にクエンチ流体の一部として用いても良い。
【００４３】
更に、上記の各例においては、制御部３によりクエンチ流体の流量を制御して、反応器２０の入口温度Ｔ３を安定化させているが、クエンチ流体の流量を一定にし、制御部３を介して例えば前述の分岐管のバルブ及び流量調整バルブ２７の開度を調整して、クエンチ流体に含まれる反応生成物や目的物と同じ系外の化合物の割合、つまりクエンチ流体の組成を調整することにより入口温度Ｔ３を安定化させるようにしても良い。また、クエンチ流体供給管２４に図示しない冷却機構を設けて、クエンチ流体の流量を一定にして、制御部３を介してこのクエンチ流体の温度を調整することにより、反応器２０の入口温度Ｔ３を安定化させるようにしても良い。更にまた、制御部３を介してクエンチ流体の流量と、クエンチ流体の組成と、クエンチ流体の温度と、の複数を組み合わせて調整することにより反応器２０の入口温度Ｔ３を安定化させるようにしても良い。
【００４４】
本発明の目的物の温度制御方法および反応装置は、上記のように、発熱を伴う平衡反応により目的物を生成する場合、例えば後述の実施例におけるメタノールからの脱水によるジメチルエーテルの合成反応や、水素と窒素とからのアンモニアの合成反応などに適用してもよい。また、前記合成反応の他にも、発熱を伴う平衡反応例えば酸化反応、水素化反応その他の反応に適用しても良いし、液相におけるこれらの反応に適用しても良い。
【実施例】
【００４５】
本発明の方法の効果を確かめるために行った実験について、以下に説明する。この実施例では、上記の原料としてメタノールを用いて、既述の（２）式における発熱を伴う平衡反応により目的物としてジメチルエーテルを得る実験を行った。
また、以下の各実験において標準条件を設定しているが、この標準条件は、最終触媒層出口におけるメタノールの転化率及び各触媒層の出口の温度をそれぞれの標準条件において等しくなるように設定した条件である。
【００４６】
（実施例１）
上記の反応を行うための装置としては、既述の図１に示した反応装置２を用いて、反応器２０の入口及び触媒層２２ａ、２２ｂのそれぞれの入口と出口とに温度計を設けた。
この反応装置２において、流量Ｆ１のメタノールを供給し、クエンチ流体としてジメチルエーテルをクエンチゾーンＱに流量Ｆ２で供給し、また未反応のメタノールを流量Ｆ３で戻した。副生成物である水については、既述の排出管４２から排出した。尚、各流量Ｆ１〜Ｆ３は、それぞれの流体の質量流量を表している。
【００４７】
実験条件としては、反応器２０の出口におけるメタノールの転化率及び温度がそれぞれ７５％、３４０℃となるように以下のように各条件を決定して、この条件を標準条件とした。また、反応器２０の入口の原料の温度を上記の標準条件から上下に１℃ずつ変えて、それ以外の条件については標準条件と同じ条件にて実験を行った。そして、それぞれの条件において反応器２０の出口の温度（第２の触媒層２２ｂの出口側の温度）および、また反応器２０の出口におけるメタノールの転化率を比較した。尚、クエンチ流体であるジメチルエーテルの流量Ｆ２及び原料排出管４１から戻される未反応の原料であるメタノールの流量Ｆ３の流量については標準条件と同じ流量とした。
【００４８】
（標準条件）
反応器２０の入口温度：２７９℃
反応器２０の入口の圧力：１．５５ＭＰａ（ゲージ圧）
原料の流量に対するクエンチ量の比（Ｆ２／（Ｆ１＋Ｆ３））：０．１８
クエンチジメチルエーテル条件：１．５ＭＰａ（ゲージ圧）
ジメチルエーテル飽和蒸気（１００％）
【００４９】
（実験結果）
実験結果を表１に示す。
（表１）
【００５０】
その結果、反応器２０の入口の温度（第１の触媒層２２ａの入口側の温度）の変化に応じて、反応器２０内の温度も変化していた。また、反応器２０の入口の温度の変化よりも、反応器２０の出口の温度の変化の方が大きくなることが分かった。反応器２０内の温度が高くなると転化率が増加し、また反応器２０内の温度が低くなると転化率が減少していた。
【００５１】
（比較例１−１）
続いて、比較例１−１として、既述の図１５の複数の反応器１０２、１０２間に熱交換器１０３を介設した装置に蒸留塔３０、４０を接続して実験を行った。この装置を図１２に示す。尚、既述の図１と同じ構成の部位には同じ符号を付している。この装置においても、上流側の反応器（第１反応器）１０２及び下流側の反応器（第２反応器）１０２のそれぞれの入口及び出口の原料の温度を測定した。
この装置では、蒸発器２ｂにおいて気化させた後の原料ガスを供給路２００から熱交換器１０３に供給し、この熱交換器１０３において、この原料ガスと、上流側の反応器１０２における反応により高温となった原料と反応生成物とからなる混合物と、の間で熱交換を行うように（混合物を冷却するように）構成した。尚、この熱交換器１０３において熱交換した（加熱された）後の原料ガスを、上流側の反応器１０２の手前側において、原料ガス供給管２０ａに戻すようにした。また、この熱交換器１０３へ供給される流体以外の原料や反応生成物などの流れについては、既述の図１の反応装置２と同様にした。
【００５２】
そして、上記の実施例１と同様に、下流側の反応器１０２の出口におけるメタノールの転化率及び原料の温度がそれぞれ７５％、３４０℃となるように以下の各条件を決定して、この条件を標準条件とした。また、同様に上流側の反応器１０２の入口の原料の温度を標準条件から上下に１℃ずつ変えて、それ以外の条件については標準条件と同じ条件で実験を行った。
【００５３】
そして、同様に下流側の反応器１０２の出口の温度を測定し、また転化率を比較した。尚、原料排出管４１から戻されるメタノールの量は、標準条件と同じ流量とした。また、熱交換器１０３におけるクエンチ流体と混合物との間の熱交換量（伝熱量）については、上流側の反応器１０２の入口の温度を変えても変化しないものとした。
【００５４】
（標準条件）
反応器１０２の入口温度：２７９℃
反応器２０の入口の圧力：１．５５ＭＰａ（ゲージ圧）
【００５５】
（実験結果）
実験結果を表２に示す。
（表２）
【００５６】
その結果、実施例１と同様に、上流側の温度変化に応じて、各部の温度及び転化率が変化していたが、その変化量は、実施例１の変化量よりも多くなっていた。このことから、実施例１では、クエンチ流体として反応生成物であるジメチルエーテルを用いることにより、反応が抑制され、反応器２０の内部の温度や転化率の制御性が向上していることが分かる。
【００５７】
（比較例１−２）
次に、既述の特許文献１に記載の装置と同様の構成の装置として、図１３に記載の装置を用いて実験を行った。この装置は、概略的には図１の反応器２０とほぼ同様の構成の反応器３００を備えているが、原料クエンチ供給路２００からクエンチ流体として液体状の原料を供給するように構成されている。尚、この図１３においても、図１と同様の構成の部位については同じ符号を付している。
【００５８】
また、上記の実験と同様に、反応器３００の出口側におけるメタノールの転化率及び原料の温度がそれぞれ７５％、３４０℃となるように以下の各条件を決定して、この条件を標準条件とし、同様に反応器３００の入口側の温度を上下に１℃ずつ変えて実験を行った。尚、この場合においても、原料排出管４１から戻される未反応のメタノールの流量及びクエンチ流体の流量は一定とした。この例においても、Ｆ１はメタノール供給量、Ｆ２はクエンチメタノールの供給量、Ｆ３はリサイクルのメタノール流量である。
【００５９】
（標準条件）
反応器３００の入口温度：２７９℃
反応器３００の入口の圧力：１．５５ＭＰａ（ゲージ圧）
原料の流量に対するクエンチ量の比（Ｆ２／（Ｆ１＋Ｆ３））：０．０９
クエンチメタノール条件：１．６ＭＰａ（ゲージ圧）、沸点における液体
【００６０】
（実験結果）
実験結果を表３に示す。
（表３）
【００６１】
この結果においても、反応器３００の入口の温度により、反応器３００の内部の各部の温度及び転化率が変化していたが、比較例１−１と同様に、その変化量は、実施例１よりも大きくなっていた。
【００６２】
以上の結果から、クエンチ流体として原料を用いる場合には、平衡反応が反応生成物側に偏り、目的生成物への反応速度が高くなってしまうので、発熱量が多くなり、結果として反応器２０の出口における混合物の温度のばらつきが大きくなってしまうが、反応生成物の一部をクエンチ流体として用いることで、目的生成物への反応を抑えて、反応器２０の出口における混合物の温度の振れ幅を小さくすることができることが分かった。
【００６３】
（実施例２）
次に、既述の図３に示したように、触媒層２２を３層とした場合、反応器２０の出口の温度と転化率とがどのように変化するか確認するための実験を行った。
実験には、図３の反応器２０を用いて、反応器２０の出口におけるメタノールの転化率及び温度がそれぞれ７５％、３４０℃となるように以下のように各条件を決定して、この条件を標準条件とした。また、反応器２０の入口の原料の温度を同様に上下に１℃ずつ変えて、それ以外の条件については標準条件と同じ条件にて実験を行った。そして、それぞれの条件において反応器２０の各触媒層２２の入口の温度と出口の温度とを測定し、また反応器２０の出口におけるメタノールの転化率を比較した。尚、クエンチ流体であるジメチルエーテルの流量Ｆ２及び原料排出管４１から戻される未反応の原料であるメタノールの流量Ｆ３の流量については標準条件と同じ流量とした。
【００６４】
（標準条件）
反応器２０の入口温度：２７９℃
反応器２０の入口の圧力：１．５５ＭＰａ（ゲージ圧）
原料の流量に対するクエンチ量の比（Ｆ２／（Ｆ１＋Ｆ３））：０．１８
クエンチジメチルエーテル条件：１．５ＭＰａ（ゲージ圧）
ジメチルエーテル飽和蒸気（１００％）
【００６５】
（実験結果）
実験結果を表４に示す。
（表４）
【００６６】
その結果、生成物をクエンチ流体として用いることで、実験例１の結果と同様に、反応器２０の入口側の温度が変化しても、反応器２０の出口側の温度と転化率との変化を抑えることができることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の製造方法を実施するための反応装置の一例を示す概略的な構成図である。
【図２】上記の反応装置における反応器内の原料の温度変化の一例を示す概略図である。
【図３】上記の反応装置の他の例を示す縦断面図である。
【図４】上記の反応装置の他の例を示す縦断面図である。
【図５】上記の反応装置の他の例を示す縦断面図である。
【図６】上記の反応装置の他の例を示す縦断面図である。
【図７】上記の反応装置の他の例を示す縦断面図である。
【図８】上記の反応装置の他の例を示す縦断面図である。
【図９】上記の反応装置の他の例を示す縦断面図である。
【図１０】上記の反応装置の他の例を示す縦断面図である。
【図１１】上記の反応装置の他の例を示す縦断面図である。
【図１２】本発明の実施例における比較例に用いた装置を示す概略図である。
【図１３】本発明の実施例における比較例に用いた装置を示す概略図である。
【図１４】合成反応に用いられている従来の装置を示す概略図である。
【図１５】合成反応に用いられている従来の装置を示す概略図である。
【符号の説明】
【００６８】
２ 反応装置
２ａ 熱交換器
２ｂ 蒸発器
２０ 反応器
２２ 触媒層
２４ クエンチ流体供給管
Ｑ クエンチゾーン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応領域を複数に分割し、分割された複数の反応領域が一つまたは二つ以上の断熱型反応器に割り当てられ、原料を断熱型反応器内に供給し、発熱を伴う平衡反応により目的物を製造するときに行う温度制御方法において、
原料を１段目の反応領域に供給して、目的物を含む反応生成物を得る工程と、
次いで、前段側の反応領域から取り出された反応生成物と未反応の原料とからなる混合物を順次後段側の反応領域に供給し、目的物を含む反応生成物を得る工程と、
前記反応領域同士の間の少なくとも１カ所において、前記混合物にクエンチ流体を供給して、混合することにより当該混合物を冷却する工程と、を含み、
前記クエンチ流体は、前記クエンチ流体の供給領域よりも後段側の反応領域で得られた前記反応生成物の一部及び前記断熱型反応器以外で得られた前記目的物と同じ化合物の少なくとも一方を含むことを特徴とする反応器内部の温度制御方法。
【請求項２】
前記クエンチ流体は、最終段の反応領域にて得られた反応生成物を冷却した後の反応生成物の一部を含むことを特徴とする請求項１に記載の反応器内部の温度制御方法。
【請求項３】
前記複数の反応領域は、各々触媒層により構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の反応器内部の温度制御方法。
【請求項４】
分割された前記反応領域は３個であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の反応器内部の温度制御方法。
【請求項５】
前記冷却する工程は、前記クエンチ流体の供給量と組成と温度との少なくとも一つを調整して行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の反応器内部の温度制御方法。
【請求項６】
前記発熱を伴う平衡反応は、メタノールを原料として、水と目的物であるジメチルエーテルとからなる反応生成物を得る反応である請求項１ないし５のいずれか一つに記載の反応器内部の温度制御方法。
【請求項７】
前記クエンチ流体は、ジメチルエーテルとジメチルエーテル及び水の混合流体とのいずれかを含むことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一つに記載の反応器内部の温度制御方法。
【請求項８】
原料を断熱型反応器内に供給し、発熱を伴う平衡反応により目的物を製造する反応装置において、
反応領域を複数に分割し、分割された複数の反応領域が割り当てられる一つまたは二つ以上の断熱型反応器と、
１段目の反応領域に原料を供給する手段と、
前記反応領域同士の間の少なくとも１カ所に介在し、前段側の反応領域から取り出された前記反応生成物と未反応の原料とからなる混合物にクエンチ流体を供給し、混合することにより当該混合物を冷却するためのクエンチゾーンと、
前記クエンチゾーンよりも後段側の反応領域で得られた前記反応生成物の一部及び前記断熱型反応器以外で得られた前記目的物と同じ化合物の少なくとも一方を含む流体をクエンチ流体としてクエンチゾーンに供給する手段と、を備えたことを特徴とする反応装置。
【請求項９】
最終段の反応領域において得られた反応生成物を冷却するための冷却手段を備え、
前記クエンチ流体は、前記冷却手段により冷却された後の前記反応生成物の一部を含む流体であることを特徴とする請求項８に記載の反応装置。
【請求項１０】
前記複数の反応領域は、各々触媒層により構成されていることを特徴とする請求項８または９に記載の反応装置。
【請求項１１】
分割された前記反応領域は３個であることを特徴とする請求項８ないし１０のいずれか一つに記載の反応装置。
【請求項１２】
前記クエンチ流体の供給量と組成と温度との少なくとも一つを調整して、前記クエンチ流体を前記クエンチゾーンに供給するような制御部を備えたことを特徴とする請求項８ないし１１のいずれか一つに記載の反応装置。
【請求項１３】
前記発熱を伴う平衡反応は、メタノールを原料として、水と目的物であるジメチルエーテルとからなる反応生成物を得る反応である請求項８ないし１２のいずれか一つに記載の反応装置。
【請求項１４】
前記クエンチ流体は、ジメチルエーテルとジメチルエーテル及び水の混合流体とのいずれかを含むことを特徴とする請求項８ないし１３のいずれか一つに記載の反応装置。
【請求項１５】
反応領域を複数に分割し、分割された複数の反応領域が一つまたは二つ以上の断熱型反応器に割り当てられ、メタノールを断熱型反応器内に供給し、脱水縮合反応によりジメチルエーテルを製造する方法において、
メタノールを１段目の反応領域に供給して、ジメチルエーテルと水とからなる反応生成物を得る工程と、
次いで、前段側の反応領域から取り出された反応生成物と未反応のメタノールとからなる混合物を順次後段側の反応領域に供給し、ジメチルエーテルと水とからなる反応生成物を得る工程と、
前記反応領域同士の間の少なくとも１カ所において、前記混合物にクエンチ流体を供給して、混合することにより当該混合物を冷却する工程と、を含み、
前記クエンチ流体は、前記クエンチ流体の供給領域よりも後段側の反応領域で得られたジメチルエーテル及び水の少なくとも一方と、前記断熱型反応器以外で得られたジメチルエーテルと、のいずれかを含むことを特徴とするジメチルエーテルの製造方法。
【請求項１６】
前記冷却する工程は、前記クエンチ流体の供給量と組成と温度との少なくとも一つを調整して行うことを特徴とする請求項１５に記載のジメチルエーテルの製造方法。
【請求項１７】
前記クエンチ流体は、最終段の反応領域にて得られ、冷却した後のジメチルエーテル及び水のいずれかを含むことを特徴とする請求項１５または１６に記載のジメチルエーテルの製造方法。
【請求項１８】
前記複数の反応領域は、各々触媒層により構成されていることを特徴とする請求項１５ないし１７のいずれか一つに記載のジメチルエーテルの製造方法。
【請求項１９】
分割された前記反応領域は３個であることを特徴とする請求項１５ないし１８のいずれか一つに記載のジメチルエーテルの製造方法。
【請求項２０】
前記クエンチ流体は、ジメチルエーテルに混在している副生成物である水と未反応のメタノールとを除去した後のジメチルエーテルの一部であることを特徴とする請求項１５ないし１９のいずれか一つに記載のジメチルエーテルの製造方法。
【請求項１】
反応領域を複数に分割し、分割された複数の反応領域が一つまたは二つ以上の断熱型反応器に割り当てられ、原料を断熱型反応器内に供給し、発熱を伴う平衡反応により目的物を製造するときに行う温度制御方法において、
原料を１段目の反応領域に供給して、目的物を含む反応生成物を得る工程と、
次いで、前段側の反応領域から取り出された反応生成物と未反応の原料とからなる混合物を順次後段側の反応領域に供給し、目的物を含む反応生成物を得る工程と、
前記反応領域同士の間の少なくとも１カ所において、前記混合物にクエンチ流体を供給して、混合することにより当該混合物を冷却する工程と、を含み、
前記クエンチ流体は、前記クエンチ流体の供給領域よりも後段側の反応領域で得られた前記反応生成物の一部及び前記断熱型反応器以外で得られた前記目的物と同じ化合物の少なくとも一方を含むことを特徴とする反応器内部の温度制御方法。
【請求項２】
前記クエンチ流体は、最終段の反応領域にて得られた反応生成物を冷却した後の反応生成物の一部を含むことを特徴とする請求項１に記載の反応器内部の温度制御方法。
【請求項３】
前記複数の反応領域は、各々触媒層により構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の反応器内部の温度制御方法。
【請求項４】
分割された前記反応領域は３個であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の反応器内部の温度制御方法。
【請求項５】
前記冷却する工程は、前記クエンチ流体の供給量と組成と温度との少なくとも一つを調整して行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の反応器内部の温度制御方法。
【請求項６】
前記発熱を伴う平衡反応は、メタノールを原料として、水と目的物であるジメチルエーテルとからなる反応生成物を得る反応である請求項１ないし５のいずれか一つに記載の反応器内部の温度制御方法。
【請求項７】
前記クエンチ流体は、ジメチルエーテルとジメチルエーテル及び水の混合流体とのいずれかを含むことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一つに記載の反応器内部の温度制御方法。
【請求項８】
原料を断熱型反応器内に供給し、発熱を伴う平衡反応により目的物を製造する反応装置において、
反応領域を複数に分割し、分割された複数の反応領域が割り当てられる一つまたは二つ以上の断熱型反応器と、
１段目の反応領域に原料を供給する手段と、
前記反応領域同士の間の少なくとも１カ所に介在し、前段側の反応領域から取り出された前記反応生成物と未反応の原料とからなる混合物にクエンチ流体を供給し、混合することにより当該混合物を冷却するためのクエンチゾーンと、
前記クエンチゾーンよりも後段側の反応領域で得られた前記反応生成物の一部及び前記断熱型反応器以外で得られた前記目的物と同じ化合物の少なくとも一方を含む流体をクエンチ流体としてクエンチゾーンに供給する手段と、を備えたことを特徴とする反応装置。
【請求項９】
最終段の反応領域において得られた反応生成物を冷却するための冷却手段を備え、
前記クエンチ流体は、前記冷却手段により冷却された後の前記反応生成物の一部を含む流体であることを特徴とする請求項８に記載の反応装置。
【請求項１０】
前記複数の反応領域は、各々触媒層により構成されていることを特徴とする請求項８または９に記載の反応装置。
【請求項１１】
分割された前記反応領域は３個であることを特徴とする請求項８ないし１０のいずれか一つに記載の反応装置。
【請求項１２】
前記クエンチ流体の供給量と組成と温度との少なくとも一つを調整して、前記クエンチ流体を前記クエンチゾーンに供給するような制御部を備えたことを特徴とする請求項８ないし１１のいずれか一つに記載の反応装置。
【請求項１３】
前記発熱を伴う平衡反応は、メタノールを原料として、水と目的物であるジメチルエーテルとからなる反応生成物を得る反応である請求項８ないし１２のいずれか一つに記載の反応装置。
【請求項１４】
前記クエンチ流体は、ジメチルエーテルとジメチルエーテル及び水の混合流体とのいずれかを含むことを特徴とする請求項８ないし１３のいずれか一つに記載の反応装置。
【請求項１５】
反応領域を複数に分割し、分割された複数の反応領域が一つまたは二つ以上の断熱型反応器に割り当てられ、メタノールを断熱型反応器内に供給し、脱水縮合反応によりジメチルエーテルを製造する方法において、
メタノールを１段目の反応領域に供給して、ジメチルエーテルと水とからなる反応生成物を得る工程と、
次いで、前段側の反応領域から取り出された反応生成物と未反応のメタノールとからなる混合物を順次後段側の反応領域に供給し、ジメチルエーテルと水とからなる反応生成物を得る工程と、
前記反応領域同士の間の少なくとも１カ所において、前記混合物にクエンチ流体を供給して、混合することにより当該混合物を冷却する工程と、を含み、
前記クエンチ流体は、前記クエンチ流体の供給領域よりも後段側の反応領域で得られたジメチルエーテル及び水の少なくとも一方と、前記断熱型反応器以外で得られたジメチルエーテルと、のいずれかを含むことを特徴とするジメチルエーテルの製造方法。
【請求項１６】
前記冷却する工程は、前記クエンチ流体の供給量と組成と温度との少なくとも一つを調整して行うことを特徴とする請求項１５に記載のジメチルエーテルの製造方法。
【請求項１７】
前記クエンチ流体は、最終段の反応領域にて得られ、冷却した後のジメチルエーテル及び水のいずれかを含むことを特徴とする請求項１５または１６に記載のジメチルエーテルの製造方法。
【請求項１８】
前記複数の反応領域は、各々触媒層により構成されていることを特徴とする請求項１５ないし１７のいずれか一つに記載のジメチルエーテルの製造方法。
【請求項１９】
分割された前記反応領域は３個であることを特徴とする請求項１５ないし１８のいずれか一つに記載のジメチルエーテルの製造方法。
【請求項２０】
前記クエンチ流体は、ジメチルエーテルに混在している副生成物である水と未反応のメタノールとを除去した後のジメチルエーテルの一部であることを特徴とする請求項１５ないし１９のいずれか一つに記載のジメチルエーテルの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−１４９５３１（Ｐ２００９−１４９５３１Ａ）
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２６４６０（Ｐ２００７−３２６４６０）
【出願日】平成１９年１２月１８日（２００７．１２．１８）
【出願人】（０００００４４１１）日揮株式会社 (94)
【出願人】（０００００４４６６）三菱瓦斯化学株式会社 (1,281)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１８日（２００７．１２．１８）
【出願人】（０００００４４１１）日揮株式会社 (94)
【出願人】（０００００４４６６）三菱瓦斯化学株式会社 (1,281)
【Ｆターム（参考）】
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