反應溫度控制方法及反應裝置的製作方法

2023-05-31 08:13:01 2

專利名稱：反應溫度控制方法及反應裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及反應溫度控制方法及反應裝置，具體地，涉及在具有液相 的發熱反應中，用於控制反應器內的溫度的反應溫度控制方法和適於控制 具有液相的發熱反應的反應溫度的反應裝置。
背景技術：
發熱反應中，為有效地反應，需要將反應溫度控制在適度的範圍內。 在用於控制具有液相的發熱反應的反應溫度的除熱操作中，與通過使 用冷卻水等的顯熱進行除熱相比，通過使用水蒸氣等的潛熱進行除熱因為 在載熱體中能儲藏的熱量多，所以更合適。此外，在通過潛熱除熱的情況 下，能夠減少每單位熱量的載熱體使用量，進而，例如將水蒸氣等的載熱 體用於其他的設備的熱源等，也能夠實現熱量的有效利用。作為利用水蒸氣的潛熱除熱的反應裝置，在特開2001-87644號公報 中記述了具有如下結構的反應裝置，即反應器；在該反應器的外面，由 飽和蒸汽壓的水和水蒸氣構成的載熱體流動的流路；將該載熱體倒入流路 的導入機構；變更該載熱體的壓力的壓力變更機構。此外，在特表 2006-513839號公報中記述有進行發熱氣相反應的多槽型套管反應裝置， 其特徵在於具有利用氣化冷卻工作的至少一個反應區域；利用循環冷卻 工作的至少一個反應區域；根據情況的其他的區域，利用氣化冷卻工作的反應區域形成第一反應區域，在該反應區域上連接利用氣化冷卻的另一個 反應區域或利用冷卻循環工作的一個反應區域。根據這些反應裝置，通過使流過反應器的外面或多槽型套管反應裝置 的套的載熱體(飽和蒸汽壓的水及水蒸氣)的飽和蒸汽壓變動，並調節載 熱體的溫度，能夠控制上述反應裝置內的反應溫度。此外，作為用於控制反應溫度的除熱操作的其他的例，舉例如，使反應裝置內的反應液在設置於反應器的外部的流路循環，在途中通過熱交換 器等除熱，所謂的外部循環除熱。作為除熱操作中的除熱量的控制因子，舉例如，載熱體與反應裝置內 的反應系的傳熱面積的增減、導熱率的增減、載熱體和反應裝置內的反應 系統的溫度差的增減等。但是，如上述各文獻中記載的反應裝置，利用套等在反應裝置的外面 除熱的情況下，難以控制上述的傳熱面積或導熱率。因此，存在反應溫度 的控制幅度變小，除熱量的控制性能低等問題。此外，即使除熱操作為外部循環除熱的情況下，也難以通過傳熱面積 或導熱率的增減控制除熱量。而且考慮在外部循環除熱的情況下，例如通 過反應液的循環量的增減控制除熱量。但是，從伴隨外部循環量的變動的 反應系統的組成變化，或外部循環後的液體與反應器內的液體的混合導致 溫度不均勻的觀點出發，因為對反應液的外部循環量產生限制，所以即使 在此情況下，產生反應溫度的控制幅度變小，反應溫度的控制性能低的不 適情況。發明內容本發明的目的在於提供一種發熱反應中的反應溫度的控制性能優良 的反應溫度控制方法和適於該反應溫度控制方法的反應裝置。為達到上述目的，本發明的反應溫度控制方法的特徵在於，通過設置 在反應器的外部的流路，使反應液及/或反應蒸汽循環，在該循環的中途利 用氣液平衡狀態的載熱體進行除熱，並且通過調節所述載熱體的壓力來調 節所述載熱體的溫度。在該反應溫度控制方法中，因為載熱體為氣液平衡狀態，所以能夠利 用載熱體的潛熱進行反應系統的除熱。此外，在該反應溫度控制方法中， 通過調節載熱體的壓力(飽和蒸汽壓)，能夠適宜地調節處於氣液平衡狀 態的載熱體的溫度(飽和溫度)。因此，根據該反應溫度控制方法，利用 載熱體的壓力控制載熱體與反應裝置內的反應系統的溫度差的增減，能夠 適宜地設定反應系統的除熱量。本發明的反應溫度控制方法優選適用於具有液相的發熱反應中的反應溫度的控制，更優選適用於利用氣液接觸的發熱反應。在本發明的反應溫度控制方法中，通過設置在所述反應器的外部的第 一流路使反應液循環，並在該循環的中途利用氣液平衡狀態的第一載熱體 進行除熱，通過設置在所述反應器的外部的第二流路使反應蒸汽循環，並 在該循環的中途利用氣液平衡狀態的第二載熱體進行除熱，利用各自獨立 地調節所述第一載熱體的壓力及所述第二載熱體的壓力來控制反應溫度。在此情況下，能夠利用使反應系統的反應液外部循環進行除熱的處 理，和使反應系統的反應蒸汽外部循環進行除熱的處理的兩個處理，控制 反應溫度。由此，通過使反應溫度控制中需要的除熱量分擔在上述兩個處 理上，能夠減輕對於一個除熱處理的過重的負擔。本發明的反應裝置的特徵在於，具備反應器，其用於進行具有液相 的發熱反應；反應系統循環路，其用於通過設置在反應器的外部的流路， 使反應液及/或反應蒸汽循環；熱交換器，其設置在所述反應系統循環路的 中途；載熱體循環路，其對於所述熱交換器，用於使氣液平衡狀態的載熱 體循環；控制機構，其基於所述反應器內的反應溫度，用於控制所述載熱 體循環路內的壓力。在該反應裝置中，反應液及/或反應蒸汽在通過反應器的外部的反應系 統循環路內循環，並由設置在反應系統循環路中途的熱交換器除熱。此外，在該反應裝置中，作為在熱交換器內循環的載熱體，使用氣液 平衡狀態的載熱體。該載熱體的溫度(飽和溫度)通過控制機構調節載熱 體循環路內的壓力(飽和蒸汽壓)而被適宜地控制。由此，載熱體與反應 裝置內的反應系統的溫度差的增減被適宜調整。並且，因為載熱體的壓力 基於反應溫度來控制，所以配合反應溫度，能夠適宜地設定載熱體與反應 裝置內的反應系統的溫度差，從而能夠適宜地控制對於反應系統的除熱 量，及反應器內的反應溫度。本發明的反應裝置優選為，作為反應系統循環路具備用於通過設置 在所述反應器的外部的第一流路，使所述反應器內的反應液循環的反應液 循環路；和通過設置在所述反應器的外部的第二流路，用於使所述反應器 內的反應蒸汽循環的反應蒸汽循環路，作為所述熱交換器，具備設置於 所述反應液循環路的中途的第一熱交換器；和設置於所述反應蒸汽循環路的中途的第二熱交換器，作為所述載熱體循環路，具備對於所述第一熱交換器，使氣液平衡狀態的第一載熱體循環的第一載熱體循環路；和對於所述第二熱交換器，使氣液平衡狀態的第二載熱體循環的第二載熱體循環路，作為控制機構，具備用於控制所述第一載熱體循環路內的壓力的第 一控制機構；和用於控制所述第二載熱體循環路內的壓力的第二控制機構。在此情況下，能夠利用使反應系統的反應液在反應液循環路內循環， 並由第一熱交換器除熱的處理，和使反應系統的反應蒸汽在反應蒸汽循環 路內循環，並由第二熱交換器除熱的處理的兩個處理，控制反應溫度。由 此，通過使反應溫度控制中需要的除熱量分擔於第一熱交換器和第二熱交 換器的兩個熱交換器中的除熱處理，由此能夠減輕對於一個除熱處理的過 重的負擔。根據本發明的反應溫度控制方法及反應裝置，通過調節載熱體的壓 力，可適宜調節載熱體的溫度，並適宜地控制熱交換量，其結果，能夠適 宜地控制反應溫度。


圖1是表示本發明的反應裝置的一實施方式的概略裝置結構圖。圖2是表示本發明的反應裝置的其他的實施方式的概略裝置結構圖。 圖3是表示本發明的反應裝置的另一個實施方式的概略裝置結構圖。 圖4 (a)及圖4 (b)表示在實施例1中的設定值變更幅度為+5'C時的反應溫度控制的動態模擬結果圖表。圖5 (a)及圖5 (b)表示在實施例1中的設定值變更幅度為一5X:時的反應溫度控制的動態模擬結果圖表。圖中，1、 36、 38 —反應裝置；2 —氣液反應槽；7 —熱交換器(第一熱交換器)；15 —熱交換器(第二熱交換器)；22—反應液。
具體實施方式
圖1是表示本發明的反應裝置的一實施方式的概略裝置結構圖，圖2 是表示本發明的反應裝置的其他的實施方式的概略裝置結構圖，圖3是表示本發明的反應裝置的另一個實施方式的概略裝置結構圖。因此，首先參照圖1，對本發明的反應溫度控制方法及反應裝置進行 說明。圖1中，該反應裝置1能夠有效地適用於例如使用氫氣等作為原料氣 的各種添加氫反應的反應裝置，其具備作為反應器的氣液反應槽2;原 料氣供給路3;原料液供給路4;作為反應液循環路(第一反應系統循環 路)的反應液取出路5及反應液回收路6;第一熱交換器7;作為第一載 熱體循環路的第一載熱體供給路8及第一載熱體回收路9;作為第一控制 機構及第二控制機構的溫度傳感器10;作為第一控制機構的第一載熱體排 出控制閥11;作為反應蒸汽循環路(第二反應系統循環路)的蒸汽取出路 13及歸還路14;第二熱交換器15;作為第二載熱體循環路的第二載熱體 供給路16及第二載熱體回收路17;作為第二控制機構的第二載熱體排出控制閥18。氣液反應槽2隻要是能夠利用氣液接觸發生發熱反應的反應槽即可， 沒有特別的限制。例如，圖示的氣液反應槽2為能夠利用氣液接觸發生發 熱反應的反應槽，由具備攪拌翼20的耐壓性的通氣攪拌槽等構成。原料氣供給路3的下遊側端部位於攪拌翼20的下方，並配置在氣液 反應槽2的底部內。在原料氣供給路3的下遊側端部設有噴嘴(或者噴淋 器(sparger)) 21。此外，該原料氣供給路3的上遊側端部連接氫氣等原 料氣源。原料液供給路4的下遊側端部配置在氣液反應槽2內。此外，在該原 料液供給路4的上遊側端部連接有硝基苯等的原料液源。圖1中，反應液取出路5和反應液回收路6是用於將氣液反應槽2內 的反應液22通過氣液反應槽2的外部，再次返回到氣液反應槽2內的流 路，即形成反應液循環路(第一反應系統循環路)。在該反應液循環路的 中途設置有用於將反應液循環路內的反應液22除熱的第一熱交換器7。反應液取出路5的上遊側端部連接在氣液反應槽2的底部，其下遊側 端部連接在第一熱交換器7。反應液回收路6的上遊側端部連接於第一熱交換器7,其下遊側端部 連接在氣液反應槽2的鉛直方向上部側。第一熱交換器7設置在反應液取出路5與反應液回收路6之間。該第 一熱交換器7為能夠利用熱交換將在反應液循環路內循環的反應液22除 熱的熱交換器。在反應液取出路5的中途設置有反應液循環用的泵23。該泵23將從 氣液反應槽2中取出到反應液取出路5中的反應液22送入第一熱交換器 7。送入到第一熱交換器7的反應液22在第一熱交換器7內被除熱後，經 由反應液回收路6，送入到氣液反應槽2內。如此，氣液反應槽2內的反 應液22通過第一熱交換器7在反應液循環路內循環。圖1中，第一載熱體供給路8和第一載熱體回收路9相對於第一熱交 換器7形成用於使氣液平衡狀態的第一載熱體循環的第一載熱體循環路。 在該第一載熱體循環路的中途設置有第一氣液分離槽24。第一載熱體供給路8的上遊側端部連接在第一氣液分離槽24的底部， 其下遊側端部連接於第一熱交換器7。第一載熱體回收路9的上遊側端部連接於第一熱交換器7，其下遊側 端部連接在第一氣液分離槽24的鉛直方向上方側。第一氣液分離槽24設置在第一載熱體供給路8與第一載熱體回收路9 之間。該第一氣液分離槽24隻要可使第一載熱體分離為蒸汽(氣體狀態) 和液(液體狀態)，沒有特別的限制，例如由圓筒型壓力容器等構成。在第一載熱體供給路8的中途，設置有第一載熱體循環用的泵25。該 泵25將從第一氣液分離槽24取出到第一載熱體供給路8的第一載熱體送 入第一熱交換器7。送入到第一熱交換器7的第一載熱體用於在第一熱交換器7內進行反 應液22的除熱，然後經由第一載熱體回收路9，送入第一氣液分離槽24。 如此，第一載熱體通過第一熱交換器7在第一載熱體循環路內循環，並對 反應液22除熱。利用第一載熱體供給路8及第一載熱體回收路9的第一載熱體的循環 並不限定於由泵25進行的強制循環，例如也可由熱虹吸效果形成的自然 循環。配合在第一熱交換器7內求得的反應液22的除熱量，且考慮載熱體 的飽和蒸汽壓選擇第一載熱體。作為第一載熱體的具體例，可舉出各種載熱體，沒有特別的限定，舉例如，水、酒精類、乙醚類、脂肪族烴類、芳 香族烴類等。這些載熱體可單獨使用，也可混合兩種以上。從第一載熱體供給路8導入第一熱交換器7內的第一載熱體在第一熱 交換器7內對反應液22除熱後，通過第一載熱體回收路9，返回到第一氣 液分離槽24內。圖1中，溫度傳感器IO和第一載熱體排出控制閥11形成用於控制第一載熱體循環路內的第一載熱體的溫度的第一控制機構。溫度傳感器10具備配置在氣液反應槽2內，用於檢測氣液反應槽2 內的反應液22的溫度的傳感器；基於反應液22的溫度，用於控制第一載 熱體排出控制閥11的開閉或開度，或控制後述的第二載熱體排出控制閥 18的開閉或開度的控制部(CPU)。第一載熱體排出控制閥11為用於控制第一載熱體從第一載熱體循環 路排出的控制閥。在圖1所示的反應裝置1中，在第一氣液分離槽24的 頂部連接第一載熱體排出路26，在該第一載熱體排出路26的中途設置有 第一載熱體排出控制閥11。第一載熱體排出路26為用於將第一載熱體向第一載熱體循環路外排 出的路。從該第一載熱體排出路26向第一載熱體循環路外進行的第一載 熱體的去除通過由溫度傳感器10的控制部(CPU)調節第一載熱體排出 控制閥11的開閉或開度來控制。第一載熱體的溫度通過適宜地調節第一載熱體排出控制閥11的開閉 或開度來調節。即，基於氣液反應槽2內的反應液22的溫度的測量結果， 利用溫度傳感器10的控制部(CPU)調節第一載熱體排出控制閥11的開 閉或開度，控制第一載熱體的排出，由此，第一載熱體循環路內的壓力被 適宜地調節。因為第一載熱體被保持在氣液平衡狀態，所以如果第一載熱 體循環路內的壓力下降，則第一載熱體的溫度降低。因為第一載熱體用於對在氣液反應槽2內的發熱反應導致溫度上升的 反應液22進行除熱，所以通常每當在第一載熱體循環路內循環時，其溫 度上升。由此，為將第一載熱體的溫度設定在適於對反應液22的進行除 熱的溫度，如上所述，適宜地打開第一載熱體排出控制閥11，從第一載熱 體循環路排出第一載熱體，使壓力下降，由此降低第一載熱體的溫度即可。此外，為維持第一載熱體的溫度，只要調節第一載熱體排出控制閥11 的開度，適宜地調節第一載熱體的排出量即可。而且，在連接於第一氣液分離槽24的底部的第一載熱體供給路8的 中途連接有第一載熱體補充路27，在該第一載熱體補充路27的中途設置 有用於控制向第一載熱體循環路內補充第一載熱體的第一載熱體補充控 制閥12。從該第一載熱體補充路27向第一載熱體循環路內進行的第一載 熱體的補充通過調節第一載熱體補充控制閥12的開閉或開度來控制。從 第一載熱體補充路27向第一載熱體循環路內補充的第一載熱體優選保持 在與第一氣液分離槽24內大致相同的氣液平衡狀態。第一載熱體排出控制閥11的開閉及開度，如上述，利用溫度傳感器 10的控制部(CPU)來調節。具體地，基於氣液反應槽2內的反應液22 的溫度的測量結果，確定第一熱交換器7中需要的除熱量，並通過溫度傳 感器10的控制部(CPU)調節第一載熱體排出控制閥11的開閉及開度， 符合第一熱交換器7中的除熱量地調節第一載熱體的壓力及溫度。如上所述，通過由溫度傳感器10的控制部(CPU)調節第一載熱體 排出控制閥11的開閉及開度，由此在第一載熱體循環路內達到氣液平衡 狀態的第一載熱體的壓力，從而控制第一載熱體的溫度。此外，通過如此 地控制第一載熱體的溫度，控制第一熱交換器7中的除熱量。由此，根據圖l所示的反應裝置1，能夠在反應液循環路中途的第一 熱交換器7中對反應液22進行除熱，此外，通過調節第一載熱體的壓力， 能夠控制其除熱量及除熱後的氣液反應槽2內的反應液的溫度。圖1中，蒸汽取出路13和歸還路14形成用於將氣液反應槽2內的反 應蒸汽通過氣液反應槽2的外部，再次循環到氣液反應槽2內的流路，即 反應蒸汽循環路(第二反應系統循環路)。此外，在該反應蒸汽循環路的 中途，設置有用於對反應蒸汽循環路內的反應蒸汽進行除熱的第二熱交換 器15。蒸汽取出路13的上遊側端部連接在氣液反應槽2的頂部，其下遊側 端部連接於第二熱交換器15。歸還路14的上遊側端部連接於第二熱交換器15，其下遊側端部連接 在氣液反應槽2的鉛直方向上部側。第二熱交換器15設置在蒸汽取出路13與歸還路14之間。該第二熱 交換器15為能夠通過熱交換將在反應蒸汽循環路內循環的反應蒸汽除熱 的熱交換器。氣液反應槽2中的反應蒸汽被取出到蒸汽取出路13中，並在第二熱 交換器15內被除熱後，分離為向後述的反應混和物取出路32排出的排出 部分和向氣液反應槽2返回的歸還部分，向氣液反應槽2歸還的歸還部分 經由歸還路14，返回到氣液反應槽2內。由此，氣液反應槽2中的反映蒸 汽的一部分通過第二熱交換器15在反應蒸汽循環路內循環。圖1中，第二載熱體供給路16和第二載熱體回收路17對於第二熱交 換器15形成用於使氣液平衡狀態的第二載熱體循環的第二載熱體循環路。 此外，在該第二載熱體循環路的中途設置有第二氣液分離槽28。第二載熱體供給路16的上遊側端部連接在第二氣液分離槽28的底 部，其下遊側端部連接於第二熱交換器15。第二載熱體回收路17的上遊側端部連接於第二熱交換器15，其下遊 側端部連接在第二氣液分離槽28的鉛直方向上方側。第二氣液分離槽28設置在第二載熱體供給路16和第二載熱體回收路 17之間。該第二氣液分離槽28隻要可使第二載熱體分離為蒸汽(氣體狀 態)和液(液體狀態)即可，沒有特別的限制，例如由圓筒型壓力容器等 構成。在第二載熱體供給路16的中途設置有第二載熱體循環用的泵29。該 泵29將從第二氣液分離槽28取出到第二載熱體供給路16中的第二載熱 體送入第二熱交換器15。被送入到第二熱交換器15的第二載熱體用於在第二熱交換器15內進 行反應蒸汽的除熱，然後經由第二載熱體回收路17，被送入到第二氣液分 離槽28。如此，第二載熱體通過第二熱交換器15，在第二載熱體循環路 內循環，從而對反應蒸汽除熱。在第二載熱體供給路16及第二載熱體回收路17中進行的第二載熱體 的循環並不限定於由泵29進行的強制循環，例如由熱虹吸效果形成的自 然循環也可。配合在第二熱交換器15內求得的反應蒸汽的除熱量，且考慮載熱體的飽和蒸汽壓選擇第二載熱體。作為第二載熱體的具體例，可舉出與第一 載熱體相同，且上述例示的載熱體可單獨使用，也可混合兩種以上使用。從第二載熱體供給路16導入到第二熱交換器15內的第二載熱體在第 二熱交換器15內對蒸汽除熱後，通過第二載熱體回收路17，返回到第二 氣液分離槽28內。圖1中，溫度傳感器IO和第二載熱體排出控制閥18形成用於控制第二載熱體循環路內的第二載熱體的溫度的第二控制機構。溫度傳感器10與上述同樣，具備配置在氣液反應槽2內、用於檢 測氣液反應槽2內的反應液22的溫度的傳感器；基於反應液22的溫度， 用於控制第二載熱體排出控制閥18的開閉或開度，或控制第一載熱體排 出控制閥11的開閉或開度的控制部(CPU)。第二載熱體排出控制閥18為用於控制第二載熱體從第二載熱體循環 路排出的控制閥。在圖1所示的反應裝置1中，在第二氣液分離槽28的 頂部連接第二載熱體排出路30，在該第二載熱體排出路30的中途設置有 第二載熱體排出控制閥18。第二載熱體排出路30為用於將第二載熱體向第二載熱體循環路外排 出的路。從該第二載熱體排出路30向第二載熱體循環路外進行的第二載 熱體的去除通過由溫度傳感器10的控制部(CPU)調節第二載熱體排出 控制闕18的開閉或開度來控制。第二載熱體的溫度通過適宜地調節第二載熱體排出控制閥18的開閉 或開度來調節。即，基於氣液反應槽2內的反應液22的溫度的測量結果， 利用溫度傳感器10的控制部(CPU)調節第二載熱體排出控制閥18的開 閉或開度，控制第二載熱體的排出，由此，第二載熱體循環路內的壓力被 適宜地調節。因為第二載熱體被保持在氣液平衡狀態，所以如果第二載熱 體循環路內的壓力下降，則第二載熱體的溫度降低。因為第二載熱體用於對在氣液反應槽2內的發熱反應導致溫度上升的 反應蒸汽進行除熱，所以通常每當在第二載熱體循環路內循環時，其溫度 上升。由此，為將第二載熱體的溫度設定在適於對反應蒸汽進行除熱的溫 度，如上所述，適宜地打開第二載熱體排出控制閥18，從第二載熱體循環 路排出第二載熱體，使壓力下降，由此降低第二載熱體的溫度即可。此外，為維持第二載熱體的溫度，只要調節第二載熱體排出控制閥18 的開度，適宜地調節第二載熱體的排出量即可。而且，在連接於第二氣液分離槽24的底部的第二載熱體供給路16的 中途連接有第二載熱體補充路31，在該第二載熱體補充路31的中途設置 有用於控制向第二載熱體循環路內補充第二載熱體的第二載熱體補充控 制閥19。從該第二載熱體補充路31向第二載熱體循環路內進行的第二載 熱體的補充通過調節第二載熱體補充控制閥19的開閉或開度來控制。從 第二載熱體補充路31向第二載熱體循環路內補充的第二載熱體優選保持 在與第二氣液分離槽28內大致相同的氣液平衡狀態。第二載熱體排出控制閥18的開閉及開度，如上述，利用溫度傳感器 10的控制部(CPU)來調節。具體地，基於氣液反應槽2內的反應液22 的溫度的測量結果，確定第二熱交換器15中需要的除熱量，並通過溫度 傳感器10的控制部(CPU)調節第二載熱體排出控制閥18的開閉及開度， 符合第二熱交換器15中的除熱量地調節第二載熱體的壓力及溫度。如上所述，通過由溫度傳感器10的控制部(CPU)調節第二載熱體 排出控制閥18的開閉及開度，由此在第二載熱體循環路內達到氣液平衡 狀態的第二載熱體的壓力，從而控制第二載熱體的溫度。此外，通過如此 地控制第二載熱體的溫度，控制第二熱交換器15中的除熱量。由此，根據圖l所示的反應裝置l，能夠在反應蒸汽循環路中途的第 二熱交換器15中對反應蒸汽進行除熱，此外，通過調節第二載熱體的壓 力，能夠控制其除熱量及除熱後的氣液反應槽2內的反應液的溫度。此外，在圖1所示的反應裝置1中，能夠分別獨立地進行由第一控制 機構進行的第一載熱體的壓力及溫度的控制，和由第二控制機構進行的第 二載熱體的壓力及溫度的控制。例如，為使氣液反應槽2內的反應液的溫度降低，可進行通過調節第 一載熱體排出控制閥11的開度，使第一載熱體循環路內的壓力降低的操 作和通過調節第二載熱體排出控制閥18的開度，使第二載熱體循環路內 的壓力降低的操作的兩方面的操作，也可僅執行各操作的任一個，也可優 先執行任一個的操作，輔助執行另一個操作。另一方面，為維持氣液反應槽2內的反應液的溫度，或使其上升，可進行通過調節第一載熱體排出控制閥11的開閉或開度，維持或使第一載熱體循環路內的壓力上升的操作和通過調節第二載熱體排出控制閥18的開閉或開度，維持或使第二載熱體循環路內的壓力上升的操作的兩方面的 操作，也可僅執行各操作的任一個，也可優先執行任一個的操作，輔助執 行另一個操作。此外，由第一控制機構進行的第一載熱體的壓力及溫度的控制和由第 二控制機構進行的第二載熱體的壓力及溫度的控制可基於比較考量第一熱交換器7中的除熱的負擔的程度和第二熱交換器15中的除熱的負擔的 程度後的結果，適宜調整。圖1中，在第二熱交換器15的歸還路14側，另外連接反應混合物取 出路32。此外，該反應混合物取出路32的下遊側端部連接於氣相反應槽 33，進而在該氣相反應槽33上連接反應生成物取出路34。氣液反應槽2內的反應生成物與未反應的反應原料或未反應的原料氣 一同作為反應蒸汽被取出到蒸汽取出路13，由第二熱交換器15除熱後， 其一部分(向氣液反應槽2內歸還的歸還部分)經由歸還路14，返回到氣 液反應槽2內。另一方面，另外一部分(向氣相反應槽33排出的排出部 分)被從第二熱交換器15取出到反應混合物取出路32，從而送入氣相反 應槽33。在氣相反應槽33中，由反應混合物取出路32送入的未反應的反應原 料和未反應的原料氣在氣相下反應。如此，反應原料與原料氣大致完全地 反應，反應生成物由反應生成物取出路34取出。第二載熱體的溫度，如上所述，基於氣液反應槽2內的反應液22的 溫度的測量，通過調節第二載熱體循環路內的壓力來控制。另外，也可基 於通過反應混合物取出路32的反應混合物的溫度的測量結果，利用溫度 傳感器35的控制部(CPU)，調節第二載熱體排出控制閥18或第二載熱 體補充控制閥19的開閉或開度，從而調節第二載熱體循環路內的壓力來 控制。例如，通過反應混合物取出路32內的反應混合物的溫度高時，存在 反應混合物中的高沸點雜質的含有比例高之虞，相反地，通過反應混合物 取出路32內的反應混合物的溫度低時，反應混合物中的未反應原料的含有比例高之虞。因此，在此種情況下，配合通過反應混合物取出路32內的反應混合物的溫度，利用溫度傳感器35的控制部(CPU)，調節第二載 熱體排出控制閥18或第二載熱體補充控制閥19的開閉或開度，由此能夠 調節第二熱交換器15內的除熱量，從而控制通過反應混合物取出路32內 的反應混合物的溫度。在圖1所示的反應裝置1中，在反應混合物取出路32上設有用於檢 測通過反應混合物取出路32內的反應混合物的溫度，並控制第二載熱體 循環路內的第二載熱體的溫度的作為第三控制機構的溫度傳感器35。該溫 度傳感器35形成用於控制第二載熱體排出控制閥18及第二載熱體補充控 制閥19，和第二載熱體循環路內的第二載熱體的溫度的第三控制機構。溫度傳感器35具備設置在反應混合物取出路32的中途、用於檢測 通過反應混合物取出路32的反應混合物的溫度的傳感器；基於反應混合 物的溫度，用於控制第二載熱體排出控制閥18的開閉或開度的控制部 (CPU)。接下來，利用圖l所示的反應裝置，對利用氣液接觸，使原料氣和原 料液發生發熱反應的本發明的反應方法的一個實施方式進行說明。在本方法中，預先在氣液反應槽2內裝入溶劑及催化劑，並從原料氣 供給路3的噴嘴21向氣液反應槽2內供給原料氣，同時從原料液供給路4 向氣液反應槽2內供給原料液。更具體地，例如在苯胺的製造中，作為溶劑，例如使用作為反應生成 物的苯胺，作為催化劑例如使用鈀/活性炭、鈀-鉑活性炭等的固體催化劑。 此外，作為原料氣例如使用氫氣，作為原料液例如使用硝基苯。溶劑的供給量根據反應負荷適宜地確定，催化劑的供給量對於液相 (即，溶劑與原料液的合計)，例如設定在0.01~2.0重量％的範圍內。此外，原料液與原料氣的供給比為原料氣相對於原料液過剩的比例， 例如，對於原料液l摩爾，在化學量論上供給1.5 5摩爾倍的原料氣。在 此情況下，原料氣在化學量論上過剩0.5 4摩爾倍。氣液反應槽2內的反應條件例如反應溫度(即，反應液(溶劑、原料 液及反應生成物的混合液)的溫度)為150~250°C，反應壓力(即，氣液 反應槽2內的壓力)為0.3~1.5MPa-G。並且，在氣液反應槽2內，利用攪拌翼20的攪拌，完全混合原料液 (硝基苯)和過剩的原料氣(氫氣)，由此氣液接觸，利用發熱反應生成 反應生成物(苯胺及水)，生成的反應生成物及未反應的原料液的一部分 伴隨未反應的原料氣，作為反應蒸汽，通過蒸汽取出路13向反應混合物 取出路32排出。而且，氣液反應槽2內的反應中，如果原料的轉化率接近100%，則 由逐次反應促進雜質的生成，所以在該氣液反應槽2內反應中，原料的轉 化率被控制在80-99.9%。氣液反應槽2中的反應液22的溫度由溫度傳感器10來管理。該溫度 傳感器10根據反應液22的溫度，為將在第一載熱體循環路上的熱交換器 7中進行的除熱，或在第二載熱體循環路上的熱交換器15中進行的除熱調 節到合適的程度，適宜地調節第一載熱體排出控制閥11及第二載熱體排 出控制閥18的開閉或開度。為將氣液反應槽2內的溫度設定在150~250°C，將第一載熱體循環路 內的第一載熱體和第二載熱體循環路內的第二載熱體的溫度(氣液平衡狀 態的載熱體的溫度)設定在100~250°C，優選設定在140 240°C，並且氣 液反應槽2內的反應溫度TQ與第一載熱體或第二載熱體的溫度T,的差 (To-T》設定在150'C以內，優選在10(TC以內。例如，載熱體為水-水蒸氣混合相的情況下，為將氣液平衡狀態的載熱 體的溫度設定在140 24(TC的範圍內，只要將載熱體的壓力設定在 0.26 3.24MPa-G的範圍內即可。載熱體的壓力在關閉第一載熱體補充控制 閥12或第二載熱體補充控制閥19的狀態下，通過打開第一載熱體排出控 制閥11或第二載熱體排出控制閥18來降低。而且，氣液反應槽2內的反應壓力例如只要通過供給氣液反應槽2內 的原料氣的量等調節即可。如上所述，如果調節第一載熱體循環路或第二載熱體循環路內的載熱 體的溫度，並管理(調整)各熱交換器7、 15中的除熱量，能夠將氣液反 應槽2內的反應溫度調節到合適的範圍，並高度地抑制向氣相反應槽33 內混入高沸點雜質。接下來，從氣液反應槽2中向蒸汽取出路取出的氣體狀態的反應生成物或未反應的原料氣在第二熱交換器15中被除熱後，分離為向氣液反應 槽2歸還的歸還部分，由反應混合物取出路32向氣相反應槽33內導入。在氣相反應槽33中預先填充例如銅-鉻系催化劑等的催化劑，此外反 應溫度保持在例如100~245'C。導入到氣相反應槽33內的未反應的原料(氣體狀態)及未反應的原 料氣發生氣相反應，生成氣體狀態的反應生成物。由此，在氣相中，原料 的轉化率實質為100%。在上述的說明中，將本發明的反應作為用於將硝基苯作為反應原料， 通過添加氫製造苯胺的反應進行了說明，但如上述的反應裝置1或後述的 圖2及圖3所示的反應裝置36、 38並不限定在適用上述反應，例如也能 夠適用在將硝基苯等的芳香族硝基化合物作為反應原料，通過添加氫，制 造苯胺等的芳香族胺的反應，或將苯等芳香族烴作為反應原料，通過添加 氫，製造環乙烷等的環鏈垸烴類的反應。重要地，本發明的反應方法或本發明的反應裝置只要是在利用氣液接 觸進行的發熱反應中，將反應生成物與過剩的原料氣作為蒸汽排出的過程 即可，能夠適用於任意的反應。此外，在上述的說明中，將在第一熱交換器或第二熱交換器內循環的 載熱體作為水-水蒸氣混合相進行了說明，但載熱體的種類並不限定於此， 能夠使用上述的各種載熱體。在圖1所示的反應裝置1中，為進行反應系統的除熱，具備反應液循 環路(第一反應系統循環路)和反應蒸汽循環路(第二反應系統循環路) 兩個循環路，此兩個反應系循環路分別具備用於供給載熱體的兩個載熱體 循環路(第一載熱體循環路及第二載熱體循環路)。另一方面，圖2所示的反應裝置36為進行反應系統的除熱，具備反 應液循環路和用於對該反應液循環路供給載熱體的載熱體循環路，圖3所 示的反應裝置38為進行反應系統的除熱，具備反應蒸汽循環路和用於對 該反應蒸汽循環路供給載熱體的載熱體循環路。因此，接下來，參照圖2及圖3，對本發明的反應溫度控制方法及反 應裝置進行說明。而且，在以下的說明中，與圖l所示的反應裝置l相同或同種的部分表示相同的符號。此外，存在省略相同或同種的部分的說明的情況。圖2中，該反應裝置36為能夠有效地適用於例如使用氫氣等作為原料氣的各種添加氫反應的反應裝置，其具備作為反應器的氣液反應槽2; 原料氣供給路3;原料液供給路4;作為反應系統循環路的反應液取出路5 及反應液回收路6;熱交換器7;作為載熱體循環路的載熱體供給路8及 載熱體回收路9;作為控制機構的溫度傳感器10;載熱體排出控制閥ll; 載熱體補充控制閥12。圖2中，反應液取出路5和反應液回收路6形成用於將氣液反應槽2 內的反應液22通過氣液反應槽2的外部，再次返回到氣液反應槽2內的 反應液循環路(反應系統循環路)。熱交換器7與圖1所示的反應裝置1中的第一熱交換器7相同。該熱 交換器7設置在反應液取出路5和反應液回收路6之間。圖2中，載熱體供給路8和載熱體回收路9對於熱交換器7形成用於 使氣液平衡狀態的載熱體循環的載熱體循環路。該載熱體循環路與圖1所 示的反應裝置1中的第一載熱體循環路相同。由氣液分離槽24取出到載熱體供給路8、並利用載熱體循環用的泵 25送入熱交換器7的載熱體在熱交換器7內被用於反應液22的除熱，然 後經由載熱體回收路9，回收回氣液分離槽24。如此，載熱體通過熱交換 器7，在載熱體循環路內循環，從而對反應液22除熱。載熱體配合在熱交換器7內需要的反應液22的除熱量，且考慮載熱 體的飽和蒸汽壓來選擇。作為載熱體的具體例，舉出與上述第一載熱體相 同的載熱體，上述例示的載熱體可以單獨使用，也可混合兩種以上使用。圖2中，溫度傳感器IO和載熱體排出控制閥11形成用於控制載熱體 循環路內的載熱體的溫度的控制機構。該控制機構與圖1所示的反應裝置 1中的第一控制機構相同。而且，載熱體排出控制閥11及載熱體補充控制 閥12分別與圖1所示的反應裝置1中的第一載熱體排出控制閥11及第一 載熱體補充控制閥12相同。載熱體的溫度通過適宜地調節載熱體排出控制閥11的開閉或開度來 調節。即，基於氣液反應槽2內的反應液22的溫度的測量結果，利用溫 度傳感器10的控制部(CPU)調節載熱體排出控制閥11的開閉或開度，控制載熱體的排出，由此，載熱體循環路內的壓力被適宜地調節。因為載 熱體被保持在氣液平衡狀態，所以如果載熱體循環路內的壓力下降，則載 熱體的溫度降低。載熱體排出控制閥11的開閉及開度，如上述，利用溫度傳感器io的 控制部(CPU)來調節。具體地，基於氣液反應槽2內的反應液22的溫 度的測量結果，確定熱交換器7中需要的除熱量，並通過溫度傳感器10 的控制部(CPU)調節載熱體排出控制閥11的開閉及開度，符合熱交換 器7中的除熱量地調節載熱體的壓力及溫度。如上所述，通過由溫度傳感器10的控制部(CPU)調節載熱體排出 控制閥11的開閉及開度，由此在載熱體循環路內達到氣液平衡狀態的載 熱體的壓力，從而控制載熱體的溫度。此外，通過如此地控制載熱體的溫 度，控制熱交換器7中的除熱量。由此，根據圖2所示的反應裝置36，能夠在反應液循環路中途的熱交 換器7中對反應液22進行除熱，此外，通過調節載熱體的壓力，能夠控 制其除熱量及除熱後的氣液反應槽2內的反應液的溫度。圖2中，反應混合物取出路37的上遊側端部連接在氣液反應槽2的 頂部，。此外，反應混合物取出路37的下遊側端部連接於氣相反應槽33， 並將從氣液反應槽2取出到反應混合物取出路37中的反應混合物送入氣 相反應槽33。氣相反應槽33及反應生成物取出路34都與圖1所示的反應裝置1相 同。在氣相反應槽33中，取出到反應混合物取出路37中的未反應原料和 原料氣在氣相下反應。如此，大致完全地反應得到反應生成物由反應生成 物取出路34取出。圖3中，該反應裝置38為能夠有效地適用於例如使用氫氣等作為原 料氣的各種添加氫反應的反應裝置，其具備作為反應器的氣液反應槽2;原料氣供給路3;原料液供給路4;作為反應系統循環路的蒸汽取出路13 及歸還路14;熱交換器15;作為載熱體循環路的載熱體供給路16及載熱 體回收路17;作為控制機構的溫度傳感器10;載熱體排出控制閥18;載熱體補充控制閥19。圖3中，蒸汽取出路13和歸還路14形成用於將氣液反應槽2內的反應蒸汽通過氣液反應槽2的外部，再次返回到氣液反應槽2內的反應蒸汽 循環路(反應系統循環路)。熱交換器15與圖1所示的反應裝置1中的第二熱交換器15相同。該 熱交換器15設置在蒸汽取出路13和歸還路14之間。圖3中，載熱體供給路16和載熱體回收路17對於熱交換器15形成 用於使氣液平衡狀態的載熱體循環的載熱體循環路。該載熱體循環路與圖 1所示的反應裝置1中的第二載熱體循環路相同。由氣液分離槽28取出到載熱體供給路16、並利用載熱體循環用的泵 29送入熱交換器15的載熱體在熱交換器15內被用於反應蒸汽的除熱，然 後經由載熱體回收路17，回收回氣液分離槽28。如此，載熱體通過熱交 換器15，在載熱體循環路內循環，從而對反應蒸汽除熱。載熱體配合在熱交換器15內需要的反應蒸汽的除熱量，且考慮載熱 體的飽和蒸汽壓來選擇。作為載熱體的具體例，舉出與上述第一載熱體相 同的載熱體，上述例示的載熱體可以單獨使用，也可混合兩種以上使用。圖3中，溫度傳感器10和載熱體排出控制閥18形成用於控制載熱體 循環路內的載熱體的溫度的控制機構。該控制機構與圖1所示的反應裝置 1中的第二控制機構相同。而且，載熱體排出控制閥18及載熱體補充控制 閥19分別與圖1所示的反應裝置1中的第二載熱體排出控制閥18及第二 載熱體補充控制闊19相同。載熱體的溫度通過適宜地調節載熱體排出控制閥18的開閉或開度來 調節。即，基於氣液反應槽2內的反應液22的溫度的測量結果，利用溫 度傳感器10的控制部(CPU)調節載熱體排出控制閥18的開閉或開度， 控制載熱體的排出，由此，載熱體循環路內的壓力被適宜地調節。因為載 熱體被保持在氣液平衡狀態，所以如果載熱體循環路內的壓力下降，則載 熱體的溫度降低。載熱體排出控制閥18的開閉及開度，如上述，利用溫度傳感器10的 控制部(CPU)來調節。具體地，基於氣液反應槽2內的反應液22的溫 度的測量結果，確定熱交換器15中需要的除熱量，並通過溫度傳感器10 的控制部(CPU)調節載熱體排出控制閥18的開閉及開度，符合熱交換 器15中的除熱量地調節載熱體的壓力及溫度。如上所述，通過由溫度傳感器10的控制部(CPU)調節載熱體排出 控制閥18的開閉及開度，由此在載熱體循環路內達到氣液平衡狀態的載 熱體的壓力，從而控制載熱體的溫度。此外，通過如此地控制載熱體的溫 度，控制熱交換器15中的除熱量。由此，根據圖3所示的反應裝置38，能夠在反應蒸汽循環路中途的熱 交換器15中對反應蒸汽進行除熱，此外，通過調節載熱體的壓力，能夠 控制其除熱量及除熱後的氣液反應槽2內的反應液的溫度。圖3中，反應混合物取出路32的上遊側端部連接在氣液反應槽2的 頂部，。此外，反應混合物取出路32的下遊側端部連接於氣相反應槽33， 並將從氣液反應槽2取出到反應混合物取出路32中的反應混合物送入氣 相反應槽33。氣相反應槽33及反應生成物取出路34都與圖1所示的反應裝置1相 同。在氣相反應槽33中，取出到反應混合物取出路32中的未反應原料和 原料氣在氣相下反應。如此，大致完全地反應得到反應生成物由反應生成 物取出路34取出。 (實施例)接下來，列舉實施例說明本發明，但本發明並不由下述的實施例限定。 實施例1為確認反應溫度控制的有效性，利用動態模擬對利用硝基苯的苯胺的 製造，實施反應器的解析。作為用於模擬的模型，對圖1所示的反應裝置1中的氣液反應槽2中 的反應採用可閃蒸(flash calculation)的完全混合型反應器模型。此外， 對上述反應裝置1中的氣相反應槽33中的反應，採用氣液混相的擠壓流 動反應器模型。在氣液反應槽2 (整體容積100m3)中，保持反應液45 m3，在以 20000kg/h供給原料液(硝基苯)的條件下模擬的結果，用於將反應溫度 216°C，氣液反應槽2內的整體壓力0.7MPa-G的條件保持在恆定的原料氣 (氫氣)的供給量為990kg/h，用於將氣液反應槽2的反應液的液面保持 穩定的原料氣的循環量為2440kg/h。此外，用於將氣液反應槽2內的反應液的溫度(216°C)保持在恆定的第一載熱體循環路內的第一載熱體的蒸汽壓力為1.6MPa-G。通過動態模擬確認了利用第一載熱體循環路內的第一載熱體的蒸汽 壓力控制氣液反應槽2內的反應液的溫度，並將其蒸汽壓力形成為上限 1.85MPa-G、下限1.35MPa-G的情況的控制性。圖4 (a)及圖4 (b)表示使氣液反應槽2內的反應液的設定溫度比 初始值上升5'C時的動態模擬結果，圖5 (a)及圖5 (b)表示使氣液反應 槽2內的反應液的設定溫度比初始值下降5'C時的動態模擬結果。圖4 (a)中，(i)表示反應液的溫度設定值(°C)， (ii)表示模擬後 的反應液的溫度(°C)， (iii)表示反應液溫度的操作輸出MV (%)， (iv) 表示模擬後的第一載熱體的溫度(°C)。此外，圖4 (b)中，(v)表示第 一載熱體壓力的操作輸出MV (%)， (vi)表示模擬後的第一載熱體的壓 力(MPa-G)。另一方面，圖5 (a)中，(i)表示反應液的溫度設定值rC)， (ii) 表示模擬後的反應液的溫度(°C)， (iii)表示反應液溫度的操作輸出MV(%)， (iv)表示模擬後的第一載熱體的溫度rc)。此外，圖5 (b)中，(v)表示第一載熱體壓力的操作輸出MV (%)， (vi)表示模擬後的第一 載熱體的壓力(MPa-G)。由上述模擬結果，如圖4 (a)及(b)、圖5 (a)及(b)所示，在任 一情況下，能夠確認良好的響應性。本發明並不限定於上述的記載，在權利要求的範圍內可實施各種設計 變更。工業上的可利用性根據本發明的反應溫度控制方法及反應裝置，通過調節載熱體的壓 力，適宜地調節載熱體的溫度，從而可適宜地控制熱交換量，其結果，能 夠適宜地控制反應溫度。
權利要求
1.一種反應溫度控制方法，其特徵在於，通過設置在反應器的外部的流路，使反應液及/或反應蒸汽循環，在該循環的中途利用氣液平衡狀態的載熱體進行除熱，並且通過調節所述載熱體的壓力來調節所述載熱體的溫度。
2. 根據權利要求1所述的反應溫度控制方法，其特徵在於， 通過設置在所述反應器的外部的第一流路使反應液循環，並在該循環的中途利用氣液平衡狀態的第一載熱體進行除熱，通過設置在所述反應器的外部的第二流路使反應蒸汽循環，並在該循 環的中途利用氣液平衡狀態的第二載熱體進行除熱，利用各自獨立地調節所述第一載熱體的壓力及所述第二載熱體的壓 力來控制反應溫度。
3. —種反應裝置，其特徵在於，具備 反應器，其用於進行具有液相的發熱反應；反應系統循環路，其用於通過設置在反應器的外部的流路，使反應液 及/或反應蒸汽循環；熱交換器，其設置在所述反應系統循環路的中途；載熱體循環路，其對於所述熱交換器，用於使氣液平衡狀態的載熱體 循環；控制機構，其基於所述反應器內的反應溫度，用於控制所述載熱體循 環路內的壓力。
4. 根據權利要求3所述的反應裝置，其特徵在於， 作為反應系統循環路具備用於通過設置在所述反應器的外部的第一流路，使所述反應器內的反應液循環的反應液循環路；和通過設置在所述 反應器的外部的第二流路，用於使所述反應器內的反應蒸汽循環的反應蒸 汽循環路，作為所述熱交換器，具備設置於所述反應液循環路的中途的第一熱 交換器；和設置於所述反應蒸汽循環路的中途的第二熱交換器，作為所述載熱體循環路，具備對於所述第一熱交換器，使氣液平衡狀態的第一載熱體循環的第一載熱體循環路；和對於所述第二熱交換器，使氣液平衡狀態的第二載熱體循環的第二載熱體循環路，作為控制機構，具備用於控制所述第一載熱體循環路內的壓力的第 一控制機構；和用於控制所述第二載熱體循環路內的壓力的第二控制機 構。
全文摘要
本發明提供一種反應裝置(1)，其具備用於進行發熱反應的氣液反應槽(2)；通過設置在氣液反應槽(2)的外部的流路，使反應液及/或反應蒸汽循環的反應系統循環路(反應液取出路(5)、反應液回收路(6)、蒸汽取出路(13)、歸還路(14))；用於使氣液平衡狀態的載熱體在熱交換器內循環的載熱體循環路(第一載熱體供給路(8)、第一載熱體回收路(9)、第二載熱體供給路(16)、第二載熱體回收路(17))；基於反應器內的反應溫度，用於控制載熱體循環路內的壓力的控制機構(溫度傳感器(10)、第一載熱體排出控制閥(11)、第一載熱體補充控制閥(12)、第二載熱體排出控制閥(18)、第二載熱體補充控制閥(19))。該裝置中，對於氣液反應槽(2)，利用氣液平衡狀態的載熱體，對在外部循環中途的反應液及/或反應蒸汽進行除熱，且通過調節該載熱體的壓力來調節該載熱體的溫度，由此控制溫度。
文檔編號C07C211/46GK101274263SQ200710160129
公開日2008年10月1日 申請日期2007年12月24日 優先權日2006年12月26日
發明者上田安志, 井上剛, 平石康晃 申請人:住友化學株式會社