特許 7515493 化学反応方法および化学反応装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-04

(45)【発行日】2024-07-12

(54)【発明の名称】化学反応方法および化学反応装置

(51)【国際特許分類】

   C07C 29/152 20060101AFI20240705BHJP

   C07C 31/04 20060101ALI20240705BHJP

   B01J 8/02 20060101ALI20240705BHJP

   B01J 8/06 20060101ALI20240705BHJP

   C07B 61/00 20060101ALN20240705BHJP

【ＦＩ】

C07C29/152

C07C31/04

B01J8/02 E

B01J8/06 301

C07B61/00 300

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021548859

(86)(22)【出願日】2020-09-17

(86)【国際出願番号】 JP2020035279

(87)【国際公開番号】W WO2021060145

(87)【国際公開日】2021-04-01

【審査請求日】2023-03-27

(31)【優先権主張番号】P 2019177458

(32)【優先日】2019-09-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000002093

【氏名又は名称】住友化学株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】鈴田 哲也

(72)【発明者】

【氏名】松田 雅人

(72)【発明者】

【氏名】中筋 雄大

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 雄一

【審査官】前田 憲彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－００９２６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２９９９２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１４９３３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２８１３１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００７－５１２４５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１０／１０１０７３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０７Ｃ ２９／

Ｃ０７Ｃ ３１／

Ｂ０１Ｊ ８／

ＣＡｐｌｕｓ／ＲＥＧＩＳＴＲＹ（ＳＴＮ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

原料ガスよりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を進行させる化学反応方法であって、前記原料ガスは、酸化炭素および水素を含み、前記生成物にメタノールを含み、
前記反応を促進する触媒と、
前記反応で生じた反応ガスの透過が可能な透過壁と、
前記透過壁とは、前記触媒を挟んで反対側に位置する第１熱交換部と、
前記透過壁と空間を隔てて配置された第２熱交換部とを備えた化学反応装置を使用し、
前記触媒に前記原料ガスを供給し、
前記第１熱交換部の前記触媒と接する側の表面の温度が前記反応ガスの露点より高い温度に維持されるように、前記第１熱交換部に第１熱媒を流通させ
前記第２熱交換部に、前記第２熱交換部の、前記空間側の表面の温度が前記反応ガスの露点以下の温度に維持されるように第２熱媒を流通させ、
前記空間内で凝縮した液体を落下させて前記原料ガスから分離することを特徴とする化学反応方法。

【請求項2】

前記触媒により触媒される反応は、発熱反応であり、前記反応ガスの露点より８０℃以上高い温度で行われ、
前記第１熱媒の温度は、前記触媒を含む触媒層の平均温度より５～３０℃低く、
前記第２熱媒の温度は、前記反応ガスの露点より２０℃以上低いことを特徴とする請求項１に記載の化学反応方法。

【請求項3】

原料ガスよりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を進行させる化学反応装置であって、前記原料ガスは、酸化炭素および水素を含み、前記生成物にメタノールを含み、
前記原料ガスが供給され、前記反応を促進する触媒と、
前記反応で生じた反応ガスの透過が可能な透過壁と、
前記透過壁とは、前記触媒を挟んで反対側に位置する第１熱交換部と、
前記透過壁と空間を隔てて配置された第２熱交換部とを備え、
前記第１熱交換部の前記触媒と接する側の表面の温度が前記反応ガスの露点より高い温度に維持されるように、前記第１熱交換部に第１熱媒が流通され、
前記第２熱交換部には、前記第２熱交換部の、前記空間側の表面の温度が前記反応ガスの露点以下の温度に維持されるように第２熱媒が流通され、
前記空間内で凝縮した液体を落下させて前記原料ガスから分離することを特徴とする化学反応装置。

【請求項4】

原料ガスよりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を内部で進行させる多重構造の反応管を少なくとも１つ含む反応容器を備え、前記原料ガスは、酸化炭素および水素を含み、前記生成物にメタノールを含み、
少なくとも１つの前記反応管のそれぞれは、
前記反応で生じた反応ガスの透過が可能な内筒と、
前記内筒が内部に設けられた、第１熱交換部を構成する外筒と、
前記内筒の内部に設けられた第２熱交換部とを備え、
前記内筒と前記外筒との間に配置された触媒層に対して前記原料ガスが供給され、
前記第２熱交換部には、前記第２熱交換部の外側表面の温度が前記反応ガスの露点以下の温度に維持されるように第２熱媒が流通され、
前記第２熱交換部と前記内筒との間に形成された第１空間内で凝縮した液体を落下させて前記原料ガスから分離し、
前記外筒の内側表面の温度が前記反応ガスの露点より高い温度に維持されるように、前記外筒の外側に第１熱媒が流通されることを特徴とする化学反応装置。

【請求項5】

前記液体および、前記触媒層を通過したガスを前記第１空間の鉛直下側で貯留する貯留部と、
前記貯留部の内部に設けられた連通管とをさらに備え、
前記連通管は、前記第１空間と連続する第２空間を前記第２熱交換部の表面との間に形成し、
前記連通管の下端は、前記貯留部に貯留された前記液体内に浸漬するように位置決めされていることを特徴とする請求項４に記載の化学反応装置。

【請求項6】

前記貯留部は、前記貯留部の内部に貯留された前記ガスを排気する排気部を備え、
前記排気部は、前記連通管の下端よりも鉛直上側の位置に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の化学反応装置。

【請求項7】

原料ガスよりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を内部で進行させる多重構造の反応管を少なくとも１つ含む反応容器を備え、前記原料ガスは、酸化炭素および水素を含み、前記生成物にメタノールを含み、
少なくとも１つの前記反応管のそれぞれは、
前記反応で生じた反応ガスの透過が可能な内筒と、
前記内筒の内部に設けられた第１熱交換部と
前記内筒が内部に設けられた、第２熱交換部を構成する外筒とを備え、
前記内筒と前記第１熱交換部との間に配置された触媒層に対して前記原料ガスが供給され、
前記外筒の内側表面の温度が前記反応ガスの露点以下の温度に維持されるように、前記外筒の外側に第２熱媒が流通され、
前記内筒と前記外筒との間に形成された第１空間内で凝縮した液体を落下させて前記原料ガスから分離し、
前記第１熱交換部には、前記第１熱交換部の表面の温度が前記反応ガスの露点より高い温度に維持されるよう第１熱媒が流通されることを特徴とする化学反応装置。

【請求項8】

前記液体を前記第１空間の鉛直下側で貯留する液体貯留部と、
前記触媒層の鉛直下側において、前記触媒層を通過したガスを貯留するガス貯留部と、
前記液体貯留部の内部に設けられた延長管とをさらに備え、
前記延長管は前記第１空間と連続する第２空間を前記液体貯留部内部に形成し、
前記延長管の下端は前記液体貯留部に貯留された前記液体内に浸漬するように位置決めされ、
前記液体貯留部と前記ガス貯留部とは、別々の空間を形成していることを特徴とする請求項７に記載の化学反応装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は原料ガスから生成物を得るための化学反応を、触媒を用いて気相で進行させる化学反応装置および化学反応方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１では、水素と、一酸化炭素あるいは二酸化炭素とを主成分とする原料ガスを触媒の存在下にて反応させてメタノールを合成する方法が開示されている。当該方法では、冷却面で液化させたメタノールを反応系外に抜き出し、平衡転化率を超えてメタノールへの反応を進行させている。

【0003】

特許文献１の発明では、メタノール合成のような発熱反応において、触媒層で発生する反応熱と、生成物の液化分離に伴い発生する凝縮熱の両方を、凝縮側に配置された冷却管によって除去している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】日本国特開２００５－２９８４１３（２００５年１０月２７日公開）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１には、１つの反応器内において、反応のための温度環境と凝縮のための温度環境との両方を、熱効率の観点から好ましい態様で実現する構成は開示されていない。

【0006】

本発明の一態様は、原料ガスから生成物を得るための化学反応を、平衡転化率を超えて進行させる場合に、反応のための温度環境と凝縮のための温度環境とを熱効率の観点から好ましく制御することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る化学反応方法は、原料ガスよりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を進行させる化学反応方法であって、前記反応を促進する触媒と、前記反応で生じた反応ガスの透過が可能な透過壁と、前記透過壁とは、前記触媒を挟んで反対側に位置する第１熱交換部と、前記透過壁と空間を隔てて配置された第２熱交換部とを備えた化学反応装置を使用し、前記触媒に前記原料ガスを供給し、前記第１熱交換部の前記触媒と接する側の表面の温度が前記反応ガスの露点より高い温度に維持されるように、前記第１熱交換部に第１熱媒を流通させ、前記第２熱交換部に、前記第２熱交換部の、前記空間側の表面の温度が前記反応ガスの露点以下の温度に維持されるように第２熱媒を流通させ、前記空間内で凝縮した液体を落下させて前記原料ガスから分離することを特徴とする。

【0008】

本発明の一態様に係る化学反応装置は、原料ガスよりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を進行させる化学反応装置であって、前記原料ガスが供給され、前記反応を促進する触媒と、前記反応で生じた反応ガスの透過が可能な透過壁と、前記透過壁とは、前記触媒を挟んで反対側に位置する第１熱交換部と、前記透過壁と空間を隔てて配置された第２熱交換部とを備え、前記第１熱交換部の前記触媒と接する側の表面の温度が前記反応ガスの露点より高い温度に維持されるように、前記第１熱交換部に第１熱媒が流通され、前記第２熱交換部には、前記第２熱交換部の、前記空間側の表面の温度が前記反応ガスの露点以下の温度に維持されるように第２熱媒が流通され、前記空間内で凝縮した液体を落下させて前記原料ガスから分離することを特徴とする。

【0009】

本発明の一態様に係る化学反応装置は、原料ガスよりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を内部で進行させる多重構造の反応管を少なくとも１つ含む反応容器を備え、少なくとも１つの前記反応管のそれぞれは、前記反応で生じた反応ガスの透過が可能な内筒と、前記内筒が内部に設けられた、第１熱交換部を構成する外筒と、前記内筒の内部に設けられた第２熱交換部とを備え、前記内筒と前記外筒との間に配置された触媒層に対して前記原料ガスが供給され、前記第２熱交換部には、前記第２熱交換部の外側表面の温度が前記反応ガスの露点以下の温度に維持されるように第２熱媒が流通され、前記第２熱交換部と前記内筒との間に形成された第１空間内で凝縮した液体を落下させて前記原料ガスから分離し、前記外筒の内側表面の温度が前記反応ガスの露点より高い温度に維持されるように、前記外筒の外側に第１熱媒が流通されることを特徴とする。

【0010】

本発明の一態様に係る化学反応装置は、原料ガスよりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を内部で進行させる多重構造の反応管を少なくとも１つ含む反応容器を備え、少なくとも１つの前記反応管のそれぞれは、前記反応で生じた反応ガスの透過が可能な内筒と、前記内筒の内部に設けられた第１熱交換部と前記内筒が内部に設けられた、第２熱交換部を構成する外筒とを備え、前記内筒と前記第１熱交換部との間に配置された触媒層に対して前記原料ガスが供給され、前記外筒の内側表面の温度が前記反応ガスの露点以下の温度に維持されるように、前記外筒の外側に第２熱媒が流通され、前記内筒と前記外筒との間に形成された第１空間内で凝縮した液体を落下させて前記原料ガスから分離し、前記第１熱交換部には、前記第１熱交換部の表面の温度が前記反応ガスの露点より高い温度に維持されるよう第１熱媒が流通されることを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明の一態様によれば、原料ガスから生成物を得るための化学反応を、平衡転化率を超えて進行させる場合に、反応のための温度環境と凝縮のための温度環境とを熱効率の観点から好ましく制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態１に係る反応装置の断面図である。

【図2】実施形態２に係る反応装置の断面図である。

【図3】実施形態２に係る反応装置が備える反応管の断面図である。

【図4】実施形態２に係る反応装置が備える第２熱交換部の断面図である。

【図5】実施形態３に係る反応装置の断面図である。

【図6】実施形態３に係る反応装置が備える反応管の断面図である。

【図7】実施形態３に係る反応装置が備える第１熱交換部の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

〔実施形態１〕
（反応装置１００の構成）
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。図１は、実施形態１に係る反応装置１００を底面に垂直な平面で切断したときの断面図である。反応装置１００は、原料ガス３１の主成分よりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を行うための化学反応装置である。

【0014】

反応装置１００では、生成物を凝縮させ、反応容器内から回収することで、化学平衡を生成物側にシフトさせ、反応を進めることが可能となる。特に、反応装置１００は、原料ガス３１に酸化炭素および水素を含み、前記生成物にメタノールを含む、下記式（１）～（３）に示す化学反応を行う装置として好適に利用できる。

【0015】

ＣＯ＋２Ｈ_２⇔ＣＨ_３ＯＨ ・・・（１）
ＣＯ_２＋３Ｈ_２⇔ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ ・・・（２）
ＣＯ_２＋Ｈ_２⇔ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ ・・・（３）
その他、ジメチルエーテルまたはアンモニアを生成物として生じる反応を行うために反応装置１００を用いることもできる。

【0016】

反応装置１００は、図１に示すように、反応容器１と、第１熱交換部２２と、第１熱交換部２２に接する触媒層３と、透過壁４０と、透過壁４０と空間４を隔てて配置される第２熱交換部５２とを備えている。透過壁４０は、触媒層３の、第１熱交換部２２が位置する側とは反対側に設けられている。反応容器１は、例えば、耐圧性を有するステンレス製の金属製の容器である。

【0017】

第１熱交換部２２は、反応容器１の内側壁面と第１熱交換壁２０とによって構成される熱交換器である。第１熱交換部２２の内部には、第１熱媒２１を流通させる第１熱媒領域２が形成されている。第１熱交換部２２には、第１熱媒２１を第１熱媒領域２に供給するための第１熱媒供給口２５、および第１熱媒２１を第１熱媒領域２から排出するための第１熱媒回収口２６が形成されている。第１熱交換壁２０は、流体が通過できない部材からなり、第１熱交換壁２０の触媒層３側の面は、第１熱交換面として作用する。図１では、第１熱交換壁２０は、板状の部材として示されているが、その形状は板状に限定されない。第１熱交換壁２０は、その表面が波状などに成形されていてもよい。また、第１熱交換部２２の形状も図１の形状に限定されず、多管式、スパイラル形状など、熱交換の効率を向上させるような多様な形状を採用することができる。

【0018】

第１熱交換部２２は、第１熱媒２１を第１熱媒領域２に流通させることによって、第１熱交換壁２０を反応ガス３２の露点より高い温度に維持することができる。触媒層３内で起こる反応が発熱反応の場合、第１熱媒２１は、反応によって生じる反応熱を冷却するための熱媒として作用する。触媒層３内で起こる反応が吸熱反応の場合、触媒層３に熱を加えるための熱媒として作用する。これにより、第１熱媒は、触媒層３の温度を反応ガス３２の露点以上に維持する。

【0019】

ここで、「反応ガス３２の露点」とは、反応ガス３２が触媒層３内に存在する温度、圧力において、気相での反応が化学平衡に達した状況で反応ガス３２を冷却した際、凝縮が開始する温度を意味する。

【0020】

反応ガス３２の露点は、気相組成と圧力を与えれば、気液平衡モデルを用いて適切な気液平衡計算を行うことにより、凝縮液組成と同時に求めることができる。圧力が１ＭＰａを超える高圧の場合は、気液平衡モデルとして、例えばＰｅｎｇ－Ｒｏｂｉｎｓｏｎ式、Ｒｅｄｉｃｈ－Ｋｗｏｎｇ－Ｓｏａｖｅ式などの拡張された３次状態方程式を用いることができる。

【0021】

第１熱交換壁２０の温度は、触媒層３全体が反応ガス３２の露点より高い温度に維持されるような温度であることがより好ましい。第１熱媒２１としては、生成物がメタノールである場合、例えば、２２０～２６５℃の高圧ボイラ水（例えば、２．２ＭＰａＧ～５．０ＭＰａＧの飽和水）、溶融金属塩（例えば、亜硝酸ナトリウムと硝酸カリウムの混合物）、熱媒油を利用することができる。なお、本明細書において、「Ａ～Ｂ」とは、Ａ以上Ｂ以下であることを示している。

【0022】

第２熱交換部５２は、反応容器１の内側壁面と第２熱交換壁５０とによって構成される熱交換器である。第２熱交換部５２の内部には、第２熱媒５１を流通させる第２熱媒領域５が形成されている。第２熱交換部５２には、第２熱媒領域５に第２熱媒５１を供給するための第２熱媒供給口５５、および第２熱媒領域５から第２熱媒５１を排出するための第２熱媒回収口５６が形成されている。第２熱交換壁５０は、流体が通過できない部材からなり、第２熱交換壁５０の空間４側の面は、第２熱交換面として作用する。図１では、第２熱交換壁５０は、板状の部材として示されているが、その形状は板状に限定されない。第２熱交換壁５０は、その表面が波状などに成形されていてもよい。また、第２熱交換部５２の形状も図１の形状に限定されず、多管式、スパイラル形状など、熱交換の効率を向上させるような多様な形状を採用することができる。

【0023】

第２熱交換部５２は、第２熱媒５１を第２熱媒領域５に流通させることによって、第２熱交換壁５０の温度を反応ガス３２の露点以下に維持することができる。第２熱媒５１としては、生成物がメタノールである場合、例えば、８０～１５０℃の低圧ボイラ水（例えば、－０．０５～０．４ＭＰａＧの飽和水）、工業用水、アンモニア水溶液、ペンタン等の炭化水素化合物、１，１，１，３，３－ペンタフルオロプロパン等のフロン化合物、を利用することができる。

【0024】

より詳細には、触媒３０により触媒される反応が、反応ガス３２の露点より８０℃以上高い温度で行われる発熱反応の場合、第１熱媒２１の温度は、触媒層３の平均温度より５～３０℃低く、第２熱媒５１の温度は、反応ガス３２の露点より２０℃以上低いことが好ましい。

【0025】

ここで、第１熱媒、第２熱媒の温度とは、それぞれの供給口における温度と回収口における温度との平均を意味する。本発明では第１熱媒２１と第２熱媒５１との温度差が大きいほど効果を得やすい。上記温度範囲では、第１熱媒２１と第２熱媒５１との温度差は、少なくとも７０℃よりも大きくなる。つまり、凝縮側である第２熱媒５１によって回収される熱が有するエクセルギーよりも、反応側である第１熱媒２１によって回収される熱が有するエクセルギーが有意に大きくなる。上記の温度範囲で第１熱媒２１および第２熱媒５１の温度を制御し、熱を回収することにより、高位のエクセルギーを有する反応熱を有効に利用することができる。

【0026】

なお、第１熱媒供給口２５および第１熱媒回収口２６、並びに第２熱媒供給口５５および第２熱媒回収口５６は、図１において、反応容器１の下部と上部とに形成されている。しかしながら、これらの位置は、用いる熱媒の圧力により、適切な位置に、適切な仕様で設けることができることを理解されたい。また、第１熱媒２１および第２熱媒５１の供給温度および供給圧力は、反応容器１内で実施される反応の温度および反応ガス３２の露点に応じて、適切な値に設定され得る。

【0027】

触媒層３には、反応に適切な触媒３０が充填されている。触媒層３は、原料ガス３１と触媒３０とが接触し、反応が進行する領域である。触媒３０として、例えば、銅および酸化亜鉛を主成分とする触媒を用いることができる。

【0028】

透過壁４０は、ガスが透過できる多孔部材を用いて構成される。透過壁４０は、反応ガス３２が通過可能であり、触媒３０が通過できない部材が利用され、例えば、適切な孔サイズの金属メッシュなどが用いられる。反応ガス３２は、未反応の原料ガスと未凝縮の反応生成物ガスとを含んでいる。

【0029】

空間４は、透過壁４０と第２熱交換壁５０との間に形成された空間である。空間４の下部には、第２熱交換壁５０の空間４側の面上で凝縮し、液化した生成物（凝縮液４１）を貯留することのできる凝縮液貯留部４７が形成されている。凝縮液４１は、凝縮液貯留部４７の底部に設けられた凝縮液回収口４６を通して、回収される。ここで、透過壁４０の空間４側の面と、第２熱交換壁５０の空間４側の面との間の距離を空間４の厚みと定義する。また、第１熱交換壁２０の触媒層３側の面と、透過壁４０の触媒層３側の面との距離を触媒層３の厚みと定義する。空間４の厚みは、触媒層３の厚みの０．０１～２．０倍が好ましく、更に好ましくは０．０５～１．０倍である。このような空間４の厚みが、第２熱交換壁５０の鉛直方向において８０％以上の領域において実現されていることが好ましく、９５％以上の領域において実現されていることがより好ましい。空間４の厚みが触媒層３の厚みの０．０１倍より小さいと、熱伝達を妨げる効果が小さく、触媒層３内にて生成物の凝縮が生じる可能性がある。空間４の厚みが触媒層３の厚みの２．０倍より大きいと、触媒層３から第２熱交換壁５０への生成物の物質移動が妨げられ、凝縮により化学平衡を生成物側にシフトさせるのが難しくなる。

【0030】

（反応の流れ）
原料ガス３１は、触媒層３の上部に設けられた原料ガス入口３５から供給され、触媒層３に充填されている触媒３０と接触することにより反応が進行する。反応により生成した反応ガス３２は、透過壁４０を通過して空間４に進む。その後、反応ガス３２が第２熱交換壁５０で反応ガス３２の露点以下に冷却されることにより、生成物が凝縮される。凝縮し、液化した生成物は、凝縮液貯留部４７に落下し、凝縮液回収口４６を介して、凝縮液４１として回収される。

【0031】

触媒層３側から透過壁４０を通過する反応ガス３２には、未反応の原料ガスも含まれる。しかしながら、未反応の原料ガスに含まれる主成分は、第２熱交換壁５０では凝縮されない。また、空間４の下部に凝縮液貯留部４７が設けられていることにより、未反応の原料ガスは凝縮液回収口４６から凝縮液４１と共に排気されることなく、再び触媒層３に戻る。

【0032】

ここで、空間４を通って触媒層３の出口に向かう未反応の原料ガスの比率が過大にならないよう、透過壁４０を通過するガス流量を適正範囲に保つことが好ましい。前記ガス流量を適正範囲に保つために、例えば、透過壁４０を形成する多孔部材の開孔率を調整してもよい。または、前記ガス流量を適正範囲に保つために、空間４内にガス流れの抵抗となる部材を挿入してもよい。

【0033】

触媒層３で反応しなかった原料を含む反応ガス３２は、反応ガス回収口３６から回収される。

【0034】

（反応熱および凝縮熱の回収）
第１熱媒２１は、例えば、２．２～５．０ＭＰａＧのボイラ水として第１熱媒供給口２５から供給される。発熱反応の場合、触媒層３で生じた反応熱は、第１熱交換壁２０を介して熱交換され、第１熱媒２１に回収される。第１熱媒２１は、第１熱媒回収口２６を通り、高圧スチーム分離ドラム（図示せず）に回収される。その後、気液分離されて得られる高圧蒸気は、例えば、原料を圧縮するための動力源として利用される。

【0035】

第２熱媒５１は、例えば、０．０５ＭＰａＧのボイラ水として第２熱媒供給口５５から供給される。第２熱媒５１は、第２熱交換壁５０を介して熱交換することで、反応ガス３２の熱を第２熱媒５１に回収する。これにより、第２熱媒５１は、空間４内の反応ガス３２の温度を第２熱交換壁５０の表面で露点以下まで低下させる。第２熱媒５１は、第２熱媒回収口５６を通り、低圧スチーム分離ドラム（図示せず）に回収される。その後、気液分離されて得られる低圧蒸気は、例えば、生成物の精製工程における熱源などとして利用される。

【0036】

（実施形態１の効果）
以上のように、実施形態１の反応装置１００は、原料ガス３１よりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を進行させる化学反応装置である。また、実施形態１の化学反応方法は、反応装置１００を使用した方法である。反応装置１００は、原料ガス３１が供給され、前記反応を促進する触媒３０と、反応ガス３２の透過が可能な透過壁４０と、第１熱交換部２２と、第２熱交換部５２とを備えている。第１熱交換部２２は、透過壁４０とは触媒３０を挟んで反対側に位置しており、第２熱交換部５２は、透過壁４０と空間４を隔てて配置されている。第２熱交換部５２には、第２熱交換部５２の、空間４側の表面の温度が反応ガス３２の露点以下の温度に維持されるように第２熱媒５１が流通される。空間４内で凝縮した液体（凝縮液）４１は、落下し、原料ガス３１から分離される。第１熱交換部２２の触媒３０と接する側の表面の温度が前記反応ガス３２の露点より高い温度に維持されるように、第１熱交換部２２に第１熱媒２１が流通される。

【0037】

反応装置１００および反応装置１００を用いた化学反応方法によれば、生成物を凝縮液４１として反応容器１内から回収することにより、気相での反応の進行が化学平衡により制約される反応系において、平衡転化率を超えて反応を進行させることができる。

【0038】

また、第１熱交換部２２および第２熱交換部５２によって、反応側および凝縮側の両方の温度を制御することが可能であり、反応装置の温度制御をより容易に、かつ確実に行うことができる。これにより、反応温度と凝縮温度とを熱効率の観点から好ましく制御することができる。

【0039】

また、反応装置１００内に空間４が形成されていることにより、透過壁４０と第２熱交換壁５０との間に距離が設けられる。これにより、触媒層３と、凝縮液４１が生成される第２熱交換壁との間の熱の伝達が妨げられ、触媒層３の、第２熱交換壁５０に近い領域が、反応ガス３２の露点以下になる可能性を低減することができる。つまり、触媒層３内で生成物の凝縮が生じる可能性を低減することができる。また、空間４の下部に凝縮液貯留部４７が設けられていることにより、反応ガス３２が、空間４を通ってそのまま反応装置から流出することを妨げ、未反応の原料ガスと触媒との接触をより確実にすることが可能となる。

【0040】

さらに、反応装置１００を用いて実施する反応が発熱反応である場合、反応熱および凝縮熱の回収という観点から、エネルギーの利用効率を従来よりも増加させることも本発明の課題の１つである。反応装置１００における化学反応が発熱反応である場合、反応装置１００は、第１熱交換部２２によって反応熱を回収し、第２熱交換部５２によって凝縮熱を回収する。

【0041】

このように、凝縮熱と、当該凝縮熱よりも高温の反応熱とを別々に回収することにより、凝縮側のみで熱を回収する場合と比較して、エクセルギーの高い回収熱を回収することができる。エクセルギーの高い回収熱は、プロセスにおいて必要な高圧反応容器への供給原料の圧縮動力源の生成などに充てることができる。また、凝縮側で回収される回収熱は、生成物の分離回収などの工程において有効利用することができる。すなわち、反応装置１００によれば、エネルギーの利用効率が従来よりも増加する。このような観点から、本発明を、反応装置１００を含む熱エネルギー回収システムとして捉えることもできる。熱エネルギー回収システムに含まれる反応装置として、後述する反応装置１００Ａまたは反応装置１００Ｂを用いてもよい。

【0042】

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について以下に説明する。なお、説明の便宜上、実施形態１にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

【0043】

図２は、実施形態２に係る反応装置１００Ａを底面に垂直な平面で切断したときの断面図である。図３は、反応装置１００Ａに含まれる反応管１０Ａを、反応管１０Ａの長軸に対して垂直な平面で切断したときの断面図である。反応装置１００Ａの基本的な原理は、反応装置１００の当該原理と同じである。反応装置１００Ａでは円筒形状の反応管を用いている点において、反応装置１００と異なっている。

【0044】

反応装置１００Ａは、反応装置１００と同様に、原料ガス３１に酸化炭素および水素を含み、生成物にメタノールを含む化学反応を行う装置として好適に利用できる。その他、ジメチルエーテルまたはアンモニアを生成物として生じる反応を行うために反応装置１００Ａを用いることもできる。

【0045】

（反応装置１００Ａ）
図２に示されるように、反応装置１００Ａは、反応容器１Ａの内部に複数の反応管１０Ａを備えている。反応容器１Ａの内部に設けられる反応管１０Ａの数は、特に限定されず、１つ以上であればよい。反応の効率を考慮すると、反応管１０Ａの数は、複数であることが好ましい。複数の反応管１０Ａの上側には、各反応管１０Ａに供給される原料ガス３１が充満する原料ガス供給部３７Ａが形成されている。複数の反応管１０Ａの下側には、反応管１０Ａの内部で凝縮した液体および、触媒層３Ａを通過したガスを貯留する貯留部４８Ａが形成されている。貯留部４８Ａの下側には、後述する第２熱交換部５２Ａから排出された第２熱媒５１を貯留する第２熱媒回収部５８Ａが形成されている。さらにその下側には、第２熱交換部５２Ａに供給される第２熱媒５１を貯留する第２熱媒供給部５７Ａが形成されている。前記各部は、金属板、例えば、ステンレス製の板で反応容器１Ａの内部空間を区切ることによって形成されている。

【0046】

反応管１０Ａは、当該反応管１０Ａの上部に位置する金属板１１Ａおよび反応管１０Ａ下部に位置する金属板１２Ａに対して開口しており、反応管１０Ａの外筒２０Ａと、金属板１１Ａ・１２Ａとは溶接により接合されている。

【0047】

図２および図３に示されるように、反応管１０Ａは、外側から順に、外筒２０Ａと、外筒２０Ａの内側壁面に接する筒状の触媒層３Ａと、触媒層３Ａの内側に設けられる内筒４０Ａと、第２熱交換部５２Ａとを備えている。第２熱交換部５２Ａは、内筒４０Ａと空間４Ａ（第１空間）を隔てて配置されている。

【0048】

第１熱交換部２２Ａは、反応容器１Ａの内側壁面の一部と、外筒２０Ａの外側壁面と、金属板１１Ａ・１２Ａとによって構成される熱交換器である。第１熱交換部２２Ａの内部には、複数の反応管１０Ａに共通の第１熱媒領域２Ａが形成されている。第１熱媒領域２Ａには、第１熱媒２１が流通される。外筒２０Ａは、流体が通過できない部材からなり、外筒２０Ａの触媒層３Ａ側の面は、第１熱交換面として作用する。

【0049】

反応容器１Ａの側壁には、第１熱媒２１を第１熱媒領域２Ａに供給するための第１熱媒供給口２５Ａおよび第１熱媒２１を第１熱媒領域２Ａから排出するための第１熱媒回収口２６Ａが形成されている。第１熱交換部２２Ａは、第１熱媒２１を第１熱媒領域２Ａに流通させることによって、外筒２０Ａを反応ガス３２の露点より高い温度に維持することができる。

【0050】

図４は、第２熱交換部５２Ａの長軸を含む平面で第２熱交換部５２Ａを切断したときの断面図である。図４に示すように、第２熱交換部５２Ａは、第２熱交換壁５０Ａと内管５９Ａとを備えている。第２熱交換壁５０Ａと内管５９Ａとの間には、第２熱媒領域５Ａが形成されている。第２熱媒領域５Ａは、第２熱媒５１が流通する領域である。

【0051】

第２熱交換部５２Ａは、２重管構造を有しており、内管５９Ａの先端は、第２熱媒供給部５７Ａの流入口５３Ａに接続されている。第２熱媒供給部５７Ａ内の第２熱媒５１は、内管５９Ａを通して第２熱交換部５２Ａ内に供給される。一方、内管５９Ａの外側壁面と第２熱交換壁５０Ａの内側壁面との間の流路は、第２熱媒回収部５８Ａの内部に連通している。第２熱媒供給部５７Ａから出て内管５９Ａ内の上端に達した第２熱媒５１は、前記流路を通過し、第２熱媒回収部５８Ａの上側壁面に形成された流出口５４Ａを通して、第２熱媒回収部５８Ａに排出される。

【0052】

第２熱交換壁５０Ａは、流体が通過できない部材からなり、第２熱交換壁５０Ａの空間４Ａ側の面は、第２熱交換面として作用する。第２熱交換部５２Ａは、第２熱媒５１を第２熱媒領域５Ａに流通させることによって、第２熱交換壁５０Ａの温度を反応ガス３２の露点以下に維持することができる。

【0053】

触媒層３Ａには、反応に適切な触媒３０が充填されている。反応管１０Ａの上端は、触媒層３Ａの上端以外の範囲が金属製のキャップによって覆われており、ガスの流通が不可能なように形成されている。触媒層３Ａの上端には開口部３８Ａが形成されており、開口部３８Ａを通して、原料ガス３１が触媒層３Ａに供給される。触媒層３Ａの下端には、開口部３９Ａが形成されている。開口部３９Ａには、例えば、金属メッシュを用いて構成される支持部材が設けられており、当該支持部材は、触媒３０の落下を防ぐ役割を果たしている。

【0054】

内筒４０Ａは、ガスが透過できる多孔部材からなり、触媒層３Ａ内で生じた生成物および未反応原料を含むガスを、第２熱交換部５２Ａ側に透過させることができる。

【0055】

空間４Ａは、内筒４０Ａと第２熱交換壁５０Ａとの間に形成された空間である。本実施形態では、空間４Ａの鉛直下側に凝縮液流通管（連通管）４２Ａが設けられている。凝縮液流通管４２Ａは、空間４Ａを鉛直下側に延長するように構成され、液体の透過できない部材を用いて構成される。より詳細には、凝縮液流通管４２Ａは、空間４Ａと連続する空間（第２空間）６Ａを第２熱交換部５２Ａの表面との間に形成する。空間４Ａおよび触媒層３Ａの厚みについての詳細は、実施形態１と同様である。また、このような空間４Ａの厚みは、第２熱交換壁５０Ａの鉛直方向において８０％以上の領域において実現されていることが好ましく、９５％以上の領域において実現されていることがより好ましい。

【0056】

反応管１０Ａの下側には、空間４Ａ内で生じた凝縮液４１および、触媒層３Ａを通過したガスを、空間４Ａの鉛直下側で貯留する貯留部４８Ａが形成されている。凝縮液流通管４２Ａは、貯留部４８Ａの内部に設けられており、凝縮液流通管４２Ａの下端は、貯留部４８Ａの底部（凝縮液貯留部４７Ａと称する）に貯留された凝縮液４１内に浸漬するように位置決めされている。

【0057】

また、貯留部４８Ａの内部における上側の空間（ガス回収領域４９Ａと称する）には、触媒層３Ａを通過した、未凝縮ガス３２Ａが貯留される。未凝縮ガス３２Ａは、反応ガス３２が凝縮することなく触媒層３Ａを通過し、ガス回収領域４９Ａ（貯留部４８Ａ）を経て凝縮液貯留部（液体貯留部）４７Ａと接触した後に排出されるガスである。貯留部４８Ａは、ガス回収領域４９Ａに貯留された、未凝縮ガス３２Ａを排気する未凝縮ガス回収口３６Ａ（排気部）を備えている。未凝縮ガス回収口３６Ａは、凝縮液流通管４２Ａの下端よりも鉛直上側の位置に設けられている。

【0058】

空間４Ａ内で凝縮された生成物である凝縮液４１は、凝縮液流通管４２Ａの内部を通り、凝縮液貯留部４７Ａに排出される。凝縮液貯留部４７Ａの凝縮液４１は、貯留部４８Ａの底部付近に設けられた凝縮液回収口４６Ａを通して回収される。ここで、凝縮液回収口４６Ａから反応ガス３２が回収されないように、凝縮液回収口４６Ａからの流体の排出制御が行われる。

【0059】

（反応の流れ）
原料ガス３１は、原料ガス入口３５Ａから供給され、開口部３８Ａを通して、反応管１０Ａ内の触媒層３Ａに供給される。触媒層３Ａ内で原料ガス３１と触媒３０とが接触することにより反応が進行する。反応により生成した反応ガス３２は、内筒４０Ａを通過して空間４Ａに進み、第２熱交換壁５０Ａの外側壁面（第２熱交換面）で反応ガス３２の露点以下に冷却されることにより、生成物が凝縮される。凝縮し、液化した生成物は、空間４Ａおよび凝縮液流通管４２Ａを通り、凝縮液貯留部４７Ａに落下する。凝縮液貯留部４７Ａに貯留された凝縮液４１は、凝縮液回収口４６Ａを介して、回収される。

【0060】

触媒層３Ａ側から内筒４０Ａを通過する反応ガス３２には、未反応の原料ガスも含まれる。しかしながら、未反応の原料ガスに含まれる主成分は、第２熱交換壁５０Ａでは凝縮されない。また、凝縮液流通管４２Ａの下端は、凝縮液貯留部４７Ａに貯留された凝縮液４１内に浸漬していることにより、凝縮液流通管４２Ａの内部を移動する未反応の原料ガスは、凝縮液４１の液面によってその進行を妨げられ、再び触媒層３Ａに戻る。ガス回収領域４９Ａには、原料ガス３１の注入により所定の圧力がかかっており、凝縮液貯留部４７Ａにおける凝縮液４１の液面にも当該圧力がかかっている。そのため、当該液面により、未反応の原料ガスが触媒層３Ａに戻らずに凝縮液流通管４２Ａの下端から排気されることが妨げられる。ここで、凝縮液貯留部４７Ａの液高さｈ_Ａは以下の関係を満たす範囲に維持されることが望ましい。

【0061】

ｈ_Ａ＝αΔＰ／ρｇ
１．０＜α＜１０
ｈ_Ａ：貯留部液高さ[ｍ]、
ΔP：触媒層を通過する反応ガスの圧力損失[Pa]
ρ：凝縮液の密度[kg/m³]
ｇ：重力加速度（＝９．８[m/s²]）、
α：係数〔-〕
ｈ_Ａが過小の場合、反応ガスの一部が空間４Ａおよび凝縮液貯留部４７Ａを通って凝縮液回収口４６Ａから凝縮液とともに流出し、触媒３０との接触効率が低下する可能性がある。ｈ_Ａが過大の場合、反応容器の高さが大きくなるとともに、空間４Ａの圧力が触媒層３Ａの圧力より大きくなり、触媒層３Ａから空間４Ａへの生成物の移動を妨げる可能性がある。

【0062】

触媒層３Ａで反応しなかった原料を含む未凝縮ガス３２Ａは、ガス回収領域４９Ａに回収され、貯留部４８Ａの上部に形成された未凝縮ガス回収口３６Ａから回収される。

【0063】

（反応熱および凝縮熱の回収）
第１熱媒２１は、第１熱媒供給口２５Ａから第１熱交換部２２Ａに供給される。触媒層３Ａで生じた反応熱は、外筒２０Ａを介して熱交換され、第１熱媒２１に回収される。第１熱媒２１は、第１熱媒回収口２６Ａを通り、高圧スチーム分離ドラム（図示せず）に回収される。その後、気液分離されて得られる高圧蒸気は、例えば、原料を圧縮するための動力源として利用される。

【0064】

第２熱媒５１は、第２熱媒供給口５５Ａから第２熱媒供給部５７Ａに供給された後、第２熱交換部５２Ａに供給される。第２熱媒５１は、第２熱交換壁５０Ａを介して熱交換することで反応ガス３２の熱を回収する。これにより、空間４Ａ内の反応ガス３２の温度を第２熱交換壁５０Ａの表面で露点以下まで低下させる。第２熱媒５１は、第２熱媒回収口５６Ａを通り、低圧スチーム分離ドラム（図示せず）に回収される。その後、気液分離されて得られる低圧蒸気は、例えば、生成物の精製工程における熱源などとして利用される。

【0065】

（実施形態２の効果）
以上のように、反応装置１００Ａは、原料ガス３１よりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を内部で進行させる多重構造の反応管１０Ａを少なくとも１つ含む、反応容器１Ａを備えている。反応管１０Ａのそれぞれは、前記反応で生じた反応ガス３２の透過が可能な内筒４０Ａと、内筒４０Ａが内部に設けられた、第１熱交換部２２Ａを構成する外筒２０Ａと、内筒４０Ａの内部に設けられた第２熱交換部５２Ａとを備えている。内筒４０Ａと外筒２０Ａとの間に配置された触媒層３Ａに対して原料ガス３１が供給される。第２熱交換部５２Ａには、第２熱交換部５２Ａの外側表面の温度が前記反応ガス３２の露点以下の温度に維持されるように第２熱媒５１が流通される。第２熱交換部５２Ａと内筒４０Ａとの間に形成された空間４Ａ（第１空間）内で凝縮した液体は、落下し、前記原料ガスから分離される。さらに、外筒２０Ａの内側表面の温度が前記反応ガス３２の露点より高い温度に維持されるように、外筒２０Ａの外側に第１熱媒２１が流通される。

【0066】

上記のように構成した反応装置１００Ａおよび反応装置１００Ａを用いた化学反応方法によれば、生成物を凝縮液４１として反応装置１００Ａ内から回収することにより、気相での反応の進行が化学平衡により制約される反応系において、平衡転化率を超えて反応を進行させることができる。

【0067】

また、第１熱交換部２２Ａおよび第２熱交換部５２Ａによって、反応側および凝縮側の両方の温度を制御することが可能であり、反応装置の温度制御をより容易に、かつ確実に行うことができる。これにより、反応温度と凝縮温度とを熱効率の観点から好ましく制御することができる。

【0068】

また、反応装置１００Ａによれば、反応熱と、凝縮熱とを、別々に回収することができる。これにより、凝縮側のみで熱を回収する場合と比較して、エクセルギーの高い回収熱を回収することができる。エクセルギーの高い回収熱は、プロセスにおいて必要な高圧反応容器への供給原料の圧縮動力源の生成などに充てることができる。また、凝縮側で回収される回収熱は、生成物の分離回収などの工程において有効利用することができる。すなわち、エネルギーの利用効率が著しく増加する。

【0069】

また、反応装置１００Ａによれば、空間４Ａが形成されていることにより、内筒４０Ａと第２熱交換壁５０Ａとの間に距離が設けられる。これにより、触媒層３Ａと、凝縮液４１が生成される第２熱交換壁５０Ａとの間の熱の伝達が妨げられ、触媒層３Ａの、第２熱交換壁５０Ａに近い領域が、反応ガス３２の露点以下になる可能性を低減することができる。つまり、触媒層３Ａ内で生成物の凝縮が生じる可能性を低減することができる。

【0070】

また、反応装置１００Ａによれば、空間４Ａおよび凝縮液流通管４２Ａの下部に凝縮液貯留部４７Ａが設けられていることにより、反応ガス３２が、空間４Ａを通ってそのまま反応装置１００Ａから流出することを妨げ、反応ガス３２と触媒３０との接触をより確実にすることが可能となる。

【0071】

〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について以下に説明する。実施形態２は、図２から分かるように、凝縮熱を回収するための第２熱媒５１と比較して、反応熱を回収するための第１熱媒２１を大量に利用することができる。つまり、実施形態２の反応装置１００Ａは、反応熱の除去が重要な反応系において、有利な構成である。

【0072】

一方、以下に詳述する実施形態３の反応装置１００Ｂは、凝縮熱の除去が重要な反応系において有利な構成である。反応装置１００Ｂの基本的な原理は、反応装置１００Ａの当該原理と同じである。

【0073】

反応装置１００Ｂも反応装置１００と同様に、原料ガス３１に酸化炭素および水素を含み、生成物にメタノールを含む化学反応を行う装置として好適に利用できる。その他、ジメチルエーテルまたはアンモニアを生成物として生じる反応を行うために反応装置１００Ｂを用いることもできる。

【0074】

図５は、反応装置１００Ｂを底面に垂直な平面で切断したときの断面図である。図６は、反応装置１００Ｂに含まれる反応管１０Ｂを、反応管１０Ｂの長軸に対して垂直な平行な平面で切断したときの断面図である。

【0075】

（反応装置１００Ｂ）
図５および図６に示されるように、反応装置１００Ｂは、反応容器１Ｂの内部に複数の反応管１０Ｂを備えている。反応容器１Ｂの内部に設けられる反応管１０Ｂの数は、特に限定されず、１つ以上であればよい。反応の効率を考慮すると、反応管１０Ｂの数は、複数であることが好ましい。複数の反応管１０Ｂの上側には、各反応管１０Ｂに供給される原料ガス３１が充満する原料ガス供給部３７Ｂが形成されている。複数の反応管１０Ｂの下側には、反応管１０Ｂの内部で凝縮した液体を貯留するための凝縮液貯留部４７Ｂ（液体貯留部）が形成されている。凝縮液貯留部４７Ｂの下側には、触媒層３Ｂを通過したガスを貯留するガス回収部４８Ｂが形成されている。ガス回収部４８Ｂの下側には、後述する第１熱交換部２２Ｂから排出された第１熱媒２１を貯留する第１熱媒回収部２８Ｂが形成されている。さらにその下側には、第１熱交換部２２Ｂに供給される第１熱媒２１を貯留する第１熱媒供給部２７Ｂが形成されている。前記各部は、金属板、例えば、ステンレス製の板で反応容器１Ｂの内部空間を区切ることによって形成されている。

【0076】

反応管１０Ｂは、外側から順に、外筒５０Ｂと、外筒５０Ｂの内側壁面と空間４Ｂ（第１空間）を隔てて配置される内筒４０Ｂと、内筒４０Ｂの内側壁面に接する筒状の触媒層３Ｂと、触媒層３Ｂの内部に設けられた第１熱交換部２２Ｂとを備える。触媒層３Ｂは、触媒層３Ａと同様の材質および構造を有している。内筒４０Ｂは、内筒４０Ａと同様の材質および構造を有している。

【0077】

第２熱交換部５２Ｂは、反応容器１Ａの内側壁面の一部と、外筒５０Ｂの外側壁面と、金属板１１Ｂ・１２Ｂとによって構成される熱交換器である。第２熱交換部５２Ｂの内部には、複数の反応管１０Ｂに共通の第２熱媒領域５Ｂが形成されている。第２熱媒領域５Ｂには、第２熱媒５１が流通される。外筒５０Ｂは、流体が通過できない部材からなり、外筒５０Ｂの内側壁面は、第２熱交換面として作用する。

【0078】

反応容器１Ｂの側壁には、第２熱媒５１を第２熱媒領域５Ｂに供給するための第２熱媒供給口５５Ｂおよび第２熱媒５１を第２熱媒領域５Ｂから排出するための第２熱媒回収口５６Ｂが形成されている。第２熱交換部５２Ｂは、第２熱媒５１を第２熱媒領域５Ｂに流通させることによって、外筒５０Ｂを反応ガス３２の露点以下の温度に維持することができる。

【0079】

図７は、第１熱交換部２２Ｂの長軸を含む平面で第１熱交換部２２Ｂを切断したときの断面図である。図７に示すように、第１熱交換部２２Ｂは、第１熱交換壁２０Ｂと内管２９Ｂとを備えている。第１熱交換壁２０Ｂと内管２９Ｂとの間には、第１熱媒領域２Ｂが形成されている。第１熱媒領域２Ｂは、第１熱媒２１が流通する領域である。

【0080】

第１熱交換部２２Ｂは、２重管構造を有しており、内管２９Ｂの先端は、第１熱媒供給部２７Ｂの流入口２３Ｂに接続されている。第１熱媒供給部２７Ｂ内の第１熱媒２１は、内管２９Ｂを通して第１熱交換部２２Ｂ内に供給される。一方、内管２９Ｂの外側壁面と第１熱交換壁２０Ｂの内側壁面との間の流路は、第１熱媒回収部２８Ｂの内部に連通している。内管２９Ｂ内を通過した第１熱媒２１は、前記流路を通過し、第１熱媒回収部２８Ｂの上側壁面に形成された流出口２４Ｂを通して、第１熱媒回収部２８Ｂに排出される。

【0081】

空間４Ｂは、内筒４０Ｂと外筒５０Ｂとの間に形成された空間である。本実施形態では、空間４Ｂの鉛直下側に凝縮液貯留部４７Ｂが設けられている。また、凝縮液流通管４２Ｂ（延長管）が、凝縮液貯留部４７Ｂの内部に、外筒５０Ｂを鉛直下側に延長するよう設けられている。凝縮液流通管４２Ｂの下端は、凝縮液貯留部４７Ｂに貯留された凝縮液４１内に浸漬するように位置決めされている。凝縮液流通管４２Ｂは、空間４Ｂと連続する空間（第２空間）６Ｂを凝縮液貯留部４７Ｂの内部に形成する。空間４Ｂおよび触媒層３Ｂの厚みについての詳細は、実施形態１と同様である。また、このような空間４Ｂの厚みは、外筒５０Ｂの鉛直方向において８０％以上の領域において実現されていることが好ましい。

【0082】

空間４Ｂ内で凝縮した液体（凝縮液４１）は、凝縮液流通管４２Ｂ内側の空間６Ｂを通り、凝縮液貯留部４７Ｂに貯留される。凝縮液貯留部４７Ｂに貯留された凝縮液４１は、凝縮液回収口４６Ｂを通して回収される。ここで、凝縮液回収口４６Ｂから反応ガス３２が回収されないように、凝縮液回収口４６Ｂからの流体の排出制御が行われる。

【0083】

触媒層３Ｂの鉛直下側には、触媒層３Ｂを通過したガスが流入するガス回収部４８Ｂ（ガス貯留部）が設けられている。ガス回収部４８Ｂは、未凝縮ガス回収口３６Ｂ（排気部）を備えている。

【0084】

このように、凝縮液貯留部４７Ｂとガス回収部４８Ｂとは、別々の空間を形成している。凝縮液貯留部４７Ｂは、気体に関しては閉空間を形成しているため、空間４Ｂを下降した原料ガス３１は、行き場を失い、触媒層３Ｂへ逆戻りすることになる。そのため、原料ガス３１が空間４Ｂを通過してそのまま外部に排出される可能性を低減できる。

【0085】

第１熱交換部２２Ｂは、ガス回収部４８Ｂを貫いており、第１熱交換部２２Ｂの内管２９Ｂの下端は、第１熱媒供給部２７Ｂの内部空間に対して開口している。内管２９Ｂの外側壁面と第１熱交換壁２０Ｂの内側壁面との間の流路は、第１熱媒回収部２８Ｂの内部に連通している。第１熱媒供給部２７Ｂから出て内管２９Ｂ内の上端に達した第１熱媒２１は、前記流路を通過し、第１熱媒回収部２８Ｂの上側壁面に形成された流出口２４Ｂを通して、第１熱媒回収部２８Ｂに排出される。

【0086】

（反応の流れ）
原料ガス３１は、原料ガス入口３５Ｂから供給され、開口部３８Ｂを通して、反応管１０Ｂ内の触媒層３Ｂに供給される。触媒層３Ｂ内で原料ガス３１と触媒３０とが接触することにより反応が進行する。反応により生成した反応ガス３２は、内筒４０Ｂを通過して空間４Ｂに進み、外筒５０Ｂの内側壁面（第２熱交換面）で反応ガス３２の露点以下に冷却されることにより、生成物が凝縮される。凝縮し、液化した生成物は、空間４Ｂを通り、凝縮液貯留部４７Ｂに落下する。凝縮液貯留部４７Ｂに貯留された凝縮液４１は、凝縮液回収口４６Ｂを介して、回収される。

【0087】

触媒層３Ｂ側から外筒５０Ｂに向かって内筒４０Ｂを通過する反応ガス３２には、未反応の原料ガスも含まれる。しかしながら、未反応の原料ガスに含まれる主成分は、外筒５０Ｂでは凝縮されない。また、凝縮液貯留部４７Ｂは、気体に関しては閉空間を形成しているため、空間４Ｂを下降した未反応の原料ガスは、行き場を失い、凝縮液４１の液面によってその進行を妨げられ、再び触媒層３Ｂに戻る。ここで、凝縮液貯留部４７Ｂの液高さｈ_Ｂは以下の関係を満たす範囲に維持されることが望ましい。

【0088】

ｈ_Ｂ＝αΔＰ／ρｇ
１．０＜α＜１０
ｈ_Ｂ：貯留部液高さ[m]、
ΔP：触媒層を通過する反応ガスの圧力損失[Pa]
ρ：凝縮液の密度[kg/m³]
ｇ：重力加速度（＝９．８[m/s²]）、
α：係数〔-〕
ｈ_Ｂが過小の場合、反応ガス３２の一部が空間４Ｂおよび凝縮液貯留部４７Ｂを通って凝縮液回収口４６Ｂから凝縮液とともに流出し、触媒３０との接触効率が低下する可能性がある。ｈ_Ｂが過大の場合、反応容器の高さが大きくなるとともに、空間４Ｂの圧力が触媒層３Ｂの圧力より大きくなり、触媒層３Ｂから空間４Ｂへの生成物の物質移動を妨げる可能性がある。

【0089】

触媒層３Ｂ内で反応せずに触媒層３Ｂを降下した原料を含む未凝縮ガス３２Ｂは、ガス回収部４８Ｂに回収され、ガス回収部４８Ｂに形成された未凝縮ガス回収口３６Ｂから回収される。

【0090】

（反応熱および凝縮熱の回収）
第１熱媒２１は、第１熱媒供給口２５Ｂから第１熱媒供給部２７Ｂに供給された後、第１熱交換部２２Ｂに供給される。触媒層３Ｂで生じた反応熱は、第１熱交換壁２０Ｂを介して熱交換され、第１熱媒２１に回収される。第１熱媒２１は、第１熱媒回収口２６Ｂを通り、高圧スチーム分離ドラム（図示せず）に回収される。その後、気液分離されて得られる高圧蒸気は、例えば、原料を圧縮するための動力源として利用される。

【0091】

第２熱媒５１は、第２熱媒供給口５５Ｂから第２熱交換部５２Ｂに供給される。第２熱媒５１は、外筒５０Ｂを介して熱交換することで、空間４Ｂ内の反応ガス３２の温度を露点以下まで低下させ、反応ガス３２の熱を回収する。第２熱媒５１は、第２熱媒回収口５６Ｂを通り、低圧スチーム分離ドラム（図示せず）に回収される。その後、気液分離されて得られる低圧蒸気は、例えば、生成物の精製工程における熱源などとして利用される。

【0092】

（実施形態３の効果）
以上のように、実施形態３の反応装置１００Ｂは、原料ガス３１よりも沸点の高い成分を生成物に含み、気相での反応の進行が原料－生成物間の化学平衡により制約される反応を内部で進行させる多重構造の反応管１０Ｂを少なくとも１つ含む反応容器１Ｂを備える。反応管１０Ｂのそれぞれは、反応ガス３２の透過が可能な内筒４０Ｂと、内筒４０Ｂの内部に設けられた第１熱交換部２２Ｂと、内筒４０Ｂが内部に設けられた、第２熱交換部５２Ｂを構成する外筒５０Ｂとを備えている。内筒４０Ｂと第１熱交換部２２Ｂとの間に配置された触媒層３Ｂに対して原料ガス３１が供給される。外筒５０Ｂの内側表面の温度が反応ガス３２の露点以下の温度に維持されるように、外筒５０Ｂの外側に第２熱媒５１が流通される。内筒４０Ｂと外筒５０Ｂとの間に形成された空間（第１空間）４Ｂ内で凝縮した液体は落下し、原料ガス３１から分離される。第１熱交換部２２Ｂには、第１熱交換部２２Ｂの表面の温度が反応ガス３２の露点より高い温度に維持されるよう第１熱媒２１が流通される。

【0093】

反応装置１００Ｂおよび反応装置１００Ｂを用いた化学反応方法によれば、生成物を凝縮液４１として反応装置１００Ｂ内から回収することにより、平衡転化率を超えて反応を進行させることができる。

【0094】

また、第１熱交換部２２Ｂおよび第２熱交換部５２Ｂによって、反応側および凝縮側の両方の温度を制御することが可能であり、反応装置の温度制御をより容易に、かつ確実に行うことができる。これにより、反応温度と凝縮温度とを熱効率の観点から好ましく制御することができる。

【0095】

また、空間４Ｂが形成されていることにより、内筒４０Ｂと外筒５０Ｂとの間に距離が設けられる。これにより、触媒層３Ｂと、凝縮液４１が生成される外筒５０Ｂとの間の熱の伝達が妨げられ、触媒層３Ｂの、外筒５０Ｂに近い領域が、反応ガス３２の露点以下になる可能性を低減することができる。つまり、触媒層３Ｂおよび内筒４０Ｂ内で生成物の凝縮が生じる可能性を低減することができる。

【0096】

さらに、本実施形態の反応装置１００Ｂによれば、凝縮液流通管４２Ｂ、凝縮液貯留部４７Ｂおよびガス回収部４８Ｂが設けられていることにより、反応ガス３２が空間４Ｂを通ってそのまま反応装置１００Ｂから流出することを妨げ、反応ガス３２と触媒３０との接触をより確実にすることが可能となる。

【0097】

また、本実施形態の反応装置１００Ｂによれば、発熱反応である場合、反応熱と、凝縮熱とを、別々に回収することができる。これにより、凝縮側のみで熱を回収する場合と比較して、エクセルギーの高い回収熱を回収することができる。すなわち、反応装置１００Ｂによれば、エネルギーの利用効率が従来よりも増加する。

【符号の説明】

【0098】

１、１Ａ、１Ｂ・・・反応容器
２、２Ａ、２Ｂ・・・第１熱媒領域
３、３Ａ、３Ｂ・・・触媒層
４・・・空間
４Ａ、４Ｂ・・・第１空間（空間）
５、５Ａ、５Ｂ・・・第２熱媒領域
６Ａ、６Ｂ・・・空間（第２空間）
１０Ａ、１０Ｂ・・・反応管
２０、２０Ｂ・・・第１熱交換壁
２０Ａ・・・外筒
２１・・・第１熱媒
２２、２２Ａ、２２Ｂ・・・第１熱交換部
３０・・・触媒
３１・・・原料ガス
３２・・・反応ガス
３２Ａ、３２Ｂ・・・未凝縮ガス
３６・・・反応ガス回収口（排気部）
３６Ａ、３６Ｂ・・・未凝縮ガス回収口（排気部）
４０・・・透過壁
４０Ａ、４０Ｂ・・・内筒
４２Ａ・・・凝縮液流通管（連通管）
４２Ｂ・・・凝縮液流通管（延長管）
４７Ａ、４７Ｂ・・・凝縮液貯留部（液体貯留部）
４８Ａ・・・貯留部
４８Ｂ・・・ガス回収部（ガス貯留部）
５０、５０Ａ・・・第２熱交換壁
５０Ｂ・・・外筒
５１・・・第２熱媒
５２、５２Ａ、５２Ｂ・・・第２熱交換部
１００、１００Ａ、１００Ｂ・・・反応装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】