JP2005262030A

JP2005262030A - 高粘性流体中の揮発性物質の除去装置

Info

Publication number: JP2005262030A
Application number: JP2004075601A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nagahata; 寛長畑; Kiyoshi Takahashi; 清高橋; Takamitsu Hama; 貴光濱
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】高い伝熱効率に基づいて、短時間で効率良く高粘性流体中の揮発性物質を除去でき、従来の装置に比較してメインテナンスが容易であり、装置の大型化も比較的容易にできる高粘性流体中の揮発性物質の除去装置を提供することと、該装置の加熱装置に対する予備加熱装置として好適に用いられ得る高粘性流体の加熱装置を提供すること。
【解決手段】内部が減圧もしくは加圧可能な容器本体と、外形横断面形状が楕円もしくは扁平形状である被加熱流体通過管を多数有する多管式熱交換器を有しており、該多管式熱交換器から吐出される被加熱流体を前記内部が減圧もしくは加圧可能な容器本体内に導入するように構成されていることを特徴とする高粘性流体中の揮発性物質の除去装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、粘度が１〜３００，０００ポイズ、好ましくは２０〜１５０，０００ポイズ等の高粘性流体中から揮発性物質を効率的に除去することのできる高粘性流体の揮発性物質の除去装置に関し、具体的には、例えばスチレン系重合体等の重合体中に含有されている溶剤やモノマー等の揮発性物質を短時間で効率的に除去することを実現する装置に関する。

更に詳しくは、減圧もしくは加圧可能な容器本体と加熱装置として熱交換器を備える高粘性流体中の揮発性物質の除去装置に関し、その熱交換器における高い伝熱効率に基づいて、短時間で効率良く高粘性流体中の揮発性物質を除去できるとともに、従来の装置に比較してメインテナンスが容易であり、装置の大型化も比較的容易にできるという高粘性流体中の揮発性物質の除去装置に関するものである。

例えば、重合工程より送り出されたスチレン系重合体等の重合体には、通常、未反応モノマーや溶剤等の揮発性物質が含まれているが、特に残存する溶剤濃度の制御が品質上、重要であり、溶剤の低濃度化が望まれている。

このような除去に用いることのできる装置としては、重合体を発泡させ、分散させた後、竪型多管式熱交換器に通して昇温し、気液分離区域でフラッシュさせて除去するという発明が知られている（特許文献１、２）。しかし、これらの装置の場合は、装置全体が大型化し、かつ複雑になるという欠点がある。

また、外部から加熱された円筒内面に機械的攪拌により不純物を含有している高粘性物質を押し付け、押し広げ、表面更新による表面積拡大を行い、加熱および蒸気によって不純物の脱揮を行なっている薄膜式蒸発器の場合、モーター動力が必要で、ランニングコストが大幅に高くなるという問題がある。

また、そのような問題点を解消するため、熱媒体の供給・排出管路と高粘性流体の供給管路を備えたプレートフィン型の熱交換器を本体に設け、この熱交換器に供給された重合体が熱交換器内を通過する間に加熱された後、容器本体内に吐出されて揮発性の不純物を脱揮するようにした装置も提案されている（特許文献３、４）。

しかしながら、かかるプレートフィン型の熱交換器を本体に設けた装置は、構造が複雑となるため、メンテナンス性が悪く、また、熱交換器製作上の制約から装置の大型化が困難であるという問題があった。

また、多数の小型円形チューブがシェル内に設けられた小型円形チューブ型熱交換器を用いることも行われているが、該熱交換器では、チューブ横断面形状が円形であるために被加熱流体と加熱熱媒との伝熱効率が悪く、短時間で効率的に揮発性物質を除去することはできなかった。

特に、例えば、重合工程より送り出されたスチレン系重合体等の重合体は、通常、１〜３００，０００ポイズなどと粘度が高いものであるが、そのような高粘性という特性を有する液体をうまく加熱して、揮発性物質を除去することは難しかったのである。
特公昭４８−２９７９７号公報特開昭５１−１３４７８１号公報特開昭６１−９７３０２号公報参照特許第２７４１１７２号公報

本発明の目的は、上述したような点に鑑み、高い伝熱効率に基づいて、短時間で効率良く高粘性流体中の揮発性物質を除去できるとともに、従来の装置に比較してメインテナンスが容易であり、装置の大型化も比較的容易にできるという高粘性流体中の揮発性物質の除去装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的として、下記（１）の本発明にかかる高粘性流体中の揮発性物質の除去装置の具体的構成において、更に、高粘性流体の原料液を予備的に加熱する装置として好適に用いることのできる高粘性流体の加熱装置を提供することにある。

上述した目的を達成する本発明の高粘性流体中の揮発性物質の除去装置は、以下の（１）の構成からなる。
（１）内部が減圧もしくは加圧可能な容器本体と、外形横断面形状が扁平形状である被加熱流体通過管を多数有する多管式熱交換器を有しており、該多管式熱交換器から吐出される被加熱流体を前記内部が減圧可能な容器本体内に導入するように構成されていることを特徴とする高粘性流体中の揮発性物質の除去装置。

また、上述した本発明の他の目的を達成する高粘性流体の加熱装置は、以下の（２）の構成からなる。
（２）熱媒がシェル中心軸方向に通過できるシェル内に該シェルの中心軸方向に流通しかつその外形横断面形状が実質的に長径：短径＝１．３：１〜１０：１の楕円もしくは扁平形状であって被加熱流体を通過させ得る被加熱流体通過管を多数有していることを特徴とする高粘性流体の加熱装置。

また、本発明の高粘性流体中の揮発性物質の除去装置は、上記の（１）の構成に加えて、より構造的に具体的には、以下の（３）または（４）の構成からなるものである。
（３）多管式熱交換器内に高粘性流体の原料液を供給するポンプ、除去装置容器本体において揮発分離された揮発性物質を導入して凝集液化をするコンデンサー、該凝集液を回収するポット、および、揮発性物質の除去された高粘性流体液を除去装置容器本体から取り出すポンプとを有していることを特徴する請求項１記載の高粘性流体中の揮発性物質の除去装置。
（４）上記（２）記載の高粘性流体の加熱装置を、上記（１）記載の除去装置本体に導入される前の高粘性流体の原料液を予備的に加熱する予備加熱装置として備えていることを特徴とする上記（１）または（３）記載の高粘性流体中の揮発性物質の除去装置。

請求項１にかかる本発明の揮発性物質の除去装置によれば、本発明で特に採用をした多管式熱交換器の高い伝熱効率に基づいて、短時間で効率良く高粘性流体中の揮発性物質を除去できるとともに、従来の装置に比較してメインテナンスが容易であり、装置の大型化も比較的容易にできるという高粘性流体中の揮発性物質の除去装置が提供できるものである。

請求項２にかかる本発明の高粘性流体の加熱装置によれば、高い伝熱効率に基づいて、短時間で効率良く加熱できる高粘性流体の加熱装置が提供できるものである。

請求項３にかかる本発明の揮発性物質の除去装置によれば、請求項１記載の本発明の装置による効果をそのまま有するとともに、より具体的な構成を持ち、揮発性物質の回収・再利用、リサイクル使用に資することのできる揮発性物質の除去装置が提供できるものである。

請求項４にかかる本発明の揮発性物質の除去装置によれば、請求項１記載の本発明装置による効果をそのまま有するとともに、高い伝熱効率を持つ予備加熱装置を用いることによって、より短時間でかつより効率良く揮発性物質を除去することのできる装置が提供できるものである。

以下、図面等も参照しながら、更に詳しく本発明の高粘性流体中の揮発性物質の除去装置について説明をする。

まず、本発明の高粘性流体中の揮発性物質の除去装置は、その内部が減圧もしくは加圧可能な容器本体と、原料である高粘性流体の加熱をする多管式熱交換器とを、少なくとも構成要素として有しているものである。

図１に本発明にかかる高粘性流体中の揮発性物質の除去装置に関して周辺機器も含めた全体構成の１例を概要フロー図にして示す。

揮発性物質を含んだ状態の高粘性流体Ｐは、原料ドラム３からギアポンプ４などの供給手段を経由して、高粘性流体中の揮発性物質の容器本体１の上部に設けられている熱交換器２内に供給され、被加熱流体通過管５を通過する間にシェル６中の高温の熱媒体によって熱交換され、所定の温度に加熱された後、該熱交換器２の下部に開口されている開口端から減圧状態（もしくは加圧状態）に保持されている容器本体１中に、被加熱流体通過管５の数に等しい数の複数の高粘性流体流ｐ（図示していない。図２において単一の流れとして図示している）として吐出される。

７はオイルヒーターユニットなどの熱媒体の供給・循環装置であり、高粘性流体Ｐは、被加熱流体通過管５を通過する間に隣接するシェル６内を通過する熱媒体Ｈ（図示していない。図２において図示している）によって所定の温度に効率的に加熱されて所定の範囲に粘度が低下しており、含有されている揮発性物質が揮発しやすい状態となっている。

このように粘度が低下した高粘性流体Ｐが、減圧状態（もしくは加圧状態）に維持されている容器本体１内に重合体流ｐとして吐出されると、その内部より瞬間的に揮発性物質が蒸発（あるいはフラッシュ）することとなり、重合体流ｐはあたかも細い紐状になって除去装置容器本体１中を降下し、その下部に設けられている本体出口、ギアポンプ８を介して本体１中から排出され、揮発性物質を含まない高粘性物質Ａとして入手することができるものである。

一方で、高粘性流体流ｐ中から蒸発した揮発性物質Ｂは排出口から排出されて必要に応じた処理が施されるものである。例えば、図１では、揮発成分Ｂは、除去装置の容器本体１から真空ポンプ９により吸引されてコンデンサー１０に導かれ、凝縮されて液化回収される。１１はコンデンサー１０内に供給される冷媒である。該コンデンサー１０で凝縮液化された揮発性物質は凝集液ポット１２で回収され、適宜にリサイクル使用などに供されるものである。１３は排気であり、１４は窒素ガス封入を示している。

そして、本発明の高粘性流体中の揮発性物質の除去装置は、特に、除去装置の容器本体１の直前上流における高粘性流体の加熱装置として、以下に説明する特別な構造とした多管式熱交換器を利用した加熱装置を採用したことに特徴がある。

すなわち、本発明では、該多管式熱交換器が、図２に概要を示したように、シェル６内に被加熱流体Ｐを通過させる通過管５を多数有する構造のものであって、より詳しくは、熱媒Ｈがシェル中心軸方向に通過できるシェル６内に、該シェル６の中心軸方向に流通しかつその外形横断面形状が長径：短径＝１．３：１〜１０：１の楕円もしくは扁平形状であって被加熱流体を熱媒通過方向と対向する方向下に通過させ得る被加熱流体通過管５が多数設けられてなる構造のものである。このような楕円もしくは扁平形状を呈することにより、被加熱流体と熱媒とが接触する面積が増加し熱交換効率が向上するので、効果的な被加熱流体の加熱が行えるのである。

図３は、被加熱流体通過管５の外形横断形状を説明する概略横断面図であり、該被加熱流体通過管５の外形横断形状は、実質的に、長径Ｌａ：短径Ｌｂ＝１．３：１〜１０：１の楕円もしくは扁平形状を呈するものである。このような楕円もしくは扁平形状を呈することにより、被加熱流体と熱媒とが接触する面積が増加し、熱交換効率が向上するものである。

好ましい該管の外形横断形状の長径と短径の比率は、本発明者らの知見によれば、被加熱流体の粘度にもよるが、一般的には、長径：短径＝２：１〜５：１の範囲内である。最も好ましくは、熱交換効率、配置のしやすさ、製作のしやすさなどを勘案して、長径：短径＝２：１〜３．５：１の範囲内である。

また、熱交換効率をできるだけ高くするという観点から、該被加熱流体通過管５の管内通路の横断面積が０．０８〜１２ｃｍ²／本であることが好ましい。該面積よりも小さい場合には、被加熱流体の流れがスムーズに行かない場合が生じ、熱交換処理効率が低下しまたメンテナンス性においても問題が生じてくる場合があるので好ましくない。また、１２ｃｍ²／本よりも大きい場合には、被加熱流体が流れやすくはなるが、被処理流体の種類によっては、熱交換処理効率が低下する方向であり好ましくない。

より好ましい被加熱流体通過管５の管内通路の横断面積は、０．４〜１．２ｃｍ²／本である。

シェル内に設ける被加熱流体通過管５の本数については、シェル６内に、シェル内の熱媒通路横断面積：全被加熱流体通過管内通路の合計横断面積値＝２：１〜１５：１の比率の範囲内になるように多数の該管を設けることが、加熱処理効率の点から好ましい。さらに、より好ましくはシェル内の熱媒通路横断面積：全被加熱流体通過管内通路の合計横断面積値＝３．８：１〜６．５：１である。

本発明者らの知見によれば、かかる比率を満足する範囲内で被加熱流体の通過管を設けない場合、熱交換処理効率が低下することとなり、熱交換処理効率、単位時間当たりの処理量、単位スペース当たりの処理量などのバランスのとれた処理ができなくなるので、好ましくない。

被加熱理流体通過管の長さは、通常の場合、１００〜３０００ミリメートルとするのがよい。これよりも長いと、装置が大型化して好ましくなく、また、これよりも短い場合には、熱交換処理を効率的かつ処理量とのバランス性良く行うことがむずかしくなる。

また、該熱交換器２のシェル６内で、複数の被処理流体通過管５がどのように配置されるかは、シェル６内の熱媒通路横断面積：全通過管内通路の合計横断面積値の比率、また前述の長径短径比とも合わせて、重要なものである。

図４は、本発明にかかる熱交換器２のシェル６内における被処理流体通過管５の配置状態を例示したシェル横断面概略図である。図４に示したように、上述した好ましい範囲などの適宜本数の被加熱流体通過管が設けられるものである。

図５は、更にその好ましい配置例について一部拡大概略モデル図で示したものである。

すなわち、同図（ａ）に示したような千鳥状配置、同図（ｂ）に示したよう碁盤の目状配置、同図（ｃ）に示したような織目状配置（ｃ）等が好ましいものであり、本発明者らの知見によれば、中でも千鳥状配置が最も好ましいものである。

本発明の装置を用いて処理されるべき流体は、例えば、粘度が１〜３００，０００ポイズの流体であれば効果を良好に発揮し得て処理できるものであり、特に限定されるものではないが、例えば、スチレン、ビニルトルエン、α−メチルスチレン等のスチレン系モノマーの単独重合体もしくは共重合体、スチレン系モノマーとアクリロニトリル、アクリル酸メチル、メタアクリル酸メチル等のモノマーとの共重合体、スチレン系モノマーと共重合可能なゴム状物との共重合体スチレン系重合体などの上述した高粘性流体の処理に特に好適なものである。中でも、粘度が好ましくは２０〜１５０，０００ポイズ等の高粘性流体に本発明装置を使用すると得られる効果がより高いものとなる。

以上説明した熱交換器については、単独で、伝熱効率のよい流体の加熱装置として用いることもできるものである。

また、本発明の高粘性流体中の揮発性物質の除去装置においても、容器本体上部に設けられる多管式熱交換器に導入される前の高粘性流体の原料を予備的に加熱する装置として好適に用いることができる。

図１は、本発明にかかる高粘性流体中の揮発性物質の除去装置を、周辺機器も含めた全体構成の１例を示した概要フロー図である。図２は、本発明にかかる高粘性流体中の揮発性物質の除去装置に関して熱交換器２内の構造を説明する概略断面モデル図である。図３は、本発明の装置で用いることのできる被加熱流体通過管５の外形横断形状を説明する概略横断面図である。図４は、本発明にかかる熱交換器２のシェル６内における被処理流体通過管５の配置状態を例示したシェル横断面概略図である。図５は、図４の態様におけるその更にその好ましい配置例について、一部拡大概略モデル図で示したものである。

符号の説明

１：高粘性流体中の揮発性物質の除去容器
２：熱交換器
３：原料ドラム
４：ポンプ
５：被加熱流体通過管
６：シェル
７：熱媒体の供給・循環装置
８：ギヤポンプ
９：真空ポンプ
1O：コンデンサー
11：冷媒
12：凝集液ポット
13：排気
14：窒素ガス封入
Ａ：揮発成分を含まない高粘性物質
Ｂ：揮発成分
Ｐ：高粘性流体
ｐ：高粘性流体流
Ｈ：熱媒体
Ｌａ：長径
Ｌｂ：短径

Claims

内部が減圧もしくは加圧可能な容器本体と、外形横断面形状が楕円もしくは扁平形状である被加熱流体通過管を多数有する多管式熱交換器を有しており、該多管式熱交換器から吐出される被加熱流体を前記内部が減圧もしくは加圧可能な容器本体内に導入するように構成されていることを特徴とする高粘性流体中の揮発性物質の除去装置。
熱媒がシェル中心軸方向に通過できるシェル内に該シェルの中心軸方向に流通しかつその外形横断面形状が実質的に長径：短径＝１．３：１〜１０：１の楕円もしくは扁平形状であって被加熱流体を通過させ得る被加熱流体通過管を多数有していることを特徴とする高粘性流体の加熱装置。
多管式熱交換器内に高粘性流体の原料液を供給するポンプ、減圧もしくは加圧可能な容器本体において揮発分離された揮発性物質を導入して凝集液化をするコンデンサー、該凝集液を回収するポット、および、揮発性物質の除去された高粘性流体を容器本体から取り出すポンプを有していることを特徴する請求項１記載の高粘性流体中の揮発性物質の除去装置。
請求項２記載の高粘性流体の加熱装置を、請求項１記載の除去装置本体に導入される前の高粘性流体原料液を予備的に加熱する予備加熱装置として備えていることを特徴とする請求項１または３記載の高粘性流体中の揮発性物質の除去装置。