JP5600048B2

JP5600048B2 - 溶剤回収装置

Info

Publication number: JP5600048B2
Application number: JP2010252574A
Authority: JP
Inventors: 博英熊谷; 雄造田中
Original assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Current assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2030-11-11
Also published as: JP2012101187A

Description

本発明は、溶剤回収装置に関する。

化学的な処理を伴う生産設備等においては、排気される気体に溶剤蒸気が含まれている。このような溶剤蒸気を回収する技術として、例えば、溶剤蒸気を凝縮させた後に吸着材に吸着させるものが提案されている（特許文献１を参照）。

特開２０１０−６９４３５号公報特開平５−１５７２５号公報特開２００８−１８０４５９号公報特開２００９−６６５７８号公報特開２００５−１０３３７８号公報

気体に含まれる溶剤蒸気を凝縮させるには、気体が流れる流路に配置したコイルの管内に冷却水あるいは冷媒を流す必要がある。この場合の冷熱源としては、冷凍機や冷却塔を挙げることができる。ここで、冷凍機の場合には膨張圧縮サイクルを行うために圧縮機で多大な動力を要するのに対し、冷却塔の場合には大気との熱交換及び気化熱の作用で冷却するため、ファンやポンプといった補機類の動力を要するだけである。このため、溶剤蒸気を含む気体の冷却に際しては可能な限り冷却塔を冷熱源として用いることがランニングコストの低減につながる。

しかしながら、冷却塔から供給される冷却水の温度は、原理的に外気温程度にまでしか下げることができないため、ガスの冷却に際し、単に冷却塔からの冷却水で始めに冷却を行い、次に冷凍機からの冷却媒体で冷却を行なうこととしただけでは、ランニングコストの更なる低減は見込めない。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、冷凍機の熱負荷を可能な限り低減してランニングコストを抑制する溶剤回収装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、冷凍機からの冷却媒体が管内を流れるコイルを有する第一の冷却器の下流側と上流側に、冷却塔からの冷却水が管内を流れるコイルをカスケード的に配置した。そして、冷却塔からの冷却水が流れる経路は、第一の冷却器の下流側に設置されたコイルを最初に通過し、次に、第一の冷却器の上流側に設置されたコイルを通過する構成を採る。

詳細には、溶剤蒸気を含む気体から溶剤を回収する溶剤回収装置であって、冷凍設備において冷却された冷却媒体が管内を流れるコイルに前記気体を接触させて、該気体に含まれる前記溶剤蒸気を凝縮させる第一の冷却器と、冷却塔から供給される冷却水が管内を流れるコイルに、前記第一の冷却器を通過した前記気体を接触させて加熱する加熱器と、前記冷却塔から供給されて前記加熱器のコイルの管内を通過した冷却水が管内を流れるコイルに、前記第一の冷却器へ流す前の前記気体を接触させて冷却する第二の冷却器と、を備
える。

上記の冷却媒体とは、冷凍設備によって製造された冷熱を輸送する液体あるいは気体であり、例えば、水やブライン、冷媒ガス等を例示できる。溶剤蒸気を含む気体から溶剤を回収する場合、気体の調温は不要なため、溶剤蒸気を凝縮させる目的で冷やした気体を、一定の温度で排出させる必要は無い。

ここで、第一の冷却器のコイルを流れる冷却媒体の温度が、少なくとも冷却塔から供給される冷却水よりも低ければ、第一の冷却器を通過した後の気体は、少なくとも冷却塔から供給される冷却水よりは低い温度になるため、この気体と熱交換を行うコイルの管内に冷却塔からの冷却水を流せば、冷却塔からの冷却水が更に冷熱を付与されて冷却される（通過気体から見ると、このコイルの下流では昇温するため、このコイルは加熱コイルとして作用する）ことになる。冷却塔を出た直後の冷却水よりも更に温度が低下した冷却水を、第一の冷却器の上流側に配置した第二の冷却器のコイルの管内に流してやることにより、第一の冷却器に流入する気体の温度が、冷却塔が配置される屋外の温度よりも更に低い温度にまで下がる。

この結果、第一の冷却器の上流側に配置したコイルに単に冷却塔からの冷却水を流す場合に比べて、第一の冷却器へ冷却媒体を供給する冷凍設備の熱負荷を大幅に削減することが可能となる。これにより、冷凍機の熱負荷を可能な限り低減してランニングコストを抑制することが可能となる。

また、前記加熱器および前記第二の冷却器のコイルの管内を流れる冷却水は、前記冷却塔を通過する水循環経路であって、該冷却塔から該加熱器を経た後、該第二の冷却器を経て再び該冷却塔へ戻る水循環経路を循環するものであってもよい。上記溶剤回収装置がこのように構成されていることにより、溶剤回収装置よりも上位の装置から送られる気体の温度が高くても、第二の冷却器や加熱器が適当な温度範囲を逸脱することなく、溶剤回収装置の運転状態を保つことができる。

また、上記溶剤回収装置は、前記加熱器を通過した前記気体中の溶剤蒸気を吸着材で吸着する吸着回収部を更に備えるものであってもよい。溶剤回収装置がこのように構成されていることにより、第一の冷却器や第二の冷却器によってもなお凝縮しない溶剤蒸気が残留していても、溶剤回収装置から排気される気体を確実に浄化することが可能である。

上記溶剤回収装置であれば、冷凍機の熱負荷を可能な限り低減してランニングコストを抑制することが可能である。

溶剤回収装置の構成図である。ＮＭＰ飽和濃度を示したグラフである。一般的な溶剤回収装置の構成図である。変形例に係る溶剤回収装置の凝縮回収部を拡大した図である。

本発明の実施形態に係る溶剤回収装置の構成を図１に示す。溶剤回収装置１は、図１に示すように、溶剤蒸気を含む所定の気体（以下、単にガスと呼ぶ）をコイルで冷却して溶剤を凝縮回収する凝縮回収部２と、凝縮回収部２を通過したガス中に残る溶剤をゼオライトあるいは活性炭等の吸着材で吸着回収する吸着回収部３とを備える。また、溶剤回収装置１は、ガスを送気する各種のファンや熱交換を行うコイルを備える。

溶剤回収装置１は、有機溶剤によって各種の化学処理を行う生産設備類から排気される排気中の溶剤蒸気を回収する装置である。本実施形態では、リチウムイオン電池工場で使用されるＮ−メチルピロリドン（以下、ＮＭＰという）の溶剤蒸気を含む生産排気からＮＭＰを回収することを前提に説明するが、その他の溶剤類であってもよい。リチウムイオン電池工場では電極製造時にＮＭＰを使用する。電極に塗布されたＮＭＰは、ドライヤ（ここでは乾燥処理炉を指す）で蒸発して排気される。溶剤回収装置１は、このドライヤが設置された建物に付帯して設置される装置であり、ドライヤの排気中の溶剤蒸気を回収する。本実施形態では、ドライヤから排気される溶剤蒸気の想定濃度を２０００ｐｐｍとしている。ドライヤの排気は、風量が２００〜１０００Ｎｍ³／ｍｉｎで温度が８０〜１０
０℃を想定しているが、以下の説明においては、風量が４８０Ｎｍ³／ｍｉｎで温度が９
７℃とする。溶剤回収装置１で用いる冷却水は、生産設備が設置された建物で生産装置の発熱部を冷却する冷却塔で生成された空調設備のものを用いている。以下、本実施形態では２種類の温度帯域の冷却水が空調用冷却水として循環している建屋に溶剤回収装置１が設置されることを前提に、溶剤回収装置１の構成や動作を説明する。

ここで、２種類の温度帯域の冷却水とは、屋外に設置された冷却塔で冷却された冷却水と、冷凍機によって冷却された冷却水（冷水と呼んでもよい）である。前者は、外気温度にもよるが、設計温度を３２℃としているため、冷却塔で冷却された冷却水の事を、以下、３２℃冷却水と呼ぶことにする。一方、後者は、冷凍機によって７℃に冷却された冷却水であるため、冷凍機で冷却された冷却水の事を、以下、７℃冷却水と呼ぶことにする。３２℃冷却水の製造に要する動力は、ヒートポンプを使った７℃冷却水の製造に要する動力に比べて遥かに小さいため、熱負荷をなるべく３２℃冷却水で処理することが、溶剤回収装置１全体が消費する動力の削減に効果的である。

凝縮回収部２は、図１に示すように、直列に並んだ４基の熱交換コイル（符号４〜７）を有している。以下、上流側から順に、予冷却器４、前置冷却器５（本発明でいう第二の冷却器に相当する）、主冷却器６（本発明でいう第一の冷却器に相当する）、後置加熱器７（本発明でいう加熱器に相当する）と呼ぶことにする。

予冷却器４は、ドライヤに外気を給気するためのファン１５Ａの下流側に設けられた予加熱器８と水循環系９を介して接続されている。このほか、溶剤回収装置１は、後述する吸着ロータ１３に冷却凝縮された残りの溶剤蒸気混じりのガスを送気するファン１５Ｂ、吸着ロータ１３の吸着機能の再生のためのファン１５Ｃを備える。各ファンの設計風量は、ファン１５Ａが４５０Ｎｍ³／ｍｉｎ、ファン１５Ｂが５３４Ｎｍ³／ｍｉｎ、ファン１５Ｃが５４Ｎｍ³／ｍｉｎである。予冷却器４は、ドライヤから送られたガスを冷却する
。予冷却器４で除去されたガスの熱は、循環ポンプ１９によって水循環系９を循環する水によって予加熱器８へ移送され、吸着回収部３で浄化されて再びドライヤへ送られるガスを加熱する。予冷却器４に流入した９７℃のガスは、６３℃になって前置冷却器５へ送られる。なお、図１に示す囲み数字は、各部位のガスの温度を示している。

水循環系９は、循環系内の圧力を大気圧よりも高く（例えば、ゲージ圧で０．２ＭＰａならば飽和蒸気温度は１３３．７℃なので、この温度以下であれば沸騰しない）なっており、ドライヤから送られるガスの温度が高温になっても系内の水が沸騰しない。水循環系９内の圧力は、アキュームレータによって一定に保たれる。

前置冷却器５は、予冷却器４によって冷却されたガスを更に冷却する。予冷却器４は、経路中に冷却塔を擁する３２℃冷却水循環系１１の冷却水でガスを冷却する。前置冷却器５に流入した６３℃のガスは、２７℃になって主冷却器６へ送られる。

主冷却器６は、前置冷却器５によって冷却されたガスを更に冷却する。主冷却器６は、経路中に冷凍機を擁する７℃冷却水循環系１２の冷却水でガスを冷却する。主冷却器６は、前置冷却器５から送られた２７℃のガスを１２℃まで冷やす。主冷却器６を通過する冷却水の流量は、主冷却器６の下流側のガスの温度が１２℃になるように温度制御を行う流量調整弁１０によって調整される。ドライヤから送られるガスが主冷却器６で１２℃まで冷やされることにより、主冷却器６の冷却コイルの表面でＮＭＰ蒸気が凝縮する。

図２は、ＮＭＰ飽和濃度を示したグラフである。凝縮回収部２では、溶剤蒸気を含むガスが予冷却器４を通過して６３℃になると溶剤蒸気の濃度が約２０００ｐｐｍ程度になり、前置冷却器５を通過して２７℃になると溶剤蒸気の濃度が約８００ｐｐｍ程度になり、主冷却器６を通過して１２℃になると溶剤蒸気の濃度が約２７０ｐｐｍになる。

後置加熱器７は、主冷却器６によって冷却されたガスを加熱する。後置加熱器７は、経路中に冷却塔を要する３２℃冷却水循環系１１の冷却水でガスを加熱する。後置加熱器７は、主冷却器６から送られた１２℃のガスを２７℃まで加熱する。

ここで、３２℃冷却水循環系１１の冷却水は、次のような経路を辿る。すなわち、冷却塔で冷却された冷却水は、冷却塔を出たのちに後置加熱器７を通り、その次に前置冷却器５を通って再び冷却塔へ戻る。後置加熱器７に流入するガスの温度が１２℃なので、後置加熱器７に流入する３２℃の冷却水は、後置加熱器７の通過後に１７℃となり、前置冷却器５へ流入する。前置冷却器５に流入するガスの温度が６３℃なので、前置冷却器５に流入する冷却水は、前置冷却器５の通過後に５３℃となり、冷却塔へ再び送られる。なお、３２℃冷却水循環系１１に設けられる冷却塔は、他の生産設備の冷却塔と統合して運用されているため、冷却塔へ再び送られる５３℃の冷却水は他の生産設備の冷却水と混合されることにより、冷却塔に戻る冷却水の返り温度は５３℃よりも低い温度になる。

以上のように構成されている凝縮回収部２であれば、熱の多くが３２℃冷却水循環系１１によって処理される。すなわち、３２℃冷却水循環系１１の冷却水を、後置加熱器７を介さないで前置冷却器５へ流した場合、前置冷却器５を通過したガスは２７℃にまでは低下しないため、７℃冷却水循環系１２の冷凍機の負荷が増大してしまう。しかし、本実施形態に係る凝縮回収部２であれば、３２℃冷却水循環系１１の冷却水を、後置加熱器７を介して前置冷却器５へ流すことにより、後置加熱器７を通過することで１７℃に冷却された冷却水が前置冷却器５を通過するので、主冷却器６に流入させるガスを予め２７℃にまで冷却することができる。

本実施形態に係る溶剤回収装置１であれば、凝縮回収部２で熱をカスケード的に有効利用しているため、例えば、図３に示す溶剤回収装置１ｘのように、３２℃冷却水循環系１１ｘの冷却水が流れる前置冷却器５ｘと７℃冷却水循環系１２ｘの冷却水が流れる主冷却器６ｘが順に並び、前置冷却器５ｘの上流側に設けた予冷却器４ｘと主冷却器６ｘの下流側に設けた後置加熱器７ｘを水循環系９の水が流れるような一般的な溶剤回収装置に比べて、７℃冷却水循環系１２の熱負荷を大幅に低減することができる（試算ではランニングコストを４０％程度削減できる）。すなわち、凝縮回収部２で処理される熱の多くが７℃冷却水循環系１２よりも遥かに動力の小さい３２℃冷却水循環系１１によって処理されることになるので、溶剤回収装置１全体が消費する動力の削減に効果的である。また、３２℃冷却水循環系１１の冷却水が大温度差で運用されるので、冷却水を循環させるための搬送動力を小さくすることができる。

凝縮回収部２によってある程度の溶剤が回収され、その最下流で昇温されたガスは、吸着回収部３へ送られて更に浄化される。吸着回収部３は、図１に示すように、吸着ロータ１３や蒸気加熱コイル１４を有しており、次のように構成されている。

吸着ロータ１３は、円筒状の部材の内部にゼオライト等の吸着材を担持したものである。吸着ロータ１３の両端面には、図示しないセクション分割カセットが配置されており、このカセットによって吸着ロータ１３のガス通過域が３つのセクションに区画される。吸着ロータ１３は、このセクション分割カセットと相対的に回転可能なようになっており、このカセットによって吸着ロータ１３に処理領域Ｒ１、再生領域Ｒ２、パージ領域Ｒ３が形成される。

処理領域Ｒ１には、ファン１５Ｂによって送られる凝縮回収部２を出た２７℃のガスが通過する。処理領域Ｒ１は、通気するガス中のＮＭＰを吸着し、浄化したガスを排出する。処理領域Ｒ１を出たガスの多くは、溶剤回収装置１を出て外気と合流し、ドライヤへ送られる。また、処理領域Ｒ１を出たガスの一部は、パージ領域Ｒ３へ送られる。なお、処理領域Ｒ１を出たガスは、一部あるいは全量を屋外へ排気してもよい。

パージ領域Ｒ３は、吸着ロータ１３がセクション分割カセットと相対的に回転することにより、吸着ロータ１３のある一点が再生領域Ｒ２から処理領域Ｒ１へ遷移する途中で形成される領域である。パージ領域Ｒ３は、再生直後でインサービス前の高温状態にある吸着材を冷却するための領域であり、処理領域Ｒ１を出たガスの一部が通過することにより冷却される。吸着ロータ１３が、図１の矢印が示す方向に回転することで、吸着ロータ１３のある一点が処理領域Ｒ１、再生領域Ｒ２、パージ領域Ｒ３の順に繰り返し遷移する。

パージ領域Ｒ３を出たガスは、蒸気加熱コイル１４で加熱された後、再生領域Ｒ２へ送られる。蒸気加熱コイル１４は、溶剤回収装置１が設置された建屋のユーティリティ配管から供給されるボイラーの蒸気でガスを加熱する。蒸気加熱コイル１４内の復水は、ドレントラップを介して再びボイラーの給水タンクへ戻される。パージ領域Ｒ３から排出された６８℃のガスは、蒸気加熱コイル１４による加熱で１３０℃になり、再生領域Ｒ２へ送られる。これにより、再生領域Ｒ２は高温になり、吸着した溶剤を離脱する。再生領域Ｒ２を出たガスは、凝縮回収部２へ再び送られる。これにより、再生加熱によって吸着ロータ１３から離脱した溶剤の多くが、凝縮回収部２の主冷却器６で凝縮して回収されることになる。なお、前述のように３２℃冷却水循環系１１の冷却塔を出た冷却水がそのままの温度で主冷却器６を出たガスと熱交換することは、蒸気加熱コイル１４に高熱を供給するボイラーの負荷低減に寄与する。

また、凝縮回収部２やファン１５Ａ，Ｂ，Ｃの下側には、予冷却器４や前置冷却器５、主冷却器６、後置加熱器７、ファン１５Ａ，Ｂ，Ｃを収容するケーシングに、凝縮したＮＭＰを回収するドレン配管１６やドレンタンク１７が接続されている。ドレンタンク１７に回収されたＮＭＰは、ドレンタンク１７内に設置された電極式のレベルセンサ１８によって発停する排水ポンプ２０によって系外へ排水される。

なお、上記溶剤回収装置１は、次のように変形してもよい。本変形例に係る溶剤回収装置の凝縮回収部を拡大した図を図４に示す。本変形例に係る溶剤回収装置の凝縮回収部２’は、３２℃冷却水が流れる前置冷却器および後置加熱器がそれぞれ２基ずつ設けられている。その他の構成については上記溶剤回収装置１と同様である。本変形例に係る溶剤回収装置の凝縮回収部２’は、図４に示すように、予冷却器４、前置冷却器５Ｆ，５Ｒ、主冷却器６、後置加熱器７Ｆ，７Ｒを有しており、凝縮回収部２’に流入したドライヤのガスがこれらの熱交換コイルを順に通過する。

本変形例に係る溶剤回収装置では、３２℃冷却水循環系１１’の冷却水は、次のような経路を辿る。すなわち、冷却塔で冷却された冷却水は、冷却塔を出たのちに後置加熱器７Ｒを通り、その次に前置冷却器５Ｆへ送られる。前置冷却器５Ｆを通過した冷却水は、後
置加熱器７Ｆへ送られ、その後に前置冷却器５Ｒを通過した後、冷却塔へ再び送られる。

以上のように構成されている凝縮回収部２’であれば、熱の多くが３２℃冷却水循環系１１’によって処理される。よって、凝縮回収部２で処理される熱の多くが、７℃冷却水循環系１２’よりも遥かに動力の小さい３２℃冷却水循環系１１’によって処理されることになるので、溶剤回収装置１全体が消費する動力の削減に効果的である。なお、本変形例では、前置冷却器と後置加熱器がそれぞれ２基ずつ設けられているが、３基以上であってもよい。

また、上記溶剤回収装置１は、主冷却器６の冷却コイル内を７℃冷却水循環系１２の冷却水が流れる構成になっていたが、冷凍設備のヒートポンプによって減圧された冷媒ガスが直接流れる構成であってもよい。

また、上記溶剤回収装置１は、主冷却器６の冷却コイル内を７℃の冷却水が流れ、前置冷却器５と後置加熱器７には冷却塔から供給される３２℃の冷却水が流れることを前提としていたが、本発明はこのような態様に限定されるものでなく、主冷却器６の冷却コイル内を流れる冷却水は、少なくとも冷却塔から供給される冷却水よりも低い温度であればよい。

また、上記溶剤回収装置１は、７℃冷却水循環系１２にのみ流量調整弁１０が設けられていたが、３２℃冷却水循環系１１にも流量調整弁が設けられていてもよい。この場合、３２℃冷却水循環系１１に設けられる流量調整弁は、例えば、前記冷却器５あるいは後置加熱器７を通過したガスの温度が所定の制御目標値になるように制御する。３２℃冷却水循環系１１の循環流量をこのようにして制御すれば、冷却水の搬送動力を更に削減できる。

１・・溶剤回収装置
２，２’・・凝縮回収部
３・・吸着回収部
４・・予冷却器
５，５Ｆ，５Ｒ・・前置冷却器
６・・主冷却器
７，７Ｆ，７Ｒ・・後置加熱器
８・・予加熱器
９・・水循環系
１１，１１’・・３２℃冷却水循環系
１２，１２’・・７℃冷却水循環系
１３・・吸着ロータ

Claims

溶剤蒸気を含む気体から溶剤を回収する溶剤回収装置であって、
冷凍設備において冷却された冷却媒体が管内を流れるコイルに前記気体を接触させて、該気体に含まれる前記溶剤蒸気を凝縮させる第一の冷却器と、
冷却塔において冷却された水が管内を流れるコイルにより、前記第一の冷却器を通過した前記気体を加熱する加熱器と、
前記冷却塔において冷却されて前記加熱器のコイルの管内を通過した水が管内を流れるコイルにより、前記第一の冷却器へ流す前の前記気体を冷却する第二の冷却器と、
を備える、
溶剤回収装置。
前記加熱器および前記第二の冷却器のコイルの管内を流れる水は、前記冷却塔を通過する水循環経路であって、該冷却塔から該加熱器を経た後、該第二の冷却器を経て再び該冷却塔へ戻る水循環経路を循環する、
請求項１に記載の溶剤回収装置。
前記加熱器を通過した前記気体中の溶剤蒸気を吸着材で吸着する吸着回収部を更に備える、
請求項１または２に記載の溶剤回収装置。
前記第一の冷却器のコイルを流れる前記冷却媒体の温度は、少なくとも前記冷却塔において冷却された水の温度よりも低い、
請求項１から３の何れか一項に記載の溶剤回収装置。