JP2006242489A

JP2006242489A - 乾燥機

Info

Publication number: JP2006242489A
Application number: JP2005059785A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Futaki; 剛彦二木
Original assignee: KOGA ALUMINUM KOGYO KK
Current assignee: KOGA ALUMINUM KOGYO KK
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2006-09-14

Abstract

断熱材Iを充填した筐体中にキャリアガスが流れる部分を設け、向流型熱交換器Xで、乾燥室DRでヒーターHによって資料Sより蒸発した揮発成分を含むキャリアガス(排気)を、コールドトラップEで揮発成分を除去したキャリアガス(供気)とを熱交換させ、熱交換器Xから出てきた供気を乾燥室に導入前にコールドトラップE用冷凍機の高温廃熱で予備加熱(Y)させることを特徴とする乾燥機
【課題】安全な量のキャリアガスを循環させると、乾燥時間が長くなり、消費電力も多くなる。安全な量のキャリアガスを流しても、乾燥時間が短く、消費電力も少なくなる乾燥機を提供する。
【解決手段】乾燥室からの排気とコールドトラップからの供気とを向流型熱交換をさせ、コールドトラップ用の高温廃熱で熱交換後の供気を予備加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、粉体やスポンジ質物質のように表面積が大きい資料(以後、単に資料という。)に含まれる水分や有機溶剤のような揮発成分を、短時間で安全かつ省エネルギー的に除去する（乾燥すると言う。）装置（乾燥機と言う）に関します。

揮発成分が少ない資料の場合、乾燥時間が資料の厚さの二乗に反比例し、真空熱乾燥機が効果的です。しかも、資料の厚さを半分にして、トレイ(T)をのせる棚の段数を二倍にするだけで、乾燥時間が半分になります。

この場合の問題点は、真空ポンプに使われる油回転ポンプの油に揮発成分が溶け込むことです。この対策として、コールドトラップ(除湿器)で揮発成分を凝縮させるのが一般的です。

圧縮成型した資料の場合、揮発成分蒸気が表面まで拡散する通路が細く、長くなります。結果、表面の蒸気圧を殆ど0にしても乾燥時間は殆ど変わらくなります。乾燥するのに１年以上要するのが普通になってしまいます。可能なら圧縮成型する前に乾燥すべきです。

しかし、揮発成分の量が増えると、揮発成分の蒸発熱のために資料表面の温度が下がります。この温度低下により、しばしば資料が凍結することが観測されます。特に表面積の大きな資料の場合は、資料の熱伝導率も小さくなるので、乾燥時間が１週間以上になることも普通になってしまいます。

真空中では、対流による熱移動がありません。気体の熱伝導率は、気圧の影響が殆どありませんが、気体の漏っている熱容量は、気圧に比例します。したがって、ヒーターからキャリアガスを経由した資料への熱伝達が極めて小さくなります。通常の乾燥機の温度では、輻射による熱移動も十分に得られません。ヒーター温度を高くすると、大気圧では問題なかったのに、資料の酸化が観測されることがあります。

この問題を解決するために、定期的に真空を破り、大気圧下で常温に戻す方法も採用されています。この方法で乾燥時間が短縮されますが、まだ３〜５日程度が必要となります。

真空下での乾燥を諦めて、乾燥室と除湿室(コールドトラップのある空間)との間を気体(キャリアガス)を循環させる方法があります。除湿室には冷却器又は冷凍機を設置し、揮発性物質の蒸気を凝縮／昇華（単に凝縮と言う）させて除去します。本発明は、この方法の改良に関するものです。

ヒーターやコールドトラップの消費電力を低下させ、安全かつ短時間で乾燥することを課題とします。扉を開けたりした時等に、悪臭等の不快感がなく、引火等の危険がないことを安全の基準と考えます。即ち、揮発成分の蒸気が可燃性である場合は、乾燥室内の蒸気濃度が常に燃焼下限未満にできる量のキャリアガスを流しても、乾燥室、資料、除湿室の温度が省エネルギー的に制御可能であることを求めます。

しかし、従来方式の循環型乾燥機では、ヒーターとコールドトラップの規模上の制約で、乾燥時間がさほど短縮できません。安全上の問題を除外しても、粉体のように表面積が大きく熱伝導率の悪い資料の場合、キャリアガスの循環総量を減らすと、揮発成分の蒸発速度が低下してしまいます。

２つの方法を組み合わせます。
１つは、向流式熱交換器 X で、排気の熱と供気の熱とを交換します。
２つは、冷凍機廃熱回収部 Y で、冷凍機の高温廃熱で熱交換後の供気を加熱します。

揮発成分が多い粉のような場合は、表面の蒸気速度が乾燥時間を決めています。資料の厚さを半分にして段数を二倍にしても、蒸気圧が高くなり、乾燥時間があまり変わりません。このような場合、資料の厚さを十分に薄くし、キャリアガスの風量をＫ倍にすれば、乾燥時間が１／Ｋになります。

排気と供気の質量流量と比熱はほぼ同じです。また、資料に十分な熱を与えるためと安全の上から、揮発成分の蒸気圧は低く抑えられていますので、揮発成分の熱容量も蒸発熱も無視できます。従って、断熱が十分であれば、乾燥室から出たキャリアガス(排気と言う。)をコールドトラップで冷却する熱量 Q kW と、除湿室から出たキャリアガス(供気と言う。)をヒーターで加熱する熱量 W kW がほぼ等しくなります。向流式熱交換器で、R kW の熱が回収されることは、排気が Q+R kW で冷却され、供気が Q+R kW で加熱されることを意味します。Q＝R にする程度の向流式熱交換器ならば、コンパクトに設計でき、乾燥機全体としての体積をさほど増加させないで済みます。また、熱交換器で揮発成分の露点以下の温度になる部分はコールドトラップとして働くので、揮発成分の除去効率が向上します。霜ができても、冷凍機の運転を停止するだけで、ヒーター電力により除霜ができます。大気圧なので、回収した揮発成分は、簡単にドレインにより機外に排出できます。

コールドトラップで吸収した熱量 Q kW に冷凍機の運転電力 P kW を加えたものが冷凍機の廃熱量 U＝Q+P になります。従って、常に乾燥室のヒーター電力 W＝Q よりも大きくなります。しかも、冷媒を液化できるまで圧縮するので、100℃前後の高温になります。この廃熱の一部 V を、ヒーターの代わりの熱源にすれば、定常時のヒーター電力を大幅に減らすことができます。ヒーターは、乾燥室の初期加熱と温度制御用に必要です。定常的に、乾燥室の温度が上がりすぎた場合は、冷凍機廃熱回収部(Y)のバイパス弁を緩めて、回収率を下げます。

乾燥室，向流式熱交換器，除湿室の断熱が悪い場合は、P,Q,W が大きくなります。熱交換器に冷凍機廃熱を供給すると、コールドトラップに入る排気の温度が高くなります。必ず、熱交換後に、排気と断熱した状態で供気を廃熱で予備加熱する必要があります。

粉体等の表面積の大きな資料でも、安全な量のキャリアガスを流しても、乾燥時間が短く、消費電力が大幅に少なくなった。

向流式熱交換器の熱回収量 R は、多いほど省エネルギー効果があり望ましいことは当然です。また、R が大きいときに、キャリアガスの流量を減らさずに、より消費電力を下げる選択もあります。RをQの何倍にするかと言うことは、装置の寸法の問題でもあります。従来の循環式乾燥機の大きさと変わらずに、装置の筐体内に納められる目安として、Q＝Rの場合を選びました。
FIG.1，FIG.2 を用いて説明します。

資料(S)は乾燥室(DR)のトレイ(T)に入れてあります。トレイは、要所にヒーターを仕込んだサポート(H:ヒーター兼サポート)の上に置かれ、ヒーターとキャリアガスにより加熱されます。乾燥室内でヒーターにより温度制御されます。キャリアガスは、ヒーター以外に、熱交換器(X)と冷凍機廃熱回収部(Y)で予備加熱されています。資料は上面がキャリアガスで、下面がトレイから熱を受けて加熱され、揮発成分を蒸発させて冷えます。

揮発成分蒸気を含んだキャリアガス(排気)は、熱交換器(X)で冷やされた後、さらに、除湿室(E)に導入されます。揮発成分は、熱交換器の露点以下の部分と除湿室で除去されます。揮発成分を除去されたキャリアガス(供器)は、熱交換器で予備加熱された後、さらに、冷凍機廃熱回収部(Y)で予備加熱された後、乾燥室に戻ります。

キャリアガスが通る部分は、断熱材(I,D)で保温・保冷されています。キャリアガスが空気では好ましくない場合、キャリアガス交換器(G)で、ガス交換ができるようにしてあります。また、キャリアガス循環のための送風機(F)が設けてあります。乾燥機の断熱性が十分で、資料や装置部品の熱容量を無視することにします。また、出し入れや初期加熱等の付帯時間を無視します。

乾燥後の重量 20 kg に 10 kg の揮発成分が含まれる資料を考えます。この程度の量では、10 kW 程度のヒーターや冷凍機が選ばれます。揮発成分の安全性と資料に十分な与熱を考え、乾燥室出口での平均蒸気圧が 50 Pa になる量のキャリアガスを流すことにします。大気圧(101 kPa)では、総計 20,000 kg のキャリアガスを流す必要があります。乾燥室が 60 ℃，コールドとラップが -30 ℃，室温が 25 ℃ とします。定圧熱容量 C は、資料が 1 kJ/K*kg，揮発成分が 2 kJ/K*kg，気体が 1 kJ/K*kg とします。また揮発成分の蒸発熱を 2.5 MJ/kg とします。

すると、乾燥に不可欠な、揮発成分の蒸発熱は 2.5*10 ＝ 25 MJ であり、コールドトラップの運転電力は、理想冷凍機として 25*243/298 ≒ 20 MJ です。循環させるキャリアガスの温度を維持するのに必要なヒーターとコールドトラップの電力は、20000*(60-(-30))*1 kJ ＝ 1800 MJ と 1800*243/298≒ 1500 MJ となります。このように、揮発成分の熱は、キャリアガスに比べて無視できます。従って、ヒーターが1800 MJ、コールドトラップが理想冷凍機として、1500 MJとなります。Q＝10 kW のヒーターの場合、 1800*1000/10*3600 ≒ 50.7 時間と、乾燥に２日以上要します。コールドトラップの運転電力は P＝10*1500/1825≒8.3 kW となります。

このように、乾燥時間が長時間となり、資料の重量当たりの消費エネルギーも多くなります。これを熱回収で、乾燥時間の短縮と省エネルギー化をはかります。例として、キャリアガスの風量を2倍にすることで、乾燥時間が1/2にすることを目指します。

質量流量Mは M＝2*20,000/50.7 kg/時間 ≒ 0.22 kg/s となります。キャリアガスの密度を ρ＝1.184 kg/m³とすると、体積流量が 0.19 m³/s となります。
熱交換器の構造を決め、排気管と供気管の境界膜伝熱係数h_A,h_B及び隔膜の伝熱係数h_Pを算出します。普通、隔膜が金属なので、熱伝導率が気体の千倍以上になるので、h_P＝0 とみなせます。
排気管や供気管が円管の場合のNusselt数は、DittusらやMcAdamsの経験式が知られています。
Nu＝A*Re^0.8*Pr^0.4 Nu:Nusselts N., Re:Reynlds N., Pr:Prandtl N.
A＝0.023 by F.W.Dittus and et. al, A＝0.0225 by W.H.McAdams
Nusselt数 Nu を用いて、境膜伝熱係数 h＝Nu*λ/d (λ:気体の熱伝導率,d:代表長さ)を計算します。
化学工学会編化学工学便覧丸善株式会社

h_A,h_B,h_Pより総括伝熱係数hを求めます。h_A＝h_B,h_P＝0 の場合は、h＝0.5*h_Aとなります。

排気と供気の温度差をΔT、質量流量M,気体の定圧熱容量をC,総括伝熱係数をh,熱交換面積をSとする向流式熱交換器でQの熱を交換する場合、次式が成り立っています。
S＝1/h*{ΔT/Q - 1/(M*C)}
この式を解いて、熱交換面積S、即ち、熱交換器の寸法が決まります。

コールドトラップの冷凍機からの廃熱は、コールドトラップで吸収した熱と冷凍機の動力との和になります。本例の場合、18.4 kW 以上の廃熱量になり、凝縮器の高温部では、100℃以上になります。この廃熱の内、10 kW をヒーター電力の代わりとして利用すれば、ヒーター電力はスタートアップ時のみでよいことになります。FIG1の冷凍機廃熱回収部(Y)で実現しています。10 kW 以上利用すると、乾燥室の温度やコールドトラップの温度が上がり過ぎるおそれがあります。定常的に、乾燥室の温度が上がりすぎた場合は、冷凍機廃熱回収部(Y)のバイパス弁(v)を緩めて、回収率を下げます。この調節により、定常時のヒーター電力を０に近づけることができます。

生産プロセス上、粉体の乾燥は不可欠です。従来、時間とエネルギーが多く掛かるために、製造量を制限する最大要素となったり、資源リサイクルを諦めたりするケースも多々ありました。本発明は、このプロセスの時間が短縮し、装置電力を減らします。

FIG.1 本発明の装置の右側面よりの断面図です。

FIG.2 本発明の装置の正面よりの断面図です。

FIG.1,FIG.2共に共通の符号を用いています。
矢印は、キャリアガス,冷媒,冷却空気等の流れる向きを表しています。
円にＸが書かれた記号は、手前から奥に流れることを意味し、円中に黒い小円のある記号は手前に向かって流れることを意味します。

符号の説明

Ｄ断熱材入り扉
Ｉ断熱材
ＤＲ乾燥室
Ｈヒーター兼資料トレイサポート
Ｔ資料トレイ
Ｓ資料
Ｗキャリアガス吹き出し窓又は吸い込み窓
Ｘ向流型熱交換機
Ｙ冷凍機廃熱回収部
Ｅコールドトラップ（冷凍機の蒸発器）
Ｐ冷凍機の圧縮機
Ｃ冷凍機の凝縮器
Ｆ送風機
Ｇキャリアガス交換器
Ｖドレインバルブ（揮発成分回収弁）
v 廃熱回収バイパス弁

ｄ揮発成分回収缶

Claims

断熱材(I,D)を充填した扉(D)付きの筐体内に、乾燥室(DR)と、向流式熱交換器(X)と、冷凍機廃熱回収部(Y)と、除湿室(E:コールドトラップを設けた室)と、送風機(F)とを設け、
当該乾燥室には資料(S)が納められるようにし、ヒーター(H)を設け、資料より揮発成分を蒸発させ、
送風機(F)でキャリアガスを、DR→X→E→X→Y→DR の順に循環させ、
コールドトラップでは資料から蒸発した揮発成分を凝縮及び／又は昇華させ、
送風機で乾燥室から出たキャリアガス(排気と言う。)が向流式熱交換器の一方の通気管を通ってコールドトラップに入り、かつ、コールドトラップから出たキャリアガス(供気と言う。)が他方の通気管を通って乾燥室に入るようにし、
熱交換器から出た供気が冷凍機廃熱回収部でコールドトラップの高温廃熱で加熱される
ことを特徴とする乾燥機