JP4068108B2 - 熱媒加熱冷却装置 - Google Patents

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Description

本発明は、熱媒加熱冷却装置に関し、詳しくは、化学反応プロセス等で利用される低温反応槽の温度制御を行うための熱媒加熱冷却装置に関する。
有機合成や晶析等の化学反応プロセスは、精度の高い温度制御が要求される。そのため、反応槽の外側に冷媒を流通可能とした独立した槽（ジャケット）を設けた二重構造の容器が使用される。そして、所定温度に冷却した冷媒を反応槽のジャケット側に循環供給するための冷媒供給装置を設置することにより、反応槽内を間接的に所定の低温状態に維持するようにしている（例えば、特許文献１参照。）
このような冷媒供給装置では、一般に、冷媒循環ポンプの冷媒吸込み側にリザーブタンクを直列に設け、冷媒循環ポンプへの気泡の混入を防止するとともに、冷媒の温度変化に伴う容積変化を吸収するようにしている。このようなリザーブタンクでは、冷媒の温度低下によって冷媒の体積が減少したときには加圧ガスを導入し、冷媒の温度上昇によって冷媒の体積が増大したときには加圧ガスを抜き出す圧力制御弁や減圧弁等の圧力制御手段が設けられており、冷媒循環ポンプの吸い込み圧力を一定に保つようにしている。
一方、前述のような反応槽では、反応槽を洗浄する際に、前記ジャケットに高温の熱媒を循環導入して反応槽内の洗浄剤を加熱する操作を行うことがあるため、前記冷媒供給装置に加えて熱媒を供給する手段を設けておく必要がある。このとき、ジャケット内から冷媒を抜き取って熱媒を供給するものでは、配管等を含めた装置構成が複雑になり、また、ジャケットに供給する冷媒及び熱媒の切り換えが必要なことから工程が複雑になるという問題もあった。
特開平１１−３７６２３号公報
このため、冷媒供給装置の系統中に冷媒を加熱する手段を設け、冷媒を所定温度に加熱してジャケットに循環させることにより、反応槽を加熱することも考えられる。しかし、前述のようにリザーブタンクが冷媒吸込み側に直列に設けられている場合は、循環系統の配管内やジャケット内の冷媒だけでなく、リザーブタンク内の冷媒も加熱しなければならないことから、加熱や冷却に要するエネルギーコストが多大なものとなり、特に大規模システムでは、大型のリザーブタンクを使用していることから、応答性が著しく低下し、エネルギーロスも増大することになる。
さらに、冷媒温度の上昇に伴う体積増大や冷媒の気化によってリザーブタンク内の圧力が上昇するため、前記圧力制御手段が作動してリザーブタンク内のガスを放出する際に、高価な冷媒蒸気が外部に放出されてしまうこともある。
そこで本発明は、加熱及び冷却の対象となる熱媒（冷媒）の量を最小限とすることにより、エネルギーコストを削減し、反応槽の加熱及び冷却を効率よく行うことができ、装置構成の複雑化や大型化も回避することができる熱媒加熱冷却装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するため、本発明の熱媒加熱冷却装置は、熱媒を送出する循環ポンプと、該循環ポンプから吐出された熱媒を冷却する冷却手段と、該冷却手段から導出した熱媒によって温度制御される反応槽と、該反応槽から導出した熱媒を加熱する加熱手段とを有し、前記熱媒を前記循環ポンプ、冷却手段、反応槽及び加熱手段を経て循環ポンプに循環させる循環経路を備えた熱媒加熱冷却装置であって、前記加熱手段から前記循環ポンプに至るポンプ吸込側経路に、該ポンプ吸込側経路から分岐してリザーブタンクの液相部に接続するリザーブ経路を設け、前記リザーブタンクは、その気相部に連通する蒸気トラップを備え、該蒸気トラップは、熱媒蒸気を冷却して液化させる冷却部と、該冷却部で冷却されて液化した熱媒をリザーブタンクに返送する経路と、該蒸気トラップ内の圧力に応じて蒸気トラップの気相部からガスを放出するガス放出弁とを備えていることを特徴としている。
さらに、本発明の熱媒加熱冷却装置は、前記リザーブ経路が前記ポンプ吸込側経路から上方に向かって分岐していることを特徴としている。
本発明の熱媒加熱冷却装置によれば、リザーブタンクを循環経路から分岐した状態で設置しているので、反応槽を冷却から加熱へ、あるいは、加熱から冷却へ切り換える際に、加熱又は冷却の対象となる熱媒を、循環経路内を循環する熱媒だけとすることができ、リザーブタンク内の熱媒を加熱又は冷却する必要がない。したがって、エネルギーコストの削減や応答性の向上が図れ、反応槽を所定温度に確実に加熱又は冷却することができる。
また、リザーブタンクに接続するリザーブ経路をポンプ吸込側経路から上方に向かって分岐させたことにより、ポンプ吸込側経路を流れる熱媒中に存在する気泡をリザーブタンクに効率よく排出することができ、循環ポンプへの気泡の混入を防止できる。さらに、リザーブタンクに蒸気トラップを設けることにより、系内の圧力が上昇してリザーブタンク内の熱媒蒸気がガス放出弁から外部に放出されることを防止できる。
しかも、一つの閉サイクル系で熱媒の加熱及び冷却を行うことができるので、装置構成が複雑化したり、大型化したりすることがなく、設備コストやランニングコストの低減を図れる。
図１は本発明の一形態例を示す熱媒加熱冷却装置の系統図である。この熱媒加熱冷却装置は、熱媒を送出する循環ポンプ１１と、該循環ポンプ１１から吐出された熱媒を冷却する冷却手段である熱交換器１２と、該熱交換器１２から導出した熱媒によって温度制御される反応槽１３と、該反応槽１３から導出した熱媒を加熱する加熱手段である加熱器１４と、これらを接続する各配管とを有しており、各配管により、循環ポンプ１１、熱交換器１２、反応槽１３及び加熱器１４を経て循環ポンプ１１に熱媒を循環させる閉サイクル系の循環経路１５が形成されている。
前記熱交換器１２は、低温流体導入経路１６から熱交換器１２に導入されて排気ガス経路１７に導出される低温液化ガス等の低温流体と間接熱交換することによって循環する熱媒を所定温度に冷却し、前記加熱器１４は、ヒーター１４ａによって循環する熱媒を所定温度に加熱する。
前記反応槽１３は、反応容器１３ａの外周に熱媒が流通するジャケット１３ｂを設けたものであって、該ジャケット１３ｂに供給される熱媒の温度は、ジャケット１３ｂの入口側経路１８に設けた温度指示調節計（ＴＩＣ）１９で、前記低温流体導入経路１６に設けた流量調節弁２０の開閉及び前記ヒーター１４ａの能力を制御することによって調節される。
そして、前記加熱器１４から前記循環ポンプ１１に至るポンプ吸込側経路２１には、該ポンプ吸込側経路２１から上方に分岐してリザーブタンク２２の液相部２２ａに接続するリザーブ経路２３が設けられている。リザーブタンク２２は、前記循環経路１５からリザーブ経路２３を介して分岐した状態で設けられ、従来のように熱媒の循環流に対して直列ではなく、流れ的に分離した状態となっており、循環経路１５を流れる熱媒の体積変化に応じて循環経路１５とリザーブタンク２２とで熱媒のやりとりを行うように形成され、かつ、循環経路１５を液封状態としてリザーブタンク２２から循環経路１５にガスが侵入しないように形成されている。
また、リザーブタンク２２の気相部２２ｂには、リザーブタンク２２内の圧力に応じて作動するガス導入弁２４と、蒸気トラップ２５とが接続され、さらに、蒸気トラップ２５には、蒸気トラップ２５内の圧力に応じて作動するガス放出弁２６が設けられている。
蒸気トラップ２５は、熱媒蒸気を冷却して液化させるための冷却部２７と、該冷却部２７で液化した熱媒と液化しないガスとを分離する気液分離部２８と、該気液分離部２８で分離した熱媒をリザーブタンクに返送する熱媒返送経路２９と、気液分離部２８内に溜まった熱媒量（液量）や圧力差に応じて開閉するフロート弁３０とを有している。
前記ガス導入弁２４及び前記ガス放出弁２６は、圧力的に連通している循環経路１５内を循環する熱媒の体積変化に伴う圧力変化に応じて作動するものであって、熱媒が加熱されて体積が増大し、系内の圧力が上昇したときには、ガス放出弁２６が作動して系内のガスを系外に放出することによって系内の圧力を設定された上限圧力以下に保ち、熱媒が冷却されて体積が減少し、系内の圧力が下降したときには、ガス導入弁２４が開いて系外から熱媒に悪影響を与えないガス、例えば窒素ガスを加圧ガスとして導入することにより、系内の圧力を設定された下限圧力以上に保つ。
また、ガス放出弁２６からガスを放出する際に、リザーブタンク２２の気相部２２ｂから抜き出されるガスを、蒸気トラップ２５の冷却部２７で冷却することにより、該ガス中に含まれる熱媒蒸気を凝縮液化させることができ、ガス放出弁２６から放出されるガスと共に熱媒蒸気が外部に放出されることを防止できる。気液分離部２８内に溜まった熱媒量がある程度以上になるとフロート弁３０が開き、気液分離部２８から熱媒返送経路２９を経てリザーブタンク２２に熱媒が返送されて再利用される。
このように形成した熱媒加熱冷却装置において、反応槽１３を冷却する際には、温度指示調節計１９に所定の冷却温度を設定することにより、温度指示調節計１９が入口側経路１８を流れる熱媒の温度に応じて作動し、冷却時には主として流量調節弁２０の開度を制御することにより、熱交換器１２での熱媒の冷却状態を調節する。
この冷却時には、温度低下に伴う熱媒の体積減少により、リザーブタンク２２内の熱媒が循環経路１５に流入するとともに、リザーブタンク２２内の熱媒量の減少に伴う圧力低下に応じてガス導入弁２４が開閉し、加圧ガスを導入することによって系内の圧力を所定圧力に保持する。このとき、リザーブタンク２２から循環経路１５に、相対的に温度が高い熱媒が流入することになるが、その流入量は、冷却による熱媒の体積減少量に応じた僅かな量であるから、循環経路１５を循環する熱媒に大きな温度変化を与えることはない。
また、リザーブタンク２２が循環経路１５から切り離された状態となっているので、リザーブタンク２２内の熱媒を冷却する必要はなく、全ての熱媒が冷却対象となっている従来のものに比べて冷却する熱媒量が少なくなることから、従来に比べて熱媒を冷却するためのエネルギーコストを大幅に削減することができ、応答性にも優れたものとなる。
一方、反応槽１３を加熱する際には、温度指示調節計１９に所定の加熱温度を設定することにより、温度指示調節計１９が入口側経路１８を流れる熱媒の温度に応じて作動し、加熱時には主として加熱器１４の能力を制御することにより、加熱器１４での熱媒の加熱状態を調節する。
この加熱時には、熱媒の温度上昇に伴う体積増大により、循環経路１５を循環する熱媒の一部がリザーブタンク２２に流入することになり、リザーブタンク２２への熱媒の流入に伴って蒸気トラップ２５の圧力が上昇するが、この圧力上昇に応じてガス放出弁２６が開閉し、ガスを系外に放出することによって系内を所定圧力に保持する。また、加熱器１４での加熱により発生した熱媒蒸気の気泡は、ポンプ吸込側経路２１から上方に向かって分岐したリザーブ経路２３内を浮上するので、循環ポンプ１１が気泡を吸い込むことが防止される。リザーブ経路２３からリザーブタンク２２内に浮上した熱媒蒸気からなる気泡は、リザーブタンク２２の液相部２２ａに流入し、循環経路１５を循環する熱媒より低温の熱媒に接触して再液化したり、蒸気トラップ２５の冷却部１７で再液化される。
なお、リザーブ経路２３をポンプ吸込側経路２１から鉛直方向上方に向かって分岐し、ポンプ吸込側経路２１やリザーブ経路２３に太めのパイプを使用したり、ポンプ吸込側経路２１の循環ポンプ１１側を下方に向けて屈曲させたりすることにより、熱媒中の気泡をリザーブ経路２３に向けて効率よく浮上させて分離することができる。
さらに、前記同様に、加熱対象となる熱媒は、循環経路１５を循環する熱媒だけであるから、熱媒の加熱に要するエネルギーコストを大幅に削減でき、応答性も向上させることができる。加えて、リザーブタンク２２には、熱媒の体積増加に応じて加熱器１４で加熱された熱媒が流入するが、その流入量は少なく、かつ、それ以上に加熱されないので、リザーブタンク２２内での熱媒蒸気の発生もほとんどなく、蒸発したとしても、蒸気トラップ２５で捕捉されて再利用できるので、熱媒の損失を最小限に抑えることができる。
なお、循環経路１５に設ける加熱手段や冷却手段は、加熱温度、冷却温度、処理量等の条件に応じて適当なものを使用することができ、加熱源や冷却源も任意のものを使用することができる。また、冷却部２７における冷却温度は、熱媒の沸点や予想される蒸気量及び蒸気温度に応じて任意に設定することができ、空冷、水冷等の通常の冷却方式を採用することができ、構造や形状も任意である。さらに、使用する熱媒は、冷却温度及び加熱温度に応じて適宜なものを選択することができ、例えば、シリコーンオイルやアルコール類、ハイドロフロロエーテルを使用することができる。
本発明の一形態例を示す熱媒加熱冷却装置の系統図である。
符号の説明
１１…循環ポンプ、１２…熱交換器、１３…反応槽、１３ａ…反応容器、１３ｂ…ジャケット、１４…加熱器、１４ａ…ヒーター、１５…循環経路、１６…低温流体導入経路、１７…排気ガス経路、１８…入口側経路、１９…温度指示調節計、２０…流量調節弁、２１…ポンプ吸込側経路、２２…リザーブタンク、２２ａ…液相部、２２ｂ…気相部、２３…リザーブ経路、２４…ガス導入弁、２５…蒸気トラップ、２６…ガス放出弁、２７…冷却部、２８…気液分離部、２９…熱媒返送経路、３０…フロート弁

Claims (2)

  1. 熱媒を送出する循環ポンプと、該循環ポンプから吐出された熱媒を冷却する冷却手段と、該冷却手段から導出した熱媒によって温度制御される反応槽と、該反応槽から導出した熱媒を加熱する加熱手段とを有し、前記熱媒を前記循環ポンプ、冷却手段、反応槽及び加熱手段を経て循環ポンプに循環させる循環経路を備えた熱媒加熱冷却装置であって、前記加熱手段から前記循環ポンプに至るポンプ吸込側経路に、該ポンプ吸込側経路から分岐してリザーブタンクの液相部に接続するリザーブ経路を設け、前記リザーブタンクは、その気相部に連通する蒸気トラップを備え、該蒸気トラップは、熱媒蒸気を冷却して液化させる冷却部と、該冷却部で冷却されて液化した熱媒をリザーブタンクに返送する経路と、該蒸気トラップ内の圧力に応じて蒸気トラップの気相部からガスを放出するガス放出弁とを備えていることを特徴とする熱媒加熱冷却装置。
  2. 前記リザーブ経路は、前記ポンプ吸込側経路から上方に向かって分岐していることを特徴とする請求項１記載の熱媒加熱冷却装置。
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