JP4238302B2 - 溶融方法およびその装置 - Google Patents

Description

本発明は溶融方法およびその装置に関する。さらに詳しくは常温で固体である熱溶融性物質を効率よく溶融し、熱履歴を少なくして熱劣化を防止した溶融液を得ることのできる溶融方法およびその装置に関する。

常温で固体である熱溶融性の物質、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの合成樹脂およびそのモノマー、砂糖、パラフィン、松脂や硫黄等は、その目的によって、溶融液の状態で取扱うことがある。このような物質を溶融するに当たっては、その物質を適当な大きさに破砕して、外部ジャケット等の加熱装置を有し、必要に応じて撹拌機を設置した溶融装置が一般に使われている。

さらに、これらの装置では加熱溶融の効率が十分でない場合には、加熱溶融釜の内部にも加熱コイルや垂直型プレートを設置することが行なわれている。また、大気に触れることにより酸化分解をもたらしやすい物質を溶融するときには、溶融釜内の雰囲気を窒素などの不活性ガスを用いて不活性雰囲気にすることのできる装置も使われている。

しかし、これらの装置は、加熱溶融の効率が十分であるとは言えない場合が多く、加熱溶融するものの特性によっては完全に溶融するのに長い時間を要し、工業生産面から非常に効率の悪いものになる。また、熱溶融性の物質が熱安定性の悪いものである場合、大きな規模の装置を用いると、溶融液の状態の滞留時間が長くなり、熱劣化が進み高品質の溶融液を得ることが困難であるという問題を抱えることになる。

また、熱可塑性樹脂、例えばポリエステル、ナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン樹脂のように溶融粘度の大きいものは、溶融押出機で溶融するという方法が取られていて短時間で溶融が可能であるが、溶融液の粘度の小さい（言い換えれば溶融液の流れ速度の速い）物質においては溶融押出機の特性上、その取扱い性において有効な方法とは言い難い。

本発明者は、ペットボトルのケミカルリサイクル方法を検討する過程において、新規なポリエステル樹脂の工業生産用原料として高品質のビス（２−ヒドロキシエチル）テレフタレート（ＢＨＥＴ）を合成、精製して使用することの有用性を見出し、さらにこのビス（２−ヒドロキシエチル）テレフタレート（ＢＨＥＴ）が固体の場合、コンパクトな装置で再溶融ができ、しかも再溶融時の熱劣化が少なく、高品質の溶融液が得られる効率的な熱溶融手段を確保することが非常に重要であることを知見した。さらに、この加熱溶融手段について、
ａ）加熱溶融手段の伝熱面は垂直的に設定し、該手段の上に熱溶融性物質を供給するための空間とその空間へ該物質を投入する手段を有すること。
ｂ）加熱溶融手段の総括伝熱係数を大きくするために、伝熱面（隔壁）の間隔は可能な限り狭いものとすること。
ｃ）熱溶融性物質の熱分解ができるだけ起こらないようにすること。
ｄ）加熱溶融手段の下には、未溶融物を補足するために、表面溶融状態の未溶融物が通り抜けない粗さで、細かすぎて流下抵抗を起こさない粗さの保持手段（例えば金網等）を有すること。
ｅ）加熱溶融手段の下には溶融液を一時的に受止め、保持する空間（受け皿部）とその抜き出し口を有すること。
ｆ）溶融液受け皿部は溶融液固化を防止する手段を有すること。
ｇ）熱溶融性物質が供給空間や伝熱面（隔壁）の間でブロッキングを起こさずかつ円滑に流下する形状であること。
等の特性を満足させることが有効であることを知見した。

本発明者はこの問題を解決すべく鋭意検討を進めた結果、ＢＨＥＴのフレークや粉粒体は流動性が極めて悪く、従来の溶融装置では効率良く溶融できないことを明らかにした。この問題はＢＨＥＴの特性に似た他の物質についても同じように言えることもわかった。そこでさらに、これらの問題を解決できる溶融方法およびその装置について鋭意検討した結果、本発明に到達するに至った。

本発明の目的は、常温で固体である熱溶融性の物質を効率良く溶融する方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、常温で固体である熱溶融性の物質を効率良く溶融する装置を提供することにある。

本発明によれば、本発明の目的は、第一に、２枚の板を渦巻状に巻いて形成される渦巻状流路ａと渦巻形の軸方向流路ｂとが交互に配置され、該渦巻状流路ａが熱媒の流路でありそして該軸方向流路ｂが熱溶融性物質の流路である加熱溶融手段、該加熱溶融手段の上部に熱溶融性固体物質を該溶融手段に供給するための空間部と該空間部に固体物質を供給するための供給手段、該加熱溶融手段の下に液抜出口付きの溶融液受け皿部および該加熱溶融手段と該溶融液受け皿部の中間に未溶融物が溶融液受け皿部に混入しないようにするための未溶融物を保持するための手段であって、支持板付きで少なくとも目開きが２ｍｍより小さい金網を備えた溶融装置に、熱溶融性固体物質を該供給手段から空間部に供給し、該加熱溶融手段で溶融しそして加熱溶融した溶融液を受け皿部から抜出すことを特徴とする溶融方法によって達成される。

本発明によれば、本発明の目的は、第二に、２枚の板を渦巻状に巻いて形成される渦巻状流路ａと渦巻形の軸方向流路ｂとが交互に配置され、該渦巻状流路ａが熱媒の流路でありそして該軸方向流路ｂが熱溶融性物質の流路である加熱溶融手段、該加熱溶融手段の上部に熱溶融性固体物質を該溶融手段に供給するための空間部と該空間部に固体物質を供給するための供給手段および該加熱溶融手段の下に液抜出口付きの溶融液受け皿部を備えることを特徴とする溶融装置によって達成される。

本発明は常温で固体である熱溶融性の物質を効率良く溶融する方法およびその装置を提供することができる。

以下、本発明について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明における溶融装置の一つの態様を示す説明図である。図１において、１は加熱溶融手段、２は空間部（投入ホッパー）、３は（熱溶融性固体物質の）供給手段、４は溶融液受け皿部、５は未溶融物保持手段、６は熱媒蒸気の入口、７は熱媒蒸気ドレンの出口、８は不活性ガス供給口、９は不活性ガス導入用マニホールド、１０はガス吸引口（またはガス排気口）、１１は渦巻状流路ａ、１２は渦巻形の軸方向流路ｂ、１３は（融液受け皿部の）加熱ジャケットである。

本発明における溶融装置は、２枚の板を渦巻状に巻いて形成された渦巻状流路ａ（１１）と渦巻形の軸方向流路ｂ（１２）とを交互に配置し、該渦巻状流路ａ（１１）が熱媒の流路であり、かつ該軸方向流路ｂ（１２）が熱溶融性物質の流路である加熱溶融手段（１）を内蔵し、該加熱溶融手段の上部に固体の熱溶融性物質を加熱溶融手段（１）に供給するための空間部（２）と該空間部に固体物質を供給する供給手段（３）を設け、そして該加熱溶融手段の下に液抜出口付きの溶融液受け皿部（４）を設けたことを特徴とする。この溶融装置には、通常、装置内部を不活性ガス雰囲気にする手段（例えば、装置内部を真空状態にするか、不活性ガスで置換する手段（８））を備えている。そして、溶融装置の内部に不活性ガスを導入できるようにし、また不活性ガスの導入と吸引排気を同時に行なえるようにしている。さらにまた、溶融装置の受け皿部には溶融液の固化防止のための加熱手段（１３）（例えば、加熱ジャケット）を備えている。

前記溶融装置の加熱溶融手段（１）は、上述したように、２枚の板を渦巻状に巻いて形成される渦巻状流路ａと渦巻形の軸方向流路ｂとを交互に配置した構造をとる。この構造は、例えば該渦巻状流路ａが液状物質（例えば熱媒）の流路であり、かつ該軸方向流路ｂが液状物質（例えば液状の被加熱物質）の流路である場合のスパイラル式熱交換器、例えばクロセ（株）ＫＳＨ−１Ｖ型等のスパイラル式熱交換器に組み込まれている構造に近いものとなる。換言すると、前記加熱溶融手段（１）は、液−液のスパイラル式熱交換器の熱交換機構を常温で固体の熱溶融性物質の溶融機構としたものといえる。

前記加熱溶融手段（１）の渦巻状流路ａは液状またはガス状の熱媒（例えば水蒸気、ダウサム等）の流路であり、その流路の幅（両伝熱板の間隔）は熱媒の特性、流量等によって決められる。また、この流路ａには所定の間隔で熱媒が均一に流れるようにする制御板（流れ変更板）を設けることが好ましい。他方、渦巻形の軸方向流路ｂは熱溶融物質を自然流下させる流路であり、その少なくとも上部では熱溶融物質が固体状で流下し得る間隔を有する流路である。この軸方向流路ｂを流下する間に、渦巻状流路ａの両伝熱板から伝熱あるいは輻射加熱され熱溶融性固体物質は溶融して液状になって溶融液受け皿部（４）に流れ落ちる。この軸方向流路ｂは総括伝熱係数を上げるためには、流路ｂの幅は熱溶融性固体物質が固体のままで通過し得る間隔を保持する範囲で、可能な限り狭いものにすることが望ましい。因みに、軸方向流路ｂの幅と熱溶融性固体物質のペレットの大きさとは、下記の関係を満足させるのが好ましい。

流路ｂの巾ｍｍ ＝ ペレットの最大平均長さｍｍ × １．２〜５倍
ペレットの平均最大長さとは、１００個のペレットについて測定した、任意の２点を結ぶ最も長い直線長さの平均値である。

前記溶融装置において、軸方向流路ｂを通過する間に完全に溶融し得なかった熱溶融性固体物質（表層のみ溶融しているような物質）が溶融液受け皿部（４）に流れ込むのを防止するため、加熱溶融手段（１）の下端には未溶融物（通常、表層のみ融解しているような物質）を保持する手段、例えば支持板付きで、好ましくは目開きが２ｍｍより小さく、０．２ｍｍより大きい、さらに好ましくは目開きが０．５０ｍｍより小さく０．２５ｍｍより大きい金網を設けることが望ましい。この金網の目は熱溶融性固体物質の大きさにもよるが、粗すぎると未溶融物（例えば、表層のみ融解しているような物質）が受け皿部（４）に抜け落ちるので好ましくない。また、この金網の目が小さすぎると、溶融液の流下抵抗が大きくなるので好ましくない。

前記溶融装置には、さらに、装置内部に不活性ガスを導入するための手段を設けることが好ましく、また内部ガスを吸引排気するための手段を設けることが好ましい。これらの手段は同時に作動させ、不活性ガスの導入と吸引排気を同時に行なうことができる。例えば、図１の装置では、不活性ガス入口（８）から供給されるガスは不活性ガス導入マニホールド（９）にて装置の所定の位置に設けた導入口に導かれ、該導入口から装置内部に導入される。また、吸引口（または排気口）（１０）に連結しているガス吸引排気手段（図には示していない）を作動させることで、装置内部のガスを吸引口（または排気口）（１０）から吸引排気することができる。

本発明における熱溶融性固体物質としては常温（１０〜３５℃）で固体であることと加熱（好ましくは３００℃以下の加熱）によって溶融することの特性を有する物質が好ましく用いられる。代表的な具体例としてビス（２−ヒドロキシエチル）テレフタレート（ＢＨＥＴ）に代表されるビス（ω−ヒドロキシアルキル）テレフタレートを挙げることができる。また、熱溶融性固体物質は、溶融液が垂直面を自然流下する特性を有するもの、例えば溶融温度における溶融液粘度が、好ましくは３，０００ポアズ以下、より好ましくは１，０００ポアズ以下であるものが望ましい。なお、ビス（２−ヒドロキシエチル）テレフタレートの１２０℃における粘度は約１５センチポアズである。

さらに、前記熱溶融性固体物質の形状については大きさ、形態共に可能な限り均一であり、固体での投入時に加熱溶融手段（１）の上や渦巻形の軸方向流路ｂ（１２）でブロッキング等のトラブルを生じないでかつ該流路ｂ（１２）を円滑に通過する可能な限り小さい粒径であることが望ましい。かかる点から、前記熱溶融性固体物質の形状はメニスカスレンズ状の形状をとるのが好ましい。ここでいうメニスカス状の形状とは、曲率の異なる２面、例えば曲率半径の異なる２つの球面から実質的になり、曲率の小さい方の面は凸面を形成しそして曲率の大きい方の面は凹面を形成している形状を意図している。この形状は、好ましくは、凸面の高さが１〜５ｍｍであり、凹面の深さが１０〜９００μｍでありそして凸面に沿った外周縁の最大径が２〜１０ｍｍである。ペレット１００個の外周縁の最大径の平均値が前記式の最大平均長さに相当する。

なお、この溶融性固体物質の形状は、完全なメニスカスレンズ状の形状をとるものばかりでなく、この形状が一部欠落したような形状も包含する。

前記熱溶融性固体物質がフレーク状や粉状のものは、伝熱面へ到達するまでにブロッキングを起こし易く、短時間で効率よく伝熱面へ到達でき難いために、生産効率が悪くなるという欠点の他に、結果として長時間加熱されることからくる熱分解の起こり易さからも逃れられないという問題があり、好ましい態様とはいえない。また、熱溶融性固体物質が塊状である場合は伝熱面へ到達するには、その熱溶融性固体物質が有する体積形状に対応した渦巻形の軸方向流路ｂ（１２）の幅を広く取る必要があり、折角の効率の良さを享受できないという問題があり、好ましい態様とはいえない。

前記熱溶融性固体物質は、その熱特性にもよるが、通常、溶融時間が長くなると固体物質の品質に影響が出てくる。そこで前述のように、溶融性固体物質が溶融装置内に滞留している時間は短いほど好ましく、固体物質が十分に溶融し、かつ、固体物質の品質に影響を及ぼさない時間であることが好ましい。この時間（溶融時間）を固体物質が溶融装置内に滞留している時間で表すと、好ましくは５秒〜５分、さらに好ましくは７秒〜２分、特に好ましくは１０秒〜１分である。また加熱温度は、好ましくは１００〜１８０℃、さらに好ましくは１２０〜１７０℃、特に好ましくは１４０〜１６５℃である。例えば、前記熱溶融性固体物質がビス（２−ヒドロキシエチル）テレフタレートである場合、熱劣化による品質に及ぼす影響を見る指標として酸価を用いることができる。そして本発明では、ビス（２−ヒドロキシエチル）テレフタレートの溶融前の溶融後の酸価の増加量を、好ましくは０．０１〜０．３０ｍｇＫＯＨ／ｇ、さらに好ましくは０．０１〜０．１５ｍｇＫＯＨ／ｇ、特に好ましくは０．０１〜０．１０ｍｇＫＯＨ／ｇに抑えることができる。

本発明における溶融装置は、
ａ）渦巻形の伝熱面は立体的に設定しその上部に一時的に熱溶融性固体物質を蓄積できる空間とその空間への投入ホッパーを有すること。
ｂ）熱交換器の総括伝熱係数を上げるために、渦巻形の軸方向流路の幅は可能な限り狭いものであること。
ｃ）熱分解を起こさないようにするために、溶融装置内を不活性ガス雰囲気化が可能であること。
ｄ）渦巻形の加熱溶融手段の下部には、未溶融物を補足するために、表面溶融状態で未溶融物が通り抜けない粗さで、細かすぎて流下抵抗を起こさない粗さの金網等を有すること。
ｅ）溶融装置の下部には溶融液を受ける空間とその抜き出し口を有すること。
ｆ）溶融装置の下部は加熱ジャケット等で覆われていること。
等の機能を具備するものであり、メニスカスレンズ状形状の熱溶融性物質の溶融処理に特に有効である。

以下、実施例を挙げて本発明をさらに説明する。なお、ペレットの酸価は、ＪＩＳ Ｋ００７０に準ずる中和滴定法により測定した。

実施例１
図１に示す構造の、上部に投入ホッパー（２）を有し、スパイラル加熱溶融手段（１）の底部に支持板つき目開き０．２５ｍｍの金網（５）を有し、下部に溶融液の抜き出し口を有する、伝熱面積４ｍ²で渦巻流の軸方向流路ｂの幅が８ｍｍ、スパイラル長さが４０ｃｍの渦巻流路ａと軸方向流路ｂを有するクロセ製ＫＳＨ−２型スパイラル型熱交換器を内蔵した溶融装置に、０．５ＭＰａＧ、１５８℃の飽和蒸気を通して、真空排気に合わせて窒素気流を流しながら、メニスカスレンズ状（外周縁の円径５ｍｍφ、凸部の高さ４ｍｍ、凹部の深さ０．３ｍｍ）のビス（２−ヒドロキシエチル）テレフタレートペレットを連続的に供給し、該ペレットの溶融を行ったところ、１２０℃のビス（２−ヒドロキシエチル）テレフタレートの溶融液を、６００ｋｇ／ｈｒの速度で連続して得ることができた。このときの溶融装置内の滞留時間は２６秒であった。投入したビス（２−ヒドロキシエチル）テレフタレートのメニスカスレンズ状ペレットの酸価は０．１５ｍｇＫＯＨ／ｇ、得られた溶融液の酸価は０．２０ｍｇＫＯＨ／ｇであり、殆ど劣化させることなく求める品質の製品（溶融液）を得ることができた。なお、ここで言う滞留時間とは最初にペレットを投入した後、溶融液の出始めるまでの時間である。

比較例１
撹拌機、加熱ジャケット、内部コイルつき１，５００リットルの溶解タンクに、６５０ｋｇのビス（２−ヒドロキシエチル）テレフタレートのフレークを投入し、窒素置換を行った上で、１５０℃の熱媒を得るべく０．５ＭＰａＧ、１５８℃の飽和蒸気を加熱ジャケットおよび内部コイルに通して加熱溶融したところ、６時間後に１２０℃の溶融液を得ることが出来た。

投入したフレーク状ビス（２−ヒドロキシエチル）テレフタレートの酸価は０．２ｍｇＫＯＨ／ｇで有ったが、得られた溶融液の酸価は１．０ｍｇＫＯＨ／ｇであり、溶融処理によって劣化がかなり進んでいることが認められた。

図１は、本発明における溶融装置の一つの態様を示す説明図である。 図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１ 加熱溶融手段
２ 空間部（投入ホッパー）
３ （熱溶融性固体物質の）供給手段
４ 溶融液受け皿部
５ 未溶融物保持手段
６ 熱媒蒸気の入口
７ 熱媒蒸気ドレンの出口
８ 不活性ガス供給口
９ 不活性ガス導入用マニホールド
１０ ガス吸引口（またはガス排気口）
１１ 渦巻状流路ａ
１２ 渦巻形の軸方向流路ｂ
１３ （融液受け皿部の）加熱ジャケット

Claims (8)

1. ２枚の板を渦巻状に巻いて形成される渦巻状流路ａと渦巻形の軸方向流路ｂとが交互に配置され、該渦巻状流路ａが熱媒の流路でありそして該軸方向流路ｂが熱溶融性物質の流路である加熱溶融手段、該加熱溶融手段の上部に熱溶融性固体物質を該溶融手段に供給するための空間部と該空間部に固体物質を供給するための供給手段、該加熱溶融手段の下に液抜出口付きの溶融液受け皿部および該加熱溶融手段と該溶融液受け皿部の中間に未溶融物が溶融液受け皿部に混入しないようにするための未溶融物を保持するための手段であって、支持板付きで少なくとも目開きが２ｍｍより小さい金網を備えた溶融装置に、熱溶融性固体物質を該供給手段から空間部に供給し、該加熱溶融手段で溶融しそして加熱溶融した溶融液を受け皿部から抜出すことを特徴とする溶融方法。
2. 加熱に用いる媒体が気体および／または液体である請求項１に記載の方法。
3. 溶融装置の内部ガスを吸引排気するかあるいは不活性ガスで置換する請求項１に記載の方法。
4. 熱溶融性固体物質がメニスカスレンズ状の形状にある請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. メニスカスレンズ状の形状の熱溶融性固体物質がビス（２−ヒドロキシエチル）テレフタレートである請求項４に記載の方法。
6. ２枚の板を渦巻状に巻いて形成される渦巻状流路ａと渦巻形の軸方向流路ｂとが交互に配置され、該渦巻状流路ａが熱媒の流路でありそして該軸方向流路ｂが熱溶融性物質の流路である加熱溶融手段、該加熱溶融手段の上部に熱溶融性固体物質を該溶融手段に供給するための空間部と該空間部に固体物質を供給するための供給手段および該加熱溶融手段の下に液抜出口付きの溶融液受け皿部を備えることを特徴とする溶融装置。
7. 溶融装置の受け皿部に溶融液の固化防止のための加熱手段をさらに備える請求項６に記載の溶融装置。
8. 熱溶融性固体物質がメニスカスレンズ状の形状にある請求項６または７に記載の融解装置。

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