JP4727445B2 - 化学プロセス用小型単位操作ユニット及びその製作方法 - Google Patents
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Description
このような2次元集積配管を利用した装置としては、他に、燃料電池等用のロジックプレート例が提案されている。これは、燃料電池等で一定の大きさに装置を収めるために、複数枚の平板を張り合わせ、機器を一方の平板上に設置し、他の平板に前記機器の流路となる配管溝を設けることにより、装置の配管系統を簡素化するものである(特許文献5)。この場合、平板間の接合方法として、密閉度が高く、耐久性、耐圧性にも優れた撹拌摩擦接合方法が行なわれることが多い(特許文献6)。
これは、マイクロリアクタシステムでは、生産量が少なすぎる上、生産工程で種々の単位操作を含む場合には、システムが複雑になりすぎて、コストアップにつながる恐れがあるからである。一方、ロジックプレートでは、配管部分を簡素化し、全体の装置コストを下げることができるという利点はあるが、プレート上に設置する機器の大きさあるいは生産プロセスを構成する単位操作数によっては、プレートが大きくなりすぎるため、上記のような冷凍サイクル用配管あるいは燃料電池用装置など、適用範囲が限定されるという問題がある。
さらに、上記のようなマイクロリアクタシステムにおけるシリコン基板上の流路あるいは燃料電池用に代表されるロジックプレート内の流路用溝の設計、製作は、特定の生産対象製品を定めて設計されることが多く、汎用性に乏しい。その結果、ファインケミカル製品の生産のように多品種少量生産を目的とする場合、製品ごとに新たに基板あるいはプレートを設計、製作する必要がある。また、プレート上に設置する機器との接続もそのたびに行なう必要があり、生産コストを増加させる要因となっている。特に、生産工程に高圧部分がある場合、腐食性薬品がある場合等は単位操作機器の製作や配管の接続に熟練者による作業が必要となり、多品種少量生産を阻害する要因となっている。
また、上記技術においては、マイクロリアクタシステムで反応部をシート上に形成する技術は示されているが、他の主要な単位操作であり、ファインケミカル製品を生産する過程で重要な蒸留、吸収、抽出等の機器については、まったく考慮されていない。また、積層方式であるため、シールが難しく、高圧あるいは減圧で操作される単位操作への適用が難しく適用が限定されるという問題がある。
本発明は、以上の技術的問題を解決するためになされたものであって、その目的は、ファインケミカル製品のような多品種少量生産システムを生産するために有用な、汎用性のある化学プロセス用の小型単位操作ユニット及びその製作方法を提供することにある。
すなわち、本発明は、金属あるいはプラスチックのプレートに目的とする単位操作部本体、付属する熱交換器及び配管をとなる溝を形成し、このプレート上に2次元的に配置して化学プロセス用に一体密閉型小型単位操作ユニットとすることを特徴とするものである。
本発明では、まず金属あるいはプラスチックのプレートに、単位操作部本体となる溝及び付属する熱交換器や配管となる溝を形成し、プレート上に2次元の単位操作部を配置する。次にこの溝が形成されたプレートの上に薄板を被せ、前記の溝が形成されたプレートとその上に被せられた薄板プレートを摩擦攪拌接合により接合して、流体の出入口部以外が密閉された一体密閉型小型単位操作ユニットとする。熱交換器については、単位操作で不要な場合には、省略してもよいが、単位操作部本体と付属配管は本ユニットの必要構成要素である。
また、本小型単位操作ユニットに組み込まれる単位操作部本体の数は1つである必要は無く、2個以上あってもよい。たとえば、吸収という単位操作と放散という単位操作を同一の単位操作ユニットに組み込んでもよい。
金属としては、アルミニウム、ステンレス、銅などが、強度、耐食性の面から好適である。プラスチックは、高温には弱いという面があるが、耐食性に優れ、軽量で組立てが容易という利点があるため、耐熱性が必要でない分野に適用される。接合性から熱軟化性(熱可塑製)樹脂が好ましい。この例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)が挙げられる。
また、ダイキャストあるいは鍛造による成型など、他の大量生産に適した成型技術を用いてもよい。
これにより、同一性能を有する小型単位操作ユニットを、精度よく大量に生産することができる。また、プロセスに合わせた、配置の見直しも容易に行なうことが可能である。
本発明の小型単位操作ユニットの製作においては、さらに、前記の2次元に単位操作部本体及び付属の熱交換器、配管となる溝が形成されたプレートに、薄板を被せて、該溝が形成されたプレートと該薄板を、摩擦攪拌接合により接合して一体密閉型構造とすることを特徴としている。これは、摩擦攪拌接合を行なうことにより、単位操作ユニットを密閉し、単位操作部本体と付属する熱交換器及び配管が一体となった、耐圧性の高い高圧単位操作ユニットとすることができるからである。このような摩擦攪拌接合方法としては、たとえば、前記特許文献に示された方法などが使用できる。このようにして製作された高圧単位操作ユニットは、高圧で操作される化学製品製造工程において、単位操作部本体と付属する熱交換器及び配管などとを高圧で接続する作業を不要とし、信頼性の高い製造工程を容易に構成できるという利点がある。
すなわち、単位操作ユニットを固定するためのボルト穴、移動するための吊ボルト用ボルト穴等を単位操作ユニットに設けることにより、生産工程に合わせて単位操作ユニットを組み合わせて工程を組む作業を効率的に行なうことができる。従って、単位操作ユニットは、上記ボルト穴を直接加工できるようにあらかじめ設計される必要がある。
また、単位操作ユニットは、該ユニットに付属する機器などを直接取付けられるように、必要なボルト穴、溝などを直接加工できる必要がある。このような付属機器の例としては、熱電対などの各種計測用の計器、配管固定用のブラケット、サイトグラス、電気あるいは計測用の配線などがあげられる。
本発明の小型単位操作ユニットの形状についても、特に限定されるものではなく、単位操作の内容などにより自由に選択することができる。しかし、本発明の小型単位操作ユニットは、他の異なる小型単位操作ユニットあるいは同種の小型単位操作ユニットと組み合わせて、ファインケミカル製品のような多品種少量生産に容易に対応することにより大きな利点があることから、同一工場内では、サイズ、形状を揃えると、製品の変更に伴う生産工程の変更が容易になる。また、同一設計で製作できることから、製作コストを低くすることができるという利点もある。
本発明で単位操作ユニットを形成するプレートの厚さも特に限定されず、また、一様である必要も無い。プレートのなかで単位操作部本体を形成する部分を厚くし、熱交換部、配管部を薄くするように構成して、全体の重量を減らすようにすることもできる。さらに、同一プレートの両面に、それぞれ単位操作部本体と付属する熱交換器及び配管部を形成し、同一プレート内に2個の単位操作ユニットを有する形に構成することもできる。この場合に、比較的厚さを要する単位操作部本体と厚さがあまり必要でない熱交換器部や配管部の配置を、片面の単位操作部本体と他の片面の熱交換器部や配管部がプレート上でほぼ同一位置になるようにして、全体のプレートの厚さを抑えることが可能である。
プレートに被せる薄板の厚さは、強度、耐圧性などを考慮して決められるが、溝形成後のプレートの最も薄い部分の厚みとほぼ同等の厚みがあれば問題ない。
NC制御による機械加工、あるいはダイキャスト、鍛造による成型が可能なため、製作期間が短く、大量生産が可能である。
反応率、分離効率等単位操作部の性能を高くする必要がある場合も、従来の設備のように上下方向に高い構造とする必要が無く、同ユニットを横方向に並べることで簡単に対応が可能である。
以上の結果、設備製作工程が大幅に短縮され、化学製品の多品種少量生産が容易となる。
さらに、本発明の小型単位操作ユニットは、溝が形成されたプレートと薄板の接合を摩擦攪拌接合法により行なうため、設備全体としても高い密閉度を達成することができ、高圧操作を含む化学プロセスに適用した場合でも、高圧部の接続作業が大幅に減少し、短期間で生産工程を変更できる。
図1では、長さ1.5m、幅が0.4mアルミニウム製のプレートを使用し、プレートの右側に高さ約1mの蒸留部1が配置されている。蒸留部1の左側には凝縮部となる熱交換部2が配置されている。凝縮部となる熱交換器2は、プロセス流体の流路11及び冷却流体の流路12で構成され、流路11と流路12は溝が形成されない部分13で隔てられている。プロセス流体流路11はユニット下部でプロセス流体出口5に続いている。蒸留部1の下部にはボトム部となる熱交換部3が配置され、蒸留部2の下部とボトム部3の間はプロセス流体の流路となる溝14でつながっている。ボトム部3は、凝縮部2と同じくプロセス流体流路15と冷却流体流路16で構成され、両者は、溝が形成されない部分17で隔てられている。ボトム部3はユニット下部でプロセス流体出口7に続いている。蒸留部1は、充填物を入れることが可能なような構造となっている。また、蒸留部1には、加熱用のヒータ21が下部に設置されている。
単位操作ユニットで処理されるプロセス流体は、ユニット右側の蒸留部1の中段に設けられたプロセス流体入口4より入り、蒸留塔に供給される。蒸留部1には、他に別のプロセス流体の入口6があり、蒸留部1の上部に供給される。蒸留部1と凝縮部2の間には凝縮部1と蒸留部2及びボトム部3の間で、熱の移動を防ぐように断熱用の溝19が形成されている。図1では、この断熱用の溝の一部が示されているが、実際にはプレート内部に溝19を含む刳り貫き部を設けて断熱部を形成している。この刳り貫き部にはさらに、より断熱効果を上げるために断熱材を充填することもできる。
蒸留部1の幅は80mm、深さは60mmであり、蒸留部1側のプレートの厚さは70mmである。一方、凝縮部2側のプレートの厚さは30mmである。
小型単位操作ユニットは、次のように製作する。まず、上記大きさのアルミニウムプレートを、上記の溝形成用データを入力したNC制御の切削マシンで機械加工して、図1に示す単位操作部本体となる蒸留部1、凝縮部2.ボトム部3等の溝を形成する。このとき、他のダイキャストや鍛造などの他の大量生産が可能な機械加工により成型することもできることは先に記載した通りである。
この際、図1の4、6、21の設置用のために予定される凹部については、同時に加工しておくことが望ましいが、接合後に加工することもできる。
次に、溝が形成されたプレート部に、蒸留部1の充填物などのユニット内に必要なものを設けた後、アルミニウムの薄板を被せ、プレートと薄板を摩擦攪拌接合し、小型単位操作ユニットとする。その後、この小型単位操作ユニットを直接加工して、ユニット用の付属設備を設置する。図1では、加熱用ヒータ21、プロセス流体の出入配管用フランジ、同配管固定用のブラケット41、熱電対などの計器取り付けフランジ42などを設け、機器の取り付け、配管の取り付けができるようにしてある。これらの付属設備は、ユニットにフランジ無しで直接取付けることも可能であるが、アルミニウムのように、剛性が低いプレートを使用する場合は、フランジを設けることにより、信頼性を高めることができる。
最後に、固定用ボルト穴51及び吊ボルト用のボルト穴52を設け、ユニットを効率的に設置、解体が行なうことができるようにする。なお、上記の小型単位操作ユニットの加工順序は、一例であり、どの加工を先に行なってもよい。
単位操作が蒸留のような場合には、この小型単位操作ユニットに内部観察用のサイトグラス43を設けることができる。たとえば、図1のような蒸留操作の場合、処理するプロセス流体の供給部4付近、あるいはリフラックス部(凝縮部上部)などに設けることが可能である。
上記の付属機器の設置箇所は、薄板側が、単位操作ユニット部に近いので、通常は薄板側に設置されることが多いが、プレート側を加工して設置しても良い。図2は、上記により製作された小型単位操作ユニットを薄板側から眺めたものであり、図3はプレート側から眺めたものである。この例では、サイトグラス43はプレート側に設けてある。
以上、単位操作として蒸留操作を例に説明したが、他の単位操作においても同様に製作することができる。
2 凝縮部(熱交換部)
3 ボトム部(熱交換部)
4,6 プロセス流体入口
5、7 プロセス流体出口
11、14、15、
プロセス流体流路
12、16 冷却流体流路
19 断熱部
21 ヒータ
31,32,33.34 冷却流体流路
41 配管固定用ブラケット
42 熱電対などの計器取り付けフランジ
43 サイトグラス
51 固定用ボルト穴
52 吊ボルト用ボルト穴
61 原料メタノールタンク
62 精製メタノールタンク
63 冷却水タンク
Claims (4)
- 金属プレートに、化学プロセス用単位操作部本体となる溝と、付属する熱交換器となる溝と、付属する配管となる溝とを形成して、該プレート上に2次元的に配置し、前記の溝が形成されたプレートの上に薄板を被せ、摩擦攪拌接合により一体密閉型構造とし、小型単位操作ユニットは、計器取付け用または該単位操作ユニット固定用のボルト穴及び/又は配線を通すための溝を直接加工できるように構成され、前記単位操作ユニットを形成するプレートにおいて、前記単位操作部本体を形成する部分を厚くし、前記熱交換器及び前記配管を形成する部分を薄くするように構成することを特徴とする小型単位操作ユニット。
- 前記化学プロセス用単位操作が、物質に組成、状態、エネルギーの変化を与える操作であり、反応、蒸発、蒸留、吸収、抽出、乾燥、調湿、放散、溶解、晶析及びクロマトグラフの中から選択される1以上の単位操作であることを特徴とする請求項1記載の小型単位操作ユニット。
- 金属プレートに、化学プロセス用単位操作部本体となる溝と、付属する熱交換器となる溝と、付属する配管となる溝とを形成して、該プレート上に前記単位操作部本体、熱交換器、配管を2次元的に配置すると共に、その溝が形成されたプレートの上に薄板を被せ、摩擦攪拌接合により該プレートと該薄板を接合して、一体密閉型構造とし、小型単位操作ユニットは、計器取付け用または該単位操作ユニット固定用のボルト穴及び/又は配線を通すための溝を直接加工できるようにしてなり、前記単位操作ユニットを形成するプレートにおいて、前記単位操作部本体を形成する部分を厚くし、前記熱交換器及び前記配管を形成する部分を薄くするようにしてなることを特徴とする小型単位操作ユニットの製作方法。
- 前記プレート上への単位操作部本体、熱交換器、配管の溝の形成は、NC制御による切削、ダイキャストや鍛造による成型など大量生産が可能な機械加工で行なうことを特徴とする請求項3記載の小型単位操作ユニットの製作方法。
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