JP6472443B2 - 混合物の処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段に相当する一軸又は多軸の混合機において、混合物を処理する方法及び装置に関する。

このような方法は、いわゆる混合混練機において実現されている。この装置は多目的に用いられる。第一には、溶剤を回収する為にバッチ又は連続で、時には減圧下の蒸発に用いられる。ここでは、例えば蒸留残滓、特にトルエンディイソシアネートが処理されるが、化学品及び薬品、洗浄剤及びワニススラッジから毒性又は高沸点の溶剤を伴う生成物残渣、並びに溶液重合の溶剤、接着剤及び連結剤からの、樹脂溶液、エラストマー溶液も処理される。

更に、装置を用いて、バッチ又は連続的に時には減圧下で、水分及び／又は溶剤を含む製品からの接触脱水が行われる。特に、顔料、染料、ファインケミカル、塩、酸化物、水酸化物、抗酸化剤などの添加剤、温度に敏感な医薬及びビタミン剤、作用剤、高分子、合成ゴム、高分子懸濁液、ラテックス、ヒドロゲル、ワックス、殺虫剤及び塩、触媒、残留物、アルカリ廃液などの化学又は医薬品からの残滓に用いられる。この方法は、例えば、塊状乳、砂糖代替品、澱粉誘導体、アルギン酸塩を製造及び／又は処理する際に、産業スラッジ、オイルスラッジ、バイオスラッジ、製紙スラッジ、ラッカースラッジの処理並びにねばねばした高粘性の付着物、廃棄物及びセルロース誘導体の処理にも用いられる。

混合混練機においては、脱気及び／又は揮発成分の除去が行われる。これを、ポリエステル又はポリアミドの縮合後の高分子溶融物、合成繊維の紡糸溶液並びに固体状態の高分子又はエラストマーの顆粒あるいは粉末に適用する。

混合混練機においては、連続で溶融状態において、特に、ポリアミド、ポリエステル、ポリアセテート、ポリイミド、熱可塑性高分子、エラストマー、シリコーン、尿素樹脂、フェノール樹脂、洗剤及び化学肥料など高分子凝縮反応が行われることも多い。

同様に、大抵は連続的に重合反応も行われる。この反応は、ポリアクリレート、ヒドロゲル、ポリオール、熱可塑性高分子、エラストマー、シンディオタクティクポリステロール及びポリアクリルアマイドに用いられる。

混合混練機においては、固体、液体又は多相反応が普く行われる。すなわち、フッ化水素酸、ステアリン酸、シアネート、ポリリン酸塩、シアヌル酸、セルロース誘導体、エステル類、エーテル類、ポリアセタール樹脂、スルファニル酸、銅フタロシアニン、澱粉誘導体、リン酸アンモニウム重合体、スルホン酸塩、殺虫剤及び肥料に用いられる。

更に、固−気反応（例えばカルボキシル化）又は液−気反応が行われる。これらは、酢酸塩、酸、例えば、ＢＯＮ、サリチル酸ナトリウム塩、パラヒドロキシ安息香酸塩及び薬物などへのコルベーシュミット反応に用いられる。

液−液反応は、中和反応及びエステル交換反応において行われる。

混合混練機による溶解及び／又は脱気は、合成繊維、ポリアミド、ポリエステル及びセルロースの紡糸溶液において行われる。

いわゆるフラッシュは、顔料の処理又は製造の際に行われる。

固体の後凝縮は、ポリエステル、ポリカーボネート及びポリアミドの製造又は処理において行われ、例えば、セルロース繊維などの繊維を溶剤と共に処理する連続スラリー化、塩、精密化学品、ポリオール、アルコキシドを処理する溶融物又は溶液からの結晶化、コンパウンド化、シリコーン、連結剤、フライアッシュを重合化・配合する混合（連続又はバッチ）、高分子懸濁液の（特に連続的）凝析処理に用いられる。

混合混練機において、別のバッチ又は連続の操作、例えば、加熱、乾燥、溶融、結晶化、混合、脱気、反応などの多機能な操作と組み合わせてもよい。それによって、高分子、エラストマー、無機製品、残滓、薬物、食料品、印刷用インクが製造又は処理される。

混合混練機において、減圧昇華又は凝縮もでき、例えば、アントラキノン、金属塩化物、金属有機結合などの化学的な前駆体が精製される。更に医薬中間体の製造も可能である。

例えばアントラキノン、精密化学製品などの有機中間製品では、担体ガス蒸着が連続的に行われる。

混合混練機は、導入口から排出口に伸長している気体・生成物空間を有している。これにより、導入口と排出口の間に伸長する気体空間の無い押し出し機と混練混合器が区別できる。混合混練機において伸長している気体空間は、混合混練機が横型で生成物が一部にしか満たされないことにより、混合混練機における伸長している気体空間が生ずる。生成物の上方には、蒸発した溶剤等が集まる気体空間が存在する。

基本的には、一軸と二軸の混合混練機は異なったものである。一軸の混合混練機は特許文献１に記載されている。この混合混練機は、ハウジングの内壁から軸方向へと伸長する対向部材と共動する混練部材を軸上に備えていることが特徴である。軸上の混練部材は、混練棒を備えて板状部材に形成されることが多い。

多軸混合混練機は、特許文献２〜５に記載されている。ここでは、例えば水平方向の１つの軸に径方向に板状部材及び軸上又は板状部材の間に軸方向に配列された混練棒を備えている。これらの板状部材の間に他の水平な軸に枠状に形成された混合・混練部材が噛み合っている。２つの軸上の混練棒は、ハウジングの内壁も清掃する。２つの軸は、同一方向又は逆方向に、同一又は異なって回転数で回転させてもよい。

本発明は、特に紡糸溶液の製造が重要である。しかしながら、本発明はそのことに限定されるものではない。セルロースは、このような紡糸溶液から織物用繊維を生成するありふれた材料である。最も簡単な生成法は、天然に存在する純粋なセルロースを用いることである。いわゆる綿は、多年生植物に紡糸可能な繊維として生育し、収穫、選別及び洗浄後に直接に紡糸される。この方法の問題点は、綿の植物の入手の可能性が比較的劣っていることである。また、生育はある気候帯に限られ、集中的な灌水が必要である。植物の一部のみが効率的に紡糸できる。

セルロースは、実際に全ての植物、特に木材に存在する。このセルロースは、特に、ヘミセルロース及びリグニンを除去して、精製する必要がある。綿とは異なって、生成されたセルロースは紡糸できない。そのため、セルロースは、適当な溶剤に溶解して、ノズルを通して押し出す。ノズルを出た後に、溶剤の洗い出しにより、セルロースを沈殿させる。紡糸ノズルの直径に応じて、規定の径を有する繊維が生成される。この方法は、溶液紡糸と言われる。溶剤としては、種々の選択肢がある。最も多く普及しているのはキサントゲン酸塩への溶解である。この方法の生成物は、通常ビスコースと言われ、英語ではレーヨンとも言われる。セルロースは、物理的には極めて溶解し難い。セルロース分子が一時的にキサントゲン酸塩と化合するので、どちらかと言えば、ビスコース法は半化学的な方法である。他の古い化学的な方法は、アセチル化であり、最終生成物はセルロースでは無く、酢酸セルロースである。

著しく環境を損なうので、キサントゲン酸塩法は極めて議論の余地がある。環境への悪影響は、経費の嵩む排水及び排気の浄化によってのみ制御できる。そのため、既に半世紀前から代わりの方法の開発が試みられている。既に商業的に用いられている最も意義のある方法は、溶剤としてのＮＭＭＯへの溶解である。この方法の製品は、「ライオセル」とも呼ばれる。

ＮＭＭＯ法では、精製されたロール又は球状のセルロースが、供給され細断される。このセルロースは、水及び種々の添加剤により膨潤する。この膨潤工程を実行しない製造業者もいる。湿った、又は乾燥したセルロースは、ＮＭＭＯと水の混合物（ＮＭＭＯは水によく溶解する）に添加される。乾燥したセルロースでは、水、セルロース及びＮＭＭＯの混合物において膨潤させるため、水の量を多くする必要がある。混合した後に、懸濁液を少々加熱して回転軸を備えて容器において減圧下で、水の一部が分離される。この状況において、セルロースは。水／ＮＭＭＯに溶解可能である。混合物は熱力学的平衡状態にあるので、必要とする固形分は、生成物の温度により確実に決定される。三成分の混合物を扱うので、沸点は、水分ばかりでなく、ＮＭＭＯとセルロースの比率にも依存することを考慮すべきである。ＮＭＭＯ及びセルローは揮発性では無いので、この比率は計量により設定される。ここで用いられる溶解装置は、機械的な混合をする回転軸を備えた横型の混練機又は薄膜溶解器である。

従来の方法では、溶解工程で得られる溶液が直接に紡糸できるようにＮＭＭＯとセルロースの比率が調整されていた。しかしながら、この方法には問題がある。第一に、水分が多いと水の蒸発が多くなることである。水分が低下すると混合物の沸点が上昇することを、測定により確認した。そのため、溶解が進行するにつれ、加熱壁の伝熱を促す勾配がますます小さくなる。更に、水分が低下すると伝熱係数も低下することが観察された。したがって、ＮＭＭＯの一部のみをセルロースと混合し、残りは溶解工程後に混合することが提案されている。この場合、後で追加されたＮＭＭＯは、別に蒸発させてもよい。この新たな方法は、溶解用の装置が従来よりも小さいか、又は処理量が多いので、経済的である。しかしながら、この方法には、溶解過程において、溶液の粘度が著しく上昇するとの問題点がある。この方法は、機械的なエネルギーの投入が可能であるとの利点はあるが、エネルギーが粘度の高い領域に、より迅速に混練されるとの問題点がある。そのため、１．回転数により調整する、２．溶解域を冷却する、又は３．混合域における滞留時間を短縮する必要がある。１．の場合には、溶解器の生出量及び混合が低下し、２．の場合は、混合が低下し、３．の場合には、エネルギー収率が低下する。

更に、この方法では、軸のトルク負荷が局所的に存在するとの問題点もある。そのため、溶解装置は、連続的な操作では僅かな機械的負荷が掛らない部分に対しても、極めて頑丈に構築する必要がある。そのように構築しないと、工程の始動、終了の際、又は誤った運転指示、投入原料の品質のばらつきなどの場合に、機械的な損傷を招くことになる。局所的な負荷も安全性の問題につながる。ＮＭＭＯ／水／セルロースの混合物は、所定の温度以上では、極めて爆発し易い。局所的にトルクが高いと、温度スパイクの危険性が高くなる。
従来の技術から、混合物の粘度の変化を監視することはよく知られている。このことは、例えばインクプリンターに対する米国特許第７３３１７０３号明細書から周知である。監視は、モータ軸の回転数の変化を基に行われる。
米国特許出願公開第２００６／１９３１９７号明細書から、生成物の粘度が予め設定した値に達するまで、生成物空間の内部において、逆混合が行われる混合混練機が知られている。この生成物の粘度は、生成物空間全体において駆動装置のトルクの測定により算定される。
更に、国際公開第２０１４／０２３７３８号パンフレットから、混合混練機の全長に渉って配置された混練部材を監視することが知られている。このことは特に破損又は変形の監視に重要である。このために、混練部材に作用する力を測定するトルクセンサを備えてもよい。
独国特許出願公開第１０２０１００１４２９８号明細書から、成形体を製造する基礎物質を溶剤と混合し、一部の溶剤を分離して成形溶液を型に供給する成形体特にライオセル繊維の製造方法が知られている。そのため、成形溶液は成形前に希釈される。すなわち成形溶液の粘度に影響することになる。

欧州特許出願公開第９１４０５４９７号明細書 スイス特許出願公開第５０６３２２号明細書 欧州特許第０５１７０６８号明細書 独国特許出願公開第１９９４０５２１号明細書 独国特許第１０１６０５３５号明細書

本発明の課題は、上述の方法をより制御されるように実行することである。

本発明の課題は、請求項１の後段に記載の特徴により解決される。

上述のように、本発明は、一つ以上の成分からなる任意の混合物の処理に関連する。一般的には、その成分は固体でも、固体でなくてもよい。

粘性のあるペースト状物質を処理する装置の平面模式図 監視装置を備えた混練部材の斜視図 監視装置の操作例を示すブロック図

ここで提案する、例えば紡糸溶液の処理に関する方法では、軸への局所的な負荷は、溶解装置の溶解窓（Ｌｏｅｓｅｆｅｎｓｔｅｒ）へ、新鮮なＮＭＭＯ溶液を投与することにより最適化される。同時に、投与されたＮＭＭＯに付加された水分は、蒸発して冷却するので、温度調節に役立つ。ＮＭＭＯの投与位置は、溶解装置の末端にできるだけ近い後半に設置される。従来は、セルロースは極めて僅かなＮＭＭＯと共に前部において投与され、溶液が後部において排出されていた。軸又は静的構築物へのトルク荷重は、曲げ荷重により測定されて逆算されるか、又は温度の推移及び物質収支から、別に測定した粘度に基づいて計算される。

本方法の特別な実施態様において、供給される溶液中のセルロースのＮＭＭＯに対する比率を最大化させ、そのため、セルロースが溶解し始める前に水分を最小化する。この方法の別の実施態様として、ＮＭＭＯは、トルクの役割を最適化するのに必要なだけ溶解装置の全長に渉って投与され、紡糸溶液の生成に必要な量は、溶解工程後に補足される。更に、全長に渉ってＮＭＭＯの投与量により生成物の温度が制御される。溶液がせん断により過熱されることなく、混合時間を延ばしてもよい。

本発明では、一軸又は多軸の混合機内において、少なくとも一つの揮発性及び少なくとも一つの不揮発性溶剤並びに固体又は液状で不揮発性の基質を含む混合物の処理を提案する。その際、本発明では、少なくとも一つの液状の溶剤の少なくとも部分的な蒸発が起こるので、基質は残留している溶剤又は溶剤の混合物に溶解する。更に、混合物又は溶液の粘度を低下させて蒸発量を上げるため、溶剤又は溶剤の混合物は、生成物空間の全長に渉って追加される。

本発明の方法を実行する混合機は、例えば混合混練機である。紡糸溶液の処理の場合、加工すべき成分は、例えば液状の溶剤として水、不揮発性の溶剤としてＮＭＭＯ（Ｎ−メチルモーフォリン−Ｎ−オキシド、「ＮＭＯ」とも言う）及び基質としてのセルロースである。生成物空間の全長に渉って投与される溶剤は、例えばＮＭＭＯ又はＮＭＭＯと水の混合物である。

本発明の好適な実施例では、追加される溶剤の量により溶液又は混合物の温度が制御される。

本発明の別な実施例では、混合機の軸の機械的負荷又は生成物空間内の静的構築物の機械的負荷を測定することにより、溶液又は混合物の粘度が算定される。

更に、本発明の別の実施例では、生成物の温度又は混合物の温度の測定、並びに沸点及び異なった成分の溶液又は混合物の既知の粘度からの逆算により溶液又は混合物の粘度が算出される。

以下、本発明の利点、特徴及び詳細について、図面を用いて説明する。

例えば独国特許出願公開第４３０３８５２号明細書に示す、混合混練機Ｍのハウジング１を図１に示す。ハウジング１内には、Ｃ字状に形成され、内方に向いた混練部材２が備えられている。混練部材２は、軸４に配列された別の板状の混練部材３と共に作動する。この軸４には、駆動装置５が装着されている。

配管７を介して監視装置８と連結された弁体６が、一連の混練部材２のそれぞれに対して示されている。監視装置８は、矢印９で示すように、中央管理装置に連結されている。

図２に示すように、混練部材２は、フランジ１１に載置された混練体１０から成っている。さらに、混練部材は、テンショナ１３を備えたトルクセンサ１２と連結されている。

混練体１０には、テンショナ１３の下流の弁ブロック６と連結している破線で示す少なくとも１つの溝１４が存在する。この溝１４に、気体シリンダー１５からの加圧媒体が衝突する。溝１４内の圧力は圧力測定器１６、特にマノメータにより監視される。

本発明の作用は次の通りである。

図２に示すように、ハウジング１には、多数の混練部材２が在ることが好ましい。混練体１０自身は、ハウジング１内に突出しており、ハウジングを貫通してフランジ１１により、ハウジングの外側のトルクセンサ１２、テンショナ１３、弁ブロック６及び気体シリンダー、あるいはマノメータと連結している。気体シリンダー１５を介して、溝１４内の圧力が保持される。混練体１０が破損した場合には、ハウジング内の気体が割れ目を通って漏れるので、溝１４内の圧力が低下する。この圧力低下は、マノメータ１６により測定され、監視装置８へ信号が伝送される。当然のことながら、圧力スイッチが作動する所定の値を設定してもよい。その他の点においては、迅速で高感度の監視ができるように、監視する容積ができるだけ少なくなるようにする。

対応する配管７を介して、破損が在るかもしれない混練部材２を識別できる。破損した混練部材は、除去されて停止するが、設備は動き続ける。混合混練機は、全く通常通り動き続け、停止することは無い。

混練体を温度センサに連結すると、特に処理中の物質の温度が測定できる。この温度は、目標とする処理温度の制御に供される。

混練部材には、割れでは無く望ましくない変形が生ずることもある。本発明では、ストレンゲージ又はトルクセンサ１２により、変形を測定し、場合によっては損傷した混練部材を交換する。

例えばトルクセンサによる混練部材の変形を監視することの利点は、軸に沿った生成物空間の所定の位置における混練機内で処理すべき生成物の粘度も監視できることである。従来は、軸に対する駆動のトルクの監視により、総体粘度が監視されていた。しかしながら、混練機の長さ方向に沿った個々の混練部材又は予め決めた混練部材を監視すると、導入口と排出口の間の混練機に個々の領域の粘度が決定できる。この点は、本発明の大きな利点である。

更に、本発明では、ハウジング１内に供給された粘性があり、ペースト状物質を処理に使用するように準備された混練部材に関する保護も考えている。

本発明による監視装置８の一実施例を、図３に詳細に示す。この図では、それぞれの混練部材２は、共通の弁ブロック１７に連結されている。それぞれの混練部材は、加圧媒体用の配管１８を備えている。弁ブロック１７には、加圧媒体配管１９が連結され、この配管には、加圧源１５に向かって流量センサ２０及び圧力調整器２１が挿入されている。流量センサ２０は、中央制御装置２２と連結されている。同様に、圧力調整器２１及び流量センサ２０の間に配されて、加圧媒体配管１９中に加圧媒体が在るか否かをチェックする圧力センサ２３も中央制御装置２２と連結されている。

詳細には図示していないが、前記制御装置は、加圧源１５及び弁ブロック１７、並びに混練部材２の近傍に在り得る制御弁又はセンサとも連結されることは当然である。

次に、監視装置の作用について述べる。

加圧源１５の供給点を介して、圧力調整器２１に約４バールの窒素ガスが適用される。圧力調整器２１により例えば約１バールに圧力が低下する。窒素は流量センサ２０及び加圧媒体配管１９を通って弁ブロック１７に入り、そこでそれぞれの混練部材２に分配される。

爆発的ではなく、僅かな流れが生じた場合、通常の漏出に帰される。２つの事象の分離及び誤った警報を避けるために、加圧媒体配管１９内は、常に予め設定した、好ましくは一定の圧力に保つが、流れ、特に流れ時間が監視される。通常の漏出の場合には、所定の時間内の流量は極めて少ない。流量が例えば、急激又は強力に高まる場合には、先ずアラームが作動する。このことは、混練部材において破損又は割れ目の形成の徴候なので、アラームが発せられる。

それに対応する制御信号が、例えば混練混合機の軸の駆動を停止するか、又は混練空間への原料の投入器又は混練空間からの生成物の排出器を停止、始動又は操作するか、又は混練空間あるいは混練部材の加熱の停止又は操作するのに用いられる。

１ ハウジング
２ 混練部材
３ 混練部材
４ 軸
５ 駆動装置
６ 弁ブロック
７ 配管
８ 監視装置
９ 矢印
１０ 混練体
１１ フランジ
１２ トルクセンサ
１３ テンショナ
１４ 溝
１５ 加圧源
１６ マノメータ
１７ 弁ブロック
１８ 配管
１９ 加圧媒体配管
２０ 流量センサ
２１ 圧力調整器
２２ 制御装置
２３ 圧力センサ
Ｍ 混合混練機
Ｐ 生成物空間

Claims (9)

1. 一軸又は多軸の混合機（Ｍ）において、混合物を調整する処理方法であって、
   前記溶液又は混合物の粘度を低下させて蒸発量を上げるように、溶剤又は溶剤混合物が生成物空間の全長に渉って生成物に投与され、
   軸に沿った生成物空間の予め設定された位置において前記溶液又は混合物の粘度を測定することを特徴とする方法。
2. 軸に沿った生成物空間の予め設定された位置における溶液又は混合物の粘度を変化させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 上記測定は、生成物空間内の静的及び／又は動的な構築物の機械的荷重の測定により決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記溶液又は混合物の粘度は、生成物温度の測定並びに沸点及び溶液の種々の組成における既知の粘度からの逆算により算定されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記混合物又は溶液の温度は、投与される溶剤量又は溶剤混合物量により制御されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記粘度は、軸（４）及び／又は静的及び／又は動的な構築物のトルクに基づいて決定されることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記粘度は、静的及び／又は動的な構築物の変形により決定されることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記混合物は、少なくとも１つの揮発性及び少なくとも１つの非揮発性溶剤並びに液状の非揮発性基質を含み、少なくとも１つの揮発性溶剤の一部の蒸発により、残留している溶剤又は溶剤混合物に基質が溶解することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. 請求項３ないし請求項８のいずれか１項に記載の方法を実行する装置であって、
   静的及び／又は動的な構築物（２）に、１つのトルクセンサ及び／又は１つの変形用のセンサが配置されていることを特徴とする装置。
   

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