JPH11505319A - 円錐スクリュ型ミキサー/乾燥機における強制対流乾燥 - Google Patents

円錐スクリュ型ミキサー/乾燥機における強制対流乾燥

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JPH11505319A JP8534943A JP53494396A JPH11505319A JP H11505319 A JPH11505319 A JP H11505319A JP 8534943 A JP8534943 A JP 8534943A JP 53494396 A JP53494396 A JP 53494396A JP H11505319 A JPH11505319 A JP H11505319A
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Abstract

(57)【要約】 本発明は攪拌パン型乾燥機の容量と効率を増加する乾燥方法の改良に関する。特に、本発明は、円錐スクリュ型ミキサー/乾燥機装置(200)及び薬品のような乾燥が困難な化学化合物の強制対流乾燥の方法に関する。強制乾燥は、乾燥サイクル中、乾燥容器(210)内で乱流(280)を生成することによってなされる。乾燥サイクル時間の著しい減少が達成された。

Description

【発明の詳細な説明】 円錐スクリュ型ミキサー/乾燥機における強制対流乾燥 発明の背景 本発明は乾燥が困難な材料の乾燥技術の改良に関する。詳しくは、本発明は攪 拌パン型乾燥機(agitated pan dryer)等の使用を乾燥困難な化学材料の乾燥 に拡大するようにした乾燥技術の改良に関する。 薬剤を含む多数の化学製品の製造には、中間又は最終の製品を乾燥することが 必要となる。これは通常、乾燥装置によって達成されるが、それは多くの異なる 種類のものがあり、乾燥動作により分類される。例えば、ペリーの化学工学ハン ドブック(第5版)は乾燥機を直接乾燥機、赤外−放射熱乾燥機及び間接乾燥機 の3つのカテゴリーに分類している。 攪拌パン型乾燥機は一般に間接バッチ乾燥機の類に含められる。この攪拌パン 型乾燥機では、乾燥熱は保持壁を介して湿った固体(wet solid)に伝達される 。湿った固体から蒸発する液体は分離によって加熱手段から除去される。一般に 、乾燥速度は乾燥機の湿った固体と熱面との接触に依存する。 図1に断面で示す標準の攪拌パン型乾燥機は比較的浅い平底のパン10からな り、このパン10は皿形又は円錐形のカバー20で覆われている。パン10の底 及び壁はジャケット30によって囲まれ、該ジャケット30には蒸気のような加 熱媒体が収容されている。しかしながら、注意すべきことは、全ての攪拌パン型 乾燥機が加熱媒体用のジャケット30を有していないことである。駆動手段42 に取り付けられた中央垂直軸40にはゆっくりと動く重負荷の攪拌機45が支持 されている。この攪拌機45は、乾燥機内の材料を攪拌し、該材料を熱伝達面に 向って移動させ、また熱伝達面から離れて移動させる。攪拌機軸40は、パン1 0のカバー20又は底15の何れかを介して入れられるようにするとともに、熱 伝達面を擦ったり、乾燥中に材料をよりよく攪拌するための付加手段を含めても よい。余分の加熱面を付加するため、あるいはジャケット30が設けられないと きに加熱面を付加するために、攪拌機内で加熱媒体を循環させてもよい。乾燥機 内に異なる負荷を与えるため、又は乾燥中に製品のレベルを変更するために、攪 拌機45のブレードを昇降させることができる。攪拌パン型乾燥機は大気圧又は 真空で運転することができる。いずれの場合にも、通常、カバー20には蒸発し た液体の放出のための出口50が設けられ、この出口50は所望ならば真空に接 続される。湿った材料を装入し乾燥した材料を除去するための装入/排出口60 は、通常、パン10の側面に設けられるが、パン10の底15に設けてもよい。 この代り、装入/排出口60を設けずに、カバー20を開放して材料を装入し、 取り出すようにしてもよい。 攪拌パン型乾燥機は、乾燥中に攪拌されなければならない材料、例えば取扱い が困難な材料、あるいは連続乾燥が不経済である材料をバッチで乾燥させるのに 有益である。攪拌パン型乾燥機は、湿った固体から蒸発した溶剤が回収されるよ うになっているとき、又は乾燥が高真空でなされなければならないときに、特に 有益である。しかしながら、攪拌パン型乾燥機は、乾燥中に粒子の劣化(degra- dation)を被ったり、乾燥中にボールになって表面硬化(caseharden)する材料 には適さない。 多くの化学製品、特に薬剤製品は、有機質であり、過度の温度にさらされると 分解することがある。さらに、このような製品は結晶質ではなく、非常に小さな 粒子サイズを有し、毒性及び/又は可燃性溶剤を除去する必要がある。乾燥後の 揮発物含有量は非常に低い例えば1パーセント以下であることがしばしば要求さ れる。このような製品は乾燥させることが非常に困難である。特に、その材料は 乾燥中に粘々になり、ボール状になって容易に表面硬化することがある。これが 起こると、要求された低揮発性含有量に合致しなくなる。したがって、満足のゆ く結果を得るためには長い乾燥サイクルが必要となる。 また、湿った固体と加熱ガスのような乾燥媒体との直接接触がある直接乾燥が 知られている。このような乾燥機では、湿った固体から蒸発した液体は通常、乾 燥媒体によって運び去られる。直接乾燥はしばしば対流乾燥機(convective dr yer)として言及される。多くの標準の対流乾燥機は真空では容易に運転するこ とはできないので、毒性溶剤が除去されなければならない化学又は薬剤の製品の 乾燥には適用することができない。 乾燥効率を増加させるために、間接乾燥機に直接乾燥手段が予め付加されてき た。特に、攪拌パン型乾燥機は、パンの壁又は底を介しての標準の間接加熱に加 えて、湿った固体の表面に乾燥媒体を吹き付ける手段を含むように変更してもよ い。この技術により、攪拌パン形乾燥機で有効に乾燥させることができる材料の タイプの範囲が拡大される。このような組み合わせの一つの例を以下に説明する 。 図2は、参照符号100で全体的に示す従来公知のナッシュ形(nutshe type )フィルタ/乾燥機の断面図である。特に、ナッシュ形フィルタ/乾燥機100 は、乾燥機として使用するために修正された標準のナッシュ形フィルタであり、 基本的には乾燥パン型乾燥機の変形である。類似性は以下の説明から明らかであ る。特に、ナッシュ形フィルタ/乾燥機100は、圧縮容器120、ガス入口1 30、及び集塵機145が取り付けられたガス出口140を有している。また、 ナッシュ形フィルタ/乾燥機100は、主軸154に接続され、互いに90度に 装着された2セットの延長アームを有する駆動手段150を有している。アーム の第1のセットは平坦ブレード(不図示)からなり、該平坦ブレードは製品19 0を滑らかにして、乾燥に適したバッチで容器120に導入する。アーム156 の第2セットは、多数の攪拌延長部158を有している。フィルタ/乾燥機10 0は、さらに、外部排出軸170の中に位置する内部排出軸160と、容器12 0の底に位置するフィルタプレート180とを有している。 主軸154は、容器120内で回転及び垂直移動するように設計することがで きる。アーム156の第2セットは、主軸154に固着され支持され、一方、攪 拌機アーム156は垂直に主軸154とは独立して移動可能である。内部排出チ ューブ160は、固定外部排出軸170の中で垂直に移動するように設計される 。 使用時には、内部排出チューブ160及び主軸154はそれらの最も高い垂直 位置に持ち上げられる。これにより、アームの両セットが最高位置に持ち上げら れる。乾燥される製品190の供給スラリーは、フィルタプレート180、容器 120の壁、及び排出チューブ160によって囲まれた空間に供給される。通常 は攪拌パン型乾燥機の加熱板によって占有される空間をフィルタプレート180 が占めるため、加熱媒体は2セットのアーム(すなわち平坦ブレードと攪拌アー ム156)を介して循環される。このようにして、熱は製品190に伝達され、 そこから溶剤を蒸発させる。熱伝達の約60パーセントは攪拌機アーム156及 び平坦ブレードを介して達成され、残りは容器120の加熱壁と製品190との 間の接触によって達成される。乾燥時間及び乾燥効率を増加するために、再循環 した窒素ガスを容器120に供給して、直接又は対流乾燥を起こさせてもよい。 窒素ガスをフィルタプレート180を介して上方に、あるいは製品190を介し て下方に循環させる試みは、製品190が前述した理由すなわち小粒子径、粘着 性、表面硬化性等の理由で乾燥困難なものであるときには、期待外れであり、有 効でなくなる。これは、そのような製品190がフィルタプレート180を詰ま らせるか、あるいは窒素ガス流れを封鎖するからである。したがって、窒素ガス は、入口チューブ130を介して供給され、内部容器120内に矢印で示すよう に、製品190の表面を通過させるようにしてもよい。乾燥ガスはガス出口14 0及び集塵機145を介して流出し、さらなる使用のために再循環される。乾燥 ガスが製品190の上を通過すると、限定された対流乾燥が起こり、製品190 内の揮発成分が蒸発する。これはクロスフロー乾燥(cross flow drying)と して知られている。 パールムッター(Perlmutter)は、図3に示すような模範的な乾燥曲線を記載 している。ここで、一定乾燥率期間(constant drying rate period)は第1 相の間に生じる。パールムッターによると一定率期間はガスの質量速度、製品の 熱力学的状態及び物理学的状態のような外部要因に支配される。パールムッター は、乾燥する製品が一定率乾燥相でボールを形成する傾向を有するとき、対流乾 燥は静的(非攪拌)ベッドで実行されるべきであり、クリティカル湿気量(cri- tical moisture content)に到達するまで続けるべきであると注釈している。 パールムッターは、さらに、低下率期間の間はケーキ特性(cake properties) や熱入力は制御ファクターであると提案している。最後に、拡散期間では、攪拌 アームは製品の固まりを破砕して等質で良質のパウダーである最終製品を生成す る(Perlmutter; Principles of Pressure Nutsche Filter−Dryer Te-c hnology; Drying ′92; A.S.Mujumdar 監修、1321−1329頁 、 Elsevier Science Publishers,B.V.; 1992年出版参照)。 しかしながら、以下に説明するように、現実世界の利用における乾燥は、古典 的理論によって提案されているものよりも複雑であることを証明している。例え ば、同じガス質量流量を使用すると、2つの乾燥機は劇的に異なる乾燥性能を示 す。さらに、窒素ガスの流量を2倍にしても最小限の改良を与えるだけであり、 古典的理論から引き出される結果と逆であるにも拘わらず、現実に著しく熱効率 を悪化する。 したがって、攪拌パン型乾燥機における化学化合物の対流乾燥の改良に対する 要求がある。 発明の目的 本発明の目的は、攪拌パン型乾燥機における化学化合物び対流乾燥の改良を提 供することにある。 本発明の他の目的は、熱効率と乾燥速度を増加することによって攪拌パン型乾 燥機を通しての材料の処理量を増加し、これにより揮発物除去効率又は歩留まり を犠牲にすることなく、乾燥に要する時間を減少することにある。 発明の概要 前記及び他の目的は、本発明により乾燥機内で特に製品の表面で乱流を生成す ることによって達成される。これは、ノズルを介して高速で乾燥機に加圧乾燥ガ スを強制導入することによって達成される。ノズルの使用により、乾燥ガスの静 水力学的エネルギー(圧力)は乾燥機内で乱流を生成するのに必要な水力学的エ ネルギー(流速)に変換される。 図面の簡単な説明 図1は、従来技術において公知の攪拌パン型乾燥機の断面図である。 図2は、従来技術において公知の対流乾燥のために装備されたナッシュ型フィ ルタ/乾燥機の断面図である。 図3は、従来の技術において公知の古典的乾燥理論を説明する図である。 図4は、図2に示すナッシュ型フィルタ/乾燥機の断面図であり、本発明の一 実施例による改良を示す。 図5は、図2に示すナッシュ型フィルタ/乾燥機の断面図であり、本発明のさ らなる実施例による改良を示す。 図6は、円錐スクリュ型ミキサー/乾燥機の断面図であり、本発明の改良を示 す。 発明の詳細な説明 対流乾燥のために装備されたナッシュ型フィルタ/乾燥機は、図2を参照して 前に説明した。本発明による改良を図4と図5を参照して以下に説明するが、同 一部分は図2で使用された参照符号によって識別している。 図4は、ナッシュ型フィルタ/乾燥機の断面図であり、参照符号100で全体 的に示され、本発明の第1実施例による改良を示す。乾燥機100は、圧力容器 120、ガス出口140、集塵機145、及び図2を参照して前述した攪拌シス テムからなっている。 本発明による改良は、新規に設計された乾燥ガス入口であって、外部ガス入口 軸130A内に固定された高速ノズル135Aを有する。図4に示す実施例では 、ノズル135Aと入口軸130Aは、ガス出口140の一部に設けられている 。しかしながら、本発明は容器120の中の任意の位置に高速ノズルを設置する ことにも関係している。 図5は、ナッシュ型フィルタ/乾燥機の断面図であり、参照符号100で全体 的に示され、本発明の他の実施例による改良を示す。特に、図5は本発明の改良 を示し、ここでは高速ノズル135Bと入口軸130Bがガス出口140から離 れて設けられている。 乾燥プロセスは、乾燥ガスがノズル135A又は135Bを介して高速でかつ 高圧で導入される点を除いて、前述したものと同一である。この導入により、図 4と図5の両方に示すように、容器120内に矢印で示すように、容器120内 に乱流が生成される。高速ノズル135A又は135Bの使用により、乾燥ガス の静水力学的エネルギー(圧力)が容器120内で乱流を生成するのに必要な動 水力学的エネルギー(流量)に変換される。容易120内に乱流を生成すること により、再循環乾燥ガスは高速で製品190の中の揮発性物質とともに飽和し、 従ってより短い乾燥時間が達成される。 本発明によるさらなる実施例は、図6に示すように、円錐スクリュ乾燥機に関 係している。特に、図6は参照符号200で全体的に示された円錐スクリュミキ サーを示し、これは円錐形容器210からなり、製品が装入されるカバー22を 有している。螺旋ブレード230を備えたスクリュは容器210内に収容され、 回転駆動手段240に接続されている。回転駆動手段240は、さらに旋回駆動 手段250に接続されている。運転時には、スクリュ230は、回転駆動手段2 40で駆動され、容器210内で製品を混合し上方に移動させる。同時に、旋回 駆動手段250は、上から底への循環及び混合のために、容器210の中心線の 回りにスクリュ230を駆動する。回転駆動手段240を逆転させると、出口2 60を介しての製品の排出が援助される。他の実施例では、スクリュ230は遊 星運動(epicyclic action)を介して動かされ、容器210の全容積のさらに 完全な被覆と混合を与える。 スクリュ230の種々の運動の結果は、前述したように、攪拌パン型乾燥機の 動作をエミュレート(emulate)することである。円錐スクリュミキサーを乾燥 機に変換することは、容器210にジャケットを設けるか、乾燥ガスを例えば入 口270を介して容器210の内部に提供する手段を含めることによって容易に 達成される。乱流を生成する本発明は円錐スクリュミキサー/乾燥機の使用に同 様に適用可能である。特に、図6に示すように、高速ノズル280を入口/出口 270の中にカバー220を介して設ける。高速ノズルは、ポート270の領域 の外側にカバー220を介して設けることもでき、あるいは容器210の壁を介 して設けることもできる。 本発明は攪拌パン形乾燥機(変換ナッシュフィルタ及び変換円錐スクリュミキ サーを含む)の有用性を通常では考えられないような領域に拡大する。特に、本 発明を使用することによって、攪拌パン型乾燥機は乾燥困難な化学化合物例えば 薬品の乾燥に有効に使用することができる。これは有機薬品を含み、この有機薬 品は典型的には温度に敏感で、粘着性があり、小さな粒子径を有し、水以外の溶 剤を使用し、結晶体ではなく、乾燥サイクル中に表面硬化ボールを形成するかも しれないものである。本発明は、標準の攪拌パン型乾燥機を使用するときに達成 されるよりも相当短い乾燥時間内に、湿った製品の揮発性レベルを要求された範 囲(例えば、1パーセント以下)に減少させることができる。 例えば、イオベルゾル(Ioversol:X線コントラスト剤X−ray contrast a gent)のプロセス中、中間化学化合物の乾燥が必要である。この中間体は90℃ 以上の温度にさらされれば腐敗する。さらに、この中間体は結晶体でなく、大変 小さな粒子径を有し、ボールを形成する傾向があり、これにより固くなり、揮発 体を所要レベルに除去することが非常に困難になる。さらに、除去される溶剤は 毒性があり、可燃性を有し、高い沸点を有する。これらの全ての特性は、この中 間体の乾燥を極めて困難にさせる。これらの特徴は薬品の製造に比較的共通して いる。 従来の乾燥機は、そのような中間体を短時間で乾燥する仕事までは達していな かった。したがって、図2で説明したように、対流乾燥に適合したナッシュフィ ルタ/乾燥機において24時間以上の乾燥サイクルが許容された。 しかしながら、本発明により乾燥機の容器内で乱流を生成することによって、 10時間以下の乾燥サイクルが達成された。この短縮された乾燥時間は、図4と 5を参照して説明したように、30001bの能力を有するナッシュフィルタ/ 乾燥機の使用に、30メータ・トンの年間乾燥能力を加えることができる。これ により、薬品のような化学化合物の製造にかかる費用を大いに減少することがで きる。ある特有の節約の一つは、購入及び設置するのに4百万ドル以上かかる多 重ナッシュ型乾燥機の必要性の可能な除去に関する。 本発明の乾燥機を使用する典型的なプロセスは、以下のステップを含む。製品 は乾燥機の容器の中に装入される。次に、高速で導入された乾燥ガスの流れが開 始される。製品は新しいい表面領域を露出するために攪拌アームによって連続的 に耕される(plowed)。ガス流れは製品の揮発性含有量が目標に達するまで継続 される。次に、製品は乾燥機容器から取り除かれる。 本発明は乾燥機内で乱流を生成するための高速ノズルについて説明した。しか しながら、本発明は、乱流を生成する他の如何なる手段や方法にも等しく適用可 能である。さらに、本発明による乾燥のプロセスは、主として単一段階の乾燥動 作として説明したが、ここで乾燥ガス流速は乾燥サイクルを通して一定である。 しかしながら、本発明は多重段階の乾燥サイクルにも適用可能である。例えば、 埃っぽい製品は流速の異なる2段階を使用して乾燥される。第1段階は製品が比 較的湿った状態にあるときには比較的高速であり、第2段階は製品が埃が広く行 きわたるポイントまで乾燥されたときには低速である。 本発明は、薬品のような溶剤を積んだ化学化合物を乾燥させる装置及び方法に ついて前に説明した。しかしながら、本発明は、材料の水性のケーキを乾燥させ るのにも使用することができる。さらに、窒素ガスは好ましい加熱ガスであるが 、本発明は窒素ガスの代りに他のガスや空気も使用することができる。 本発明は、再循環する窒素ガスを使用する直接又は対流乾燥について説明した 。実際には、窒素ガスは通常は圧力下で再循環される。しかしながら、本発明は 乾燥ガスを再循環させない方法にも等しく適用可能である。さらに、本発明は、 大気圧及び大気圧下で運転される方法に利点を与える。 本発明は、図4と5を参照して単一の高速ノズルを含むものとして前に説明し た。しかしながら、本発明は、乾燥機内に最適乱流状態を生成するために2又は それを超える高速ノズルを使用するものにも適用可能である。これらのノズルは 、同一又は異なる流速で運転して、異なる乱流条件を生成しあるいは変更しても よい。 以上は、本発明のある好ましい実施例を説明したものであるが、いかなる場合 も本発明を制限するものではない。むしろ、本発明の範囲内で多くの修正、変形 及び変更がなされてもよい。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.乾燥機として使用するために修正された円錐スクリュ型ミキサーにおいて、 円錐形の圧縮容器と、 該容器に乾燥媒体を導入するための入口と前記容器に装入された製品からの蒸 発液体を解放するための出口とを有し、前記容器に取り付けられて容器を蓋する カバーと、 前記容器の下端に位置し、前記容器から製品を排出するための排出口と、 前記容器に収容され、前記容器に装入された製品を混合するための螺旋ブレー ドを有するスクリュ攪拌機と、 該攪拌機に取り付けられ、攪拌機を駆動するように適合された駆動手段とから なり、 乾燥サイクル中に前記容器内で乱流を生成する手段を設けたことを改良とする 円錐スクリュ型ミキサー。 2.前記乱流を生成する手段は、前記容器に乾燥媒体を高速で注入するための少 なくとも1つの高速ノズルからなる請求項1に記載の円錐スクリュ型ミキサー。 3.前記高速ノズルは1つ設けられ、前記入口の中に位置している請求項2に記 載の円錐スクリュ型ミキサー。 4.前記入口は前記出口の一部に位置しており、前記高速ノズルは1つ設けられ 、前記入口の中に位置している請求項2に記載の円錐スクリュ型ミキサー。 5.前記容器の壁を取り囲むジャケットをさらに有し、該ジャケットは加熱媒体 の循環のための領域を与える請求項1に記載の円錐スクリュ型ミキサー。 6.前記スクリュ攪拌機の螺旋ブレードは、加熱媒体がそこで循環されるように 形成されている請求項1の円錐スクリュ型ミキサー。 7.前記出口は真空源に接続されている請求項1に記載の円錐スクリュ型ミキサ ー。 8.前記乾燥機はさらに前記出口に接続された集塵機を有する請求項1に記載の 円錐スクリュ型ミキサー。 9.前記スクリュ攪拌機の軸の回りに前記スクリュ攪拌機を回転して駆動するた めの第1駆動手段と、前記容器の内側に前記スクリュ攪拌機を旋回して駆動する ための第2駆動手段とが設けられている請求項1に記載の円錐スクリュ型ミキサ ー。 10.前記スクリュ攪拌機の軸の回りに前記スクリュ攪拌機を回転して駆動する ための第1駆動手段と、前記容器の内側に前記スクリュ攪拌機を遊星駆動するた めの第2駆動手段とが設けられている請求項1に記載の円錐スクリュ型ミキサー 。 11.円錐形の圧縮容器と、 該容器に乾燥媒体を導入するための入口と前記容器に装入された製品からの蒸 発液体を解放するための出口とを有し、前記容器に取り付けられて容器を蓋する カバーと、 前記容器の下端に位置し、前記容器から製品を排出するための排出口と、 前記容器に収容され、前記容器に装入された製品を混合するための螺旋ブレー ドを有するスクリュ攪拌機と、 該攪拌機に取り付けられ、攪拌機を駆動するように適合された駆動手段と、 乾燥サイクル中に前記容器内で乱流を生成する手段とからなり、 乾燥機として使用するために修正された円錐スクリュ型ミキサーにおいて化学化 合物を強制乾燥する方法において、 乾燥される製品を前記容器に装入し、 前記容器を前記カバーで蓋し、 前記駆動手段を始動して前記攪拌機を駆動し、前記製品を混合し、 前記容器内で乱流を生成し、 前記製品から蒸発する揮発体を前記出口を介して除去し、 前記製品内での揮発性レベルが減少して所定のレベルに減少するまで、前記攪 拌機を駆動するステップ、乱流を生成するステップ、及び揮発体を除去するステ ップを継続し、 前記容器内の乱流を停止し、 前記駆動手段を停止し、 前記容器から製品を取り除くステップからなる乾燥方法。 12.乾燥サイクル中に前記容器内で真空を加えるステップをさらに有する請求 項11に記載の乾燥方法。 13.前記乱流を生成する手段は、前記容器に乾燥媒体を高速で注入するための 少なくとも1つの高速ノズルからなる請求項11に記載の方法。 14.前記乾燥媒体は窒素ガスである請求項13に記載の方法。 15.前記乾燥媒体は空気である請求項13に記載の方法。 16.前記乱流を生成するステップは、乾燥媒体を前記容器に高速で注入する請 求項11に記載の方法。 17.前記乾燥媒体は、乾燥サイクル中に一定速度で注入する請求項16に記載 の方法。 18.前記乾燥媒体は、乾燥サイクルの異なる段階で異なる速度で注入する請求 項16に記載の方法。 19.前記乾燥媒体は、乾燥サイクルの第1段階では比較的高速で注入し、乾燥 サイクルの第2段階では低い速度で注入する請求項18に記載の方法。 20.前記化学化合物は、薬品又は中間体である請求項11に記載の方法。 21.前記製品はスラリーの形態で前記容器に装入する請求項11に記載の方法 。 22.前記製品は水性ケーキの形態で前記容器に装入する請求項11に記載の方 法。
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