JPS6017568B2 - ガスと気化可能液体とを混合する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、使用地点においてガス状混合物を供給する目
的でガスと気化可能液体とを混合させる技術に関する。

ガス状混合物を特定の目的場所へ送給するためにガスを
気化可能液体に混合させることを必要とする商業用の用
例は多数ある。そのような用例の１つは、鋳造工場にお
いて注型鋳型として使用される鋳物用砂中子の製造であ
る。

砂中子は砂を重合性樹脂と混合させ、その混合物を金型
キャビティ内へ導入することによって製造することがで
きる。次いで、アミン触媒ノキャリアガス混合物をキヤ
ピティ内へ鮭入すると、触媒が上記樹脂を重合させて該
樹脂により砂を結合させ、自立性の砂中子を形成する。
別の用例としては、鰹道排ガスから粒状物を除去するた
めの静電集塵法がある。

石炭炊き発電所では排ガスを大気中へ放出する前に排ガ
スから多量の粒状物を除去しなければならないが、その
目的のために一般に使用されている静電集塵法の効率は
、汚染ガスにそれを集塵器へ通す前にアミンガスを混合
すると大幅に向上する。砂中子プロセスおよび静電集塵
法に関連して使用されるァミンは、気化可能液体である
。

一般に、そのようなアミンは「少量の単位で必要とされ
るのであるが、アミン液体をたとえそのような僅かな濃
度ででもキャリアガスやプロセスガスの流れ内′へ吹込
むと、不均一な、混合度の悪い組成物が生じ、その結果
、プロセス性能を劣化させる。問題は、キャリアガスの
流量の定常性（不変性）の欠如にあると考えられる。現
在の気／液混合技法は、一定不変の流量において良好に
機能するように、即ち、流量とは関係なく一定の気／液
接触率をもたらすように構成されているので、流量が可
変である場合には適合しない。

従って、本発明の目的は、ガス流に変化があっても、キ
ャリアガス内の蒸気濃度を一定にすることができる、改
良された気／液混合方法を提供することである。

本発明の叙上およびその他の目的、特徴ならびに利点は
、添付図を参照して記述した以下の説明から一層明瞭に
なろう。

略述すれば、本発明は、以下に規定する場合を除いては
流量の変化に関係なく、一定の組成を有するガス状混合
物を供給するようにガスと気化可能液体とを混合する方
法において、｛ａ’ガスと気化可能液体とを所定の割合
で含む混合物を、乱流（層流ではなく）を惹起するのに
十分な流量で管ノ殻体型熱交換器の管内へ導入する工程
と、【ｂ｝ 加熱流体を、前記気化可能液体を蒸気相と
液相とに分離させるべく該気化可能液体の少くとも一部
分を気化させるのに十分な温度で前記管／殻体型熱交換
器の殻体内へ導入する工程と「【ｃ’ガスと前記蒸気相
との混合物を使用部署へ送給し「前記液体相を、前記工
程‘ａにおいて導入する混合物を得るためにガスと混合
すべき部署へ再循環させる工程とから成る方法を提供す
る。

本発明は、また、砂中子を製造するプロセスにおいて、
アミンを触媒として機能させて樹脂バィンダを重合させ
、砂／樹脂バィンダ混合物を硬化させるために「窒素と
トリェチルアミンの混合物を例えば鋳型硬化部署などの
使用部署へ送給する方法において、【ａ’窒素ガスと液
体トリェチルアミンを吸引器内で混合させる工程と、｛
ｂ｝ 該混合物を、乱流を惹起するのに十分な流量で熱
交換器の管内を通して通流させて該混合物を所定の圧力
下で所定の温度にまで加熱させ、それによって混合物内
の前記液体トリェチルアミンを蒸気相と液体相とに分離
させる工程と「｛ｃ｝ 前記工程‘ｂ枕）らの混合物を
所定の帯域内へ通し、該帯域内で液体トリェチルアミン
を底部へ落下させて前記工程｛ａ’へ再循環させ、窒素
とトリェチルアミンとのガス状混合物を腹部へ上昇させ
てデミスタを通過させ、それによって該ガス状混合物内
に連行されている液体トリェチルアミンをガス状混合物
から除去して該帯域の底部へ戻す工程と、‘ｄー 前記
使用部署が操業中であるときは窒素とトリェチルアミン
との前記ガス状混合物を該使用部署へ送る工程と、【ｅ
｝ 前記使用部署が操業中でないときは該ガス状混合物
を、凝縮させることなくガス状に維持するように熱交換
器を通して連続的に再循環させる工程とから成る方法を
提供する。

本発明の方法によって供給されるガス状混合物は、ガス
と、気化可能液体の蒸気相との混合物である。

このガス成分は、一般に、気化可能液体に対して、そし
て通常のプロセス成分に対しても不活性の１種類のガス
または複数種のガスの混合物である。一般的なキャリア
ガスは窒素であるが、アルゴンや、ヘリウムや、二酸化
炭素などの他の慣用のキャリアガスを使用することもで
きる。気化可能ガスも、もちろん、キャリアガスに関す
る限りは不活性であるが、一般には、該ガス状混合物を
送給すべき使用部署において反応体または触媒として、
あるいは他の何らかのプロセス機能を有するものとして
創生されるプロセスの１成分である。鋳型硬化操作にお
いて触媒として使用される気化可能液体の例としては、
トリェチルアミンおよびジメチルェチルアミンなどがあ
る。本発明の方法を用いて混合することができるその他
の気化可能液体としては、エチルアミン、ジェチルアミ
ン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、エタノールな
どがある。流量は、管／殻体型熱交換器の管内に乱流を
生じさせるのに十分な流量から約１０帆３／ｍｉｎ（標
準）（２．８３の／ｍｉｎ）までの範囲とすることがで
き、好ましくは約１ぴｔ３／ｍｉｎ（標準）（０．２８
わ／ｍｉｎ）から約１０血３／ｍｉｎ）（標準）（２．
８３の／ｍｉｎ）の範囲とする。

プロセス温度は、約２０ｏｏから約１２０００の範囲と
することができ、好ましくは約３０ｏｏから９０つ０の
範囲である。プロセス圧は、約ｏｐｓ言ｇ（ｏｋｇノ塊
、ゲージ圧）から約１０仮ｓｉｇ（７．０３ｋ９／ｃ椎
、ゲージ圧）の範囲とすることができ、好ましくは約１
５ｐｓｉｇ（１．０５ｋ９／仇、ゲージ圧）から約６０
ｐｓｉｇ（４．２ｋｇ／の、ゲージ圧）の範囲とする。
系の圧力は、一旦設定されたならば、通常は、一定に保
持される。図面を参照して本発明の方法を説明する。

上述したァミンなどのような気化可能液体は、溜め１内
に貯留されており、ポンプ３を用いて導管２を通してポ
ンプ送りする。ポンプ３は、ポンプシールでの漏れを回
避する磁気駆動式液体ポンプであることが好ましい。液
体アミンは、導管２を通し、不純物を除去するためにフ
ィル夕４を通してタンク５内へ送給し、次いで、タンク
５の底部に配置されている管／殻体型熱交換器６の管内
へ送る。この熱交換器からアミンは、導管９を通って吸
引器１０（混合型吸引器）達する。例えば窒素のような
キャリアガスは溜め７内に保持されている。

窒素は、導管８を通り、予めセットされた調圧器１０を
経て吸引器１０へ通す。吸引器１０‘こおいて、窒素ガ
ス流によって吸引される液体アミンの量は、該ガスの流
量に比例する。このガスノ液体混合物は、更に導管１１
を通して管／殻体型熱交換器１２の管内へ通す。この熱
交換器の管内に乱流（層流ではなく）を惹起させるため
に、液体アミンの流量（そｂ／ｈｒ．）を乱流が得られ
るまで増大させるが、窒素の流れは一定に維持される。
熱交換器１２の殻体内へ通される加熱流体の温度を、該
熱交換器の管内を通る液体の約５〜約１の重量％気化さ
せるように調節した後は、ガス／液体混合物の１〆ｂ当
りのＢＴＵ値も一定に保たれる。加熱流体は、ポンプ２
７によってポンプ送りされ、加熱器１３を通して加熱さ
れ、導管１４、熱交換器１２の殻体内、導管１４、熱交
換器６の殻体内、導管１４を通して循環される。加熱器
１３および後述する加熱器２２は、抵抗加熱器またはそ
の他の慣用の加熱器であってよく、加熱流体としては、
水／グリコール不凍混合物のような慣用の加熱流体を使
用することができる。加熱流体の温度は、約４０ｏｏか
ら約９０ｑｏの範囲とすることが好ましい。熱交換器１
２の管のサイズおよび本数はその効率を高めるために変
更することができる。

まず、特定の系において使用すべき最大限の流量を定め
る。次に、その流量が得られるように特定のサイズの管
の本数を選定する。その際、上記最大限の流量が得られ
る限りにおいて管の断面積をできるだけ小さくすべきこ
と、および、比較的低い流量で乱流を惹起させるように
比較的小さい断面積の、比較的少数の管を使用して流速
を高めることに留意する。多くの用例において一般には
熱交換器の管のサイズは大き目‘こされるが、本発明の
方法においては、管のサイズは、最大限の流量を得るの
に必要とされる大きさ以上には大きくしないことが好ま
しい。本発明の方法に使用する代表的な熱交換器は、例
えば各々１／４ｉｎ（６．３５側）の内径を有する１０
０〜１２０本の管を備えたものとすることができる。熱
交換器１２内へ導入される時点での混合物の液体に対す
るガスの割合は、タンク５内の液体アミンの液面を一定
に保つと同様に、一定に保つことが好ましい。熱交換器
１２の管内を通る２相液体の流れを乱流とすることと、
熱交換器の殻体内を通す加熱流体の温度を制御すること
とにより、熱入力はガスの流量に比例して増大される。

即ち、流量が増大すると、薄肉の熱交換器内の乱流が増
大し、その結果熱交換器１２内の全体的熱伝達率が増大
する。即ち、管内の乱流が大きくなるにつれて、管内の
ガス／液体混合物へ伝達される熱の割合が増大する。先
に述べたように、液体アミンの一部分がこの熱交換器で
気化されるが、気化されるアミンの量は、少くとも窒素
ガスを飽和させるのに十分な量とすることが好ましい。
残りのアミンは液体として残る。加熱器１３内の温度、
系内圧力、および吸引器１０１こおけるガス対液体の重
量比が一定に保たれている限り、管内１５に流入する窒
素ガス／アミン蒸気混合物の組成は、流量の変化に関係
なく一定に保たれる。窒素とアミンとのガス状混合物は
、導管１７，１８を通して、例えば鋳型硬化部署のよう
な使用部署１９へ抽出する。

鋳型硬化部署においてアミンは触媒の役割を果し、樹脂
／ゞィンダを重合させて砂／樹脂バィンダ混合物を硬化
させる。ガス状混合物を導管１８を通して使用部署１９
へ抽出する場合、導管１７に設けられた調圧器（図示せ
ず）が開放して混合物を導管２０および熱交換器２１を
通した後、導管１８を通して使用部署１９へ送る。熱交
換器２１は、調圧器を通る際に膨脹することによって生
じるプロセス導管内の温度損失を補償するとともに、導
管１７，２０，１８内におけるアミンの凝縮を最少限に
し、熱損失を補償するように該ガス状混合物の温度をそ
の蕗点より高い温度に上昇させる。この操作は、系内に
圧力降下を生じさせ、その結果導管８の圧力調整器を開
放して窒素ガスを吸引器１０を通して通流させる。

吸引器１０‘こおいて窒素は、それに相応する量の液体
アミンを導管１１内へ吸引し、それによりガス／液体（
窒素／ァミン）混合物が導管１ １を通って熱交換器１
２へ流れる。熱交換器１２は、ガス／液体混合物がその
管内を上向きに上昇るように垂直に裾付けるのが好まし
い。熱交換器１２内では、先に述べたように、混合物は
プロセス温度にまで加熱され、アミンの一部分が気化さ
れて窒素ガスを飽和させる。次いで、窒素とアミンのガ
ス状混合物は、未気化の液体アミンと共に導管１５を通
り約１５〜約６のｓｉｇ（１．０５〜４．２ｋ９／地、
ゲージ圧）の圧力に維持されているタンク５のほぼ上下
端間の中央部へ流入するタンク５の頂部内にはデミスタ
艮０ち相分離器１６（ガスから液体を分離する装置）が
、そして底部には前述した熱交換器６が収容されている
。液体アミンは、熱交換器６の上方に、好ましくはその
液面がタンク５の上下端間の中間点より下になるように
保持される。導管１５からタンク５内へ流入し、ガス状
成分から分離している自由な液体アミンは、タンク５内
の液体プール内へ流下し、溜め５からの液体アミンと合
流する。一方、液体アミンを連行したガス状混合物は、
上昇してデミス夕１６に至り、混合物内に連行されてい
る液体アミンはデミスタにおいて分離され、タンク５の
底部へ落下して他の液体アミンに合流する。デミスタ１
６は「慣用構造のものであり、高さ６ｉｎ（１＆ス）で
、タンク５と同じ直径を有するステンレス鋼ワイヤメッ
シュのロールまたは東から成るものとすることができる
。デミスタ径は、タンクの直径に合わせて定める。タン
ク５内の液体アミンのレベル（液面高さ）は、タンクの
側壁に配設されたレベル検出器（図示せず）によって０
測定される。この検出器は、溜め（タンク、ドラム、ま
たはボンベ）１からアミンを供給する調量ポンプ３を制
御する。液体アミンは、導入導管１５のレベルより僅か
に低い高さに維持される。代表的な用例においてはしベ
ル検出は、液体アミンタのレベルが所定レベルより３ｉ
ｎ（７．６伽）低下すると、ポンプ３を付勢し、３ｊｎ
回復するとポンプを沼勢する。熱交換器６は、カランド
リア型熱交換器（加熱上昇管と下降管を有している）と
することができ０る。

その機能は、液体アミンを常時最低限度温度、例えば約
３ぴＣ〜約９０℃の範囲に維持し、熱交換器１２にかか
る負荷を減少させ、長時間の不作動期間後でもほとんど
瞬時に始動することができるようにすることである。先
に述べたように、熱交換器６のための加熱流体は、熱交
換器１２を通った後導管１４を経て熱交換器６の殻体内
を通り、該熱交換器の管内を流れる液体ァミンを加熱す
る。加熱器１３，２２を制御して高温遮断器（図示せず
）を作動させ、加熱器を損傷させるような液体の過熱を
防止するために熱交換器１２，２１のヘッドスペース内
に熱電対（図示せず）を配設することが好ましい。

アミンは、ここに例示したように加熱流体を介して間接
的に加熱されるので、アミンが灼熱加熱素子に直接接触
することによる爆発の危険は実質上回避される。使用部
署１９が停止された場合、ガス状混合物を通流状態に維
持するために、窒素／アミンガス再循環系を設ける。

このようにガスを常時循環させ、加熱することにより、
プ。セス導管を常に作動温度および圧力に維持するとと
もに、ガスの組成を所定の組成に維持し、瞬時の再始動
を可能にする。それによって、装置が通常作動状態に達
するまでの長い待時間を回避することができる。再循環
ポンプ２４は、プロセスガスを使用部署１９に設けられ
たマニホルド（図示せず）から導管２５，２０を通して
熱交換器２１内へ吸引または圧送し、該熱交換器内２１
で再加熱し導管１８を通して使用部署１９の該マニホル
ドへ戻す。通常、この再循環ガスの流量は、約３０〜約
４位ぜ／ｍｉｎ（標準）（０．８４〜１．１２の／ｍｉ
ｎ）に維持する。通常作動中においてはこの流量は、導
管内におけるアミンの凝縮を防止するのに十分であるが
、系の作動停止中または低量使用期間中は再循環系が、
要求に応じて適正な供給温度および組成を保証する。熱
交換器２１へ供給する加熱流体は、加熱器２２内で加熱
され、ポンプ２８により導管２３を通して循環される。
再循環ポンプ２４としては、好ましい順序に列記すれば
、磁気駆動式羽根ブロア、ダブルシール型圧縮機、高レ
ベル磁気駆動ポンプによってポンプ送りされる駆動力と
して液体アミンを利用するジェットポンプなどを用いる
ことができる。

再循環ポンプは、僅かな量のアミン漏れがあっても、多
大の不都合、および人体への危害、および、爆発の危険
を生じるので、完全に密閉されたものでなければならな
い。従って、慣用の密閉液体ポンプでは、鞠シールの周
りからの少量の漏れは不回避であるから上記の目的には
不適当である。このような制約からシールレスの磁気駆
動型ユニットか、あるいはダブルシール型圧縮機の使用
が好ましい。以下本発明の例を示す。

例１〜６ これらの例は、上述の工程に従い、上述した装置の作動
条件に従って実施した。

タンク５内に溜め１からの気化可能液体を作動レベル（
導管１５の直ぐ下）にまで満たした。

溜め１は、プロセスで消費された気化可能液体の量を計
量することができるように秤りの上に載せておく。例１
〜２においては、気化可能液体としてトリェチルアミン
を使用し、例５〜６においてはエタノールを使用した。
キャリアガスはどの例の場合も窒素ガスであった。いず
れの例の場合も、４種類の窒素ガス流量の各々につき１
８分間の試験操作を２回づつ行った。どの試験操作にお
いても液体によるガスの飽和状態が達成された。吸引器
１０への窒素ガスの流量に関するすべての例における定
常条件は下記の通りである。

各例の定常条件は下記の通りである。吸引器１０へのト
リェチルアミンまたはエタノールの流量、並びにモル％
およびパーセント偏差は下記の通りである。

例１ 例２ 例 ３ 例４ 例５ 例６ 上記計算は下記のようにして行われた。

Ａ＝窒素の分子量＝２８．０１ Ｂ＝トリェチルアミンの分子量＝１０１．１９Ｂ＝エタ
ノールの分子量＝４６．０７Ｃ＝１３．８？／クｂ（標
準） Ｄ＝温度の関数として表わされた液体の蒸気圧Ｅ＝試験
操作の継続時間＝１８分Ｆ＝窒素の流量、ｈ３／ｍｉｎ
（標準） Ｇ＝Ｂにおいて使用された液体の重量（そｂ）Ｈ＝分析
器によって読取られたガス内の液体の濃度Ｐ＝タンク５
内の圧力 １＝窒素のそｂノｍｉｎヱ窒素の質量流量：裏＝．寿Ｊ
＝窒素のムｂ・もしイ風ｎ＝窒素のモル流量・Ｆ・Ｆ一
ＡｘＣ一２８．０１×１３．３Ｋ＝液体の〆ｂ／ｍｉｎ
＝液体の質量流量ＧＧ 一Ｅ一１５ Ｌ＝液体のそｂ・モル／ｍｉｎ＝液体のモル流量−Ｇ−
Ｇ−ＥｘＢ一１５ｘＢ Ｍ＝総モル流量＝窒素のＺｂ・モルノｍｉｎ＋液体のど
ｂ・モル／ｍｉｎ＝Ｊ十ＬＮ＝モル％（計算値）＝熱交
換器１２から導管１５を通って流出するガス内の液体の
モル濃度＝まき÷渋十魂）側Ｑ＝熱交換器１２から導管
１５を通って流出するガス内の液体の理論モル濃度＝畠
Ｘ・ｏｏＲ＝ガス内の液体のモル濃度の偏差値％（計算
値）＝ＳＦＸ１ｏ。

Ｓ＝ガス内の液体のモル濃度の偏差値％（分析値）−竿
；Ｘ側

【図面の簡単な説明】

添付図は、アミン触媒を鋳型硬化部署へ送給する用途に
適用された場合の本発明の方法を示す流れ図である。 １：液体溜め、５：タンク、６：熱交換器、７：ガス溜
め、１０：吸引器、１２：熱交換器、１９：使用部署、
２１：熱交換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流量の変化に関係なく、一定の組成を有するガス状
   混合物を供給するようにガスと気化可能液体とを混合す
   る方法において、（ａ） ガスを吸引器を通して通流さ
   せ、それによつて該吸引器を通るガスの流量に比例した
   量の気化可能液体を液体タンクから吸引させることによ
   つて該ガスと気化可能液体とを所定の割合で所定の圧力
   下で混合する工程と、（ｂ） 前記混合されたガスと気
   化可能液体との混合物を、乱流を惹起するのに十分な流
   量で管／殻体型熱交換器の管内へ導入する工程と、（ｃ
   ） 加熱流体を、前記気化可能液体を蒸気相と液相とに
   分離させるべく該気化可能液体の少くとも一部分を気化
   させるのに十分な温度で前記管／殻体型熱交換器の殻体
   内へ導する工程と、（ｄ） ガスと前記蒸気相との混合
   物を使用部署へ送給し、前記液体相を前記液体タンクへ
   再循環させる工程とから成る方法。 ２ 前記工程（ｃ）において前記ガスは前記気化可能液
   体の蒸気で飽和されるようにした特許請求の範囲第１項
   記載の方法。 ３ 前記工程（ｃ）において前記液体の約５〜１０重量
   ％が蒸気相に変換されるようにした特許請求の範囲第１
   項記載の方法。 ４ 窒素とトリエチルアミンとのガス状混合物を使用部
   署へ送給する方法において、（ａ） 窒素ガスと液体ト
   リエチルアミンを吸引器内で混合させる工程と、（ｂ）
   該混合物を、乱流を惹起するのに十分な流量で第１熱
   交換器の管内を通して通流させて該混合物を所定の圧力
   下で所定の温度にまで加熱させ、それによつて混合物内
   の前記液体トリエチルアミンを蒸気相と液体相とに分離
   させる工程と、（ｃ） 前記工程（ｂ）からの混合物を
   所定の帯域内へ通し、該帯域内で液体トリエチルアミン
   を底部へ落下させて前記工程（ａ）へ再循環させ、窒素
   とトリエチルアミンとのガス状混合物を頂部へ上昇させ
   てデミスタを通過させ、それによつて該ガス状混合物内
   に連行されている液体トリエチルアミンをガス状混合物
   から除去して該帯域の底部へ戻す工程と、（ｄ） 前記
   使用部署が操業中であるときは窒素とトリエチルアミン
   との前記ガス状混合物を該使用部署へ送る工程と、（ｅ
   ） 前記使用部署が操業中でないときは該ガス状混合物
   を、凝縮させることなくガス状に維持するように第２熱
   交換器を通して連続的に再循環させる工程とから成る方
   法。 ５ 前記工程（ｂ）において前記窒素ガスはトリエチル
   アミン蒸気で飽和されるようにした特許請求の範囲第４
   項記載の方法。 ６ 前記工程（ｂ）において前記液体トリエチルアミン
   の約５〜１０重量％が蒸気相に変換されるようにした特
   許請求の範囲第４項記載の方法。