(57)【要約】熱媒体と液体窒素との間で仕切りを介して熱交換するための手段、  該熱交換手段における熱媒体側の領域に液体窒素を供給するための手段、  前記熱交換手段における液体窒素側の領域に液体窒素を供給するための手段、  前記熱交換手段における熱媒体側の領域に供給する液体窒素の量を調節する手段、および  前記熱交換手段における液体窒素側の領域に供給する液体窒素の量を調節する手段を有する、熱媒体冷却装置。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体と液体窒素との間で仕切りを介して熱交換する工程と
熱媒体と液体窒素との間で直接に接触させて熱交換する工程とを、同時にまたは順不同に行うことを含む熱媒体の冷却方法。
【請求項２】
熱媒体の温度が設定温度以上の場合は熱媒体と液体窒素との間で仕切りを介して熱交換する工程を行い、熱媒体の温度が設定温度未満の場合は熱媒体と液体窒素との間で直接に接触させて熱交換する工程を行う、請求項１に記載の熱媒体の冷却方法。
【請求項３】
設定温度が、−６０〜＋２０℃の範囲のいずれか一つの温度である、請求項２に記載の熱媒体の冷却方法。
【請求項４】
熱媒体と液体窒素との間で仕切りを介して熱交換するための手段、
該熱交換手段における熱媒体側の領域に液体窒素を供給するための手段、
前記熱交換手段における液体窒素側の領域に液体窒素を供給するための手段、
前記熱交換手段における熱媒体側の領域に供給する液体窒素の量を調節する手段、および
前記熱交換手段における液体窒素側の領域に供給する液体窒素の量を調節する手段を有する、熱媒体冷却装置。
【請求項５】
熱媒体の温度を測定する手段と、
測定温度値に基づいて熱媒体側の領域に供給する液体窒素の量を調節する手段および／または液体窒素側の領域に供給する液体窒素の量を調節する手段を制御する手段をさらに有する、請求項４に記載の熱媒体冷却装置。
【請求項６】
低温反応装置用熱媒体の温度調節に用いる、請求項４または５に記載の熱媒体冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱媒体の冷却方法および熱媒体冷却装置に関する。より詳細には、本発明は、熱媒体の冷却に要する液体窒素の使用量が少なく、かつ同伴による熱媒体の損失が少ない、冷却方法および冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学反応を低温で行うための装置として低温反応装置が知られている。低温反応装置内の反応液を冷却するために、例えば、特許文献１は、槽内にコイル状の配管を配置して、その管に液体窒素を流し、反応液を配管を介して冷却することができる装置を開示している。また、液体窒素を反応液に直接導入して反応液を冷却するという方法も知られている。
さらに、特許文献２は、槽壁面に取り付けたジャケットに熱媒体を流して壁面を介して反応液を冷却する装置を開示している。特許文献２の装置においては熱交換器において液体窒素と熱媒体との間で熱交換し熱媒体を冷却している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２８４９４４号公報
【特許文献２】特開２００９−２８７８２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の装置のように、反応液を液体窒素で配管を介して冷却する方法は、液体窒素の使用量が増える傾向がある。また、液体窒素を反応液に直接導入すると反応液への不純物混入などが生じ易い。
一方、特許文献２に記載の装置のように、液体窒素で冷却された熱媒体によって反応液を冷却する方法は、不純物混入の防止、立上時間の短縮などが実現しやすい。
ところが、熱交換器における液体窒素による熱媒体の冷却は、液体窒素の潜熱を利用して行われ、顕熱が利用されないので、液体窒素の利用効率が低く、液体窒素の消費量が多くなり易い。
本発明の課題は、熱媒体の冷却に要する液体窒素の使用量が少ない、熱媒体の冷却方法および熱媒体冷却装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、上記目的を達成するために、熱媒体に液体窒素を直接導入して冷却する方法を試みた。ところが、窒素排ガスに同伴して熱媒体が外部に排出され熱媒体を大幅に損失する結果となった。そこで、本発明者はさらに検討を重ねることによって以下の態様の発明を完成するに至った。【０００６】
〔１〕  熱媒体と液体窒素との間で仕切りを介して熱交換する工程と
熱媒体と液体窒素との間で直接に接触させて熱交換する工程とを、同時にまたは順不同に行うことを含む熱媒体の冷却方法。
〔２〕  熱媒体の温度が設定温度以上の場合は熱媒体と液体窒素との間で仕切りを介して熱交換する工程を行い、熱媒体の温度が設定温度未満の場合は熱媒体と液体窒素との間で直接に接触させて熱交換する工程を行う、〔１〕に記載の熱媒体の冷却方法。
〔３〕  設定温度が、−６０〜＋２０℃の範囲のいずれか一つの温度である、〔２〕に記載の熱媒体の冷却方法。【０００７】
〔４〕  熱媒体と液体窒素との間で仕切りを介して熱交換するための手段、
該熱交換手段における熱媒体側の領域に液体窒素を供給するための手段、
前記熱交換手段における液体窒素側の領域に液体窒素を供給するための手段、
前記熱交換手段における熱媒体側の領域に供給する液体窒素の量を調節する手段、および
前記熱交換手段における液体窒素側の領域に供給する液体窒素の量を調節する手段を有する、熱媒体冷却装置。
〔５〕  熱媒体の温度を測定する手段と、
測定温度値に基づいて熱媒体側の領域に供給する液体窒素の量を調節する手段および／または液体窒素側の領域に供給する液体窒素の量を調節する手段を制御する手段をさらに有する、〔４〕に記載の熱媒体冷却装置。
〔６〕  低温反応装置用熱媒体の温度調節に用いる、〔４〕または〔５〕に記載の熱媒体冷却装置。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の熱媒体の冷却方法および熱媒体冷却装置は、熱媒体の冷却に要する液体窒素の使用量が少ない。しかも、窒素排ガスに同伴する熱媒体が少ないので熱媒体の損失がほとんどない。
本発明の熱媒体の冷却方法および熱媒体冷却装置は、低温化学反応システム用の熱媒体の冷却に好適である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱媒体冷却装置を備える低温化学反応システムを示す概念図である。
【図２】実施例１における熱媒体の重量変化、熱媒体の温度変化、および液体窒素の累積消費重量を示す図である。
【図３】実施例１における熱媒体の温度変化、容器気相の温度変化、およびコイル出口の温度変化を示す図である。
【図４】実施例２における熱媒体の重量変化、熱媒体の温度変化、および液体窒素の累積消費重量を示す図である。
【図５】実施例２における熱媒体の温度変化、容器気相の温度変化、およびコイル出口の温度変化を示す図である。
【図６】比較例１における熱媒体の重量変化、熱媒体の温度変化、および液体窒素の累積消費重量を示す図である。
【図７】比較例１における熱媒体の温度変化、容器気相の温度変化、および外気温の変化を示す図である。
【図８】比較例２における熱媒体の重量変化、熱媒体の温度変化、および液体窒素の累積消費重量を示す図である。
【図９】比較例２における熱媒体の温度変化、容器気相の温度変化、およびコイル出口の温度変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一実施形態に係る熱媒体冷却装置を、図１を参照しながら説明する。なお、本発明は、該実施形態によって限定されるものではなく、本発明の趣旨及び目的に適う範囲で、変形、追加、又は省略したものも包含する。
【００１１】
図１に示す装置は、熱媒体冷却装置１、液体窒素容器１１、および低温反応器１２を有する。低温反応器１２にはジャケット１３が設置されている。熱媒体は熱媒体冷却装置１から管１５を通ってジャケット１３に入り、そしてジャケット１３から管１４を通って熱媒体冷却装置１に戻る。図１に示す装置では低温反応器にジャケットが設置されているが、反応器内の温度を熱媒体によって調節することができる手段（例えば、コイル管、多重管など）であればこれに限定されない。液体窒素容器１１は液体窒素を貯蔵できる容器であり、液体窒素容器１１から液体窒素を熱媒体冷却装置１に供給することができる。
【００１２】
本発明に用いられる熱媒体は、ジャケット、コイル管、多重管などの熱交換器における熱媒体として用いることができるものであれば、特に限定されない。例えば、エチレングリコール、アセトン、塩化メチレン、メタノール、エタノールまたはこれらの水溶液などが挙げられる。熱媒体としては、使用温度範囲において凍らないものを選択することが必要である。例えば、熱媒体は、その凝固点が、好ましくは使用温度の下限より１０℃以上低い温度である。本発明に好適に用いられる熱媒体は、凝固点が−８０℃未満である。
【００１３】
熱媒体冷却装置１は、熱媒体を貯留するための熱媒体容器２、液体窒素容器１１から液体窒素を導入し熱媒体との間で熱交換するためのコイル管３とを有する。コイル管３の内側には液体窒素が在り、コイル管３の外側には熱媒体が在って、コイル管３の管壁を介して両者間で熱交換が成される。コイル管３に供給する液体窒素の量は弁７によって調節される。コイル管３への供給量は、特に限定されないが、測定される熱媒体の温度に応じて、調節することが好ましい。コイル管３に導入された液体窒素は熱交換を行っている途中で完全に気化させることが好ましい。
図１に示すコイル管３は、熱媒体と液体窒素との間で仕切りを介して熱交換することができるものであれば、別のものと交換または併用することができる。例えば、コイル管に代えてまたはそれに加えて、熱媒体容器の周りにジャケットを設けることができる。このジャケットに液体窒素を導入し、液体窒素と熱媒体との間で容器壁を介して熱交換してもよい。
【００１４】
熱媒体冷却装置１には、液体窒素容器１１から液体窒素を熱媒体に直接導入するための管４が取り付けられている。管４によって導入された液体窒素は熱媒体に直接に接触し両者間で熱交換が成される。熱交換がなされた窒素は熱媒体容器上部のベントから排出される。管４に供給する液体窒素の量は弁６によって調節される。管４への供給量は、特に限定されないが、測定される熱媒体の温度に応じて、調節することが好ましい。熱媒体冷却装置１は、管４から熱媒体に直接導入された液体窒素が熱媒体容器２内に液体状態で残らないように攪拌機能を有することが好ましい。熱媒体中での管４の開口部の形状は特に制限されないが、熱媒体が凍結して開口部を塞ぐ事態を生じさせないようにするために開口部は大きめの径にしておくことが好ましい。例えば、ラッパ形状の開口部とすることができる。
【００１５】
熱媒体冷却装置１は、熱媒体の温度、熱媒体容器２の気相部の温度、および管３からの窒素排ガスの温度を測定する手段（図示せず。）を有することが好ましい。さらに、熱媒体冷却装置１は、測定された温度の値に応じて、管４および管３に導入する液体窒素の量を調節するための手段６および７を制御するための手段を有することが好ましい。
【００１６】
本発明においては、液体窒素を管４および管３の両方に同時に供給してもよいし、管４または管３のいずれか一方にだけ供給してよい。
本発明においては、熱媒体の温度が設定温度以上の場合は、コイル管３に液体窒素を供給して、熱媒体と液体窒素との間で仕切りを介して熱交換することが好ましい。なお、熱媒体の温度が設定温度以上の場合でも、本発明の効果を損なわない範囲で、コイル管３に供給する量よりも少ない量の液体窒素を管４に供給して熱媒体と液体窒素とを直接に接触させて熱交換してもよい。
【００１７】
また、熱媒体の温度が設定温度未満の場合は管４に液体窒素を供給して、熱媒体と液体窒素とを直接に接触させて熱交換することが好ましい。なお、熱媒体の温度が設定温度未満の場合でも、本発明の効果を損なわない範囲で、管４に供給する量よりも少ない量の液体窒素をコイル管３に供給して、熱媒体と液体窒素との間で仕切りを介して熱交換してもよい。
熱媒体の温度が設定温度以上の場合に仕切りを介して熱交換を行うと、窒素同伴による熱媒体の損失を無くすることができる。一方、熱媒体の温度が設定温度未満の場合に直接に接触させて熱交換を行うことで液体窒素の顕熱を利用することが可能となる。
【００１８】
該設定温度は、好ましくは−６０〜＋２０℃の範囲のいずれか一つの温度である。例えば、熱媒体がエタノールの場合に、設定温度は、好ましくは−４０〜−１０℃の範囲のいずれか一つの温度、より好ましくは−３０〜−１５℃の範囲のいずれか一つの温度である。
【００１９】
本発明の熱媒体冷却装置には、更に、熱媒体と放出された窒素との分離手段や、気化した熱媒体を回収する手段を更に設けることができる。また、本発明の装置には、用いた窒素を回収する手段を更に設けることができ、回収した窒素を反応器の置換用ガスなどとして使用する手段を設けることもできる。
【実施例】
【００２０】
次に、実施例を示し、本発明をより具体的に説明する。【００２１】
（実施例１）
図１に示すように熱媒体容器２に、直径１０ｍｍのコイル管３、および直径１０ｍｍの吹出し管４を取り付けた。コイル管３の一端は熱媒体容器の外に設置し、他端は流量調節弁７を介して液体窒素容器１１に接続した。吹出し管４の一端は熱媒体容器２内に設置し、他端は流量調節弁６を介して液体窒素容器１１に接続した。熱媒体に浸かる位置、熱媒体の液面直上およびコイル出口付近に温度測定器をそれぞれ設置し、熱媒体の温度、熱媒体容器気相部の温度およびコイル管出口の排ガス温度を測定した。【００２２】
熱媒体としてエタノール（９９．５％）６．０２ｋｇを熱媒体容器に入れ、攪拌機で攪拌した。液体窒素容器および熱媒体容器を台秤に載せて、液体窒素の消費量および熱媒体の重量変化を測定した。
冷却開始時の熱媒体温度は１２℃であった。まず、弁７を開き液体窒素をコイル管３に流量６．４８ｋｇ／ｈｒで供給した。熱媒体の温度が−２０℃になった時点で弁７を閉じ同時に弁６を開き液体窒素を吹出し管４に流量７．１３ｋｇ／ｈｒで供給した。
図２および図３に、熱媒体の重量および温度変化、液体窒素の累積消費重量、容器気相の温度変化、およびコイル出口の温度変化を示す。図２中、上向き矢印は、コイル管３から吹出し管４への切り替えを示す。
液体窒素の累積消費量が約６．８５ｋｇで、−６６℃まで冷却できた。熱媒体の損失は測定誤差内でほとんど無かった。図３からコイル管を介しての熱交換を行っている期間ではコイル出口温度が熱媒体温度よりも低くなっており、冷却に潜熱が主に使われ顕熱はあまり使われていないことが判る。また、図３から液体窒素を直接に導入している期間では容器気相温度が熱媒体温度とほぼ同じになっており、液体窒素の顕熱が冷却に有効に利用されていることがわかる。【００２３】
（実施例２）
表１に示す操業条件に変えた以外は実施例１と同じ手法で熱媒体の冷却を行った。
図４および図５に、熱媒体の重量および温度変化、液体窒素の累積消費重量、容器気相の温度変化、およびコイル出口の温度変化を示す。図４中、上向き矢印は、コイル管３から吹出し管４への切り替えを示す。
液体窒素の累積消費量が約６．９８ｋｇで、−５６℃まで冷却できた。熱媒体の損失は測定誤差内でほとんど無かった。図５からコイル管を介しての熱交換を行っている期間ではコイル出口温度が熱媒体温度よりも低くなっており、冷却に潜熱が主に使われ顕熱はあまり使われていないことが判る。また、図５から液体窒素を直接に導入している期間では容器気相温度が熱媒体温度とほぼ同じになっており、液体窒素の顕熱が冷却に有効に利用されていることがわかる。【００２４】
（比較例１）
表１に示す操業条件に変えた以外は実施例１と同じ手法で熱媒体の冷却を行った。
図６および図７に、熱媒体の重量および温度変化、液体窒素の累積消費重量、容器気相の温度変化、およびコイル出口の温度変化を示す。
液体窒素の累積消費量が約５．４５ｋｇで、−５５℃まで冷却できた。しかし、熱媒体が窒素排ガスに同伴して大きく損失した。図７から液体窒素を直接に導入している期間では容器気相温度が熱媒体温度とほぼ同じになっており、液体窒素の顕熱が冷却に有効に利用されていることがわかる。【００２５】
（比較例２）
表１に示す操業条件に変えた以外は実施例１と同じ手法で熱媒体の冷却を行った。
図８および図９に、熱媒体の重量および温度変化、液体窒素の累積消費重量、容器気相の温度変化、およびコイル出口の温度変化を示す。
−５６℃まで冷却するのに液体窒素の累積消費量が約７．３７ｋｇで、−６６℃まで冷却するのに液体窒素の累積消費量が約９．４９ｋｇであった。熱媒体の温度が低くなるほど冷却速度が低下した。熱媒体の温度が約−２０℃になるとコイル出口温度が液体窒素の沸点付近の温度になった。図９からコイル管を介しての熱交換を行っている期間ではコイル出口温度が熱媒体温度よりも低くなっており、冷却に潜熱が主に使われ顕熱はあまり使われていないことが判る。【００２６】
【表１】
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【符号の説明】
【００２７】
１・・・熱媒体冷却装置
２・・・熱媒体容器
３・・・コイル管
４、５・・・管
６、７・・・弁
８・・・攪拌機
１１・・・液体窒素容器
１２・・・低温反応器
１３・・・ジャケット
１４、１５・・・管
１６・・・ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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