(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応、蒸留、吸収、抽出などの様々な化学プロセスにおける単位操作に使用できる小型単位操作ユニット及びその製作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学製品の製造においては、その製造過程で、反応、蒸留、吸収、抽出などの様々な単位操作を行うことにより目的の製品を得ている。そのため、プロセスに合わせて効率的な単位操作装置を使用することが、製品の製造コストを下げるためにきわめて重要であり、このことは、対象製品がメタノール、エチレンなどの大量に生産される基礎化学製品でも、塗料、洗剤。添加剤などの比較的少量生産が行われるファインケミカル製品でも変わらない。特に、近年では、消費者の嗜好が多様化していることから、各種の機能性製品へのニーズが高まっており、ファインケミカル製品の化学製品に占める比率も大きくなっている。
【０００３】
化学反応を少量の設備で行なう方法として、マイクロリアクタシステムが種々提案されている。その主要な方法は、シリコン等の基材上にウェットエッチングあるいはリアクティブイオンエッチング等のドライエッチングを用いて、流路、反応槽などを形成し、これを耐熱ガラスなどの平板で密封して製作される（特許文献１）。あるいは、エッチング等により反応槽等が形成されたシリコンシートを積層して、強度、容量等を改良する方法も提案されている（特許文献２）。このようなマイクロリアクタでは、形成される流路のサイズは、ミクロンのレベルであり、反応容量も極めて小さいのが普通である。そのため、少ない量で反応できる点を利用して、主として検査、分析用に使用されており、生産用への利用は少ない。生産用に使用される場合でも、その生産量は僅かであり、極めて付加価値の高い製品を、効率よく生産できる場合、あるいは、生産物を利用する別の製品に組込まれて使用される場合等に限られている。
【０００４】
【特許文献１】特許第３７２９０１１号公報
【特許文献２】特開２００２−３４０９１１号公報
【０００５】
上記マイクロリアクタでは、シリコン基板上にエッチングによりミクロン単位の流路や反応槽を形成するが、より大きなサイズで流路を形成する方法として集積配管技術が提案されている。この方法は、流体経路を形成する所定形状の凹部を有する一対のプレス加工された成形板を重ね合わせて集積配管とするものある（特許文献３）。このような集積配管は、空調機の冷凍サイクル等コンパクトな配管系統が要求される分野で使用されており、この重ね合わせられた集積配管上に熱交換器などが設置されている（特許文献４）。
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）。
【０００６】
【特許文献３】特開平１１−０００７５９号公報
【特許文献４】特開平０９−２７３８２９号公報
【特許文献５】特許第３５６４４３０号公報
【特許文献６】特開２００５−０３４８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、設備の小型化としてマイクロリアクタあるいは集積配管技術などが提案されてはいるが、上記ファインケミカル製品の生産においては、多くの場合、反応、蒸留、吸収、抽出等の単位操作部分については、個別に機器を製作し、手作業で配管を接続し、装置を組み立てているのが実情である。
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するため、本発明者は鋭意研究を行ったところ、金属あるいはプラスチックのプレートに化学プロセス用の単位操作部本体となる溝及び付属する熱交換器や配管用の溝を形成し、このプレート上に２次元的に配置した化学プロセス用の小型単位操作ユニットを製作し、本ユニットを組み合わせてファインケミカル等の化学製品を製造することにより、汎用性の高い化学製品製造工程が構成できることを見出し、本発明に到達したものである。
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。
【０００９】
本発明の小型単位操作ユニットが対象とする化学プロセスの単位操作については、単位操作部本体形状が、金属あるいはプラスチックのプレートに形成することが可能であれば、特に限定されるものではないが、物質に組成、状態、エネルギーの変化を与える単位操作である反応、蒸留、吸収、抽出、乾燥、調湿、放散、溶解、晶析、クロマトグラフの中から選択される単位操作に適用すると特にメリットがある。ファインケミカルの生産工程では、上記の単位操作の使用頻度が高いので、単位操作をユニット化することに、製品の変更などに伴う生産工程の変更を容易に行うことが出来る。すなわち、反応部をユニット化することにより、生産量の変更への対応が容易となり、蒸留、吸収、抽出、放散、晶析、クロマトグラフの分離操作のユニット化により、分離効率の変更を容易にすることができる。また、乾燥、調湿では、単位操作のユニット化により、乾燥、調湿性能の変更を容易に行なうことができ、溶解操作をユニット化することにより、原料調製操作の変更を容易に行なうことができ、多品種少量生産に伴う生産工程の変更が容易となる。
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。
【００１０】
本発明の小型単位操作ユニットを構成するプレート材としては、特に限定されるものではなく、単位操作ユニットを製作可能な大きさのプレートが容易に得られ、フィンケミカル分野で要求される、強度、耐食性などを有しており、摩擦攪拌接合に適した材料であれば、使用することができる。このようなプレート材としては、金属あるいはプラスチックが好適に使用できる。
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。
【００１１】
本発明の小型単位操作ユニットの製作においては、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及び付属の熱交換器、配管となる溝を所定形状及び２次元配置で形成する必要がある。この溝を形成する作業は、上記所定形状及び２次元配置をあらかじめ入力しプログラム化したＮＣ制御の機械加工で行なうことができる。
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。
【００１２】
本発明の小型単位操作ユニットには、さらに、該小型単位操作ユニットのプレート部または薄板部にユニット固定用または計器取付け用のボルト穴や配線を通すための溝を直接加工できるように構成されることを特徴としている。
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。
【００１３】
本発明の単位操作ユニットの大きさについては、特に制限は無い。ただし、あまり大型化すると、製作設備を大型化する必要があると共に、ユニットの重量が増加し、ユニットを組み合わせて設備を構成するために組み立て用の重機が必要になったり、補強設備が必要になったり等追加のコストが発生する恐れがある。従って、一辺が３〜４ｍ程度までの大きさが、製作上あるいは作業上から見てメリットがある。
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。
【００１４】
単位操作部が形成されたプレートに被せる薄板の材質は、プレートの摩擦攪拌接合により接合できる材質であれば使用できる。薄板はプレートと同材質であってもよいし、単位操作ユニットの特性に応じて、材質を変えてもよい。たとえば、高い伝熱性を要求される部分を伝熱性のよいアルミニウムとし薄板をステンレスとするように構成することもできる。同様に、プレート側の材質についても、たとえば、単位操作部本体側とそれ以外の部分と異なっていても、プレート一体として加工・製作が可能であり、その結果、上記の小型単位操作ユニットとしての機能を有すれば、本発明の小型単位操作ユニットに含まれる。
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。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、単位操作部、熱交換部、配管部が平板にユニットとして製作されるため部品点数を削減できる。また、一体型であるため、スペースが少なくて済み、単位操作機設備としても設備全体としても省スペース化を実現できる。また、接続部分が少ないため、現場での接続作業が大幅に減少する。
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例】
【００１７】
図１から図３を参照して、本発明に係る小型単位操作ユニットの実施形態を説明する。図１は、単位操作として蒸留操作を組込んだ場合の小型単位操作ユニットのプレート部の内部構成を表す図面である。本図では、わかりやすくするため、小型単位操作ユニットの薄板部を外して内部を示す形で示してある。
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。
【００１８】
流路となる溝の大きさは、ユニットの大きさ、単位操作の種類などにより異なってくるが、図１の場合、冷却流体用の流路形成用の溝が幅５ｍｍ、プロセス流体用の流路形成用の溝の幅が１０ｍｍ〜２０ｍｍ、溝の深さは１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度が適当である。
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。
【００１９】
図４は、図１〜図３で示される小型単位操作ユニットを、メタノール蒸留プロセスに適用した場合の、小型単位操作ユニット内に含まれる機器部分を示す図である。図４で、斜線を付した部分が、小型単位操作ユニット内に含まれる部分であり、本発明の小型単位操作ユニットを使用することにより、図４に示される蒸留プロセス設備の現場での施工が大幅に減少することがわかる。
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。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
以上のように、本発明によれば、化学プロセスにおいて重要な単位操作設備を標準化することができるため、ファインケミカル等の化学製品などのような多品種少量生産において、従来熟練した作業者が長時間かけていた生産工程の構築を短時間で行なう方法を提供し、需要に合った製品を、安価に提供することを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の小型単位操作ユニットの一例としての蒸留部を有する単位操作ユニットのプレート内の構成を示す概観図
【図２】本発明の小型単位操作ユニットの一例としての蒸留部を有する単位操作ユニットを薄板側から眺めた図
【図３】本発明の小型単位操作ユニットの一例としての蒸留部を有する単位操作ユニットをプレート側から眺めた図
【図４】本発明の小型単位操作ユニットの一例としての蒸留部を有する単位操作ユニットのメタノール蒸留プロセスへの適用を示す図
【符号の説明】
【００２２】
１ 蒸留部
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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