JP2007127334A - Heating medium heating and cooling device - Google Patents
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Abstract
【課題】加熱及び冷却の対象となる熱媒(冷媒)の量を最小限とすることにより、エネルギーコストを削減し、反応槽の加熱及び冷却を効率よく行うことができ、装置構成の複雑化や大型化も回避することができる熱媒加熱冷却装置を提供する。
【解決手段】熱媒を送出する循環ポンプ11と、熱媒を冷却する冷却手段(熱交換器12)と、熱媒によって温度制御される反応槽13と、熱媒を加熱する加熱手段(加熱器14)とを循環経路15に配置した熱媒加熱冷却装置であって、加熱器14から循環ポンプ11に至るポンプ吸込側経路21に、ポンプ吸込側経路21から上方に向かって分岐し、リザーブタンク22の液相部22aに接続するリザーブ経路29を設ける。
【選択図】図1[PROBLEMS] To minimize the amount of a heat medium (refrigerant) to be heated and cooled, thereby reducing energy costs, efficiently heating and cooling a reaction tank, and complicating an apparatus configuration. And a heating medium heating / cooling device capable of avoiding increase in size and size.
A circulation pump 11 for sending a heat medium, a cooling means (heat exchanger 12) for cooling the heat medium, a reaction tank 13 whose temperature is controlled by the heat medium, and a heating means (heating) for heating the heat medium. 14) is a heating medium heating / cooling device arranged in the circulation path 15 and branches upward from the pump suction side path 21 to the pump suction side path 21 extending from the heater 14 to the circulation pump 11, and is reserved. A reserve path 29 connected to the liquid phase part 22 a of the tank 22 is provided.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、熱媒加熱冷却装置に関し、詳しくは、化学反応プロセス等で利用される低温反応槽の温度制御を行うための熱媒加熱冷却装置に関する。 The present invention relates to a heat medium heating / cooling device, and more particularly to a heat medium heating / cooling device for controlling the temperature of a low-temperature reaction tank used in a chemical reaction process or the like.
有機合成や晶析等の化学反応プロセスは、精度の高い温度制御が要求される。そのため、反応槽の外側に冷媒を流通可能とした独立した槽(ジャケット)を設けた二重構造の容器が使用される。そして、所定温度に冷却した冷媒を反応槽のジャケット側に循環供給するための冷媒供給装置を設置することにより、反応槽内を間接的に所定の低温状態に維持するようにしている(例えば、特許文献1参照。)
このような冷媒供給装置では、一般に、冷媒循環ポンプの冷媒吸込み側にリザーブタンクを直列に設け、冷媒循環ポンプへの気泡の混入を防止するとともに、冷媒の温度変化に伴う容積変化を吸収するようにしている。このようなリザーブタンクでは、冷媒の温度低下によって冷媒の体積が減少したときには加圧ガスを導入し、冷媒の温度上昇によって冷媒の体積が増大したときには加圧ガスを抜き出す圧力制御弁や減圧弁等の圧力制御手段が設けられており、冷媒循環ポンプの吸い込み圧力を一定に保つようにしている。
Chemical reaction processes such as organic synthesis and crystallization require highly accurate temperature control. For this reason, a double-structured container provided with an independent tank (jacket) that allows the refrigerant to flow outside the reaction tank is used. Then, by installing a refrigerant supply device for circulatingly supplying the refrigerant cooled to a predetermined temperature to the jacket side of the reaction tank, the inside of the reaction tank is indirectly maintained at a predetermined low temperature state (for example, (See Patent Document 1.)
In such a refrigerant supply device, generally, a reserve tank is provided in series on the refrigerant suction side of the refrigerant circulation pump so as to prevent air bubbles from entering the refrigerant circulation pump and to absorb a volume change accompanying a temperature change of the refrigerant. I have to. In such a reserve tank, a pressure control valve, a pressure reducing valve, or the like that introduces pressurized gas when the volume of the refrigerant decreases due to a decrease in the temperature of the refrigerant, and extracts the pressurized gas when the volume of the refrigerant increases due to an increase in the temperature of the refrigerant. The pressure control means is provided to keep the suction pressure of the refrigerant circulation pump constant.
一方、前述のような反応槽では、反応槽を洗浄する際に、前記ジャケットに高温の熱媒を循環導入して反応槽内の洗浄剤を加熱する操作を行うことがあるため、前記冷媒供給装置に加えて熱媒を供給する手段を設けておく必要がある。このとき、ジャケット内から冷媒を抜き取って熱媒を供給するものでは、配管等を含めた装置構成が複雑になり、また、ジャケットに供給する冷媒及び熱媒の切り換えが必要なことから工程が複雑になるという問題もあった。
このため、冷媒供給装置の系統中に冷媒を加熱する手段を設け、冷媒を所定温度に加熱してジャケットに循環させることにより、反応槽を加熱することも考えられる。しかし、前述のようにリザーブタンクが冷媒吸込み側に直列に設けられている場合は、循環系統の配管内やジャケット内の冷媒だけでなく、リザーブタンク内の冷媒も加熱しなければならないことから、加熱や冷却に要するエネルギーコストが多大なものとなり、特に大規模システムでは、大型のリザーブタンクを使用していることから、応答性が著しく低下し、エネルギーロスも増大することになる。 For this reason, it is also conceivable to heat the reaction tank by providing a means for heating the refrigerant in the system of the refrigerant supply device and heating the refrigerant to a predetermined temperature and circulating it through the jacket. However, when the reserve tank is provided in series on the refrigerant suction side as described above, not only the refrigerant in the circulation system piping and the jacket, but also the refrigerant in the reserve tank must be heated. The energy cost required for heating and cooling is enormous, and particularly in a large-scale system, since a large reserve tank is used, the responsiveness is remarkably lowered and the energy loss is also increased.
さらに、冷媒温度の上昇に伴う体積増大や冷媒の気化によってリザーブタンク内の圧力が上昇するため、前記圧力制御手段が作動してリザーブタンク内のガスを放出する際に、高価な冷媒蒸気が外部に放出されてしまうこともある。 Furthermore, since the pressure in the reserve tank rises due to the volume increase accompanying the rise in the refrigerant temperature and the vaporization of the refrigerant, when the pressure control means is operated to release the gas in the reserve tank, the expensive refrigerant vapor is externally May be released.
そこで本発明は、加熱及び冷却の対象となる熱媒(冷媒)の量を最小限とすることにより、エネルギーコストを削減し、反応槽の加熱及び冷却を効率よく行うことができ、装置構成の複雑化や大型化も回避することができる熱媒加熱冷却装置を提供することを目的としている。 Therefore, the present invention can reduce the energy cost by minimizing the amount of the heat medium (refrigerant) to be heated and cooled, and can efficiently heat and cool the reaction tank. An object of the present invention is to provide a heat medium heating / cooling device that can avoid the increase in complexity and size.
上記目的を達成するため、本発明の熱媒加熱冷却装置は、熱媒を送出する循環ポンプと、該循環ポンプから吐出された熱媒を冷却する冷却手段と、該冷却手段から導出した熱媒によって温度制御される反応槽と、該反応槽から導出した熱媒を加熱する加熱手段とを有し、前記熱媒を前記循環ポンプ、冷却手段、反応槽及び加熱手段を経て循環ポンプに循環させる循環経路を備えた熱媒加熱冷却装置であって、前記加熱手段から前記循環ポンプに至るポンプ吸込側経路に、該ポンプ吸込側経路から分岐してリザーブタンクの液相部に接続するリザーブ経路を設けたことを特徴としている。 In order to achieve the above object, a heating medium heating / cooling device of the present invention includes a circulation pump that sends out the heating medium, a cooling means that cools the heating medium discharged from the circulation pump, and a heating medium that is derived from the cooling means. And a heating means for heating the heat medium led out from the reaction tank, and circulating the heat medium to the circulation pump through the circulation pump, the cooling means, the reaction tank, and the heating means. A heating medium heating / cooling device having a circulation path, wherein a reserve path that branches from the pump suction side path to the liquid phase part of the reserve tank is connected to the pump suction side path from the heating means to the circulation pump. It is characterized by providing.
さらに、本発明の熱媒加熱冷却装置は、前記リザーブ経路が前記ポンプ吸込側経路から上方に向かって分岐していることを特徴とし、また、前記リザーブタンクが、その気相部に連通する蒸気トラップを備え、該蒸気トラップは、熱媒蒸気を冷却して液化させる冷却部と、該冷却部で冷却されて液化した熱媒をリザーブタンクに返送する経路と、該蒸気トラップ内の圧力に応じて蒸気トラップの気相部からガスを放出するガス放出弁とを備えていることを特徴としている。 Furthermore, the heating medium heating / cooling device of the present invention is characterized in that the reserve path branches upward from the pump suction side path, and the reserve tank communicates with a vapor phase portion thereof. The steam trap includes a cooling unit that cools and liquefies the heat medium vapor, a path for returning the liquefied heat medium cooled by the cooling unit to the reserve tank, and a pressure in the steam trap. And a gas release valve for releasing gas from the gas phase portion of the vapor trap.
本発明の熱媒加熱冷却装置によれば、リザーブタンクを循環経路から分岐した状態で設置しているので、反応槽を冷却から加熱へ、あるいは、加熱から冷却へ切り換える際に、加熱又は冷却の対象となる熱媒を、循環経路内を循環する熱媒だけとすることができ、リザーブタンク内の熱媒を加熱又は冷却する必要がない。したがって、エネルギーコストの削減や応答性の向上が図れ、反応槽を所定温度に確実に加熱又は冷却することができる。 According to the heat medium heating / cooling device of the present invention, the reserve tank is installed in a state branched from the circulation path. Therefore, when the reaction tank is switched from cooling to heating or from heating to cooling, heating or cooling is not performed. The target heat medium can be only the heat medium circulating in the circulation path, and there is no need to heat or cool the heat medium in the reserve tank. Therefore, energy costs can be reduced and responsiveness can be improved, and the reaction vessel can be reliably heated or cooled to a predetermined temperature.
また、リザーブタンクに接続するリザーブ経路をポンプ吸込側経路から上方に向かって分岐させたことにより、ポンプ吸込側経路を流れる熱媒中に存在する気泡をリザーブタンクに効率よく排出することができ、循環ポンプへの気泡の混入を防止できる。さらに、リザーブタンクに蒸気トラップを設けることにより、系内の圧力が上昇してリザーブタンク内の熱媒蒸気がガス放出弁から外部に放出されることを防止できる。 In addition, by branching the reserve path connected to the reserve tank upward from the pump suction side path, air bubbles existing in the heat medium flowing through the pump suction side path can be efficiently discharged to the reserve tank, Air bubbles can be prevented from entering the circulation pump. Furthermore, by providing a vapor trap in the reserve tank, it is possible to prevent the heat medium vapor in the reserve tank from being released to the outside from the gas release valve due to an increase in the pressure in the system.
しかも、一つの閉サイクル系で熱媒の加熱及び冷却を行うことができるので、装置構成が複雑化したり、大型化したりすることがなく、設備コストやランニングコストの低減を図れる。 In addition, since the heating medium can be heated and cooled in a single closed cycle system, the equipment configuration and the size of the apparatus can be reduced without complicating or increasing the size of the apparatus.
図1は本発明の一形態例を示す熱媒加熱冷却装置の系統図である。この熱媒加熱冷却装置は、熱媒を送出する循環ポンプ11と、該循環ポンプ11から吐出された熱媒を冷却する冷却手段である熱交換器12と、該熱交換器12から導出した熱媒によって温度制御される反応槽13と、該反応槽13から導出した熱媒を加熱する加熱手段である加熱器14と、これらを接続する各配管とを有しており、各配管により、循環ポンプ11、熱交換器12、反応槽13及び加熱器14を経て循環ポンプ11に熱媒を循環させる閉サイクル系の循環経路15が形成されている。
FIG. 1 is a system diagram of a heating medium heating / cooling apparatus showing an embodiment of the present invention. The heat medium heating / cooling device includes a
前記熱交換器12は、低温流体導入経路16から熱交換器12に導入されて排気ガス経路17に導出される低温液化ガス等の低温流体と間接熱交換することによって循環する熱媒を所定温度に冷却し、前記加熱器14は、ヒーター14aによって循環する熱媒を所定温度に加熱する。
The
前記反応槽13は、反応容器13aの外周に熱媒が流通するジャケット13bを設けたものであって、該ジャケット13bに供給される熱媒の温度は、ジャケット13bの入口側経路18に設けた温度指示調節計(TIC)19で、前記低温流体導入経路16に設けた流量調節弁20の開閉及び前記ヒーター14aの能力を制御することによって調節される。
The
そして、前記加熱器14から前記循環ポンプ11に至るポンプ吸込側経路21には、該ポンプ吸込側経路21から上方に分岐してリザーブタンク22の液相部22aに接続するリザーブ経路23が設けられている。リザーブタンク22は、前記循環経路15からリザーブ経路23を介して分岐した状態で設けられ、従来のように熱媒の循環流に対して直列ではなく、流れ的に分離した状態となっており、循環経路15を流れる熱媒の体積変化に応じて循環経路15とリザーブタンク22とで熱媒のやりとりを行うように形成され、かつ、循環経路15を液封状態としてリザーブタンク22から循環経路15にガスが侵入しないように形成されている。
The pump
また、リザーブタンク22の気相部22bには、リザーブタンク22内の圧力に応じて作動するガス導入弁24と、蒸気トラップ25とが接続され、さらに、蒸気トラップ25には、蒸気トラップ25内の圧力に応じて作動するガス放出弁26が設けられている。
A
蒸気トラップ25は、熱媒蒸気を冷却して液化させるための冷却部27と、該冷却部27で液化した熱媒と液化しないガスとを分離する気液分離部28と、該気液分離部28で分離した熱媒をリザーブタンクに返送する熱媒返送経路29と、気液分離部28内に溜まった熱媒量(液量)や圧力差に応じて開閉するフロート弁30とを有している。
The
前記ガス導入弁24及び前記ガス放出弁26は、圧力的に連通している循環経路15内を循環する熱媒の体積変化に伴う圧力変化に応じて作動するものであって、熱媒が加熱されて体積が増大し、系内の圧力が上昇したときには、ガス放出弁26が作動して系内のガスを系外に放出することによって系内の圧力を設定された上限圧力以下に保ち、熱媒が冷却されて体積が減少し、系内の圧力が下降したときには、ガス導入弁24が開いて系外から熱媒に悪影響を与えないガス、例えば窒素ガスを加圧ガスとして導入することにより、系内の圧力を設定された下限圧力以上に保つ。
The
また、ガス放出弁26からガスを放出する際に、リザーブタンク22の気相部22bから抜き出されるガスを、蒸気トラップ25の冷却部27で冷却することにより、該ガス中に含まれる熱媒蒸気を凝縮液化させることができ、ガス放出弁26から放出されるガスと共に熱媒蒸気が外部に放出されることを防止できる。気液分離部28内に溜まった熱媒量がある程度以上になるとフロート弁30が開き、気液分離部28から熱媒返送経路29を経てリザーブタンク22に熱媒が返送されて再利用される。
In addition, when the gas is released from the
このように形成した熱媒加熱冷却装置において、反応槽13を冷却する際には、温度指示調節計19に所定の冷却温度を設定することにより、温度指示調節計19が入口側経路18を流れる熱媒の温度に応じて作動し、冷却時には主として流量調節弁20の開度を制御することにより、熱交換器12での熱媒の冷却状態を調節する。
In the heat medium heating / cooling device formed as described above, when the
この冷却時には、温度低下に伴う熱媒の体積減少により、リザーブタンク22内の熱媒が循環経路15に流入するとともに、リザーブタンク22内の熱媒量の減少に伴う圧力低下に応じてガス導入弁24が開閉し、加圧ガスを導入することによって系内の圧力を所定圧力に保持する。このとき、リザーブタンク22から循環経路15に、相対的に温度が高い熱媒が流入することになるが、その流入量は、冷却による熱媒の体積減少量に応じた僅かな量であるから、循環経路15を循環する熱媒に大きな温度変化を与えることはない。
During this cooling, the heat medium in the
また、リザーブタンク22が循環経路15から切り離された状態となっているので、リザーブタンク22内の熱媒を冷却する必要はなく、全ての熱媒が冷却対象となっている従来のものに比べて冷却する熱媒量が少なくなることから、従来に比べて熱媒を冷却するためのエネルギーコストを大幅に削減することができ、応答性にも優れたものとなる。
Further, since the
一方、反応槽13を加熱する際には、温度指示調節計19に所定の加熱温度を設定することにより、温度指示調節計19が入口側経路18を流れる熱媒の温度に応じて作動し、加熱時には主として加熱器14の能力を制御することにより、加熱器14での熱媒の加熱状態を調節する。
On the other hand, when the
この加熱時には、熱媒の温度上昇に伴う体積増大により、循環経路15を循環する熱媒の一部がリザーブタンク22に流入することになり、リザーブタンク22への熱媒の流入に伴って蒸気トラップ25の圧力が上昇するが、この圧力上昇に応じてガス放出弁26が開閉し、ガスを系外に放出することによって系内を所定圧力に保持する。また、加熱器14での加熱により発生した熱媒蒸気の気泡は、ポンプ吸込側経路21から上方に向かって分岐したリザーブ経路23内を浮上するので、循環ポンプ11が気泡を吸い込むことが防止される。リザーブ経路23からリザーブタンク22内に浮上した熱媒蒸気からなる気泡は、リザーブタンク22の液相部22aに流入し、循環経路15を循環する熱媒より低温の熱媒に接触して再液化したり、蒸気トラップ25の冷却部17で再液化される。
At the time of this heating, a part of the heat medium circulating in the
なお、リザーブ経路23をポンプ吸込側経路21から鉛直方向上方に向かって分岐し、ポンプ吸込側経路21やリザーブ経路23に太めのパイプを使用したり、ポンプ吸込側経路21の循環ポンプ11側を下方に向けて屈曲させたりすることにより、熱媒中の気泡をリザーブ経路23に向けて効率よく浮上させて分離することができる。
The
さらに、前記同様に、加熱対象となる熱媒は、循環経路15を循環する熱媒だけであるから、熱媒の加熱に要するエネルギーコストを大幅に削減でき、応答性も向上させることができる。加えて、リザーブタンク22には、熱媒の体積増加に応じて加熱器14で加熱された熱媒が流入するが、その流入量は少なく、かつ、それ以上に加熱されないので、リザーブタンク22内での熱媒蒸気の発生もほとんどなく、蒸発したとしても、蒸気トラップ25で捕捉されて再利用できるので、熱媒の損失を最小限に抑えることができる。
Further, as described above, since the heating medium to be heated is only the heating medium circulating in the
なお、循環経路15に設ける加熱手段や冷却手段は、加熱温度、冷却温度、処理量等の条件に応じて適当なものを使用することができ、加熱源や冷却源も任意のものを使用することができる。また、冷却部27における冷却温度は、熱媒の沸点や予想される蒸気量及び蒸気温度に応じて任意に設定することができ、空冷、水冷等の通常の冷却方式を採用することができ、構造や形状も任意である。さらに、使用する熱媒は、冷却温度及び加熱温度に応じて適宜なものを選択することができ、例えば、シリコーンオイルやアルコール類、ハイドロフロロエーテルを使用することができる。
In addition, the heating means and cooling means provided in the
11…循環ポンプ、12…熱交換器、13…反応槽、13a…反応容器、13b…ジャケット、14…加熱器、14a…ヒーター、15…循環経路、16…低温流体導入経路、17…排気ガス経路、18…入口側経路、19…温度指示調節計、20…流量調節弁、21…ポンプ吸込側経路、22…リザーブタンク、22a…液相部、22b…気相部、23…リザーブ経路、24…ガス導入弁、25…蒸気トラップ、26…ガス放出弁、27…冷却部、28…気液分離部、29…熱媒返送経路、30…フロート弁
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