WO2024157483A1 - 樹脂材料の熱分解処理方法、樹脂材料の熱分解処理システムおよびベント装置 - Google Patents

Abstract

樹脂材料の熱分解処理を継続的に、効率良く行うことができる樹脂材料の熱分解処理方法および熱分解処理システムを提供する。　樹脂材料の熱分解処理システムは、樹脂材料が投入されるシリンダ１２と、樹脂材料を熱分解するためにシリンダ１２に設けられた熱源部と、シリンダ１２内に配置され、樹脂材料を搬送するスクリュと、樹脂材料が熱分解されシリンダ１２内部で生成した複数種の成分を含むガスを排気するためのベント部１４ａと、ベント部１４ａに接続され、ガスの一部を液化する第１の熱交換器１４ｂと、を有する押出機と、第１の熱交換器１４ｂを気体のまま通過したガスの残部を冷却して液化する第２の熱交換器１５を有する。

Description

樹脂材料の熱分解処理方法、樹脂材料の熱分解処理システムおよびベント装置

　本発明は、樹脂材料の熱分解処理方法、樹脂材料の熱分解処理システムおよびベント装置に関する。

　現在、プラスチック製品は非常に幅広い分野で使用されており、その使用量は膨大なものとなっている。一方で、プラスチック製品の廃棄処理にはコストがかかり、また、自然環境下に放置される等により河川や海域等にその成分が流出したりすることにより環境への影響も問題となっている。

　そのため、各種樹脂は、それをリサイクルにより資源を有効利用することが種々検討されてきており、例えば、廃プラスチックを処理する際に、樹脂の押出成形に用いられるスクリュを有する押出機を用い、そのシリンダ内で発生したガスを、シリンダに設けたベントから外部に排出する技術が知られている（例えば、特開２００５－３４９８３８号公報（特許文献１）、特開２００８－３０２５５５号公報（特許文献２）等参照）。

特開２００５－３４９８３８号公報 特開２００８－３０２５５５号公報

　このように、廃プラスチックなどの樹脂材料を処理してリサイクルすることが、近年進められてきており、樹脂材料の分解処理を効率的に行うことが望まれている。

　そこで、本発明は、樹脂材料の熱分解処理を継続的に、効率良く行うことができる樹脂材料の熱分解処理方法および熱分解処理システムを提供することを目的とする。
　その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

　本願において開示される樹脂材料の熱分解処理方法は、（ａ）スクリュを有する押出機のシリンダ内で樹脂材料を熱分解する工程；（ｂ）（ａ）工程の後、樹脂材料の熱分解により生じた複数種の成分を含むガスをベント部から排気する工程；（ｃ）（ｂ）工程の後、ガスの一部を第１の熱交換器により冷却し、液化する工程；および（ｄ）（ｃ）工程の後、ガスの残部を第２の熱交換器により冷却し、液化する工程、を含む。

　本願において開示される樹脂材料の熱分解処理システムは、（ａ）押出機および（ｂ）第２の熱交換器を有する。ここで、押出機は、樹脂材料が投入されるシリンダと、樹脂材料を熱分解するためにシリンダに設けられた熱源部と、シリンダ内に配置され、樹脂材料を搬送するスクリュと、樹脂材料が熱分解されシリンダ内部で生成した複数種の成分を含むガスを排気するためのベント部と、ベント部に接続され、ガスの一部を液化する第１の熱交換器と、を有し、第２の熱交換器は、第１の熱交換器を気体のまま通過したガスの残部を冷却して液化する。

　本願において開示される押出機用ベント装置は、押出機に接続されるベント部；およびベント部に設けられ、ベント部から排気された排気ガスの一部を冷却して液化するための熱交換器、を有する。

　本願において開示される樹脂材料の熱分解処理方法および熱分解処理システムによれば、廃プラスチックなどの樹脂材料を、継続的に、効率良く熱分解処理することができる。

　本願において開示される押出機用ベント装置によれば、上記熱分解処理方法および熱分解処理システムでの熱分解を効率良く行うために用いられる部材としての押出機に好適なベント装置を提供できる。

一実施の形態における樹脂材料の熱分解処理システムの模式的な構成を示す図である。 図１の樹脂材料の熱分解処理システムで用いるシリンダの模式的な構成を示す図である。 図１のベント装置の内部構造の概要を示す図である。 他の実施の形態における樹脂材料の熱分解処理システムの構成を示す図である。 図４の樹脂材料の熱分解処理システムの変形例を示す図である。 さらに他の実施の形態における樹脂材料の熱分解処理システムの模式的な構成を示す図である。

　以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

　＜実施の形態１＞
　本実施の形態における樹脂材料の熱分解処理システムの全体構成およびそれを用いた樹脂材料の熱分解方法について、図１を参照しながら説明する。

　［樹脂材料の熱分解処理システム］
　図１は、実施の形態１の樹脂材料の熱分解処理システム１０の模式的な構成を示す説明図（側面図）である。樹脂材料の熱分解処理システム１０は、熱分解の対象となる樹脂材料を、その内部で加熱することで熱分解させ、その分解により生成したモノマーや低分子化合物をその性状（気体や液体）により分離し、回収や処理を行うために使用される装置である。

　この樹脂材料の熱分解処理システム１０は、樹脂材料供給部１１と、スクリュを有するシリンダ１２と、シリンダ１２のスクリュを駆動する回転駆動機構１３と、ベント部１４ａと熱交換器１４ｂから構成されるベント装置１４と、熱交換器１５と、液体回収容器１６と、固体回収容器１７と、を有する。

　樹脂材料供給部１１は、分解対象の樹脂材料を、シリンダ１２へ供給する部材である。本実施の形態では、分解対象の樹脂材料として、例えば、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂が供給される。供給される樹脂材料としては、ペレット、粉末、フレーク等の種々の形態のものが用いられ、例えば、フィーダー等によりホッパ１１ａを有する樹脂材料供給部１１に上部から投入され、シリンダ１２内へ供給される。

　シリンダ１２は、その内部に樹脂材料を搬送する空間が形成され、その空間に樹脂材料を搬送するためのスクリュ１２ａを有する。図２には、図１の樹脂材料の熱分解処理システム１０のシリンダ１２の内部構造がわかるように、シリンダ１２を断面視した図を示している。このシリンダ１２には、シリンダ１２内で発生したガスをシリンダ１２の外部に排出できるように開口部１２ｂと、残渣を排出できる先端部１２ｃと、シリンダ１２をシリンダブロックごとに加熱できる複数のヒータ（熱源部）１２ｄと、が設けられており、これら部材により押出機を構成している。この開口部１２ｂに、後で詳述するベント装置１４が設けられる。

　シリンダ１２のスクリュ１２ａを回転させることにより、樹脂材料供給部１１に供給された樹脂材料は、シリンダ１２の内部をシリンダ１２の先端部１２ｃ側（下流側）に向かって徐々に搬送される。

　シリンダ１２は、例えば、複数のシリンダブロックが連結されて構成され、各シリンダブロックには、内部に樹脂材料を搬送可能な空間が設けられている。この空間には、スクリュ１２ａが設けられており、スクリュ１２ａは、回転駆動機構１３に接続されている。この回転駆動機構１３によりスクリュ１２ａを回転させて、シリンダ１２内で分解対象の樹脂材料を搬送できる。

　また、シリンダ１２は、その温度を調節できるようにヒータ等の熱源部が設けられている。分解対象である樹脂材料は、樹脂材料供給部１１から先端部１２ｃ側に向かって搬送されるが、その際、上記ヒータ等により徐々に加熱されて、溶融可塑化された樹脂材料となる。また、このように得られた溶融可塑化された樹脂材料はシリンダ１２内を容易に搬送可能となり、さらに加熱されながら下流側に搬送される。本実施の形態においては、この加熱温度を徐々に高くして、樹脂材料が熱分解する温度にまで加熱するようになっている。

　また、シリンダ１２内の溶融樹脂はスクリュ１２ａによって昇圧され、加熱されると同時に加圧される場合もある。加熱と同時に加圧されると、樹脂材料の熱分解をさらに促進できる。そして、樹脂材料は、熱分解により、その樹脂を構成するモノマーやその他の低分子化合物に分解される。このとき、低分子化した化合物は、その一部がシリンダ１２内でガスとなる。このガスは、一般的には、樹脂材料の分解過程で生じた複数種の成分を含んでいる。

　先端部１２ｃは、シリンダ１２内を搬送され熱分解された樹脂材料の分解物のうち、溶融状態のままガスにならない残渣を固体回収容器１７に排出する部分である。この残渣は、高温に加熱された液状物であり、樹脂材料にフィラー等が含有される場合には、固体が混合された状態で排出され得る。

　回転駆動機構１３は、シリンダ１２内に設けられるスクリュ１２ａを回転させるための装置である。回転駆動機構１３により回転されたスクリュを利用することで、シリンダ１２内で、分解対象物の樹脂材料を搬送できる。

　なお、シリンダ１２内にスクリュが２本設けられた二軸押出機でも、１本のスクリュが設けられた単軸押出機でもよい。二軸押出機の場合、２本のスクリュは、互いに平行に配置されて回転する。２本の軸は互いに噛み合うように配置されていてもよいし、噛み合っていないように配置されていてもよい。

　二軸押出機は、原料の搬送効率が高いこと、また混練性能が高いこと、などから、スクリュ口径が同一の場合、スクリュが１本の単軸よりもスクリュが２本の二軸の方が押出量を高くでき好ましく、また、スクリュの回転速度やバレル設定温度などの運転条件が自由に変更できる柔軟性があるなどの種々の利点を有する。ここで、シリンダ１２の延在方向と、シリンダ１２内のスクリュの延在方向とは同じである。

　ベント装置１４は、シリンダ１２に設けられたベント部１４ａと、熱交換器１４ｂとを有して構成される装置である。ベント部１４ａは、シリンダ１２内で生成したガスをシリンダ１２の外部に排気する部材であり、公知の押出機にも設けられているベント部と同様の構成のものとすればよい。本実施の形態におけるベント部１４ａは、このガスを次に説明する熱交換器１４ｂおよび後述する熱交換器１５により順番に熱交換処理が行われるように設けられている。

　熱交換器１４ｂは、ベント部１４ａの上方に一体的に設けられてベント装置１４を構成する。この熱交換器１４ｂは、複数種の成分を含むガスのうち、その一部を冷却し、液化する作用を有する装置である。例えば、ここでは、上記複数種の成分のうち、沸点の高い成分（高沸点ガス成分）を液化し、その高沸点ガス成分よりも沸点の低い成分（低沸点ガス成分）を気体のまま通過させるように温度制御される。

　熱交換器１４ｂの温度制御は、その内部に設けられた配管に、所定の温度に維持された冷媒（冷却媒体）を供給、排出することで行うことができる。図１においては、この冷媒の供給、排出の流れを矢印で示している。この冷媒の温度は、上記したようにこの熱交換器１４ｂで、その一部が冷却、液化できる温度とするため、高沸点ガス成分の沸点よりも低く、かつ、高沸点ガス成分の融点以上となるように制御される。これによって、高沸点ガス成分を、熱交換器１４ｂにより冷却し、液化できる。

　また、このとき、冷媒の温度は、低沸点ガス成分の沸点よりも高くなるように制御することが好ましい。このように温度制御することで、高沸点ガス成分と低沸点ガス成分とを分離でき、特に、高沸点ガス成分を熱交換器１５に供給されるガス中に含まないようにでき好ましい。ここで、熱交換器１４ｂで液化されずに通過したガスの残部は、配管１８を通って熱交換器１５に供給される。

　ベント装置１４は、シリンダ１２の任意の位置に設けることができる。なお、生成したガスを効率的に処理するために、ベント装置１４を、シリンダ１２内でガス生成量が多い箇所やそのガス生成量の多い箇所よりも下流側（シリンダ１２の先端部１２ｃ側）に設けることが好ましい。

　熱交換器１５は、複数種の成分を含むガスのうち、上記熱交換器１４ｂで液化されなかったガス（ガスの残部）を冷却し、液化する装置である。例えば、ここでは、上記複数種の成分のうち、低沸点ガス成分を液化するように温度制御される。

　熱交換器１５の温度制御は、熱交換器１４ｂと同様に、その内部に設けられた配管に、所定の温度に維持された冷媒を供給、排出することで行うことができる。図１においては、この冷媒の供給、排出の流れを矢印で示している。

　この冷媒の温度は、この熱交換器１５で、ガスの残部が冷却、液化できる温度とするため、上記したように低沸点ガス成分の沸点よりも低く、かつ、低沸点ガス成分の融点以上となるように制御する。これによって、低沸点ガス成分は、熱交換器１５で冷却され液化される。このように温度制御することで、低沸点ガス成分が液状となって分離できるため、液体として回収できる。

　また、冷媒の温度は、高沸点ガス成分の融点よりも低いことが好ましい。この場合、従来課題となっていた、熱交換器での固形物の生成が生じる条件ともなるが、本実施の形態によれば、高沸点ガス成分は、熱交換器１５で処理されるガス（ガスの残部）に含まれないため、そのような問題が生じることがない。

　この熱交換器１５では、上記したように低沸点ガス成分を液化するものであるが、低沸点ガス成分が複数種含まれる場合は、その一部を液化し、より沸点の低いガス成分を大気中に放出したり、さらに排ガス処理装置などの他の処理を行ったりするように構成してもよい。なお、大気中への放出は、環境に悪影響を与えない場合に実施するようにする。ここで、熱交換器１５で液化されたガス成分は、配管１９を通って液体回収容器１６に収容される。

　また、上記した熱交換器１４ｂ、１５の冷媒の温度制御は、それらの温度を管理する制御部を設け、それぞれ設定された温度（例えば、上記説明したように高沸点ガス成分と低沸点ガス成分を液化可能な温度）を維持するようにすればよい。

　液体回収容器１６は、熱交換器１５で液化された成分を貯留する容器である。この液体回収容器１６は、液化した成分を安定して貯留することができる材質により形成すればよい。また、液体回収容器１６は、大気に対して開放系でもよいし、密閉系でもよい。空気と接することにより、回収した液体が変質してしまう場合やその他の不具合がある場合には、密閉系とすることが好ましい。

　固体回収容器１７は、上記説明したように、シリンダ１２中での加熱による熱分解でガス化されず、シリンダ１２の先端部１２ｃから排出される樹脂材料の残渣を貯留する容器である。

　この固体回収容器１７で回収される残渣は、高温に加熱された溶融状態（液状）であり、樹脂材料にフィラー等を含有する場合には、固体が混合された液状物として排出される。一方、この残渣は、固体回収容器１７中に排出されると、固体回収容器１７の内部で徐々に冷却され、固化し、固体回収容器１７の底部に、固体状の残渣が順次堆積していくこととなる。

　この固体回収容器１７は、シリンダ１２の先端部１２ｃから流出する液体および冷却され固化した固体を安定して貯留することができる材質により形成すればよい。また、固体回収容器１７は、大気に対して開放系でもよいし、密閉系でもよい。空気と接することにより、残渣が変質してしまったり、燃焼の危険があったりする場合には、密閉系とすることが好ましい。また、残渣の固化を促進するために、冷却源を設けてもよい。

　＜樹脂材料の熱分解処理方法＞
　次に、本実施の形態の樹脂材料の熱分解処理方法について、上記説明した樹脂材料の熱分解処理システム１０を用いる場合を例に、各工程を説明する。

　まず、樹脂材料を、押出機のシリンダ１２内で熱分解させる（（ａ）工程；熱分解工程）。この工程は、分解対象の樹脂材料を、熱分解処理システム１０が備えるシリンダ１２の内部へ樹脂材料供給部１１を介して供給し、そのシリンダ１２内で加熱することで、樹脂材料を熱分解させるものである。ここで、シリンダ１２内に供給された樹脂材料は、スクリュ１２ａにより、シリンダ１２内を先端部１２ｃへ向かって搬送されながら、徐々に加熱され、熱分解される。

　なお、供給する分解対象の樹脂製品は、加熱により熱分解させることができる樹脂であれば特に限定されず、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂、ポリアミド６（ＰＡ６）樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂等の樹脂材料が挙げられる。

　シリンダ１２の外周には、ヒータ等の熱源部が設けられ、このヒータにより搬送されながら樹脂材料が徐々に高温になるように構成されている。また、加熱されることで、樹脂材料は溶融可塑化された状態となり、スクリュ１２ａにより容易に搬送できる。

　用いる樹脂材料によって異なるが、この熱分解における加熱温度は、例えば、樹脂温度が２５０～４００℃程度となるように加熱することが好ましい。また、この熱分解工程においては、加圧してもよい。加圧することで、より熱分解が進行しやすくなり好ましい。加圧する場合は、機内圧力が０．３～２０．０ＭＰａとなるように加圧することが好ましい。

　上記のように加熱により熱分解を進行させると、樹脂材料はその結合が切断され低分子化する。この熱分解により、樹脂材料は、その樹脂を構成するモノマーやその他の低分子化合物に分解される。分解、生成したモノマーや低分子化合物は、シリンダ１２中でガスとなる。このとき生成するガスは、通常、複数種の成分を含んでいる。

　次いで、熱分解により生成した複数種の成分を含むガスを、シリンダ１２に設けられたベント部１４ａから排気する（（ｂ）工程；排気工程）。この工程は、シリンダ１２内で樹脂材料が熱分解されて生成したガスを、シリンダ１２外に排出するものである。本実施の形態のように樹脂材料の分解処理をする場合、樹脂材料は加熱されて熱分解、すなわち、構成する樹脂の化学結合が切断されて低分子化するため、多量のガスが生成することとなる。

　このように生成したガスは、本実施形態における処理対象のガスであり、生成したガスは開口部１２ａからシリンダ１２外に排気される。公知の押出機でもシリンダ内で発生したガスを排気するベント部が設けられており、これと同様にベント部１４ａを設けて排気すればよい。

　このベント部１４ａは、シリンダ１２の開口部１２ａに配置するように設けられ、シリンダ１２内のガスをこの開口部１２ａからベント部１４ａを介してシリンダ１２外に排気できるようになっている。また、本実施の形態においては、このベント部１４ａに、熱交換器１４ｂが設けられベント装置１４が構成されている。

　したがって、本実施の形態においては、ベント部１４ａから排気されたガスは、そのまま熱交換器１４ｂに導入される。この熱交換器１４ｂでは、複数種の成分を含むガスのうち一部を冷却して液化し、残部を気体のまま通過させるようにする（（ｃ）工程；液化工程１）。

　例えば、複数種の成分を含むガスは、その含まれる成分ごとにそれぞれ固有の沸点を有しており、含まれるガスのうち、比較的高い沸点を有する成分（高沸点ガス成分）と、その高沸点ガス成分よりも沸点の低い成分（低沸点ガス成分）とが混在した状態となっている。

　上記のように複数種の成分を含むガスの一部を冷却、液化するために、例えば、これら混在するガス成分に対して、熱交換器１４ｂを上記高沸点ガス成分が液化する温度に制御する。具体的には、熱交換器１４ｂの温度を、高沸点ガス成分の沸点よりも低く、かつ、高沸点ガス成分の融点以上の温度に制御する。これによって、高沸点ガス成分は、熱交換器１４ｂで冷却され液体となる。

　また、このとき、熱交換器１４ｂの温度は、低沸点ガス成分の沸点よりも高くなるように制御することが好ましい。このように温度制御することで、高沸点ガス成分と低沸点ガス成分とを分離でき、特に、高沸点ガス成分を熱交換器１５に供給されるガス中に含まないようにでき好ましい。ここで、熱交換器１４ｂで液化されずに通過したガスの残部は、配管１８を通って熱交換器１５に供給される。

　そして、最後に、上記（ｃ）工程で液化されなかったガス（ガスの残部）を、熱交換器１５に導入し、そのガスを冷却し、液化する（（ｄ）工程；液化工程２）。すなわち、ここでは、上記複数種の成分のうち、低沸点ガス成分を液化するように温度制御する。これによって、低沸点ガス成分は、熱交換器１５で冷却され液体となる。

　また、このとき、熱交換器１５の温度は、高沸点ガス成分の融点よりも低いことが好ましい。この場合、従来課題となっていた、熱交換器での固化が生じる条件ともなるが、本実施の形態によれば、高沸点ガス成分は、熱交換器１５で処理されるガス（ガスの残部）に含まれないため、そのような問題が生じることがない。

　このようにして（ｄ）工程で得られた液体は、液体回収容器１６に収容され、回収される。ここで回収された液体は、新たな樹脂の製造（重合反応）に使用するための原料（モノマー）やその他の反応の材料として利用したり、廃棄する場合には、そのための廃棄処理を行ったりすることができる。

　なお、シリンダ１２から排気されるガス中に３種類以上の成分が混合されている場合、高沸点ガス成分と低沸点ガス成分はその目的に応じて任意に決定することができる。また、ガス中に３種類以上の成分が混合されている場合、（ｄ）工程において、一部を液化し、より沸点の低いガス成分をそのまま通過させ、大気中に放出したり、さらに排ガス処理装置などの他の処理を行ったりするように構成してもよい。なお、大気中への放出は、環境に悪影響を与えない場合に実施するようにする。ここで、熱交換器１５で液化されたガス成分は、配管１９を通って液体回収容器１６に収容される。

　また、（ｄ）工程において、熱交換器１５でより沸点の低いガス成分を通過させた場合、さらに同様の液化工程を１回以上行い、さらに成分ごとに順番に分離するように処理することもできる。

　一方、シリンダ１２中で熱分解により処理された樹脂材料のうち、ガス化しない残渣については、加熱した液状物としてシリンダ１２中を先端部１２ｃまで移動し、先端部１２ｃから固体回収容器１７に排出される。排出された残渣は、固体回収容器１７中で徐々に冷却され、固化する。

　固体回収容器１７は、処理の経過と共に、残渣が溜まっていくため、処理を一定の時間行った後にまたは容器内に収容している残渣の量に応じて、空の固体回収容器１７と交換する。固体回収容器１７の内部に収容された残渣は、その後、廃棄処理される。なお、この固体回収容器１７の交換は、樹脂材料の熱分解処理システムの稼働を一旦停止して行い、交換後、再稼働させて樹脂材料の熱分解処理を進めることができる。

　〔熱交換器の作用〕
　熱交換器１４ｂおよび熱交換器１５については、その構成、作用について上記で既に説明しているが、以下、図３を参照しながら、より詳細に説明する。

　図３は、ベント装置１４の内部構造を示した断面図である。ベント部１４ａは、既に説明したようにシリンダ１２に設けられ、シリンダ１２内で生成したガスを収容しつつ、熱交換器１４ｂへ導入させる部材である。

　熱交換器１４ｂは、ベント部１４ａと接続する下側開口部１４１と、熱交換器１５と配管を介して接続される上側開口部１４２とを有する。また、熱交換器１４ｂは、冷媒を内部に導入する冷媒入口１４３と、導入された冷媒を流通させる冷媒流通管１４４と、冷媒流通管１４４を流通した後、冷媒を排出する冷媒出口１４５と、を有する。

　そして、この熱交換器１４ｂには、シリンダ１２内で生成した複数種の成分を含むガスが、ベント部１４ａを介して、下側開口部１４１から導入される。導入されたガスは、その一部が液化され、残部は気体のまま通過する。このとき液化する成分は、熱交換器１４ｂの温度に応じて定まり、この温度は、使用する冷媒の温度により制御される。

　例えば、高沸点ガス成分と低沸点ガス成分を含有するガスが熱交換器１４ｂ内に導入され、冷媒温度が、熱交換器１４ｂ内の温度を高沸点ガス成分の沸点未満、低沸点ガス成分の沸点以上の範囲となるように設定されている場合、熱交換器１４ｂは、以下のような作用を奏する。

　まず、熱交換器１４ｂ内に、下側開口部１４１から上記ガスが導入されると、このガスは冷媒流通管１４４と接触（間接的に冷媒と接触）し、ガス中に含まれる成分のうち高沸点ガス成分が冷却され、液化し、液化した高沸点ガス成分は重力の作用により下方に滴下する。滴下した液体は、上記ガスの通気方向とは反対方向に移動し、下側開口部１４１およびベント部１４ａを経由してシリンダ１２内に戻り、加熱された溶融物中に再混入される。

　一方、ガス中の低沸点ガス成分は、上記冷媒流通管１４４と接触（間接的に冷媒と接触）しても液化されずに、ガスのまま上側開口部１４２から排出され、配管１８を経由して熱交換器１５に送られる。

　この熱交換器１４ｂの温度制御は、熱分解する樹脂材料の種類によって適宜決定されるが、１００℃以上となるような比較的高温に制御される。そのため、この冷媒としては、１００℃以上の高温でも液状物として流通させることができる流体、例えば、油などが用いられる。このような油を用いる場合、一般に、冷媒入口１４３と冷媒出口１４５は、熱油ユニットに接続され、この熱油ユニットにより、冷媒用の油を循環させながら熱交換器１４ｂが所定の温度に制御されるように構成される。

　熱交換器１４ｂを、ベント部１４ａの上方に直接設け、上記のように液化した成分が落下によりシリンダ１２に直接戻るようにすることで、高沸点ガス成分はシリンダ１２内の溶融物に再混入されることとなるため、さらに熱分解により低分子化を進行させることができる。このような構成は、より熱分解を効率的に進めることができ好ましい。

　熱交換器１５は、その制御される温度が異なるが、熱交換器１４ｂと同様の構成とすればよい。ただし、熱交換器１４ｂとは異なり、液化したガス成分は、ガス（ガスの残部）の導入口とは別に排出口を設けて、液体を排出するようにする。この点、熱交換器１５は、公知の熱交換器として一般的な構成のものを用いることが好ましい。また、熱交換器１５で液化されたなかったガスが含まれる場合、さらに別の排出口を設けて、液体成分とガス成分とを分離するようにする。

　ここで、熱交換器１４ｂを通過した低沸点ガス成分を含有するガスが熱交換器１５内に導入され、冷媒温度が、熱交換器１５内の温度を低沸点ガス成分の沸点未満の範囲となるように設定されている場合、以下のような作用を奏する。

　まず、熱交換器１５内に、上記ガス（ガスの残部）が導入されると、このガスは冷媒流通管と接触（間接的に冷媒と接触）し、ガス中に含まれる成分のうち低沸点ガス成分が冷却され、液化する。液化した低沸点ガス成分は、液体回収容器１６へ送られる。

　このとき低沸点ガス成分を含有するガス中の成分が全て液化されてもよいし、その一部を液化し、回収して、低沸点化合物よりもさらに沸点が低い成分を気体のまま排気してもよい。排気は、環境へ悪影響を及ぼさない限りは大気へ放出してもよいし、回収して再利用したり、廃棄処理したりしてもよい。

　この熱交換器１５の温度制御は、熱分解する樹脂材料の種類によって適宜決定されるが、１００℃未満となるような比較的低温に制御される。そのため、ここで用いられる冷媒は、冷媒としてよく用いられる水等が使用でき、一般に、冷媒入口と冷媒出口は、チラーユニット等により所定の温度となるように制御されながら循環するように構成される。

　〔樹脂材料と熱分解により生成する化合物の説明〕
　次に、上記熱分解と液化処理について、具体的な樹脂材料における、熱分解により生成する化合物とそれらの処理条件について説明する。

　<ポリカーボネート（ＰＣ）>
　熱分解対象の樹脂材料がポリカーボネート（ＰＣ）の場合、反応助剤または添加物として水を加え、シリンダ１２内で熱分解処理を行う。このとき、シリンダ１２の温度は、例えば、２６０～３２０℃に加熱して熱分解処理を進行させる。

　この熱分解により、ポリカーボネート（ＰＣ）からは、ビスフェノールＡ（融点：１５９℃、沸点：２２０℃）、フェノール（融点：４０．５℃、沸点：１８２℃）が生成し、熱交換器１４ｂに導入されるガスとしては、生成した上記化合物と未反応の水（融点：０℃、沸点：１００℃）が含まれる。

　そのため、例えば、熱交換器１４ｂの温度を１８２℃以上２２０℃未満としてビスフェノールＡを液化し、熱交換器１５の温度を１８２℃未満として、フェノールを液化する。このとき、熱交換器１５の温度を１００℃以上１８２℃未満とすることで、フェノールを液体として回収し、水（蒸気）は大気中に放出することもできる。

　なお、ビスフェノールＡをシリンダ１２内の溶融物に再混入させると、固体回収容器１７で回収されることとなるが、この場合、その他の残渣との分離、回収が難しくなるため、ポリカーボネートの場合は、後述する実施の形態３で説明するシステム構成とし、液体回収容器４２で回収することが好ましい（図６）。

　<ポリアミド６（ＰＡ６）>
　熱分解対象の樹脂材料がポリアミド６（ＰＡ６）の場合、反応助剤または添加物として水を加え、シリンダ１２内で熱分解処理を行う。このとき、シリンダ１２の温度は、例えば、２３０～３５０℃に加熱して熱分解処理を進行させる。

　この熱分解により、ポリアミド６（ＰＡ６）は、カプロラクタム（融点：６９℃、沸点：２６７℃）が生成し、熱交換器１４ｂに導入されるガスとしては、生成した上記化合物と未反応の水（融点：０℃、沸点：１００℃）が含まれる。

　そのため、例えば、熱交換器１４ｂの温度を１００℃以上２６７℃未満としてカプロラクタムを液化し、熱交換器１５の温度を１００℃未満として、水蒸気を液化する。
　<ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）>

　熱分解対象の樹脂材料がポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の場合、反応助剤または添加物として水またはエチレングリコールを加え、シリンダ１２内で熱分解処理を行う。このとき、シリンダ１２の温度は、例えば、２５５～３２０℃に加熱して熱分解処理を進行させる。

　（２）この熱分解により、エチレングリコールを添加したとき、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）は、ビス（２－ヒドロキシエチル）テレフタレート（融点：１０６℃、沸点：３１７℃以上）が生成し、熱交換器１４ｂに導入されるガスとしては、生成した上記化合物と未反応のエチレングリコール（融点：－１０℃、沸点：２４４℃）が含まれる。

　そのため、例えば、熱交換器１４ｂの温度を２４４℃以上３１７℃未満としてビス（２－ヒドロキシエチル）テレフタレートを液化し、熱交換器１５の温度を２４４℃未満として、エチレングリコールを液化する。

　<ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）>
　熱分解対象の樹脂材料がポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）の場合、シリンダ１２内で熱分解処理を行う。このとき、シリンダ１２の温度は、例えば、３９０～４３０℃程度に加熱して熱分解処理を進行させる。

　この熱分解により、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）は、炭素数の異なる多種類の炭化水素化合物に分解される。このときガス化する炭化水素としては、例えば、表１に示した化合物が例示でき、これら炭化水素化合物の融点と沸点も表１に併せて示した。

　この場合、シリンダ１２内で生成するガスは、上記した炭素数が１～２１の多種類の炭化水素化合物を含むガスとなる。温度条件によるが、炭素数が多い炭化水素化合物は、シリンダ１２内ではガス化されず溶融状態となって、シリンダ１２の先端部１２ｃから固体回収容器１７内へ排出され、回収される。

　そして、生成したガスは、上記したようにまず熱交換器１４ｂに導入される。このとき、液化対象とする高沸点ガス成分は、任意の化合物を選択できるが、次の熱交換器１５における制御温度を考慮して決定すればよい。例えば、熱交換器１５における制御温度を１５℃とする場合、熱交換器１５で冷却されるガス成分としては、融点が１５℃以上であると、熱交換器１５で固形物が析出することとなる。したがって、この場合、炭素数１５のペンタデカン（融点：９．９℃）よりも炭素数が多い炭化水素（炭素数が１６以上の炭化水素）が含まれると、熱交換器１５内部で固形物が付着し、処理を継続していくと、熱分解処理の効率が低下してしまう。さらに固形物の付着が進行して堆積すると、ついには閉塞して熱分解処理の継続が困難な事態にまで発展してしまうおそれがある。

　そのため、上記条件の場合、熱交換器１４ｂで液化する高沸点ガス成分を炭素数１６の炭化水素（ヘキサデカン、化学式：Ｃ_１６Ｈ_３４）と設定することが好ましい。この場合、ヘキサデカンは熱交換器１４ｂで液化するため、熱交換器１５に導入されるガス成分中にはヘキサデカンが含まれない。したがって、熱交換器１５の制御温度を１５℃としていても、融点が１５℃以上である成分が含まれないため、熱交換器１５内で固化する成分がなく、上記した不具合が生じることを防止できる。

　このように処理するときに熱交換器１４ｂの制御温度は、例えば、その融点以上沸点より低い温度（１８℃以上２８７℃未満）とすればよい。ところで、この熱分解処理においては、分子量が近く、融点、沸点がそれぞれ近い化合物が含まれている。そのため、対象とする化合物を効率的に液化し、その対象化合物よりも沸点の低い化合物はできるだけ含ませないようにして、余計な化合物を混在させないことが好ましい。そのため、上記条件による熱分解を行う際の熱交換器１４ｂの制御温度は、２３０～２６０℃程度とすることが好ましい。これにより、炭素数１６以上の炭化水素化合物は、シリンダ１２内へ戻され、押出機内の溶融物に再混入される。再混入されると、再び加熱状態のシリンダ１２内で熱エネルギーを受けるため、さらに炭素数１５以下の炭化水素化合物に熱分解される。

　＜実施の形態２＞
　本実施の形態における樹脂材料の熱分解処理システムの全体構成およびそれを用いた樹脂材料の熱分解方法について、図４を参照しながら説明する。

　図４は、実施の形態２の樹脂材料の熱分解処理システム２０の模式的な構成を示す説明図（側面図）である。樹脂材料の熱分解処理システム２０は、上記説明した図１の樹脂材料の熱分解処理システム１０とは、ベント装置１４と、熱交換器１５と、液体回収容器１６とを２組設けた点が異なる以外は、同一の構成を有する樹脂材料の熱分解処理システムである。

　すなわち、図４に示した樹脂材料の熱分解処理システム２０は、樹脂材料供給部１１と、スクリュを有するシリンダ１２と、シリンダ１２のスクリュを駆動する回転駆動機構１３と、ベント部１４ａと熱交換器１４ｂから構成されるベント装置１４と、熱交換器１５と、液体回収容器１６と、固体回収容器１７と、を有する。装置を構成する要素は上記実施の形態と同一である。以下、既に説明した構成と同一の構成の説明は省略し、異なる部分を中心に詳細に説明する。

　上記したように、この樹脂材料の熱分解処理システム２０は、樹脂材料の熱分解処理システム１０とは、ベント装置１４と、熱交換器１５と、液体回収容器１６とを２組設けた点が異なる。

　このように２組設けることで、樹脂材料の熱分解処理システム２０は、上流側のベント装置１４と下流側のベント装置１４とを有することとなる。この場合、シリンダ１２内で生成したガスが、まず上流側のベント装置１４で熱交換処理されて、その一部が液化してシリンダ１２内に再混入し、残部は熱交換器１５に送られる。

　液化して再混入した成分は、十分に低分子化されていない化合物であり、さらにシリンダ１２内で熱分解され、より低分子化される。このように再混入し、再度熱分解処理されて生成したモノマーおよび低分子化合物は、次は、下流側のベント装置１４で熱交換処理されて、その一部が液化してシリンダ１２内に再混入し、残部は熱交換器１５に送られる。

　本実施の形態の樹脂材料の熱分解処理装置２０では、上記のように、上流側のベント装置１４により、十分に低分子化された成分がシリンダ１２から除去され、低分子化が十分でない成分はシリンダ１２内に戻され、再度熱分解処理を受ける。そして、その後に、下流側のベント装置１４により、十分に低分子化された成分がシリンダ１２から除去され、低分子化が十分でない成分はシリンダ１２内に戻される。

　このように、ガス成分の低分子化状況によって、熱分解処理を受ける必要がある成分に選択的にエネルギーを与えることができる。また、樹脂材料側から見ると、十分に低分子化できなかった成分は、さらに熱分解処理の機会が得られる。そのため、本実施の形態の構成とすることにより、熱分解処理をより効率的に行うことができる。

　このような観点からは、上流側のベント装置１４と下流側のベント装置１４との配置関係は、シリンダ１２内部の樹脂材料の熱分解状況によって、任意に決定できる。２つのベント装置１４を近くに配置してしまうと、上記作用を十分に発揮できないため、再度の低分子化がなされる時間が確保できるようにすることが好ましい。

　また、上流側のベント装置１４と下流側のベント装置１４、上流側の熱交換器１５と下流側の熱交換器１５とは、それぞれ同じ温度に制御して処理を行ってもよいし、異なる温度に制御して処理を行ってもよい。

　なお、図５に示した樹脂材料の熱分解処理システム３０のように、上記説明した図４の樹脂材料の熱分解処理システム２０に対して、２つのベント装置１４から排出されたガスを、１つの熱交換器１５で処理することもできる。

　この樹脂材料の熱分解処理システム３０は、樹脂材料供給部１１と、スクリュを有するシリンダ１２と、シリンダ１２のスクリュを駆動する回転駆動機構１３と、ベント部１４ａと熱交換器１４ｂから構成されるベント装置１４と、熱交換器１５と、液体回収容器１６と、固体回収容器１７と、を有する。装置を構成する要素は上記実施の形態と同一である。

　熱交換器１５を１つとすることで、装置の設置スペースを省スペース化し、またメンテナス等の手間も省略でき好ましい。

　＜実施の形態３＞
　本実施の形態における樹脂材料の熱分解処理システムの全体構成およびそれを用いた樹脂材料の熱分解方法について、図６を参照しながら説明する。

　図６は、実施の形態３の樹脂材料の熱分解処理システム４０の模式的な構成を示す説明図（側面図）である。樹脂材料の熱分解処理システム４０は、上記説明した図１の樹脂材料の熱分解処理システム１０とは、ベント装置１４の熱交換器１４ｂを、ベント部１４ａとは切り離して、配管を通して接続するようにした点が異なる以外は、同一の構成を有する樹脂材料の熱分解処理システムである。

　すなわち、図６に示した樹脂材料の熱分解処理システム４０は、樹脂材料供給部１１と、スクリュを有するシリンダ１２と、シリンダ１２のスクリュを駆動する回転駆動機構１３と、ベント部１４ａと、熱交換器１５と、液体回収容器１６と、固体回収容器１７と、熱交換器４１と、液体回収容器４２と、を有する。装置を構成する要素は上記実施の形態と同一である。以下、既に説明した構成と同一の構成の説明は省略し、異なる部分を中心に詳細に説明する。

　上記したように、この樹脂材料の熱分解処理システム４０は、樹脂材料の熱分解処理システム１０とは、ベント部１４ａと熱交換器１４ｂとを切り離し、別体の要素として設けた点が異なる。すなわち、熱交換器１４ｂの代わりに熱交換器４１を設け、ベント部１４ａと熱交換器４１とは配管４３で接続し、熱交換器４１には、液体回収容器４２を配管４４により接続している。さらに、熱交換器４１は、熱交換器１５に配管１８を介して接続している。

　上記構成により、この樹脂材料の熱分解処理システム４０では、ベント部１４ａから排気されたガスは、配管４３を経由して熱交換器４１に導入され、熱交換器４１では高沸点ガス成分が冷却、液化される。液化した高沸点ガス成分は配管４４を経由して液体回収容器４２により回収する。そして、熱交換器４１で液化されなかったガスの残部は、配管１８を経由して熱交換器１５に送られる。その後の処理は、上記実施の形態と同様である。

　この実施の形態においても、熱交換器１５には、固化する成分が除去された状態でガスが導入されるため、熱交換器１５が閉塞されるような不具合を回避できる。また、このようにベント部１４ａと熱交換器４１を別体とすることで、それぞれの部材の清掃等がしやすくなりメンテナンス性が向上するため、整備のコストを抑制することができる。

　なお、上記説明では、高沸点ガス成分の液状物を、液体回収容器４２で回収するようにしているが、これをシリンダ１２内へ戻して、再度熱分解処理を行うようにしてもよい。

　以上、本発明について、実施の形態および実施例により具体的に説明したが、本発明はこれら実施の形態および実施例に限定して解釈されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

１０，２０，３０，４０　樹脂材料の熱分解処理システム
１１　樹脂材料供給部
１２　シリンダ
１２ａ　スクリュ
１２ｂ　開口部
１２ｃ　先端部
１３　回転駆動機構
１４　ベント装置
１４ａ　ベント部
１４ｂ，１５，４１　熱交換器
１６，４２　液体回収容器
１７　固体回収容器
１８，１９，４３，４４　配管

Claims (12)

1. 　以下の工程を含む、樹脂材料の熱分解処理方法：
   　（ａ）スクリュを有する押出機のシリンダ内で樹脂材料を熱分解する工程；
   　（ｂ）前記（ａ）工程の後、前記樹脂材料の熱分解により生じた複数種の成分を含むガスをベント部から排気する工程；
   　（ｃ）前記（ｂ）工程の後、前記ガスの一部を第１の熱交換器により冷却し、液化する工程；および
   　（ｄ）前記（ｃ）工程の後、前記ガスの残部を第２の熱交換器により冷却し、液化する工程。
2. 　請求項１記載の樹脂材料の熱分解処理方法において、
   　前記ガスが、高沸点ガス成分と該高沸点ガス成分よりも沸点の低い低沸点ガス成分とを含み、
   　前記（ｃ）工程において、前記第１の熱交換器の温度を、前記高沸点ガス成分の沸点よりも低く、かつ、前記高沸点ガス成分の融点以上となるように制御する、樹脂材料の熱分解処理方法。
3. 　請求項２記載の樹脂材料の熱分解処理方法において、
   　前記（ｃ）工程において、前記第１の熱交換器の温度を、前記低沸点ガス成分の沸点以上となるように制御する、樹脂材料の熱分解処理方法。
4. 　請求項３記載の樹脂材料の熱分解処理方法において、
   　前記（ｄ）工程において、前記第２の熱交換器の温度を、前記低沸点ガス成分の沸点よりも低く、かつ、前記低沸点ガス成分の融点以上となるように制御する、樹脂材料の熱分解処理方法。
5. 　請求項１記載の樹脂材料の熱分解処理方法において、
   　前記（ｃ）工程において、前記第１の熱交換器で液化した成分を、前記シリンダ中に再混入させる、樹脂材料の熱分解処理方法。
6. 　以下の（ａ）および（ｂ）を含む、樹脂材料の熱分解処理システム：
   　（ａ）押出機、
   　　ここで、前記押出機は、
   　　前記樹脂材料が投入されるシリンダと、
   　　前記樹脂材料を熱分解するために前記シリンダに設けられた熱源部と、
   　　前記シリンダ内に配置され、前記樹脂材料を搬送するスクリュと、
   　　前記樹脂材料が熱分解され前記シリンダ内部で生成した複数種の成分を含むガスを排気するためのベント部と、
   　　前記ベント部に接続され、前記ガスの一部を液化する第１の熱交換器と、を有する；および
   　（ｂ）前記第１の熱交換器を気体のまま通過した前記ガスの残部を冷却して液化するための第２の熱交換器。
7. 　請求項６記載の樹脂材料の熱分解処理システムにおいて、
   　前記ガスが、高沸点ガス成分と該高沸点ガス成分よりも沸点の低い低沸点ガス成分とを含み、
   　前記第１の熱交換器の制御温度は、前記高沸点ガス成分の沸点よりも低く、かつ、前記高沸点ガス成分の融点以上である、樹脂材料の熱分解処理システム。
8. 　請求項７記載の樹脂材料の熱分解処理システムにおいて、
   　前記第１の熱交換器の制御温度は、前記低沸点ガス成分の沸点以上である、樹脂材料の熱分解処理システム。
9. 　請求項８記載の樹脂材料の熱分解処理システムにおいて、
   　前記第２の熱交換器の制御温度は、前記低沸点ガス成分の沸点よりも低く、かつ、前記低沸点ガス成分の融点以上である、樹脂材料の熱分解処理システム。
10. 　請求項６記載の樹脂材料の熱分解処理システムにおいて、
    　前記第１の熱交換器は、前記第１の熱交換器で液化した成分が前記シリンダ中に再混入されるように、前記ベント部の上方に配置されている、樹脂材料の熱分解処理システム。
11. 　以下を含む、押出機用ベント装置：
    　前記押出機に接続されるベント部；および
    　前記ベント部に設けられ、前記ベント部から排気された排気ガスの一部を冷却して液化するための熱交換器。
12. 　請求項１１に記載の押出機用ベント装置において、
    　前記熱交換器は、前記熱交換器で液化した成分が前記排気ガスの通気方向とは反対方向に前記ベント部を通過できるように、前記ベント部の上方に配置されている、押出機用ベント装置。

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