JP2009112893A - 流体処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】混合の高速均一化を可能とし、かつ、大量生産に適した流体処理装置を提供する。
【解決手段】断面形状が円形である内周面を有する攪拌槽と、該攪拌槽の内周面と僅かな間隙を在して付設される攪拌具とを有し、撹拌槽には、少なくとも二箇所の流体入口と、少なくとも一箇所の流体出口とを備え、流体入口のうち一箇所からは、被処理流体のうち、混合対象物の一つを含む第一の被処理流体を攪拌槽内に導入し、流体入口のうちで上記以外の一箇所からは、前記混合対象物とは異なる混合対象物の一つを含む第二の被処理流体を、上記第一の被処理流体とは異なる流路より攪拌槽内に導入するものであり、攪拌槽と攪拌具の少なくとも一方が他方に対し高速回転することにより被処理流体を薄膜状態とし、この薄膜中で少なくとも上記第一の被処理流体と第二の被処理流体とに含まれる混合対象物同士を混合させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも二つの被処理流体を混合させる流体処理装置に関する。

特許第3072467号公報 特開平9-75698号公報 特開平11-347388号公報 特開2000-15073号公報 特開2001-300281号公報 特開2003-47836号公報

マイクロ化学プラントは、マイクロスケールの空間内での混合、化学反応、分離などを利用した装置であり、大型タンク等を用いた従来のバッチ方式のプラントと比較して多くの有利点を備える。例えば複数の流体の混合や化学反応を短時間かつ微量の試料で行えること、装置が小型である為実験室レベルで生成物の製造技術を確立できればナンバリングアップを行うことで容易に量産用の設備化が出来ること、爆発などの危険を伴う反応にも適用可能であること、多品種少量生産を必要とする化合物の生成などにも容易に適応できること、需要量に合わせた生産量の調整が容易に出来ることなどである。このため化学工業や医薬品工業の分野では、流体の混合もしくは反応を行い材料や製品を製造するための好適な流体処理装置として注目され、近年その研究開発が盛んに行なわれている。

マイクロ化学プラントにおける代表的な流体処理装置としてマイクロミキサやマイクロリアクタが挙げられる。マイクロミキサやマイクロリアクタは、それぞれ流路幅が数十μｍ〜１ｍｍ程度のオーダーである微少な流路を有し、この流路に導かれた複数種類の流体を互いに接触させることで混合もしくは反応を生起するものである。

しかしながら、一般的なマイクロミキサやマイクロリアクタを用いる場合にはマイクロ化学デバイス及びシステムの利点は数あるにも関わらず、実際にはマイクロ流路が狭くなればなるほどその圧力損失は流路の4乗に反比例すること、つまり実際には流体を送り込むポンプが無いくらい大きな送液圧力が必要となること、また生成物が流路に詰まる現象や反応によって生じる泡によるマイクロ流路の閉鎖など、その問題も多い。さらにナンバリングアップで解決されて来たスケールアップについても実際には積層可能数は数十が限界であり、自ずと製品価値の高い製品に的が絞られやすい。本発明はこの様な問題に鑑みてなされたものであり、薄膜中で直接混合させることにより、温度の均一性が高く、反応容器の攪拌における均一性が高いことから所望の混合状態を容易に実施出来、さらに自己排出性により生成物の詰まりも無く、大きな圧力も必要とせず、また生産性が高く、ナンバリングアップでない従来のスケールアップを可能とする流体処理装置の提供を目的とする。

具体的には、特許文献１〜６に記載された装置を改良した流体処理装置を提供する。

なお、上記の各文献に記載の装置は、液体と液体、又は液体と粉体の混合物を攪拌槽に投入して攪拌するための装置であって、あらかじめ混合すると発熱したり有害な副生成物が発生してしまうような物質の組み合わせには使用できないという問題があった。

また、特許文献１及び２に記載の発明においては、上記混合物とは別に、添加物を攪拌槽に投入できるようにされているが、添加物投入のためのパイプの先端が攪拌槽の内部空間に設けられているため、上記の混合物に添加物を加える場合、落下した添加物が攪拌用の羽根に当たって攪拌槽内に不均一に飛び散ること等により、上記混合物に対して添加物が均一に混合できない恐れがある。よって、少なくとも二つの被処理流体を混合させようとする場合、このような方法ではうまくいかない可能性がある。

前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明は、混合対象物を含む少なくとも二つの被処理流体を薄膜状態とした上で混合させる流体処理装置において、少なくとも、中心軸に直交する断面形状が円形である内周面を有する攪拌槽と、該攪拌槽の内周面と同心で、外端が攪拌槽の内周面と僅かな間隙を在して付設される攪拌具とを有し、上記の撹拌槽には、少なくとも二箇所の流体入口と、少なくとも一箇所の流体出口とを備え、上記流体入口のうち一箇所からは、上記被処理流体のうち、混合対象物の一つを含む第一の被処理流体を攪拌槽内に導入し、上記流体入口のうちで上記以外の一箇所からは、前記混合対象物とは異なる混合対象物の一つを含む第二の被処理流体を、上記第一の被処理流体とは異なる流路より攪拌槽内に導入するものであり、攪拌槽と攪拌具との少なくとも一方が他方に対し、上記中心軸を中心として高速回転し、該回転に伴う、撹拌槽内に導入された被処理流体の回転により、該被処理流体を遠心力で攪拌槽の中心軸を取り巻くように内周面に圧着させ、薄膜状態を形成し、当該形成された薄膜中で少なくとも上記第一の被処理流体と第二の被処理流体とに含まれる混合対象物同士を混合させるものであり、上記流体入口のうち少なくとも一箇所が、上記撹拌槽の内周面のうち、当該流体入口以外から攪拌槽内に導入された被処理流体が上記の薄膜状態を形成する部分に開口されており、これにより、この薄膜中で上記の混合対象物同士を直接混合させることができることを特徴とする流体処理装置を提供する。
なお、上記の「中心軸」とは仮想の軸である。より詳しくは、攪拌槽２のうち少なくとも被処理流体が薄膜となる部分が回転対称形状に形成されており、その対称中心に一致する仮想の軸である。攪拌具あるいは攪拌槽はこの中心軸を中心に回転する。よって、この中心軸に一致する現実の軸体が攪拌槽内に存在することは必須ではない。

また、請求項２に係る発明は、上記少なくとも二箇所の流体入口が、上記の流体出口よりも下方に設けられたものであって、攪拌槽における、上記中心軸を取り巻く面である側面に共に備えられたものであるか、あるいは、上記中心軸に交わる面である端面に共に備えられたものであるか、あるいは、上記側面と上記端面とに各々備えられたものであることを特徴とする、請求項１に記載の流体処理装置を提供する。

また、請求項３に係る発明は、上記の攪拌槽が固定されており、上記の攪拌具が回転することを特徴とする、請求項１または２に記載の流体処理装置を提供する。

また、請求項４に係る発明は、上記の攪拌槽が、中心軸が垂直方向を向くように配位されており、上記流体入口のうち少なくとも一箇所における、攪拌槽への上記被処理流体の導入が、上記撹拌槽内での被処理流体の流れ方向に沿うようになされ、攪拌槽に対する導入角度につき、上記流体入口の中心を通る水平断面における、攪拌槽の径方向を基準とした角度（α１）が０°〜９０°であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の流体処理装置を提供する。

また、請求項５に係る発明は、上記の攪拌槽が、中心軸が垂直方向を向くように配位されており、上記流体入口のうち少なくとも一箇所における、攪拌槽への上記各被処理流体の導入が、上記撹拌槽内での被処理流体の流れ方向に沿うようになされ、攪拌槽に対する導入角度につき、攪拌槽の中心軸と上記流体入口の中心とを通る垂直断面における仰角（β１）が０°〜９０°であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の流体処理装置を提供する。

また、請求項６に係る発明は、上記流体入口のうち、上記とは異なる少なくとも一箇所が、攪拌槽の下側端面に設けられたことを特徴とする、請求項４または５に記載の流体処理装置を提供する。

また、請求項７に係る発明は、上記の攪拌槽が、中心軸が垂直方向を向くように配位されており、この攪拌槽からの上記各被処理流体の排出が、上記撹拌槽内での被処理流体の流れ方向に沿うようになされ、攪拌槽に対する排出角度につき、上記流体出口の中心を通る水平断面における、攪拌槽の径方向を基準とした角度（α２）が０°〜９０°であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の流体処理装置を提供する。

また、請求項８に係る発明は、上記攪拌具の外端部における、攪拌槽の内面に対する周速度が５ｍ/ｓ以上であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の流体処理装置を提供する。

また、請求項９に係る発明は、上記攪拌具の外端部における、攪拌槽の内面に対する上記の間隙が３ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の流体処理装置を提供する。

また、請求項１０に係る発明は、上記の攪拌槽に、攪拌槽内を減圧状態にしたり、不活性ガス雰囲気にするための調整用パイプが設けられたことを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の流体処理装置を提供する。

また、請求項１１に係る発明は、混合対象物を含む少なくとも二つの被処理流体を薄膜状態とした上で混合させる流体処理方法において、少なくとも、中心軸に直交する断面形状が円形である内周面を有する攪拌槽と、該攪拌槽の内周面と同心で、外端が攪拌槽の内周面と僅かな間隙を在して付設される攪拌具とを用い、被処理流体のうち、混合対象物の一つを含む第一の被処理流体を攪拌槽内に導入し、前記混合対象物とは異なる混合対象物の一つを含む第二の被処理流体を、上記第一の被処理流体とは異なる流路より攪拌槽内に導入するものであり、攪拌槽と攪拌具との少なくとも一方が他方に対し、上記中心軸を中心として高速回転させ、該回転に伴う、撹拌槽内に導入された被処理流体の回転により、該被処理流体を遠心力で攪拌槽の中心軸を取り巻くように内周面に圧着させ、薄膜状態を形成し、当該形成された薄膜中で少なくとも上記第一の被処理流体と第二の被処理流体とに含まれる混合対象物同士を混合させるものであり、上記被処理流体のうち少なくとも一つが上記攪拌槽内にて薄膜状態とされた上、この薄膜状態の被処理流体に直接、その他の被処理流体が加えられることを特徴とする流体処理方法を提供する。

また、請求項１２に係る発明は、上記被処理流体のうち少なくとも一つが上記攪拌槽内にて薄膜状態とされた上、この薄膜状態の被処理流体に直接、その他の被処理流体が加えられることを特徴とする、請求項１１に記載の流体処理方法を提供する。

本発明は、断面形状が円形である内周面を有する攪拌槽と、攪拌槽の内周面と僅かな間隙を在して付設される攪拌具とを有し、流体入口のうち一箇所からは、混合対象物の一つを含む第一の被処理流体を攪拌槽内に導入し、流体入口のうち他の一箇所からは、前記混合対象物とは異なる混合対象物の一つを含む第二の被処理流体を導入するものであり、攪拌槽と攪拌具との少なくとも一方が他方に対して高速回転することにより、該被処理流体を遠心力で攪拌槽の内周面に圧着させて薄膜状態を形成し、当該形成された薄膜中で少なくとも上記第一の被処理流体と第二の被処理流体とに含まれる混合対象物同士を混合させることを特徴とし、これにより、第一の被処理流体の薄膜中に直接、少なくとももう一方の被処理流体を独立した別流路より直接投入し、混合させることができるので、混合の高速均一化を可能とする。

そして、上記流体入口のうち少なくとも一箇所が、上記撹拌槽の内周面のうち、当該流体入口以外から攪拌槽内に導入された被処理流体が上記の薄膜状態を形成する部分に開口されている。このようにして、被処理流体を導入する箇所が固定されているため、混合状態の管理が容易である。

また、被処理流体が撹拌槽の内周面に薄膜状に保持されるから、撹拌槽の外面から加熱または冷却する場合であっても、熱伝導が迅速かつ均一に行なわれ、混合条件に重要な影響を与える熱的因子に関しても利点があり、これによっても、混合において高速均一化を可能とする。

また、薄膜状態の被処理流体を混合するときに、当該薄膜の外側を減圧することにより、被処理流体中に含まれている空気や溶存酸素など、また被処理流体から発生する気体、低沸点の有機溶剤などの脱気もしくは脱溶剤が可能となり、容易に所望とする混合状態をなしうる。

すなわち本発明における、少なくとも二つの流体を混合させる流体処理装置においては、これまで不可欠であった予備混合工程を不要とし、かつ、予備混合状態における各種混合対象物の不均等配位や不均等熱履歴、不均等エネルギー投下の影響を排除し、常に新しい混合場を与えるため、均一な混合物を得ることが可能となった。またさらに、自己排出性により生成物の詰まりもなく大きな圧力を必要とせず生産性が高くスケールアップが可能となった。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態の一例について説明する。各図において、「１」は流体処理装置である。「２」は攪拌槽であり、「３」は攪拌槽２の蓋で、この蓋３に軸受け及び密封装置４が取り付けられて駆動軸５を支持している。軸５の下端には、攪拌具として攪拌羽根６が固定されている。「７」は攪拌羽根６の駆動用モータで、モータ軸７−１が軸５に接続されている。

図１に示した例では、攪拌槽２は円筒状のものであるが、攪拌槽２の形状はこれに限られるものではなく、少なくとも、中心軸に直交する断面形状が円形である内周面を有していれば良く、例えば円錐状、円錐台状（図４参照）、弾丸状、半円球状、球状などであっても良い。上記のように攪拌槽を円錐状などの、中心軸に直交する断面形状が変化するものとした場合は、図４に示すように、上側をより大径としても良いし、その逆に、下側をより大径としても良く、その他種々のパターンで断面形状を変化させたものとできる。

また、中心軸に沿う方向の断面における内周面の形状も、図１に示すように直線であっても良いし、放物線などの曲線であっても良く、被処理流体の攪拌に支障がない範囲において種々の形状で実施することができる。

また、図１に示した例では、攪拌槽２が上下方向に、つまり、攪拌槽２の中心軸が垂直方向を向くように配位されているが、これに限定されるものではなく、攪拌槽２の中心軸が斜め方向を向くように配位されていても良い。また、攪拌具の回転速度を速めるなどして、攪拌槽２内で被処理流体を薄膜状態とすることができるのであれば、攪拌槽２の中心軸が水平方向を向くように配位されていても良い。

攪拌槽２の下側端面である底部８には、混合対象物を含む流体であって、攪拌槽２に導入される少なくとも二つの被処理流体の内、第一被処理流体Ｌ１を通すための第一導入管１１が接続される。この第一被処理流体Ｌ１は、図示しないが第一被処理流体Ｌ１が入ったタンクからの圧力気体による送液やポンプなどの手段により第一導入管１１に通される。この第一導入管１１の先端は攪拌槽２の内周面に開口している。この部分が第一流体入口１１ａである。この第一流体入口１１ａよりも上流側には第一バルブ１１−１が設けられている。この第一バルブ１１−１は第一被処理流体Ｌ１の流量を調整するためのものである。そして、この第一バルブ１１−１と共に、第一導入管１１における流体入口１１ａよりも下流側に第二バルブ１１−２が設けられている。この第二バルブ１１−２は、第一被処理流体Ｌ１として別途の流体を追加して送液する場合や、混合処理が終了した場合、あるいは清掃時にドレンバルブとして利用するものである。上記により、攪拌槽２に第一被処理流体Ｌ１を導入する第一導入路Ｐ１が構成される。

攪拌槽２の下部側面部９ａには、上記少なくとも二つの被処理流体の内、上記第一被処理流体Ｌ１とは異なる第二被処理流体Ｌ２を通すための第二導入管１２が接続される。この第二被処理流体Ｌ２は、図示しないが第二被処理流体Ｌ２が入ったタンクからの圧力気体による送液やポンプなどの手段により第二導入管１２に通される。この第二導入管１２の先端は、上記第一導入管１１と同じく上記攪拌槽２の内周面に開口している。この部分が第二流体入口１２ａである。上記により、第一導入路Ｐ１とは異なる流路であって、攪拌槽２に第二被処理流体Ｌ２を導入する第二導入路Ｐ２が構成される。

攪拌槽２の上部側面部９ｂには、所望の混合状態となった被処理流体の排出管１３が接続され、排出路Ｐ３より該被処理流体が排出される。上記と同様、この排出管１３の先端は攪拌槽２の内周面に開口している。この部分が流体出口１３ａである。攪拌槽２の内部では、図２（Ａ）に矢印で示したように、被処理流体が重力に抗して上昇するようになっているため、この排出管１３は上記の各導入管１１，１２よりも上方に設けられている。

図１に示した例では、第一導入管１１が攪拌槽２の底面８に設けられ、第二導入管１２が攪拌槽２の下部側面部９ａに設けられ、排出管１３が攪拌槽２の上部側面部９ｂに設けられているが、本発明はこの例の構成に限られるものではない。例えば、三つ以上の被処理流体を攪拌槽２に導入するために、図４及び５に示すように導入管を三つ以上設けても良い（図上の１１，１２'，１２"）。また、複数の流体入口が、攪拌槽２の側面に共に備えられたものであるか、あるいは、攪拌槽２の端面に共に備えられたものであっても良い。また、排出管を二つ以上設けても良い。

この例では、攪拌槽２の内面は滑らかな表面状態とされている。このようにすることにより、攪拌羽根６の回転に伴い、攪拌槽２内に被処理流体の流れを円滑に生じさせることができ、駆動用モータ７の負荷を低減することができる。逆に、被処理流体の種類によっては、攪拌槽２の内面に凹凸や固定羽根を設けることにより、攪拌槽２内における被処理流体に渦流を発生させるなどして流れを乱し、これによって混合を促進できるものとしても良い。

蓋３には、バルブ１４−１を介して調整用パイプ１４が貫通している。攪拌槽２内を減圧状態にする場合は、バルブ１４−１より真空源に接続すれば良いし、攪拌槽２内を不活性ガス雰囲気などにする場合は、バルブ１４-１を不活性ガス源に接続すれば良い。またこれらの措置が不必要な場合は、調整用パイプ１４を設置しなくても良い。また、減圧及び不活性ガス雰囲気の両方が必要な場合は調整用パイプ１４を複数本設置すれば良い。

図１に示した例では、上記排出管１３の下方位置に、攪拌槽２の内方に突出するフランジ状の堰板１５が設けられている。この堰板１５は、この例では攪拌槽２の内周面を上下に二分するように設けられており、攪拌槽２の下半分における混合後の被処理流体が、各導入管１１，１２からの被処理流体の供給に伴って、この堰板１５を乗り越えて攪拌槽２の上半分に移動する。このように堰板１５を設けることにより、攪拌槽２の下半分において薄膜状態とされた被処理流体の膜厚が、攪拌層２の内周面から内側方向に突出した堰板１５の寸法と一致する。よって、堰板１５の寸法を調整することにより、上記被処理流体の薄膜を所望の膜厚とした上で混合させることができる。なお、この堰板１５については本発明において必須ではなく、省略しても良い。また、この例における堰板１５は、図示のように攪拌槽２の上半分部分と下半分部分との間に挟まれるように水平に設けられているが、攪拌槽２の内周面に溶接などにより直接取り付けられたものや、攪拌槽２と一体に形成されたものであっても良い。また、この堰板１５を伸縮可能な構造としておき、被処理流体の種類などによって、攪拌槽２の内周面からの突出寸法を変更できるようにしても良い。また、水平ではなく、例えば螺旋状に設けても良い。

図１に示した例は、堰板１５を攪拌槽２内の一箇所に設けたものであるが、図５に示すように導入管１２を三つ以上設けた場合などにおいては、二箇所以上に堰板１５を設けておき、複数の被処理流体が攪拌槽２内で順次加えられ、混合していくようにしても良い。

また攪拌槽２には、混合に最も適した温度条件とするために、攪拌槽２内の被処理流体を加熱あるいは冷却するための温度調整機構を設けても良い。図１に示した例では、攪拌槽２の外面に流体状の熱媒体を流通できるジャケット１６を設けているが、これに限らず、電気ヒーターやペルチェ素子など、電気的もしくは化学的に加熱あるいは冷却作用をなすことのできる素子を攪拌槽２に取り付けても良い。

上記の他、攪拌槽２に温度や圧力、また、薄膜の波打ちや偏りなどを感知するセンサーを設けても良い。

この例では攪拌具として、攪拌槽２の内周面と同心に設けられた駆動軸５の下端に攪拌羽根６が設けられている。この攪拌羽根６は、駆動軸５から径外方向に延びる腕部６−１を備えている。腕部６−１の外端には攪拌作用を良好にするための突片６−２が設けられている。図１に示した例では、図示左側の突片６−２は腕部６−１から上側に折り返すようにして設けられており、図示右側の突片６−２は腕部６−１から下側に折り返すようにして設けられている。この突片６−２は、被処理流体を攪拌槽２の内周面に沿って周方向に強制的に移動させるためのものであるため、外端形状が攪拌槽２の内周面に沿うように設けることが望ましい。よって、図示した以外に種々の形状で実施することができる。そして、この突片６−２の外端と攪拌槽２の内面との間には、僅かな間隙Ｓが設けられている。この間隙Ｓは、３ｍｍ以下、好ましくは２ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍ以下とされる。

この攪拌羽根６を駆動モータ７により高速回転させると、上記第一導入路Ｐ１に属する第一導入管１１より攪拌槽２内に導入された第一被処理流体Ｌ１は、攪拌羽根６の高速回転の遠心力により攪拌槽２の内周面に圧着されて薄膜状態を形成する。ここで、第一被処理流体Ｌ１は攪拌槽２の底部８に接続された第一導入管１１から順次導入されていくため、これに伴い、上記のように薄膜状態とされた第一被処理流体Ｌ１には、図２（Ａ）に示すような上向きスパイラル状の流れが発生する。なお、このスパイラル状の流れの速度は攪拌槽２への第一被処理流体Ｌ１の導入速度に比例する。この形成された薄膜状態の第一被処理流体Ｌ１中に直接、第二被処理流体Ｌ２を、上記第一導入路Ｐ１から独立した別流路である第二導入路Ｐ２に属する第二導入管１２より攪拌槽２内に導入することで所望の混合状態とできる。攪拌羽根６の高速回転に伴い、薄膜状態の第一被処理流体Ｌ１もまた攪拌槽２の内周面に沿って高速回転するため、短時間で充分に前記状態とすることができる。

ここで上記「高速回転」とは、遠心力により被処理流体が攪拌槽２内で薄膜状態を形成できる回転数をいい、具体的には攪拌羽根６の外端部における周速度が５ｍ/ｓ以上、好ましくは１０ｍ/ｓ以上、より好ましくは２０ｍ/ｓ以上を意味する。

上記のように第二導入管１２の第二流体入口１２ａは、撹拌槽２の内周面のうち、上記第一導入管１１から攪拌槽２に導入された第一被処理流体Ｌ１が上記の薄膜状態を形成する部分に開口されているため、第一被処理流体Ｌ１の薄膜中に第二被処理流体Ｌ２を直接加え、各被処理流体Ｌ１，Ｌ２中の混合対象物同士を直接混合させることができる。

このように本発明は、薄膜中での直接混合を可能としたものであるから、混合の高速均一化が可能である。また、これまでの流体処理で不可欠であった予備混合工程を不要とし、かつ、予備混合状態における混合対象物の不均等配位や不均等熱履歴、不均等エネルギー投下の影響を排除し、常に新しい混合場を与えるため、均一な混合物を得ることが可能となった。

本発明の流体処理装置１は、第一被処理流体Ｌ１と第二被処理流体Ｌ２の導入量により、攪拌槽２内における各被処理流体Ｌ１，Ｌ２の流れの速度ならびに滞留時間を調整できるので、所望の混合状態にすることが簡単に出来得る。

また、被処理流体が粒子の生成を伴う場合、攪拌具の回転速度を調整することにより、生成した粒子を、所望の粒径と粒径分布を有するものとできる。

なお、本発明は、薄膜中で各被処理流体Ｌ１，Ｌ２が混合することを主とするものであるが、上記薄膜外での混合を排除するものではなく、付加的に薄膜外での混合がなされても良い。

図１に示した例は、攪拌槽２が固定されており攪拌羽根６が高速回転するものであるが、これとは逆に、攪拌羽根６を固定して攪拌槽２を高速回転させても構わないし、攪拌羽根６と攪拌槽２を両方回しても構わない。

また、図１に示した例では、攪拌羽根６が一組のみ設けられたものとされているが、図５に示すように複数組設けられたものとしても良い。また、一組の攪拌羽根６当たりの腕部６−１の数量も、適宜設定して良い。

この例では攪拌具として、図１に示したような攪拌羽根６を用いたが、羽根の形状を有するものに限られるものではなく、図４に示すような、攪拌槽２の内周面に沿うように設けた回転円筒６’としても実施できる。この回転円筒は中空で、貫通孔６’−１を多数有するものとされており、攪拌羽根６と同様、高速回転により被処理流体を薄膜状態とできる。

本発明は、上記のように薄膜状態を形成した第一被処理流体Ｌ１中に、第一導入路Ｐ１から独立した別流路である第二導入路Ｐ２より第二被処理流体Ｌ２を直接導入することを最大の特徴とするので、以下さらに詳しく説明する。

攪拌槽２内における、攪拌羽根６などの攪拌具の位置と、第一導入路Ｐ１とは別流路である第二導入路Ｐ２より第二被処理流体Ｌ２を直接導入する導入位置との相対的関係は、目的とする混合状態に応じて調整する。すなわち、攪拌具の近傍における、薄膜状態とされた被処理流体は概ね乱流状態を形成し、均一混合などを目的とする場合有効であるし、攪拌具から離れた位置における薄膜状態の被処理流体は概ね層流状態を形成するため、分子拡散を重要視する場合などに有効である。

また、攪拌槽２内において薄膜状態とされた第一被処理流体Ｌ１中に直接、独立した別流路である第二導入路Ｐ２より第二被処理流体Ｌ２を導入するための第二導入管１２は、攪拌槽２に対して、図２（Ｂ）に示すように、第二流体入口１２ａの中心を通る水平断面Ｘ１（図１参照）における、攪拌槽２の径方向を基準とした角度α１を持って取り付けられている。α１は０°〜９０°、より望ましくは、２０°〜７０°とされており、薄膜状態とされた第一被処理流体Ｌ１の、攪拌槽２の内周面に沿う流れ方向（図２（Ｂ）上の矢印方向）に、第二被処理流体Ｌ２の導入方向が対向することがなく、上記第一被処理流体Ｌ１の流れを必要以上に乱さない。

また、この第二導入管１２は攪拌槽２に対して、攪拌槽の中心軸と上記流体入口の中心とを通る垂直断面において、仰角β１を持って取り付けられている。β１は０°〜９０°、より望ましくは、１０°〜５０°とされており、図１に示すように攪拌槽２が配位された場合において、薄膜状態とされた第一被処理流体Ｌ１の攪拌槽２内における上向きスパイラル状の流れ方向（図２（Ａ）上の矢印方向）に、第二被処理流体Ｌ２の導入方向が対向することがなく、上記第一被処理流体Ｌ１の流れを必要以上に乱さない。

この第二導入管１２は攪拌槽２に対して、第一被処理流体Ｌ１の上記水平流れ方向に対する上記角度α１の方向性と上記垂直流れ方向に対する上記角度β１の両方の方向性とを両方有した方がより好ましい。このように第一被処理流体Ｌ１の流れ方向に対して順方向の位置関係とすることにより、第一導入路Ｐ１から独立した別流路である第二導入路Ｐ２より導入される第二被処理流体Ｌ２の導入に関して、ポンプなどの移送手段に関する動力は低減されるし、拡散条件を重要視する場合などにも有効である。

そして、各被処理流体Ｌ１，Ｌ２が薄膜状態中で混合が所望状態になった後に攪拌槽２から排出される排出管１３は、水平断面Ｘ２（図１参照）における、攪拌槽２の径方向を基準とした角度α２を持って取り付けられている。Α２は０°〜９０°、より望ましくは、４０°〜８０°とされている。理由は、処理後流体への泡の混入防止や、攪拌槽２内の薄膜状態を乱さない為である。

さらに、上記流体処理装置１において第二導入管１２の第二流体入口１２ａにおける直径が20μm〜3000μm、好ましくは50μm〜1000μmである。これによって、粒子の生成を伴う場合であっても、第二流体入口１２ａ付近で生成した粒子が第二流体入口１２ａを塞ぐような問題が発生せず、さらに第二流体入口１２ａから導入される第二被処理流体Ｌ２の流れによって攪拌槽２内に生まれるスパイラル状で層流である流れが乱れることを最小限に抑えた。これにより均一な混合において良好な結果を得ることができる。

また、上記に示したように、きわめて簡単な構造のため、かつ、被処理流体が接液する箇所が少ないため、流体処理装置１に不調が発生しにくく、歩留まりが向上し、洗浄性や滅菌性に優れている。

また、攪拌槽２内にセラミック製、樹脂製、金属製、ガラス製などの小径メディア（ボールやビーズなど）を混入させ、被処理流体と該メディアとを一緒に高速回転させても構わない。これは特に、被処理流体が粒子の生成を伴う場合、生成した粒子を微細化する効果がある。

本発明の流体処理装置１に適する被処理流体の例を以下に例示する。攪拌槽２中で被処理流体に含まれる混合対象物の混合がなされるものとしては、特に限定はされないが、例えばオイルと水との場合のように流体の少なくとも一方に高粘度物または高粘稠物を含む流体の混合や、顔料粒子を含む液体と水などの溶媒との場合のように少なくとも一方に固体を含む流体の混合などが挙げられる。また、上記混合には溶解・乳化・分散・粉砕を目的とする混合も含む。つまり、上記オイルと水との混合であれば、混合と同時に乳化・分散処理が行え、また、攪拌槽の内周面にできる薄膜流体に直接、オイル若しくは水を投入できるため、均一な乳化粒子が得られやすい。顔料やセラミック、金属、半導体、シリカ、薬物のような有機物等の凝集粒子を分散するなどの場合においても、粒度分布が単分散となるように処理できる。溶解の場合においては、例えばセルロースやヒアルロン酸などを水に溶解する場合、その溶解時の濃度によって粘度が異なる場合、つまり濃度分布が粘度の分布となり、一般的なタンクと攪拌機などを用いた場合には溶解が困難な場合にも、濃度のムラがなく、均一に溶解処理が行える。

本発明の実施形態の一例を示す縦断面図である。 本発明の実施形態の一例に係る、第二導入管の攪拌槽への取り付け状況を示すものであり、（Ａ）は要部縦断面図、（Ｂ）は要部横断面図である。 本発明の実施形態の一例に係る、排出管の攪拌槽への取り付け状況を示す、要部横断面図である。 本発明の他の実施形態の一例を示す縦断面図である。 本発明の更に他の実施形態の一例を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 流体処理装置
２ 攪拌槽
３ 攪拌槽の蓋
４ 密封装置
５ 駆動軸
６ 攪拌具（攪拌羽根）
７ 駆動用モータ
８ 攪拌槽の底部
１１ 第一導入管
１２ 第二導入管
１３ 排出管
Ｌ１ 第一被処理流体
Ｌ２ 第二被処理流体
Ｐ１ 第一導入路
Ｐ２ 第二導入路
Ｐ３ 排出路
Ｓ 間隙
α１ 被処理流体の導入角度（水平断面）
α２ 被処理流体の排出角度（水平断面）
β１ 被処理流体の導入角度（仰角）

Claims (12)

1. 混合対象物を含む少なくとも二つの被処理流体を薄膜状態とした上で混合させる流体処理装置において、
   少なくとも、中心軸に直交する断面形状が円形である内周面を有する攪拌槽と、
   該攪拌槽の内周面と同心で、外端が攪拌槽の内周面と僅かな間隙を在して付設される攪拌具とを有し、
   上記の撹拌槽には、少なくとも二箇所の流体入口と、少なくとも一箇所の流体出口とを備え、
   上記流体入口のうち一箇所からは、上記被処理流体のうち、混合対象物の一つを含む第一の被処理流体を攪拌槽内に導入し、上記流体入口のうちで上記以外の一箇所からは、前記混合対象物とは異なる混合対象物の一つを含む第二の被処理流体を、上記第一の被処理流体とは異なる流路より攪拌槽内に導入するものであり、
   攪拌槽と攪拌具との少なくとも一方が他方に対し、上記中心軸を中心として高速回転し、
   該回転に伴う、撹拌槽内に導入された被処理流体の回転により、該被処理流体を遠心力で攪拌槽の中心軸を取り巻くように内周面に圧着させ、薄膜状態を形成し、当該形成された薄膜中で少なくとも上記第一の被処理流体と第二の被処理流体とに含まれる混合対象物同士を混合させるものであり、
   上記流体入口のうち少なくとも一箇所が、上記撹拌槽の内周面のうち、当該流体入口以外から攪拌槽内に導入された被処理流体が上記の薄膜状態を形成する部分に開口されており、これにより、この薄膜中で上記の混合対象物同士を直接混合させることができることを特徴とする流体処理装置。
2. 上記少なくとも二箇所の流体入口が、上記の流体出口よりも下方に設けられたものであって、攪拌槽における、上記中心軸を取り巻く面である側面に共に備えられたものであるか、あるいは、上記中心軸に交わる面である端面に共に備えられたものであるか、あるいは、上記側面と上記端面とに各々備えられたものであることを特徴とする、請求項１に記載の流体処理装置。
3. 上記の攪拌槽が固定されており、上記の攪拌具が回転することを特徴とする、請求項１または２に記載の流体処理装置。
4. 上記の攪拌槽が、中心軸が垂直方向を向くように配位されており、
   上記流体入口のうち少なくとも一箇所における、攪拌槽への上記被処理流体の導入が、上記撹拌槽内での被処理流体の流れ方向に沿うようになされ、
   攪拌槽に対する導入角度につき、上記流体入口の中心を通る水平断面における、攪拌槽の径方向を基準とした角度（α１）が０°〜９０°であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の流体処理装置。
5. 上記の攪拌槽が、中心軸が垂直方向を向くように配位されており、
   上記流体入口のうち少なくとも一箇所における、攪拌槽への上記各被処理流体の導入が、上記撹拌槽内での被処理流体の流れ方向に沿うようになされ、
   攪拌槽に対する導入角度につき、攪拌槽の中心軸と上記流体入口の中心とを通る垂直断面における仰角（β１）が０°〜９０°であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の流体処理装置。
6. 上記流体入口のうち、上記とは異なる少なくとも一箇所が、攪拌槽の下側端面に設けられたことを特徴とする、請求項４または５に記載の流体処理装置。
7. 上記の攪拌槽が、中心軸が垂直方向を向くように配位されており、
   この攪拌槽からの上記各被処理流体の排出が、上記撹拌槽内での被処理流体の流れ方向に沿うようになされ、
   攪拌槽に対する排出角度につき、上記流体出口の中心を通る水平断面における、攪拌槽の径方向を基準とした角度（α２）が０°〜９０°であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の流体処理装置。
8. 上記攪拌具の外端部における、攪拌槽の内面に対する周速度が５ｍ/ｓ以上であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の流体処理装置。
9. 上記攪拌具の外端部における、攪拌槽の内面に対する上記の間隙が３ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の流体処理装置。
10. 上記の攪拌槽に、攪拌槽内を減圧状態にしたり、不活性ガス雰囲気にするための調整用パイプが設けられたことを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の流体処理装置。
11. 混合対象物を含む少なくとも二つの被処理流体を薄膜状態とした上で混合させる流体処理方法において、
    少なくとも、中心軸に直交する断面形状が円形である内周面を有する攪拌槽と、
    該攪拌槽の内周面と同心で、外端が攪拌槽の内周面と僅かな間隙を在して付設される攪拌具とを用い、
    被処理流体のうち、混合対象物の一つを含む第一の被処理流体を攪拌槽内に導入し、前記混合対象物とは異なる混合対象物の一つを含む第二の被処理流体を、上記第一の被処理流体とは異なる流路より攪拌槽内に導入するものであり、
    攪拌槽と攪拌具との少なくとも一方が他方に対し、上記中心軸を中心として高速回転させ、
    該回転に伴う、撹拌槽内に導入された被処理流体の回転により、該被処理流体を遠心力で攪拌槽の中心軸を取り巻くように内周面に圧着させ、薄膜状態を形成し、当該形成された薄膜中で少なくとも上記第一の被処理流体と第二の被処理流体とに含まれる混合対象物同士を混合させるものであり、
    上記被処理流体のうち少なくとも一つが上記攪拌槽内にて薄膜状態とされた上、この薄膜状態の被処理流体に直接、その他の被処理流体が加えられることを特徴とする流体処理方法。
12. 上記被処理流体のうち少なくとも一つが上記攪拌槽内にて薄膜状態とされた上、この薄膜状態の被処理流体に直接、その他の被処理流体が加えられることを特徴とする、請求項１１に記載の流体処理方法。

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