JP2015054272A - 攪拌装置 - Google Patents

Abstract

【課題】縦長形状の攪拌装置における攪拌能力を向上させること。
【解決手段】原料とガスとを混合して攪拌する攪拌装置であって、円筒状の攪拌槽と、前記攪拌槽の中心軸に沿って回転可能に設けられる回転軸と、前記回転軸に設けられる複数の主攪拌翼と、前記回転軸の前記攪拌槽の底面側端部に設けられる最下段攪拌翼とを有し、前記攪拌槽は、中心軸方向の高さＨと、前記中心軸方向に直交する断面における直径Ｄとの比（Ｈ／Ｄ）が、１．２５以上１．５以下であり、前記複数の主攪拌翼の翼径ｄと、前記攪拌槽の直径Ｄとの比（ｄ／Ｄ）が、０．２以上０．２５以下である攪拌装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、攪拌装置に関する。

製品の製造ラインに設置される攪拌装置は、設置環境に応じて、底面積が小さい縦長形状に設けられる場合がある。攪拌装置は、例えば液状の原料やガス等を十分に攪拌して均一に混合するために、攪拌槽内で原料等が上下に循環する流れを形成する必要がある。しかし、攪拌装置が縦長形状に設けられると、攪拌槽全体で上下に循環する流れを形成するのは困難になる。

そこで、攪拌槽の略中央に設けられる攪拌機と、攪拌槽の側壁面との間に隙間を有して側壁面に対して垂直に設けられる板状のバッフルとを有し、攪拌槽全体で上下に循環する流れを形成可能な攪拌装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この様な攪拌装置では、攪拌機によって形成される円周方向の旋回流がバッフルによって上下方向に変換されることで攪拌効率が向上する。

特開平９−２９０８４号公報

しかしながら、上記したバッフルを有する攪拌装置では、バッフルの近傍で原料等の滞留が生じ、攪拌槽全体で均一な混合が困難になる場合がある。また、上記した攪拌装置では、バッフルが一対のアームにより内壁面に支持されており、アームに付着物が堆積することで、内壁面とバッフルとの隙間が塞がれて原料等の流れが阻害されて攪拌能力が低下する場合がある。さらに、攪拌槽内には各種計器、原料添加パイプ、ガス供給管等が設けられるため、バッフルの設置空間を確保できない場合がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、縦長形状の攪拌装置における攪拌能力を向上させることを目的とする。

本発明の一態様によれば、原料とガスとを混合して攪拌する攪拌装置であって、円筒状の攪拌槽と、前記攪拌槽の中心軸に沿って回転可能に設けられる回転軸と、前記回転軸に設けられる複数の主攪拌翼と、前記回転軸の前記攪拌槽の底面側端部に設けられる最下段攪拌翼とを有し、前記攪拌槽は、中心軸方向の高さＨと、前記中心軸方向に直交する断面における直径Ｄとの比（Ｈ／Ｄ）が、１．２５以上１．５以下であり、前記複数の主攪拌翼の翼径ｄと、前記攪拌槽の直径Ｄとの比（ｄ／Ｄ）が、０．２以上０．２５以下である。

本発明の実施形態によれば、縦長形状の攪拌装置における攪拌能力が向上する。

本発明の一実施例に係る攪拌装置の構成を例示する側面概略図である。 本発明の一実施例に係る攪拌装置の構成を例示する上面概略図である。 実施例１における攪拌装置の全体の流れ場及び主攪拌翼間の流れ場のシミュレーション結果を例示する図である。 比較例１における攪拌装置の全体の流れ場及び主攪拌翼間の流れ場のシミュレーション結果を例示する図である。 比較例２における攪拌装置の全体の流れ場及び主攪拌翼間の流れ場のシミュレーション結果を例示する図である。 比較例３における攪拌装置の全体の流れ場及び主攪拌翼間の流れ場のシミュレーション結果を例示する図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

図１及び図２は、本発明の一実施例に係る攪拌装置１００の構成を例示する概略図である。図１は、攪拌装置１００の側面から見た概略構成を例示し、図２は、攪拌装置１００の上面から見た概略構成を例示している。

図１及び図２に示す様に、攪拌装置１００は、攪拌槽１０、回転軸２０、主攪拌翼３０ａ，３０ｂ、最下段攪拌翼４０、ガス供給管５０，５２、静水筒６０を有する。攪拌装置１００は、入口１１から流し込まれる液状の原料と、ガス供給管５０，５２から供給されるガスとを攪拌混合し、混合される原料とガスとが反応することで生成される反応生成物を出口１２から排出する。

攪拌槽１０は、中心軸方向の高さＨと、中心軸方向に直交する断面における直径Ｄとの比（Ｈ／Ｄ）が１．２５以上１．５以下であり、中心軸方向に長い円筒状の形状を有する。

回転軸２０は、攪拌槽１０の中心軸に沿って垂下されて回転可能に設けられ、不図示の駆動手段により回転駆動する。

主攪拌翼３０ａ，３０ｂは、回転軸２０に固定して設けられ、回転軸２０と共に回転することで、攪拌槽１０内に循環流を生じさせ、原料とガスとを攪拌混合する。主攪拌翼３０ａ，３０ｂは、中心軸方向に沿って図１において下向きの下降流を発生させる軸流型の攪拌翼である。なお、回転軸２０に設けられる主攪拌翼３０は２個に限らず、３個以上の複数の主攪拌翼３０が、中心軸方向における間隔ｈで回転軸２０に設けられてもよい。

最下段攪拌翼４０は、回転軸２０の攪拌槽１０の底面側端部に固定して設けられ、回転軸２０及び主攪拌翼３０ａ，３０ｂと共に回転することで、攪拌槽１０内に循環流を生じさせ、原料とガスとを攪拌混合して反応させる。最下段攪拌翼４０は、円盤の周囲に複数の羽根が設けられているディスクタービン型の攪拌翼である。

図１において、ｈは中心軸方向における攪拌翼（主攪拌翼３０ａ，３０ｂ及び最下段攪拌翼４０）の間隔であり、ｄ１は主攪拌翼３０ａ，３０ｂの翼径、ｄ２は最下段攪拌翼４０の翼径である。

ここで、主攪拌翼３０ａ，３０ｂの翼径ｄ１と、攪拌槽１０の直径Ｄとの比（ｄ１／Ｄ）は、０．２以上０．２５以下が好ましい。また、最下段攪拌翼４０の翼径ｄ２は、攪拌槽１０の直径Ｄに対して１／３程度であることが好ましい。さらに、攪拌翼の間隔ｈと、攪拌槽１０の直径Ｄとの比（ｈ／Ｄ）は、０．３３以上０．３８以下が好ましい。

攪拌槽１０内に供給される原料及びガスは、主攪拌翼３０ａ，３０ｂによって中心軸に沿って下方に流れ、最下段攪拌翼４０によって側壁方向に流れた後に側壁に沿って上方に流れる。攪拌槽１０の上方に流れた原料及びガスは、再び主攪拌翼３０ａ，３０ｂにより下方に流れる様に攪拌槽１０内を循環しながら攪拌混合される。

ガス供給管５０，５２は、原料と反応するガスを攪拌槽１０内に供給する。図２に示す様に、ガス供給管５０は、ガス供給口５１を有し、ガス供給管５２は、ガス供給口５３，５４を有する。ガス供給口５１，５３，５４は、図１に示す様に、攪拌槽１０の中心軸方向において、攪拌槽１０の底面と最下段攪拌翼４０との間に設けられている。

ガス供給管５０，５２からのガスの供給は、ガスの供給量に応じてガス供給口５１，５３，５４の何れか一つ、もしくは複数から行われる。また、反応用ガスに加えて、攪拌用のガスを供給してもよい。

静水筒６０は、攪拌槽１０の側壁に沿って伸びる半筒状の形状を有し、攪拌槽１０の出口１２を覆う様に設けられている。主攪拌翼３０ａ，３０ｂ及び最下段攪拌翼４０によって攪拌混合されることで原料とガスとが反応して生成された反応生成物は、図１において下端側から静水筒６０と攪拌槽１０の側壁との間に浸入し、出口１２から排出される。静水筒６０と攪拌槽１０の側壁との間に流入した反応生成物は、攪拌槽１０内の循環流から隔絶され、静水に近い状態で出口１２から排出される。反応生成物は、主攪拌翼３０ａ，３０ｂ等により攪拌されて表面が波打ち、そのままでは出口１２から噴出して機外に飛散する可能性があるが、静水筒６０により機外への飛散が防止される。

次に、図１及び図２に例示した攪拌装置１００の構成において、以下の実施例及び比較例に示す条件で汎用熱流体解析ソフトを用いてシミュレーションを行った結果について説明する。

（実施例１）
攪拌槽１０の高さＨ：４０００ｍｍ
攪拌槽１０の直径Ｄ：３２００ｍｍ
主攪拌翼３０ａ，３０ｂの間隔ｈ：１２００ｍｍ
主攪拌翼３０ａ，３０ｂの翼径ｄ１：７００ｍｍ
最下段攪拌翼４０の翼径ｄ２：１１００ｍｍ
回転軸の回転数：２２０ｒｐｍ
原料密度：１３００ｋｇ／ｍ^３
原料流入量：５１３Ｌ／ｍｉｎ
ガス密度：１６００ｋｇ／ｍ^３
ガス流入量：０．７８ｔ／ｈ
攪拌槽１０の高さＨと直径Ｄとの比（Ｈ／Ｄ）は、１．２５である。主攪拌翼３０ａ，３０ｂの翼径ｄ１と攪拌槽１０の直径Ｄとの比（ｄ／Ｄ）は、０．２１８７５である。また、主攪拌翼３０ａ，３０ｂの間隔ｈと攪拌槽１０の直径Ｄとの比（ｈ／Ｄ）は、０．３７５である。

図３に、実施例１におけるシミュレーション結果を示す。図３（ａ）は、攪拌装置１００の全体の流れ場、図３（ｂ）は、主攪拌翼３０ａ，３０ｂ間の流れ場のシミュレーション結果である。

図３に示す様に、攪拌槽１０内では、主攪拌翼３０ａ，３０ｂ間の流れが下降流でつながり（図３（ｂ））、攪拌槽１０の側壁に沿って上昇する循環流が形成されている（図３（ａ））。したがって、攪拌装置１００は、上記した実施例１の条件において、原料とガスとを均一に攪拌混合することが可能である。

（比較例１）
主攪拌翼３０ａ，３０ｂの翼径ｄ１：６００ｍｍ
上記以外の条件は、実施例１と同一である。

比較例１では、主攪拌翼３０ａ，３０ｂの翼径ｄ１と攪拌槽１０の直径Ｄとの比（ｄ／Ｄ）は、０．１８７５である。

図４に、比較例１におけるシミュレーション結果を示す。図４（ａ）は、攪拌装置１００の全体の流れ場、図４（ｂ）は、主攪拌翼３０ａ，３０ｂ間の流れ場のシミュレーション結果である。

比較例１の条件では、主攪拌翼３０ａ，３０ｂの翼径が小さく、主攪拌翼３０ａ，３０ｂ間で下降流は形成されるが（図４（ｂ））、循環流が液面まで届いていない（図４（ａ））。したがって、攪拌装置１００は、上記した比較例１の条件において、原料とガスとを攪拌槽１０内で均一に攪拌混合することは困難である。

（比較例２）
主攪拌翼３０ａ，３０ｂの翼径ｄ１：９００ｍｍ
上記以外の条件は、実施例１と同一である。

比較例２では、主攪拌翼３０ａ，３０ｂの翼径ｄ１と攪拌槽１０の直径Ｄとの比（ｄ／Ｄ）は、０．２８１２５である。

図５に、比較例２におけるシミュレーション結果を示す。図５（ａ）は、攪拌装置１００の全体の流れ場、図５（ｂ）は、主攪拌翼３０ａ，３０ｂ間の流れ場のシミュレーション結果である。

比較例２の条件では、主攪拌翼３０ａ，３０ｂの翼径が大きく、回転軸２０の周囲を旋回する流れが強く、主攪拌翼３０ａ，３０ｂ間で満足な下降流が形成されていない（図５（ｂ））。また、攪拌槽１０の内壁に沿って上昇する流れが、主攪拌翼３０ａ，３０ｂにより形成される旋回流に阻害され、攪拌槽１０内で十分な循環流が形成されない（図５（ａ））。したがって、攪拌装置１００は、上記した比較例２の条件において、原料とガスとを攪拌槽１０内で均一に攪拌混合することは困難である。

（比較例３）
主攪拌翼３０ａ，３０ｂの間隔ｈ：１４００ｍｍ
上記以外の条件は、実施例１と同一である。

比較例３では、主攪拌翼３０ａ，３０ｂの間隔ｈと、攪拌槽１０の直径Ｄとの比（ｈ／Ｄ）は、０．４３７５である。

図６に、比較例３におけるシミュレーション結果を示す。図６（ａ）は、攪拌装置１００の全体の流れ場、図６（ｂ）は、主攪拌翼３０ａ，３０ｂ間の流れ場のシミュレーション結果である。

比較例３の条件では、主攪拌翼３０ａ，３０ｂの間隔が大きく、主攪拌翼３０ａ，３０ｂ間で流れがつながらず下降流が形成されない（図６（ｂ））。そのため、攪拌槽１０内で十分な循環流が形成されない（図６（ａ））。したがって、攪拌装置１００は、上記した比較例３の条件において、原料とガスとを攪拌槽１０内で均一に攪拌混合することは困難である。

上記した実施例１及び比較例１〜３のシミュレーションに用いた各パラメータ、シミュレーション結果から求められるガス均一度及び回転軸２０を回転させるのに必要な動力を以下の表１に示す。

上記表１におけるガス均一度は、シミュレーションにより求められる攪拌槽１０内のガスの濃度分布に基づいて、以下の式（１）によって求められる値である。

ガス均一度（％）＝（ガスの平均濃度±０．５％以内の領域）／攪拌槽の体積×１００・・・（１）
ガス均一度は、上式（１）に示す様に、攪拌槽１０においてガスの平均濃度±０．５％以内になる領域の割合であり、攪拌槽１０においてガスが攪拌されて均一に分散されている度合を示す値である。

表１に示す様に、実施例１では、ガス均一度が高く、大きな動力を必要としない。すなわち、効率良く均一に攪拌できることが分かる。これに対して、比較例１ではガス均一度が低く、均一に攪拌混合されにくいことが示されている。また、比較例２では、ガス均一度は高いが、大きな動力が必要となるため、この様な構成では攪拌効率が低下する虞がある。比較例３では、図６にも示した様に攪拌槽１０内で十分な循環流が形成されないため、ガス均一度がやや低く、良好な攪拌性能を得ることは難しい。この様に、実施例１に係る攪拌装置１００では、攪拌翼の間隔ｈ、主攪拌翼３０の翼径ｄ１等が最適化され、良好な攪拌性能が得られることが分かる。

以上で説明した様に、本実施形態に係る攪拌装置１００によれば、攪拌槽１０が縦長形状であっても、攪拌槽１０の直径Ｄに対する主攪拌翼３０ａ，３０ｂの翼径ｄ１、攪拌翼の間隔ｈ等を最適な条件に設定することで、攪拌能力が向上して目標とする混合状態を得ることが可能になる。

以上、実施形態に係る攪拌装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

１０ 攪拌槽
２０ 回転軸
３０ａ，３０ｂ 主攪拌翼
４０ 最下段攪拌翼
５０，５２ ガス供給管
５１，５３，５４ ガス供給口
１００ 攪拌装置

Claims (4)

1. 原料とガスとを混合して攪拌する攪拌装置であって、
   円筒状の攪拌槽と、
   前記攪拌槽の中心軸に沿って回転可能に設けられる回転軸と、
   前記回転軸に設けられる複数の主攪拌翼と、
   前記回転軸の前記攪拌槽の底面側端部に設けられる最下段攪拌翼とを有し、
   前記攪拌槽は、中心軸方向の高さＨと、前記中心軸方向に直交する断面における直径Ｄとの比（Ｈ／Ｄ）が、１．２５以上１．５以下であり、
   前記複数の主攪拌翼の翼径ｄと、前記攪拌槽の直径Ｄとの比（ｄ／Ｄ）が、０．２以上０．２５以下である
   ことを特徴とする攪拌装置。
2. 前記中心軸方向における前記複数の主攪拌翼及び前記最下段攪拌翼の設置間隔ｈと、前記攪拌槽の直径Ｄとの比（ｈ／Ｄ）が、０．３３以上０．３８以下である
   ことを特徴とする請求項１に記載の攪拌装置。
3. 前記複数の主攪拌翼は、軸流型であり、
   前記最下段攪拌翼は、ディスクタービン型である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の攪拌装置。
4. 前記ガスを前記攪拌槽に供給するガス供給管を有し、
   前記ガス供給管のガス供給口は、前記中心軸方向において、前記攪拌槽の底面と前記最下段攪拌翼との間に設けられている
   ことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の攪拌装置。