JP2015174068A - バーティカルスタティックミキサー - Google Patents

Abstract

【課題】２種以上の粉粒体を充満状態で移送させる際、管内における移送軸方向に対する速度差を積極的に生じさせ、移送方向の粉粒体の混合状態を高め、よって、粉流体混合物を均一化することが可能なバーティカルスタティックミキサーを提供する。
【解決手段】２種以上の粉粒体混合物を、管状物体内を充満状態で移送させ混合するバーティカルスタティックミキサーであって、該管状物体内に仕切りエレメントが具備されており、該仕切りエレメントで仕切られた各々の流路の横断面積比率が移送方向において連続的に変化していることを特徴とするバーティカルスタティックミキサー。
【選択図】図１

Description

本発明は、バーティカルスタティックミキサー（静止型混合器）に関するものである。

スタティックミキサーは、液状物等の混合に対して省エネルギーで効率的な混合手段として多用されている。通常のスタティックミキサーは、移送管に、１８０度の右捻りエレメントと左捻りエレメントとを移送方向（流れ方向）に交互に直交位置に隣接させて配することで、被移送体へ位置変換と分割作用とを繰返し与え、混合の均一性を高めるものである。

また、スタティックミキサーの移送管に挿入する代表的なエレメントとしては、らせん状エレメント（ｓｐｉｒａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ）（特許文献１参照）、ねじれた翼形混合エレメント（ｔｗｉｓｔｅｄ ｗｉｎｇ−ｓｈａｐｅｄ ｍｉｘｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）（特許文献２参照）、ねじれ羽根状撹拌体を有するエレメント（特許文献３参照）、波状板（特許文献４、５参照）等がある。

上記のようなスタティックミキサーは、混合に対する特別大きな駆動力を必要とせず、液状物等は移送管内に設置されたスタティックミキサー中を移動する間に位置変換と分割作用とにより混合が均一化されてゆく。このように、スタティックミキサーは、液状物等を変質等させる恐れが少ないために、化学、薬品、食品等のプロセスで多用されている。

米国特許第５３０７８６７号公報 米国特許第５４２５５８１号公報 特開２００９−２７９５０６号公報 米国特許第５３８００８８号公報 特開２０１０−９４９９９号公報

従来のスタティックミキサーにおいて、粘性を持つ液体の混合に関しては、乱流に限らず、層流で流れる場合においても、管壁及び管壁近傍部と管中心部とで流動速度の差が大きいことにより、位置変換と分割作用とを繰り返すことで徐々に移送方向にも均一性が高まる。

しかし、粉体や樹脂ペレット等の粉粒体においては、充満状態で管内を流れる際には、管壁部と管中心部とでは殆ど速度差が無く、管内全体を塊の様に流れる、プラグフロー、ピストンフローもしくはバルクフローと呼ばれる特殊な層流状態となることが知られている。
このため、従来のスタティックミキサーを粉粒体の混合に用いた場合には、移送方向での均一化効果は小さいと言わざるを得ない。

すなわち、２種以上の粉体又は２種以上の樹脂ペレット等の粉粒体をストレージタンクに投入した後、ストレージタンクから押出機や反応層等へ送る際、その途中で、従来のスタティックミキサー内を充満状態で移送させても、混合の均一性が大きく向上することはなく、ストレージタンク内の混合状態を殆ど保持したまま移送させることしか出来なかった。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、その目的は、２種以上の粉粒体を充満状態で移送させる際、管内における移送方向に対する速度差を積極的に生じさせ、移送方向の粉粒体の混合状態を高め、よって、粉流体混合物を均一化することが可能なバーティカルスタティックミキサーを提供することである。

本発明者らは、鋭意検討を行なった結果、本発明に到達したものであり、上記本発明の目的は、２種以上の粉粒体を充満状態で移送させ混合するバーティカルスタティックミキサーであって、管状物体内に仕切りエレメントが具備されており、該仕切りエレメントで仕切られた各々の流路の横断面積比率が移送方向において連続的に変化していることを特徴とするバーティカルスタティックミキサーにより達成される。

管状物体内に仕切りエレメントを挿入し、仕切りエレメントで仕切られた管状物体内の各々の流路横断面積比率を上流側と下流側間で連続的に変化させた場合においても、仕切りエレメントで仕切られた下流側出口における流体の速度は、各々の線速度としてほぼ同一の速さを持つ。このため、仕切りエレメント上流側入口の容積速度は、仕切りエレメントで分割された各々で異なる容積速度となり、管状物体内に入る粉粒体の移動速度が変わることにより、移送方向に対する混合状態を高めることが出来ることを見出したのである。

また、本発明のバーティカルスタティックミキサーは、１枚の仕切りエレメントで仕切られた２つの流路を有し、その横断面比率において、下流側開口部の断面積比率が１５：８５〜４０：６０であるか、または上流側開口部の断面積比率が１５：８５〜４０：６０であることが好ましい。

また、本発明のバーティカルスタティックミキサーは、仕切りエレメントの垂直方向の長さが、管状物体の内径の１．５〜５倍であることが好ましい。

本発明によれば、２種以上の粉粒体を充満状態で移送させる際、管状物体内で当該粉粒体混合物を均一に混合することが可能な、非常に単純な構造のバーティカルスタティックミキサーを提供することが出来る。
本発明のバーティカルスタティックミキサーを用いることで、仕切りエレメントで仕切られた各々の流路において粉粒体混合物が通過する時間が異なるようになることから、移送方向での均一化が可能となり、仕切りエレメント下流側で合流した際には、仕切りエレメントで仕切られた管状物体へ入る前の混合状態よりも、より均一化が達成される。

本発明のバーティカルスタティックミキサーの基本的な構造を有する一実施態様を示す説明図。 本発明のバーティカルスタティックミキサーの一使用例を示す説明図。 本発明のバーティカルスタティックミキサーの混合機構を模式的に示す説明図。 本発明の、仕切りエレメントの上端部を傾斜させた場合のバーティカルスタティックミキサーの一例を示す説明図。 本発明の、管状物体をレジューサー構造とした場合のバーティカルスタティックミキサーの一例を示す説明図。 実施例及び比較例で使用した混合性評価装置及びその使用状態を模式的にを示す説明図。

以下、本発明を、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明のバーティカルスタティックミキサーの基本的な構造を有する一実施態様を示す説明図である。
１はバーティカルスタティックミキサー、２は管状物体、３は仕切りエレメント、４は上流側開口部Ａ、５は上流開口部Ｂ、６は下流側開口部Ａ、７は下流側開口部Ｂである。
また、管状物体２と仕切りエレメント３は、アクリル樹脂製の透明体である。

図１において、バーティカルスタティックミキサー１は、管状物体２の内部に仕切りエレメント３を具備してなり、その上流側入口を仕切りエレメント３により上流開口部Ａ４と上流開口部Ｂ５に仕切り、下流側出口を下流側開口部Ａ６、下流側開口部Ｂ７に仕切る構造となっている。また、仕切りエレメント３で仕切られた夫々の流路の横断面積比率は、連続的に変化しているよう、仕切りエレメント３が設置されている。

図１に示されるバーティカルスタティックミキサー１は、例えば、図２に示すように、予備混合された２種以上の粉体や樹脂ペレット等の粉粒体を、ホッパー１１から、粉粒体を加工する押出混練機１２へ供給する供給管８、８’の途中に配置して用いられる。

図３は、本発明のバーティカルスタティックミキサーの混合機構を模式的に示す説明図である。
供給管８内にて、樹脂ペレットＡ（白色）９と樹脂ペレットＢ（黒色）１０とは層状に積層された状態１３となっており、プラグフローの状態で流動し、バーティカルスタティックミキサー１に流入する。
上流開口部Ａ４より流入した粉粒体混合物１４は、下流側開口部Ａ６へ、同様に、上流開口部Ｂ５より流入した粉粒体混合物１４’は下流側開口部Ｂ７へ流れる。その後、粉粒体混合物１５、１５’は供給管８’で一体となり同一の流れを作る。供給管８’内において、粉粒体混合物１６は再度プラグフローの状態で流動する。

このとき、バーティカルスタティックミキサー１の下流側出口の粉粒体混合物の線速度は、管状物体２の各々の流路の横断面積に係わらず同一である。下流側出口の線速度が同一であるため、上流側入口へ流入する際の粉粒体混合物の容積速度は、下流側開口部Ａ６に繋がる上流側開口部Ａ４の方が速くなり、逆に下流側開口部Ｂ７に繋がる上流側開口部Ｂ５の方が遅くなる。
すなわち、小開口断面積の上流側開口部Ａ４から大開口断面積の下流側開口部Ａ６の方が、早い速度を持って粉粒体混合物が流れることとなり、上流側開口部Ａ４から下流側開口部Ａ６の流れに比し、上流側開口部Ｂ５から下流側開口部Ｂ７の流れが遅くなるために、バーティカルスタティックミキサー１内で流動に時間差が生じ、移送方向において均一な混合が達成されるのである。
また、バーティカルスタティックミキサー１上流付近Ｃは、上記作用により、粉粒体混合物が、積層された状態１３に比し、より混合された状態となっている。

本発明において、仕切りエレメント３で仕切られた夫々の流路の横断面積比率は、連続的に変化していることが肝要である。
そのため、仕切りエレメント３は、その表面が平坦な板状であることが好ましいが、急激な断面積の差や段階的な面積差により、部分的に流動が殆ど生じない、いわゆるデッド部分が生じない程度に、その表面に凹凸を有していてもよい。また、仕切りエレメントは捻りを有してもよい。

また、仕切りエレメントで仕切られた流路において、下流側開口部の断面積比率が好ましくは１５：８５〜４０：６０、より好ましくは２５：７５〜３５：６５であると、粉粒体の混合の均一性がより高い状態となる。

このとき、仕切りエレメントで仕切られる上流側開口部の断面積比率は、特段規定されるものではなく、仕切りエレメントで仕切られた管状物体内の各々の流路の断面積比率が上流側と下流側間で連続的に変化していることを達していれば良い。但し、粉流体混合物が滑らかにバーティカルスタティックミキサーへ流入されることを達するためには、仕切りエレメントで仕切られた小さい方の上流側開口部の断面積比率は１０％以上であることが望ましい。

また、本発明においては、反対に、仕切りエレメントで仕切られた流路において、上流側開口部の断面積比率を、好ましくは１５：８５〜４０：６０、より好ましくは２５：７５〜３５：６５としてもよい。上流側開口部をこのように設定しても、粉粒体の混合の均一性がより高い状態が得られる。

このとき、仕切りエレメントで仕切られる下流側開口部の面積比率は、特段規定されるものではなく、仕切りエレメントで仕切られた管状物体内の各々の流路の断面積比率が上流側と下流側間で連続的に変化していることを達していれば良い。但し、粉流体混合物が滑らかにバーティカルスタティックミキサーから外へ移送されることを達するためには、仕切りエレメントで仕切られた小さい方の下流側開口部の断面積比率は１０％以上であることが望ましい。

また、仕切りエレメントの上端部および下端部は、夫々移送方向に対して完全に直行している必要はなく、例えば、図４に示すように、移送方向に対し直角以外の角度を持つような仕切りエレメント３ａを設けるようにしても良い。
この場合には、仕切りエレメント３ａ上端部と同じ面において、仕切りエレメント３ａで仕切られたそれぞれの面積４ａ、５ａの比率が、好ましくは１５：８５〜４０：６０、より好ましくは２５：７５〜３５：６５であればよい。

更に本発明において、仕切りエレメントの移送方向の長さは、管状物体の内径の好ましくは１．５倍から５倍、より好ましくは２倍から３倍であると、より均一化された状態となり、好適である。

また、仕切りエレメントは、管状物体内の移送方向において、その一部に設けるようにしてもよい。
また、本発明の目的を達成する範囲で、管状物体内に、複数の仕切りエレメントを並列して設けるようにしてもよい。

また、供給管途中において、バーティカルスタティックミキサーは一ヶ所だけに設けるようにしてもよいし、複数個設けるようにしてもよい。更に、２ヶ所以上にバーティカルスタティックミキサーを設ける場合、仕切りエレメントを直交位置に配すると、位置変換による混合効果が加えられることになり、より均一な混合を達成することが出来る。

更に、バーティカルスタティックミキサーを構成する管状物体の断面形状は、円形でも三角形、四角形（正方形、長方形、菱型等）や五角形、六角形等の多角形でも何ら問題が無い。
更にバーティカルスタティックミキサーの入口断面積と出口断面積が異なっていても仕切りエレメントで分割された断面積が連続的に変化している構造であれば、何ら問題は無い。
すなわち、図５に示すように、管状物体をレジューサー構造とした場合のバーティカルスタティックミキサー２０を用いる場合、レジューサー２１内部に仕切りエレメント３ｂを具備するようにしてもよく、その際のレジューサー２１は、同芯の形状でも、偏芯の形状でもよく、また管径が減少方向でも増加方向でも良い。

また、管状物体は、割り構造を採用して洗浄性を考慮した形態であっても何ら問題は無い。

本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、発明の本質を変更しない範囲で、各部材の材質は、例えば、金属や塩化ビニル等であってもよく、管状物体の形状等の組合せを適宜目的に応じて変更してもよい。

更に、供給される２種以上の粉粒体が予備的に混合されていてもよく、また２種類以上の粉粒体の比率を順次変えて供してもよい。

以下に実施例を挙げて、本発明を具体的に説明する。
なお、本発明は以下に述べる実施例に限定されるものではない。

〔混合性評価装置と評価手順〕
図６に示すように、振動フィーダー１７上に、実施例毎に長さを設定した、内径５０ｍｍのアクリル管２（厚み３ｍｍ）を用い、その中に、アクリル製の仕切りエレメント３（厚み３ｍｍ）を具備したものをバーティカルスタティックミキサー１として設置し、混合性評価装置とした。
供給管８から、樹脂ペレットA（白色）９および樹脂ペレットB（黒色）１０を５０ｇずつ交互に充満させた後、振動フィーダー１７を振動させ、バーティカルスタティックミキサー１下部より樹脂ペレット混合物１６を１０ｇずつ連続して１０回、受け容器１８に切り出した。切り出したそれぞれの樹脂ペレット混合物１６中の樹脂ペレットB（黒色）１０の重量比率を測定し、その最大比率と最小比率の差を求めた。

〔判断基準〕
最大比率と最小比率の差が、２０％以内のものを「◎」、４０％以内のものを「○」、６０％以内のものを「△」、更に最大比率と最小比率の差が６０％を超えるものに関しては「×」と判定した。

〔実施例１〕
長さ１５０ｍｍのアクリル管中に、上流側開口部断面積比率を３０：７０とし、下流側開口部断面積比率を７０：３０となるように仕切りエレメント（長さ１５０ｍｍ）を具備したバーティカルスタティックミキサーを用いて、混合性評価装置にて評価した。
バーティカルスタティックミキサーにて混合された後の混合ペレット中の樹脂ペレットB（黒色）の比率は、最大比率が５５％、最小比率４０％でその差１５％であり、「◎」判定とした。

〔比較例１〕
内径５０ｍｍ、長さ２００ｍｍのアクリル管を用い、仕切り板を具備せず、その他は実施例１と同様にして評価した。
得られた混合ペレット中の樹脂ペレットB（黒色）の比率は、最大比率が１００％、最小比率が０％でその差は１００％であり、「×」判定とした。

〔比較例２〕
内径５０ｍｍ、長さ２００ｍｍのアクリル管中に、上流側開口部断面積比率を５０：５０とし、下流側開口部断面積比率も５０：５０となるように仕切りエレメント（長さ２００ｍｍ）を具備したバーティカルスタティックミキサーを用いて、その他は実施例１と同様にして評価した。
得られた混合ペレット中の樹脂ペレットB（黒色）の比率は、最大比率が１００％、最小比率が０％でその差は１００％であり、「×」判定とした。

〔実施例２〕
内径５０ｍｍ、長さ２００ｍｍのアクリル管中に、上流側開口部断面積比率を３０：７０とし、下流側開口部断面積比率を７０：３０となるように仕切り板（長さ２００ｍｍ）を具備したバーティカルスタティックミキサーを用いて、その他は実施例１と同様にして評価した。
得られた混合ペレット中の樹脂ペレットB（黒色）の比率は、最大比率が５３％、最小比率が４１％でその差１２％であり、「◎」判定した。

〔実施例３〜９〕
内径５０ｍｍ、長さ２００ｍｍのアクリル管中に、上流側開口部断面積比率及び下流側開口部断面積比率を夫々表１に示した比率とした以外は、実施例１と同様にして評価した。
得られた混合ペレット中の樹脂ペレットB（黒色）の最大比率と最小比率、その差１２％及び評価を、表１に併せて示す。

〔実施例１０、１１〕
内径５０ｍｍのアクリル管中（長さ５０ｍｍ又は３００ｍｍ）に、上流側開口部断面積比率を３０：７０とし、下流側開口部断面積比率を７０：３０となるように仕切りエレメント（長さ５０ｍｍ又は３００ｍｍ）を具備したバーティカルスタティックミキサーを用いた以外は実施例１と同様にして評価した。
得られた混合ペレット中の樹脂ペレットB（黒色）の最大比率と最小比率の差は、実施例１０は４７％、実施例１１は４１％であり、「△」と判定した。

〔実施例１２〕
実施例１で用いたバーティカルスタティックミキサーを２個用い、上流側のバーティカルスタシックミキサーの出口仕切りエレメントと下流側バーティカルスタティックミキサーの入口仕切りエレメントとが、直交する位置に連結管を用いて繋いだ以外は、実施例１と同様にして評価した。
得られた混合ペレット中の樹脂ペレットB（黒色）の最大比率と最小比率の差は、７％であり、「◎」判定とした。

〔比較例３〕
内径５０ｍｍ、２００ｍｍのアクリル管中に、上流側開口部断面積比率を５０：５０、下流側開口部断面積比率も５０：５０とし、上流下流間で１８０°捻られる構造の仕切り板（２００ｍｍ）を具備したスタティックミキサー２個を用い、上流側のスタティックミキサーの出口仕切り板と下流側のスタティックミキサーの入口仕切り板が、直交する位置に連結管を用いて繋いだ以外は、実施例１と同様にして評価した。
得られた混合ペレット中の樹脂ペレットB（黒色）の比率は、最大比率が９８％、最小比率が０％でその差は９８％であり、「×」判定とした。
以上の結果を、表１及び表２に併せて示す。

本発明のバーティカルスタティックミキサーは、ベースとなる樹脂ペレット等の粉粒体に対し、着色剤や添加剤等を高濃度化した、いわゆるマスターバッチを混合して、溶融装置や押出混練機に供給する場合に、着色剤や添加剤濃度を均一化するのに有用である。しかも構造も簡略であり、特段の混合エネルギーを供給する必要も無い点でも非常に優れたものである。

１ バーティカルスタティックミキサー
２ 管状物体
３ 仕切りエレメント
４、５ 上流側開口部
６、７ 下流側開口部
８ 供給菅
９ 樹脂ペレットＡ（白色）
１０ 樹脂ペレットＢ（黒色）
１１ 原料ホッパー
１２ 溶融押出機
１３ プラグフローとして流動する粉粒体混合物
１４ 下部線速度に見合う容積速度で流動する部分
１５ 同一の線速度で流動する部分
１６ 再合流してプラグフローとして流動する粉粒体混合物
１７ 振動フィーダー
１８ 受け容器

Claims (3)

1. ２種以上の粉粒体混合物を、管状物体内を充満状態で移送させ混合するバーティカルスタティックミキサーであって、該管状物体内に仕切りエレメントが具備されており、該仕切りエレメントで仕切られた各々の流路の横断面積比率が移送方向において連続的に変化していることを特徴とするバーティカルスタティックミキサー。
2. １枚の仕切りエレメントで仕切られた２つの流路を有し、その横断面比率において、下流側開口部の断面積比率が１５：８５〜４０：６０であるか、または上流側開口部の断面積比率が１５：８５〜４０：６０であることを特徴とする請求項１記載のバーティカルスタティックミキサー。
3. 仕切りエレメントの垂直方向の長さが、管状物体の内径の１．５〜５倍であることを特徴とする請求項１又は２に記載のバーティカルスタティックミキサー。

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