JP2018509291A - 蒸発結晶装置用攪拌機 - Google Patents

Abstract

【課題】公知の攪拌リアクタ、特に、結晶装置に見られるこれらの欠点を克服し、特に、少ないエネルギー導入でリアクタ容器内の媒体の改良された混合及び分散を、特に非連続的な蒸発結晶化の際にもたらすこと。【解決手段】本発明は、特にサトウダイコンの濃い汁から成る蔗糖の結晶化に適する蒸発結晶装置用の、改良された攪拌機に関する。それらの攪拌機は、1個又は複数個の別途の能動的な導流手段を備える。【選択図】なし

Description

本発明は、特にサトウダイコンの濃い汁から成る蔗糖の結晶化に適する蒸発結晶装置用の、改良された攪拌機に関する。それらの攪拌機は、1個又は複数個の別途の能動的な導流手段を備える。

蒸発結晶装置は溶液又は懸濁液の結晶を得る目的で起用されるが、その際、その溶液又は懸濁液から溶剤、特に水、を抽出する。溶剤の割合を減らすことで、溶液又は懸濁液に含まれる、結晶性を有する物質の結晶化がもたらされる。溶剤を追い出すには、結晶装置の容器に存在する溶液又は懸濁液に、熱交換器を介して熱を送り込んで溶剤を蒸発させる。溶剤は、その容器の上方区分に位置するいわゆる蒸気チャンバで、揮発性蒸気又は霧の形をとって抽出される。

特に非連続的な蒸発結晶化に用いる公知の設備は、通常は垂直に配設された容器(タンク)を備える。その下側の、底側の端部には、加熱素子又は熱交換器が内側に配設されている。その熱交換器は、その容器に装入された溶液又は懸濁液を加熱する。その溶液はシロップとも称され、結晶を含む懸濁液はマグマとも称される。

この関連における従来技術に見られるのは、駆動部と、攪拌シャフト及び攪拌機から成り、溶液又は懸濁液を混合し、実質的には二つの機能を果たす攪拌装置である。溶液又は懸濁液は、充填物質全体において良好な加熱及び効率的な溶剤ガスの排出を得るために、ポンプ手段を介して熱交換器(加熱室)を通され、懸濁液は、可能な限り均一且つ効率的な結晶化を達成するため、特に、望まれざる結晶集合体の形成を阻止するために、分散される。通常、攪拌機は、容器の下側区分のいわゆる「分散域」、特に、案内管内又は中心管内に位置する。その場所では、攪拌機が回転すると一次混合ゾーンが形成されて主として下降流がもたらされるが、それは、最終的に、加熱室を通る媒体の、対流と蒸気泡に押された動きを支援するためである。その場合、容器の中の媒体、即ち溶液又は懸濁液が可能な限り円形の流れを形成し、特に、その媒体のすべてが再帰的にリアクタの加熱室に導通されるようになっていると有効的である。

この構造方式による結晶装置は長きにわたって公知である。ところが実際に調査したところ、容器内での蒸発結晶化工程の各段階においてもたらされる媒体、即ち溶液又は懸濁液、特にマグマの円形の流れが改善に値することが明らかになった。特に、容器内の充填レベルが高いと、特に攪拌シャフトの域でも、容器の壁域における媒体の上昇及び中心域、攪拌シャフトの域における媒体の上昇によって特徴付けられるべき所望の円形の正味流れを妨げるか若しくは極端な場合には阻止する渦巻きが発生する。それによって蒸発結晶化の能率が減退し、特に、攪拌リアクタ内の媒体の分散又は総合的な混合、即ち、特に、蒸発結晶装置内の結晶懸濁(マグマ)については改善に値する。

それに加えて、一般的な攪拌リアクタ、しかも特に蒸発結晶装置では、攪拌機が、攪拌機による流れの案内作用乃至はポンプ作用をそもそも可能とするため又は改善するためにいわゆる中心管の中で案内されているという問題がある。中心管は攪拌機を、通常は全面的に包含し、ポンピングされた媒体が排出される下側開口部と、媒体が通って中心管に侵入する上側開口部とを含む。ポンプ作用を可能にするには、蒸発結晶装置の容器に存在する媒体、即ち溶液又は懸濁液の充填レベルを常に中心管の上側開口部の上方に保つことが必要であり、しかも、十分に高い所に保つことが必要である。それは、十分に大きな溶液又は懸濁液の量が中心管の上側開口部に流れ込むことができて所望の円形の流れを可能とするためである。その際、所望の円形又はドーナツ形の流れを確立及び維持するために蒸発結晶装置では常に相応の充填レベルが保たれなければならないのが欠点である。ところが、ちょうど非連続的作動時に容器の充填レベルが変動する。それが中心管の上側開口部の下方に落ちると、中心管を有する公知の攪拌機は無機能となり、円形の流れは停止する。

本発明の課題は、公知の攪拌リアクタ、特に、結晶装置に見られるこれらの欠点を克服し、特に、少ないエネルギー導入でリアクタ容器内の媒体の改良された混合及び分散を、特に非連続的な蒸発結晶化の際にもたらすことである。

本発明は、当該技術的な問題を新種の攪拌リアクタ用攪拌機、特に結晶装置用攪拌機によって解決するものであって、しかも、その攪拌機のシャフトの直近領域の中又は直近領域のところに、媒体、即ちリアクタ容器内の溶液乃至は懸濁液の能動的な導流を、それも特にシャフトの直に周囲において下方、即ち攪拌機のプロペラに向かってもたらす、少なくとも1個の能動的な導流手段を別途設けることによって解決するものである。

それによれば、本発明の対象は、請求項1による攪拌機であって、媒体、即ちこの容器内の溶液又は懸濁液を還流させるのに適した攪拌機である。その攪拌機はシャフトと、そのシャフトに結合された、媒体を還流させるための少なくとも1個のメインプロペラとを備える。そのメインプロペラは、容器の一次混合ゾーンに配設されている。その攪拌機は、本発明では、シャフトに、又は直にシャフトのところに、特にメインプロペラに対して上流方向(還流させた媒体のメインの流れ方向との関係で見た場合)に、媒体、即ち溶液又は懸濁液を能動的に導流するための少なくとも1個の更なる機械的手段が別途現存することを特徴とする。

好適には、その少なくとも1個の手段は、上記一次混合ゾーンに直に隣接して配設されている。

好適には、そのような手段が複数その場所でシャフトに沿って配設されていて、それも、互いに、好適には規則的に、間隔をおいて配設されている。

その手段は、好適には直にシャフトそのものの上に配設されている。代替的に手段は、好適には直に、シャフトに隣接して配設されていて、その際、特に、シャフトと実質的には平行の回転軸を備える。

本攪拌機は、実質的にはリアクタ容器内では中央に縦方向、即ち通常は垂直に配設された回転可能なシャフトと、そのシャフトに機械的に不動に結合されたプロペラ、即ちブレード攪拌機を含む。そのプロペラは分散域の中にあって、シャフトを介して駆動される。斯くして、容器内の媒体の円形、特にドーナツ形の円形の流れがもたらされることが求められている。結晶化の際にこれが適用されることで、溶液(シロップ)と、後の結晶化工程の推移に伴って形成された、半流動的な結晶を含む懸濁液(マグマ)は容器の中心域、つまり攪拌シャフト域で、重力により、実質的には下方へのポンピングを働きかけるメインプロペラの一次混合ゾーンの中に沈んでいく。当該媒体はその場所でプロペラによって捕らえられ、その結果、ポンプ作用によって、殆どの場合容器の壁域に配設された加熱室(熱交換器)を通される。

従って、本発明では、攪拌機のところ、特に、少なくともメインプロペラ、即ちブレード攪拌機の直に上方、つまりプロペラシャフト沿いの上方域に、特にこのプロペラシャフトに機械的に結合された能動的な導流手段、即ち複数の小さな攪拌体を配設するようになっている。それによって、有効的にも、溶液又は懸濁液が攪拌シャフトに沿って下降する動きを大きく支援してこれをシャフトの周囲においてメインプロペラに導くことを達成できる。本発明によれば、それにより、さもないと加熱室の上方域で発生する望まれざる横方向の拡散流れが回避される。そのようにして、特に蒸発結晶化の最後の段階、即ち最後の蒸煮段階において、攪拌装置の作用を蒸煮機の全容量に拡大できる。

有効的には、本発明の能動的な導流の方法により、実際のところ公知である、攪拌機に位置する導流性を持つ中心管を省略できる。従って、本発明の技術的教示は特に非連続的な蒸発結晶化での適用に有効的であるが、それは、攪拌機の作用が容器の充填レベルには関係なく改善されるからである。

斯くして、その攪拌機は二つの課題を特に満足する。それは、一つ目には結晶懸濁(マグマ)が効率的に分散すること及び二つ目にはそれが蒸発結晶化の工程において効率的に混合されることである。攪拌リアクタを非連続的に作動させた蒸煮機として用いるこの適用では、これら二つの課題が蒸煮工程の時間的推移において異なる意味合いを持つ。上述した分散は、特に第1の蒸煮段階で、特に結晶の大きさが100μmを下回る場合に意味を持つ。そこでは特に、結晶化を起こさせるために溶液(シロップ)に入れられる接種媒体を分配し、現段階ではまだ小さい結晶の集合体形成を避けることが目的である。この時、機械的なせん断作用と結晶懸濁への大きな固有動力入力が特に重要である。混合は特に、結晶懸濁のいわゆる沸上げ及び沸騰段階において意味を持つ。ここで加熱素子から懸濁への伝熱の最適化が達成される。このことは特に、エネルギー的価値が低い加熱用蒸気を用いた場合に意味を持つ。効率的な混合によってマグマ組成の局所的な差が避けられる。その差とは、特に、濃度差、温度差又は結晶分布における差である。

本発明による一つの実施態様では、少なくとも一つの能動的な導流手段自体がブレード攪拌機の羽根車若しくはプロペラの形に形成されている。ところが、これは、好適には唯一のメインプロペラから見ればはるかに小さな寸法になっている。本発明では、媒体、即ち溶液又は懸濁液の能動的な導流は直にメインプロペラのシャフトの周りの域、即ち、特に一次混合ゾーンに限定されたままである。驚くべきことに、理論に縛られることを望むわけではないが、まさに能動的な導流によって攪拌機のシャフトの直に周囲域において攪拌機の全体的な作用を非常に効率的に改善でき、この改善は、しかも、容器の充填レベルには左右されない。

本発明では、好適には、能動的な導流手段がプロペラの形に形成されていて、その直径が好適にはメインプロペラの直径の50%よりも小さいものになっている。好適には、羽根車若しくはプロペラの形に形成されているその導流手段の直径はメインプロペラの直径の1/10(10%)から半分(50%)の大きさ、好適には15%から30%の大きさ又はそれよりも小さい大きさになっている。

好適には、プロペラとして形成された本発明の能動的な導流手段の迎角は、水平線(回転軸に対する垂直線)に対して最大で45°、但し好適には、水平線に対して10°から30°である。羽根車の枚数は、本発明では少なくとも2枚、好適には4枚から6枚である。

本発明の代替的な実施態様又は更なる実施態様では、上述した少なくとも1個の導流手段は、一条又は多条の輸送固定ネジ(ウォーム)の形に形成されていて、好適には、このウォームの導流的作用が同じくメインプロペラのシャフトの直に周囲、即ち、特に一次混合ゾーンに限定されるように寸法取りされている。

好適には、上記ウォームの直径はメインプロペラの直径の少なくとも5%から最大50%であり、望ましくはメインプロペラの直径の15%から30%である。それらのウォーム羽根の迎角は、水平線(回転軸に対する垂直線)に対して最大で45°、但し好適には、水平線に対して10°から30°である。

本発明の代替的な実施態様では、能動的な導流手段の直径がメインプロペラの直径の50%から80%になっている。

斯くして、本発明では、基本的に、シャフトにおける1個の導流手段又は複数個の導流手段の具体的な態様とは無関係に、当該攪拌装置のシャフトの直に周囲に対してもたらされる能動的な導流は制限されているようになっている。従って本発明では、メインプロペラと類似する寸法になっている更なる大きなプロペラを攪拌機の別途の能動的な導流手段としてシャフトに設けることは排除される。

本発明では、その能動的な導流手段は、溶液又は懸濁液の導流支援は、これらが潜り込む媒体の円形の流れの一次正味流れに追従してメインプロペラに向かって行われるように構成されている。それゆえ、このことを実現する目的で先の能動的な導流手段がシャフトのところに上流方向に、好適にはメインプロペラの直に近隣、即ち一次混合ゾーンに特に近いところに位置するようになっている。その際、本発明による能動的手段の、媒体に対する導流的作用はメインプロペラの混合ゾーンと重なる。流れ方向にメインプロペラに向けられた媒体は、そのようにして、いわば先の一次混合ゾーンに引き渡される。

好適には、プロペラとして形成された能動的な導流手段とメインプロペラの間隔は最大でその能動的な導流手段の直径のおよそ1.5倍であって、好適には最大でちょうどその能動的な導流手段の直径に相当する。本発明の能動的な導流手段が先の代替的な態様により、一条又は多条のウォームとして形成されているのであれば、攪拌シャフトにおけるウォームの始まり部とメインプロペラの間隔は最大でおよそウォームの直径分であるが、好適にはその間隔は上記直径のおよそ10%だけであり、特に好適には、ウォームはメインプロペラの直のところにその始まり部が位置する。

好適には複数の、即ちそのような導流手段が少なくとも2個又は3個攪拌シャフトのところ又はその周りに形成されていて、そのシャフトによって駆動される。それらの導流手段はシャフトに沿って互いに間隔をおいて配設されていて、しかも好適には規則的に配設されている。その際、容器内の充填レベルに応じて、攪拌シャフトのところに配設された導流手段のより多数或いはより少数が溶液又は懸濁液に食い込んで能動的な導流をもたらす。容器内の溶液又は懸濁液の実際の水位の上方、つまり蒸気チャンバに位置する導流手段は空回りする。溶液又は懸濁液の中に潜り込むものだけがその能動的な導流をもたらす。

特に、それらの能動的な導流手段を攪拌シャフトに、その夫々における懸濁液の導流の作用範囲が重なるような間隔に配設することが想定されている。メインプロペラに向けた流れ方向、つまり攪拌シャフトに沿って向けられた媒体はそのようにして、いわばバケツリレー式に一つの能動的な導流手段から次の能動的な導流手段へ、そして最終的にはメインプロペラの一次混合ゾーンの中へと引き渡される。好適には、それらの能動的な導流手段を、最大でそれらの直径のおよそ1.5倍に相当する間隔をおいて配設するようになっているが、好適には、それらの能動的な導流手段の間隔はそれらの直径に相当するか若しくは、間隔はそれよりも小さい。

好適な実施態様では、それらの手段は間隔が規則的になっている。好適には代替的に、それらの手段の間隔は、メインプロペラからの距離の増加とともに、乃至は一次混合ゾーンへの距離の増加とともに拡大されている。有効的には、そのようにしてメインプロペラへの導流を改善できる。理論に縛られることを望むわけではないが、このようにすることで本発明による別途の能動的な導流の体積流量を、メインプロペラからの距離の増加とともに、乃至は一次混合ゾーンへの距離の増加とともに減らすことができるとともに局所的な平衡流れに調整することができ、これによって、リアクタ容器内における所望のドーナツ形の円形の流れの形成が支援される。

それに代えて若しくはそれとは別に、メインプロペラからの距離乃至は一次混合ゾーンからの距離の増加と関連した能動的な導流を、その手段そのものの機械的ポンプ作用、特にプロペラのブレードの迎角又はウォーム条数及び/又は当該手段の直径を、メインプロペラ又は混合ゾーンとそれらとの間隔に応じて個別に選択することで調整することができる。この、メインプロペラからの距離の増加と関連した能動的な導流の調整は、好適にはメインプロペラと間隔をおくことに伴うポンプ作用の減退による。代替的な態様では、容器の幾何学的態様又は向き及び局部的に定在する固有の流れ状態により、夫々の手段のポンプ作用がメインプロペラとの間隔に応じて高められるようになっている。個々の能動的な導流手段における夫々のポンプ能力がメインプロペラとの間隔に応じて減退しつつも蒸気チャンバに隣接する「上側の」手段では再び増加する変型例が好ましい。特に、攪拌シャフトに沿って配設された能動的な導流手段のポンプ作用のプロファイルを特徴的に容器の態様又は向き及び/又は作動の種類、特に、非連続的作動及び/又は媒体/マグマの理論的特性に調整することが想定されている。この調整は、攪拌シャフトの立案及び製造時に一度行われる。それに代えて、或いはそれとは別に、その又はそれらの能動的な導流手段のポンプ作用を作動時に特徴的に調整する手段が設けられている。このことは、実際のところ公知である調整機構(以下を参照)又は交換可能な素子によって能動的な導流手段、例えばプロペラ羽根のところで行えばよい。

上述した少なくとも1個の能動的な導流手段は、その能動的な導流をその又はそれらの手段によって達成する目的で、作動状態では回転するシャフトに機械的に直接又は間接的に結合されていて、その際、シャフトのところに導入された固有のエネルギーは、能動的な導流を行うためにメインプロペラと、本発明による更なる手段とに分散される。

特に、その能動的な導流手段はメインプロペラのシャフトに直に配設され、そのシャフトに機械的に結合されていて、その手段をそのシャフトによって直接駆動できるようになっている。その機械的な結合は、好適には弾力性を有さないものになっている。

代替的には、上述した駆動は、実際のところ公知である遊星歯車及び/又は同軸のマルチピースシャフトを介して行われる。

本発明による一つの実施態様では、当該手段の導流作用に係る固有のエネルギー導入が特に、プロペラとして形成された手段の攪拌ブレードの迎角の可変性及び/又は当該手段の駆動部の機械式変速機構の可変性により制御可能であって、特に、遊星歯車を備えた態様及び/又は同軸のマルチピース攪拌シャフトを備えた態様と関連付けることで制御可能となる。

代替的には、上述した能動的な導流手段が全く独立した機械的機構を持つ独自のシャフトを備え、それにより、エネルギー導入量を独立的に制御できる。

当該能動的な導流手段は、プロペラシャフトのところでは、驚くべきことに、さもなければその場所で発生する望まれざる乱流の崩壊をもたらす。その能動的な導流手段は、プロペラシャフトの周囲における標的下流をもたらし、それも、例えば第一のメインプロペラと同じような寸法の第二のメインプロペラをシャフトに設けた時に必要とされる機械的労力とそれに伴う固有のエネルギーを大きく上回るものを必要としない。特に、小さく寸法取りされてプロペラシャフトに沿って反復的に構成された短いプロペラ羽根といった能動的な導流構造体によって、或いは中断されたネジ山によってシャフトのところでは非常に効率的な導流が得られ、それの結果として溶液と懸濁液が安定したドーナツ形の流れで容器の中を通流できることがわかる。攪拌装置の駆動のためにわずかな機械的な付加的工数をかけるだけでメインプロペラのポンプ作用とともに工程全体、特に蒸発結晶化工程の効率が改善される。特に、形成された結晶を含む懸濁液の分散が改善される。このことは、混合品質が変化しないにもかかわらず結晶装置への固有エネルギー導入量の全体が減少されること乃至は結晶装置への固有エネルギー導入量の全体が変化しないのに混合品質が改善されることをもたらす。

攪拌リアクタ、特に、結晶装置、その中でも特に、非連続的な蒸発結晶化に用いる結晶装置であって、ここに記載の改善された攪拌機を持つ結晶装置も本発明の対象である。

本発明は、最後に、ここに特徴付けられているように、結晶装置の攪拌機のシャフトにおける少なくとも1個の能動的な導流手段において、その攪拌機の混合性能の改善を目的とする導流手段の使用に係る教示も含む。特筆すべきものとしては、非連続的な蒸発結晶化において、たとえ結晶装置の容器の充填レベルが変化しても、攪拌機の混合性能を維持することを目的とした蒸発結晶装置での適用があげられる。

垂直方向のリアクタ容器100を有する一般的な蒸発結晶装置の概略図である。

ここで、本発明を、次に示す図によって詳しく説明する。但し、本発明はこれに限定されるものではない。

図1は、垂直方向のリアクタ容器100を有する一般的な蒸発結晶装置の概略図である。この蒸発結晶装置は下側域に、そこから結晶製品が確保されるべき溶液又は懸濁液140を含む。上側先端部には蒸気通気孔を持つ蒸気チャンバ125が位置する。通流可能な加熱素子(熱交換器)120は容器の下側域に配設されている。容器100には上から攪拌シャフト150が実質的には縦(垂直)に吊り下げられている。一次混合ゾーン110、ここではシャフトの直に下側端部のところには、駆動シャフト150が回転するときに容器に存在する溶液又は懸濁液を主として下方に及び容器の底方向にポンプするメインプロペラ、即ちブレード攪拌機160が配設されている。容器100に設けられている底側の隔壁薄板130によって、下方に向けられた溶液又は懸濁液の流れ144は加熱室120に導通される。能動的なポンプ作用により、また、溶液又は懸濁液を加熱室120で加熱することによる機密度の減少に助けられ、且つ、蒸気泡が発生することにより、溶液又は懸濁液は加熱室を矢印方向145のように実質的には垂直に上方向に離れる。メインプロペラ160のポンプ作用は、隣接して配設された不動の隔壁板170によって支援される。本発明では、駆動シャフト150のところの、メインプロペラ160の上方に沿って能動的な導流手段180が向けられていて、それらの導流手段は駆動シャフト150の直に周囲において、その駆動シャフトの方向に下方に、メインプロペラ160に向かって延びる溶液又は懸濁液の能動的な流れ147をもたらす。それによって、攪拌装置の作用は効率的に支援される。補償流146を介して安定した円形の流れ144、145、146、147が形成される。リアクタスイッチ100の中の溶液又は懸濁液140の充填レベル141、142又は143に応じて導流手段180のより多数又は小数のユニット又は区分がその溶液又は懸濁液と係合することになる。シャフト150のところの固有のエネルギー導入量の全体はそれにより、常に充填レベル141、142又は143に合わせられている。

１００ リアクタ容器（容器）
１１０ 一次混合ゾーン
１４０ 懸濁液
１５０ シャフト
１６０ メインプロペラ
１８０ 導流手段
１８２ プロペラ

Claims (6)

1. 容器(100)内の結晶化すべき溶液又は懸濁液(140)を還流させるのに適し、シャフト(150)と、該シャフト(150)に結合されていて前記容器(100)の一次混合ゾーン(110)に配設されたメインプロペラ(160)とを備え、前記シャフト(150)のところに前記メインプロペラ(160)に対して上流方向に前記溶液又は懸濁液(140)を能動的に導流するための少なくとも1個の更なる手段(180)を別途備える蒸発結晶装置用の攪拌機であって、
   前記能動的な導流手段(180)がその都度、プロペラ(182)として形成されていて、その直径が前記メインプロペラ(160)の直径の50%よりも小さく、複数のプロペラ(182)が前記シャフト(150)に沿って互いに間隔をおいて配設されているか、又は、
   前記能動的な導流手段(180)が、前記シャフト(150)に沿って延びるネジとして形成されていて、その直径が最大で前記メインプロペラ(160)の直径の50%であることを特徴とする、蒸発結晶装置用の攪拌機。
2. 前記少なくとも1個の手段(180)が前記一次混合ゾーン(110)に直に隣接して配設されている、請求項1に記載の攪拌機。
3. 請求項1又は2に記載の攪拌機を含む蒸発結晶装置。
4. 非連続的作動用に特別に形成された請求項3に記載の蒸発結晶装置。
5. 攪拌機のシャフトに位置して該攪拌機の混合性能の改善を目的とする、請求項1及び2の一項において特徴付けられた、能動的な導流手段の使用方法。
6. 非連続的作動における蒸発結晶装置の中の前記攪拌機の混合性能の改善を目的とする、請求項5に記載の使用方法。

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