JP3768351B2 - 竪型撹拌装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、各種の流体，半流体，粉体等の槽内撹拌に用いられる撹拌装置、特に高液深撹拌槽あるいは鋭角コニカルボトム形の撹拌槽で槽上下の均一混合を達成できる竪型撹拌装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の撹拌装置は一般に、撹拌槽内の中心に、撹拌翼をもつ回転軸を該槽から突出するように軸支し、該回転軸を槽外から回転駆動することにより、撹拌翼の回転に伴なって槽内の処理物（被撹拌物質）に旋回流と上下循環流とを生じさせて撹拌、混合を行う。従来の撹拌翼としては、タービン翼、パドル、プロペラ、後退翼など吐出型の翼、あるいはゲート、ヘリカルリボン翼、スクリュウ、アンカーなど剪断型の撹拌翼が知られている。
【０００３】
図５は、従来の２段タービン翼を用いた撹拌装置の断面図である。この例で撹拌槽２０は底部が半頂角αのコニカルボトム形となっており、槽中心に外部から回転駆動される回転軸２１が槽全長にのびて設けられ、回転軸２１の中途部に１体または複数体の撹拌翼２３が取り付けられている。撹拌翼２３は回転軸２１の回転により液を周囲へ吐出し、その吐出流により槽内に該液を循環させる作用を行う。槽２０の内周部にはコイル２４が設置される場合もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の撹拌翼では、例えば、▲１▼高液深撹拌槽（槽底から液面までの液深Ｌと槽内径Ｄの比率でＬ／Ｄ＞１．５）の場合、上下の均一混合が達成できない。▲２▼半頂角６０°以下の鋭角コニカルボトム形の撹拌槽では、コニカルの先端部分に液の滞留部が発生し、その部分は混合が進まない。特にコイルを槽内の周部に設置した場合は上述の▲１▼，▲２▼の不具合は一層顕著になる。
【０００５】
図５および図６〜図９を参照して、上述した従来の不具合を詳細に説明する。図６のように前記吐出型の撹拌翼２３を１段で使用する場合は、通常ＴＬ（槽の直胴部とコニカル部の接合ライン）付近に翼２３が設置されるが、高液深の状態になると、槽底部２０ａから液面２５までの移動距離が長いため、吐出された液が移動している途中で流速の減衰（図６のＡ部分）が起こり、上下の均一混合が達成されず、図６のＢ部で滞留が生じる。
【０００６】
この不均一状態を解消するため図７に示すように撹拌翼を２段以上の多段形態で使用する場合もあるが、翼２３ａと翼２３ｂの間で吐出流の衝突が起こり、符号２６で示す如くあたかも隔壁を設けた如き状態となり、上下の均一混合はこの隔壁状液相によってむしろ阻害される結果となる。
【０００７】
図５および図８，図９の半頂角６０°以下のコニカルボトム型の撹拌槽２０では、コニカルの先端に近づくほど断面積が小さくなるため、液が流れる場合の流体抵抗を生じやすくなる。そのため、実際には槽の先端部まで液が流れず、抵抗の少ない方へ流れようとする、いわゆる流れの剥離が起こる。その結果コニカルの先端部に液の滞留部２７が発生することとなる。この傾向は粘度が高くなる程強い。なお、図５で斜線を施した部分は液が流動不良を起している部分を示す。
【０００８】
またゲート、ヘリカルリボン翼、スクリュウ、アンカーなど剪断型の撹拌翼については、一般的に低速で回転し、液を持ち上げたり、掻き取ったりすることで混合を促進するとされているが、この場合、これらの剪断型の翼が公称されているとおりの性能を発揮するのはＲｅ数が少なくとも１００以下の、いわゆる層流域に限定されており、それ以外では液の上下循環流を形成する能力はきわめて低い。Ｒｅ数１００以上の場合には上下の混合は進みにくい。なお、Ｒｅ数とはレイノズル数であり、ｄ² ｎρ／μで表される。ここでｄは撹拌翼径〔ｍ〕、ｎは翼の回転数〔１／ｓ〕、ρは密度〔ｋｇ／ｍ³ 〕、μは粘度〔ｋｇ／ｍ・ｓ〕である。
【０００９】
さらに従来の撹拌装置では、壁面近傍で上向きの流れ（図５の符号２８，２９）を形成させる翼形状、翼の組み合せがほとんどであり、このような従来の翼形状では鋭角のコニカルボトムの中心では上昇流を形成することができない。さらには高液深やコイル付きの条件では流速が途中で減衰するため、槽内はひとつの循環流にはならず、いくつもの副循環流（全体の流動から孤立した流れ）が形成されてしまい、槽内全体の均一混合性はきわめて悪い。
【００１０】
本発明は上述した従来の不具合をなくし、高液深撹拌槽、または半頂角６０°以下の鋭角コニカルボトムを用いた撹拌槽、あるいはこれらを組み合せた撹拌槽での上下均一混合時間の短縮、上下方向での流速の均一化および伝熱時間の短縮を達成できる竪型撹拌装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による竪型撹拌装置は、撹拌槽の中心に槽外から回転可能な回転軸を配置し、前記回転軸の下部に、ボトムパドル翼を装着し、前記ボトムパドル翼の上側の前記回転軸に、縦グリッドと横アームとを組み合せた格子翼を設置し、前記格子翼の最外側の前記縦グリッドの外縁部と前記回転軸の中心との距離を前記ボトムパドル翼のそれより大とすると共に、前記格子翼の前記最外側の縦グリッドの幅を、上側を広く、下側を狭くしたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を好適な実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の１実施例による竪型撹拌装置の側面図である。なお、この図で外殻の槽ケース１０は明瞭化のため仮想線で示してある。撹拌槽は直胴部６と、略逆円錐形の槽底部７と、直胴部６の上部を蓋閉する蓋体１３とで構成された槽ケース１０を有し、その中心部に槽底から蓋体１３を貫通してのびる撹拌軸（回転軸）８が設けられている。蓋体１３から上方へ突出した撹拌軸８は蓋体上部に搭載された電動機９および減速機１８の出力軸に連結され、該電動機９の付勢により回転駆動される。槽ケース１０の直胴部６から槽底部７にかけてその内壁近傍に伝熱用のコイル１１が適当なコイルサポート１２を介して設置されている。図示の例ではコイル１１は２重となっているが、１重あるいは多重のものでもよい。必要に応じて槽ケース１０の内壁に邪魔板が設けられるが、この邪魔板は図示実施例のようにコイルサポート１２で兼用するようにしてもよい。なお、ケース１０にはコイル１１に冷却水あるいは熱媒を通水するためのノズル１４が取り付けられている。
【００１３】
撹拌軸８は槽底部７の底板１５と槽上部の蓋体１３で軸支されるが、直胴部６に対応する位置で撹拌軸８の外側部に、後述する格子翼３が設けられ、槽底部７に対応する位置の撹拌軸８に横投影面積の大きなコニカルボトムパドル翼３１が取り付けられている。パドル翼３１は図示のように槽底部７の逆円錐形に沿うように先端（下端）側３１ａが鋭角に形成され、上端近くでは垂直な外側部３１ｂを有している。パドル翼３１は傾斜、屈折、後退させた形態としてもよい。なお、前記傾斜とは水平・鉛直方向から見てパドル翼３１が傾いているものをいい、屈折とは鉛直方向から見てパドル翼３１が屈折しているものをいい、後退とは鉛直方向から見てパドル翼３１が湾曲しているものをいう。
【００１４】
パドル翼３１に隣接してその上側の撹拌軸８に取り付けられる格子翼３は、該撹拌軸８に取り付けられた複数本の横アーム２と、横アーム２の先端に設けられかつ撹拌軸８と平行にのびる縦グリッド１とを有している。図１および図２（Ａ），（Ｂ）、図３（Ａ），（Ｂ）を参照して、横アーム２の外端にある縦グリッド１の最外縁１ａと撹拌軸８の中心との距離Ｌは下部の大型パドル翼３１の片側最大幅寸法Ｗ（図１）より大となっている。また、この縦グリッド１は全体として上部の幅が広く、下部の幅が狭く形成されている。この場合、図１のように１段に下部の内側を切除した形態、または図３（Ａ）のように多段に内側を切除して上下方向に段階的に変化させた形態とするか、あるいは図３（Ｂ）のように上部から下部へ向って連続的に内側を切除して下方の幅が狭くなるようにしてもよい。
【００１５】
撹拌軸８と横アーム外端の縦グリッド１との間で横アーム２にさらに１本あるいは複数本の中間縦グリッド４が設けられている。アーム外端の縦グリッド１は図２（Ａ）のように液の流れに対して傾斜させるか、同図（Ｂ）のように後退させた形態で取り付けてもよい。なお同図（Ａ），（Ｂ）に示す矢印はいずれも撹拌軸８の回転方向を示している。
【００１６】
図４は図１に示す実施例において槽を横方向から見たときの撹拌槽作動中の液の流れを図式的に示した側面図である。上述したように縦グリッド１の幅を上部を広く、下部を狭くしてあることにより、槽直胴部６の内壁面近傍にはすべて下向きの流れ１６が発生する。下部の大型パドル翼３１の側部はその上部近くから下側部までコニカル状の槽底部７の壁面に沿っているので、ここでは槽底壁に向う流れ１７を生じさせるとともに、パドル翼中心では槽底から上方へ液を送り出す（符号１９）作用をする。この直胴部壁面側の下向きの流れ１６と、下部大型パドル翼３１が槽底部の液を吸い上げる作用を互いに邪魔することなく組み合せることで、いわゆる一筆書きの循環流（連続し副循環流が無い流れ）を形成することが可能となり、槽内全域の均一混合時間の短縮および流速の均一化がもたらされる。
【００１７】
また、本発明では、格子翼３の下部に面積の大きなボトムパドル翼３１を設置しているため、大型翼による槽底部の液を吸い上げる作用により、撹拌槽底部の形状が半頂角６０°以下の鋭角をもつ場合でも、槽底の先端部に液の滞留を起こすことなく、均一な混合を実現できる。
【００１８】
さらに槽底部が半頂角６０°以下のコニカル状で、かつ、高液深（槽底から液面までの液深Ｌと槽内径Ｄの比率Ｌ／Ｄ＞１．５）の槽形状とした場合にも、運転可能な液量範囲の幅が広く、最大液量の２００分の１の液量まで対応可能となる。即ち、運転の液量が初期を１とした場合に最終で２００まで増加するような液量変動の大きな場合、従来は大小２種の槽を組み合せて使用していたものが、本発明を用いると１つの槽で対応可能となる。
【００１９】
コイル付きの撹拌槽の場合、本発明で上部格子翼の縦グリッド１の外径を、内側のコイル１１の巻径ｄｃに対し０．７以上として該コイルに近接して設置すれば、翼からの吐出流により伝熱ジャケットやコイル近傍の流速が従来の撹拌翼に比べ著しく高く、その結果として高い伝熱性能を実現することができる。
【００２０】
上述の実施例は撹拌槽の底部を鋭角コニカルボトムタイプとした場合であるが、本発明はこのような構造に限定されるものでなく、直胴部のみの槽構成、例えば図６，図７のような撹拌槽であってもよく、この場合にも槽全体について所謂一筆書きの液流が得られ、撹拌槽での上下均一混合時間の短縮、上下方向での流速の均一化、および伝熱時間の短縮が図られる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、格子翼の縦グリッドの幅を、上部を広く下部を狭くし、しかも下部大型パドル翼よりも縦グリッドの最外縁を前記パドル翼の外径より大きくしたので、槽壁面に沿って下向きの液流が生じ、一方、槽底部がコニカルボトム型の場合でも、前記大型パドル翼によって槽底部の液を吸い上げるようにすることにより、槽の壁面近傍を下向きとした一筆書きの循環流を形成することができ、高液深撹拌槽あるいは半頂角６０°以下の鋭角コニカルボトムを用いた撹拌槽での上下均一混合時間の短縮、上下方向での流速の均一化、および伝熱時間の短縮を図り得る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の１実施例による竪型攪拌装置の側面図である。
【図２】 本発明の実施例による縦グリッドを横アームに対して傾斜あるいは後退して取り付けた場合の平面図である。
【図３】 本発明の実施例による縦グリッドの幅を変化させた形態例を示す正面図である。
【図４】 図１に示す実施例における撹拌槽作動中の液の流れを図式的に示した側面図である。
【図５】 従来の２段タービン翼を用いた撹拌装置の断面図である。
【図６】 吐出型の１段翼を用いた従来の撹拌装置の概略図である。
【図７】 ２段翼を用いた従来の撹拌装置で上下の液が分離する状態を示す図である。
【図８】 従来のコニカルボトム型撹拌槽で槽底部に液の滞留部ができる様子を示す図である。
【図９】 従来のコニカルボトム型撹拌槽で槽底部に液の滞留部ができる様子を示す図である。
【符号の説明】
１ 縦グリッド
２ 横アーム
３ 格子翼
３１ コニカルボトムパドル翼
６ 直胴部
７ 槽底部
８ 撹拌軸
９ 電動機
１０ 槽ケース
１１ コイル
１２ コイルサポート

Claims (4)

1. 撹拌槽の中心に槽外から回転可能な回転軸を配置し、前記回転軸の下部に、ボトムパドル翼を装着し、前記ボトムパドル翼の上側の前記回転軸に、縦グリッドと横アームとを組み合せた格子翼を設置し、前記格子翼の最外側の前記縦グリッドの外縁部と前記回転軸の中心との距離を前記ボトムパドル翼のそれより大とするとともに、前記格子翼の前記最外側の縦グリッドの幅を、上側を広く、下側を狭くしたことを特徴とする竪型撹拌装置。
2. 前記格子翼の前記最外側の縦グリッドを、前記横アームに対して前記撹拌槽の周方向に傾斜させたことを特徴とする請求項第１項に記載した竪型撹拌装置。
3. 前記格子翼の前記最外側の縦グリッドを、前記横アームに対して撹拌液の流れに沿った前記撹拌槽の周方向に湾曲傾斜させたことを特徴とする請求項第１項または第２項に記載した竪型撹拌装置。
4. 前記撹拌槽の底部を半頂角６０°以下の鋭角コニカル状とし、前記回転軸の下部に、前記撹拌槽のコニカルボトム形底部の半頂角に沿った外形を有するコニカルボトムパドル翼を装着したことを特徴とする請求項第１項ないし第３項に記載した竪型撹拌装置。

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