JP3784725B2 - 混合攪拌装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は可動部を有さないで物質流を混合できる静止型混合攪拌装置の改良に関し、更に詳細には、圧力損失を可変調整できる混合攪拌装置に関し、化学関係や薬品関係、食品関係、塗料関係、製紙関係等のプラントにおいて主に利用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、静止型混合攪拌装置とは、機械的動力を用いることなく物質流体を混合攪拌できる装置を云い、気体―気体、気体―液体、液体―液体、固体―液体などのように、複数の物質流体を混合攪拌して、物質流体間の化学反応を促進させたり、一様な混合流体を形成したりする装置である。
【０００３】
従来、この種の静止型混合攪拌装置として、水平流を上下２方向に分流する第１エレメントと、垂直流を左右２方向に分流する第２エレメントを用意し、この第１エレメントと第２エレメントを交互にｎ個直列接続することにより、１本の物質流を２n本の物質流に分流して混合攪拌する装置が知られていた。
【０００４】
この静止型混合攪拌装置では、１本の物質流を２n本の物質流にまで分流できる利点を有する。しかし、近年の分子科学の進歩は、分子を一個一個のレベルで制御する必要性に迫られており、よりミクロな混合攪拌が要求されてきている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この従来技術を改良するため、本発明者等は特開２０００−２５４４６９の発明を公開している。この発明では、１本の物質流をｍ×４n本にまで分流する技術を提案している。
【０００６】
まず、第１エレメントにｍ個の錘台形の第１孔部を穿設し、同時に第２エレメントにもｍ個の錘台形の第２孔部を穿設する。第１孔部と第２孔部は一端に大開口部を他端に小開口部を有した錘台形に形成され、第１孔部の小開口部が４個の第２孔部の大開口部に接触するように両エレメントを重ね合わせる。
【０００７】
つまり、小開口部から出た物質流は４個の大開口部に分流するように、第１孔部と第２孔部の配置パターンが構成されている。従って、ｎ個のエレメントにより４n本に分流されるから、ｍ個の孔部の存在により、一本の物質流はｍ×４n本にまで分流されることになる。前述した従来例と比較すると、分流倍率はｍ×４n／２n＝ｍ×２nになり、混合攪拌性能が格段に向上していることが分かる。
【０００８】
しかし、この静止型混合攪拌装置においては、第１孔部の小開口部を４個の第２孔部の大開口部に接触するように第１エレメントと第２エレメントを重ね合わせ、しかもｍ個の孔部についてこの関係を満足させるために、両エレメントの重ね合わせ位置は唯一１箇所しか存在しない。
【０００９】
即ち、この従来技術は、両エレメントの唯一の重ね合わせ位置においてｍ×４nの分流化を達成できる内容であり、幅広い混合攪拌操作を行なう観点からはその構造が限定された静止型混合攪拌装置であると云うことができる。
【００１０】
しかし、実際には、混合攪拌性能を自在に調整できる柔軟な構造の混合攪拌装置が要望されている。混合攪拌性能を調整するには、分流本数を変化させるという考え方から転換する必要がある。
【００１１】
従がって、本発明は、第１エレメントと第２エレメントを交互に積層する従来の構造形式を踏襲しながら、物質流の混合攪拌性能を自在に調整できる混合攪拌装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、複数個の第１孔部を所定パターンに穿設したディスク型の第１エレメントと、複数個の第２孔部を所定パターンに穿設したディスク型の第２エレメントを用意し、この第1エレメントと第２エレメントを交互に複数個積層して組立体を構成し、この組立体の内部に物質流を流通させて物質流を混合攪拌する混合攪拌装置において、前記第１孔部と第２孔部の交叉面積を変化させるために第１エレメントと第２エレメントを軸心の周りに相対的に所望角度だけ回転変位できるようにし、所望の相対回転角度において両エレメントを回転不能に一体化することを特徴とする混合攪拌装置である。前記第１孔部と第２孔部は同一形状でも異なった形状でもよく、また第１孔部の配置パターンと第２孔部の配置パターンは同一でも異なっていてもよい。
【００１３】
請求項２の発明は、複数個の第１孔部を所定パターンに穿設したディスク型の第１エレメントと、複数個の第２孔部を所定パターンに穿設したディスク型の第２エレメントを用意し、この第1エレメントと第２エレメントを重ねてユニットを形成し、第１エレメントと第２エレメントが交互に反復するように前記ユニットを複数段積層して組立体を構成し、この組立体の内部に物質流を流通させて物質流を混合攪拌する混合攪拌装置において、前記第１孔部と第２孔部の交叉面積を変化させるために第１エレメントと第２エレメントを軸心の周りに相対的に所望角度だけ回転変位できるようにし、所望の相対回転角度において両エレメントを回転不能に一体化することを特徴とする混合攪拌装置である。同様に、前記第１孔部と第２孔部は同一形状でも異なった形状でもよく、また第１孔部の配置パターンと第２孔部の配置パターンは同一でも異なっていてもよい。
【００１４】
請求項３の発明は、前記第１エレメントと第２エレメントを同形の円板に形成し、第１エレメントと第２エレメントの周縁近傍にピン孔を穿設し、第１エレメントと第２エレメントを相対的に所望角度だけ回転変位させて両エレメントの合致連通したピン孔により回転角度が分かるように構成され、この合致連通したピン孔にピンを挿通して両エレメントの回転を不能にし、しかも前記組立体を前記ピンにより一体化した請求項１又は２に記載の混合攪拌装置である。
【００１５】
請求項４の発明は、前記第１エレメントと第２エレメントの一方の周縁に１個のピン孔を穿設し、他方のエレメントの周縁に複数のピン穴を円周方向に穿設した請求項３に記載の混合攪拌装置である。
【００１６】
請求項５の発明は、前記第１孔部と第２孔部は錐台形に形成され、第１孔部の出口部が第２孔部の入口部と接触して交叉面積を形成するように第１エレメントと第２エレメントを重ね、物質流を流通させる請求項１又は２に記載の混合攪拌装置である。
【００１７】
請求項６の発明は、前記錐台形は円錐台形又は角錐台形である請求項５に記載の混合攪拌装置である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、第１孔部を有する第１エレメントと第２孔部を有する第２エレメントを相互に重ね合わせて混合攪拌性能を調整できる構造につき鋭意研究した結果、第１孔部と第２孔部が重なって形成される交叉面積を変化させることによって、物質流の混合攪拌性能を調整できるのではないかと想到するに到った。
【００１９】
第１孔部と第２孔部が完全に重なった場合には、その交叉面積は１００％となり、この場合には孔部を通過する物質流にはほとんど抵抗は作用せず、物質粒子は直進する。従がって、この抵抗力が弱い分だけ、粒子相互の混合攪拌性能は低くなると考えられる。他方、両エレメントには孔部以外の壁面があり、この壁面が物質流に対する抵抗として作用し、壁面との衝突によって物質流は混合攪拌される。
【００２０】
第１孔部と第２孔部の位置を相互にずらせた場合には、その交叉面積は例えば５０％に低下する。このとき、物質流は大きな抵抗を受け、小さな交叉開口部から噴き出すために、物質流同士の相互撹乱が生じ、混合攪拌性能が増大すると考えられる。
【００２１】
このように、両エレメントにおいて第１孔部と第２孔部の交叉面積を可変にすることによって、物質流に対する抵抗力を変化させることができ、即ち物質流の混合攪拌性能を調整することが可能になる。
【００２２】
前記交叉面積を変化させるには、第１エレメントと第２エレメントを重ね合わせるときに、両エレメントをその軸心の周りに相互に回転可能にし、第１エレメントと第２エレメントの間を相対的に回転ずれが生じる構造、即ち相互に回転変位できる構造にすればよい。本発明はこの着眼点から完成されたものである。両エレメントを同形の円板に形成すれば、この回転変位も容易に設定できる。
以下に、本発明に係る混合攪拌装置の実施形態を図面に従がって詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明に用いられる第１エレメントの第１実施形態の概略説明図である。（Ａ）は第１エレメント１の斜視図であり、十字状に５個の円錐台形の第１孔部１ａが穿設されている。円錐台形であるため、一端側は大開口部１ｂとなり、他端側は小開口部１ｃとなっている。周縁には３個のピン孔１ｄが穿孔され、左右に一対形成されている。
【００２４】
（Ｂ）は第１エレメント１の左正面図であり、大開口部１ｂの中に小開口部１ｃが見えている。大開口部１ｂは表面側に位置し、小開口部１ｃは裏面側に位置している。３個のピン孔１ｄ、１ｄ、１ｄは、水平位置（０°位置）と２２．５°位置と４５°位置に存在する。
【００２５】
回転角を０°〜４５°の範囲に設定した理由は、第1孔部１ａの配置パターンが十字配置であるため、９０°回転で同一配置に戻るから、最大の回転変位（回転ずれ）は４５°になるからである。０°〜４５°の中に更に多数のピン孔１ｄを形成してもよく、ピン孔が多いほど混合攪拌性能は多段階に調整することが可能になる。また、回転範囲は第１孔部の配置パターンに依存することは云うまでもない。
【００２６】
（Ｃ）は、（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。第１孔部１ａが円錐台形であることが明瞭に理解できる。図面の左側から右側に行くに従がって、第１孔部１ａは直線状に縮径してゆくが、曲線を描いてもよい。また、円錐台形といっても、真円であるだけでなく、変形円や多角形をも包含する。
【００２７】
図２は、本発明に用いられる第２エレメントの第１実施形態の概略説明図である。（Ａ）は第２エレメント２の斜視図であり、正方形状に４個の円錐台形の第２孔部２ａが穿設されている。前記第１孔部１ａと同様に、第２孔部２ａは円錐台形であるため、一端側は大開口部２ｂとなり、他端側は小開口部２ｃとなっている。周縁には１個のピン孔２ｄが水平位置（０°位置）に穿孔され、左右に一対形成されている。
【００２８】
（Ｂ）は第２エレメント２の左正面図であり、大開口部２ｂの中に小開口部２ｃが見える。大開口部２ｂは表面側に位置し、小開口部２ｃは裏面側に位置している。この第２エレメント２のピン孔２ｄは水平位置に１個であるが、このピン孔２ｄを基準にして第１エレメント１の３個のピン孔１ｄを回転配置させることになる。
【００２９】
（Ｃ）は、（Ｂ）のＢ−Ｂ線折曲断面図である。第２孔部２ａが円錐台形であることが明瞭に理解できる。図面の左側から右側に行くに従がって、第１孔部２ａは直線状に縮径してゆくが、曲線を描いてもよい。また、円錐台形といっても、真円であるだけでなく変形円や多角形であってもよいことは勿論である。
【００３０】
図３は、第１エレメントと第２エレメントを０°位置で重ねたユニットの概略説明図である。（Ａ）は正面図であり、０°位置（水平位置）にあるピン孔１ｄとピン孔２ｄが連通孔４を形成するように、第１エレメント１と第２エレメント２を重ねてユニット３を構成する。このとき、実線で表す十字配置の第１孔部１ａ・・と破線で表す正方形配置の第２孔部２ａ・・とが（Ａ）に示されるような位置関係になる。
【００３１】
（Ｂ）はＣ−Ｃ線折曲断面図である。この位置関係では、第１孔部１ａの小開口部１ｃは第２孔部２ａの大開口部２ｂとほとんど重なっていないため、Ｃ−Ｃ線の直線断面図では重なりが表現できない。そこで、Ｃ−Ｃ線の折曲断面図を用いることによって、両孔部１ａ、２ａの微小な交叉を示す。この位置関係では、その交叉面積は極めて小さいことは云うまでもない。
【００３２】
この位置関係で、物質流が第１孔部１ａの大開口部１ｂに流入した場合、物質流は第２孔部２ａを通過することが難しく、小量の物質流が通り抜けるだけである。従がって、入口側圧力ＰIが大きいのに対して、出口側圧力は極めて小さく、小さな出口側圧力ＰSが得られるに過ぎない。圧力差ＰI−ＰSは圧力損失（圧損、Pressure Loss）と呼ばれる。
【００３３】
このように交叉面積が小さいと、物質流は大きな混合攪拌を受け、この混合攪拌過程の中で物質流を構成する物質粒子は衝突し、化学反応を行なう物質種に関しては化学反応が促進されると考えられる。そして通過する物質量が一定となるように操作した場合は圧力損失が大きくなる。また、圧力が一定となるように操作した場合は、通過する物質流が少ないため、化学反応等によって一定量の生成物を得るためには時間が掛かる。
【００３４】
図４は、第１エレメントと第２エレメントを２２．５°の相対回転位置で重ねたユニットの概略説明図である。（Ａ）は正面図であり、２２．５°位置にあるピン孔１ｄと水平位置にあるピン孔２ｄが合致するように、第１エレメント１を第２エレメント２に対し２２．５°だけ時計方向に回転して両エレメント１、２を重ね合わせ、ユニット３を構成する。
【００３５】
従がって、実線で表す十字配置の第１孔部１ａ・・と破線で表す正方形配置の第２孔部２ａ・・とが（Ａ）に示されるような位置関係になる。第１孔部１ａと第２孔部２ａとの交叉面積は約５０％であり、図３（Ａ）よりも増大している事が分かる。即ち、第１孔部１ａの小開口部１ｃが第２孔部２ａの大開口部２ｂとかなり交叉するため、第１孔部１ａから第２孔部２ａへ通過する物質流は相当程度増大する。
【００３６】
（Ｂ）はＤ−Ｄ線断面図である。Ｄ−Ｄ線位置においては第１エレメント１のピン孔１ｄは第２エレメント２のピン孔とは連通していない。しかし、（Ａ）から分かるように、第２エレメント２のピン孔２ｄは第１エレメント１の２２．５°位置にあるピン孔１ｄと連通し、この位置で連通孔４を形成する。
【００３７】
この交叉面積が約５０％の位置関係では、物質流が第１孔部１ａの大開口部１ｂに流入した場合、物質流は５０％の交叉面積を通して第２孔部２ａを通過し、中間量の物質流が通り抜けてゆく。従がって、入口側圧力ＰIに対して、出口側圧力も比較的大きくなり、中間出口側圧力ＰMが得られる。つまり、圧力損失ＰI−ＰMは図３（Ｂ）と比べてかなり小さくなる事が分かる。
【００３８】
このように交叉面積が約５０％位になると、半量の物質流は壁面で反射されるから物質流はかなりの混合攪拌を受け、物質粒子同士の反応は促進される。また、半量の物質流は交叉面積を通過してゆくから、混合攪拌性能は約５０％と大雑把に見積もる事ができる。換言すれば、この交叉状態では、物質流は混合攪拌を受けながら、同時に大きな圧力損失を生じないで流通すると考えられる。
【００３９】
図５は、第１エレメントと第２エレメントを４５°相対回転位置で重ねたユニットの概略説明図である。（Ａ）は正面図であり、４５°位置にあるピン孔１ｄと水平位置にあるピン孔２ｄが合致するように、第１エレメント１を第２エレメント２に対し４５°だけ時計方向に回転して両エレメント１、２を重ね合わせ、ユニット３を構成する。
【００４０】
従がって、実線で表す十字配置の第１孔部１ａ・・と破線で表す正方形配置の第２孔部２ａ・・とが（Ａ）に示されるような位置関係になる。この状態では、第１孔部１ａと第２孔部２ａとの交叉面積は最大の１００％に達することが分かる。即ち、第１孔部１ａの小開口部１ｃのほとんどが第２孔部２ａの大開口部２ｂと交叉するため、第１孔部１ａから第２孔部２ａへ通過する物質流は最大量にまで増大する。
【００４１】
（Ｂ）はＥ−Ｅ線断面図である。Ｅ−Ｅ線位置においては第１エレメント１のピン孔１ｄは第２エレメント２のピン孔とは連通していない。しかし、（Ａ）から分かるように、第２エレメント２のピン孔２ｄは第１エレメント１の４５°位置にあるピン孔１ｄと連通し、この位置で連通孔４を形成する。
【００４２】
この交叉面積が約１００％の位置関係では、物質流が第１孔部１ａの大開口部１ｂに流入した場合、物質流は１００％の交叉面積を通して第２孔部２ａを通過し、全量の物質流が通り抜けてゆく。従がって、入口側圧力ＰIに対して、出口側圧力も最大に達し、最大出口側圧力ＰLが得られる。つまり、圧力損失ＰI−ＰLも最小になることが分かる。
【００４３】
このように交叉面積が約１００％位になると、物質流は孔部以外の壁面で適度の混合攪拌を受けながら、物質流の全量が第１孔部１ａと第２孔部２ａを通過してゆく。しかし、交叉面積が約５０％の図４と比較すると、混合攪拌性能は低下すると考えられる。
【００４４】
しかし、混合攪拌性能は交叉面積だけで決定されるものではない。第１エレメント１も第２エレメント２も孔部を有するが、孔部の開口面積はエレメントの全面積の一部に過ぎない。物質流は孔部が形成されていない壁面とは衝突するから、この衝突によって当然に混合攪拌される。
【００４５】
両エレメント１、２の面積を１００％とするとき、仮に孔部の全開口面積を４０％とすると、残りの衝突壁面は６０％になる。孔部１ａ、２ａの交差によって、孔部の開口面積は４０％〜０％にまで変化する。従がって、物質流が衝突する壁面の面積は６０％（１００％交叉のとき）〜１００％（０％交叉のとき）に変化する。
【００４６】
物質流の衝突断面積が混合攪拌性能を与えると考えると、この場合には混合攪拌性能は６０％〜１００％の範囲で変化すると考えられる。従がって、１００％の交叉面積においても、６０％の混合攪拌が行なわれるのである。つまり、第１孔部１ａと第２孔部２ａが１００％交差しても、十分なる混合攪拌が行なわれるように設計しておけば、交叉面積を０％〜１００％に変化させても、十分なる混合攪拌を与えながら、同時に圧力損失を適性値に調整することが可能となる。
【００４７】
図６は、複数のユニットを積層した組立体の構成図である。この図では３組のユニットを積層して組立体５を構成しているが、例えば５層でもよいし、その他任意の個数の積層が可能である。ピン孔２ｄに連通するピン孔１ｄが必ず存在するから、左右の連通孔４にピン６ａ、６ａを挿通して、エレメント１、２の回転を不能にして組立体５を一体化する。
【００４８】
この組立体５を静止型混合攪拌装置６として使用することもできる。この組立体５はユニット３を積層して構成されたから、その積層数をｎとすると、エレメント枚数は２×ｎになる。しかし、ユニット３を適当数だけ積層して、その端面に第１エレメント１を１枚だけ積層することも可能であり、この場合にはエレメント数は２×ｎ＋１となる。この組立体５も本発明の混合攪拌装置６を構成する事はいうまでもない。物質流は大開口部１ｂから矢印ａ方向に供給され、小開口部２ｃから流出する。
【００４９】
図７は、組立体をケース内に装填した混合攪拌装置の断面図である。組立体５だけでも混合攪拌装置６を構成するが、通常は、この組立体５をケースの中に装填して混合攪拌装置６を構成する。ケースの構造には種々のものがあり、図７では第１ケース体７と第２ケース体８によってケースが構成されている。
【００５０】
即ち、第１ケース体７の収納部７ｂと第２ケース体８の収納部８ｂの中に組立体５を装填し、前後の段部７ａ、８ａで組立体５を狭持し、中間の接合部を半割型締付金具９ａ、９ｂで締め付けて固定する。このようにして混合攪拌装置６が構成される。
【００５１】
この混合攪拌装置６を流体を循環させる配管の途中に接続し、この配管内に流体を流すと、混合攪拌装置６の中で流体は強力に混合攪拌される。相対回転角度を変化させてピン６ａ、６ａで固定すると、混合攪拌性能が自在に調整される。物質流の種類や流速、供給圧力、流体温度などに応じて混合攪拌性能を適正に調整しながら、物質流の混合攪拌を実現する事ができる。物質流は矢印ａ方向に供給され、混合された物質流が矢印ｂ方向へと流出してゆく。
【００５２】
【実施例】
図８は、物質流による混合攪拌装置の圧力損失を測定するための実験装置図である。この実験装置は、配管１０、循環ポンプ１１、流量計１２、貯蔵タンク１７、熱交換器１３、本発明の混合攪拌装置６及びガス供給部１６から構成され、混合攪拌装置６の入口側及び出口側に圧力計１４、１５を設置した。なお、流体は矢印ｃ方向に流通する。
【００５３】
混合攪拌装置６では、第１エレメント１と第２エレメント２を０°、２２．５°及び４５°の３種類の相対回転させた場合について、実験を行なった。第１エレメント１と第２エレメント２の直径は３５ｍｍで、第１エレメントの孔数は５孔、第２エレメント２の孔数は４孔である。第１孔部１ａと第２孔部２ａの大開口部１ｂ・２ｂの直径は９ｍｍで、小開口部１ｃ・２ｃの直径は６．８ｍｍである。また、ユニットの積層段数は３ユニットとした。
【００５４】
[実施例１：２２．５°回転位置：交差面積約５０％]
実験は次のように実施した。８０％のアクリル酸水溶液４．１７ｋｇに３５％の水酸化ナトリウム水溶液５．１３ｋｇとイオン交換水１．８９ｋｇを添加して原料水溶液１１．１９ｋｇを調製し、５０Ｌの貯蔵タンク１２に仕込んだ。次いで、ガス供給部１６により６Ｎｍ3／ｈの空気を混合攪拌装置の入口側に供給し、流量計１２で計測しながらポンプ動力を調製し、循環流量を１４００Ｌ／ｈに設定した。
【００５５】
循環開始から１０分経過した後、３５％の亜硫酸水素ナトリウム水溶液１．３８ｋｇを貯蔵タンク１７に一括投入し、重合反応を開始した。重合開始１０分後、重合率９９．７％ポリアクリル酸ナトリウム水溶液を得た。そのとき、混合攪拌装置６の入口側圧力計１４はＰ1＝０．２５ＭＰａ、出口側圧力計１５はＰ2＝０．１４ＭＰａを示し、圧力損失ΔＰはΔＰ＝Ｐ1−Ｐ2＝０．１１ＭＰａであった。なお、重合率は高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）により測定した。
【００５６】
[実施例２：４５°回転位置：交差面積約１００％]
第１エレメント１と第２エレメント２を４５°だけ相対回転変位させて混合攪拌装置６を構成した。これ以外は実施例１と全く同様の操作を行なった結果、重合開始１０分後、重合率は９９．８％のポリアクリル酸ナトリウム水溶液を得た。その時の混合攪拌装置６の入口側圧力計１４はＰ1＝０．１９ＭＰａ、出口側圧力計１５はＰ2＝０．１３ＭＰａを示し、圧力損失ΔＰはΔＰ＝Ｐ1−Ｐ2＝０．０６ＭＰａであった。
【００５７】
[実施例３：０°回転位置（回転なし）：交差面積約０％]
第１エレメント１と第２エレメント２を相対回転させないで混合攪拌装置６を構成した。これを０°回転位置とする。これ以外は実施例１と全く同様の操作を行なった結果、重合開始１０分後、重合率は９９．８％のポリアクリル酸ナトリウム水溶液を得た。その時の混合攪拌装置６の入口側圧力計１４はＰ1＝０．２９ＭＰａ、出口側圧力計１５はＰ2＝０．１２ＭＰａを示し、圧力損失ΔＰはΔＰ＝Ｐ1−Ｐ2＝０．１７ＭＰａであった。
【００５８】
実施例１〜実施例３までの結果を表１に纏める。
＜表１＞回転角度と圧力損失と重合率の関係
Ｎｏ 回転角度 交叉面積 圧力損失 重合率
実施例１ 22.5° 約50％ 0.11Mpa 99.7％
実施例２ 45° 約100％ 0.06MPa 99.8％
実施例３ 0° 約0％ 0.17Mpa 99.8％
【００５９】
表1から分かるように、交叉面積が小さいほど圧力損失が大きくなることが理解される。しかし、重合率は交叉面積とは関係がない結果が得られている。これは、前述したように、第1エレメント１も第２エレメント２においても、孔部が形成されていない衝突面がかなり大面積に存在していることを意味する。
【００６０】
この衝突面に原料となる気液の混相流が衝突すると、入射流は反射流へと転じ、この反射流と入射流の間でかなり大きな衝突攪拌が発生する。そのため交叉面積の大小によらない重合率になったと考えられる。
【００６１】
図９は、図８の装置により得られた圧力損失のデータ図である。縦軸は圧力損失（ＭＰａ）を示し、横軸は平均線流速（m／s）を与えている。０°回転（回転無し）が最大の圧力損失を示し、２２．５°回転が中間の圧力損失を与え、４５°回転が最小の圧力損失になっている。使用した流体は４０％ポリアクリル酸ナトリウム水溶液で、同液の粘度は、２０℃で６００mPa・s、３０℃で４００mPa・s、４０℃で２５０mPa・sであった。
【００６２】
また、液体の温度が高くなると圧力損失が低下することが分かる。温度が高くなるに従って、液体の粘性が低下し、圧力損失が低下したと考えられる。
【００６３】
図１０は第１エレメントと第２エレメントの第２実施形態の概略説明図である。第１孔部１ａと第２孔部２ａの形状が四角錘台形になっている点が特徴である。その他の構造は第１実施形態と同様であるから、その説明を省略する。このように錘台形の形状であれば、円錐台形と同様に、本発明の効果を発揮できる。その他の錘台形状も利用できることは云うまでもない。
【００６４】
図１１は、第１エレメントと第２エレメントの第３実施形態の概略説明図である。第１孔部１ａと第２孔部２ａの形状は円錐台形であるが、この実施形態では第１実施形態と比べて多数の孔部が形成されている点が特徴となっている。他の構造は第１実施形態と同様であるから、その説明を省略する。このように多数の孔部を形成しても、回転により交叉面積が変化し、圧力損失を自在に調整できることは第１実施形態と同様である。
【００６５】
図１２は、第１エレメント又は第２エレメントの第４実施形態の概略断面図である。この実施形態では、第１エレメント１の第１孔部１ａの断面形状、或いは第２エレメント２の第２孔部２ａの断面形状は砂時計型に形成されている。即ち、その断面形状は入口側開口部１ｅ（２ｅ）と出口側開口部１ｆ（２ｆ）が同程度の大開口部となっており、中間部に小開口面積の中間開口部１ｇ（２ｇ）が形成されている。この場合でも、２枚のエレメントの相対回転により第１孔部と第２孔部の交叉面積を可変に調整できる。
【００６６】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例や設計変更をその技術的範囲内に包含するものであることは云うまでもない。
【００６７】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、第１エレメントと第２エレメントを相対回転させることにより、第1孔部と第２孔部の交叉面積を変化させることができ、しかもその交叉面積を固定できるから、その結果流体抵抗の変化を通して物質流の圧力損失や流速を自在に変化させる事が可能となる。この調整自在性によって、反応装置や物質流の種類や温度や圧力や流速に応じて、物質流を所望の混合攪拌性能に調整することができる。
【００６８】
請求項２の発明によれば、第1エレメントと第２エレメントを適当角度だけ相対回転させて重ね孔部の交叉面積を所望値に設定したユニットを単位とし、このユニットを所望数だけ積層する事により、反応装置や物質流の種類や温度や圧力や流速に応じて、物質流を所望の混合攪拌性能に調整することができる混合攪拌装置を提供する。
【００６９】
請求項３の発明によれば、ピン孔とピンの機構を使用して、第１エレメントと第２エレメントを所望の相対角度だけ変位させて固定でき、ワンタッチ操作で任意の混合攪拌性能に調整できる混合攪拌装置を実現できる。
【００７０】
請求項４の発明によれば、第１エレメントと第２エレメントの一方の周縁に１個のピン孔を穿設し、他方のエレメントの周縁に複数のピン孔を円周方向に穿設するから、相対回転させた後のピン孔の合致の確認が容易であり、この合致したピン孔にピンを容易に挿通できる混合攪拌装置を提供できる。
【００７１】
請求項５の発明によれば、第１孔部と第２孔部を錐台形に形成し、大開口部から小開口部に向かって物質流を流通させる構成にするから、物質流の流通が円滑になり、しかも小開口部から物質流が流出するから高速流の状態で混合攪拌され、混合攪拌が極めて迅速でしかも渦流状態で生起し、十分な混合攪拌を行なう混合攪拌装置を市場に提供できる。
【００７２】
請求項６の発明によれば、第１孔部と第２孔部を円錐台形又は角錐台形に形成するから、加工が容易でありしかも安価に形成できるから、実用的な混合攪拌装置を提供することができる。
本発明は上述の通り、優れた実用的効用を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いられる第１エレメントの第１実施形態の概略説明図である。
【図２】本発明に用いられる第２エレメントの第１実施形態の概略説明図である。
【図３】第１エレメントと第２エレメントを０°位置で重ねたユニットの概略説明図である。
【図４】第１エレメントと第２エレメントを２２．５°の相対回転位置で重ねたユニットの概略説明図である。
【図５】第１エレメントと第２エレメントを４５°相対回転位置で重ねたユニットの概略説明図である。
【図６】複数のユニットを積層した組立体の構成図である。
【図７】組立体をケース内に装填した混合攪拌装置の断面図である。
【図８】物質流の圧力損失を測定する実験装置図である。
【図９】図８の装置により得られた圧力損失のデータ図である。
【図１０】第１エレメントと第２エレメントの第２実施形態の概略説明図である。
【図１１】第１エレメントと第２エレメントの第３実施形態の概略説明図である。
【図１２】第１エレメント又は第２エレメントの第４実施形態の概略断面図である。
【符号の説明】
１は第１エレメント、１ａは第１孔部、１ｂは大開口部、１ｃは小開口部、１ｄはピン孔、１ｅは入口側開口部、１ｆは出口側開口部、１ｇは中間開口部、２は第２エレメント、２ａは第２孔部、２ｂは大開口部、２ｃは小開口部、２ｄはピン孔、２ｅは入口側開口部、２ｆは出口側開口部、２ｇは中間開口部、３はユニット、４は連通孔、５は組立体、６は混合攪拌装置、６ａはピン、７は第１ケース体、７ａは段部、７ｂは収納部、８は第２ケース体、８ａは段部、８ｂは収納部、９ａ・９ｂは半割型締付金具、１０は配管、１１は循環ポンプ、１２は流量計、１３は熱交換器、１４は入口側圧力計、１５は出口側圧力計、１６はガス供給部、１７は貯蔵タンク、Ｐ1・ＰIは入口側圧力、Ｐ2は出口側圧力、ＰSは小さな出口側圧力、ＰMは中間出口側圧力、ＰLは大出口側圧力。
【発明の属する技術分野】
本発明は可動部を有さないで物質流を混合できる静止型混合攪拌装置の改良に関し、更に詳細には、圧力損失を可変調整できる混合攪拌装置に関し、化学関係や薬品関係、食品関係、塗料関係、製紙関係等のプラントにおいて主に利用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、静止型混合攪拌装置とは、機械的動力を用いることなく物質流体を混合攪拌できる装置を云い、気体―気体、気体―液体、液体―液体、固体―液体などのように、複数の物質流体を混合攪拌して、物質流体間の化学反応を促進させたり、一様な混合流体を形成したりする装置である。
【０００３】
従来、この種の静止型混合攪拌装置として、水平流を上下２方向に分流する第１エレメントと、垂直流を左右２方向に分流する第２エレメントを用意し、この第１エレメントと第２エレメントを交互にｎ個直列接続することにより、１本の物質流を２n本の物質流に分流して混合攪拌する装置が知られていた。
【０００４】
この静止型混合攪拌装置では、１本の物質流を２n本の物質流にまで分流できる利点を有する。しかし、近年の分子科学の進歩は、分子を一個一個のレベルで制御する必要性に迫られており、よりミクロな混合攪拌が要求されてきている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この従来技術を改良するため、本発明者等は特開２０００−２５４４６９の発明を公開している。この発明では、１本の物質流をｍ×４n本にまで分流する技術を提案している。
【０００６】
まず、第１エレメントにｍ個の錘台形の第１孔部を穿設し、同時に第２エレメントにもｍ個の錘台形の第２孔部を穿設する。第１孔部と第２孔部は一端に大開口部を他端に小開口部を有した錘台形に形成され、第１孔部の小開口部が４個の第２孔部の大開口部に接触するように両エレメントを重ね合わせる。
【０００７】
つまり、小開口部から出た物質流は４個の大開口部に分流するように、第１孔部と第２孔部の配置パターンが構成されている。従って、ｎ個のエレメントにより４n本に分流されるから、ｍ個の孔部の存在により、一本の物質流はｍ×４n本にまで分流されることになる。前述した従来例と比較すると、分流倍率はｍ×４n／２n＝ｍ×２nになり、混合攪拌性能が格段に向上していることが分かる。
【０００８】
しかし、この静止型混合攪拌装置においては、第１孔部の小開口部を４個の第２孔部の大開口部に接触するように第１エレメントと第２エレメントを重ね合わせ、しかもｍ個の孔部についてこの関係を満足させるために、両エレメントの重ね合わせ位置は唯一１箇所しか存在しない。
【０００９】
即ち、この従来技術は、両エレメントの唯一の重ね合わせ位置においてｍ×４nの分流化を達成できる内容であり、幅広い混合攪拌操作を行なう観点からはその構造が限定された静止型混合攪拌装置であると云うことができる。
【００１０】
しかし、実際には、混合攪拌性能を自在に調整できる柔軟な構造の混合攪拌装置が要望されている。混合攪拌性能を調整するには、分流本数を変化させるという考え方から転換する必要がある。
【００１１】
従がって、本発明は、第１エレメントと第２エレメントを交互に積層する従来の構造形式を踏襲しながら、物質流の混合攪拌性能を自在に調整できる混合攪拌装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、複数個の第１孔部を所定パターンに穿設したディスク型の第１エレメントと、複数個の第２孔部を所定パターンに穿設したディスク型の第２エレメントを用意し、この第1エレメントと第２エレメントを交互に複数個積層して組立体を構成し、この組立体の内部に物質流を流通させて物質流を混合攪拌する混合攪拌装置において、前記第１孔部と第２孔部の交叉面積を変化させるために第１エレメントと第２エレメントを軸心の周りに相対的に所望角度だけ回転変位できるようにし、所望の相対回転角度において両エレメントを回転不能に一体化することを特徴とする混合攪拌装置である。前記第１孔部と第２孔部は同一形状でも異なった形状でもよく、また第１孔部の配置パターンと第２孔部の配置パターンは同一でも異なっていてもよい。
【００１３】
請求項２の発明は、複数個の第１孔部を所定パターンに穿設したディスク型の第１エレメントと、複数個の第２孔部を所定パターンに穿設したディスク型の第２エレメントを用意し、この第1エレメントと第２エレメントを重ねてユニットを形成し、第１エレメントと第２エレメントが交互に反復するように前記ユニットを複数段積層して組立体を構成し、この組立体の内部に物質流を流通させて物質流を混合攪拌する混合攪拌装置において、前記第１孔部と第２孔部の交叉面積を変化させるために第１エレメントと第２エレメントを軸心の周りに相対的に所望角度だけ回転変位できるようにし、所望の相対回転角度において両エレメントを回転不能に一体化することを特徴とする混合攪拌装置である。同様に、前記第１孔部と第２孔部は同一形状でも異なった形状でもよく、また第１孔部の配置パターンと第２孔部の配置パターンは同一でも異なっていてもよい。
【００１４】
請求項３の発明は、前記第１エレメントと第２エレメントを同形の円板に形成し、第１エレメントと第２エレメントの周縁近傍にピン孔を穿設し、第１エレメントと第２エレメントを相対的に所望角度だけ回転変位させて両エレメントの合致連通したピン孔により回転角度が分かるように構成され、この合致連通したピン孔にピンを挿通して両エレメントの回転を不能にし、しかも前記組立体を前記ピンにより一体化した請求項１又は２に記載の混合攪拌装置である。
【００１５】
請求項４の発明は、前記第１エレメントと第２エレメントの一方の周縁に１個のピン孔を穿設し、他方のエレメントの周縁に複数のピン穴を円周方向に穿設した請求項３に記載の混合攪拌装置である。
【００１６】
請求項５の発明は、前記第１孔部と第２孔部は錐台形に形成され、第１孔部の出口部が第２孔部の入口部と接触して交叉面積を形成するように第１エレメントと第２エレメントを重ね、物質流を流通させる請求項１又は２に記載の混合攪拌装置である。
【００１７】
請求項６の発明は、前記錐台形は円錐台形又は角錐台形である請求項５に記載の混合攪拌装置である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、第１孔部を有する第１エレメントと第２孔部を有する第２エレメントを相互に重ね合わせて混合攪拌性能を調整できる構造につき鋭意研究した結果、第１孔部と第２孔部が重なって形成される交叉面積を変化させることによって、物質流の混合攪拌性能を調整できるのではないかと想到するに到った。
【００１９】
第１孔部と第２孔部が完全に重なった場合には、その交叉面積は１００％となり、この場合には孔部を通過する物質流にはほとんど抵抗は作用せず、物質粒子は直進する。従がって、この抵抗力が弱い分だけ、粒子相互の混合攪拌性能は低くなると考えられる。他方、両エレメントには孔部以外の壁面があり、この壁面が物質流に対する抵抗として作用し、壁面との衝突によって物質流は混合攪拌される。
【００２０】
第１孔部と第２孔部の位置を相互にずらせた場合には、その交叉面積は例えば５０％に低下する。このとき、物質流は大きな抵抗を受け、小さな交叉開口部から噴き出すために、物質流同士の相互撹乱が生じ、混合攪拌性能が増大すると考えられる。
【００２１】
このように、両エレメントにおいて第１孔部と第２孔部の交叉面積を可変にすることによって、物質流に対する抵抗力を変化させることができ、即ち物質流の混合攪拌性能を調整することが可能になる。
【００２２】
前記交叉面積を変化させるには、第１エレメントと第２エレメントを重ね合わせるときに、両エレメントをその軸心の周りに相互に回転可能にし、第１エレメントと第２エレメントの間を相対的に回転ずれが生じる構造、即ち相互に回転変位できる構造にすればよい。本発明はこの着眼点から完成されたものである。両エレメントを同形の円板に形成すれば、この回転変位も容易に設定できる。
以下に、本発明に係る混合攪拌装置の実施形態を図面に従がって詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明に用いられる第１エレメントの第１実施形態の概略説明図である。（Ａ）は第１エレメント１の斜視図であり、十字状に５個の円錐台形の第１孔部１ａが穿設されている。円錐台形であるため、一端側は大開口部１ｂとなり、他端側は小開口部１ｃとなっている。周縁には３個のピン孔１ｄが穿孔され、左右に一対形成されている。
【００２４】
（Ｂ）は第１エレメント１の左正面図であり、大開口部１ｂの中に小開口部１ｃが見えている。大開口部１ｂは表面側に位置し、小開口部１ｃは裏面側に位置している。３個のピン孔１ｄ、１ｄ、１ｄは、水平位置（０°位置）と２２．５°位置と４５°位置に存在する。
【００２５】
回転角を０°〜４５°の範囲に設定した理由は、第1孔部１ａの配置パターンが十字配置であるため、９０°回転で同一配置に戻るから、最大の回転変位（回転ずれ）は４５°になるからである。０°〜４５°の中に更に多数のピン孔１ｄを形成してもよく、ピン孔が多いほど混合攪拌性能は多段階に調整することが可能になる。また、回転範囲は第１孔部の配置パターンに依存することは云うまでもない。
【００２６】
（Ｃ）は、（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。第１孔部１ａが円錐台形であることが明瞭に理解できる。図面の左側から右側に行くに従がって、第１孔部１ａは直線状に縮径してゆくが、曲線を描いてもよい。また、円錐台形といっても、真円であるだけでなく、変形円や多角形をも包含する。
【００２７】
図２は、本発明に用いられる第２エレメントの第１実施形態の概略説明図である。（Ａ）は第２エレメント２の斜視図であり、正方形状に４個の円錐台形の第２孔部２ａが穿設されている。前記第１孔部１ａと同様に、第２孔部２ａは円錐台形であるため、一端側は大開口部２ｂとなり、他端側は小開口部２ｃとなっている。周縁には１個のピン孔２ｄが水平位置（０°位置）に穿孔され、左右に一対形成されている。
【００２８】
（Ｂ）は第２エレメント２の左正面図であり、大開口部２ｂの中に小開口部２ｃが見える。大開口部２ｂは表面側に位置し、小開口部２ｃは裏面側に位置している。この第２エレメント２のピン孔２ｄは水平位置に１個であるが、このピン孔２ｄを基準にして第１エレメント１の３個のピン孔１ｄを回転配置させることになる。
【００２９】
（Ｃ）は、（Ｂ）のＢ−Ｂ線折曲断面図である。第２孔部２ａが円錐台形であることが明瞭に理解できる。図面の左側から右側に行くに従がって、第１孔部２ａは直線状に縮径してゆくが、曲線を描いてもよい。また、円錐台形といっても、真円であるだけでなく変形円や多角形であってもよいことは勿論である。
【００３０】
図３は、第１エレメントと第２エレメントを０°位置で重ねたユニットの概略説明図である。（Ａ）は正面図であり、０°位置（水平位置）にあるピン孔１ｄとピン孔２ｄが連通孔４を形成するように、第１エレメント１と第２エレメント２を重ねてユニット３を構成する。このとき、実線で表す十字配置の第１孔部１ａ・・と破線で表す正方形配置の第２孔部２ａ・・とが（Ａ）に示されるような位置関係になる。
【００３１】
（Ｂ）はＣ−Ｃ線折曲断面図である。この位置関係では、第１孔部１ａの小開口部１ｃは第２孔部２ａの大開口部２ｂとほとんど重なっていないため、Ｃ−Ｃ線の直線断面図では重なりが表現できない。そこで、Ｃ−Ｃ線の折曲断面図を用いることによって、両孔部１ａ、２ａの微小な交叉を示す。この位置関係では、その交叉面積は極めて小さいことは云うまでもない。
【００３２】
この位置関係で、物質流が第１孔部１ａの大開口部１ｂに流入した場合、物質流は第２孔部２ａを通過することが難しく、小量の物質流が通り抜けるだけである。従がって、入口側圧力ＰIが大きいのに対して、出口側圧力は極めて小さく、小さな出口側圧力ＰSが得られるに過ぎない。圧力差ＰI−ＰSは圧力損失（圧損、Pressure Loss）と呼ばれる。
【００３３】
このように交叉面積が小さいと、物質流は大きな混合攪拌を受け、この混合攪拌過程の中で物質流を構成する物質粒子は衝突し、化学反応を行なう物質種に関しては化学反応が促進されると考えられる。そして通過する物質量が一定となるように操作した場合は圧力損失が大きくなる。また、圧力が一定となるように操作した場合は、通過する物質流が少ないため、化学反応等によって一定量の生成物を得るためには時間が掛かる。
【００３４】
図４は、第１エレメントと第２エレメントを２２．５°の相対回転位置で重ねたユニットの概略説明図である。（Ａ）は正面図であり、２２．５°位置にあるピン孔１ｄと水平位置にあるピン孔２ｄが合致するように、第１エレメント１を第２エレメント２に対し２２．５°だけ時計方向に回転して両エレメント１、２を重ね合わせ、ユニット３を構成する。
【００３５】
従がって、実線で表す十字配置の第１孔部１ａ・・と破線で表す正方形配置の第２孔部２ａ・・とが（Ａ）に示されるような位置関係になる。第１孔部１ａと第２孔部２ａとの交叉面積は約５０％であり、図３（Ａ）よりも増大している事が分かる。即ち、第１孔部１ａの小開口部１ｃが第２孔部２ａの大開口部２ｂとかなり交叉するため、第１孔部１ａから第２孔部２ａへ通過する物質流は相当程度増大する。
【００３６】
（Ｂ）はＤ−Ｄ線断面図である。Ｄ−Ｄ線位置においては第１エレメント１のピン孔１ｄは第２エレメント２のピン孔とは連通していない。しかし、（Ａ）から分かるように、第２エレメント２のピン孔２ｄは第１エレメント１の２２．５°位置にあるピン孔１ｄと連通し、この位置で連通孔４を形成する。
【００３７】
この交叉面積が約５０％の位置関係では、物質流が第１孔部１ａの大開口部１ｂに流入した場合、物質流は５０％の交叉面積を通して第２孔部２ａを通過し、中間量の物質流が通り抜けてゆく。従がって、入口側圧力ＰIに対して、出口側圧力も比較的大きくなり、中間出口側圧力ＰMが得られる。つまり、圧力損失ＰI−ＰMは図３（Ｂ）と比べてかなり小さくなる事が分かる。
【００３８】
このように交叉面積が約５０％位になると、半量の物質流は壁面で反射されるから物質流はかなりの混合攪拌を受け、物質粒子同士の反応は促進される。また、半量の物質流は交叉面積を通過してゆくから、混合攪拌性能は約５０％と大雑把に見積もる事ができる。換言すれば、この交叉状態では、物質流は混合攪拌を受けながら、同時に大きな圧力損失を生じないで流通すると考えられる。
【００３９】
図５は、第１エレメントと第２エレメントを４５°相対回転位置で重ねたユニットの概略説明図である。（Ａ）は正面図であり、４５°位置にあるピン孔１ｄと水平位置にあるピン孔２ｄが合致するように、第１エレメント１を第２エレメント２に対し４５°だけ時計方向に回転して両エレメント１、２を重ね合わせ、ユニット３を構成する。
【００４０】
従がって、実線で表す十字配置の第１孔部１ａ・・と破線で表す正方形配置の第２孔部２ａ・・とが（Ａ）に示されるような位置関係になる。この状態では、第１孔部１ａと第２孔部２ａとの交叉面積は最大の１００％に達することが分かる。即ち、第１孔部１ａの小開口部１ｃのほとんどが第２孔部２ａの大開口部２ｂと交叉するため、第１孔部１ａから第２孔部２ａへ通過する物質流は最大量にまで増大する。
【００４１】
（Ｂ）はＥ−Ｅ線断面図である。Ｅ−Ｅ線位置においては第１エレメント１のピン孔１ｄは第２エレメント２のピン孔とは連通していない。しかし、（Ａ）から分かるように、第２エレメント２のピン孔２ｄは第１エレメント１の４５°位置にあるピン孔１ｄと連通し、この位置で連通孔４を形成する。
【００４２】
この交叉面積が約１００％の位置関係では、物質流が第１孔部１ａの大開口部１ｂに流入した場合、物質流は１００％の交叉面積を通して第２孔部２ａを通過し、全量の物質流が通り抜けてゆく。従がって、入口側圧力ＰIに対して、出口側圧力も最大に達し、最大出口側圧力ＰLが得られる。つまり、圧力損失ＰI−ＰLも最小になることが分かる。
【００４３】
このように交叉面積が約１００％位になると、物質流は孔部以外の壁面で適度の混合攪拌を受けながら、物質流の全量が第１孔部１ａと第２孔部２ａを通過してゆく。しかし、交叉面積が約５０％の図４と比較すると、混合攪拌性能は低下すると考えられる。
【００４４】
しかし、混合攪拌性能は交叉面積だけで決定されるものではない。第１エレメント１も第２エレメント２も孔部を有するが、孔部の開口面積はエレメントの全面積の一部に過ぎない。物質流は孔部が形成されていない壁面とは衝突するから、この衝突によって当然に混合攪拌される。
【００４５】
両エレメント１、２の面積を１００％とするとき、仮に孔部の全開口面積を４０％とすると、残りの衝突壁面は６０％になる。孔部１ａ、２ａの交差によって、孔部の開口面積は４０％〜０％にまで変化する。従がって、物質流が衝突する壁面の面積は６０％（１００％交叉のとき）〜１００％（０％交叉のとき）に変化する。
【００４６】
物質流の衝突断面積が混合攪拌性能を与えると考えると、この場合には混合攪拌性能は６０％〜１００％の範囲で変化すると考えられる。従がって、１００％の交叉面積においても、６０％の混合攪拌が行なわれるのである。つまり、第１孔部１ａと第２孔部２ａが１００％交差しても、十分なる混合攪拌が行なわれるように設計しておけば、交叉面積を０％〜１００％に変化させても、十分なる混合攪拌を与えながら、同時に圧力損失を適性値に調整することが可能となる。
【００４７】
図６は、複数のユニットを積層した組立体の構成図である。この図では３組のユニットを積層して組立体５を構成しているが、例えば５層でもよいし、その他任意の個数の積層が可能である。ピン孔２ｄに連通するピン孔１ｄが必ず存在するから、左右の連通孔４にピン６ａ、６ａを挿通して、エレメント１、２の回転を不能にして組立体５を一体化する。
【００４８】
この組立体５を静止型混合攪拌装置６として使用することもできる。この組立体５はユニット３を積層して構成されたから、その積層数をｎとすると、エレメント枚数は２×ｎになる。しかし、ユニット３を適当数だけ積層して、その端面に第１エレメント１を１枚だけ積層することも可能であり、この場合にはエレメント数は２×ｎ＋１となる。この組立体５も本発明の混合攪拌装置６を構成する事はいうまでもない。物質流は大開口部１ｂから矢印ａ方向に供給され、小開口部２ｃから流出する。
【００４９】
図７は、組立体をケース内に装填した混合攪拌装置の断面図である。組立体５だけでも混合攪拌装置６を構成するが、通常は、この組立体５をケースの中に装填して混合攪拌装置６を構成する。ケースの構造には種々のものがあり、図７では第１ケース体７と第２ケース体８によってケースが構成されている。
【００５０】
即ち、第１ケース体７の収納部７ｂと第２ケース体８の収納部８ｂの中に組立体５を装填し、前後の段部７ａ、８ａで組立体５を狭持し、中間の接合部を半割型締付金具９ａ、９ｂで締め付けて固定する。このようにして混合攪拌装置６が構成される。
【００５１】
この混合攪拌装置６を流体を循環させる配管の途中に接続し、この配管内に流体を流すと、混合攪拌装置６の中で流体は強力に混合攪拌される。相対回転角度を変化させてピン６ａ、６ａで固定すると、混合攪拌性能が自在に調整される。物質流の種類や流速、供給圧力、流体温度などに応じて混合攪拌性能を適正に調整しながら、物質流の混合攪拌を実現する事ができる。物質流は矢印ａ方向に供給され、混合された物質流が矢印ｂ方向へと流出してゆく。
【００５２】
【実施例】
図８は、物質流による混合攪拌装置の圧力損失を測定するための実験装置図である。この実験装置は、配管１０、循環ポンプ１１、流量計１２、貯蔵タンク１７、熱交換器１３、本発明の混合攪拌装置６及びガス供給部１６から構成され、混合攪拌装置６の入口側及び出口側に圧力計１４、１５を設置した。なお、流体は矢印ｃ方向に流通する。
【００５３】
混合攪拌装置６では、第１エレメント１と第２エレメント２を０°、２２．５°及び４５°の３種類の相対回転させた場合について、実験を行なった。第１エレメント１と第２エレメント２の直径は３５ｍｍで、第１エレメントの孔数は５孔、第２エレメント２の孔数は４孔である。第１孔部１ａと第２孔部２ａの大開口部１ｂ・２ｂの直径は９ｍｍで、小開口部１ｃ・２ｃの直径は６．８ｍｍである。また、ユニットの積層段数は３ユニットとした。
【００５４】
[実施例１：２２．５°回転位置：交差面積約５０％]
実験は次のように実施した。８０％のアクリル酸水溶液４．１７ｋｇに３５％の水酸化ナトリウム水溶液５．１３ｋｇとイオン交換水１．８９ｋｇを添加して原料水溶液１１．１９ｋｇを調製し、５０Ｌの貯蔵タンク１２に仕込んだ。次いで、ガス供給部１６により６Ｎｍ3／ｈの空気を混合攪拌装置の入口側に供給し、流量計１２で計測しながらポンプ動力を調製し、循環流量を１４００Ｌ／ｈに設定した。
【００５５】
循環開始から１０分経過した後、３５％の亜硫酸水素ナトリウム水溶液１．３８ｋｇを貯蔵タンク１７に一括投入し、重合反応を開始した。重合開始１０分後、重合率９９．７％ポリアクリル酸ナトリウム水溶液を得た。そのとき、混合攪拌装置６の入口側圧力計１４はＰ1＝０．２５ＭＰａ、出口側圧力計１５はＰ2＝０．１４ＭＰａを示し、圧力損失ΔＰはΔＰ＝Ｐ1−Ｐ2＝０．１１ＭＰａであった。なお、重合率は高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）により測定した。
【００５６】
[実施例２：４５°回転位置：交差面積約１００％]
第１エレメント１と第２エレメント２を４５°だけ相対回転変位させて混合攪拌装置６を構成した。これ以外は実施例１と全く同様の操作を行なった結果、重合開始１０分後、重合率は９９．８％のポリアクリル酸ナトリウム水溶液を得た。その時の混合攪拌装置６の入口側圧力計１４はＰ1＝０．１９ＭＰａ、出口側圧力計１５はＰ2＝０．１３ＭＰａを示し、圧力損失ΔＰはΔＰ＝Ｐ1−Ｐ2＝０．０６ＭＰａであった。
【００５７】
[実施例３：０°回転位置（回転なし）：交差面積約０％]
第１エレメント１と第２エレメント２を相対回転させないで混合攪拌装置６を構成した。これを０°回転位置とする。これ以外は実施例１と全く同様の操作を行なった結果、重合開始１０分後、重合率は９９．８％のポリアクリル酸ナトリウム水溶液を得た。その時の混合攪拌装置６の入口側圧力計１４はＰ1＝０．２９ＭＰａ、出口側圧力計１５はＰ2＝０．１２ＭＰａを示し、圧力損失ΔＰはΔＰ＝Ｐ1−Ｐ2＝０．１７ＭＰａであった。
【００５８】
実施例１〜実施例３までの結果を表１に纏める。
＜表１＞回転角度と圧力損失と重合率の関係
Ｎｏ 回転角度 交叉面積 圧力損失 重合率
実施例１ 22.5° 約50％ 0.11Mpa 99.7％
実施例２ 45° 約100％ 0.06MPa 99.8％
実施例３ 0° 約0％ 0.17Mpa 99.8％
【００５９】
表1から分かるように、交叉面積が小さいほど圧力損失が大きくなることが理解される。しかし、重合率は交叉面積とは関係がない結果が得られている。これは、前述したように、第1エレメント１も第２エレメント２においても、孔部が形成されていない衝突面がかなり大面積に存在していることを意味する。
【００６０】
この衝突面に原料となる気液の混相流が衝突すると、入射流は反射流へと転じ、この反射流と入射流の間でかなり大きな衝突攪拌が発生する。そのため交叉面積の大小によらない重合率になったと考えられる。
【００６１】
図９は、図８の装置により得られた圧力損失のデータ図である。縦軸は圧力損失（ＭＰａ）を示し、横軸は平均線流速（m／s）を与えている。０°回転（回転無し）が最大の圧力損失を示し、２２．５°回転が中間の圧力損失を与え、４５°回転が最小の圧力損失になっている。使用した流体は４０％ポリアクリル酸ナトリウム水溶液で、同液の粘度は、２０℃で６００mPa・s、３０℃で４００mPa・s、４０℃で２５０mPa・sであった。
【００６２】
また、液体の温度が高くなると圧力損失が低下することが分かる。温度が高くなるに従って、液体の粘性が低下し、圧力損失が低下したと考えられる。
【００６３】
図１０は第１エレメントと第２エレメントの第２実施形態の概略説明図である。第１孔部１ａと第２孔部２ａの形状が四角錘台形になっている点が特徴である。その他の構造は第１実施形態と同様であるから、その説明を省略する。このように錘台形の形状であれば、円錐台形と同様に、本発明の効果を発揮できる。その他の錘台形状も利用できることは云うまでもない。
【００６４】
図１１は、第１エレメントと第２エレメントの第３実施形態の概略説明図である。第１孔部１ａと第２孔部２ａの形状は円錐台形であるが、この実施形態では第１実施形態と比べて多数の孔部が形成されている点が特徴となっている。他の構造は第１実施形態と同様であるから、その説明を省略する。このように多数の孔部を形成しても、回転により交叉面積が変化し、圧力損失を自在に調整できることは第１実施形態と同様である。
【００６５】
図１２は、第１エレメント又は第２エレメントの第４実施形態の概略断面図である。この実施形態では、第１エレメント１の第１孔部１ａの断面形状、或いは第２エレメント２の第２孔部２ａの断面形状は砂時計型に形成されている。即ち、その断面形状は入口側開口部１ｅ（２ｅ）と出口側開口部１ｆ（２ｆ）が同程度の大開口部となっており、中間部に小開口面積の中間開口部１ｇ（２ｇ）が形成されている。この場合でも、２枚のエレメントの相対回転により第１孔部と第２孔部の交叉面積を可変に調整できる。
【００６６】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例や設計変更をその技術的範囲内に包含するものであることは云うまでもない。
【００６７】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、第１エレメントと第２エレメントを相対回転させることにより、第1孔部と第２孔部の交叉面積を変化させることができ、しかもその交叉面積を固定できるから、その結果流体抵抗の変化を通して物質流の圧力損失や流速を自在に変化させる事が可能となる。この調整自在性によって、反応装置や物質流の種類や温度や圧力や流速に応じて、物質流を所望の混合攪拌性能に調整することができる。
【００６８】
請求項２の発明によれば、第1エレメントと第２エレメントを適当角度だけ相対回転させて重ね孔部の交叉面積を所望値に設定したユニットを単位とし、このユニットを所望数だけ積層する事により、反応装置や物質流の種類や温度や圧力や流速に応じて、物質流を所望の混合攪拌性能に調整することができる混合攪拌装置を提供する。
【００６９】
請求項３の発明によれば、ピン孔とピンの機構を使用して、第１エレメントと第２エレメントを所望の相対角度だけ変位させて固定でき、ワンタッチ操作で任意の混合攪拌性能に調整できる混合攪拌装置を実現できる。
【００７０】
請求項４の発明によれば、第１エレメントと第２エレメントの一方の周縁に１個のピン孔を穿設し、他方のエレメントの周縁に複数のピン孔を円周方向に穿設するから、相対回転させた後のピン孔の合致の確認が容易であり、この合致したピン孔にピンを容易に挿通できる混合攪拌装置を提供できる。
【００７１】
請求項５の発明によれば、第１孔部と第２孔部を錐台形に形成し、大開口部から小開口部に向かって物質流を流通させる構成にするから、物質流の流通が円滑になり、しかも小開口部から物質流が流出するから高速流の状態で混合攪拌され、混合攪拌が極めて迅速でしかも渦流状態で生起し、十分な混合攪拌を行なう混合攪拌装置を市場に提供できる。
【００７２】
請求項６の発明によれば、第１孔部と第２孔部を円錐台形又は角錐台形に形成するから、加工が容易でありしかも安価に形成できるから、実用的な混合攪拌装置を提供することができる。
本発明は上述の通り、優れた実用的効用を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いられる第１エレメントの第１実施形態の概略説明図である。
【図２】本発明に用いられる第２エレメントの第１実施形態の概略説明図である。
【図３】第１エレメントと第２エレメントを０°位置で重ねたユニットの概略説明図である。
【図４】第１エレメントと第２エレメントを２２．５°の相対回転位置で重ねたユニットの概略説明図である。
【図５】第１エレメントと第２エレメントを４５°相対回転位置で重ねたユニットの概略説明図である。
【図６】複数のユニットを積層した組立体の構成図である。
【図７】組立体をケース内に装填した混合攪拌装置の断面図である。
【図８】物質流の圧力損失を測定する実験装置図である。
【図９】図８の装置により得られた圧力損失のデータ図である。
【図１０】第１エレメントと第２エレメントの第２実施形態の概略説明図である。
【図１１】第１エレメントと第２エレメントの第３実施形態の概略説明図である。
【図１２】第１エレメント又は第２エレメントの第４実施形態の概略断面図である。
【符号の説明】
１は第１エレメント、１ａは第１孔部、１ｂは大開口部、１ｃは小開口部、１ｄはピン孔、１ｅは入口側開口部、１ｆは出口側開口部、１ｇは中間開口部、２は第２エレメント、２ａは第２孔部、２ｂは大開口部、２ｃは小開口部、２ｄはピン孔、２ｅは入口側開口部、２ｆは出口側開口部、２ｇは中間開口部、３はユニット、４は連通孔、５は組立体、６は混合攪拌装置、６ａはピン、７は第１ケース体、７ａは段部、７ｂは収納部、８は第２ケース体、８ａは段部、８ｂは収納部、９ａ・９ｂは半割型締付金具、１０は配管、１１は循環ポンプ、１２は流量計、１３は熱交換器、１４は入口側圧力計、１５は出口側圧力計、１６はガス供給部、１７は貯蔵タンク、Ｐ1・ＰIは入口側圧力、Ｐ2は出口側圧力、ＰSは小さな出口側圧力、ＰMは中間出口側圧力、ＰLは大出口側圧力。
Claims (6)
- 複数個の第１孔部を所定パターンに穿設したディスク型の第１エレメントと、複数個の第２孔部を所定パターンに穿設したディスク型の第２エレメントを用意し、この第1エレメントと第２エレメントを交互に複数個積層して組立体を構成し、この組立体の内部に物質流を流通させて物質流を混合攪拌する混合攪拌装置において、前記第１孔部と第２孔部の交叉面積を変化させるために第１エレメントと第２エレメントを軸心の周りに相対的に所望角度だけ回転変位できるようにし、所望の相対回転角度において両エレメントを回転不能に一体化することを特徴とする混合攪拌装置。
- 複数個の第１孔部を所定パターンに穿設したディスク型の第１エレメントと、複数個の第２孔部を所定パターンに穿設したディスク型の第２エレメントを用意し、この第1エレメントと第２エレメントを重ねてユニットを形成し、第１エレメントと第２エレメントが交互に反復するように前記ユニットを複数段積層して組立体を構成し、この組立体の内部に物質流を流通させて物質流を混合攪拌する混合攪拌装置において、前記第１孔部と第２孔部の交叉面積を変化させるために第１エレメントと第２エレメントを軸心の周りに相対的に所望角度だけ回転変位できるようにし、所望の相対回転角度において両エレメントを回転不能に一体化することを特徴とする混合攪拌装置。
- 前記第１エレメントと第２エレメントを同形の円板に形成し、第１エレメントと第２エレメントの周縁近傍にピン孔を穿設し、第１エレメントと第２エレメントを相対的に所望角度だけ回転変位させて両エレメントの合致連通したピン孔により回転角度が分かるように構成され、この合致連通したピン孔にピンを挿通して両エレメントの回転を不能にし、しかも前記組立体を前記ピンにより一体化した請求項１又は２に記載の混合攪拌装置。
- 前記第１エレメントと第２エレメントの一方の周縁近傍に１個のピン孔を穿設し、他方のエレメントの周縁近傍に複数のピン孔を円周方向に穿設した請求項３に記載の混合攪拌装置。
- 前記第１孔部と第２孔部は錐台形に形成され、第１孔部の出口部が第２孔部の入口部と接触して交叉面積を形成するように第１エレメントと第２エレメントを重ね、物質流を流通させる請求項１又は２に記載の混合攪拌装置。
- 前記錐台形は円錐台形又は角錐台形である請求項５に記載の混合攪拌装置。
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