JP3942411B2

JP3942411B2 - 攪拌機

Info

Publication number: JP3942411B2
Application number: JP2001362680A
Authority: JP
Inventors: 香織新家; 孝司豊岡
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2001-11-28
Filing date: 2001-11-28
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2021-11-28
Also published as: JP2003159523A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ポリマーを製造する攪拌機に係り、特に、撹拌槽内に投入した溶液の攪拌を効率よく行なう技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の攪拌機として、特許公報第２７０４４８８号に示すようなものが提案・実施されている。
つまり、図９に示すように、底部が椀状をした撹拌槽２と、この攪拌槽２の中央に設けられた回転軸３と、この回転軸３の左右に取り付けられた一対の格子翼４ｃを備えるとともに、回転軸方向に延びる平板状の邪魔板５を攪拌槽２の内側壁に等間隔に２本備えたものが使用されている。
【０００３】
特に格子翼４ｃは、その下部が格子翼４ｃ平面を下方に延伸した大形の平板部分４ｄをともなった形状のものが使用されている。つまり、従来の格子翼とパドル翼とを一体形成したものである。この格子翼４ｃは、図９に示すように平板部分４ｄの径方向の幅（以下、単に「翼径」という）は、格子翼４ｃの径翼と同じに設定されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来からの攪拌槽は、その底部が椀状をしているため、底部における溶液の単位面積当たりの熱伝達率が攪拌槽の側壁よりも高いといった傾向にある。しかし、攪拌槽内の場所によって熱伝達率が異なるにも関わらず、撹拌槽内での溶液の循環速度や溶液循環時に発生する滞留などが、さらに起因して熱伝達率の不均一を発生させている。
【０００５】
具体的に、従来の攪拌機では以下のように点によって溶液への熱伝達率の不均一が発生している。
従来の攪拌機は、図９に示すように、格子翼４ｃの下部に、この格子翼４ｃと同一翼径の平板部分４ｄを備えているため、邪魔板５の下方に広い空間Ｈを形成してしまう。
【０００６】
格子翼４ｃを回転させた際、格子翼４ｃの下端部と撹拌槽２の底部では、その隙間が比較的狭いので溶液に作用する平板部分４ｄの押圧力が大きくなり、その隙間を流通する溶液の流速が速くなる。しかし、この広い空間部分Ｈでは、溶液に作用する格子翼４ｃの押圧力が小さく、溶液の流速が遅くなる。そのため、この空間部分Ｈでは底部に比べて溶液への熱伝達率が低くなるといった問題がある。
【０００７】
さらに、格子翼４ｃの下端部と撹拌槽２の底部を流通する溶液は、この空間部分Ｈに流入してから上昇流となる。したがって、流速の増した溶液は、一旦広い空間部分Ｈに流入することによって、その流速が減衰して上昇流となるので、攪拌槽２の底部と上部では溶液の熱伝達率が不均一になるといった問題がある。
【０００８】
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、攪拌槽内に投入された溶液が円滑に循環するようにした攪拌機を提供することを主たる目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の発明は、溶液を投入する攪拌槽と、この攪拌槽の中心部に設けられた回転軸と、この回転軸に取り付けられた攪拌翼とを備えるとともに、この攪拌槽の外周に温度調節用流体を流通させる温度調節手段が付設された攪拌機であって、
前記攪拌翼は、前記回転軸の軸に沿って取り付けられた格子翼と、この回転軸の下部に取り付けられたパドル翼とからなり、
かつ、前記パドル翼は、前記格子翼の径方向の長さよりも長い翼径を有し、
前記パドル翼は、前記回転軸の上部側から見て格子翼と交差姿勢で取り付けられているものである。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の攪拌機において、前記パドル翼は、その下端部が攪拌槽の底部に向かって取り付けられており、かつ、その一方面が攪拌槽の斜め上方を向くように傾斜角を持っているものである。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２のいずれかに記載の攪拌機において、前記パドル翼は、その下端部と前記攪拌槽の底部との隙間が１０ｍｍ以下となるように前記回転軸に取り付けられているものである。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の攪拌機において、前記攪拌槽は、投入された溶液の流れを規制する規制部材をその内側壁の上部から下部にわたって備えているものである。
【００１４】
（作用）請求項１に記載の発明の作用は次のとおりである。
すなわち、格子翼の下部に、この翼の径方向の長さよりも長い翼径を有するパドル翼を備えることによって、攪拌槽の底部とパドル翼の下端部との隙間が狭く設定される。パドル翼を回転させると、この隙間を流通する溶液の流速が上げられる。つまり、底部にある溶液への熱伝達率が高くなる。また、パドル翼の回転にともなって、溶液の流れは勢いの増した上昇流となる。この上昇流は、パドル翼の上側に取り付けられた格子翼によって攪拌される。
また、請求項１において、回転軸の上部側から見てパドル翼を格子翼に交差姿勢で取り付け、このときのパドル翼の回転を基準として見た場合、パドル翼の回転に追従するように格子翼が回転する。このパドル翼の回転によって上昇流となった溶液は、タイミングを遅れて通過する格子翼によって分散される。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明によれば、パドル翼の一方面を攪拌槽の斜め上方に向くように傾斜角を持たせることによって、攪拌槽内での溶液の上昇流が効率よく発生させられる。
【００１７】
また、請求項３に記載の発明によれば、攪拌槽の底部とパドル翼との隙間を１０ｍｍ以下にすることによって、請求項１ないし請求項２に記載の攪拌機が好適に実現される。
【００１８】
また、請求項４に記載の発明によれば、格子翼の回転にともなって発生する溶液の回転方向への流れが、規制部材に衝突して上昇流へと変えられる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。
図１および図２はこの発明の一実施例に係り、図１はこの実施例の攪拌機の内部構成を示した破断斜視図、図２は攪拌槽の底部を示した拡大図である。なお、図２については、説明の便宜上、温度調節手段であるジャケットの構成を省略している。
【００２０】
攪拌機１は、図１に示すように、底部が椀状をした円筒形の攪拌槽２と、この攪拌槽２の中央に設けられた回転軸３と、この回転軸３の上部から下部にかけて取り付けられた左右一対からなる２組の攪拌翼４（４ａ、４ｂ）と、攪拌槽２における円筒形部分の内壁の上部から下部にわたって取り付けられた規制部材としての邪魔板５と、攪拌槽２の外周に付設された温度調節用流体を循環させる温度調節用手段としてのジャケット６とから構成されている。
【００２１】
回転軸３は、カップリングを介してその上部の図示しない駆動部と連接されている。本実施例の場合、図１に示すように、回転軸３は上方から片持ち支持されているが、回転軸３が底部を貫通して上下から支持されているものであってもよいし、駆動部が攪拌槽２の下部側にあってもよい。
【００２２】
攪拌翼４は、図１に示すように、回転軸３の上部から下部（図１では撹拌槽の円筒部分）に沿って縦２列、横３行からなる格子板を回転軸３の左右に取り付けてなる一対の格子翼４ａと、この格子翼４ａの下方（図１では撹拌槽の椀状をした底部）、つまり回転軸３の下部から攪拌槽２の底部に向かって一対のパドル翼４ｂが取り付けられている。なお、格子翼４ａは、本発明の主攪拌翼に相当する。
【００２３】
パドル翼４ｂは、図２に示すように、その形状が扇形をしている。また、パドル翼４ｂは、格子翼４ａの径方向の長さ（翼径）より長い翼径を有している。具体的には、パドル翼４ｂの径方向端部が、邪魔板５の下側まで延伸しているとともに、その下端部は椀状をした攪拌槽２の底部のアール（丸み）に沿った同一の曲率を持った形状をしている。つまり、パドル翼４ｂの下端部と撹拌槽２の底部との隙間Ｇが均一になっている。本実施例の場合、その隙間Ｇが１０ｍｍ以下に設定されている。
【００２４】
隙間Ｇを１０ｍｍ以下に設定した状態でパドル翼４ｂを回転させることによって、この狭い隙間Ｇを流通する溶液は、その流速を増すようになっている。つまり、底部で沈着しがちな溶液は隙間Ｇを流通して流速が増すので、溶液への熱伝達率を高くすることができる。
【００２５】
また、この左右一対のパドル翼４ｂは、その一方面が攪拌槽２の上方を向くように傾斜角を持って回転軸３の下部に取り付けられている。具体的には、図３（図１の矢印Ｘに示す斜め左方向から見た図）に示すように、回転軸３の下部に、仮名文字の「ハ」の字状となるように攪拌槽２の底部に向かって傾斜角を有した状態で取り付けられている。
【００２６】
このパドル翼４ｂの回転軸３への取り付け角度θ１は、回転軸３の下部から延長した軸線（図３では一点鎖線で示す）に対して０〜６０°の範囲に設定することが好ましい。
【００２７】
なお、取り付け角度θ１は、攪拌翼４ａ，４ｂの回転速度、溶液の種類、および溶液の量によって適宜に設定変更される。
【００２８】
つまり、左右のパドル翼４ｂにおける平面部分のそれぞれが、格子翼４ａの平面によって攪拌槽２を区分する２つの空間のいずれか異なった空間の上方を向くようになっている。この状態でパドル翼４ｂを図４の矢印に示す方向に回転させると、溶液は、図５に示すように、パドル翼４ｂの上面によって掻き揚げられて上昇流となる。
【００２９】
なお、図５および後述する図７については、説明の便宜上、格子翼４ａ、邪魔板５、およびジャケット６の構成を省略する。
【００３０】
また、図６に示すように、パドル翼４ｂの下面を回転方向にすると、溶液はパドル翼４ｂの下面部分によって回転方向へと勢いよく押出される。この押出された溶液は、図７に示すように、攪拌槽２の底部に沿って流通し、円運動から上昇流へと変えられるようになっている。
【００３１】
なお、取り付け角度θ１が６０°を超えると、溶液の掻き揚げ効率および押出し力が低下してしまう。
【００３２】
また、このパドル翼４ｂは、図４（図１の矢印Ｙに示す攪拌槽の上方から見た図）に示すように、格子翼４ａと交差姿勢で取り付けられている。このときの図４に示す対頂角θ２は、格子翼４ｂの翼径を基準軸線とし、この基準軸線に対してパドル翼４ｂの翼先端を回転方向の前方に変位させたとき、パドル翼４ｂの回転方向とは逆の後方側に形成される角度である。この対頂角θ２は、９０°以下にすることが好ましい。
【００３３】
なお、この対頂角θ２は、攪拌翼４ａ，４ｂの回転速度、溶液の種類、および溶液の量によって適宜に設定変更される。
【００３４】
対頂角θ２を９０°の範囲内にすることによって、パドル翼４ｂの回転にともなって上昇流となった溶液が、タイミングを遅れて通過する格子翼４ａによって分散・細分化されるようになっている。
【００３５】
なお、対頂角θ２が、９０°を超えるとパドル翼４ｂの後方から追従する格子翼４ａのタイミングの遅れが大きくなる。そのため、流速の速い上昇流となった溶液の分散・細分化するタイミングも遅れ、攪拌槽２の上部での溶液への熱伝達率を低下させてしまう。
【００３６】
邪魔板５は、攪拌槽２の円筒部分の内壁における上部から下部にわたって平板状のものが取り付けられている。本実施例の場合、その数が２本であって、内壁に等間隔に取り付けられている。この邪魔板５は、格子翼４ａの回転にともなって溶液が回転方向に流れるのを規制している。つまり、格子翼４ａの回転方向に流れる溶液は、邪魔板５に衝突して上昇流に変えられるようになっている。なお邪魔板５の数は、２本に限定されるものではなく、無くてもよいし、２本以上であってもよい。
【００３７】
ジャケット６は、攪拌槽２の外周と底部を包み込むように付設されている。このジャケット６の内部には、温度調節用流体としての温水や冷却水が流通するように流路７が設けられている。つまり、ポリマーを製造する過程で、重合反応を促進させるためにジャケット６に温水を循環させたり、逆に重合反応の開始にともなって発生する熱量を除去するために冷却水を循環させたりして攪拌槽２内の重合温度を一定に保つようになっている。
【００３８】
以上のように、攪拌翼４として格子翼４ａと、パドル翼４ｂとを備えるとともに、パドル翼４ｂの翼径を格子翼４ａの翼径よりも長くする。つまり、パドル翼４ｂの径方向の端部を邪魔板５の下方まで延伸し、このときのパドル翼４ｂの下端部と攪拌槽２の底部との隙間Ｇを１０ｍｍ以下に設定することによって、攪拌槽２の底部での溶液の流速を増大させて勢いのある上昇流を発生させることができる。
【００３９】
また、攪拌槽２の底部に向かって取り付けたパドル翼４ｂの一方面が攪拌槽２の斜め上方を向くようにすることによって、溶液の掻き揚げ、または溶液を押圧して勢いのある上昇流を発生させることができる。
【００４０】
また、パドル翼４ｂを格子翼４ａに交差姿勢で取り付けることによって、パドル翼４ｂによって上昇流となった溶液を、タイミングを遅れて通過する格子翼４ａで効率よく分散・細分化することができる。
【００４１】
次に、上述の構成を有する攪拌機を用いて、一括重合する場合の攪拌槽２内のモノマーにおける攪拌動作について図４および図５を参照して説明する。なお、この実施例では、重合反応が開始して、攪拌槽２の冷却を行なっている状態で説明する。
【００４２】
重合反応が開始すると、ジャケット６に冷却水を循環して攪拌槽２の冷却を開始する。このとき、攪拌槽２内では、パドル翼４ｂと格子翼４ａとが回転し、モノマーを攪拌している。
【００４３】
攪拌槽２の底部にあるモノマーは、パドル翼４ｂの回転にともなってパドル翼４ｂの上面で掻き揚げられて上昇流になる。このとき、パドル翼４ｂの下端部と攪拌槽２の底部との隙間Ｇを流通するモノマーは、その流速が増して循環している。
【００４４】
上昇流は、攪拌翼４の回転による回転方向の流れをともなう。この２方向の流れをともなうモノマーは、邪魔板５に衝突して上昇流へと再度変えられて攪拌槽２の上部に到達する。
【００４５】
上部に到達したモノマーは、格子翼４ａの回転中心方向に引き寄せられ、回転軸３に沿った下降流となる。この下降流が攪拌槽２の下部に到達すると、パドル翼４ｂの上面によって掻き揚げられ再度上昇流になる。つまり、攪拌槽２内でモノマーの上下方向の循環が繰り返される。
【００４６】
モノマーが上下方向の循環をしているとき、この循環の中央領域にあるモノマーは、格子翼４ａによって分散・細分化される。
【００４７】
次に、上述の図１に示す攪拌機１と図９に示す従来の攪拌機を用いてエマルジョン重合によるポリマーを製造する場合についての比較実験を本発明者は行なった。以下に説明する。
なお、使用するモノマーは、粘度４０ｍPa・ｓ、密度９５８ｋｇ/ｍ³、熱伝導率０．４３Ｗ/ｍ²・Ｋ、比熱３３６０Ｊ/ｋｇ・Ｋのものである。
【００４８】
また、使用する攪拌槽は共通形状のものであって、直径１４００ｍｍ、高さ２０４２ｍｍである。使用する攪拌翼については次の通りである。
従来の攪拌機に使用する攪拌翼は、翼径８９６ｍｍ（翼径は、一対の攪拌翼の径方向端部を結んだ線である）、高さ１９０３ｍｍの格子翼である。
本発明の攪拌翼は、翼径が１０９６ｍｍ、高さ１９０３ｍｍの格子翼と、翼径が１２００ｍｍ、回転軸への取り付け角度θ１が３０°、対頂角θ２が９０°であるパドル翼の２組である。また、本発明の攪拌機の場合、パドル翼の下端と攪拌槽の底部との隙間が１０ｍｍに設定してある。
【００４９】
そして、上述の両攪拌槽にモノマーを投入し、攪拌翼の回転数を２４ｒｐｍに設定して攪拌を行なったところと、以下の表１に示す結果を得ることができた。
【００５０】
【表１】

【００５１】
先ず、表１に示す液境膜伝熱係数について見ると、従来の攪拌機の５００Ｗ/ｍ²・Ｋに対して本発明の攪拌機では３倍の１５００Ｗ/ｍ²・Ｋとなっている。通常、伝熱量については、伝熱量＝伝熱係数（液境膜伝熱係数）×伝熱面積×温度差（モノマーと攪拌槽の内壁との温度差）の関係式で表すことができる。つまり、液境膜伝熱係数の値が大きくなると伝熱量が増すことから、本発明の攪拌機では、従来よりも攪拌槽内のモノマーの伝熱量が多く、熱伝達率が高いことが分かる。
【００５２】
次に熱伝達によって移動する熱量を示す指数であるヌッセルト数について見ると、従来の攪拌機では１．０４Ｅ＋０３であるのに対して、本発明の攪拌機では３．８２Ｅ＋０３となっている。このヌッセルト数（Ｎｕ）は、Ｎｕ＝ｈＤ／λの関係式で表される。ここで、ｈは伝熱係数、Ｄは攪拌翼の径、λは熱伝導率である。
【００５３】
つまり、この関係式からヌッセルト数の値に起因する変化量は、伝熱係数（ｈ）であることが分かる。このことから、本発明の攪拌機が従来の攪拌機に比べて伝熱係数が大きいこと、つまり熱伝達率が高いことが分かる。
【００５４】
また、液の乱れ状態を示す指数であるレイノズル数について見ると、この値は従来の攪拌機が７．６９Ｅ＋０３であるのに対し、本発明の攪拌機では１．１５Ｅ＋０４となっている。このレイノズル数（Ｒｅ）は、Ｒｅ＝ｄｕρ／μの関係式で表される。ここでｄは翼径、ｕは溶液の流速、ρは溶液の密度、μは粘度である。
【００５５】
つまり、この関係式からレイノズル数の値に起因する変化量は、溶液の流速（ｕ）であることが分かる。このことから、本発明の攪拌機におけるレイノズル数の値が従来の攪拌機よりも大きいこと、つまり攪拌槽内のモノマーの循環速度が従来に比べて速いことが分かる。したがって、攪拌槽内でのモノマーの循環速度が速いということは、モノマーへの熱伝達率が高いことを示す。
【００５６】
以上の実験より、本発明の攪拌機は、従来の攪拌機に比べて熱伝達率が高いので、分子量分布が一層均一なポリマーを製造することができるという知見を本発明者は得ることができた。
【００５７】
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、下記のように変形実施することができる。
（１）上記実施例では、パドル翼４ｂを回転軸３の下部から攪拌槽２の底部に向かって傾斜角を有するとともに、格子翼４ａとパドル翼４ｂとが交差姿勢で取り付けられていたが、図８に示すように、格子翼４ａ平面の下方に延伸した位置であって対頂角θ２が０°となるようにパドル翼４ｂを取り付けた構成であってもよい。また、図示しないが、角度θ１と対頂角θ２とが０°の構成であってもよい。
【００５８】
（２）上記実施例では、攪拌翼４の組み合わせをパドル翼４ｂと格子翼４ａにしていたが、例えばパドル翼と平板翼との組み合わせであってもよい。
【００５９】
（３）上記実施例では、本発明の攪拌機を一括重合に使用する場合を例のとって説明したが、滴下重合や二段重合に使用してもよい。
【００６０】
（４）上記実施例では、平板状の邪魔板５を使用していたが、角柱や円柱状のものであってもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１に記載の発明によれば、格子翼の下方に翼の径方向の長さよりも長い翼径を有するパドル翼を備えることによって、攪拌槽の底部とパドル翼の下端部との隙間を狭くすることができる。つまり、パドル翼を回転させて狭い隙間に溶液を流通させることによって、底部での溶液の流通速度を速くすることができる。また、大形の格子翼によって、攪拌槽の上方での溶液の攪拌が行なわれる。その結果、攪拌槽内の底部と上部での溶液に対する熱伝達率を略均一に保つことができる。
また、請求項１に記載の発明によれば、パドル翼を回転軸の上部側から見て格子翼を交差姿勢で取り付けることによって、パドル翼の回転に追従するように格子翼が回転する。その結果、パドル翼の回転によって上昇流となった溶液が、タイミングを遅れて通過する格子翼によって分散され、攪拌槽の下部と上部で溶液の攪拌を円滑に行なうことができる。
【００６２】
また、請求項２に記載の発明によれば、パドル翼の一方面が攪拌槽の斜め上方を向くように傾斜角を持たせて回転軸の下部に取り付けることによって、攪拌槽内での溶液の上昇流を効率よく発生させることができる。効率よく発生した上昇流は、攪拌槽内での溶液の上下方向の循環を安定させるので、溶液への熱伝達率を効率よく行なうことができる。
【００６４】
また、請求項３に記載の発明によれば、攪拌槽の底部とパドル翼との隙間を１０ｍｍ以下に設定することによって、その隙間を流通する溶液の流速を上げることができる。
【００６５】
また、請求項４に記載の発明によれば、攪拌槽の内側壁に溶液の流れを規制する規制部材を設けることによって、攪拌翼の回転にともなって、その回転方向に発生する溶液の流れが、この規制部材に衝突する。この規制部材に衝突した溶液が上昇流となる。つまり、攪拌槽の上部での上昇流を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例に係る攪拌機の内部構成を示した破断斜視図である。
【図２】実施例に係る攪拌機の底部を示した拡大図である。
【図３】図１の矢印Ｘ方向から見た破断図である。
【図４】図１の矢印Ｙ方向から見た断面図であって、パドル翼の取り付け位置と、回転方向を示している。
【図５】攪拌槽内の溶液の流れを示した図である。
【図６】図４に示す変形例の断面図であって、パドル翼の取り付け位置と、回転方向を示している。
【図７】図６における攪拌槽内の溶液の流れを示した図である。
【図８】変形例の攪拌機の内部構成を示した破断斜視図である。
【図９】従来例の攪拌機の内部構成を示した破断斜視図である。
【符号の説明】
Ｇ … 隙間
１ … 攪拌機
２ … 攪拌槽
３ … 回転軸
４ … 攪拌翼
４ａ… 格子翼
４ｂ… パドル翼
５ … 邪魔板
６ … ジャケット

Claims

溶液を投入する攪拌槽と、この攪拌槽の中心部に設けられた回転軸と、この回転軸に取り付けられた攪拌翼とを備えるとともに、この攪拌槽の外周に温度調節用流体を流通させる温度調節手段が付設された攪拌機であって、
前記攪拌翼は、前記回転軸の軸に沿って取り付けられた格子翼と、この回転軸の下部に取り付けられたパドル翼とからなり、
かつ、前記パドル翼は、前記格子翼の径方向の長さよりも長い翼径を有し、
前記パドル翼は、前記回転軸の上部側から見て格子翼と交差姿勢で取り付けられている
ことを特徴とする攪拌機。
請求項１に記載の攪拌機において、
前記パドル翼は、その下端部が攪拌槽の底部に向かって取り付けられており、かつ、その一方面が攪拌槽の斜め上方を向くように傾斜角を持っていることを特徴とする攪拌機。
請求項１または請求項２に記載の攪拌機において、
前記パドル翼は、その下端部と前記攪拌槽の底部との隙間が１０ｍｍ以下となるように前記回転軸に取り付けられていることを特徴とする攪拌機。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の攪拌機において、
前記攪拌槽は、投入された溶液の流れを規制する規制部材をその内側壁の上部から下部にわたって備えたことを特徴とする攪拌機。