JP4074413B2

JP4074413B2 - 静力学的ミキサー

Info

Publication number: JP4074413B2
Application number: JP22929699A
Authority: JP
Inventors: ハインリヒ・シユヒヤルト; クレメンス・コールグリユバー
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1998-08-20
Filing date: 1999-08-13
Publication date: 2008-04-09
Anticipated expiration: 2019-08-13
Also published as: JP2000135424A; CA2280469C; DE19837671A1; EP0980703B1; US6412975B1; CA2280469A1; EP0980703A1; DE59905535D1

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
加熱または冷却可能な静力学的ミキサーインサートと、インサートを少なくとも１つ持つ加熱または冷却可能な静力学的ミキサーであって、ミキサーインサートは、隣接して配置され、特に互いに平行な棒材の少なくとも２つの層からなり、それぞれ隣り合う棒材層の棒材は互いに交差し、棒材は棒材層の交点で互いに連結されており、また棒材層の交点には伝熱ダクトが貫通する静力学的ミキサーについて述べる。
【０００２】
液体の混合には、静力学的ミキサーがしばしば用いられる。このようなミキサーにおいては、ポンプによって静力学的ミキサー内部（static mixer internals）を液体が強制的に送られ、液体はミキサーにおいて剪断され、部分流（part streams）に分割されて、これらが互いに混合される。
【０００３】
【従来技術及びその課題】
静力学的ミキサーの例として以下の２つの装置に言及する。
【０００４】
いわゆるケニックスミキサー（Kenics mixers）（“Mischen beim Herstellen und Verarbeiten von Kunststoffen"「プラスチックの調製、加工における混合」VDI Ges Kunststofftechnik, VDI-Verlag 1986 238-241ページ参照）と呼ばれるものの場合、混合しようとする製品の液流は管に装着した分割板（separating plate）によって部分流に分割される。この分割板は管軸を中心にして捻転（twisted）させる。液体の各部分流では、乱流が生じ、これにより液体は管の断面内で再分配（redistributed）される。実際には、複数個のこのような混合部材を互いに前後に配列して、液体が絶えず再分割され適切な混合結果がもたらされるようになっている。高粘性流体に関するこれらミキサーの圧力安定性は、しかしながら、比較的低い。
【０００５】
いわゆるＳＭＸミキサー（米国特許明細書40 62 524参照）は、平行なシートメタル片の互いに垂直な格子を２つ以上具備しており、これらはその交点で互いに溶接されており、混合しようとする製品の流れの主方向に対して一定の角度をなすように設定されていて、液体を分割し、混合できるようになっている。溶接箇所が多いため、これらのミキサーを製造するにはかなり大きな努力が必要になる。
【０００６】
高粘性液体が従来の熱交換器を通過する際に生じる熱交換では、一般に非常にレイノルズ数が小さい。例えば滑らかな管を熱交換に用いた場合、ゼロに近いレイノルズ数では熱交換率が非常に低くなり、熱交換器に関する限り、一定の処理量（at a given throughput）では熱交換率は基本的に使用する管の長さのみに依存する。したがって、管状熱交換器（tubular heat exchanger）と静力学的混合装置を組み合わせることにより、熱交換における大きな改良が可能になる。
【０００７】
この組み合わせとしては２つの形態が知られている。一方で、静力学的混合部材を管状熱交換器の管に挿入する。ここではKenicsの混合部材が特に用いられる。他方、管を静力学的ミキサーの部材として用いる。このことは、例えば、ドイツ公開明細書（German Offenlegungsschrift(German Published Specification)）DE-A-2 839 564に記述されている。
【０００８】
製品がその中を流れる管状熱交換器の使用は、しかし、多くの化学工程では却下される。例えば重合反応を冷却しなければならない場合、通過流（through-flow）の速度が低い管のほうが反応物の滞留時間が長くなるため、より高い重合度が達成できる。その結果、管の中の液体は、隣の管の中のものより粘度が高くなる。そのため、混合しようとする製品の流速がさらに遅くなる。その結果、工程パラメータによっては、管状熱交換器の管は重合体によって詰まってしまう。
【０００９】
このような工程の場合、DE-A-2 839 564に記載されるような熱交換器管（heat exchanger tubes）で形成した静力学的ミキサーの方が好ましい。しかし、これらミキサーの製造に要する努力があまりにも多いため、この方策も非経済的として却下されることが多い。
【００１０】
本発明の目的は、冷却あるいは加熱が可能で、比較的簡単な方法で製造できる静力学的ミキサーを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、この目的は、以下に説明する静力学的ミキサーインサートにより、また特に記載の静力学的ミキサーによって達成される。
【００１２】
本発明の主題事項は、隣接して配置され、特に互いに平行な棒材の層を少なくとも２つ以上備え、それぞれ隣り合う棒材層の棒材は交点で互いに連結させた静力学的ミキサーインサートであって、棒材層のそれぞれの交点には伝熱ダクトが通っていることを特徴とするものである。
【００１３】
伝熱ダクトは、好ましくは、棒材層の平面に対して角度α≧６０°をなす。
【００１４】
伝熱ダクトは、熱媒体用の個別の供給ラインおよび排出ラインに開口する。
【００１５】
静力学的ミキサーインサートの好ましい変形例は、少なくとも棒材の一部が中空棒材としての構造を持ち、これらが熱媒体のためのダクトをさらに追加して持つように設計される。
【００１６】
ミキサー構造の好ましい例では、混合しようとする製品の流れの主方向に対して棒材が角度をなす、特に３０から５０°あるいは−３０から−５０°の角度をなすように設定することで、混合しようとする製品流が十分に部分流に分割されるようにする。
【００１７】
静力学的ミキサーインサートの変形例では、中空の棒材の中を通る伝熱ダクト（単数、複数）はそれぞれの入口、出口で曲折するようにして互いに連結されている。その結果、熱媒体用の供給ラインと排出ラインの数が少ない熱媒体ラインのアセンブリーが得られる。
【００１８】
本発明の主題事項はまた、隣接して配置され、特に互いに平行な棒材の層を少なくとも２つ以上具備し、また断面が四辺形更に長方形であり、それぞれ隣り合う棒材層の棒材が互いに交差しあい、棒材は交点で互いに連結されている静力学的ミキサーインサートであって、棒材は熱媒体用のダクトを持つ中空の棒材として形成されることを特徴とするものである。この独立の形態においては、ミキサーインサートの交点には、棒材層を通る追加の伝熱ダクトが通っていない。
【００１９】
この形式の静力学的ミキサーの場合も、伝熱ダクトは熱媒体用の個別の供給ラインおよび排出ラインに開口していてよい。
【００２０】
静力学的ミキサーインサートのこれら独立の形式は双方とも、棒材は真っすぐな棒材として形成することが好ましい。
【００２１】
同様に、ダクトとして中空棒材が設けられているだけの、この構造形式（constructional form）の棒材は、混合しようとする製品流の主方向に対してある角度、特に３０乃至５０°または−３０乃至−５０°の角度をなすように設定される。
【００２２】
この静力学的ミキサーインサートの伝熱ダクトも、それぞれの入口、出口で曲折するようにして互いに連結される。
【００２３】
さらに、本発明の主題事項は、上記の本発明によるミキサーインサートを少なくとも一つと、ミキサーインサートを取り囲み、棒材を横切る伝熱ダクトまたは棒材に沿って走るダクト、またはこれら双方に、熱媒体を送る供給ラインおよび排出ラインのための開口部を備えた内部ハウジング、を具備する静力学的ミキサーである。
【００２４】
伝熱ダクトあるいは中空棒材のダクトは、好ましくは直接、内部ハウジングの開口部に連結される。
【００２５】
特に好ましい静力学的ミキサーは、内部ハウジングも追加の外部ハウジングによって取り囲まれ、外部ハウジングは熱媒体用として少なくとも一つの入口接続部材と出口接続部材を持ち、内部ハウジングとともに熱伝達媒体の入口空間と出口空間を形成し、混合しようとする製品の入口と出口を持つ構造になっている。
【００２６】
混合効果を高めるために、静力学的ミキサーの特に好ましい形態では、複数のミキサーインサートを内部ハウジング内で互いに上下に配置し、それぞれ隣り合うミキサーインサートはそれぞれの中心軸を中心にして互いに回転した状態になるように配置する。
【００２７】
本発明の静力学的ミキサー部材および本発明の静力学的ミキサーは、その構造から、棒材と伝熱ダクトが貫通する内部ハウジング壁を具備する工作物（workpiece）を射出成型することが可能であり、射出成型用金型スライドによって棒材と伝熱ダクトとの間の空間が作り出される。この工作物自体を、たとえばパイプラインなどの外部ハウジングに装着してもよいし、あるいは精密鋳造（precision casting）の使い捨てパターン（consumable pattern）として利用してもよい。
【００２８】
同じように（in a corresponding way）、一次形成工程（a primary forming process）により、棒材と伝熱ダクトを具備するブロックを製造することで簡単に実施例が得られる。
【００２９】
特に好ましい形態では、棒材層の各棒材は、最大１つの棒材は別にして（apart from at most one bar）、棒材の一端のみが内部ハウジング壁で終端し、もう一方の端部は製品流の中に突き出ている。この構造形態により、スライドからすべての棒材間の空間に出入り可能なため（accessible for slides）、射出成型中に棒材を備えたすべての内部ハウジング壁を一緒に成型することが可能になる。その結果、ミキサー完成品を製造するのに必要な努力が減少する。
【００３０】
同じように、伝熱ダクトが貫通する内部ハウジング壁の部分を、一つの一次形成工程（one primary forming processs）で、同時に製造する製造方法が特に好ましい。
【００３１】
本発明のミキサーインサートあるいはミキサーを提供することにより、熱媒から製品への熱伝導路（heat conduction path）が短縮されるため、熱媒から混合しようとする製品への伝熱が向上する。
【００３２】
好ましい実施例では、複数の静力学的ミキサーを組み立てて（put together）、それが適切な場合は従来の静力学的ミキサーも組み合わせて、直列に連結した（connected in series）ミキサーモジュールを形成する。
【００３３】
特に、連続する（successive）静力学的ミキサーを、互いに９０°回転させた状態で組み立てれば、特に良好な混合効果が達成される。
【００３４】
一次形成工程のための製造努力が小さい（low production effort）ため、上述の加熱あるいは冷却可能な静力学的ミキサーは、静力学的混合が必要な場合に使用できるのみならず、コストの面からも、例えば管状熱交換器などの他の熱交換器の代わりに凝縮器（condensers）として用いることもできる。
【００３５】
以下に図面をもとに本発明をさらに詳しく説明するが、これにより本発明の細部を限定するものではない。
【００３６】
【実施例】
実施例１
図１乃至３に、本発明のミキサーの各種図面を示す。これら図では、外部ハウジングは図式的に示したに過ぎない。ミキサーは製品入口接続部材２、製品出口接続部材３、加熱／冷却媒体用の入口接続部材４、６および出口接続部材５、７を備えた外部ハウジング１、およびミキサーインサート８、１０と内部ハウジング１１、を具備する。
【００３７】
ミキサー内部には、図４に示すように、互いに９０°回転させた、また分離板９によって温度制御側で互いに分離されるように、互いに上下に配置して、温度制御媒体の流れの方向を制御するようにした混合部材８、１０を具備する内部（internals）が存在する。分離板の配置を変えることにより、加熱／冷却媒体接続部材の数を減らすこともできるが、大きな圧力損失を伴う。
【００３８】
図５乃至７に、混合部材（８）の各種図面を示す。混合部材は、内部ハウジング部分３００と、互い違いに配置した平行棒材３０１−３０６、３１１−３１７（一部は図８に断面で示される）の層からなる。２つの連続する棒材層の棒材は９０°の角度で交差し、製品流に対しては４５°の角度をなす。棒材は中空であり、中には加熱／冷却媒体３６２−３６７、３７１−３７７がそれぞれ通っている（図８）。ダクトの中に流れを作るために、棒材層を横切る接続ダクト３８０、３８１、３９０、３９１、３９２によって連結される（図８の断面図参照）。棒材３０１−３０６の各層のうち、それぞれ一つの棒材３０４、３１４だけが、一方のハウジングの内壁から反対側の内壁に届くようになっている。他の棒材はすべて遊離端部を持つ。
【００３９】
実施例２
図９に、本発明のミキサーに用いることができる混合部材の他の構造を示す。棒材に沿った加熱／冷却ダクトを省略して製造の簡便化を図り、これに代えて棒材層を横切る冷却ダクト５８０−５９２が、混合部材の内部ハウジングまで達するようになっている。
【００４０】
このような混合部材は、粘性の高い製品に特に適しているが、この場合、主な熱抵抗は製品側にあり、その時点で中実（ｓｏｌｉｄ）である棒材における熱伝導による追加熱抵抗はそれほど大きくない。
【００４１】
図１０は図９の混合部材の断面を示すもので、図６の断面Ａ−Ａに類似のものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるミキサーの正面図。
【図２】図１のミキサーの平面図。
【図３】図１のミキサーの斜視図。
【図４】図１のミキサー内部の斜視図。
【図５】図１のミキサーの混合部材の正面図。
【図６】図５の混合部材の平面図。
【図７】図５の混合部材の斜視図。
【図８】図６に示す断面線Ａ−Ａに対応する、図５の混合部材の断面図。
【図９】棒材の方向に加熱／冷却ダクトを持たない混合部材の斜視図。
【図１０】図６の断面線Ａ−Ａに類似の、図９の混合部材の断面図。
【符号の説明】
８静力学的ミキサーインサート
１０静力学的ミキサーインサート
３１０交点
３２０交点
５０１棒材
５０２棒材
５０３棒材
５０４棒材
５１１棒材
５１２棒材
５１３棒材
５１４棒材
５８１伝熱ダクト
５９０伝熱ダクト
５９１伝熱ダクト
５９２伝熱ダクト

Claims

隣接して配置されている、互いに平行な棒材（５０１、５０２、５０３、５０４）および（５１１、５１２、５１３、５１４）の、少なくとも2つ以上の層からなる静力学的ミキサーインサート（８、１０）であって、棒材（５０１、５０２、５０３、５０４）および（５１１、５１２、５１３、５１４）のそれぞれ隣り合う層の棒材は互いに交差し、棒材（５０１、５０２、５０３、５０４）および（５１１、５１２、５１３、５１４）は互いの交点で互いに連結されており、棒材の層には交点で伝熱ダクト（５８０、５８１、５９０、５９１、５９２）が貫通していることを特徴とする、静力学的ミキサーインサート。
伝熱ダクト（５８０、５８１、５９０、５９１、５９２）が、熱媒体用の個々の供給ラインと排出ラインに開口していることを特徴とする、請求項１による静力学的ミキサーインサート。
棒材（５０１、５０２、５０３、５０４）および（５１１、５１２、５１３，５１４）の少なくともいくつかが、熱媒体のための追加ダクト（３６２、３６３、３６６、３７１、３７２、３７３、３７４、３７５、３７６、３７７）を持つ、中空棒材（３０１、３０２、３０３、３０４、３０５、３０６、３１１、３１２、３１３、３１４、３１６、３１７）として構成されていることを特徴とする、請求項１または２による静力学的ミキサーインサート。
棒材（５０１、５０２、５０３、５０４）および（５１１、５１２、５１３、５１４）が、直線の棒材として構成されていることを特徴とする、請求項１乃至３の一つによる静力学的ミキサーインサート。
棒材（５０１、５０２、５０３、５０４）および（５１１、５１２、５１３、５１４）が、混合しようとする製品流の主方向に対して角度、特に３０乃至５０°または−３０乃至−５０°の角度をなすことを特徴とする、請求項４による静力学的ミキサーインサート。
伝熱ダクト（５８０、５８１、５９０、５９１、５９２）またはダクト（３６２、３６４、３６５，３６６）が、それぞれの入口と出口において不規則パターンで互いに連結されていることを特徴とする、請求項１乃至５の一つによる静力学的ミキサーインサート。
隣接して配置され、特に互いに平行な棒材（５０１、５０２、５０３、５０４）および（５１１、５１２、５１３、５１４）の少なくとも２つ以上の層からなり、断面が四辺形の静力学的ミキサーインサート（８、１０）であって、棒材（５０１、５０２、５０３、５０４）および（５１１、５１２、５１３、５１４）のそれぞれ隣り合う層の棒材は互いに交差し、棒材（５０１、５０２、５０３、５０４）および（５１１、５１２、５１３、５１４）は交点で互いに連結されており、棒材（５０１、５０２、５０３、５０４）および（５１１、５１２、５１３、５１４）は、熱伝達媒体のためのダクト（３６４、３７１、３７２、３７３，３７４）を持つ中空棒材として構成されることを特徴とする、静力学的ミキサーインサート。
伝熱ダクト（３６２、３６４、３６５、３６６）が、熱媒体用の個々の供給ラインと排出ラインに開口していることを特徴とする、請求項７による静力学的ミキサーインサート。
棒材（５０１、５０２、５０３、５０４）および（５１１、５１２、５１３、５１４）が、直線の棒材として構成されていることを特徴とする、請求項７または８の一つによる静力学的ミキサーインサート。
棒材（５０１、５０２、５０３、５０４）および（５１１、５１２、５１３、５１４）が、混合しようとする製品流の主方向に対して角度、特に３０乃至５０°または−３０乃至−５０°の角度をなすことを特徴とする、請求項９による静力学的ミキサーインサート。
ダクト（３６２、３６４、３６５、３６６）が、入口及び出口において不規則パターンで相互連結されていることを特徴とする、請求項７乃至１０の一つによる静力学的ミキサーインサート。
請求項１乃至１１のひとつによるミキサーインサート（８；１０）を少なくともひとつと、ミキサーインサート（８；１０）を取り囲み、熱媒体の供給ラインと排出ラインが伝熱ダクト（５８０、５８１、５９０、５９１、５９２）またはダクト（３６２、３６４、３６５、３６６）に開口するため開口部が設けられた内部ハウジング（１１）からなる、静力学的ミキサー。
伝熱ダクト（５８０、５８１、５９０，５９１，５９２）またはダクト（３６２、３６４、３６５、３６６）が、内部ハウジングの開口部に直接接続されることを特徴とする、請求項１２による静力学的ミキサー。
内部ハウジング（１１）が、追加の外部ハウジング（１）によって取り囲まれており、外部ハウジングは、熱媒体用の入口接続部材（４、６）および出口接続部材（５、７）を少なくとも一つもち、内部ハウジング（１１）とともに、熱媒体用の入口空間（１２）と出口空間（１３）を形成し、混合しようとする製品のための入口（２）と出口（３）を持つことを特徴とする、請求項１２または１３による静力学的ミキサー。
複数のミキサーインサート（８、１０）が内部ハウジング内で互いに上下に配置され、それぞれ隣り合うミキサーインサート（８、１０）は、それぞれの中心軸を中心として互いに回転させた配置になっていることを特徴とする、請求項１２乃至１４の一つによる静力学的ミキサー。
棒材層の各棒材は、最大一つの棒材を別にして、棒材の一端のみが内部ハウジング壁で終端することを特徴とする、請求項１２乃至１５の一つによる静力学的ミキサー。