JP4202506B2 - 混合装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一方の側に製品入口を、他方の側に製品出口を設けた加熱可能な容器と、適切な場合には排出蒸気ノズル及び相互に平行で逆方向に回転する２本以上の軸と、その上に周方向に延設されたパドルと軸線方向に延設されたブレードを含む、粘性物質処理用の混合装置に関する。該装置は、混合物の能動的な軸線方向移送を可能にし、内部の可動部分は、装置の作動中に動的に全面的な自浄作用をなす。
【０００２】
【従来技術及びの課題】
プラスチック及びゴムの製造と加工において、固体微粒子を含むことがある高粘度液体はプロセス技術により処理される。特に、プラスチックの混合、蒸発及び反応のための装置が必要とされる。これらの混合器又は反応器はすぐれた混合作用を示すことを要し、そして例えば反応が誘発する放出により揮発成分が蒸発する場合には、混合器の自由面の迅速な再生も可能にしなければならない。
【０００３】
粘性物質のプロセス技術による処理のためには、自由容積が可能な限り大きく（製品の体積対内部容量の比により表わされる）、かつ動的(kinematic)自浄作用が可能な限りすぐれた装置が必要とされる。自由容積が大きければ製品が占める容積に比べて回転子の体積が減少するので、装置の自由容積はこの場合には間接的に装置コストの目安となる。
液相と気相との間の質量交換により決定されるプロセス工程については、両相間の界面からの製品と質量伝達の係数とが速度を決定する。
【０００４】
気相と高粘度液体との間の質量交換においては、質量伝達を支配する主要因は液面再生の頻度である。
【０００５】
さらに、混合器を反応器として使用する場合には、滞留時間が長いほど望ましくない二次的反応が生じ易いので、沈澱物の形成を防止するために、すぐれた動的自浄作用が必要とされる。同様に、各表面を定期的に再生すれば、例えば重縮合などの蒸発過程においてすぐれた質量交換挙動が得られることになる。
【０００６】
これら2種の性質は、従来技術により公知の装置、例えばUS 5,399,012、EP 0 715 881 A2及びDE 19611852 A1各公報に記載された混合器によっても、ある程度まで達成することができる。
【０００７】
US 5,399,012では全面的に動的な自浄機能を具えた混合装置が記載されている。スクレーパの製品拭き取り動作により、高度の表面再生が達成される。自由容積は、構造的パラメータ（ハウジング径／軸間隔、スクレーパの数）などの選択により、70%を超えるように設定されている。
【０００８】
EP 0 715 881 A2による装置も、全面自浄機能を具えている。ただし、US 5,399,012の場合のスクレーパに代えて、表面積がより小さいバーを使用しているので、1回転当りの再生面積が小さくなる。
【０００９】
DE 19611852 A1もUS 5,399,012と同様の利点を有するが、さらに軸線方向の移送を伴なう。
【００１０】
このような装置の応用例は、例えばドイツ公開特許明細書DE 19 612 139 A1に示されている。
【００１１】
しかしながら、連続的プロセスを実施するための混合装置の選択に当たっては、混合装置の貫流挙動もきわめて重要である。特に、重縮合反応を実施するためには、貫流する混合物の軸線方向の逆流混合が軽度にとどまる混合装置がが望ましい。その場合には対応する攪拌容器の数が増加するからである。望ましい対応時間に応じて、能動的移送が必要となる。
【００１２】
米国特許第 5,399,012号と欧州特許出願 EP 0 715 881 A2による装置には、混合物を軸線方向に移送する機構がなく、軸線方向に駆動するポテンシャルとして重力に依存している。製品の粘度が10Pasを超え、対応する攪拌容器の数が5を超える場合には、20分未満の滞留時間を有意に達成することはできない。
【００１３】
押出し器は軸線方向移送の挙動が特にすぐれている。その欠点は自由容積が小さく、また蒸気の装置のいずれと比較しても、容積が等しいとして、再生される内面積も小さい。営利上の理由から、この種の装置は、滞留時間が3分未満、好ましくは1分未満の混合過程にのみ使用し得る。
【００１４】
DE 19611852 A1により公知の装置では、新規の移送機構が発見されている。2個のスクレーパと1個のパドルより構成され、軸に固定された室に、隣接する軸のスクレーパが入る。製品は、パドルから離れる方向に圧入されることが好ましい。この混合器には二つの重大な弱点がある。室内の製品が、軸線方向に移送されずに、軸とスクレーパとの隙間から漏れる分が多い。さらに軸の両端にスクレーパを固定するために、半円板が必要とされる。この混合器の力学を考えると、軸線方向の移送が生じる区域において、該半円板が常に妨害することになるので、製品の軸方向移送が不可能であることがわかる。
【００１５】
本発明の目的は、動的に全面的な自浄が行われ、軸線方向の移送能力がすぐれているために、特に滞留時間を15分未満とする場合に好適で、かつ、1回転当りの製品表面の再生面積が大きいために、粘性の液体の場合、蒸発、脱気プロセスに特に好適である装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、この目的は、製品入口と製品出口とを設けたハウジングと、適切な場合には排出蒸気ノズルと、相互に平行で逆方向に回転する２本以上の軸と、その上に配置され、周方向に延設されたパドルと軸線方向に延設されたブレードと、隣接する軸を逆回転させる駆動手段とを含む、粘性混合物質処理用の混合装置であって、
該ブレードがそれぞれ一方の軸と、軸線方向より見れば、装置の両端に位置するブレードから離れたパドルとに接続されること、
軸線方向より見れば、装置の両端に位置するパドルから離れた位置に、各パドルの上流側には、少なくとも1個の外向きに移送するブレードがあり、各パドルの下流側には、少なくとも1個の内向きに移送するブレードがあること、
駆動手段により生じる軸の回転とともに、ブレードとパドルがハウジングの全面を拭うので、したがってハウジングを全面的に動的に清掃すること、
駆動手段により生じる軸の回転とともに、ブレードとパドルが軸の全面を拭うので、したがって軸を全面的に動的に清掃すること、
駆動手段により生じる軸の回転とともに、一方の軸のブレードとパドルが直近の軸のブレードとパドル、この軸自体、またはハウジングの内壁により拭われるので、したがって
全面的に動的に清掃されること、
軸の周方向にて互いに追従するブレードの対と（該ブレードの1個に接続されている）少なくとも1個のパドルが室を構成し、各軸の回転に伴なって、隣接する他の軸上に位置するブレードが、係合して、該室に進入し、室内の製品の大半を、パドル表面と反対の方向に押し出すこと
を特徴とする混合装置によって達成される。
【００１７】
以下の説明においては、単純化するために、軸と、該軸に接続されたブレードとパドルとの全体を回転子という。装置には互いに平行に2個、3個、または4個以上の、回転子を備えることが可能で、隣接する回転子は必ず相互に反対方向に回転するものとする。
【００１８】
この新規混合装置の主要な利点は動的自浄作用にある。ここでは動的清掃とは、装置の一部の表面を、該装置の他の部分の辺又は表面により拭うことと理解されるものであって、製作誤差を考慮して設けられる遊びにより可動部分の動作妨害を防ぐことができる。該混合装置は全面的に自浄式である。
【００１９】
パドルの上流方向側とは、混合器の製品入口の方向に向いた表面の側を意味するものと理解される。下流方向側とは、混合器の製品出口の方向に向いた表面の側を意味するものと理解される。ブレードの外向き移送とは、ここでは、ハウジングの側壁の方向に、径方向に軸より離れる方向の移送を意味するものと理解される。内向き移送とは、径方向に軸に向かう移送方向をいう。
【００２０】
好ましい設計においては、回転子を貫く、任意の構造的径方向断面におけるブレード及びパドルの構造的切辺はすべて、外サイクロイド部分又は回転の中心点を中心とする円の弧である。
【００２１】
【外１】
Figure 0004202506
【００２２】
【数１】
Figure 0004202506
ここでω１とω2は各回転子の角速度であって、角速度の逆の演算符号は逆回転系を示す。
【００２３】
本発明の設計において遊びを有する輪郭を生成するには、構造的構成として、輪郭を生成し、任意の遊びに等しい半径を有する円を、外サイクロイド部分に沿って移動させる。そうして生成された、遊びを有する輪郭は、その厳密な動きの間に円周に切する曲線をなす（US 4,556,324 参照）。
【００２４】
さらに好ましい設計においては、駆動手段は各軸を等しい絶対速度にて駆動する。
【００２５】
他の好ましい設計においては、混合器を貫くそれぞれの任意の構造軸線方向断面において、各回転子がパドル1個のみを有する。
【００２６】
他の好ましい設計においては、ハウジングの内径と軸間隔の比が1.45乃至1.70である。
押出し器に使用するのに特に好適なものは、軸スリーブと、該スリーブに接続されたパドルと、ブレード部分を含む各要素が心軸に取り付けられている、混合器の好ましい構成である。これらの要素は、公知の押出し器の従来のモジュール式構成部分のように、任意に組み合わせることができる。従ってせん断器又はねじコンベヤを前記各要素と組み合わせることも可能である。
【００２７】
高い排出圧を発生するために特に好適なものは、各軸にさらに押出し器ねじ部分を配置した、本発明による混合器の好ましい構成である。
【００２８】
本装置の好ましい実施例は、各軸が心軸とその上に配置された軸スリーブからなること、一部の選ばれたブレードが、軸線方向に連続して配置された少なくとも2個のブレード部分に分割されていること、かつ軸スリーブがパドル、選択により非分割ブレード及びブレード部分とともに強固に接続された部分を構成することを特徴とする。
【００２９】
蒸発及び脱気プロセスについては、脱気を段階的に減圧して行うことが適切である場合が多い。押出し器のねじ部は減圧段階の分離にも同様に役立つ。特に好ましいものは、流れの方向において、まず大ピッチの押出し器ねじ部が、次いで小ピッチのねじ部が使用される設計である。小ピッチのねじ部は、遊びを持たせて隙間を封止する作用をなす背圧を発生させる。
【００３０】
該混合器は、特に、あらゆる種類の高感度混合物の混合、すなわち固形物を含む可能性のある液体化学薬品及び自然物質の混合のためにも、また特に混合物の滞留時間が短いことと混合器のすぐれた自浄作用が重要である、いかなる化学反応のための反応器としても好適である。該混合器は、揮発性物質の放出を伴なう反応、例えば重縮合及び乾燥ならびに蒸発プロセスのための反応器として特に好適である。該混合物はまた、希望により、原則として公知の混合、移送及び捏和用装置、例えばねじコンベヤと結合してもよい。
【００３１】
本発明による混合装置は、粘度が10Pasを超える粘性液体から揮発性物質を蒸発又は脱気するのに特に好適である。この様な場合には、混合装置における平均滞留時間15分未満が実現される。
【００３２】
加熱又は冷却面を拡大するには、ハウジングを別として、軸又は、適切な場合には、回転子のパドル及びブレードも加えて、加熱又は冷却することができる。これは例えば、軸を貫通し、かつ適切な場合には、混合器のパドル及びブレードをも貫通し、伝熱媒体がその中を流れる内部伝熱媒体流路のシステムを設けることにより可能となる。
【００３３】
本発明を以下に、例示として図面を参照してさらに詳細に説明するが、これは発明の具体的内容を限定するものではない。
【００３４】
【実施例】
第1a図と第1b図は、適切な場合には加熱可能であって、混合器の一方の側に製品入口6と、他方の側に製品出口8と、互いに逆方向に回転する２本の軸2、2'とを備え、パドル3、3'とブレード4、4'及び5、5'とが付設されたハウジング1を含む、本発明による混合器の基本構造を示す。図示しない、混合物質からの排出蒸気はノズル7を経由して抽気することができる。
【００３５】
実施例1
動力学的作用を理解するためには、本発明による混合器の径方向の断面が決定的に重要である。従って、第3及び4図においては、第1図のA-A断面に対応する径方向断面が示されている。
【００３６】
第2図は、本発明による混合器の軸2、2'、ブレード4、4'及び5、5'、パドル3、3'を示す。全体的な明瞭性を図るため、ハウジング1は示されていない。径方向の断面では、すべての切辺は、切辺の清掃が他の辺により行われる場合は外サイクロイド、清掃が表面により行われる場合には回転中心点を中心とする円形をなしている。
【００３７】
軸2、2'は同一の絶対角速度にて逆方向に回転する。
【００３８】
ブレード4、4'及び5、5'は、いずれも軸2、2とパドル3、3'とに接続されている。軸のみに接続されたブレードは、回転子の端部のみにある。
【００３９】
パドル3、3'の上流端側には、外向きに移送するブレード5、5'がそれぞれある。パドル3、3'の下流に面する端の側には、内向きに移送するブレード4、4'がそれぞれある。回転子の端部にのみ、一方の端側にのみブレードを有するパドルがある。
【００４０】
ハウジング1は、ブレード4、4'及び5、5'とパドル3、3'とにより、全面的に動的に清掃される。
【００４１】
第3図は、第2図による反応器／混合器を、第1a図の線A‐Aにて切った径方向の断面を示す。この図を参照して、相互の清掃関係を以下に説明する。
【００４２】
表面301‐302は 表面334'‐335'により清掃され、
表面302‐303は 辺333'により清掃され、
表面303‐310は 辺331'により清掃され、
表面310‐311は 辺330'により清掃され、
表面311‐313は 辺323'により清掃され、
表面313‐310は 辺321'により清掃され、
表面320‐321は 辺320'により清掃され、
表面321‐323は 辺313'により清掃され、
表面323‐320は 辺311'により清掃され、
表面330‐331は 辺310'により清掃され、
表面331‐333は 辺303'により清掃され、
表面333‐334は 辺302'により清掃され、
表面334‐335は 表面301'‐301'により清掃され、
表面335‐340は 辺301'により清掃され、
表面340‐341は 辺300'により清掃され、
表面341‐343は 辺363'により清掃され、
表面343‐350は 辺361'により清掃され、
表面350‐351は 辺360'により清掃され、
表面351‐353は 辺353'により清掃され、
表面353‐360は 辺351'により清掃され、
表面360‐361は 辺350'により清掃され、
表面361‐363は 辺343'により清掃され、
表面363‐300は 辺341'により清掃され、
表面300‐301は 辺340'により清掃される。
【００４３】
第4図は第3図と同一の径方向断面を示す。ただし、一方の軸を固定し、他方の軸が、その上に配置されたブレード及びパドルとともに１回転中に取る様々な位置が重ねて示されている。明らかに内部の全面的清掃が行われる。
【００４４】
第5図は第3図におけると同一の装置であるが、別方向から見た斜視図を示す。ブレード501及び502がパドル503とともに室を形成していることは明白である。回転子の逆回転の間に他方の回転子のブレード504'が室内に入った場合には、製品は軸線方向にのみ逃れることができる。手前向きの移送作用がこれにより生じる。
【００４５】
実施例2
第6図は、複数の各圧力段階を有する蒸発又は脱気装置を示す。装入口63に隣接して、第2図に示した構造の混合器要素を備えた蒸発区域66があり、この区域より排出蒸気ノズル64を経由して蒸気を排出する。第2の蒸発区域67は同様の混合器要素を備え、排出蒸気ノズル65を経由して蒸気を排出する。第2の蒸発区域67は低圧にて作動する。
【００４６】
蒸発区域66、67は高ピッチの押出し器ねじ部61と低ピッチの押出し器ねじ部62により互いに分離されている。要素62は混合物質に背圧を生じさせる効果を有し、これにより押出し器ゲートにおいて、ねじ要素61のねじ溝(flight land)とハウジングとの間の隙間を通って製品が逆流するという効果を生む。これにより信頼性の高い気体封止が行われ、それにより第1の蒸発区域66から第2の蒸発区域67に排出蒸気が流れるのが防止される。特に、第2の蒸発区域が真空中にて作動している場合には、真空が失われるのを防止するためにこの遮断が必要とされる。
【００４７】
最後の押出し器部分68は、製品の排出に必要な圧力を発生し、この圧力は顆粒化装置の型板(die plate)を通じての排出、又は濾過のために必要とされる。
【００４８】
実施例3
第7図は2個の連動軸スリーブ（76,76'）を示す．これらのスリーブは心軸を受容するための開口（75、75'）を有する。開口は伝達すべきトルクを受けるために、DIN 5480に準拠した歯付きハブの形態に設計されている。
【００４９】
軸スリーブはそれぞれ、パドル（74、74'）と、ブレード（73、73'）と、ブレード部分（72、72'）とを含む一体ユニット（71、71'）をなしている。
【００５０】
本発明の特徴及び態様を示せば以下の通りである。
【００５１】
1．製品入口（6）と製品出口（8）とを設けたハウジング（1）と、適切な場合には排出蒸気ノズル（7）と、２本以上の軸(2,2')と、その上に配置され、周方向に延設されたパドル(3,3')と軸線方向に延設されたブレード(4,4',5,5')と、隣接する軸(2,2')を逆回転させる駆動手段とを含む、粘性混合物質処理用の混合装置であって、
該ブレード(4,4',5,5')がそれぞれ一方の軸(2,2')と、軸線方向より見れば、装置の端に位置するブレードから離れたパドル(3,3')とに接続されること、
軸線方向より見れば、装置の端に位置するパドルから離れた位置に、各パドル(3,3')の上流側には、少なくとも1個の外向きに移送するブレード(5,5')があり、各パドル(3,3')の下流側には、少なくとも1個の内向きに移送するブレード(4,4')があること、
駆動手段により生じる軸の回転とともに、ブレード(4,4',5,5')とパドル(3,3')がハウジング（1）の全内壁を拭って、ハウジングを全面的に動的に清掃すること、
駆動手段により生じる軸の回転とともに、ブレード(4,4',5,5')とパドル(3,3')が軸の全面を拭って、軸を全面的に動的に清掃すること、
駆動手段により生じる軸(2,2')の回転とともに、一方の軸(2)のブレード(4,5)とパドル(3)が直近の軸(2')のブレード(4',5')とパドル(3')、この軸(2')自体、またはハウジングの内壁により拭われるので、したがって全面的に動的に清掃されること、
軸(2)の周方向にて互いに追従するブレード(501,502)の対と（該ブレードの1個に接続されている）少なくとも1個のパドル(503)が室を構成し、各軸(2,2')の回転に伴なって、隣接する他の軸(2')上に位置するブレード(504')が、係合して、該室に進入し、室内の製品の大半を、パドル(503)表面と反対の方向に押し出すこと
を特徴とする混合装置。
【００５２】
2．上記1による装置において
回転子を貫く、任意の構造的径方向断面においてブレード(4,4',5,5')及びパドル(3,3')の構造的切辺がすべて、回転の中心点を中心とする円の弧又は外サイクロイド部分であることを特徴とする装置。
【００５３】
3．上記1又は2による装置において
駆動手段が各軸(2,2')を等しい絶対速度にて駆動することを特徴とする装置。
【００５４】
4．上記1又は3による装置において
ハウジングの内径と軸間隔の比が1.45乃至1.70であることを特徴とする装置。
【００５５】
5．上記1乃至4のいずれかによる装置において、混合器を貫くいずれの任意の構造軸線方向断面においても、各軸(2,2')上にパドル1個(3,3')のみがあることを特徴とする装置。
【００５６】
6．上記1乃至5のいずれかによる装置において、各軸が心軸とその上に配置された軸スリーブからなること、一部の選ばれたブレードが、軸線方向に連続して配置された少なくとも2個のブレード部分に分割されていること、かつ軸スリーブがパドル、選択により非分割ブレード及びブレード部分とともに強固に接続された部分を構成することを特徴とする装置。
【００５７】
7．上記1乃至6のいずれかによる装置において
各軸(2,2')にさらに押出し器ねじ部分(61,61';62,62')を配置したことを特徴とする装置。
【００５８】
8．上記7による装置において
減圧段階の分離に役立つ押出し器のねじ部が、流れの方向において、まず大ピッチのねじ部（61）、次いで小ピッチのねじ部（62）よりなることを特徴とする装置。
【００５９】
9．上記1乃至8のいずれかによる装置を使用し、液体の粘度が10Pasを超え、混合物質の平均滞留時間が15分未満である、粘性液体から揮発性物質を蒸発又は脱気するプロセス。
【図面の簡単な説明】
【図１】第1a図は、回転子2個を備えた、本発明による装置の設計の単純化した概略全体図を示し、第1b図は第1a図による装置の側面図を示す。
【図２】本発明による装置の回転子の斜視図を示す。全体的な明瞭性を図るため、ハウジングは示されていない。
【図３】第1a図のA‐A断面に対応する、第2図による装置の径方向の断面を示す。
【図４】第1a図のA‐A断面に対応する、第2図による装置の動的自浄作用を示す。回転子1個を固定し、この回転子に対する他方の回転子の相対的動きが、様々な回転角において重ねて示されている。
【図５】第2図におけると同一の装置の斜視図を示す。軸線方向の移送を説明するために、軸線方向の視角を選んでいる。
【図６】押出し器部分が各圧力レベルにおける蒸発又は脱気段階の分離と、排出の役割を果たしている、本発明による装置の１変形の、簡略化した全体図を示す。第6b図は第6a図による装置の側面図を示す。
【図７】２個の連動軸スリーブを示す。
【符号の説明】
１ ハウジング
２ 軸
３ パドル
４ ブレード
５ ブレード
６１ ねじ部分
６２ ねじ部分
５０１ ブレード
５０２ ブレード
５０３ パドル

Claims (7)

  1. 製品入口と製品出口とを一方の側と他方の側とに設けたハウジングと、排出蒸気ノズルと、２本以上の軸と、その上に配置され、周方向に延設されたパドルと軸線方向に延設されたブレードと、隣接する軸を逆回転させる駆動手段とを含む、粘性混合物質処理用の混合装置であって、
    該ブレードがそれぞれ一方の軸と、軸線方向より見れば、装置の端に位置するブレードから離れたパドルとに接続されること、
    軸線方向より見れば、装置の端に位置するパドルから離れた位置に、各パドルの上流側には、少なくとも１個の外向きに移送するブレードがあり、各パドルの下流側には、少なくとも１個の内向きに移送するブレードがあること、ただし、パドルの上流側とは製品入口の方向に向いたパドル表面の側を意味し、パドルの下流側とは製品出口の方向に向いたパドル表面の側を意味する、
    駆動手段により生じる軸の回転とともに、ブレードとパドルがハウジングの全内壁を拭って、ハウジングを全面的に動的に清掃すること、
    駆動手段により生じる軸の回転とともに、ブレードとパドルが軸の全面を拭って、軸を全面的に動的に清掃すること、
    駆動手段により生じる軸の回転とともに、一方の軸のブレードとパドルが直近の軸のブレードとパドル、この軸自体、またはハウジングの内壁により拭われるので、したがって全面的に動的に清掃されること、
    軸の周方向にて互いに追従するブレードの対と（該ブレードの１個に接続されている）少なくとも１個のパドルが室を構成し、各軸の回転に伴なって、隣接する他の軸上に位置するブレードが、係合して、該室に進入し、室内の製品の大半を、パドル表面と反対の方向に押し出すこと
    を特徴とする混合装置。
  2. 上記軸の軸線に垂直な断面において、ブレード（４，４’，５，５’）及びパドル（３，３’）が、それぞれの回転の中心点を中心とする円の弧又は外サイクロイド部分を有する請求項１に記載の混合装置。
  3. ハウジングの内径と軸間隔の比が１.４５乃至１.７０である請求項１又は２に記載の混合装置。
  4. 混合器を貫くいずれの任意の構造軸線方向断面においても、各軸（２，２’）上にパドル１個（３，３’）のみがある請求項１−３のにいずれか１に記載の混合装置。
  5. 各軸が心軸とその上に配置された軸スリーブからなること、一部の選ばれたブレードが、軸線方向に連続して配置された少なくとも２個のブレード部分に分割されていること、かつ軸スリーブがパドル、非分割ブレード及びブレード部分とともに強固に接続された部分を構成する請求項１−４のいずれか１に記載の混合装置。
  6. 各軸（２，２’）にさらに押出し器ねじ部分（６１，６１’；６２，６２’）を配置した請求項１−５のいずれか１に記載の混合装置。
  7. 請求項１−６のいずれか１に記載の混合装置を使用し、液体の粘度が１０Ｐａｓを超え、混合物質の平均滞留時間が１５分未満である、粘性液体から揮発性物質を蒸発又は脱気するプロセス。
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