JP4373336B2 - 液体を攪拌し、ガスを制限された閉塞をもって液体中に注入するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、反応器中で液体を攪拌し、この液体中にガスを注入するための、自吸(self-priming)インペラを用いた装置に関する。

文献ＥＰ−Ａ１−０９９５４８５は、反応器中で液体を攪拌し、この液体中にガスを注入するための装置を記載する。この装置は、反応器の上方に配置された、立て軸を駆動するための駆動モータを備える。モータの軸はその下端で、液体中に浸漬されたプロペラを支持し駆動させる。これは、同様に、液体の表面とプロペラの間に配置された自吸インペラを支持し駆動させる。自吸インペラは、それがモータの軸により駆動されるときそれが浸漬されているガスまたは液体を同時に吸引し、それによりガス／液体分散体を形成するように、ガス、一般的には酸素添加ガスの供給源に接続されている。自吸インペラにより生成されたガス／液体分散体は、自吸インペラを囲むバッフル形成環状ケーシングの助けによりプロペラに向けられる。

このタイプの先行技術の装置についてある使用条件で、インペラ中へのガスの吸引能力が、インペラおよび環状ケーシングにより規定される容積がガスにより閉塞されることにより制限されることがわかった。従って、ガス／液体分散体を環状ケーシングから排出することは困難を伴ってしか行うことができない。すなわち、一方で、ガスの反応器中への分散がなく、他方で、環状ケーシング下に存在するガスが、液体をインペラ中に入れるための手段を通して漏出しようとし、ガスが液体中に移行せず、ガスが浪費され、ガスが使用されることなく表面まで上昇するという結果をもたらす。

本発明の目的は、ガスをインペラ中に吸引する能力が向上したこのタイプの装置を提供することである。

この目的を達成するために、本発明は、上に定義した、液体を攪拌し、この液体中にガスを注入するための装置であって、自吸インペラの下側ディスクの表面積が、該インペラの上側ディスクの表面積よりも小さいところの装置に関する。

本発明の他の特徴および利点は、以下の説明を読むことにより明らかとなるであろう。本発明の形態および態様は、非限定的な例として与えられており、これらは添付の図面に示されている。

以下の説明において、用語「反応器」は、本来の「ベイスン（basin）」、およびまた壁が多かれ少なかれ間隔を有し、多かれ少なかれ頂部で閉じられている「タンク」を指す。

したがって、本発明は、反応器中で液体を攪拌し、ガスを液体中に注入するための装置であって、
前記液体の上に配置され、
前記液体中に浸漬される少なくとも１つの軸流運動アセンブリ(axial-flow moving assembly)を下端に備えるとともに、
前記反応器に浸漬され、前記出力軸により駆動可能な自吸インペラを備える
立て出力軸を有する駆動装置、および
前記インペラにより排出されるガス／液体分散体を前記軸流運動アセンブリに向けるための手段
を備え、
前記出力軸は、シリンダにより同軸的に囲包され、該シリンダの下端は前記インペラ中に開放し、上端は密封的に前記駆動装置に接続され、かつ前記軸と前記シリンダにより画定される環状ギャップ中にガスを注入するための開口が穿設され、
前記インペラは、２つの重合ディスクと、前記ディスクの間に固定され配置された一組の半径方向羽根とから構成され、上側ディスクは、前記シリンダの前記下端が入り込む中央孔が穿設され、該シリンダの下端は、前記穴のエッジとともに、少なくとも部分的に環状のスペースを画定し、該スペースを通って液体が前記インペラ中に吸引され、
前記自吸インペラの前記下側ディスクの表面積は、該インペラの上側ディスクの表面積よりも小さいところの装置に関する。

図１Ａおよび図１Ｂは、本発明により改善される、先行技術による装置を特徴付けることを可能とするものである。本発明による装置は、立て方向に延び、液体（Ｌ）中に部分的に浸漬される回転出力軸（２）を備え、液体（Ｌ）の上方に配置された駆動装置（１）、例えばモータを含む。軸（２）は、その下端（３）に、液体中に浸漬された軸流運動アセンブリ、好ましくはプロペラ（４）を担持する。軸（２）は、また、プロペラ（４）と液体（Ｌ）の表面との間に配置された自吸インペラ（５）を担持し、インペラは故に反応器中に浸漬され、プロペラ（４）と同じ速度で出力軸（２）により駆動される。出力軸（２）は、上端（６ｂ）で封止装置（７）を介して駆動装置（１）に接続されたシリンダ（６）により同軸的に囲包され、シリンダの下端（６ａ）は、軸（２）と同軸的にインペラ（５）中に開放している。シリンダ（６）の上端中には、軸（２）とシリンダ（６）によって画定される環状ギャップ（１５）中にガスを注入するための開口（１４）が設けられている。ガスをオリフィス（１４）中に注入するためのシステムは示されていない。

自吸インペラ（５）は、水平に配置された２つのディスク（８、９）と、ディスク（８、９）の間に配置され固定されている一組の半径方向羽根（１１）から構成されている。本発明の必須の特徴は、使用する自吸インペラの性質に由来する。本発明によると、自吸インペラの下側ディスク（９）は、該インペラの上側ディスク（９）の表面積よりも小さいものでなければならない。この特徴は、種々のタイプのインペラを使用することにより得ることができる。

本発明による装置の第１の変形例において、自吸インペラ（５）の下側ディスク（９）は、上側ディスク（８）の直径よりも小さな直径を有し得る。好ましくは、下側ディスク（９）の直径は、液体が通ってインペラ中に吸引されるところの少なくとも部分的に環状のスペース（１３）の直径よりも少なくとも大きいか、または等しい。このタイプのインペラが図２に示されている。

本発明による装置の第２の変形例において、下側ディスク（８）は、少なくとも部分的に切除されている。「切除」とは、ディスクの部分を除去することを意味する。下側ディスク（８）は、例えば、環帯の形態に、少なくとも部分的に切除され得、すなわち環帯形状が下側ディスクから除去され得る。このタイプのインペラは、図３に示されている。また、外側リングを除く下側ディスクの中央の全体が除去されているインペラを用いることもできる。後者の場合、下側ディスクは、金属リングのみからなる。また、少なくとも１つの角扇形（angular sector）、好ましくは複数の対称的に分布した角扇形が除去されたインペラを用いることもできる。

最後に、これらの異なる変形例を組み合わせ、下側のディスクが、環帯切除と扇形切除のような種々の形態の切除を組み合わせることにより部分的に切除されているインペラを用いることができる。すなわち、角環帯扇形が切除されたインペラを用いることができる。

出力軸（２）は、下側ディスク（９）に固定されて、インペラ（５）のディスク（８、９）を軸方向に貫通し、駆動装置（１）が作動されると、軸（２）は、インペラ（５）と軸流運動アセンブリ（４）を同じ速度で回転駆動させる。インペラ（５）の回転は、オリフィス（１４）を介し、シリンダ（６）を経由して到達するガスを吸引する吸引力、およびまた、インペラ（５）とシリンダ（６）との間に自由にされた環状ギャップ（１３）を通して導入される液体の一部を吸引する吸引力を生み出す。

本発明による装置は、インペラによりその羽根（１１）の間に放射状に排出されるガス／液体分散体を前記軸流運動アセンブリ（４）に向けるための手段を備える。好ましい態様によると、これらの手段は、インペラ（５）を囲包し、インペラから放射状に発する流れを軸流運動アセンブリ（４）に向けるように形状付けられたバッフル形成環状ケーシング（１６）を含み、該環状ケーシングは、軸（２）と同軸の２つの重合中央開口（１７、１８）が穿設されている。好ましくは、下側の開口（１８）の直径は、上側の開口（１７）の直径よりも大きく、自吸インペラ（５）の上側ディスクの直径に実質的に等しい。ガス／液体分散体をプロペラ（４）に向かわせるための手段は、また、バッフルケーシング（１６）の周りに放射状に配置され固定された、カウンターブレードを形成する一組の実質的に垂直なプレート（１９）を含み得る。この目的のために、各カウンターブレード（１９）は、バッフルケーシング（１６）の内部に半径方向に入り、好適な手段、例えば溶接またはリベット締めにより該ケーシングに固定されている。カウンターブレード（１９）は、適切な数で、所定の角度間隔で、自吸インペラ（５）およびプロペラ（４）の周りに配置され得る。プロペラ（４）の刃の端部が入り得るノッチ（２１）が、プロペラ（４）のレベルのところに、各カウンターブレード（１９）の内端部に設けられている。

本発明による装置は、同じタイプの先行技術の装置の閉塞限界を延長することを可能とする。すなわち、本発明による装置は、正常に動作し、先行技術の装置がその部分について閉塞される条件下でガスを液体に注入し、液体を攪拌することを可能とする。

本発明による装置の１つの利点は、同じパワーで、本発明による装置が、先行技術による装置と比べて、液体中に注入されるガスの流量を増加させるということである。この増加率は、少なくとも３０％である。

他の利点は、本発明による装置が、先行技術の装置と比べて、簡単な操作を有するということである。すなわち、先行技術による装置の最適化版におけるのと異なり、自吸インペラの下側で出力軸上には、追加の運動攪拌アセンブリが配置されていない。

装置の実施例
図１に示す装置のような装置に、種々のタイプの自吸インペラを取り付けた。

試験した第１のシリーズのインペラは、本発明の第１の変形例に対応する（インペラの下側ディスクの表面積がインペラの上側ディスクの表面積よりも小さい）。この第１の変形例による種々のインペラの特性は以下の表１に規定されている。

本発明の第２の変形例（２つのディスクの直径が同じで、インペラの下側ディスクが部分的に切除されている）の実施に対応するインペラを用いて他の試験を行った。インペラ４と表示する試験したインペラは、８０ｍｍの直径を有するディスクを有し、その下側ディスクは、ディスクの中心から２５ｍｍ離れて５ｍｍ幅の環帯が切除されている。

これらインペラ１〜４を備える図１の攪拌装置のガス閉塞を、インペラ０とインペラ０の下側で出力軸上に配置された追加の運動攪拌アセンブリを備えた従来技術の装置の閉塞と比較した。閉塞を検出するために、装置へのガスの流量を、駆動装置の速度を一定に保ちながら、増加させた。使用したガスは、２バール絶対の圧力の空気である。閉塞は、一方では、ガスの反応器中への拡散の停止の目視観察により、他方では、液体をインペラ中に入れるための手段（環状スペース１３）を通してのガスの排気の目視観察により検出する。

図４のグラフは、インペラ０、１、２、３および４を備えた図１の各装置について、種々の回転速度値（分^-1の単位のＮ）における閉塞時に観察されたガス流量（１／時の単位のＱ）を示す。同じ速度において、インペラ１〜４を用いた装置は、インペラ０を用いた装置の場合夜もはるかに高いガス流量で閉塞することが見いだされる。

数値シミュレーションを用いることにより、軸（２）を囲み、ガスが循環するシリンダ（６）中にこれらインペラのそれぞれにより発生される負圧をも計算した。負圧は、オイラー数を測定することにより特性決定し、表２に併せて示す。オイラー数は、ガスをインペラ中に誘導する能力を示すものであり、その数が大きいほど、インペラによりシリンダ中に生み出される負圧が大きいものである。オイラー数は、次のように計算される。Ｅｕ＝ΔＰ／（ρ_L（ＮＤ）²）（ここで、ΔＰは、Ｐａの単位で表現された、インペラによりシリンダ（６）中に発生された負圧であり、Ｄは、ｍの単位で表現された、インペラの刃により規定された直径であり、Ｎは、ｓ^-1の単位で表現された、インペラの回転速度であり、ρ_Lは、ｋｇ／ｍ^-3の単位で表現された、液体の密度である）。Ｄは、試験したすべてのインペラについて８０ｍｍの値を有する。

インペラ１を備える本発明の装置は相当程度に閉塞限界を延長することを可能とするものではあるが、低いオイラー数を融資、それ故、低いガス誘導能力を有することが観察される。インペラ２〜４を有する本発明の装置は、満足なオイラー数を有し、同時に先行技術による装置（インペラ０）の閉塞限界を延長させる。

先行技術による装置の概略図。 先行技術による装置の概略図。 本発明による装置に使用することができる自吸インペラの概略図。 本発明による装置に使用することができる自吸インペラの概略図。 本発明および先行技術による種々の装置の閉塞限界曲線を示す図。

Claims (4)

1. 反応器中で液体（Ｌ）を攪拌し、ガスを液体中に注入するための装置であって、
   容器の上に配置され、
   前記液体中に浸漬される少なくとも１つの軸流運動アセンブリ（４）を下端に備える立て出力軸（２）と
   前記反応器に浸漬され、前記出力軸により駆動可能な自吸インペラと
   を有する駆動装置（１）、および
   前記インペラにより排出されるガス／液体分散体を前記軸流運動アセンブリ（４）に向けるための手段
   を備え、
   前記出力軸は、シリンダ（６）により同軸的に囲包され、該シリンダの下端（６ａ）は前記インペラ中に開放し、上端（６ｂ）は密封的に前記駆動装置（１）に接続され、かつ前記軸と前記シリンダにより画定される環状ギャップ（１５）中にガスを注入するための開口（１４）が穿設され、
   前記インペラは、２つの重合ディスク（８、９）と、前記ディスクの間に固定され配置された一組の半径方向羽根とから構成され、上側ディスク（８）は、前記シリンダ（６）の前記下端（６ａ）が入り込む中央孔（１２）が穿設され、該シリンダの下端は、前記孔のエッジとともに、少なくとも部分的に環状のスペース（１３）を画定し、該スペースを通って液体が前記インペラ中に吸引され、
   前記下側ディスク（８）が、環帯の形態に、少なくとも部分的に切除されていることを特徴とする装置。
2. 前記軸流運動アセンブリ（４）が、プロペラであることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記インペラ（５）により放射状に排出されるガス／液体分散体を前記軸流運動アセンブリ（４）に向けるための手段が、インペラ（５）を囲包し、インペラから放射状に発する流れを軸流運動アセンブリ（４）に向けるように形状付けられたバッフル形成環状ケーシング（１６）を含み、該環状ケーシングは、軸（２）と同軸の２つの重合中央開口（１７、１８）が穿設されていることを特徴とする請求項１〜２いずれか１項に記載の装置。
4. 前記軸流運動アセンブリ（４）の下側で前記出力軸上には、追加の運動攪拌アセンブリが配置されていないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。

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