JP4384477B2 - 分散装置 - Google Patents

Description

本発明は一般に、分散装置に関する。より詳細には、本発明は、低密度粒子を液体中に均一に分散させることができる分散装置に関する。

鉄鋼プロセスにおける溶銑予備処理を始めとする材料プロセスにおいては、１μｍ〜１ｍｍ程度の粒子を浴中又は液体中に均一に分散させる操作が必要とされる場合が数多くある。従来、このような低密度粒子を浴中又は液体中に分散させる方法として、キャリアガス中に低密度粒子を分散させて浴中又は液体中に導入する方法と、攪拌羽根を用いた機械的攪拌法が一般的に行われている。

しかしながら、前者の方法では、低密度粒子と液体との濡れ性が悪いと、低密度粒子に気体が付着して液体との直接接触が妨げられ、また流動抵抗が大きくなって液体中への侵入が非常に困難になるという課題がある。一方、後者の方法では、攪拌羽根の回転につれて液体表面が降下し、液体表面に存在する低密度粒子が攪拌羽根に衝突することによって液体内への分散が生ずるが、全ての低密度粒子を液体中に分散させることは実質的に不可能であり、攪拌羽根の回転軸の周囲に低密度粒子が集まってしまうという課題がある。このように、従来の低密度粒子分散法では、低密度粒子を液体中に効率的に均一に分散させることは困難であった。

したがって、本発明は、低密度粒子を液体中に均一に分散させることができる分散装置を提供することを目的としている。

本発明者は、上述の課題を解決するために、“テイラー・プラウドマンのカラム（柱）”を利用することにより、低密度粒子を液体中に均一に分散させることが可能になることを見い出した。以下、本発明の原理について詳細に説明する。円筒形容器に液体を入れて円筒形容器を回転させ、十分な時間が経過すると、液体と円筒形容器が剛体回転する。一方、円筒形容器の底部に突起が設けられている場合にも、同様な状態になるが、この際、円筒形容器の回転速度を僅かに速くしたり遅くしたりすると、液体と円筒形容器との間に相対速度が生じ、突起の上方に位置する柱状部分の液体が突起とともに剛体的に回転する。この柱が、“テイラー・プラウドマンのカラム（柱）”と呼ばれているものである。

いま、容器に液体を入れ、液体の表面近傍に円柱体を僅かに挿入すると、この円柱体は、突起とみなすことができる。次いで、静止状態から攪拌羽根を回転させると、容器内には液体の回転流が生ずるが、上述のように、円柱体の下方に位置する部分に、テイラー・プラウドマンのカラムが形成され、カラムの周囲に低密度粒子が集まってくる。そして、時間が経過して回転流の速度が大きくなると、テイラー・プラウドマンのカラムが崩壊し、攪拌羽根の周囲に、螺旋状の大きな渦が形成され、これにより低密度粒子が勢いよく容器内全体にほぼ均一に分散される。このようにして、低密度粒子が液体中に均一に分散される。

本願請求項１に記載の低密度粒子を液体中に均一に分散させる分散装置は、液体が収容される容器と、前記容器のほぼ中央の液面からの深さがＨ₁ のところに配置され、駆動装置により回転駆動される攪拌羽根と、前記容器の中心から所定の水平距離のところに配置され、液面から深さＨ_C だけ浸漬された直径Ｄ_C の１又は複数のカラムとを備え、前記カラムの浸漬深さＨ _C がＨ _C ≦Ｄ _C となり、前記攪拌羽根の設置深さＨ ₁ がＨｃよりも深くなるように選定されていることを特徴とするものである。

本願請求項２に記載の低密度粒子を液体中に均一に分散させる分散装置は、前記請求項１の装置において、前記カラムが、前記容器の中心と前記容器の側壁との間の中間の距離又はその近傍に配置されていることを特徴とするものである。

本発明の分散装置により、低密度粒子を液体中に均一に効率的に分散させることができる。また、本発明の分散装置は、構造が極めて簡単であるため、製造コストが廉価であり、操作し易く、故障しにくいとともに、たとえ故障した場合であっても容易に修理することができる。

次に図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態に係る分散装置について詳細に説明する。図１において全体として参照符号１０で示される本発明の好ましい実施の形態に係る分散装置は、側壁１２ａと直径Ｄの円形の底壁１２ｂとを有する容器１２を備えている。容器１２内には、底壁１２ｂから液面までの高さがＨ_W となるように、低密度粒子が分散される液体が収容されている。容器１２は、円筒形状のものとして図示されているが、底面がｎ角形（ｎ≧３）の筒形状のものでもよい。

容器１２内のほぼ中央には、液面からの深さがＨ₁ のところに攪拌羽根１４が配置されており、攪拌羽根１４は、モータ１６を駆動させることによって、回転軸１８を介して所定の速度で回転されるようになっている。攪拌羽根１４は、４枚の矩形の羽根から成るものとして図示されているが、異なる枚数にしてもよく、また異なる形状にしてもよい。

容器１２内の中心から水平距離Ｌのところに、直径Ｄ_C のカラム２０が配置されており、カラム２０の下端が深さＨ_C だけ液体に浸漬している。カラム２０は、円柱形状のものとして図示されているが、円筒形状又は底面がｎ角形（ｎ≧３）の筒形状のものでもよく、或いは、浸漬する下端が円錐形状又は角錐形状のものでもよい。

カラム２０は、容器１２の中心と側壁１２ａとの間の中間距離（即ち、Ｌ＝Ｄ／４）及びその近傍に配置するのが好ましい。また、カラム２０の浸漬深さＨ_C は、カラム２０の直径Ｄ_C と同等又は直径Ｄ_C より小さい（Ｈ_C ≦Ｄ_C ）のが好ましいが、これに限定されるものではない（例えば、容器の直径が非常に大きいときには、上述の範囲に必ずしも限られるものではない）。

なお、カラム２０は、液体の攪拌中に水平位置及び垂直位置が移動しないように、支持手段（図示せず）で堅固に固定されている。

以上のように構成された分散装置１０の作動例について説明する。まず、液体を入れた容器１２に低密度粒子を投入する。次いで、モータ１６を作動させて攪拌羽根１４を回転させる。すると、液体内に回転流が生ずるが、カラム２０の下方にテイラー・プラウドマンのカラム（柱）が形成され、その周囲に低密度粒子が集まってくる。時間が経過するにつれて回転流の速度が大きくなると、テイラー・プラウドマンのカラム（柱）が崩壊して、攪拌羽根１４の周りに螺旋状の大きな渦が形成され、低密度粒子が容器内全体にほぼ均一に分散される。図３（ａ）は、その際における低密度粒子の分散状態（移動状態）を矢印で示した概略図である（図３（ｂ）は、カラムが浸漬されていない従来の分散装置における低密度粒子の分散状態を示した同様の図である）。

次に、本発明の分散装置の有効性を検証するために行われた実験について説明する。実験には、図４に示されるように、内径２００ｍｍのアクリル樹脂製の円筒形容器を使用し、底壁から液面までの高さＨ_W が３００ｍｍになるように円筒形容器内に水を入れ、液面接触用の円柱カラムを配置した。そして、浴表面に低密度粒子（粒子径３０μｍ〜５０μｍ、密度４０ｋｇ／ｍ³ ）を浮かべ、攪拌羽根を回転させることにより容器内に低密度粒子を分散させ、低密度粒子が均一に分散するまでの時間である過渡時間Ｔ_feを測定した。なお、円柱カラムの半径方向設置位置Ｌ、円柱カラムの浸漬深さＨ_C 、及び攪拌羽根の設置深さＨ₁ が過渡時間に及ぼす影響を調べるため、これらのパラメータを適宜変更して実験を行った。

まず、円柱カラムの外径Ｄ＝５０ｍｍ、円柱カラムの浸漬深さＨ_C ＝２０ｍｍ、攪拌羽根の設置深さＨ₁ ＝１５０ｍｍとし、円柱カラムの半径方向設置位置Ｌ（位置Ａ、位置Ｂ、位置Ｃ、図４（ｃ）参照）を変えて過渡時間Ｔ_feを測定した。その結果は、図５のグラフに示す通りである。図５のグラフにおいて、横軸は攪拌羽根の回転数（ｒｐｍ）、縦軸は過渡時間Ｔ_fe（秒）を表している。図５から、回転数が３００ｒｐｍにおいて位置Ａ、位置Ｂでの過渡時間Ｔ_feが際立って少なく、回転数が５００ｒｐｍにおいても依然として位置Ａ、位置Ｂでの過渡時間Ｔ_feが少ないのが分かる。したがって、円柱カラムは、容器の中心と側壁との間の中間距離及びその近傍に配置するのが好ましいものと推測される。

次に、円柱カラムの外径Ｄ＝５０ｍｍ、攪拌羽根の設置深さＨ₁ ＝１５０ｍｍ、円柱カラムの半径方向設置位置Ｌ＝５０ｍｍ（位置Ａ）とし、円柱カラムの浸漬深さＨ_C を変えて過渡時間Ｔ_feを測定した。その結果は、図６のグラフに示す通りである。図６のグラフにおいて、横軸は攪拌羽根の回転数（ｒｐｍ）、縦軸は過渡時間Ｔ_fe（秒）を表している。図６から、回転数が３００〜４００ｒｐｍにおいてＨ_C ＝２０ｍｍ、５０ｍｍでの過渡時間Ｔ_feが際立って少なく、回転数が５００ｒｐｍにおいても依然としてＨ_C ＝２０ｍｍ、５０ｍｍでの過渡時間Ｔ_feが少ないのが分かる。したがって、円柱カラムの浸漬深さは、カラム自体の直径と同等か又はそれより小さくするのが好ましいものと推測される。

次に、円柱カラムの外径Ｄ＝５０ｍｍ、円柱カラムの浸漬深さＨ_C ＝２０ｍｍ、円柱カラムの半径方向設置位置Ｌ＝５０ｍｍ（位置Ａ）とし、攪拌羽根の設置深さＨ₁ を変えて過渡時間Ｔ_feを測定した。その結果は、図７のグラフに示す通りである。図７のグラフにおいて、横軸は攪拌羽根の回転数（ｒｐｍ）、縦軸は過渡時間Ｔ_fe（秒）を表している。図７から、回転数が３００〜５００ｒｐｍにおいてＨ₁ ＝１００ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍでの過渡時間Ｔ_feが際立って少ないのが分かる。したがって、攪拌羽根の設置深さは、約０．５≦（Ｈ_W −Ｈ₁ ）／Ｄ≦約１．０となるように選定するのが好ましいものと推測される。

なお、上述の各実験において、円柱カラムを設置しない場合も併せて検証したが、円柱カラムを設置しない場合には、低密度粒子が均一に分散しなかった。

本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、前記実施の形態では、単一のカラムが設置されているが、複数のカラムを設置してもよい。

本発明の好ましい実施の形態に係る分散装置を示した概略正面図である。 図１の線２−２に沿った断面図である。 本発明の分散装置と従来の分散装置を用いた場合における液体中での低密度粒子の分散状態を示した図である。 本発明の分散装置の有効性を検証するために行われた実験に用いられた器具を説明するための図であって、図４（ａ）は実験装置の概略断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の線４ｂ−４ｂに沿って見た図、図４（ｃ）は円柱カラムの３通りの配置位置を示した図である。 本発明の分散装置の有効性を検証するために行われた実験の結果を示したグラフであって、円柱カラムの半径方向設置位置が過渡時間に如何なる影響を与えるのかを示したものである。 本発明の分散装置の有効性を検証するために行われた実験の結果を示したグラフであって、円柱カラムの浸漬深さが過渡時間に如何なる影響を与えるのかを示したものである。 本発明の分散装置の有効性を検証するために行われた実験の結果を示したグラフであって、攪拌羽根の設置深さが過渡時間に如何なる影響を与えるのかを示したものである。

符号の説明

１０ 分散装置
１２ 容器
１４ 攪拌羽根
１６ モータ
１８ 回転軸
２０ カラム

Claims (2)

1. 低密度粒子を液体中に均一に分散させる分散装置であって、
   液体が収容される容器と、
   前記容器のほぼ中央の液面からの深さがＨ₁ のところに配置され、駆動装置により回転駆動される攪拌羽根と、
   前記容器の中心から所定の水平距離のところに配置され、液面から深さＨ_C だけ浸漬された直径Ｄ_C の１又は複数のカラムとを備え、
   前記カラムの浸漬深さＨ _C がＨ _C ≦Ｄ _C となり、前記攪拌羽根の設置深さＨ ₁ がＨｃよりも深くなるように選定されている、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記カラムが、前記容器の中心と前記容器の側壁との間の中間の距離又はその近傍に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。

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