JP4432438B2

JP4432438B2 - 撹拌装置

Info

Publication number: JP4432438B2
Application number: JP2003348901A
Authority: JP
Inventors: 邦彦松村; 泰弘鷲見
Original assignee: Kaneka Corp
Current assignee: Kaneka Corp
Priority date: 2003-10-07
Filing date: 2003-10-07
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2023-10-07
Also published as: JP2005111365A

Description

本発明は撹拌槽内において、気液界面を通したガス吸収・表面蒸発伴う場合に適した撹拌装置に関する。

気液界面からガス吸収やガス及び溶剤脱揮の後半の表面蒸発状態を伴う撹拌装置において、装置を大型化する場合において幾何学的相似系でスケールアップさせる場合には液体積が撹拌槽直径の３乗で比例すること対して、気液界面の面積は撹拌槽直径の２乗で比例するため、液単位体積当たりの気液界面の面積がスケールアップに伴い小さくなる。従って、装置寸法が大きくなるにつれて気液界面におけるガスの移動速度が律速することになる。また、液体の粘度が高くなると気液界面における流体塊の更新の頻度が少なくなるため、ガス吸収・表面蒸発速度が極端に小さくなる。特に反応過程で粘度が変化する場合において、１０ｍＰａ・ｓ程度の低い粘度領域から数千ｍＰａ・ｓの中粘度まで十分な撹拌と気液界面からのガス吸収とガス及び溶剤脱揮できる撹拌翼が望まれていた。

一般に気液界面からのガス移動速度を向上させるために、１ｍＰａ・ｓ程度の流体では邪魔板等を取り付けることが多く、この手法では数千ｍＰａ・ｓ程度の中高粘度領域の流体に対して気液界面の更新が十分でないために、ガス吸収速度・ガス脱揮および溶剤脱揮時の後半の表面蒸発速度が極端に遅くなっていた。（特許文献１）では、表層撹拌翼により気液界面付近の液の更新が良好となり、粘性物質中へのガス吸収速度・ガス脱揮および溶剤脱揮時の後半の表面蒸発速度は上昇する。しかし、様々な品種、例えば、分子量が異なるポリマーを生産する場合、粘度や密度の差異により撹拌軸近傍で気液界面に発生するボルテックスの形状が変化することや仕込量が変化するため、気液界面の位置が変化し、表層撹拌翼が有効に作用しなくなるという欠点がある。さらに、表層撹拌翼とその直下の撹拌翼との間に空間がある場合には、そのところに局所的な循環流が出来やすく、気泡を下部に巻き込む場合に支障となりやすい。また、液体の粘度が数千ｍＰａ・ｓ程度以上の場合、（特許文献２）の様にヘリカルリボン翼を気液界面から出す方法も考案されているが、このよう撹拌翼では、１０ｍＰａ・ｓ〜５０００ｍＰａ・ｓ程度の粘度領域では液体が撹拌翼と共回りし、混合性が低下して装置寸法が大きい場合には十分な撹拌効果を得ることはできない。（特許文献３）では、下部に大型パドル翼を有し、中段及び上段にくし状の翼を有する撹拌翼を用いることにより、層流域から乱流域に至るまで撹拌槽全体を良好に混合し、さらに、上段のくし状の翼を気液界面から突出することにより、気液界面を通した物質移動の向上を図っている。しかし、この場合には、既設の撹拌翼にくし状の翼を追加することは出来ず、撹拌槽内の撹拌翼全体を付け替えなければならず、既設の撹拌槽を改造することに比べて多くの工事期間と多額の費用が必要であった。上記のような現状を鑑み、既設の撹拌翼に追加するだけで、１０ｍＰａ・ｓ程度の低い粘度領域から数千ｍＰａ・ｓの中高粘度の領域まで十分な撹拌効果と気液界面からのガス吸収・ガス脱揮および溶剤脱揮を実現する方法が望まれている状態であった。
特開平２−１８７１３７特開平１１−１５１４３２特開平１０−０２４２３０

本発明の目的は、上記のような問題点を解決し気液界面におけるガス移動速度、ガス吸収、表面蒸発を向上させ、かつ低粘度から中高粘度まで効率を低下さないような撹拌翼を提供することにある。また、気液界面を通したガス移動速度を向上させるために、撹拌翼を追加するだけの、簡単な方法を提供することを目的とした。

本発明は、撹拌槽に設置された、くし状の撹拌翼と異なる既存の水没型の撹拌翼に対して、水平方向に対して斜めに延びるアーム部分により、くしの部分が支持された、気液界面を突き抜ける状態で配置されたくし状の翼及びバッフルを追加することにより、上記のような課題を解決した。

液体を撹拌する、くし状の撹拌翼と異なる既設の翼に対して、水平方向に対して斜めに延びるアーム部分により、くしの部分が支持された、気液界面を突き抜ける状態で配置されたくし状の翼とバッフルを追加することにより、気液界面積を上昇させ、気液界面を通したガス移動速度を上昇させ、ガス吸収及びガス脱揮時の表面蒸発速度を向上することができた。

本発明の撹拌装置は、通常の水没型の撹拌翼にくし状の撹拌翼を追加した撹拌装置である。一例として多段傾斜パドル翼にくし状の撹拌翼を設置した場合の撹拌翼形状を図１に示す。くし状の翼は気液界面５から突き出ているように設置される。このくし状の翼が回転する際に、その翼の後方に液面の窪みが発生し、そこへ流体が流れ込むとき際に気相部の気体も巻き込み、結果として気液界面を増やす効果が得られる。

気液界面以下に設置されている撹拌翼の形状は、特に限定しておらず、例えばパドル翼、傾斜パドル翼、タービン翼、プロペラ翼、スクリュー翼、ヘリカルリボン翼、マックスブレンド翼などあるが、これらに限定するようなものではない。

本発明に使用しているくし状の翼のくしの部分の幅、数は特に限定しないが、気液界面を突き抜けた位置に設置するので、粘度の高い液体を用いる場合には、液体の粘度により変形しないような幅であることが望ましい。該撹拌翼の直径は該槽直径に対して０．３〜０．８、好ましくは０．４〜０．７程度が好ましい。該撹拌翼の直径が小さすぎる場合には、良好な物質移動の効果が期待されず、大きすぎる場合には、バッフルを設置で出来なくなることや撹拌所要動力が過大となり経済的でなくなり、好ましくない。該くし状翼のくし部分の断面形状は、長方形、正方形、丸形、楕円形、Ｔ字形など限定はなく、気泡を巻き込む効果考えると、回転方向から見た投影面積が大きくなる長方形、Ｔ字形が好ましく、粘性物質を撹拌する場合には機械的強度の観点から、Ｔ字形、正方形が好ましい。

該くし状翼のくしの部分を支えるアーム部は、アーム部分が水平に取り付けられる場合にはパドル翼と同様の役割を果たし、その部分から吐出流が発生し、該くし状の翼の外側の流体中に局所的な循環流が発生しやすくなり、それを避けるために、斜めに配置する。

該くし状の翼とその直下の翼と間隔が空いている場合、その部分が下の翼及びくし状の翼の吐出流を吸い込む部分となり、局所的な循環流が発生しやすくなるために、くし状の翼の下端はその直下の撹拌翼と回転軸方向に重なっている方が良い。

また、くし状の翼はその直下の翼と同じ位相に設置するよりも、位相を変えた方が好ましく、該直下の翼に対して、回転方向前方へ０〜９０°の位相差をつけた方がよい。このような位相差をつけることにより、くし状の翼の背面に圧力が低下する部分を発生せしめ、且つ、該くし状による半径方向への吐出流と該直下の翼の吐出流によりそれぞれの翼の近傍に局所的な循環流が発せすることを防ぎ、良好に上下の撹拌を促進することができる。

邪魔板に関しては、特に限定しないが、気液界面を突き抜けて設置する方が気液界面を効果的に乱すことができ、好ましい。

適用できる流体に関して特に限定はしないが、粘度領域が０．１ｍＰａ・ｓ〜２００００ｍＰａ・ｓ程度である場合にくし状の撹拌翼を設置する効果が期待できる。

実施例および比較例において撹拌槽は共に直径３００ｍｍ、液深４２０ｍｍ、気相部体積１９Ｌの撹拌槽を用いた。温度条件は１３０℃とし、流体はポリプロピレングリコールを用いた。最初に、絶対圧０．２ｋＰａ程度まで減圧し、真空ラインを閉じた後に、気相部へヘキサン又はメタノールを仕込み、ガス化した溶剤がポリプロピレングリコールへ溶解する際の気相部圧力を測定し、見かけの物質移動容量係数ｋＬａを算出した。この見かけの物質移動容量係数ｋＬａは、測定された気相部の時間的圧力変化を

を数値的に時間積分するにより得られる圧力変化でフィッティングさせることにより求めた。また、この見かけの物質移動容量係数と単位ポリマー体積当たりに投入した撹拌所要動力の関係を用いて、それぞれの撹拌翼における気液界面の物質移動について定量的に比較を行った。

（実施例１）
図３に示した撹拌翼、すなわち、図５に示した撹拌翼にくし状の翼を追加した撹拌翼を用いて見かけの物質移動容量係数ｋＬａを算出した。この時、気相部へ仕込んだ溶剤はメタノールであった。この実験結果から、単位ポリマー体積当たりの撹拌所要動力と見かけの物質移動容量係数ｋＬａの関係を図７中の▲印で示した。

（実施例２）
図４に示した撹拌翼、すなわち、図６に示した撹拌翼の最上段の翼をくし状の翼に変更した撹拌翼を用いて見かけの物質移動容量係数ｋＬａを算出した。この時、気相部へ仕込んだ溶剤はヘキサンであった。この実験結果から、単位ポリマー体積当たりの撹拌所要動力と見かけの物質移動容量係数ｋＬａの関係を図８中の▲印で示した。

（比較例１）
図５に示した撹拌翼を用いて見かけの物質移動容量係数ｋＬａを算出した。この時、気相部へ仕込んだ溶剤はメタノールであった。この実験結果から、単位ポリマー体積当たりの撹拌所要動力と見かけの物質移動容量係数ｋＬａの関係を図７中の◇形印で示した。

（比較例２）
図６に示した撹拌翼を用いて上記の物質移動容量係数ｋＬａを算出した。この時、気相部へ仕込んだ溶剤はメタノールであった。この実験結果から、単位ポリマー体積当たりの撹拌所要動力と見かけの物質移動容量係数ｋＬａの関係を図８中の◇形印で示した。

実施例１と比較例１の結果から、図３と図５に示した撹拌翼において同じ撹拌所要動力を投入した場合には、図５に示した撹拌翼に比べて図３に示した撹拌翼、すなわち、図５に示した撹拌翼にくし状の翼を追加した撹拌翼を用いた場合には見かけの物質移動容量係数が約７倍に向上していることが判った。また実施例２と比較例２から、図４と図６に示した撹拌翼において同じ撹拌所要動力を投入した場合には、図６に示した撹拌翼に比べて図４に示した撹拌翼、すなわち、図６に示した撹拌翼の最上段の翼をくし状の翼に変更した撹拌翼を用いた場合には、見かけの物質移動容量係数が約４倍に向上していることが判った。

以上の実施例より、撹拌槽に設置された、くし状の撹拌翼と異なる既存の水没型の撹拌翼に対して、水平方向に対して斜めに延びるアーム部分により、くしの部分が支持された、気液界面を突き抜ける状態で配置されたくし状の撹拌翼と邪魔板を追加した撹拌装置であって、既存の撹拌翼に対して該くし状の撹拌翼が軸方向に対して重なりを有し、既存の撹拌翼に対して該くし状の撹拌翼が、回転方向前方に０〜９０°位相差を有している撹拌装置を用いることにより気液界面の物質移動性能が向上したことが明らかとなった。

２段傾斜パドルにくし状の翼を設置した場合の横から見た図２段傾斜パドルにくし状の翼を設置した場合の横から見た図実施例１で使用した装置図実施例２で使用した装置図比較例１で使用した装置図比較例２で使用した装置図実施例１、２、比較例１、２、の圧力変化の図

符号の説明

１撹拌軸
２くし状の撹拌翼
３傾斜パドル翼（既存の撹拌翼）
４バッフル
５気液界面（液面）

Claims

撹拌槽に設置された、くし状の撹拌翼と異なる既存の水没型の撹拌翼に対して、水平方向に対して斜めに延びるアーム部分により、くしの部分が支持された、気液界面を突き抜ける状態で配置されたくし状の撹拌翼と邪魔板を追加設置した撹拌装置。
既存の撹拌翼に対して該くし状の撹拌翼が軸方向に対して重なりを有する、請求項１に記載の撹拌装置。
既存の撹拌翼に対して該くし状の撹拌翼が、回転方向前方に０〜９０°位相差を有している請求項１または２に記載の撹拌装置。
該撹拌槽内の液体の粘度が０．１ｍＰａ・ｓ〜２００００ｍＰａ・ｓである、請求項１〜３のいずれかに記載の撹拌装置。
ガス吸収やガス及び溶剤脱揮によって該撹拌槽内の液体の粘度が１０ｍＰａ・ｓ〜２０００００ｍＰａ・ｓの範囲で変化する、請求項１〜４のいずれかに記載の撹拌装置。