JP5812643B2 - 固液二相流体の搬送装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体粒子と液体からなる固液二相流体を、固体粒子の密度を均一な状態で目的とする搬送先に供給することのできる搬送装置に関するものである。

固体粒子と液体からなる固液二相流体は、化学関連設備、食品・飲料製造設備、建築・土木関連設備、等々の広範な産業分野で取り扱われている。これらのいずれの産業分野においても作製された固液二相流体を搬送する過程で、固体粒子が固液二相流体の中で均一な密度を保つことが必用な場合がある。例えば、所定量の固液二相流体に含まれる固体粒子の量を一定にすることが、化学関連設備においては適切な化学反応を得るために必要であり、また、食品・飲料製造設備においては狙った味覚を得るために必要である。

固液二相流体は、固体粒子と液体を撹拌機により混合・撹拌した後に、必要な処理を行うための処理部に向けて供給され、そこで所定の処理がなされた後に、当該処理領域から排出され、さらに次の処理がある場合には、次の処理部に搬送される。一般に、撹拌機により混合・撹拌された時点では、固液二相流体における固体粒子の密度は均一であるが、配管を介して搬送される過程、あるいは、配管から処理部に移送される過程で密度の均一性が解かれることがある。特に、搬送される固液二相流体の流速が小さいと、液体に比べて比重が大きい固体粒子が沈降することによる分散状態の低下により、それ以降の固液二相流体の密度は混合・撹拌された当初より低くなる。

このような固液二相流体の特質に応じて、固液二相流体の流れを均等に分配する分配器が特許文献１に開示されている。この分配器は、固液二相流体の流れ方向に横断面が十字状の２つの仕切り体を９０°の角度をなして配置される。特許文献１によると、この分配器は、一段目の仕切り体で分割された流れが、二段目の仕切り体により更に分割された上で各流出管に分配されるので、固体粒子及び液体がそれぞれほぼ均等となるように固液二相流体を容易に分配できる、とされている。

特開２００９−２４３６４４号公報

上述したように、固液二相流体を搬送するものとして、配管を通ってきた固液二相流体が処理部に流入する形態があるが、この形態において固体粒子の密度を均一に維持しながら処理部に流入させる搬送装置の要望が多い。
本発明は、このような課題に基づいてなされたもので、配管を通ってきた固液二相流体における固体粒子の密度を均一に維持しながら処理部に流入させることのできる搬送装置を提供することを目的とする。

固液二相流体を搬送する場合、その流量が多い範囲では、圧損を小さくするために口径（直径）の大きい配管が必要である。一方、配管の口径を大きくすると流路面積が大きくなり、流速が小さくなるので、固液二相流体中の固体粒子が沈降しやすい。したがって、多量の固液二相流体を搬送する際に、固体粒子の沈降が生じない程度の流速で固液二相流体を流すことが本発明の目的を達成するために必要である。

次に、固液二相流体が処理部に流入する際の固液二相流体中における速度分布が均一であることが、固液二相流体における固体粒子の密度を均一に保つ上で重要である。そのためには、配管と処理部の間にディフューザを設け、ディフューザを介して配管を流れてきた固液二相流体を処理部に流入させることが効果的である。ところが、ディフューザによる効果を得るためには、所定のテーパ角を有している必要がある。しかるに、配管の流入口における口径に対して処理部の流入部分の開口面積が大きい場合には、処理部と接続されるディフューザの開口面積を大きくする必要があるため、所定のテーパ角度を有するディフューザは長くならざるを得ない。これは、固液二相流体の搬送装置の大型化を招く要因となる。なお、本発明において、ディフューザの長さとは、固液二相流体が流れる向きの寸法を言うものとする。

本発明者等は、一つの配管から固液二相流体を処理部に流入させるのではなく、配管を複数に分けることで、以上説明した二つの検討課題を同時に解決することを提案するものである。
すなわち本発明の固液二相流体の搬送装置は、固体粒子と液体とを撹拌手段によって混合し、撹拌することで得られた固液二相流体を搬送する複数の配管と、各々の配管を搬送される固液二相流体が供給される処理部と、を備え、固液二相流体が、配管の固液二相流体の搬送方向の端部に接続されるディフューザを介して処理部に供給されることを特徴とする。

本発明は、以上のようにディフューザを介して処理部に接続される配管を複数とすることで個々の配管の口径を小さくし、配管内を流れる固液二相流体の流速を大きくできるようにする。そうすることで、固体粒子の密度を均一に維持しながら固液二相流体を搬送する。固液二相流体の流速を大きくするために配管の口径を小さくするが、一方で処理部へ接続される配管の本数を複数にすることで必要な流量を確保する。
また、配管の口径を小さくできるので、処理部へ接続されるディフューザの長さを抑え、装置の小型化に寄与する。

本発明の固液二相流体の搬送装置において、処理部に接続される複数のディフューザは、処理部との接続面において対称の位置に配置されることが好ましい。そうすることで個々のディフューザから固液二相流体の流れを乱すことなく処理部に流入させることができる。対称の位置とは、例えば、正三角形の頂点（線対称）、正方形の頂点（点対称）を言うが、これに限るものではない。

本発明の固液二相流体の搬送装置は、処理部に流入する固液二相流体の向きを問わずに適用することができるが、下方より処理部に向けて上向きに固液二相流体がディフューザを通過して処理部に流入する場合に有効である。この場合に液体に対して比重の大きい固体粒子が沈降しやすいからである。

本発明の搬送装置によれば、配管を通ってきた固液二相流体における固体粒子の密度を均一に維持しながら処理部に流入させることができる。しかも、この装置は、ディフューザの長さを抑えることができるので、小型化できる。

本実施形態における固液二相流体の処理装置の構成を示す図である。 （ａ）は図１の処理装置の要部拡大図を示し、細い配管を４本設けた図、（ｂ）は（ａ）の比較として太い配管を１本だけ設けた図である。 複数の配管（ディフューザ）を処理部に接続する配置を示す図であり、（ａ）及び（ｂ）は４本の場合を示し、（ｃ）及び（ｄ）は５本の場合を示す。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本実施形態による固液二相流体Ｌの処理装置１は、混合・撹拌部２と、処理部３と、を備え、混合・撹拌部２により生成される固液二相流体Ｌを処理部３に搬送して所定の処理を行う。
混合・撹拌部２は、固液二相流体Ｌを構成する固体粒子と液体とを混合し、かつ撹拌翼などの撹拌手段により撹拌して、液体中に固体粒子が分散した密度の均一な固液二相流体Ｌを生成する。本発明は、混合・撹拌部２の具体的な形態を問わない。

処理部３は、前述したように、化学関連設備、食品・飲料製造設備等々の産業分野で利用される多種多様の処理を行う装置、機器を対象にすることができる。この処理部３は、混合・撹拌部２で生成された固液二相流体Ｌが、固体粒子の分散状態が維持された均一な密度で流入することが望まれるところである。処理部３で所定の処理が行われた固液二相流体Ｌは、次の処理部（図示を省略）に搬送される場合、または最終的な処理物（製品）として扱われる場合がある。あるいは、混合・撹拌部２に戻され、混合・撹拌部２と処理部３が循環経路を構成する場合もある。

混合・撹拌部２と処理部３は搬送路４により接続されている。
搬送路４は、一端が混合・撹拌部２に接続され、他端がディフューザ７に接続される配管５を備える。この例では、搬送路４は４本の配管５を備えており、各々の配管５には混合・撹拌部２で生成された固液二相流体Ｌを処理部３に向けて送るためのポンプ６が設けられており、ポンプ６を作動させることで固液二相流体Ｌを処理部３に搬送、供給する。４本という配管５の本数は一例であり、２以上の数から適宜選択することができる。配管５の他端にはディフューザ７が接続されており、配管５はディフューザ７を介して、搬送される固液二相流体Ｌを供給可能に処理部３に接続される。なお、以上より理解できるように、本実施形態は単一種の固液二相流体Ｌを複数の配管５からディフューザ１７を介して処理部３に供給するものである。

ディフューザ７は、流体の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換する流路のことであり、流路の入口から出口に向けて流路面積を徐々に拡大することで、流速を落とし、圧力を増加させる。これにより、固液二相流体Ｌの流路を形成するディフューザ７の内壁面からの固液二相流体Ｌの剥離が防止されるので、固液二相流体Ｌをその密度を均一に維持しながら処理部３に供給できる。
剥離を起させないで流体がディフューザ７の内部を通過するには、流路面積が徐々に拡大する程度、つまり軸方向に対する内壁面の傾斜角度θ（図１参照）を適切な範囲に設定する必要がある。この傾斜角度θは１０°〜２０°の範囲から選択されることが多い。

本実施形態は、４本の配管５（ディフューザ７）を備えている。そうすることの効果を、図２を参照しながら説明する。
図２において、（ａ）は本実施形態に対応して４本のディフューザ７が処理部３に接続されているものを示し、（ｂ）は本実施形態に対する比較例として１本のディフューザ１７が処理部３に接続されているものを示している。
本実施形態において、１本のディフューザ７（配管５）から処理部３に供給される固液二相流体Ｌの流量（単位時間当たり）をＱ_１とする。仮に同じ流量Ｑ_１をディフューザ１７を介して処理部３に供給するものとし、各ディフューザ７に繋がる配管５の開口面積及びディフューザ１７に繋がる配管５の開口面積を、各々、ディフューザ７：Ａ_１、ディフューザ１７：４Ａ_１とする。そうすると、ディフューザ７側の配管５を流れる固液二相流体Ｌの流速Ｖａは、ディフューザ１７側の配管５を流れる固液二相流体Ｌの流速Ｖｂの４倍となる。このように、配管５の口径を小さくした本実施形態は固液二相流体Ｌの流速を速くできるので、固体粒子の分散状態を維持しながら均一な密度で固液二相流体Ｌを搬送することができる。

本実施形態は、固液二相流体Ｌを速く流せるディフューザ１７を複数本、この例では４本設けているので、処理部３への固液二相流体Ｌの供給量を確保できる。

本実施形態において、４本のディフューザ７から処理部３に供給される固液二相流体Ｌの配管５における流量をＱ_２とし、これと同じ流量Ｑ_２が比較例のディフューザ１７から処理部３に供給されるものとする。この場合は、本実施形態と比較例は、同じ積算時間に同じ量の固液二相流体Ｌを処理部３に供給することができる。しかし、本実施形態は配管５の口径が小さいので、ディフューザ７の長さを比較例のディフューザ１７に比べて短くできる。各ディフューザ７が処理部３と接続される部分の開口面積をＡ_１とし、ディフューザ１７が処理部３と接続される部分の開口面積を４Ａ_１とすると、ディフューザ７の長さをディフューザ１７の１／２にすることができる。

本実施形態において、処理部３に接続される４本のディフューザ７は、図３（ａ）、（ｂ）に示されるように、接続面３１において対称（点対称）の位置に配置し、４本のディフューザ７（配管５）の全てから固液二相流体Ｌを処理部３に供給するのが好ましい。図３の各ディフューザ７の中に記述されている「ＯＮ」は当該ディフューザ７から固液二相流体Ｌが供給されることを示しており、図３（ａ）は４本全てのディフューザ７から固液二相流体Ｌが処理部３に供給されることを示している。これに対して、図３（ｂ）は「ＯＦＦ」が記述されているディフューザ７からは、固液二相流体Ｌの供給が行われない。図３（ａ）の場合、各々のディフューザ７から処理部３に流入した固液二相流体Ｌは処理部３の内部で対称の状態で合流するので、合流した後の各固液二相流体Ｌの流れは乱れ難い。これに対して図３（ｂ）の場合、各々のディフューザ７から流入した固液二相流体Ｌは対称性を有していないので処理部３の内部で合流した後に流れが乱れやすい。この流れの乱れは、固液二相流体Ｌにおける固体粒子の密度の均一性を低下させる要因となる。

以上の通り、４本のディフューザ７を設ける場合、それらを対称の位置に配置した全てのディフューザ７から処理部３に固液二相流体Ｌが供給されること、を示したが、図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、設けるディフューザ７の本数を例えば５本にすれば全てのディフューザ７から固液二相流体Ｌを供給しなくてもよい。
図３（ｃ）、（ｄ）に示す例は、５本のディフューザ７を正方形の頂点と中心に配置している。この例は、図３（ｃ）に示すように、全てのディフューザ７から処理部３に固液二相流体Ｌを供給する場合はもちろん、中心に位置するディフューザ７からの供給を止めても、対称性は維持される。しかも、当該ディフューザ７からの供給を停止することにより、処理部３への固液二相流体Ｌの供給量を調整することができる。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、実施形態で挙げた構成を取捨選択し、あるいは他の構成に適宜変更することが可能である。
本実施形態において、固液二相流体Ｌは、図１に示すように、鉛直方向に立設するディフューザ７の中を下方より処理部３に向けて上向きに通過して処理部３に流入する。本発明は、固液二相流体Ｌが処理部３に流入する向きを問わない。つまり、処理部３に対して水平方向に固液二相流体Ｌが流入する場合、処理部３に対してその上方から下向きに流入する、等の形態を本発明は含む。ただし、本実施形態のように、固液二相流体Ｌが下方から上向きに流れる場合、固体粒子と液体の比重差に基づく固体粒子の沈降が最も生じやすいので、本発明の効果が顕著となる。
また、処理部３は、生産を伴うものに限定されず、処理部３に設けた機器、部材の性能を評価する、といった機能を包含する。したがって、処理部３における処理とは、固液二相流体Ｌについて行われる、受動的な処理又は能動的な処理の両者を包含する。

１ 処理装置
２ 混合・撹拌部
３ 処理部
４ 搬送路
５ 配管
６ ポンプ
７，１７ ディフューザ
３１ 接続面

Claims (4)

1. 固体粒子と液体とを撹拌手段によって混合し、撹拌することで得られた固液二相流体を搬送する複数の配管と、
   各々の前記配管を通って前記固液二相流体が供給される処理部と、を備え、
   各々の前記配管の固液二相流体の搬送方向の端部に接続されるディフューザを介して、前記固液二相流体が前記処理部に流入することを特徴とする、
   固液二相流体の搬送装置。
2. 処理部に接続される複数のディフューザは、
   前記処理部との接続面において対称の位置に配置される、
   請求項１に記載の固液二相流体の搬送装置。
3. 前記固液二相流体は、ディフューザを、下方より前記処理部に向けて上向きに通過して前記処理部に流入する、請求項２に記載の固液二相流体の搬送装置。
4. 前記撹拌手段は撹拌翼である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の固液二相流体の搬送装置。