JP6793472B2

JP6793472B2 - 撹拌装置

Info

Publication number: JP6793472B2
Application number: JP2016116503A
Authority: JP
Inventors: 幸雄江田
Original assignee: Denka Co Ltd; Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2016-06-10
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2020-12-02
Anticipated expiration: 2036-06-10
Also published as: JP2017217636A

Description

本発明は、撹拌装置に関する。

例えば、複数の原料を撹拌槽に投入して反応をさせるような撹拌装置としては、プロセスの管理および反応生成物の品質バラツキ低減などの観点から、被撹拌物となる上記原料の濃度および温度等が撹拌槽内において均一に分布するものが好ましい。

このような状態を実現させるべく、例えば、撹拌翼、および撹拌槽内に被撹拌物を撹乱するバッフルを備えた撹拌装置や、主翼としての撹拌翼およびバッフルに加えて撹拌槽内での被撹拌物の上下方向の対流を生じさせるための補助翼を備えた撹拌装置などが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

これらの撹拌装置は、バッフルを備えていることで被撹拌物を容易かつ確実に撹乱することができ、上記被撹拌物の濃度および温度を全体的に均一化することができる点で優れている。

特開２００９−０１８２７４号公報特開２０１３−１４１６３５号公報

しかしながら、上述したような従来の撹拌措置では、被撹拌物の旋回流が衝突するバッフルの背後において上記被撹拌物が著しく減速して滞留が生じる傾向にあり、これにより原料や反応生成物などの濃度分布等が増大し、結果的に品質のバラツキが拡大する虞がある。上記傾向は、被撹拌物の物性にもよるが、特に撹拌中の重合などにより粘度が上昇するもので顕著となる。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、被撹拌物の濃度等の均一化を促進することが可能な撹拌装置を提供することにある。

本発明は、
（１）被撹拌物を撹拌する撹拌装置であって、
前記被撹拌物を内部に収容する撹拌槽と、
前記撹拌槽内に配置され、前記被撹拌物を回転しながら撹拌する撹拌翼と、
撹拌軸を介して前記撹拌翼に接続され、前記撹拌翼を回転駆動する駆動手段とを備え、
前記撹拌槽の内壁の少なくとも一部において、前記撹拌軸方向と同じ軸方向の螺旋軸を有しかつ前記内壁に沿って螺旋状に連続する所定の凹部が形成されていることを特徴とする撹拌装置、
（２）撹拌槽の内壁の少なくとも一部の粗さが、算術平均粗さ（Ｒａ）で１．０μｍ以下である前記（１）に記載の撹拌装置、
（３）螺旋軸方向における各凸部の寸法および各凹部の寸法は互いに同一であると共に、螺旋軸の径方向における前記各凸部の寸法および前記各凹部の寸法は互いに同一であって、
寸法Ｌ、寸法Ｓおよび寸法Ｄが、下記式（１）から（３）の関係をいずれも満たす前記（１）または（２）に記載の撹拌装置、並びに
０＜Ｓ／Ｌ＜１／２（１）
０＜２Ｌ／πＤ≦ｔａｎ（１５°）（２）
０＜Ｓ／Ｄ≦０．２（３）
（前記式（１）〜（３）中、Ｌは、螺旋軸方向における各凸部の寸法および各凹部の寸法である。Ｓは、螺旋軸の径方向における各凸部の寸法および各凹部の寸法である。Ｄは、撹拌槽を撹拌軸に直交する投影面に投影したときの投影像における前記撹拌軸を横断する前記内壁間の寸法の最小値である。）
（４）撹拌槽が、ステンレス鋼、銅またはアルミニウムを主成分とする金属材料で形成されている前記（１）から（３）のいずれか１項に記載の撹拌装置
に関する。

なお、本明細書において「内壁」とは、撹拌槽の胴部表面のうちの被撹拌物に接液する表面を意味する。また、基準線とは、螺旋軸を含む面で撹拌槽を切断したときの切断面において、上記螺旋軸との距離が、上記螺旋軸と上記断面における内壁の輪郭線との距離の平均値に一致する点を通る上記螺旋軸に平行な仮想線を指す。また、「凸部」とは、上記切断面において、上記輪郭線が上記基準線よりも上記螺旋軸方向にオフセットしている内壁の部位を指し、「凹部」とは、上記切断面において、上記輪郭線が上記基準線よりも上記螺旋軸から離間する方向にオフセットしている内壁の部位を指す。また、「所定の凹部」とは、特定の周期を有するあらかじめ定められた形状の凹部を意味し、「内壁の粗さ」とは、不規則に形成された内壁の形状を意味するものであり、これら所定の凹部と内壁の粗さとは異なる概念である。

本発明は、被撹拌物の濃度等の均一化を促進することができる撹拌装置を提供することができる。

本発明の一実施形態を示す概略断面図である。図１の一部を拡大して示す概略断面図であって、凹部の螺旋が上面視反時計回りに槽底部から離間する撹拌装置である。撹拌槽の内壁の一部を拡大して示す概略縦断面である。図１の撹拌槽の内壁の輪郭を拡大して示す概略図である。比較例を示す概略断面図である。図２の変形例であって、凹部の螺旋が上面視時計回りに槽底部から離間する撹拌装置である。図１の各部の寸法を説明するための概略断面図である。

本発明の撹拌装置は、被撹拌物を撹拌する撹拌装置であって、上記被撹拌物を内部に収容する撹拌槽と、上記撹拌槽内に配置され、上記被撹拌物を回転しながら撹拌する撹拌翼と、撹拌軸を介して上記撹拌翼に接続され、上記撹拌翼を回転駆動する駆動手段とを備え、上記撹拌槽の内壁の少なくとも一部において、上記撹拌軸方向と同じ軸方向の螺旋軸を有しかつ上記内壁に沿って螺旋状に連続する所定の凹部が形成されていることを特徴とする。

以下、本発明の撹拌装置について図面を参照して説明するが、本発明は、当該図面に記載の実施形態にのみ限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態を示す概略断面図である。当該撹拌装置１は、図１に示すように、概略的に、撹拌槽２と、撹拌翼３と、駆動手段５と、温調手段７とにより構成されている。

撹拌槽２は、被撹拌物ｂを内部に収容する。この撹拌槽２は、具体的には、略円筒形状の胴部２ａと、この胴部２ａの一端を閉塞するように接続された略半回転楕円面形状の槽底部２ｂとを有している。

この撹拌槽２は、被撹拌物ｂに接液する撹拌槽２の内壁６（接液部）が、撹拌槽２の内壁６の少なくとも一部（本実施形態では、内壁６の接液部全体）において、図２に示すように、撹拌軸４方向と同じ軸方向の螺旋軸８を有しかつ内壁６に沿って螺旋状に連続する所定の凹部６ａが形成されている。

ここで、所定の凹部６ａとしては、図３に示すように、螺旋軸８方向における各凸部６ｂの寸法（幅）および各凹部６ａの寸法（幅）が互いに同一（寸法Ｌ）であると共に、螺旋軸８の径方向における各凸部６ｂの寸法（高さ）および各凹部６ａの寸法（深さ）が互いに同一（寸法Ｓ）であって、寸法Ｌ、寸法Ｓおよび寸法Ｄが、下記式（１）から（３）の関係をいずれも満たすことが好ましい。

０＜Ｓ／Ｌ＜１／２（１）
０＜２Ｌ／πＤ≦ｔａｎ（１５°）（２）
０＜Ｓ／Ｄ≦０．２（３）

上記式（１）〜（３）中、Ｌは、螺旋軸８方向における各凸部６ｂの寸法（幅）および各凹部６ａの寸法（幅）である。Ｓは、螺旋軸８の径方向における各凸部６ｂの寸法（高さ）および各凹部６ａの寸法（深さ）である。Ｄは、撹拌槽２を撹拌軸４に直交する投影面に投影したときの投影像における上記撹拌軸４を横断する上記内壁６間の寸法の最小値である。

ここで、寸法Ｌおよび寸法Ｓが上記式（１）で表される関係を満たすことで、乱流を容易に発生させ、かつ被撹拌物ｂの滞留防止性を向上させることができる。また、寸法Ｌおよび寸法Ｄが上記式（２）で表される関係を満たすことで、撹拌軸４方向の流れを促進させ、かつ乱流を容易に発生させることができる。さらに、寸法Ｓおよび寸法Ｄが上記式（３）で表される関係を満たすことで、乱流を容易に発生させ、かつ撹拌翼３の形状自由度を向上させることができる。

このように、当該撹拌装置１が上記関係を満たすことで、被撹拌物ｂを効果的に撹拌することができ、当該被撹拌物ｂの濃度等をより均一化することができる。

ここで、Ｓ／Ｌは、乱流を容易に発生させる観点から１／１０以上が好ましく、被撹拌物ｂの滞留防止性を向上させる観点から１／３以下が好ましい。また、２Ｌ／πＤは、撹拌軸４方向の流れを促進させる観点からｔａｎ（２°）以上が好ましく、乱流を容易に発生させる観点からｔａｎ（１０°）以下であることが好ましい。さらに、Ｓ／Ｄは、乱流を容易に発生させる観点から０．０５以上が好ましく、撹拌翼３の形状自由度を向上させる観点から０．１５以下であることが好ましい。

なお、内壁６における凹部６ａが形成される部位は、特に限定されず、内壁６の一部のみに形成されていてもよいが、被撹拌物ｂの濃度等の均一化をより促進する観点から、内壁６全体に亘って形成されていることが好ましい。

凹部６ａを形成する方法としては、例えば、機械加工、エッチング、鋳造、鍛造、溶接、研摩、冶金、打ち出し板金、叩き出し板金などの方法を単独でまたは組み合わせて用いることができる。

また、撹拌槽の内壁の少なくとも一部の粗さが、算術平均粗さ（Ｒａ）で１．０μｍ以下であることが好ましい。このＲａ≦１．０μｍは、ＪＩＳＲ６０１０に規定されているＰ４００相当の粒度の研磨材を用いて研磨した後、電解研磨を施すことによって得ることができる。これにより、ダストが内壁６に噛み込むのを防止することができ、撹拌槽２の内壁６への汚れの付着を抑制することができる。

上記表面粗さを有する内壁６を形成する方法としては、例えば、電解研磨、メッキ、エッチング、砥石による研磨加工、サンドペーパー処理、レーザー加工などによる方法、またはこれらを組み合わせた方法等が挙げられる。

撹拌翼３は、撹拌槽２内に配置され、被撹拌物ｂを回転しながら撹拌する。この撹拌翼３は、被撹拌物ｂの混合（混合、撹拌、分散などを総称して「混合」と称する）および濃度分布の均一化や、後述する温調手段７と被撹拌物ｂと間の伝熱を促進させる。撹拌翼３は板状の部材であり、後述する駆動手段５の動力を伝搬させるための撹拌軸４の一端側に垂直に固定されている。駆動手段５は、撹拌軸４を介して撹拌翼３に接続され、撹拌翼３を回転駆動する。駆動手段５としては、例えば、図１に示すモータ５１等を採用することができる。

温調手段７は、被撹拌物ｂの温度を調整する。この温調手段７としては、被撹拌物ｂの加熱冷却が可能であれば特に限定されず、例えば、ジャケット、ラバーヒータ、ペルチェ素子等を採用することができる。なお、ジャケットなどを採用して撹拌槽２の外周から温度を調整する場合、上記撹拌槽２の外周の少なくともジャケットなどが接する表面を、例えば凹凸形状のような形状に形成することで、可能な限り伝熱面積（ジャケットなどと撹拌槽との接触面積）を広くすることが好ましい。これにより、上記ジャケットなどと撹拌槽２との間の伝熱を促進することができる。

本実施形態の温調手段７は、ジャケット７１が採用されている。このジャケット７１は、具体的には、図１に示すように撹拌槽２の外周にスパイラル状に捲かれており、ジャケット７１の内部に流路７２が設けられ、熱媒体ｃがジャケット７１の下方に位置する入口７３を介して流路７２に投入され、この流路７２を流通しながら被撹拌物ｂと熱交換（被撹拌物ｂを加熱または冷却）した後にジャケット７１の上方に位置する出口７４から排出される。

熱媒体ｃは、入口７３での温度が一定であれば使い捨ての流体（一過水など）または再使用可能な流体（循環水など）のいずれであってもよい。この熱媒体ｃとしては、流路７２等の腐食劣化を防止する観点から、エチレングリコール、プロピレングリコールなどのグリコール類、水、塩水、シリコーンオイル、熱風、蒸気を好適に用いることができる。これらは、単独でまたは組み合わせて用いてもよい。

熱媒体ｃの流速としては、熱伝達性向上の観点から、０．３ｍ／秒〜３．０ｍ／秒であることが好ましく、１．０ｍ／秒〜２．０ｍ／秒であることがより好ましい。また、流路７２内における熱媒体ｃの流れの方向としては特に限定されないが、熱交換を効率よく行う観点から、撹拌翼３の回転方向と反対の方向であることが好ましい。また、流路７２内での熱媒体ｃの充填性向上の観点から、熱媒体ｃが撹拌槽２の下方（入口７３）から上方（出口７４）に向かって流れるようにすることも好ましい。

上述した撹拌槽２、撹拌翼３および撹拌軸４を構成する材料としては、特に限定されず、例えば、ステンレス鋼、鉄、銅、真鍮、アルミニウム、超硬などの金属系材料等を用いることができる。これらの中で、撹拌槽２としては、ステンレス鋼、銅またはアルミニウムを主成分とする金属材料で形成されていることが好ましい。これにより、撹拌槽２を容易に形成することができ、加えて被撹拌物ｂを温調するときには撹拌槽２を介する伝熱の促進により被撹拌物ｂの温度をより迅速に調整することができる。

また、これら撹拌槽２、撹拌翼３および撹拌軸４の接液部には、上記金属系材料の表面にホワイトアルミナ、グレイアルミナ、アルミナ−チタニア、アルミナ−マグネシア、ジルコニア−カルシア、ジルコニア−イットリア、ジルコニア−マグネシア、クロミア−チタニア、クロミア−シリカ−チタニア、タングステン、チタニア、クロミア、イットリア、ジルコニア、クロムカーバイト、マグネシア、セリア、タングステンカ−バイトなどのセラミックスを溶射により表面処理したものや、フッ素系素材によりライニングしたもの等を採用してもよい。

以上のように、本実施形態では、上述した撹拌槽２と撹拌翼３と駆動手段５とを備え、撹拌槽２の内壁６の少なくとも一部において、撹拌軸４方向と同じ軸方向の螺旋軸８を有しかつ内壁６に沿って螺旋状に連続する所定の凹部６ａが形成されているので、被撹拌物ｂの撹拌軸方向の流れを確実かつ容易に発生させることができると共に被撹拌物ｂの流れ状態を示すレイノルズ数を高めることができ、かつバッフルに起因する滞留の発生がない分、被撹拌物ｂの濃度等の均一化を促進することができる。その結果、例えば、被撹拌物が化学的に非反応である場合は、混合、溶解、分散などに要する時間を短縮することができ、被撹拌物が化学的に反応する場合は、上記混合など時間短縮に加えて反応を円滑に行わせることができる。

また、バッフルを設けた場合、撹拌槽に比して狭小なバッフルと撹拌槽との連結部に異物が付着し易くなり、この異物が被撹拌物の汚染源になり得ると共に当該連結部の洗浄作業（異物の除去作業）に多大な労力を要するのに対し、当該撹拌装置１はバッフルを備えていない分、異物による汚染の防止および洗浄作業の効率化を図ることができる。

なお、本発明は、上述した実施形態の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

例えば、上述した実施形態では、凹部６ａの螺旋が上面視反時計回りに槽底部２ｂから離間する撹拌装置１（図２参照）について説明したが、図６に示すように、上記凹部６ａの螺旋は、上面視時計回りに槽底部２ｂから離間する撹拌装置であってもよい。また、螺旋状に連続する凹部６ａは、それぞれ独立して複数形成されていてもよく、かかる場合、上述した上面視反時計回りのものと、上面視時計回りのものとが混在していてもよい。

また、上述した実施形態では、内壁６は、隣り合う凸部６ｂと凹部６ａとの間に、螺旋軸８に平行かつ基準線９に一致する面を有しない撹拌装置１について説明したが、上記面を有する撹拌装置であってもよい。

また、上述した実施形態では、温調手段７を備えている撹拌装置１について説明したが、温調手段を備えていない撹拌装置も本発明の意図する範囲内である。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。なお、以下に示す撹拌装置の各部位は、図７に示す通りである。

［実施例１］
実施例１の撹拌装置は、撹拌槽が槽径Ｄ＝２００ｍｍ、槽径基準位置の板厚ｔ＝１．５ｍｍ、胴部高さＢ＝２５０ｍｍ（有効高さ２００ｍｍ）の略円筒形状であり、上記撹拌槽の槽底部Ａを略半回転楕円面形状とし、撹拌槽全体をＳＵＳ３１６Ｌ鋼で作製した。螺旋状に連続する凹部は、螺旋軸の径方向における各凸部の寸法および各凹部の寸法Ｓが８ｍｍ、隣り合う凸部と凹部からなる螺旋の１周期（２Ｌ）が３５ｍｍであり、上記凹部は連続する１つの凹部として内壁全体に亘って螺旋が上面視反時計回りに槽底部から離間するように形成した。また、撹拌槽の内壁は、ＪＩＳＲ６０１０に規定の粒度Ｐ４００相当の粒度を有する研磨剤を用いて研磨した後、電解研磨を施すことでＲａ＝１．０μｍに仕上げた。なお、上記有効高さとは、被撹拌物を受け入れ可能な撹拌槽内の胴部下端からの高さを意味する。また、縦５０ｍｍ（＝Ｙ）、横１０ｍｍ（＝Ｘ）の流路を有するジャケットを撹拌槽の外周に設置し、上記胴部に沿って４周捲かれるように設置した。上記Ｒａは、粗さ測定器（キーエンス社製レーザーマイクロスコープ、型番：ＶＫ−Ｘ１５０／１６０）を用いて測定したものである。

また、撹拌軸は、φ１０ｍｍとした。撹拌翼は、翼径ｄ＝６０ｍｍ、翼高さｂ＝４０ｍｍ、板厚１．５ｍｍの２枚翼とし、翼底形状は槽底形状に合わせた。駆動手段は、モータとした。なお、本実施例においては、バッフルは未設置とした。

［比較例１］
撹拌槽内壁に凹部を有しないこと以外は、実施例１と同様の構成の撹拌装置とした（図５参照）。

［比較例２］
撹拌槽に、撹拌軸を中心軸として９０°間隔で、上記撹拌軸の径方向長さ１５ｍｍ、軸方向長さ２００ｍｍおよび厚み１．５ｍｍの板状のバッフルを４枚設置したこと以外、同様の構成の撹拌装置とした。

＜評価＞
混合時間、レイノルズ数および滞留防止性を測定し、その結果を表１に示す。

［混合時間］
被撹拌物として市販の水あめ、チオ硫酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｓ_２Ｏ_３）およびヨウ素（Ｉ_２）を合計４Ｌを用いた。まず、十分に混合したヨウ素と水あめとの混合物を撹拌槽に入れ、撹拌モーターを作動させた後、ヨウ素１当量に対して１．１当量のチオ硫酸ナトリウムを上記混合物に投入した。次いで、上記投入の時点（反応開始時点）から脱色の進行が停止した時点（反応完了時点）までの時間を測定し、この測定値を混合時間とした。なお、脱色の進行は目視で判断した。

［レイノルズ数］
上記［混合時間］測定における被撹拌物の反応完了後、撹拌槽の内壁から螺旋軸方向に３０ｍｍの任意の固定点３点にて撹拌中の被撹拌物の粘度を測定し、上記３点での粘度の測定値の算術平均値を用いてレイノルズ数を算出した。

［滞留防止性］
槽内の被撹拌物としての混合液の脱色状況を目視にて観察することで滞留状態を判断した。このとき、凹部近傍の被撹拌物に脱色が十分に視認できる場合、滞留防止性は良好「○」、脱色が十分に視認できない場合、やや不良「△」、脱色が全く視認できない場合、不良「×」と評価した。

ｂ被撹拌物
１撹拌装置
２撹拌槽
３撹拌翼
４撹拌軸
５駆動手段
６内壁
６ａ凹部
６ｂ凸部
７温調手段
８螺旋軸

Claims

被撹拌物を撹拌する撹拌装置であって、
前記被撹拌物を内部に収容する撹拌槽と、
前記撹拌槽内に配置され、前記被撹拌物を回転しながら撹拌する撹拌翼と、
撹拌軸を介して前記撹拌翼に接続され、前記撹拌翼を回転駆動する駆動手段とを備え、
前記撹拌槽の内壁の少なくとも一部において、前記撹拌軸方向と同じ軸方向の螺旋軸を有しかつ前記内壁に沿って螺旋状に連続する凸部および凹部が形成されており、
前記螺旋軸方向における各凸部の寸法および各凹部の寸法は互いに同一であると共に、前記螺旋軸の径方向における前記各凸部の寸法および前記各凹部の寸法は互いに同一であって、
寸法Ｌ、寸法Ｓおよび寸法Ｄが、下記式（１）から（３）の関係をいずれも満たすことを特徴とする撹拌装置。
０＜Ｓ／Ｌ＜１／２（１）
０＜２Ｌ／πＤ≦ｔａｎ（１５°）（２）
０＜Ｓ／Ｄ≦０．２（３）
（前記式（１）〜（３）中、Ｌは、螺旋軸方向における各凸部の寸法および各凹部の寸法である。Ｓは、螺旋軸の径方向における各凸部の寸法および各凹部の寸法である。Ｄは、撹拌槽を撹拌軸に直交する投影面に投影したときの投影像における前記撹拌軸を横断する前記内壁間の寸法の最小値である。）
撹拌槽の内壁の少なくとも一部の粗さが、算術平均粗さ（Ｒａ）で１．０μｍ以下である請求項１に記載の撹拌装置。
撹拌槽が、ステンレス鋼、銅またはアルミニウムを主成分とする金属材料で形成されている請求項１または請求項２に記載の撹拌装置。