JP6835488B2 - 撹拌装置 - Google Patents

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などが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような撹拌装置では、撹拌軸回りを旋回する被撹拌物の流れを上記バッフルにより乱流にすることができ、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２０１２−２０２６７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、
前記撹拌槽の内壁に接するように設けられたバッフルとを備え、
前記バッフルは、前記被撹拌物の流れに対面するように設けられ前記撹拌槽の内壁を基端として撹拌軸方向に広がる前段面と、この前段面の撹拌軸側の端部から連続し、かつ前記被撹拌物の流れの下流側の端部における前記撹拌軸との間隔が前記前段面の前記撹拌軸側の端部における前記撹拌軸との間隔よりも大きい後段面とを有していることを特徴とする撹拌装置、
（２）被撹拌物に接液するバッフルおよび／または内壁の表面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）撹拌槽が略円筒形状の胴部を有し、
前記胴部の周方向に隣り合うバッフルどうしの間に、被撹拌物に接液する前記撹拌槽の内壁が介在し、
前記バッフルの後段面と前記内壁とが連続面で構成されている前記（１）または（２）に記載の撹拌装置、並びに
（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。

本発明は、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Ｅ−Ｅ線で切断した概略断面図である。 図１のバッフルの一部を拡大して示す概略斜視図である。 図１のバッフルの配置の変形例を示す概略断面図である。 図１のバッフルの形状の変形例の一部を拡大して示す概略斜視図である。 図５のバッフルを用いた概略断面図であって、（ａ）はバッフルが４枚の例、（ｂ）はバッフルが８枚の例をそれぞれ示す。 図１のバッフルの配置の他の変形例を示す概略断面図である。 図７のバッフルの配置の変形例を示す概略断面図であって、（ａ）は撹拌槽内の深さＦ１での配置、（ｂ）は深さＦ２での配置をそれぞれ示す。 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、上記撹拌槽の内壁に接するように設けられたバッフルとを備え、上記バッフルは、上記被撹拌物の流れに対面するように設けられ上記撹拌槽の内壁を基端として撹拌軸方向に広がる前段面と、この前段面の撹拌軸側の端部から連続し、かつ上記被撹拌物の流れの下流側の端部における上記撹拌軸との間隔が上記前段面の上記撹拌軸側の端部における上記撹拌軸との間隔よりも大きい後段面とを有し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、バッフル７と、温調手段８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。

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８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。

バッフル７は、図１〜図３に示すように、被撹拌物ｂの流れに対面するように設けられ撹拌槽２の内壁６を基端として撹拌軸４方向に広がる前段面７ａと、この前段面７ａの撹拌軸４側の端部７ａ１から連続し、かつ被撹拌物ｂの流れの下流側の端部７ｂ１における撹拌軸４との間隔Ｌ２が前段面７ａの撹拌軸４側の端部７ａ１における撹拌軸４との間隔Ｌ１よりも大きい後段面７ｂとを有している。このバッフル７は、撹拌槽２の内壁６に接するように、胴部２ａの周方向に等間隔で４枚設けられ、例えば、溶接、接着剤による接着、ボルト止め等により撹拌槽２に固定することができるが、鍛造や鋳造等により撹拌槽２と一体的に形成されていることが好ましい。

ここで、被撹拌物ｂの流れの方向は、図２に示すように、撹拌軸４の回転方向Ｄ１と同じ方向となる。したがって、本実施形態では、符号７ａで表される面が前段面となり、この前段面７ａは、撹拌軸４の回転方向Ｄ１に垂直な平面となるように形成されている。一方、符号７ｂで表される面が後段面となる。この後段面７ｂは、前段面７ａの撹拌軸４側の端部７ａ１から連続し被撹拌物ｂの流れの下流に向かうにつれて撹拌軸４から漸次離間する曲面となるように形成されている。

また、当該撹拌装置１は、胴部２ａの周方向に隣り合うバッフル７どうしの間に、被撹拌物ｂに接液する撹拌槽２の内壁６が介在しており、後段面７ｂは、当該後段面７ｂの下流側の端部７ｂ１において撹拌槽２の内壁６と連続するように構成されている。

なお、バッフル７の後段面７ｂと内壁６とは連続面で構成されていることが好ましい。このような連続面により滞留を生じさせるようなポケットがなくなることで、後段面７ｂと内壁６との境界付近に被撹拌物ｂが滞留すること抑制することができ、被撹拌物ｂの濃度等をより均一化することができる。

上記連続面の形成方法としては、特に限定されないが、例えば、バッフル７を内壁６に固定した後、両者の境界付近を研磨して形成する方法、バッフル７を内壁６に固定した後、両者の境界付近を肉盛りして形成する方法等が挙げられる。

また、被撹拌物ｂに接液するバッフル７および／または内壁６の表面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、ＪＩＳ Ｒ ６０１０に規定されているP４００相当の粒度の研摩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、ダストがバッフル７等に噛み込むのを防止することができ、上記部位への汚れの付着を抑制することができる。

上記算術平均粗さを有するバッフル７等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。

温調手段８は、被撹拌物ｂの温度を調整する。この温調手段８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８は、ジャケット８１が採用されている。このジャケット８１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８１の内部に流路８２が設けられ、熱媒体ｃがジャケット８１の下方に位置する入口８３を介して流路８２に投入され、この流路８２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８１の上方に位置する出口８４から排出される。

熱媒体ｃは、入口８３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８２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８２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Ｄ１と反対の方向であることが好ましく、流路８２内での熱媒体ｃの充填性向上の観点から、撹拌槽２の下方（入口８３）から上方（出口８４）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、撹拌軸４およびバッフル７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、撹拌軸４およびバッフル７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とバッフル７とを備え、被撹拌物ｂに接液する内壁６および／またはバッフル７の表面の少なくとも一部が所定の表面粗さを有し、バッフル７が前段面７ａと後段面７ｂとを有しているので、バッフル７の背後に被撹拌物が滞留するのを抑制することができ、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、撹拌により得られた被撹拌物の品質の向上および撹拌時間の低減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、胴部２ａの周方向に隣り合うバッフル７どうしの間に、被撹拌物ｂに接液する撹拌槽２の内壁６が介在している撹拌装置１について説明したが、隣り合うバッフルどうしが接触している撹拌装置（図４参照）や、上記バッフルどうしが一体的に形成されている撹拌装置（不図示）であってもよい。

また、上述した実施形態では、図３に示すような特定形状のバッフル７を備えている撹拌装置１について説明したが、例えば、図５に示すような形状のバッフル７１（前段面７１ａ、後段面７１ｂ）を備えている撹拌装置であってもよい。

また、上述した実施形態では、４枚のバッフルを備えている撹拌装置１について説明したが、１〜３枚または５枚以上のバッフルを備えている撹拌装置であってもよい（例えば図４参照）。当該撹拌装置が備えるバッフルの枚数としては、被撹拌物の粘度にもよるが、被撹拌物の効果的な撹乱および撹拌動力の最適化の観点から、１〜８枚が好ましく、２〜４枚がより好ましい。なお、全てのバッフルが同一形状でなくてもよい。

また、上述した実施形態では、複数のバッフル７が胴部２ａの周方向に等間隔で設けられている撹拌装置１について説明したが、上記複数のバッフルのうちの少なくとも一部が胴部の周方向に等間隔に設けられていない撹拌装置であってもよい。

また、上述した実施形態では、撹拌槽２の深さ方向に連続したバッフル７について説明したが、例えば、図７に示すような上記深さ方向にバッフル７２が複数に分割されている撹拌装置であってもよい。この場合、胴部の周方向におけるバッフルの配置は、深さ方向に分割されるバッフル群ごとに異なっていてもよく（例えば図８参照）、上記各バッフル群におけるバッフルの枚数が互いに異なっていてもよい。なお、図８（ａ）の断面における深さＦ１と図８（ｂ）の断面における深さＦ２とは、互いに異なっている（Ｆ１≠Ｆ２）。

また、上述した実施形態では、温調手段８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９に示す通りである。

［実施例１］
実施例１の撹拌装置は、撹拌槽は、槽径Ｄ＝２００ｍｍ、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。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、翼底形状は当該撹拌翼の端部を撹拌軸の径方向から３０°屈曲させた構造かつ槽底形状に合わせた。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た。

バッフルは、前段面が撹拌軸の径方向２０ｍｍおよび軸方向２００ｍｍの矩形状であると共に、後段面が撹拌軸を中心軸とした曲率半径１５０ｍｍの曲面であり、胴部の周方向に９０°間隔で４枚配置して溶接により内壁に固定し、上記後段面と内壁との境界部を研磨して段差や屈曲を除去した。

撹拌槽、撹拌軸、撹拌翼およびバッフルの接液する部位は、いずれもＪＩＳ Ｒ ６０１０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各表面をＲａ＝１．０μｍに仕上げた。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。

［比較例１］
バッフルを、撹拌軸の径方向２０ｍｍおよび軸方向２００ｍｍ、厚み１．５ｍｍの板状とした以外、実施例１と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、撹拌槽の内壁から撹拌軸方向に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、後段面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
２ａ 胴部
３ 撹拌翼
４ 撹拌軸
５ 駆動手段
６ 内壁
７ バッフル
７ａ 前段面
７ｂ 後段面

Claims (4)

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、
   前記撹拌槽の内壁に接するように設けられた複数のバッフルとを備え、
   前記複数のバッフルそれぞれは、前記被撹拌物の流れに対面するように設けられ前記撹拌槽の内壁を基端として撹拌軸方向に広がる前段面と、この前段面の撹拌軸側の端部から連続し、かつ前記被撹拌物の流れの下流側の端部における前記撹拌軸との間隔が前記前段面の前記撹拌軸側の端部における前記撹拌軸との間隔よりも大きい後段面とを有し、
   前記複数のバッフルは深さ方向に沿って分割されており、
   深さが異なるバッフルどうしの平面視での配置は、前記深さで異なっており、
   前記複数のバッフルは、同じ深さの位置に少なくとも二以上設けられ、前記同じ深さに設けられた二以上のバッフルは、前記攪拌槽の胴部の周方向に等間隔で配置されていることを特徴とする撹拌装置。
2. 被撹拌物に接液するバッフルおよび／または内壁の表面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。
3. 撹拌槽が略円筒形状の胴部を有し、
   前記胴部の周方向に隣り合うバッフルどうしの間に、被撹拌物に接液する前記撹拌槽の内壁が介在し、
   前記バッフルの後段面と前記内壁とが連続面で構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。
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請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の撹拌装置。

Images