JPH072591Y2 - 多段攪拌塔型重合反応装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、連続的に高分子体を製造するための重合反応
装置等の多段攪拌塔型重合反応装置に関する。

〔従来の技術〕

高分子を製造するための重合様式として、溶液重合法、
塊状重合法が多用される。溶液重合法や塊状重合法に於
いては、重合体が単量体や溶剤に溶解する場合は、均一
液相系となり、重合反応の進行に伴い高粘度流体とな
る。

上記の形態をとる重合反応としては、ポリメチルメタア
クリレートの塊状重合、アクリルニトリル・スチレン樹
脂の溶液及び塊状重合、アクリルニトリル・ブタジェン
・スチレン樹脂の溶液重合、ポリブタジェンの溶液重
合、スチレン・ブタジェンゴムの溶液重合、ε−カプロ
ラクタムを原料とするナイロン６の重縮合（特に最終段
階）、アジピン酸とヘキサメチレンジアミンを原料とし
たナイロン66の重縮合（特に中間段階）、ポリビニール
アセテートの溶液重合等がある。

一般に連続式重合反応器には、完全混合槽型反応器と管
型あるいは塔型反応器がある。完全混合槽型反応器を均
一液相系の重合反応に適用する場合、高粘度流体を均一
に攪拌するための動力が大きく、かつ、槽内での液の滞
留時間分布が広くなる。また装置規模が大きくなるに従
って槽容積に対する伝熱面積の割合が小さくなるため、
重合反応熱及び攪拌熱の除去が困難でなる。

一方、管型又は塔型重合反応器の場合、粘度は液の流れ
方向に重合反応の進行に伴って増大し、また攪拌は半径
方向の均一化を行うだけでよいため完全混合槽型と比べ
少ない動力ですみ、かつ液の塔内の滞留時間分布は狭
く、液が流れ方向に一様の速度で移動しかつ流れの混合
・拡散が無視できるピストンフローに近いものになる。
また重合反応熱及び攪拌熱を除去するための熱交換器を
組込むことが完全混合槽型と比べ容易である。従って、
以上のように管型あるいは塔型重合反応器は連続重合反
応に適している。

従来に提案された管型又は塔型重合反応器には、無攪拌
型ではZimmer社製のVK塔、攪拌型ではDow社の塔型反応
器、及び特開昭53−99290号公報と特開昭58−122901号
公報に記載されているヘリカルリボン翼、邪魔板及び多
管式熱交換器等から構成された塔型重合反応器等があ
る。

〔考案が解決しようとする課題〕

高粘度流体化での連続重合反応装置に対し一般的に要求
される機能は、村上泰弘氏が文献（重合反応装置の基礎
と解析、培風館、1976年）で詳細に述べている内容から
選択すると、下記の項目が挙げられる。

（１）流れ方向の滞留時間分布がシャープであること。
即ち、ピストンフロー性があること。

（２）流れ方向の各領域に於ける温度、濃度の均一化性
能（混合性能）が高いこと。

（３）反応装置全域にわたり流動不良部（デッドスペー
ス）がないこと。

（４）攪拌所要動力が低いこと。

（５）反応熱を除去するための伝熱面積が大きく、伝熱
係数が高いこと。

（６）装置形状が単純で、清掃がやり易いこと。

これらの機能を可能な限り満足しようとする試みは、前
述の通り従来より行われており、数多くの重合反応装置
が提案されているが、不充分であるのが現状であり、従
来に提案された管型あるいは塔型重合反応器においても
次のような問題点がある。

塔型重合反応器として、流体が上昇塔内を上昇し、反転
部で縮合過程で発生する水分等を脱気した上、下降塔よ
り取出されるZimmer社の無攪拌型VK塔では、塔内半径方
向に温度・濃度の分布が一様でないという問題がある。

また、他の例として、直管の冷却管を円容器に複数個取
付けて内部液の温度分布を一様にするDow社の攪拌型塔
型重合反応器があるが、この反応器では液の異常滞留部
分が生じやすく、また熱応力による冷却管の取付部の破
損が起りやすいという問題点がある。

また更に、特開昭53−99290号公報及び特開昭58−12290
1号公報に示される装置では、液のピストンフロー性又
はチューブの高粘度流体による閉塞等の問題点がある。

本考案は、上記従来の管型又は塔型重合反応器の問題点
を解決することができ、かつ上記の６つの要求機能を満
足することができる多段攪拌塔型重合反応装置を提供し
ようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本考案の多段攪拌塔型重合反応装置は、 （１）上下に液流入流出口を有するたて型の円筒状容
器、前記容器の中心に容器の軸方向に配置された回転
軸、前記回転軸に及びその軸方向に間隔をおいて取付け
られた複数の攪拌翼を備え、かつ、隣接する前記攪拌翼
間に回転軸と同心の円周上に配置された複数のコイルか
らなるコイン列が回転軸の軸方向一列以上配設されてい
る。

（２）また上記多段攪拌塔型反応装置において、攪拌翼
が回転軸の一方にのみ設けられ、かつ軸方向に隣り合う
攪拌翼が回転軸の反対側に配置されている。

〔作用〕

前記（１）の本考案では、隣接する攪拌翼間に回転軸と
同心の円周上に配置された複数のコイルによりなるコイ
ル列は仕切作用をもち、攪拌翼によって生ずる回転軸の
軸方向の流れが抑えられて、同軸方向即ち液の流れ方向
における液の混合・拡散が避けられ、液の塔内の滞留時
間分布が狭くなり、ピストンフロー性が維持される。ま
た、コイル内に熱媒を流すようにすれば、塔内の液の冷
却又は加熱が行なわれ、液の温度を制御することができ
る。

また更に、熱応力は円形のコイルによって吸収され、破
損を防ぐことができる。

前記（２）の本考案では、前記に加えて、回転軸の一方
にのみ設けられ、かつ、回転軸の反対側に配置された隣
接する攪拌翼によって、液の流れに垂直な面内で液を混
合させて液の温度と濃度を均一化させ、またコイルの伝
熱性能が向上する。更に、隣接する攪拌翼を回転軸の反
対側に配置することによって、回転軸に伴って攪拌翼が
回転する際のバランスが保たれ、強度上も好ましい。

〔実施例〕

本考案の第一の実施例を第１図ないし第５図によって説
明する。

３は、下部に液流入口１、上部に液流出口２を有する円
筒状の容器であり、同容器３内の中心に回転軸４は挿入
されている。回転軸４には、同軸の軸方向に間隔をおい
て複数個の攪拌翼８が取付けられ、各攪拌翼８は回転軸
４の一方にのみ位置しており、かつ、隣り向う攪拌翼8,
8が互いに回転軸４に対して反対側に位置するように配
置されている。また前記容器３の外側には必要に応じて
ジャケットが取付けられる。容器３内の隣接する攪拌翼
8,8の間には、回転軸４と同心円上に複数のコイル５か
らなるコイル列が設けられ、このコイル列は回転軸４の
軸方向に間隔をおいて複数個多段に設けられている。

前記コイル５は、第５図（Ａ）に示すように、円筒型容
器３の半径方向へ延びるヘッダーパイプ9aに接続された
断面円環状の上方のコイル要素5a,5a′及び下方のコイ
ル要素5b,5b′を備え、コイル要素5a,5bは回転軸４のま
わりの円周上を水平に半円周延びて、回転軸４のヘッダ
ーパイプ9aの反対側で前記容器３の半径方向へ伸びるヘ
ッダーパイプ9xに接続され、他方のコイル要素5a′,5
b′はヘッダーパイプ9aから回転軸４のまわりの円周上
を反対方向に水平に延びてヘッダーパイプ9xに接続され
ている。また、前記両ヘッダーパイプの各々を、第５図
（Ｂ）に示すように、それぞれ更に２個のヘッダーパイ
プ９′a,9′ｘとし（第５図（Ｂ）では一方のヘッダー
パイプ９′ａのみを示す）、ヘッダーパイプの各々にコ
イル要素5a,5a′又は5b,5b′を接続するようにしてもよ
い。

前記ヘッダーパイプ9a,9xには、熱媒の配管10が接続さ
れ、熱媒６がヘッダーパイプ、コイル要素、ヘッダーパ
イプと流れるようになっている。

また同じ列の隣接するコイル5,5の間の間隔ｓ（第４図
参照）は、コイル要素の外径ｄの1.25〜３倍とすること
が望ましく、また、コイル５の配列は各列毎に異るよう
にすることが望ましい。

また、攪拌翼８は、第２図に示すように、容器３と攪拌
翼８の先端との間にクリヤランスＣが設けられ、同クリ
ヤランスＣは、容器３の内径Ｄに対し30％以下、特に好
ましくは10％以下にすることが望ましい。更に、攪拌翼
８の断面形状は、第３図（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、
平パドル形、三角形、丸棒（パイプ）形等とすることが
でき、水平方向の循環流に対して上下方向の循環流が極
力少いものとすることが望ましい。

以上のように構成された本実施例では、液７は、流入口
１から流出口２へと円筒形容器３内を回転軸４の軸方向
に上方に流れ、この際、攪拌翼８の回転によって、液に
水平方向の循環流が形成されて液７の前記流れと直角な
断面、即ち水平方向において液の攪拌・混合が行なわれ
る。攪拌翼８は、回転軸４の一方にのみ位置しており、
かつ隣り合う攪拌翼8,8は回転軸４の反対側に位置して
いるために、液７の流れ（回転軸４）に垂直な面内にお
いて液７の温度及び濃度が均一化される。また、隣り合
う攪拌翼8,8は、回転軸４の反対側に配置されているた
めに、バランスが保たれ強度上好ましい配置となってい
る。

前記攪拌翼８の回転に伴って、液に上下方向の流が生ず
るが、攪拌翼8,8の間には、回転軸４と円心円上に配置
された複数のコイル５からなるコイル列が配置されてい
るために、その仕切作用によって上下方向の流れが抑制
され、流入口１から流出口２へ上方に流れる液７の流れ
方向における混合・拡散は起らず、これにより液７の流
れ方向のピストンフロー性が維持される。またコイル５
の各コイル要素5a,5a′,5b,5b′内に熱媒６を流すこと
によって、反応熱及び攪拌熱を除去する等によって、液
７の温度を抑制することができる。

更に、本実施例ではコイル５を用いているために、コイ
ル５の付近で液のデッドスペースが生ずることがなく、
かつ、熱応力は円形のコイル５で吸収されるために、熱
応力による破損等の問題が解消される。

また更に、容器３へはヘッダーパイプ9a,9a′が取付け
られているに止まるために、製作が容易である。

なお、容器３にハンドホールを設ければ、治具によっ
て、各攪拌翼８を回転軸４に脱着することができる。

本考案の第二の実施例を第６図及び第７図によって説明
する。

本実施例は、前記第一の実施例のヘッダーパイプ9a,9′
a;9x,9′ｘをそれぞれ２個のヘッダーパイプ9b,9′b;9
y,9′ｙとし、これに第７図（Ａ），（Ｂ）に示すよう
に、コイル要素5a,5a′,5b,5b′を接続したものであ
る。

本実施例においても、第一の実施例と同様の作用及び効
果を奏することができる。

なお、上記両実施例において、攪拌翼８とコイル列の取
付数によって、液のピストンフロー性を広い範囲で変え
ることができる。

また、上記両実施例では、容器３の下部に液流入口１
を、その上部に液流出口２を設けているが、逆に、容器
３の上部に液流入口１を設けその下部に液流出口２を設
けるようにしてもよい。

（実験例） 内径380mmの透明アクリル樹脂性円筒容器内に第６図及
び第７図（Ｂ）の構造をもつ外径21.7mmのアクリル樹脂
性コイルを２個設けたコイル列を計５段取付け、また、
各段の間に回転軸の一方にのみパドル状攪拌翼を設け、
隣り合う攪拌翼を180°ずつずらして計６段取付けたテ
スト装置を用いて、液の容器内の滞留時間分布を測定し
た。

供試体としては220ポイズの水飴を用い、ギヤーポンプ
を使い、容器底部から供給した。連続的に水飴を供給し
ている途中でパルス的に赤インクで着色した水飴を注入
し、その流動状況を観察すると共に、出口濃度の経時変
化を測定し、滞留時間分布Ｅ（φ）を求めた。（φは、
平均滞留時間に対する時間θの比θ／である。） 比較のため、従来に提案された塔型反応器として、下記
のような特開昭58−122901号公報に示される構造を有す
るテスト装置を用いて同様の方法で滞留時間分布を測定
した。

（比較例） 内径200mmの透明アクリル樹脂製の長尺の円筒状容器内
を８個の攪拌部と７個の熱交部で区切ったテスト装置
で、攪拌部の高さは100mmであり熱交部は内径23mmのア
クリル樹脂製のチューブを４本取り付け高さを100mmと
している。攪拌翼としては両パドル及びヘリカルリボン
の２種類について測定を実施した。

上に記した実験例と比較例における滞留時間分布の測定
結果を第８図に示す。比較例では両パドル、ヘリカルリ
ボン翼ともにテーリングが見られまたヘリカルリボンは
ピストンフロー性が低いのに対し、本発明による実験例
ではピストンフロー性高くまたデッドスペースもないこ
とが判明した。

〔考案の効果〕

以上説明したように、本考案は、隣接する攪拌翼間に回
転軸と同心の円周上に配置された複数のコイルよりなる
コイル列のもつ仕切効果によって、攪拌翼によって生ず
る回転軸方向の流れが抑えられて液の流れ方向における
混合・拡散を防ぎ、液のピストンフロー性を維持するこ
とができる。また、熱応力は円形のコイルによって吸収
され破損を防ぐことができる。

また、本考案は回転軸の一方にのみ攪拌翼を設け、かつ
隣り合う攪拌翼が回転軸の反対側に配置することによっ
て、回転軸の垂直面内で液を均一に混合させ、液の温度
及び濃度を均一化することができ、かつ回転に伴うバラ
ンスが良く回転軸の強度上望ましい配置を実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１部を破断して示す本考案の第一の実施例の立
面図、第２図は第１図のII−II断面図、第３図（Ａ）〜
（Ｃ）はそれぞれ異る断面をもつ攪拌翼を示す第２図き
III−III断面図、第４図は第１図のIV−IV断面図、第５
図（Ａ），（Ｂ）はそれぞれコイルとヘッダーパイプの
例を示す第４図のＶ−Ｖ断面図、第６図は本考案の第二
の実施例の横断面図、第７図は（Ａ），（Ｂ）はそれぞ
れコイルとヘッダーパイプの例を示す第６図のVII−VII
断面図、第８図は本考案の実験例と比較例との実験結果
の滞留時間分布を示すグラフである。 １…液流入口、２…液流出口 ３…容器、４…回転軸 ５…コイル 5a,5a′,5b,5b′…コイル要素 ６…熱媒体、７…液 ８…攪拌翼 9a,9′a,9b,9′b,9x,9′x,9y,9′ｙ…ヘッダーパイプ

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】上下に液流入出口を有するたて型の円筒状
   容器、前記容器の中心に容器の軸方向に配置された回転
   軸、及び前記回転軸にその軸方向に間隔をおいて取付け
   られた複数の攪拌翼を備え、かつ、隣接する前記攪拌翼
   間に回転軸と同心円上に配置された複数のコイルからな
   るコイル列が一列以上回転軸の軸方向に配設されている
   ことを特徴とする多段攪拌塔型重合反応装置。
2. 【請求項２】前記攪拌翼が回転軸の一方にのみ設けら
   れ、かつ軸方向に隣り合う攪拌翼が回転軸の反対側に配
   置されていることを特徴とする請求項（１）に記載の多
   段攪拌塔型重合反応装置。