JPS5939171B2 - 連続混合方法及びこれに用いる連続混合装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、連続混合方法及びこれに用いる連続混合装置
に関する。

更に詳しくは、本発明は、高速の液膜流れを形成するこ
とによつて生ずる、層流から乱流への衝撃的な遷移、及
びこの乱流における極めて微細なうずのエネルギーを利
用し、複数の液体、液体と気体或いは液体と固体粒子を
、極めて高いレベルで、急速、完全、均一且つ微細に連
続分散、混合乃至は攪拌（以下混合という）する方法及
び装置に関する。

気体雰囲気中において、固体壁に沿う高速の液膜流れを
形成すると、一定の条件下で上記のような衝撃的な乱流
遷移が起こることは、本発明者が新たに見い出した現象
である。

従来において、多くの場合、流体の混合（攪拌）は、円
筒状の容器内で、攪拌羽根を回転させ、流体を強制対流
させることにより行われてきた。

この場合において、攪拌は、循環流によるスケールの大
きいものと、羽根の表面における境界層はく離によつて
生ずるうずによるスケールの小さなものに分かたれる。
しかしながら、羽根と、それをとりまく循環流との相対
速度は一般にそれ程大きなものではなく、従つて、はく
離によつて生ずる前記のうずも、肉眼で視認し得る程度
に大きなものである。斯かる撹拌方法においては、上記
のうずによる攪拌効果よりも、強制循環による撹拌効果
の方がはるかに大きい。斯かる撹拌方法では、円筒容器
の容量は一定であるから、大量の流体を攪拌するには分
回によらねばならない。

従つて、各分回において均一な攪拌効果を得るためには
、各分回の攪拌時間、流体の量、或いは攪拌羽根の回転
数を均一にせねばならず、その制御が困難であるという
問題がある。又、分回によつて攪拌するので、大量の液
体を効率よく混合することができない。更に、上述した
ように、攪拌効果を循環流を起こすことにより得ている
ので、相互に溶け合う液体同志を混合することはできて
も、相互に不溶な２液体を接触乃至は乳化することはで
きない。流体を連続的に混合するために発案された混合
器として、例えば、流路中に、邪魔板や羽根板を複数箇
所多段式に配設して或るいわゆる静止型混合器がある。

この静止型混合器は、邪魔板により、液路内を流れる２
相液の流路断面における位置を強制的に変更し、これを
複数回繰り返して前記流路の下流において、次第に２液
を分断、分散させるようにしたものである。斯かる静止
型混合器においては、平均流の流線を邪魔板により変更
するという原理を利用しているため、相互に溶け合う２
液を大まかに分散させる等の低レベルの混合はなし得て
も、互いに不溶は２液を細かく分散させ、或いは乳化に
至らしめる等の高レベルの混合を行うことはできない。
又、邪魔板や羽根板を流路中に配設するという複雑な構
造を有するため、混合器自体の設計、製作に多くの費用
がかかるというコスト的に不利な面もある。本発明は、
上述したような従来の混合方法或いは混合装置における
問題点を一挙に解決した全く新しい混合方法及び混合装
置を提供することを目的とする。

本発明者は、気体雰囲気中で平板に沿つて液体を高速で
膜状に流したとき、この流れの途中で層流から乱流への
遷移が極めて衝撃的に発生し、しかも、この乱れは、粘
性流体の管路流れにおいて知られている乱流遷移におけ
る乱れよりはるかに小さなスケール（数μ乃至数十μ）
の乱れ（うず）であることを新たに発見し、且つ、ノズ
ルを水平平板上に一定間隙を隔てて対向させ、この間隙
より液体を放射状に流出させ、平板上に高速の液膜流れ
を形成する場合における前記乱流遷移の発生条件を確立
した。

本発明に係る液体の連続混合方法及び連続混合装置は、
上記新発見に係る乱流遷移現象を利用するものである。

以下、斯かる乱流遷移現象について説明すると共に、本
発明方法及び装置について詳細に説明する。第１図は、
上記乱流遷移現象の断面を示す模式図である。

符号１は平板を、符号２は前記平板１から僅かなすきま
Ｈを隔てて先端２ａを対向させたノズルを示す。液体Ｗ
は、前記ノズル２の先端部２ａと平板１とにより形式さ
れる筒状すきま４から、平板１に沿つて放射状に流出し
、放射状液膜流れＦＬを形成する。境界層が充分発達し
ているとして、上記液膜流れＦＬの厚さ方向の速度分布
を考えると、平板１の至近５の速度はＯであり、平板１
から離れるにつれて速度は増加し、自由境界６至近にお
いて最高速度に達する。

この流れは厚さの薄い（数詣以下）膜状を呈しているか
ら、この場合における速度勾配は極めて大きなものとな
る。このため、流れＦＬの厚さ方向の各部分に極めて大
きなせん断力が作用しており、液体が放射状に流れると
、やがてノズル２の中心から一定距離の位置において、
液膜内部の平板１近傍に、細かいうずＣが環状に発生す
る。このうずＣは、次第に大きくなるが、やがて一定の
半径Ｒｔの位置で細かく崩壊し、数μ乃至数十μ程度の
微細なスケールの乱流に遷移する。この乱流への遷移は
衝撃的に発生し、瞬間に完了する。図中符号Ｔで示す部
分が乱流遷移域である。尚符号Ｊは、良く知られている
跳水現象であり、上記の乱流遷移現象とは無関係なもの
である。斯かる高速液膜流れの、他の流れ、即ち、管路
流れや、水路における流れに比して特徴的な点は、流れ
の厚さが薄い上に、液膜の片面が固体平板に接し、他面
力相由境界となつている点である。

自由境界における摩擦抵抗は極めて小さいために流れは
自由境界至近において最高速度をとると共に、極めて大
きな速度勾配を有している。斯かる速度勾配は、上記の
ような流れの形態においては到底達成することができな
いのである。第１図において、乱流遷移の生じる場所（
環状に生じる）の半径は、液体の流出流量、或いは流出
流速、すきまの広さ及び液体の動粘性係数によつて変化
する。

斯かる半径、流出速度、すきまの広さ及び液体の動粘性
係数の関係は、次のように規定することができる。

今、ノズル径をＤ１すきまをＨ１流量をＱ１流出速度を
Ｕ。

、ノズル先端の平板上の流れの分岐点Ｏにおける全圧を
Ｐ１液体の密度をρ、液体の動粘性係数をνとする。流
出速度Ｕ。

は、一般に実測するのが困難なので全圧Ｐを測定し、ベ
ルヌーイの式を適用してで求めることができる。次に、
ノズル径Ｄ及びすきまＨを代表寸法とする流出レイノル
ズ数Ｒｅを考える。

第１図に示すように、すきまから流出した液体は縮流し
ており、流れの厚さとして前記すきまＨをそのまま採用
することは適当でない。

そこで流出係数Ｃをと定義する。

（Ｂ）式より となる。

この（Ｄ）式の分母におけるＣ，Ｄ，Ｈに注目し、次元
を考慮すれば、流出レイノルズ数Ｒｅをと定義すること
ができる。

実験の結果、乱流遷移が生じる最も小さな流出レイノル
ズ数即ち、臨界流出レイノルズ数ＲｅＯ，は、であるこ
とが判明した。

従つてＲｅ＞ＲｅＯｒとなるように液膜流れを形成する
と必ず乱流遷移が生ずることとなる。乱流遷移が生じる
半径Ｒｔは、ノズル径Ｄ１すきまＨ１レイノルズ数Ｒｅ
によつて異なるが、前記半径Ｒｔをのように無次元化す
ると、前記Ｄ，Ｈ，Ｒｅの大きさにかかわらず近似的に
で求められることも判明した。

第２図は、前記（１）式をグラフ化したものである。従
つて、上記各式（Ａ）００（Ｄ）（ＥＸＦ）（ＧＸ）か
ら、乱流遷移をコントロールすることができる。

即ち、例えば所望の半径Ｒｔ′において乱流遷移を生ぜ
しめるための流量、すきま、ノズル径等を上記各式を用
いて容易に決定することができる。尚、（Ｅ′）式及び
（）式は平板がなめらかな場合における式である力坪板
の表面を粗くするとＲｅＯ，の値は上式（ト）より小さ
くなり、遷移の生ずる半径Ｒｔも（）式で求まる値より
小さくなる。

従つて、平板の表面あろさを調整すれば乱流遷移が生じ
る位置をコントロールすることができる。又、乱れのス
ケールはＲｅが大きいほど細かい。従つてうずの大きさ
はＲｅを変更することによりコントロールすることがで
きる。尚、いずれにせようずのスケールは数μ乃至数十
μの極めて微細なものであることは前に述べた通りであ
る。次に上述した液膜流れにおける乱流遷移を利用した
液体の混合方法及び混合装置について説明する。

第３図は、本発明方法及び装置の第１実施例を示す。

高速液膜流れＦＬは、なめらかな平板１に、ノズル２の
先端部２ａを小さなすきまＨを隔てて対向させ、このす
きま４から前記平板１に沿つて液体Ｗを放射状に流出さ
せることにより形成する。

この実施例においては、混合液注入手段７を上流に設け
、混合すべき２液ＷＡ，ＷＢを前記ノズル２の上流にお
いて合流させてある。８ａ及び８ｂは前記２液ＷＡ，Ｗ
Ｂを加圧するためのポンプである。

２液ＷＡ，ＷＢの混合比は、バルブ９ａ，９ｂにより調
節し、ノズル２からの流出流量は、メインバルブ１０に
より調節する。

図示しないが、ノズル２と平板１間のすきま４の大きさ
Ｈを調節するために、前記ノズル２を軸方向に移動させ
る装置又は前記平板１を前記ノズル２に対して相対的に
上下動させる装置を設けるとよい。平板１は好ましくは
所望の直径を有する円板状とするとよい。Ｈは、前記平
板１の縁から流れ落ちる混合液Ｍを回収するためのタン
クである。ノズル流出流量及びすきま４の大きさＨは、
前記式（Ａ）（Ｂ）（［）［有］）（Ｆ）（６）（１）
から、前記平板１の縁内で乱流遷移が生じるように定め
る。

斯くすることにより、前記２液ＷＡ，ＷＢは、膜状流れ
の途中で起こる衝撃的な乱流遷移及び数μ乃至数十μの
微細な乱れ（うず、振動）のエネルギーにより、瞬時に
して高レベルに混合乃至は乳化される。

第４図は、本発明方法及び装置の第２実施例を示す。

この例は、注入手段７として前記ノズル２の内壁に開口
１２を設け、ここから混入すべき液ＷＢを注入するよう
に構成したものである。

斯くすれば、混入すべき液ＷＢが主液ＷＡに比して小量
である場合に都合がよい。第５図は、本発明方法及び装
置の第３実施例を示す。

この例においては、注入手段７として平板１に開口１３
を設け、ここから混入すべき液ＷＢを液膜流れＦＬ内に
注入するように構成してある。

斯くすれば高速の主液ＷＡ流れに低速の異種液が注入さ
れることになるので、前記液ＷＢを注入する位置におい
て乱流遷移を起こすことができる。この結果、前記開口
１３の位置を調節すれば、所望の半径ｒ１において前記
２液ＷＡ，ＷＢを瞬時に混合することができる。第６図
及び第７図は、本発明方法及び装置の第４実施例を示す
。

この例においては、注入手段７として平板１に注入用パ
イプ１４を突出せしめ、このパイプ１４から混人すべき
液ＷＢを液膜流れＦＬ内に注入するように構成してある
。

パイプ１４の突出長さは、液膜厚さより短くすることは
言うまでもない。斯くすることによつてもパイプ１２か
ら前記液ＷＢを注人する位置において乱流遷移を生ぜし
めることができる（第７図参照）。厚さ方向の急激な速
度勾配により不安定となつている流れが、前記パイプ１
２の突出部に衝突し、これによる抵抗がうずを励起する
からである。第３実施例及び第４実施例は平板面積が狭
く、小さい半径位置において乱流遷移を起こさせたい場
合に都合がよい。上記の各実施例においては２液を混合
する場合を代表して述べたが、複数の液を同時に混合し
得ることは言うまでもない。特に第４図乃至第７図に示
す実施例においては、開口あるいはパイプの数を増やす
ことにより容易に混合液の種類を増加することができる
。以上において、液膜流れは、平板１にノズルを対向さ
せ、平板１とノズル先端のすきまから液体を流出させる
ことにより形成したが、該液膜流れの形成は、これに限
らず、例えば、先端断面を長孔状に形成したノズル（図
示略）を平板に沿つて位置せしめ、ノズルから流出した
液が方向を変えずそのまま液膜流れを形成するようにし
てもよい。

又、注入手段７から、例えば薬品粉末等の固体微粒子を
一定割合で注入するようにすれば、急速、完全、均一な
固液混合を連続的に行うことができる。更に、乱流遷移
による液膜の自由境界における微細な乱れを利用すると
、気体雰囲気を形成する周囲の気体と、液膜流れの液と
の気液混合を行うことができる。

以上述べたように本発明方法は、高速の液膜流れにおけ
る衝撃的な乱流遷移及び微少スケールのうずを利用する
から、互いに溶け合う液の拡散のみならず、互いに不溶
な液の接触乃至は乳化をも含む高レベルの混合を連続的
に行うことができる。

更に本発明方法は、機械的に混合するのではなく、言わ
ば目励的な乱流遷移を利用するから、装置に機械的な故
障は全くなく、静的な連続混合を行うことができる。こ
れは、化学変化を伴う液の混合にも適している。又、装
置の構造が極めて簡単であり、コスト的に有利である。
本発明方法は、極めて簡単な装置を用いて、複数の液体
等を、連続的に、急速、完全、均一且つ微細に混合する
ことができるという画期的な方法であり、その応用分野
は極めて広い。

その例として、本発明方法を直接適用してエマルジヨン
（乳濁液）を連続製造すること、本発明方法を化学反応
や化学合成の過程に適用して例えば金属錯体を製造する
こと、本発明方法における衝撃的な乱流遷移及び微細な
うずのエネルギーを利用して例えば微生物を破壊し、殺
菌、滅菌を行うこと、或いは液体を膜状に流すことを利
用して気液間の物質移動及び気液及応を高レベルで行う
こと等が挙げられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を示す模式図、第２図は流出レイ
ノルズ数と、遷移発生半径との関係を示すグラフ、第３
図は本発明の一実施例を要部を拡大断面で示した全体図
、第４図乃至第６図は本発明の他の実施例を示す要部拡
大断面図、第７図は第６図の平面図である。 １・・・・・・平板、２・・・・・・ノズル、４・・・
・・・すきま、６・・・・・・自由境界、７・・・・・
・注入手段、Ｗ・・・・・液体、１２，１３・・・・・
・開山、１４・・・・・・パイプ、Ｃ・・・・・・うず
、ＦＬ・・・・・・液膜流れ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 気体雰囲気中で固体壁に沿う高速の液膜流れを形成
   し、この流れの途中において、微細なうずを発生させて
   流れを層流から乱流へ衝撃的に遷移させ、この乱流エネ
   ルギーを利用して、複数の液体、液体と前記雰囲気を形
   成する気体、或いは液体と固体粒子を、連続的に混合す
   るようにしたことを特徴とする連続混合方法。 ２ 平板とノズル先端部とを若干距離隔てて対向させ、
   前記平板と、前記ノズル先端部との間にすきまを形成し
   、このすきまから前記平板に沿わせて加圧された液体を
   高速で流出させることにより、前記液膜流れを形成する
   ようにした特許請求の範囲第１項に記載の連続混合方法
   。 ３ 混合すべき液又は固体粒子を前記ノズルより上流に
   おいて注入するようにした特許請求の範囲第２項に記載
   の連続混合方法。 ４ 混合すべき液又は固体粒子を前記液膜流れ内に注入
   するようにした特許請求の範囲第２項に記載の連続混合
   方法。 ５ 液体加圧装置と、該液体加圧装置に連続するノズル
   と、該ノズルに対して若干距離隔てて対向する平板とを
   有し、且つ混合すべき液又は固体粒子を注入するための
   注入手段を備えて成る連続混合装置。 ６ 前記注入手段を、前記ノズルより上流側に設けた特
   許請求の範囲第５項に記載の連続混合装置。 ７ 前記注入手段を、前記平板に開口を設けることによ
   り構成した特許請求の範囲第５項に記載の連続混合装置
   。 ８ 前記注入手段を、前記平板から注入パイプを突出さ
   せることにより構成した特許請求の範囲第５項に記載の
   連続混合装置。