WO2015098290A1 - 撹拌翼及び撹拌装置 - Google Patents

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WO2015098290A1
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stirring
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support portion
support
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昌二 森永
和晃 川上
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住友重機械プロセス機器株式会社
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    • B01FMIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/05Stirrers
    • B01F27/11Stirrers characterised by the configuration of the stirrers
    • B01F27/111Centrifugal stirrers, i.e. stirrers with radial outlets; Stirrers of the turbine type, e.g. with means to guide the flow
    • B01F27/1111Centrifugal stirrers, i.e. stirrers with radial outlets; Stirrers of the turbine type, e.g. with means to guide the flow with a flat disc or with a disc-like element equipped with blades, e.g. Rushton turbine
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01FMIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20Mixing gases with liquids
    • B01F23/23Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/233Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids using driven stirrers with completely immersed stirring elements
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    • B01F27/114Helically shaped stirrers, i.e. stirrers comprising a helically shaped band or helically shaped band sections
    • B01F27/1144Helically shaped stirrers, i.e. stirrers comprising a helically shaped band or helically shaped band sections with a plurality of blades following a helical path on a shaft or a blade support

Definitions

  • the present invention relates to a stirring blade for the purpose of mixing and a stirring device equipped with the same.
  • a stirring device for stirring an object to be stirred for example, a cylindrical stirring tank, a stirring shaft arranged at the center of the stirring tank, and a stirring blade attached to the lower side of the stirring shaft are provided. Things are known.
  • the stirring blade provided in this type of stirring device includes a plate-like member attached to the stirring shaft, and a plurality of plate-like blade portions fixed to the outer peripheral side of the plate-like member. It has been known. According to such a stirring device, when the stirring shaft rotates around the shaft core, the stirring blade rotates together with the stirring shaft, and the object to be stirred is stirred and mixed by this rotation.
  • a stirring blade is proposed in which the longitudinal section of the blade portion is curved and / or bent toward the counter-rotating direction of the blade portion (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-35724). ). According to such a stirring blade, cavitation is suppressed.
  • an object of the present invention is to provide a stirring blade with improved stirring efficiency and a stirring device including the stirring blade.
  • a stirring blade according to the present invention is a stirring blade attached to a stirring shaft provided in a stirring device, and includes a plate-like support portion attached to the stirring shaft, and a plurality of disposed on the outer peripheral edge side of the support portion.
  • a blade portion, and the support portion has a first surface and a second surface, and each blade portion is one of the first surface and the second surface of the support portion.
  • the support portion is configured in a circular shape, and the plurality of blade portions are provided at predetermined intervals along the circumferential direction of the support portion.
  • the first blade portion in one blade portion is provided on the first surface of the support portion
  • the first blade portion in the other blade portion is The second blade portion is provided on the second surface of the support portion
  • the second blade portion in the one blade portion is provided on the second surface of the support portion
  • the second blade portion in the other blade portion Can be provided on the first surface of the support.
  • first blade portion and the second blade portion that are asymmetric, for example, a configuration in which the first blade portion is formed in a linear shape and the second blade portion is formed in a curved shape is adopted. Also good.
  • FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a stirring device including a stirring blade according to a first embodiment of the present invention.
  • Part (a) of FIG. 2 is a top view of the stirring blade according to the present embodiment.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG.
  • FIG. 3 is a partial side view showing an example of a blade portion in the stirring blade according to the present embodiment.
  • Part (a) of FIG. 4 is a top view of the stirring blade according to the present embodiment subjected to the performance test.
  • Part (b) of FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line XX of part (a).
  • FIG. 5 shows test data of the performance test.
  • the upper graph is a graph showing the relationship between the air flow rate and kLa (overall mass transfer capacity coefficient).
  • the lower graph is a graph showing the relationship between the air flow rate and the power (per unit volume) transmitted to the liquid.
  • FIG. 1 the stirring blade 4 is schematically shown by a broken line, and in FIGS. 2 and 3, the stirring blade 4 is shown in detail.
  • the stirring device 1 provided with the stirring blade 4 of this embodiment is a vertical stirring device.
  • the stirring device 1 includes a stirring tank 2 that contains an object to be stirred (liquid L), a stirring shaft 3 that is rotatably mounted in the stirring tank 2, and a stirring blade 4 that is attached to the stirring shaft 3. And a drive unit 5 for rotating the stirring shaft 3. Further, the stirring device 1 further includes a gas supply unit 6 that supplies another stirring target (gas G) from the bottom 22 of the stirring tank 2 into the stirring tank 2.
  • the objects to be stirred accommodated in the stirring tank 2 are the liquid L and the gas G.
  • the liquid L includes a liquid having a relatively low viscosity and high fluidity, and a liquid having a relatively high viscosity and low fluidity.
  • the stirring tank 2 is formed in a long cylindrical shape in the vertical direction.
  • the stirring tank 2 includes a cylindrical straight body portion 21, a bottom portion 22 having a semi-elliptical or dish-shaped cross section attached to the lower end of the straight body portion 21, and a straight body portion.
  • the stirring tank 2 holds the stirring shaft 3 so that the axial direction A of the stirring shaft 3 coincides with the vertical direction (the vertical direction in FIG. 1).
  • the stirring shaft 3 is arranged at the center of the stirring tank 2.
  • the lower end of the stirring shaft 3 is supported via a bearing (not shown) provided on the bottom 22 of the stirring tank 2.
  • the upper end portion of the stirring shaft 3 extends to the upper side from the top portion 23 of the stirring tank 2 and is connected to a drive unit 5 (here, for example, a motor M) disposed above the top portion 23.
  • the stirring shaft 3 rotates upon receiving the drive of the driving unit 5.
  • the stirring blade 4 includes a cylindrical boss 41 that can be attached to the stirring shaft 3, and a flat and circular shape extending from the boss 41 in the radial direction B of the stirring shaft 3 ( A support portion 42 having a disk shape or a donut shape, and a plurality of blade portions 43 attached to the peripheral portion (outer peripheral edge side) of the support portion 42.
  • the support portion 42, the boss 41, and the blade portion 43 are each fixed by welding or the like.
  • the boss 41 has a through hole 41a inserted through the stirring shaft 3. As shown in FIG. In the stirring blade 4, the stirring shaft 3 is inserted into the through hole 41 a of the boss 41. The stirring blade 4 is attached to the stirring shaft 3 by screwing or welding the boss 41 and the stirring shaft 3.
  • the support portion 42 is formed so as to protrude from the outer peripheral surface of the boss 41 to the outer peripheral side in the radial direction B so that the boss 41 is positioned at the center.
  • the support portion 42 is fixed to the boss 41 so as to be orthogonal to the axial direction A of the stirring shaft 3.
  • the length of the support portion 42 in the radial direction B of the boss 41 can be appropriately designed according to the radius of the stirring tank 2 and the like, and is not particularly limited. It can be about 50%.
  • a plurality (six in the illustrated example) of the blade portions 43 are arranged at a predetermined interval along the circumferential direction of the support portion 42.
  • Each blade portion 43 is arranged so as not to protrude radially outward from the outer peripheral edge of the support portion 42.
  • the outer peripheral edge of each blade portion 43 and the outer peripheral edge of the support portion 42 coincide with each other in plan view.
  • the blade portion 43 protrudes from the upper surface (first surface) 42 a which is one surface of the support portion 42 and is formed in a linear shape as viewed in the radial direction.
  • the first blade portion 43a has a second blade portion 43b that protrudes from the lower surface (second surface) 42b, which is the other surface of the support portion 42, and has a curved shape when viewed in the radial direction. is doing. Further, one end side of the blade portion 43 is fixed to the support portion 42, and the other end side of the blade portion 43 is disposed at a certain interval from the support portion 42. And the support part 42 is rotated toward the side by which the blade
  • both 43a and 43b are based on the support portion 42. As asymmetric shape.
  • the first blade portion 43 a is fixed to one surface in the thickness direction of the support portion 42.
  • the second blade portion 43 b is fixed to the other surface of the support portion 42.
  • the first blade portion 43a has an opening 44 in a part thereof. As shown in FIG. 2, the opening 44 is formed by cutting out a predetermined region on the base side and outside of the diameter of the first blade portion 43 a in a straight line, and has a space through which an object to be stirred passes.
  • the opening 44 may be formed in the second blade portion 43b. That is, the opening 44 can be formed in at least one (one or both) of the first blade portion 43a and the second blade portion 43b.
  • the second blade portion 43b is formed in an arcuate curved shape when viewed in the radial direction.
  • the curved shape is not limited to an arc shape, and may be formed by connecting a plurality of linear portions, for example.
  • the arcuate curved shape of the second blade portion 43b is the distance between two edges that are parallel to the alternate long and short dash line that represents the receding angle ⁇ shown in FIG.
  • the shape is curved with a certain radius of curvature (for example, the radius of curvature m5 shown in part (b) of FIG. 4).
  • wing part 43b of this embodiment is curving with the fixed curvature radius m5
  • it can also be set as the shape curved with the curvature radius which changes with parts.
  • the curvature radius is partially changed from the side fixed to the support portion 42 of the second blade portion 43b toward the end portion side of the second blade portion 43b.
  • the second blade portion 43b of the present embodiment is formed with the same radius of curvature in the direction along the alternate long and short dash line indicating the receding angle ⁇ , but is not limited to this, and the radius of curvature is different in the direction. Can. Specifically, the radius of curvature of the second blade portion 43 b can be changed from the outer peripheral side of the support portion 42 toward the center side of the support portion 42.
  • the center side of the radius of curvature of the second blade portion 43b is located on the first blade portion 43a side, that is, on the support portion 42 side. That is, the second blade portion 43 b has a concave shape with respect to the support portion 42.
  • the second blade portion 43b is formed so that the center side of the radius of curvature is on the support portion 42 side and the curved surface of the second blade portion 43b protrudes away from the support portion 42, so that the support plate 42 is formed.
  • one blade portion 43 (the blade portion 43 shown in the portion (b) of FIG. 2) is the first blade portion 43 a of the first support portion 42.
  • the second blade portion 43 b is formed on the first surface 42 a of the support portion 42.
  • the second blade portion 43b of one blade portion 43 is formed on the second surface 42b of the support portion 42.
  • the first blade portion 43a is supported. It is formed on the second surface 42b of the portion 42.
  • the arrangement and size of the opening 44 between the first blade portion 43a or the second blade portion 43b are not particularly limited, and suppression of cavitation and reduction in strength of the blade portion 43 can be achieved.
  • the opening 44 can be formed on the tip side of the first blade portion 43a or the second blade portion 43b, or can be formed on the inner side of the diameter.
  • the opening 44 is formed by being cut out in a straight line shape, but may be formed by being cut out in a curved line shape.
  • the opening 44 can also be formed as a hole surrounded by the periphery.
  • one opening 44 is formed for each first blade 43a, but a plurality of openings 44 may be formed.
  • the openings 44 can be formed in a lattice shape or a net shape. Note that the driving force (driving torque) of the stirring blade 4 can be reduced by forming the opening 44 larger.
  • the blade portion 43 is disposed to be inclined downstream in the rotational direction with respect to the radial direction B of the support portion 42.
  • Such an inclination angle toward the downstream side that is, an angle (retraction angle) ⁇ at which the inner peripheral side of the blade portion 43 is retracted can be set to 10 to 40 °, for example.
  • wing part 43 with respect to radial direction can also be employ
  • the drive unit 5 of the agitator 1 is driven, and the direction in which the first and second blade portions 43a and 43b are inclined and projecting is the downstream side (counterclockwise in the portion (a) of FIG.
  • the stirring blade 4 rotates around the stirring shaft 3 in the stirring tank 2 and together with the stirring shaft 3.
  • the stirring blade 4 rotates, the liquid L and the gas G are mixed while being sheared by the first blade portion 43a and the second blade portion 43b.
  • the opening 44 is preferably formed in a predetermined region outside the diameter of the blade portion 43.
  • the stirring blade 4 of this embodiment includes the support portion 42 and the blade portion 43.
  • the blade portion 43 includes a first blade portion 43a, a second blade portion 43b, and an opening 44.
  • the cavitation is suppressed because the blade portion 43 of the stirring blade 4 has the opening 44.
  • the stirring shaft 3 can be made relatively thin, and the drive unit 5 can be made relatively small. . Also, the cost is reduced. In addition, it is possible to operate at a high speed with lower torque than in the prior art.
  • the first blade portion 43a and the second blade portion 43b are formed asymmetrically when viewed in the radial direction. Further, of the two blade portions 43 adjacent to each other in the circumferential direction, the first blade portion 43a in one blade portion 43 is provided on the first surface 42a of the support portion 42, and the first blade portion 43 in the other blade portion 43 has a first shape.
  • One blade portion 43a is provided on the second surface 42b of the support portion 42, and the second blade portion 43b of the one blade portion 43 is provided on the second surface 42b of the support portion 42 and the other blade portion.
  • a second blade portion 43 b in 43 is provided on the first surface 42 a of the support portion 42.
  • An opening 44 is formed in each first blade 43a.
  • the opening 44 is formed in the upper first blade portion 43 a in one blade portion 43 of the two adjacent blade portions 43, and the other blade portion 43. Is formed on the lower first blade portion 43a.
  • the flooding is a phenomenon in which the gas reservoirs adjacent to each other in the vicinity of the blade portion 43 are combined to greatly reduce the function of the blade portion 43.
  • the openings 44 are arranged alternately on the top and bottom, it becomes possible to disperse the fluid flow without concentrating it on one point. Thereby, the flow velocity distribution on the heat transfer surface can be made more uniform, and the heat transfer performance can be improved.
  • the present invention is applied to a highly corrosive device, it is possible to prevent the induction of erosion due to a single concentration of fluid flow.
  • Test tank Transparent acrylic tank (vessel inner diameter 310mm, 2: 1 semi-elliptical bottom)
  • Blade type Stirring blade of this embodiment, (Comparison object)
  • General-purpose disk turbine blade Blade diameter 124mm (Bath diameter ratio 40%, see below for details)
  • Liquid type Water (density 1000kg / m3, viscosity 1cP) Water temperature: 12 °C
  • Liquid volume 26.1L
  • Internal Baffle plate-4 flat plates (width 24.8mm), 1 ventilation nozzle Power: 1.0 kW / m3 (no ventilation)
  • Rotational speed 627 rpm (constant) of the stirring blade of this embodiment
  • Aeration gas Ambient air around the test location
  • Aeration volume 0-3vvm
  • the stirring blade 4 of the present embodiment subjected to the performance test is made of stainless steel (SUS304) and has the shape shown in FIGS.
  • the sizes of the main parts are as follows, and the positions of the dimensions (m1 to m7) are shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b).
  • SUS304 stainless steel
  • the general-purpose disk turbine blade used as a comparative object has a disk-like disk diameter of 99 mm, and the blades are rectangular plates arranged along the disk radial direction, such as in the disk circumferential direction. Six blades are arranged at intervals, the diameter of the blade tip is 124 mm, and each blade has a vertical dimension of 25 mm and a horizontal dimension of 30 mm.
  • the performance test was conducted by changing the air flow rate from 0 to 3 vvm after setting the power during no ventilation to 1.0 kW / m3 for both blades.
  • the upper graph shown in FIG. 5 is a graph showing the relationship between the air flow rate and kLa (overall mass transfer capacity coefficient). The larger the numerical value of kLa, the more gas is dissolved in the liquid.
  • the lower graph shown in FIG. 5 is a graph showing the relationship between the amount of ventilation and the power (per unit volume of liquid) transmitted to the liquid.
  • the stirring blade 4 and the stirring device 1 according to the present embodiment are as described above.
  • the stirring blade and the stirring device according to the present invention are not limited to the above embodiment, and do not depart from the gist of the present invention.
  • Various changes can be made.
  • the effect of the stirring blade 4 and the stirring apparatus 1 which concerns on this invention is not limited to an above-described effect.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the number of the blade portions 43 can be appropriately set between 4 and 8 at regular intervals, for example.
  • wing parts 43 can also be set to a different thing suitably.
  • the stirring blade and the stirring device according to the present invention are applied is not particularly limited.
  • the stirring blade and the stirring device of the present invention are used for a reaction operation involving gas-liquid mass transfer.
  • a reaction operation include a gas absorption reaction operation in a hydrogenation reaction tank, an oxidation reaction tank or the like.
  • a reaction operation in the presence of steam in a solvent removal reaction tank or a flash crystallization reaction tank after rubber polymerization can also be mentioned.
  • it can also be used for separation / extraction operations.
  • the stirring blade 4 is a stirring blade 4 attached to the stirring shaft 3 provided in the stirring device 1, and includes a plate-like support portion 42 attached to the stirring shaft 3, and the support portion 42.
  • a plurality of blade portions 43 arranged on the outer peripheral edge side, the support portion 42 has a first surface and a second surface, and each blade portion 43 is the first portion in the support portion 42. Projecting from one of the first surface and the second surface, and projecting from the other of the first surface and the second surface of the support portion 42.
  • a second blade portion 43b that is asymmetric with the first blade portion 43a, and an opening 44 formed in at least one of the first blade portion 43a and the second blade portion 43b. .
  • the said opening part 44 is used. It merges with the material to be stirred and is dispersed on the outer peripheral side of the blade portion 43.
  • the aggregation and retention of the agitated material in the gap portion between the first and second blade portions 43a and 43b and the support portion 42 are suppressed, so that cavitation can be suppressed. it can.
  • wing part 43 receives by the part to which a to-be-stirred object passes the opening part 44 reduces, the driving force of the stirring blade 4 can also be reduced.
  • the support portion 42 is configured in a circular shape, and the plurality of blade portions 43 are provided at predetermined intervals along the circumferential direction of the support portion 42.
  • the first blade portion 43 a in one blade portion 43 is provided on the first surface of the support portion 42
  • the other The first blade portion 43a of the blade portion 43 is provided on the second surface of the support portion 42
  • the second blade portion 43b of the one blade portion 43 is the second surface of the support portion 42.
  • the second blade portion of the other blade portion may be provided on the first surface of the support portion.
  • first blade portion 43a and the second blade portion 43b that are asymmetric are configured such that the first blade portion 43a is formed in a linear shape and the second blade portion 43b is formed in a curved shape. May be adopted.
  • the stirring blade 43 with improved stirring efficiency and the stirring device 1 including the stirring blade 43 are provided.

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Abstract

 撹拌装置に備えられた撹拌軸に取り付けられる撹拌翼であって、撹拌軸に取り付けられる板状の支持部と、支持部の外周縁側に配された複数の羽根部とを備える。羽根部は、支持部の一方の面から突出する第1の羽根部と、支持部の他方の面から突出するとともに、第1の羽根部とは非対称とされる第2の羽根部と、第1の羽根部と第2の羽根部の少なくとも一方に形成される開口部とを含む。

Description

撹拌翼及び撹拌装置 関連出願の相互参照
 本願は、日本国特願2013-270311号に基づく優先権を主張し、引用によって本願明細書の記載に組み込まれる。
 本発明は、混合を目的とした撹拌翼及びこれを備えた撹拌装置に関する。
 従来、被撹拌物を撹拌する撹拌装置として、例えば円筒形状の撹拌槽と、該撹拌槽の中心部に配された撹拌軸と、該撹拌軸の下部側に取り付けられた撹拌翼とを備えたものが知られている。
 また、この種の撹拌装置に備えられた撹拌翼としては、撹拌軸に取り付けられる板状部材と、該板状部材の外周側に固定された複数枚の平板状の羽根部とを備えたものが知られている。かかる撹拌装置によれば、撹拌軸が軸芯を中心に回転すると、撹拌翼が撹拌軸と共に回転し、この回転により、被撹拌物が撹拌されて混合される。
 しかし、このような撹拌翼を用いて被撹拌物の撹拌を行った場合、平板状の羽根部の裏側に大量のキャビティが生じることがある(キャビテーション)。そうすると、撹拌効率が低下するおそれがある。
 そこで、羽根部の縦断面が該羽根部の反回転方向に向かって湾曲及び/または屈曲した形状を有するように構成された撹拌翼が提案されている(日本国特開2004-35724号公報参照)。かかる撹拌翼によれば、キャビテーションが抑制される。
日本国特開2004-35724号公報
 しかし、日本国特開2004-35724号公報に示すような撹拌翼でも、羽根部の裏側にはキャビテーションが発生している。このため、キャビテーションの抑制が未だ十分とはいえない。また、撹拌翼が被撹拌物から受ける抵抗が比較的大きいため、その分だけ大きな駆動力を要する。このように、上記撹拌翼は、撹拌効率が十分とはいえず、撹拌効率がさらに向上された撹拌翼が要望されている。
 本発明は、上記問題点に鑑み、撹拌効率が向上された撹拌翼及びこれを備えた撹拌装置を提供することを課題とする。
 本発明に係る撹拌翼は、撹拌装置に備えられた撹拌軸に取り付けられる撹拌翼であって、前記撹拌軸に取り付けられる板状の支持部と、該支持部の外周縁側に配された複数の羽根部とを備え、前記支持部は、第1の面と第2の面とを有し、前記各羽根部は、前記支持部における前記第1の面及び前記第2の面のうちの一方の面から突出する第1の羽根部と、前記支持部における前記第1の面及び前記第2の面のうちの他方の面から突出するとともに、第1の羽根部とは非対称とされる第2の羽根部と、前記第1の羽根部と前記第2の羽根部の少なくとも一方に形成される開口部とを含む。
 また、上記構成の撹拌翼においては、前記支持部は円形に構成され、前記複数の羽根部は、支持部の円周方向に沿って所定の間隔をおいて設けられており、前記支持部の円周方向において隣り合う2つの羽根部のうち、一方の羽根部における前記第1の羽根部が前記支持部の第1の面に設けられるとともに、他方の羽根部における前記第1の羽根部が前記支持部の第2の面に設けられ、前記一方の羽根部における前記第2の羽根部が前記支持部の第2の面に設けられるとともに、前記他方の羽根部における前記第2の羽根部が前記支持部の第1の面に設けられることができる。
 また、非対称とされる第1の羽根部と第2の羽根部について、例えば、第1の羽根部が直線形状に形成され、第2の羽根部が湾曲形状に形成される構成を採用してもよい。
図1は、本発明の第1実施形態に係る撹拌翼を備えた撹拌装置の概略縦断面図である。 図2の(a)部分は、本実施形態に係る撹拌翼の上面図である。図2の(b)部分は、(a)部分のX-X矢視断面図である。 図3は、本実施形態に係る撹拌翼における、羽根部の一例を示す部分側面図である。 図4の(a)部分は、性能試験に供した本実施形態に係る撹拌翼の上面図である。図4の(b)部分は、(a)部分のX-X矢視断面図である。 図5は、性能試験の試験データを示す。上側のグラフは、通気量とkLa(総括物質移動容量係数)との関係を示すグラフである。下側のグラフは、通気量と液体に伝達される動力(単位体積当たり)との関係を示すグラフである。
 以下、本発明の第1実施形態に係る撹拌翼について、これが備えられる撹拌装置と共に図1~図3を参照しつつ説明する。なお、図1においては、撹拌翼4を破線で概略的に示し、図2、図3において、撹拌翼4を詳細に示す。
 本実施形態の撹拌翼4を備えた撹拌装置1は、竪型撹拌装置である。この撹拌装置1は、被撹拌物(液体L)を収容する撹拌槽2と、該撹拌槽2内に回転可能に取り付けられた撹拌軸3と、該撹拌軸3に取り付けられた撹拌翼4と、撹拌軸3を回転させる駆動部5とを備えている。また、撹拌装置1は、撹拌槽2の底部22から撹拌槽2内に他の被撹拌物(気体G)を供給する気体供給部6をさらに備えている。なお、本実施形態では、撹拌槽2に収容された被撹拌物が液体L及び気体Gである。以下、気体Gを液体中に分散させる場合を例に挙げて説明するが、被撹拌物の種類は、特に限定されるものではない。また、液体Lには、比較的低粘度で流動性が高い液体の他、比較的高粘度で流動性が低い液体等も含まれる。
 撹拌槽2は、縦方向に長い円筒形状に形成されている。具体的には、撹拌槽2は、円筒状の直胴部21と、該直胴部21の下端に取り付けられた断面形状が半楕円または皿型形状等とされた底部22と、直胴部21の上端に取り付けられた断面形状が半楕円または皿型状等とされた頂部23とを備えている。また、撹拌槽2は、撹拌軸3の軸芯方向Aが鉛直方向(図1の上下方向)と一致するように、撹拌軸3を保持している。
 撹拌軸3は、撹拌槽2の中心部に配されている。撹拌軸3の下端部は、撹拌槽2の底部22に設けられた軸受(不図示)を介して支持されている。一方、撹拌軸3の上端部は、撹拌槽2の頂部23よりも上方まで延出され、該頂部23よりも上方に配された駆動部5(ここでは、例えばモーターMとする。)に接続されている。撹拌軸3は、かかる駆動部5の駆動を受けて回転する。なお、撹拌軸3として、その下端部が何にも支持されていない構成を採用してもよい。また、撹拌軸3の下端部が底部22よりも下方まで延出され、該底部22よりも下方に配された駆動部5と接続されている構成を採用してもよい。
 図2、図3に示すように、撹拌翼4は、撹拌軸3に取り付け可能な円筒状のボス41と、該ボス41から撹拌軸3の径方向Bに延出している平板状で円形(円盤状又はドーナツ状)の支持部42と、該支持部42の周縁部(外周縁側)に取り付けられた複数の羽根部43とを備えている。支持部42と、ボス41及び羽根部43とは、それぞれ溶接等によって固定されている。
 図2の(a)部分に示すように、ボス41は、撹拌軸3に挿通される貫通孔41aを有している。撹拌翼4は、該ボス41の貫通孔41aには撹拌軸3が挿通される。撹拌翼4は、ボス41と撹拌軸3とがねじ締結される、または溶接されること等によって、撹拌軸3に取り付けられるようになっている。
 支持部42は、ボス41が中心に位置するように該ボス41の外周面から径方向Bの外周側に突出して形成されている。また、支持部42は、撹拌軸3の軸芯方向Aに対して直交するようにボス41に固定されている。ボス41の径方向Bにおける支持部42の長さは、撹拌槽2の半径等に応じて適宜設計することができ、特に限定されるものではないが、例えば、撹拌槽2の直径の20~50%程度とされ得る。
 図2の(a)部分に示すように、複数(図例では6つ)の羽根部43は、支持部42の円周方向に沿って所定の間隔をおいて配置されている。各羽根部43は支持部42の外周縁から径外方向には飛び出さないように配置され、本実施形態では各羽根部43の外周縁と支持部42の外周縁とは平面視で一致している。図2の(b)部分に示すように、羽根部43は、支持部42の一方の面である上面(第1の面)42aから突出するとともに、径方向視にて直線形状に形成される第1の羽根部43aと、支持部42の他方の面である下面(第2の面)42bから突出するとともに、径方向視にて湾曲形状に形成される第2の羽根部43bとを有している。また、羽根部43の一端側は支持部42に固定され、羽根部43の他端側は支持部42からある間隔をもって配置されている。そして、支持部42は、羽根部43が解放されている側に向かって回転される。
 第1の羽根部43aが径方向視にて直線形状に形成され、第2の羽根部43bが径方向視にて湾曲形状に形成されていることから、両者43a,43bは支持部42を基準として非対称な形状となっている。第1の羽根部43aは、支持部42の厚さ方向における一方の面に固定されている。第2の羽根部43bは、支持部42の他方の面に固定されている。
 第1の羽根部43aには、その一部に開口部44を有する。この開口部44は、図2に示すように、第1の羽根部43aの根元側かつ径外側の所定領域が直線状に切り取られて形成され、被撹拌物が通過する空間を有する。なお、この開口部44は、第2の羽根部43bに形成されていてもよい。すなわち、開口部44は第1の羽根部43aと第2の羽根部43bの少なくとも一方(一方又は両方)に形成され得る。第2の羽根部43bは、径方向視にて円弧状の湾曲形状に形成される。この湾曲形状は、円弧状に限らず、例えば、複数の直線状の部分が繋がって形成されるものであってもよい。
 第2の羽根部43bが有する、前記円弧状の湾曲形状は、具体的には、図2(a)に表された、後退角度αを示す一点鎖線と平行な関係にある二つの端縁間で、一定の曲率半径(例えば図4の(b)部分に示す曲率半径m5)で湾曲する形状である。なお、本実施形態の第2の羽根部43bは一定の曲率半径m5で湾曲しているがこれに限定されず、例えば部分によって異なる曲率半径で湾曲した形状とすることもできる。具体的には、第2の羽根部43bの支持部42に固定されている側から第2の羽根部43bの端部側に向かって、部分的に曲率半径を異ならせた形状である。
 また、本実施形態の第2の羽根部43bは、前記後退角度αを示す一点鎖線に沿う方向では同一の曲率半径で形成されているがこれに限定されず、前記方向で異なる曲率半径とされることができる。具体的には、第2の羽根部43bにつき、支持部42の外周側から支持部42の中心側に向かって、曲率半径を変化させることもできる。
 また、第2の羽根部43bにおける曲率半径の中心側は、図4に示すように、第1の羽根部43a側、すなわち、支持部42側に位置している。つまり、第2の羽根部43bは支持部42に対して凹となる形状である。第2の羽根部43bは、曲率半径の中心側が支持部42側にされ、第2の羽根部43bの有する曲面が支持部42から離れる方向に突出するように形成されるので、支持板42が図示矢印方向(第2の羽根部43bの端部側方向)に回転した際、第1の羽根部43aの外周部を通過する被撹拌物の剥離渦が起こりにくくなる。
 図2の(b)部分における羽根部43と円周方向に隣り合う他の羽根部43とは、第1の羽根部43aと第2の羽根部43bの位置が逆になっている。より具体的には、隣り合う2つの羽根部43のうち、一方の羽根部43(図2の(b)部分に示す羽根部43)は、第1の羽根部43aが支持部42の第1の面42aに形成されているが、他方の羽根部43の場合、第2の羽根部43bが支持部42の第1の面42aに形成されることになる。同様に、一方の羽根部43の第2の羽根部43bが支持部42の第2の面42bに形成されているが、他方の羽根部43の場合には、第1の羽根部43aが支持部42の第2の面42bに形成されることになる。
 また、第1の羽根部43aまたは第2の羽根部43bの間における開口部44の配置及び大きさも、特に限定されるものではなく、キャビテーションの抑制及び羽根部43の強度低下の抑制が図られるように、適宜設定することができる。例えば、開口部44を第1の羽根部43aまたは第2の羽根部43bにおける先端側に形成したり、径内側に形成したりすることもできる。また本実施形態では、開口部44が直線状に切り取られて形成されているが、曲線状に切り取られて形成されることもできる。また、周囲が囲まれた孔として開口部44を形成することもできる。また本実施形態では、第1の羽根部43aの1枚当たりで開口部44が1個形成されているが、複数形成することもできる。また、格子状や網状に開口部44を形成することもできる。なお、開口部44は大きく形成した方が撹拌翼4の駆動力(駆動トルク)を低減できる。
 羽根部43は、支持部42の径方向Bに対して回転方向下流側に傾斜して配されている。かかる下流側への傾斜角度、すなわち、羽根部43の内周側が後退している角度(後退角度)αは、例えば10~40°に設定することができる。なお、径方向に対して羽根部43を傾斜させない構成を採用することも、羽根部43の内周側が前進しているような構成を採用することもできる。
 続いて、本実施形態の撹拌翼4を備えた撹拌装置1の作用について説明する。まず、撹拌装置1の駆動部5を駆動して、第1及び第2の羽根部43a、43bが傾斜して突出している側が下流側となる方向(図2の(a)部分の反時計回り)に撹拌軸3を回転させると、撹拌槽2内において撹拌軸3を中心として、且つ該撹拌軸3と共に撹拌翼4が回転する。撹拌翼4が回転すると、第1の羽根部43aと、第2の羽根部43bとによって液体L及び気体Gがせん断されつつ混合される。
 このように撹拌翼4が回転したとき、羽根部43の回転方向下流側(前側)から上流側(後側)に向かって液体L及び気体G(被撹拌物)が開口部44を通過する。また、第1の羽根部43a及び第2の羽根部43bと、支持部42との隙間部分Sの被撹拌物が遠心力で開口部44へと移動した後、上記開口部44を通過する被撹拌物に合流して、羽根部43よりも外周側に分散される。前記のように、被撹拌物を遠心力による移動の後に合流させられることから、開口部44は、羽根部43の径外側の所定領域に形成することが好ましい。
 上記の通り、本実施形態の撹拌翼4は、支持部42と羽根部43とを備えている。羽根部43は、第1の羽根部43aと、第2の羽根部43bと、開口部44とを有する。
 かかる構成によれば、上述したように、撹拌翼4の羽根部43が開口部44を有していることによって、キャビテーションが抑制される。加えて、かかる撹拌効率の向上によって、撹拌軸3の駆動に要する駆動力が低減されるため、撹拌軸3を比較的細くしたり、駆動部5を比較的小型化したりすることも可能となる。また、コストも低減される。また、従来よりも低トルクで高速回転での運転も可能となる。
 また、本実施形態においては、第1の羽根部43aと、第2の羽根部43bが径方向視にて非対称に形成されている。さらに、円周方向に隣り合う2つの羽根部43のうち、一方の羽根部43における第1の羽根部43aが支持部42の第1の面42aに設けられるとともに、他方の羽根部43における第1の羽根部43aが支持部42の第2の面42bに設けられ、一方の羽根部43における第2の羽根部43bが支持部42の第2の面42bに設けられるとともに、他方の羽根部43における第2の羽根部43bが支持部42の第1の面42aに設けられている。そして、各第1の羽根部43aには開口部44が形成されている。
 かかる構成によれば、仮に大量のガス存在下でキャビティが発生しても、隣り合う羽根部43の背面側のガス溜まり(キャビティ)が結合しにくくなる。したがって、例えば液体中にガスが大量に存在する場合においても動力低下及び撹拌性能の低下を抑えることが可能となる。
また、上記の構成にすることにより、開口部44は、隣り合う2つの羽根部43のうち、一方の羽根部43においては、上側の第1の羽根部43aに形成され、他方の羽根部43においては、下側の第1の羽根部43aに形成されることになる。このように、開口部44が上下交互に配置されることにより、羽根部43の近傍に発生するガス溜まりを上下方向で分散することが可能となる。これによって、フラッディングが発生しにくくなる。フラッディングとは、羽根部43の近傍で隣り合うガス溜まりが結合し、羽根部43の機能が大幅に低下する現象である。
 また、開口部44を上下交互に配置することで、流体の流れを一点に集中させることなく分散させることが可能になる。これにより、伝熱面での流速分布をより均等化でき、伝熱性能の向上が図られる。また、腐食性が高い機器において本発明が適用される場合には、流体の流れの一点集中化によるエロージョンの誘発をも防止できるようになる。
 次に、本実施形態の撹拌翼4に関して発明者が性能試験を行ったので、試験データを以下に示す。
 試験条件は以下の通りである。
 試験槽  : 透明アクリル槽(槽内径310mm、2:1半楕円ボトム)
 翼種   : 本実施形態の撹拌翼、(比較対象)汎用ディスクタービン翼
        翼径124mm(槽径比40%、詳細は下記参照)
 液種   : 水(密度1000kg/m3、粘度1cP)
 水温   : 12℃
 液量   : 26.1L
 インターナル : 邪魔板-平板4枚(幅24.8mm)、通気ノズル1本
 動力   : 1.0 kW/m3(無通気時)
 回転数  : 本実施形態の撹拌翼627rpm(一定)、
        汎用ディスクタービン翼350rpm(一定)
 通気気体 : 試験実施箇所の周囲大気
 通気量  : 0~3vvm
 性能試験に供した本実施形態の撹拌翼4はステンレス鋼(SUS304)製で、図2(a)(b)及び図3に示す形状である。主要部分のサイズは以下の通りであり、図4(a)(b)に各部寸法(m1~m7)の位置を示す。
・支持部42の直径 (m1): 124mm
・支持部42の板厚 (m2): 2mm
・第1の羽根部43a及び第2の羽根部43bの後退角度 (α): 30°
・第1の羽根部43aの先端から第2の羽根部43bの先端までの軸方向寸法 (m3): 22.5mm
・第1の羽根部43a及び第2の羽根部43bの、根元から先端までの図2(b)に示す一点鎖線間の寸法 (m4): 31.8mm
・第2の羽根部43bの支持部42側の面までの曲率半径 (m5): 49.2mm
・支持部42の外周縁から各羽根部43a,43bの径内側端縁までの、後退角度αの方向に沿う寸法 (m6): 31.9mm
・支持部42の外周縁から開口部44の径内側端縁までの、後退角度αの方向に沿う寸法 (m7): 13.5mm
 また、比較対象として用いた汎用ディスクタービン翼は、円盤状であるディスクの直径が99mmで、羽根はディスクの径方向に沿って配置された長方形板状のもので、ディスクの円周方向に等間隔で6つ配置され、羽根先端の径寸法が124mmであり、各羽根は縦寸法が25mm、横寸法が30mmである。
 性能試験は、無通気時の動力を両翼とも1.0 kW/m3とした上で、通気量を0~3vvmに変化させて行った。図5に記載した上側のグラフは、通気量とkLa(総括物質移動容量係数)との関係を示すグラフである。kLaは数値が大きいほど、液体に対して気体が多く溶解することを示す。また、図5に記載した下側のグラフは、通気量と液体に伝達される動力(液体の単位体積当たり)との関係を示すグラフである。各グラフから明らかなように、通気量が同じ場合、比較対象である汎用ディスクタービン翼(グラフ上、四角プロットを結んだ線)に比べて本実施形態の撹拌翼4(同丸プロットを結んだ線)は、kLaが大きく、かつ、液体に伝達される動力が大きい(つまり、動力低下が小さい)ことが明白である。
 以上、本実施形態の撹拌翼4は汎用ディスクタービン翼よりも優れることが性能試験により裏付けられた。
 本実施形態に係る撹拌翼4及び撹拌装置1は以上の通りであるが、本発明に係る撹拌翼及び撹拌装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることができる。また、本発明に係る撹拌翼4及び撹拌装置1の作用効果は、上記した作用効果に限定されるものでもない。
 上記実施形態では、撹拌翼4として、羽根部43を円周方向に等間隔に6つ有する例を挙げたが、これに限定されるものではない。その他例えば、羽根部43の数量は、例えば等間隔に4~8つの間で適宜設定することができる。また、羽根部43間の間隔を適宜異なるものに設定することもできる。
 また、上記実施形態では、頂部23側から底部22側に見て撹拌軸3及び撹拌翼4が反時計回りに回転する例を挙げたが、その他、撹拌軸3及び撹拌翼4が時計回りに回転する態様を採用してもよい。この場合、被撹拌物の流動について、上記実施形態とは逆の流動が得られる。
 また、本発明に係る撹拌翼及び撹拌装置が適用される用途は、特に限定されるものではない。例えば、本発明の撹拌翼及び撹拌装置は、気液の物質移動を伴う反応操作に使用される。かかる反応操作としては、水素添加反応槽、酸化反応槽等におけるガス吸収反応操作が挙げられる。その他、ゴム重合後の脱溶剤反応槽やフラッシュ晶出反応槽などにおける、蒸気が存在する中での反応操作等も挙げられる。さらに、分離・抽出操作にも使用され得る。
 本実施形態に関してまとめて記載する。本実施形態に係る撹拌翼4は、撹拌装置1に備えられた撹拌軸3に取り付けられる撹拌翼4であって、前記撹拌軸3に取り付けられる板状の支持部42と、該支持部42の外周縁側に配された複数の羽根部43とを備え、前記支持部42は、第1の面と第2の面とを有し、前記各羽根部43は、前記支持部42における前記第1の面及び前記第2の面のうちの一方の面から突出する第1の羽根部43aと、前記支持部42における前記第1の面及び前記第2の面のうちの他方の面から突出するとともに、第1の羽根部43aとは非対称とされる第2の羽根部43bと、前記第1の羽根部43aと前記第2の羽根部43bの少なくとも一方に形成される開口部44とを含む。
 かかる構成によれば、第1及び第2の羽根部43a,43bと支持部42との隙間部分(S)の被撹拌物が遠心力で開口部44へと移動した後、上記開口部44を通過する被撹拌物に合流して、羽根部43よりも外周側に分散される。このような被撹拌物の流動により、第1及び第2の羽根部43a,43bと支持部42との隙間部分での被撹拌物の集合及び滞留が抑制されるため、キャビテーションを抑制することができる。また、開口部44を被撹拌物が通過する分だけ羽根部43が受ける抵抗が減少するため、撹拌翼4の駆動力を低減することもできる。
 また、上記構成の撹拌翼4においては、前記支持部42は円形に構成され、前記複数の羽根部43は、支持部42の円周方向に沿って所定の間隔をおいて設けられており、前記支持部42の円周方向において隣り合う2つの羽根部43,43のうち、一方の羽根部43における前記第1の羽根部43aが前記支持部42の第1の面に設けられるとともに、他方の羽根部43における前記第1の羽根部43aが前記支持部42の第2の面に設けられ、前記一方の羽根部43における前記第2の羽根部43bが前記支持部42の第2の面に設けられるとともに、前記他方の羽根部における前記第2の羽根部が前記支持部の第1の面に設けられることができる。
 かかる構成によれば、仮に大量のガス存在下でキャビティが発生しても隣り合う羽根部43,43の背面のキャビティ(ガス溜まり)が結合しにくくなり、例えば液体中にガスが大量に存在する場合においても動力低下及び撹拌性能の低下を抑えることが可能となる。
 また、非対称とされる第1の羽根部43aと第2の羽根部43bについて、例えば、第1の羽根部43aが直線形状に形成され、第2の羽根部43bが湾曲形状に形成される構成を採用してもよい。
 以上の通り、本実施形態によれば、撹拌効率が向上された撹拌翼43及びこの撹拌翼43を備えた撹拌装置1が提供される。
1:撹拌装置、2:撹拌槽、3:撹拌軸、4:撹拌翼、41:ボス部、41a:貫通孔、42:支持部、43:羽根部、43a:第1の羽根部、43b:第2の羽根部、44:開口部、α:傾斜角度、L:液体(被撹拌物)、G:気体(被撹拌物)、A:軸芯方向、B:径方向

Claims (4)

  1.  撹拌装置に備えられた撹拌軸に取り付けられる撹拌翼であって、
     前記撹拌軸に取り付けられる板状の支持部と、該支持部の外周縁側に配された複数の羽根部とを備え、
     前記支持部は、第1の面と第2の面とを有し、
     前記各羽根部は、
     前記支持部における前記第1の面及び前記第2の面のうちの一方の面から突出する第1の羽根部と、
     前記支持部における前記第1の面及び前記第2の面のうちの他方の面から突出するとともに、第1の羽根部とは非対称とされる第2の羽根部と、
     前記第1の羽根部と前記第2の羽根部の少なくとも一方に形成される開口部とを含む撹拌翼。
  2.  前記支持部は円形に構成され、
     前記複数の羽根部は、前記支持部の円周方向に沿って所定の間隔をおいて設けられており、
     前記支持部の円周方向において隣り合う2つの羽根部のうち、一方の羽根部における前記第1の羽根部が前記支持部の第1の面に設けられるとともに、他方の羽根部における前記第1の羽根部が前記支持部の第2の面に設けられ、前記一方の羽根部における前記第2の羽根部が前記支持部の第2の面に設けられるとともに、前記他方の羽根部における前記第2の羽根部が前記支持部の第1の面に設けられる、請求項1に記載の撹拌翼。
  3.  前記第1の羽根部は径方向視にて直線形状に形成され、前記第2の羽根部は径方向視にて湾曲形状に形成される、請求項1又は2に記載の撹拌翼。
  4.  請求項1から3のいずれか1項に記載の撹拌翼を備えた撹拌装置。
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