JP2017039075A - 固液撹拌装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各回転翼からの流れによる循環流への干渉を少なくし、より滑らかな循環流を形成することにより、液体に比して比重の大きい固体粒子を、均一に撹拌することが可能な固液撹拌装置を提供する。
【解決手段】竪型円筒状の撹拌槽２と、回転軸３と、該回転軸３の下端に設けられている第１回転翼４と、該第１回転翼４の上方に設けられている第２回転翼５と、撹拌槽２の内表面に設けられている上下方向の誘導板６と、を含んで構成されている固液撹拌装置１であって、誘導板６の下縁が、第１回転翼４の上縁よりも上側であり、かつ第２回転翼５の下縁よりも下側に設けられている。この構成により第２回転翼５によって生じた下方への流れが、誘導板６に沿って生じる上昇流と干渉することが少なくなり、循環流の流れが滑らかになる。これにより均一な撹拌が実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固液撹拌装置に関する。さらに詳しくは、液体に比して比重の大きい固体粒子を、均一に撹拌することが可能な固液撹拌装置に関する。

液体と固体粒子とを均一に撹拌させる撹拌装置では、液体の粘度等に応じて様々な種類の翼形状が採用される。例えば、撹拌槽壁面の液を強制的に移動させるアンカー翼、らせん状にブレードを設けたリボン翼などが採用されている。しかし、液体の粘度が比較的低いものについては、特許文献１に記載されている、パドル翼を上下に並べ、上下への軸流を発生させる方式が多く採用されている。これは、簡易な構成でありながら、容易に均一な撹拌が達成できるからである。

特許文献１に記載の構成について説明する。特許文献１に記載の撹拌装置は、竪型の円筒上の撹拌槽の中心に回転軸を設け、上下に複数の回転翼を設けるとともに、撹拌槽の内側表面に縦方向の邪魔板を設けて構成されている。この撹拌装置では、回転翼により半径方向内側から外側へ向けての流れが起こる。そして、複数設けられている邪魔板により、撹拌槽の内側円周方向に沿った流れを、上下の流れとし循環流が形成される。この循環流が、他からの流れの影響を受けずに滑らか流れることで、均一な撹拌が実現できる。

しかし、スラリーの作製のように、ある程度の均一性を確保するために撹拌する場合と比較して、凝集により固体粒子を成長させていく反応を行うために撹拌を行う場合などには、従来よりも、より均一な撹拌が求められる。また、計算機の発達により撹拌装置内の固体粒子の分布について、より詳細な状態を計算することができるようになった結果、液体の比重に比して固体粒子の比重が大きい場合は、各パドル翼によって生じる流れの干渉の影響が大きくなり、滑らかな循環流が形成できず、均一な撹拌をすることができないという問題があることがわかった。

特開平５−４９８９０号公報

本発明は上記事情に鑑み、各パドル翼からの流れによる循環流への干渉を少なくし、より滑らかな循環流を形成することにより、液体に比して比重の大きい固体粒子を、均一に撹拌することが可能な固液撹拌装置を提供することを目的とする。

第１発明の固液撹拌装置は、竪型円筒状の撹拌槽と、該撹拌槽の中央上方から垂下されている回転軸と、該回転軸の下端に設けられている第１回転翼と、該第１回転翼の上方に設けられ、下方への流れを生じさせる第２回転翼と、撹拌槽の内表面に設けられている上下方向の誘導板と、を含んで構成されている固液撹拌装置であって、誘導板の下縁が、第１回転翼の上縁よりも上側であり、かつ第２回転翼の下縁よりも下側に設けられていることを特徴とする。
第２発明の固液撹拌装置は、第１発明において、第１回転翼が、側方への流れを生じさせていることを特徴とする。
第３発明の固液撹拌装置は、第１発明または第２発明において、第２回転翼の上方に、更に一以上の上方回転翼が設けられており、これらのすべての上方回転翼が下方への流れを生じさせることを特徴とする。
第４発明の固液撹拌装置は、第１発明から第３発明のいずれかにおいて、第２回転翼の回転中心から、第２回転翼の先端までの距離が、撹拌槽の内径の１／１０以上１／６以下であることを特徴とする。
第５発明の固液撹拌装置は、第１発明から第４発明のいずれかにおいて、第１回転翼の上縁と、第２回転翼の下縁との間をＨとし、第１回転翼の上縁と、誘導板の下縁との間をｈとしたときに、ｈ／Ｈが１／４〜３／４であることを特徴とする。

第１発明によれば、撹拌槽が、回転軸の下端に設けられている第１回転翼と、下方への流れを生じさせる第２回転翼と、撹拌槽の内表面に設けられている上下方向の誘導板と、を含んで構成されており、誘導板の下縁が、第１回転翼の上縁よりも上側であり、かつ第２回転翼の下縁よりも下側に設けられていることにより、第２回転翼によって生じた下方への流れが、誘導板に沿って生じる上昇流と干渉することが少なくなり、循環流の流れが滑らかになる。これにより均一な撹拌が実現できる。
第２発明によれば、第１回転翼が、側方への流れを生じさせていることにより、滑らかな循環流に干渉せずに、撹拌槽の底部に沈降した固体粒子を循環流に載せることができる。これにより、より均一な撹拌が実現できる。
第３発明によれば、第２回転翼の上方に、一以上の上方回転翼が設けられており、これらのすべての上方回転翼が下方への流れを生じさせていることにより、撹拌槽の上下の長さが長くなり一以上の上方回転翼を設けた場合でも、滑らかな循環流を実現できる。よって均一な撹拌が可能になる。
第４発明によれば、第２回転翼の回転中心から、第２回転翼の先端までの距離が、撹拌槽の内径の１／１０以上１／６以下であることにより、第２回転翼により、液体に十分な流れが生じるとともに、その流れが、循環流に干渉することが少なくなり、より滑らかな循環流を実現できる。よってより均一な撹拌が可能になる。
第５発明によれば、第１回転翼の上縁と、第２回転翼の下縁との間をＨとし、第１回転翼の上縁と、誘導板の下縁との間をｈとしたときに、ｈ／Ｈが１／４以上３／４以下であることにより、第２回転翼によって生じた下方への流れが、邪魔板に沿って生じる上昇流と干渉することがより少なくなり、循環流の流れがより滑らかになる。これにより、より均一な撹拌が実現できる。

本発明の実施形態に係る固液撹拌装置の断面正面図である。 図１の固液撹拌装置の断面平面図である。 図１の固液撹拌装置での実施例１の循環流の説明図である。 図１の固液撹拌装置での実施例１のシミュレーション結果の説明図である。 図１の固液撹拌装置での比較例２の循環流の説明図である。 図１の固液撹拌装置での比較例２シミュレーション結果の説明図である。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１には、本発明の実施形態に係る固液撹拌装置１の正面方向の断面図を、図２には図１の固液撹拌装置１の上方から見た断面図を示す。

本実施形態に係る固液撹拌装置１は、竪型円筒形状の撹拌槽２を備えている。撹拌槽２の円筒形状部の軸心は鉛直方向に向いており、円筒形状部の下端には底部が、上端には蓋部（不図示）がそれぞれ設けられている。撹拌槽２は、ステンレス鋼など、内部の液体および固体と反応しない材質により構成されている。

固液撹拌装置１は、撹拌槽２の中央、すなわち撹拌槽２の円筒形状の軸心上に回転軸３が備えられている。この回転軸３は蓋部に設置されており、この蓋部から撹拌槽２の底部に向けて垂下されている。回転軸３は、撹拌槽２の外側に設置されている三相誘導モータなどの回転駆動源（不図示）により、減速機などを介して数百ＲＰＭ程度の速度で回転する。回転方向は、後述する回転翼を構成する翼のねじれ方向により決定されるが、本実施形態では、図２の矢印で示す方向に回転する。

回転軸３の下端には、この回転軸３に固定されている第１回転翼４が設けられている。この第１回転翼４は回転軸３が回転することによって、その場で自転し、撹拌槽２内の液体に流れを生じさせる。第１回転翼４は、円板状部４ａと平板状翼部４ｂとから形成される、いわゆるタービン翼で、液体を軸方向から吸い込んで、回転軸３の側方、すなわち撹拌槽２の半径方向外側へ向けての流れを生じさせる。円板状部４ａは、その中心が回転軸３の軸上に配置される。６枚の平板状翼部４ｂの平板面、すなわち液体の抵抗を受ける面は、円板状部４ａの平板面に対して垂直になるように構成されている。第１回転翼４は、第１回転翼４の回転中心から、第１回転翼４を構成する翼部の先端までの距離が、撹拌槽２の内径の１／６である。

第１回転翼４が、側方への流れを生じさせることにより、滑らかな循環流に干渉せずに、撹拌槽２の底部に沈降した固体粒子を循環流に載せることができる。これにより、より均一な撹拌が実現できる。

回転軸３には、第１回転翼４の上方に第２回転翼５が設けられている。この第２回転翼５も第１回転翼４と同様、回転軸３に固定されており、回転軸３が回転することによってその場で自転し、撹拌槽２内の液体に、上方から下方に向けて流れを生じさせる。第２回転翼５は、４枚の平板５ａにより構成されており、この４枚の平板５ａは、平板５ａの長手方向が回転軸３の半径方向と一致するように設けられている。また４枚の平板５ａの短手方向は、図１に示すように回転軸３の軸心と、あらかじめ定められた角度だけ傾けて設けられる。本実施形態ではこの角度は４５度である。この角度があることにより、第２回転翼５が回転すると、上方から下方に向けて流れが生じる。

第２回転翼５は、第２回転翼５の回転中心から、第２回転翼５を構成する平板５ａの先端までの距離が撹拌槽２の内径の１／１０以上１／６以下である。すなわち第２回転翼５を構成する一の平板の先端から、第２回転翼５の回転中心を対称中心として点対象の位置にある他の平板の先端までの距離が、撹拌槽２の内径の１／５以上１／３以下とする。

第２回転翼５の回転中心から、第２回転翼５の翼部の先端までの距離が、撹拌槽２の内径の１／１０以上１／６以下であることにより、第２回転翼５により、液体に十分な流れが生じるとともに、その流れが、循環流に干渉することが少なくなり、より滑らかな循環流を実現できる。よってより均一な撹拌が可能になる。

なお、本実施形態の固液撹拌装置１では、回転軸３に第１回転翼４と第２回転翼５の二つの回転翼を有している形態を説明したが、撹拌槽２の軸方向の長さが長い場合は、三以上の回転翼を有する構成とすることもできる。すなわち第２回転翼５の上方に、上方回転翼を設け、すべての上方回転翼について、下方への流れを生じさせる構成とする。この上方回転翼は、第２回転翼と同じ構成とすることもできる。

第２回転翼の上方に、一以上の上方回転翼が設けられており、これらのすべての上方回転翼が下方への流れを生じさせることにより、撹拌槽の上下の長さが長くなり一以上の上方回転翼を設けた場合でも、滑らかな循環流を実現できる。よって均一な撹拌が可能になる。

撹拌槽２の内表面には、４つの誘導板６が円周方向に等分に設けられている。この誘導板６の短手方向は、撹拌槽２の半径方向に沿って設けられており、この方向の誘導板６の一枚の長さは、完全邪魔板条件を考慮して、撹拌槽２の内面の直径の１／１０としている。また誘導板６の長手方向は、撹拌槽２の軸方向と平行に設けられている。誘導板６の上縁は、固液撹拌装置１に対応してあらかじめ定められた量の液体および固体が投入されたときに、液体の上面よりも高くする。また誘導板６の下縁は、以下の場所に位置させる。すなわち誘導板６の下縁は、第１回転翼４の上縁よりも上側であり、かつ第２回転翼の下縁よりも下側に設けられている。より好ましくは、第１回転翼４の上縁と、第２回転翼５の下縁との間をＨとし、第１回転翼４の上縁と、誘導板６の下縁との間をｈとしたときに、ｈ／Ｈが１／４以上３／４以下とする。

撹拌槽２の誘導板６の下縁が、第１回転翼の上縁よりも上側であり、かつ第２回転翼の下縁よりも下側に設けられていることにより、第２回転翼によって生じた下方への流れが、誘導板６に沿って生じる上昇流と干渉することが少なくなり、循環流の流れが滑らかになる。これにより均一な撹拌が実現できる。

また、第１回転翼４の上縁と、第２回転翼５の下縁との間をＨとし、第１回転翼４の上縁と、誘導板６の下縁との間をｈとしたときに、ｈ／Ｈが１／４以上３／４以下であることにより、第２回転翼５によって生じた下方への流れが、誘導板６に沿って生じる上昇流と干渉することがより少なくなり、循環流の流れがより滑らかになる。これにより、より均一な撹拌が実現できる。

特に液体に対する固体粒子の比重の比が大きいときは、固体粒子が沈降しようとする力が強く、液体の比重：固体粒子の比重が１：５〜１：１０の場合には、誘導板６の下端が、ｈ／Ｈ＝１／４〜３／４となるような位置にない場合、すなわち誘導板６の下端が、ｈ／Ｈ＜１／４の場合、第１回転翼３による外方向の流れが、誘導板６に早期にぶつかり、循環流に対して干渉する流れが生じ易くなり、循環流の流れが乱される。またｈ／Ｈ＞３／４の場合、誘導板６による上昇方向への流れの強さが得られず、循環流の流れが乱される。

（実施例）
本実施形態に係る固液撹拌装置１については、流体解析シミュレーションにより本実施形態の構成の効果を確認した。
解析モデルとして、内径５０ｃｍ、内面高さ５０ｃｍの撹拌槽２に対して、ディスクタービン翼である第１回転翼４と、傾斜パドル翼である第２回転翼５とを設けた。第１回転翼４の翼部４ｂの先端から第一回転翼４の回転中心までの距離、および第２回転翼５の先端から第２回転翼５の回転中心までの距離は、どちらとも１０ｃｍとし、第１回転翼４と第２回転翼５の間隔は１４ｃｍとした。回転軸の回転数は４００ＲＰＭである。また、誘導板６の、撹拌槽２の半径方向の長さは５ｃｍとした。撹拌槽２で撹拌する対象となる液体と固体粒子の比重の比は１：９とした。固体粒子の径は１００μｍとし、ｈ／Ｈの値を変えて解析を行い、その際の撹拌槽２内部の流れの様子と、固体粒子の分布を確認した。

また、循環流の流れが滑らかで、固体粒子が適切に巻き上がっている場合、誘導板６の近辺で、第２回転翼５よりも上の部分の固体粒子の密度が高くなるので、その部分において固体粒子の濃度を抽出し、その部分における固体粒子の濃度を、平均濃度で割った値が１を超えているかどうかにより循環流の流れが十分に滑らかになっているかどうかを判断した。なお濃度とは、単位体積あたりの液体中の固体粒子の質量であり、平均濃度とは、撹拌槽２中の液体中に固体粒子が理想的に拡散した場合の、液体単位体積当たりの固体粒子の質量である。

解析結果を表１に示す。ｈ／Ｈの値が１／４未満である比較例１、２では、固体粒子の濃度は、平均濃度を下回り、固体粒子が十分に巻き上がっていないことが分かる。またｈ／Ｈの値が３／４よりも大きい比較例３でも、固体粒子の濃度は平均濃度を下回り、固体粒子が十分に巻き上がっていない。ｈ／Ｈの値が１／４以上３／４以下である実施例１から３においては、固体粒子の濃度は平均濃度を上回り滑らかな循環流が形成され、固体粒子が十分に巻き上がっていることが分かる。

図３から図６に実施例１と比較例２での解析結果と、その条件における循環流の状態を表した図を示す。図３は実施例１での循環流の説明図、図４は実施例１でのシミュレーション結果であり、図４（Ａ）は固体粒子濃度の濃淡を示したもので、図４（Ｂ）はその時の流れの状態を示したものである。また図５は比較例２での循環流の説明図、図６は比較例２でのシミュレーション結果であり、図６（Ａ）は固体粒子濃度の濃淡を示したもので、図６（Ｂ）はその時の流れの状態を示したものである。

図４（Ａ）と図６（Ａ）を比較すると、特に右の誘導板６において、固体粒子濃度の高い濃い領域が誘導板６の上まで伸びていることが分かる。また図４（Ｂ）と図６（Ｂ）を比較すると、図４においては、撹拌槽２の右下から、撹拌槽２の左右中央上に向けて滑らかな流れの線が確認できるのに対し、図６においては、図４で見られた上下への滑らかな流れの線を確認することができなかった。すなわち実施例１では図３に示すように、回転翼４、５によって得られた下方向への流れを、誘導板６に沿って上方向の流れとし、滑らかな循環流が形成されているのに対し、比較例２では、図５に示すように第１回転翼４によって、撹拌槽２の半径方向に吐き出された流れが、比較的早く誘導板６に衝突し、そこから撹拌槽２の軸心へのむけての流れとなり、第２回転翼５からの流れと衝突することにより滑らかな流れが形成できない。

１ 固液撹拌装置
２ 撹拌槽
３ 回転軸
４ 第１回転翼
５ 第２回転翼
６ 誘導板

Claims (5)

1. 竪型円筒状の撹拌槽と、
   該撹拌槽の中央上方から垂下されている回転軸と、
   該回転軸の下端に設けられている第１回転翼と、
   該第１回転翼の上方に設けられ、下方への流れを生じさせる第２回転翼と、
   前記撹拌槽の内表面に設けられている上下方向の誘導板と、を含んで構成されている固液撹拌装置であって、
   前記誘導板の下縁が、前記第１回転翼の上縁よりも上側であり、かつ前記第２回転翼の下縁よりも下側に設けられている、
   ことを特徴とする固液撹拌装置。
2. 前記第１回転翼が、側方への流れを生じさせている、
   ことを特徴とする請求項１記載の固液撹拌装置。
3. 前記第２回転翼の上方に、更に一以上の上方回転翼が設けられており、
   これらのすべての上方回転翼が下方への流れを生じさせている、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固液撹拌装置。
4. 前記第２回転翼の回転中心から、前記第２回転翼の先端までの距離が、
   前記撹拌槽の内径の１／１０以上１／６以下である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の固液撹拌装置。
5. 前記第１回転翼の上縁と、前記第２回転翼の下縁との間をＨとし、
   前記第１回転翼の上縁と、前記誘導板の下縁との間をｈとしたときに、
   ｈ／Ｈが１／４以上３／４以下である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の固液撹拌装置。