(57)【要約】【課題】            槽内全体方向への流体移動が促進され、効率的な撹拌を可能にしつつ、槽内の洗浄性を損なわない撹拌装置を提供すること。【解決手段】        撹拌槽内の流体を撹拌する撹拌装置であって、前記撹拌槽の内面に、複数の突起が形成されていることを特徴とする撹拌装置を提供する。【選択図】          図１
2016083634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撹拌槽内の流体を撹拌する撹拌装置であって、
前記撹拌槽の内面に、複数の突起が形成されていることを特徴とする撹拌装置。
【請求項２】
請求項１に記載の撹拌装置であって、前記撹拌槽内に形成された前記突起が球面形状であることを特徴とする撹拌装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体の混合、反応、溶解および晶析等に際して撹拌処理を行うための撹拌装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
医薬品、食品、農薬、高分子材料、電子材料等の種々の分野の製品製造では、液体原料および、液体原料と気体原料や粉体原料を用いて、混合、溶解、反応、晶析等の操作が行われており、一般的には種々の操作を行う装置が複数が組み合わされている。そのような装置構成の一例を図５に示す。
【０００３】
図５は原料仕込装置２００と反応装置１００とからなる設備である。原料仕込装置２００では、ホッパー３００から粉体フィーダ２１１を介して供給される粉体原料を供給弁２１２を介して供給される液体原料に、原料仕込槽２０２内で溶解あるいは混合して仕込液を調整する機能を有している。反応装置１００は、原料仕込装置２００から調節弁１１１を介して供給される仕込液と供給弁１１２を介して供給される液体原料を、反応槽１０２で化学反応させる機能を有している。なお、反応によって得られた生成物は排出弁１３１を介して次工程に排出される。また、反応装置１００では化学反応を開始するための加熱と、反応開始後の温度管理を行うためのジャケット１０４が反応槽１０２の周囲に設けられている。ジャケット１０４には、スチーム入口１２１、スチームドレン出口１２２、冷却水入口１２３、冷却水出口１２４が設けられており、スチームおよび冷却水の流量等によりジャケット温度が制御される。原料仕込装置２００にも反応装置１００と同様にジャケット２０４が設けられており、図示しないが反応装置１００のジャケット１０４と同様にスチームおよび冷却水の出入口が設けられている。
【０００４】
原料仕込装置２００は粉体原料と液体原料を原料仕込槽２０２に所定量仕込んだ後に調整を行い、調整が完了するまでは調節弁を開けることはなく、反応装置１００についても仕込液と液体原料を反応槽１０２に所定量仕込んだ後は反応が完了するまで排出弁１３１を開けることはない。
【０００５】
また、原料仕込装置２００で調合作業を行うとき、および反応装置１００で化学反応を行う際は、複数原料を均一に混ぜたり、原料全体を均一に加熱、冷却するために、撹拌が行われる。すなわち、原料仕込装置２００ではモーター２０５を動力として回転する回転軸２０３Ａに取り付けられた撹拌翼２０３Ｂによって原料仕込槽２０２内の（粉体と液体からなる）流体は撹拌され、反応装置１００ではモーター１０５を動力として回転する回転軸１０３Ａに取り付けられた撹拌翼１０３Ｂによって反応槽１０２内の（液体と溶液または混合液からなる）流体は撹拌される。このため、原料仕込装置、反応装置ともに、槽内の流体を撹拌する機能を有した撹拌装置の一種であると言える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−４３６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
各種の製品において、生産コスト削減等の要求から、生産性を上げることが求められている。生産性を上げるためには各槽の容量を大きくするか処理時間を短縮する必要があるが、昨今のように多品種少量生産が求められる製品の製造において、槽の大容量化は不適である。そこで、生産性を上げるためには処理時間の短縮が必須となり、そのための有効な手段として槽内の撹拌効率の向上策が種々検討されている。
【０００８】
例えば、従来より、槽内にバッフル板（邪魔板）を設ける方法が良く知られているが、バッフル板を槽内に設置することでデッドスペースが生じ、槽内の洗浄性が低下し、品種切替後にコンタミ混入の懸念がある。このため、充分な洗浄を行おうとすると洗浄作業に時間を要し、単位操作の処理時間短縮を相殺しかねない。
【０００９】
また、撹拌翼の表面に多数の凹みを形成して乱流を発生させる撹拌装置（特許文献１）も提案されているが、凹内の洗浄が難しいことから、品種切替後にコンタミ混入の懸念があることはバッフル板設置と同様である。
【００１０】
以上のように、従来の撹拌装置を種々の製品の生産に用いようとした場合、品質に悪影響を及ぼすことなく生産性を向上させることは困難であった。
【００１１】
本発明は、上記問題に鑑みて成されたものであり、槽内全体方向への流体移動が促進され、効率的な撹拌を可能にしつつ、槽内の洗浄性を損なわない撹拌装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
撹拌槽内の流体を撹拌する撹拌装置であって、前記撹拌槽の内面に、複数の突起が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載の撹拌装置であって、前記撹拌槽内に形成された前記突起が球面形状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明を行えば、効率的な撹拌を可能にしつつ、槽内の洗浄性を損なわない撹拌装置が得られる。これにより、医薬品、食品、農薬、高分子材料、電子材料等の種々の分野の製品製造において、品質に悪影響をを及ぼすことなく、生産性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態の撹拌装置を説明する図である。
【図２】本発明の一実施形態の撹拌槽の形状を説明する図である。
【図３】本発明の一実施形態の撹拌槽内面に形成された突起を説明する図である。
【図４】本発明の実施例における撹拌翼形状を説明する図である。
【図５】撹拌装置が原料仕込装置および反応装置として使用されている形態を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態を説明するための撹拌装置１を説明する図であり、図１（ａ）は撹拌装置１の断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。
【００１７】
図１（ａ）の撹拌装置１は、仕込んだ流体を留めて反応等の単位操作を行う撹拌槽２、撹拌槽２内を撹拌するための撹拌機３、撹拌槽２内の温度を調整する温度調整機構であるジャケット４を基本構成要素としている。
【００１８】
ここで、本実施の形態において撹拌槽２に留める流体としては液体を想定しているが、流体としては液体、複数液体の混合液、気液混合液、液体と固体の混合液、または液体に気体または固体が溶け込んだ溶液のいずれかが該当する。
【００１９】
撹拌槽２は、ステンレス鋼等の金属素材を用いた容積が０．１〜３０立方メートルの容器であり、内面にグラスライニングのような腐食防止作が施されていても良い。撹拌槽２には原料供給口が設けられており、図１（ａ）においては原料供給口１１および原料供給口１２の２つが設けられているが、用途に応じて１つでも、３つ以上であっても良い。操作完了後の液体は排出口３１から排出される。また、図示していないが、原料液の温度や液面を測定するためのセンサーが配置されていても良い。
【００２０】
本発明の撹拌槽２では、撹拌槽２の内面に複数の突起が形成されている。図２は、図１から撹拌槽２のみを抽出した図で、図２（ａ）は撹拌槽２の断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線における断面図であるが、撹拌槽２の内面側に球面状の突起２Ｂが複数形成されていることが判る。このような突起２Ｂの形成方法としては、撹拌槽２の大きさ及び（用途によって異なる）耐圧性によって異なるが、プレス成形や、突起物の溶接等が用いられる。この突起物の大きさおよび効果については後述する。
【００２１】
撹拌機３は、回転軸３Ａに撹拌翼３Ｂ１および撹拌翼３Ｂ２が取り付けられたものであり、図示しないモーター等の駆動源により回転軸が回転し、撹拌翼３Ｂ１および撹拌翼３Ｂ２によって撹拌槽内は撹拌される。撹拌翼３Ｂ１および撹拌翼３Ｂ２としては、一般的にピッチドバトルのインペラが用いられるが、これに限定されるものではなくタービン型やフラットパドルであっても良く、撹拌翼３Ｂ１と撹拌翼３Ｂ２が異なるタイプであっても良い。また、撹拌翼は２つに限定されるものではなく３つ以上あっても良いし、撹拌翼３Ｂ１にアンカーパドルを用いた場合には撹拌翼３Ｂ２が無くても良い。更に、撹拌槽２の容積が小さな場合などにおいては、自然対流等効果により、撹拌機３が無くてもよい場合もある。
【００２２】
ジャケット４は撹拌槽２の外周部を覆うように設けられており、ジャケット４を加熱、冷却することによって撹拌槽２内の温度調整を行う。ジャケット４には、スチーム入口２１、スチームドレン出口２２、冷却水入口２３および冷却水出口２４が設けられており、スチームおよび冷却水の流量、温度によって撹拌槽２内部の温度調整を行う。また、必要に応じて、スチーム、冷却水の他に、熱媒、冷媒を用いても良く、そのような場合は熱媒、冷媒のための入口、出口を設ける。
【００２３】
なお、撹拌槽２内の温度調整を行う温度調整機構としては、ジャケットに限定されるものではなく、他の方式の加熱・冷却機構を撹拌槽２の外側に設けても良い。
【００２４】
以上のような構成の撹拌装置１により、撹拌槽２に満たされた原料液を撹拌機３により撹拌すると、撹拌槽２の内面付近を周回運動をする原料液が突起２Ｂにぶつかり、突起２Ｂにぶつかった原料液は進行方向を変えるというステップを経て、原料液が反応槽２の上下方向および中心方向への移動が促進され、槽内全体での撹拌効率が高まる。これにより、複数原料の混合に際しては、均一に混合するまでの時間が短縮され、加熱・冷却においては、撹拌槽２での温度ムラなく全体を均一に昇温・降温できるため品質が安定するとともに、加熱・冷却時間が短縮される。このため、撹拌槽２を反応槽として用いる場合は、原料液の混合および加熱時間が短縮され、化学反応開始から終了までの時間が短縮される。なお、加熱時間の短縮に関しては、撹拌槽２面の面積が突起２Ｂにより増えていることも寄与している。
【００２５】
ここで、突起２Ｂの形状に特に制限はなくぶつかった原料液の進行方向を変える形状のものであれば良いが、角のある形状においては撹拌槽２の洗浄の際に弊害となる可能性があることから、曲面形状であることが望ましく、強度も考慮すれば球面形状であることが望ましい。また、突起２Ｂの高さは図３における突起高さＢｈが、撹拌槽２の直径の０．３％〜１０％であることが望ましい。この突起高さが低すぎると撹拌効率を高める効果に乏しく、高すぎると撹拌翼を小さくせざるを得なくなり好ましくない。突起２Ｂが存在する面積は撹拌槽２内面の１０〜５０％が好ましく、この範囲より低くても高くても撹拌効率を高める効果は小さい。更に、図２（ｂ）に示すように、突起２Ｂは撹拌槽２内面を等間隔で周回するように配置され、しかも撹拌槽２の高さ方向に複数列設けられれば、撹拌槽２内において原料液は均等に撹拌されるので好適である。
【００２６】
なお、突起２Ｂの高さおよび、その存在面積の比率の適正値は、原料液の粘度や撹拌翼の形状によっても異なるため、事前に流体シミュレーション等を行っておくことが望ましい。
【実施例１】
【００２７】
以下の、撹拌槽、撹拌機、ジャケット、原料液を前提に、突起の効果を確認した。確認は流体シミュレーションにより実施した。シミュレーションにおいて、流れの解析にナビエ・ストークス方程式を用いた定常解析を実施し、温度解析ではナビエ・ストークス方程式に温度の移流を考慮したエネルギー方程式を用いた。
１．前提条件
（１）撹拌槽
槽内サイズ：直径１８００ｍｍ、高さ１８００ｍｍ
槽内面の突起
（条件１）突起なし
（条件２）突起あり；球面形状で、直径（図３のＢｄ）が１００ｍｍ、高さ（図３のＢｈ）が３０ｍｍ、ピッチ（図３のＢｐ）が２００ｍｍ（→突起存在箇所の面積比率２２％）
（２）撹拌機
撹拌翼：下側がＶ型ピッチドパドルで上側がピッチドパドル  （図４参照）
回転数：５１ｒｐｍ
（３）ジャケット
加熱温度９０℃に維持
（４）原料液
（条件Ａ）粘度、０．３ｍＰａ・ｓ、密度８００ｋｇ／ｍ３、比熱２．０ｋＪ／ｋｇ・Ｋ、熱伝導率０．２Ｗ／ｍ・Ｋ、初期温度２０℃
（条件Ｂ）粘度３０００ｍＰａ・ｓ、他は条件Ａと同じ。
２．解析結果
上記前提条件で加熱を開始してから減量液温度が５０℃に昇温されるまでの時間を求めた結果を表１に示す。表１より、原料液の粘度が０．３ｍＰａ・ｓでも３０００ｍＰａ・ｓでも５０℃に昇温される時間が大幅に短縮されていることが判る。なお、表１における「原料液が２０℃から５０℃に昇温される時間」は撹拌槽内の複数箇所の平均を求めているが、突起ありについては複数箇所内でのバラツキは殆どなかった。
【００２８】
【表１】
2016083634.tif 000003
【００２９】
解析では、突起があることで撹拌槽内面における熱伝達率が大きくなっていることも判っており、これにより昇温時間が更に短縮されているものと考える。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
槽内に貯えた液体や溶液を加熱、混合、反応、等をさせる際に用いる撹拌装置に適し、特にファインケミカル製品のような多品種少量生産に好適である。
【符号の説明】
【００３１】
１          撹拌装置
２          撹拌槽
２Ｂ        突起
３          撹拌機
３Ａ        回転軸
３Ａ１、３Ａ２    撹拌翼
４          ジャケット
【図１】
2016083634.tif 000004
【図２】
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【図３】
2016083634.tif 000006
【図５】
2016083634.tif 000007
【図４】
2016083634.tif 000008