(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体が収納される攪拌槽内に設置されて前記液体を攪拌する攪拌装置において、
回転駆動源に接続されて回転駆動されるシャフトと、前記攪拌槽の槽底に近接して前記シャフトに固定された第１のパドル翼と、該第１のパドル翼の上部に前記シャフトに固定され、前記第１パドル翼よりも翼径が小さい第２のパドル翼と、前記第１のパドル翼と前記第２のパドル翼の両端同志を繋げて構成される第３及び第４の補助翼とを備え、前記パドル翼同志が前記シャフトに対してある角度を有して配置することを特徴とする攪拌装置。
【請求項２】
請求項１記載の攪拌装置において、前記第１のパドル翼の翼径が槽内径の１／２から３／４の範囲の大きさであり、前記第１のパドルの翼高さが槽内径の１／４以下の大きさであり、前記第２のパドル翼の翼径が槽内径の３／１０から４／１０の範囲の大きさであり、前記第２のパドル翼の翼高さが槽内径の１／１５から１／１０の範囲の大きさであることを特徴とする攪拌装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の攪拌装置において、前記第３及び第４の補助翼の翼幅が槽内径の１／１０から２／１０の範囲の大きさであることを特徴とする攪拌装置。
【請求項４】
請求項１又は２又は３記載の攪拌装置において、前記第１のパドル翼と前記第２のパドル翼の前記シャフトに対する角度が１０°から４５°の範囲にあることを特徴とする攪拌装置。
【請求項５】
請求項４記載の攪拌装置において、回転方向に対して前記第１のパドル翼よりも前記第２のパドル翼のほうが、位置的に遅れていることを特徴とする攪拌装置。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか一つに記載の攪拌装置において、前記攪拌槽内に複数の邪魔板を有することを特徴とする攪拌装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体―液体系、固体―液体系あるいは固体―液体―気体系の混合を行う攪拌装置に関し、特に効率良く混合及び反応を行わせるために好適な攪拌翼構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液体―液体系、固体―液体系及び固体―液体―気体系の攪拌に用いられる翼形状としては液体混合技術（日刊工業；１９８９年）の２５９頁に示されるように、複数の羽根を有するディスクタービン翼、パドル翼及びプロペラが公知となっている。あるいは、特開平０６−３１２１２２に示されているような格子状の攪拌翼がある。
【０００３】
図８には、従来のディスクタービンを用いた攪拌装置を示す。通常６枚の羽根を有するディスクタービン１０が攪拌槽６の中に４枚の邪魔板７（２枚しか図示されていない）とともに設置されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術は固体粒子の浮遊化及び分散性する配慮が十分でなかった。
【０００５】
即ち、図９には、図８に示すディスクタービンの固体―液体系での粒子の濃度分布の計算結果を示す。これは、ケミカルエンジニアリング  サイエンス、４２（１９８７年）、第２９４９頁から第２９５６頁（Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ｓｃｉ．，ｖｏｌ４２，２９４９（１９８７））に記載されているディスクタービンの実験条件、回転数＝６．５ｓ-1、翼径＝０．１３ｍ、粒子平均径＝１３９ミクロン、粒子重量＝１．５ｗｔ％の状態での水中に粒子が浮遊している解析結果（３次元流れ解析；有限差分法、ｋ−εモデルによる解析結果）を示している。６はバッフル４枚と前記ディスクタービン（６枚羽根）を具備した攪拌槽（槽径＝０．３９ｍ、液面高さ＝０．４６４ｍ）を表している。この場合、粒子の平均濃度Ｃ／Ｃａｖ（Ｃは槽内の局所濃度、Ｃａｖは槽内全体での平均濃度）が２以上の領域１１が翼下部から槽底にかけて存在し、槽内粒子の濃度に不均一が存在することが分かる。
【０００６】
本発明の目的は、上記従来技術を改善し、比較的簡単な構造の翼により液体と固体粒子の混合を良好にし、固体粒子を従来よりも均一に分散することによって、固体粒子と液体の接触面積を増加して、固体粒子と液体との反応あるいは固体粒子の液体への溶解性を高め、固体―液体系あるいは固体―液体―気体系で混合を良好にし、効率的に反応を行える攪拌装置を提供することにある。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、さらに液体―液体系においても、従来よりも短い混合時間で効果的に混合を行え、ある程度の高粘度域まで混合性能が劣化しない攪拌装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、攪拌槽の槽底に近接した第１のパドル翼と前記第１のパドル翼の上部に設けられた前記第１パドル翼よりも翼径が小さい第２のパドル翼とがシャフトを介して設置され、前記パドル翼同志が前記シャフトに対してある角度を有して配置され、前記第１のパドル翼と前記第２のパドル翼の両端同志を繋げて構成される第３及び第４の補助翼からなる攪拌装置によって達成される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る攪拌装置の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１０】
図１には、本発明の一実施の形態を示す。攪拌装置５は、回転駆動源（図示せず）の回転駆動軸に接続されているシャフト１と、該シャフト１に取り付けられた第１のパドル翼２と、前記シャフト１の上部に設けられた前記第１のパドル翼２より翼径の小さい第２のパドル翼３と、前記第１のパドル翼２と前記第２のパドル翼３の両端同志を繋げて構成される第３及び第４の補助翼４とから構成され、前記第１のパドル翼２と前記第２のパドル翼３とがシャフト１に対してある角度を有して配置されている。
【００１１】
図２は、攪拌槽６に配置された本発明の攪拌装置５を軸方向から見たもので、第１のパドル翼２と第２のパドル翼３とは、ある角度θのずれを有してシャフト１に設けられている。本実施の形態では、第１のパドル翼２は、回転方向に対して第２のパドル翼３よりも位置的に先行する構造になっている。従って、第３及び第４の補助翼４は回転することにより、流体を液面方向に上昇する流速成分を与える効果がある。
【００１２】
次に、図３により基本的な液の流れを説明する。攪拌槽６には、流体８及び本発明の攪拌装置５が設けられている。シャフト１が適当な回転を行うことで、槽底部に設けられた比較的大きな第１のパドル翼２から吐出された流体は半径方向に旋回しながら、矢印で示すように攪拌槽上部まで循環し、第２のパドル翼３により旋回成分を与えられながら翼のない台形状の空洞部分９を下降し、再び第１のパドル翼２に戻り、吐出される。一方、第１のパドル翼２から吐出される流体の一部は攪拌槽６の底部に沿って第１のパドル翼２の底部より吸い込まれる。特に、第３及び第４の補助翼４は流体の粘度が大きいあるいは回転数が小さいときのような場合（層流）に、流体を液面方向に円滑に上昇させ、循環させるために効果を発揮する。
【００１３】
次に、図１により、攪拌装置５の幾何学的形状について詳しく説明する。第１のパドル翼２の翼径ｄ１は槽内径Ｄの１／２から３／４の範囲が好ましく、前記第１のパドル翼２の高さｈ１は槽内径Ｄの１／４以下の大きさであり、前記第２のパドル翼３の翼径ｄ２は槽内径Ｄの３／１０から４／１０の範囲の大きさであり、前記第２のパドル翼３の翼高さｈ２は槽内径Ｄの１／１５から１／１０の範囲にあることが、攪拌装置５として望ましい。さらに、補助翼４の翼幅ｄ３は槽内径Ｄの１／１０から２／１０の範囲にあることが好ましい。また、図２に示す第１のパドル翼２と第２のパドル翼３との角度のずれθも１０°から４５°の範囲にあることが望ましい。このθは流体の粘度が大きくなるほど、大きくする必要がある。
【００１４】
図４には、本実施例の攪拌装置５を具備した攪拌槽６（前記従来例と同一形状）での構造を示し、図５には粒子の濃度分布の解析結果を示す。この攪拌槽6内にも複数の邪魔板７が備えられている。本実施の形態では、槽底と翼の間の領域に粒子の平均濃度が２以上の領域１１はほとんど存在せず、槽内全体が０．８から１．２の粒子濃度の範囲にあり、従来例より固体粒子がより均一に分布していることが分かる。尚、両解析では攪拌動力を同一にするために、図４の攪拌装置５の回転数は３．１７ｓ-1、第１のパドル翼２の翼径＝０．１９５ｍ（槽径の１／２）、第２のパドル翼４の翼径＝０．１５ｍ（槽径の３／１０から４／１０の範囲）、第３及び第４の補助翼４の幅＝０．０３９ｍ（槽径の１／１０）、第１のパドル翼２の高さ＝０．０９７５ｍ（槽径の１／４）、第２のパドル翼３の高さ＝０．０３７５ｍ（槽径の１／１５から１／１０の範囲）及び第１のパドル翼と第２のパドル翼の角度のずれθは３０°の形状を用いた。
【００１５】
従って、本実施の形態によれば、従来翼に比べて同一攪拌動力で、固体粒子と液体の混合を良好にし、反応機に適用した場合、固体粒子から液体への物質移動をより高めるための固液の接触面積の増加を促す効果があり、ひいては効率的な反応を行うことができる効果がある。
【００１６】
図６には、図８で示した従来例のディスクタービンと図４で示した本実施の形態の攪拌装置の混合時間を解析した結果を示す。攪拌槽及び翼形状に関しては前述の実施例ものと同じである。処理液の粘度は比較的低粘度域の０．１Ｐａ・ｓ（１００センチポイズ）で攪拌動力を同じにするため、ディスクタービンの回転数＝６．５ｓ-1、本実施例の攪拌装置の回転数＝３．１７ｓ-1で解析した。０秒において攪拌槽の上部の一部の領域に計算上ある濃度（＝１）を発生させる。横軸はその経過時間（秒）で、縦軸は槽内の濃度の標準偏差を平均濃度で除した無次元数（以後これを濃度の標準偏差と称す）である。黒抜きの▲２０は従来のディスクタービンの槽内の濃度の標準偏差の計算値で、白抜きの〇２１は本実施の形態の槽内の濃度の標準偏差の計算値である。従って濃度の標準偏差が０に近づくほど槽内の濃度の均一性が高い。尚、攪拌レイノルズ数は約１０００であるため、攪拌槽内の流れは乱流である。図６から早い時間で本実施の形態の方が濃度の標準偏差が小さくなっていることが分かる。このことは、触媒を混入した液体を攪拌槽に投入した場合には、本実施の形態の方が早く混合を終了することを意味しており、液―液系の反応機に適用した場合に効率的に反応を行える効果を生じ、反応時間を短くできかつ製品の品質を向上できる効果がある。
【００１７】
図７には、他の条件での混合時間の解析結果を示す。攪拌槽及び翼形状に関しては前述の実施の形態のものと同じである。処理液の粘度は比較的高粘度域の２０Ｐａ・ｓ（２００００センチポイズ）で攪拌動力を同じにするため、ディスクタービンの回転数＝８．３ｓ-1、本実施の形態の攪拌装置の回転数＝３．１７ｓ-1で解析した。尚、攪拌レイノルズ数は約７であるため、攪拌槽内の流れは完全に層流である。層流では流れを軸方向に変える効果がほとんどないため、解析では邪魔板なしの条件で行った。前述した実施の形態と同様に、０秒において攪拌槽の上部の一部の領域に計算上ある濃度（＝１）を発生させる。横軸はその経過時間（秒）で、縦軸は槽内の濃度の標準偏差である。黒抜きの▲２０は従来のディスクタービンの槽内の濃度の標準偏差の計算値で、白抜きの〇２１は本実施の形態の槽内の濃度の標準偏差の計算値である。従って濃度の標準偏差が０に近づくほど前述した実施の形態と同様に槽内の濃度の均一性が高い。比較的高粘度では、黒抜きの▲２０はかなり時間が経過しても槽内の濃度の標準偏差は小さくならず、計算範囲内では、濃度の均一化は達成されていない。一方、白抜きの〇２１の本実施の形態の攪拌装置では、時間経過とともに、濃度の標準偏差は小さくなっており、濃度の均一化が行われていることが分かる。このことは、触媒を混入した液体を攪拌槽に投入した場合には、本実施の形態の方が高粘度においても早く混合を終了することを意味しており、液―液系の反応機に適用した場合に効率的に反応を行える効果を生じ、反応時間を短くでき、製品の品質を向上できる効果がある。また、ある程度滞留時間を必要とする流通系の反応機に適用した場合でも、低粘度からある程度の高粘度域まで完全混合槽を達成できる効果があり、多段化が必要な場合においても、本実施の形態の一種類の攪拌装置でプロセスを達成できるので、コストメリットがある。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、従来翼に比べて同一攪拌動力で、固体粒子の浮遊を容易にし、固体粒子と液体の混合をより良好にし、反応機に適用した場合、固体粒子から液体への物質移動をより高めるための固液の接触面積の増加を促す効果があり、ひいては効率的な反応を行うことができる効果がある。
【００１９】
また、本発明によれば、液―液系の反応機に適用した場合には、従来翼に比べて混合時間が短いので、反応時間を短くでき、製品の品質を向上できる効果がある。さらに、比較的高粘度域においても従来翼よりも早く混合を終了することができるので、効率的に反応を行える効果があり、反応時間を短くでき、製品の品質を向上できる効果がある。
【００２０】
また、本発明によれば、ある程度滞留時間を必要とする流通系の反応機に適用した場合でも、低粘度からある程度の高粘度域まで完全混合槽を達成できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す攪拌装置の便宜的な断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態を示す攪拌装置の軸方向から見た図である。
【図３】本発明の攪拌装置を用いた攪拌槽内の流体の流れを示す便宜的な断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態を示す攪拌槽の便宜的な断面図である。
【図５】本発明の攪拌装置を用いた攪拌槽内の固体粒子の濃度分布を示す解析結果を示す図である。
【図６】本発明の攪拌装置と従来例のディスクタービンの混合時間の解析結果の比較を示す図である。
【図７】本発明の攪拌装置と従来例のディスクタービンの他の条件での混合時間の解析結果の比較を示す図である。
【図８】従来例のディスクタービンを用いた攪拌槽の便宜的な断面図である。
【図９】従来例のディスクタービンを用いた攪拌槽内の固体粒子の濃度分布を示す解析結果を示す図である。
【符号の説明】
２…第１のパドル翼、３…第２のパドル翼、４…補助翼、５…攪拌装置、６…攪拌槽、１０…ディスクタービン、１１…粒子の平均濃度が２以上の領域、２０…ディスクタービンの槽内濃度の標準偏差、２１…本実施例の槽内濃度の標準偏差。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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