I<新製品>

車

高効率撹拝翼『フルゾーン』の開発

i(特許,商標出願中)

卓LL
首The.

Developmentoflmpel]6r

EffJclen†肌ixhg･HJ'ghly

技術開発本部

菊=FULL王ON軒:

池

Masabiko高雅

ど田Ka2:utaka伊彦

KiktユChi‑'貴戸

Takata

藤佐久
Itoh
藤■ 栄

EisukeSatobHisayosi

善i

祐〜
∫i

九州大学エ学部化学機械エ学科
村 上 泰 弘 教授
YasubiroProf.

lntooperations,operations

concentrated
large density
been

increasing

technical

demandfor high

applications
efficiency
aild versatile
impeller "FULLZONE''.
the advanced
mixingcanhigherin suchthanworkwith
efficiency
conventionalimpellers
when
used
0.001. to 30 Pa･s, suspension
asto highblending
liquid frpm
of lowofviscosity
dispersion
solid particles
with relatively large settling velocity, liquid‑liquid
vitb

response

in mixing
FULLZONEhasthe

Murakami

Shinkodifference

brought

toor

Pantecwithmarkethasdeveloped

large

since

viscosity
January 1991

ratio, andwith

jacketexpectation

beattransfer.

of improving

FULLZONEvariousmixing'PrOCeSSeS.

まえ

圧搾巽について次の目標を設定し,その基本形状を検討

きが近年,撹群機の性能に対する要求は高度化･多様化しており,広範な撹搾条件VL対応できる撹拝機が求められている｡特に,バッチプロセスでは,次のように多様かつ高度な撹拝混合条件を満たす撹拝磯が望まれている｡

した｡･広い粘度範囲での効率よい均一王昆合･タ‑ピンなど低粘度用巽やダブルヘ1)カルリボンなど高粘度用巽の適用し紅くい中粘度領域での混合効率の向上･槽内全体に及ぶ大きな一つの循環流の形成を通じての効率よい混合の達成･均一混合:広い粘度範囲での良好な混合準量と粘度の大きな変化への対応

F∫･伝熱性能･:低動力撹拝時の良好な伝熱能力

その結果,ワイドパド/レ巽を基本形状忙選び,野合効率を･固液撹拝:比較的沈降速度の大きな粒子の分散
高裸度スラリ‑の均一混合合への影響を検討し形状寸法を決定した｡

向上させるため2段巽を採用した｡さらに次の3因子の混低勢断での均一浮遊
DrlrVe assembly･pさ夜i夜分散:シャープな液滴径分布

丁低勢断と増粘嘩中への軽液分散の両立

E∫

これらの条件を個々忙満たす撹拝機の,選定は草ほど難し

ド1Seal unitくないが,多項目を同時に満足させる仕様選定は経験豊富

i

妄な撹搾技術者にとっても容易ではないo当社は･このたび,,

上記のような高機能化,多目的化,高効率化の要求を満たす撹拝巽の開発を行い,疲めて広い粘度範囲において効率良く撹拝を行う撹;陣巽『フ)I,ゾーン』を矧発して販売を開I

iVesse】

Shaft

JacketBaffle

始した｡次に『フルゾ‑ン』の特長を紹介する｡

1∴

フ■ルゾーンの形状

第1囲に示すとおり,フ)I,ゾ‑ンは上下にそれぞれ異なる機能を持つ特殊ワイドパド)I/を2段,立体的に組み合わ第二1図せた形状となっているo次に示すとおり,Lフルゾーンを装備した撹拝播

この形状は,流体数値解析と系病的な撹拝混合実験によっで隆能確認を行
1.

Fig.
ler
1Ⅲ1pelFULLZON

い最適化した結果として得られた｡

1基本形状･E';

a神鋼パンテツク技報

1FULLZONE

setintoVesselVol. 85No.

1 (1991/85o̲̲◎d1

α=OoContours
2 sectvelocity Vectors

0.5好

一‑

1020sec･

30sec.

sec.

第2国
交差角度αの流動および混合速度45o･に及ぼす影響
Fig.

2of the angle α bettween
andpaddles on flow pattern

Effecttwo
α‑45bmixlng(1)上段巽と下穀巽の交差角度:(2)上段巽と下段巽の翼間隔:

process

計算① :上段翼と下段翼を同一平面配置(α‑Oo)
計算④ :上段翼と下段巽を45oクロス配置(α‑45o)αL(3).上段巽と下段巽の吐出カバランス
1. 2
1.

第2図に流速分布および混合過程を示す｡
α‑Oo.の時,上段巽および下段翼から吐出された流体は巽間において互検討手法

2. 1数値実験(流体数値解析)

混合のジミュt,‑ジョンからなるoまず撹粋槽内の3次元いに衝突し,撹群槽上部と下部との間の円滑な流体輸送を阻害する.一方,α‑45oの時,槽上部から下部への流体輸流速分布を解析で求めた｡次に,その結果を用いて液面か送が盛んである.これトこ対応する混合過程の相違ほ次の■とら投入した拡散物質の壊度分布の経時変化なシミュレーシおりとなる｡

数値実験ほ,流動の数値解析とその解析結果を利用する

α‑Ooでは投入後30秒経過しても下段巽部まで拡散物質は輸送されないのに対して,
α‑45oでは投入後30秒で槽底部にまで拡散物質が輸送される.単にワイドパョンで求めた｡この数値実験の適用は,流体数値解析結果の信頼性が高い層流域に限定した2)3)o
1. 2. 2 混合実験
リウムで還元脱色する脱色法を利用した.ヨード溶液およびチオ硫酸ナT･.)ウム溶液は撹群液と同じ粘度に調製した
l)ウム溶液の過剰量ほ20ものを用いた｡またチオ硫酸ナ†た結果,%とした｡混合時間は脱色過程の連続写真から決定した｡1. 3. 2

α‑45o′‑90oが適切な角度範囲として見出された｡

上段翼と下段翼の翼間隔:L

上下翼交差角度α‑45oにおいて,適切な上下巽間隔を本実験では,槽径0.2m,槽高0.4m,容量10βtおよび槽同様の方法で検討した｡計算条件を次に示す.

径0.4m,槽高0.8m,容量80etの大′J＼2種の撹搾槽な使用した占1. 3
形状因子の検討
1. 3.

.計算条件
共通:上段翼および下段巽を45oクロス醗置

1上段巽と下段巽の交差角度:g

他は1.3.1と同様

上段巽と下段翼の交差角度の遠いが撹拝槽内の流動と混合過程に及ぼす影響を数値実験法により評価したo計算条

計算①:

L‑0.1D件を次に示す｡なお,交差角度αは,下段巽を基準とし上計算㊤:

L‑0.2D段巽の方向を巽回転方向に測定する｡‑*#@:

L‑0.3D

第3図に流速分布を示す｡上下巽間隔が0.

計算条件
共通

槽径D‑0.2m,翼スパンd‑0.･12m(d/D‑0･6),
液深fI‑0.2m(H/D‑1.0),翼間隔L‑0.02
回転数2.081/s,パップルなし

粘度5Pa･s,密度1400kg/m3,Vol. 85

45o忙.クロス配置すドルを同一平面内に配置するよりも,る方が,上巌巽と下段巽との流れがつながり,速やかな混合が行われる｡本手法を用いて種々の交差角度αを検討し混合時間の測定には,ヨード澱粉の呈色をチオ硫酸ナト

No.

1 (I991/3)

Re‑8Am

1Dから0.

まで増加するにしたがい,上段翼の吐出流が下段巽の回転域に侵入する度合が減少し,0.3Dではほとんど侵入することなく下段巽の吐出流に押し返されている.先に第2図で説明したように,効率よい混合を実現するには上下巽の神鋼パンテツク技報

3D

5.OE‑5
L‑0.1D

L‑0.3I)

L‑0.2D

Dual wide paddle (α=90')
Stlrface⊂)且

2.5E‑5U

Bottolll

60120180[seclt5,0】ト5
FULLZONE‑‑‑‑‑‑す0.4

第3国
Fig･形

賓間隔による流動状態の変化(α‑45o)
3Effectof theloverpaddles

distanceon

betweenupper

Surface⊂)and丘flo∇ pattem

2.5E‑5U

VrPg]

D102

0.30.4 05/′･一‑Botton160

0.1 0,2 D.3 O.4 0.S

Vr

【%】

第5国
Fig,

5Paddleフルゾーンとワイドパドル2段の流速ベクトル及び濃度応答比較
of FULLZONE
with血al wide paddle (α‑90o)

4Comparison
impellersof a retreated･bladein discharging
flow

andconceritration

inresponse中高窄占度域での混合効率向上に対してこれらのエ天がもに配置した2段ワイドパド/レほて中粘度域でヘ1)カ)t'T)ボ流れを接続することが重要である｡同じ理由から,異聞隔
Lとしては,第3国中L‑0.1Dが最も好ましいと判断しこの2段ワイドパドンに比較しうる良い混合効率督持つoRe‑ll.7の層流状態で流速ベルをフルゾーンと比較した｡
クトル分布と拡散物質の液面および槽底での濃度応答曲線をこの2種の巽について求め,その差異を第5図に示すoた｡

こうしてα‑45o,vectors

たらす効果を確認するため以下の数値実験を行った｡直角

flat･bladeandvelocity

結果が第1図VL̲示すフルゾ‑ンの形状である｡

impeller

後退責と平羽根窯の吐出流の比較

第4国Fig.

impeller

180[sec]･

Comparison
computed

Retreated120t

L‑0,1Dに組み合わせた2殿ワイドパドルを用いると,粘度2Pa･s以上の層流域では槽内全体が良好KL̲混合されたo
しかし2Pa･s以下の層溌から乱流へ遷移する状態では,上下巽の流れのつながりが不安衰になり,混合がやや連れ気味になる傾向が見られた｡そこ

2段のワイドパド)i,では180砂経過･'t,ても2点での壊度ケこ若干の差が残り混合が終わってない｡これに対しフ)I,ゾ‑lフ/レンでは約90秒で2点での壊度が一致し混合が終わるoゾr‑ンを形成する工夫は直角酉己替り2殿ワイドパド)I/の混合時間を半分以下に短縮する効果を持つ｡

で,上段翼の先端を下方に延長する板状のフィンに.より上下真の流れのつながりを安定化し,速やかな混合を実現し2.フルゾーンの撹拝性能た｡このフィンの追加によって,遷移域や乱流域において良好な均一混合性を得ることができるほかりでなく,層流フルゾーンの混合性能を,当社の療準的な低中粘度巽であるファウドラー巽,および,代表的な高粘度巽であるダ域においてもー層良好な混合が可能になった.

ブルへ1)カル1)ボン巽と比較し,写真1′‑5(p.ll)に示す.
0.001から40Pa･sまでの各粘度毎に撹搾動力をほぼ同一

1. 3. 3

上段巽と下段巽の吐出カバランス

多.段巽で効率よい撹押混合を行うむこは各真の吐出カバラ

2. 1.混合特性ンスが重要である｡当社でも従来より最下段の撹拝巽の吐忙して脱色の速さを比べたoフ)i,ゾーンでは,写真の'全粘度域で吏昆合不良部の発生がなく,しかもファウドラー巽や出カを強めることで効率のよい擾搾混合を達成してきた｡

1)ボン真に比べ効率良い混合が行われている｡

本閲轟では,層流域と乱流域での吐出カバランスを検討し,上記撹禅真の混合時間をn･On1‑Re線図で整理し第6図
下段巽に後退翼を採用して槽下部の吐出力を強化し粘度対応性と動力効率の向上を図った｡パドル巽と後退巽周囲の後退巽で半径方向吐出流速解析結果を第4図に示す2)3)oは翼全周にわたり液体が吐出されており,また最大吐出流速もパド)i/巽のそれに比べ約30%大きいb1. 4

決定形状に示す｡さらに,後述のZlokarnikのデータから中粘度用の巽であるアンカーと格子冥を選び,それらの■デ‑クも記入して比較したo

フ/I,ゾ‑ンは,層流域Kl近いRe‑25から完全乱流域であるRe‑105以上という広いRe数範囲で,従来から広く用いられてきた撹拝賀よりも小さなn･飢tであり,優れた混合性能を示す｡

上顔:にフィン付のワイドパド)I,,下.段に後退させたワイ

また,第7図は,各種斑拝異について撹搾動力と混合時ドパドルを採用tJ,両巽の配置を混合に関■して最適化した 間の無次元相関を行ったZlokarnikl)の結果にフルゾ‑ン
神鋼パンテツク技報

VTol. 85No.

1 (1991/3)

1016

Impeller:L7 1014

D.

typeI

1I

一ⅠIr
D

17･I1012
宜T

トd+1010nthb E11DPHlI
11Il

トーd‑I

Propeller

･qlOB

Grid

1Ⅳidetybe

Doロblepaddle
106hlPeller type
トーⅠ1

104

トⅠトートーーIllwith102
10tit‑‑‑‑‑‑‑‑一トⅣ

FtJLLZONE

a4･blade

ら2+blade(with baffle)anchor (without baffle)anchor (withotlt baffle)

CDollblellelical ribbon

witboし1tbaff】ebaff)e10￣3

Z

10￣2

10￣1

eM〟/D2pト]Cornparison

I.,

101

paddle: Wi‑d6paddle

eflat(withpaddle

baff le)g:

Quadruple

flat paddle(withoutbaff le)(withouthdl:‑Wide.

of variousimpellers

inmiⅩing(with baffle)(withotlt b早ffle): Gridtypei ; Gridtype(vitbout baffle)(with baffle)

良 : Propeller(with baffle)

efficiency tlSing Zlokamik'芦plotl)]..2103＼surfllCelおt

Pfaudler0.8[1ヽヽ＼＼∴＼＼､モ､‑‑‑‑‑‑‑̲̲̲
=
⊂b0.6

日

Ft3LLZON E
Pfalldleri叩e)1er
Be】icalribbon
AllCbor 1)
Grid type lmPellerl)

FULLZONE

一名l＼＼

101

頂Tltl

1.0＼､､＼‑･･‑..̲̲..̲

102

己f : Quadruplebaffl e)100

helicalribbon

各実の混合効率の比較(Zlokamikの方法1)による),:;第7図Fig.7,1dlTE＼at7･＼ロ]

t＼0.4

■■‑I

101

10alO3Re1040.2105ーー)

トユ

̲‑‑‑/0

第6国Fig.

2000

rl･OA(‑Re曲線の比戟6Comparisonof h･紬‑Recurves

for several

impellersFig.の相関ではプロッllが下方‑こあるほど混合効率がよい｡つまり.同じ氏群槽で同じ液体を所定の時間で混合する場合,下方忙プロッ･トされた撹拝賀ほど撹拝動力が′トさく動力効率がよい｡ Zlokarnikは,従来から広く用いられている撹

8

Local

heatwall

(Water, Pv‑o.15kW/m8)transfercoefficientd⊂]く>U喜o.24)

Su O･1‑FULLZONE

一一‑‑

Pfaudler

rt3E3Ll0ユ能を持つ｡

0.2Pv

伝熟特性

熱移動と物質移動の相似陸を利用して,槽壁面で滑走された物質移動係数の分布から局所伝熱係数の分布を推定す

the vessel

言o･3

賀が4種類(Ⅰ‑Ⅳ)あることを示した.フルゾ‑ンは,

2. 2kW/mB)
on0.4.t)領域で下方にプロットされ,広い精度範囲で優れた混合性

distribution

I

拝翼を研究した結果,液粘度(且e数)に応じて最適な撹拝各粘度(丘e数)域で最適とされた撹押葉よりも図の全ての

6000[W/m17(]

槽壁面での居所伝熱係数分布(水, Pv‑0.15

第8図の実験時果を追加し,･･混合効率を比較した結果であるoこ4 000h

第9因
Fig.

0.3

[kW/ml]

粒子均一浮遊にいたる動力の比較
9Comparison
required

impellers in powerof twofor unifo皿SOlids
suspensionることができる4)｡フルゾーンとファウドラー巽の局所伝熱係数分布を推定し,等動力の条件下で比較した結果を第8図K:示す.フ)l'ゾ‑ンは槽内全域で比較的高し､伝熟慮数カに対してプロッ†した結果な第9囲紅示す.フ/レゾーンを示し,.1段のファウドラー冥よりも約40%高い平均伝熱能であり,固液撹拝においても優れ申隆能を持つo係数となる｡
2. 3異相系撹拝特性

2. 3. 2‑2. 3.

20voloAの白灯油(密度790kg/m8)と水を撹搾槽匠満た

固液系撹拝の特性評価のためイオン交換樹脂の懸濁実験を行った.粒子猿度をかさ体横で30%とし,フ)1,ゾ‑ly.とファウドラ‑巽転?いて撹拝動力を数段階むこ変化させて粒子の浮遊状態を観察比較した.各動力むこおける浮遊状態を
写真6(p･11)に示す｡･また,液面近傍での粒子横度を動I(ol. B5No.

(1991/8)

液液系撹群1

液液宗鑑拝の特性評価のためにも類似の実験を行ったo

1固液系j党拝

1はファウドラ‑襲の半分以下の動力で粒子の均一浮遊が可し,上記2種の撹拝巽について撹搾動力を数巌階に変化させて液滴の分散状態を観察比較した｡液面近傍での申灯油壊度を動力に対してプロットした結果を第10囲に示す.フルゾーンはファウドラー巽の約60aAの動力で均一分散が可能であり,液液分散においても優れた性能を持つo

神鋼パンテツク技報

E(.0(E/D= 1.25,d/D=0.55)

102I

FULLZONE‑.8∴‑【∃pfaしId】el･‑‑

I..̲9.6
⊂:≡

⊂コ
⊂〉

.4

弓.2

101
a0.1

0.2

0.3

Z0.4

●○●魚J
尋砂Pv

第10図

●s●ヽq･手専守

液滴均一分散にいたる動力の比較

Fig･･ 10Comparisor10f two

impellersin･･power

required for uniformof liquid droplets

2.

vlo

oo号

[kW/m3]4102

̀.LIOldispersion

動力特性

103
Re

フ/レソて‑ン撹拝動力線図

Fig.

Powerll

第1表

105

for FULLZONE

curve

number104[‑]

第11図

フ/レゾ‑ンの広範な粘度対応性にほ2枚の平板バップルとの組合せが適しているo
2枚バッフル時の撹拝
動力線図を第11図忙示す｡層流域ではNp･Re値が約.

従来翼とフルゾ‑ンとの包括的な坪較
1

Table

Comprehensive

comparisonof various

impellers

includirlg

FULLZONE

200となり,永田5)の動力式から予想される値186とTlnpellers

概略一致するo乱淀城でほ動力数が約5になる.

3.フルゾーンの特長と適用分野
フルゾーンの特長
形状
ワイドパド/レ2崩:の立体的配置
上段巽フィンと下原巽後退

Vjscosity;且igh×××

丈

RangelMeadium

×A

A:Low○○◎○ribbon○◎○◎○◎○AA××◎△〉くA◎△A×1ielicalA○A◎A○◎○A◎◎××メ×X○(〕(〕○○○
◎

@◎◎◎

○AA×○

◎

○○A△C)

×: Good,A: Permissible,

×: Notstlitable

Gas･Liquid
Solid･LiquidA

b4ixinglViscousTime!NonviscoLIS

Cleaning
Mainter払nCe◎

きる｡

今回の開発で用いた流体数値解析の精度を一層高めるた(4)高効率(省エネルギー)
適用分野

め,最新型のレーザ‑ドップラー流速計を技術繭発センタ‑に導入した｡今後,撹拝槽内流動を解析と測定の両面から捉え,高度化する撹辞技術に対応し,撹搾槽の最適設計(1)多目的バッチ撹搾槽広い粘度範囲での操作が必要な場合
高鵠度スラ1) ‑の撹粋を行う場合を目指したい｡

本開愚虹当りお力添え頂いた久留米工業高等専門学校工(2)低勇断(低回転)で均一混合が必要な鑑粋槽
乳化重合バイオ1)アクター

業化学科

懸濁重合などけ
当社は,グラスライニング製およびステンレス製を通じ,多様な形式の撹拝磯を提供している｡それらの製品とともにフルゾーンもその特長を十分に括かせる使い方を推進しこの観点から従来翼に対するフ)I,ゾ‑ンの位置付けを包括的に評価した｡参考までにその概要を第1表KL‑示す｡
フルゾーンの採用を推奨したい状況として,適用粘度,固狂および液液分散,伝熱などで撹拝負荷の厳しい場合,過剰撹搾の防止と均一性との両立が必要な場台,多目的の撹搾を行う場合でかつ能力的に信頼性の高い捜群が必要な場合などが考えられる｡
す藤道治助教授に感謝の意を表します｡〔参考文献〕

4･従来翼に対するフルゾーンの包括的な位置付たいと考えているo○

改善,改良の検討材料むこなれば幸いである｡また当社では,(3)少ない動力で粒子の均一浮遊が可能

晶折: Excellent,紹介したフルゾーンの性能がユーザ各位の撹拝プロセスの(2)倭.れた伝熱性能

び新型撹拝翼『フルゾーン』について,その開発過程およびテストで確認した撹拝性能をいくつか紹介した.ここに
10

Multiple Ft)LLZONE Anchor
impellers.0 ◎Capitalcost(1)広い粘度域で効率よい均一混合が可能
100Pa･sの高粘度まで混合可能｡特紅0.001
Pa･s‑30Pa･sでは従来巽より混合が期待でむ

TurbineShafttorque

性能･Propeller Pfaudler Paddlejmpe】1er

Tecbn.,
39, (1967)
1) Zlokarnik, N∴ Cbemie.血g.
307 (1990)
2)菊池ら:化学工学会第23回秋期大会T
34, No. 3 (1990)
3)高田ら:神鋼パンテツク技報Vol.
4)村上ら:九大工学集報,第43巻,第6号(1970)
S∴ ‥Mixing Principles & Applications , Kodansha
5 ) Nagata,i)i
T(1975)･

記号説明b:撹拝巽幅D:撹群槽径d:撹拝巽スノベン
E;液深也 :境膜伝熱係数
Np:撹拝動力数n
撹拝巽回転数P
撹搾動力Pv
単位容積当9.の撹拝動力Re撹拝レイノルズ数‑pnd2/Vr
半径方向流速OA(混合時間.
撹拝液密度P〟:撹挿液粘度神鋼パンテツク技報

LI
C.

き[m]
[m]
[m]
[m]
[W/m2E]
[‑]
[1/s]
[W]
[kW/皿3][‑][:m/s][s][kg/m3][Pa･s] L､Vol. 85

No.

凄
壬L､

章

1 (1991/a)p=PfaudlerPfaudJer

FULLZONEDoubJehelicalFULLZONEFULLZONE

Pfaudlerribboni守Sta rt

Start

Start

柑2

see

2i

10

sec

30

sec

60

sec

120

sec

see

Ji±F･.?

4sec

4sec

j二重6

sec

‑LナJ

6@see

I:;漂短p'‑71!'
賢rrT･

8sec

8

写真1混合経過の比較､〟‑0.001Pa･s,
Pv‑0. 1 kW/m3
Photo･lCoⅡ?parison in transition
of

Pl一OtO. 2 ComparlSOn

sec

写真2

mixlng.

transitionln

写真3
Photo.

ofribbonPals,
ofmixlng.

Doublehelica‑FULLZONE〟‑1.2

in transition

混合経過の比較､
Pv‑0. 3 kW/m3

3 Comparison

mi xlng.

Doublehelical

FULしZONEPv

kW/mユ Pfaudler

FULLZONEribbonSta30

混合経過の比較､ 〟‑0. 032 Pa一s,
Pv‑0. 3.kW/TrL3

JyStart

sec

0.0

0.03

∃jL.も1mini.
a̲妄監･f一60･･.3

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3min

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120:宅

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Photo･

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混食経過の比較､ 〟‑8
Pv‑2. 0.kW/m)ComparlSOn

inmixing.

VTol. 85

No.

1Pals,

transition(1991/8)

写真5ofPhoto･

混合経過の比較, 〟=40Pa･s,
Pv‑2.

0. kW/m3

5 ComparlSOn
mix lng.

intransitionof

神鋼パンテツク技報

写真6Photo･

粒子懸濁性能の比較(イオン交換6

樹■脂一水)
Comparison(Ion exchange

in solidsuspension

resin‑water)ll