撹拌槽型反応機における CFD/PIV による経験則の数値化～投入位置の混合への影響～
Quantification of Experimental Rule by CFD and PIV for a Mixing Vessel Reactor-Effects on mixing in the feeding position-

加藤知帆＊
Tomoho Kato

小川智宏＊
Tomohiro Ogawa

山部 芳＊＊
Kaoru Yamabe

反応機では上蓋ノズルから槽内に原料を滴下投入する方法が一般的である。しかし，その位置は種々の制約もあり，混合への影響まで考慮できない場合が多い。近年，精密な化学反応を行う上で，またスケールアップによる混合時間の長期化では，反応に悪影響を及ぼす場合があり重要度が増している。本稿では，PIV と CFD を用いてツインスター翼の投入位置に対する混合への影
響と各撹拌翼の混合性能を評価した。その結果，ツインスター翼での投入位置はバッフルと対称位置，撹拌翼にはフルゾーン翼を用いることが最も混合性能が高いことを確認した。
In a reactor, the raw material is generally fed dropwise into the vessel through a nozzle in the top head.
However, there are various restrictions on the feeding position, and in many cases, it is not possible to take
into account the eﬀect on mixing. In recent years, the feeding position has become increasingly important for
precise chemical reactions and for longer mixing times due to scale-up, as it can adversely aﬀect the reaction.
In this paper, PIV and CFD were used to evaluate the eﬀect of a TWINSTIR impeller on mixing, with respect
to the feeding position and the mixing performance of each impeller. As a result, it was conﬁrmed that the best
mixing performance was achieved when the TWINSTIR impeller was used for feeding from a position
symmetrical to the baﬄe and the FULLZONE impeller was used in the mixing vessel.

Key Words：
撹拌

槽Mixing vessel

反応機Reactor

グラスライニング製撹拌翼

Glasslined mixing impeller

粒子画像流速測定法

Particle image velocimetry (PIV)

数 値 流 体 力 学Computational ﬂuid dynamics (CFD)【セールスポイント】
・PIV，CFD による定量的な評価
・撹拌槽内への滴下投入位置の検討

まえがきする方向に向かっており，当社が提供するグラスラ

近年，国内の医薬品，電子材料，ファインケミカ

イニング（以下 GL と呼ぶ）製反応機も多く使用さルメーカはより付加価値の高い製品を開発し，製造れている。特に，小液量から最大液量（呼称容量）＊プロセス機器事業部 技術部 開発室
プロセス機器事業部 技術部 撹拌設計室＊＊

2 神鋼環境ソリューション技報 Vol. 19 No. 1（2022／9）

まですべての液量において効率良く混合が可能であ撹拌翼フルゾーン翼３），４） を加え，バッフルには10り，シンプルな構造による高い洗浄性を特長とする% 板バッフルを２本使用した。

ツインスター翼は，多品種少量生産が求められる上撹拌液には上水を使用し，各条件の撹拌速度は，単位体積あたりの撹拌所要動力 Pv 値を一定となる記の分野においてニーズが高い。
医薬品分野では，有効成分である『原薬』を化学回転数で行った。

合成により生産する場合が多い。最終的に目的とす

2. 実験方法
2. 1

る純度の原薬を得るためには，合成中間体や原薬のPIV 測定に使用した実験装置の概略図を図１に示精製が重要であり，高効率な精製法として晶析が頻繁に用いられている。なかでも貧溶媒晶析

１）

２次元 PIV 測定は以す。透明アクリル製円筒槽の側面から撹拌軸へシー下の点から多く利用されている。

ト光を照射し，撹拌槽の半分の領域の流速を測定し①高温を必要としないた。流速はサンプリング数30,000点から平均値を求②高収率を得やすい

め，CFD 結果の検証用データとして使用した。

③多様な晶析制御条件の選択が可能

PIV 測定には株式会社フローテック・リサーチ製

貧溶媒晶析は，化合物をよく溶ける溶媒（良溶媒）の２成分 PIV システムを，トレーサ粒子にはナイに溶解しておき，溶解性の低い溶媒（貧溶媒）を添ロン粒子（粒径：30 μm，密度：1,030 kg/m3）を使加，混合することで過飽和を生成させる方法である。

用した。

貧溶媒を添加する際に局所的に過飽和が発生する

2. 2

流動解析と，核の発生，結晶成長に大きな影響を与え，粒径CFD に は ANSYS 社 の 汎 用 熱 流 体 解 析 コ ー ドが不均一化し品質のばらつきが生じる可能性がある

FLUENT19.2，モデリング，メッシュ作成には Ansys

ため，迅速な均一混合の達成が求められる。

Design Modeler および Ansys Meshing を用いた。乱迅速な均一混合を達成するために撹拌翼，バッフ

流モデルは k-ω SST モデルとし，混合・分散性能

ルなどの撹拌槽条件を検討するユーザーは多いが，は以下の手法で評価した。

滴下，投入する位置に対し，混合への影響は考慮さ・最初に流れ場を作成れていないケースが多い。実際のプロセスでは，知・各位置で10秒以上の平均流速を算出

見のある技術者の経験則により決定することがほと・PIV 測定結果，CFD 解析結果それぞれの平均流んどである。また滴下，投入する位置を検討する場

速を比較し，CFD 解析結果のバリデーション

合，小スケールのラボ機では混合速度が速く，投入する位置により明確な差異を確認できず，多くのユーザーが検討に苦慮することは容易に想像できる。
本稿では，PIV（Particle Image Velocimetry，粒子画像 流 速 測 定 法 ） お よ び CFD（Computational FluidDynamics，数値流体力学）により，混合に適した投入位置，各撹拌翼の混合，分散性能を評価した。

1. 撹拌槽条件

撹拌槽条件を表１に示す。撹拌翼には GL 製反応機で一般的なツインスター翼２）と，古くから GL 製
撹拌翼として使用されているオーバル型３枚後退翼を採用し，バッフルはビーバーテイルバッフルを１本使用した。また比較対象として，耐食金属製反応機で使用されることの多い，当社オリジナル高効率表１

図１

実験装置の概略図（撹拌槽を上から見た図）

撹拌槽条件

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図２

図３

トレーサの設置方位PIV および CFD による鉛直方向流速結果を実施
・流れ場の液表面付近に，滴下液に見立てたトレーサとして直径40 mm の球形の領域を着色し，各時刻で混合，分散過程を確認示す。トレーサ濃度が0.1 wt% 以上となる領域を青色で示した。
3. 2. 1

トレーサ設置位置の比較

ツインスター翼にて，各投入位置の混合・分散の・各条件の結果を比較評価推移を比較した。図５-１に撹拌槽内におけるトレGL 製反応機では，槽上部のノズルから滴下するーサの最大濃度値の推移，図５-２にトレーサ濃度投入方法が一般的である。そのため，幾何学的相似が0.1 wt% 以上となる領域の体積の推移を示す。

にてスケールダウンした場合のノズル位置となる，

図５-１では混合を開始した直後，方位30°，330°

槽中心から150 mm をトレーサの設置位置とした。

で素早く濃度が降下するが，次第に方位90°，180°

トレーサの設置方位は，図２に示す。と逆転することが確認できる。バッフルに近接する

3. 結果

方位30°，330°では，乱れた流れ場へトレーサを投

3. 1

CFD 結果のバリデーション入するため，混合を開始した直後にトレーサが混合，

図３に各撹拌槽条件の鉛直方向の流速に対し，分散される。しかし，図４の0.5 〜 1.0 sec. で示されPIV 結果および CFD 結果を示す。流速を評価する

るように，槽上部に形成された旋回流により，時間

撹拌槽の高さ断面は，T.L.+50 mm から300 mm の50経過とともにトレーサがバッフルより離れ，高い濃mm 毎に設定した。その結果，CFD にて得られた流度を維持したまま旋回するためと考える。

速は PIV 結果と良好に一致することを確認できた。
3. 2

混合・分散性能

CFD による混合・分散過程の解析結果を図４に
4 神鋼環境ソリューション技報 Vol. 19 No. 1（2022／9）

均一混合時のトレーサ濃度は約0.06 wt% である。
そのため，混合初期はトレーサの分散が進むにつれ0.1 wt% 以上となる領域の体積は増加するが，分散図４

各撹拌槽条件およびトレーサ位置の混合過程が十分に進むと減少することとなる。図５-２から翼からの吐出流により槽全体への分散が促進されは，トレーサを方位180°から投入することで最も素る。一方，方位30°，330°では槽上部でトレーサが早く分散することを確認できる。方位180°から投入

旋回しながら分散した後にバッフルへ到達するた

すると，トレーサが高い濃度塊のままバッフル手前め，槽上部から下部へのトレーサの移流が徐々に進より槽中心へ引き込まれ，槽下部への移流がスムー行することとなる。そのため，方位180°は方位30°，ズに進行する。槽下部へ移流されたトレーサは撹拌

330°と比較し撹拌槽全体の混合，分散が早く進行し
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図５-１

図５-２

ツインスター翼のトレーサ最大濃度の推移

ツインスター翼のトレーサ濃度0.1 wt% 以上となる領域体積の推移

図６-１

各撹拌翼のトレーサ最大濃度の推移

た。
3. 2. 2

ゾーン翼：方位90°とした。図６-１に撹拌槽内のト撹拌翼の混合性能の比較

各撹拌翼の混合・分散を比較した。トレーサの投

レーサの最大濃度値の推移，図６-２にトレーサ濃度が0.1 wt% 以上となる領域の体積の推移を示す。

入方位はバッフルから最も離れた方位となるツイン

図４および図６-１, 図６-２の結果より，ツインスター翼：方位180°，３枚後退翼：方位180°，フルスター翼とオーバル型３枚後退翼を比較すると，ツ6 神鋼環境ソリューション技報 Vol. 19 No. 1（2022／9）

図６-２

各撹拌翼のトレーサ濃度0.1 wt% 以上となる領域体積の推移

インスター翼の混合・分散がより早く進行することーテイルバッフルの組み合わせにおいて，投入位置が確認できる。３.２.１項で記述したように，ツイに対する混合，分散性を評価するとバッフルから最ンスター翼ではトレーサがバッフル手前から槽中心も離れた方位180°から投入することで最も早く混へ引き込まれ，槽下部への移流が進み，槽全体へト合，分散する結果が得られた。また撹拌翼で比較すレーサが分散する。一方，オーバル型３枚後退翼はるとフルゾーン翼，ツインスター翼，オーバル型３

図４で示す通り，トレーサが槽上部で旋回しながら，枚後退翼の順に混合性能が高いことが確認できた。

徐々に槽下部へ移るため，撹拌槽全体の混合，分散

近年では，CFD 技術の向上，測定技術の発達にの進行が遅い結果となった。

より，過去に評価が困難であった事象に対し，多面ツインスター翼，オーバル型３枚後退翼が槽上部的な検証が可能となった。それにより，これまで経で旋回流を形成しながら，トレーサの混合・分散が験的に判断してきた事柄に対して，より適切な検証進行するのに対し，フルゾーン翼は全く別の挙動でが可能になると考える。今後も CFD，PIV による検ある。上段翼と下段翼で吐出力のバランスが調整さ証を行い，より幅広い技術者にミキシング技術を理れたフルゾーン翼は，効率の良い上下循環流を形成解いただけるよう取り組みたいと考えている。

し，槽中心部では強い下降流を形成する。そのため，［参考文献］
１）久保田徳昭ほか：分かり易い貧溶媒晶析（2013），
p43２）中村隆彦ほか：神鋼パンテック技報 vol.45 No.1
（2001），p33
３）菊池雅彦ほか：神鋼パンテック技報 vol.35 No.1
（1991），p6４）菊池雅彦ほか：神鋼パンテック技報 vol.35 No.3
（1991），p6

混合が開始された直後からトレーサが槽下部へ移流され，ワイドパドル翼による強い吐出流がトレーサを混合・分散する。その結果，最も迅速に均一混合を達成する結果となった。

むすび

医薬・ファインケミカル分野で広く用いられるGL 製反応機で使用されるツインスター翼とビーバ

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