JP2012196631A - 多孔エレメント式静止型分散器の分散粒径推定方法及び設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 多孔エレメント式静止型分散器を用いた分散処理において、分散粒子径及びその分布幅を推定する方法を提供する。
【解決手段】 複数の通孔が形成されたディスク状のエレメントを重ね合わせた多孔エレメント式静止型分散器に分散処理すべき流体を流通させることにより分散処理される流体中の分散粒子の粒子径及びその分布幅を推定する方法であって、流体解析による三次元数値計算により、前記通孔内で発生する渦流の渦度を求めるステップと、渦度と、分散処理された分散粒子の粒子径とその分布幅との関係について予め実験により求められた関係に基づいて、前記三次元数値計算により求められた渦度から、分散粒子の粒子径及びその分布幅を推定するステップとを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、化学関係や薬品関係、食品関係、塗料関係、製紙関係、半導体関係、電池関係等のプラントに於いて主に利用される静止型分散器を用いて分散処理される流体中の分散粒子の粒子径及びその分布幅を推定する方法、及び、該静止型分散器の設計方法に関する。

従来、分散器として、タービン・ステータ型高速回転式分散器、高速回転式分散器、超音波式分散器、超高圧ジェット式分散器、多孔エレメント式静止型分散器などが知られている。

この中でも、多孔エレメント式静止型分散器は、機械的動力が不要、装填・脱着が簡単で構造がシンプル、コンパクトである、分散処理すべき流体を高速で通過させるだけの簡単な操作で平均粒径０．３〜６００μｍの範囲で分布幅の狭い分散が得られる、流速や多孔エレメントを変更することにより簡単に粒子径の異なる分散が行える、等の点で優れている（特許文献１，２、非特許文献１，２等）。

この多孔エレメント式静止型分散器は、図３及び図４に示すようなディスク状の多孔エレメント４Ａ，４Ｂが積層されて構成される。多孔エレメント４Ａと多孔エレメント４Ｂとは、それぞれ配置パターンの異なる通孔１１，１２が形成されている。図示例では、多孔エレメント４Ａは中心軸線から等距離且つ等角度間隔の計４つの通孔１１が形成され、多孔エレメント４Ｂは中心の通孔１２と中心軸線から等距離で等角度間隔の４つの通孔１２が計５つ形成されている。通孔１１、１２は、図３及び図４に示すように、中間部に形成された縮径部１１ａ、１２ａと、縮径部１１ａ，１２ａの各々の両端部から外側へ漸次拡径するテーパー部１１ｂ、１１ｃ、１２ｂ、１２ｃとを備えている。図示例に於いて、多孔エレメント４Ａ、４Ｂは、外径２７．５ｍｍ、厚み５ｍｍ、縮径部１１ａ、１２ａの内径５ｍｍ、テーパー部１１ｂ、１１ｃ、１２ｂ、１２ｃの傾斜４５°、入口及び出口の開口径（ｄ）６ｍｍである。多孔エレメント４Ａと多孔エレメント４Ｂとは、図５に多孔エレメント４Ａ上に多孔エレメント４Ｂを積層した状態を示すように、隣接する多孔エレメントの一方の一つの通孔に対して、他方の多孔エレメントの複数の通孔がオーバーラップするように、積層される。このように通孔をオーバーラップさせて積層した多孔エレメント４Ａ、４Ｂを一組とし、用途に応じて、一組だけで用いるか、或いは、複数組を積層して用いられる。多孔エレメントは、外径、孔の数及び配置の異なる複数種のエレメントが設計され、用途に応じて適宜組み合わせて使用される。

上記構成を有する多孔エレメント式静止型分散器に分散処理すべき流体を高速で通過させると、流体は、通孔１１，１２の縮径部１１ａ，１２ａを通過する際に流速が最大となり、縮径部１１ａ，１２ａの周壁との間に働く剪断力によって分散される。続いて、縮径部１１ａ，１２ａを通過した主流が前方（下流側）のエレメントに衝突し、反転して３次元的な渦を巻く（図６の矢印参照）。このときの衝突によるキャビテーション力によりさらに分散力が促進すると考えられる。また、多孔エレメントを通過するごとに流体が複数に分割されることと、流路の拡大縮小、乱流混合によって激しく攪拌される。この操作が積層されたエレメントの数だけ繰り返される。こうして、多孔エレメント式静止型分散器により、分散処理すべき流体を機械的に分散させる。

多孔エレメント式静止型分散器は、流速や多孔エレメントを変更することにより簡単に粒子径の異なる分散が行え、分布幅の狭い平均粒子径の分散を得ることができる。

従来、多孔エレメント式静止型分散器について、分散メカニズムを解明すべく種々の研究がつづけられている（非特許文献１，２等）が、分散粒子径及びその分布幅の予測は容易でなかった。

特開２０００−２５４４６９号公報 特開２００３−２３６３５５号公報

久保建二，小路克利，鈴木 洋、「新静止型ミキサー「分散君」の分散特性」、化学工学論文集、社団法人化学工学会、Ｖｏｌｕｍｅ３４、Number６、Ｐａｇｅ５４５‐５５０、２００８年（「分散君」は登録商標である。） 鈴木 洋（Hiroshi Suzuki）、久保建二（Kenji Kubo）、小路克利（Katsutoshi Shoji）、菰田 悦之（Yoshiyuki Komoda）、and薄井 洋基（Hiromoto Usui）、 JOURNAL OF CHEMICAL ENGINEERING OF JAPAN、社団法人化学工学会（The Society of Chemical Engineers，Japan）、４１（３）、１３９〜１４４頁、２００８年３月１日

上記問題に鑑み、本発明は、多孔エレメント式静止型分散器を用いた分散処理において、分散粒子径及びその分布幅を推定する方法を提供することを目的とする。また、その逆に、必要な分散粒子径及びその分布幅の範囲が予め決まっている場合に、多孔エレメントを設計する条件を決定することにより多孔エレメント式静止型分散器を設計する方法を提供することをも目的とする。

本発明者等による鋭意研究の結果、多孔エレメントの通孔内に生じる渦流の渦度が、分散粒子の粒子径とその分布幅に影響していることを見出し、本発明を完成するに至った。

上記目的を達成するため、本発明は、複数の通孔が形成されたディスク状のエレメントを重ね合わせた多孔エレメント式静止型分散器に分散処理すべき流体を流通させることにより分散処理される流体中の分散粒子の粒子径及びその分布幅を推定する方法であって、流体解析による三次元数値計算により、該通孔内で発生する渦流の渦度を求めるステップと、渦度と、分散処理された分散粒子の粒子径とその分布幅との関係について予め実験により求められた関係に基づいて、前記三次元数値計算により求められた渦度から、分散粒子の粒子径及びその分布幅を推定するステップと、を含むことを特徴とする。

また、本発明は、上記目的を達成するため、複数の通孔が形成されたディスク状のエレメントを重ね合わせた多孔エレメント式静止型分散器を用いて分散処理される流体中の分散粒子を所望の粒子径及びその分布幅に制御するために、前記エレメントの設計条件に基づいて前記多孔エレメント式静止型分散器を設計する方法であって、前記通孔内で発生する渦流の渦度と、分散処理された分散粒子の粒子径とその分布幅との関係について予め実験により求められた関係に基づいて、前記所望の粒子径と分布幅に対応する渦度を求めるステップと、前記求められた渦度から、流体解析による三次元数値計算により、前記エレメントの設計条件を求めるステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、分散処理された分散粒子の粒子径及び分布幅と渦度との関係を予め実験により求められておき、流体解析による渦度の三次元数値計算を用いることにより、分散粒子の粒子径及び分布幅を推定することができ、また、エレメントの設計条件を算出することもできる。

本発明に用いる多孔エレメント式静止型分散器の流体の流れを可視化する装置を示す概念図である。 可視化装置の多孔エレメントにおける流体の様子を示す拡大写真である。 本発明に用いられる多孔エレメントの一実施形態を示す平面図及び断面図である。 図３の多孔エレメントに積層される多孔エレメントを示す平面図及び断面図である。 図３の多孔エレメント上に図４の多孔エレメントを積層した状態を示す平面図である。 図３の多孔エレメント上に図４の多孔エレメントを積層した状態で流体の流れを示す斜視図である。 渦度と乳化時のエマルジョンの粒子径(メディアン径)との関係を示すグラフである。 渦度と乳化時のエマルジョンの分散幅（分散値）との関係を示すグラフである。

本発明に係る多孔エレメント式静止型分散器を用いた分散粒径制御方法の好ましい実施形態について、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明においては、従来技術を含めて同一又は類似の構成部分には同符号を付すことにより、重複説明を省略することがある。

図１は、多孔エレメント式静止型分散器の通孔内に発生する渦流を可視化するための装置を示している。この可視化装置において、流体はタンク１からポンプ２によって鉛直に置かれた円管３に流入し、再びタンク１に戻る。円管３には、多孔エレメント４Ａ、４Ｂが積層されて内蔵されている。この可視化装置のための多孔エレメント４Ａ、４Ｂは、透明なアクリル樹脂によって形成されている。円管３の下流には円管３の内部を観察する透明なガラス製の窓５が設けてある。円管３の側方には、投光用の光源６が配置されている。円管３の流路中央に配置されたノズル７から色素（ウラニン）を混入した同一の粘度を有する流体を周囲流体と同速度で注入する。色素を混入した流体は、トレーサータンク８に収容されており、窒素ガス源９から供給される窒素ガスによって押し出され、ノズル７から吐出される。多孔エレメント４Ａ、４Ｂの通孔内の流体の様子は、デジタル高速カメラ１０によって撮像される。なお、可視化装置においては、多孔エレメントの通孔内の渦流を視認するために、多孔エレメントを透明樹脂によって形成しているが、一般の多孔エレメント式静止型分散器では、多孔エレメントはステンレス鋼等の金属材料で形成される。

図２は、可視化装置によって撮影された通孔内の渦流の様子を示している。この時、可視化装置に用いた多孔エレメントは、図３及び図４に示した２種類の多孔エレメントと同寸法のものを、２枚一組として５組積層している。図２の写真は、上流側から数えて８番目の多孔エレメント（４孔）と９番目の多孔エレメント（５孔）の通孔内の様子を示している。なお、例えば８番目の多孔エレメントを観察する場合には、その他の多孔エレメントの周囲を遮光フィルム等で遮光する。タンク１内の流体は、濃度調整によって粘度を０．０９７８Ｐａ・Ｓにした水飴水溶液（ニュートン性流体）とした。多孔エレメントの上流７０ｍｍよりトレーサー流体（ウラニン）をノズル７から流入させた。円管断面平均流速Ｕｍ（ｍ／秒）は、０．０３０１（ｍ／秒）、０．１５４（ｍ／秒）、０．３０６（ｍ／秒）、０．３８２（ｍ／秒）とした。図２を参照すれば、円管断面平均流速Ｕｍが小さい場合（Ｕｍ＝０．０３０１（ｍ／秒））にはなんら明確な流動構造は観測されないが、流速が増加するに従って、通孔の縮径部内に、半径方向を２分する渦流が発生することが分かる。なお、図２中、Ｒｅａは、多孔エレメントの通孔の縮径部を通る流体のレイノルズ数である。

これを流体解析した結果は、上記した非特許文献２にも示されており、エレメントの形状・寸法（エレメントの直径、厚さ、通孔の内径、通孔の数、エレメントの積層枚数、通孔の配置）が決定されると各流速及びレイノルズ数Reaに対する平均渦度（mean vorticies,ωz）を求めることができ、そして、平均渦度は、レイノルズ数とともに直線的に増加することが分かっている（非特許文献２）。

一方、上記と同じ寸法の多孔エレメント（２Ａ，２Ｂ）２種一組を５組積層した多孔エレメント式静止型分散器を用いて、水に植物油脂を乳化分散させ、得られたエマルションの分散粒子径(メディアン径)ならびに分布幅（分散値）と多孔エレメントの通孔内の渦度との関係について調べた。分散処理すべき流体として、水を９４．５ｗｔ％、大豆白絞油（昭和産業）を５ｗｔ％、乳化剤（花王ＴＷ‐Ｏ１２０）を０．５ｗｔ％に調製した。また、多孔エレメントの平均渦度（ωz［１／ｓ］）と多孔エレメントの組数（枚数）を変えて調べた。その結果をグラフに示したものが図７および図８である。こうして得られたグラフは、最小二乗法等の近似法を用いて、関数で近似することもできる。

なお、平均渦度（ωz）は、数値流体力学（Computational Fluid Dynamics：CFD）に基づく三次元流体解析ソフトウェアを利用したコンピュータ数値シミュレーションにより三次元数値計算し、その時のエマルジョン粒子径ならびに分散値はレーザ回折／散乱式粒度分布測定装置（株式会社堀場製作所製ＬＡ‐３００）を用いて計測し、該装置に付属のソフトウェアを用いてメディアン径（Ｄ_５０）と算術分散（σ^２）を算出した。

前記三次元流体解析ソフトウェアを用いて、孔径、孔数、及び、エレメント枚数等のエレメント条件と、分散処理すべき流体（主としてエマルション）の流動条件（通孔内を流れる流体の流速、密度、粘度、レイノルズ数等）とから渦度を三次元数値計算し、次いで、エマルションの分散粒子径(メディアン径)ならびに分布幅（分散値）と多孔エレメントの通孔内の渦度との関係について予め実験により得られた関係（図７，８のようなグラフ或いは近似関数）を用いることで、三次元数値計算により算出された渦度から、その時のメディアン径や分散値を推定できる。

また逆に、必要とするメディアン径や分散値をもつエマルションを得るためには、エマルションの分散粒子径(メディアン径)ならびに分布幅（分散値）と多孔エレメントの通孔内の渦度との関係について予め実験により得られた関係（図７，８のようなグラフ或いは近似関数）から、必要な分散粒子径(メディアン径)ならびに分布幅（分散値）を満たすかそれに近い渦度を求め、求めた渦度と分散処理すべき流体の流動条件（通孔内を流れる流体の流速、密度、粘度、レイノルズ数等）とを前記三次元流体解析ソフトウェアに入力して三次元数値計算すれば、エレメントの形状寸法である最適な通孔径、通孔数、通孔の配置、エレメント数、エレメント外径、エレメント厚さ等、エレメントの設計条件を算出することができる。

４Ａ，４Ｂ 多孔エレメント
１１，１２ 通孔

Claims (2)

1. 複数の通孔が形成されたディスク状のエレメントを重ね合わせた多孔エレメント式静止型分散器に分散処理すべき流体を流通させることにより分散処理される流体中の分散粒子の粒子径及びその分布幅を推定する方法であって、
   流体解析による三次元数値計算により、前記通孔内で発生する渦流の渦度を求めるステップと、
   渦度と、分散処理された分散粒子の粒子径とその分布幅との関係について予め実験により求められた関係に基づいて、前記三次元数値計算により求められた渦度から、分散粒子の粒子径及びその分布幅を推定するステップと、
   を含む前記方法。
2. 複数の通孔が形成されたディスク状のエレメントを重ね合わせた多孔エレメント式静止型分散器を用いて分散処理される流体中の分散粒子を所望の粒子径及びその分布幅に制御するために、前記エレメントの設計条件に基づいて前記多孔エレメント式静止型分散器を設計する方法であって、
   前記通孔内で発生する渦流の渦度と、分散処理された分散粒子の粒子径とその分布幅との関係について予め実験により求められた関係に基づいて、前記所望の粒子径と分布幅に対応する渦度を求めるステップと、
   前記求められた渦度から、流体解析による三次元数値計算により、前記エレメントの設計条件を求めるステップと、
   を含む前記方法。