JP5685419B2 - 静止型分散システム - Google Patents

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分散システムに係り、詳しくは、可動部を有しない静止型分散システムに関する。

一般に、静止型分散器は、機械的動力を用いることなく流体を分散・混合できるものであり、気体−気体、気体−液体、液体−液体、固体−液体、固体−気体等のように複数の流体（粉流体を含む。）を分散、混合して流体間の化学反応を促進させたり、一様な分散状態の混合流体を形成させる装置である。

従来、この種の静止型分散器として、図１１に示すような静止型分散器が知られている（例えば、特許文献１，２等）。この静止型分散器は、複数の第１の通孔３ａを所定パターンで穿設したディスク形の第１のエレメント３Ａと、複数の第２の通孔３ａを所定パターンで穿設したディスク形の第２のエレメント３Ｂとが、交互に積層された分散エレメント３を、両端に流入口４ａ及び流出口４ｂを備えるケーシング４内に収容している。分散エレメント３のエレメント３Ａとエレメント３Ｂは、通孔３ａの配置パターンが異なっている（図１２参照）。

それぞれのエレメント３Ａ、３Ｂ形成されている通孔３ａは、中間部に形成された縮径部３ａ−１と、縮径部３ａ−１から縮径部軸線方向の両側へ離れるにつれて漸次流路断面積を増大させる一対の錘状部３ａ−２、３ａ−３とを備えたラッパノズルの形態を有している。図示例の一対の錘状部３ａ−２、３ａ−３は、同寸法である。

流体が前記分散エレメントを高速で通過する際、各エレメントの複数の通孔に流体が流通する間に生じる剪断力とキャビテーションにより、流体を機械的に分散させる。そのため、所定流量の分散媒ならびに分散質を分散エレメントに挿入し、流体が該分散エレメントを通過することで一気に分散できる。

流体は通孔３ａの縮径部３ａ−１を通過する際に流速が最大となり、縮径部３ａ−１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３ａ−１を通過した主流が前方（下流側）のエレメントに衝突し、反転して渦を巻く。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、エレメントを通過するごとに流体が３ないしは４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。

特開２０００−２５４４６９号公報 特開２００３−２３６３５５号公報

しかしながら、上記従来の静止型分散器は簡単に分散を行うことができるという優れた機能を有しているが、その機能を十分に生かせていない場合が起こり得る。

例えば、乳化分散処理を施す場合に、静止型分散器の上流側配管において分散媒の配管にＴ字管等を用いて分散質の配管を接続することにより、分散媒に分散質を混入させて静止型分散器を通過させるが、分散質の流速が早いと、分散質が偏った状態で静止型分散器に流入し、分散質の到達しない通孔が出現することになるため、静止型分散器の分散機能を十分に活用できないおそれがある。

上記問題を解決すべく、本発明は、上記分散エレメントを有効に活用できる静止型分散システムを提供することを主たる目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、流路内に固定されて該流路内に旋回流を発生させるための旋回羽根と、前記旋回羽根の下流側流路内に設けられ、複数の通孔を有するディスク状のエレメントの複数枚が積層された分散エレメントであって、分散されるべき流体が前記エレメントの各々を通過する毎に分割されるように前記通孔が配設された前記分散エレメントと、を備え、前記旋回羽根の縁部と前記流路の内壁面との間に、所定の間隙が設けられ、前記旋回羽根に対向する前記エレメントは、対向する該旋回羽根の外縁に相当する領域より狭い領域内に、前記通孔が形成されていることを特徴とする静止型分散システムを提供する。

本発明の一態様において、前記旋回羽根と前記分散エレメントとの間に、所定のギャップが設けられる。

また、本発明の他の一態様において、前記旋回羽根において分散媒と分散質の予備混合効果を高めるために、前記旋回羽根に多数の孔が穿設される。前記旋回羽根に穿設された前記孔の寸法と配列は、流体の種類と流量に応じて適宜選定される。

本発明によれば、前記分散エレメントの上流側流路において前記旋回羽根により流体が旋回させられるため、分散媒に分散質を混入させた流体を前記分散エレメントに流入させる場合に、分散媒中で分散質が偏倚していても、前記分散エレメントの流入口手前で分散媒中の分散質を半径方向に拡散させることによって予備混合し、偏倚を解消することができる。

本発明に係る静止型分散システムの一実施形態を示す断面図である。 本発明に係る静止型分散システムの他の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る静止型分散システムの他の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る静止型分散システムの他の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る静止型分散システムの他の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る静止型分散システムの他の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る静止型分散システムの他の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る静止型分散システムの他の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る静止型分散システムの他の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る静止型分散システムの他の実施形態を示す断面図である。 従来の分散エレメントを備えた静止型分散器を示す断面図である。 図１１の分散エレメントを構成する２種類のエレメントを示す平面図である。

本発明に係る静止型分散システム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における静止型分散システム１は、流路内に固定されて該流路内に旋回流を発生させるための旋回羽根２と、旋回羽根２の下流側流路内に固定された分散エレメント３とを備えている。なお、図中の矢印は、分散されるべき流体の流入方向及び流出方向を示している。

分散エレメント３は、複数の通孔３ａを有するディスク状のエレメント３Ａ、３Ｂの複数枚が積層されて構成され、分散されるべき流体が各エレメント３Ａ、３Ｂを通過する毎に分割されるように通孔３ａが配設されている。各々の通孔３ａは、中間部に縮径部（図１１参照）を備えている。図示例の分散エレメントは、図１１及び図１２に示した従来の分散エレメント３と同じである。分散エレメント３は、この種の分散エレメントにおいて公知の分散エレメントを使用することができる。なお、図示例では通孔パターンの異なる２種のエレメント３Ａ、３Ｂを交互に積層した分散エレメントを示しているが、通孔パターンの異なる３種以上のエレメントを順次積層して分散エレメントを構成することもできる。

図１に示す静止型分散システム１では、分散エレメント３と旋回羽根２とは、共通のケーシング４Ａに収容されている。ケーシング４Ａは、分散エレメント３と旋回羽根２とを一体的に収容し、旋回羽根２及び分散エレメント３に流体を通すための流入口４ａ及び流出口４ｂを両端に備える。ケーシング４Ａは、種々の形態を採用することができるが、図示例のケーシング４Ａは、一対のケーシング分割体４１Ａ、４２をクランプ４３を用いて接続することにより、その内部に分散エレメント３と旋回羽根２とを固定するタイプである。なお、図１中、符号５は、ケーシング分割体４１Ａ、４２の接合面に形成されたフランジ４１ｆ、４２ｆ間に介在されるガスケットである。

旋回羽根２は、分散されるべき流体の種類、流量、流動方向等に応じて、種々の形態、種々の寸法を採用することができるが、図１及び図２〜図９に示す例では、平板を捩じったような形状の旋回羽根が示されている。

また、旋回羽根２は、図１に示すように一端側を分散エレメント３に当接させることもできるが、分散されるべき流体の種類や流量等に応じて、旋回羽根２と分散エレメント３との間に所定のギャップを介在させることもできる。例えば、図２に示すように、旋回羽根２と分散エレメント３との間に、ギャップＧを介在させるために、リング状又は適宜形態をしたスペーサ６を介在させることができる。また、ギャップＧの大きさは、若しくは、スペーサ６の厚みや枚数は、分散されるべき流体の種類、流量、流動方向等に応じて、適宜、設定され得る。

分散・混合を行った際に即時に反応が起こり凝固反応等を起こす場合は、旋回羽根２の下流側にギャップＧを形成すると、ギャップＧを滞留している間に偏った反応が発生してしまう問題がある。そのような場合は、ギャップＧを設けずに、旋回羽根２の予備混合から分散エレメント３による分散まで一気に行う必要がある。

また、旋回羽根２によって流体に回転力を与えた場合、そのまま分散エレメント３に供給されると、半径方向外側では流れが速く、流路の中心ほど流速が遅くなる。混合する流体の比重が異なる場合、旋回における遠心力によって、流体に若干の偏りが発生する可能性が考えられる。その状態で直ぐに分散エレメント３に供給されると、分散エレメント３の分散効果が薄くなる可能性がある。旋回羽根２と分散エレメント３との間にギャップＧを設けることで、新たな流れを発生させて、発生した偏りを無くすことができる。

一方で、ギャップＧを形成すると流れがスムーズになり、分散エレメント３への流体の移行が速やかに行われるため、旋回羽根２や分散エレメント３によって発生する圧力損失が低減される。よって、急激な反応を起こさないような流体の分散・混合の場合は、旋回羽根２と分散エレメント３との間にギャップＧを設けることで、圧力損失の発生を防ぐことができる。

また、図１，２に示された旋回羽根２は、羽根の先端（縁部）がケーシング４Ａの内面に接しているが、羽根の先端（縁部）と流路を形成しているケーシング４Ａの内壁面との間に間隙を形成するように旋回羽根を構成しても良い。例えば、図３に示すように、旋回羽根２に半径方向に延びる複数の突起２ａを放射状に形成し、該突起をケーシング４Ａの内面に当接させる等によって、旋回羽根２の羽根の先端とケーシング４Ａの内面との間に隙間Ｓを形成することができる。

図３を参照すれば、旋回羽根２とケーシング４Ａの内面との間に隙間Ｓを形成すると、ケーシング４Ａ内に流れる流体の一部は旋回羽根２によって旋回し、他の一部は隙間Ｓを直進する方向に流れる（図３の点線矢印Ｆ１）。その際、旋回する流体Ｆ２は直進する流体Ｆ１よりも遅れて下流側に流れ、後から直進してくる流体と合流するため、そこで混合効果が生じる。また、直進する流体Ｆ１と旋回する流体Ｆ２とが衝突することによって、流体の分散・混合効果を発揮することができる。さらに、直進する流体Ｆ１の一部が、途中で旋回羽根２の旋回流Ｆ２へと流れ込む場合もある。その場合、直進してきた流体Ｆ１が、旋回羽根２の先端部を乗り越えるようにして旋回羽根２の中に流れ込む（点線矢印Ｆ３参照）。それによって旋回羽根２の内部で渦が発生し、旋回羽根２に沿って流れている流体との速度も流れの方向も異なるため、更に分散・混合効果を増加させる。

旋回羽根２と配管内壁との間に隙間Ｓを形成した状態で、旋回羽根２の先端部外径Ｌ１を分散エレメント３に形成された複数の通孔３ａの、半径方向の最大幅Ｌ２よりも大きくし、旋回羽根２に対向するエレメント３Ａの通孔３ａを旋回羽根２の外縁より狭い範囲内に形成しておくことで、隙間Ｓを直進してくる流体Ｆ１が、直接分散エレメント３の通孔３ａには通らず、対向する分散エレメント３の外周付近に一度衝突した後に分散エレメント３の中心側へと流れていくことになる。これによって、分散エレメント３の直前で流体をかき回すことになり、より分散・混合効果を得る事ができる。

旋回羽根による予備混合において混合媒と混合質との混合の度合いを高めるには、流れの分岐・合流が多いことが望ましい。そのような目的に適した簡易な手段として、上記の隙間Ｓのほかに、図３に示すように、旋回羽根に多数の孔２ｅを穿設することができる。

ケーシング４Ａは、図４に示すように、フランジ４１ｇを介して、上流側配管１０が接続される。上流側配管１０には、流体を混合する混合部としての管１１が設けられている。

図５は、ケーシングの他の実施形態を示しており、ケーシング４Ｄの周壁に、ケーシング４Ｄ内に通じる側管１２が突設されている。側管１２は、図５に示す如く旋回羽根２の周囲で旋回羽根２の上流側に形成されている。

図６はケーシングの更に他の実施形態を示しており、そこでは、ケーシング４Ｅは、流入口４ａと旋回羽根２の流入口側端面との間に空間Ｘが形成され、空間Ｘに開口するように側管１２が設けられている。

図７はケーシングの更に他の実施形態であって、図６のケーシングの変更態様を示しており、そこでは、側管１２Ａがケーシング４Ｆに傾斜状に形成され、側管１２Ａに混注管１３が挿入されて流路中心部まで延びており、混入されるべき流体を流路の中心付近に供給することができる。混注管１３は、図７に示されているように、混入されるべき流体を配管中心（旋回羽根２の軸心位置）で流路に平行に供給できるよう、混注管１３の先端部を流路と平行となるように形成することが好ましい。

図８は、静止型分散システムの他の実施形態を示している。図８の静止型分散システム１Ｇは、旋回羽根２を収容するケーシング４Ｘと、分散エレメント３を収容するケーシング４とが、別々のケーシングで構成されている。

図９は、図８に示された静止型分散システムの変更態様であり、そこでは、旋回羽根２を収容するケーシング４Ｘと分散エレメント３を収容するケーシング４との間に、ギャップを形成するための継手管１５が介在されている。このギャップ形成用の継手管１５を種々寸法を用意しておくことで、分散されるべき流体の粘度や流速等に応じて適切な寸法の継手管を交換可能とする。

図１０は、他の形態の旋回羽根を示している。この旋回羽根２Ａは、両端に円錐部を備えた略円柱状本体の周囲に螺旋状の溝２ｂが形成され、両端の円錐部に適宜設置されたステイ２ｃによってケーシング４Ｉ内に支持される。

上記構成を有する静止型分散システムによれば、分散媒に分散質を分散させる場合に、分散されるべき流体は、分散媒中に分散質が偏倚した状態で送られてきても、分散エレメント３の上流側配管内において旋回羽根２が分散質中の分散媒を円周方向に旋回させるので、分散媒中の分散質の偏倚状態が解消され、分散媒中に分散質が拡散した状態で分散エレメント３に送られる。その結果、分散エレメント３の分散機能を、分散エレメント３の入口付近から終端部に至るまで有効に作用させることができる。また、このことによって、分散エレメント３のエレメント数を減らすことが可能となり、分散器における圧力損失の低減をもたらすことができる。さらに、旋回羽根２は、分散されるべき流体に旋回流を与える一方、流体の圧力損失が少ないため、分散エレメント３の分散性能を損なわずに、分散質の偏倚を防止する。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲において、種々の変更が可能である。

１，１Ａ〜１Ｉ 静止型分散システム
２ 旋回羽根
３ 分散エレメント
３Ａ，３Ｂ エレメント
３ａ 通孔
Ｇ ギャップ
Ｓ 間隙

Claims (3)

1. 流路内に固定されて該流路内に旋回流を発生させるための旋回羽根と、
   前記旋回羽根の下流側流路内に設けられ、複数の通孔を有するディスク状のエレメントの複数枚が積層された分散エレメントであって、分散されるべき流体が前記エレメントの各々を通過する毎に分割されるように前記通孔が配設された前記分散エレメントと、を備え、
   前記旋回羽根の縁部と前記流路の内壁面との間に、所定の間隙が設けられ、
   前記旋回羽根に対向する前記エレメントは、対向する該旋回羽根の外縁に相当する領域より狭い領域内に、前記通孔が形成されていることを特徴とする静止型分散システム。
2. 前記旋回羽根と前記分散エレメントとの間に、所定のギャップが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の静止型分散システム。
3. 所定寸法及び所定配列の複数の孔が前記旋回羽根に穿設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の静止型分散システム。

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