JP2013212508A - 静的混合要素 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、上述の静的ミキサに改良を施し、その改良によって、比較し得るあるいは改善された混合効率において、より少ない圧力損失が達成され得るようにすることである。
【解決手段】空洞体(１０)に組み込むための静的混合要素は多数のバー要素を含んでおり、少なくとも１つの第１のバー要素(３)を有する第１の構造体(２１)が備えられているが、当該第１の構造体(２１)は、少なくとも１つの第２のバー要素(４)を含む第２の構造体(３１)に対して交差して設けられている。第１の構造体(２１)と第２の構造体(３１)は、主流方向に対して０度ではない角度を結んでいる。第１の構造体は第２の構造体と、０度より大きな角度を結んでいる。主流方向に対して直交する投射平面に、第１の構造体(２１)と第２の構造体(３１)とを投射する際、互いに隣接するバー要素の間に、少なくとも部分的な中間室がある。
【選択図】図５

Description

本発明は、請求項１の、おいて書きに記載の静的混合要素に関する。本発明はまた、当該混合要素を含む静的ミキサにも関連する。

特許文献１の従来技術から静的混合装置が知られており、当該装置は管状のハウジングから成り、当該ハウジング内に設けられた少なくとも１つの混合要素を含んでいる。混合要素は、管の軸に対して角度を有する、交差するバーから成る。混合要素のバーは、少なくとも２つのグループに設けられている。それぞれのグループ内のバーは、ほぼ平行に向けられている。１つのグループのバーは、他のグループのバーと交差している。

特許文献２には、特許文献１とは異なって、交差する点の領域で互いに重なり合う交差バーを有する、静的混合装置が示されている。特許文献２において鋼板の棒として形成されているバーの局部的な広がりは、強化および／あるいは隣接するバーの形状接続的な連結の形成に役立っている。当該広がりには、隣接する鋼板の棒を受け入れるノッチが切り込まれている。

特許文献３には、静的混合装置の一部であるモジュールが示されており、当該静的混合装置は、滞留時間に支配され、可塑的に流動可能な混合されるべき材料のために備えられている。当該装置は管状のハウジングを有し、当該ハウジング内にバーが設けられている。バーは、ハウジングの長手軸に対して傾斜している。当該バーは、長手軸に対して垂直なほぼ直線上で交差する。モジュールは、ハウジングに挿入可能なスリーブを有している。混合されるべき材料を導く、静的混合装置の内壁は、スリーブの内側によって形作られている。バーはトゲ状に形成されており、それぞれその頂部は混合されるべき材料の移動方向とは反対を指し、かつ、基底部はスリーブの内側に固定されている。各先端部は、装置の内壁に対して中間室を形作る。

1979年の特許文献１に記載のミキサの開発は、層流する溶媒のための静的混合技術の予期せぬ改善を見せた。それ以来、当該ミキサはその有効性を証明し、大部分は粘性の高い溶媒を用いた応用の非常に広い領域において成功裏に使用されている。その後に続く、ほぼ３０年間に、当該ミキサの改良が再三再四試みられた。しかしながら、多大なる浪費にもかかわらず、付随的な改良のみが達成され得ただけであった。特許文献４では、手が加えられた凹型のバー断面を有する、変更されたミキサが保護された。独立した測定(非特許文献１)では、従来技術に対して、変更された当該静的ミキサの圧力損失と混合効率に関して、ほんの僅かな違いしか出なかった。最近発表された文献(非特許文献２)では、様々な技術による混合効率と圧力低下の改善のために、特許文献１に記載の従来技術の多くの修正が検証された。当該文献においてはまた、特許文献４の混合要素も計測された。Liuは、混合効果が同じかあるいはいくらか悪い場合に、１５％少ない圧力低下を得た。しかもバー断面をさらに変化させることによりLiuは、特許文献１のミキサに対して圧力損失が７.５％減少した場合、いくらか高い混合効果を達成した。特許文献１のミキサと類似した構造の、静的ミキサの混合動作の改良と検証のための作業の、このような例は、今日に至るまで、層状のミキサの混合効率と圧力低下における本質的な改良がなされ得なかったことを示している。

スイス国特許第642564号明細書 独国特許第4428813号明細書 欧州特許出願公開第0856353号明細書 米国特許第6,467,949号明細書

M.Heniche外３名、「American Institute of Chemical Engineers」(米国)、第５１巻、第１号、2005年1月 S.Liu、マクマスター大学博士論文、2005年

驚くべきことに、上の記述が当てはまらない、それどころか記述とは逆の、静的混合要素を見つけることができる。本発明に係る混合要素によって観察される、類似のあるいは改善された混合効率における明らかな圧力低下の減少は、本発明に係る混合要素によって達成され得るものであり、技術的な突破口である。

本発明の課題は、上述の静的ミキサに改良を施し、その改良によって、比較し得るあるいは改善された混合効率において、より少ない圧力損失が達成され得るようにすることである。

当該課題は、以下に規定される静的混合要素によって解決される。

本発明に係る静的混合要素は幅寸法Ｄｂを有し、ほぼ等しい幅寸法Ｄｂを有する空洞体に組み込むのに適している。静的混合要素は、多数のバー要素を含んでおり、少なくとも１つの第２のバー要素を含む第２の構造体に対して交差して設けられている第１の構造体は、少なくとも１つの第１のバー要素を含んでいる。第１の構造体と第２の構造体は、主流方向に対して０度ではない角度を結んでいる。第１の構造体と第２の構造体は、０度より大きな角度を結んでいる。主流方向に対して直交する投射平面に、第１の構造体と第２の構造体とを投射する際、互いに隣接するバー要素の間に、少なくとも部分的な中間室がある。混合要素の幅寸法Ｄｂの方向において測定された、バー要素の幅Ｈの相対的な総和ｚは、混合要素の幅寸法Ｄｂの９５％よりも小さい。

さらなる特徴は、静的混合要素、および本発明に係る静的混合要素を含む静的ミキサの有利な実施形態に関する。

主流方向は好ましくは、混合要素が受容されている空洞体の長手軸方向にある。第１の構造体と第２の構造体とによって交差箇所が形成され、当該交差箇所の近傍に間隔要素が形成されていてよい。間隔要素は、少なくとも１つのバー要素を局部的に厚くし、あるいは幅を広くしたものとして形成されていてよい。バー要素の数は、投射平面において４から１０となり得る。有利には、１つの構造体につき少なくとも２つのバー要素が備えられている。第１と第３のバー要素は、第１の平面にある、バー要素の第１の構造体の部分である。第２と第４のバー要素は、第２の平面にある、バー要素の第２の構造体の部分である。第１の構造体のバー要素の少なくとも一部は、第１の平面に対して、ずらされて設けられている第３の平面に設けられている。選択的にあるいは補足的して、第２の構造体のバー要素の一部は第４の平面に設けられており、当該第４の平面は第２の平面に対して、ずらされて設けられている。バー要素は幅(Ｈ)を有している。空洞体の直径(Ｄ)に対する比率における、投射平面のバー要素の幅(Ｈ)の総和(ΣＨｉ)は、以下に規定される大きさｚによって設定される。大きさｚは、特に９５％よりも小さく、好適には８５％よりも小さく、特に７５％よりも小さく、特に好ましくは６５％よりも小さい。静的混合装置は静的混合要素を備え、かつ、当該静的混合要素を受容するために空洞体あるいはスリーブを備えている。静的混合要素は空胴体あるいはスリーブに固定されていてもよく、静的混合要素と空胴体あるいはスリーブは、１つの部材から成っていてもよい。

静的混合要素は、第１の平面と第２の平面との交線の領域および／あるいはバー要素の端の少なくとも一部の領域において、空洞体あるいはスリーブの内壁に固定され得る。

前述の実施例の１つによる静的混合要素は好ましくは、層流する溶媒特にポリマー溶融物あるいはその他の高粘性の流体のために用いられる。

次に、本発明を図面に基づいて説明する。

従来技術による静的混合装置の図である。 第１実施例による、本発明の静的混合要素の図である。 本発明に係る静的混合要素の第２の実施例の図である。 本発明に係る静的混合要素の第３の実施例の図である。 本発明に係る混合要素の圧力低下と混合効率の結果を様々な設計ヴァリエー ションで、特許文献１の従来技術と比較したグラフである。 局部的に厚くなり幅が広くなった間隔要素との交差領域の詳細図である。

図１は、空洞体１０内に互いに連続して設けられている４つの混合要素を示している。連続する混合要素２は、回転軸として機能する空洞体軸８を中心に、９０度の角度で互いに回転してずれている。空洞体１０を貫流する流体の主流方向は、空洞体軸８の方向にある。各混合要素は、交差する２つの平面(５,６)に設けられているバー要素(３,４)の構造体から成る。バー要素の構造体は、実質的に１つの平面にあるバー要素の数を特徴付ける。第１の平面５はバー要素３の第１の構造体２１を含み、第２の平面６はバー要素４の第２の構造体３１を含んでいる。第１の平面と第２の平面(５,６)は、互いに対して角度を成して設けられており、その結果、バー要素３の第１の構造体２１は、バー要素４の第２の構造体３１と交差する。隣接するバー要素は、バー要素の幅(Ｈ)の総和が管の直径(Ｄ)と等しいように、互いに並列して存在している。この場合、バー要素は、直接互いに隣り合っている。当該実施例に従えば、流動するそれぞれの流体分子は、当該流体分子が主流方向に沿って流動するという理想的な想定の下で、バー要素に衝突する。それによって各バー要素は、流動する流体分子の障害物となり、その結果、当該流体分子がバー要素に衝突する前に、流体分子の方向転換が生じる。このため静的混合要素の内部においては、流体分子が主流方向に流動するという想定はもはや当てはまらない。流体分子が主流方向から方向転換することによって、流体の流れが混ざり合う。結果として、主流方向からの転換が増加することにより、混合作用が増すことになる。しかし、流体分子が主流方向からますます方向転換すれば、一般的には圧力の損失が大きくなる。

貫流断面にできるだけ障害物がなければ、圧力損失が減ることは一般的に知られているため、圧力損失を減少させるために流れの中に障害物がないようにすることを想到すると思われる。しかしそうなると、混合する距離が同じだと、よりうまく混ざり合わないことが考えられるであろう。なぜならば、従来の見解によると、流体分子は、ほとんど方向転換されることなく、障害物をなくすことで生じる間隙を貫流するからである。すなわち、他の流体分子と混合することなく、ほぼ主流方向に流れるからである。驚くべきことに、当該記載が当てはまらない、図２に記載のバー要素の構造を見つけることができる。空洞体１０に取り付けるための、本発明に係る静的混合要素２は、多くのバー要素を含んでいる。第１のバー要素３と第３のバー要素１３は、第２のバー要素４と第４のバー要素１４に対して相対的に、交差して設けられている。第１のバー要素３と第３のバー要素１３とは、バー要素の第１の構造体２１を形成する。第２のバー要素４と第４のバー要素１４とは、バー要素の第２の構造体３１を形成する。

バー要素は、たとえば管として、あるいは板状、円盤状、あるいは横木状の要素として形成されていてもよい。バー要素の断面は角がなくてもよく、たとえば円形あるいは楕円形の断面を有していてもよい。断面は角があってもよく、すなわちたとえば長方形あるいはひし形の断面を有していてもよい。角と角とを結ぶ線は直線でもあるいは曲線でもよく、特に、たとえば欧州特許第1305108号明細書で実現されているような凸型でも凹型でもよい。バー要素は、属する構造体から少なくとも部分的に突き出ていてもよく、たとえば波型をした構成を有していてもよい。この場合、前述の、構造体の平面は、中間平面として理解され得る。

さらにバー要素は、構造体の方向において、すなわち対応する平面においてあるいは中間平面と平行に、不規則な構成、たとえば起伏のある表面を有してよい。この場合、バー要素の幅Ｈは、バーの長さにわたって平均された、バー要素の幅として規定されている。構造体内部においては、個々のバー要素は互いに平行に延びる必要はなく、同じ構造体の他のバー要素に対して角度を有していてもよい。

本発明の驚くべき効果は、列挙されたそれぞれのバー要素の断面で、かつ、それぞれのバー要素の形状で見られ、それゆえバー要素の断面や形状とは、ほとんど関係がない。主流方向に対して直交する、すなわち覆っている空洞体１０の長手軸８に対して直交する平面に、２つの構造体２１および３１を投射すると、図１の構造体２１および３１のバー要素は、投射において同一平面上に互いに隣接して存在する。すなわち上記のように投射されたバー要素の間には、中間室が見えない。それに対して、図２から図４の実施例の１つに同様の投射を行うと、バー要素の間にそのような中間室が存在する。

図２は空洞体１０の半径方向の断面図を示しており、当該図においてまさに、バー要素３,１３もしくはバー要素４,１４の投射図が示されている。この図ではバー要素は幅(Ｈ)を有し、互いに間隔(ａ)をあけており、特に好ましい当該実施例では、隣り合うバー要素の幅(Ｈ)と間隔(ａ)は等しい。本発明の驚くべき効果はまた、間隔(ａ)および／あるいは幅(Ｈ)が互いに異なる場合にも現れる。

図３は、本発明に係る混合要素の第２の実施例を示している。図３で表されているように、構造体の全てのバー要素が実質的に同一の平面にある場合、あるいは図４で表されているように、全てのバー要素が、実質的に平行で、長手軸の方向にややずれている平面にある場合に、多数のバー要素はバー要素の１つの構造体を形作る。バー要素の１つの構造体は、図３の実施例によれば、２つもしくは３つのバー要素から成っている。この場合、平面５にある、バー要素の第１の構造体２１は、２つのバー要素３および１３とから成っている。平面６にある、バー要素の第２の構造体３１は、バー要素４,１４,２４から成っている。第１の構造体と第２の構造体とによって、交差する２つの平面５および６が張られている。第１の平面５と第２の平面６とは、互いに角度を成して設けられており、その結果、第１の平面５にあるバー要素は、第２の平面６のバー要素と交差し、かつ、交線７を形成する。

空洞体の直径に関する相対的な、バー要素の幅(Ｈ)の総和ｚには、図２に従えば、次の数式が適用される。

バー要素の幅がすべて等しければ、ｚには次の数式が適用される。

このときＮは、第１の構造体２１のバー要素と、第２の構造体３１のバー要素との総和である。好適には構造体の最も外側のバー要素は空洞体の内壁に接するか、あるいは内壁に対して場合によっては、ほんの僅かな距離を有する。

空洞体の直径は、ここでは特に、円形の断面をもつ空洞体として記載されている。空洞体は、楕円形、多角形、特に長方形、あるいは正方形の断面を有していてもよい。直径の代わりに、ｚに幅寸法Ｄｂが用いられ、幅寸法Ｄｂには次の関係が適用される。

あるいは、バー要素の幅と間隔がそれぞれ等しければ、次の関係が適用される。

上記と同じ意味で、ｚには次の数式が適用される。

空洞体の幅寸法Ｄｂは、製造公差と取り付け公差を無視して、ほぼ混合要素の幅寸法Ｄｂに相当する。本発明に従えば、いずれの場合にも、ｚ＜９５％、好適にはｚ＜８５％、特にｚ＜７５％、特に好ましくはｚ＜６５％である。本発明に従えば同時に、主流方向に対して垂直に平面に投射される、交差する２つの構造体のバー要素の面積の総和は、いずれの場合にも平面の全断面の９５％より小さく、好適には全平面の８５％より小さく、特に全平面の７５％より小さく、特に好ましくは全平面の６５％よりも小さくなっている。好適には、バー要素の数Ｎは、最小で４、最大で１０となっている。当該公式においては通例の製造公差あるいは取り付け公差は考慮されていない。バー要素が空洞体の内壁に接しないならば、あらかじめ完成された多数の混合要素を簡単に取り付け、取り外しすることができる。場合によっては、混合要素が熱で伸長するが、これは稼動中はほとんど回避できない。バー要素が空洞体の内壁に直接接合されている場合、流動する溶媒や、混合要素の構造上の形態によっては、周辺領域でデッドゾーンが形成されかねない。この理由からも、既に特許文献３で説明されているように、空洞体の内壁とバー要素の少なくとも一部との間に僅かな間隔を備えておくことが好ましいかもしれない。

さらなる実施例は、図４で示されている。図３とは異なり、第１の構造体２１の全てのバー要素(３,１３,２３)が１つの平面５に存在するわけではなく、バー要素の一部は、ほぼ平行で長手軸方向に少なくとも少しずらされている平面５’に存在する。

コストのかかった研究において、静的混合要素を説明する幾何学パラメータが体系的に変化させられ、結果として生じた、圧力損失と混合効率に関するミキサの特性が、評価された。

様々な長さの静的ミキサが、圧力損失に関して互いに比較され得るように、最適化された場合にミキサの長さ毎の圧力損失が計算された。

平面Ａでの混合の質は、変動係数ＣｏＶによって説明される。当該変動係数ＣｏＶは、Ａにおける濃度の平均値ｃバーによって規定された、Ａにおける濃度分布の標準偏差として定義される(次式参照)。

混合の質がよりよい場合、ＣｏＶはより小さくなる。様々なミキサを比較すると、ミキサに対する分布が同じ場合、すなわちＣｏＶが同じ場合の所与のミキサの長さに関して変動係数ＣｏＶの減少が決定付けられた。所与の長さに応じて、より小さなＣｏＶを有するミキサが、よりしっかりとあるいはよりよく混合する。

当該研究の結果は、交差するバー要素の間に間隔(ａ)を有する混合要素が、非常に有利な特性を持つことを示している。間隔(ａ)は好ましくは、バー要素の幅(Ｈ)とおよそ同じ大きさである。それによって、所与の長さに応じて、混合の質が同様および／あるいはよりよい場合に、装入量と流入断面が同じであれば、圧力損失は従来技術に対して、はるかに減少され得る。混合の質が同じ場合、圧力損失は２分の３あるいはそれ以上の減少が可能である。

図５は、様々な実施ヴァリエーションにおける、ミキサの長さ毎の圧力損失、および本発明に係る混合要素の所与のミキサの長さに応じた混合の質に関して、特許文献１に記載の従来技術と比較した当該研究の結果を表している。この図において、横座標では相対的に従来技術の圧力損失に対する圧力損失が記され、縦座標では相対的に所与のミキサの長さに応じた従来技術の混合の質に対する、同じミキサの長さに応じた混合の質が記されている。単独の点１９は、従来技術の相対的圧力損失と混合の質の変数ペアに相当する。図ではその変数ペアが座標(１,１)に規定され、これに従えば、本発明に係る相対的圧力損失は、従来技術の圧力損失の２０％から８０％の間になっている。所与のミキサの長さに応じたＣｏＶは、従来技術の値の７５％から１２５％の間となっている。グラフ２０の線は、圧力損失がはるかに減少し、しかも混合の質の著しい改善が達成可能、特にＣｏＶが７５％から１００％の間で到達可能であることを明確に示している。これに関して、上記の定義に従えば、ＣｏＶがより小さければ混合の質がよりよいものとなることを、再度記しておく。適した設計によって、相対的圧力損失は、従来技術の圧力損失の２／３以上減少可能である。別のヴァリエーションでは、所与のミキサの長さに応じた混合の質は、特許文献１に記載の従来技術に対して２０％まで改善可能であり、同時に圧力損失の削減は、特許文献１に記載のミキサによる削減に対して５０％以上にまで達成可能である。図３に記載された混合要素は、グラフにおいては、従来技術より圧力損失がおよそ６０％少ない点に相当し、同時に、同じミキサの長さでは混合の質が２０％改善された点に相当する。

図３と図４の実施例に従えば、少なくとも部分的な間隔要素(１５,１６)が、隣接するバー要素の間に設けられている。間隔要素によって、バー要素の取り付けが可能となり、あるいは容易となり得る。さらに間隔要素は、静的混合要素の安定性を高めるのにも役立っている。このとき間隔要素は、バー要素とたとえば溶接によって接合され得る、あるいは局部的に厚くなったあるいは幅が広くなった形状で実施され得る、分離した部材であってよい。バー要素の壁近傍の領域でそのように幅が広くなっている例は、図６で表されている。

図６は、局部的に厚くなり幅が広くなった形状の間隔要素１５,１６と、２つのバー要素３,４との交差領域の詳細図を示している。当該厚み部は、２つのバー要素を互いに接合するのに役立っている。厚み部は、実質的に、交差領域に限定されている。厚み１６は単にバー要素との局部的な接合を表しているため、場合によっては流れに対してあまり影響がない。

１ 静的混合装置
２ 混合要素
３ バー要素
４ バー要素
５ 第１の平面
６ 第２の平面
７ 交線
８ 空洞体軸
１０ 空洞体
１３ バー要素
１４ バー要素
１５ 間隔要素
１６ 間隔要素
２１ 第１の構造体
２３ バー要素
２４ バー要素
３１ 第２の構造体
Ｄ 空洞体の直径
Ｈ バー要素の幅
ａ 間隔

Claims (1)

1. 本願明細書に実質的に記載される静的混合要素。