JP3203174B2 - 高粘度液処理兼高速度液体処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、横型平行２軸にそれぞ
れ攪拌翼を取り付けてケーシング内に収容し、該ケーシ
ング内の被処理液をこれら平行２軸の回転により攪拌す
る液体処理装置、特に、粘性が高く、かつ、攪拌に伴な
う高せん断発熱を避ける必要のある各種液体の反応操
作、混合、攪拌その他各種の処理を行う高粘度液処理兼
高速度液体処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の高粘度液の攪拌装置として、攪
拌翼の外周端が描く軌跡に合せた２つの接合した円弧形
底部をもつケーシングを横形に設置し、このケーシング
内に平行２軸を貫通するように横架し、これらの軸に多
段状の攪拌翼を互い違いに重なるように取り付け、前記
平行２軸を互いに逆方向に回転させて攪拌翼に追従した
液流を生じさせ、さらに両側の攪拌翼の重なり合う部分
で液体間にせん断作用を与えて攪拌を行う構造のものが
知られている。１段当りの攪拌翼の羽根の枚数として
は、両側の攪拌翼とも同数とした６枚または４枚の羽根
をもつもの（例えばＰＣＴ／ＥＰ８７／００７３６号国
際出願）あるいは両側の攪拌翼の羽根枚数を変えて一方
を３枚の羽根、他方を６枚の羽根で構成したもの（例え
ば特開平３−１５１０３３号特許公報）等がある。いず
れも軸方向で見て攪拌翼が軸間で部分的に重なるように
し、かつ、その平行２軸を前記攪拌翼が軸間で上方から
下方へ、または下方から上方へ、噛み込むように互いに
逆回転させる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】高粘度液の攪拌処理
は、熱収支、せん断強度およびケーシング内での対象液
からの物質移動作用が重要な要素となる場合が多い。ま
ず、熱収支に関しては、一般に高粘性流体を対象として
反応、脱揮あるいは混合等各種の操作をケ一シング内で
達成しようとする場合、対象高粘性液を前記ケ一シング
内で良好に流動させるために大きなエネルギーの投入
（攪拌力）が必要とされ、せん断熱（攪拌熱）が発生す
る結果となる。したがって、ケーシング内の対象液を所
定の温度に保持するためには何らかの手段でせん断に伴
なう攪拌熱の除去が必要となる。通常、ケーシングは外
部から冷却するようにしているが、このケーシングの外
側部に取り付けられた冷却ジャケットによる内部の液温
制御、徐熱操作に着目すると、対象とする液が高粘度液
である場合、以下の点で技術的な困難が伴なう。 （ａ）高粘度液の場合、冷却面となるケーシング壁面で
の液側の境膜伝熱係数は非常に小さな値となり、冷却ジ
ャケットによる伝熱性能は極端に悪化する。 （ｂ）ケーシングの大形化に伴ない単位液量当りの伝熱
面積が減少する。伝熱係数そのものには変化がなくても
総合的には徐熱性能が低下することになる。 （ｃ）また、発熱を伴う反応操作の場合、攪拌熱に加え
て反応熱の除去も必要となり、上記の如く困難な状況に
もかかわらず益々徐熱負荷は大となる。

【０００４】次に、せん断強度（攪拌強度）について
は、前述の如く発熱の原因となるものの、以下のような
対象液の目的操作によっては必要不可欠である。 （ａ）各種の添加剤、コンパウンド等の均一分散を目的
とする混合操作、 （ｂ）極端に粘性の異なる２種以上の液体の均一混合操
作、 （ｃ）非相溶性の液体どおしの均一混合、 （ｄ）反応特性上、強いせん断度を必要とされる系の操
作、 （ｅ）液から固体への相変化を伴う場合、 （ｆ）以上のようなものの組み合せの操作。 一般に、液物質の移動のみでなく上記の如き無機、有機
材料のアロイ化、ブレンド、コンパウンディングと称さ
れる操作が関与する操作領域には高せん断特性が有効に
機能する。

【０００５】液物質移動操作は、特に次の２代表例のよ
うな処理には必要不可欠である。 （ａ）重縮合反応操作 例えば原料ＡとＢから目的の製品Ｃを得る場合、反応副
成物Ｄが生成されるとする。反応速度を速めるためには
高粘度化する操作液中から効率よく物質Ｄを離脱させる
必要があるが、このためにも攪拌に伴なう物質移動速度
を高めなければならない。 （ｂ）脱揮処理 未反応物や溶剤等を高粘性液中から除去、分離するため
にも物質移動は必要である。

【０００６】一般に高粘度液の場合、物質移動速度は極
めて遅く、除去対象物を積極的に気液界面に晒す必要が
ある。この点、前述した平行２軸の横形攪拌装置は一般
の垂直攪拌翼を持つ槽型に比べ液量当りの気液境界面積
が大きくとれるので有利であり、さらに、攪拌操作によ
り液体を流動させて気液界面の液を入れ替える（表面更
新）ことにより、飛躍的に物質移動量は増大する。

【０００７】上述した特開平３−１５１０３３号公報に
開示された従来の高粘度液処理装置は、物質移動を目的
とした操作に優れ、また攪拌翼の各羽根の面積も広く、
２軸の軸間での羽根の重なり領域も大きいので、高せん
断特性を必要とする処理には極めて有効である。

【０００８】しかし、高せん断特性を必要としない系、
用途に対しては、ただ単に余分な動力消費を伴なうせん
断発熱を招くのみである。高粘度液に対する伝熱性は前
述のとおりであり、攪拌熱の増大に追従できる徐熱性能
は得られない。したがって、現実的には、上記従来の高
粘度液処理装置は、運転操作範囲が熱収支とバランスす
る範囲に制約されることになる。つまり、内部液温度の
安定維持が困難であるため、徐熱能力を上まわる攪拌熱
が発生するような攪拌回転数以上では運転できない。

【０００９】物質移動速度は攪拌回転数に比例するの
で、攪拌熱収支の問題がなければ攪拌回転数を上げ、表
面更新速度を増大することにより、物質移動速度を上昇
せしめ、所望の操作を効率よく達成したいが、従来の高
粘度液処理装置では高せん断特性という付加機能が付随
するため運転条件が制約され、本来の性能が発揮できな
いという問題があった。

【００１０】本発明は、せん断強度を低減することによ
り、従来より高い回転数での運転を可能にすることによ
って表面更新特性を高めて、処理速度を向上させ得る高
粘度液処理装置を提供することにある。

【００１１】本発明はまた、高せん断特性を必要とせ
ず、かつ、高い物質移動が要求される処理液に有効に適
用でき、単位消費動力も少ない高速度液体処理装置を提
供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明による高粘度液処
理兼高速度液体処理装置は、ケーシングの両端部に平行
２軸を横架し、これらの軸に夫々多段状の攪拌翼を、前
記平行２軸の相対的な回転により軸方向から見て部分的
に重なるように取り付け、かつ、前記ケーシングの外部
に前記２軸の回転駆動部を設けた液処理装置において、
前記平行２軸に取り付けた前記攪拌翼の各羽根の重なり
面積を減少させることにより、高粘度液による機械的な
羽根強度を損なわないように、前記各羽根の形状を、羽
根外周部 が周方向に巾広に長く伸びた扇形の花弁状羽根
の外周部を、ほぼ三角形状に切除した形状にするととも
に、各羽根の板面中央に羽根外形にほぼ沿った多角形状
の、軸方向に貫通する貫通孔、または各羽根のほぼ中央
に一個の円形の、軸方向に貫通する貫通孔を形成したも
のである。

【００１３】

【実施例】次に、本発明を実施例について図面を参照し
て説明する。図１は本発明の１実施例に係る高粘度液処
理装置の平面図、図２は図１のＸ−Ｘ線側面断面図であ
る。ケーシング１は後述の攪拌翼の外周縁が描く軌跡に
合せた２つの円弧状の底部１ａを有し、また上部は前記
攪拌翼との間に間隔を置いて平板または略半円形の蓋体
が取り付けられて密閉されるようになっている。ケーシ
ング１は横置或いは若干傾斜させた状態に機台上に設置
され、その長手方向両端部１ｂ、１ｂには、低速軸２と
高速軸３が互いに平行に横架され、これらの軸２、３は
端部がケーシング１の端部から突出し、かつ、矢印Ｐ、
Ｑで示すように互いに反対方向に回転するようにケーシ
ング外部の駆動源（図示省略）に連結されている。各軸
にはそれぞれ軸方向に多段となった攪拌翼、即ち、第
１、第２の攪拌翼４、９が装着されている。各攪拌翼
４、９の各羽根５、６には後述する貫通孔１０、１３が
形成されている。

【００１４】低速軸２には、図３に拡大して示されるよ
うに、１段当り６枚の先端が尖った羽根５が周方向に等
間隔に固着されている。この実施例の各羽根５の形状
は、例えば従来の、特に特開平３−１５１０３３号に示
された羽根外周部が攪拌翼の外端が描く軌跡に沿って周
方向に巾広に長く延びた扇形の花弁状羽根の外周部分を
符号１１の斜線で示す如く略三角形状に切除した形状を
成している。従って、扇形花弁状羽根よりも羽根面積が
小さくなっている。ここで、攪拌翼４の１段当りの全羽
根の面積（軸部分を除く）は翼外径を直径とする円の面
積の１０〜３５％になっている。１例を挙げると、軸径
７０ｍｍ、翼外径１６４ｍｍの場合、１枚の羽根５の面
積は１１１９ｍｍ² であり、したがって羽根総数（６
枚）では翼外径円の面積２１１１３ｍｍ² に対して約３
２％である。なお、図３では各羽根５、６の板面の貫通
孔は図示省略してあるが、実際には各々の羽根５、６の
板面に軸方向に貫通した貫通孔が形成される。

【００１６】図１に明示されるように、低速軸２の各羽
根５の先端には、攪拌翼の各段と連結するように掻取り
棒７が固着されている。なお、場合によっては各段の攪
拌翼４の羽根位置を順次周方向にずらせて配置し、これ
によって掻取り棒７が全体として連続したスパイラル状
となるようにしてもよい。

【００１６】高速軸３には、同様に図３に拡大して示さ
れるように、１段当り３枚の先端が尖った羽根６が周方
向に等間隔に固着されている。この実施例の各羽根６の
形状は、羽根外周部が攪拌翼の外端の描く軌跡に沿って
周方向に巾広に長く延びた従来の扇形の花弁状羽根の外
周部分を符号１２の斜線で示す如く略三角形状に切除し
た形状を成しており、従って、扇形花弁状羽根よりも羽
根面積が小さくなっている。ここで攪拌翼９の１段当り
の全羽根の面積（軸部分を除く）は翼外径を直径とする
円の面積の５〜２０％になっている。１例を挙げると、
低速軸２の場合と同様に軸径７０ｍｍ、周外径１６４ｍ
ｍの場合、１枚の羽根６の面積は１２０４ｍｍ² であ
る。したがって、羽根総数（３枚）では翼外径円の面積
２１１１３ｍｍ² に対して約１７％である。

【００１７】図１に明示されるように、高速軸３の各羽
根６の先端には、攪拌翼９の各段と連結するように掻取
り棒８が固着されている。なお、場合によっては各段の
攪拌翼の羽根位置を順次周方向にずらせて配置し、これ
によって掻取り棒８が全体として連続したスパイラル状
となるようにしてもよい。

【００１８】図４（Ａ）、（Ｂ）は本発明に係る攪拌翼
と特開平３−１５１０３３号に示す従来翼における羽根
の重なり状況を比較して示したものである。同図（Ａ）
が本発明翼、同図（Ｂ）が従来翼の場合であり、いずれ
も最大重なり時の状態で示してある。また明瞭化のため
図４（Ａ）で各羽根の貫通孔は図示省略してある。従来
翼では斜線Ｒの重なり領域を占めているのに対し、本発
明の場合は最大の重なり部分は斜線Ｓで示す領域であ
り、前記従来翼の１／３近くに減少し、しかも各羽根の
根元部およびその近傍部分は従来と大差がないため、高
速回転による機械的な羽根強度も損なわれない。図７は
軸回転角に対する翼重なり面積の変化を、本発明の攪拌
翼と上記従来翼について示した図である。図中、白丸を
つなぐ曲線が本発明の場合、黒丸をつなぐ曲線が従来例
のものである。本発明の方が従来例と比較して重なり面
積の変化は穏やかであり、その分攪拌動力の変化も少な
くなる。

【００１９】図５（Ａ）、（Ｂ）は本発明における攪拌
翼の羽根形状の各種例を示した図である。図５（Ａ）で
は先端の尖った各羽根５、６の板面中央に羽根外形にほ
ぼ沿った多角形状の貫通孔１０、１３が形成され、軸間
の羽根の重なり部分では両側の羽根５、６の貫通孔１
０、１３が部分的に重なり、これによってこの部分の高
粘度処理液のせん断が小さくなり、せん断強度の低減が
もたらされる。図５（Ｂ）は各羽根５、６のほぼ中央に
円形の貫通孔１０、１３が形成された例である。なお、
図５（Ａ）、（Ｂ）の羽根５、６の輪郭外形は図２、図
３および図４（Ａ）の羽根外形と同じである。図６は、
高速軸３における各段３枚の羽根６による攪拌翼９で各
羽根の片側部６a を基部から先端へ向けて滑らかな円弧
形となった攪拌翼を示している。この場合も羽根６の先
端は従来翼より尖った形状であり、３枚合計の羽根総面
積（軸部分除く）は翼外径を直径とする円の面積の５〜
２０％になっている。

【００２０】図８は本発明の実施例による高粘度液処理
装置の回転軸と多段攪拌翼の関係を示す平面図であり、
図９は従来の高粘度液処理装置の同様な平面図である。
この実施例では、低速軸２に軸方向に４体の攪拌翼４が
等間隔で固着され、さらに各攪拌翼どおしが各羽根５の
先端で互いに掻取り棒７で連結されている。また高速軸
３の外周には軸方向に沿って８体の攪拌翼９が固着され
ている。高速軸側の攪拌翼９は図示のように軸方向に隣
接した２体づつが対となって各羽根６の先端で短い掻取
り棒８によって連結され、この対の攪拌翼とこれに隣接
する対の攪拌翼との間は連結されていない。この場合も
低速軸側と高速軸側とで攪拌翼４、９の１段当りの羽根
の数は低速軸２の方が多く、例えば低速軸側が６枚、高
速軸側が３枚となっている。高速軸側の１対づつの攪拌
翼９が低速軸側の隣接した攪拌翼４、４の間に入り込む
ように軸間部分で重なって回転するようになっている。
そして低速軸側の攪拌翼９とこれに隣接する高速軸側の
攪拌翼４の軸方向間隔δ₁は軸間距離Ｌの１０〜２０％
と広くなっている。低速軸側の攪拌翼９の軸方向間隔
（翼ピッチ）δ₂ は軸間距離Ｌのほぼ９０％である。

【００２１】これに対して図９の例に示す従来翼の場合
は、同じ軸径および軸間距離のものにおいて低速軸２側
の攪拌翼４は７段、高速軸３側の攪拌翼９は６対合計１
２体の翼構造となっており、低速軸側と高速軸側の隣接
した攪拌翼の軸方向間隔δ₁は軸間距離Ｌの約５％、低
速軸３の攪拌翼９の翼ピッチδ₂ は軸間距離Ｌの約６０
％になっている。このように本発明は両側の攪拌翼間の
隣接間隔δ₁ および翼ピッチδ₂ を広くとってあり、こ
れによってせん断強度が低減し、高速回転に伴なう攪拌
熱の上昇が防止される。

【００２２】なお上述の実施例では攪拌翼の各段の羽根
枚数を低速軸側で６枚、高速軸側で３枚としたが、本発
明はこの形態に限定されるものではなく、例えば低速軸
側が４枚、高速軸側が２枚の羽根としてもよい。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、平
行２軸にそれぞれ固着された攪拌翼の軸間での重なり領
域を減少させたことにより、高粘度液に対するせん断強
度が低減され、一定の攪拌消費動力に達する攪拌回転数
を従来よりも大幅に高くでき、また高回転数でも攪拌熱
の過大な上昇がなく、安定した槽内液温度の維持が図ら
れる。回転数を高くできることから、攪拌混合性能に加
えて気液界面の液表面更新頻度を増加させ、物質移動速
度の増大、処理能率の向上を達成できる。またこれによ
り、高粘度液の攪拌・混合処理だけでなく、例えば以下
に列記する製品の製造プロセス中におけるあらゆる種類
の重合反応工程、脱モノマー工程、脱溶剤あるいは脱触
媒工程、各種分離工程、冷却工程その他乾燥工程等各種
の処理操作において処理速度の向上を達成できる。

【００２４】上述の本発明の適用例に係る製品は以下の
通りである。 ａ．熱可塑性樹脂 高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ポリプロピ
レン、ポリ−４−メチルペンテン−１、アイオノマー、
ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ＡＢＳ樹脂、Ａ
Ｓ樹脂、ポリスチレン、メタクリル樹脂、ポリビニルア
ルコール、エチレンビニルアルコール共重合体、セルロ
イド、セルロースアセテートプラスチックス、 ｂ．熱硬化性樹脂 エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹
脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン樹脂、シ
リコーン樹脂、 ｃ．エンジニアリングプラスチックス ポリアミド樹脂、ポリアセタール、ポリカーボネート、
変形ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレ
ート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフェニレンス
ルフィド、ポリスルホン、ポリエーテルイミド、ポリエ
ーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイ
ミド、フッ素樹脂、 ｄ．ポリマーアロイ ＰＡ／ＰＰＥ、ＰＡ／エラストマー、ＰＡ／ＰＯ、ＰＡ
／ＡＢＳ、ＰＯＭ／エラストマー、ＰＣ／ＡＢＳ、ＰＣ
／ＰＢＴ、ＰＣ／ＰＥＴ、ＰＣ／ＰＭＭＡ、ＰＢＴ／Ａ
ＢＳ、ＰＢＴ／ＰＥＴ、ＰＢＴ／ＰＰＥ、ＰＰＥ／ＨＩ
ＰＳ、 ｅ．炭素繊維 ｆ．合成ゴム ＳＢＲ、ＮＢＲ、ＢＲ、ＩＲ、ＣＲ、ＥＰＭ、ＥＰＤ
Ｍ、 ｇ．熱可塑性エラストマー スチレン系、１、２−ＰＢ系、オレフィン系、ウレタン
系、エステル系、アミド系、塩酸化ＰＥ系、ＰＶＣ系、
ポリフルオロカーボン系、および、その他のＴＰＥ、 ｈ．無機材料 ｉ．液晶性プラスチックス ｊ．生分解性プラスチックス 乳酸系、脂肪族系他すべてを含む。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例による高粘度液処理兼高速度
液体処理装置の平面図である。

【図２】図１に示す実施例のＸ−Ｘ線に沿った側面断面
図である。

【図３】本発明の実施例に係る低速軸側および高速軸側
それぞれの攪拌翼の羽根形状およびその相互の重なり状
況を示す拡大正面図である。

【図４】本発明に係る攪拌翼と従来翼における羽根の重
なり状況を比較して示したものである。

【図５】本発明おける攪拌翼の羽根形状の各種例を示し
た図である。

【図６】先端をなめらかな円弧形とした高速軸側攪拌翼
を示した正面図である。

【図７】軸回転角に対する翼重なり面積の変化を、本発
明の攪拌翼と従来翼について示した図である。

【図８】本発明の実施例による高粘度液処理兼高速度液
体処理装置の回転軸と多段攪拌翼の関係を示す平面図で
ある。

【図９】従来の高粘度液処理装置の図８と同様な平面図
である。

【符号の説明】

１ ケーシング ２ 低速軸 ３ 高速軸 ４ 低速軸側攪拌翼 ５ 低速軸側攪拌翼の羽根 ６ 高速軸側攪拌翼の羽根 ７、８ 掻取り棒 ９ 高速軸側攪拌翼 １０、１３ 貫通孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−151033（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−218260（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−226072（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−44271（ＪＰ，Ａ) 特公 平６−104188（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B01F 7/00 - 7/32

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ケーシングの両端部に平行２軸を横架し、
   これらの軸に夫々多段状の攪拌翼を、前記平行２軸の相
   対的な回転により軸方向から見て部分的に重なるように
   取り付け、かつ、前記ケーシングの外部に前記２軸の回
   転駆動部を設けた液処理装置において、前記平行２軸に
   取り付けた前記攪拌翼の各羽根の重なり面積を減少させ
   ることにより、高粘度液による機械的な羽根強度を損な
   わないように、前記各羽根の形状を、羽根外周部が周方
   向に巾広に長く伸びた扇形の花弁状羽根の外周部を、ほ
   ぼ三角形状に切除した形状にするとともに、各羽根の板
   面中央に羽根外形にほぼ沿った多角形状の、軸方向に貫
   通する貫通孔、または各羽根のほぼ中央に一個の円形
   の、軸方向に貫通する貫通孔を形成したことを特徴とす
   る高粘度液処理兼高速度液体処理装置。