撹拌装置

【課題】反応容器内を複数段の反応室に区画することが出来るにも拘わらず、装置のコストの上昇を抑制することができ、メンテナンスの容易な撹拌装置を提供する。
【解決手段】反応容器11は、垂直円筒状胴壁21を有している。胴壁21の軸線上を垂直状回転軸26がのびている。回転軸26の長さ方向に所定間隔をおいた複数か所に、水平状第１円板31および第２円板32が交互に固定されている。両円板31、32のそれぞれの上面および下面の少なくともいずれか一方に、その周方向に間隔をおいて複数の撹拌羽33が固定されている。胴壁21内周面および第１円板31外周面間を反応物の流通を阻止する間隙となすように第１円板31外周面が形成されている。第１円板31外周面より半径方向内側に反応物流路34が形成されている。胴壁21内周面および第２円板32外周面間を反応物の流通を許容する間隙ｅとなすように第２円板32外周面が形成されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、バイオディーゼル燃料の製造工程における廃食用油のエステル分解反応において、反応物を撹拌する撹拌装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記エステル分解反応においては、廃食用油１単位とメタノール３単位から、カルボキシル基を有する炭化水素３単位とグリセリン１単位を生成する反応であり、可逆的な反応である。
【０００３】
この種の撹拌装置としては、反応容器が、垂直円筒状胴壁を有しており、胴壁の軸線上を垂直状回転軸がのびており、回転軸に撹拌羽が固定されているものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
また、他の撹拌装置としては、反応容器内が、容器胴壁内面に固定された仕切壁によつて、複数段の反応室に仕切られ、各段の反応室内に撹拌羽が配置されているものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
特許文献１に記載の撹拌装置では、反応物が反応容器に投入された時点で、反応容器内の反応物の濃度が常に均一化されるため、反応物の濃度を高い状態に保つことが困難である。
【０００６】
また、未反応の反応物が反応容器が排出されてしまうことがある。
【０００７】
特許文献２に記載の撹拌装置では、反応物が各段の反応室を順次通過させられることにより、徐々に反応物の濃度が低下させられせることにより、特許文献１に記載の装置の欠点は、解消されるが、仕切壁が容器胴壁内面に固定されているため、装置がコスト高となり、メンテナンスが困難である。
【特許文献１】実公昭６１−４０３３９号公報
【特許文献２】特開平４−２２５８２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明の目的は、反応容器内を複数段の反応室に区画することが出来るにも拘わらず、装置のコストの上昇を抑制することができ、メンテナンスの容易な撹拌装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明による撹拌装置は、反応容器が、垂直円筒状胴壁を有しており、胴壁の軸線上を垂直状回転軸がのびており、回転軸の長さ方向に所定間隔をおいた複数か所に、水平状第１円板および第２円板が交互に固定されており、両円板のそれぞれの上面および下面の少なくともいずれか一方に、その周方向に間隔をおいて複数の撹拌羽が固定されており、胴壁内周面および第１円板外周面間を反応物の流通を阻止する間隙となすように第１円板外周面が形成されており、第１円板外周面より半径方向内側に反応物流路が形成されており、胴壁内周面および第２円板外周面間を反応物の流通を許容する間隙となすように第２円板外周面が形成されているものである。
【００１０】
この発明による撹拌装置では、反応容器内を複数段に仕切るための円板が回転軸と一体化されているから、装置の解体およびメンテナンスが容易となり、コストの増加分を抑えることができる。
【００１１】
さらに、第２円板外周面に流れ抵抗強化用環状溝が設けられていると、溝によって、胴壁内周面および第２円板外周面間の間隙を通過する反応物の流れに渦を発生させて、流れの抵抗を大きくすることができる。
【００１２】
溝の幅は、第２円板の厚みの３分の１以上であることが好ましく、それ以下であると、渦が発生し難くなる。
【００１３】
また、第２円板外周縁部上面および下面の少なくともいずれか一方に複数の流れ抵抗強化用突起が間隔を置いて設けられていると、上記溝と同様に、突起によって、流れに渦を発生させることができる。
【００１４】
突起は、第２円板の周方向から見て、三角形であることが好ましく、このような形状であれば、流れを遮ることができる。突起の高さは、第２円板の厚みの２分の１程度であることが好ましい。
【００１５】
また、第２円板外周面に流れ抵抗強化用面粗さ部が設けられていることが好ましい。
【００１６】
面粗さ部は、第２円板外周面に細かい傷を無数に付けるように加工することによって形成される。
【００１７】
また、反応物流路の開口面積と、胴壁内周面および第２円板外周面間の間隙の面積とが、反応物入口の面積と等しくなされていることが好ましい。
【００１８】
双方の面積が等しくないと、対応するか所での反応物の流速が相違してしまい、反応物が過剰に混合してしまい、好ましくない。
【発明の効果】
【００１９】
この発明によれば、反応容器内を複数段に反応室に区画することが出来るにも拘わらず、装置のコストの上昇を抑制することができ、メンテナンスの容易な撹拌装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
この発明の実施の形態を図面を参照しながらつぎに説明する。
【００２１】
図１を参照すると、撹拌装置は、反応容器11を備えている。反応容器11は、垂直円筒状胴壁21と、胴壁21の上下端開口に施されているドーム状頂壁22および底壁23よりなる。胴壁21の下端には反応物入口パイプ24が設けられている。胴壁21の上端には反応物出口パイプ25が設けられている。
【００２２】
胴壁21の軸線上を垂直状回転軸26がのびている。回転軸26の長さ方向に間隔をおいた４か所には水平状第１円板31および第２円板32が交互に２つずつ固定されている。第１円板31および第２円板32のそれぞれ上面には、複数の垂直帯板状撹拌羽33（図１では３個である）が等間隔で放射状に固定されている。
【００２３】
胴壁21に対し頂壁22は着脱自在である。胴壁21から頂壁22を取外せば、回転軸26とともに第１円板31および第２円板32を胴壁21から抜き出すことが可能である。
【００２４】
図２に、第１円板31が示されている。胴壁21内面の内径をＤ0とし、第１円板31の外径をＤ1としたときに、Ｄ0≒Ｄ1である。そのため、胴壁21内面および第１円板31外面の間には、第１円板31の回転はできる間隙はあるが、反応物の流通を阻止しうる間隙となっている。第１円板31の中央部には複数の円弧状反応物流路34（図２では３個である）が形成されている。
【００２５】
図３に、第２円板32が示されている。第２円板32の外形をＤ2としたときに、Ｄ0＞Ｄ2である。そのため、胴壁21内面および第２円板32外面間の間隙ｅを反応物は通過できるようになっている。
【００２６】
反応物入口パイプ24の横断面積と、複数の反応物流路34（図２では３個である）の合算した横断面積と、胴壁21内面および第２円板32外面間の間隙ｅの横断面積とは、等しく形成されている。また、これらの横断面積は、胴壁21の横断面積の５％未満であることが好ましい。
【００２７】
バイオディーゼル生成過程において、本発明が対象としている化学反応式は、以下の通りである。
【００２８】
廃植物油＋３メタノール⇔３メチルエステル＋グリセリン
反応容器11内に円板によって４つの反応室を形成した場合、図４に、各物質の濃度変化が模式的に示されている。また、比較例として、図５に、冒頭で説明した特許文献１の装置による反応の様子を示す。
【００２９】
つぎに、上記撹拌装置の変形例について、様々に説明する。以下の説明において、図１に示す部分と対応する部分には、同一の符号を付して示す。
【００３０】
図６では、側方より見て、第１円板31および第２円板32の上面の外周近くに２つの撹拌羽33が、その下面の中央近くに２つの撹拌羽33がそれぞれ設けられている。第１円板31下面の撹拌羽33と、第２円板32上面の撹拌羽33とは、側方より見て、オーバーラップさせられている。
【００３１】
図７では、第１円板31および第２円板32の上面および下面に撹拌羽33が４つずつ設けられている。第１円板31下面の撹拌羽33と、第２円板32上面の撹拌羽33とは、側方より見て、１つ置きに交互にオーバーラップさせられている。撹拌羽の個数および配置パターンは、図６、図７に示す構成に限定せず、適宜変更してもよい。
【００３２】
図８に示す撹拌羽33は、第１円板31に垂直ではなく、第１円板31の回転方向に向かって倒れるように、所定角度θ1だけ傾斜させられている。このような構成を採用すると、反応室内での上下方向の撹拌が促進される。第１円板31の回転数が大きい場合は、撹拌羽33の傾斜角度θ1を大きくし、回転数が小さい場合は傾斜角度θ1を小さくするように、第１円板31の回転数に応じて傾斜を与える。上記構成は、第２円板32についても採用される。
【００３３】
図９に示す撹拌羽33は、第１円板31の半径方向にのびるのではなく、半径方向に対して、所定角度θ2だけ傾斜させられていると、第１円板31の中心部と外周部での撹拌が促進される。この構成についても、第２円板32に適用される。
【００３４】
粘性が大きい反応液の場合は傾斜をもたせた大きめの撹拌羽33を利用し、粘性が小さい場合は傾斜のない小さめの撹拌羽33を利用する。
【００３５】
反応液の粘性が大きい場合には、反応室内の流れが層状（層流）となり撹拌され難い可能性があるので、大きな撹拌羽33に傾斜をもたせる方が良い。逆に、粘性の小さい反応液の場合には、傾斜の小さい撹拌羽33でも撹拌できる。
【００３６】
図８および図９に示す構成は、ともに、第１および第２円板31、32の下面にも採用することができる。図８および図９に示す撹拌羽は３個であるが、これに限定せず、複数個設けて良い。
【００３７】
さらに、図１０〜図１２に示す構造を、第２円板32の外周縁部に採用することが好ましい。
【００３８】
図１０では、第２円板32の外周面に環状溝41が形成されている。溝41を設けると、流れに渦を発生させることで流れの抵抗を大きくすることができる。溝41の幅ｂは、第２円板32の厚さｔに対して３分の１程度で、深さｄは幅ｂと同程度とする。溝41の幅ｂおよび深ｄさが小さすぎると、流れの抵抗となるような渦が発生しない。
【００３９】
図１１では、第２円板32の外周縁下面に複数のと突起42が一定間隔で設けられている。突起42を設けると、流れの抵抗を大きくすることができる。突起42の形状は、流れを遮る三角形が望ましい。突起41の高さｈは、第２円板32の厚さｔの半分程度が望ましい。
【００４０】
図１２では、第２円板32の外周面に面粗さ部43が形成されている。面粗さ部43の形成は、第２円板32の外周面に細かい傷を無数につけるように加工することによる。
【００４１】
上記において、連続式の反応容器では、反応に必要な滞留時間が得られるように、反応容器と時間当たりの流入量によって決定される。
【００４２】
反応室の容積をＸ（ｍ^３）、反応室の数をｎ、反応容器への流入量をＹ（ｍ^３／ｓ）とすると、反応容器内の平均滞留時間は、ｎＸ／Ｙ（ｓ）となる。
【００４３】
反応容器内の平均滞留時間は、ｎＸ／Ｙ（ｓ）をどれくらいにするかについては、投入する化学物質を反応させて生成物の濃度が高い溶液を得るために、化学反応によって反応する物質の特性によって決めている。
【００４４】
このようにすることで、
(1)反応がより進行した状態の溶液（生成物の濃度が高い溶液）を得られる、
(2)同濃度の生成物を同量得るために必要な反応容器の容積が小さくて済む、
(3)同濃度の生成物を得るための反応時間を短縮できる（時間当たりの処理能力が増加する）、ということになる。
【００４５】
反応容器をいくつの反応室に区分するかについては、投入する化学物質を反応させて生成物の濃度が高い溶液を得るために、化学反応によって反応する物質の特性によって反応室の数を決めている。
【００４６】
化学反応によって反応する物質の特性によって反応室の数を決めた後、以下のように同流入量で反応室の数を変更すると好ましくない。
【００４７】
区画室を増やした場合、１つの反応室での滞留時間が短くなり、反応物質同士の遭遇回数が少なくなり、反応物の溶液を高い状態にもっていかなくなる。また、装置自体の製造コスト増にもつながる。
【００４８】
また、区画を減らした場合、１つの反応室での滞留時間が長くなり、反応済みの溶液と１つ前の溶液と混合されてしまい、反応物の溶液を高い状態のまま保つことが出来なくなる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】この発明による撹拌装置の一部破砕斜視図である。
【図２】同撹拌装置の第１円板の平面図である。
【図３】同撹拌装置の第１円板の平面図である。
【図４】同撹拌装置の反応過程を示すグラフである。
【図５】同撹拌装置との比較例を示す従来装置の反応過程を示すグラフである。
【図６】同撹拌装置の変形例を示す一部断面図である。
【図７】同撹拌装置の他の変形例を示す一部断面図である。
【図８】同撹拌装置のさらなる他の変形例を示す一部断面図である。
【図９】同撹拌装置のさらなる他の変形例を示す一部断面図である。
【図１０】同撹拌装置の第２円板の変形例を示す一部断面図である。
【図１１】同撹拌装置の第２円板の他の変形例を示す一部断面図である。
【図１２】同撹拌装置の第２円板のさらなる他の変形例を示す一部断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
11 反応容器
21 胴壁
26 回転軸
31 第１円板
32 第２円板
34 反応物流路
ｅ間隙

【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器が、垂直円筒状胴壁を有しており、胴壁の軸線上を垂直状回転軸がのびており、回転軸の長さ方向に所定間隔をおいた複数か所に、水平状第１円板および第２円板が交互に固定されており、両円板のそれぞれの上面および下面の少なくともいずれか一方に、その周方向に間隔をおいて複数の撹拌羽が固定されており、胴壁内周面および第１円板外周面間を反応物の流通を阻止する間隙となすように第１円板外周面が形成されており、第１円板外周面より半径方向内側に反応物流路が形成されており、胴壁内周面および第２円板外周面間を反応物の流通を許容する間隙となすように第２円板外周面が形成されている撹拌装置。
【請求項２】
第２円板外周面に流れ抵抗強化用環状溝が設けられている請求項１に記載の撹拌装置。
【請求項３】
第２円板外周縁部上面および下面の少なくともいずれか一方に複数の流れ抵抗強化用突起が間隔を置いて設けられている請求項１に記載の撹拌装置。
【請求項４】
第２円板外周面に流れ抵抗強化用面粗さ部が設けられている請求項１に記載の撹拌装置。
【請求項５】
反応物流路の開口面積と、胴壁内周面および第２円板外周面間の間隙の面積とが、反応物入口の面積と等しくなされている請求項１〜４のいずれか１つに記載の撹拌装置。

【図１】