混合のための方法および装置
粒子状物質を有する液体を混合するための装置および方法が、液体を収容するための容器と、実質的に垂直な軸を中心にして回転する軸流インペラとを含んでいる。インペラは、液体の全高の約４分の１〜２分の１である距離だけ、液面の下方に沈むように構成されている。インペラは、（ａ）容器の垂直軸に沿って位置する内側の上方流領域と、（ｂ）インペラの上方に位置し、液体が容器側壁に向かって半径方向外向きに移動する過渡流領域と、（ｃ）側壁に沿って位置する外側の下方流領域とを生み出すべく上方へと向けられている。インペラが可変の速度で回転し、流れが液体において毎分約１フィートまでの沈降速度を有する固体粒子を同伴することができ、インペラの速度が、所望の沈降速度を有する粒子の容器底部への沈降を可能にするように選択される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を混合するための方法および装置に関し、特に液体を固体粒子と混合するための方法および装置に関する。
【０００２】
本出願は、２００７年１２月２１日付の米国特許仮出願第６１／０１６，１２６号の優先権を主張し、この米国特許仮出願の内容は、その全体がここでの言及によって本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
混合容器を、さまざまな産業用途に使用することができる。混合容器はアルミナの製造において沈殿装置（ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｏｒ）として、廃水の処理において嫌気性消化装置として使用することができ、他の多数の用途に使用することができる。例えば、アルミナの製造においては、ドラフト管混合装置およびきわめて長い軸上にインペラを備えている機械式の撹拌装置という２つの主要な混合技術を、典型的に使用することができる。
【０００４】
ドラフト管機械式混合装置は、典型的には、混合容器の深部に達する管の内側に送液インペラを有することによって、浮遊した固体粒子の垂直循環をもたらしている。容器およびドラフト管には、通常は障害物は存在しないが、アルミナが流速の低い領域において容器の壁に付着する可能性がある。この容器の壁の内側へのスケールの付着を防止するために、典型的には、容器にバッフルが備えられている。残念ながら、これらのバッフルが、容器の内部の液体の回転を抑制または阻止する。
【０００５】
たとえ容器の壁の内側にバッフルを備えても、付着物が最終的にバッフルおよび容器の壁に蓄積する可能性がある。このような沈殿装置の容器を、アルミナ付着物を清掃するために定期的に停止させなければならない。容器が充分に頻繁に清掃されない場合、付着した材料の重量によって内部のバッフル構造に崩壊が生じる可能性がある。しかしながら、清掃は、製造サイクルに混乱を引き起こすことが多く、費用が高くつく可能性がある。
【０００６】
また、ドラフト管沈殿装置は、典型的には、バッフルへの付着物の蓄積を最小限にするために、高い流速で運転されなければならない。したがって、インペラ羽根の速度も高くなくてはならず、結果として、インペラ羽根の先端の腐食が速くなる可能性がある。インペラ羽根の腐食によって、インペラの頻繁な交換が必要になる可能性がある。
【０００７】
ドラフト管混合装置の代案として、長いインペラ軸（インペラ羽根を液面のはるか下方に沈めることができる）を有する混合装置も使用することができる。これらの容器は、混合装置が半径方向の速度成分が小さいもっぱら旋回の流れを生じさせることができるため、バッフルなしで運転されることもある。したがって、容器の壁へのスケールの付着の傾向は最小限になるが、容器の中心における乱流が少ないがゆえに、結晶が低速で回転するインペラ軸およびインペラ羽根に付着する可能性がある。この付着ゆえに、インペラアセンブリへの付着物を清掃するために、容器の定期的な停止が必要になる可能性がある。
【０００８】
液体および固体を混合する他の方法が、米国特許第６，４６７，９４７号に記載されている。この混合装置は、短いインペラ軸と放射状のインペラ羽根とを備えており、インペラ羽根が液体の表面に隣接して位置している。インペラ羽根の回転運動が、固体粒子の懸濁を可能にする容器内の旋回運動を生じさせる。しかしながら、放射状のインペラ羽根の使用は、エネルギーの観点から、粒子の懸濁を非効率的にする可能性がある。また、この方法は、混合装置の高い速度を必要とする可能性があり、インペラ羽根の腐食が重大になる可能性がある。
【０００９】
本発明は、容器における連続的な混合のための混合装置および方法であって、容器の壁およびインペラアセンブリへの付着物の蓄積を最小限にするとともに、インペラ羽根の腐食を抑えて保守作業の間の稼働時間を長くする混合装置および方法を提供することができる。
【発明の概要】
【００１０】
粒子状物質を有している液体を混合するための装置が、液体を収容するための容器を備えている。容器は、側壁および底部を備えている。軸流インペラが、実質的に垂直な軸を中心にして回転し、液体の全高の約４分の１〜２分の１である距離だけ液面の下方に沈むように構成されており、（ａ）前記垂直な軸に沿って位置する内側の上方流領域と、（ｂ）インペラの上方に位置し、液体が容器の側壁に向かって半径方向外向きに移動する過渡流領域と、（ｃ）側壁に沿って位置する外側の下方流領域と、を生み出すべく上方へと向けられている。インペラは可変速であり、流れが、液体において毎分約１フィートまでの沈降速度を有する固体粒子を同伴することができ、インペラの速度が、所望の沈降速度を有する粒子の容器底部への沈降を可能にするように選択される。
【００１１】
粒子状物質を有している液体を混合する方法も開示される。この方法は、液体を収容するための容器を用意するステップと、実質的に垂直な軸を中心にして回転する軸流インペラを用意するステップとを含んでおり、前記容器が、側壁および底部を備えており、前記軸流インペラが、液体の全高の約４分の１〜２分の１である距離だけ液面の下方に沈むように構成されており、（ａ）垂直な軸に沿って位置する内側の上方流領域と、（ｂ）インペラの上方に位置し、液体が容器側壁に向かって半径方向外向きに移動する過渡流領域と、（ｃ）側壁に沿って位置する外側の下方流領域と、を生み出すべく上方へと向けられており、可変速であり、流れが、前記液体において毎分約１フィートまでの沈降速度を有する固体粒子を同伴することができ、インペラの速度が、所望の沈降速度を有する粒子の容器底部への沈降を可能にするように選択される。
【００１２】
液体を混合する方法が開示され、そのような方法が、上端と、下端と、上端と下端との間を延びる実質的に円筒形の収容壁とを有している容器に、液体を供給するステップ、実質的に垂直な軸を中心にして回転し、回転速度を調節するための手段を有しており、前記上端から前記下端までの距離の約４分の１〜２分の１に位置する位置へと前記液体に沈められる軸流インペラを用意するステップ、および前記軸流インペラによって前記液体に、（ａ）前記下端から前記上端に向かって移動する前記垂直な軸に沿った内側流と、（ｂ）前記軸流インペラから前記収容壁に向かう外向き流と、（ｃ）前記上端から前記下端に向かって移動する前記収容壁に沿った外側流とを含む流れを生成するステップを含んでいる。
【００１３】
これらの装置および方法が、直径に対する側壁高さの比が少なくとも３であり、かつ／または少なくとも４５度の傾斜を有する円錐形の底部を有している容器を備えることもできる。インペラを沈めることができる。流れは、好ましくは連続的である。容器が、ほぼ液面から軸流インペラまで容器の側壁に沿って長手方向に延びているバッフルを備えてもよい。
【００１４】
従来技術の欠点および特定の実施の形態の利点は、背景として提示されており、本発明は、本明細書において説明または暗示される課題または解決策に限られない。本発明のいくつかの態様が、本明細書に示されるいくつかの実施の形態において説明されるが、本発明は、特定の実施の形態には限定されず、むしろ特許請求の範囲の最大限の広がりに従って広く解釈されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】混合装置の概略図であり、液体の流れの各領域の向きを説明している。
【図２】図１の装置の別の概略図であり、液体の流れの各領域における粒子の移動を説明している。
【図３】バッフルを備えている混合装置の概略図であり、本発明の別の実施の形態を示している。
【図４】図３の装置の別の概略図であり、液体の流れの各領域における粒子の移動を説明している。
【図５】本発明の実施の形態において使用することができるインペラの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の好ましい構造および機能を説明するために、図１を参照すると、混合アセンブリ１００が、容器アセンブリ１０２およびインペラアセンブリ１０４を備えている。容器アセンブリ１０２は、容器側壁１２０および容器底部１２４を備えており、容器高さ１２８および容器直径１３０を定めている。容器側壁１２０が、容器側壁内表面１２２を備えている。容器底部１２４は、傾斜１２６を備えている。インペラアセンブリ１０４が、インペラ羽根１４０、インペラ軸１４２、機械駆動部１４４、および（随意による）ハブ１４６を備えている。
【００１７】
容器アセンブリ１０２の内部において、液体１６０が、図１に最もよく示されているとおり、液面１６２、上方流領域１６４、過渡流領域１６６、および下方流領域１６８を含んでいる。粒子が、容器アセンブリ１０２の内部に存在する場合には、浮遊粒子１０６および沈殿粒子１０８を含んでいる。粒子は、図２に最もよく示されるとおり、粒子上方移動領域２００、粒子過渡移動領域２０２、粒子下方移動領域２０４、および大型粒子収集領域２０６を定めている。
【００１８】
典型的な実施の形態においては、混合アセンブリが、この実施の形態において液体１６０における沈降速度が最大で毎分約１フィートであるアルミナの浮遊粒子１０６に相当する最大で約６３ミクロンのサイズのアルミナの浮遊粒子１０６の上昇および懸濁を可能にするように設計されている。本明細書および特許請求の範囲において使用されるとき、用語「沈降速度」は、周囲の液体または溶液よりも大きな密度を有しており、液体または溶液から沈殿するために充分に大きい浮遊粒子について、そのような粒子の混合容器の底部に向かう移動速度の垂直軸成分を意味する。一般に、所与の液体において、より大きな粒子は、同じ密度のより小さな粒子に比べ、より大きい沈降速度を有すると予想することができる。また、一般に、液体内に浮遊する所与のサイズの粒子であって、より低い密度または粘度を有する粒子は、液体内に浮遊するより大きな密度または粘度の粒子と比べ、より大きい沈降速度を有すると予想することができる。したがって、浮遊粒子よりも大きい粒子（すなわち、沈殿粒子１０８）は、容器底部１２４に向かって降下し、除去の対象とすることが可能である。容器アセンブリ１０２のサイズおよび形状ならびにインペラアセンブリ１０４のサイズ、速度、および構成を、本明細書の開示および所望の用途（液体および粒子の特性を含む）に照らして、従来からのサイズ決定基準に従って選択することができる。したがって、混合システムの構成要素を、所望の粒子サイズの沈殿を達成するように選択することができ、選択後に運転することができる。本発明は、６３ミクロンの粒子および最大で毎分約１フィートの沈降速度を有する粒子の上昇および懸濁を達成することが実証されているが、本発明は、任意の大型または小型の粒子サイズあるいは任意の低い沈降速度または高い沈降速度を有する粒子の上昇および懸濁を包含するため、とくに特許請求の範囲に明示されない限りは、上記の粒子サイズまたは沈降速度に限定されない。
【００１９】
容器アセンブリ１０２は、好ましくは円筒形の形状（円形の断面を有している）であり、任意の容器高さ１２８および任意の容器直径１３０を有することができる。好ましくは、容器高さ１２８が、容器直径１３０の値の少なくとも３倍である。個々の寸法を、液体および粒子のパラメータならびに所望の用途の目的に応じて、周知の設計原理に従って選択することができる。容器側壁１２０および容器底部１２４を、これに限られるわけではないが、ステンレス鋼など、任意の材料で製作することができる。容器側壁１２０および容器底部１２４を、関連技術において公知の任意の他の材料でも製作することもできる。容器側壁１２０を、これらに限られるわけではないが、溶接、リベット留め、または関連技術において公知の任意の他の方法など、任意のやり方で容器底部１２４へと取り付けることができる。
【００２０】
図１および２に示した実施の形態においては、容器側壁内表面１２２および容器アセンブリ１０２の他のすべての部分が、バッフルを有していない。バッフルが存在しないことは、容器側壁内表面１２２へのスケールの蓄積を防止するうえで役立つであろう。本発明は、当然ながら、バッフルを持たない容器に限定されない。例えば、図３および４は、バッフル１２３を有する容器アセンブリ１０２を備える混合アセンブリ１００’を示している。バッフル１２３は、容器側壁１２０から任意の距離だけ半径方向内向きに延びることができる。好ましくは、バッフル１２３が、容器側壁１２０から半径方向内向きに、容器直径１３０の１／８〜１／２０の間の距離だけ延びており、より好ましくは容器直径１３０の約１／１２に等しい距離だけ延びている。バッフル１２３は、容器側壁１２０に沿って任意の距離だけ長手方向に延びることができる。好ましくは、バッフル１２３が、容器側壁１２０に沿って長手方向にほぼ液面１６２からインペラ羽根１４０まで延びている。理論に制約されるものではないが、混合アセンブリ１００’にバッフル１２３が存在することは、下方流領域１６８の回転速度を所望のレベルに抑えるうえで役立つことができ、混合アセンブリ１００’の粒子上昇能力（例えば、より大きな粒子１０６またはより大きな沈降速度を有する粒子１０６を液体１６０に懸濁させた状態に保つ能力）を改善することができる。
【００２１】
容器アセンブリ１０２は、浮遊粒子１０６のための沈殿装置としての使用に適した任意の容積であってよい。１つの典型的な実施の形態においては、アルミナ用の沈殿装置を、約１７ガロン、２０ガロン、５００ガロン、３０，０００ガロン、６０，０００ガロン、および１４０，０００ガロンの容器アセンブリ１０２の容積にて設計した。別の実施の形態においては、石炭スラリーの混合装置を、約５ガロン、１００ガロン、および６００万ガロンの容器アセンブリ１０２の容積にて設計した。
【００２２】
容器底部は、任意の形状であってよい。図に示されている好ましい実施の形態においては、容器底部１２４が円錐形であり、少なくとも４５度の容器底部傾斜１２６を有している。容器底部が円錐形である実施の形態において、容器底部傾斜１２６は、ゼロ度（平坦）、ゼロ〜４５度の間、あるいは４５度以上等、任意の角度であってよい。
【００２３】
インペラアセンブリ１０４は、ステンレス鋼または当業者にとって公知の任意の他の材料などからなってよい任意の枚数の羽根１４０を含むことができる。好ましくは、図５に示されるとおり、３枚のインペラ羽根１４０が存在する。本発明は、任意のインペラ、任意の枚数のインペラ羽根、ならびに任意の長さおよび構成のインペラ羽根を意図している。図５に示したインペラ羽根１４０の長さを、容器アセンブリ１０２の寸法、浮遊粒子１０６の所望のサイズ、ならびに他のプロセスおよび寸法パラメータに応じて、拡大または縮小することができる。
【００２４】
インペラ羽根１４０を、インペラアセンブリ１０４の回転軸に垂直な平面に対して任意の角度に傾ける（回転させる）ことができる。この傾き角により、インペラが、流体および気体を軸方向および半径方向に動かすことができる。１つの典型的な実施の形態においては、インペラ羽根１４０が、インペラアセンブリ１０４の回転軸に垂直な平面から約３９度の角度に傾けられる。この実施の形態においては、図５に示されているＰｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ Ｍｉｘｉｎｇ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓの３ＭＨＳ３９というインペラが使用される。インペラ羽根を、約３０〜約７５度の角度に傾けることができる。
【００２５】
インペラ羽根１４０は、インペラアセンブリ１０４の回転軸に垂直な平面に対して、（インペラアセンブリ１０４の回転軸に向かって回転させられた）任意のレーキ角２０８（図２に示されている）を有することができる。レーキ角の測定の中心軸は、上述の傾き角の測定の中心軸に対して垂直であり、レーキ角および傾き角の両方が、インペラアセンブリ１０４の回転軸に対して垂直である。１つの典型的な実施の形態においては、インペラ羽根１４０が、インペラアセンブリ１０４の回転軸に垂直な平面から約３９度のレーキ角を有する。他の実施の形態においては、インペラ羽根１４０が、約３０〜約７５度のレーキ角を有する。インペラ羽根１４０の外表面は、平坦であっても、例えばエアロフォイル設計などのように湾曲していてもよい。好ましくは、図５に示されるように、インペラ羽根１４０の外表面が、ハイドロフォイルの設計を近似するように、羽根の先端の２つの単純な曲げによって形作られる。別の実施の形態においては、インペラ羽根１４０の外表面が、ハイドロフォイル形状に湾曲している。
【００２６】
インペラ羽根１４０は、液体１６０をインペラ羽根１４０に向かい、インペラ羽根１４０を通過するように上方へとくみ上げることができる軸流インペラの設計である。本発明が想定する多数のインペラの設計において、液体１６０の一部が、当然ながら、半径方向に進められる可能性がある。インペラ羽根１４０は、インペラ軸１４２の下端へと接続され、インペラ軸１４２の周囲のほぼ等間隔の半径位置に配置される。インペラ羽根１４０を、インペラ軸１４２の下端への取り付けのための１つのアセンブリにまとめることができ、あるいはインペラ軸１４２の下端へと個々に取り付けることができる。
【００２７】
１つの典型的な実施の形態においては、機械駆動部１４４によってインペラ軸１４２へと伝えられるトルクが、軸からハブ１４６へと伝達される。ハブ１４６を、インペラ軸１４２へと溶接することができ、あるいはハブ１４６に、インペラ軸１４２に対するハブ１４６の回転を防止するために、キー溝またはセットねじを組み込むことができる。他の典型的な実施の形態においては、ハブ１４６に、インペラ羽根１４０をハブ１４６へと取り付けるための溶接または鋳造による耳を組み込んでいる。他の実施の形態においては、インペラ羽根１４０が、ハブ１４６へと溶接され、あるいはボルトで取り付けられる。インペラ軸１４２の下端は、インペラ羽根１４０よりも下方へと突出することができ、液体１６０内で羽根よりも低い深さに達することができる。
【００２８】
機械駆動部１４４は、ギアボックス、ベルト駆動部等、インペラ軸１４２およびインペラ羽根１４０を所望の速度へと回転させるように構成することができる関連技術において公知の任意の機械駆動部であってよい。機械駆動部１４４は、インペラ軸１４２の上端へと接続される。
【００２９】
軸方向の送りのインペラアセンブリ１０４を使用することで、サイズが最大６３ミクロンの粒子または最大で毎分約１フィートの沈降速度を有する粒子について、浮遊粒子１０６の懸濁を可能にすることができる。軸流インペラアセンブリ１０４の回転速度を変えることによって、固体浮遊粒子１０６のための上昇力を変化させることができる。これらの上昇力を調節することによって、所望のサイズまたは所望の沈降速度を有する浮遊粒子１０６だけを懸濁させることができる。これにより、混合装置を粒子のサイズまたは沈降速度の分類に使用することが可能である。
【００３０】
液体１６０は、本発明が使用される特定のプロセスに応じて、浮遊粒子１０６のための任意の単体媒体であってよい。液面１６２が、容器アセンブリ１０２において液体１６０が達する最高点である。１つの好ましい実施の形態においては、インペラ羽根１４０が、液面１６２から容器底部１２４までの距離の３分の１（１／３）まで沈められる。他の実施の形態においては、インペラ羽根１４０が、液面１６２から容器底部１２４までの距離の４分の１（１／４）〜２分の１（１／２）の間の距離まで沈められる。さらに、インペラ羽根１４０を、容器アセンブリ１０２内の液体１６０の所望の流れの特性に応じて、他の深さへと沈めることも可能である。
【００３１】
液体１６０は、上方流領域１６４、過渡流領域１６６、および下方流領域１６８を含んでいる。上方流領域１６４は、その運動に軸方向（インペラ軸１４２の軸に実質的に沿って上向き）および接線方向（実質的にインペラ軸１４２の軸を中心にして回転）の両方の速度成分を有することができる。液体１６０は、上方流領域１６４を通ってインペラ羽根１４０に向かって移動する。好ましい一実施の形態においては、上方流領域１６４の中心の速度が、上方流領域１６４の外縁における速度よりも、速度の軸方向成分および接線方向成分の両方において大きい。上方流領域１６４の種々の部分の速度の間の関係は、容器アセンブリ１０２およびインペラアセンブリ１０４の寸法ならびにインペラ羽根１４０の回転速度に応じて、さまざまであってよい。
【００３２】
過渡流領域１６６は、軸方向、接線方向、および半径方向（容器アセンブリ１０２の中心から容器側壁１２０に向かって移動する）の速度成分を有することができる。図１に見て取ることができるとおり、液体１６０が、液面１６２に向かって上方へと移動し、容器側壁１２０に向かって外へと移動する弧状の速度成分を有することができる。
【００３３】
下方流領域１６８は、その運動に軸方向、接線方向、および半径方向の速度成分を有することができる。好ましい一実施の形態においては、下方流領域１６８の中心の速度が、下方流領域１６８の外縁における速度よりも、速度の軸方向成分および接線方向成分の両方において大きい。下方流領域１６８の種々の部分の速度の間の関係は、容器アセンブリ１０２およびインペラアセンブリ１０４の寸法ならびにインペラ羽根１４０の回転速度に応じて、さまざまであってよい。全体としての下方流領域１６８は、下方への移動と同時に、インペラ軸の周囲を移動する高速な接線方向運動にて移動することができる。下方流領域１６８におけるこの高速な接線方向および軸方向の運動は、容器側壁１２０へのスケールの付着の軽減または防止に役立つことができる。
【００３４】
典型的な実施の形態においては、最大で約６３ミクロンのサイズまたは最大で毎分約１フィートの沈降速度を有している固体粒子を、上向き送りの軸流インペラを使用し、円錐形の容器底部を備えている背の高い円筒形容器において、懸濁させ、分類するための方法および装置が提供される。
【００３５】
この典型的な実施の形態において、軸流インペラの羽根１４０が、容器の直径１３０に対する容器の高さ１２８の比が３よりも大きい容器アセンブリ１０２において、液体１６０に沈められ、液体１６０の上半分において中心に配置される。
【００３６】
この典型的な実施の形態において、インペラアセンブリ１０４の回転が、流体１６０の流れの３つの速度成分、すなわち軸方向成分、半径方向成分、および接線方向成分を生じさせることができる。半径方向の流れの速度成分は、インペラの回転によって引き起こされ、この流れが、流体１６０を過渡流領域１６６を通って容器側壁１２０に向かって移動させることができる。軸方向の流れの速度成分は、流体１６０を容器底部１２４から上方流領域１６４を通ってインペラ羽根１４０に向かって移動させるうえで役立つことができる。接線方向の流れの速度成分は、インペラ軸１４２の回転軸に実質的に一致する中央の垂直軸を中心にして、容器アセンブリ１０２内の流体の全体の回転を生じさせる。
【００３７】
流体１６０の運動は、インペラアセンブリ１０４によって引き起こされる接線方向の流れの運動によって上方流領域１６４に上向きの竜巻状の効果が生み出される定常状態に達することができる。この実施の形態において、上方流領域１６４の流体１６０の接線方向の角速度は、容器側壁１２０における下方流領域１６８の接線方向の角速度よりも大きくてよい。また、上方流領域１６４の流体は、下方流領域１６８における軸方向の速度成分を超える軸方向の速度成分を有することができる。この現象が、容器底部１２４から過渡流領域１６６および液面１６２に向かって固体浮遊粒子１０６を上昇させることを可能にする。
【００３８】
浮遊粒子１０６は、液体１６０に懸濁しつつ、上方流領域１６４、過渡流領域１６６、および下方流領域１６８の全体に運ばれる。一般に、浮遊粒子１０６は、液体１６０のうちの該浮遊粒子１０６が懸濁している部位と同じ速度ベクトルに従う。浮遊粒子１０６は、粒子上方移動領域２００の液体１６０の運動によって、実質的に軸方向に、インペラ羽根１４０に向かって上方へと運ばれる。インペラ羽根１４０の上方を過ぎた後、浮遊粒子１０６は、粒子過渡移動領域２０２において容器側壁１２０に向かって運ばれる。浮遊粒子１０６は、ひとたび下方流領域１６８に達すると、粒子下方移動領域２０４において容器底部１２４に達するまで運ばれる。浮遊粒子１０６は、液体１６０からの沈殿が可能になるサイズへと成長したならば、沈殿粒子１０８となって、大型粒子収集領域２０６において容器底部１２４に集まることができる。ひとたび沈殿粒子１０８が大型粒子収集領域２０６に落ち着くと、これらの粒子を、他の産業目的に使用するために、好ましくは従来からの手段によって混合アセンブリ１００から取り除くことができる。
【００３９】
典型的な実施の形態において、浮遊粒子１０６は、容器側壁内表面１２２の付近で、粒子下方移動領域２０４において下方へと沈殿し始める。これらの沈殿粒子１０８が、好ましくは円錐形を有する容器底部１２４に集まる。沈殿粒子１０８が所望のサイズよりも小さい場合、粒子は、粒子上方移動領域２００において再び上昇させられ、浮遊粒子１０６になる。この上昇および沈殿のプロセスを、沈殿粒子１０８が少なくとも所望のサイズになって、容器底部１２４の付近の大型粒子収集領域２０６にとどまるまで、繰り返すことができる。
【００４０】
混合プロセスが浮遊粒子１０６のサイズを混合の最中に増大させる晶析装置の典型的な実施の形態においては、より大きな沈殿粒子１０８は、容器底部１２４の付近の大型粒子収集領域２０６のみにおいて振動する。沈殿粒子１０８を粒子上方移動領域２００へと上昇させるために利用することができる上昇力は、インペラアセンブリ１０４の回転速度に依存する。したがって、インペラアセンブリ１０４の回転速度を変えることで、少なくとも所望のサイズである沈殿粒子１０８だけを、混合アセンブリ１００から排出することができる。
【００４１】
１つの典型的な実施の形態においては、液体１６０、浮遊粒子１０６、および沈殿粒子１０８の流れが、連続的である。連続的な流れは、液体１６０、浮遊粒子１０６、および沈殿粒子１０８が周期的、定期的、または連続的に容器アセンブリ１０２に追加され、容器アセンブリ１０２から取り除かれることを伴う。他の実施の形態においては、液体１６０、浮遊粒子１０６、および沈殿粒子１０８の流れが、連続的ではない。
【００４２】
廃棄物消化装置の典型的な実施の形態においては、メタンまたは他のガスの気泡が、液体１６０の流れの最中に生じる可能性があり、これらのガスの気泡を、液面１６２および／または液面１６２の上方に集めることができる。液体１６０の流れの特徴が、ガスの気泡が上方流領域１６４の液体１６０の中心へと集まることを可能にする。次いで、これらの集まったガスの気泡が液面１６２へと放出され、それらを液面１６２において収集することが可能である。このガスの気泡の集中は、液面１６２における泡の形成を防止し、ガスのより容易な収集を可能にする。
【００４３】
廃水処理の典型的な実施の形態においては、本発明を、最大で約３重量パーセント（３重量％）の浮遊スラッジを含んでいる液体および気体を混合するために使用することができる。
【００４４】
以上の記述は、説明を目的として提示されており、以上の記述を、本発明を限定するものと解釈してはならない。本発明を、好ましい実施の形態または好ましい方法に関して説明したが、本明細書において使用されている言葉は、説明および例示の言葉であって、限定の言葉ではない。さらに、本明細書において、本発明を特定の構造、方法、および実施の形態に関して説明したが、本発明は、本明細書に開示の事項に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲の技術的範囲に包含されるすべての構造、方法、および用途へと広がる。当業者であれば、本明細書の教示にもとづいて、本明細書に記載された本発明に対して多数の改良をもたらすことができ、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の技術的範囲および技術的思想から離れることなく、変更を行うことが可能である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を混合するための方法および装置に関し、特に液体を固体粒子と混合するための方法および装置に関する。
【０００２】
本出願は、２００７年１２月２１日付の米国特許仮出願第６１／０１６，１２６号の優先権を主張し、この米国特許仮出願の内容は、その全体がここでの言及によって本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
混合容器を、さまざまな産業用途に使用することができる。混合容器はアルミナの製造において沈殿装置（ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｏｒ）として、廃水の処理において嫌気性消化装置として使用することができ、他の多数の用途に使用することができる。例えば、アルミナの製造においては、ドラフト管混合装置およびきわめて長い軸上にインペラを備えている機械式の撹拌装置という２つの主要な混合技術を、典型的に使用することができる。
【０００４】
ドラフト管機械式混合装置は、典型的には、混合容器の深部に達する管の内側に送液インペラを有することによって、浮遊した固体粒子の垂直循環をもたらしている。容器およびドラフト管には、通常は障害物は存在しないが、アルミナが流速の低い領域において容器の壁に付着する可能性がある。この容器の壁の内側へのスケールの付着を防止するために、典型的には、容器にバッフルが備えられている。残念ながら、これらのバッフルが、容器の内部の液体の回転を抑制または阻止する。
【０００５】
たとえ容器の壁の内側にバッフルを備えても、付着物が最終的にバッフルおよび容器の壁に蓄積する可能性がある。このような沈殿装置の容器を、アルミナ付着物を清掃するために定期的に停止させなければならない。容器が充分に頻繁に清掃されない場合、付着した材料の重量によって内部のバッフル構造に崩壊が生じる可能性がある。しかしながら、清掃は、製造サイクルに混乱を引き起こすことが多く、費用が高くつく可能性がある。
【０００６】
また、ドラフト管沈殿装置は、典型的には、バッフルへの付着物の蓄積を最小限にするために、高い流速で運転されなければならない。したがって、インペラ羽根の速度も高くなくてはならず、結果として、インペラ羽根の先端の腐食が速くなる可能性がある。インペラ羽根の腐食によって、インペラの頻繁な交換が必要になる可能性がある。
【０００７】
ドラフト管混合装置の代案として、長いインペラ軸（インペラ羽根を液面のはるか下方に沈めることができる）を有する混合装置も使用することができる。これらの容器は、混合装置が半径方向の速度成分が小さいもっぱら旋回の流れを生じさせることができるため、バッフルなしで運転されることもある。したがって、容器の壁へのスケールの付着の傾向は最小限になるが、容器の中心における乱流が少ないがゆえに、結晶が低速で回転するインペラ軸およびインペラ羽根に付着する可能性がある。この付着ゆえに、インペラアセンブリへの付着物を清掃するために、容器の定期的な停止が必要になる可能性がある。
【０００８】
液体および固体を混合する他の方法が、米国特許第６，４６７，９４７号に記載されている。この混合装置は、短いインペラ軸と放射状のインペラ羽根とを備えており、インペラ羽根が液体の表面に隣接して位置している。インペラ羽根の回転運動が、固体粒子の懸濁を可能にする容器内の旋回運動を生じさせる。しかしながら、放射状のインペラ羽根の使用は、エネルギーの観点から、粒子の懸濁を非効率的にする可能性がある。また、この方法は、混合装置の高い速度を必要とする可能性があり、インペラ羽根の腐食が重大になる可能性がある。
【０００９】
本発明は、容器における連続的な混合のための混合装置および方法であって、容器の壁およびインペラアセンブリへの付着物の蓄積を最小限にするとともに、インペラ羽根の腐食を抑えて保守作業の間の稼働時間を長くする混合装置および方法を提供することができる。
【発明の概要】
【００１０】
粒子状物質を有している液体を混合するための装置が、液体を収容するための容器を備えている。容器は、側壁および底部を備えている。軸流インペラが、実質的に垂直な軸を中心にして回転し、液体の全高の約４分の１〜２分の１である距離だけ液面の下方に沈むように構成されており、（ａ）前記垂直な軸に沿って位置する内側の上方流領域と、（ｂ）インペラの上方に位置し、液体が容器の側壁に向かって半径方向外向きに移動する過渡流領域と、（ｃ）側壁に沿って位置する外側の下方流領域と、を生み出すべく上方へと向けられている。インペラは可変速であり、流れが、液体において毎分約１フィートまでの沈降速度を有する固体粒子を同伴することができ、インペラの速度が、所望の沈降速度を有する粒子の容器底部への沈降を可能にするように選択される。
【００１１】
粒子状物質を有している液体を混合する方法も開示される。この方法は、液体を収容するための容器を用意するステップと、実質的に垂直な軸を中心にして回転する軸流インペラを用意するステップとを含んでおり、前記容器が、側壁および底部を備えており、前記軸流インペラが、液体の全高の約４分の１〜２分の１である距離だけ液面の下方に沈むように構成されており、（ａ）垂直な軸に沿って位置する内側の上方流領域と、（ｂ）インペラの上方に位置し、液体が容器側壁に向かって半径方向外向きに移動する過渡流領域と、（ｃ）側壁に沿って位置する外側の下方流領域と、を生み出すべく上方へと向けられており、可変速であり、流れが、前記液体において毎分約１フィートまでの沈降速度を有する固体粒子を同伴することができ、インペラの速度が、所望の沈降速度を有する粒子の容器底部への沈降を可能にするように選択される。
【００１２】
液体を混合する方法が開示され、そのような方法が、上端と、下端と、上端と下端との間を延びる実質的に円筒形の収容壁とを有している容器に、液体を供給するステップ、実質的に垂直な軸を中心にして回転し、回転速度を調節するための手段を有しており、前記上端から前記下端までの距離の約４分の１〜２分の１に位置する位置へと前記液体に沈められる軸流インペラを用意するステップ、および前記軸流インペラによって前記液体に、（ａ）前記下端から前記上端に向かって移動する前記垂直な軸に沿った内側流と、（ｂ）前記軸流インペラから前記収容壁に向かう外向き流と、（ｃ）前記上端から前記下端に向かって移動する前記収容壁に沿った外側流とを含む流れを生成するステップを含んでいる。
【００１３】
これらの装置および方法が、直径に対する側壁高さの比が少なくとも３であり、かつ／または少なくとも４５度の傾斜を有する円錐形の底部を有している容器を備えることもできる。インペラを沈めることができる。流れは、好ましくは連続的である。容器が、ほぼ液面から軸流インペラまで容器の側壁に沿って長手方向に延びているバッフルを備えてもよい。
【００１４】
従来技術の欠点および特定の実施の形態の利点は、背景として提示されており、本発明は、本明細書において説明または暗示される課題または解決策に限られない。本発明のいくつかの態様が、本明細書に示されるいくつかの実施の形態において説明されるが、本発明は、特定の実施の形態には限定されず、むしろ特許請求の範囲の最大限の広がりに従って広く解釈されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】混合装置の概略図であり、液体の流れの各領域の向きを説明している。
【図２】図１の装置の別の概略図であり、液体の流れの各領域における粒子の移動を説明している。
【図３】バッフルを備えている混合装置の概略図であり、本発明の別の実施の形態を示している。
【図４】図３の装置の別の概略図であり、液体の流れの各領域における粒子の移動を説明している。
【図５】本発明の実施の形態において使用することができるインペラの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の好ましい構造および機能を説明するために、図１を参照すると、混合アセンブリ１００が、容器アセンブリ１０２およびインペラアセンブリ１０４を備えている。容器アセンブリ１０２は、容器側壁１２０および容器底部１２４を備えており、容器高さ１２８および容器直径１３０を定めている。容器側壁１２０が、容器側壁内表面１２２を備えている。容器底部１２４は、傾斜１２６を備えている。インペラアセンブリ１０４が、インペラ羽根１４０、インペラ軸１４２、機械駆動部１４４、および（随意による）ハブ１４６を備えている。
【００１７】
容器アセンブリ１０２の内部において、液体１６０が、図１に最もよく示されているとおり、液面１６２、上方流領域１６４、過渡流領域１６６、および下方流領域１６８を含んでいる。粒子が、容器アセンブリ１０２の内部に存在する場合には、浮遊粒子１０６および沈殿粒子１０８を含んでいる。粒子は、図２に最もよく示されるとおり、粒子上方移動領域２００、粒子過渡移動領域２０２、粒子下方移動領域２０４、および大型粒子収集領域２０６を定めている。
【００１８】
典型的な実施の形態においては、混合アセンブリが、この実施の形態において液体１６０における沈降速度が最大で毎分約１フィートであるアルミナの浮遊粒子１０６に相当する最大で約６３ミクロンのサイズのアルミナの浮遊粒子１０６の上昇および懸濁を可能にするように設計されている。本明細書および特許請求の範囲において使用されるとき、用語「沈降速度」は、周囲の液体または溶液よりも大きな密度を有しており、液体または溶液から沈殿するために充分に大きい浮遊粒子について、そのような粒子の混合容器の底部に向かう移動速度の垂直軸成分を意味する。一般に、所与の液体において、より大きな粒子は、同じ密度のより小さな粒子に比べ、より大きい沈降速度を有すると予想することができる。また、一般に、液体内に浮遊する所与のサイズの粒子であって、より低い密度または粘度を有する粒子は、液体内に浮遊するより大きな密度または粘度の粒子と比べ、より大きい沈降速度を有すると予想することができる。したがって、浮遊粒子よりも大きい粒子（すなわち、沈殿粒子１０８）は、容器底部１２４に向かって降下し、除去の対象とすることが可能である。容器アセンブリ１０２のサイズおよび形状ならびにインペラアセンブリ１０４のサイズ、速度、および構成を、本明細書の開示および所望の用途（液体および粒子の特性を含む）に照らして、従来からのサイズ決定基準に従って選択することができる。したがって、混合システムの構成要素を、所望の粒子サイズの沈殿を達成するように選択することができ、選択後に運転することができる。本発明は、６３ミクロンの粒子および最大で毎分約１フィートの沈降速度を有する粒子の上昇および懸濁を達成することが実証されているが、本発明は、任意の大型または小型の粒子サイズあるいは任意の低い沈降速度または高い沈降速度を有する粒子の上昇および懸濁を包含するため、とくに特許請求の範囲に明示されない限りは、上記の粒子サイズまたは沈降速度に限定されない。
【００１９】
容器アセンブリ１０２は、好ましくは円筒形の形状（円形の断面を有している）であり、任意の容器高さ１２８および任意の容器直径１３０を有することができる。好ましくは、容器高さ１２８が、容器直径１３０の値の少なくとも３倍である。個々の寸法を、液体および粒子のパラメータならびに所望の用途の目的に応じて、周知の設計原理に従って選択することができる。容器側壁１２０および容器底部１２４を、これに限られるわけではないが、ステンレス鋼など、任意の材料で製作することができる。容器側壁１２０および容器底部１２４を、関連技術において公知の任意の他の材料でも製作することもできる。容器側壁１２０を、これらに限られるわけではないが、溶接、リベット留め、または関連技術において公知の任意の他の方法など、任意のやり方で容器底部１２４へと取り付けることができる。
【００２０】
図１および２に示した実施の形態においては、容器側壁内表面１２２および容器アセンブリ１０２の他のすべての部分が、バッフルを有していない。バッフルが存在しないことは、容器側壁内表面１２２へのスケールの蓄積を防止するうえで役立つであろう。本発明は、当然ながら、バッフルを持たない容器に限定されない。例えば、図３および４は、バッフル１２３を有する容器アセンブリ１０２を備える混合アセンブリ１００’を示している。バッフル１２３は、容器側壁１２０から任意の距離だけ半径方向内向きに延びることができる。好ましくは、バッフル１２３が、容器側壁１２０から半径方向内向きに、容器直径１３０の１／８〜１／２０の間の距離だけ延びており、より好ましくは容器直径１３０の約１／１２に等しい距離だけ延びている。バッフル１２３は、容器側壁１２０に沿って任意の距離だけ長手方向に延びることができる。好ましくは、バッフル１２３が、容器側壁１２０に沿って長手方向にほぼ液面１６２からインペラ羽根１４０まで延びている。理論に制約されるものではないが、混合アセンブリ１００’にバッフル１２３が存在することは、下方流領域１６８の回転速度を所望のレベルに抑えるうえで役立つことができ、混合アセンブリ１００’の粒子上昇能力（例えば、より大きな粒子１０６またはより大きな沈降速度を有する粒子１０６を液体１６０に懸濁させた状態に保つ能力）を改善することができる。
【００２１】
容器アセンブリ１０２は、浮遊粒子１０６のための沈殿装置としての使用に適した任意の容積であってよい。１つの典型的な実施の形態においては、アルミナ用の沈殿装置を、約１７ガロン、２０ガロン、５００ガロン、３０，０００ガロン、６０，０００ガロン、および１４０，０００ガロンの容器アセンブリ１０２の容積にて設計した。別の実施の形態においては、石炭スラリーの混合装置を、約５ガロン、１００ガロン、および６００万ガロンの容器アセンブリ１０２の容積にて設計した。
【００２２】
容器底部は、任意の形状であってよい。図に示されている好ましい実施の形態においては、容器底部１２４が円錐形であり、少なくとも４５度の容器底部傾斜１２６を有している。容器底部が円錐形である実施の形態において、容器底部傾斜１２６は、ゼロ度（平坦）、ゼロ〜４５度の間、あるいは４５度以上等、任意の角度であってよい。
【００２３】
インペラアセンブリ１０４は、ステンレス鋼または当業者にとって公知の任意の他の材料などからなってよい任意の枚数の羽根１４０を含むことができる。好ましくは、図５に示されるとおり、３枚のインペラ羽根１４０が存在する。本発明は、任意のインペラ、任意の枚数のインペラ羽根、ならびに任意の長さおよび構成のインペラ羽根を意図している。図５に示したインペラ羽根１４０の長さを、容器アセンブリ１０２の寸法、浮遊粒子１０６の所望のサイズ、ならびに他のプロセスおよび寸法パラメータに応じて、拡大または縮小することができる。
【００２４】
インペラ羽根１４０を、インペラアセンブリ１０４の回転軸に垂直な平面に対して任意の角度に傾ける（回転させる）ことができる。この傾き角により、インペラが、流体および気体を軸方向および半径方向に動かすことができる。１つの典型的な実施の形態においては、インペラ羽根１４０が、インペラアセンブリ１０４の回転軸に垂直な平面から約３９度の角度に傾けられる。この実施の形態においては、図５に示されているＰｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ Ｍｉｘｉｎｇ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓの３ＭＨＳ３９というインペラが使用される。インペラ羽根を、約３０〜約７５度の角度に傾けることができる。
【００２５】
インペラ羽根１４０は、インペラアセンブリ１０４の回転軸に垂直な平面に対して、（インペラアセンブリ１０４の回転軸に向かって回転させられた）任意のレーキ角２０８（図２に示されている）を有することができる。レーキ角の測定の中心軸は、上述の傾き角の測定の中心軸に対して垂直であり、レーキ角および傾き角の両方が、インペラアセンブリ１０４の回転軸に対して垂直である。１つの典型的な実施の形態においては、インペラ羽根１４０が、インペラアセンブリ１０４の回転軸に垂直な平面から約３９度のレーキ角を有する。他の実施の形態においては、インペラ羽根１４０が、約３０〜約７５度のレーキ角を有する。インペラ羽根１４０の外表面は、平坦であっても、例えばエアロフォイル設計などのように湾曲していてもよい。好ましくは、図５に示されるように、インペラ羽根１４０の外表面が、ハイドロフォイルの設計を近似するように、羽根の先端の２つの単純な曲げによって形作られる。別の実施の形態においては、インペラ羽根１４０の外表面が、ハイドロフォイル形状に湾曲している。
【００２６】
インペラ羽根１４０は、液体１６０をインペラ羽根１４０に向かい、インペラ羽根１４０を通過するように上方へとくみ上げることができる軸流インペラの設計である。本発明が想定する多数のインペラの設計において、液体１６０の一部が、当然ながら、半径方向に進められる可能性がある。インペラ羽根１４０は、インペラ軸１４２の下端へと接続され、インペラ軸１４２の周囲のほぼ等間隔の半径位置に配置される。インペラ羽根１４０を、インペラ軸１４２の下端への取り付けのための１つのアセンブリにまとめることができ、あるいはインペラ軸１４２の下端へと個々に取り付けることができる。
【００２７】
１つの典型的な実施の形態においては、機械駆動部１４４によってインペラ軸１４２へと伝えられるトルクが、軸からハブ１４６へと伝達される。ハブ１４６を、インペラ軸１４２へと溶接することができ、あるいはハブ１４６に、インペラ軸１４２に対するハブ１４６の回転を防止するために、キー溝またはセットねじを組み込むことができる。他の典型的な実施の形態においては、ハブ１４６に、インペラ羽根１４０をハブ１４６へと取り付けるための溶接または鋳造による耳を組み込んでいる。他の実施の形態においては、インペラ羽根１４０が、ハブ１４６へと溶接され、あるいはボルトで取り付けられる。インペラ軸１４２の下端は、インペラ羽根１４０よりも下方へと突出することができ、液体１６０内で羽根よりも低い深さに達することができる。
【００２８】
機械駆動部１４４は、ギアボックス、ベルト駆動部等、インペラ軸１４２およびインペラ羽根１４０を所望の速度へと回転させるように構成することができる関連技術において公知の任意の機械駆動部であってよい。機械駆動部１４４は、インペラ軸１４２の上端へと接続される。
【００２９】
軸方向の送りのインペラアセンブリ１０４を使用することで、サイズが最大６３ミクロンの粒子または最大で毎分約１フィートの沈降速度を有する粒子について、浮遊粒子１０６の懸濁を可能にすることができる。軸流インペラアセンブリ１０４の回転速度を変えることによって、固体浮遊粒子１０６のための上昇力を変化させることができる。これらの上昇力を調節することによって、所望のサイズまたは所望の沈降速度を有する浮遊粒子１０６だけを懸濁させることができる。これにより、混合装置を粒子のサイズまたは沈降速度の分類に使用することが可能である。
【００３０】
液体１６０は、本発明が使用される特定のプロセスに応じて、浮遊粒子１０６のための任意の単体媒体であってよい。液面１６２が、容器アセンブリ１０２において液体１６０が達する最高点である。１つの好ましい実施の形態においては、インペラ羽根１４０が、液面１６２から容器底部１２４までの距離の３分の１（１／３）まで沈められる。他の実施の形態においては、インペラ羽根１４０が、液面１６２から容器底部１２４までの距離の４分の１（１／４）〜２分の１（１／２）の間の距離まで沈められる。さらに、インペラ羽根１４０を、容器アセンブリ１０２内の液体１６０の所望の流れの特性に応じて、他の深さへと沈めることも可能である。
【００３１】
液体１６０は、上方流領域１６４、過渡流領域１６６、および下方流領域１６８を含んでいる。上方流領域１６４は、その運動に軸方向（インペラ軸１４２の軸に実質的に沿って上向き）および接線方向（実質的にインペラ軸１４２の軸を中心にして回転）の両方の速度成分を有することができる。液体１６０は、上方流領域１６４を通ってインペラ羽根１４０に向かって移動する。好ましい一実施の形態においては、上方流領域１６４の中心の速度が、上方流領域１６４の外縁における速度よりも、速度の軸方向成分および接線方向成分の両方において大きい。上方流領域１６４の種々の部分の速度の間の関係は、容器アセンブリ１０２およびインペラアセンブリ１０４の寸法ならびにインペラ羽根１４０の回転速度に応じて、さまざまであってよい。
【００３２】
過渡流領域１６６は、軸方向、接線方向、および半径方向（容器アセンブリ１０２の中心から容器側壁１２０に向かって移動する）の速度成分を有することができる。図１に見て取ることができるとおり、液体１６０が、液面１６２に向かって上方へと移動し、容器側壁１２０に向かって外へと移動する弧状の速度成分を有することができる。
【００３３】
下方流領域１６８は、その運動に軸方向、接線方向、および半径方向の速度成分を有することができる。好ましい一実施の形態においては、下方流領域１６８の中心の速度が、下方流領域１６８の外縁における速度よりも、速度の軸方向成分および接線方向成分の両方において大きい。下方流領域１６８の種々の部分の速度の間の関係は、容器アセンブリ１０２およびインペラアセンブリ１０４の寸法ならびにインペラ羽根１４０の回転速度に応じて、さまざまであってよい。全体としての下方流領域１６８は、下方への移動と同時に、インペラ軸の周囲を移動する高速な接線方向運動にて移動することができる。下方流領域１６８におけるこの高速な接線方向および軸方向の運動は、容器側壁１２０へのスケールの付着の軽減または防止に役立つことができる。
【００３４】
典型的な実施の形態においては、最大で約６３ミクロンのサイズまたは最大で毎分約１フィートの沈降速度を有している固体粒子を、上向き送りの軸流インペラを使用し、円錐形の容器底部を備えている背の高い円筒形容器において、懸濁させ、分類するための方法および装置が提供される。
【００３５】
この典型的な実施の形態において、軸流インペラの羽根１４０が、容器の直径１３０に対する容器の高さ１２８の比が３よりも大きい容器アセンブリ１０２において、液体１６０に沈められ、液体１６０の上半分において中心に配置される。
【００３６】
この典型的な実施の形態において、インペラアセンブリ１０４の回転が、流体１６０の流れの３つの速度成分、すなわち軸方向成分、半径方向成分、および接線方向成分を生じさせることができる。半径方向の流れの速度成分は、インペラの回転によって引き起こされ、この流れが、流体１６０を過渡流領域１６６を通って容器側壁１２０に向かって移動させることができる。軸方向の流れの速度成分は、流体１６０を容器底部１２４から上方流領域１６４を通ってインペラ羽根１４０に向かって移動させるうえで役立つことができる。接線方向の流れの速度成分は、インペラ軸１４２の回転軸に実質的に一致する中央の垂直軸を中心にして、容器アセンブリ１０２内の流体の全体の回転を生じさせる。
【００３７】
流体１６０の運動は、インペラアセンブリ１０４によって引き起こされる接線方向の流れの運動によって上方流領域１６４に上向きの竜巻状の効果が生み出される定常状態に達することができる。この実施の形態において、上方流領域１６４の流体１６０の接線方向の角速度は、容器側壁１２０における下方流領域１６８の接線方向の角速度よりも大きくてよい。また、上方流領域１６４の流体は、下方流領域１６８における軸方向の速度成分を超える軸方向の速度成分を有することができる。この現象が、容器底部１２４から過渡流領域１６６および液面１６２に向かって固体浮遊粒子１０６を上昇させることを可能にする。
【００３８】
浮遊粒子１０６は、液体１６０に懸濁しつつ、上方流領域１６４、過渡流領域１６６、および下方流領域１６８の全体に運ばれる。一般に、浮遊粒子１０６は、液体１６０のうちの該浮遊粒子１０６が懸濁している部位と同じ速度ベクトルに従う。浮遊粒子１０６は、粒子上方移動領域２００の液体１６０の運動によって、実質的に軸方向に、インペラ羽根１４０に向かって上方へと運ばれる。インペラ羽根１４０の上方を過ぎた後、浮遊粒子１０６は、粒子過渡移動領域２０２において容器側壁１２０に向かって運ばれる。浮遊粒子１０６は、ひとたび下方流領域１６８に達すると、粒子下方移動領域２０４において容器底部１２４に達するまで運ばれる。浮遊粒子１０６は、液体１６０からの沈殿が可能になるサイズへと成長したならば、沈殿粒子１０８となって、大型粒子収集領域２０６において容器底部１２４に集まることができる。ひとたび沈殿粒子１０８が大型粒子収集領域２０６に落ち着くと、これらの粒子を、他の産業目的に使用するために、好ましくは従来からの手段によって混合アセンブリ１００から取り除くことができる。
【００３９】
典型的な実施の形態において、浮遊粒子１０６は、容器側壁内表面１２２の付近で、粒子下方移動領域２０４において下方へと沈殿し始める。これらの沈殿粒子１０８が、好ましくは円錐形を有する容器底部１２４に集まる。沈殿粒子１０８が所望のサイズよりも小さい場合、粒子は、粒子上方移動領域２００において再び上昇させられ、浮遊粒子１０６になる。この上昇および沈殿のプロセスを、沈殿粒子１０８が少なくとも所望のサイズになって、容器底部１２４の付近の大型粒子収集領域２０６にとどまるまで、繰り返すことができる。
【００４０】
混合プロセスが浮遊粒子１０６のサイズを混合の最中に増大させる晶析装置の典型的な実施の形態においては、より大きな沈殿粒子１０８は、容器底部１２４の付近の大型粒子収集領域２０６のみにおいて振動する。沈殿粒子１０８を粒子上方移動領域２００へと上昇させるために利用することができる上昇力は、インペラアセンブリ１０４の回転速度に依存する。したがって、インペラアセンブリ１０４の回転速度を変えることで、少なくとも所望のサイズである沈殿粒子１０８だけを、混合アセンブリ１００から排出することができる。
【００４１】
１つの典型的な実施の形態においては、液体１６０、浮遊粒子１０６、および沈殿粒子１０８の流れが、連続的である。連続的な流れは、液体１６０、浮遊粒子１０６、および沈殿粒子１０８が周期的、定期的、または連続的に容器アセンブリ１０２に追加され、容器アセンブリ１０２から取り除かれることを伴う。他の実施の形態においては、液体１６０、浮遊粒子１０６、および沈殿粒子１０８の流れが、連続的ではない。
【００４２】
廃棄物消化装置の典型的な実施の形態においては、メタンまたは他のガスの気泡が、液体１６０の流れの最中に生じる可能性があり、これらのガスの気泡を、液面１６２および／または液面１６２の上方に集めることができる。液体１６０の流れの特徴が、ガスの気泡が上方流領域１６４の液体１６０の中心へと集まることを可能にする。次いで、これらの集まったガスの気泡が液面１６２へと放出され、それらを液面１６２において収集することが可能である。このガスの気泡の集中は、液面１６２における泡の形成を防止し、ガスのより容易な収集を可能にする。
【００４３】
廃水処理の典型的な実施の形態においては、本発明を、最大で約３重量パーセント（３重量％）の浮遊スラッジを含んでいる液体および気体を混合するために使用することができる。
【００４４】
以上の記述は、説明を目的として提示されており、以上の記述を、本発明を限定するものと解釈してはならない。本発明を、好ましい実施の形態または好ましい方法に関して説明したが、本明細書において使用されている言葉は、説明および例示の言葉であって、限定の言葉ではない。さらに、本明細書において、本発明を特定の構造、方法、および実施の形態に関して説明したが、本発明は、本明細書に開示の事項に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲の技術的範囲に包含されるすべての構造、方法、および用途へと広がる。当業者であれば、本明細書の教示にもとづいて、本明細書に記載された本発明に対して多数の改良をもたらすことができ、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の技術的範囲および技術的思想から離れることなく、変更を行うことが可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子状物質を有する液体を混合するための装置であって、
・前記液体を収容するための容器と、
・実質的に垂直な軸を中心にして回転する軸流インペラと
を備え、
前記容器が、側壁および底部を備え、
前記軸流インペラが、
・前記液体の全高の約４分の１〜２分の１である距離だけ、液面の下方に沈むように構成されており、
・（ａ）前記垂直な軸に沿って位置する内側の上方流領域と、（ｂ）該インペラの上方に位置し、液体が前記容器側壁に向かって半径方向外向きに移動する過渡流領域と、（ｃ）前記側壁に沿って位置する外側の下方流領域と、を生み出すべく上方へと向けられており、
・可変速であり、
流れが、前記液体において毎分約１フィートまでの沈降速度を有する固体粒子を同伴することができ、前記インペラの速度が、所望の沈降速度を有する粒子の前記容器底部への沈降を可能にするように選択される装置。
【請求項２】
前記容器の直径に対する前記容器側壁の高さの比が、少なくとも３である請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記容器底部が、円錐形であって、少なくとも４５度の傾斜を有する請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記軸流インペラが、前記液体の全高の約３分の１である距離だけ、液面の下方に沈むように構成されている請求項１に記載の装置。
【請求項５】
流れが連続的である請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記容器が、ほぼ液面から前記軸流インペラまで前記容器側壁に沿って長手方向に延びているバッフルをさらに備えている請求項１に記載の装置。
【請求項７】
粒子状物質を有する液体を混合する方法であって、
・前記液体を収容するための容器を用意するステップと、
・実質的に垂直な軸を中心にして回転する軸流インペラを用意するステップと
を含み、
前記容器が、側壁および底部を備え、
前記軸流インペラが、
・前記液体の全高の約４分の１〜２分の１である距離だけ、液面の下方に沈むように構成されており、
・（ａ）前記垂直な軸に沿って位置する内側の上方流領域と、（ｂ）該インペラの上方に位置し、液体が前記容器側壁に向かって半径方向外向きに移動する過渡流領域と、（ｃ）前記側壁に沿って位置する外側の下方流領域と、を生み出すべく上方へと向けられており、
・可変速であり、
流れが、前記液体において毎分約１フィートまでの沈降速度を有する固体粒子を同伴することができ、前記インペラの速度が、所望の沈降速度を有する粒子の前記容器底部への沈降を可能にするように選択される方法。
【請求項８】
前記容器の直径に対する前記容器側壁の高さの比が、少なくとも３である請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記容器底部が、円錐形であって、少なくとも４５度の傾斜を有している請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記軸流インペラが、前記液体の全高の約３分の１である距離だけ、液面の下方に沈むように構成されている請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
流れが連続的である請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記容器が、ほぼ液面から前記軸流インペラまで前記容器側壁に沿って長手方向に延びているバッフルをさらに備えている請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
液体を混合する方法であって、
・上端と、下端と、上端と下端との間を延びる実質的に円筒形の収容壁とを有している容器に、液体を供給するステップと、
・実質的に垂直な軸を中心にして回転し、回転速度を調節するための手段を有し、前記上端から前記下端までの距離の約４分の１〜２分の１に位置する位置へと前記液体に沈められる軸流インペラを用意するステップと、
・前記軸流インペラによって前記液体に、（ａ）前記下端から前記上端に向かって移動する前記垂直な軸に沿った内側流と、（ｂ）前記軸流インペラから前記収容壁に向かう外向き流と、（ｃ）前記上端から前記下端に向かって移動する前記収容壁に沿った外側流とを含む流れを生成するステップと
を含んでいる方法。
【請求項１４】
前記軸流インペラが、前記上端から前記下端までの距離の約３分の１に位置する位置へと前記液体に沈められる請求項１３に記載の方法。
【請求項１】
粒子状物質を有する液体を混合するための装置であって、
・前記液体を収容するための容器と、
・実質的に垂直な軸を中心にして回転する軸流インペラと
を備え、
前記容器が、側壁および底部を備え、
前記軸流インペラが、
・前記液体の全高の約４分の１〜２分の１である距離だけ、液面の下方に沈むように構成されており、
・（ａ）前記垂直な軸に沿って位置する内側の上方流領域と、（ｂ）該インペラの上方に位置し、液体が前記容器側壁に向かって半径方向外向きに移動する過渡流領域と、（ｃ）前記側壁に沿って位置する外側の下方流領域と、を生み出すべく上方へと向けられており、
・可変速であり、
流れが、前記液体において毎分約１フィートまでの沈降速度を有する固体粒子を同伴することができ、前記インペラの速度が、所望の沈降速度を有する粒子の前記容器底部への沈降を可能にするように選択される装置。
【請求項２】
前記容器の直径に対する前記容器側壁の高さの比が、少なくとも３である請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記容器底部が、円錐形であって、少なくとも４５度の傾斜を有する請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記軸流インペラが、前記液体の全高の約３分の１である距離だけ、液面の下方に沈むように構成されている請求項１に記載の装置。
【請求項５】
流れが連続的である請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記容器が、ほぼ液面から前記軸流インペラまで前記容器側壁に沿って長手方向に延びているバッフルをさらに備えている請求項１に記載の装置。
【請求項７】
粒子状物質を有する液体を混合する方法であって、
・前記液体を収容するための容器を用意するステップと、
・実質的に垂直な軸を中心にして回転する軸流インペラを用意するステップと
を含み、
前記容器が、側壁および底部を備え、
前記軸流インペラが、
・前記液体の全高の約４分の１〜２分の１である距離だけ、液面の下方に沈むように構成されており、
・（ａ）前記垂直な軸に沿って位置する内側の上方流領域と、（ｂ）該インペラの上方に位置し、液体が前記容器側壁に向かって半径方向外向きに移動する過渡流領域と、（ｃ）前記側壁に沿って位置する外側の下方流領域と、を生み出すべく上方へと向けられており、
・可変速であり、
流れが、前記液体において毎分約１フィートまでの沈降速度を有する固体粒子を同伴することができ、前記インペラの速度が、所望の沈降速度を有する粒子の前記容器底部への沈降を可能にするように選択される方法。
【請求項８】
前記容器の直径に対する前記容器側壁の高さの比が、少なくとも３である請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記容器底部が、円錐形であって、少なくとも４５度の傾斜を有している請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記軸流インペラが、前記液体の全高の約３分の１である距離だけ、液面の下方に沈むように構成されている請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
流れが連続的である請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記容器が、ほぼ液面から前記軸流インペラまで前記容器側壁に沿って長手方向に延びているバッフルをさらに備えている請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
液体を混合する方法であって、
・上端と、下端と、上端と下端との間を延びる実質的に円筒形の収容壁とを有している容器に、液体を供給するステップと、
・実質的に垂直な軸を中心にして回転し、回転速度を調節するための手段を有し、前記上端から前記下端までの距離の約４分の１〜２分の１に位置する位置へと前記液体に沈められる軸流インペラを用意するステップと、
・前記軸流インペラによって前記液体に、（ａ）前記下端から前記上端に向かって移動する前記垂直な軸に沿った内側流と、（ｂ）前記軸流インペラから前記収容壁に向かう外向き流と、（ｃ）前記上端から前記下端に向かって移動する前記収容壁に沿った外側流とを含む流れを生成するステップと
を含んでいる方法。
【請求項１４】
前記軸流インペラが、前記上端から前記下端までの距離の約３分の１に位置する位置へと前記液体に沈められる請求項１３に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公表番号】特表２０１１−５０７６９０（Ｐ２０１１−５０７６９０Ａ）
【公表日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５３９８５０（Ｐ２０１０−５３９８５０）
【出願日】平成２０年１２月１９日（２００８．１２．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０８７５８４
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０８２６７７
【国際公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【出願人】（５１０１７３１６６）フィラデルフィア・ミキシング・ソリューションズ・リミテッド (2)
【氏名又は名称原語表記】ＰＨＩＬＡＤＥＬＰＨＩＡ ＭＩＸＩＮＧ ＳＯＬＵＴＩＯＮＳ， ＬＴＤ．
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１９日（２００８．１２．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０８７５８４
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０８２６７７
【国際公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【出願人】（５１０１７３１６６）フィラデルフィア・ミキシング・ソリューションズ・リミテッド (2)
【氏名又は名称原語表記】ＰＨＩＬＡＤＥＬＰＨＩＡ ＭＩＸＩＮＧ ＳＯＬＵＴＩＯＮＳ， ＬＴＤ．
【Ｆターム（参考）】
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