撹拌機

撹拌機とは

撹拌機とは、目的を達成するために物質を混合させる機械です。撹拌機はモーターからの回転エネルギーを槽内へ伝達します。エネルギーは主に、槽内全体の循環流を生み出す吐出作用と、局所的な剪断力をかける剪断作用に使用されます。

撹拌翼は、撹拌機の構成要素の中でも最も重要です。最適な撹拌翼の形状は、吐出作用と剪断作用のどちらを優先するか、物質の粘度がどれぐらいかによって異なります。代表的な撹拌翼は、プロペラ翼、タービン翼、アンカー翼、パドル翼、リボン翼です。

撹拌機の使用用途

撹拌機は産業分野において、物質を混合させる際に使用されています。比較的大きな工場では、撹拌槽の容量は大きく、それに伴い撹拌に要する時間も多くなります。一方で、小型の撹拌機は実験室レベルから工場現場など容易に使用できるもので、短時間での撹拌が可能です。

小型の撹拌機は、撹拌槽の容量として、20〜3,000Lの範囲で使用するものが多く、撹拌翼も容量に応じてサイズが設定されています。大型の撹拌機は、工場レベルで使用するもので、10,000L以上のレベルで大規模になります。よって、撹拌槽を複数で設置する、効率よく稼働できる撹拌機を使用するなど工夫しなければなりません。

撹拌機の原理

撹拌機における物質の状態

槽内を混合させるには拡散と対流が必要です。拡散は分子運動によって自然に、細部まで均一に混合していく現象を表します。一方、対流は異なる物質同士を槽内で引き伸ばしたり分割したりして、広い空間として捉えた場合に、その空間全体に物質が分散する現象を表します。

撹拌機での撹拌現象

2種類の液体が槽内に2層で存在すると仮定します。モーターの力により撹拌翼が回ると、まず強制的に液体を細かく分散させます。ドレッシングを使用する前に振る時と同様のイメージです。

撹拌翼の形状により、撹拌翼に接触した液が上下左右に流れを作ることで、撹拌翼特有の挙動へと変化します。例えばパドル翼は傾斜が付いていて、上下方向にもより流れを作ることができる形状です。また、タービン翼は円盤に取り付けたブレードが槽内で高速回転し、高い剪断力を生み出しています。

撹拌機の動力

モーターが回転することで軸に動力が伝わります。その際に減速機を付けていれば、減速機に応じた減速とトルク上昇が可能です。また、軸封装置により、回転を妨げずに槽内を密閉できます。軸封装置は一般的に、グランドパッキンやメカニカルシールが用いられています。

撹拌機の種類

撹拌機の構成

撹拌機は、石油精製や石油化学プラントをはじめ、化粧品、食品に至るまで多くの産業で使用されています。撹拌翼の取り付けを含めて構造がシンプルでコスト的に有利であるため、導入される産業が多様です。

撹拌機の構成は撹拌槽と呼ばれる原料を入れる部分と、撹拌翼、回転させるモーター、そして、撹拌翼に動力を伝える軸とシンプルです。

撹拌機の槽型

撹拌機では、先に述べた構成の中で、原料を投入する部分によって、槽型装置と管路型装置、その他の装置と3種類に分けられます。槽型には、一方回転型、往復反転型、上下運動型があります。その中でも一方回転型は、さらに縦型、底面型、横型、可搬型に分類可能です。

一方回転型の詳細

一方回転型の縦型は、撹拌翼の据付位置・角度によっても分けられます。撹拌翼が中心・垂直の据付、偏心・垂直の据付、偏心・傾斜の据付などに分類します。

同様にして一方回転型の横型でも撹拌槽の槽壁に水平に翼を据え付けるタイプと傾斜をつけるタイプがあり、どちらも撹拌翼は槽の底部に設置される場合が多いです。一般的に横型の撹拌翼は、主に貯蔵タンクやブレンドタンクに利用されます。これにより、タンクの底部から流入した流体の撹拌を行い、濃度や温度を均一にできます。

撹拌機のその他の情報

撹拌翼の種類

物質の低粘度域で用いられる撹拌翼は、プロペラ翼、タービン翼、パドル翼です。一方、物質の高粘度域で用いられる撹拌翼は、アンカー翼とリボン翼です。高粘度液の均一化や熱交換に用いられます。

低粘度域で用いられる撹拌翼

プロペラ翼は一般的な撹拌翼で、ヘリコプターのプロペラに類似した形状です。タービン翼は円盤にブレードを付与した形状で、剪断力が高く、液滴の微細化や気液分散に向いています。パドル翼は船のオールに類似した形状で、シンプルであることから、基本的な撹拌データを取得する材料として広く用いられています。

高粘度域で用いられる撹拌翼

アンカー翼は船の錨のような形状で、軸方向への流れができにくい点がデメリットです。リボン翼は構造が複雑化しており、その分軸方向への流れを形成できます。

参考文献
https://www.mizuho-ind.co.jp/labo/about/basic_knowledge_03_13/
https://www.satake.co.jp/research/technical/about_mixer/
https://www.inouemfg.com/kakuhanki/
https://www.shi-pe.shi.co.jp/technology/mixing-lecture/basic001/index.html

 

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