JPS6334773B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は流体混合装置に係り、広い範囲の流量
に対応して良好な混合精度が得られる流体混合装
置に関する。

〔発明の背景〕

流体を混合することは、多くの工業で要求され
実施されている。従来、流路上に設けた流体混合
装置及びその方法としては次のようなものがあ
る。簡単な構造では混合すべき流体をＴ字接手等
によつて合流し適当な長さの流路を設けて混合す
る方法。また、流体を合流した後流路上に適当な
口径のオリフイスあるいは固体案内羽根を設けて
混合する方法。また、エジエクタを設けて、第１
流の流体をノズルから噴出させこれに第２流の流
体を吸収し混合する方法がある。

これらの流体混合装置による流体の混合作用は
流体混合装置内を流れる流体自体の乱れにより生
じる。そこで、流体を混合させるには流体の乱れ
を起させるために混合装置内の流体の流速をある
程度以上に大きくする必要がある。しかし、流体
の流速を大きくしすぎると、流体混合装置による
圧力損失が上昇し、混合装置の用途によつては操
作困難になる。

そこで、前記した従来の流体混合装置は、混合
すべき流体が必要な流速になるように適当な構造
及び大きさのものが設けられ、比較的狭い範囲の
流量で操作される。すなわち、従来の混合装置に
おいては広い範囲で流量が変動する場合には圧力
損失の上昇はさけられない。これは従来の流体混
合装置の内部構造が固定されており、流体の流量
変動に対応してその構造が簡単に変更できないた
めである。

このように、広い範囲の流量に対応して良好な
混合精度が得られ、かつ低圧損で作動する流体混
合装置は、本発明以前には実現していない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、混合すべき流体の広い範囲の
流量変動に対応して、良好な混合精度が得られか
つ低圧損で作動する流体混合装置を提供するにあ
る。

〔発明の概要〕

本発明は、流体混合装置の発明であつて、流体
を流路上で混合させる流体混合装置において、第
１流の流路上に上流から下流方向に拡がるテーパ
管部を形成し、このテーパ領域に自由に移動でき
る浮遊体を収納し、かつテーパ管の上流側に第２
流の流体入口を設けたことを特徴とする。また、
前記浮遊体としては、前記第１流と第２流の混合
流体によつて、テーパ領域内で浮遊状態を維持で
きる形状、大きさ及び密度のものが選定され、こ
の浮遊体の背後には渦流が形成される。また、テ
ーパ管部の上流、下流には、浮遊体が飛び出すの
を防止するために、金網、多孔板或いは突起など
が設けてることが望ましい。

次に、本発明の原理について説明する。小口径
側を下にしてほぼ垂直に設けたテーパ管内に自由
に移動できる適当な形状、大きさ及び密度の浮遊
体を収納し、下方より流体を供給すると、浮遊体
はその前後に生ずる圧力差による力で上方に押し
上げられるが、浮遊体が上方へ移動するにつれて
浮遊体とテーパ管との流通面積が増加するのでそ
こを通過する流体の速度が小さくなつて圧力差が
減少し、浮遊体はその自重と圧力差による力との
均衡した位置で静止する。すなわち、テーパ管内
に浮遊体を収納した装置においては、流体の供給
量が増加しても、その流量に応じて浮遊体がテー
パ管内における静止位置を自動的に変え、圧力損
失は上昇しないことが知られている。一方、流体
中に静止した物体を置くと、物体の背後にうずが
発生することが知られている。これより、前記テ
ーパ管内に供給した流体によつて浮遊体が静止状
態にある場合、その浮遊体の背後にうずが発生し
ている。

そこで、第１図に示すように、第１流１の流路
上に、小口径側を下にしてほぼ垂直にしたテーパ
管２を設け、このテーパ領域内に自由に移動でき
る浮遊体３を入れ、かつその上流側に混合すべき
第２流４の流体入口５を設けた構造にし、これに
第１流体１と第２流体４とをそれぞれ供給して、
テーパ管２内で浮遊体３が静止する状態にすれ
ば、浮遊体３の背後に生じるうず６によつて、第
１流体１と第２流体４とを混合させることがで
き、さらに、第１流体１と第２流体４の供給流量
が増加しても圧力損失が増加しない流体混合装置
７を構成することができる。

なお、第１図に示すように、テーパ管２内の上
下には浮遊体３がテーパ領域から流出するのを防
止するために、突起８、金網あるいは多孔板など
が設けてある。また、テーパ管２及び浮遊体３の
大きさその他の仕様は混合すべき流体の流量範囲
及び特性によつて適宜最適なものが選定される。

〔発明の実施例〕

以下、実施例をあげて本発明を具体的に説明す
る。しかし、本発明はこれらの実施例に限定され
るものではない。

実施例 １ 本発明の流体混合装置の混合効果を明確にする
ために、第２図に示す実験装置を用いた。この実
験装置は、本発明の流体混合装置７、第１流体貯
槽９、ポンプ１０および流量計１１からなる第１
流体の供給系、第２流体貯槽１２、ポンプ１３か
らなる第２流体の供給系、液分配器１４およびPH
測定装置１５，１６からなる流出液の混合度の測
定系より構成した。ここに用いた本発明の流体混
合装置７は管長が63mm、管端の口径は下側が6.5
mm、上側が7.7mmのテーパ管２であり、その内部
に径6.3mmのステンレス製の球状の浮遊体３を収
納し、かつテーパ領域より５mm上流側に、口径３
mmの第２流体の注入口５を設けた構造である。混
合装置の上部には、平面の大きさが30mm×100mm、
幅が9.5mmの液分配器１４を取付けた。また、液
分配器１４の内部空間は横方向に５等分され、か
つ分割した各室に流出液の導管１７を設け、これ
をそれぞれHz測定管１５に接続した。第１流体の
供試液は0.002MKH₂PO₄溶液を用い、これに1N
NaOHを添加して、PH6.3に調製した。また、第
２流体の供試液は0.1N NaOH溶液である。

実験は貯槽９からポンプ１０により流量計１１
を経て、第１流体１を３〜18／ｈの流量範囲で
連続的に供給し、これに約90分の１の第２流体４
を貯槽１２からポンプ１３により供給した。そし
て、各供給流量における混合装置の混合度は、第
１流体と第２流体とを混合した後、混合溶液がPH
7.3になるようにし、その際液分配装置より５等
分された各流出液のPHを測定して求めた。なお、
測定に用いたPHセンサの精度から、流出液のPHの
変動幅が0.1以内にある場合を完全混合と見なし
た。

このようにして測定した本発明の流体混合装置
７の結果は第３図のＡに示すように、供給流量５
／ｈ以上でPH変動幅は0.1以下になり、良好な
混合度が得られた。かつ、第４図のＡに示すよう
に、本発明の流体混合装置の圧力損失は、供給流
量の広い範囲にわたつてほぼ一定であり、30〜38
mmH₂Oと低い値であつた。

比較例 １ 第１図に示した本発明の流体混合装置７の浮遊
体３による混合効果をさらに明確にするために、
浮遊体３を取りはずしてテーパ管のみにした第５
図の構造の混合装置を用いて検討した。実験装置
は前記実施例１で用いた第２図と同じであり、混
合装置７のみ第５図のものととりかえた。また、
実験方法は前記実施例１と同じにした。

第５図に示すテーパ管のみの構造の流体混合装
置による混合の結果は、第３図のＢに示すように
供給液の全流量範囲においてPH変動幅は0.1以上
であり、良好な混合度は全く得られなかつた。た
だし、第５図の混合装置の圧力損失は、第４図の
Ｂに示すように、１〜９mmH₂Oと本発明の混合
装置より低い値であつた。

比較例 ２ 本発明の流体混合装置（第１図）の流量変動に
対する圧力損失の特性を明確にするために、従来
の絞り盤を設けた第６図の構造の混合装置を用い
て検討した。実験装置は前記実施例１で用いた第
２図のものと同じであり、混合装置７のみ、第６
図の構造のものに取替えた。また、実験方法は前
記実施例１と同じにした。

第６図に示す絞り盤１９を設けた構造の流体混
合装置による混合の結果は、第３図Ｃに示すよう
に、供給液の流量が５／ｈ以上において流出液
のPH変動幅は0.1以下であり、良好な混合精度が
得られた。しかし、その際の圧力損失は第４図の
Ｃに示すように、供給液の流量が増大するにつれ
て、上昇し、45〜973mmH₂Oと高い値になつた。

以上のように、本発明の流体混合装置を用いれ
ば、混合すべき流体の広い範囲の変動に対応して
良好な混合精度が得られ、かつ低圧損で作動する
ことがわかる。

次に、本発明の具体的な適用例をあげて説明す
る。第７図は先に特願昭58−11287として出願し
たもので、被反応液を通液し、酵素反応を連続的
に行う固定化酵素反応装置である。固定化酵素反
応装置は、反応器２０、原料貯槽２１、原料ポン
プ２２、反応液貯槽２３、PH調整液貯槽２４及び
ポンプ２５により構成されている。この反応器２
０の構造は反応槽２６と調節部２７とを交互に多
段に設けた多段充填層型であり、その目的は固定
化酵素の反応層２６における酵素反応により変化
したPH、温度を調節部２７により最適領域に調節
し、より反応効率の高い固定化酵素反応器を提供
するにある。

そこで、多段充填層型固定化酵素反応器２０の
目的を達成するために、反応器２０に設けられる
調節部２７に次のような機能が要求される。ま
ず、調節部では、PHを調節するために注入された
PH調整液と被反応液とを混合させる機能が要求さ
れる。また、反応層に充填される固定化酵素粒子
の圧縮強度は一般に小さいので、できるだけ圧力
損失が低いことが要求される。ところで、固定化
酵素の活性は反応時間の経過とともに徐々に低下
する。そこで、反応器２０による反応液の反応率
を一定にするためには、固定化酵素の活性の低下
に応じて反応器２０に供給する被反応液の流量を
徐々に減少させることになる。そのため、調節部
２７においては、さらにこの被反応液の供給流量
の変動範囲に対応して良好な混合精度が得られ、
かつ低圧損で作動する機能が要求される。

このように、多段充填層型反応器２０に設けら
れる調節部２７には種々の機能が要求される。こ
れに対して、第１図に示す本発明の流体混合装置
は要求されるこれらの機能を全て満足できるの
で、調節部２７に適用すれば、固定化酵素反応器
を効率よく操作できる。

第８図は本発明の流体混合装置７を前記固定化
酵素反応器２０の調節部２７に内設した構造を示
したものであり、調節部２７のほぼ中央に、上側
に広がつたテーパ管２が取付けられており、テー
パ管２の内部には浮遊体３が収納されている。ま
た、テーパ管２の上部と下部には浮遊体３が流出
するのを防止するための多孔板８が設けられてい
る。また、テーパ管２の下部にはPH調整液の注入
口５が設けられており、テーパ管２のほぼ中央に
開口している。また、テーパ管２の外側はジヤケ
ツトになつており、冷却水を供給、排出するため
のパイプ２８，２９が調節部２７の外側に設けら
れている。

次に、変形例について説明する。浮遊体３の形
状としては、第１図に示した球体以外に、上部が
円板状であり、下部が円錐になつた形状のもの
（第９図）、また、上部の円板に斜めに溝を切つて
テーパ管内の流体によつて回転を与えられる形状
のもの（第１０図）、また円板を間隔をおいて２
段以上かさねた形状のもの（第１１図）などにし
てもよい。

また、テーパ管内に自由に移動できる浮遊体を
入れた流体混合装置の原理を拡張すれば、流体よ
りも比重の軽い浮遊体を用い、下側広がりのテー
パ管に収納して上側より流体を流す方法をとつて
もよい（図示せず）。さらに、第１２図に示すよ
うに、浮遊体を、例えばバネなどの弾性体３０と
ともにテーパ管内に収納し、弾性体の反発力を利
用する横型の流体混合装置を構成してもよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、供給流量が増加しても、各流
量に応じて浮遊体がテーパ管内における静止位置
を自動的に変え、その浮遊体の背後に生じるうず
によつて流体を混合し、圧力損失も上昇しないの
で、本発明装置は混合すべき流体の広い範囲の流
量変動に対応して、良好な混合精度が得られかつ
低圧損で作動する等の効果を持つている。

【図面の簡単な説明】

第１図、第１２図は本発明の流体混合装置の概
略断面図、第２図は本発明の流体混合装置を組込
んだ一実施例装置の概略フロー図、第３図は本発
明及び比較例夫々の流体混合装置を第２図の実験
装置に組込んで得られた混合度の特性図、第４図
は同じく第２図の実験装置に組込んで得られた圧
力損失の特性図、第５図、第６図は本発明の流体
混合装置に対する比較例の流体混合装置の概略断
面図、第７図は本発明の流体混合装置の応用例で
ある多段充填層型固定化酵素反応装置の概略フロ
ー図、第８図は第７図の部分拡大図、第９図乃至
第１１図は浮遊体の変形例を示す側面図である。 １…第１流体、２…テーパ管、３…浮遊体、４
…第２流体、５…注入口、６…うず、７…流体混
合装置、８…突起、９…第１流体貯槽、１０…ポ
ンプ、１１…流量計、１２…第２流体貯槽、１３
…ポンプ、１４…液分配器、１５…PH測定管、１
６…PHメータ、１７…流出液の導管、１８…多孔
板、１９…絞り盤、２０…多段充填層型固定化酵
素反応器、２１…原料貯槽、２２…原料ポンプ、
２３…反応液貯槽、２４…PH調整液貯槽、２５…
ポンプ、２６…反応槽、２７…調節部、２８…冷
却水入口、２９…冷却水出口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 上流から下流の方向に拡がるテーパ部を備え
   た第１の流路と、 該第１の流路内でかつ前記テーパ部の上流側に
   開口する第２の流路と、 前記テーパ部内を上流、下流のいずれの方向に
   も移動可能でかつ背後に渦流を形成する浮遊体と
   を具備してなる流体混合装置。