撹拌装置の基礎と性能評価、選定のポイントおよび数値流体力学の撹拌技術への活用例

撹拌技術はプロセス産業をはじめとする多くの分野で必要とされる基盤技術のひとつです。撹拌装置内部の挙動は複雑かつ解明されていない事柄も多くプロセス毎に抱えている課題も多様です。そのため撹拌に関する特有の流れや熱・物質移動などを把握することは撹拌に関する様々な課題に対応する上で不可欠であると考えられます。 　本講習会では複雑な撹拌現象の理解を助けるために実験・計算動画や図、写真等を用いて現象を可視化しながら、様々な攪拌翼の特長とそれらの性能特性 (動力、混合、伝熱、固液分散性等) ならびにスケールアップに関する基本的な考え方について解説します。 　また、近年、設計や製造現場で活用されるようになった数値流体力学 (CFD) に基づく評価方法や適用性についての事例を挙げ、CFDの活用法について解説します。

1. 撹拌装置の概要
   1. 撹拌の目的
      1. 撹拌装置の分類
      2. 撹拌の形態と操作目的
   2. 撹拌装置の概要
      1. 撹拌翼の種類と適用範囲
      2. 低粘度液と高粘度液の境界
      3. 邪魔板 (バッフル) の機能と種類
   3. 各種撹拌翼の特長と流動状態 (フローパターン)
      1. ハイドロフォイル翼、プロペラ翼など (軸流)
      2. タービン翼、平パドル翼など (放射流)
      3. 傾斜パドル翼 (放射流+軸流)
      4. 多段翼 (各種翼の組み合わせ)
      5. 汎用大型翼
         • パドル系
         • 格子系
      6. アンカー翼
      7. リボン翼系
      8. 槽底への設置翼
      9. その他
         • 同軸翼
         • ノンシール翼等
2. 撹拌性能の評価
   1. 撹拌所要動力と撹拌翼の吐出流量
      1. 動力数Npと撹拌レイノルズ数ReMの関係
      2. 単位体積当たりの撹拌所要動力Pv [W/m3]
      3. Npの相関式
      4. Npと吐出流量係数Nqによる撹拌翼の特性評価
   2. 混合性能とフローパターン
      1. 混合性能の評価指数 (混合時間TMと無次元混合時間n・TM)
      2. 混合過程と混合時間 着脱色法 電気伝導度法
      3. 混合時間の相関と性能曲線 (ReM vs. n・TM)
   3. 伝熱性能
      1. 撹拌伝熱方式
      2. 局所熱伝達係数と総括熱伝達係数
      3. 壁面の流速に及ぼす粘性係数変化の影響
      4. 撹拌伝熱の無次元相関
   4. 固液分散性能
      1. 固液撹拌の目的
      2. 固液撹拌の具体例 (可視化実験)
      3. 浮遊限界速度の評価
      4. 浮遊限界回転数の評価
3. スケールアップの考え方
   1. スケールアップの基準とレイノルズ数
   2. 均相系撹拌のスケールアップ
      1. 乱流 (Pv一定と混合時間一定の相違)
      2. 層流
   3. 固液系撹拌
   4. 気液系撹拌
4. 撹拌と数値流体力学
   1. 撹拌CFDの基礎
      1. 計算の目的
      2. 撹拌CFDに関する先行研究事例
      3. 支配方程式
         1. 連続の式および運動量の輸送方程式
         2. スカラー量 (物質・エネルギー) の輸送方程式
      4. 直接数値計算と乱流モデル
      5. 撹拌CFDの特徴と必要な機能
      6. 代表的な境界条件、初期条件
      7. 解析ソルバー
      8. モデル作成の留意点 (メッシュ数等)
      9. CFD利活用にあたっての留意点
   2. CFDの検証
      1. ランキン渦の解析と可視化 (実測との比較)
      2. バッフル付き撹拌槽の乱流流動解析
         1. 液面の考慮 (VOF法の適用)
         2. 乱流モデルによる予測結果の相違
      3. リボン翼等の層流流動解析
      4. 撹拌性能の評価と検証
         1. 槽内流動の基本情報 (フローパターン)
         2. 撹拌所要動力 (トルクの評価)
         3. 混合性能
         4. 伝熱性能
         5. 固液分散性
         6. 液面からのガス巻き込み状態
   3. 設計・適用事例 (撹拌装置最適化の観点から)
      1. 傾斜パドル翼の最適化
         1. 撹拌トルクおよび吐出流量に及ぼす翼枚数等の影響
         2. 吐出効率の評価
      2. 撹拌装置の高効率化 (パドル翼の最適化検討)
         1. 混合性能に及ぼす翼寸法と翼配置の影響
         2. 翼の吐出バランスの調整 (槽内流動の最適化)
         3. 既存翼との比較例
      3. CFD援用のスケールアップ検討
         1. 撹拌所要動力のスケールアップCFDに基づくNp-ReM相関
         2. フローパターンに及ぼすスケールアップの影響の可視化
      4. 乱流域におけるスケールアップの評価 (CFDより見えるもの)
      5. 層流〜遷移域におけるスケールアップの評価
• 質疑応答