混合とは

はじめに

混合の基本から、当社機器「FMミキサ」における混合条件の最適化についてご説明します。

「混合」とは

「混合」とは、濃度分布を均一にする操作です。均一性の度合いを示す値として混合度が用いられます。混合度は任意の点の特定成分の濃度のばらつきから計算されます。また、解砕を伴う混合を特に「分散」と呼びます。分散は特定成分の解砕程度が重要で、粒子径や発色度で評価します。

FMミキサでの混合度 混合時間θ(s)と混合度Md(%)のグラフ 混合度の比較 時間[min]と混合度Mo=1-δ/δo[%]のグラフ

「混合」と「分散」の違い

ここで「混合」と「分散」の違いを表にしました。

混合 分散
目的 濃度分布を均一 凝集物の解砕を伴う、濃度分布の均一化
Key 濃度のばらつき 凝集物の粒子の大きさ
判定方法 濃度分析、反射率のばらつき 発色度、未解砕物の有無、製品特性
主作用因子 対流混合 せん断作用
ミキサ条件 対流を促す羽根形状 高速回転
状態 イメージ図 イメージ図
FMミキサの混合、分散作用に
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粉粒体の混合機構

粉粒体の混合が進行していく過程は、対流混合,せん断混合,拡散混合の三つの作用から成り立つと言われています。
対流混合は、粒子群が大きく位置を移動し循環流(対流)を形成して進行する混合で、巨視的な混合に寄与します。
せん断混合は、せん断作用による粒子群の崩壊で進行し、準微視的な混合に寄与します。粒子塊(凝集物)の解砕に伴い、分散操作では重要な要素になります。
拡散混合は、粒子相互の位置交換や、新しくできた表面層への粒子の散布などによる微視的な混合です。実際には、粒子の形状,流れ方向のわずかな速度差・回転などによる不規則性に起因した作用です。
実際の混合の進行において、これら三つの混合機構は同時に作用しています。どの機構が支配的かは、混合機の構造や操作条件によって異なります。なお、拡散混合はわずかな速度差や回転により生じるので、対流やせん断が起これば必然的に生まれる作用です。したがって、混合機や操作条件の選定にあっては、対流とせん断の大きさを考えることが重要です。

1.対流混合 2.せん断混合 3.拡散混合
粉粒体の混合機構

「FMミキサ」における混合条件の最適化

取り扱う材料は流動性が良いものや悪いもの、付着・凝集性の強いものなど様々です。また、乾燥やコーティングなどを含む場合も多く、その処理は千差万別です。これらを効率良く処理するためには、操作条件の最適化がポイントとなります。以下、特に混合・分散に影響する条件についてご紹介します。

FMミキサの構造はこちらから

羽根形状について

羽根の先端速度[m/s]と正味の出力電力[kw]グラフ
羽根と動力

羽根形状は混合機構で重要な対流に寄与します。一般的には撹拌抵抗が大きい方、すなわち動力が大きくなる形状・組み合わせが対流を促進させますが、過度の動力は発熱を招くので、適度な対流が得られる羽根の選定が必要です。なお、混合における対流は、表面で強い渦流になって吸い込む流れが形成されていることが理想です。図は羽根組み合わせによる動力比較例です。
なお、羽根形状は対流だけではなく槽璧や羽根への付着にも影響します。粒子の挙動は、流動性、凝集性、比重などの処理物の性状次第であり、処理物の性状を理解した上で選定しなければなりません。
当社のテストセンターでは、さまざまな羽根形状を用意しております。処理でお困りの方は一度ご相談下さい。

羽根の回転速度と先端速度

混合処理のパラメータの1つとして、「羽根の先端速度」があります。下式の通り、羽根の先端速度は、羽根の外形寸法および回転数から算出できます。

羽根の先端速度計算式 羽根の先端速度計算式
低速20m/sと高速40m/sにおける発色度の変化図
発色度の変化(PVC中に染料0.3%)

また図は低速、高速運転での分散度(発色度)の結果です。上段は低速(20m/s)、下段は高速(40m/s)です。高速は低速のほぼ1/4の時間で同じ発色度になり、先端速度が分散すなわちせん断に大きく影響することがわかります。分散は高速であるほど有利で、「FMミキサ」ではオプション仕様で100m/sまで対応可能です。100m/sのせん断は単なる解砕だけではなく、複合化などの粒子の表面操作をも可能にしました。

仕込み量(処理量)

仕込み量は対流に関わり、仕込み量が多いほど対流が低下します。仕込み量が多い場合の対流不良は、羽根形状でカバーすることになります。適当な対流が得られていれば、混合時間に影響を及ぼすことはほとんどありません。ただし一般的には、仕込み量の増加は分散時間に影響を与えます。
「FMミキサ」における推奨仕込み量は、上羽根が埋まる量からタンク容量の2/3程度としています。仕込み量が少ないと、渦流が形成されたときに粉面を上羽根が叩き、飛散しやすくなります。飛散により、槽壁への付着や混合不良、排出不良が生じます。また、仕込み量がタンク容量の2/3を超えると粉面が蓋まで達してしまい、対流を阻害したり、過度の動力を要したりします。もちろん、付着しない場合や適当な対流が得られればこの限りではありません。回転速度にもよりますので一つの目安として下さい。

デフレクタ

粉体の対流を乱す邪魔板のことを示します。対流は上下の循環流が重要ですが、壁面との摩擦係数が小さい場合やフラッシングを起こす材料では、横方向の運動(回転運動)が強くなり、上下の循環流が低下してしまいます。デフレクタを用いることで上下の循環流を促進させます。また、デフレクタ後部がデッドスペースにならないように、デフレクタと壁面を開けて、粉が流れ込むように設置することも重要です。

その他補助装置

搔き落し装置:
羽根形状他の操作条件では付着が解消されない場合に使用します。掻き取り板を槽壁に沿って回転させることで壁への付着を防止します。

チョッパー :
攪拌羽根を高速で運転できない場合に分散用として使用します。

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