JPH0798138B2 - 撹拌槽内におけるビンガム流体の流動状態の測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、攪拌槽内に貯留されたビンガム流体の流動
状態を測定し、該流体をその特性に応じて効率良く攪拌
することができる攪拌槽内におけるビンガム流体の流動
状態測定方法に関する。

「従来の技術とその課題」 粘土泥しょうやペイントなどの微粒子を含む高濃度スラ
リーは、剪断応力がある降伏値を超えたときにはじめて
流動が生じるいわゆるビンガム流体的流動挙動を示し、
これにより、攪拌翼にタービン翼やパドル翼などを用い
た攪拌槽内で攪拌した場合に、翼近傍では流動し、翼か
ら離れたところでは静止するという現象が生じる。

また、このような高濃度スラリーは固体と液体との混合
物であるため、光が通らず、攪拌槽外から内部の流動を
観察することは、一般には不可能であり、それが同スラ
リーの流動状態を定量的に検討する上での支障となって
いる。

この発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであっ
て、電気伝導度法を利用した電極プローブを試作し、攪
拌槽内におけるビンガム流体の静止域と流動域の境界、
流動域における流動の方向を検知することができる攪拌
槽内におけるビンガム流体の流動状態測定方法の提供を
目的とする。

「課題を解決するための手段」 上記目的を達成するために、本発明では、攪拌槽に貯留
されたビンガム流体内に、正極でありかつ電解質トレー
サ溶液が注入されるトレーサ注入針とこのトレーサ注入
針の周囲に配置された負電極とから構成される電極プロ
ーブを投入する工程と、前記電極プローブのトレーサ注
入針から電解質トレーサ溶液を注入しつつ、前記攪拌槽
内のビンガム流体を攪拌させる工程と、前記正極として
のトレーサ注入針と負電極との間の電位を基にして、前
記電解質トレーサ溶液の移動を検出し前記ビンガム流体
の流動状態を判定する工程とから，攪拌槽内に貯留され
たビンガム流体の流動状態を測定するようにしている。

「作用」 この発明によれば、電極プローブを構成する正極として
のトレーサ注入針と負電極との間の電位を基にして、電
解質トレーサ溶液が移動しているか否かを検出すること
ができ、かつビンガム流体を静止しているか、流動して
いるかを判定することができる。

「実施例」 本発明の一実施例を第１図（Ａ）〜第９図（Ａ）を参照
して説明する。

本発明の一実施例として示したビンガム流体の流動状態
測定方法は、被攪拌物である高濃度スラリーと電解質ト
レーサ溶液との電気伝導度の差を電極プローブにより検
出する電気伝導度法を用いたものである。

（一）電極プローブの構成 まず、電極プローブの構成について第１図（Ａ）を参照
して説明すると、この電極プローブは、正極でありかつ
強電解質トレーサ溶液が注入されるトレーサ注入用細針
Ｍ（トレーサ注入針）とこのトレーサ注入用細針Ｍの周
囲に配置された負電極１〜８とから構成されたものであ
って、前記負電極１〜８は、トレーサ注入用細針Ｍの周
囲でありかつ該トレーサ注入用細針Ｍから等間隔（本法
では8mmの距離）に、立体かつ球面を形作るようにそれ
ぞれ配置されている。

なお、前記負電極１〜８は、合計８本設けたが、この数
は精密な測定を行う上で多い程好ましい。しかしなが
ら、負電極１〜８の数を増やし過ぎると、電極１〜８間
の干渉が起きたりあるいは電極１〜８の間隔が狭まり、
これら電極１〜８間で流体が静止してしまう現象が起こ
る。

これによって、本実施例では、負電極の数と測定に適し
た負電極の間隔との関係を検討し、８本という数を決定
した。

また、前記トレーサ注入用細針Ｍの具体的構造は、第１
図（Ｂ）に示されるように外側が絶縁被覆M₁され、この
絶縁被覆M₁から突出するように強電解質トレーサ溶液が
注入される注入管としての正極M₂が配置されたものであ
り、また、前記負電極１〜８の具体的構造は第１図
（Ｃ）に示されるように外側が絶縁被覆1A〜8Aされ、こ
の絶縁被覆から突出するように電極部分1B〜8Bが配置さ
れたものである。

（二）全体の構造 上記電極プローブを用いて測定を行った攪拌槽の概略に
ついて第２図（Ａ）を参照して説明する。

第２図（Ａ）に符号10で示すものは内径20cmの円筒平底
型邪魔板なし攪拌槽であって、この攪拌槽10内には、槽
内径の1/2の径を持つ６枚平羽根タービン翼11が配置さ
れている。

この６枚平羽根タービン翼11は槽10の中心位置でありか
つ槽10の深さの1/2の位置に配置されるものであって、
その駆動はモータ12により行われる。

また、前記攪拌槽10内の斜線で示す測定領域内には
（一）で説明した電極プローブが配置される。

この電極プローブには、注入管である正極M₂に接続され
る管路13と、この管路13を通じて強電解質トレーサ溶液
を供給する微量定量ポンプ14と、前記各負電極１〜８の
電位を測定する測定回路15（後述する）と、がそれぞれ
設けられている。

また、前記電極プローブの注入管としての正極M₂には15
Vの電圧（一定）が印加されている。

なお、前記電極プローブを用いて、図中斜線で示す攪拌
槽10内の測定領域において、攪拌槽10の半径方向、液深
方向について5mmの間隔毎に測定を行うようにしている
（後述する）。また、前記攪拌槽10に使用される攪拌翼
としては、第２図（Ａ）の概略図、第２図（Ｂ）の斜視
図に示されるタービン翼11のほか、第２図（Ｃ）の斜視
図に示されるパドル翼16が使用される。

（三）測定原理 〔三−〕判定基準Ｋについて、 前記トレーサ注入用細針Ｍから、高濃度スラリーと同じ
レオロジー特性を持つように調整した強電解質トレーサ
溶液を、微量定量ポンプ14により一定速度で注入した
後、比較的短時間後の一定時間後に各負電極１〜８の電
位を瞬間的かつ同時にホールドして測定した。

そして、このとき測定した値つまり電極の電位Eiを用い
て、高濃度スラリーが静止しているか、流動しているか
の判定の基準となる値Ｋを次式より算出した。

Ｋ＝（Ei−E_min）／（E_o−E_min） ここで、「Ei」は負電極１〜８の各電位である（但しｉ
は１〜８）。なお、電極プローブの正極M₂には一定の電
圧が印加されているので、各負電極１〜８の電位を検出
することにより、結果として正極M₂と各負電極１〜８と
の電位が検出されることになる。

また、「Emin」は、負電極１〜８（但しｉはにより示さ
れる電位の内の最小値の電位、「Ｏ」は強電解質トレー
サ溶液自体の電位を表すものである。

〔三−〕静止域と流動域の境界位置の判別 この様にして得られた判定基準Ｋからどのようにして、
高濃度スラリーが静止、流動しているかを判定するかを
第３図（Ａ）、第３図（Ｂ）更に第４図を参照して説明
する。

なお、これらの図に示す１〜８の数字は８本の電極に便
宜的に付した番号、また、斜線で示した部分は強電解質
トレーサ溶液を表す。

第３図（Ａ）は静止域における強電解質トレーサ溶液の
流動の様子の例を示したものであり、この場合には、ト
レーサ注入用細針Ｍから供給された強電解質トレーサ溶
液は、トレーサ注入用細針Ｍを中心として高濃度スラリ
ー内をほぼ均等に拡散して行く。また、第３図（Ｂ）は
流動域における強電解質トレーサ溶液の流動の様子の例
を示したものであり、この場合には、トレーサ注入用細
針Ｍから供給された強電解質トレーサ溶液は、高濃度ス
ラリーの流れに追従して移動して行く。

〔三−〕各領域での各電極のＫの値の変化 第４図に示すように横軸に各電極番号（ｉ＝１〜８）、
縦軸にＫをとり、静止状態と流動状態との各状態におけ
るＫの値の変化を調べると、細線で示すように静止状態
（第３図（Ａ）に示す状態）ではＫの値が相対的に微小
でかつ、ばらつきも殆ど無いのに対して、太線で示すよ
うに流動状態（第３図（Ｂ）に示す状態）では相対的に
Ｋの値が大きくなっていることが判る。

そして、この場合には太線で示すように流動方向にある
負電極（この場合ｉが１と５の負電極：第４図、第３図
（Ｂ）参照）の電位が他の電極の電位よりも高くなり、
よって判定基準Ｋの値も大きくなる。

ここで求めたＫの内一つでも、ある設定した判定基準値
K_cを超えているものがあれば、高濃度スラリーとともに
強電解質トレーサ溶液は流動しているものと判定し、逆
にすべてのＫがK_c以下であれば、前記高濃度スラリーと
ともに強電解質トレーサ溶液は静止しているものと判定
した。

〔三−〕静止、流動の判定基準値K_cの決定 ここで、本法において高濃度スラリーが静止している
か、流動しているかの判定基準値K_cを求めるために、一
定速度で流動している高濃度スラリー中に電極プローブ
を差し込み、スラリー速度を変化させて電位差の測定を
行ないその測定結果を第５図にまとめた。

第５図は横軸にスラリーの速度Ｖ、縦軸が測定された電
極ｉの電位（ここでは３番の電極の電位）と、各負電極
１〜８の電位の内の最小値との電位差（Ei−Emin）をそ
れぞれ示すものである。

そして、この第５図から判るように、スラリーの流速が
約0.15mm/s以上において電位差が顕著に表れていること
が確認された。

なお、このとき、各電極の電位から計算されるＫは0.09
となる。また、ここでは３番電極のみについて示した
が、他の電極においてもスラリーの速度が0.15mm/s以上
において電位差が顕著になり、そのときのＫは0.09とな
ることが確認されている。

従って、本法では同数値0.09を静止、流動の判定基準値
K_cと設定することにした。

なお、上述した手法により、攪拌槽10内の多数の測定位
置において、静止、流動の判定を行ったデータを基にし
て、攪拌槽10内における高濃度スラリーの静止、流動の
境界面を決定することができる。

一方、各電極の電位の内いくつかがK_c以上の値を示す場
合には、前記高濃度スラリーの流動の方向をも判定する
ことができる。このことは第８図（Ａ）〜第８図
（Ｃ）、第９図（Ａ）〜第９図（Ｃ）を参照して後述す
る。

（四）周辺装置及び実験に際しての諸条件 〔四−〕測定回路のブロックダイアグラム 次に、第２図（Ａ）の攪拌槽の概略図に示す測定回路15
のブロックダイアグラムについて第６図を参照して説明
する。

８本の負電極１〜８からの信号をホールド回路20により
瞬間的にかつ同時に取り込み、これらの信号を制御回路
21を用いてフォトアイソレーションリレー22により順次
選択し、更にA/D変換回路23によりA/D変換を行って、負
電極１〜８の電位を表示部24に表示させるものである。

なお、第６図の測定回路において、符号25で示すものは
フォトアイソレーションリレー22からの出力電圧を調整
するバイパス回路、符号26で示すものは、常にグランド
を基準にした電位の表示を行わせる零調整回路である。

〔四−〕対象としたビンガム疑似流体（及びトレーサ
溶液） 被測定物である高濃度スラリーとしてのビンガム疑似流
体について説明する。

このビンガム疑似流体は、炭酸カルシウム（密度ρ＝14
60kg/m³、平均粒径3.12μｍで非常にシャープな粒径分
布を持つ粒体）と水とを50wt％の割合で混合して懸濁水
とした非沈降性スラリーである。

この流体の流動曲線を、「岩本製作所製Ｕレオメータ」
により求め、その結果を第７図に示す。

第７図では横軸に剪断速度〔０〜1500l/s〕、縦軸に
剪断応力τ〔Pa〕を採り、これらの関係を調べてみる
と、この流体はきわめて大きな降伏値を持つビンガム流
体的流動曲線となっていることが確認された。この流体
のレオロジー方程式は τ＝τ_o＋η_o・ で示され、この式より前記流体の降伏応力（τ_o）と塑
性粘度（η_o）とは以下のように示される。つまり、降
伏応力；τ_o＝1.01×10²Pa、塑性粘度：η_o＝4.59×10
^-2Pa・ｓとなることが確認されている。

〔四−〕計測上の設定条件 以上（二）で示した実験装置と、〔四−〕で調製示し
たビンガム流体とを用いて、高濃度スラリーを攪拌した
際に該高濃度スラリーが流動しているか、静止している
かの判定を行なった。但しスラリー流速は0.15mm/s以上
に設定。

そして、このような測定に際して次のような設定を行な
った。

（１）強電解質トレーサ溶液には、上記〔四−〕で調
製したビンガム流体中に塩化ナトリウムを溶解したもの
を用いた。このとき、強電解質トレーサ溶液のNaCl濃度
は0.15mol/lとした。

（２）トレーサ注入用細針Ｍから3.6×10^-2ml/sの速度
で、前記強電解質トレーサ溶液を供給した。そして、こ
のとき、強電解質トレーサ溶液注入後、ホールド回路20
により電位ホールドまでの時間は10sと設定した。

なお、前記強電解質トレーサ溶液は、種々のNaCl濃度に
ついて、各負電極１〜８の電位を測定して、これら電位
とNaCl濃度との関係について検定曲線を作成し、更に、
この検定曲線から最適なNaCl濃度（0.15mol/l）を検出
したものである。

また、電極プローブによる測定においては、分解能を向
上させるため、同一測定位置点において電極プローブを
水平面内において微妙に回転させたり、挿入方向を数段
階に変化させて数回測定を行うようにした。

〔四−〕タービン翼（第２図（Ａ）、第２図（Ｂ）に
示す実験装置）を用いた測定結果の一例 上記（二）で述べた本測定装置による測定例として、翼
11の回転速度ｎを3.33、5.00、6.67s^-1と３段階に変化
させ、装置図中に斜線で示した部分（第２図（Ａ）参
照）について、半径方向Ｒ（槽中心から槽壁まで）、液
深方向Ｚ（槽中心位置から液表面まで）について5mm間
隔ごとに測定位置を変化させて電位を測定し、この測定
結果から高濃度スラリーが流動しているか、静止してい
るかを判定した。

前記判定結果を第８図（Ａ）〜第８図（Ｂ）に示す。な
お、これらの図において、黒丸で示した部分が流動域、
その他の部分は静止域である。

これらの結果より、本実験のｎの範囲内では、攪拌槽10
内に静止域と流動域が存在することがわかり、かつｎが
増加するに従って黒丸で示す流動域は増大していくこと
が確認された。

そして、この場合、前記流動域は翼11の回転速度が高ま
ることに応じて、半径方向Ｒよりも液深方向Ｚへ拡大し
ていく傾向が強く、特に、その傾向は翼11先端の半径位
置で著しいことも確認された。

一方、流動域内におけるスラリーの流動の方向は、翼11
を支持する軸近傍および攪拌槽10の壁側境界近傍におい
てそれぞれ下方流および上昇流が多少測定されるもの
の、ほとんどがθ方向すなわち翼11の回転方向が支配的
であり、流動域内における流体は翼11とともにともまわ
り的流動を起こしていることも確認された。

〔四−〕パドル翼（第２図（Ｃ）に示すもの）を用い
た測定結果の一例 次に、第２図（Ｃ）に示すような６枚パドル翼16を用
い、タービン翼11を用いた第２図（Ａ）の実験装置と同
一のもの、同一条件下で測定を行った。このときの実験
結果の一例を第９図に示す。

第９図（Ａ）〜第９図（Ｃ）を参照して判るようにパド
ル翼16を用いた場合には、タービン翼11を用いた場合の
結果と比較して、翼回転速度ｎが6.67s^-1では槽壁にま
で流動域が及んでいること、同一ｎにおいてパドル翼16
の方が攪拌軸近傍の流動域が液深方向に広いことなど、
翼形状に違いにより流動域の形状が異なることが確認さ
れた。

〔四−〕静止、流動域の可視化実験 以上、本測定装置を用いて攪拌槽10内における高濃度ス
ラリーの静止、流動域の測定を行った結果例を示した
が、それでは実際の攪拌槽10内では、静止域と流動域が
どのような状態になっているのかを観察するために、可
視化実験を行なった。この可視化実験は高濃度スラリー
を攪拌槽10内で攪拌させつつ同スラリー中に墨汁を混ぜ
たトレーサを、翼11近傍に注入した後、翼11の回転を停
止させるようにする。

その後、翼を静かに上方に抜き、先端をエッジ処理した
薄い透明板を差し込み、更に差し込んだ透明板の位置で
縦方向に２つに分割して、側方から写真撮影を行った。

この写真撮影により得た写真を参照すると、墨汁により
着色された流動域と、着色されない白い静止域とが存在
することが確認され、かつ前記流動域は、第８図（Ａ）
〜第８図（Ｃ）、第９図（Ａ）〜第９図（Ｃ）に示す実
験結果と同様の範囲に存在することが確認された。

以上詳細に説明したように、本実施例に示す攪拌槽内に
おけるビンガム流体の流動状態測定方法によれば、攪拌
槽10に貯留されたビンガム流体としての高濃度スラリー
内に、正極でありかつ電解質トレーサ溶液が注入される
トレーサ注入用細針Ｍとこのトレーサ注入用細針Ｍの周
囲に配置された負電極１〜８とから構成される電極プロ
ーブを投入する工程と、前記電極プローブのトレーサ注
入用細針Ｍから電解質トレーサ溶液を注入しつつ、前記
攪拌槽10内の高濃度スラリーを攪拌させる工程と、前記
電極プローブのトレーサ注入用細針Ｍと負電極１〜８と
の各電位を基にして、前記高濃度スラリーの流動状態を
判定する工程とから、前記トレーサ注入用細針Ｍより注
入された強電解質トレーサ溶液が移動しているか否かを
検出し、かつ高濃度スラリーが静止しているか、流動し
ているかを判定することができる。

そして、このように得られた判定結果を基に、攪拌翼の
種類、回転速度を最適なものに設定することができ、粘
土泥しょうやペイントなどの微粒子を含む高濃度スラリ
ーをその特性に応じて効率良く攪拌することができると
いう効果が得られる。

「発明の効果」 以上説明したようにこの発明によれば、ビンガム流体が
静止しているか、流動しているかを判定し、この判定結
果を基に、攪拌翼の種類、回転速度を最適なものに設定
することができる。

これによって粘土泥しょうやペイントなどの微粒子を含
む高濃度スラリーをその特性に応じて効率良く攪拌する
ことができる。

また、電極プローブによる測定位置を種々変化させるこ
とにより、前記ビンガム流体の流動域の分布を知り、該
流体の流動方向をも知ることができる効果が得られ
る。。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜第９図（Ｃ）は本発明の一実施例を示す
図であって、第１図（Ａ）は電極プローブの先端詳細
図、第１図（Ｂ）はトレーサ注入用細針を示す図、第１
図（Ｃ）は負電極を示す図、第２図（Ａ）は実験装置の
概略図、第２図（Ｂ）及び第２図（Ｃ）はタービン翼、
パドル翼をそれぞれ示す図、第３図（Ａ）及び第３図
（Ｂ）は電極の配置と静止状態、流動状態の例を示す
図、第４図は静止域と流動域におけるＫの値の変化を示
す図、第５図は電極は感知し得る最小のスラリー速度を
示す図、第６図は測定回路のブロックダイヤグラム、第
７図は高濃度スラリーの流動曲線を示す図、第８図
（Ａ）〜第８図（Ｃ）はタービン翼を用い回転速度を変
化させた場合の流動域の変化を示す図、第９図（Ａ）〜
第９図（Ｃ）はパドル翼を用い回転速度を変化させた場
合の流動域の変化を示す図である。 Ｍ……トレーサ注入用細針（トレーサ注入針）、１〜８
……負電極、10……攪拌槽。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】攪拌槽に貯留されたビンガム流体内に、正
   極でありかつ電解質トレーサ溶液が注入されるトレーサ
   注入針とこのトレーサ注入針の周囲に配置された負電極
   とから構成される電極プローブを投入する工程と、 前記電極プローブのトレーサ注入針から電解質トレーサ
   溶液を注入しつつ、前記攪拌槽内のビンガム流体を攪拌
   させる工程と、 前記正極としてのトレーサ注入針と負電極との間の電位
   を基にして、前記電解質トレーサ溶液の移動を検出し前
   記ビンガム流体の流動状態を判定する工程とからなる攪
   拌槽内におけるビンガム流体の流動状態の測定方法。