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工業プロセス工学において、混合とは、不均一な物理系を操作してより均一にする単位操作である。身近な例としては、プールの水を汲み上げて水温を均一にすることや、パンケーキの生地をかき混ぜてダマを取り除くこと（脱凝集）などが挙げられる。
混合は、1つまたは複数の流れ、成分、または相の間で熱または物質、あるいはその両方が移動できるようにするために行われます。現代の工業プロセスでは、ほとんどの場合、何らかの形の混合が行われます。[ 1 ]化学反応器の中にはミキサーとしての機能を持つものもあります。
適切な装置を用いれば、固体、液体、気体を別の固体、液体、気体と混合することが可能です。バイオ燃料発酵槽では、最適な収率を得るために微生物、ガス、液体培地を混合する必要がある場合があります。有機硝化では、濃硝酸（液体）と濃硫酸を疎水性有機相と混合する必要があります。医薬品錠剤の製造には、固体粉末の混合が必要です。
混合の反対は分離である。分離の典型的な例はブラジルナッツ効果である。
混合中に使用される操作と装置の種類は、混合される材料の状態（液体、半固体、または固体）と処理される材料の混和性によって異なります。この文脈では、混合行為は攪拌または混練プロセスと同義である場合があります。[ 1 ]
プロセスエンジニアリングでは、液体の混合が頻繁に発生します。混合する液体の性質によって、使用する装置が決まります。単相混合では、液体を包み込むために低せん断・高流量のミキサーが用いられる傾向がありますが、多相混合では、流れのレイノルズ数に応じて、層流、乱流、または遷移流の領域で一方の液体の液滴を生成するために、一般的に高せん断・低流量のミキサーを使用する必要があります。乱流または遷移混合は、タービンまたはインペラで行われることが多く、層流混合は、らせんリボンミキサーまたはアンカーミキサーで行われます。[ 2 ]
互いに混和性がある、あるいは少なくとも溶解する液体同士を混ぜ合わせることは、工学分野（そして日常生活）で頻繁に起こります。身近な例としては、紅茶やコーヒーに牛乳やクリームを加えることが挙げられます。どちらの液体も水ベースなので、容易に溶け合います。両方の液体の粘度が比較的低いため、加える液体の勢いだけで十分な乱流が発生し、混ざり合うことがあります。必要に応じて、スプーンやヘラを使って混ぜ合わせることもできます。蜂蜜のような粘度の高い液体を混ぜ合わせる場合は、同じ時間で同じ均一性を得るために、単位体積あたりより大きな攪拌力が必要になります。
ドライブレンダーは、複数の乾燥成分を均一になるまで混合するために一般的に使用される工業用ミキサーの一種です。製品の配合を調整するために、乾燥混合物に少量の液体が添加されることもよくあります。乾燥成分を使用した混合時間は、通常15～30分と短いですが、各成分の割合やそれぞれの嵩密度の違いによって多少異なります。リボン型、パドル型、タンブル型、垂直型ブレンダーが利用可能です。医薬品、食品、化学薬品、肥料、プラスチック、顔料、化粧品など、多くの製品がこれらの設計で製造されています。ドライブレンダーの容量は、0.5立方フィートの実験室用モデルから500立方フィートの生産用ユニットまで幅広くあります。ほとんどのメーカーは、さまざまな馬力と速度の組み合わせ、および衛生的な仕上げ、真空構造、特殊バルブ、カバー開口部などのオプション機能を提供しています。
粉末の混合は、固体処理業界における最も古い単位操作の一つです。何十年もの間、粉末混合はバルク材料の均質化のみを目的として使用されてきました。様々なバルク固体特性を持つ材料を処理するために、多くの異なる機械が設計されてきました。これらの様々な機械で得られた実践的な経験に基づいて、信頼性の高い装置を構築し、スケールアップや混合挙動を予測するための工学的知識が開発されてきました。今日では、同じ混合技術が、製品品質の向上、粒子のコーティング、材料の融着、湿潤、液体への分散、凝集、機能性材料特性の改変など、より多くの用途に使用されています。混合装置のこのような幅広い用途に対応するには、最適な装置とプロセスを選択するために、高度な知識、長年の経験、そして充実した試験設備が必要となります。
固固混合は、より単純な混合方法であるバッチミキサーで行うことも、より複雑ではあるものの分離、容量、検証の点で興味深い利点を提供する連続乾式混合で行うこともできます。[ 3 ] 固固混合プロセスの一例として、鋳物砂の混練があります。これは、砂、ベントナイト粘土、微細な石炭粉、水を混合して、可塑性があり、成形可能で再利用可能な塊を作るものです。これは、溶融金属を成形して注ぎ込み、砂型鋳造品を得て、自動車、機械製造、建設、その他の産業向けの金属部品を作るために使用されます。 [ 4 ]
粉末の混合プロセスでは、対流混合と集中混合という 2 つの異なる次元が特定できます。[ 5 ]対流混合の場合、ミキサー内の材料はある場所から別の場所に移動します。このタイプの混合は、ミキサー内部の秩序の低い状態をもたらし、混合する必要のある成分が他の成分の上に分散されます。時間の経過とともに、混合物はよりランダムに秩序付けられます。一定の混合時間が経過すると、究極のランダムな状態に達します。通常、このタイプの混合は、流動性が高く粗い材料に適用されます。
マクロ混合中に起こりうる脅威としては、成分の分離が挙げられる。これは、異なる粒子のサイズ、形状、密度の違いによって分離が生じる可能性があるためである。
微粒子や湿潤材料のように、材料が凝集性を持つ場合、対流混合だけではランダムな混合物を得るには不十分です。粒子間の比較的強い力によって塊が形成され、対流ミキサー内の穏やかな輸送力では塊を分解できません。塊のサイズを小さくするには、追加の力、つまりより多くのエネルギーを必要とする混合が必要です。これらの追加の力は、衝撃力またはせん断力のいずれかです。
液固混合は、一般的に、流動性の高い粗粒固体を懸濁させるため、または微細な凝集固体の塊を粉砕するために行われます。前者の例としては、グラニュー糖を水に混ぜる場合が挙げられます。後者の例としては、小麦粉や粉ミルクを水に混ぜる場合が挙げられます。前者の場合、流体の全体的な動きによって粒子を懸濁させ（そして互いに分離させる）ことができます。後者の場合、ミキサー自体（またはその近傍の強いせん断場）によって塊を不安定化させ、粉砕する必要があります。
産業における固液混合プロセスの一例として、コンクリートの混合が挙げられる。これは、セメント、砂、小石または砂利、そして水を混合して均質な自己硬化性物質を作り出すもので、建設業界で使用される。
固体を液体に懸濁させるのは、固体と液体間の物質移動速度を向上させるためです。例としては、固体反応物を溶媒に溶解させたり、触媒粒子を液体に懸濁させて、粒子への反応物と生成物の流れを改善したりすることが挙げられます。関連する渦拡散により、流体内部の物質移動速度が増加し、粒子から物質が対流することで、物質移動に対する抵抗の大部分が発生する境界層のサイズが減少します。固体懸濁にはせん断力よりも運動量が必要なため、軸流インペラが好まれますが、回転運動の一部を垂直運動に変換するバッフル付きタンクでは、ラジアル流インペラを使用することもできます。固体が液体よりも密度が高い場合（そのためタンクの底に溜まる場合）、流体が下向きに押し下げられるようにインペラを回転させます。固体が液体よりも密度が低い場合（そのため上に浮く場合）、流体が上向きに押し上げられるようにインペラを回転させます（ただし、これは比較的まれです）。固体懸濁液に好ましい装置は、大きな体積流量を生成するが、必ずしも高いせん断力は必要としない。ハイドロフォイルなどの高流量数のタービンインペラが一般的に使用される。同じシャフトに複数のタービンを取り付けることで、消費電力を削減できる。[ 6 ]
固液懸濁液の均一性の程度は、RSD（混合槽内の固体体積率場の相対標準偏差）で表すことができます。完全な懸濁液のRSDは0%ですが、実際には、RSDが20%以下であれば懸濁液は均一であるとみなすのに十分です[ 8 ]。ただし、これはケースによって異なります。RSDは、実験測定または計算によって得ることができます。測定はフルスケールで行うことができますが、これは一般的に非現実的であるため、小スケールで測定を行い、「スケールアップ」基準を使用してRSDを小スケールからフルスケールに外挿するのが一般的です。計算は、計算流体力学ソフトウェアを使用するか、理論的発展、実験測定、および/または計算流体力学データに基づいて構築された相関式を使用して実行できます。計算流体力学の計算は非常に正確で、事実上あらゆるタンクと撹拌機の設計に対応できますが、専門知識と長い計算時間が必要です。相関式は使いやすいが、精度が低く、考えられる設計をすべて網羅しているわけではない。最もよく使われる相関式は、Zwietering (1958) が発表した「ちょうど懸濁速度」の相関式である。[ 9 ]これは使いやすい相関式だが、均一な懸濁液には適していない。粒子が 1 秒または 2 秒以上底に残らない「悪い」品質の懸濁液 (部分的な懸濁液) の攪拌速度の粗い推定値しか提供しない。もう 1 つの同等の相関式は Mersmann (1998) の相関式である。[ 10 ]「良い」品質の懸濁液については、Barresi (1987) [ 11 ] Magelli ( 1991) [ 12 ] Cekinski ( 2010) [ 13 ]または Macqueron (2017) [ 7 ]の出版物に有用な相関式の例がいくつか見られる。機械学習は、「 古典的な」相関式よりもはるかに精度の高いモデルを構築するためにも使用できる。[ 7 ] [ 14 ]
二酸化チタン顔料などの非常に細かい粉末や、噴霧乾燥された材料は、輸送中や保管中に凝集したり塊を形成したりすることがあります。デンプン質の材料や、溶剤に触れるとゲルを形成する材料は、外側は湿っているが内側は乾燥した塊を形成することがあります。これらの種類の材料は、凝集した粒子を分解するために強いせん断力を加える必要があるため、固体懸濁液に適したミキサーでは液体に容易に混合できません。固体の脱凝集は、混ざり合わない液体の混合と似ている点もありますが、通常は合一が問題にならないという点が異なります。この種の混合の日常的な例としては、液体の牛乳と固形のアイスクリームからミルクセーキを作ることが挙げられます。
液体と気体は通常、物質移動を可能にするために混合されます。例えば、エアストリッピングの場合、気体を用いて液体から揮発性物質を除去します。通常、この目的には充填塔が用いられ、充填材は静止ミキサーとして機能し、エアポンプが駆動力となります。タンクとインペラを用いる場合、目的は気泡が液体とできるだけ長く接触するようにすることです。これは、純酸素のように気体が高価な場合や、液体への拡散が遅い場合に特に重要です。タンク内での混合は、液相で（比較的）遅い化学反応が起こっている場合にも有効です。この場合、気泡近傍の薄い層の濃度差はバルクの濃度差に近くなります。これにより、物質移動の駆動力が低下します。液相で（比較的）速い化学反応が起こっている場合は、気泡を分散させるものの循環させないことで、気泡がプラグフロー状態になり、より効率的に物質移動ができるようにすることが有利な場合があります。
ラシュトンタービンは従来、液体中にガスを分散させるために使用されてきましたが、スミスタービンやバッカータービンなどの新しいオプションが普及しつつあります。[ 15 ] 問題の一つは、ガス流量が増加すると、インペラブレードの後ろの低圧ゾーンにガスがますます蓄積され、ミキサーの消費電力（したがってその効率）が低下することです。GDXインペラなどの新しい設計では、この問題はほぼ解消されています。
気固混合は、粉末や微粒子状の固体をある場所から別の場所へ輸送するため、あるいは気体状の反応物を固体触媒粒子と混合するために行われる。いずれの場合も、気体の乱流渦が固体粒子を浮遊させるのに十分な力を提供しなければ、固体粒子は重力によって沈んでしまう。粒子の大きさや形状は重要な考慮事項である。なぜなら、粒子によって抗力係数が異なり、異なる材料でできた粒子は密度が異なるからである。プロセス産業で気体と固体を分離するために一般的に用いられる単位操作はサイクロンであり、これは気体の速度を落とし、粒子を沈降させる。
多相混合は、固体、液体、気体を一度に混合する際に発生します。これは、液体および気体の試薬を固体触媒と混合する必要がある触媒化学プロセス（水素化など）の一部として、または固体微生物とそれらが必要とするガスを液体媒体中に均一に分散させる必要がある発酵プロセスの一部として発生する可能性があります。使用するミキサーの種類は、各相の特性によって異なります。場合によっては、気体が液体中を上昇する際に、気泡のプルームに液体を巻き込むことで混合力が生まれます。これにより、プルーム内部で液体が上方に引き上げられ、プルームの外側では液体が落下します。液体の粘度が高すぎてこの混合ができない場合（または固体粒子が重すぎる場合）、固体粒子を懸濁状態に保つためにインペラが必要になることがあります。
液体混合に関しては、用語はかなり標準化されている。
ミキサーの出力値を決定するために用いられる方程式の多くは、経験的に導出されたもの、あるいは経験的に導出された定数を含むものである。ミキサーは乱流領域で動作するため、これらの方程式の多くは近似式であり、ほとんどの工学的目的においては許容範囲内であると考えられている。
混合インペラが流体中で回転すると、流れとせん断力が組み合わさった状態が生じます。インペラによって発生する流れは、次の式で計算できます。
インペラの流量数値は、北米混合フォーラムが後援する工業混合ハンドブックに掲載されている。[ 16 ]
インペラを回転させるのに必要な動力は、以下の式を用いて計算できます。
（乱流体制）[ 17 ]
（層流状態）
は（無次元の）動力数であり、インペラの形状の関数です。は流体の密度です。回転速度は、一般的には1秒あたりの回転数で表されます。はインペラの直径です。は層流動力定数であり、は流体の粘度です。ミキサーの出力は回転速度とインペラ直径に大きく依存し、流れの状態に応じて流体の密度または粘度のいずれかに線形的に依存することに注意してください。遷移状態では、インペラ付近の流れは乱流であるため、乱流出力方程式が使用されます。
液体を最終濃度の5％以内に混合するのに必要な時間、は、以下の相関関係を用いて計算できます。
（激動の時代）
（移行地域）
（層流状態）
遷移/乱流境界は
層流/遷移境界は
実験室規模では、混合はマグネチックスターラーまたは単純な手振りによって行われます。実験室容器での混合は、工業的に可能なよりも徹底的で速く行われる場合があります。マグネチックスターラーバーは、混合される流体中に固体の回転を誘発するラジアルフローミキサーです。容器が小さく、混合が迅速に行われる（混合時間が短い）ため、これは小規模では許容されます。さまざまなスターラーバー構成が存在しますが、サイズが小さく、（通常）流体の粘度が低いため、ほぼすべての混合タスクに1つの構成を使用できます。円筒形のスターラーバーは、ヨウ素滴定に見られるように固体の懸濁、脱凝集（粉末から微生物培養培地を調製するのに有用）、および液液混合に使用できます。実験室での混合のもう1つの特徴は、ミキサーが中心付近に吊り下げられるのではなく、容器の底に置かれることです。さらに、実験室での混合に使用される容器は、工業的な混合に使用される容器よりも一般的に多様です。例えば、より円筒形のビーカーに加えて、エルレンマイヤーフラスコやフローレンスフラスコを使用することもできます。
マイクロスケールに縮小すると、流体の混合は根本的に異なる挙動を示します。[ 18 ] [ 19 ]これは通常、数ミリメートル（2～3ミリメートル）からナノメートル範囲までのサイズです。このサイズ範囲では、水圧勾配によって強制されない限り、通常の対流は発生しません。拡散は、2つの異なる流体が混ざり合う主要なメカニズムです。拡散は比較的遅いプロセスです。そのため、多くの研究者は、2つの流体を混合させる方法を考案する必要がありました。これには、Y ジャンクション、T ジャンクション、3 方向の交差点、および2 つの流体間の界面積が最大化される設計が含まれます。2 つの液体を単に接触させるだけでなく、2 つの流体を強制的に混合させるために、ねじれたチャネルも作成されました。これには、流体がらせん状に流れる多層デバイス、流体が障害物の周りを流れるループデバイス、チャネルが収縮して広がる波状デバイスが含まれます。さらに、ノッチや溝などの壁の特徴を持つチャネルも試されました。
混合が移流によるものか拡散によるものかを判断する一つの方法は、ペクレ数を求めることです。ペクレ数は、移流と拡散の比率です。ペクレ数が大きい場合（> 1）、移流が支配的です。ペクレ数が小さい場合（< 1）、拡散が支配的です。
工業規模では、効率的な混合を実現するのは難しい場合があります。混合プロセスの設計と改善には、多大なエンジニアリングの努力が注がれています。工業規模での混合は、バッチ式（動的混合）、インライン式、または静的ミキサーを使用して行われます。移動式ミキサーは、1800 RPM または 1500 RPM の標準速度で動作する電気モーターで駆動されますが、これは通常、必要以上に高速です。ギアボックスは、速度を落としてトルクを増加させるために使用されます。一部の用途では、複数のタイプのミキサーを組み合わせて製品を完全に混合するマルチシャフトミキサーの使用が必要です。[ 20 ]
一般的なバッチ混合操作に加えて、一部の混合は連続的に行うことができます。連続プロセッサーのような機械を使用すると、1 つ以上の乾燥成分と 1 つ以上の液体成分を正確かつ一貫して機械に計量し、機械の排出口から連続的で均質な混合物が出てくるのを見ることができます。[ 21 ] 多くの産業がさまざまな理由で連続混合に移行しています。その理由には、洗浄の容易さ、エネルギー消費量の削減、設置面積の縮小、汎用性、制御性などがあります。ツインスクリュー連続プロセッサーなどの連続ミキサーは、非常に高い粘度にも対応できます。
以下に、タービンの形状と出力例を示します。
異なる種類のインペラは、異なるタスクに使用されます。たとえば、ラシュトンタービンは、ガスを液体に分散させるのに役立ちますが、沈殿した固体を液体に分散させるのにはあまり役立ちません。新しいタービンは、スミスタービンやバッカータービンなど、ガスと液体の混合においてラシュトンタービンに取って代わりました。[ 22 ] パワーナンバーは、単位体積あたりの一定のパワーで同じ流体中の異なるインペラを駆動するために必要なトルクの量の経験的尺度です。パワーナンバーが高いインペラは、より大きなトルクを必要としますが、パワーナンバーが低いインペラよりも低い速度で動作します。パワーナンバーが低いインペラは、より小さなトルクでより高速に動作します。
遊星ミキサーは、接着剤、医薬品、食品（生地を含む）、化学薬品、固体ロケット推進剤、電子機器、プラスチック、顔料などの球状製品を混合するために使用される装置です。遊星ミキサーは、大気圧または真空条件下で粘性の高いペースト（最大600万センチポアズ）を混合および混練するのに最適です。容量は、0.5 USパイント（0.24 L、0.42 imp pt）から750 USガロン（2,800 L、620 imp gal）まであります。加熱または冷却、真空または加圧、可変速駆動など、多くのオプションが利用可能です。遊星ブレードはそれぞれ独自の軸を中心に回転し、同時に共通の軸を中心に回転するため、非常に短い時間で完全な混合が実現します。[ 23 ]
長距離弾道ミサイル用の固体ロケット燃料の製造には、大型の工業用遊星ミキサーが使用されています。これらは固体ロケット推進剤の成分を混合および均質化し、燃料と酸化剤の一貫した安定した混合物を確保するために使用されます。[ 24 ] [ 25 ]
共鳴音響混合（RAM）は、インペラやブレードが材料に接触することなく材料を混合、コーティング、粉砕、ふるい分けすることができ、機械システムの共鳴状態を探して常に動作させることで高レベルのエネルギー（最大100g）を生成することにより、通常、他の技術よりも10倍[ 26 ] ～100倍[ 27]高速です。
実験室規模から工業生産、連続混合まで、共鳴音響ミキサーは、爆薬、推進剤、火工品組成物などの高エネルギー物質、医薬品、粉末冶金、3D プリンティング、充電式電池材料、電池リサイクルなどに使用されています。[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]
軌道ミキサーは、内部のインペラやブレードを使用せずに混合を誘発するために、混合容器全体が高周波で事前に定義された2次元運動経路（通常はリサジュー曲線）をたどる工業用混合装置です。このタイプの混合システムは、容器を直交軸に沿って急速に加速し、内容物を動的に相互作用させる慣性力を発生させることによって動作します。混合は、機械的な攪拌ではなく、容器内の製品自体の動きによって達成されます。[ 31 ]
容器の動きは精密に制御され、完全にプログラム可能であるため、振動の周波数、振幅、位相を調整して、結果として生じる流れのパターンに影響を与えることができます。軌道ミキサーはバッチ全体に同時に作用するため、混合時間とエネルギー消費を削減し、敏感な材料への機械的ストレスを最小限に抑えます。[ 32 ]
軌道混合は、食品加工（例：マリネした肉のマッサージ） [ 33 ] [ 34 ] 、技術セラミックス、耐火物、電池製造、特に電極スラリーの製造など、さまざまな産業で応用されています。 [ 35 ] 2024年には、この技術は国際フードテック賞の金賞を受賞しました。[ 36 ]
近接クリアランスミキサーには、アンカー型とヘリカルリボン型の2つの主要なタイプがあります。アンカー型ミキサーは固体回転を誘発し、垂直方向の混合を促進しませんが、ヘリカルリボン型は促進します。近接クリアランスミキサーは層流領域で使用されます。これは、流体の粘性が流れの慣性力を上回り、インペラから出る流体が隣接する流体を巻き込むのを防ぐためです。ヘリカルリボンミキサーは通常、壁面の材料を下方に押し出すように回転し、流体の循環と壁面表面の更新に役立ちます。[ 37 ]
高せん断分散器は、インペラ付近で強いせん断力を発生させますが、容器内部では流れは比較的小さくなります。このような装置は通常、円形の鋸刃に似ており、高速で回転します。その形状のため、抗力係数が比較的低く、高速回転に必要なトルクも比較的小さくなります。高せん断分散器は、混ざり合わない液体の乳化（または懸濁液）の形成や固体の凝集解除に使用されます。[ 38 ]
静的ミキサーは、混合タンクが大きすぎたり、速度が遅すぎたり、コストが高すぎたりする場合に、特定のプロセスで使用されます。
液体ホイッスルは、流体を高圧でオリフィスを通してブレード上に流す静的ミキサーの一種です。 [ 39 ]これにより流体は高い乱流応力にさらされ、混合、乳化、[ 40 ] [ 41 ]脱凝集、消毒が起こる可能性があります。
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