その3 既設⽣産ラインの撹拌槽の⽣産性を上げる対策案を出せ！（後編）

前編でのシミュレーションを⾏う⽬的の⼀つに「槽内の付着物低減」という話が出ていましたが、 シミュレーションをして槽内の付着状況がビジュアルに再現できることはありません。
まずは、 現場の声を聴き、 「何故、付着が起こるのか」をイメージして、 現在の装置や運転⾯での問題点へ繋げることが必要です。

早速、 若⼿エンジニアのブレンディ君が現場の声を聴くために、 お客様の⽣産プラントを訪れました。

このように付着が⼤問題と⾔いながら、 その状況を⼀番知っているのは、 出⼊りの洗浄業者さんだけだったという事例は少なくありません。
やれやれ、 これでは付着発⽣のメカニズムを想定できませんね。

それでは、 問題点を絞り込むメーカーエンジニアの思考ステップについて順を追って解説します。

Ａ:気相部に付着がある場合

Ｂ:気液界⾯部に付着がある場合

Ｃ:液相部に付着がある場合

常時、 プロセス流体に浸かっている部分に関しては、 撹拌翼およびインターナルとの相互⼲渉によって形成される全体循環流の「流速およびせん断分布」が問題となる場合が多く⾒られます。
⼀般的には、 「バッフルの下流側の流速の遅そうな滞留部に付着ができるから、 シミュレーションしてみよう」という発想になりがちですが、 現実はそうでもなくて、 製造プロセス毎に様々な付着問題が発⽣しています。
流体が接触する箇所での全⾯付着の場合は、 接液部⾦属表⾯の研磨、 コーティングおよびグラスライニング等での付着対策や付着防⽌剤の塗布等の対策がありますが、 ここでは撹拌技術（混ぜ⽅）での影響度合いが⾼いと思われる付着原因に関して、 次の３件の事例を紹介しましょう。

⼀般に、 合成ゴムやラテックスの⽣産ライン（特に乳化重合）は、 ⽇々、 付着物との闘いだと⾔われています。
図２は、 ある乳化重合槽において、 撹拌翼の回転数を変化させた場合の１バッチ当たりの付着・凝集物量の変化を⽰したものです。 どの翼も、 下に凸の最適撹拌条件域がある傾向を⽰しています。

⼀般的な乳化重合における凝集物発⽣のメカニズムは以下の通りです。
　①低Pv値（図左側）： 撹拌強度が弱すぎて、 全体循環流の形成が不⼗分なため、 滞留部形成により付着・凝集が起こる。
　②⾼Pv値（図右側）： 撹拌強度が強すぎて、 撹拌翼近傍の⾼せん断場でのせん断凝集により付着・凝集が起こる。

この⼿の原因解析では、 前編にてご紹介したシミュレーションでの流速やせん断の分布評価は道具として有効と⾔えます。

図３は、 乳化重合でのディスクタービン翼へのせん断凝集物の付着例です。
数か⽉間の連続運転によって、 ディスクタービン翼がバスケットボール状のラテックス凝集塊の中に埋もれた状態にまでなってしまうケースがありました。 凝集塊から、 ⾟うじてタービン翼の外端だけが突き出ている様⼦が印象的です。

⼀般的には付着と⾔えば混合不良が原因であるため、 翼の回転数を上げて強く混ぜようと思いがちですが、 対象プロセスに依っては、 異なるメカニズムで付着・凝集が起こる事も念頭に⼊れておくべきです。

こちらは、 ある化学会社さんで起こった事例です。
連続運転プロセスにおいて、 Ａ品種からＢ品種への切り替え時に、 上司より「Ｂ品種の⽣産能⼒を２割程度下げたい」との要求が出ました。
連続運転の原料供給量を下げればいいのですが、 当初案では表２に⽰す通り、 撹拌槽内の保持液量がＡ品種と同じでは、 両品種の反応時間（平均滞留時間）が変化してしまうので、 図４のように保持液量を２割下げて、 同じ滞留時間での運転とする指⽰が出されました。

ところが、 Ｂ品種の実運転に⼊ると、 撹拌翼の回転数等の他条件はまったく変えていないにもかかわらず、 運転時の槽内付着が増⼤したことで伝熱性能が低下し、 連続運転可能期間が⼤幅に短くなってしまいました。
いろいろと調査した結果、 液レベル変更により多段パドル翼でのフローパターンが変化して槽内の分散状態が悪化したことで、 槽壁やコイルへの付着が発⽣し、 伝熱性能が急激に低下したことが原因と判明しました。

写真１は多段パドル翼での液レベル変更時の浮遊クラムの分散状況写真を⽰したものです。
設計液レベルでは⼗分に分散しているものが、 液レベルの僅かな変化で分散不良を起こしてしまう事例は⽐較的多く⾒られますので注意が必要です。