その6 ガス吸収槽の設計では通気条件の確認を怠るな！（気液撹拌/後編）

すると、 エンジ会社の引合い仕様書の図面に目を通していたブレンディ君が、 何かに気づきます。

普段から温厚なブレンディ君が急に劇画調に覚醒したことで、 すっかり気が動転してしまったマックス君なのでした。

さて、 ここで問題です。 なぜ、 温厚なブレンディ君は急に劇画調に覚醒してしまったのでしょう？
①撹拌目的（WHAT）を考えず、 単に化工計算（HOW）だけで推し進める姿勢だったから。
②エンジ会社の意向（概算でいいので限られたデータで見積もる）を尊重して、 さらっと進めようとしたから。
③昨晩の夫婦喧嘩が尾を引いて、 とにかく機嫌が悪かったから。
等々、 どれも正解かもしれませんが、 一番の理由は「彼自身が、新人時代に同様のミスを起こして、 関係者へ迷惑をかけた苦い経験があったから」なのです。

その後、 劇画調から回復したブレンディ君は、 いつもどおりの優しい口調で、 自身の苦い経験を丁寧に説明してくれました。

ステップ５：減速比を決める。

減速機は、 決定した設計回転数（103rpm）がモータの最大回転数（60Hz）付近になる様に減速比を選定します。 今回は減速比15.7を選定したので、 撹拌翼回転数の変速範囲は11.5～115rpm（周波数では6～60Hz）となります。

図1に一般的な撹拌槽のドライブユニット写真、 図2に減速機内部の歯車構造を示します。
インバータ周波数可変範囲（6～60Hz）にて、 180～1800rpmへ変速可能となるモータ出力軸は、 図2に示した減速機内部の歯車により、 減速比15.7で低減されることで、 設計ポイントとなる撹拌翼回転数範囲（11.5～115rpm）が得られることになります。
指定されたPv=3kW/m³での回転数は103rpmであり、 上記回転数範囲の最大値115rpmとぴったり一致はしません。 理由は、 減速機メーカーが標準形式として採用している減速比は、 ある間隔で固定されているので、 指定回転数（103rpm）よりいくらか上の回転数（115rpm）になる減速比を採用するためです。

撹拌槽内へガスを導入するプロセスには、 発酵・培養槽、酸化・水素化・塩素化反応槽および各種付加反応槽などがありますが、 槽内が気体と液体の混相流となることで、 どのプロセスにおいても無通気時に比べて、 通気時では撹拌負荷が低下すると言われています。
そして、 その動力低下の比率は、 単に通気量だけでなく、 以下の式（3）に示す無次元数である通気係数N_A（-）で整理されています。

次に、 各種撹拌翼での通気係数N_Aと動力低下率P_g/P₀の関係を図3に示します。
翼種によりバラツキはありますが、 N_A=0.1以上では、 ほぼ横ばいになっています。 この通気係数N_Aとは、 ガス通気量Q_Aと撹拌翼からの吐出流（n・d³）の比を示しています。

図3　通気有無での動力差

図4に槽内の流動状況をイメージします。
通気係数N_Aが小の領域とは、 少ないガス通気量の中で撹拌翼からの吐出流が十分に発達しており、 導入ガスが良好に分散されている状況と言えます。
一方、 N_Aが大の領域とは、 増大したガス通気量により撹拌翼全体がガスに包まれることで、 撹拌翼からの吐出流が減少し、 ガスの吹き抜け現象が発生している状況です。 よって、この領域以上では、 通気量Q_Aを増大させても吹き抜けのために、 液中に保持されるガス量は一定のままとなり、 動力低下率が飽和するのです。

ここで、 図3から今回見積の10m³撹拌槽の動力低下率を推定したいのですが、N_A算出のための一般的な通気量はどの程度を見込めば良いのでしょうか。
従来、 通気量の一般的な目安として、 単位体積当たりの通気量VVM（ブイ ブイ エム）の単位が使用されています。 このVVMは「gas Volume per liquid Volume per Minute」の頭文字で、定義は「1分間に液体積の何倍のガスが吹き込まれるか」を意味します。

ここでは、 一般的な1VVMのガス流量と仮定して、 計算を進めてみます。
今回の10m³撹拌槽の1VVM条件での通気量はQ＝10m³/minとなります。 装置条件として、 翼径d=0.888m、 回転数N=103rpmで考えると、 通気係数N_Aは前述の式（3）より、 N_A=0.14となります。

N_A＝0.14でのタービン翼2段の動力低下率（P_g/P₀）は、前述の図3（赤色破線）より0.45となりますが、簡略化して、以降の計算では、P_g/P₀≒0.5（半減）とします。 無通気103rpmではPv=3kW/m³であったものが、 通気時では動力が50％減少して、 Pv=1.5kW/m³になると予想されるのです。
よって、 今回のケースでは、 「1VVM程度の通気条件で撹拌強度が50％程度まで半減したとしても、 ガス吸収性能面で十分な条件である」と顧客から容認されれば、 問題なく採用される設計となります。

いずれにしても、 通気操作がある撹拌槽で、 設計時に撹拌強さ（単位動力：Pv値）が指定された場合には、通気条件に関する情報をできる限り取得し、 駆動部の設計思想を顧客とすり合わせることが重要となります。
特に、 通気による動力低下率は、 撹拌翼形状だけでなく、 スパージャ―、 邪魔板やコイル等のインターナルの影響を大きく受けるため、 場合によっては小スケール試験等の事前確認が必要となります。

さて、 今回の無通気ベースとして選出された55kWモータの出力特性と、 予測される撹拌負荷をグラフにした「動力特性曲線」を図5に示します。

バッフル有の乱流域条件であるため、 動力は回転数の3乗で変化する曲線となっています。 この動力曲線に関しては、 撹拌関係の様々なテキストで皆さんも目にしたことがあるかと思います。
では、 この曲線の上側に覆いかぶさった様に記載された2本の斜めの線は一体何者でしょう。
これは、 選定したモータが出力できる動力値を示しています。 上部の破線がモータ出力特性、 下部の実線は上部破線から減速機や軸封部の機械ロスを差し引いた推定撹拌有効動力です。 横軸の使用回転数範囲内で、 撹拌翼が受ける発生負荷（動力曲線）が推定撹拌有効動力より常に下側にあれば、 どの回転数になっても、 モータが過負荷トリップする事故は起きないことを意味しています。

では、 何故2本の線は使用回転数範囲に対して斜めになっているのでしょうか。
せっかく、 55kWの大きなモータを購入するのだから、 どの回転数でも定格動力55kWの出力がでるべきでは？ インバータって何かインチキでは？ と思いますよね。
でも、 これが現実なのです。 今回使用するインバータ専用モータは、 周波数60Hzで55kWの定格動力を出力しますが、 60Hz以下ではモータ自身が定トルク特性であり、 周波数の低下に伴い、 モータ出力が周波数の1乗で低下することから、 2本の直線は斜めになってしまうのです。
前述の基本設計ステップ5で説明した、 モータ定格を最大限に利用するために、 目標回転数をできるだけインバータ周波数60Hz付近になるように減速機の減速比を選定する理由はここにあるのです。

ガス吸収槽の基本設計では、 顧客がどういう運転方法を希望しているかにより、 モータ容量や回転数範囲が大幅に変化することがあります。
その事例を今回の10m³撹拌槽を使って説明しましょう。
以下の表に、 3つの運転思想別に、 基本設計上で重要となる撹拌強度と運転回転数に関しての選定結果を示します。

ケース1は、 前述の図5にて説明した、 ブレンディ君が無通気ベースの通常設計で選定した仕様です。 また、 ケース2および3は、 どちらも通気時Pv指定のケースですが、 無通気での運転対応に違いがあります。 ケース2では無通気時に回転数低減による過負荷回避対策がありますが、 ケース3は通気有無の両方ともに同一回転数にて運転可能な万能型となっています。
ケース2&3での動力特性曲線を図6&7に示します。

これら3つのケースで、 どれが正しく、 どれが間違っているということではありません。
ここでお伝えしたいのは、 顧客が満足する製品を設計できるかどうかは、 顧客が希望している運転・操作方法を、 メーカーのエンジニアがどれだけイメージできているかに尽きる、 ということです。
このイメージの違いで、 モータ容量が55kWと110kWという、 2倍もの大きな差が生じてしまうのです。

また、 ケース3でのPv=6kW/m³という撹拌強さが、 10m³スケールの撹拌槽では、 いかに激烈で強い撹拌操作であるかということを、 メーカーと顧客がイメージできているかも重要です。
これほどの強撹拌では、 駆動系だけでなく、 撹拌槽側の振動・揺動対策も必要になるでしょう。 問題が起きてから、 「紙に書いた計算書や図面では、こうなっております！」と言っても、 時すでに遅しです。
大事なことは、 自分が設計した撹拌槽の流れがイメージできていて、 それを顧客と共有できているか？ なのです。 例えが極端かもしれないですが、 使い方次第では軽自動車で十分なところを、 戦車を設計してしまう様なことは避けたいものです。

以上、 本後編にて、 比較的強撹拌運転となる気液撹拌槽では、 通気の有無により撹拌翼の動力特性が変化することで、 運転操作方法の違いでモータ容量や減速機枠番等の駆動部機器選定が複雑になることを説明しました。 それ故、 顧客と運転思想をきちんと共有しておくことの重要性について、 ご理解いただけたかと思います。

最後に、 最適設計を行うためには、 今回ブレンディ君が劇画調に覚醒したように、 自社製品にこだわりを持って、 積極的に顧客の声を聴く姿勢が大切です。
昔から、 迷った時には困難と思う方を選べば後悔することが少なくなる、 と言われています。
沢山の困難を経験して乗り越えて、 顧客へ「技術でおもてなし」が出来るエンジニアを目指して下さい。
ちなみに、 以前読んだ本での受け売りですが、 「サービス」と「おもてなし」の違いは以下だそうです。一期一会の精神で頑張っていきましょう。

＜サービス＞
　ワンクリック注文や自動販売機など。
　「いつでも、どこでも、だれにでも」

＜おもてなし＞
　引合いを頂いた顧客との技術交渉など。
　「いまだけ、ここだけ、あなただけ」