その7 水添槽では運転中に主役が交代する？

水素化は、 ゴム、 エラストマー、 プラスチック、 バターおよびマーガリン等の樹脂や食用油脂の製造現場で古くからみられる工程です。
何故、 人は自社製品に水素を添加させたくなるのでしょうか？ 一般的な回答は、 前述のウエダ所長の言葉通り「製品中に水素が結合すると、 その品質が向上するから」なのです。
この「品質向上」に関する具体例として、 ここでは、 自動車エンジン内部にあるタイミングベルトの事例を紹介します。

タイミングベルトとは、 エンジンを動かすのに必要なパーツの一つで、 もし、 タイミングベルトが切れると、 エンジンの動きが乱れ、 エンジンに深刻な影響を与えてしまうこともあります。
下の写真が、 自動車用タイミングベルトです。

1970年代に入り、 自動車の排ガス＆燃費規制への対策で、 電子燃料噴射方式の採用と自動車の小型軽量化が急速に進みました。 その結果、 当時のエンジンルーム内のゴム製タイミングベルトへも新たな厳しい品質が要求される状況となりました。
自動車用タイミングベルトの交換時期は、 購入から10年または走行距離10万km程度と言われていましたが、 エンジンルームのコンパクト化と車内電気計装品等の増加に伴い、 ベルト素材（合成ゴム）の耐熱性や耐薬品性への要求品質が急激に高まりました。 また、 ベルトがエンジンの中に組み込まれており、 外部からそのベルト自体の損傷状態を検査・確認することが難しいパーツであるため、 安全面からも素材自体の耐久性向上が待ったなしの状況でした。 従来では両立し難い、 耐熱性と化学的安定性の両面機能を持つ合成ゴムの開発が必要となったのです。

ここで、 重合槽にて製造された合成ゴム（ニトリルゴム）を、 水素化処理をしないでそのまま使用した場合（図3）と、 水素化処理をした場合（図4）での分子構造を比較してみましょう。
水素化処理をしない場合は、 炭素二重結合部分が外部環境中の水酸化イオン（OH）からの攻撃を受けて、 容易に手をつないでしまうことから、 酸化劣化のリスクが高くなります。 一方、 水素化処理をした場合は、 炭素二重結合が水素で置き換わり、 安定した一重結合となることで、 外部環境からの攻撃に対する製品の耐久性が向上するのです。

品質向上のためのニトリルゴム分子構造変更の設計メカニズムは以下となります。

いかなる業界の、 いかなる企業においても、 顧客の意図（WHAT）を知ることはとても大事です。 なぜならば、 そのWHATは「顧客の顧客」にあたる世の中のメガトレンドからの要求項目であるからです。 逆に言えば、 そのメガトレンドが変われば、 自動車会社も変わり、 化学会社も変わり、 その装置メーカーへの要求も変わっていくということです。 変化の激しい現代で生き残れる者は、 大きくて強い者ではなく、 変化に気づいて、 静かに身体を適応できる者なのです。

化学会社であれ、 装置メーカーであれ、 そこの技術屋は顧客の投資理由など気にせずに、 自社製品に要求される機能とその性能向上に集中すれば良いと言う声もあります。 しかし、 自社製品の付加価値を上げるという顧客ニーズは、 実は顧客の顧客から要求されたニーズであることが多いのです。
対象市場の十分な顧客ニーズを把握していない商品改良や新規開発などは技術屋の自己満足でしかありません。
いろんな場面で「顧客の立場で考えろ！」の声を聴きますよね。 でも、 具体的にどんな行動を取れば、 そうなれるのでしょうか。 それは、 顧客の声を真摯に受け止めて、 何故、 何故、 何故を重ねることで、 顧客の本音の「WHAT」が理解でき、 顧客の立場に立った発想が可能になるのだと想っています。

今回は、 自動車用タイミングベルトの事例を紹介しましたが、 水素化による品質向上事例だけを取り上げても、 以下表1のように多数存在します。 これら要求品質の一つ一つに、 サプライチェーンが一体となって付加価値向上のための取組を行ってきた数多くの企業努力が詰まっており、 国際競争力を有する企業というのは、 メガトレンドのニーズ変化に迅速に対応し、 自社製品の機能を強化し続けているのです。

＜ゾーン①＞撹拌によるガス分散性能が主役のゾーン（物質移動律速）

この領域では、 液中に溶解した水素イオンが結合できる液側の二重結合箇所が多数存在するので、 翼回転数や通気量を出来るだけ増大させて、 ガス吸収速度を最大限に高めることが可能なゾーンです。
反応の進行とともに系内で発生する反応熱は、 ジャケットやコイル等での除熱能力分が除去され、 それ以上の発熱分は、 最大運転温度までは液温自体の昇温に利用されます。 つまり、 本ゾーンは、 常温から最大運転温度までの区間で槽内液温を見ながら、 装置の除熱能力分と液温上昇の熱量分の合計で反応速度を制御可能なゾーンと言えます。
ここでは、 装置が保有する除熱性能よりも少ない発熱量で運転することは、 無駄に運転時間を長くしてしまうことになるので、 吸収速度を上げて除熱性能ギリギリの大きな反応速度で運転できるように、 撹拌強度と空塔速度を上げる操作が必要なのです。 よって、 主役は物質移動速度となります。

以前、 ある水添槽の計画時に「液自由界面積を増大させれば、 気相部のガスを液中へ巻き込む面積が増える。 よって、 槽内のバッフルを外して、 大きな深いボルテックスが形成される運転条件を選定したい。」という意見がありました。 しかし、 現実には図6の写真の通り、 バッフル無し条件では、 回転数を上げてボルテックスの深さを翼高さ付近まで増大させても、 槽内の流れは周方向の旋回流のみとなり、 槽底から供給されるガスの分散や液面からのガス巻き込みは期待できません。
その理由を図7のイラストにて説明しましょう。 ボルテックスの有無により、 単位液量当たりの液自由界面積（A/V）は、 前述の通り確かに増大します。 しかし、 大きなボルテックスが形成している現象は、 イラストからも分かる通り、 撹拌軸付近に固体的回転部（撹拌翼と液の周速が同じになる液循環の無い筒状の領域）が発生していることを意味しており、 ガス分散や巻き込み等の機能を発揮できない状況となるのです。 図8の如く、 ガスの分散・微細化や液自由界面からの巻き込み機能には、 バッフル付きでの強撹拌条件が必要と言えるのです。