高粘度液用準膜蒸発機｢エクセバ+(米国特許5185060日本,欧州特許出願中)
The

Thin･Film

Eve(porc1110r

for

Viscous;ghly‖EXEVA‖
Products(化)技術部

設計第2課

山崎吉

Yamasaki

村Takesbi

The

EXEVA,

mechanisms
EXEVA,
Thea

thin‑film

are
which
therefore,

hasdeveloped
by SHINKOPANTEC,newly
in conventionalevaporators.
in various
industrial processes
usedwidelyevaporator
not

bas

found
been

devolatilization.
andcentration
beSincecanhigh‑viscosity solutions and heat‑sensitive
materials
EXEVA
thehas provedeven
nor(ラuseful.
describes
blades, vbicb
This paper
the multiple‑pitch
greatly ensureasblades,the screw
comparedandwith conventional
single‑pitch
for t九e EXEVA
possible
describes
alsoThe
paper

たえがto
the

treat

high‑viscosity

designof theliquidsき

高粘度用薄膜蒸発機｢ェクセバ+ほ,超高粘度のS/1)コーン樹脂,ゴム状の樹月旨,ゲル化し易いフッソ樹脂,脱揮｢る温度でモノマーが発生するスチレン樹脂,熱によってup

tosystemagitation

treateda武severalspecialinvolvingin these

con‑processes,Pals.
EXEVA.

large‑capacity

た液をさらに薄膜化すると同時に強制的に薄膜を混合し下方に移送する.多段債斜撹辞翼によって,内容液の一様な混合が促進されるので,蒸発性能が向上するとともに均一な残留液が得られる｡また,撹拝翼と缶体内壁との最適な
ク1)アランスを選定することによってより一層の蒸発性能

変色し易いポリマー等からの蒸発脱揮,流動性のない高和宏蛋白質からの脱泡等,従来機器でほ処理するのが困難なの向上と省エネ)レギ‑をはかることが出来るQ}野で利用されている｡エクセバが,これらの分野に適用㊥写れる理由は,従来機器にない特殊構造を装備しているか)にほかならない｡

エクセバは最適な操作条件の選定,適切なスケールアッ
7o等のソフ一面と連続運転に必須のメカニカ/レな強度等の司

Yoshimuraefficient fillet/film mixing
discharger
itwhichmake

10,000of威恩Tadashigeスクl)ユ‑排出部は,多度傾斜塩拝翼で壊縮脱揮された高粘度液を‑軸押出機と同じ作用によって連続して払い出す｡スクl)ユ‑排出部は,スク1)ユー軸と高粘度液によって缶内の真空を保持しており,超高粘度液をも数kg/cm2■､‑ド面の両者が充分に機能することによって,生産現場:･高度な性能を発揮しているo
本稿では,エクセバの機構と機能,特殊構造,特長を紹節Shaft†し,大型実機の撹拝系を設計する上での考慮すべき点にclosure匿表⊃いて報告するoVapor.機構と機能
エクセバは,撹拝式薄膜蒸発機で,その内部基本構造は,育1図に示すように,①ディストリビュ‑グー,㊥多段憤
斗撹搾翼, ④スクリュー排出部で構成されている｡

Feedoutlet

inletq)Hot oil く旨
otltletディスTll)ピュータ‑及び多段傾斜撹拝翼は,缶体内壁
百と狭いク1)アランスを有して,缶体上部のモータによっDistributor
B lade:駆動されており,一方,スクリュー排出部のスクリュー
由は,告体下部のモータ忙よっで駆動されて,軸内部に撹単軸の軸受が設けられている｡
D ディス†l)ビュ‑クーは,原料供給口より流入した液ビ缶体内壁面に一様分散するためケこあるが,本ディストリ
1<ユ‑クーは供給口より入った液をすぐに薄膜化している)で,供給液粘度が低粘度液(0.001Pa･s)だけでなく超旨粘度液(5000Pa･s)まで処理することが出来る｡
D多段傾斜撹拝翼は,ディストリビューターで分散されflotoi
Inlet

ScraperくゝScrew
discbarger

Hotoioutletq〉

Ⅲot oilinlet

神鋼パンテツク技報Residue
EEdoutlet

第1図
エクセバ
Fig. 1Aej

cutaway

viewof EXEVA

Vol.

88

No.

2

(1994/8)

Thin

ThinfilmFil16t

film

CylindricalshellFillet＼ヽBladeT

Blade

Cylindrical111
shell'I

Rotor

第2図
Fig･

鑑拝式薄膜蒸発機内での高粘度液流動模式図
2

Schematic

diagramsof flowtbin･film

evaporator

withfield in an

higb･viscosity

agitated
fluid.の吐出圧で押し出すことが出来る｡

写真1多段傾斜撹鮮翼

このようにエクセバに供給された原料は,ディストリビ

Photo.

ュ‑メ‑で一様分散され,多段傾斜撹拝翼で高効率な蒸発が促進され,スクリュー排出部から製品として払い出され1

Multiple･pitchedbladesof EXEVA

るまで常に機槻的な強制力で移送されているので10000Pa
合の評価法として,流体交換率Mを次に定義する｡･sもの超高精度液まで処理することが可能である｡

2.特殊構造従来の高粘度液用薄膜蒸発機では,最終精度が2000 Pa･s以上の高精度液を処理することが出来ないが,エクセバほ,特殊構造(多段傾斜鑑拝翼とスクl)ユー排出部)を装備することによって,極めて高効率な蒸発と10000Pa･sの高精度まで対応が可能である｡
2. 1多段傾斜撹拝翼

M=C‑CfA2
̲C撃̲二至当+

但し,e:軸に垂直な断面内の平均漬度
CfA2:トレーサ投入後のプローブAのフィレッT.部の平均ラ柴度
CfB2:トレ‑サ投入後のプローブBのフィレット部

エクセバの多顔傾斜撹拝巽及び傾斜スクレーパの形状を写真1に示す｡
撹拝式薄膜蒸発機で,垂直1枚鑑拝翼近傍の高粘度液の流れを模式的vL示したのが第2図1)である｡鑑拝式薄膜蒸発機は,ディス†l)ピューターで缶体内壁面に一様に分散の平均壊度
実験は,缶壁から電解溶液(Tlレーサ)を液膜部に注入された液を高速で回転する撹拝賀で掻き取っていくこと忙し,巽前面のフィレッ†部シこ設置されたプローブAとBで壊度を測定して,前に定義した流体交換率Mで液膜部とフよって,缶体内壁面に薄膜(Film部)を形成し,また翼先端前面部で掻き取られた液(Fillet部)は半径方向の遠ィレッ一部の混合度を判定基準とした｡
第3図2)に1枚巽である巽間隔L‑Ommと2段巽であ心力を与えられる｡低粘度液では,液膜部とアイレット部

るL‑20の流れが乱流であるため両者は良く混合されて均一な蒸発が行われる｡しかし,高粘度液では,液腰部とフィレッ一mmの場合の流体交換率Mを巽先端速度Ub[m･s‑1]に対してプロットしたものを示す｡プローブ間の間隔は両者とも等しくしている(30mm)｡巽の分割のない
Ub及2段巽のそれと比較して,(単位侵辺長当たりの流量)忙よらず部が混合されずに,第2図に示すようにフィレッ十部が撹

1枚翼の流体交換率Mは,拝翼前面を渦巻状態で降下していき,ショ‑びT[kg･m￣1･s￣1]T･/ヾスをおこす｡このため,フィレッ一部を降下した高粘度液は,十分非常に′J＼さいことがわかる｡このことは,液膜部とフィレな蒸発が行われないので,液膜部とフィレッT.部を通過しッ†部間の流体交換が極めて少ないことを示すものである｡これに対して,
2段巽の場合,流体交換率Mはロbの増加につれてかなり高くなっているo
このことは,液膜部た内容液の蒸発状態が異なるためVL,残留液(製品)が不均一になる｡
以上は,薄膜蒸発機の垂直1枚巽の流動状態をモデル化しての定性的な説明であるが,垂直1枚巽と垂直2段巽の液膜部とフィレッ一部の混合状態を定量的に示した村上2)らの実験結果を紹介する｡
村上らは,巽間における液腰部とフィレッTl苦βの流体湿I(ol.

38 No.

2(1994/8)とフィレット部の流体を巽間で合流させて,巽エッジ部の髭拝作用により液腰部とフィレッ一部の流体混合が促進されていることを示している｡

更忙,村上らは,2段巽の最適巽間隔を求めている｡
第4図2)に流体交換率Mを巽間隔Lに対してプロットし

神鋼パンテツク技報

3βr[kg･血￣1･･s￣1】[り [iり港
ac｢
A>

0.02

△0.03

Il [kg･○m‑1･･sNl]

100▲

ub

7.86m･s￣1‑●0.03

(⊃

0.02

△probeB00宣L‑0幻mL=20mm

【i]

[ii]

塗
50=
○

言/冒‑｡‑o‑△I500.01

三三

5.24

6.55

7.86

第4囲

9.17

Fig.

1故実と2段実における流体交換率Mの比較(〟) ofrateof fluid exchange

apparaapparatus

wi血tbatofa0.03[mユ

2段翼の翼間隔による流体交換率Mの影響
Effect of distance between upperand lower
blade‑s (L)Comparison

single･blade4【m･Sー1]ubデig. 3

0.02
L

●
▲

幕3図

￣■■■■■■△￣￣￣￣￣￣￣￣￣1｢Lopt.

onfluid exchange(M).

rateadouble･bladeUtus.

㌔芯ot oiloutlet0,04

Scraper0.03

Screw blade

8▲(⊃●Ll(⊃

め0{)hor[kg･m￣1･s￣1]

0.01

shaft

[コIJ

Screw

Bottombearlng

○0.02

[m爪】
1.5
Hot oil
inlet

0.01

[コ0.02△▲0.03(⊃●102103

Stuffingbox

RelI2

幕5図
Pig.

ト]

最適翼間隔Loptと撹拝レイノルズ数ReM2との相関
5

Correlation

betweenthethemiⅩing

Reynolds

numberoptimumdistance(Lopt) andU(ReM2).
第6図
Fig.

スクリュ‑排出部の断面図
6Sectionaldrawingof thescrew

discharger.

ヒものを示す｡これより,供給量が多い程流体交換率は大きくなることがわかる｡また異聞隔Lが大きくなる程流体交換率Mは上昇するが,ある一定の巽間隔以上になると流本交換率Mは一定値に漸近するo従って,巽間隔は巽による流体の表面更新作用を考えた場合,出来るだけ′J＼さい方うミ良いことから,最適な異聞隔Loptが決定されるo第5図2) FL実験で求めた最適巽間隔Loptを,缶径dをことが明らかである｡
垂直翼では,供給量が一定量を超えるとフィレッ†部を通過する流量が非常に増えてくるが,傾斜巽では,このようなことは生じない｡傾斜巽は,巽先端前面のフィレット部の大きさが垂直翼に比較して格段忙′J＼さいので,供給量宅表長さとした撹搾Reynolds数ReLf2(‑Pnd2/iL)に対の変化によって,缶内ホールドアップ量ほ変化しない｡

してプロッTlしたものを示す.
ReM2の増加紅つれてLoptもわずかに増加するがクリアランスの依存性はない｡これ

2.

より,Loptほ第5図中の実線で示される次式忙より相関される｡

2スクリュー排出部
従来の高粘度液用薄膜蒸発機の排出部は,缶体底吾郎こ真
空用のギャーポンプを取り付けて,自然流下してきた高半占度液を払い出しているが,エクセバは,スクリュー事由を付属した排出部を内蔵しており,缶体下部のコーン部で傾斜

Lopt‑0.005

×Reb(21/41

スクレ‑パによって強制移送されてきた高粘度液をスク1)

これらの結果より,多段巽が1段連続巽より優れている
fO

ユ‑軸によって一定の吐出圧で排出するo
第6図VLスクl)ユ‑排出部の断面図を示す｡

神鋼パンテツク技報

Vol. 88 No.

2(1994/8)

Temperature
Inlet

o4080

[℃]

120160200

Concelltratioll [%]Viscosity

01

50100[Pa.s]

101001000[Material]

第7図
Fig.

Outlet

原料から製品までの温度,濃度,粘度変化
7Temperature
oof temperature,viscosity from[Product]

hlet

Changes4080【ccI

Concelltration120160200

Viscosity

【%]

50100

10100

material

concentration,
andinlet to product outlet.

[Pa･s】
1000‑･･･････ぅー[Material]

第8因Fig.

Otltlet

原料から製品までの温度,濃度,粘度変化
8Changesof temperature,material

viscosity from

[Product]

Temperature
Inlet

120

【℃]

160 200

Concentration60[%]

80 100Viscosity[Pa･s]

10

1000

100

andconcentration,
inlet to prodllCt Outlet.

[Material]

第9図

0し1tletー+⊥+⊥++Fig.

L

原料から製品までの温度,濃度,粘度変化
9Changesof temperature,material

viscosity from

[Product]

andconcentration,
inlet to product otltlet.

1軸押出機と同じ原理であるが,スクスクリュー軸は,1)ユー軸の回転方向は,撹搾巽の回転方向と逆vLすること㊨滞留時間が短い｡@

省エネルギーである｡

によって,スクリュー軸への高粘度液の流入を容易にし,低い回転数で充分な吐出量を可能とする構造に設計されて@分解点検が容易である｡㊨

広い粘度域での処理が可能である｡

いる｡この低い回転数のため排出動力は′J＼さくなり,熱エネ)l,ギ‑への変換が少ないので,この部分でのポ1)マ‑の熱変質を防止している｡また,スクl)ユー軸の内部なこ撹粋

4.

軸の軸受を設けることによって,エクセバには,下部軸受で,撹搾系の設計には十分な配慮を必要とする｡また,スがないのと同じ効果を得ることが出来る｡高粍度液用薄膜
蒸発機では,撹押葉の負荷が大きいので,どうしても下部ケールアップ時,実機での缶体と撹搾巽のクリアランスは軸受が必要であり,この部分で高精度液を強制移送する機

撹拝系の設計エクセバは,超高粘度液を処理するため撹搾系への負荷は大きく,しかも缶体と盤拝巽とのク1)アランスが狭いのテスト磯のそれと同等なため,大型になるほど撹押系の設計では,製作公差,負荷によるたわみ量等を考慮しなけれ構を設けることが出来ないので処理液粘度は2000Pa･sまばならない｡

でが限界であった｡また,下部軸受サポート部で内容液の付着が生じて,この付着物が熱忙より劣化して,製品への4.

コンタミネ‑ジョンの原因となる.エクセバでは,これらが全て解決され,粘度は10000Pa･sまで処理することが出来る｡エクセバは,これらの特殊機構を装備することにク値をパソコンでオンライン処理して求めており,そのデよって,より高効率な蒸発性能と超高粘度ミ夜からの脱揮等数々の優れた特長を有することが可能となった｡

は,処理物質VLよっていろいな場合が想定される｡同等の撹拝動力であっても,撹搾巽忙作用する分布荷重は異なる

3.特長場合があるo撹搾異に作用する分布荷重は,内容液の粘度①

超高粘度物質の処理が可能である｡に最も影響されるので,ポl)マ‑溶液が蒸発していく過程㊤伝熱係数が大きい｡

で内容液の粘度変化を考えてみる｡

1ちl. 88No.

2(1994/8)

1撹拝系の荷重条件
鑑拝動力は,テストで歪ゲージを利用して実測したト/レ‑タを基に鑑拝動力の計算式を用いて実機に適用している.しかし,実機の鑑搾系の設計の基になる撹拝荷重条件

神鋼パンテツク技報

4I

供給口から出口まで,内容液中の溶剤が蒸発する忙従っ等さまざまな場合があり,それぞれで撹拝巽に発生する分て徐々に内容液の帯占度が増していくと考えると撹搾異にか

布荷重条件が異なってくる｡

かる分布荷重は,出口に近づくに従って増えてく.ると考えられるが,薄膜蒸発機内での変化はその様に単純ではない｡

4.

①

第7図に溶剤を多く含むポリマー溶液が供給口から

2

捜拝軸の設計撹拝軸VL発生する主な荷重は,撹押†/レクによるねじり荷重と撹拝トルク変動むこよっておこる曲げ荷重である.薄蒸発を伴い出口へ移送されていく過程での内容液の温度,膜蒸発磯では,高粘度液のため撹拝トルクは大きく,また乗度,粘度の変化の1代表例を示す｡供給された内容液の蒸発を伴うので機内で粘度変動が大きくそのため撹搾トル

蒸発が始まるまでの顕熱部では,溶剤が多いので粘度も低ク変動も大きくなる｡この撹押下ルク変動は,撹搾系の荷重条件で示されている撹拝翼の分布荷重に比例した値の変いが,節点(80oC)むこ達すると溶剤の蒸発が一気に始まりポリマーの濃度が高くなるが,ポリマーの温度は蒸発温斐と等しく低いので,ポ1)マー粘度は非常に高くなってく動成分であり,それが軸忙作用する曲げ荷重忙相当する｡

る｡この部分から,ポリマーが軟化する温度(130oC)

エクセバは,下部軸受をスクリュー軸内に内蔵する特殊構造を有している故に撹拝軸の設計は,従来のものに比較まで蒸発がほとんどおこらず,ポリマー固体と溶融ポリマして複雑である｡撹拝軸の上部は,缶体上部の軸受で支持ーが混在した極めて高精度の領域がある｡その後,ポリマされた自由端固定であるが,その下部は,スクリュー軸内ー温度が上昇するに従って,ポ1)マ‑粘度は急激に低くなに設けられた軸受で支持されているので,スクリュー軸のってくる｡通常,溶剤分が数%以下になると溶剤の減少による粘度上昇より温度による軍占度低下の方が大きく残留液たわみ量に影響を受ける自由端固定となる｡それ故,撹拝軸の強度計算は,スクリュー軸の強度も関係しており,撹出口では粘度が下がってくる.

搾軸系とスクリュー軸系も含めた全体構造で解析を行わな

この場合の撹拝巽に作用する分布荷重は,第7匡lの内容硬粘度に比例した値にほぼ等しいと考えられる｡

けれはならないので,有限要素法プログラム

ANSYS用いて解析している｡エクセバは,缶体と撹拝賀先端との3)前述例はエクセバに供給された内容液が加熱されて蒸クリアランスが狭いため,撹搾軸の設計は,撹搾軸の最大発が始まる場合であるが,エクセバ内忙蒸発温度以上の液たわみ量で決定される｡最大たわみ量を求めるためには,撹搾軸系とスクリュー軸系を含めた全体構造で計算する必温で供給され,すぐ忙蒸発が始まる場合の内容液温度,壊斐,竿占度の変化の例を第8園忙示す.供給された内容液は,ディストリビュータ部ですぐに蒸発が始まり,第7図｢こ示される顕熱部と蒸発温度から半占度が最も高くなる領域
7)直前までの区間がなくなった状態になり,ポリマー固体要がある｡
むすび

高筆占度液用薄膜蒸発機｢エクセバ+を開発して蒸発業務に携わってきたが,従来機器むこない鱒殊構造を有していると溶融ポリマーの混在領域を経て,その後は同じ過程を経ると考えられる｡

故に,実機の設計,製作上では多くの考慮を払っている｡

この場合の撹拝巽￠こ作用する分布荷重は,第8図の内容硬粘度忙比例した値にほぼ等しいと考えられる｡

値はますます厳しくなってきており,また地球環境問題か

3)第9図に原料中に含まれる揮発分が数%以下またほ数1 000ppm以下と少ないものを残留揮発分数100ppm以下

エクセバの適用範囲は広がっていくものと考えており,本稿が高精度液の蒸発に携わっている方々に少しでも参考に[こする場合の例を示す｡本例の場合,内容液は処理温度で洪給されるので入口から出口まで内容液の温度が多少上がなれば幸いである｡

る程度で,揮発分の変化は無視出来る程度であるので,内容液粘度は少し低下していく｡に引用しました文献を提供して頂いた九州大学工学部化学機械=学科村上泰弘教授に深く感謝の意を表します｡

この場合の撹押巽に作用する分布荷重は,入口から出口までほぼ一定と考えられる｡〔参考文献〕
S., I(. Takata
1 ) Komori,Vol. 21, No. 6, (1988)

and Y. Murakami:

また,原料中に多量の溶剤を含み蒸発後も揮発分を数10%残留させたいもの,節点の異なる溶剤を含む場合の蒸発

2) Komori,and Y. Murakami

42を

ポリマーの高品質化に伴って,モノマー及び溶剤の許容ら廃棄物中の溶剤回収も必要になってきている｡今後とも,最後に,本開発紅関して有益な御助言を頂き,また本稿

Vol.

神鋼パンテツク技戟

22,

S., K. Takata
No.

4,:

Chem.

Eng.

Japan

Chem.

Eng.

Japan

(1989)

Vol.

88 No.

2 (1994/8)