高粘度液用薄膜蒸発機｢エクセパ+のスケールアップ
SccIIe･up

ofEXEVA

fortheHigh

TMn‑Fib

EvcIPOrC(torVJ's亡OUS

Producナs(化)技術部 設計第2課
山崎
恩
Tadashige

威Yamasaki

EXEVA,
has
been
Borne
developed
thin‑film
evaporator･
ournewly
equippedwithspecialinthis is mostdifferent
fromthin‑film
evaporators,
andeffective
mechanisms
conventionalorbeat‑sensitive
concentratingof壬1igb‑viscosity
materials
and in volatilizing
polymersolutionsto obtain
low residualmonomer
contentS･
very
EX‑2
the test equipment
0.2 m2) have
Some
EXEVAs(heated areawbicII Were
SCaled up frombeen
inplants･
putinto operation
chemicalflow
theThis paper
describes
andevaporationof EXEVA
the scale‑up
methodof theandfor
EXEVA
EX‑50
investigation(heated area5m2).
results ofscaled‑up
toTbedata of power
quantityof EX‑50
substantiauy
correspondconsumption
and discharge
calculated

まえがvalues.

1.スケールアップに関する考え方

き

当社の開発した高精度液用薄膜蒸発機｢エクセパ+は,従来の機種匠ない特殊機構を装備しており,種々の実液実験で優れた蒸発性能を示していることを既に本誌(1989年
34, No. 3)で詳述しVol. 33, No. 2および1990年Vol.

高粘度液用薄膜蒸発機内の流動,撹坪動力,蒸発などの各特性について理論的な研究がほとんどなされていないた
めスケールアップVLついても実装置の実績が先行しているのが実情である｡
近年,村上ら1),2)によって高粍度流体を用いて,ている｡

エクセバは,本格的な販売開始以来,主vLポリマー分野
で,従来機若芽での蒸発が困難であるポl)マー,例えば蒸発後超高群占度むこなるポ1)マ‑,熱変質の受け易いポl)マー,1枚巽の撹搾式薄膜蒸発機内の流動･混合機構を蒸発を伴わない場合について理論的かつ実験的に解明された｡また撹拝所
要動力,混合などの操作特性との関連をスケー/レアップ緩

製品の品質を左右する残留揮発分が非常に少ないポ1)マーも含めて明らかにし,スケールアップにおける関係式を導などでその特長を生かして利用され始めている｡

出している｡

エクセパテスll機(EX‑2,伝熱面積0.2m2)の蒸発テエクセバ(第1囲)では,ディス†リビュ‑メ,多段特殊傾斜巽によって,高粘度液からの蒸発,平均滞留時間,ス†でその性能が認められて,実機を受注製作して,現荏,生産現場で順調忙稼働している｡

撹拝動力などが規制され,その各々が関連して処理製品vL

テスト機のテストデータに基づいてスケ‑)I,アップされた実機(EX‑50,伝熱面積5m2)(写真1)のデータを得たので,流動状態と蒸発性能に関するスケールアップの関係式,撹拝動力,スクリュ排出機の吐出性能について報･ヒ.,≧･v<.....藍告する｡､ミ､;･:‑i.J.1､1J‑･･1.

9幽QShaftclosur
6)
Q
0

Feed

vVaporoutlet

inlet

frot oiloutlet

Qlq)

Distributor

Blade

甘otoilinlet

Scraper鶴
Screw

tsHotoiloutle
Hot oil

inlet

oGResjdue
outlet

写真1'5'AILpセバEX̲5.
Pl10tO.
EXEVA

16

1

監∋
第1図

EX‑50Fig.

エクセバ
1

神鋼パンテツク技報

EXEVA

Vol. 85

No.

8 (1991/12)

Thinfilm

Shell

10Fillet

忘FilleBlade汰N

塾さ8,d102rg
LI)

BladeF<〔+第2図Fig･

鑑拝式薄膜蒸発機内の液流動模式図
2

Schematic
anddiagramofanho [m田]D

agitatedthin･film[mm】

10evaporator

1.575flo∇ field

250
10￣2

10￣3r

第4国
Fig.

し一4Comparisonso.5uwu♭averaged

residencetime(D= 75rm)‑0.7‑1.2m‑s￣1[mm](D‑250 plrB)‑5.24‑9.17m‑s‑1 75

1.01,5loll

ト]

無次元液膜厚さの比較
Comparisonsof the non･dimensional

film

ここに,

ho:内壁面で巽先端のクl)アランス〔m〕〔m〕:液膜厚さ･以後添字Sはスケールアップ前の装置を,Lはスケールアップ後の装置を表わす｡
2)フィレット部平均流下速度は,スケールアップの影響を受けない｡
b‑10￣2
ReL

(1)

bo

250

3of theb∞.s b∞.Lbo ̲ bo
D

第3園

[kg･m￣1･s￣1]

平均滞留時間の比戟

r<

Fig.

1011

thickness

Wf･S ‑Wf･L

影響を与えている.スケールアップによって,それらがどのような関係になる?かを明らかにする前に,エクセバに

Wf:フィレッ十の平均流下速度〔m･s‑1〕
3)アイレット苦『断面積は,槽径比に比例する求められる性能からのスケールアップを考えてみる｡

As̲AL

エクセバの主な機能は,揮発分を多く含んだ原料液を薄膜化させて,本体壁面からの伝熱により,揮発分を蒸発しDs

よって同じ蒸発状態にすることができると考えられる｡更
VL,平均滞留時間を等しくすること忙よって,同じ熱作用を受けた製品を得ることができるであろうことは容易に予DI+(3)I

含::晶昌益ツト紺面積Emm,2〕て潰縮し高精度の製品を得ることにある｡このことから,スケー)I/アップ前後忙おいて,本体壁面より等しく熱量が与えられるならば,内容液の薄膜状態を等しくすることに(2)が成立することを理論解析および実験より尊びいている｡
本関係式より,スケ‑ルアップ前後においてクl)アランスおよび単位浸辺長当りの質量流量を等しくすれば平均滞留時間を等しくできることを実証している｡(第4園)
単位浸辺長当りの質量流量11を等しくすることは謝することができる.スケールアップ前後において内容液の薄膜状態を等しくするむこは,本体内壁面と撹拝巽先端とのクl)アランスを等しくすればよいと考えられる.次に,平均滞留時間を等しくするには,どのようなスケールアップ月Uが適用できるか考えてみる｡

Fors‑誌‑,L‑謡

(4):質量流量〔kg･s￣1〕

FFOo･.:‑ ,DsL

(5)であり,1. 1流動状態に関するスケールアップの関係式

高田3)は,垂直1枚巽を用いた撹押式薄膜蒸発機内の高粘度域忙おける詳細な流動解析と実測値に基づいてスケ‑となる｡

ルアップ則を提案している｡
その中で,撹拝式薄膜蒸発磯の巽近傍の流れ(第2園)これを実際の装置で,処理量10倍のスケールアップを考(5)式よりスケールアップ前後において槽内径を10倍にしなけれはならない｡このことは,スケ‑)i,アップによって槽径のみが大きくなり,槽長さが変わらないこと忙なり,実用的でないと思われる｡
高粘度液用薄膜蒸発機｢ェクセバ+は,上記の垂直‑枚巽と異なり,ディストリビュ‑タと多段傾斜巽中こよって構成されており,機内の平均滞留時間TRは次式により与え
えると,を解析することによってスケールアップ前後においてクリアランスおよび単位浸辺長当りの質量流量を等しくした場
令,1)液膜厚さはスケールアップの影響を受けない｡
無次元液膜厚さ1(‑h∞/ho)は,液膜Reynolds数および槽径依存性はみられない｡
Vol･ 85

Not8(1991/12)

(第3図)

られる｡

神鋼パンテツク技報

J7エクセバは,薄膜部で蒸発が行われるので,薄膜部での蒸発性能がスケ‑/Vアップ前後において等しいのであれは,伝熱面積比例と考えてよいであろう｡これは,単位伝熱面積当りめ質量涼量がスケー)t'アップ前後紅おいて等しbβJ‑A‑A‑･･‑△500n
コ‑A‑‑○‑0‑○‑いので次式が成立する｡

'て)
く⇒く⊃

こ□

Fo.s

ho[mm]
102030Flow

fate

7rDLLL

これより●o15Fo.L̲

7TDsLs40DLLL

Fo.L

(1I)

̲

第5図
Fig.

F

Fo.s

[kg/h]

質量流星に対するホールドアップ
5Holdvs.

up

flow

となり,

rate

DsLs

(10)式と同様の式が導かれるo以上より,スケr‑)レアップ前後の流動状態における関係式と蒸発性能における関係式が等しいことから,エクセバ｢スケー)I,アップ前後紅お･R‑昔(6)のスケールアップの基本則は,:ホールドアップ量〔kg〕

いてクリア■ランスー定で,伝熱面積当りの質量流量を等しくする+ことである｡

E

スケールアップ前後におけるエクセバの蒸発能力を保証するむこは,伝熱面からの熱伝達が等しく行われ各部での流スケールアップの前後で平均滞留時面TRを等しくする
ため￠こはTE･S

動状態が等しくなければならない.特にスケールアップ後‑蕊‑TR･L‑是(7)

タの一様な液分散,多段傾斜巽による薄膜の形成,ミ琴膜部が成立し･なければならない｡
エクセバ内のホ‑/I,ドアップHは次式で示すことができる｡
Hs

‑

HI.

‑＋7rDLh∞･L)PLL

L :装置長さ等価薄膜厚さheを考えてすると,

4As＋7TDsh….s‑ho･s7rDsと(7)式はhe･s7TDspLs
Fo.sとフィレット部の物質交換か十分行われる構造などに注意を払う必要がある｡

2.スケールアップにおける撹拝動力(4As ＋ 7rDsb｡Q･S)pLs(4ALに蒸発性能に影響を及ぼすと考えられるディストl)ゼユ‑

he･L7TDIJPLL
̲Fo.L

(8)

エクセバの処理物質は,主にポ1)マ‑である｡ポ1)マ‑は,非ニューン流体で与えられる速度勾配むこよって粘度が変化する｡また,粘度が温度によっ･て大きく変わる場合もある｡入口(原料)が低粘性で出口(製品)が高粘性の場
合ではエクセバ内で粘度が著しく変化する｡以上の理由により撹拝動力の予測は難しく,テストでの撹押動力測定が必要となる｡
現在,テス†機での蒸発テスト時,撹群動力を歪ゲ‑♂
で測定してパソコンにてオンライン処理しているo
そのま酎
足した鑑拝動力を基ケこ実機へのスケールアップを行っていとなる｡■

エクセノヾは,ク1)アランスが一定であれば,単位渡辺長当りの質量流量vLかかわらず,ホールドアップ量は,ほぼ一定であ.る(第5図)ことから,スケールアップ前後vLおいて■he.ら‑he.L(9)(9)式を(8)式に代入するとDLLL

Fo.s

DsLs

(10)となる｡
エクセパでは,(10)式がスケー)I,アップ前後においてクl)

アランスー定で平均滞流時間を等しくするための条件である｡

るoク1)アランスは,テスト機と実機で等しくし,回転数は,撹拝巽の先端速度一定でスケールアップされる｡これによって,スケールアップ前後vLおいて内容液FL̲作用する速度勾酉己が等しくなるので,ポリマー粘度が等しくなり,巽先端に作用する力も同等になると考えられる.巽形状]党搾動力は,幾何学的相似則でスケー/レアップされるが,に影響する巽先端の板厚は,テスト機と等しくする必要がある｡

これを実際の装置で,処理量10倍のスケールアップを考えると,(10)式よりスケールアップ前後むこおいて槽内径と長さの積を10倍にすればよいことになるo性は等しいと考えられる.スケ‑)t'アップで撹拝動力むこ関
係するファク列ま,処理量,巽形状,巽スパン,ク7)7ランス,翼投影幅,巽段数,回転数であるが,これらは,塞本的に1章で述べたスケールアップ別に従って決定されが成立すると考えることができる｡

Fo.L

るo蒸発テスI‑時に才覚群動力を測定しているので,同じ操作条件とするとスケ‑ルアップ前後において処理物質の物

撹搾動力の無次元相関式3)は,次式で与えられる｡
Np

A(R6bL)‑

これなら実装置へ(ReL)P(ho/d)r(12)ここで,動力数Np,撹拝Reynolds数Rehr,液膜Reynolds数ReLの各々の無次元数は次式で定義される｡の適用は可能である｡
蒸発性能に関するスケールアップの関係式

1. 2

通常,熱交換器や蒸発器でほ,伝熱面積に比例するとしNf･てスケールアップが行われる｡
18

α

P
‑

p･n8･d8･ho･L

神鋼パンテツク技報

Vol. 85No.

a (1991/12)

第1表

実測値と計算値の髭拝所変動刀比較

Table
見取用計拝7'ロ<M河o.180>グラム(Vl.0)
客先名

ENo.0￠10‑￠◎<テスト槻>
本体内窪d155

クリT5ンス

6s

本体良さ
回転数

L

供給丘
液密度⊂=∃]rDmsns

Qs

44◎

冒sp

本体内径drr)rn

TtlTn

rpm

kg/hkg/m3

芸雷慧芸霊芸:Ej≡三:≡
平均液粘度LL<計井結果>
軌持tteyrlOlds敬
被膜Reynolds牧

∂ LIⅦmLmm

QL

液密度p

L

77･ンク

第6図
Fig.

r

ら

P kW

EX‑50

kW

ca lculated

measuredconsumption
ScaleuptMeasurederI●Or芸RReessiinnに;≡≡冨1三;:
I…97
Z3…kk冨I三….,47…

匡亘亘萱]KW

L

也梓Reynolds汲Rem1丘els

硬膜Reynolds故事先挿動力救

Re11

税梓動力

pl=;±

Np1

==

蛋

■＋■*＋t＋＋●●●＋**＋■'＋＋＋＋＋＋r

E.

＋●◆■●･F＋＋Elソ･キーで処理巷選択して下計

power

巨∃≡…;≡

供給液粘度FlfP

betweenthe

calculated

EX‑2kg/h
kg/m3

ReTTIS

シandrpmrlL

残留液粘度LL
平均液粘度JLA:

rElni

ComparisonsPL

クリアランス

Nps

挽梓動力歎
撹拝袈定数
メッセ‑シ̀Pa･s

16日

神鋼パンチツク(料本体長さ
回転数
供給正□KW

sp0ら

◎8月

機>

<実s'91年

日付:

1

井畳主義

終了

鑑拝動力計算の画面
6

The

calculated

power

display

consumption

第7囲
Fig.

スクリュ
7Screw

Re班=世 〃
RpL

ここに,

Q

=̲壁̲
〃

〔J･s11〕:ま党辞動力p :密度〔kg･m￣8〕〔Pa･s〕〃 :精度n〔s￣1〕:回転数
d :巽スパン〔m〕
bo:本体内壁面と巽先端のクリアランス〔m〕
L :巽投影長さ〔m〕

α*‑

PT

cos2α

:推進埼定数2β*‑E3(t‑e)cosαsinα12:圧力流定数

7T 2D2∂3tanαγ*‑
ここで:漏洩洗足数

ユoe

Q:吐 出量N:回〔mS･s￣1〕

転数

〔s￣1〕
〔Pa･s〕

〟:罪占皮
P:吐出圧

:単位浸辺長当りの質量流量〔kg･m￣1･s￣1〕
実機の損:拝動力は,テスTl機の測定撹拝動力から(12)式のA値を求め,そのA値を用いて計算する｡
第6図にパソコン画面上の撹拝動力計算の様式を示す｡‑α*N‑β*吉(計r*吉(言)7TDH(七‑ e)

〔Pa〕
〔m〕

Z:長さ
D,H,実機(EX‑50)は,t, e,∂は第7図に示す｡
多品種め樹月旨を生産しており,そた実機(EX‑50)の撹搾動力の計算値と実測値を第1表約10倍程度であるが,本計算式での各品種間の粘度差は,設計したスクリュ排出機は,回転数の変速範囲で余裕をもに示すo
第1表のA樹脂の撹拝所要動力値で,計算値と実測値にって製品を払出すことができている｡
むぴす

デスT.機での撹搾動力より,本計算式でスケールアップし相当な差があるが,モ‑タ動力FL比べて出力値が少ないの

撹拝式薄膜蒸発磯エクセバのスケ‑ルアップにおける流で,実測値に,測定誤差が含まれていると思われる｡

動状態に関する関係式と蒸発性能に関する関係式が同一で3.

あり,その意味するところを示したoスケールアップにおけるスクリュ排出機の吐出能力
エクセバは,製品払出部に1軸押出機の原理を適用した

これは,上部吸込口に高スクリュ排出磯を設置しているo
粘度液が満たされていないが,本体が真空であってもある一定の吐出圧で排出することができるように工夫されている｡

テスト磯のスクリュ排出機は,高粘度液では約30rpm
中粘度液では約80rpmと液粘度によって回転数を約30′‑100rpmで操作して残留液(製品)の払出しを行っている.スク1)ユ排出磯を製品払出し後の液の昇圧VL̲用いるのは,エネルギー効率が悪いので,実機では吐出圧を0.2′‑0.3MPa,回転数20′‑30rpmで,液粘度,吐出量を考慮して次式よりスクリュ形状を決定している｡
Vol. B5No.

8 (1991/12)

さらに,エクセバのスケールアップで,撹拝動力計算式とスクリュの吐出量計算式を実機ヘ適用することができることを確認した｡,エクセバは,独自の機構を備えているがゆえに数々の特長を有しており,テスト機で優れた蒸発性能を示してきたが,実機においてもその性能を実証しえたことを報告した｡

本稿が高粘度液の蒸発に携わっておられる方々ケこ,少しでも参考になれば幸いである｡〔参考文献〕
S., K. Takata
and1) Komori,Japan, Vol. 21, 639 (1988)

Y.

Murakami

:

Chem.

Eng.

K. Takada2) S. Komori,andJapan, Vol, 22, 346 (1989)

Y.

Murakami

:

Chem.

Eng.

3)高田:九州大学工学部化学機械工学科,博士論文(1988)

神鋼パンテツク技報

19