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化学工学

撹拌動力とモーター動力の基本的な関係

単位体積当たり攪拌動力 化学工学
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単位体積当たり撹拌動力Pv(Stirring power)に関して解説します。

撹拌機は反応器として使うので、バッチ系の化学工場ではありふれた機械です。

その割にプロセス設計での個別最適化が進みやすい設備ですので、機電系エンジニアが独自に設計的な要素を足すことは難しいでしょう。

既存と同じという設計ばかりしていると、撹拌機の設計で大事な部分を見落としてしまいます。

今回紹介する単位体積当たり撹拌動力はまさにその典型例です。

単位体積当たり攪拌動力Pv(Stirring power)

単位体積当たり撹拌動力Pvの定義はかんたんです。

撹拌動力/液量 (kW/m3)

撹拌機のスケールアップでよく出てくる考え方です。

撹拌したい液の性状に対して、Pv値を合わせるように設計していきます。

  • 0.05~0.1  均一混合・結晶破砕しやすい
  • 0.2~0.4   通常混合
  • 0.5~0.8   沈降しやすいスラリー
  • 1~3     高粘度液・非常に沈降しやすいスラリー    

プロセス液に馴染みが薄い機電系エンジニアにとっては、良く分からない表現でしょう。

一般的には0.5kW/m3くらいを目指して、スラリー性がある場合には0.8kW/m3くらいを目指す。

これくらいの理解をしたうえで、実際の個別設計を進めていきましょう。

運転上のPv

Pvは運転条件によって決まる値です。

これはプロセス設計で変更できる部分が強いことを意味しています。

反応器の全体サイズが決まっている状態で、プロセス反応を調整しようとしたら以下のようなアプローチになります。

  • 撹拌動力は回転数を変えることで調整(撹拌翼の形や長さは変えられない)
  • 液量は運転方法を変えることで調整(1度にまとめて反応or2度に分割して反応)

単一製品に対して設備を設計する場合にはこういう配慮はあまりする必要がありませんが、複数製品を同じラインで使う場合には必要な配慮です。

設備仕様としてのPv

機電系エンジニアとしては運転上のPvは関与できなくても、設備の仕様としてのPvは関与できます。

モーター動力/反応器容量 (kW/m3)

この値をどうやって選ぶかは、撹拌機の設計上とても大事です。

この数値がPvのニーズの上限を超えていることが、設備として必要となります。

例えば、10m3・10kWの撹拌機があれば設備仕様としてのPvは1.0kW/m3となります。

運転上0.5kW/m3で良ければ、撹拌機の回転数を落として調整します。

例えば神鋼環境ソリューションのカタログを見ていると、三枚後退翼やツインスター翼では0.7~0.8kW/m3、フルゾーン翼では1.2kW/m3あたりを狙っていると推測できます。

標準的にはこの値で良いと思うので、設備仕様の決定して購入する場合にはモーター動力をユーザーが設計しない場合もあります。

この値を越える設計をしたい場合(例えばツインスター翼で1.0kW/m3など)はモーター動力の指定をしましょう。

というのもモーター動力を標準外に変えるだけで解決するわけではないからです。

  • 撹拌翼径
  • 撹拌軸径
  • 軸封サイズ
  • 撹拌機を支えるフランジ強度

最悪の場合は、設備本体そのものを変える必要すら出てきます。

モーター動力は撹拌機の見積や設計をするうえでとても重要な要素です。注意しましょう。

設備仕様としてのPvは運転上のPvより大きくすることは大事ですが、落とし穴があります。それが液量が少ない場合。撹拌機の回転数を落としても、液量が少なければPvは高くなってしまいます。撹拌機の回転数調整の下限まで到達しても、Pvが高いままということもありえます。これが良くない結果を及ぼすケースはありますので、少量の液を扱う場合には細かな検討が必要になるでしょう。

参考

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最後に

撹拌機設計上の注意点として単位体積当たりの撹拌動力Pvの考え方を紹介しました。

撹拌機のスケールアップに必要となる指標です。

運転上のPvに合わせるように設備仕様としてのPvを作り込んでいきます。

できるだけ大きいPvにしていた方が良いですが、調整の限界はありますので上限だけでなく下限も注意しましょう。

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