ケーススタディ：工業用乳化プロセス最適化における高せん断ボトムエントリー乳化機の導入
多相材料処理を伴う工業生産において、乳化は製品性能、貯蔵安定性、および製造コストに直接影響する重要な工程です。水性塗料、接着剤、ポリマーエマルジョンの製造に従事するメーカーにとって、混和しない油相と水相の徹底的な分散を実現し、大容量ケトル内での材料沈降を回避し、バッチ間の製品の一貫性を確保することは、長年にわたり生産開発を制限する主要な課題でした。本ケーススタディでは、あるメーカーが高せん断ボトムエントリー乳化機を導入することで、これらのプロセス上のボトルネックをどのように克服したかを詳しく説明し、具体的な適用効果とプロセス改善を事実に基づいて提示します。
1. 生産背景と既存の課題
このメーカーは、建築用塗料、木材用接着剤などの分野で広く使用されている水性機能性エマルジョンの製造に従事しています。高せん断ボトムエントリー乳化機を導入する前は、従来のトップマウントパドルアジテーターを乳化操作に使用していました。生産規模の拡大に伴い、5000Lおよび8000Lの大容量反応ケトルが徐々に主要な生産設備となり、従来の撹拌機の限界がますます明らかになり、生産プロセスに一連の問題をもたらしました。
生産プロセスにおける主な課題は以下のとおりです。
- 不十分な乳化効果と低い製品安定性: 従来のトップマウントパドルアジテーターが生成するせん断力は比較的弱く、材料の単純な混合しか実現できず、エマルジョンシステム内の油滴や固形粒子の効果的な破壊はできません。調製されたエマルジョンは、平均粒子径が大きく（約45〜60μm）、粒子径分布が不均一です。保管中に相分離や層状化が頻繁に発生し、製品品質とユーザーエクスペリエンスに影響を与えます。製品合格率は、長期間にわたり約87％に維持されています。
- 深刻な材料沈降と撹拌デッドゾーン: 生産ケトルの容量が大きく、トップマウントアジテーターの撹拌範囲が限られているため、撹拌効果がケトルの底部と端の領域をカバーすることが困難です。大量の固形粉末添加剤や高粘度材料がケトルの底に沈降しやすく、撹拌デッドゾーンを形成します。これらの沈降した材料は、メインシステムと完全に混合することができず、原材料の無駄を引き起こすだけでなく、最終製品の成分含有量の不一致につながり、バッチ間の性能に大きな差が生じます。
- 長い生産サイクルと低い生産効率: 乳化効果を可能な限り改善するために、メーカーは1バッチあたりの撹拌時間を9〜11時間に延長する必要がありました。この条件下では、1日に2バッチの製品しか生産できず、増大する市場需要を満たすことができません。同時に、長時間の撹拌操作は、企業の労務費と管理コストも増加させます。
- 高いエネルギー消費とメンテナンスコスト: 従来のトップマウントアジテーターは、混合効果を確保するために長時間高出力出力を維持する必要があり、高いエネルギー消費をもたらします。1バッチあたりの消費電力は380kWhに達し、企業のコスト管理に大きな圧力をかけています。さらに、アジテーターシャフトとブレードは材料に付着しやすく、各バッチ後の洗浄作業に2.5〜3時間かかります。ベアリングとシールの摩耗が激しく、1.5〜2か月ごとにメンテナンスが必要となり、生産コストがさらに増加します。
2. 機器の選択と技術的特性
生産プロセスに関する詳細な調査を実施し、材料特性とプロセス要件を分析し、複数の現場テストと技術デモンストレーションを行った後、メーカーは最終的に高せん断ボトムエントリー乳化機を採用して、従来のトップマウントパドルアジテーターを置き換えることにしました。この機器は、大容量反応ケトル用に特別に設計されており、作業ヘッドがケトルの底に設置されているため、ケトルの底の材料に直接作用し、材料沈降と撹拌デッドゾーンの問題を根本的に解決できます。この機器の主な技術的特性は以下のとおりです。
- 電力構成: 45kWの高効率周波数変換モーターを搭載し、4000〜10000Lのバッチ材料の乳化処理に適した500〜3000rpmの範囲で無段階速度調整を実現し、メーカーの5000Lおよび8000Lの生産ケトルに完全に適合します。
- ローター-ステーター構造: 0.15〜0.4mmの精密な適合ギャップを備えた3層歯付きローター-ステーターアセンブリを採用しています。特殊な歯の形状設計により、ローターが高速度で回転すると、強力なせん断力と乱流が発生し、材料システム内の油滴と固形粒子を小さな粒子に効果的に破壊できます。
- 材料選択: 材料と接触するすべての部品は316Lステンレス鋼でできており、優れた耐食性と耐摩耗性を備えています。部品の表面はRa≤0.3μmに研磨されており、材料の清浄度に対する工業生産の要件を満たし、材料汚染を回避します。
- シールシステム: 冷却およびフラッシング機能を備えたダブルエンドメカニカルシール構造を採用しており、材料の漏れを効果的に防止し、高速回転および高温作業条件下での機器の安定した動作を保証します。シールの耐用年数は、従来のシールよりも大幅に長くなっています。
- 制御システム: インテリジェントPLC制御システムを搭載しており、乳化プロセスの自動制御を実現できます。さまざまな材料の配合に応じて、回転速度、作業時間、材料温度などのパラメータを設定および調整でき、故障アラームとデータ記録の機能を備えており、生産管理と品質追跡に便利です。
高せん断ボトムエントリー乳化機の動作原理は次のとおりです。機器が稼働しているとき、ローターは高速で回転し、ローターとステーターの間のギャップに強力な負圧を形成し、ケトルの底部と上部の材料をせん断ゾーンに吸い込みます。せん断ゾーンでは、材料は強力なせん断、遠心押出、液層摩擦、衝撃などの包括的な影響を受け、大きな油滴と固形粒子が迅速に破壊され、微細化されます。同時に、材料の高速な流れがケトル内の材料の全体的な循環を促進し、すべての材料が完全に混合および乳化され、最終的に均一で安定したエマルジョンシステムが形成されます。
3. 適用効果とデータ分析
高せん断ボトムエントリー乳化機が正式に生産に投入された後、メーカーは新しい機器と従来の撹拌機の間で2か月の比較テストを実施しました。テスト期間中、材料の配合と生産プロセスパラメータは一貫して維持され、製品品質、生産効率、エネルギー消費などの指標が包括的に検出および分析されました。適用効果は予想よりも大幅に優れており、主な指標は大幅に改善されました。
3.1 製品品質が大幅に向上
新しい機器で製造されたエマルジョンの粒子径は、レーザー粒子径分析装置で検出されました。その結果、エマルジョンの平均粒子径が52μm（従来の撹拌機）から1.8〜4.5μmに減少し、粒子径分布範囲が75％狭くなりました。エマルジョンの安定性試験では、室温で8か月間の静的保管後、相分離、層状化、または沈殿がなく、製品の安定性が大幅に向上しました。製品合格率は87％から98.8％に増加し、乳化問題による不良品の数が95％減少しました。
さらに、バッチ間の製品性能の一貫性が大幅に向上しました。製品粘度、固形分、接着力などの主要な性能指標の検出データは、各指標の変動係数（CV）が9.5％から1.2％に減少することを示しており、製品品質の均一性を効果的に保証し、製品性能に対する下流顧客の厳しい要件を満たしています。
3.2 生産効率が大幅に向上
高せん断ボトムエントリー乳化機の強力なせん断効率により、1バッチあたりの乳化時間が9〜11時間から3.5〜4.5時間に短縮され、平均60％の削減となりました。1日の生産能力は2バッチから5〜6バッチに増加し、生産現場とオペレーターを増やすことなく、月間生産量は160％増加しました。同時に、各バッチ後の洗浄時間は2.5〜3時間から30〜45分に短縮され、非生産時間が大幅に削減され、機器の連続生産能力が向上しました。
3.3 エネルギー消費とメンテナンスコストが削減
高せん断ボトムエントリー乳化機の電力は45kWであり、従来のトップマウント撹拌機（32kW）よりも高いものの、作業時間の著しい短縮により、1バッチあたりの消費電力は380kWhから171kWhに減少し、55％の減少となりました。年間300バッチの生産に基づくと、年間エネルギーコストを20万元以上節約できます。
メンテナンスに関しては、ダブルエンドメカニカルシール構造と高品質の材料選択により、機器コンポーネントの摩耗が軽減されます。メンテナンスサイクルは1.5〜2か月に1回から8〜10か月に1回に延長され、年間メンテナンスコストは70％削減されました。2か月のテスト期間中、機器は故障停止することなく安定して稼働し、生産プロセスの継続性と安定性を確保しました。
3.4 材料利用率が向上
高せん断ボトムエントリー乳化機の底部に取り付けられた作業ヘッドは、ケトルの底の材料を完全に撹拌し、撹拌デッドゾーンを完全に排除できます。固形粉末添加剤と高粘度材料の沈降の問題が解決され、材料を完全に混合して利用できます。原材料の利用率は91％から99.5％に増加し、年間10トン以上の原材料の無駄を削減し、企業の生産コストをさらに削減しました。
4. 結論
高せん断ボトムエントリー乳化機の適用により、メーカーの乳化生産プロセスにおける長年の問題（不均一な乳化、材料沈降、長い生産サイクル、高いエネルギー消費など）が効果的に解決されました。製品品質と生産効率を大幅に向上させながら、生産コストも大幅に削減し、企業の市場競争力を高めました。
このケースは、大容量、高粘度、多相材料の乳化ニーズを持つ工業メーカーにとって、高せん断ボトムエントリー乳化機が従来の混合設備よりも明らかに優れていることを十分に示しています。その独自の底部取り付け設計、強力なせん断能力、およびインテリジェント制御システムは、乳化プロセスを効果的に最適化し、生産効率と製品品質を向上させ、企業に大きな経済的利益をもたらすことができます。
現在、メーカーは高せん断ボトムエントリー乳化機をすべての生産ラインに普及させており、良好な適用結果を達成しています。この成功した適用経験は、業界の他の同様のメーカーが乳化生産プロセスを最適化し、工業的アップグレードを実現するための貴重な参考資料を提供できます。
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