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CASE

混合機解析事例

解析背景

製薬、食品、化学など幅広い産業において、液体や粒子の「均一混合」は製品品質を決定左右する共通の課題です。
成分が均一に分散しなければ、薬効のばらつきや、味・香りの不均一、反応効率の低下といった問題が発生し、品質不良や生産コストの増大につながります。

一方で、混合機内部の混合状態は直接観察が困難であり、実験では「混ざった/混ざらない」といった定性的な評価にとどまりがちです。
特にスケールアップ時には、ラボスケールで得られた知見がそのまま工業スケールに適用できないケースが多く、安定した混合条件の設計は依然として大きな課題となっています。

このような背景から、シミュレーションを活用し、混合機内の流動挙動や粒子の混合の度合いを定量的に可視化する試みが広がっています。
そのため、今回は粉体シミュレーションソフトiGRAFを用いて、混合翼の回転速度が混合効率に与える影響を検証しました。


混合機のモデル・解析条件

今回の解析では混合翼の回転速度が混合効率に与える影響を検証しました。

■Case1

回転速度1000rpm

■Case2

回転速度2000rpm




■解析条件

   

シミュレーション結果

俯瞰視点では、Case1のほうが混合の度合いが高く見えます。一方、断面視点ではCase2のほうが混合の度合いが高く見えました。


1,000 rpm



Case1(俯瞰視点)
Case1(断面視点)


2,000 rpm



Case2(俯瞰視点)
Case2(断面視点)

解析

混合度を用いて定量的な解析を行いました。混合度(Lacey’s Mixing Index[1])とは、領域を細分化して各分割された領域内に存在する粒子の割合のばらつきから混合度を評価する指標です。



完全に均一に混ざると混合度Mは1に近づきます。


解析結果

混合度を確認すると、回転数を1000rpmから2000rpmに上げることで混合度の立ち上がりが早くなっていることが確認できました。
しかし、2000rpmの混合度は物理時間で3秒を過ぎたあたりから低下していっている様子が見られました。




解析結果の考察

実際に終状態を確認してみると、表層部で粉体が分離している様子を確認することができました。




分離が起こっている原因として、表層部の粒子が上下に輸送されておらず停滞していることが考えられます。
実際に垂直方向の速度を確認したところ、回転速度2000rpmでは、表層部の近くで粒子の垂直方向の速度成分が0になっており、停滞している様子が見られました。



混合度の改善案の検討

混合機の混合度を改善するためには、粒子表層部で停滞している粒子を混合機の中心部に戻す必要があります。そこで今回は粒子表層近くに屋根部品をつけることにしました。


改善モデルのシミュレーション結果

実際に改善モデルでのシミュレーションを行いました。
先ほどまでに起こっていた表層部での粒子の分離領域は見られませんでした。
さらに、粒子のY成分の速度を確認したところ、先ほどまで停滞していた箇所で粒子が下方向の速度を持っており、中心部へ戻されている様子が確認できました。



混合状態(断面)

改善モデルの解析

さらに、改善モデルでの混合度を確認しました。
開始3秒を過ぎたあたりから見られた混合度が低下する様子は見られず、混合度が低下する課題を解決することができました。



おわりに

いかがでしたでしょうか。
今回は、粉体シミュレーションソフトiGRAFによって混合機内の流動挙動や粒子の混合の度合いを定量的に可視化できました。
さらに混合機の改善モデルによる検証を行いました。
このようにシミュレーションを用いることで混合効率を考慮して混合機の設計を行うことができます。
ここでご紹介したのは一部の事例に過ぎません。
みなさまの実際のプロセス条件や設備仕様に応じて、さらに効果的なシミュレーション活用が可能です。
詳細な検討やソフトウェア導入のご相談については、ぜひ以下よりお問合せください。


構造計画研究所ではiGRAFソフトウェアの導入、受託解析などのサービスを展開しております。
iGRAF担当者 igraftech@kke.co.jp へお気軽にお問い合わせください。

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