粉体装置・設備トラブルの原因と予防・対策

フルード工業(株) 執行役員 研究開発室長 小波 盛佳 氏 (工学博士、技術士（機械部門）　鹿児島大学非常勤講師)【プロフィール】横浜国立大学大学院修了後、日曹エンジニアリング㈱で粉体物性解析、機器の開発、粉体プラントのプロセス設計・プロジェクト、制御システム開発・設計や半導体関連の設備・装置の開発・設計に従事。新規事業開発部長、技術開発研究所長を歴任。現在は、粉体機械・設備の解析、コンサルタントを行う一方、学生・社会人向けに講義。専門の著作180件、講演320件。鹿児島大学客員教授、横浜国大・千葉大・非常勤講師を歴任。月刊粉体技術誌編集委員36年。現在、芝浦工大講座講師、日本創造学会研究倫理委員長、日本技術士会千葉県支部技術者教育支援委員長。他に「粉体エンジニアリング」、「技術文書作成法」、「技術発想」のセミナーを実施。

粉体を扱う場合のトラブルはさまざまです。本講で取り上げる粒子の付着・凝集、塊を生じる固結、一カ所にとどまる滞留（残留）、貯槽や配管での閉塞、および摩耗はその代表です。まず、粉体を扱う上での基本的な考え方を述べます。次に粒子付着や固結のメカニズムについて説明し、さらに滞留と閉塞についてその現象と対策を述べます。滞留については逆にそれを利用することにも触れます。分離・偏析（成分のかたより）トラブルも、その現象と対策を述べます。最後に粉体設備全体の計画から実施における多くのトラブルおよびスケールアップ時のトラブルについて説明します。また、ChatGPTなどの生成AIを用いてトラブル対策を練る際の方法や注意事項について述べます。参考として、多くの対象に役立つ開発や設計のアイデアの出し方について具体例付きの資料を示します。

１．粉体を取り扱うための基本　1.1 粉体とは何か?　　粉体と粒体の境界（くっつくか離れるか）/ 粉体の名称とサイズ / 代表的な粉体の粒子径 / 粉体として扱うことの効用（比表面積、光遮蔽など）　1.2 粉体と液体の取り扱いの違い（設備・装置として）　1.3 粉体を扱う上での落とし穴　粉体ハンドリングに影響を及ぼす物性 / LIVEとDEADの違い　1.4 上手に粉体を扱うために　　物性を数値化する（取り扱いにくさの段階を決める）/ ハンドリング機器の特徴と構造を知る（隠れた弱点を知る）　　実装置を観察する / トラブルへの対応に知恵を絞る 2．粉体の付着とその対策　2.1 粉体プロセスにおける付着トラブルの発生　　付着を取り上げることの重要性 / 付着が引き起こす障害　2.2 付着トラブルの予知　2.3 付着現象と特徴　　付着力の種類 / 付着の特徴 / 付着する粉体 / 壁面に付着すると離れにくい / 同径の粒子より、大きい粒子に付きやすい / ナノ粒子を 適量混入すると付着力が小さくなる / 水分が加わると付着力が大きくなる　2.4 付着対策の考え方　形状・材料 / 壁部の粉体層移動 / 粉体層の移動 / 粉体物性の管理 / 取り扱い操作　2.5 具体的な対策　2.6 付着トラブル対策の実施例 3．固結　3.1 粉体の固結の発生とその防止　3.2 粉粒体の固結とは　3.3 固結の発生機構　3.4 固結に関与する因子　　固体粒子の水分と吸湿性 / 空隙と粒子の接触状態 / 平衡含水率と潮解 / 粒子の溶解性 / 析出粒子の固結性 / 固結力の種類　3.5 固結の汎用的な対策　　粒子物性の変更による吸湿防止 / 外的操作による防止 / 析出段階での防止　3.6 固結防止剤の例　3.7 食塩にみられる固結対策　　食塩の物性の変化と添加物 / 食塩サイロの考え方 / 粉体の高濃度輸送における固結対策　3.8 固結のトラブルアンケート結果より　3.9 半導体分野での水垢防止対策 ４．粉体滞留・残留の防止とその利用　4.1 流れにおける粉体の滞留　　粉体と液体の滞留の差 / 滞留させたくない理由　4.2 粉体を滞留させない方法　　接触する側の形状を考慮する / 操作方法を工夫する / 粉体の性状及びそれに影響する要因を変更・管理する4.3 粉体の舞い上がりによる滞留の防止　微粒子の沈降速度と舞い上がり / 舞い上がりを防止する方法 / 舞い上がった粉体を捕集する方法 /バグフィルタの通気速度による抑制4.4 粉体を滞留させることの効用　落下衝撃の緩衝 / シュートの保護 / 空気輸送における粒子衝撃の緩衝 /スクリューコンベヤにおける下部の滞留 / 粉体貯槽の過大圧防止 ５．粉体の閉塞　5.1 貯槽に関連して生じるハンドリングトラブル　5.2 粉体に特有の力　　粉体・粒体の境界とファンデルワールス力 / その他の力　5.3 閉塞のトラブル　　貯槽の形状・仕様（壁摩擦の減少、鉛直壁の設置、コーンの設置、頂角の減少、排出口の拡大）/ 壁部の粉体層破壊(振動、打撃) / 内部の粉体層破壊 （撹拌、空気流動、可動壁）/ 粉体物性の管理（粉体物性の変更、温度・湿度管理、帯電防止 / 貯槽の操作（連続排出の維持、ポークホール）　5.4 実際のトラブル例　アンケート結果から / 特殊カオリンの貯槽での閉塞とシュートへの付着例 6．偏析　6.1 粉粒体の偏析とは　6.2 偏析を生じる物性　6.3 偏析を起こさせる運動と力　　転動による偏析振動による偏析 / 流動による偏析（流体流動、回転流動、振動流動）/飛翔による偏析 / 衝突時の反発・貫入による偏析 / 掻き取りによる偏析 / その他の偏析　6.4 実際の粉粒体取り扱いにおける偏析現象　貯槽への供給 / 貯槽からの排出 / 輸送・供給機 / シュートおよび滞留部 / 各種の粉粒体処理機器内（粉砕機、流動造粒機、混合機、乾燥機、ふるい）　6.5 偏析の防止対策とその手順　　原因の探索（データの認識、発生箇所の想定、サンプル採取と測定、物性と運動・力の特定、装置の特徴・操作の認識と特定）/ 偏析する粒子物性の変更（物性の近似、偏析傾向の相殺、低流動性）/ 運転条件の変更（速度の変更、自由な空間の減少 / 装置やプロセスの変更（排除、改善、混合追加）　6.6 偏析対策検討の例　工程 / 現象 / 解決のための対策（混合機の排出、運搬容器、容器運搬時の振動、貯留ホッパの投入・排出、シュート類）/ 対策の結果　6.7 偏析を生じさせないために 7. 粉体の摩耗とその対策　7.1 摩耗測定機　7.2. 粉体プロセスにおける摩耗トラブル　　摩耗によるトラブルの現象 / 摩耗トラブルの予知　7.3 摩耗トラブルと対策　　摩耗を予測するための測定の例 / 摩耗対策の工夫 / 摩耗対策の取り組み / 摩耗のトラブル例　7.4 粉体自体の摩耗　7.5 設備における摩耗への取り組み 8. 粉体プロセスのトラブル　8.1 トラブルに対する心構え　　トラブルは発生する / 原因はさまざまである / 心構え　8.2 トラブルが発生する工程とトラブルの内容　8.3 粉体トラブルの分類と具体的な事象　8.4 トラブルが発生するタイミング　8.5 取り合いにおけるトラブル　　全体配置上の問題 / 機器の付属物による配置上の干渉 / 取り合い部の規格と所掌範囲 / 分野ごとの常識の違い　8.6 実際のトラブルと対策の例　　空気輸送管の閉塞 / 貯槽の閉塞とシュートへの付着 / 輸送機が原因の粉塵爆発　8.7 プラントのスケールアップ比率の考え方　　流体（気液）プラント / 微生物を扱う発酵プラント / 医薬品製造プラント / 粉粒体プラント　8.8 スケールアップに伴うトラブル　　偏析トラブル / 高濃度空気輸送 / 機械式輸送 / 貯槽の粉体圧 / 供給速度 / フラッシング / 凝集・付着・固結 / 粒子の軟化 / ジェット（高圧気流）粉砕 □ 質疑応答 □ 付録資料１ 生成AIの実務利用と注意点 １．ChatGPTを扱う上での注意点 ２．意図に近い回答を引き出す工夫 ３．発想法と組み合わせたアイデア創出付録資料２ オズボーンのチェックリストと応用例付録資料３ 小波の追加リストと具体例