製品の温度変化

「スケールアップ理論を考えてみよう ー 冷却編【冷却モデル】」のページで紹介したように，乳化撹拌装置ではジャケット冷却方式を採用しています。

乳化槽内を製品が流動するとき，どのようなときに製品の温度変化が引き起こされるでしょうか？

最初に，次の2つの状態を考えてみたいと思います。

冷媒と接触

製品の温度が変化するためには，熱交換がなされなければなりません。

今回は冷却を想定しているので，製品と冷媒を接触させる必要があります。

その結果，冷媒へ製品中の熱が伝わっていくため，製品の温度が下がることになります。

📝[memo]　温度の下がり方は，”熱伝導率”に依存します。

このとき，製品は冷媒と接触する時間が長いほど，製品の温度は大きく低下すると考えられます。

したがって，製品は冷媒と接触したまま流動せず，その場に留まった方が冷却されやすいと言えます。

製品の流動

冷却時においては掻取ミキサーを使用するので，基本的に製品が流動している状態を考えます。

このとき，乳化槽内の製品温度が均一であれば問題ないのですが，実際はそういうわけにはいきません。

すると，温度の高い製品や低い製品が乳化槽内を流動していると考えられます。

📝[memo]　製品の流動性は，”粘度”に依存します。

低温の製品が流入

ある特定の領域において，低温の製品が流入することがあります。

その結果，特定の領域における製品の温度が低下します。

したがって，上述したように製品が冷媒と接触していなくても，低温の製品と混合することでも製品が冷却されます。

高温の製品が流入

今度は，高温の製品が流入するケースを考えます。

掻取ミキサーで撹拌することによって，当然ながら製品は流動します。

そのため，ある特定の領域に高温の製品が流入することで，見かけ上製品が加熱された状態となります。

その結果，特定の領域における製品の温度が上昇します。

したがって，掻取ミキサーで撹拌することによって，他の領域と比較して特定の領域では冷却が妨げられるようなことがあるかもしれません。

📝[memo]　ここで言う「特定の領域では冷却が妨げられる」とは，掻取ミキサーで撹拌することによって全体的に冷却されやすくなったのですが，特定の領域だけ冷却されにくいことを意味します。

25型基準機による冷却実験の結果

70℃の水（1 [mPa・s]）とシリコーン油（10000 [mPa・s]）に対して，掻取ミキサーを使用して冷却をしました。

「スケールアップ理論を考えてみよう ー 冷却編【掻取ミキサーを使用した製品の冷却】」のページで紹介したのと同様に，当社の25型乳化撹拌装置を用いて，下図のA~D点における温度を測定しました。

ここでは1つの事例として，掻取ミキサーの回転数を変化させたときの結果を紹介します。

これらの結果を基に，後述する冷却パターンを考えていきたいと思います。

ジャケット冷却方式と製品の冷却パターン

冷却水による製品の冷却をするとき，「冷却速度一定」と「冷却速度向上」を考えました。

結論として「冷却速度向上」を採用することになるのですが，温度均一化も重要な問題です。

📝[memo]　「撹拌をやさしく捉えてみよう【撹拌の考え方】」のページで紹介したように，温度均一化は撹拌目的の1つです。

そこで，掻取ミキサーによる撹拌の吐出作用を利用して，乳化槽内の製品を動かすことをします。

このとき，掻取ミキサーの回転数の違いによる製品の冷却パターンを考え，次の①～④で示すように分類したいと思います。

📝[memo]　冷却に関する詳しいメカニズムは明確になっていないので，ここでは結果だけをご覧いただきます。

📝[memo]　ここでは詳細な説明はできないのですが，シミュレーションによるCFD（Computational Fluid Dynamics）解析の結果で得られた知見と併せて考察していきます。

パターン①

冷却水と接する乳化槽壁面において，優先的に製品が冷却されます。

その後，冷却された製品はその密度が大きくなるので，密度差によって乳化槽底部へ移動します。

したがって，下部Cと従来Dが優先的に冷却されます。

📝[memo]　水の場合は，3.98℃で最大密度0.999972 [g/cm³]となり，温度が高いほど密度は小さくなります。

これは，「スケールアップでエマルションを評価しよう【エマルションの安定性（クリーミング）】」のページで紹介したように，Stokesの式（浮力の考え方）からも理解することができます。

📝[memo]　粘度が高くなると冷却された製品が乳化槽底部へ移動しにくくなることも，直感的にこの式から理解することができます。

このようにして乳化槽底部に冷却された製品が集まりますが，その後の乳化槽上部への流動は小さいです。

その結果，冷却された製品が存在する下部Cと従来Dと接触する中部Bと上部Aは，時間をかけながら徐々に冷却されていきます。

すなわち，上部Aと中部Bが冷却されにくいために，製品の温度差が大きくなるパターンです。

このような冷却パターンは，掻取ミキサーを使用せず，製品の流動がほとんどないときに見られる現象と言えます。

そのため，特に製品粘度が高くなると各位置で大きな温度差が生じやすくなり，温度を均一化するという意味では良くない冷却パターンと言えます。

パターン②

掻取ミキサーで少しだけ製品を動かします。

すると，「スケールアップ理論を考えてみよう ー 冷却編【冷却時間の計算式（生産性の計算式）】」のページで紹介したように，製品が少し動くだけでも冷却効果が期待できます。

掻取ミキサーによる撹拌を開始した直後から数分は，冷却パターン①で示した通りの傾向が表れます。

その後，徐々に撹拌による影響が出てきます。

それは乳化槽の各位置において旋回流が発生することであり，冷却された製品は上部Aや中部Bにも向かっていきます。

結果的として，下部Cと従来Dよりも遅れを取りながらも，上部Aと中部Bが冷却され始めます。

📝[memo]　結果論になりますが，下部Cの位置における旋回流は他の位置と比較して小さいとして推察をしています。

パターン③

掻取ミキサーの回転数をさらに高くすると，パターン②の傾向が一層強くなります。

冷却開始当初から，上部Aと中部Bが冷却されていきます。

これは，乳化槽内の各位置における旋回流が大きくなったためと考えられます。

たがって，下部Cと従来Dの位置における旋回流も大きくなりますが，特に従来Dの位置では高頻度で乳化槽壁面と接することになります。

その結果，従来Dが優先的に冷却される傾向が見られます。

取り残された中部Cの冷却が遅れ気味ですが，最終的に各点で温度が一致してきます。

パターン④

掻取ミキサーの回転数をさらに高くすると，乳化槽の各位置で引き起こされる旋回流が増大します。

そして，これまでのパターンで示した影響が無視できるような大きな流れとみなすことができます。

📝[memo]　下部Cの位置における旋回流は他の位置と比較して小さいですが，今回のケースでは大きな旋回流が生じたと推察をしています。

すなわち，乳化槽内で製品が積極的に流動し冷却され，各点の温度がほぼ一致しながら冷却されるようになります。

これは，冷却における理想的な温度変化と言えます。

可能であれば，このような冷却パターンを目指したいところです。