スプレードライヤーの容量計算：蒸発能力、ヒーター容量、風量の求め方

スプレードライヤーは、粉末の生産量や塔の高さではなく、蒸発能力、つまり1時間に除去する水のキログラム数で選定します。選定するには、原料の固形分濃度を用いて必要な粉末生産量を蒸発すべき水量に換算し、入口温度と出口温度から必要な熱量と風量を見積もります。以下の計算は最初の見積もりであり、最終的な機械はパイロット試験とサプライヤーの設計で確定します。

見積もりの問題の多くは、誤った数字から始まります。「100 kg/hのスプレードライヤー」を求める購入者は、粉末100 kg/h、原料100 kg/h、蒸発水100 kg/hのいずれかを指している可能性があり、これらは2倍以上異なります。このガイドでは、プロセス目標を重要な数字に変換する方法を、応用できる計算例とともに示します。

概要：なぜ蒸発能力が選定の基準値なのか

スプレードライヤーのエネルギーのほぼすべてと機器サイズの大部分は、液滴から抜けなければならない水の量で決まります。それが、熱入力、風量、滞留時間に必要なチャンバー容積、ファンと捕集系統のサイズを決定します。チャンバーの高さが同じ2台の乾燥機でも、ガス温度と風量によって水の除去速度は大きく異なることがあります。

そのため、機種シリーズは蒸発量で表示されます。SINOTHERMOの加圧式スプレードライヤーは、50 kg/hのYPG-50から1,000 kg/hのYPG-1000まで、遠心式スプレードライヤーは、25 kg/hのLPG-25から、水200〜2,000 kg/hのLPG-200-2000シリーズまでをカバーします。

ステップ1：必要条件を定義する

計算の前に、これらの入力値を集めてください。

T_inとT_outは製品の限界から選びます。方法が分からない場合は、先にスプレードライの入口・出口温度ガイドをお読みください。

ステップ2：粉末生産量を原料量と蒸発水量に換算する

1. 1.粉末中の乾燥固形分：P × (1 − w_p) = 100 × (1 − 0.04) = 固形分96 kg/h。
2. 2.必要な原料供給量：固形分 ÷ 原料の固形分率 = 96 ÷ 0.30 = 原料320 kg/h。
3. 3.原料とともに入る水：320 − 96 = 224 kg/h。
4. 4.粉末に残る水：100 − 96 = 4 kg/h。
5. 5.蒸発すべき水：224 − 4 = 220 kg/h。

検算：原料320 kg/h = 粉末100 kg/h + 蒸発水220 kg/h。収支は合います。

これが重要な結果です。この処理には、運転温度で約220 kg/hの蒸発能力を持つ乾燥機が必要であり、「100 kg/hの乾燥機」ではありません。

有用な帰結：原料の固形分濃度の影響は大きいです。固形分20パーセントでは、同じ96 kg/hの固形分に原料480 kg/hと約380 kg/hの蒸発が必要です。固形分を20から30パーセントに上げると蒸発負荷が3分の1以上減るため、噴霧前に原料を濃縮すること（たとえば蒸発による濃縮）は、原料がポンプ輸送と噴霧のできる状態を保てる限り、乾燥機のサイズとエネルギーの節約になります。

ステップ3：必要な熱量を見積もる

必要な熱量は3つの部分からなります。

1. 1.水の蒸発。スプレードライ条件での水の潜熱はおよそ2,400 kJ/kg（100 °Cで約2,260、低温ではそれ以上）です。220 kg/hの場合：220 × 2,400 = 528,000 kJ/h、約147 kW。
2. 2.原料を乾燥温度まで加熱。固形分30パーセントの原料の比熱を約3.5 kJ/kg·Kとし、20 °Cから約50 °Cまで加熱：320 × 3.5 × 30 = 33,600 kJ/h、約9 kW。
3. 3.乾燥粉末の加熱。96 kg/h × 1.5 kJ/kg·K × 約60 K = 約8,600 kJ/h、約2.4 kW。

有効熱量は約147 + 9 + 2.4 = 約158 kWです。チャンバーとダクトからの熱損失を加えます。断熱された機器では10〜15パーセントが一般的ですが、設計に合わせて確認が必要で、ガスが入口と出口の間で放出すべき熱量は約180 kWとなります。

ステップ4：風量を見積もる

ガスはT_inからT_outへ冷える間に熱を放出します。湿り空気の比熱を約1.05 kJ/kg·Kとすると：

空気質量流量 = 放出熱量 ÷ (c_p × (T_in − T_out)) = (180 kW × 3,600 kJ/kW·h) ÷ (1.05 × (200 − 90)) = 648,000 ÷ 115.5 = 乾燥空気約5,600 kg/h。

周囲密度を約1.2 kg/m³とすると、周囲条件で約4,700 m³/hです。ファンは高温の出口条件でより大きな体積を扱う必要があるため、サプライヤーは実際の排気量に合わせてファンを選定します。

排気の湿度を確認します：5,600 kg/hの空気に220 kg/hの水が加わると、乾燥空気1 kgあたり約0.04 kgの水が増えます。これは90 °Cでの飽和をはるかに下回るため、排気は凝縮からほど遠い状態です。

ステップ5：ヒーターのサイズを見積もる

ヒーターは空気を周囲温度から入口温度まで上げなければなりません：

ヒーター容量 = 風量 × c_p × (T_in − T_a) = 5,600 × 1.006 × 180 ÷ 3,600 = 約280 kW。

これはチャンバーが使う180 kWより大きくなります。排気空気が90 °Cで出ていき、熱を持ち去るためです。これが、より大きな規模で排気熱回収を検討する価値がある理由です。

公表データによる妥当性チェック。SINOTHERMOの加圧式スプレードライヤーは、YPG-50、YPG-100、YPG-150の電気加熱を75、120、150 kWと記載しており、定格蒸発量1 kg/hあたり約1.0〜1.5 kWです。この例では280 ÷ 220 = 1 kg/hあたり約1.3 kWが必要です。2つの値は同じオーダーであり、それがこのチェックの目的です。機種データは入口温度にも依存するため、目安としてのみ使ってください。

ステップ6：余裕を持って機種を選ぶ

入口温度200 °Cで約220 kg/hの蒸発が必要です。加圧式スプレードライヤーのシリーズでは、十分な定格蒸発量を持つ次の機種はYPG-300（300 kg/h）です。乾燥機が毎日最大定格で運転されないよう、設計余裕を残してください。製品ページの蒸発量は最大値であり、入口温度が200 °C未満の場合は実際のプロセス要件によります。どの程度の余裕を持たせるかは設計上の判断であり、サプライヤーと確認してください。

原料が粘性または研磨性を持つ場合、あるいはより細かい粉末が必要な場合、遠心式ラインでの同等の選択肢は、LPG-200-2000シリーズの機種です。アトマイザーの決定が先です。スプレードライヤーの噴霧化をご覧ください。

クイックリファレンス：結果を変えるもの

溶剤系原料については、密閉循環式スプレードライヤーのガイドをご覧ください。

計算からは分からないこと

これは最初の見積もりです。液滴径と乾燥速度で決まる滞留時間に必要なチャンバー寸法、粒度分布、サイクロンとバグフィルターの捕集効率、粘着性原料の挙動は含まれません。それらはサプライヤーの設計と試験データから得られます。

避けるべきよくある間違い

粉末、原料、水を取り違える。どの数字を指すのかを書面で確認してください。標準の基準は、水の蒸発量（kg/h）です。

ラボの処理量でスケールアップする。ラボの結果は線形にはスケールしません。パイロットデータを使ってください。

定格蒸発量を額面どおりに受け取る。定格値は、明示された条件での最大値です。入口温度が低い場合や難しい原料では、実際の能力は低くなります。

熱源を無視する。電気、蒸気、ガス、熱風炉のオプションは、運転コストが異なります。計算で得られたヒーター容量により、比較できます。スプレードライヤーのコストガイドとスプレードライヤー機械ガイドをご覧ください。

試験を省く。実際に噴霧できる原料の固形分と、粉末が耐えられる出口温度は、試験から得られます。当社の試験ラボでは有償のパイロット試験を実施しており、そのデータはこの計算に直接活用できます。

まとめ

スプレードライヤーは、蒸発すべき水量から選定します。固形分を介して粉末生産量を蒸発量に換算し、温度から熱量と風量を見積もり、余裕を持って機種を選びます。原料の固形分濃度は、結果を最も大きく変えるレバーです。

次のステップ：パイロット試験を依頼（お客様の原料で）し、固形分、出口温度、粉末特性を確認します。パイロット試験は有償サービスであり、その後、測定データに基づいて生産機を選定できます。

よくある質問

スプレードライヤーはどのように選定しますか？

原料の固形分濃度と粉末水分を使って、必要な粉末生産量を蒸発すべき水量に換算します。次に入口・出口温度から熱量と風量を見積もり、定格蒸発能力に余裕を持たせて機種を選びます。

蒸発能力とは何ですか？

乾燥機が1時間に除去できる水の質量で、kg/hで表します。熱入力、風量、機器サイズを決めるため、スプレードライヤーの標準的な選定基準です。

蒸発すべき水量はどう計算しますか？

原料供給量は、乾燥固形分を原料の固形分率で割った値です。蒸発すべき水量は、原料供給量から粉末生産量を引いた値です。固形分30パーセントの原料から水分4パーセントの粉末100 kg/hを得る場合、約220 kg/hです。

スプレードライヤーにはどれくらいの熱が必要ですか？

潜熱として蒸発水1キログラムあたりおよそ2,400 kJに、原料と製品の加熱と損失を加えた量です。計算例では、220 kg/hの蒸発に対してヒーター容量は約280 kW、つまり1 kg/hあたり約1.3 kWです。

原料の固形分濃度は選定に影響しますか？

はい、非常に大きく影響します。原料がポンプ輸送と噴霧化のできる状態を保てる限り、固形分を20から30パーセントに上げると、同じ粉末生産量に対する蒸発負荷が3分の1以上減ります。

この計算は正確ですか？

いいえ。最初の見積もりです。滞留時間、粒子径、捕集効率、原料の挙動は、サプライヤーの設計とパイロット試験で確認されます。

220 kg/hの蒸発に合うSINOTHERMOの機種はどれですか？

加圧式スプレードライヤーのシリーズでは、最大蒸発量300 kg/hのYPG-300が、余裕を持って適合します。遠心式のLPG-200-2000シリーズもこのサイズをカバーします。最終的な選択は、アトマイザー、原料、粉末仕様によります。