排気空気の相対湿度は、単一のセンサーからの直接読み取り値ではなく、計算によって求められる変数です。 これは、排気空気中の水蒸気の分圧を、排気空気温度における水の飽和蒸気圧で割り、100倍することによって決定されます。その分圧を導き出すために、オペレーターはコーティングパン全体で水の物質収支を行う必要があり、これには吸気湿度、スプレー速度、および排気温度の連続監視が求められます。
排気空気湿度の計算は、パイロットプラントの運用と本格的な生産をつなぐ基本的な要素です。これは単なる値の監視ではなく、あらゆる機器において同一のコーティング品質を保証する熱力学的環境を習得することです。
基礎となる計算：水の物質収支
このプロセスは、システムに流入するすべての水が、排気として蒸気で排出されるか、錠剤上に残存するかのいずれかであるという認識から始まります。フィルムコーティング層は薄く、乾燥も迅速であるため、ほぼすべての水が蒸発します。これにより、定常状態のモル収支が可能になります。
1. 水の流入量の定量化
2つの流れが水分をコーティングパンに運び込みます。まず、吸気プロセスエアは、その総流量と絶対湿度に基づいて既知の水負荷を供給します。次に、コーティングスプレーが、定義された質量分率で液状の水を導入します。
排気中の水を直接測定することはできません。監視された入力値、つまり吸気流量（質量またはモル）、吸気露点（絶対湿度を計算するための相対湿度と温度）、スプレー溶液流量、およびその溶液の水の質量分率を合計する必要があります。
2. モル流量への変換
相対湿度はモル分率に比例する圧力の比率です。したがって、質量流量はモル流量に変換する必要があります。吸気からの水蒸気とスプレーからの液状水が、単位時間あたりのモル数で合計されます。
乾燥空気の総モル流量は、パンを通して一定のままです（わずかな漏れを除く）。水蒸気のモル流出量は、吸気の水蒸気モル流量とスプレー溶液の水モル流量の合計に等しくなります。
3. 排気中の分圧の決定
排気のモル流量がわかれば、ドルトンの法則を使用して水蒸気の分圧（Pw,out）を計算できます。これは、排気ガス中の水蒸気のモル分率に全圧（通常、パイロットプラントのパンでは大気圧に近い）を乗じたものです。
最後の要素は、排気温度における飽和蒸気圧です。これは水の純粋な物理特性であり、蒸気表から入手できます。測定された排気空気温度からこのP*値が得られます。排気相対湿度 %RHout = (Pw,out / P*@Tair,out) × 100 となります。
リアルタイムで監視すべきパラメータ
計算を確実に実行するために、パイロットプラントはこれらの変数を継続的に取得できるよう計装されている必要があります。単一のパラメータを概算することはできません。それぞれが結果に直接的かつ重大な影響を与えます。
必須の測定セット
- 吸気流量： メインプロセスエアラインにある容積または質量流量計。
- 吸気露点： 露点を読み取る冷却鏡式または静電容量式センサー。これから絶対湿度が導き出されます。吸気温度のみを監視するだけでは不十分です。
- コーティング溶液スプレー速度： 質量流量計、または校正された重量チェックを行う精密ポンプ。
- 水/溶媒の質量分率： バッチ調製記録から既知ですが、重要な入力として記録する必要があります。ここで1%の誤差があると、RH計算が数パーセントずれる可能性があります。
- 排気空気温度： 蒸発冷却が読み取りに影響を与えるため、フィルターの前に排気ダクトに設置された熱電対またはRTD。
完全なモデルのための補助パラメータ
上記がRH計算を駆動しますが、信頼できるパイロットプラントモデルでは熱損失も考慮する必要があります。エネルギーを正確に平衡させるために、前処理運転でパンの熱損失係数を決定する必要があります。微粒化については、一定の液滴サイズを維持するためにコーティング溶液の粘度、表面張力、および密度を測定します。これは乾燥速度と物質収支の仮定の有効性に直接影響します。
トレードオフの理解：なぜこの計算が制御の代理指標となるのか
冗長な直接プローブ測定ではなく、計算された排気RHに依存することは、強力ですが要求の厳しい制御戦略となります。これは、物質収支が完全であり、定常状態が達成されていることを前提としています。
センサードリフトへの隠れた感度
吸気露点センサーのわずかなドリフトが、計算された排気RHの大きな誤差に波及する可能性があります。水の入力を合計しているため、計算には自己修正機能がありません。露点が低く表示されると、モデルは排気湿度を過少報告し、過剰な乾燥エアを適用して過湿や表面欠陥のリスクを冒す可能性があります。携帯型湿度計によるクロス検証が推奨されます。
熱損失係数の無視
物質収支だけではエネルギーを考慮しません。パンの熱損失係数が正確に決定されていない場合、排気温度は理論上の断熱飽和線と一致しません。これにより飽和蒸気圧の分母が歪み、錠剤層内の実際の熱力学的環境を反映しない計算済みRHが生成されます。システムはまず既知の定常状態に校正する必要があります。
完全蒸発の仮定
核心となる仮定は、スプレーされた水の100%が蒸発し、蒸気として排出されることです。液滴が錠剤に到達する前にドラム壁に当たったり、パンに溜まったり、局所的な過湿を引き起こしたりすると、水は空気中に存在しなくなります。計算された排気RHは蒸気負荷を過大評価し、実際のコーティング環境は数値が示すよりも湿っていることになります。これは、高固形分コーティング溶液のスケールアップ時に特有のリスクです。
目標に合わせた適切な選択
パイロットバッチのトラブルシューティングを行っている場合でも、スケールアッププロトコルを策定している場合でも、この計算との関係は変化します。目的に合わせて行動を調整する方法は次の通りです。
- 主な焦点が正確なバッチ記録作成である場合： 生のセンサーデータと計算された%RHを高頻度で記録します。スプレーノズルの詰まりなど、物質収支を乱す可能性のあるイベントに注釈を付け、RHの逸脱を説明します。
- 主な焦点が生産へのスケールアップである場合： 設定値を単に複製するだけではありません。パイロット運転からの排気空気温度と相対湿度プロファイルを一致させます。この熱力学的類似性により、乾燥速度とコーティング構造が再現され、大型機械での試行錯誤の必要性が最小限に抑えられます。
- 主な焦点が欠陥（スティッキング、ピッキングなど）のトラブルシューティングである場合： 計算された排気RHトレンドを診断ツールとして使用します。入力が一定であるにもかかわらず急激な低下が見られる場合、スプレーラインの漏れや校正されていないエア流量計などの機械的な問題を示していることが多く、目に見える錠剤の欠陥が現れる前に根本原因を特定できます。
この物理学的アプローチにより、単純な湿度読み取り値が、スケール可能でプラットフォームに依存しないコーティングプロセスの指紋へと変換されます。
要約表：
| 監視パラメータ | 測定方法 | RH計算における役割 |
|---|---|---|
| 吸気流量 | 質量または容積流量計 | 乾燥空気の物質収支を確立する |
| 吸気露点 | 冷却鏡式または静電容量式センサー | 絶対吸気水分負荷を決定する |
| スプレー速度と水% | 質量流量計とバッチ記録 | 液状水の入力速度を定量化する |
| 排気空気温度 | RTDまたは熱電対（フィルター前） | 飽和蒸気圧 ($P^*$) を決定する |
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