テーパー付き流動層の流動化特性ならびに二成分混合粒子の分離特性に関する研究

豊原 秀史

本論文は偏析傾向を有する多成分混合粒子の流動化にテーパー付き流動層を使用することに着目し、テ一パーによる流動化への影響を従来の断面積一定の流動層との比較によって検討した。この目的のためまず一成分による研究を行い、次に多成分の代表として二成分混合粒子を用いて研究を行い、工業操作における設計ならびに運転指針を明らかにした。本章では各章で得た結論を総括して述べる。

第1章では、緒論としてテーパー付き流動層および多成分混合粒子の流動化に関する既往の研究を概説し、本研究の工学的意義について述べた。そして本研究の目的を明らかにし、本論文の構成を示した。

第2章では、楔型(2次元)・円錐型(3次元)のテーパー付き流動層で一成分粒子を流動化させたときの特性を調べるため、装置形状や層条件を変えて実験を行い、圧力損失・層内粒子流動化挙動・流動化開始流速を中心にその影響を検討した。

入口と出口面の面積比が2以上になるとテーパー付き流動層独特な流動化挙動を示し始め、流動化状態は固定層・コア部部分流動層・コア部流動層(周辺部は固定層もしくは移動層)・完全流動層の4つの状態に分けられることを明らかにした。また各状態での圧力損失は、高さ方向の断面積変化を考慮したErgunの式、粒子一流体間の力の平衡、およびこの両者を組み合わせた式で推算することができた。テーパー付き流動層の操作指針となる流動化開始速度UBは、液-固系についてのShiらの式が適用できることを示した。
第3章では、テーパー付き流動層で粒子を流動化させた時に見られる層内コア部と周辺部との間の粒子循環挙動を明らかにするため、トレーサー粒子を用いて粒子挙動を可視化し、周辺部上面での粒子循環量の測定と推算とを一成分粒子を用いて行った。

周辺部でのトレーサー粒子下降量から周辺部上面での粒子循環速度V0を決定した。粒子循環速度は粒子循環開始流速Uc以上の過剰ガス流速(Ui-Uc)に比例することを明らかにし、Ucの測定ならびに推算を行った。次に粒子循環速度V0を推算する簡単な式を求め、粒径による影響を調べた。

第4章では、同密度で粒径のみが異なる二成分混合粒子を模型のテーパー付き流動層で流動化させた時の、圧力損失・粒子流動化挙動・粒子偏析現象などを中心に流動化特性を明らかにした。

コア部の流動化挙動は流速により固定層・部分流動層・流動層・完全混合層という4つに分けられ、部分流動層の流速領域ではコア部内の沈降性粒子が偏析し柱状の偏析層が発生することを見いだした。この柱状偏析層内の沈降性粒子の濃度分布を調べると共にその発生領域を示した。また部分流動化の開始速度Ubfの推算を行い、広い粒径比に対しても実験値との良好な一致を得た。

第5章では、前章で明らかにされたテーパー付き流動層特有の柱状偏析に着目し、柱状偏析内の混合粒子の分離特性について検討を加えた。

コア部に見られる柱状偏析層について沈降性粒子の高さ方向の濃度分布をその流動化開始から完全混合に至る流速域まで測定し、流速による影響を明らかにした。この柱状偏析が発生する流速領域を明らかにするため、完全混合開始流速upfを測定しその実験式を提示した。流動層内に発生する偏析の度合を定量化するため新しく偏析度Sを定義し、テーパー付きならびに通常型流動層内の沈降性粒子の分離特性を偏析度Sと無次元化流速u*=(ui-ubf)/(upf-ubf)とを用いて評価した。これを用いることによりテーパー付き流動層コア部では通常型流動層に比較して粒子の分離傾向が強いことがわかった。

第6章では、二成分混合粒子の連続的な分離にテーパー付き流動層内に発生する柱状偏析を利用することに着目した。コア部偏析粒子を連続的に排出することが可能な装置を取り付け、分離性能の評価を従来型流動層との比較により行った。

分離操作が可能な流速範囲は偏析柱が観察される流動化開始流速ubfから完全流動化開始流速upfまでのコア部部分流動化領域で、この領域で操作すれば層上部排出口からは浮上性粒子のみが、層下部排出口からは沈降性粒子のみがほぼ完全な分離状態で得られた。このような完全分離操作が可能な流速領域はテーパー付き流動層の方が矩形流動層に比較して広く、また従来の断面積一定の流動層では完全な分離が困難であった同密度で粒径比が小さい二成分混合粒子に対しても、テーパー付き流動層を用いることにより連続的な分離操作が可能となることがわかった。

化学工業 [ 570 ]

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