JP2016041398A

JP2016041398A - サイクロン装置

Info

Publication number: JP2016041398A
Application number: JP2014165361A
Authority: JP
Inventors: 秋彦江間; Akihiko Ema; 康輔安藤; Kosuke Ando; 吉田　英人; Hideto Yoshida; 英人吉田
Original assignee: Hiroshima University NUC; Nisshin Seifun Group Inc
Current assignee: Hiroshima University NUC; Nisshin Seifun Group Inc
Priority date: 2014-08-15
Filing date: 2014-08-15
Publication date: 2016-03-31

Abstract

【課題】高い捕集効率でシングルミクロン粒子を捕集するサイクロンを提供する。【解決手段】円筒形状の上部胴筒４ａと逆円錐形状の下部胴筒４ｂを有するサイクロン本体４と、原料および流体を導入する導入口８と、上部胴筒の上縁部を覆い中央部に開口部１２を有する天板４ｃと、上部胴筒の鉛直中心軸に沿って開口部に挿入され、原料および流体の旋回運動によって、原料および流体から分離された微粉および流体を上昇させてサイクロン本体から排出する第一排出口１０と、旋回運動によって得られた粗粉および流体を前記下部胴筒の下端から排出する第二排出口４ｆと、第二排出口の下部に接続され、粗粉および流体を捕集する捕集箱６と、捕集箱から粗粉および流体をアンダーフローさせるアンダーフロー機構７とを備えるサイクロン装置２であって、捕集箱内の上部には、上端が第二排出口に接続され、下方に広がる略円錐台形状を有する空洞部１６が形成されている。【選択図】図１

Description

本件発明は、流体に含まれる粉体を捕集するために用いられるサイクロン装置に関するものである。

サイクロンは構造が簡単であり、小型で処理能力が大きいという特徴を持っていることから、多くの分野で粒子の分級、濃縮、捕集等に用いられている。近年、要求される粉粒体材料はより微細化、均一化の傾向にある。このため、サイクロンの更なる分級性能の向上が求められている。

なお、このようなサイクロンとしては、例えば、特許文献１に示す液体サイクロンが知られている。この液体サイクロンは、スラリー等が遠心分離により固体と液体に分けられる中空の円錐状の下部及びそれに直結した円筒状の上部を有し、更に前記円錐状の下部が、その下方に分離された固体を取り出す為の下流管を有している。

特開平７−２５６１５３号公報

しかしながら、上述のサイクロンにおいては、１μｍ〜５μｍ程度の粒子（以下、シングルミクロン粒子という。）を流体から効果的に分離することができず、シングルミクロン粒子の捕集効率を向上させることが難しいという問題があった。

本発明の目的は、高い捕集効率でシングルミクロン粒子を捕集することができるサイクロン装置を提供することである。

本発明のサイクロン装置は、円筒形状の上部胴筒と逆円錐形状の下部胴筒を有するサイクロン本体と、前記上部胴筒の内周壁に沿って原料および流体を導入する導入口と、前記上部胴筒の上縁部を覆い中央部に開口部を有する天板と、前記上部胴筒の鉛直中心軸に沿って前記開口部に挿入され、前記原料および流体の旋回運動によって前記原料および流体から分離された微粉および流体を上昇させて前記サイクロン本体から排出する第一排出口と、前記旋回運動によって得られた粗粉および流体を前記下部胴筒の下端から排出する第二排出口と、前記第二排出口の下部に接続され、前記粗粉および流体を捕集する捕集箱と、前記捕集箱から前記粗粉および流体をアンダーフローさせるアンダーフロー機構とを備えるサイクロン装置であって、前記捕集箱内の上部には、上端が前記第二排出口に接続され、下方に向かって広がる略円錐台形状を有する空洞部が形成されていることを特徴とする。

また、本発明のサイクロン装置は、前記略円錐台形状の母線と前記捕集箱の鉛直中心軸と直交する水平面との成す角度が、１０°〜７０°であることを特徴とする。

また、本発明のサイクロン装置は、前記アンダーフロー機構により排出される前記粗粉および流体の質量流量が、前記導入口から導入される前記原料および流体の質量流量に対して５％以上３０％以下であることを特徴とする。

また、本発明のサイクロン装置は、前記流体が空気、窒素、有機溶剤あるいは水であることを特徴とする。

本発明のサイクロン装置によれば、高い捕集効率でシングルミクロン粒子を捕集することができる。

実施の形態に係るサイクロン装置を上方から視た斜視図である。実施の形態に係るサイクロン装置の捕集箱を上方から視た図である。実施の形態に係るサイクロン装置の捕集箱の鉛直中心軸を含む断面を示す図である。実施の形態に係る捕集箱の空洞傾斜角度のタイプを示す図である。実施の形態に係るサイクロン装置に導入される原料および流体に含まれる粉体の頻度分布を示す図である。実施の形態に係る捕集箱において空洞傾斜角度が粉体の分級径に及ぼす影響を示す図である。従来の捕集箱を備えたサイクロン装置を示す図である。実施の形態に係る捕集箱において空洞傾斜角度が粉体の部分分級効率に及ぼす影響を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係るサイクロン装置について説明する。図１は、サイクロン装置を上方から視た斜視図である。図１に示すように、サイクロン装置２は、サイクロン本体４、捕集箱６、及びアンダーフロー機構７を備えている。

サイクロン本体４は、円筒形状の上部胴筒部４ａ、及び上部胴筒部４ａの下端と一体的に気密結合された逆円錐形状の下部胴筒部４ｂを備えている。また、上部胴筒部４ａの上縁部は、円環状の天板４ｃによって気密的に覆われている。なお、「気密」とは、外部から気体が流入せず、かつ内部から気体が漏れないように密封された状態を意味する。

ここで、上部胴筒部４ａの側壁の天板４ｃ近傍には、原料および流体を導入する二つの導入口８が気密的に接続されている。二つの導入口８は、天板４ｃ中央に対して回転対象になる位置に配置され、天板４ｃの中央には、開口部１２が形成されている。また、開口部１２には、微粉および流体を排出する第一排出口１０が上部胴筒部４ａの図示しない鉛直中心軸に沿って、上部胴筒部４ａ内の所定の位置まで挿入されている。

また、下部胴筒部４ｂの下端部には、粗粉および流体を排出する第二排出口４ｆが形成されている。

捕集箱６は、円筒部６ａ、円筒部６ａの下端に一体的に気密結合された逆円錐部６ｂ、及び逆円錐部６ｂ下端に一体的に気密結合され粗粉および流体を排出する円筒形状の第三排出口６ｃを備えている。

ここで、円筒部６ａは、図２に示す円環状の天板６ｄを上端部に備えている。天板６ｄの中央には、第二排出口４ｆと気密結合される開口部６ｆが形成されている。また、円筒部６ａ内の上部には、開口部６ｆから下方に広がる略円錐台形状の空洞部１６が形成されている。

図３は、捕集箱６の鉛直中心軸を含む断面を示す図である。図３に示すように、空洞部１６の略円錐台形状の母線６ｈは、捕集箱６の鉛直中心軸Ｘと直交する水平面に位置する天板６ｄとの間に空洞傾斜角度αを有するように形成されている。ここで空洞傾斜角度αは、１０°〜７０°である。

また、アンダーフロー機構７は、図１に示すように、サイクロン本体４の下方に配置されている。ここで、アンダーフロー機構７は、アンダーフロー率（導入口８から導入される原料および流体の質量流量に対する、アンダーフロー機構７により排出される粗粉および流体の質量流量）を調整する機能を備えている。なお、サイクロン装置２が乾式サイクロンである場合には、流体に気体が用いられ、サイクロン装置２が湿式サイクロンである場合には、流体に液体が用いられる。

次に、サイクロン装置２を用いて粉体を捕集する処理について、サイクロン装置２が湿式サイクロンである場合を例に説明する。ここでは、図５に示すように、粒子径の質量中位径が１．９５μｍのシリカ粉を流体である水に混ぜた懸濁液を原料スラリーとして用いた実験を例に挙げる。なお、実験は、図４に示すように、空洞傾斜角度αを０°（タイプ０）、１０°（タイプ１）、３０°（タイプ２）、５０°（タイプ３）、７０°（タイプ４）に変化させて行われたものである。

まず原料スラリーは、１０分間超音波処理された後、図示しないスラリー槽に供給されて循環される。次に、原料スラリーの温度が図示しない温度調整機によりＴ＝４０℃に設定され、Ｑ＝９Ｌ／ｍｉｎの流量で導入口８に供給される。また、アンダーフロー機構７により、アンダーフロー率が調整される。ここで、アンダーフロー機構７においては、アンダーフロー率を５％以上３０％以下に調整する。

次に、導入口８により、上部胴筒部４ａの内壁面に沿って原料スラリーが導入される。導入された原料スラリーは、内壁面に沿ってサイクロン本体４内を旋回し、原料スラリーの旋回作用によって、原料スラリーから微粉スラリーが分離される。分離された微粉スラリーは、サイクロン本体４内を上昇し、第一排出口１０から排出される。

一方、原料スラリーから微粉スラリーを除いたスラリーである粗粉スラリーは、下部胴筒部４ｂを旋回しながら下降し、第二排出口４ｆから排出されて捕集箱６において捕集される。捕集箱６において捕集された粗粉スラリーは、略円錐台形状の内壁面に沿って旋回径を次第に大きくしながら捕集箱６内を旋回し下降する。これにより、捕集箱６内部における粗粉スラリーの流れが変化し、捕集箱６中心部に存在する上昇流に粒子が巻き込まれにくくなる。

次に、粗粉スラリーは、アンダーフロー機構７によって第三排出口６ｃからアンダーフローされ、図示しない採取槽により採取される。採取された粗粉スラリーは、濾過、乾燥された後、捕集質量や粒度分布が測定される。なお、本実験において、粒度分布の測定は、レーザー回折式粒度分布測定装置（ＬＡ−９５０）を用いて測定した。

また、本実験においては、測定結果より、粗粉スラリーから捕集された粉体の部分分級効率Δηと、Δη＝０．５となる粒子径である５０％分離径Ｄｐ５０を算出し、これらの値を用いて粉体の分級性能の評価を行った。

図６は、空洞傾斜角度αが粉体の５０％分離径に及ぼす影響を示す図である。図６において、（ａ）は、アンダーフロー率１０％で空洞傾斜角度αを変化させた場合の粉体の５０％分離径の推移を示している。同様に、（ｂ）は、アンダーフロー率１５％で空洞傾斜角度αを変化させた場合の粉体の５０％分離径の推移を示し、（ｃ）は、アンダーフロー率２０％で空洞傾斜角度αを変化させた場合の粉体の５０％分離径の推移を示している。

この実験結果によれば、アンダーフロー率１０％の場合には、（ａ）に示すように、空洞傾斜角度α＝１０°、３０°、５０°、７０°で捕集された粉体の５０％分離径が、何れも空洞傾斜角度α＝０°で捕集された粉体の５０％分離径よりも小さくなることがわかる。

また、アンダーフロー率１５％の場合においても、（ｂ）に示すように、空洞傾斜角度α＝１０°、３０°、５０°、７０°で捕集された粉体の５０％分離径が、何れも空洞傾斜角度α＝０°で捕集された粉体の５０％分離径よりも小さくなることがわかる。

同様に、アンダーフロー率２０％の場合においても、（ｃ）に示すように、空洞傾斜角度α＝１０°、３０°、５０°、７０°で捕集された粉体の５０％分離径が、何れも空洞傾斜角度α＝０°で捕集された粉体の５０％分離径よりも小さくなることがわかる。

即ち、図７に示す空洞傾斜角度α＝０°の従来のサイクロン装置よりも、捕集箱６に略円錐台形状の空洞部１６を有するサイクロン装置２を用いた方が５０％分離径の小さい粉体を捕集することができる。

図８は、空洞傾斜角度αが粉体の部分分級効率に及ぼす影響を示す図である。ここで、（ｄ）は、空洞傾斜角度αをα＝３０°に設定して１５％のアンダーフロー率で捕集された粉体の部分分級効率Δηを例示している。また、（ｅ）は、空洞傾斜角度αをα＝０°に設定して１５％のアンダーフロー率で捕集された粉体の部分分級効率Δηを示している。

図８に示す実験結果によれば、空洞傾斜角度α＝３０°に設定して捕集された粉体の部分分級効率Δηは、空洞傾斜角度α＝０°に設定して捕集された粉体の部分分級効率Δηよりも高いことが示される。また、空洞傾斜角度α＝３０°に設定して捕集された粉体の回収率Ｅもまた、空洞傾斜角度α＝０°に設定して捕集された粉体の回収率Ｅよりも高いことが示される。

即ち、捕集箱６に略円錐台形状の空洞部１６を有するサイクロン装置２を用いた方が、略円錐台形状の空洞部１６を有さない捕集箱を備えた従来のサイクロンを用いた場合よりも粉体の部分分級効率Δη、及び粉体の回収率Ｅを高くすることができることが示される。

この実施の形態に係るサイクロン装置２によれば、略円錐台形状によって捕集箱６内部における粗粉スラリーの流れが変化し、捕集箱６中心部に存在する上昇流に粒子が巻き込まれにくくなるため、粗粉スラリーに含まれるシングルミクロン粒子を高精度で分級でき、高い捕集効率でシングルミクロン粒子を捕集することができる。

また、上述の実施の形態においては、二つの導入口８が天板４ｃ中央を基準として回転対象になる位置に配置されているが、導入口８は一つであってもよい。

また、上述の実施の形態において、導入口８の中心軸が上部胴筒部４ａの内周壁の接線と平行になるように導入口８を配置してもよい。これにより、サイクロン本体４内における原料スラリーの旋回力を向上させることができる。

また、上述の実施の形態において、実験に用いる原料には、例えば金属粉等、シリカ粉以外の粉体を原料として用いてもよい。

また、上述の実施の形態において、サイクロン装置２が湿式サイクロンである場合、流体として、例えば有機溶剤等の水以外の液体を用いてもよい。また、サイクロン装置２が乾式サイクロンである場合には、流体として、例えば空気、窒素等の気体を用いてもよい。

２…サイクロン装置、４…サイクロン本体、４ａ…上部胴筒部、４ｂ…下部胴筒部、４ｃ…天板、４ｆ…第二排出口、６…捕集箱、６ａ…円筒部、６ｂ…逆円錐部、６ｃ…第三排出口、６ｆ…開口部、６ｈ…略円錐台形状の母線、７…アンダーフロー機構、８…導入口、１０…第一排出口、１２…開口部、１６…空洞部

Claims

円筒形状の上部胴筒と逆円錐形状の下部胴筒を有するサイクロン本体と、
前記上部胴筒の内周壁に沿って原料および流体を導入する導入口と、
前記上部胴筒の上縁部を覆い中央部に開口部を有する天板と、
前記上部胴筒の鉛直中心軸に沿って前記開口部に挿入され、前記原料および流体の旋回運動によって前記原料および流体から分離された微粉および流体を上昇させて前記サイクロン本体から排出する第一排出口と、
前記旋回運動によって得られた粗粉および流体を前記下部胴筒の下端から排出する第二排出口と、
前記第二排出口の下部に接続され、前記粗粉および流体を捕集する捕集箱と、
前記捕集箱から前記粗粉および流体をアンダーフローさせるアンダーフロー機構と
を備えるサイクロン装置であって、
前記捕集箱内の上部には、上端が前記第二排出口に接続され、下方に向かって広がる略円錐台形状を有する空洞部が形成されていることを特徴とするサイクロン装置。
前記略円錐台形状の母線と前記捕集箱の鉛直中心軸と直交する水平面との成す角度は、１０°〜７０°であることを特徴とする請求項１記載のサイクロン装置。
前記アンダーフロー機構により排出される前記粗粉および流体の質量流量は、前記導入口から導入される前記原料および流体の質量流量に対して５％以上３０％以下であることを特徴とする請求項１または２記載のサイクロン装置。
前記流体は空気、窒素、有機溶剤あるいは水であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のサイクロン装置。