JP7248306B2 - 質量および／または熱伝達プロセス用ステーター－ローター渦式チャンバ - Google Patents

Description

本発明は、反応性プロセスおよび非反応性プロセスにおける相間の界面運動量、質量および／またはエネルギー移動の分野に関する。より具体的には、本発明は、例えば、キャリア流体と標的媒体との間の強力な界面運動量、質量、および／またはエネルギー交換を必要とするプロセスで使用するための、標的媒体をキャリア流体と接触させるための装置および方法に関する。

反応性および非反応性プロセスは、材料相間での、例えば固体または液体の標的媒体と液体または気体のキャリアとの間での、強力な界面質量およびエネルギー交換を必要とする可能性があることは当技術分野で知られている。さらに、ミリ秒のオーダーである標的媒体とキャリア流体との間の接触時間が必要になる場合がある。そのようなプロセスは、例えば、製薬、化学、石油化学、食品、環境、およびエネルギー変換産業で用途を見出すことができる。例は、乾燥、コーティング、熱分解、気体化、燃焼、推進、重合、改質、流動接触分解、ＮＯ_Ｘ触媒還元、メタンの酸化カップリング、気体からのＮＯ_ＸとＳＯ_２の除去、および排水処理であるがこれらに限定されない。

例えば、気体ストリームがキャリア相としての役割を果たし、固体、液体またはそれらの混合物が１つまたは複数の二次相、すなわち標的媒体を構成するプロセスが当技術分野で知られている。そのようなプロセスの流体力学は、浮力条項の積に、例えば相間の密度差に、および局所加速度に依存する可能性がある。

界面質量およびエネルギー交換は、相間の相対速度またはスリップ速度の影響を強く受ける可能性がある。地球の重力場の単なる影響下で相が接触するとき、スリップ速度は狭い範囲に制限される。所定のスリップ速度を超えた後、システムに作用する力のバランスが取れていないため、相間の接触を維持することはできない。

当技術分野では、重力場を遠心力場、例えば重力加速度を超える遠心加速度を有する遠心力場で置き換えることによってスリップ速度を上げて界面質量およびエネルギー交換を向上できることが知られている。

重力流動床において強力な界面質量、運動量および／またはエネルギー交換および／または短い接触時間を必要とする気固プロセスを実施することも当技術分野で知られている。固体粒子は、粒子と流体の間の摩擦力が粒子の重量を相殺する流体のような状態に変換される。異なる流動化レジームが存在する可能性があり、通常、固体の正味の輸送がない発泡床から始まる。気固スリップ速度を上げると、気体と固体の両方が上方に移動して最終的にシステムを離れる輸送床がもたらされる。

しかしながら、当技術分野で知られている重力気固流動化の方法には、気固スリップ速度が重力場内の粒子の終末速度を超えることができないという欠点がある。さらに、チャネリングやスラッギングのような大規模な不均一性を回避するには、床の幅対高さの比を十分に小さくする必要がある。また、気泡やクラスターなどのメソスケールの不均一性が発生する可能性があり、これはエネルギー、運動量、および／またはエネルギーの界面移動に有害である可能性があり、またホットスポットを生成する可能性がある。さらに、床が、輸送床レジームにおいて例えば９０％を超えて膨張するにつれ、床の空隙率が徐々に増加する可能性がある。また、粒子間ファンデルワールス力が抗力および重力よりも支配的である場合、流動床は、例えば粒径が１０μｍ程度の微細または軽い凝集性粉末についてなど、得られない可能性がある。

また、気泡カラムおよびスラリー気泡カラムにおいて、強力な界面質量およびエネルギー交換および短い接触時間を必要とする気液プロセスおよび気液固プロセスを実施することも当技術分野で知られている。気泡カラムは、気体が気泡として分配器またはスパージャを通して液体または液体中の微細な固体の懸濁液に注入される円筒形の容器である。気体は、液体の流れの方向に対して並流または向流のいずれかで流れる。気液接触の場合、通常、表面の気体速度が０．０５ｍ／ｓ未満の均一な気泡流から始まる、さまざまな流れレジームが存在する。表面気体速度は、相対速度またはスリップ速度に直接比例する。表面気体速度を上げると、カラムの断面積に応じて、スラグ型の流れまたは不均一な気泡の流れ、例えばチャーン乱流レジームがもたらされる。

しかしながら、重力気液および気液固気泡カラム法には、所与の断面積のカラムでは、均一な気泡流レジームは均一なサイズの比較的小さな気泡を特徴とするが気体スループットは表面気体速度を０．０５ｍ／ｓ未満に維持するように制限されるという欠点があり得る。均一な気泡流レジームでは、質量移動に関して良好な結果を得ることができるが、通常、工業用気泡カラムは不均一な流れ条件下で動作する可能性があり、これは過剰なカラム高につながる。これらの条件下では、気泡終端速度、界面せん断応力、およびフラッディング質量フラックスはすべて減少する可能性があるが、気泡のサイズは大きくなる傾向があり得る。

気固プロセスでは、遠心流動床を実装することがさらに知られている。例えば、回転流動床では、２つの平らな端壁と穴のあいた円筒状の外壁とを有する円筒形チャンバの回転は、外部の電気的仕事を適用することによって駆動され得る。キャリアガスは、穴を通って半径方向内向きに流れてから、チャンバとほぼ同じ回転速度で回転する固体床に到達し、最終的に一方の端壁の中央にある気体出口から流出する。このアプローチのいくつかの欠点は、微細な凝集性粉末の場合の著しい粒子同伴、チャンバの回転を維持するための高い追加のエネルギー消費、従動シャフトの最大回転速度による遠心力の制限であり得る。

同様に、遠心力の適用により、強力な界面質量およびエネルギー交換ならびに短い接触時間を必要とする気液プロセスおよび気液固プロセスを向上させることが当技術分野で知られている。例えば、ローターステーター回転ディスクリアクターでは、遠心力と高せん断力が多相システムに同時に作用する。そのようなシステムでは、ローター上に液膜を有する回転ディスクは、ミリメートルのオーダーの典型的なギャップによってステーターから分離される。しかしながら、せん断速度とローターの回転を維持するために、高いエネルギー消費が暗に示され得ることは、このようなアプローチの欠点である。さらに、形状により、限られた気体スループットと相分離傾向のみが達成される可能性がある。

気固プロセスでは、キャリアガスのエネルギーを使用して回転固体床を円筒形チャンバ内に維持することにより遠心流動床を実装することも知られており、これは静的な形状の回転流動床または気固渦ユニットと呼ばれる場合もある。そのようなアプローチでは、静的な円筒形チャンバは、円筒形の外壁に均等に分配された接線方向の入口スロットを有し得る。キャリアガスは、通常５０ｍ／ｓを超える速度で進入し、固体に運動量を伝達した後に減速し、最終的に一方の端壁の中央にあるガス出口から流出する。このアプローチの欠点は、粒子の同伴が静的壁近くのガスジェットによって引き起こされる可能性があること、固体床と静的壁の間の過度の摩擦のために比較的低い回転速度しか得られ得ないこと、および回転床を維持するために必要な過度の気体対固体の質量流量比により高エネルギー消費が暗に示され得ることである。同様に、当技術分野において同じく知られているような遠心バブリングリアクターは、上記の気固渦ユニットに類似している。このようなリアクタでは、高度に分散した気液混合物が生成される。しかしながら、上述したのと同じ欠点が、気固変形に当てはまる可能性がある。

本発明の実施形態の目的は、例えばミリ秒のオーダーの接触時間を必要としながらキャリア流体相と標的媒体との間の強力な界面運動量、質量および／またはエネルギー交換を必要とする反応性および／または非反応性の流体－固体、流体－液体および流体－液体－固体プロセスを可能にする良好かつ効率的な手段および方法を提供することである。

上記の目的は、本発明による方法および装置によって達成される。

本発明の実施形態による方法および／または装置では、標的媒体用の分配器が組み込まれおよび／または使用されてもよく、分配器は、装置軸の周りを自由に回転可能であり、例えばベアリングによって、装置の静的部分に接続可能であり、キャリア流体の回転速度によって駆動可能であり、流体は、例えば有孔周壁を介して、分配器を貫通することもできる。

本発明の実施形態の利点は、良好な質量およびエネルギー界面交換効率を達成できることである。例えば、固相を含む用途の場合、本発明の実施形態による装置または方法における流体ジェット、例えばガスジェットは、粒子を取り囲むガス境界層を低減し得る。さらに、高い気固スリップ速度が達成され得る。したがって、良好な界面質量およびエネルギー伝達を実現することができる。

本発明の実施形態の利点は、例えば重力の複数倍超、例えば１０倍超の、多相システムの良好な遠心加速度を達成できることである、したがって、運動量、質量、および／またはエネルギーの良好な界面交換を達成することができる。

本発明の実施形態の利点は、質量およびエネルギー伝達プロセスが、気固抗力を少なくとも部分的に平衡化するために重力に依存することによって暗示される制限されたスリップ速度によって制限されないことである。

本発明の実施形態の利点は、例えば大きな遠心力の適用に起因する、当技術分野で知られている（少なくとも１つの）重力流動床によって達成される速度を大幅に超える流体－固体、流体－液体および／または流体－固体／液体スリップ速度を達成できることである。固体床、液体層または液固層をローター、すなわち分配器とともに回転できるようにすることにより、キャリア流体の注入速度に有利に近い接線速度をローターの外周部で達成することができる。

本発明の実施形態の利点は、外部から供給される力が、本発明の実施形態による装置の動作または方法の適用において効率的に使用されることである。

例えば、キャリア流体の注入により供給される力、例えばキャリア流体の運動エネルギーは、装置の動作中、分配器、例えば装置のローター部分の、したがって固体床、液体層または液固層に至る回転運動エネルギーに効率的に変換可能である。

本発明の実施形態の利点は、キャリア相の良好な質量流量範囲を、例えばエネルギー効率の高いプロセスで達成できることである。

本発明の実施形態の利点は、シャフトを駆動するために外部の電気仕事を適用する必要がないことである。さらなる利点は、高い回転速度を達成できることである。また、実施形態による装置内の分配器が高い回転速度で回転可能であり、摩擦損失が低いためにこの回転を効率的に維持できることも利点である。

本発明の実施形態の利点は、広いキャリア相動作範囲を達成できることである。

例えば、例えば、当該技術分野で既知の少なくとも１つの装置または方法に必要なキャリア流体流量より低いキャリア流体流量、例えばキャリアガス流量のために、重力加速度の１０倍を超える遠心加速度を達成することができる。

本発明の実施形態の利点は、例えば少なくとも１つの従来技術のアプローチと比較した場合、例えば特に微細な凝集性粉末の場合、粒子同伴を減少させることができることである。例えば、粒子同伴を引き起こす可能性のある、端壁に近い流体ジェットの影響を低減することができる。

本発明の実施形態の利点は、接線方向のキャリア流体の注入が、微粒子、例えば灰の同伴を低減および／または回避し得、これにより燃焼用途で汚染物を低減できることである。後者はさらに、良好なキャリア相動作範囲をもたらす可能性がある。

本発明の実施形態の利点は、有害なメソスケールの不均一性を回避、低減、および／または制御できることである。

本発明の実施形態の利点は、泡立ちを抑制し、バブリングを抑制するためにおよび粒子同伴を最小化するために微粉または油などの流れパターン調整剤の添加を必要とすることなく、有害なメソスケール不均一性および粒子同伴を回避および／または低減できることである。しかしながら、本発明の実施形態は、それにもかかわらず、メソスケールの不均一性および／または粒子同伴をさらに低減するために、そのような流れパターン調整剤の使用を含んでもよい。

本発明の実施形態の利点は、中程度の粘度および／または密度のキャリア流体を使用して、および／または比較的低い動作圧力を使用して、および／またはキャリア流体の流れの周期的な脈動に依存することなく、有害なメソスケール不均一性および粒子同伴を回避および／または低減できることである。しかしながら、本発明の実施形態は、当技術分野で知られているようなそのような解決策の追加の使用を必ずしも除外しない。

本発明の実施形態の利点は、実質的にコンパクトなおよび／または均一な固体床、液体層、または液固層を、例えば半径方向内向きの流体－固体、流体－液体、または流体－液体－固体の抗力に対抗する半径方向外向きの遠心力の強化により、達成できることである。

本発明の実施形態の利点は、慣性力と抗力を自己均衡させることができ、したがって、単純なプロセス制御を可能にすることである。

本発明の実施形態の利点は、固相を含む用途の場合、固体粒子の機械的完全性に対して良好な制御を達成できることであり、例えば、粒子の機械的完全性は、有利に低い摩滅によって維持することができる。例えば、粒子の良好な機械的完全性を維持することは、触媒または気体吸収剤が使用される用途において有利であり得る。

本発明の実施形態の利点は、強力な遠心場を使用して、回転する固体床、液体層、または液体－固体層を、広いキャリア流体質量流量範囲、例えば広い気体質量流量範囲内で効果的および効率的に維持できることである。

本発明の実施形態の利点は、粒子－粒子および粒子－壁の衝突を低減できるように、固体床が、分配器すなわちローターの速度にほぼ一致し得ることである。

本発明の実施形態の利点は、直径に対して低い高さを有する、例えば０から５の範囲の、例えば０から３の範囲の、例えば０～１の範囲の、またはさらには０～０．５の範囲の高さ対直径比を有する、円筒形チャンバを効率的に使用できることである。実施形態の利点は、チャンバの断面積が実質的に増加する離脱セクションが必要ないことである。したがって、コンパクトな解決策を提供することができる。それにもかかわらず、本発明の実施形態は、より大きな、例えば５を超える高さ対直径の比を必ずしも除外せず、および離脱セクションを含むチャンバを必ずしも除外しない。

本発明の実施形態の利点は、実施形態による装置の動作中または方法の適用中に、回転固体床、液体層または液固層が、チャンバの中心に向かって半径方向に成長し得、例えばチャンバ半径の約４０％まで異なる半径位置を占めることである。

単一の入口または複数の入口を介してチャンバに接線方向に流体を有利に注入することにより、ローター、すなわち流体分配器を効率的に駆動することができる。特に、ローターは、有利には、低摩擦ベアリングを使用して回転可能に取り付けることができる。したがって、高い遠心加速度を効率的に達成することができる。

本発明の実施形態の利点は、本発明の実施形態による装置の動作中または方法の適用中、回転固体床、液体層、または液固層を有利に支持できる分配器に（例えばそれのみに）回転部品を限定する一方で入射キャリア流体フラックスも成形できることである。したがって、回転床、流体層または流体固体層の摩擦は有利に低くなることができる。

本発明の実施形態の利点は、高せん断力を生成するためにローター部とステーター部の間に狭い隙間を使用することが必要ないこと、例えば、ローター部とステーター部の間にミリメートルのオーダーの、例えば１５ｍｍ未満、例えば１０ｍｍ未満、例えば５ｍｍ未満の狭い隙間を使用することが必要ないことである。しかしながら、本発明の実施形態の利点は、例えばローター上の短いフィン構造と組み合わせて、またはそのようなフィン構造がない場合でも、ローター部の回転を駆動するために高いせん断力を生成するためにローター部とステーター部との間の狭い隙間を使用できることでもある。

第１の態様では、本発明は、キャリア流体と標的媒体との間の強力な界面運動量、質量、および／またはエネルギー交換を必要とするプロセスにおいて、標的媒体をキャリア流体と接触させる装置に関する。装置は、周壁、底壁、および頂壁を含むチャンバを備え、チャンバは、装置の動作中にキャリア流体に接触しながら標的媒体を含有するためのエンクロージャを形成するように構成され、例えばチャンバは装置の動作中に標的媒体を含有するためのエンクロージャを形成するように適合され、例えば、周壁、底壁、および頂壁は、装置の動作中に標的媒体を含有するためのエンクロージャが形成されるように配置される。

チャンバは、対称軸に関して実質的に回転対称であり、例えば、チャンバは一般に、回転対称形状を有し得、例えば、少なくとも１つの流体入口が周壁を遮ることによる非対称性が無視される限り、および／または装置の機能および／または動作に有意な影響を及ぼさない回転対称性からの些細な逸脱が無視される限り、回転対称であり得る。例えば、チャンバは一般に円形および／または円筒形であり得る。

チャンバは、例えば装置の動作中に機械的に静的なままであるように適合される、例えば機械的に静的なままであるように構成され、例えば特に外部の静止参照フレームに対して回転するように適合も構成もされていない。

装置は、圧力下で、例えば圧力差の下で、キャリア流体をチャンバ内に注入するための少なくとも１つの流体入口、例えば装置の動作中にチャンバと少なくとも１つの流体入口との間に圧力差が適用されたときにキャリア流体を注入するための少なくとも１つの流体入口を備える。

少なくとも１つの流体入口は、周壁の内面に対して実質的に接線方向にキャリア流体をチャンバに注入するために適合される、例えば注入するように構成される、例えば注入するように配置される。例えば、実質的に接線方向、例えばまたは接線方向は、例えば、接線方向の注入流速が半径方向の注入流速よりも少なくとも１０倍大きいように、主要な接線成分、例えば支配的な接線成分を有する開口部における方向にわたる注入の分布を指し得る。

装置はまた、キャリア流体をチャンバから流出させるための、例えばチャンバからのキャリア流体を収集するための出口を備える。

しかしながら、本発明の実施形態では、実質的に接線方向は、例えば軸方向の粒子混合を改善するために、軸方向成分を含み得る。

接線、半径状、および軸方向は、軸方向の向きが対称軸で識別され得る円筒座標系または円筒方向参照系を指し得る。

装置は、チャンバ内に配置された流体分配器も備え、この流体分配器は、注入されたキャリア流体が対称軸に関して実質的に内向きの半径方向に分配器を通過できるように作られている。したがって、流体分配器は、注入されたキャリア流体が対称軸に関して実質的に内向きの半径方向に分配器を通過できるように構成可能である、例えば通過できるように配置可能である。例えば、実質的に内向きの半径方向、例えばまたは内向きの半径方向は、主要な内向きの半径方向成分を有する方向にわたる分配器の近く、中、またはそれを通る流速の分配を指し得る。

分配器は対称軸に対して実質的に回転対称であり、例えば、分配器は一般に回転対称形状を有してもよく、例えば、装置の機能および／または動作に大きな影響を与えない回転対称性からのわずかな偏差が無視される限りの非対称である限り回転対称であり得る。例えば、分配器は、回転面の形状を有してもよく、例えば、その形状は概ね円形、円筒形、またはトロイダル状であり得る。

分配器は回転するようにさらに適合され、例えば、対称軸を中心に回転するように構成または配置されている。この回転は、装置の動作中の注入されたキャリア流体と分配器との間の運動量の伝達によって駆動され、例えばこの間、分配器は注入されたキャリア流体を実質的に内向きの半径方向に対応する流れ方向にそらす。

本発明の実施形態による装置では、少なくとも１つの流体入口は、周壁に開口部を形成してもよい。

本発明の実施形態による装置では、少なくとも１つの流体入口は、底壁または頂壁に開口部を形成してもよい。

本発明の実施形態による装置では、チャンバは、キャリア流体と標的媒体との間の運動量、質量、および／またはエネルギーの交換、例えば均一または不均一な交換を可能にするように適合され得る、例えば可能にするように構成され得る。

本発明の実施形態による装置では、分配器はチャンバの周壁から、１ｍｍから１５ｍｍの範囲、例えば１ｍｍから１０ｍｍの範囲、例えば１ｍｍから５ｍｍの範囲、例えば２ｍｍから５ｍｍの範囲、例えば２ｍｍから１０ｍｍの範囲、例えば３ｍｍから６ｍｍの範囲の幅を有する隙間によって離されていてもよい。例えば、そのような分配器の回転は、回転を駆動するためのフィンもフィン状構造も分配器上に必要とせずに、せん断力のみによって駆動可能である。しかし、本発明の実施形態では、上記のような隙間によって周壁から分離された分配器は、例えば１ｍｍから１５ｍｍの範囲、例えば１ｍｍから１０ｍｍの範囲、例えば１ｍｍから５ｍｍの範囲の長さを有する１つまたは複数の短いフィンまたはフィン状構造を備えてもよい。明らかに、フィンまたはフィン状構造の長さは、そのような実施形態において隙間の幅より短くてもよく、例えばわずかにより短くてもよい。

本発明の実施形態による装置では、分配器は、せん断応力に起因するキャリア流体から分配器への運動量の伝達により、対称軸の周りを回転するように適合可能である、例えば構成可能である。

本発明の実施形態による装置では、装置の動作中に、標的媒体およびキャリア流体の回転床はチャンバ内に形成することができる。標的媒体は、固相または流体を含んでもよい。例えば、回転床は、固相を含む標的媒体をキャリア流体中で流動化し得る。

本発明の実施形態による装置では、チャンバは、固相を含む標的媒体をキャリア流体中で流動化させるための流動床を形成してもよく、ここでキャリア流体は液体および／または気体を含み得る。

本発明の実施形態による装置では、チャンバは、流体を含む標的媒体をキャリア流体と接触させるように適合可能、例えば構成可能であり、ここで、キャリア流体は液体および／または気体を含み得る。

本発明の実施形態による装置では、装置は、注入されたキャリア流体と周壁との間に、５ｍ／ｓを超える、例えば５ｍ／ｓから５００ｍ／ｓの範囲、例えば１０ｍ／ｓから３００ｍ／ｓの範囲、例えば１０ｍ／ｓ～１００ｍ／ｓの範囲の方位角速度を提供するように適合可能である。例えば、本発明の実施形態による装置では、分配器は、１００から２００ｒａｄ／ｓの範囲、例えば２００から１５００ｒａｄ／ｓの範囲、例えば２５０～１０００ｒａｄ／ｓの範囲の角速度で回転するように適合可能である。

本発明の実施形態による装置は、例えば、装置の動作前および／または動作中、標的媒体をチャンバ内にフィードするための入力フィード部を備えることができる。あるいは、チャンバは、標的媒体をチャンバに導入するために装置の動作前に開くことができるように構成されてもよい。

本発明の実施形態による装置は、分配器上に少なくとも１つのフィンを備えてもよく、少なくとも１つのフィンは分配器から対称軸に関して実質的に外向きの半径方向に延びる。少なくとも１つのフィンは、例えば、注入されたキャリア流体を実質的に内向きの半径方向に対応する流れ方向にそらしながら、注入されたキャリア流体と少なくとも１つのフィンとの間の運動量の伝達によって対称軸周りの分配器の回転を駆動するように適合、例えば構成または配置されてもよい。

しかしながら、分配器、例えば有孔シリンダに作用する接線方向のせん断応力は、例えば上で言及したフィンを必ずしも必要とすることなく、分配器の回転を駆動するのに十分であり得る。

本発明の実施形態による装置において、少なくとも１つのフィンは湾曲していてもよく、分配器に近位の（フィンの）固定端部に対して角度的にシフトされた分配器から遠位の自由端部を有し、その角度的シフトは、装置の動作中に少なくとも１つの流体入口によってキャリア流体がチャンバに注入される流れの方向に対抗する対称軸の周りの角度的シフトである。そのような湾曲したフィン、例えばタービンタイプのブレードは、入口流体からの運動量の伝達を有利に強化し得る。

本発明の実施形態による装置では、分配器、例えばローター部は一体的に形成されてもよく、例えば任意選択的に少なくとも１つのフィンを含む。

本発明の実施形態による装置では、流体分配器は、隙間によってチャンバの底壁および／または頂壁から分離されてもよい。この隙間は、装置の動作中、例えばチャンバ内の圧力をわずかに超えるまで、加圧されてもよい。これにより、隙間に進入する材料、例えば微粒子による摩擦の増加を有利に防止し得る。

本発明の実施形態による装置では、少なくとも１つのフィンは、分配器の周囲に均一に分布した少なくとも３つのフィンを含み得る。

本発明の実施形態による装置において、分配器は、注入されたキャリア流体が流体分配器を実質的に内向きの半径方向に通過することを許容するように穿孔が設けられたシリンダを含むことができる。例えば、分配器、例えば有孔シリンダの外周面は、４０％から９９％の範囲、例えば５０％から９０％の範囲の開放面積を有し得る。シリンダは、装置の動作中に、トロイダル固体床、液体層、または液固層ホルダを形成してもよい。

本発明の実施形態による装置では、底壁の少なくとも一部は底部プレートによって形成されてもよく、底部プレートは、対称軸に垂直な平面に対称軸を中心にして配置され、分配器が対称軸の周りを回転するときに機械的に静止したままであるように分配器から機械的に切り離される。

本発明の実施形態による装置では、底部プレートは、対称軸に関して回転対称であってもよい。底部プレートは、底部プレートの中央領域で頂壁に向かって延び、底部プレートの周辺領域において頂壁から離れる方に延びるようにテーパ状であってもよい。

本発明の実施形態による装置では、分配器は、分配器が対称軸の周りを回転することを可能にするように、例えば注入されたキャリア流体によって駆動されることを可能にするように自由に回転することを可能にするように、機械的に支持されてもよい。

本発明の実施形態による装置は、対称軸の周りを回転する回転可能なシャフトを備えることができ、回転可能なシャフトは分配器を機械的に支持し、分配器の回転を可能にするために、流体分配器に機械的に連結される。

本発明の実施形態による装置では、回転可能なシャフトは、チャンバのハウジングに形成されたカフと係合するための外部ベアリングをその外面に含むことができる。

本発明の実施形態による装置では、分配器は、回転可能なシャフトを分配器に、例えば注入されたキャリア流体が実質的に内向きの半径方向に分配器を通過することを許容するために穿孔が設けられたシリンダに、機械的に連結するための連結構造を備えてもよい。

本発明の実施形態による装置では、回転可能なシャフトは中空シャフトであってもよく、回転可能なシャフトは、その内面に、回転可能なシャフトの内側に同軸に設けられたスピンドルと係合するための内部ベアリングを含むことができる。このスピンドルは、底部プレートに機械的に連結されてもよい。

本発明の実施形態による装置では、連結構造は、シャフトに垂直に向けられたプレートを含むことができる。このプレートは、底部プレートと組み合わせてラビリンス流体シールを形成するように溝を付けられてもよい。

本発明の実施形態による装置は、キャリア流体をチャンバから流出させる出口を備える。例えば、本発明の実施形態による装置は、例えばチャンバの開口部を介して、チャンバからキャリア流体を収集するための、排気口、例えば煙突構造を含むことができ、例えば、出口は排気口、例えば煙突構造であり得る、または含んでもよい。排気口、例えば煙突構造は、例えば頂壁の中心領域において、頂壁の開口部を介してチャンバからキャリア流体を収集するように適合されてもよい。排気口、例えば煙突構造は、例えば底壁の中心領域において、底壁の開口部を介してチャンバからキャリア流体を収集するように適合されてもよい。排気口、例えば１つまたは複数の煙突構造は、例えば頂壁および底壁の中心領域において、頂壁および底壁の開口部を介してチャンバからキャリア流体を収集するように適合されてもよい。

本発明の実施形態による装置では、少なくとも１つの流体入口は、周壁の開口部で終わるノズルを含むことができ、このノズルは、周壁の内面に連続的におよび接線方向に接続する第１の壁セクションと、注入されたキャリア流体の流れを方位角によって内面に沿って集中させるように鋭角で内面に接続する第２の壁セクションとを有する。

第２の態様において、本発明はまた、キャリア流体と標的媒体との間の強力な界面運動量、質量および／またはエネルギー交換を必要とするプロセスにおいて標的媒体をキャリア流体と接触させる方法に関し、この方法は、
・キャリア流体と接触しながら標的媒体を含有するために、チャンバに標的媒体をフィードすることであって、このチャンバは対称軸に対して実質的に回転対称であり、方法を実行する間、機械的に静止したままであるように適合されている、フィードすること、
・例えばチャンバの周壁の少なくとも１つの開口部を介して、キャリア流体を圧力下でチャンバに注入することであって、この注入は周壁の内面に対して実質的に接線方向である、注入すること、
・該キャリア流体を該チャンバから流出させること、例えば出口を介してチャンバからキャリア流体を収集すること、および
・注入されたキャリア流体と分配器との間の運動量の伝達により、注入されたキャリア流体によってチャンバ内の流体分配器の回転を駆動することであって、注入されたキャリア流体は、対称軸に関して実質的に内向きの半径方向に対応する流れ方向にそらされ、対称軸に向かって分配器を通過する、駆動すること
を含む。

本発明の特定の好ましい態様は、添付の独立請求項および従属請求項に記載されている。従属請求項からの特徴は、独立請求項の特徴および他の従属請求項の特徴と適切に、単に特許請求の範囲に明示的に記載されているようにだけでなく、組み合わせることができる。

本発明のこれらの態様および他の態様は、以下に記載される実施形態を参照して明らかになり、解明されるであろう。

本発明の実施形態による例示的な装置の概略上面図を示す。 本発明の実施形態による例示的な装置の概略側面図を示す。 本発明の実施形態による例示的な装置の３次元概略図を示す。 本発明の実施形態による例示的な装置におけるチャンバおよび分配器の３次元詳細図を示す。 本発明の実施形態による例示的な装置におけるチャンバ、分配器およびシャフトの断面図を示す。 本発明の実施形態による例示的な装置のシャフトの断面を示す。 本発明の実施形態による装置のローター部を概略的に示す。 本発明の実施形態による装置および方法によって達成できる流動床の方位角速度と、従来技術の遠心気固流動化技術の方位角速度との比較を例として示す。 本発明の実施形態による装置の分配器を概略的に示す。 本発明の実施形態によるシステムを示す。 本発明の実施形態を説明するための例における圧力測定箇所の位置を示す。 本発明の実施形態を説明するための例における、本発明の実施形態による装置の下に配置されたデジタルカメラからの眺めを示す。 本発明の実施形態を説明するための例における２次元粒子画像速度測定のセットアップを示す。 本発明の実施形態を説明する例において、空気入口速度および空気質量流量の関数として、無粒子流および粒子流の両方についてローターの回転速度を示す。 本発明の実施形態を説明するための例において、空気入口速度および空気質量流量の関数として、計算された固体床方位角速度を示す。 本発明の実施形態を説明するための例において、無粒子流および粒子流の５つの例示的なケースのガス入口ジャケット内の圧力分布を示す。 本発明の実施形態を説明する例において、チャンバｐ１およびチャンバｐ４におけるジャケットｐ１に関する圧力差を示す。 本発明の実施形態を説明するための例において、図１７に示される圧力差に関係する圧力タップの詳細な幾何形状および半径方向位置を示す。 本発明の実施形態を説明するための例において、排気口ｐ１、ｐ２、ｐ３およびｐ４の位置におけるジャケットｐ１に関する圧力差を示す。 本発明の実施形態を説明するための例において、図１９に示される圧力差に関連する圧力タップの位置を示す。 本発明の実施形態を説明するための例において、図２２に示される圧力差に関係する圧力タップの位置を示す。 本発明の実施形態を説明するための例において、「上部外壁」、「上部中心」および出口ラインの位置におけるジャケットｐ１に関する圧力差を示す。 本発明の実施形態を説明するための例における、無粒子流および粒子流の圧力プロファイルを示す。 本発明の実施形態を説明するための例において、無粒子流および粒子流の合計圧力降下に対する本発明の実施形態による装置の３つのセクションの寄与を示す。 本発明の実施形態を説明する例において、３種類の異なる空気質量流量についてＰＩＶを介して測定された方位角速度を示す。 本発明の実施形態を説明するための例において、圧力測定値およびＰＩＶ測定値から得られたローターの角速度を示す。 本発明の実施形態を説明するための例において、ＰＩＶを介して得られた瞬間粒子画像、および対応する速度場を示す。 本発明の実施形態を説明するための例において、無粒子流の場合の空気から伝達される運動エネルギーと、ローターの回転運動エネルギーとを示す。 本発明の実施形態を説明するための例において、粒子流の場合の空気によって伝達される運動エネルギーと、ローターの回転運動エネルギーとを示す。 本発明の実施形態を説明する例において、キャリア流体によって駆動される回転標的媒体を示す。

図面は概略図に過ぎず、非限定的である。図面中、例示の目的で、いくつかの要素のサイズは誇張されていて、一定の縮尺比で描かれていない場合がある。

特許請求の範囲中の参照符号は、範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

異なる図面中、同じ参照符号は同じまたは類似の要素を指す。

本発明を特定の実施形態に関して特定の図面を参照して記載するが、本発明はそれらに限定されず、特許請求の範囲によってのみ限定される。記載されている図面は概略図に過ぎず、非限定的である。図面中、例示の目的で、いくつかの要素のサイズは誇張されていて、一定の縮尺比で描かれていない場合がある。寸法および相対寸法は、本発明の実施に対する実際の縮小に対応していない。

さらに、本記載中および特許請求の範囲中の第１、第２および同様の用語は、類似の要素を区別するために使用され、必ずしも時間的に、空間的に、順位付けにおいてまたは他の方法において順序を記載するために使用されない。そのように使用される用語は適切な状況下で交換可能であり、本明細書に記載される本発明の実施形態は、本明細書に記載または例示される以外の他の順序でオペレーション可能であることを理解されたい。

さらに、本記載中および特許請求の範囲中の上、下および同様の用語は、説明の目的で使用されており、必ずしも相対的な位置を記載するために使用されない。そのように使用される用語は適切な状況下で交換可能であり、本明細書に記載される本発明の実施形態は、本明細書に記載または説明される以外の他の向きでオペレーション可能であることを理解されたい。

特許請求の範囲で使用される「備える」という用語は、その後に列記された手段に限定されると解釈されるべきではなく、他の要素もステップも排除しないことに留意されたい。したがって、それは言及された特徴、整数、ステップまたは構成要素の存在を特定するものと解釈されるが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップまたは構成要素、あるいはそれらのグループの存在も追加も排除しない。したがって、表現「手段ＡおよびＢを備える装置」の範囲は、構成要素ＡおよびＢのみからなる装置に限定されるべきではない。それは、本発明に関して、装置の関連する構成要素がＡおよびＢのみであることを意味する。

本明細書を通した「一実施形態」または「実施形態」への言及は、その実施形態に関連して記載した特定の特徴、構造または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書を通した様々な場所での「一実施形態では」または「実施形態では」という語句の出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を指しているわけではないが、その可能性もある。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において、本開示から当業者には明らかなように、任意の適切な方法で組み合わせることができる。

同様に、本発明の例示的な実施形態の記載において、本発明の様々な特徴は、本開示を簡素化し、様々な発明的態様の１つまたは複数の理解を助ける目的で、単一の実施形態、図、またはその記載にまとめられることがあることを理解されたい。しかしながら、この開示方法は、特許請求された発明が各クレームで明示的に言及されているよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映していると解釈されるべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が反映するように、発明的態様は、単一の前述の開示された実施形態のすべての特徴よりも少ない中にある。したがって、詳細な記載に続く特許請求の範囲は、この詳細な記載に明示的に組み込まれ、各請求項は本発明の別個の実施形態として独立している。

さらに、本明細書に記載されるいくつかの実施形態は他の実施形態に含まれる一部の特徴だけを含むが、異なる実施形態の特徴の組み合わせは、本発明の範囲内であり、当業者によって理解されるように異なる実施形態を形成することを意味する。例えば、以下の特許請求の範囲では、特許請求された実施形態のいずれも、任意の組み合わせで使用することができる。

本明細書で提供される記載では、多数の特定の詳細が示されている。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの特定の詳細なしで実施され得ることが理解される。他の例では、この記載の理解を不明瞭にしないために、周知の方法、構造、および技術は詳細に示されていない。

本発明の実施形態において「圧力下」に言及する場合、装置の動作中の圧力勾配の適用または源、例えば流体入口から標的、例えばチャンバへ流体を強制的に注入するなどの方法の適用に言及する。したがって、圧力下でキャリア流体をチャンバに注入するための流体入口への言及は、流体入口内、例えば流体入口の流体受入れ端部の近くの流体に、チャンバ内に、例えば流体入口の流体出口付近に確立されている圧力よりも実質的に高い圧力が加えられるときにキャリア流体をチャンバ内に入れるのに適した流体入口を意味し得る。

本発明の実施形態において、「実質的に回転対称」または「回転対称」に言及する場合、これは、周囲壁内の流体入口に起因するあらゆる非対称性が無視される限りにおいて、および／または装置の機能および／または動作に著しい影響を及ぼさない回転対称性からのわずかな逸脱が無視される限りにおいて、回転対称性を指し得る。したがって、回転対称性の逸脱が些細なものである場合、文字通りの回転対称性を欠く装置は、意図した範囲外にあると見なされるべきではない。

本発明の実施形態において、接線方向、方位角方向、半径方向、および／または軸方向に言及する場合、これらは、軸方向が以下で言及されるように本発明の実施形態による装置内のチャンバの対称軸によって識別される円筒座標系または円筒方向参照系に関して解釈され得る。

第１の態様では、本発明は、標的媒体をキャリア流体と接触させるための装置に関する。装置は、周囲壁、底壁、および頂壁を備えるチャンバを備え、チャンバは、装置の動作中にキャリア流体と接触しながら標的媒体を含有するためのエンクロージャを形成するように構成される。チャンバは、対称軸に対して実質的に回転対称である。チャンバは、装置の動作中に機械的に静止したままであるように適合されている。この装置は、加圧下でキャリア流体をチャンバ内に注入するための少なくとも１つの流体入口を備えている。少なくとも１つの流体入口は、キャリア流体を、周囲壁の内面に対して実質的に接線方向にチャンバに注入するように適合されている。装置は、チャンバ内に配置された流体分配器も備え、この流体分配器は、注入されたキャリア流体が対称軸に対して実質的に半径方向内側に分配器を通過できるようになっている。分配器は、対称軸に対して実質的に回転対称である。さらに、分配器は、対称軸の周りを回転するように適合されている。この回転は、装置の動作中に、注入されたキャリア流体と分配器との間の運動量の移動によって駆動される。

図１から図９を参照すると、本発明の実施形態による例示的な装置１が示されている。この装置１は、標的媒体をキャリア流体と接触させるのに適している。

有利に、装置は、１０ｍ／ｓ以上、例えば１０ｍ／ｓから１００ｍ／ｓの範囲、場合によってはさらに高い最大方位角速度で操作可能であり、例えばそのような最大方位角速度での操作に適している可能性があり、８ｇ／ｓから３０ｇ／ｓの範囲の比較的低いキャリア流体質量率に対して達成可能である。

装置１は、周壁３、底壁４および頂壁５を備えるチャンバ２であって、装置の動作中にキャリア流体と接触しながら標的媒体を含有するためのエンクロージャを形成するように構成されたチャンバ２を備える。

チャンバ２は対称軸Ａに関して実質的に回転対称である。例えばチャンバ２は形状が概して円形および／または円筒形であってもよい。

チャンバ２は、装置の動作中に機械的に静的なままであるように適合される。チャンバは、ステーターまたはステーター部品と呼ばれる場合がある。チャンバは、例えば地上で、例えば装置の動作中に地表に対して固定された点および固定された方向に結び付けられた基準フレームに関して静止したままであるために、安定して支持されるためのハウジングの一部を形成してもよく、またはハウジングに静的に機械的に連結されてもよい。

チャンバ２は、特に、装置の通常の動作において外部の静的な基準フレームに対して回転するのに適さない場合がある。

この装置は、圧力下でキャリア流体をチャンバ内に注入するための、例えば圧力差の下で、例えば装置の動作中にチャンバと少なくとも１つの流体入口との間に圧力差が適用されたときにキャリア流体を注入するための少なくとも１つの流体入口６を備える。

少なくとも１つの流体入口６は、チャンバ２の周壁３に開口部を形成してもよい。しかしながら本発明の実施形態は必ずしもそれに限定されず、例えば、少なくとも１つの流体入口６は、底壁４に、頂壁５に、または周壁３、底壁４および／または頂壁５の任意の組み合わせにおいて開口部を形成してもよい。

少なくとも１つの流体入口６は、キャリア流体を周壁３の内面に対して実質的に接線方向にチャンバに注入するように適合されている。

装置はまた、チャンバ２に配置された流体分配器７を備え、流体分配器７は、注入されたキャリア流体が対称軸Ａに対して実質的に内向きの半径方向に分配器を通過できるように適合される。分配器７は対称軸Ａに関して実質的に回転対称である。

流体分配器７は対称軸Ａの周りを回転するようにさらに適合される。この回転は、装置の動作中、例えば分配器が、注入されたキャリア流体を実質的に内向きの半径方向に対応する流れ方向にそらす間、注入されたキャリア流体と分配器との間の運動量の伝達によって駆動される。

本発明の実施形態による装置では、流体分配器７は、例えば、せん断応力に起因するキャリア流体から分配器への運動量の伝達により、対称軸の周りを回転するように適合可能である、例えば構成可能である。

本発明の実施形態による装置では、チャンバは、固相を含む標的媒体をキャリア流体中で流動化させるための流動床を形成してもよく、例えばここでキャリア流体は液体および／または気体を含み得る。例えば、装置の動作中、流動床は、回転流体分配器７によって支持されてもよい。

本発明の実施形態による装置では、チャンバは、液体を含む標的媒体をキャリア流体と接触させるように適合可能、例えば構成可能であり、例えばここで、キャリア流体は流体および／または気体を含み得る。例えば、装置の動作中、液体層または固液層が、回転流体分配器７によって支持されてもよい。

例えば、標的媒体は第１の液体を含むことができ、キャリア流体は第２の液体を含むことができ、ここで第１の液体と第２の液体は相互に不混和性である。

本発明の実施形態による装置では、流体分配器７は、１００から２００ｒａｄ／ｓの範囲、例えば２００から１５００ｒａｄ／ｓの範囲、例えば２５０～１０００ｒａｄ／ｓの範囲の角速度で回転するように適合可能である。

図３を参照すると、本発明の実施形態による装置は、例えば装置の動作前および／または動作中、標的媒体をチャンバ２にフィードするための入力フィード部８を含んでもよい。あるいは、チャンバは、装置の動作前に標的媒体をチャンバに導入するために開くことができるように構成されてもよい。例えば、上蓋９は装置の動作前にチャンバ２へのアクセスを提供するために（可逆的に）取り外し可能であってもよい。

本発明の実施形態による装置は、分配器７上に少なくとも１つのフィン１０を備えることができ、少なくとも１つのフィンは、分配器７から対称軸に対して実質的に外向きの半径方向に延びる。少なくとも１つのフィン１０は、注入されたキャリア流体と少なくとも１つのフィン１０との間の運動量の伝達により、対称軸Ａの周りの分配器７の回転を駆動するように適合されてもよく、この間同じく、例えば同時に、注入されたキャリア流体を実質的に内向きの半径方向に対応する流れ方向にそらす。

本発明の実施形態による装置では、少なくとも１つのフィン１０は湾曲していてもよく、分配器７に近位の（フィンの）固定端部に対して角度的にシフトされた分配器７から遠位の自由端部を有し、その角度的シフトは、装置の動作中に少なくとも１つの流体入口によってキャリア流体がチャンバ２に注入される流れの方向に対抗する対称軸の周りの角度的シフトである。

例えば、フィン１０の自由端部分は、チャンバ２の周壁３から１０ｍｍ未満、例えば５ｍｍ未満、例えば０ｍｍから３ｍｍの範囲、例えば１ｍｍの距離だけ分離されてもよい。

本発明の実施形態による装置では、少なくとも１つのフィン１０は、分配器７の周囲に均一に分布した少なくとも３つのフィンを含むことができる。

図７を参照すると、本発明の実施形態による装置では、分配器７は、注入されたキャリア流体が流体分配器７を実質的に内向きの半径方向に通過することを許容するように穿孔が設けられたシリンダ１６を含むことができる。例えば、穿孔はスリットを含んでもよい。例えば、スリットは、例えば破損した組積構造と同様の方法でスリットをオフセットするために、Ｈ字形パターンのスリットを形成するように配置されてもよい。これにより、良好な開放領域を有利に提供することができ、同時に、例えば特に高速で回転するときの一体性を保証するために、シリンダに良好な構造的完全性を依然として提供することができる。

図９を参照すると、分配器７は、シリンダの頂端および底端に設けられ、半径方向内側に延びる端部プロファイル９１をさらに備えてもよい。任意選択的に、これらのプロファイルはテーパ状であってもよく、それにより例えば半径方向にシリンダ１６に向かう方向に厚さを増すようにする、および／または軸方向に測定した両方の端部プロファイル９１間の距離がシリンダ１６に向かって減少するようにする。シリンダと頂および底端部プロファイルとは、装置の動作中に流動床、液体層または液固層を保持するためのコンパクトな支持体を有利に形成してもよく、例えば静的チャンバと、シリンダと共回転する標的媒体との間の速度の差による起こり得る摩擦損失を低減する。

別の態様では、本発明は、本発明の第１の態様の実施形態による装置で使用するためのローター部にも関し得る。このローター部は、流体分配器７、例えばシリンダ１６、例えば有孔シリンダを含むことができる。ローター部はまた、回転可能なシャフト１２を流体分配器７に、例えばシリンダ１６に機械的に連結するための連結構造１５を備えてもよい。連結構造１５はプレート１９を備えてもよい。このプレートは、例えば図５に示されるように、底部プレートと組み合わせてラビリンス流体シール７１を形成するように、溝を付けてもよい。ローター部は、少なくとも１つのフィン１０を備えてもよい。

ローター部は、ポリマー材料、例えば、透明なポリマーから構成されてもよい。

一例として、実施形態はこれに限定されることを意図しないが、この材料は、１１８０から１２００ｋｇ／ｍ^３の範囲の密度、および／または４９から５０ＭＰａの範囲の引張強度を有し得る。例えば、ローター部は、１ｇから２５０ｇの範囲、好ましくは５ｇから１００ｇの範囲、例えば２５ｇから５０ｇの範囲、例えば３８ｇの質量を有することができる。例えば５８％の内縁における開放円周面積部分を得るように、シリンダに穿孔が提供されてもよい。シリンダは、例えば、４０ｍｍから１６０ｍｍ、例えば６０ｍｍから１００ｍｍ、例えば７０ｍｍから９０ｍｍの範囲、例えば８０ｍｍの内径を有してもよい。シリンダは、０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲、例えば１ｍｍから５ｍｍの範囲、例えば２ｍｍの厚さを有してもよい。フィン１０は、１ｍｍから１０ｍｍの範囲、例えば２ｍｍから５ｍｍの範囲、例えば３ｍｍの厚さを有してもよい。

例えば、本発明の実施形態はこれに限定されないが、ローター部は、単一部品（例えば交換可能な部品）としてステレオリソグラフィーを使用して３Ｄ印刷されてもよい。

有孔シリンダ１６は、４０％から９９％の範囲の、例えば５０％から９０％の範囲の開放面積を有することができる。例えば、「開放面積」とは、穿孔が存在しないと見なされる場合のシリンダの全面積に対する穿孔の総面積の比率を指し得る。

「穿孔」という用語は、必ずしも穿孔の行為によって得られた開口部を指すのではなく、別の方法によって得られた同様の開口部を等しく指す場合がある。例えば、例えば３Ｄ印刷技術を使用してシリンダを一体的に形成することにより、または分配器７を一体的に形成することにより、例えば分配器と、任意選択的に分配器上に少なくとも１つのフィンとを含むローター部を一体的に形成することにより、シリンダを構築する際に穿孔がシリンダに等しく一体的に形成されてもよい。

シリンダは、装置の動作中に、トロイダル固体床、液体層、または液固層ホルダを形成してもよい。

図４を参照すると、本発明の実施形態による装置では、底壁４の少なくとも一部は底部プレート１１によって形成されてもよく、底部プレート１１は、対称軸Ａに垂直な平面に対称軸Ａを中心にして配置され、分配器７が対称軸Ａの周りを回転するときに機械的に静止したままにするためになど、分配器７から機械的に切り離される。

本発明の実施形態による装置では、底部プレート１１は、対称軸Ａに関して回転対称であってもよい。底部プレートは、底部プレートの中央領域で頂壁５に向かって延び、底部プレートの周辺領域において頂壁から離れる方に延びるためになど、テーパ状であってもよい。言い換えれば、底部プレートは、底部プレートの周辺領域よりも底部プレートの中央領域で頂壁５に近くなるためになど、テーパ状にされてもよい。

本発明の実施形態による装置では、流体分配器７は、分配器７が対称軸の周りを回転することを可能にするように、例えば注入されたキャリア流体によって駆動されることを可能にするように自由に回転することを可能にするように、機械的に支持されてもよい。

図５および図６を参照すると、本発明の実施形態による装置は、対称軸Ａの周りを回転する回転可能なシャフト１２を備えることができ、回転可能なシャフトは分配器７を機械的に支持し、分配器７の回転を可能にするために、流体分配器７に機械的に連結される。例えば、回転可能なシャフトは、金属シャフト、例えば、ＳＳ３１６ステンレス鋼で構成されるものなど、ステンレス鋼シャフトであり得る。

本発明の実施形態による装置では、回転可能なシャフト１２は、その外面にチャンバのハウジングと係合するための、例えばチャンバのハウジングに形成されるカフ１４と係合するための、外部ベアリング１３、例えば、ボールベアリング、例えば少なくとも１つの低摩擦ベアリングを含むことができる。

本発明の実施形態による装置では、分配器は、回転可能なシャフト１２を流体分配器７に、例えば注入されたキャリア流体が実質的に内向きの半径方向に分配器を通過することを許容するために穿孔が設けられたシリンダ１６に、機械的に連結するための連結構造１５を備えてもよい。

本発明の実施形態による装置では、回転可能なシャフト１２は、中空シャフト、例えば、中空金属シャフトであってもよく、回転可能なシャフトは、その内面に、回転可能なシャフトの内側に同軸に設けられたスピンドル１８と係合するための、内部ベアリング１７、例えばボールベアリング、例えば少なくとも１つの低摩擦ベアリングを含むことができる。このスピンドル１８は、底部プレート１１に機械的に連結されていてもよい。

シャフトは、５０００から１５０００ｋｇ／ｍ^３の範囲、例えば約８０００ｋｇ／ｍ^３の密度、および３００から９００ＭＰａの範囲、例えば約５１５ＭＰａの引張強度を有する材料から構成されてもよいが、本発明の実施形態はそのような例示的な値に制限されない。

シャフトは少ない質量、例えば０ｇから５００ｇの範囲、例えば好ましくは２５ｇから２５０ｇの範囲、例えば４０ｇから１００ｇの範囲、例えば約６０グラムを有してもよい。

本発明の実施形態による装置では、連結構造１５は、シャフトに垂直に向けられたプレート１９を含むことができる。このプレートは、例えば図５に示されるように、底部プレートと組み合わせてラビリンス流体シールを形成するためになど溝を付けられてもよい。

例えば図３を参照すると、本発明の実施形態による装置は、例えば頂壁の中心領域において、頂壁の開口部を介してチャンバからキャリア流体を収集するための、排気口２０、例えば煙突構造を含むことができる。例えば、気体出口２１を排気口２０に接続することができる。

再び図１を参照すると、本発明の実施形態による装置では、少なくとも１つの流体入口６は、周壁の開口部で終わるノズルを含むことができ、このノズルは、周壁の内面に連続的におよび接線方向に接続する第１の壁セクションと、注入されたキャリア流体の流れを方位角によって内面に沿って集中させるためになど鋭角で内面に接続する第２の壁セクションとを有する。

第２の態様において、本発明はまた、標的媒体をキャリア流体と接触させる方法に関する。この方法は、キャリア流体と接触しながら標的媒体を含有するためのチャンバに標的媒体をフィードすることを含み、例えば標的媒体はキャリア流体と接触しながら含有される。チャンバは、対称軸に対して実質的に回転対称であり、方法の実行中に機械的に静止したままであるように適合されている。

この方法は、キャリア流体を、例えばチャンバの周壁の少なくとも１つの開口部を介して、圧力下でチャンバに注入するステップを含み、この注入は周壁の内面に対して実質的に接線方向である。

この方法は、注入されたキャリア流体と分配器との間の運動量の伝達により、注入されたキャリア流体によってチャンバ内の流体分配器の回転を駆動することを含み、ここで注入されたキャリア流体は、対称軸に対して実質的に内向きの半径方向に対応する流れ方向にそらされ、分配器を対称軸に向かって通過する。

本発明の実施形態による方法のさらなる特徴は、本発明の第１の態様の実施形態に関する上記の記載から明らかになるであろう。特に、本発明の実施形態による方法は、本発明の第１の態様の実施形態に従って装置を動作させること、例えば上記の装置の特徴の機能を取得するステップを実行することを含み得る。

第３の態様では、本発明は、本発明の第１の態様の実施形態による装置を含むシステムにも関する。例えば、図１０は、例示的なシステム１００などを示している。本発明の実施形態によるシステムは、キャリア流体用の供給ライン、例えば圧力調節器１０２に接続された加圧空気供給部１０１を備えていてもよい。キャリア流体は、制御された圧力下で、本発明の実施形態による装置１に提供されてもよい。例えば、本例では、２００～３００ｋＰａの圧縮空気が、チャンバに入る前に流量計と制御弁を通って流れる場合がある。

システムは、例えば装置１に固体を提供するためのフィーダ機構を含むことができる。例えば、そのようなフィーダ機構は、例えば圧力調節器１０６によって加圧空気供給部１０５に接続された、フィーダエンクロージャ１０４、例えば圧力制御された重量測定フィーダから標的媒体を制御可能に抽出するためのインジェクタスクリュ１０３を含むことができる。例えば、重量測定フィーダは、固体をチャンバに運ぶ直径１０ｍｍのインジェクタスクリュに固体粒子を送達することができる。加圧空気に接続された耐漏れ性の金属製のエンクロージャが重量測定フィーダを囲んでもよい。このような耐漏れ性の金属製のエンクロージャにより、重量測定フィーダより上の圧力を、例えばこの例では最大値３００ｋＰａまで調整することが可能であり得る。

装置１の排気口、例えば装置１の出口または煙突構造が、システムの出口、例えば空気出口１０７に接続されてもよい。バッグフィルタ１０８を装置１の排気口と出口１０７との間に設けて、排気空気から固体粒子を分離することができる。

システムは、当技術分野で知られているように、流量計１０９、温度インジケータＴＩ、圧力インジケータＰＩ、流量インジケータＦＩ、および流量トランスミッタＦＴなどの制御および測定手段をさらに備えてもよい。

本発明の実施形態を示す例において、図８は、楕円充填マーカ８１で表される本発明の実施形態による装置および方法によって達成され得る流動床の方位角速度と、楕円形中空マーカ８２で表される従来技術の遠心気固流動化技術による装置および方法によって達成され得る流動床の方位角速度との比較を示す。四角マーカは、Ｋｏｖａｃｅｖｉｃ ｅｔ ａｌ、Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ｓｃｉ．１２３、ｐｐ．２２０～２３０による「冷流気体－固体渦リアクタの固体速度分野」からの結果に対応し、および三角形のマーカはその著者らによって得られた他の結果を表す。すべてのマーカは外縁を表している。

この例における従来技術の参考文献は、例えば、Ｄｅ Ｗｉｌｄｅ、Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｉｎｔｅｎｓｉｆ．８５、ｐｐ．２５６～２９０による「渦チャンバ内の気体－固体流動床」に開示されているような当技術分野で知られている気体－固体渦リアクタに対応する。

従来技術の参照方法は、楕円中空マーカ８２によって示されるように比較的高い空気質量流量を必要としながら、１０ｍ／ｓ未満の固体床方位角速度に達する可能性がある。本発明の実施形態によるアプローチは、楕円充填マーカ８１で示されるように実行することができる。例えば、従来技術の遠心技術により床が受ける最大遠心加速度は、例えば重力加速度の１５０倍であった。対照的に、本発明の実施形態によるアプローチは、驚くべきことに、地球重力の５０００倍に等しい最大遠心加速度を示した。さらに、現在の例では、同等の遠心加速度に達するには、ガス質量流量の約５０％の減少で十分であり得る。さらに、入ってくる空気の運動エネルギー以外の外部エネルギー消費は有利に必要とされないだろう。逆に、同等の遠心加速度に到達するための圧力降下の約５０％の減少が観察された。

本発明による装置の一例として、図１０に示されるようなシステムが実施された。ＣＯＰＥＲＩＯＮ Ｋ－ＴＲＯＮから入手可能な重量測定フィーダ、モデルＫＭＬＳＦＳＫＴ２０を、固体を装置のチャンバに運ぶ直径１０ｍｍのインジェクタオーガに固体粒子を送達するために使用した。重量測定フィーダの耐漏れ性エンクロージャは、最大３００ｋＰａの加圧空気供給部に接続された。２００～３００ｋＰａの圧縮空気が、チャンバに入る前に、ＢＲＯＮＫＨＯＲＳＴから入手可能な流量計、モデルＥＬ－ＦＬＯＷ（登録商標）およびＢＡＤＧＥＲ ＭＥＴＥＲから入手可能な制御弁、モデルＲＥＳＥＡＲＣＨＣＯＮＴＲＯＬ（登録商業）を通って流れる。ＦＩＬＴＥＸから入手可能なバッグフィルタ、モデル６９４３は、装置の出口で排気から固体粒子を分離する。

この例では、装置は例えば図７に示すような回転可能な有孔シリンダを備える。シリンダの公称直径は８０ｍｍである。チャンバの公称高さは１５ｍｍである。

この例示的な実験では、１２個の差圧センサと３個の絶対圧センサ（ＵＮＩＫ ５０００）を使用した。差圧センサのスパンは－２０～２０ｋＰａ、２つの絶対圧センサのスパンは８０～１２０ｋＰａ、残りの絶対圧センサのスパンは８０～１６０ｋＰａである。すべての圧力センサの周波数応答は３．５ｋＨｚで、フルスケール精度は±０．０４％である。周波数１０Ｈｚのデータ収集ボード（ＭＩＣＲＯＳＴＡＲ ＬＡＢＯＲＡＴＯＲＩＥＳから入手可能なＤＡＰ８４０）を使用した。

圧力測定用のタップの位置を図１１に示す。最大スパンの絶対圧センサは１２時の位置から時計回り方向に７０°のところでジャケットの外壁のタップに接続した。その絶対圧センサは、図１１で「ジャケットｐ１」として識別される。ジャケットｐ２、ｐ３およびｐ４として識別される３つの差圧センサは、１２時の位置から時計回り方向に１３０°、１９０°および２５０°の方位角でジャケット外壁のタップに接続した。４つの差圧センサは、一定の方位角で、２０～３０ｍｍの半径方向位置でチャンバ内にあるタップに接続した。これらの差圧センサは、図１１でチャンバｐ１、ｐ２、ｐ３およびｐ４として識別される。さらに、４つの差圧センサ、排気口ｐ１、ｐ２、ｐ３およびｐ４を発散排気口の壁のタップに接続した。最後に、差圧は上蓋の周壁でも測定し、その位置は図１１で上部ｐ２として識別される。絶対圧力は、上蓋の中央に位置する上部ｐ１とガス出口ラインで測定した。後者のタップの位置は図１１には示されていない。すべての差圧センサはそれらの基準としてジャケットｐ１に配置された絶対センサを有した。すべての圧力センサは、この例示的な実験中に毎日再較正された。

実験は、本発明の実施形態に従って装置の下に配置されたデジタルカメラ（ＧＯＰＲＯ ３＋）で記録した。デジタルカメラからの眺めの図を図１２に示す。透明なポリカーボネートガラス製の５つの円形ビューポート１２１が底蓋の下に均等に配置されている。したがって、３０ｍｍ～４３ｍｍの半径位置に視覚的にアクセスできる。その結果、実験中にローター外周壁とともに最大１０ｍｍの床高さが観察された。図１２に示すように、３０ｍｍ未満の半径位置への視覚的アクセスは静的な底端壁によって制限されていることに注意されたい。デジタルタコメータ（モデル４７０、ＴＥＳＴＯ）を水平に配置し、ステンレス鋼シャフトの静的カバーを貫通する穴を通してビームを向ける。さらに、流量計に接続された読み取り値が、実験中に記録されるために収容された。

デジタルカメラからのビデオ画像は、実験中に継続的に監視されるように便利な位置にあるスクリーンに表示した。ビデオで同時に観測および記録されたデータは、気体体積流量、床の高さ、ローターの角速度である。

空気体積流量は、ＰＩＤコントローラ（モデルＣｏｍｐａｃｔ Ｖ２、ＳＩＥＭＥＮＳ）を介して制御した。ＰＩＤのパラメータは、自励発振法に従って設定した。最大空気質量流量は１７．５ｇ／ｓであり、これは８２ｍ／ｓの吸気速度に相当する。固体が存在しない場合、ローターは７．０ｇ／ｓの空気質量流量で回転し始めた。これは、４１ｍ／ｓの吸気速度に相当する。無粒子流と粒子流の実験の両方が、この空気質量流量範囲に制限された。しかしながら、より高い空気質量流量の実験は実行可能と見なされる。上記の空気質量流量範囲の上限でのローターの回転速度が１０５０ｒａｄ／ｓ（毎分１００００回転）を超えたとしても、この例示的な実験の終わりには、ローターの変形および／またはフィンの分離の視覚的な兆候はなかった。

空気体積流量は５．６・１０^－３ｍ^３ｓ^－１に設定した。これは、１２ｇ／ｓの空気質量流量および６２ｍ／ｓの気体入口速度に相当する。これらの条件では、気体入口ジャケットの圧力は１１４から１１５ｋＰａまで変化した。

重量測定フィーダは、総質量５０～１００ｇの固体のバッチをインジェクタスクリュの入口アセンブリに引き渡した。固体は、平均ペレット密度５００ｋｇ ｍ^－３、および最大寸法１．５ｍｍの松材で構成されていた。

１２５～１３０ｋＰａの圧力を、重量測定フィーダを囲む金属製エンクロージャ内に設定した。

インジェクタスクリュは５０～１００ｒａｄ／ｓの回転速度で駆動した。チャンバ内の固体床の存在は、透明なガラスのビューポートを介した目視検査によって確認した。

特定の固体負荷に達したら、固体インジェクタをオフにした。続いて、重量測定フィーダを取り囲むエンクロージャ内の圧力をチャンバ内の圧力よりも低い値に設定して、インジェクタスクリュ内の固体がチャンバに到達しないようにした。

気体体積流量は実験計画で示された値に設定した。その後、ビデオおよび圧力データ収集システムを同時に開始した。データ収集とビデオの記録は６０～１２０秒後に同時に停止した。

この手順は、４つの異なる空気質量流量に対して同じ固体負荷で繰り返した。実験は、０．７から５．９ｇまで変わるさまざまな固体負荷で、また無粒子流で実行した。

次に、固体フィードシステムを減圧し、気体体積流量を８．３・１０^－３ｍ^３ｓ^－１に設定した。この状態でローターは停止し、気体体積流量は５．６・１０^－３ｍ^３ｓ^－１に増加して、チャンバ内に残った固体を同伴した。

最後に、バグフィルタに保持されている固体の質量を測定し、チャンバを開いてローターの機械的完全性を検査した。

各例示的な実験の終わりに、ビューポートを介した視覚的アクセスはわずかに遮られた。これは、静止端壁とローターの間の隙間に少量のダストが存在することを示した。チャンバへの視覚的アクセスが明瞭になるまで、回転速度を測定するために使用される穴から加圧空気を吹き込んだ。

上記の実験に加えて、２次元粒子画像速度測定（２Ｄ ＰＩＶ）測定を実施して、固体床の方位角速度と、それらがローターの方位角速度と異なるかどうかを評価した。２Ｄ ＰＩＶ装置には、４ ＭＰ ＣＣＤカメラ１３１（ＩｍａｇｅｒＰｒｏＸ４Ｍ）と１３５ ｍＪ、１５ Ｈｚ、Ｎｄ：ＹＡＧ Ｌｉｔｒｏｎレーザが装備した。光学系のセットを使用して、拡散レーザ光１３２、例えば二重パルス拡散レーザ光をビューポートに向けて、ＰＩＶカメラを底端壁に垂直に設定して、例えば、図１３に示されるように、ローター外周壁１３５に保持された固体床１３４の照射された粒子の画像を撮影した。固体粒子当たりのピクセル数は、２００から３０００まで変化した。したがって、ＰＩＶ試験セクション１３３は、その設定によって定義される。

図１４は、無粒子流と５．９ｇの固体負荷での粒子流の両方に対するローターの回転速度を示している。図１４の二次ｘ軸の空気入口速度は、主ガス入口の断面積が高さ１５ｍｍ、幅９ｍｍの長方形であることを考慮して計算した。ジャケットへのガスフィードラインの接続部での断面積の減少は、入ってくる新鮮な空気の速度を増加させる。さらに、ブレードとジャケットの外壁との間には１ｍｍの隙間があり、これはジャケットの周りの空気の循環を可能にする。この１ｍｍの隙間は、ローターに伝達される運動量とジャケット内の圧力方位角対称性の間の妥協点を見つける最初の試みである。

ローターの総質量は９８ｇであり、５．９ｇの固体負荷は、無粒子流の場合と比べて質量が６％増加することを表す。床の目視検査は床の高さが約９ｍｍだけわずかに変動することが示した。その床の高さと４５０～５００ｋｇ ｍ^－３の平均ペレット密度の場合、計算された床の空隙率は０．５６から０．６１まで変化する。ローターの角速度は、無粒子流と粒子流の両方でＳ字型の曲線に従う空気質量流量の増加とともに増加した。粒子流のローター角速度は、無粒子流のローター角速度よりも高かった。空気質量流量が９．１から１１．５ｇ／ｓに増加すると、粒子流と無粒子流の角速度の差は６２から７７ｒａｄ／ｓまで増加した。この空気質量流量範囲は、５１および６２ｍ／ｓの吸気速度に相当した。７２および８２ｍ／ｓのそれぞれの吸気速度に相当する最後の２つの空気質量流量、すなわち１４．５および１７．５ｇ／ｓでは、粒子流と無粒子流の角速度の差は８２ｒａｄ／ｓ付近で安定した。

以下でさらに考察するＰＩＶの結果は、ローターと固体床の間の方位角速度の平均差が３％であることを示した。したがって、図１４の角速度は、固体床の角速度の最初の指標である。内縁および外縁、すなわち３１および４０ｍｍの半径方向位置での計算された固体床の方位角速度が図１５に示されている。計算は、ローターと床の方位角速度との間の３％の観測差を考慮する。固体床の中心、すなわち半径３５．５ｍｍで計算された半径方向に依存する遠心加速度は、地球の重力加速度の３４０から４７１０倍まで変化する。

図１６は、無粒子流および５つの粒子流の場合の気体入口ジャケット内の圧力分布を示している。後者の場合、固体負荷は０．７から５．９ｇまで変化した。ジャケットｐ２、ｐ３およびｐ４として識別され、図１１に示すように配置された３つの差圧センサは、ジャケットｐ１で測定された絶対圧力に対する圧力差を測定した。

さらに以下では、「圧力差」は差の絶対値を指す。無粒子流の場合、ジャケット内の圧力差が最も低く、空気質量流量範囲全体で０．５ｋＰａ未満の値を示した。他の場合とは対照的に、無粒子流の場合、ジャケットｐ２での圧力差は、空気質量流量の増加とともに減少した。一方、無粒子流の場合、ジャケットｐ３とｐ４での圧力差は、空気質量流量の増加とともに増加し、後者はより大きな差を示した。粒子流の場合、ジャケットｐ２での圧力差は、空気質量流量範囲９．１～１１．５ｇ／ｓ内で名目上一定であり、空気質量流量が大きくなると増加した。粒子流の場合、ジャケットｐ３とｐ４での圧力差は、空気質量流量範囲全体で空気質量流量が増加すると増加し、固体負荷が増加すると互いに近づく。図１６に報告されている最高の固体負荷について、ジャケットｐ３およびｐ４での圧力差は、空気質量流量範囲全体で３％未満だけ異なっていた。ジャケットｐ１で測定された絶対圧力は、空気質量流量が１０８ｋＰａから１３０ｋＰａに増加するにつれて増加した。最大圧力差をジャケットｐ１の絶対圧力で割って計算された圧力差のパーセンテージは、すべてのケースで１％未満だった。図１６は、ジャケットの方位角対称性に対する固体負荷と空気質量流量のわずかな影響を示している。エジェクタのような接続とガス入口ジャケットとローターブレード間の１ｍｍの隙間とを組み合わせた単一のガスフィードラインは、ガス入口ジャケットの圧力方位角対称性を維持するのに十分であった。

図１７は、チャンバｐ１およびチャンバｐ４（図１１参照）におけるジャケットｐ１に対する圧力差を示している。対応する圧力タップの詳細な形状と半径方向の位置は図１８に示されている。チャンバｐ１に対応する圧力タップの開口部は、半径方向位置２７．３～２９．６ｍｍにまたがる。つまり、その平均半径位置は２８．５ｍｍである。逆に、チャンバｐ４に対応する圧力タップの開口部は、半径方向位置１７．９から２２．０ｍｍにまたがる。つまり、その平均半径方向位置は２０．０ｍｍである。

無粒子流の場合、チャンバｐ１での圧力差は主にローターとの接触によって発生する。無粒子流の場合、空気質量流量が９．１から１７．５ｇ／ｓに増加すると、チャンバｐ１での圧力差は０．６から４．３ｋＰａに増加した。同じ空気質量流量範囲および最大固体負荷の場合、チャンバｐ１での圧力差は、無粒子流と比較して２．１～１．４倍に増加した。固体負荷範囲全体および最低空気質量流量、つまり９．１ｇ／ｓの場合、粒子流は、チャンバｐ１とチャンバｐ４の間の圧力差で２０％未満の偏差を示した。粒子流の場合、空気質量流量の増加に伴いチャンバｐ１とチャンバｐ４の圧力差の偏差は２５～５０％増加した。さらに、無粒子流の場合、チャンバｐ１とチャンバｐ４の間の圧力差の偏差は著しく大きく、７５％の増分に達した。これは、チャンバのローター付近の圧力が、固体床の存在下での空気質量流量の変化に対する感度がより低かったことを示す。

図１９は、排気口ｐ１、ｐ２、ｐ３およびｐ４の位置（図１１を参照）におけるジャケットｐ１に対する圧力差を示している。これらの圧力タップの位置は図２０に示される。排気口ｐ１に対応する圧力タップは、排気口のスロート部、つまり断面積が最小の軸方向位置に位置する。排気口スロート部は、固体床の底部の水平面を起点にして２２．６ｍｍの所に位置する。最後の３つのタップは、軸方向位置２２．６～４５．１ｍｍおよび半径方向位置１０～１８．８ｍｍにまたがる。無粒子流の場合、排気口ｐ１での圧力差は、空気質量流量が９．１から１４．５ｇ／ｓに増加するにつれて、４．６から１４．７ｋＰａに増加した。つまり、３．２倍の増分である。同様の挙動が、圧力差の平均４．６倍の増分で、すべての粒子流のケースにおいて排気口ｐ１で観察された。一方、無粒子流と粒子流の場合の両方で、空気質量流量が１４．５から１７．５ｇ／ｓに増加しても排気口ｐ１で追加の圧力降下は示されなかった。無粒子流の場合および粒子流の場合の両方は、空気質量流量範囲全体で排気口ｐ４での圧力差において連続的な増分を示した。ただし、排気口ｐ４と排気口ｐ１の圧力差は、空気質量流量範囲９．１～１４．５ｇ／ｓで常に１ｋＰａ未満だった。空気質量流量をさらに１４．５ｇ／ｓに増やすと、排気口ｐ４と排気口ｐ１の圧力差は、無粒子流で５．７ｋＰａ、粒子流で平均値３．０ｋＰａだった。逆に、空気質量流量を１４．５から１７．５ｇ／ｓに増加させると、無粒子流の場合は１１．３ｋＰａの追加の圧力降下を示し、粒子流の場合対応する平均値は９．５ｋＰａだった。これらの結果からの２つの重要な観察結果は次のとおりである：１）１４．５ｇ／ｓを超える空気質量流量では、排気口ｐ１と排気口ｐ４の間に顕著な圧力降下がある、および、２）排気口ｐ１と排気口ｐ４の間の圧力降下は無粒子流の場合に顕著により高い。

図２２は、上部外壁、上部中央および出口線に位置するタップにおけるジャケットｐ１に対する圧力差を示している。ジャケットｐ１に対する圧力差は上部外壁で測定したが、絶対圧力は上部中央と出口ラインで測定した。これらの圧力タップの位置は図２１に示されている。上部外壁タップは、固体床の底部の水平面に対して７２．０ｍｍ、および半径３２ｍｍのところにある。上部中央の圧力は、上部外壁と出口ラインの圧力よりも常に低かった。上部中央と出口の間の圧力は、空気質量流量の増加とともに増加したが、固体負荷の増加とともに減少した。この低圧領域は、発散する排気口内の旋回流と一致している。低圧領域は、発散出口の中心軸の周りに広がると予想されるが、プロファイルされた底端壁の存在により、チャンバから排気口を通って上方に変位することも予想される。

図２３は、最低および最高空気質量流量（すなわち、９．１および１７．５ｇ／ｓ）の下で、無粒子流および５．９ｇの固体負荷での粒子流についてのチャンバ全体の圧力プロファイルを示す。ジャケットｐ１の絶対圧力からそれぞれの圧力降下を差し引くことにより絶対圧力を計算した。無粒子流は、実験空気質量流量範囲全体で粒子流の場合と比較してより高い合計圧力降下を示した。無粒子流では、空気質量流量が９．１から１７．５ｇ／ｓに増加すると、合計圧力降下は４．７から２５．６ｋＰａに増加し、粒子流の対応する合計圧力降下は３．４から２１．１ｋＰａに増加した。

無粒子流の場合、発散排気口の絶対圧力において増分があったが、その圧力の増分が発生した場所は空気質量流量によって変化した。最も低い空気質量流量、つまり９．１ｇ／ｓの場合、排気口ｐ１と排気口ｐ２の間で圧力回復が検出された。ただし、排気口ｐ２と排気口ｐ３の間で圧力は再び降下した。最大の空気質量流量、つまり１７．５ｇ／ｓの場合、排気口ｐ３と出口の位置の間で圧力回復が検出された。発散排気口の圧力回復に関して、粒子流は、最小の空気質量流量の無粒子流の結果に匹敵する結果を示した。最大の空気質量流量の場合、排気口ｐ４と出口の間で圧力回復が観察された。発散排気口内の圧力への運動エネルギーの回復は、ほとんど検出されず、実用目的では無視できる。図２３は、合計圧力降下に対する発散排気口の寄与を明らかにしている。最大空気質量流量では、排気口ｐ１と出口の間の圧力降下は、無粒子流の場合合計圧力降下の４３％、および粒子流の場合３０％だった。

圧力プロファイル分析の便宜上、本発明の実施形態による装置は、３つの主要なセクション、すなわちジャケットｐ１～チャンバｐ１、チャンバｐ１～排気口ｐ１、および排気口ｐ１～出口、に分割することができる。図２４は、最大固体負荷での無粒子流および粒子流の場合の合計圧力降下に対するこれらのセクションの寄与を示している。最大１５．１ｇ／ｓの空気質量流量の場合、最後のセクション、つまり排気口ｐ１～出口の限界寄与率は３％未満だった。無粒子流と粒子流の両方で、同等の結果が観察された。空気質量流量を１４．５ｇ／ｓに増やすことで、最後のセクションは、無粒子流の合計圧力降下の２１％および粒子流の合計圧力降下の８％を占めた。最後に、空気質量流量を１７．５ｇ／ｓにさらに増加させることにより、最後のセクションは、無粒子流の合計圧力降下の４３％および粒子流の合計圧力降下の３０％を占めた。装置の中央セクション、つまりチャンバｐ１～排気口ｐ１は、無粒子流と粒子流の両方について合計圧力に対する最大の寄与を占めている。９．１～１１．５ｇ／ｓの空気質量流量の場合、最大固体負荷でのローター角速度は３１６から６９７ｒａｄ／ｓまで変化したことに注意されたい。この角速度の範囲は、１０～２２ｍ／ｓの床の内縁での固体床方位角速度に対応する。流体力学的観点から、この比較的低い空気質量流量は、装置の安定した動作に十分である。この観察結果は、空気質量流量が高くなっても動作の安定性が損なわれないため、圧力降下のみを考慮していることに注意されたい。

図２５は、３種類の異なる空気質量流量についてＰＩＶを介して測定された方位角速度を示す。それぞれ１００のＰＩＶペアの３回の反復実験が、各空気質量流量に対して実行された。ＰＩＶ測定中の空気質量流量の変動は、特に床の内縁付近およびローター周壁２５１における、測定の比較的高い標準偏差を部分的に説明する。各空気質量流量の３回のＰＩＶ測定を平均化する代わりに、すべてのデータポイントが表示される。ＰＩＶ測定は主に、固体床がローターの同じ角速度で回転するかどうかを評価するために実施された。図２５の実線は、ローター周壁の平均方位角速度に対応する方位角速度を表す。固体床は、灰色の線で示される速度よりも３％低い平均方位角速度で回転する。ローター周壁の隣の２つの半径方向位置で５％の平均偏差が見つかった。一方、２％未満の平均偏差が固体床の中心で見つかった。

図２６は、圧力測定値とＰＩＶ測定値２６１からのローター角速度を一緒に示している。特に１４ｇ／ｓよりも高い空気質量流量でのこれらの測定値の間には大きな不一致がある。この不一致の最も可能性の高い説明は、静的な端壁とローターの間の隙間のダストである。ただし、この不一致の原因に関係なく、固体床がローターの平均方位角速度よりわずか３％低い平均方位角速度で回転するという事実は無効にならない。

固体床の瞬間画像は、方位角方向の不均一性を明らかにした。この不均一性は肉眼では明らかではない。図２７は、１３．１±０．３４ｇ／ｓの空気質量流量について、不均一の有無にかかわらず、ＰＩＶを介して得られた瞬間粒子画像を示す。瞬間粒子画像２７１は、粒子で完全に満たされたローター床ホルダに対応し、対応する瞬間速度場２７３も示されている。瞬間粒子画像２７２は、粒子で部分的に満たされたローター床ホルダに対応し、対応する瞬間速度場２７４も示されている。完全に粒子で満たされたローター床ホルダの１００のＰＩＶペアからの平均速度場２７５も示されている。

空気は理想的な気体としてモデル化され、動作は等温であると仮定される。これらの条件では、エネルギーバランスは、運動エネルギーの差プラス流体仕事の差がローターと流動床の回転運動エネルギープラス摩擦のために散逸されたエネルギーに等しいことを示す。ただし、初期の仮定は、圧力対密度の比が一定のままであること、例えば空気の運動エネルギーがシステムへの唯一のエネルギー入力であることも示唆する。ローターの回転運動エネルギーは、ローターの回転速度と慣性モーメントから計算することができる。慣性モーメントは、図４に示すローターアセンブリのジオメトリに基づいてＳＯＬＩＤＷＯＲＫＳ（登録商標）で自動的に計算された。ローターの慣性モーメントは７．１５８・１０^－５ｋｇ ｍ^２である。固体床の存在は、慣性モーメントに影響する。ただし、最初の計算として、ローターの慣性モーメントに対する固体床の影響は含まれなかった。ローターの質量は９８ｇであり、この特定の例示的な実験では、無粒子流の場合に関して、最大固体負荷は質量の６％の増加にすぎないことに注意されたい。

図２８は、無粒子流の場合の空気から伝達される運動エネルギーとローターの回転運動エネルギーとを示している。さらに、図２８は、空気から伝達される運動エネルギーのうちローターの回転エネルギーに変換される割合も示している。この割合は、空気質量流量の増加とともに増加し、１４．５ｇ／ｓの空気質量流量で最大に達し、これは、７２ｍ／ｓの空気注入速度に相当する。この最大値の場合、空気から伝達された運動エネルギーのうち運動回転エネルギーに変換された割合は８７％になる。最低のエネルギー回収率は３５％で、最低の空気質量流量で発生した。空気質量流量を１４．５から１７．５ｇ／ｓに増大すると、エネルギー回収率は最大値の８７％から７７％に低下した。

図２９は、１．６ｇの固体負荷での粒子流についての空気によって伝達される運動エネルギーとローターの回転運動エネルギーを示している。回転運動エネルギーには、固体床の存在下で変化すると予想される慣性モーメントが含まれることに注意されたい。したがって、図２８と図２９の比較は定性的なものにすぎない。無粒子流で観察された傾向が依然として保持されている。

この例では、本発明の実施形態による遠心流動化装置を広い空気質量流量および固体負荷範囲内で試験した。ローター角速度は、無粒子流と粒子流の両方でＳ字型の曲線に従って空気質量流量の増加とともに増加した。後者のローター角速度は、無粒子流よりも高かった。空気質量流量が９．１から１１．５ｇ／ｓに増加すると、粒子流と無粒子流の角速度の差は６２から７７ｒａｄ／ｓに増加した。この空気質量流量範囲は、５１および６２ｍ／ｓの空気入口速度に対応した。７２および８２ｍ／ｓのそれぞれの空気入口速度に対応する最後の２つの空気質量流量、つまり１４．５および１７．５ｇ／ｓでは、粒子流と無粒子流の角速度の差は８２ｒａｄ／ｓの付近で安定した。ＰＩＶは、ローターと固体床の間の方位角速度の平均差が３％であることを示した。計算された固体床の内縁と外縁のエッジの方位角速度は、１０から４０ｍ／ｓまで変化する。固体床の中心での半径方向に依存する遠心加速度は、地球の重力加速度の３４０から４７１０倍まで変化する。

無粒子流は、実験空気質量流量範囲全体で粒子流の場合と比較して、より高い合計圧力降下を示した。無粒子流の場合、空気質量流量が９．１から１７．５ｇ／ｓに増加すると、合計圧力降下は４．７ｋＰａから２５．６ｋＰａに増加した。粒子流の対応する合計圧力降下は３．４ｋＰａから２１．１ｋＰａに増加した。発散排気口内の圧力への運動エネルギーの回収は大麦で検出され、常に２ｋＰａ未満だった。最大１５．１ｇ／ｓの空気質量流量の場合、発散排気口は、合計圧力降下に対して３％未満のわずかな寄与を示した。無粒子流と粒子流の両方で、同等の結果が観察された。空気質量流量を１４．５ｇ／ｓに増大することにより、発散排気口は、無粒子流の合計圧力降下の２１％および粒子流の合計圧力降下の８％を占めた。空気質量流量をさらに１７．５ｇ／ｓに増大することにより、この最後のセクションは、無粒子流の合計圧力降下の４３％および粒子流の合計圧力降下の３０％を占めた。

エネルギーバランスは、空気によって伝達される運動エネルギーの３５～８７％が回転運動エネルギーに変換されることを示す。その割合は、空気質量流量の増加とともに増加し、１４．５ｇ／ｓの空気質量流量で最大に達する。これは７２ｍ／ｓの空気注入速度に対応する。

本発明の実施形態を示す一例において、図３０は、流量質量１１．８ｇ／ｓのキャリア流体（空気）により駆動される回転標的媒体（ＡｌおよびＡｌ_２Ｏ_３粒子）を示す。床は、それぞれ、（ｉ）直径１ｍｍのＡｌ_２Ｏ_３（１０ｇ）、（ｉｉ）直径０．７ｍｍのＡｌ（１０ｇ）、（ｉｉｉ）直径０．５ｍｍのＡｌ（１０ｇ）、および（ｉｖ）直径０．０５～０．１５０ｍｍのＡｌ_２Ｏ_３粉末（１０ｇ）の球形粒子の４つの層からなる。合計質量４０ｇの床が、着実にかつ安定して回転した。

Claims (13)

1. キャリア流体と標的媒体との間の強力な界面運動量、質量、および／またはエネルギー交換を必要とするプロセスにおいて前記標的媒体を前記キャリア流体と接触させる装置（１）であって、前記装置は、
   ・周壁（３）、底壁（４）、および頂壁（５）を含むチャンバ（２）であって、それにより、前記チャンバは、前記装置の動作中に前記キャリア流体に接触しながら前記標的媒体を含有するためのエンクロージャを形成し、前記チャンバは、対称軸（Ａ）に関して実質的に回転対称であり、前記チャンバは、前記装置の動作中に機械的に静的なままであるように適合される、チャンバ（２）と、
   ・前記キャリア流体を圧力下で前記チャンバ内に注入するための少なくとも１つの流体入口（６）であって、前記少なくとも１つの流体入口は、前記周壁の内面に対して接線方向に前記キャリア流体を前記チャンバに注入するように適合される、流体入口（６）と、
   ・前記キャリア流体を前記チャンバから流出させるための出口と、
   ・前記チャンバ内に配置されかつ穴のあいた円筒状の壁を備える流体分配器（７）であって、前記流体分配器は、注入されたキャリア流体を、前記対称軸に関して半径方向内向きの方向に前記穴のあいた円筒状の壁を通過するようにそらすように適合され、前記流体分配器は、前記対称軸に関して実質的に回転対称であり、前記流体分配器は、前記対称軸の周りを回転するように適合される、流体分配器（７）と、
   を備え、
   前記標的媒体と前記キャリア流体との間の接触領域は、前記半径方向内向きの方向に、前記穴のあいた円筒状の壁によって区切られており、かつ前記穴のあいた円筒状の壁から延びており、
   前記流体分配器は、前記対称軸に関して半径方向外向きの方向に前記穴のあいた円筒状の壁から延びている少なくとも１つのフィンを備え、前記少なくとも１つのフィンは、前記半径方向内向きの方向に前記穴のあいた円筒状の壁の穴を通過するように前記注入されたキャリア流体を再指向しながら、前記注入されたキャリア流体の運動エネルギーを前記流体分配器の回転エネルギーに変換するように配置される、装置。
2. 前記装置が、前記対称軸の周りにおける前記流体分配器の回転の際に、前記チャンバ（６）内に前記標的媒体および前記キャリア流体の回転床を形成するように適合され、
   前記標的媒体が固相または流体を含み、
   前記回転床が、前記円筒状の壁の内面上に形成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記少なくとも１つのフィン（１０）が湾曲しており、前記分配器に近位の固定端部に対して角度的にシフトされた前記分配器（７）から遠位の自由端部を有し、前記角度的シフトは、前記装置の動作中に前記少なくとも１つの流体入口（６）によって前記キャリア流体が前記チャンバに注入される流れの方向に対抗する前記対称軸（Ａ）の周りの角度的シフトである、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記分配器（７）の周囲に均一に分布された少なくとも３つのフィンを備える、請求項１～３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記底壁（４）の少なくとも一部が底部プレート（１１）によって形成され、前記底部プレート（１１）が、前記対称軸に垂直な平面に前記対称軸（Ａ）を中心にして配置され、前記底部プレート（１１）が、前記分配器が前記対称軸の周りを回転するときに機械的に静止したままであるように前記分配器（７）から機械的に切り離される、請求項１～４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記底部プレート（１１）が前記対称軸（Ａ）に関して回転対称であり、前記底部プレートが、前記底部プレートの中央領域で前記頂壁（５）に向かって延び、前記底部プレートの周辺領域において前記頂壁（５）から離れる方に延びるようにテーパ状である、請求項５に記載の装置。
7. 前記装置が、前記対称軸（Ａ）の周りを回転する回転可能なシャフト（１２）をさらに備え、前記回転可能なシャフトは前記分配器を機械的に支持し、前記分配器の前記回転を可能にするために前記流体分配器（７）に機械的に連結される、請求項１～６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記回転可能なシャフト（１２）が、前記チャンバのハウジングに形成されたカフと係合するために外部ベアリングをその外面に備える、請求項７に記載の装置。
9. 前記分配器が、前記回転可能なシャフト（１２）を前記分配器（７）に機械的に連結するための連結構造（１５）をさらに備える、請求項７または請求項８に記載の装置。
10. 前記底壁（４）の少なくとも一部が底部プレート（１１）によって形成され、前記底部プレート（１１）が、前記対称軸に垂直な平面内に前記対称軸（Ａ）を中心にして配置され、前記底部プレート（１１）が、前記分配器が前記対称軸の周りで回転するときに機械的に静止したままであるように、前記分配器（７）から機械的に切り離され、前記回転可能なシャフト（１２）が中空シャフトであり、かつ、その内面に、前記回転可能なシャフトの内側に同軸に設けられたスピンドル（１８）と係合するために内部ベアリングを備え、前記スピンドルは前記底部プレート（１１）に機械的に連結される、請求項９に記載の装置。
11. 前記連結構造（１５）が、前記シャフト（１２）に対して垂直に向けられたプレート（１９）を備え、前記プレートは、前記底部プレート（１１）と組み合わせてラビリンス流体シール（７１）を形成するように溝を付けられる、請求項１０に記載の装置。
12. 前記少なくとも１つの流体入口（６）が、前記周壁（３）内の開口部で終わるノズルを備え、前記ノズルは、前記周壁の前記内面に連続的におよび接線方向に接続する第１の壁セクションと、前記注入されたキャリア流体の流れを方位角によって前記周壁の前記内面に沿って集中させるように鋭角で前記周壁の前記内面に接続する第２の壁セクションとを有する、請求項１～１１のいずれか一項に記載の装置。
13. キャリア流体と標的媒体との間の強力な界面運動量、質量および／またはエネルギー交換を必要とするプロセスにおいて前記標的媒体を前記キャリア流体と接触させる方法であって、前記方法は、
    ・機械的に静止しているチャンバに前記標的媒体をフィードすることであって、前記チャンバは、前記キャリア流体と接触しながら前記標的媒体を含有するように適合され、前記チャンバは周壁を備え、前記チャンバは、対称軸に関して実質的に回転対称であることと、
    ・前記キャリア流体を圧力下で前記チャンバに注入することであって、前記キャリア流体の注入の方向は前記周壁の内面に対して接線方向であることと、
    ・注入されたキャリア流体に、半径方向内向きの方向に前記チャンバ内に回転可能に取り付けられた流体分配器の穴のあいた円筒状の壁を通過させることと、
    ・前記標的媒体を、前記半径方向内向きの方向に、前記穴のあいた円筒状の壁によって区切られており、かつ前記穴のあいた円筒状の壁から延びている接触領域内にフィードすることと、
    ・前記キャリア流体を前記チャンバから流出させることと、
    ・前記注入されたキャリア流体を、半径方向外向きの方向に前記穴のあいた円筒状の壁から延びている少なくとも１つのフィンから延びている少なくとも１つのフィン上で偏向させ、それにより、前記注入されたキャリア流体の運動エネルギーを前記流体分配器の回転エネルギーに変換することであって、前記少なくとも１つのフィンは、前記半径方向内向きの方向に前記穴のあいた円筒状の壁の穴を通過するように前記注入されたキャリア流体を偏向させて再指向することと、
    を含む、方法。

Images