JPH02227131A - 磁気的に安定化した流動床内の軸方向分散を減少させる方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、磁気的に安定化した流動床の操作の改良に関
する。詳細には、本発明は、磁気的に安定化した液体流
動床が過度の軸方向分散を受ける傾向を減少させる方法
に関する。

外部磁界によって安定化された磁性粒子（磁化可能な粒
子）を含む流動床は当技術分野において周知であり、そ
のような流動床の多数の用途が見い出されている。１９
８１年９月２１日に発行されたメイヤー等の米国特許第
４，２９２．１７１号明細書は、リホーミングのような
炭化水素変換プロセスでのそのような流動床の使用を開
示しており、１９８６年１月２１日に発行されたローゼ
ンウエイグの米国特許第４，５６５，７９３号明細書は
、磁界が均一に加えられかつ流体の流れの方向に平行に
向けられた流動床を開示しており、１９８１年４月１４
日に発行されたミカス等の米国特許第４，２６１．１０
９号明細書は、流動床内の磁界変動の観察に基づいて動
作を監視するプロセス及び装置を開示しており、１９８
４年４月１７日に発行されたシーゲルの米国特許第４，
４４３，２３）号明細書は、多成分供給の成分を分離す
るための磁気的に安定化した流動床の使用を開示してい
る。

１９７８年３月１３日に発行されたカムホルズの米国特
許第４．１４３，４６９号明細書及び１９８７年６月１
６日に発行されたレベンスビール等の米国特許第４，２
７２，８９３号明細書（米国特許第４．１４３．−４６
９号明細書の分割出願）は、磁気的に安定化した気体流
動床での間欠磁界の使用を開示しているが、磁界を除去
し再び加える目的は、望ましくない熱勾配を最小にする
流動床を提供することである。このことは磁気的に安定
化した液体流動床のチャンネリングの問題を扱う本発明
とは区別されうるちのと考える。

本発明に従って、液体の流れによって流動化された固体
粒状の磁化可能な、流動化可能な材料を含む床を安定に
流動化するプロセスが見い出されたものであり、本発明
による改良は、周期的に磁界を除去し再び加えることに
よって流動床における軸方向の分散及びチャンネリング
を減少させることであり、それによって、流動床内の固
体材料間のチャンネルの幅及び長さを実質的に減少させ
るものである。

磁気的に安定化した流動床の動作では、加えられる外部
磁界の基本機能は流動床を安定化することである。固体
粒状磁性粒子は、磁界を加えると、鎖状構造で整列した
ものになる傾向があり、粒子の鎖状化に向かうこの傾向
が加えられる磁界の強度に正比例することが見い出され
た。床を流動化するために磁性粒子を含むカラムを通し
て通過させられる液体流動化の流れの動作により、床内
の粒子構造に対して局部的な方向決め効果が生じる。

液体の流速が増大するにつれて、粒子の鎖の間に種々の
寸法の開放チャンネルが現れる。このチャンネリングの
問題は液相流動床に特有なものである。軸方向分散によ
って計量されるような接触はその結果減少され、このよ
うな過度のチャンネリングは、磁気的に安定化した流動
床を吸着のようなプロセスで使用するとき、望ましいも
のではない、その理由は、接触効率が減少するからであ
る。

本発明では、磁界の間欠的な中断が、複合粒子の局部的
なランダム動作を生じさせるように、床を一時的に不安
定にすることを見い出したものである。約０．１乃至１
秒の磁界中断は床構造のランダム化を局部的な混合に制
限するのに十分短く、空隙化及びチャンネリングの増大
及び実質的な固体の逆混合を招く恐れがある床構造の膨
張が生じない、磁界の印加を再開すると、床構造が一層
均一となると共にチャンネリングが著しく減少すること
が観察される０間欠的な磁界を用いると、鎖状粒子間の
チャンネルの長さ及び幅が減少され、比較的大きなチャ
ンネルをなくす傾向がある。

一般に、磁界の中断と中断との時間間隔は、約１５乃至
１２０秒であり、磁界の中断期間は約０．１乃至１秒で
ある。

本発明の利点は、水を流動化液体として使用した、６０
／８０メツシユのステンレススチールのベレットを含ん
だ１０１ｃｍの長さの向流形式の磁気的に安定化した流
動床カラム内の軸方向分散を測定することにより実証さ
れた。これらのペレットの最小流動化速度は０．７５０
Ｉｌ／Ｓであった。

軸方向分散実験では、磁気的に安定化した流動床の底に
染料トレーサパルスを注入し、流出染料トレーサパルス
の残留時間を記録した。平均残留時間及び残留時間の分
散を残留時間分布から計算した。そして、軸方向分散及
び逆へフレ数を計算しな、以下に表された軸方向分散数
は固定床のモデルから計算された。その理由は、ステン
レススチール粒子の非多孔性により逆流床モデルの成る
項が無意味になるからである。

軸方向分散は以下の式で与えられる無次元の逆へフレ数
として測定された。

Ｐｅ−’＝Ｄａｘ／ＶｒＤｐ ここで、Ｐ　ｅ−”は無次元のベクレ数であり、Ｄａｘ
は軸方向分散係数であり、 Ｖｒは液体の相対間隙速度であり、 Ｄｐは強磁性ペレットの直径である。

表１でその下に表にされているのは、欄で表現した軸方
向の比較測定値であり、定常磁界動作を間大磁界動作と
比較したものである。Ｐｅ−１（ベクレ数）は最初の３
つの比較では２−４倍だけ減少している。第４の場合、
激しいチャンネリングが起きたが、間欠磁界印加は軸方
向分散において１０倍の改良を示した０間欠モードで作
動させるとき、磁界を１５秒間加え、０．３秒間中断し
た。

ＬＩ　　ＰＬＬ１ ２加磁界　　　間隙流体速度 （１乳＆　　エルスーツド　　　±ｌ乙Ｌ）１０１　　
２５　　　　２５　　　　　　　　１．６１１７　　４
３　　　　３２　　　　　　　　１．６５４４　　１４
　　　　３０　　　　　　　　１．２５７９１　　７１
　　　　４０　　　　　　　　２．１５低いＰ　ｅ−’
が望ましい、その理由は、低いＰ　ｅ−１は、液体がピ
ストン流れで流れていることに一層近いことを示すから
である。流出染料トレーサは、磁界が定常から間欠に変
えられると、−般に長い後部の拡がったピークから鋭く
狭いピークに変化する。この変化は、液体の逆混合が少
ない、−層効率的な固体−液体接触を示す、（液体の逆
混合は床のチャンネルを流れる不均一な液体の流れによ
って生じる）、軸方向分散の３−４倍の減少により、軸
方向分散効果が吸着床の拡散物質移動の効果より大きい
場合には、ＭＳＢ吸着床の所要の高さを３−４倍はど減
少できる。

本発明は、磁気的に安定化した流動床に広汎に適用でき
る。磁気的に安定化した流動床は、気泡または脈動が全
くなく、かつ均一磁界を流動化流体の流れと同一の線上
の方向で磁性固体の床に加えるときに生じる静止流体状
の床として説明してきた。このように、磁気安定化は、
磁界の不存在で固体の床を流動化する、即ち、空中に浮
き上がらせるのに要する通常の最小流動化流体の面速度
（Ｕｍｆ）によって与えられる下限値と、印加した磁界
の存在で連続流動化の間、安定化した流動床の部分間の
圧力差の時間により変化する変動を生じさせるのに要す
る流体の面速度（Ｕｔ　）によって与えられる上限値と
、の間の広範囲の作動速度を持つ気泡のない流体状態を
発生させる。床は、また、米国特許第４，２４７，９８
７号明＃ｌ書で磁気安定化床に対して説明されているよ
うな床の気泡状態と安定化状態との間の遷移点付近の狭
い範囲内で作動できる。磁気的に安定化した床の流動性
は、Ｕ７の値から、磁界が上方に増大するにつれて、ま
たは流体の面速度が下方に減少するにつれて、ＵＴの流
動性から連続的に減少する。

Ｕｌからさらに離して操作される横流の安定化床は、本
質的にピストン流れ、即ち、本質的に均一な速度分布を
呈する。これとは対照的に、０丁近くで操作される横流
安定化床は垂直方向に非ピストン流れの固体速度分布を
呈し、流動性の増加がある。しかしながら、床が流体領
域で操作されるときのピストン流れ分布からの偏差は、
適当な設計により、または床に出口に固体の流れに対す
るせきを設けることにより、減少され、またはほぼなく
すことができる、ピストン流れの状態は本発明の実施に
は好ましいものである。

磁気的に安定化した流動床は、実質的に固体全体の逆混
合がなく、実質的に流体のバイパスがない膨張した固定
床の様相を呈する。磁界の印加により、流体の血流量を
磁気流体がないときの初期流動化における流動床の流量
の１０倍以上にすることができ、それと同時に、気体流
動床における気泡化及び液体流動床におけるロールセル
動作のような、固体全体の逆混合及び流体のバイパスが
実質的にない、流体の面速度を増大すると、床間の圧力
降下は加えられる磁界を受けない通常の流動床から予想
される圧力降下と同様であり、即ち、圧力降下は最小の
流動化速度における断面積に対する床の重量の比に対応
する値まで増大し、そして流体速度が増大されるとき比
較的一定に留まる。

この安定に流動化した床状態は、固体が絶えずカラムに
加えられ、カラムから取り出されるときでさえ、保たれ
る。

説明してきた磁気的に安定化した流動床（ＭＳＢ）は、
以下の表２に要約するように、１つのシステム内に、流
動床反応システム及び固定床反応システムの両方の基本
的な利点を組み合わせたものである。

宍じし 粒子寸法が小さく、　　　有　　　有　　　無圧力降下
が小さいこと 流体バイパスなし　　　　無　　　有　　　有連続固体
出力　　　　　　有　　　有　　　無固体逆混合の回避
　　　　無　　　有　　　有床による捕獲の回避　　　
無　　　有　　　有磁気的に安定化した床の利点の例と
して、小さい粒子寸法を用いることにより、床の粒子内
の拡散抵抗が減少し、粒子を一層効率的に使用できる。

同時に、小さい粒子の使用により大きな圧力降下と流体
全体のバイパスとの両方が解消される。収着プロセスで
の小さい粒子の使用により、大きな吸着性粒子よりも流
体からの収着した稲の移転が迅速であり、それにより平
衡に迅速に近づくことができる。別の利点は、固体を床
に追加でき、また床から取り出すことができ、床内の固
体の逆混合が最小にされ、またはなくなされ、かつ固体
が導入箇所近くから取り出し箇所近くまでピストン流れ
の状態で移動できることである。

経済上、床の固体が比較的小さい強度の印加磁界で床を
安定にするのに十分な磁化を得ることが望ましい０強磁
性粒子が磁界内に置かれると、誘起される磁化は、米国
特許第４，２４７，９８７号明細書に説明されているよ
うに、磁性材料、床の形状の関数である。

在来の永久磁石、電磁石、またはその両方を磁界を与え
るために用いることができる。電磁石は、交流、または
直流によって作動されるが、直流で付与される磁界が好
ましい、固体状態の制御、または変圧器／整流器を用い
て直流で付与されるとき、電磁石は磁界を床の粒子に加
えるために特に望ましく、キャリヤ流体の流れに応答し
て床の粒子の流動化を安定化するすぐれた方法を与える
。

本発明は外部印加磁界を発生するために用いられる磁石
の形状や位置により限定されない、磁石は、どんな寸法
、強度、形状でもよく、使用される固体、要求される安
定化の程度等により、床の上方に、または下方に配置で
きる。磁石は接触容器の内に、または外に配置でき、容
器構造の一体部分としても用いることもできる。プロセ
スは特定の容器、または容器材料に限定されず、工業で
最近用いられている接触容器における使用に容易に適応
できる０本発明の好ましい実施例では、ソレノイド状の
電磁石が流動床を囲むように用いられて、このことによ
り最も均一な磁界が与えられ、その結果、床全般に最良
の安定性が得られる。

磁性粒子を適当に選ぶと、商業プラントでの電磁石の磁
界源用の電力要求が適当なものになる。

磁気電力消費は熱を発生するが、この熱は自然の対流空
冷を用いて除去できる。このことにより、液体による対
流冷却の必要性、及びそれに伴う冷却剤及び循環の必要
性をなくせる。磁界源は、特定の強度及び均一性を持つ
印加磁界を発生するように高信頼性のあるコンピュータ
設計で作ってもよい。

接触ゾーン内の流動化固体に加えられる磁界の強度は磁
性粒子の磁化及び所望の安定化の程度による。比較的弱
い磁性特性を持つ粒子、例えば、複合部品及び合金は、
同様の磁化効果を得るためには、強い磁性特性を持つ粒
状固体、例えば鉄よりも強い磁界の印加を要する。固体
の寸法及び形状も用いられる磁界の強度に影響を与える
０粒子の磁化は、現在の連続操作において床内で粒子を
固定させる恐れのある過度の粒子間引力及びそれによる
気合を生じさせるほど強くてはならない。

しかしながら、電磁石により発生される磁界の強度が電
磁石の電流強度によるので、操作者は磁界強度を容易に
調節して用いられる粒子系に対して所望の程度の安定化
を達成できる。

一般には、空の容器に対する印加される磁界は、約５エ
ルステツドから約１５００エルステツドまでの範囲であ
り、好ましくは、約１０エルステツドから約１０００エ
ルステツドまでの範囲である。

用語「固体、磁性材料」は、一般に、すべての強磁性物
質、及びフェリ磁性物質を含む固体粒子に適用でき、こ
れらのものは、限定されるものではないが、磁性Ｆｅ３
０４　、Ｆｅ２０３　、構造ＭＯ−Ｆｅ２０Ｓのフェラ
イト（ここで、ＭはＺｎ、Ｍｎ、Ｃｕ等の金属、または
金属の混合物、鉄、ニッケル、コバルト及びガドリニウ
ムを含む強磁性元素である）を含むものである。このよ
うな床の操作では、磁性固体は、一般に、活性化したア
ルミナ、シリカ、シリカゲル、ゼオライトのような吸着
剤、イオン交換媒体、樹脂と混合される。

その理由は、磁気的に安定化した床の主要な用途は液体
混合物の成分の吸着分離であるからである。

−ｆｆｉに、このような混合物は約１０乃至７５重量％
の磁性成分を含む。磁性固体は、一般に、約０．００１
ｍｍから約５０ｍｍまでの範囲内にあり、好ましくは、
約０．０５ｍ５から約１、Ｏｍｍの範囲内にある。

本発明は、固体の流れが上方に流れる液体流動化の流れ
に対して向流であり、カラムがその底部に流動化液体の
導入及び循環固体の除去のための手段を有し、かつカラ
ムの頂部に、またはカラムの頂部と中間部に液体の除去
及び固体の導入のための手段を有するような磁気的に安
定化した床に特に適用できる０本発明は、また、固体と
液体との流れが互いに向流である、即ち、固体が上方に
、下方に、または横方向に流れ、液体の流れがその固体
の流れの方向と逆方向に流れるような床に広く適用でき
る。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）流動化可能な材料の床を液体によって流動化する
   ような、固体粒状の流動化可能な磁性材料を含む床を外
   部磁界内で安定に流動化する方法において、周期的に磁
   界を除去し、再び加えることにより軸方向分散を減少さ
   せ、それによって、固体材料間のチャンネルの幅及び長
   さを実質的に減少させる、ことを特徴とする方法。
2. （２）請求項１記載の方法において、磁界を約０．１乃
   至１秒の期間の間除去する、ことを特徴とする方法。
3. （３）請求項１記載の方法において、液体及び固体が向
   流である、ことを特徴とする方法。
4. （４）請求項３記載の方法において、液体が上方に流れ
   る、ことを特徴とする方法。