JPH044013B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、竪形筒状の器内で上昇気流と粉粒
体との流動層又は噴流層を形成して粉粒体の乾
燥、焙焼、反応、焼結、冷却等の処理をしたり、
あるいは上昇気流中の気体成分の接触反応に用い
る流動層装置に関するものである。

従来の技術並びに問題点 流動層装置は、その優れた特性を利用するため
各種粉粒体の処理に用いられている。しかしその
機構的な短所も少なくないため種々の改良がなさ
れ提案されている。その代表的なものとして第５
図に示す装置がある。この装置では、流動層装置
本体１１の原料供給口１２から粉粒体を供給し、
そして処理された粉粒体は排出口１３から溢流排
出される。一方上昇気流は、導入口１４から供給
され、多孔板１５によつて分散されて上昇し、粉
粒体との間で流動層１６を形成した後排出口１７
から排出される。

また第６図に示すタイプでは、原料の供給、処
理及びその後の排出については第５図に示すもの
とほぼ同様に行なわれるが、上昇気流は１８及び
１９の２ケ所の導入口から導入される。一方の導
入口１８からの気流は多孔板２０によつて分散供
給されて流動層を形成し、そしてもう一方の導入
口１９からの気流は直接装置本体内に供給されて
噴流層を形成する。このように混在する流動層及
び噴流層によつて粉粒体の処理を行なうものは、
改良噴流層方式と称されている。

第７図に示すものは多段流動層装置であつて、
矢印Ａのように上段に供給された粉粒体は各段で
漸次処理され、更に溢流管２１，２１′，２１″を
介して下段に移動し、その後排出口２２から排出
される。上昇気流は導入口２３から供給されて各
段の多孔板２４，２４′，２４″，２４で分散供
給され、その後排出口２５から排出される構造と
なつている。

そして上述の代表的な例以外にも種々の構造の
流動層装置が提案又は実用化されている。このよ
うな各種の流動層装置は、優れた伝熱特性を持つ
反面、完全混合型であるために熱効率や反応率が
低く、そのことが構造的短所となつている。従つ
てこれを改善するために、上昇気流と粉粒体の流
れを向流としかつ多段の流動層を形成し得ること
が流動層装置の理想形と考えられている。

そこで本発明者は、従来実用化された装置と提
案されたのみで実施化されない装置などについて
種々研究したところ、上述の理想形の実現のため
には風景（上昇気流の量）を変えずに流動層にお
ける粉粒体の滞留量を容易に増減抑制し得ること
が必要であることを着目した。

以下その検討の結果について説明する。一般
に、多段の流動層装置においては、粉粒体と上昇
気流とを向流に接触させ、各段で流動層を形成さ
せながら粉粒体を一定量づつ下段に送る機構に最
大の難点がある。又、第７図に示すような各段の
流動層底板として多孔板を用いる多段流動層装置
では、ある限定された操作領域でなければ安定な
流動層状態を示さないため実用化が困難であつ
て、実際的には向流をやめて横型多室外への展開
を余儀なくされている。

一方本発明者は、先に特公昭59−11334、60−
22273、60−22274号によつて空塔形式の多段噴流
（流動）装置を提案して実用化した。この装置は、
上述の多孔板を用いないで向流多段化を進めたも
のであるが、これも２段以上とすることは難かし
く、それ故上昇気流の排出ガス温度はまだ高いの
で熱効率が悪くなり、よつてより効率的な熱回収
が求められていた。

従来から提案されている向流多段化の手段とし
て、(イ)溢流管によるもの、(ロ)流動層底板を多孔板
としてその開口部（孔部）を通して粒子を落下さ
せる方法がある。

(イ)の方法では、段間に設けた溢流管（第７図の
２１〜２１″）内で粉粒体の落下量が一定になら
ないため、溢流管の底にオリフイス板を挿入する
方法や溢流管中にバルブを設けた例などがある。
しかしこのような方法をしても、粉粒体の供給速
度を加減した場合に、各流動層における粉粒体の
滞留量の制御と溢流管の閉塞防止には特定の制限
があつて制御が容易ではない。一般に流動層にお
いて粉粒体が滞留する量は次の(1)式で示される。

Ｗ＝Δp・A_T ……(1) Ｗ：滞留量（Kg） Δp：粉粒体の流動層における上昇気流の圧力損
失（Kg／m²） A_T：流動層装置筒状器の横断面積（m²） また(ロ)の方法において、定常状態では粉粒体が
多孔板の開口部を通して落下する量は粉粒体の供
給速度に等しくなる。しかし各段の落下量は粉粒
体の滞留量に比例し、上昇気流の流速に逆比例す
ることが知られている。

Ｆ∽Ｗ／u² ……(2) Ｆ：落下量（Kg／sec） Ｗ：滞留量（Kg） ｕ：流速（ｍ／sec） 従つて流動層を形成している粉粒体が多孔板の
開口部から排出される量は、孔部で吹上げる気流
の流速によつて変るので、各段の滞留量に相当す
る安定な流動状態を得るための上昇気流の流速範
囲は狭いという欠点がある。

このため各段の滞留量を制御する手段として、
各底板の多孔部に別途循環気流による吹出口を併
置し、補助的に気流の量を加減することにより、
流動している粉粒体を強制的に落下させる方法が
提案されている（特公昭58−43644号）。

そして現状における技術で向流にすることや多
段にする方式では、各段の滞留量の調節には溢流
管の高さや上昇気流の量を調節しなければならな
いことに構造的な欠点がある。特に上昇気流の量
を増減すれば、焙焼や反応を行なう場合に温度、
雰囲気、濃度の変化を来たし各段毎の操作制御を
難かしくする。

従つて上昇気流の量の増減を伴なわない方法で
各段の滞留量および流動条件を制御することが前
述の理想形の実現に必要なこととなる。

問題点を解決するための手段 この発明は、これらの欠点を改善し、上昇気流
の量を変えないで運転中でも各段の粉粒体の滞留
量および流動条件の調節が可能な向流多段の流動
層装置であり、かつ流動層が単段であつても滞留
量及び流動条件の調節がきわめて容易である点に
おいて従来技術にみられない流動層装置を提供す
るものである。

すなわち前述の溢流管によらない方法におい
て、各段の多孔部から粉粒体が落下する量を調節
するには、主として吹上げる上昇気流の流速に関
係するので、流速を変えるのに上昇気流の量（以
下ガス量という）を増減しなければならない。こ
れは多孔板の開口部の面積が固定されているから
である。従つてもし流動層装置の運転操作中に上
述の面積を変えられる構造とすれば上記の問題点
は解決されるはずであることに着目した。

流動層に滞留する粉流体の量は式(1)に示す関係
で決まる。上昇気流の圧力損失（Δp）に相当す
る量が浮遊流動するが、粉粒体の原料が継続的に
供給されると上記(1)式のバランスがくずれ供給量
に比例した量が開口部から自動的に押出されるよ
うに落下する。

このような開口部落下方式によれば、各段毎に
排出量を強制的（ガス量を変化させる）に落下さ
せる必要がない。すなわち一定ガス量の下で開口
部（落下部）の面積を変えることが出来れば、吹
上げ流速が変わり、それに応じて落下量が変るの
で一定の原料供給速度のもとで新らしい滞留量が
形成される。つまり開口部面積変化→吹上げ流速
変化→Δp変化→滞留量変化の関係が成立する。

ここで開口部面積を変えると言つても、前述の
多孔板を用いる流動層装置では、多孔部が全断面
に均一になるように分散されているため、流動層
装置の運転中に多孔部の面積を変えることはでき
ない。

そこでこの発明では上昇気流の吹上げ開口部
を、多孔部のない流動層底板と内周壁の間の円周
面に沿つて均等に設ける構造としたのである。

以下この発明の構成と作用を実施例に基づいて
説明する。

実施例 第１図及び第２図はこの発明を実施する単段の
流動層装置及び多段の流動層装置の断面図であ
る。

第１図および第２図において、１は流動層装置
本体をなす竪型の筒状器、２は原料粉粒体の供給
口、３は粉粒体の排出口、４，４′は上昇気流の
導入口、５は気流の排出口である。つぎに６，
６′，６″は流動層底板、７，７′は上昇気流を吹
上げるための開口部８，８′の面積調節装置であ
る。そして開口部８〜８″は流動層底板６〜６″と
筒状器１の内周壁の間の円周面にそつて形成され
る。

矢印Ａのように流動層装置内に供給された粉粒
体は、開口部８〜８″において吹上げる上昇気流
によつて流動層並びに噴流層を形成する。

ここに流動層とは、一般に比較的低速の上昇気
流の中で粒子が浮遊する層を形成する場合をい
い、噴流層とはやゝ高速の上昇気流により粒子が
噴水状に浮遊する層を形成する場合をいう。

これらの実施例において、開口部８〜８″にお
ける上昇気流の吹上げ速度は、従前の多孔板によ
る開口部（多孔部）からの吹上げに比べ噴流層を
形成する条件となりやすい。そのため粒子の浮遊
流動が撹拌状態になりやすく反応、焙焼、乾燥、
焼成などの前記の処理に効果的である。そして開
口部８〜８″からやや上部に離れたところでは流
速がおそくなり流動層を形成する条件となる。

つぎに、この実施例において流動層並びに噴流
層において粒子が滞留する量の調節並びに開口部
８〜８″を通つて落下する機構について説明する。

第３図は第１図並びに第２図の流動層底板６、
面積調整装置７、開口部８の部分拡大図である。
第４図はそのＡ−A′断面図である。この実施例
では、面積調節装置７（第１〜３図）は第４図に
示すように６つに分割された面積調節板７ａ〜７
ｆを有していて、これらの面積調節板の各々が筒
状器１の器壁につば１ａによつて狭まれて外部か
ら操作できるように摺動自由に取付けられてい
る。なお、つば１ａは全周にわたりガスケツトに
より気密保持がされている。

そして流動層装置の運転中でも面積調節板７ａ
〜７ｆを筒状器１内に押し入れれば開口部８の横
断面積がそれだけ狭められ、引き出せばそれだけ
広くなる。また第３図及び第４図の９は流動層底
板６を固定して支持する部材である。

それから第２図の最上開口部８″の開口面積は、
同図に示すように流動層底板６″を逆円錐形状の
筒状器の部分に設けて、昇降機１０で上下可動と
すれば自由に調節される。

つぎに開口部８（第２図の８′，８″を含む）に
おける上昇気流によつて支えられる粉粒体の滞留
量は、前述の式(1)で説明した関係にあり、滞留し
ている粉粒体が落下する量は式(2)で説明したよう
な関係にある。

従つて、今開口部８〜８″の面積を一定にして
かつ気流の流速を一定（ガス量一定）にすれば粉
粒体の滞留量は式(1)でバランスした量となり、継
続して粉粒体を供給すれば滞留量が多くなつた分
だけ継続して落下する（式(2)でバランスする）。
従つて開口部８〜８″の面積を一定とすれば、ガ
ス量を増減しない限り滞留量を調節することはで
きない。

ところが本実施例によれば、ガス量を一定にし
ておいても面積調節装置７の面積調節板７ａ等あ
るいは昇降機１０により開口部８〜８″の面積を
調節することができ、その調節分だけ開口部８〜
８″における上昇気流の流速を増減できる。式(1)，
(2)の関係からして流速が増せば落下量が減つて滞
留量が増し、一方流速が減少すれば落下量が増し
て滞留量が減少する。そして何れにおいてもその
流速に相当した滞留量と落下量でバランスする。

このようにこの実施例によればガス量が一定で
あつても或範囲で任意に滞留量を調節することが
できるので、装置内の反応温度、時間、雰囲気の
条件変更が容易である。

そして従前のような多孔板の開口部による全断
面における吹上げではなく周壁開口部で粒子が吹
上げられるので、噴流層がドーナツ状に形成さ
れ、かつ上層部では流動層状態となつて、全体と
して粒子が噴流降下の激しい撹拌を受けることに
なる。

なおこの発明における周壁に沿つた開口部の開
口比（開口部における筒状器の横断面積当りの開
口面積）は所望の滞留量のもとで良好な流動・噴
流条件が得られるように選択されるが、これは粒
子の大きさとガス量によつて異なり、粒径が0.6
〜1.7mmの粉粒体原料による実験によれば15〜30
％の範囲が好ましい。

つぎにこの発明においては、第２図に示すよう
に流動層底板を６〜６″の如く複数段設け、その
数に相当する開口部並びに開口部の面積調節装置
を設けることによつて、粉粒体と気流が向流でか
つ多段の流動層装置とすることができる。これに
よつて各段の粉粒体の滞留量（時間）を異にする
ように調節することもできる。そしてこのような
多段であれば各段において予熱（熱回収）、〓焼、
焼成、冷却などの別々の目的の処理を一つの装置
で行なうことができるので熱効率や反応率が大と
なる。また第２図に示すように流動層装置の筒状
器１を上下方向においてその横断面積が異なる形
状とすれば、各断面における気流の流速に変化を
つけることができるので、例えば微粉粒子が排出
口５から気流に乗つて運ばれる割合を減少させる
ことができる。

つぎにこの発明の多段流動層装置において、粉
粒体の供給口は必要に応じて多段に設けることに
より各段毎に粉粒体原料、酸化剤、還元剤、固体
燃料などの粉粒体を別々に供給し種々の反応処理
を行なうこともできる。また同様に気流の導入口
も多段に設け各段において空気、気体燃料、酸化
還元ガス、バーナーなどを別々に導入することも
できる。なお当然のことながら粉粒体供給口は何
れかの開口部より上部に、また気流の導入口は何
れかの開口部の下部に設けることが最少限必要な
条件となる。

またこの発明における流動層装置の筒状器の形
状は主として円筒形状について説明したが角筒状
の形状のものでも用いることができる。そして流
動層底板は上述の筒状器の形状に合わせて円錐又
は角錐状の形状とすれば前述のドーナツ状の周壁
噴流層の形成に合致させることができる。

発明の効果 上述のことからこの発明の効果として、つぎの
ことが得られる。

(1) この発明によれば、複数の面積調節板からな
る面積可変手段により、開口部の面積を筒状器
の内周面に沿つて均等な間隔で変化するように
調節することができ、その調節分だけ開口部に
おける上昇気流の流速を増減できるので、流動
層装置の運転操作中に、上昇気流の量を変えず
に、流動層における粉粒体の滞留量を容易に増
減制御することができる。

しかも、筒状器内に固定配置された流動層底
板に対し、面積可変手段として、複数の面積調
節板を筒状器の外側から水平方向に出し入れす
るだけで、開口部を所定の面積に容易にかつ筒
状器の内周面に沿つて均等な間隔で変化させる
ことができ、また、該開口部を筒状器内の上下
方向において複数段設ける場合にも、その各段
の開口部の面積を個々に調節することができ
る。従つて、操作が容易で、かつ、筒状器を流
動層底板のためにその内部形状を変形させるな
どの制約をうけることもなく、上記制御を効率
よく行うことができる。

(2) この発明に係る装置を粉粒体の焼成に用いる
場合は、段を重ねるに従い上昇気流から粉粒体
への伝熱が行なわれ所望の温度まで熱回収がで
きるので、熱効率が大巾に改善される。

(3) 反応器として使用する場合は、各段の滞留量
を任意に選択できるので、装置の運転操作中で
も反応温度反応時間の制御が容易である。また
必要に応じて還元剤、酸化剤の使用でガス雰囲
気も制御できる。

(4) 向流多段化の実現により反応率を高めること
ができるので装置の小形化が図れる。

(5) 冷却器として使用する場合は(2)の逆作用で粉
粒体から気流への熱交換が効率的に行われる。

(6) 従前の流動層装置に比べ開口比が大きく、か
つ周壁部にまとまつた開口部がとれるので、多
孔板方式に見られるような目詰りの恐れがな
い。また開口部の圧力損失も小さくなる。

(7) 運転中に外部から開口部面積が変えられるの
で、供給粒子の粒径変更または反応による粒径
減少があつても、それに対応した適正な流動条
件（ガス量、流速）を作り得る。

(8) 流動層装置が高さ方向で多段に分割されるこ
とにより常に良好な噴流状態が作れるので、一
段で懸念されるようなスラツギング現象や気泡
発生の問題は大巾に改善される。

(9) 各段とも噴流層を形成することができるので
激しい流動がおこり、かつ各段の粒子はすべて
落下時に高速の上昇気流に接触するので伝熱速
度や反応速度が更に大きくなる。

(10) 滞留量調節により処理能力の増減に対する適
用範囲が大きい。

(11) 流動層底板を筒状器内に固定配置した固定
構造としているため、該流動層底板を耐火物で
つくることができ、1000℃以上の高温焼成が可
能となる。また低温処理では流動層底板を金属
材料で、高温焼成では耐火物で作ることによ
り、広範囲の温度に適用できる。

(12) 任意の段にバーナーが取付けられるので各
段の温度制御が容易である。

(13) 開口部の面積を適宜調節すれば、流動触媒
による接触反応装置としても用いることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である単段の流動層
装置の側断面図、第２図は本発明の他の実施例で
ある多段の流動層装置の側断面図、第３図は第１
図並びに第２図の流動層底板６、開口部８、面積
調節装置７の部分拡大図、第４図は第３図のＡ−
A′断面図、第５〜７図は従来の技術による流動
層装置の代表的な例を示す図である。 １……筒状器、２……粉粒体供給口、３……粉
粒体排出口、４，４′……気流導入口、６〜６″…
…流動層底板、７′……開口部面積調節装置、８
〜８″……開口部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 堅形筒状の器内でその内周壁に沿つてその周
   壁と流動層底板との間に形成される上昇気流を吹
   上げるための面積可変構造の開口部と、該開口部
   より上部及び下部に位置する粉粒体の供給口及び
   排出口と、該開口部より下部及び上部に位置する
   気流の導入口及び排出口とを有し、上記筒状器内
   で上昇気流と粉粒体との流動層並びに噴流層を形
   成して用いる流動層装置において、上記流動層底
   板が筒状器内に固定配置され、該流動層底板と筒
   状器の内周壁の間に形成される開口部に、筒状器
   の外側から水平方向に出し入れ可能で、該開口部
   の面積を筒状器の内周面に沿つて均等な間隔で変
   化させる複数の面積調節板からなる面積可変手段
   を配したことを特徴とする周壁噴流式流動層装
   置。 ２ 面積可変構造の開口部を筒状器内の上下方向
   において複数段設け、各段の開口部の面積を個々
   に調節可能としたことを特徴とする、特許請求の
   範囲第１項に記載の周壁噴流式流動層装置。 ３ 筒状器の上下方向においてその横断面積が異
   なる形状の筒状器を有することを特徴とする、特
   許請求の範囲第１項又は第２項に記載の周壁噴流
   式流動層装置。 ４ 粉粒体の供給口を筒状器の上下方向において
   複数段設けたことを特徴とする、特許請求の範囲
   第１項から第３項の１つに記載の周壁噴流式流動
   層装置。 ５ 気流導入口を筒状器の上下方向において複数
   段設けたことを特徴とする、特許請求の範囲第１
   項から第３項の１つに記載の周壁噴流式流動層装
   置。 ６ 筒状器の形状を円筒又は角筒状としたことを
   特徴とする、特許請求の範囲第１、２、３、４又
   は第５項の１つに記載の周壁噴流式流動層装置。