JPS5850772B2 - 流動層反応装置及びその運転方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は流動層反応装置及びその運転方法に係り、特に
流動化に寄与する粒子やガスが、反応下で物性の変わる
物質である場合に使用するに好適な流動層反応装置及び
その運転方法に関する。

近年石油工業における流動触媒法の成功以来、多くの触
媒反応、焙焼、乾燥あるいは粒体輸送等に、化学、金属
工業分野において流動層反応装置が広汎な範囲に利用さ
れている。

流動層反応装置は反応粒子群で形成された固定層の下方
から流動化流体を吹き込むことにより、反応粒子群を固
定層状態から流動化状態に変化させて形成された流動層
を有する反応装置である。

一般に固定層状態から流動化状態への変化は第１図によ
って説明される。

図の横軸（流速）は対数でとられている。

図中イは固定層状態、口は流動化状態を示す。

固定層状態は流体流速の上昇（二流体流量の増加）に伴
い、層内の圧力降下（−差圧）が上昇する傾向にある。

ある流速に到達すると差圧が一定となる。

これは、粒子に作用する流体抵抗が反対力に打克って粒
子が浮き上がる為である。

この浮遊状態が流動化状態である。以後、固定層状態と
流動化状態との境いをなす流速を流動化開始速度と称し
、Ｕｍｆで示す。

Ｕｍｆは粒子の物性（粒径、密度、形状係数等）によっ
て異なる。

流動層反応装置は上記の様な流動化状態の特性を利用す
るものであるから良好な流動状態を保持することが望ま
しい。

良好な流動状態とは、層内粒子の動きが活発で、しかも
流体と同伴して飛散する粒子の少ない状態である。

このような流動状態を提供する流動層の運転方法には流
動層流過済み流体の流速（以下Ｕで示す）を適切に制御
することが必要であるが、流体や反応粒子の物性が反応
過程で変化することに伴いＵｍｆ が変化する為にＵｍ
ｆ をも適切に制御する必要がある。

こうした理由から運転中は常にＵ及びＵｍｆ を監視し
、ｆ（Ｕ、Ｕｍｆ）を流動層の操作因子とすることが望
まれる。

従来から提案されてきたＵ及びＵｍｆ を知る手段は次
の（１）から（３）に示されるものである。

（１）Ｕｍｆ推定手段：サンプリング法 反応下における粒子の物性（粒径、密度、形状係数等）
及び流体の物性（粘度、密度等）をサンプリングと分析
とによって知り、Ｕｍｆ を推定する。

サンプリングも分析も相当な手間がかかり、しかも測定
時間が長くかかる為、連続推定は難かしい。

若し、これらの物性値を知ることができても精度の良い
Ｕｍｆ 推定値は得ることができない。

Ｕｍｆ を推定する実験式、理論式はいずれも精度に優
れたものがなく、特に高温になる程精度が悪くなる。

（２）Ｕ推定手段：流速測定法 Ｕを直接的にまたは反応装置の外部で間接的に測定する
。

間接的測定は次の（３）と同様な欠点を有する。

いずれにしても高温、高圧、腐食性流体、微粉粒子等、
常に反応に伴う諸因子の存在下では、測定の信頼性は無
い。

（３）Ｕ推定手段；生成ガス量測定法 ガスが生成物として得られる場合、反応装置外部に生成
ガスを導き、生成ガス量の測定を介してＵｍｆ を推定
する。

生成ガス中には通常スチームやガス液等が含まれており
、生成ガス量測定以前にこれらをコンデンスする必要が
ある。

よって測定器に到達するガスは乾いたものとなり、反応
装置内の実流量推定は非常に繁雑となる。

いずれにしても従来法はＵとＵｍｆ とを各別に求め
る必要があり、しかも信頼性に欠けた。

こうして推定されたＵ及びＵｍｆ と反応装置の運転
方法には次の関係がある。

Ｕ及びＵｍｆを基に操作条件を決定し、この新たな操作
条件にて運転し、これと平行して更にＵ及びＵｍｆの測
定を行い、その結果を見てあらためて操作条件を変更、
修正する。

この方法は経験や実績を重んじたプロセスについては実
際的であり、有効な方法であるが、新たな条件に変更し
た時に、果たして流速等制御すべき量が所定通りの値に
なっているか否かを判定する必要がある。

流体がガスである場合に、この判定の方法としては次の
（４）、（５）に示されるものが提案されている。

（４）流動層の差圧を測定する方法 層内状況の判断資料としては、粒子の動きに関連した応
答を出すものとして差圧が最適である。

しかし差圧と層内状況を定量的に相関すげることは困難
であり、流動の良否はほとんどその反応系又はプロセス
特有の現象として経験的に判断している場合が多い。

この為、操業のスタートアップ時のような非定常時や、
新たな操作条件で運転しようとする場合には、差圧の監
視に終始して最適な流動化状態を保つことはできない。

（５）流動層内の温度分布を測定する方法高さ方向ある
いは水平方向の温度を測定し、各測定温度から層内状況
を把握する。

一般に粒子群の動きが活発な場合には層内の温度はほと
んど均一になる。

また層内で局部的に粒子の滞留域が発生した場合にも、
その領域のみの温度が変化するので、直ちに発生が認知
できる。

温度の均一性は一般にはＵに比例するので、Ｕを上昇さ
せれば温度差が小さくなる。

しかし流動層では必要以上に流速を上昇させる必要が無
（、また差圧と同様に良好な流動状態と温度分布の定量
的な相関すげも困難であり、結局、経験に頼らざるを得
ない。

このように従来の流動層反応装置の運転は、経験に頼る
流動層の差圧や温度分布の監視を行いながら、信頼性に
欠くＵやＵｍｆ の各別推定値に基き行っていた。

それゆえ結果的にＵやＵｍｆ は正確に把握することが
できず、流動層の操作範囲を狭めたり操作上のミスを生
せしめたりした。

更にこのことは流動化技術自体の発展を阻害していた。

本発明の目的は良好な流動化状態を保持するのに不可欠
なＵ及びＵｍｆ の把握を極めて正確に行うことにある
。

本発明はＵ及びＵｍｆ の把握を各別に行うものではな
くｆ （Ｕ、Ｕｍｆ ） の形で行うものであつて、
そのために流動層の特性を活用し、より具体的には粒子
の物性の違いによってＵｍｆ が異なることを活用し、
ガス流速がＵｍｆ となる領域と、流動層流過済ガス
が流過する領域（一般には流動層表面よりも上部の空間
）とに、反応粒子群よりもＵｍｆ が犬である差圧検
出用の粒子群を収納した容器を設けて、この検出粒子群
にもガスを流過せしめ、各検出粒子群の差圧を求め、更
に両差圧の比（後述するように、この比はｆ （Ｕ、Ｕ
ｍｆ）を示している）を求めることができるようにした
ものである。

本発明者は、粒子の物性によってＵｒｎｆ が異なるこ
とを活用すればｆ （Ｕ、Ｕｍｆ ） が把握でき、更
にｆ （Ｕ、Ｕｍｆ ）が粒子の選定次第でＵ／’Ｕｍ
ｆとして旧握できることを確認した。

このことを第２図によって説明する。

本図の横軸（流速）は対数でとったものではない。

また本図は固定層状態を示した”流速に対し差圧が上昇
する″動向が比例関係にある場合を例として示した。

図中１１の動向を示す粒子群（以下、粒子群りと称する
）は１の動向を示す粒子群（以下、粒子群Ｒと称する）
よりも大きな粒径を有する粒子から成る。

粒子群りのＵｍｆ をＵｍｆＤ、粒子群ＲのＵｍｆをＵ
ｍｆＲで表わせば、ＵｍｆｐはＵｍｆＲよりも犬である
。

ＪＰＲ（−ＪＰＤ）は、粒子群りや粒子群Ｒが流動化状
態にあるときの差圧であり、ＪＰｄは、粒子群りが末だ
ＵｍｆＤ に到達しない状態にあるときの差圧であり、
ｌＰｒは、粒子群Ｒが末だＵｍｆ Ｒに到達しない状態
にあるときの差圧であり、ＪＰｄＲは、ＵｍｆＨにおけ
る粒子群りの差圧である。

第２図では固定層状態は流速と差圧とに一次の関係があ
るが、必ずしもこの関係を有するものではなく、一般に
は次の式で示される。

ここでα、βは粒子やガスの物性に起因する定数である
。

粒子群りについては次の関係が成立する。

すなわちＪＰｄ／ＪＰｄＲ の把握によって ｆ （Ｕ、Ｕｍｆ ） が把握できることになる。

更に粒子の選定によってはｆ （Ｕ、Ｕｍｆ ） を
Ｕ／Ｕｍｆ の１あるいは２乗で表わすことが可能であ
り、運転操作の簡単化を図れる。

具体的には次の様である。

（２）式を変形するととなり、βＵ／α及びβＵｍｆ
Ｒ／αが共に１に比べ小であるとＪＰｄ／ＡＰｄＲはＵ
／ＵｍｆＲの１乗となる。

一般にβＵ／αは次式で表わされる。

ここでψは粒子の形状係数、ρｇはガスの密度、ｄＤは
粒径、εは空隙率、μはガスの粘度、ＲｅＤはレイノル
ズ数である。

よってＲｅＤが約１０以下（＝ストークス領域）であれ
ば（３）式の０内の分子はほぼ１となる。

このことはβＵｍｆＲ／αについても同様であるからＲ
’ｅ Ｄ（βＵｍｆ Ｈ／αに対するレイノルズ数）が
約１０以下であれば（３）式の０内の分母はほぼ１とな
る。

実際にはＵは通常ＵｍｆＢ以上となるように運転される
から条件としてのレイノルズ数はＲｅＤｌつで足りる。

次にＪＰｄ／ＪＰｄＲがＵ／ＵｍｆＲの２乗となる条件
を求めるならば、上記と同様な手順にしてレイノルズ数
が約６００以上であれば良いことがわかる。

この場合、条件としてのレイノルズ数はＲ’ｅ Ｄｌつ
で足りる。

結局、レイノルズ数が約１０以下又は約６００以上（＝
ニュートン領域）となるように粒子群りを選定すれば、 が得られる。

上記したことから、粒子群Ｒを反応粒子群、粒子群りを
検出粒子群として、ガス流速がＵ、ＵｍｆＢ の箇所に
おける各検出粒子群の差圧を検出すれば、この検出値に
基づいてｆ （Ｕ、ＵｍｆＲ）が、更に粒子の選定次第
でＵ／Ｕｍｆ Ｒが極めて正確に把握できることになる
。

以下本発明の一実施例を第３図によって説明する。

はぼ円筒形状の流動層反応装置１内は長手方向にガース
分散板２１及び２２が設けられ、これにより３段に区分
されている。

下段はガス供給室となり、中段は反応粒子群から成る流
動層の反応室となり、上段はガス排出室となる。

流動層反応装置１の側部には下段にガス供給管３が、中
段下方に反応粒子供給管４が、中段上方に溢流管５が、
上段に生成ガス排出管６がそれぞれ設けられている。

中段下方内壁には検出容器７１が、上段内壁には検出容
器７２がそれぞれ設けられている。

検出容器７１及び７２は、それぞれの内部を、流動層反
応装置１の内壁から流動層径の１／７以下の領域に納め
た円筒で、検出容器７１の下端、上端の金網８、検出容
器７２の下端のガス分散板２２によってそれぞれ容器が
形成されている。

検出容器γ１及び７２の内部には、Ｕｍｆ が反応粒子
群よりも犬である検出粒子群が充填されている。

検出容器７１の充填層の上部及び下部には、流動層反応
装置１の側部を貫通して差圧測定孔９１が、検出容器７
２の充填層の上部及び下部にも同様に差圧測定孔９２が
設けられている。

本実施例に係る流動層反応装置の作用は次の様である。

ガス供給管３を介して流動化に寄与するガス１０が下段
に供給される。

ガス１０はガス分散板２１を介して中段に供給される。

別に中段には反応粒子供給管４を介して反応粒子１１が
供給され、先のガス１００作用で流動層１２が形成され
る。

流動層１２内ではガス１０と反応粒子１１０間に反応が
生じ、生成ガス１３は流動層表面から出て上昇する。

生成ガス１３はガス分散板２２に至ってこれに混在する
微粉体等をセパレートされた上、更に上昇して生成ガス
排出管６から導出される。

一方、前記反応に寄与した反応粒子１１は反応済物質１
４として溢流管５から排出される。

ところで流動層１２内を流過するガス１０は金網８を介
して検出容器７１内にも流れ、内部の検出粒子１５から
成る充填層（固定層）には差圧ＪＰｄＲが生ずる。

この差圧は差圧測定孔９１によって検出される。

また、流動層１２内ガスである生成ガス１３は検出容器
７２内にも流れ、同様に、検出粒子１５から戒る固定層
に生ずる差圧ＪＰｄが差圧測定孔９２を介して検出され
る。

両差圧の比（ｉＰｄ／ＡＰｄ Ｒ） は既出の原理に
基づいてＵ、 Ｕｍｆ の函数、粒子の選出次第でＵ
／Ｕｍｆ であるから、通常の制御手段（図示せず）
によってガス１０や反応粒子１１の供給量が調節される
。

かくして常に良好な流動化状態が保たれる。

本実施例によればＪＰｄ／ＪＰｄＲを正確に把握できる
ので、ｆ （Ｕ、 Ｕｍｆ ）、粒子の選出次第でＵ／
Ｕｍｆ の正確な把握が可能であり、よって流動層反
応装置１内を常に良好な流動化状態に保つことができる
。

更に、検出容器７１の内部は流動層反応装置１の内壁か
ら流動層径の１／７以下の領域に納められているので、
常にＵｍｆ 下における差圧が正確に検出できる。

一般に流動層のＵｍｆ 領域は内壁近傍にあることが知
られており、このことは第４図に示した流動化状態の粒
子群の動向によって説明される。

図中、太線の矢印は粒子の流れを、細線の矢印はガスの
流れを示す。

内壁付近では下降する粒子の割合が多く、上昇する気泡
１２１も少ない。

すなわち流動層１２を微視的に見た場合、内壁付近では
移動層の状態にある。

そしてここを流れるガス１０の流速はＵにかかわらず常
にＵｍｆ に近いことになる。

本発明者は、内径（＝流動層径）が２５０ｍｍψの流動
層反応装置１の模型を用い、検出容器１１を内径ｄａｍ
ψ、高さ１００ｍｍのステンレス管とし、ガス分散板２
１から５０ｍｍ上方に設置し、ｄを変えて、（Ｐｄを測
定した。

ｄ−６５以上では、（Ｐｄの変動幅が不規則的に大きく
なり、気泡の影響が見られた。

ｄ−５０でも、やはり断続的ではあるがＪＰｄが不安定
となって指示された。

ｄ−３５付近にするとＪＰｄは常に一定値を指示するよ
うになり、検出容器７１内のガスの流れ方が安定するこ
とがわかった。

この結果は、流動層１２の内壁から中心に向うほど検出
容器Ｔ１に対する気泡１２１の影響が激しくなることを
意味し、検出容器１１の内径は流動層径により決められ
ることを示している。

かくして検出容器７１の内径と流動層径との比１／７．
１４が、最適なるＪＰｄ検出条件となり、検出容器７１
の内部は流動層反応装置１の内壁から流動層径の１／７
以下の領域に納められることが最良であることが明らか
である。

更に本実施例では検出容器７２が流動層表面から上部の
空間部分にあって、流動層表面に近い所に位置している
為、ガスの組成や温度の条件が流動層内の検出容器１１
に近くなる。

第５図は他の実施例で、前述の実施例と異なる点は生成
ガス排出管６を流動層反応装置１の頂部に開口せしめ、
その閉口部に金網８１を介して検出粒子群を充填したこ
とにある。

すなわち本実施例においては生成ガス排出管６が検出容
器７２を兼ねる。

この場合、Ｕは検出容器７２において増大されるが、補
正することが可能であるから、支障は無い。

本実施例の作用、効果は前出の実施例と同様である。

尚、上記実施例はいずれも単段流動層であるが、本発明
は多段流動層にも適用できる。

具体例 本発明者は、第３図実施例を石炭のガス化に適用し効果
を確認した。

この場合、ガス１０は約９５０℃に加熱された炭酸ガス
、反応粒子１１は石炭、反応漬物質１４は主にカーボン
分を含んだ灰分である。

主な仕様を第１表に示す。 ′この条件において
はＪＰｄ／ＪＰｄＲからＵ／ＵｍｆＢが把握可能である
。

そこでまず良好な流動化状態を提供するＵ／ＵｍｆＢの
領域を検討した。

石炭供給量を７．０ ｋｇ／ ｈｒ とし、炭酸ガス
供給量を変えると、第２表の様な結果を得た。

炭酸ガス供給量を増加せしめ、８．５ Ｎ ｍ’／ ｈ
ｒに達した時、Ｕが大きくなりすぎて飛散量が犬となり
、石炭の流動化ガス化条件として不適当となった。

逆に炭酸ガス供給量を減少せしめ、３．６Ｎ ｍ３／
ｈｒ に達した時、Ｕが小さくなりすぎて流動化が不
充分となり、やはり条件として不適当となった。

従って良好な流動化状態を提供するＵ／Ｕｍｆ は上記
条件下では１，８〜４．０の範囲である。

従ってこの範囲内において運転し、この間順調に良好な
ガス化が行われた。

この良好な運転により得られる生成物を第３表に示す。

本具体例では反応による粒子及びガスの物性変化が激し
いので、あらかじめ石炭及び原料ガスの物性を知っただ
けでＵ及びＵｍｆＲを推定することは特に困難である。

例えば石炭の密度は１．４ｔ？／ｃｒｔ＋であるが、反
応後の灰分を含む固形生成物は０．６８ ？ ／ｃｄ！
と約５１％も減少しており、また生成ガスもＨ２、Ｃ０
１ＣＯ２、ＣＨ４が主成分であり、ガス発生量も単位石
炭当り１．３から１．８ＮｍＡ９と大きく変化する。

従って運転に際しては刻々変化する炉内状況に応する必
要があり、本発明なる装置及びその運転方法が極めて有
効となる。

本発明によれば、反応下におけるＵ及びＵｍｆをｆ （
Ｕ、 Ｕｍｆ ） （検出粒子の選定次第でＵ／Ｕｍ
ｆ） にて直接求めることができるので極めて正確な
流動層の運転が可能となり、しかも反応条件の変化に迅
速に対応した流動制御ができるので流動層の安定操業が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は流動抵抗の一般的傾向を示した特性
図、第３図は本発明の一実施例を示した装置断面図、第
４図は流動層内のガスと粒子との流れを示した模式図、
第５図は本発明の他の実施例を示した装置断面図である
。 １・・・・・・流動層反応装置、７１．γ２・・・・・
・検出容器、９１，９２・・・・・・差圧測定孔、１０
・・・・・・ガス、１１・・・・・・反応粒子、１２・
・・・・・流動層、１５・・・・・・検出粒子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 下方から吹き込まれるガスにより流動層を形成する
   反応粒子群を有する流動層反応装置において、前記ガス
   の流速が前記反応粒子群の流動化開始速度となる第１の
   領域と、前記反応粒子群を流過済の前記ガスが流過する
   第２の領域とに、前記反応粒子群よりも流動化開始速度
   が大である検出粒子群を収納したものであって該検出粒
   子群を前記ガスが流過する構造の検出容器を設けると共
   に、各該検出容器内の前記検出粒子群乃ちなる層の上下
   間の差圧を測定する差圧測定手段を設けることを特徴と
   する流動層反応装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載において、前記第１の領
   域として内壁から該流動層径の７分の１以下の領域を選
   定することを特徴とする流動層反応装置。 ３ 下方から吹き込まれるガスにより流動層を形成する
   反応粒子群を有する流動層反応装置の運転方法において
   、前記ガスの流速が前記反応粒子群の流動化開始速度と
   なる第１の領域と、前記反応粒子群を流過済の前記ガス
   が流過する第２の領域とに設けられて、前記反応粒子群
   よりも流動化開始速度が犬である検出粒子群を収納した
   各検出容器内の該検出粒子群に前記ガスを流過せしめ、
   該流過により各該検出粒子群に生ずる各差圧を検出し、
   両差圧の比に基づいて運転することを特徴とする流動層
   反応装置の運転方法。