WO2021210417A1 - 揺動機構を具備するガスと粉体の均一接触を可能とする充填層移動層ならびに多段流動層装置 - Google Patents

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Definitions

  • the pressure loss increases 100 times.
  • the motion used is a rotary method, which prevents the occurrence of drift, but cannot maintain the plug-flow property of powder or gas.
  • the essential reason is the centrifugal force generated by rotation. Centrifugal force increases in proportion to the radius depending on the position even at the same rotation speed. Therefore, the centrifugal force is not the same near the wall and on the center side. The powder layer near the center is pushed toward the wall by this centrifugal force, and the height of the powder layer in the center is lowered. On the other hand, since the powder on the wall side has a large radius, it is pressed against the wall by a larger centrifugal force and rises upward.
  • the motion given to the powder is limited to horizontal motion, and this motion suppresses the generation of drift, but does not induce the generation of circulating flow due to the generation of centrifugal force. Is desired.
  • this motion method it is possible to maintain the plug flow property of gas and powder by suppressing the generation of the drift even in the packed layer and the moving layer using the fine powder which easily generates the drift.
  • powder that is easily consolidated it is required to realize such a mechanism that the mechanism that gives this horizontal motion shares and supports the load of the powder layer to prevent consolidation as well. Has been done.
  • the oscillating perforated plate and the static perforated plate installed in the powder layer support the powder load on each perforated plate to prevent the total load of the powder from being concentrated on the bottom of the device, and the device.
  • the rocking mechanism of the present invention is used when it is intended to use fine powder in the packed bed or the moving layer, which is the main object of the present invention, in which fine powders that easily cause drifting or are easily consolidated and thus increase the pressure loss in the layer are used.
  • fine powders that easily cause drifting or are easily consolidated and thus increase the pressure loss in the layer are used.
  • it prevents the occurrence of drift and also prevents consolidation, so it enables uniform contact between gas and powder, which was not possible in the past, and is vertical and volumetric in powder processing and reaction.
  • a highly efficient device can be realized. By introducing the oscillating motion of this horizontal perforated plate, the following effects can also be expected.
  • the inner diameter D R of the ring 9 can be expressed by Eq. (4).
  • the radius of the container 3 is the sum of the distances R OP and R C 1 from the inner surface of the ring to the outer diameter of the rocking plate, the diameter is twice that, and the equation (5) is obtained. Further, the diameter D OP of the swinging perforated plate 5 is given by the equation (6).
  • FIG. 13 is the same as the holding example 1, but as the rotation restraint mechanism, a rotation restraint link 21 having a joint that can be bent is used in the middle portion instead of the rotatable arm 20.
  • the length when the joint of the link 21 is extended shall be a size obtained by adding 1 to 2 mm to the Gap in order to allow a margin for the swinging motion range of the swinging perforated plate 5.
  • the cutout portion 15 of the swinging perforated plate 5 is the same as that in the holding example 1. As a result, the swinging perforated plate 5 can swing around the center as in the holding example 1.
  • the oscillating motion is such that the shear stress should be increased to strengthen the crushing function, or the frictional resistance between the powder layer and the upper surface of the oscillating perforated plate is small and slippage is likely to occur.
  • the protrusions 24 as shown in FIG. 15 above, below, or above and below the powder layer.
  • FIG. 15 shows a conical, hemispherical, and triangular columnar shape as an example of the protrusion, any one of these may be adopted.

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Abstract

【課題】凝集性が高く圧密化しやすい粉体を用いる充填層、移動層、多段流動層において、偏流が発生する事で、ガスとの均一な接触が不可能となるので、このような粉体の利用を可能とする偏流を発生させない装置が望まれている。 【解決手段】本発明では下部から通気する充填層３もしくは移動層内に、水平に揺動する多孔板５と静止した多孔板４を、一対以上、複数対を設置し、揺動多孔板５に水平な揺動運動をさせ、粉体に水平揺動運動を与える事により、偏流の発生を抑止する事で、従来、凝集性が高く圧密化しやすい粉体を用いる充填層、移動層、多段流動層装置において不可能であった均一な気固接触を可能とし、更には、粉体層内の多孔板によって、粉体の圧密化も併せて抑止する。 また、本揺動機構を導入する多段流動層においては、ガスの流速が、流動化開始速度より小さい場合においても、揺動板の運動により、均一な気固接触を可能とする。

Description

[規則26に基づく補充 15.04.2021]　揺動機構を具備するガスと粉体の均一接触を可能とする充填層移動層ならびに多段流動層装置
ガスと粒子の接触による乾燥や反応などの処理においては、その処理速度および反応速度は、粒径が小さく、比表面積が大きい微粉の方が、早く有利である。従って、固体触媒反応で用いる触媒粒子のサイズは小さく、数ミクロンメーターであり、近年はそれ以下のナノメーターサイズである。この様な触媒を用いる反応装置には、充填層が用いられる。その主な理由は、完全混合槽である流動層装置に比べて、反応装置の容積効率が高く、コンパクトとなるからである。
しかし、この様な微粒子の触媒を充填する充填層反応器では、触媒を微粉状態で充填すると、通気ガスの圧力損失が大きくなること、更には、ガスの偏流が起きやすくなる事から、一般には微粒子の触媒を、反応に不活性な大粒子表面に担持させて、これを充填して用いられている。
一方で、微粉をそのまま充填層にて用いようとする場合には、層下部では、粉体自身の荷重によって圧密化が発生しやすい。また、ここにガスを流通させる際に、局所的に流れが集中するチャンネリング等の偏流が発生しやすい。この偏流の発生により、層内を流れるガスと粉体との均一な接触は不可能となる。この様な問題発生を避ける為に、これまで、このような微粉が、充填層、移動層装置で、そのまま利用される事はなかった。
本発明は、偏流を発生しやすい微粉を用いる場合においても、その偏流の発生を抑止する機構を導入し、これを充填層、移動層あるいは多段式移動層装置あるいは多段式流動層等の装置に組み込む事で、ガスと微粉との均一な接触を可能とする装置を提供するものである。
粉体をガスと接触させて、乾燥あるいは反応などの処理を行う装置としては充填層、移動層、流動層などがある。このようなガスと粉体と接触させ処理を行う装置において、ガスと粉体との均一な接触は、装置の容積効率を支配する極めて重要な要素である。
しかし、この均一な接触の実現が可能か否かは、粉体の性状により、その難易度が大きく異なる。
完全混合槽である流動層は、ガスと粉体とを均一接触させる装置であるが、その為には偏流を起こさないで、均一に流動化させることが必須である。しかし、この流動層においても、微粉の場合には、均一流動化が難しくなる。この流動化の難易度を、粒子の平均粒径と密度の関係によって、分類整理したのが、図１のGeldartの流動性の分類図(Geldart　D．、Powder　Technology、1、285、1973)である。
図１中の横軸は粒子径、縦軸は粒子密度と流体密度の差である。この中でA領域は通常の流動層が形成できる領域、B領域は大きな気泡が発生する流動層、D領域は更に気泡が大きくなり粒子の一部がガス流に同伴され噴出する噴流層である。ここで、C流域は、粒径が小さく、粉体の凝集性が強いため、偏流が発生しやすく、均一な流動層の形成は困難とされている粒子の領域である。この図によれば、２０μm以下の粒子は、凝集しやすく、このC領域に属する事が示されている。
充填層ならびに移動層においては、粉体層中を通過させるガスの流速は、流動化開始速度より低くなるため、流動層条件より、更に、偏流が発生しやすい条件となる。（即ち、流動層に比べて、図１の流動化が困難なC粒子領域とA粒子領域の境界線は、右側にシフトしているはずである。）
微粉を充填した装置内に、ガスを通気する粉体処理装置において、偏流の発生を防止し、均一な気固接触を実現する事は極めて重要な技術要素である。
本発明は、偏流を発生しやすい微粉を用いる充填層および移動層装置に関するものであるが、その詳細な説明に入る前に、微粉を用いる装置として、流動層ではなく、充填層や移動層を目指す理由を明らかにする。
化学工学便覧第4版P1446に依れば、反応装置の容積効率に関して、充填層が流動層のような完全混合槽に対して優れているという事が、示されている。この文献では、1次反応を例に、充填層反応器の必要容積VPに対して完全混合槽反応器の場合に、同じ反応転化率を得るために必要な装置容積Vとの比は式(1)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
ここで、kは反応速度定数、θは反応時間、uは流体の流速、Lは反応装置の軸方向（流れ方向）長さであり、DLは軸方向混合拡散係数（軸方向の混合度の尺度）である。
同じ反応について、各々、充填層と流動層を用いる場合において、通過する流体の速度uおよび反応時間θを等しい条件とする時、充填層においては、先に述べた如く、流体および粉体の流速分布はプラグフローであり、逆混合は発生しないので、その混合拡散係数DLの値はゼロとなるが、これに対して、完全混合槽である流動層の場合には、混合拡散係数DLが大きな値となるため、流動層の装置容積Vは、充填層反応装置の容積Pに比べて、大きくなる、即ち、V/VP＞１となる事を示している。即ち、移動層の方が流動層に比べて、反応装置の容積効率は、常に高い、また、容積効率を高めるには、装置内のガスや粉体の逆混合を抑え、式(1)の軸方向混合拡散係数を小さくすることが重要である。
よって、本発明で目指す装置は、ガス及び粉体について、可能な限り逆混合を小さくし、また、ガス流についてはチャンネリング等の偏流によるガスのショートパスを起さないようにフラットな流速分布を実現する事が重要である。
充填層や移動層において、偏流を発生しやすい微粉を用いる際に、何らかの外部動力によって、粒子の運動性を高め、発生する偏流を常に壊し続けることができれば、均一な気固接触が可能な充填層および移動層を実現できると考えられる。
C領域の微粉を用いる際のもう一つの課題は、このような微粉を高く積層する場合に、その下部では、粉体の自重によって圧密化を起しやすい。この圧密化が発生すると、ここを通過するガスの圧力損失は極めて大きくなる。この圧密化を避けるために、これまでに微粉あるいは圧密化しやすい粉体を、直接、充填層や移動層に用いることは無かった。
ここで、充填層に粉体を充填した時の圧力損失に関しては有名なKozeny-Carmanの式（Philip C． Carman “Trans． Inst. Chem. Engrs”., London,15.150, 1937）の式(2)がある。
この式(２)によれば、充填層の圧力損失ΔPは、粒径DPの2乗に反比例して大きくなり、また、粉体層の空間率εの関数(1-ε)2/ε3に依存するとされている。
ここでV0は装置内の空塔速度、μは流体の粘度、ΦSは粒子の形状係数である。
試算例として、式(２)によれば、粒径が200μｍから、1／10の20μｍの微粉に変わると、その圧力損失は100倍に増加する。
また、圧密化の影響は空間率関数(1-ε)2/ε3で表されているが、例えば、圧密化され、空間率εが小さく0.1となる場合では、この関数の値は810と極めて大きな値となるが、他方、圧密化されず、ほぐされ、その空間率εが0.8と大きくなると、この関数の値は0.078(約1/13)となり、逆にその圧力損失を大幅に低減することが分かる。
即ち、微粉を用いる充填層あるいは移動層においては、圧密化を防ぎ、粉体層を十分に解して、空間率εを大きく（＝嵩密度を低く）保つことが重要である事を示唆している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
偏流や圧密化を発生させることなく、微粉も処理可能な既存の粉体処理装置としては、粉体を転動させる傾斜型のロータリーキルンがある。この装置内の粉体の流れは、ガス流と反対方向、即ち、向流接触方式である事から、ロータリーキルンは、移動層装置の一種である。
しかし、このロータリーキルン内では、ガスは、粉体層中を通過するのではなく、キルン内の粉体の上部を通過する際に、キルンの転動に伴って、持ち上げられた粉体と接触することになる。ここでは、粉体に常に、この転動運動を与えている事から、ロータリーキルン内では、偏流等の問題は発生していない。
しかし、キルンは傾斜させているが横型装置であり、粉体はその底部のみに存在し、その充満率はおよそ5～30％程度とされており、容積効率が低い。更に、スループットが大きい処理装置において、あるいは反応処理に時間を要する場合において、装置が長くなる事で、広い設置面積が必要となる。
これまで偏流を発生しやすい微粉について、縦型で、しかも、均一なガスと粉体との接触を実現する装置は実現されていなかった。
本発明は、縦型の充填層ならびに移動層において、特にこのような偏流を発生しやすい微粉を用いようとする場合において、何らかの動力を用いて微粉体に運動エネルギーを与える事で、偏流の発生を抑止し、ガスと粉体との均一な接触を可能とし、しかも、容積効率が高い装置を提供するものである。
微粉を用いる粉体処理装置として、実全平04-125185では、微粉を入れた横方向に長い箱型の流動層の分散板直上に縦形の櫛状の回転翼を複数設置し、これを撹拌させることで、槽内の微粉を撹拌し、（即ち、外部動力を用いて）偏流の発生を抑止し、安定な流動層を実現できることが示されている。しかし、この技術を充填層および移動層に適用すると、層全体が混合され、充填層および移動層の特長である粉体のプラグフロー性を損なうことになるので、本開発に適用できない。 特開2018-065134、特開平09-290143等、流動層全体に振動を与える振動流動層としての応用例が多数提案されている。いずれも、流動化ガス以外の外部動力を用いる点、および、微粉に有効な方法という点では共通しているが、これらは全て安定な流動層を形成させるための方法であり、プラグフロー性を保持すべき充填層や移動層に対しては特許文献１と同様に適用できない。 特開1981-20992、特開 1982-127422、特開1984-210293には棚段型多段流動層に関する発明が記されている。これらの多段流動層は、通気するガスの空塔速度が最小流動化速度より高いので、内部の粒子は流動化しており、多段流動層である。しかし、これらの発明は、課題である偏流を発生しやすい微粉（C領域の粒子）には適用できない。
GeldartのC分類に属する微粉を取り扱う先行技術文献として、「加熱器を用いたごみ焼却飛灰中ダイオキシン類の揮発脱離分解」2003年 塩満徹[他] JFEスチール株式会社 NKK技報、(176) 2002，03 がある。この文献には、微粉で凝集性の高いフライアッシュを均一に熱処理するために、円筒形状の流動層内に多段の水平撹拌棒を設置し、これを回転させることで偏流発生を抑止する撹拌流動層について述べられている。微粉を処理できる点では、その対象は同じであるが、装置としては、流動層であり、この方法を充填層ならびに移動層に適用する事はできない。
微粉を用いる粉体処理装置あるいは粉体反応装置において、先行特許や文献によれば、装置全体を振動させる、あるいは、粉体層内部に設置するか回転翼(あるいは棒)によって、粉体全体を激しく混合させることで、偏流の発生を抑止しているが、いずれも、対象とする装置としては流動層であり、安定な流動状態、（完全混合状態)を作り維持するための方法であり、プラグフロー性を重要とする充填層や移動層に適用する方法ではない。
偏流を発生しやすい微粉を充填層あるいは移動層を、処理装置あるいは反応装置として用いる場合には、偏流の発生を防止し、気固の均一接触を実現する事に加えて、粉体の垂直方向の混合拡散を極力抑制する事も重要である。即ち、目標とする装置においては、粉体の水平方向の運動は好ましいが、垂直方向の運動は極力抑制する必要がある。
非特許文献１の撹拌流動層においては、用いている運動は、回転方式であり、これにて偏流発生を防止するが、粉体やガスのプラグフロー性を維持できない。その本質的な理由は、回転によって発生する遠心力である。遠心力は同じ回転数でも、位置により、半径に比例して大きくなる。従って、壁近傍と中央側では、その遠心力は同じではない。中心付近の粉体は、この遠心力により壁側へ押しやられる中央部の粉体層高は下がる。一方、壁側の粉体は、半径が大きくなるため、より大きな遠心力により壁に押し付けられ、上に盛り上がる。その結果、粉体層には、撹拌槽同様に、大きな循環流が発生する。即ち、回転方式では、与える運動が水平運動成分のみであっても、半径位置に比例して大きくなる遠心力の作用により、完全混合槽となるので、充填層や移動層には不適である。
ガスと粉体の上下混合を発生させないように、粉体に与える運動を水平運動のみとし、この運動により、偏流発生を抑止するが、遠心力発生による循環流の発生を誘起しないような運動方式が望まれている。この運動方式により、偏流を発生しやすい微粉を用いる充填層や移動層においても、偏流の発生を抑止する事で、ガス及び粉体のプラグフロー性を保つことを実現する。また、圧密化しやすい粉体を用いる場合においては、この水平運動を与える機構が、粉体層の荷重を分担して支える事で、圧密化も併せて防止する、そのような機構の実現が求められている。
本発明では、偏流を発生しやすい微粉を充填層、移動層でも用いられるようにする為の運動機構を提供するものであるが、多段流動層は、各段内は流動層であるが、装置全体の混合特性としては移動層的に機能する装置であるので、本発明の対象には、充填層、移動層に加えて多段流動層も含める。
偏流を発生しやすい微粉を充填層、移動層および多段流動層にて処理しようとする場合に、粉体に与える運動は、上記した回転運動方式で起こる問題が発生しないように、
１．粉体層中の水平面内の全ての位置で、同じ水平運動速度を与えること、
２．特に微粉を用いる場合には、粉体層の圧密化を防止する必要があり、その為には粉体層の嵩密度を上げない
の2つを同時に満足させる新たな運動様式、ならびにそれを実現する機構でなければならない。
従来、偏流を発生しやすい粉体を充填層、移動層および多段流動層に対して用いようとする場合には、ガスを通気する際に、チャンネリング発生などによる偏流が起きやすく、均一な気固接触が不可能であり、利用されてこなかったが、この様な微粉の流動性を改善する手段として、回転運動ではなく、水平円心揺動運動を用いることで、粒子の水平方向の運動を援け、気固の均一接触を可能とする方法を考案した。
ここで用いる水平揺動運動は、篩振とう機、あるいは振とう撹拌器等で用いられている運動様式である。この揺動運動では、撹拌翼や撹拌棒の回転運動とは異なり、同じ水平面内のどの位置においても、その運動方向と速度、作用する力は同じにすることが可能である。また、装置をスケールアップしても、スケールアップ前と同じ剪断力分布を容易に再現できる。
微粉層中において水平環状揺動運動を与える手段として、水平板を用いるが、この水平板には、ガスと粉体の垂直方向の流れを阻害する事が無いよう多孔板を用いて、これに水平揺動運動を与えるが、これと垂直方向に一定の間隔を保って固定され動かない静止多孔板を設け、これらを1対として、これを粉体層中に設置し、揺動可能な多孔板にのみ、水平環状揺動運動させ、静止多孔板との間の粉体に、剪断応力を発生させ、この剪断応力により、粉体の嵩密度を平均化し、その結果、偏流の発生を防止することで、気固の均一接触を可能とする。
ここで、固定して動かない静止多孔板を設置せず、揺動板だけを設置する場合には、例えば2枚の揺動板に挟まれた粉体は、揺動板と一緒になって、水平運動するのみで、この中に速度分布は発生せず、剪断応力も発生しない。しかし、水平に揺動する揺動板と静止多孔板で粉体層を挟むことで、その間の粉体に剪断応力が発生する。この剪断応力が、粉体を解し、嵩密度を均一化させる働きをするので、偏流発生を阻止できる。従って、粉体層内にはこの揺動多孔板と、静止多孔板の組み合わせが必須である。
粉体層中に設置される揺動多孔板および静止多孔板は、各多孔板上の粉体荷重を支えることで、粉体の全荷重が装置底部に集中してかかることを防止し、装置底部における圧密化ならびに、嵩密度の上昇を抑制し、微粉層における圧力上昇ならびにチャンネリングの発生を防ぐことで、気固の均一接触を可能とする。
本発明により、その主目的である偏流を起こしやすい、あるいは、圧密化し易い、その為に層内圧力損失が上がる微粉を充填層あるいは移動層で用いようとする時、本発明の揺動機構を用いる事で、偏流の発生を防止し、また併せて、圧密化も防止するので、従来、不可能だったガスと粉体との均一接触を可能とし、粉体処理及び反応において縦型で容積効率の高い装置を実現できる。
この水平多孔板の揺動運動を導入する事で、以下の効果も併せて期待できる。
多段流動層
流動化させるのが難しいとされていたGeldartのC領域の粒子の微粉でも、揺動多孔板を粉体層内に設置する事で微粉の運動を促し、安定な流動層を形成する事ができる。更に、これを多段化する事で、装置全体としては、移動層的な混合特性を持つ多段流動層を実現できる。
流動層装置においては、ガス流速は、粒子を流動化させるために、粉体の流動化開始速度より大きくする必要があるが、本発明では、粒子への運動エネルギーをガス流からのエネルギーに加えて、揺動板の運動により与える事により、流動化開始速度以下のガス流速条件下でも、粉体層内の粒子全体を流動層と同程度に運動させ、混合させる事が可能である。即ち、ガス流速が流動化開始速度以下の条件下でも、流動層に近い状況を生み出す事ができる。
上記の多段流動において、各段では、静止多孔板が無く、粉体層上面は上に向けて解放されて空間部が存在することで、揺動板上の粉体に剪断応力が発生しないが、この事で、特に流動性が劣る微粉の場合には、壁近傍において、揺動板の後退時に粉体の谷間が発生し、これによりこの谷間にガスが集中し、偏流を発生するが、上段の分散板下面から粉体層内まで届く、平板あるいは短冊状の垂直板を設置する事で、粉体層内に剪断応力を発生させ、この谷間の発生を抑制し、各段内で、安定な流動状態を保つことが可能である。
凝集粉体の解砕
凝集し易い粉体を用いる際に、凝集の発生を防止、あるいは発生した凝集塊を解砕する為に、揺動多孔板と静止多孔板の間隔を狭くする、あるいは揺動板の速度を早くするなどにより、その間に働く剪断応力を高めることで、凝集塊の解砕力を強化することが可能であり、更にまた、揺動多孔板および静止多孔板の上面もしくは下面、あるいは両面に、揺動運動時にそれぞれが、接触しない様な突起物を設ける事で、解砕力を強化する事も可能である。
粉体貯槽における圧密化とブリッジング防止
水平多孔板と揺動する多孔板を、粉体貯槽内に複数組設置する事で、粉体貯槽でしばしば問題を起こす、圧密化発生によるブリッジングを防止できる。また、仮にブリッジングが発生しても、これらの揺動板を水平揺動運動させる事で、これを解砕する事が可能であるため、ブリッジブレーカーを必要としない排出が容易な粉体貯槽を実現できる。
以上、粉体を扱う充填層ならびに移動層内において、揺動多孔板と静止多孔板を交互に設置した装置では、揺動多孔板を水平揺動運動させることで、以下の特長を生み出すことができる。
１．ガスによる偏流発生を抑止できる。この事により、ガス流のプラグフロー性を損なわない。また、移動層においては下降する粉体流のプラグフロー性も維持できる。これらにより、ガスと粉体の均一接触を実現できる。
２．粉体層中に複数の揺動多孔板および静止多孔板を設置する事で、粉体の圧密化を防止でき、その結果、ガスの通過圧力損失増大を防止できる。
３．多段流動層において、この揺動運動を用いる事で、流動化し難い粉体を利用する事が可能となり、また、用いるガス流速を、流動化開始速度より小さい、流動化困難な条件下でも、揺動運動にて、流動化同様の状態を生み出す事が可能となり、その適用粒径範囲の拡大に加えて、運転条件範囲も拡大できる。
流動層において粉体の流動化し易さを表す指標となるGeldartの流動性分類図 粉体層内の２枚の静止多孔板とその中間にある水平運動する多孔板の間の粉体の流速分布と剪断応力の関係 偏芯カムの回転に伴い、揺動多孔板５が回転する様子 偏芯カムの回転に伴い、揺動多孔板５が回転しようとする運動を、ピン14と揺動を許容する穴によって拘束し、円心揺動運動とする様子 揺動機構を具備したガスと粉体の均一接触を可能とする円筒充填層装置（斜視図） 直方体形状の移動層のイメージ図（斜視図） 直方体形状の揺動装置と内部の多孔板のイメージ図　（斜視図と平面図） 円筒容器内径、カムの偏芯距離、揺動運動径、揺動多孔板径等の各寸法の関係図 矩形揺動板のカムの長径RC1とリングの大きさ、X,Y方向の揺動距離の関係 多孔板の支持方法の例（側面図、斜視図、平面図） 静止多孔板のセット方法例　(平面図、側面図) 揺動多孔板保持例１（平面図、側面図） 揺動多孔板保持例２（平面図、側面図） 揺動多孔板保持例３（平面図、側面図、斜視図） 揺動多孔板と静止多孔板上の突起物と補強用リブの例 実験観察装置概略と差圧測定の図 粉体排出時、粉体上面が沈下していく様子 揺動板を組み込んだ棚段型多段流動層装置の概略図 ダウンカマー内の粉体が揺動板の運動で書きだされるイメージ 揺動板の運動による壁付近の粉体の動きと、そこに谷間が発生する様子 揺動板上の粉体層上面の運動を拘束するため、静止板の下面に取り付ける垂直仕切り板の例 垂直仕切り板を設置しない場合と設置した場合の揺動板上の粉体挙動の比較
始めに、本発明の本質である偏流発生を防止するための水平揺動運動によって粉体に与える力の関係を説明する。
図２は粉体層内に埋もれた3枚の水平多孔板を示している。中央の多孔板５は水平方向に速度Uで動き、これと間隔Hの位置にある上下の2枚の多孔板４は静止して動かない。
ここでは説明を単純化するために、この粉体層を流体と想定する。多孔板５の上下の粉体は、この多孔板５の動きに引きずられ、垂直方向への運動成分はゼロであるので、ここに速度勾配du/dh=U/Hが生まれ、この速度勾配により、この４と５の平板間には、剪断応力が発生する。その速度勾配と剪断応力τの関係は、式(3)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 ここで、ηは粉体の見掛け粘度である。
この中央平板の水平運動により、粉体層内に剪断応力が発生し、この剪断応力が、粉体層中の嵩密度を平均化し、嵩密度分布の不均一さから発生するチャンネリングの発生等による偏流を防止、あるいは、その影響を最小化する力として作用する。
ここで、注意すべきは、図２と式(3)の説明は、内部の圧力が等方的に作用する流体の場合である。即ち、図2の上の静止板下面と粉体層は密着しており、しかも、この面における摩擦力は、中央の揺動板上面と粉体層の摩擦力と同じである。しかし、粉体の場合には、その粉体圧は、当方的には作用せず、主に下方向にのみ作用し、上方向には殆んど作用しない。粉体層の中で、この揺動多孔板が水平方向に移動する時、上の静止多孔板に接している粉体との間には十分な摩擦力が発生しない。即ちスリップするような状況となる。その結果、この揺動板上の粉体層内剪断応力が発生せず、粉体は、揺動板の上に乗った塊として動くことになる。即ち、粉体層の嵩密度を平均化する作用は生まれない。このような時には、先の述べた如く、粉体層上面の粉体の運動を拘束し、粉体層内部に剪断応力を発生させるための工夫が必要である。
本発明では、粉体内の平板に与える水平運動として、水平揺動運動を用いるが、それは、既に説明したごとく篩振とう機や振とう撹拌器等で用いられる運動様式である。しかし、これらの装置と異なるのは、本発明では、この揺動運動する機構を、粉体層内に埋没させて設置し、粉体にのみ運動を伝達する点である。
従って、この機構内で用いる部品等の設計製作においては、動力伝達部における粉噛み、粉体の固着などが発生しないように、配慮すべきである。
次に、本発明における装置内に設置する揺動運動を発生させる機構の概念を図３，４にて説明する。
図３左側の図は、その中央にある回転軸２の回転に伴って偏芯カム10が回転する事を示している。偏芯カム10の長端はリング９の内側に接しており、その回転によって、リング９に接続された揺動多孔板５を押し動かす。図３右側の図は、この偏芯カム10がおよそ90度回転した後の様子を示している。左右の図の比較より、揺動多孔板５が回転し、揺動多孔板５の3箇所の穴19－a,b,cの位置が、およそ90度回転している事を表している。
次に、図４に示した例では、同様の構造に加えて、容器３の内壁3箇所から、垂直に立つピン14が中心に向かって張り出しており、それぞれが穴19－a,b,cに通してあるので、揺動多孔板５の運動は、ピン14によって、回転使用とするのを拘束され、この穴の大きさの範囲の運動に制限される。その結果、図３とは異なり、穴19－a,b,cの位置は大きく変わらず、この穴の大きさを運動範囲とする水平円心揺動運動に変換される事となる。
この様に、偏芯運動と回転運動を拘束する仕組みの組み合わせる事で、回転運動から円心揺動運動を発生させる。ここで、説明した例では、回転運動を変換する機構として、穴19と、これを通るピン14を用いたが、このように回転運動を揺動運動に変換する機構は、他にも多様に考案可能であり、ここで説明する方法に限定するものではない。
以上の揺動機構を組み込んだ移動層装置の概要を図５に示した。即ち、図４で説明した水平揺動運動可能な多孔平板５と、これと所定の間隔を保って固定された静止多孔板４とを、一対として、３対を粉体層内に、所定間隔おきに垂直方向に積層するように設置し、これらの多孔平板に装置内の粉体荷重を分担して担わせる事で、粉体層内の圧密化を防ぎ、これによって粉体層内を通過するガスの圧力損失の増大を抑制したものである。
また、これらの水平板内を貫く回転軸２を回転させることで、揺動可能な多孔板にのみ水平揺動運動を与え、静止多孔平板との間の粉体中に剪断応力を発生させ、これにより粉体層内のプラグフロー性を損なうことなく、偏流の発生を抑止する。この事によりガスと粉体との均一な接触を可能とする移動層装置である。
図５では、粉体は排出口７から連続的に排出可能である。即ち、装置の上部から供給される原料粉体は、装置内部で所定の処理を済ませた後、連続的かつ定量的に抜き出される仕組みである。
ここで、この装置内では、粉体中に揺動多孔板、静止多孔板ともに埋もれており、各板の下面には、粉体との摩擦力が、十分に働いているとの想定である。粉体の性状にもよるが、もし、各板の下面で、粉体との摩擦力が働かず、スリップしているような場合には、各板の下面に、先に述べたような垂直の仕切り板等の剪断応力を発生させる工夫を施す必要がある。
一方、粉体荷重による下方向に作用する粉体圧は、装置内の各板および底板の全てに作用する。言い換えれば、各段上の粉体荷重はその下の板が支える事になる。これにより、この装置底部に粉体荷重が全てかかることにより、ここで圧密化が進行する事を防止している。
次に、この装置内部に設ける揺動運動を発生させる機構について説明する。本発明で用いる運動様式は水平板の揺動運動であるが、円筒形状の装置の場合には、円状に揺動する円心揺動を用いる。しかし、本発明は円筒形状の装置に限定するものではなく、直方体形状の場合には図６,７に示した如く、同様の機構によって、内壁に沿って矩形の揺動板を用いて矩形の揺動運動をさせることも可能である。また、揺動板に揺動運動を伝達する回転軸は必ずしも装置中央である必要はなく図７の如く、装置内の一隅など何処でも良い。本発明では、円あるいは矩形などの揺動運動の総称する場合には、環状揺動運動と呼ぶ。
各種反応装置あるいは粉体装置で用いられている回転運動では、先に述べた如く、異なる半径位置で発生する遠心力は半径に比例するために、装置内全体で粉体に働く力を等しくすることはできないが、この揺動運動様式においては、揺動板上の運動方向と速度は、装置内のどの位置においても全く同じである事が、その大きな特長である。
図８ではこの揺動板の設計に必要となる揺動板内の各要素の寸法のそれぞれの関係を説明する。 
揺動運動を可能とする容器3の内径Din、揺動板5の直径DOP、揺動許容穴19の口径DO、偏芯カム10の長径RC1、揺動板上のリング9の内径DR、回転軸2の外径をDA、ピン14の外径をDpinとし、DinとDOPの差をGapとする。 
このGapが、揺動多孔板５が揺動運動可能な揺動運動幅である。また、偏芯カム10の長径RC1に対して、反対側の回転軸中心からリング９の内壁までの距離をRC2とする時、リング９の内径DRは、式(4)と表せる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 次に、容器３の半径は、リング内面から揺動板外径までの距離ROPとRC1の和であるから、直径はその2倍であり、式(5)となる。
また、揺動多孔板５の直径DOPは、式（６)となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 ここで、式(5)と式(6)の差から、Gapは式(7)で表され、即ち、この円板を揺動させるには、RC1とRC2の差はGapに等しく、それは円心揺動直径DOでもある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 ここで、偏芯回転運動を変換するために揺動運動を許容する穴19を用いる時、この中のピン14の直径がDpinである時、その穴の直径は、このピン14の直径分だけ大きくする必要があるため、Dpinを加えて式（８)となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
以上の関係式が、円形容器について円心揺動を発生させる仕組みと、揺動板を設計するための各部分の大きさの関係である。これにて、揺動多孔板の各寸法は設計可能となるが、揺動穴の直径DOに関しては、上記関係で求められる値は最小値であり、実際に制作する際には、それぞれが干渉する事が無く、円滑に運動できるようにするために、余裕として、更に1～2mm加えるのが望ましい。
矩形装置の多孔板の揺動は、図９に示したように揺動多孔板の縦横（X,Y）のそれぞれの揺動距離は、矩形リングのX方向とY方向の内法のDXとDY、これと接する偏芯カム10の長半径RC1から、式(9)と式(10)の如く表され、この関係を基に、更に１～２mm程度の余裕を加えるのが望ましい。また、矩形の場合には、回転防止のピン14は、揺動多孔板の運動のバランス的観点から、少なくとも４カ所の全ての角部に設けるのが望ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
次に、用いる多孔板の仕様（孔形状、孔径、開口率）、揺動多孔板と静止多孔板の間隔の決定法について解説するが、いずれも、用いる粉体の性状により変わるので、使用する粉体を用いて、その性状を把握して決定すべきである。ここでは、参考例として、その概要のみを説明する。
多孔板の孔形状：
多孔板としては市販のパンチングメタルを用いるのが好ましい。市販のパンチングメタルの孔形状は丸孔、長孔、特殊形状の孔と各種あるが、本発明の用途では、ガスと粉体の円滑な通過性が重要であり、そのためには、細長孔等の形状は不適で、等方的である事が望ましく、四カ形、六角形などの角孔等でも良いが、円形の丸孔が好適である。
開口率：
一般に、丸孔のパンチングメタルには、その孔配列に60度千鳥、角千鳥、並列型など各種あり、これらの開口率の値は、その孔径、ピッチ、そして配列から算出される。
参考例として市販の丸孔パンチングメタルで千鳥配列の場合、その孔径がピッチの半分である場合の開口率は22.7%であり、千鳥配列の場合には39.3%である。配列はこれらのいずれでも良い。そこで、開口率はこの22.7％以下でも、この39.3％以上でも使用可能ではあるが、特段の理由がない限り、一般的な約20～40％の範囲で良い。
孔径の決定法：汎用多孔板の孔径はΦ3～10mmであり、この中から選定すれば良い。通常、凝集性が低く流動性に優れる粉体の場合には、一般的な経験則として、粉体が通過する孔径は、その粒径分布から、最大径の3倍以上とすることで、この穴に粒子が目詰まることは無く、全粒子が通過可能とされている。そこで、孔径Φ10mmの汎用多孔板は最大粒径およそ3mmまでの粉体に使用可能と理解できる。
微粉あるいは凝集しやすい粉体の場合には、孔径Φ3～Φ10mmの各種多孔板の中から、実際に用いる粉体を用いて、揺動時の粉体の通過性を観察して、用いる孔径を選定するのが望ましい。
以下は、粉体の通過性観察の参考例を示すが、この方法に限定するものではない。
孔径Φ3mm開口率22.7％の大きさ300mm角のパンチングメタルに、付着性がない、いわゆる、サラサラの粉体の代表例として、平均粒径約0.5mmのグラニュ糖100ｇを乗せ、これを１分間、水平揺動速度として約5ｃｍ/sで水平に揺すって、その通過性を確認した。グラニュ糖は、容易に短時間で全量通過した。
次に、同様のパンチングメタルに、園芸用消石灰（平均粒径7.8μｍ）100ｇを乗せ、これを、同様に１分間、水平揺動速度約5ｃｍ/sの幅で水平に揺すって、その通過性を確認したところ、およそ1/5が通過せず、このパンチングメタル上に残った。
この後、パンチングメタルを孔径Φ5mm、開口率22.7％に替えて、同じ消石灰粉を用いて同様の試験を実施したところ、粉体はその全量が、このパンチングメタルを通過し、その通過性が良好な事を確認できた。
従い、グラニュ糖の粒径は消石灰粉より大きいが、粒子同士の付着性が無く、流動性に優れるので通過性は良く、孔径3mmで充分であった。しかし、消石灰粉は、平均粒径はグラニュ糖の約1/65と小さいが、粒子同士の付着性あるいは凝集性が高く、流動性が劣るのでΦ5mmの孔の多孔板とする必要があった。
このような簡単な通過性試験を実施して選定するのが望ましい。
多孔板間隔Hの決定法：ここでも参考例を示すが、この方法に限定するものではない。
静止多孔板4と揺動多孔板5には、既に説明してきたように
１．層内の粉体荷重を分担して担い、圧密化を抑止する
２．粉体層内部に水平揺動運動による剪断応力を与え、偏流の発生を抑止する
という二つの要素が共に重要である。
始めに多孔板間隔の最小値Hminの決定法であるが、単純に物理的に分解と組立等の作業に支障がない最小間隔とする。作業性による因子は、用いる部品、工具、治具のサイズにより異なる。以下の説明ではHminを20mmとしている、これに限定するものではない。
次に最大値Hmaxに関しては、上記2つの要素の中の、圧密化に関しては、この間隔内であれば、静止時にも圧密化を起さない層高さ（間隔）をHmax1と、チャンネリング発生による偏流を阻止するに必要な剪断応力が得られる最大高さをHmax2とし、これら二つの値を比較し、いずれか小さい方を許容最大値Hmaxとすれば良い
ここで、Hmax1は用いる粉体の静置観察により、圧密化が起きない高さを確認すれば良い。
Hmax2は粉体層内に通気し、チャンネリング等の偏流が発生した状態で、粉体層内に設置した多孔板を横にスライドさせる時に、発生したチャンネルが解消する最大高さとする。従って、この値は用いる粉体にて観察実験を行い決定すべきである。
スケールアップ設計における多孔板間隔Hは、どのように設計すべきかについて説明する。
小スケール装置の結果から、スケールアップする際に、同じ剪断応力が発生するような設計とすべきである。即ち、スケールアップ後も同じ速度勾配を発生させる様に設計する必要がある。揺動方式では、剪断応力は揺動板移動速度と多孔板間隔の比で決まるので、この比が等しくなるように、相似則に従って、スケールアップすることで、速度勾配を等しくできる。
剪断応力を等しくするスケールアップ設計法について述べたが、この剪断応力は、装置製作後でも、運転条件によって調整可能である。例として、この揺動運動が円運動する円心揺動について説明する。
毎秒N回転する時、1秒間の揺動距離はπDO×Nである。即ち、これは揺動運動速度Uであり、U＝πDO×Nとなる。その時の剪断応力は式(11)で表される。この式の中で、DOとHは装置の設計因子であるが、回転数Nは操作因子であり、運転時に任意に調整可能である。
この事は、同じ装置でも、取り扱う粉体性状が変わり、偏流発生の懸念が増加するなど運転条件が変化する時に、回転数Nを調製する事で、発生する剪断応力の大きさを適切に調整する事ができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
以上、多孔板の仕様（孔径、ピッチ、開口率、2枚の多孔板の間隔）についてまとめると、
１．孔形状については円形もしくは等方的な多角形が好ましく、円形が最も好ましい、
２．開口率は、その孔径をピッチの半分とする場合において、20～40%の範囲が好ましく、
３．孔径については、Φ3～10mmの範囲内で選定するが、その好適値は粉体性状により大きく異なるので、上述した用いる粉体の通過性観察結果から、選定する。
４．多孔板の間隔については、上述した圧密化と剪断応力が到達する距離の二つの観察実験の計測値から、許容範囲を求め、この範囲内で決定する。
次に、棚段型多段流動層にて、微粉を流動化させようとする際に、この揺動運動方式を適用する方法について説明する。
ここで、適用する多段流動層の構造は、特許文献３にあるようなダウンカマーを備えた棚段型多段流動層を想定している。各段の底板は、静止多孔板に代えて、通常の流動層で用いられる分散板を用いている。
ここで、流動化させる粉体が微粉の場合に偏流が発生すると、気固の均一な接触が不可能となり、装置出口では、未反応のガス割合および処理不十分の粉体の割合が増加することになる。そこで、揺動方式を導入することで、揺動板の揺動運動により、段上の粉体層を常に水平方向に揺らし、この偏流発生を防止する。この結果、段内全面で均一な流動状態を実現し、ガスおよび粉体の処理効率を向上させることができる。
ここで、流動層の場合には、充填層や移動層と異なり、揺動板の上の粉体層上面は、空間であり、静止板が存在しない。従って、揺動板とその下の分散板の間の粉体には、剪断応力が発生するが、揺動板上の粉体層中には、この剪断応力が発生しない。揺動板上の粉体層が揺動板の動きに連動して一体になって動くことになる。
そこで、この様な場合には、粉体層上面に垂直の仕切り板を下ろして、この仕切り板内の粉体の水平方向の移動速度をゼロとし、これにより、粉体層内に剪断応力を発生させ、発生するチャンネルをこの剪断応力によって壊す必要がある。
この垂直仕切り版の詳細については、後述する実施例にて説明する。
本発明の揺動機構の設計時の配慮について
本発明では充填層、移動層および多段流動層の粉体層内に、揺動機構を埋もれさせる事になる。よって、この揺動機構は粉体との直接接触による摩耗、粉噛み、粉体固着などのトラブルが懸念される。従って、これらのトラブル発生を避け、また、保守点検時の分解と組立、そして、洗浄作業等を単純かつ平易なものとすべきであり、その為の構造や部品類は、これらの考慮を反映したものとなるべきであり、多種多様な構造や部品が考案可能であるが、ここでは、円筒装置を例に、揺動多孔板と静止多孔板の支持方法を示す。
揺動多孔板と静止多孔板の支持方法
図10は容器3の内壁に支持部13を差し込んで固定できる差込口12が、垂直方向に所定間隔で必要数（図10では3段）が設置されている。また、この差込口12は軸対象の位置3箇所（0度、120度、240度）に同様に取り付けてある。
ここで、この差込口12の内面と支持部13の接触面は、装着と脱着が容易でかつ、装着時に隙間ができないように同じ角度のテーパ付きとするのが望ましい。
また、差込口12の底部は、ここに粉体が貯まる事が無く、また、洗浄し易さを考慮して開放とする。
差込口12に、垂直に立つピン14を備えた支持部13を上方から差し込み固定する。これにて支持部13の装着は完了となる。脱着はこの逆の手順であり、極めて簡単である。
この支持部13が、静止多孔板４を支え、あるいは揺動多孔板5に対しては、回転運動を変換する機構を保持する部分を支える。
静止多孔板の設置法
図11には静止多孔板のセット方法の例を示した。最下段の差込口12にピン14を備えた支持部13をセットする。静止多孔板4には、これを下方へ降ろしてセットする際に、ピン14を通す廻止め用のピン穴17が設けられている。静止多孔板４の回転軸が通る穴16を回転軸2に通しながら、所定の高さまで降ろし、静止多孔板に設けた廻止め用のピン穴17を支持部13のピン14に落とし込んでセットする。これにて静止多孔板４はピン14によって回転できなくなる。
静止多孔板が複数ある場合には、次の2段目には揺動多孔板５をセットし、3段目に同じ要領で、静止多孔板４を同様にセットする。この様に静止多孔板４と揺動多孔板５を交互に、必要な枚数分設置する。分解時はこれと逆の手順である。
以上は円筒装置の例であるが、図６，７に示した直方体形状装置の場合も手順は同様であるが、多孔板を安定に支持するためには、図７に示した如く差込口12と支持部13を、少なくとも4つのコーナー部に設けるのが望ましい。
容器内壁と揺動多孔板5を連結する回転拘束機構としては多種多様な方式が考案可能である。以下に本機構の基本の理解の援けとして、３つの機構例を参考として示すが、勿論、揺動運動を実現する方式は、これらに限定されるものではない。
１．図１２に示した如く、固定ピン14をその回転中心として水平面内で回転できるアームを用いて、揺動多孔板４を吊り下げ保持する方式、
２．図１３に示した如く、その中間部で水平に折れる関節を有する回転拘束用リンクで揺動多孔板5を吊り下げ保持する方式、
３．図１４に示した如く、揺動板に設けた揺動運動径の穴を容器内壁から突き出させた支持部13上の垂直のピン14に通し、この揺動穴の範囲の揺動運動を許容すると共に、この支持部で揺動多孔板の荷重を支持する方式
などによって、揺動多孔板を所定の高さで保持し、水平な環状揺動運動を可能とする。
以下、これら3つの保持方式の具体例を説明する。
揺動多孔板保持例１
図12では、回転軸2に偏芯カム10が所定の高さで固定されている。この回転軸２には、直径2RC1より大きく、同じ仕様の多孔円板22が、偏芯カム10の下に接合部18によって接続固定されており、これが揺動多孔板５を下から支えている。この回転多孔円板22の目的は、リング９内の偏芯カム10以外の空間部はガスや粉の流れに対して、多孔板が存在する部分に比べて、通過抵抗が少ないため、ここにガスや粉体の流れが他より多く集中する事を防ぎ、全通過断面の通過抵抗を等しくするためである。また、内壁側には、同様の目的で環状の静止多孔板23を設置している。
揺動多孔板5を吊り下げ、その揺動運動を可能とする仕組みとして、この揺動板の3箇所にアイボルト状の吊り下げ用リング状の部品20-1と、このリング部分を貫通しているアーム20-2、更に、これを支持ピン14に被せて保持する部品20-3からなる回転拘束機構20を設置してある。このアーム20-2の直径は、部品20-1のリングの内径より小さくしてあるので、このリングの中をアーム20-2の長手方向に自由に往復運動できる。尚、アーム20-2の容器3の中央寄りの末端は、アーム20-2が部品20-1から抜け出る事を防ぐ目的で部品20-1のリング内径より太くしてある。また、部品20-3の下面にはピン14が入る穴が開いており、これをピン14に上から被せてセットする。この回転拘束部20-3は、ピン14を軸として回転できる。このピン14と部品20-3の穴は着脱が容易となるよう同じ角度のテーパを付けてある。
即ち、揺動多孔板上に設けた部品20-1は、ピン14を軸とする回転運動とアーム20-2に沿って動く半径方向の往復運動の合成された運動によって、2次元の水平揺動運動を可能としている。ここで、アーム20-2に沿って部品20-1が運動できる距離Wは、先に図８に示した、Gapあるいは揺動径DOに余裕幅として1～2mmを加えた長さとする。
ここで、揺動多孔板５には、その周辺部が揺動時に支持部13のピン14と接触しないよう、図にある３個所に半径（DO＋Dpin）/2の半円状の切欠部15を設ける必要がある。
揺動多孔板保持例２
図１３は保持例１と同様であるが、回転拘束機構として、回転できるアーム20に替えて、中間部で、折れ曲がることができる関節を有する回転拘束用リンク21を用いる。この時、このリンク21の関節を伸ばした時の長さは、揺動多孔板5の揺動運動範囲に余裕を持たせるためGapに1～2mmを加えた大きさとする。揺動多孔板5の切欠部15については保持例１と同様である。これにより保持例１同様に揺動多孔板5は円心揺動が可能となる。
揺動多孔板保持例３
図１４には保持例３を示した。回転軸2、揺動多孔板5の設置法は保持法例１、２と同様であるが、揺動多孔板5の回転拘束機構として、図４でも説明したが、回転拘束用ピン14を支持部13から中心側に揺動径DOだけ張出し、これを回転拘束用の直径DOの揺動許容穴19に通すことで、揺動多孔板5の回転運動を変換すると共に、直径DOの範囲の揺動運動を許容するものである。
以上3つの保持例を示したが、水平多孔板を揺動運動させる機構は、これら3例以外にも多数考案できるが、いずれの案においても、偏芯回転運動を発生させる機構と、この運動を拘束し揺動運動に変換する機構の二つの機構を組み合わせて、揺動運動を実現する事になる。また、この機構を粉体層に埋没させて運動させることになるので、機構の隙間や摺動部で粉噛み、固着などのトラブルが起きにくく、装着と脱着が容易、且つ、各部品の洗浄性が高いことが重要である。
本発明の発展形として、剪断応力を大きくして解砕機能を強化すべき時、あるいは、粉体層と揺動多孔板上面の摩擦抵抗が少なくスリップが起きやすいなど、揺動運動が、その間隔全体の粉体に十分に伝わりにくい時には、図15に示したような突起24を粉体層の上あるいは下、あるいは上下共に設けるのが好ましい。図15には、突起の例として円錐状、半球状、3角柱状の形状を示したが、これらのいずれかを採用すれば良い。
図１6に本発明の装置を用いた観察実験の構成図を示した。この揺動実験容器３の底部には空気供給用のチューブとして、多数の空気噴出孔が下向きに設けられたスパージャーリング6が設置され、所定量の空気は送気用ブロワー29から送気チューブ30を通じて供給される。この空気の押し込み圧は、圧力計測用チューブ31とつながっている水柱マノメーター32で計測される。また、送風空気の供給量の調節は、流量調整用バルブ34の開度にて行う。
保持例１の揺動機構を組み込んだ観察装置の容器3は、円筒形の透明ポリカーボネイト製の直径220mm、高さ220mmであり、図５に示した如く、底部から30mm間隔で、エスコ製パンチングメタルEA952B-205、（孔径Φ5mm、ピッチ10mm、開口率22.7％）から切り出した円形揺動多孔板、その30mm上部に同様の円形静止多孔板、これを一組として、高さ方向に2組を等間隔に設置し、更に最上部に揺動板を１枚追加して設けた。ブロワー29からの空気は層底部約3mmの高さに、下向きのΦ1.5mmの噴出孔を等間隔に10個設けたスパージャーリング6から、下向きに噴出される。底部には、Φ22mmの粉体排出口30が設けられている。
ここで、多孔板の間隔を30mmピッチは、予め、Hmaxの決定法に従い、30mm間隔であれば、揺動多孔板の揺動運動がこの間隔内の粉体全体に十分な水平運動による剪断応力を伝えられることを確認して採用した。
この時、揺動幅DO（＝Gap）は、20mmであり、揺動周期は5秒であった。また、実験に用いた粉体は、微粉である園芸用消石灰(平均粒径7.8μｍ)を用いた。
ここで、多孔板の孔径は、先に参考例で示した通過性確認の結果によりΦ5mmとした。
底部の排出口33を塞いだ後、この粉体2200gを装置上部から10分ほどかけて徐々に投入し、投入完了時の粉体層高は約150mmとなった。即ち、最上部の揺動板が、丁度、粉体層上面を揺動する。
この粉体層体積から計算すると、その平均嵩密度は、386kg/m3であり、真密度が2200kg/m3の粒子である事を考慮すると、空間率εは82%と算出される。
この装置内では、粉体層高さは、これら多孔板の間隔30mmであり、粉体投入後、約10分間放置して、この多孔板間の粉体面が沈降する様子、即ち圧密化の進行を観察したが、目視では全く変化しなかったので、この間において圧密化は殆んど進行しなかった。
ここで、参考値として式(2)から、この空間率の圧力損失への影響度(１-ε)2／ε3を求めると、この空間率８２%では、0.06(=1／16)であり、圧密化をさせない状態を保持する事で、大幅に圧力損失を低減できていることが分かった。
供給空気の一部は流量調整用バルブ34を通じて、装置外に逃がすことで、装置内への流量は50L／分（平均空塔速度は22mm／s）となるよう調整した。
観察実験１　圧密化防止：
先ず、粉体投入前にスパージャーリング6から空気を供給し、その時の容器入り口と出口の圧力差を差圧計（水柱マノメーター）32にて測定したところ390mm水柱であった。これは主にスパージャーリングの圧力損失である。
次に消石灰の粉体2200ｇを投入し、粉体層高さが約150mmとなった時、揺動多孔板を停止した状態で、スパージャーリングから空気を供給し、同様の圧力損失を測定したところ、400mm水柱であり、この差の10mm水柱が粉体層を通過する空気の圧力損失であり、微粉の充填層としては極めて小さい値であった。
この圧力損失の妥当性を、本実験のガスの空塔速度は粉体の最小流動化速度以下ではあるが、流動化時の圧力損失計算値を参考値として比較する事で以下の如く検証した。
通気するガスの速度が最小流動化速度以上で、粉体の全量が完全に流動化（即ち、浮遊状態）している時には、流動層内を通過するガスの圧力損失と断面積の積は、粉体重量と2200gの等しくなるはずである。即ち、粉体荷重を断面積で割った値は、通過するガスの圧力損失であるから、その計算結果は式(１２)の如くなり、58mm水柱増加するはずである。
しかし、ここでは流動化開始速度より低い条件なので、粒子は浮遊しておらず、粉体層中の多孔板にその荷重を預けているので、この値より低いはずである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
次に、この実験で用いた多孔板の開口率が約23%であることから、粉体荷重が垂直にその直下に飲みかかるとすると、その約77％は多孔板が担っていると考えられる。即ち、それ以外をガス流が支えていることになるので、58×0.23＝13mm水柱となるはずである。
しかし、計測値は10mm水柱であった。この圧力差から多孔板が担っている荷重の割合は、実際には１－（１０／５８）＝0.83、即ち、粉体荷重の約83％を多孔板が支えていたと理解できる。
この３ｍｍ水柱の差は、この粉体は、流動性が悪いため、孔の直上の粉体荷重の一部を周囲の粉体が支えたことで、77％より多い83％の荷重を支えていたと推察できる。この結果より、多孔板を複数設置する事で、層内の粉体荷重を複数の多孔板が分担して担っており、圧密化を防いでいる事が分かる。
観察実験２　チャンネリングによる偏流発生
揺動多孔板を静止させている状態で、空気の供給を開始し、暫く観察していると、粉体層上面の２か所に空気の噴出口ができ、その穴から空気と僅かだが粉が噴出してチャンネリングが発生している様子が観察された。この時の空気の入り口圧力と大気の差圧は、観察実験１の結果と等しく400mm水柱であり、顕著な変化は読み取ることができなかった。チャンネリングが発生すれば、通過するガスの圧力損失は下がるはずであるが、本実験においては、粉体荷重の大部分は複数の多孔板が支えているため、ガスの通過圧力損失は大幅に低減されているため、チャンネリング生成による圧力損失の低下幅は小さく、また、水柱マノメーター32は、読み取り精度が低いため、僅かな差を読み取ることができなかったものと考える。
観察実験３　チャンネリング解消
この後、モーター１を起動して、回転軸２を回転させ、揺動多孔板に円心揺動運動をさせたところ、内部粉体は揺動多孔板の運動によって、水平方向に揺動し、粉体層上面の噴出孔は直ちに消滅し、また、粉体投入時にできていた粉体層上面の凹凸も均され、平坦になっている事が観察できた。即ち、この平均化によって、揺動板上のチャンネリングは解消し、層内粉体の嵩密度は平均化されたとみなすことができる。この時の全圧力損失はやはり約400mm水柱（粉体層差圧は10mm水柱）で大きな変化は見られなかった。
この時、粉体層上面の粉体の動きを観察したところ、上下の循環流は発生しておらず、揺動多孔板の動きに追随して動く水平方向の揺動運動のみであった。
ここで、粉体の水平方向の揺動運動により、揺動板が壁側に近づく時に、揺動板上の粉体層が壁側に押し付けられることで、壁際で粉体が約3～4mm程度盛り上がる現象が観察されて。この盛り上がりは、粉体層の“うねり”が壁際を周回しているかのように見えた。1周期内では、層の高さが不均一で移動しているという事になるが、周期運動であり、時間平均的に見れば、粉体層は全面に亘って均一であった。
以上の結果から、揺動する多孔板を複数設置する充填層ならびに移動層では、粉体層厚さを増やしても、層内の多孔板がその荷重を分担して担うため、圧密化の発生および、粉体層を通過するガスの圧力損失の増大を防ぎ、また、同時にチャンネリングの発生も防ぐことを確認できた。
観察実験4　移動層における粉体プラグフロー性の検証実験
次に、揺動多孔板運動中の粉体上面は、この揺動により、平坦に均され、液体同様にほぼ水平な面となっていた。この事を確認後、底部に設けた粉体抜出部33より、粉体排出を開始した。即ち、充填層状態から移動層へ移行させた。同時に、粉体層上部に原料粉の供給を停止して、粉体上面の沈下していく様子を観察した。
図17に示しているように期待通り、粉体上面は水平を保ちながら、徐々に沈下していき、揺動多孔板を通過し、下の段に移動した後でも、水平面を保ちながら、更に、その下の静止多孔板も同様に通過していった。この事からこの移動層内の粉体は、全体としては、一様に平均的に沈下していた。
粉体層の内部については、外部からは観察できないが、揺動板近傍の粒子は、揺動板の通過前後で、押し上げられたり、押しのけられたり、と動いているはずなので、その部分では若干の僅かな混合は発生していると思われるで、完全なプラグフローではないが、それに近い粉体の流れを実現できていると考えられる。
観察実験５　多段流動層としての複数段の粉体の移動とガス通過の観察実験
流動層は完全混合槽であり広く用いられている。しかし、移動層の方が装置の容積効率が高い事は式（１）にて示した。しかし、複数の撹拌槽をカスケード式に繋ぐ多段連続撹拌槽列反応器（CSTR)の混合特性が、完全混合からプラグフローに近づくように、流動層も多段化すると、各段の中では完全混合であっても、各段間では逆混合は起きなえないので、プラグフローに近づき移動層的となる。ここでは観察用実験装置として棚段式多段流動層を製作した。
図18に示したような棚段型の多段流動層34を、外径150ｍｍ、内径144ｍｍの透明アクリル円筒を用いて製作した。各棚段の底板は分散板35であり、1.5ｍｍの孔が千鳥配列で、８ｍｍピッチであけられている。
ダウンカマー37は外径１０ｍｍ、内径８ｍｍの透明アクリルパイプであり、分散板より10ｍｍの高さに、粉体がこれをオーバーフローして入るように設置されている。ダウンカマーの下端は下段の分散板から約2ｍｍの高さに、厚さ1ｍｍの揺動板がこの下に入れるように浮かしている。図19の左図に示した如く、揺動板がこの下に潜りこんでいる間は、ダウンカマー内の粉体は流下できないが、図19右図に示した如くダウンカマーが離れると、その跡にできた隙間に、内部の粉体が、流れ落ちる。これを繰り返すことで、定量的に上段の粉体が、下段に移動する。装置の最下段では、粉体が、同様にダウンカマー内の粉体が、スクリューの上に落とされ、排出される。
各段の揺動板5の高さは、分散板35から、上方へ約１ｍｍの位置に設置した。即ち、揺動板上の粉体層厚さは約９ｍｍである。
この実験では2種類の粉体を用いた。初めに粒子の動きが見えやすいように、流動性の良い未発泡スチロールビーズ(代表径0.3ｍｍ、最大径１ｍｍ）を用いた。
各段に粒子を供給後、揺動板を駆動し、各段の粉体層が揺動板の動きで均され、フラットになっている事を確認後、この装置の最下部から、空気38を供給し、全ての段の粉体が、全面に亘って、均一な流動状態である事を確認した。
次に、この状態で、装置上部に、粉体を定量的に供給開始したところ、最上段の粉体層で、ダウンカマーへのオーバーフローが始まり、それは順次、下の段でも起こり、粉体が、上段から、順次下の段へ移動している事が確認できた。
粉体排出スクリュー7の上には、かき落とされた粒子が堆積を始めたので、排出スクリューを起動し、排出を開始した。
以上、安定な多段流動層を構築できることが分かった。
次に、各段の流動層36内における粒子の拡散状況を観察するため、この安定した流動層状態中に、透明ビーズに替えて、着色したスチロールビーズの供給を開始した。
塔上部から観察していると、着色粒子が右端の粒子供給部から、時間経過と共に、次第に左側のダウンカマーへ、白色粒子と混合されながら、移動していく様子を確認できた。図18では、この様子を各段の色の濃淡で示している。即ち、上段の色が濃く、下段に下がるにつれて、次第に淡くなっている。
即ち、各段(流動層)内の粉体は混合されながら、横方向に拡散するように移動し、ダウンカマーに到達後、これを通じて、下段に移動していた。
各段内の粉体の挙動は流動層ではあるが、多段化する事で、粉体の移動および混合特性が、期待通り移動層的となっていた事を示している。
観察実験6
次に、粉体をスチロールビーズから、微粉である消石灰粉に替えて同様の観察を行った。この時、消石灰粉では、粉が内壁に付着し、内部が見えなくなることから、多段ではなく、単段とし、内部の様子を上からも目視できるようにした。
先ず、揺動板上の粉体層厚さを約2mmとして観察を開始した。揺動板5を動かして、ガスを流し始めた。ガス流速を流動化開始速度より高くしたところ、揺動多孔板の全ての孔から、均一にガスが吹き出し、消石灰粉が舞い上がり、まるで白煙が立ち上るような状況であった。ガスが均一に分散され流れている事を確認できた。その後、消石灰粉が舞い上がらない様にガス流速を下げ、しばらく様子を観察したが、揺動多孔板が動いているので、ガス流が、一部に集中するようなことは無かった。また、揺動板上の粉体層厚さが薄いので、壁際で起こる“うねり”も見られなかった。
更に、消石灰粉を追加投入し、粉体層高を10ｍｍ程度高くして様子を観察した。追加した粉体は揺動板の運動で、直ぐに均され、上面は平坦となったが、層高が高くなったため“うねり”が顕著になり、壁近傍でこの“うねり”の反対側で、蟹穴上にガスが噴き出すチャンネリングとみられる現象が発生したが、その位置は、揺動板の動きに連動して、周回していた。
粉体の状況を観察すると、図20に示した如く、揺動板が壁に近づく時は、粉体を壁に押し付けるので、壁近傍の粉体が押し上げられる。しかし、揺動板が遠ざかる時に、この粉体は、壁に押し付けられて垂直となった形を保ったまま、揺動板とともに壁から遠ざかった。この垂直の粉体層の一部は崩壊して、発生する隙間を埋めるが、全体としては、壁付近に粉体の谷間40が発生していた。当然、この谷間のガスの通過圧損は低くなるので、ここにガス流を集中させてしまっていたのである。
流動性の良い粉体では、直ぐにこの谷間に周囲の粒子が崩れて、埋められるので、ガスの顕著な集中は起きないが、この消石灰微粉の場合には流動性が悪いので、発生する谷間は即座に埋められず、チャンネリング位置が周回する状況になったと思われる。
この問題の根本原因は、粉体層上部に固定している静止板4を設置せず、開放しているため、揺動板上の粉体に剪断応力が働かず、揺動板上の粉体が一塊となって動いたことによる。
そこで、揺動板上部の粉体層に剪断応力を発生させるため、図２１のごとく、粉体層内迄届く垂直の仕切り板39を取り付けた。この後、同様の観察を行ったところ、図22の上図に設置前、図２２の下図は設置後の比較を示した。上の図の仕切り板の設置前は、壁に粉体を押し付ける事で盛り上がり、揺動板が遠ざかる時に、粉体の谷間40が発生していたが、仕切り板39の設置後は、この現象は完全に抑制され、谷間40は発生せず、ここでのチャンネリングの発生は抑制できた。
即ち、粉体層上面が、開放されることになる為、粉体層内に速度勾配および剪断応力が発生しなくなっている。この場合には、粉体層上面の粉体の水平方向の動きを拘束するため、上部の静止板から、粉体層内部まで届くように、垂直に仕切り板を降ろした。その結果、上記の谷間の発生を抑制、あるいは最小化することができ、全面に亘って、粉体の均一な運動状態を実現できた。即ち、均一な気固接触を可能とする事ができた。
ここでは、垂直の仕切り板を用いたが、短冊を剣山状にして逆さに設置するものでも良いと思われる。
この微粉を用いる多段流動層においては、微粉のみがダウンカマーに入ると、ガスを含んで嵩密度が下がっているため、このダウンカマー内の粉体圧が低くなる。その結果、ガスが微粉を押しのけて入り込み、微粉を噴き上げる事が起こる。即ち、ダウンカマーが機能不全となる。
この為、ダウンカマー内の粉体の移動量に定量性を持たせるために、ガス流を遮断できるダブルダンパー方式、ロータリーバルブ方式等を用いる必要がある。
本発明は、GeldartのC領域の偏流を起こしやすい微粉体を、充填層、移動層および多段流動層に用いる場合において、従来、不可能であった供給するガスと粉体との均一な接触を可能とする方法及び装置を提案するものである。勿論、GeldartのA、B、D領域の粉体であっても、特に凝集性あるいは付着性が強く偏流を起こしやすい場合には、この粉体を、揺動機構を組み込んだ充填層、移動層および多段流動層にて用いる事ができる。この技術は以下の用途に適用できる。
粉体の間接加熱もしくは冷却に於ける伝熱促進
間接加熱あるいは間接冷却方式においては、装置内部の粉体を装置壁から加熱する、もしくは冷却する、あるいは、粉体層内に伝熱管を設置し、加熱もしくは冷却を行うが、従来の充填層においては、粉体は静止状態であり、また、移動層においては、内部粉体は垂直方向に下降するが、横方向への運動成分は無いため、その伝熱特性は粉体が激しく運動する流動層に比べると著しく劣る。
しかし、本発明においては、充填層あるいは移動層内の粉体は揺動板の運動に追随して、水平方向に運動するので、流動層の伝熱性能には及ばないが、流体で言うところの表面更新による伝熱性能向上と同様に、常に伝熱壁に接触する粉体を入れ替える事となるので、従来の充填層及び移動層に比べると、改善される。また、回転軸2の回転数を高め、揺動運動速度を高める事で、更に伝熱を促進する事も可能である。
通気ガスによる粉体の直接加熱もしくは冷却
熱風もしくは高温液体、あるいは冷風もしくは冷媒を装置下部から、粉体層内に直接供給する事で、直接接触方式による伝熱が可能である。この場合に、粉体と均一な接触が可能なので、特に比表面積が大きい微粉では、均一に粉体と接触する事から、ガスと粉体間の伝熱においては、高い伝熱効率が得られる。
微粉あるいは凝集あるいは圧密化しやすい粉体を用いる気固反応の移動層装置
偏流が発生する事で均一なガスと粉体との接触が実現できない微粉あるいは凝集あるいは圧密化しやすい粉体を用いる充填層、移動層ならびに多段流動層について、本発明の揺動機構を導入し、均一なガスと粉体との接触を可能とする事で、ガスと粉体との反応を行わせる場合に、容積効率の高い装置が実現できる事に加えて、反応が偏流によって局所的に加速し、ヒートスポットが発生するような問題を回避できる。
また、移動層あるいは多段流動層の場合に、原料粉体が、装置内をショートパスする事も防ぐことが可能となる。即ち、容積効率、品質のいずれにおいても効率の高い反応装置を実現できる。
利用可能な具体例としては、各種ある無機蓄熱剤の中で、カルシウム系蓄熱剤を例にその利用可能性を示す。
蓄熱剤の水酸化カルシウムCa(OH)2は、高温ガスを通気させ接触させる事で、脱水反応により酸化カルシウム（CaO)に変化する。この時、熱エネルギーを反応熱として吸収し、保存する。
次に、この熱を回収するには、酸化カルシウムに注水あるいは水蒸気を通気する事で、水和反応を起こさせ、水酸化カルシウムに戻すことができる。この時に発熱するので、脱水反応時に与えた熱エネルギーを回収できる。この様に無機物系蓄熱剤は蓄熱容量が大きい蓄熱剤として期待されている。
しかし、この反応を行わせる際に、水酸化カルシウムおよび酸化カルシウムは、固体であり、粒子が大きいと、粒子内部まで、この反応が進行せず、粒子の全てを利用する事はできない。このような気体と固体の反応は、粒子サイズが小さい微粉である方が好ましい。また、微粉を用いるには、従来の装置では、微粉のハンドリングが難しい事に加えて、通気するガスとの均一接触を可能とする事が不可能であった。この事が今日まで、これら無機蓄熱剤を利用する蓄熱システムが本格的に活用されてこなかった要因の一つである。
本発明の装置は、このような無機蓄熱剤を微粉のまま、直接利用し、高い固体利用率（反応率）を実現するに有用である。
微粉あるいは凝集あるいは圧密化しやすい粉体を用いる棚段型多段流動層装置
これまで、棚段型の多段流動装置は特許文献３の如く各種考案され、流動層ではあるが、粒子と流体との接触は向流接触となる為、移動層的な装置として利用されている。しかし、いずれも流動化しやすいGeldartのA分類の粒子に限定されており、偏流を発生しやすい微粉をこの多段流動層に適用する事は不可能であった。また、粉体の流動化させる運動エネルギーは、全て流体の流れによって与えられているので、その運転条件は、流速は常に、最小流動化速度より大きくなければならない。
これに対し、本発明の揺動機構を用いる方式では、偏流を発生しやすい微粉でも、この揺動運動により、偏流の発生を防止すると共に、気固の均一接触を可能にできる事に加えて、更に、運転操作条件として、ガスの流速が最小流動化速度より低い場合においても、粉体の運動エネルギーを揺動板の運動により与えられるので、流動層と同様な粒子運動状態を実現できる。即ち、ガス流速に流動化開始速度以上という制約がなくなる。特に、反応速度が遅い条件では、通気する反応ガス流速は抑えるべきであり、流動化開始速度以下となり、移動層が用いられる。
例えば、凝集しやすい粉体の場合には、運転中に粒子同士が凝集し、見掛けの粒径が大きくなると、その部分は流動化しなくなり、気固の均一接触が不可能となる。しかし、この揺動式多段流動層では、その場合でも、粉体に揺動運動させることで、凝集塊を解しつつ、運動させることができるので、このような粉体を用いる場合でも安定な流動層状態を維持できる。また反応装置においては、ガスと反応固体である微粉そして触媒粒子との接触効率を高めるべき時、また、発熱反応あるいは吸熱反応時の伝熱効率を高めるべき時など、粒子の運動性を高める必要がある場合には、揺動方式を導入した多段流動層を用いる方が好ましい。
1　モーター
2　回転軸
3　円筒容器本体
4　静止多孔板
5　揺動多孔板
6　スパージャーリング（散気管）
7　抜出機構(スクリューなど)
8　直方体形状容器
9　偏芯カムが入る穴とカムと接する円形リング
10　偏芯カム
11　矩形揺動用の穴とカムと接する矩形リング
12　差込口
13　支持部
14　支持部上のピン
15　切欠部
16　回転軸が通る穴
17　廻止め用ピン穴
18　接合部
19　回転運動を揺動運動に変換する穴
20　回転変換機構（横回転できるアームと吊り下げ用のリング）
21　回転変換用リンク
22　回転多孔円板
23　環状静止多孔板
24　多孔板上の各種突起
25　多孔板上の補強用リブ
26　回転軸の回転によって回転する多孔円板
27　粉体の回転に追随して回転可能な多孔円板
28　回転可能な多孔円板26の回転を止める棒
29　送気用ブロワー
30　送気チューブ
31　圧力計測用チューブ
32　水柱マノメーター
33　粉体抜出部
34　多段流動層
35　分散板
36　粉体層もしくは流動層
37　ダウンカマー
38　流動化ガス
39　垂直仕切り板
40　粉体層の谷間

Claims (8)

  1. 偏流を発生しやすい粉体を充填層、移動層および多段流動層に対して用いようとする場合には、ガスを通気する際に、チャンネリング発生などによる偏流が起きやすく、均一な気固接触が不可能であり、利用されてこなかったが、この様な微粉の流動性を改善する手段として、回転運動ではなく、水平円心揺動運動を用いることで、粒子の水平方向の運動を援け、気固の均一接触を可能とする方法を用いる充填層、移動層、および多段流動層装置
  2. 微粉層中において水平環状揺動運動を与える手段として、水平板を用いるが、この水平板にはガスと粉体の垂直方向の流れを阻害する事が無いよう揺動運動可能な多孔板を用い、これに水平揺動運動を与えるが、これと垂直方向に一定の間隔を保って固定され動かない静止多孔板を設け、これらを1対として、これを粉体層中に設置し、揺動運動可能な多孔板にのみ、水平環状揺動運動させ、静止多孔板の間の粉体に、剪断応力を発生させ、この剪断応力により、粉体の嵩密度を平均化し、その結果、偏流の発生を防止することで、気固の均一接触を可能とする充填層、移動層、および多段流動層装置。
  3. 請求項1～２記載の粉体層中に設置される揺動多孔板および静止多孔板は、各多孔板上の粉体荷重を支えることで、粉体の全荷重が装置底部に集中してかかることを防止し、装置底部における圧密化ならびに、嵩密度の上昇を抑制し、微粉層における圧力上昇ならびにチャンネリングの発生を防ぐことで、気固の均一接触を可能とする充填層、移動層、および多段流動層装置。
  4. 請求項1～３記載の揺動多孔板に水平環状揺動運動を与える機構として、垂直な回転軸の回転に伴って水平面内で回転する偏芯カムがあり、その偏芯カムの長端と内接しているリングが、容器の内径より揺動運動幅だけ小さい直径の多孔板の上に、その中心を同じくして設置されており、この状態で、偏芯カムの回転が、このリングを押し回すことで、この揺動多孔板に水平面上の偏芯回転運動をさせようとするが、一方で、容器内壁の少なくとも軸対称の3箇所以上の位置に設けた回転を拘束する機構によって、この偏芯回転運動を所定範囲の環状揺動運動に変換する揺動運動に変換する機構
  5. 請求項１～３記載の揺動多孔板に水平環状揺動運動を与える機構として、固定ピンをその回転中心として水平面内で回転するアームを用いて、揺動多孔板を吊り下げ保持する方式、もしくは、その中間部で水平に折れる関節を有する回転拘束用リンクで揺動多孔板を吊り下げ保持する方式、もしくは、揺動板に設けた揺動運動径の穴を容器内壁から突き出させた支持部上の垂直のピンに通し、この揺動穴の範囲の揺動運動を許容すると共に、この支持部で揺動多孔板の荷重を支持する方式などによって、揺動多孔板を、所定の高さで保持するとことで、水平な環状揺動運動を可能とする機構を用いる気固の均一接触を可能とする充填層、移動層、および多段流動層装置。
  6. 従来、流動化させるのが難しいとされていたGeldartのC領域の粒子の微粉でも、請求項１～５記載の揺動多孔板を粉体層内に設置する事で微粉の運動を促し、安定な流動層を形成する事ができ、更に、これを多段化する事で、装置全体としては、移動層的な混合特性を持つ多段流動層装置。
  7. 粒子への運動エネルギーをガス流からのエネルギーに加えて、揺動板の運動により与える事により、流動化開始速度以下のガス流速条件下でも、粉体層内の粒子全体を流動層と同程度に運動させ、混合させる事が可能な揺動多孔板を用いる流動層装置。
  8. 請求項６および７記載の多段流動層において、各段では、静止多孔板が無く、粉体層上面は上に向けて解放されて空間部が存在することで、揺動板上の粉体に剪断応力が発生しないが、この事で、特に流動性が劣る微粉の場合には、壁近傍において、揺動板の後退時に粉体の谷間が発生し、これによりこの谷間にガスが集中し、偏流を発生するが、上段の分散板下面から粉体層内まで届く、平板あるいは短冊状の垂直板を設置する事で、粉体層内に剪断応力を発生させ、この谷間の発生を抑制し、各段内で、安定な流動状態を保つことが可能である多段流動層装置
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