環状流動床

流動化とは、固体粒子が特定の条件下に置かれ、流体のように振る舞う現象です。流動床は、流動化を促進するために考案されたシステムです。流動床は、化学反応、熱伝達、混合、乾燥の補助など、幅広い用途に使用できます。Collinら (2009) によると、環状流動床は「固定流動床に囲まれた大きな中央ノズル」で構成されています。^[1]

• フリッツ・ウィンクラーは1922年に石炭ガス化のための最初の流動床を開発しました。
• 流動床の次の進歩は、有機油の接触分解用に 1942 年に開発された循環流動床でした。
• 最終的に1990年代初頭に環状流動床が概念化され、現在では以下のような用途に使用されています。^[2]

• 廃熱ボイラーパイロットプラント（1992年）
• サーコレッド直接還元プラント（1996年）
• 鉱石予熱器、オーストラリア (2002)
• 還元イルメナイト焙焼機、モザンビーク (2005)

一般的な環状流動床 (AFB) では、大きな中央ノズルの底部から反応器に入るガスが高速で導入され、追加の流動化ガスが環状ノズル リングから導入されます。その結果、ガスと固体は混合チャンバーの高密度の底部で広範囲に混合され、ライザー内を上向きに流れます。ガスと固体は両方ともライザーから出て、設定された速度に応じてサイクロンで分離されます。分離されたガスはバッグ フィルターを通過し、固体はダウナー内を下方に移動し、プラントの底部に送り込まれ、このプロセスが再び繰り返されます。

ライザーの底部は、固形物が底部に蓄積するのを避けるために狭くなっています。ライザーの壁は滑らかではなく、通常は膜の水壁面で構成されており、この追加された特徴が付近の固形物の流れのパターンに影響を与え、したがって混合とガスと固形物の混合に影響を与えます。ライザーの出口は2つのタイプに分けられます。「ワンススルー出口」では、出口は滑らかに曲がっているか先細りになっています。^[3]この出口は大きな正味の循環を可能にし、均一な滞留時間が短く、触媒が急速に分解する場合に最適です。もう1つの出口は「内部還流出口」で、これは急激な出口であるため、大量の混入固形物が反応器の上部に到達するガスから内部で分離されます。^[3] サイクロンは環状流動床の不可欠な部分であり、特定のサイズの粒子は供給ガスの速度を変えることによって分離されます。^[1]その結果、高速ガスでは、粒子を流動床から分離するのに十分な運動エネルギーが得られます。供給ガスと小さな粒子はサイクロン分離器に飛び込み、そこで供給ガスと粒子が分離されます。次に、粒子のサイズに応じて、粒子をベッドに戻すか、除去することができます。同伴された固体は捕捉され、垂直スタンドパイプを通ってライザーの底部に戻されます。^[4] 大きな中央ノズルは環状流動床の主要コンポーネントであり、これが他の流動床と異なります。中央ノズルは静止した流動床に囲まれており、「環状部の適度な一次ガス流動化により、固体は中央ノズルの上端であふれます」^[1]。これはその後、高速度の中央二次ガス流によって混合チャンバーに運ばれ、混合されます。

環状流動床は、放射状に移動する特定の種類の運動をする新しいタイプの流動床です。ガスの軸方向の混合は比較的少なく、放射状に動きます。環状流動床の軸方向の流れプロファイルは、プラントの高さに沿った圧力降下によって決定できます。プラントの高さは、環状部、混合室の底部、上部の 3 つの主要部分に分けられます。床の高さに基づいて、環状部の多孔度は固体の最小流動化多孔度に近いですが、床の各領域は異なる圧力勾配によって特徴付けられます。中央のノズルに近いほど、圧力勾配は低くなり、混合室の圧力降下は高くなります。圧力勾配 (ΔP/ΔH) がわかっている場合、以下に示す Wirth 方程式を使用して固体濃度を計算できます。

〖(1-ε)〗_∆P=∆P/∆H(ρ_s-ρ_f )g

Anne Collin、Karl-Ernst Wirth、Michael Stroderが実施した環状流動層内の流れパターンの実験特性評価によると、^[1]中央ノズルから150mmの高さでは、圧力勾配は低速ではほぼゼロで、速度が増加するにつれて増加します。

2 つの異なる領域に、2 つの異なるタイプの流れが示されています。「中央ノズルの真上のフロー パターンは、約 8% の低い固形物濃度と高い上向きの固形物速度 (3 m/s) を特徴とする一般的なジェット プロファイルを示し、その結果、局所的な固形物質量フラックスが高くなります。」一方、混合チャンバーの底部の環状領域の周囲は、フロー パターンは高い固形物濃度を特徴とし、「壁に向かって値が増加する (たとえば、中央ノズルの上の 100 mm のプローブ高さでは 46%)」 固体速度と質量フラックスは、下降が予想される壁領域付近で正になります。ただし、測定された速度は、高い横方向および放射状の混合が存在する領域での実際の固形物速度を正確に表していない可能性があります。これは、静電容量プローブによって記録されるのは垂直方向の速度のみであるためです。したがって、計算された固形物質量フラックスは常に同じ方向で考慮する必要があります。要約すると、環状流動床で完全に発達した流動パターンは、コア環状構造を示し、これは「混合室の底部で高固形物濃度の領域に囲まれた中央ジェットの典型的な形成によって特徴付けられる」。環状部の流動化速度を変えると、より多くの固形物が気泡から除去され、対流質量流束がジェットに浸透することを可能にする。最後にジェットに統合できる固形物の量は、ガス速度によって決まる。さらに、プラント内の内部固形物循環と外部固形物循環の比率は、両方のメカニズムの相互作用により調整できる。^[1]

環状部内のガス速度は、気泡から排出される固体の計算速度に依存するため、ノズル内の速度が増加すると、環状部から出てくる固体が一定の流動化速度で中央のガスジェットに浸透することが難しくなります。ノズルから 25 mm の高さで中央の速度が増加すると、時間平均の固体濃度は低下します。ただし、この速度の増加は、環状部より上の固体濃度には影響しません。一方、中央のガス速度が低い場合、環状部上とノズルより上の固体速度はほぼ同じ値を示し、速度勾配が急です。

循環流動床のフローパターンは、中央ノズルから 200 mm 上のプローブ高さで完全に形成されます。この高さでは、典型的な濃度は壁に向かって増加し、落下する固体速度と組み合わさって、負の固体質量流束になります。固体濃度プロファイルの形状はガス速度に依存しませんが、積分固体濃度の断面では絶対濃度が低くなります。その結果、固体質量流束は、プラントの断面で積分値を持つ中央ノズルのガス速度の増加とともにわずかに減少します。

環状流動床では、中央ノズルから一定の速度でガスが導入され、一般的に上向きに動くことで泡立ちが発生します。中央ノズルでのガスの突然の噴出により、粒子が泡の跡に沿って移動します^[1]。環状部の速度が増加すると、泡のサイズと泡立ち速度が増加します。泡のダイナミクスが新たに増加することで、「噴出された固体が中央のガスジェットに深く浸透する」ことが可能になります。^[1]その結果、固体の濃度と速度が増加し、結果として固体の最適質量流束が増加します。

• 凝集粒子や1mmを超える大きな粒子は流動化がうまくいかないため、通常は他の方法で分離されます。^[5]
• 最小流動化速度、床膨張、最小泡立ち速度、床面変動、離脱高さの大まかな相関関係が示されています。専門家は、実際の設計はパイロットプラントの作業に基づくことを推奨しています。^[5]
• 「実際の操作は最小流動化速度の2倍以上の速度で行われる」 [ ^2]
• 環状部の流動化速度を変化させることで生成物を最大化することができ、より多くの固体を気泡から排出することができ、ジェットに浸透できる対流質量流束が増加します。^[1]

AFBの特殊な特性により、ガスが中央のノズルから高速で導入されるため、循環流動床の外部ループによる条件に匹敵する強力な混合ゾーンが床上に実現されます。^[2] AFBは、長い固体滞留時間と優れた熱および質量移動の利点を兼ね備えているため、^[1]冷却、加熱、熱回収、反応促進などの熱交換プロセスに最適です。AFBは他の流動床タイプと組み合わせてプロセスを支援し、既存の特性をさらに強化してプロセスの生産性を向上させることができます。

AFB の特性は、一部の用途では非常に望ましいものですが、粒子が流動床から出る必要がない鉱石焙煎機など、滞留時間が短く、混合がそれほど激しくない用途では望ましくない影響を与える可能性があります。AFB のコストは、中央ノズルの導入によりコンポーネントの製造が複雑になり、余分なコストがかかることから、他の流動床に比べて高くなります。AFB では、余分な複雑なコンポーネントがあるため、メンテナンスの頻度が高くなり、メンテナンス コストも高くなります。中央ノズルは、不要な粒子がノズルに入ると簡単に詰まる可能性があります。

AFB は現在のプロセスの効率を改善する可能性を秘めていますが、限界がないわけではありません。AFB は流動化技術における最近の進歩であるため、これに関する体系的な研究はほとんど行われておらず、「流動床の流体力学は小規模と大規模では同じではない」ため、化学技術者にとって全体的および局所的な流れのパターンを特徴付けることは難しい場合があります。^[1]この新しい技術を既存のプラントに導入することは困難でコストがかかる可能性があるため、AFB は構想以来ほとんど進歩していません。AFB 技術が導入されているプラ​​ントはほとんどありませんが、その完全な産業用途が実現され、広く使用されるようになるまでには、まだ数年かかる可能性があります。

環状流動床（AFB）は、他の流動床タイプと組み合わせて使用​​できるため、幅広い用途に使用できます。^[2] AFBは、強力な混合を伴う高速で効率的な熱および質量移動を必要とする用途に最適です。これらの用途には、乾燥機、熱交換器、ヒーター、クーラー、リアクターなどがあります。

比較的新しい技術ではありますが、業界でのAFBの使用は年々ゆっくりと増加しています。その一例が、流動化技術の分野を専門とするOutotec社です。Outotec社は、プロセスをさらに改善するために、最近のプラント設計にAFBの使用を組み込んでいます。現在、Outotec社がAFBを利用している既存のプラントには以下が含まれます。^[2]

• 廃熱ボイラーパイロットプラント、1tpd
• サーコレッド直接還元プラント、CAL、トリニダード、1,500 tpd
• 鉱石予熱装置、HIsmelt Corporation、オーストラリア、4,000 tpd
• 還元イルメナイト焙焼炉、ケンメア・リソーシズ社、モザンビーク、1,200 tpd

注: Outetec について得られた事実と数字。 同社が考案した Circored、Circoheat、Circotherm プロセスは、この流動床技術の応用例です。

• Circored プロセスは、1990 年代に鉄の直接還元のために開発されました。「Circored プロセスでは、還元剤として水素のみを使用し、2 段階の循環流動床/バブリング流動床反応器構成を適用して還元を行います。AFB ベースのフラッシュヒーターを使用して、直接還元鉄のブリケット化温度を達成します。」^[2]
• Circoheat - このプロセスでは、鉄鉱石の微粉を 850 °C の温度に予熱します。鉄鉱石は循環流動床に導入され、Hlsmelt 製錬還元容器からの排ガスが AFB を介して反応器に導入されます。その後、排ガスは空気とともに燃焼され、鉱石が加熱されます。
• Circotherm は Outotec の最新開発の 1 つであり、AFB のコア システムはサイクロンによる熱回収と固形物回収に利用されます。

Outotecの例からわかるように、環状流動床は他の流動化技術と同様に幅広い用途に使用できます。ただし、この分野では最近の開発であるため、その潜在能力はまだ十分には発揮されておらず、産業用途にはまだ実装されていません。

AFB の用途の 1 つは空気の浄化です。まず、太陽の紫外線をシリカゲルの粒子に集中させます。シリカゲルの粒子は二酸化チタン触媒の薄い層でコーティングされています。紫外線はこれらの粒子を帯電させます。これらの正と負に帯電した粒子は、さまざまな化学反応を開始するために利用できます。^[6] 汚染された空気が中央のノズルを通過して流動床に入ると、光触媒粒子に接触した汚染物質が粒子表面に吸着されます。汚染物質は正と負の電荷と反応し、化学的に分解されます。その結果、浄化された空気が生まれます。

排ガスは、流動床に接続されたサイクロン分離器から排出されるガス状生成物です。ガスがクリーンで汚染物質がない場合は、凝縮器で冷却し、次に濾過して微粒子を取り除くことができます。濾過後は、システムに戻すか、徐々に減らすことができます。さまざまなケースで、揮発性ガスや有毒ガスが流動床の供給ガスとして使用されることがあります。操作で生成される排ガスには、そのようなガスがかなり含まれている可能性があるため、中和する必要があります。ガスを環境に放出すると、温室効果ガスが発生する可能性があり、地元の動植物に有毒です。排ガスを浄化すると、持続可能性が高まり、環境への悪影響がなくなります。

流動床の運転中、粒子は供給ガスによって提供される運動エネルギーによって輸送されます。特定の速度では、微粒子がサイクロンに飛び込み、排気ガスから分離されることがあります。これらの微粒子は、システムに戻すことも、除去することもできます。除去されたこれらの粒子は、その性質によっては環境に悪影響を与える可能性があるため、慎重に処理する必要があります。

例えば、現在モザンビークで行われている採掘プロセスでは、環状流動床を使用してイルメナイト鉱石を予熱して還元していますが、イルメナイトは結晶性シリカが肺線維症を引き起こすことが知られており、発がん性物質としても知られている危険な化合物です。^[7]このような装置や有害物質を扱う企業は、廃棄物を適切に処分する必要があります。

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