流動床

流動床は、固体粒子状物質（通常は保持容器内に存在する）が適切な条件下にあり、流体のように動作するときに発生する物理現象です。流動床を実現する一般的な方法は、加圧流体を粒子に注入することです。その結果得られる媒体は、重力下で自由に流れる能力や流体技術を使用してポンプで送ることができる能力など、通常の流体の多くの特性と特徴を備えています。

結果として生じる現象は流動化と呼ばれます。流動床は、流動床反応器（化学反応器の一種）、固体分離、^[1]、 流動接触分解、流動床燃焼、熱または質量移動、または固体物へのコーティングの適用などの界面改質など、さまざまな目的で使用されます。この技術は、統合された多栄養段階水産養殖システムにおける貝類の生産のための水産養殖でも一般的になりつつあります。 ^[2]

流動床は、流体のような特性を示す流体と固体の混合物で構成されています。そのため、流動床の上部表面は比較的水平で、静水圧挙動に似ています。流動床は、単一の嵩密度で表すことができる流体と固体の不均一な混合物であると考えることができます。

さらに、ベッドよりも密度の高い物体は沈み、ベッドよりも密度の低い物体は浮くため、ベッドはアルキメデスの原理で予想される流体挙動を示すと考えられます。ベッドの「密度」（実際には懸濁液の固体体積分率）は流体分率を変更することで変更できるため、ベッドと比較して密度の異なる物体は、流体分率または固体分率のいずれかを変更することで、沈んだり浮いたりすることができます。

流動床では、充填床と比較して、固体粒子と流動化媒体（ガスまたは液体）との接触が大幅に強化されます。流動燃焼床のこの動作により、システム内の良好な熱輸送と、床とその容器間の良好な熱伝達が可能になります。よく混合されたガスに類似した熱均一性を可能にする良好な熱伝達と同様に、床は均一な温度場を維持しながら大きな熱容量を持つことができます。

流動床は、ガスと固体の高レベルの接触を促進する能力を持つ技術的プロセスとして使用されます。流動床では、現代のプロセスと化学工学に不可欠な一連の基本特性を活用できます。これらの特性には以下が含まれます。

• 単位ベッド容積あたりの液体と固体間の接触表面積が非常に大きい
• 流体と分散固体相の間の相対速度が高い。
• 粒子相の混合レベルが高い。
• 粒子間衝突および粒子壁衝突が頻繁に発生します。

食品加工業界を例に挙げると、流動床は、一部の個別急速冷凍 (IQF) トンネル冷凍機で凍結を加速するために使用されます。これらの流動床トンネルは、通常、エンドウ豆、エビ、スライスした野菜などの小さな食品に使用され、極低温または蒸気圧縮冷凍が使用されます。流動床で使用される流体には、触媒タイプの流体も含まれる場合があります。そのため、化学反応を触媒し、反応速度を向上させるためにも使用されます。

流動床は、材料の効率的なバルク乾燥にも使用されます。乾燥機の流動床技術では、乾燥材料の表面全体を浮遊させて空気にさらすことができるため、効率が向上します。このプロセスは、必要に応じて、アプリケーションの仕様に応じて加熱または冷却と組み合わせることもできます。

1922年、フリッツ・ウィンクラーは、石炭ガス化プロセスの反応器で流動化を初めて工業的に応用しました。^[3] 1942年には、鉱油の接触分解用に最初の循環流動床が構築され、流動化技術は1940年代後半に冶金処理（黄鉄鉱の焙焼）に応用されました。 ^{[4] [5]} この間、理論的および実験的研究により流動床の設計が改良されました。1960年代には、ドイツのリューネンにあるVAW-Lippewerkが石炭の燃焼用、後に水酸化アルミニウムの焼成用として最初の工業用床を実装しました。

河床の種類は流れの挙動によって大まかに分類することができ、以下の通りである: ^[6]

• 静止流動床または粒子流動床は、低速のガスが使用され、固体の流動化が比較的静止し、一部の微粒子が混入される古典的なアプローチです。
• バブリング流動床（凝集流動床とも呼ばれる）では、流体の速度が高く、連続相（濃厚相またはエマルジョン相）と不連続相（希薄相またはバブル相）の 2 つの別々の相が形成されます。
• 循環流動床(CFB) では、流体の運動エネルギーが大きいため、ガスの速度が粒子床を浮遊させるのに十分なほど高くなります。そのため、床の表面は滑らかではなく、固定床よりも大きな粒子が床から取り込まれる可能性があります。取り込まれた粒子は、外部ループを介して反応床に再循環されます。プロセスによっては、粒子はサイクロン分離器で分類され、粒子のカットサイズに基づいて床から分離されるか、床に戻されます。
• 振動流動床は固定床に似ていますが、機械的な振動を追加して粒子をさらに励起し、混入を増加させます。
• 輸送またはフラッシュリアクター(FR): CFB よりも高い速度では、粒子はガスの速度に近づきます。ガスと固体の間の滑り速度は大幅に低下しますが、熱分布の均一性が低下します。
• 環状流動床(AFB): 気泡床の中央にある大きなノズルがガスを高速で導入し、CFB の外部ループに見られるものと同等の急速混合ゾーンを周囲の床の上に実現します。
• 機械的流動化反応器（MFR）：機械式撹拌機を使用して粒子を流動化し、よく混合された流動床と同様の特性を実現します。流動化ガスは必要ありません。^[7]
• 狭幅流動床（NFB）：この場合、管径と粒径の比は約10以下である。強い閉じ込め効果のため、流動床のダイナミクスは他のタイプの流動床とは異なり、固形物濃度の高い領域と低い領域が交互に現れる粒状プラグの存在が一般的である。^{[8] [9] [10]}

充填床に流体が通過するとき、流体の圧力降下は流体の表面速度にほぼ比例します。充填床から流動化状態に移行するには、ガス速度を継続的に上げます。自立型床の場合、最小流動化点または初期流動化点と呼ばれる点が存在し、その点では床の質量が流体の流れによって直接浮遊します。対応する流体速度は「最小流動化速度」と呼ばれます。[ ^11]${\displaystyle u_{mf}}$

最小流動化速度（）を超えると、床材料はガス流によって懸濁され、さらに速度が上昇してもガス流の浸透が十分であるため、圧力への影響は減少します。したがって、 の圧力降下は比較的一定です。 ${\displaystyle u\geq u_{mf}}$${\displaystyle u>u_{mf}}$

容器の底部では、見かけの圧力降下と床の断面積の積が、固体粒子の重量の力（流体中の固体の浮力を差し引いたもの）と等しくなります。

$${\displaystyle \Delta p_{w}=H_{w}(1-\epsilon _{w})(\rho _{s}-\rho _{f})g=[M_{s}g/A][(\rho _{s}-\rho _{f})/\rho _{s}]}$$

どこ：

${\displaystyle \Delta p_{w}}$ベッドの圧力降下は

${\displaystyle H_{w}}$ベッドの高さは

${\displaystyle \epsilon_{w}}$ベッド空隙率、すなわち空隙（粒子間の流体空間）によって占められるベッド容積の割合である。

${\displaystyle \rho_{s}}$ベッド粒子の見かけの密度である

${\displaystyle \rho_{f}}$流動化流体の密度である

${\displaystyle g}$重力加速度は

${\displaystyle M_{s}}$ベッド内の固体の総質量

${\displaystyle A}$ベッドの断面積です

1973年、D.ゲルダート教授は、粉末を4つのいわゆる「ゲルダートグループ」に分類することを提案しました。^[12]これらのグループは、固体と流体の密度差と粒子サイズの図上の位置によって定義されます。流動床の設計方法は、粒子のゲルダートグループに基づいて調整できます。^[11]

グループ Aこのグループの粒子サイズは 20 ～ 100 μm で、粒子密度は通常 1.4g/cm ³未満です。泡立ち床段階が始まる前に、これらの粒子の床は嵩密度の低下により流動化初期に 2 ～ 3 倍に膨張します。ほとんどの粉末触媒床はこのグループを利用しています。

グループ B粒子サイズは 40 ～ 500 μm、粒子密度は 1.4 ～ 4 g/cm ³です。通常、泡立ちは流動化の開始時に直接発生します。

グループ Cこのグループには、極めて微細で、最も凝集力の高い粒子が含まれています。サイズが 20 ～ 30 μm のこれらの粒子は、実現が非常に困難な条件下で流動化するため、機械的撹拌などの外部からの力の適用が必要になる場合があります。

グループ Dこの領域の粒子は 600 μm を超え、通常は粒子密度が高くなります。このグループの流動化には非常に高い流体エネルギーが必要で、通常は高いレベルの摩耗を伴います。乾燥中の穀物やエンドウ豆、焙煎中のコーヒー豆、ガス化中の石炭、焙煎中の金属鉱石などはこのような固体であり、通常は浅い床または噴出モードで処理されます。

通常、加圧されたガスまたは液体は、流動床の底部にある分配プレートと呼ばれるプレートを介して多数の穴から流動床容器に入ります。流体は流動床を上向きに流れ、固体粒子を浮遊させます。入口流体が無効になっている場合、流動床は沈降したり、プレートに詰まったり、プレートから滴り落ちたりすることがあります。多くの工業用流動床では、分配プレートの代わりにスパージャー分配器が使用されています。その後、流体は一連の穴あきチューブを通じて分配されます。

• サイクロン分離– ガスと粒子状物質を分離する方法
• 流動化– 流動化の原理と理論
• 流動床燃焼- 流動床の燃焼への応用
• 流動床反応器– 反応化学プロセスへの流動床の応用
• 流動床濃縮装置– 流動床を利用して産業排気からVOC/HAPを除去する
• ユニットオペレーション– その他のエンジニアリングユニットオペレーション
• 化学ループ燃焼- デュアル流動床アプリケーション

• ビデオ: 液体-固体流動床
• 米国エネルギー省流動床技術 – 概要ウェブサイト
• 米国エネルギー省 NETL ファクトシート