振動流動床

振動流動床(VFB) は、機械的振動によって流動化プロセスのパフォーマンスが向上する流動床の一種です。振動流動床が最初に発見されて以来、その振動特性は、通常の流動床では非常に困難と思われる微粒子の処理に効果的であることが証明されています。多数の出版物があり、産業用途で人気があるにもかかわらず、振動のダイナミクスと特性に関する知識は非常に限られています。この技術をさらに改善して次のレベルに引き上げるには、今後の研究開発が必要です。

振動流動床技術は、1984年にゲルダートが初めて発見して以来存在しています。ゲルダートは、粒子をさらに流動化するために振動メカニズムを導入したときのさまざまな種類の粒子グループの挙動を観察する実験を行いました。^[1]この技術は過去20年間存在していましたが、この技術をさらに改善するための研究はほとんど行われていません。最近、世界は地球の持続可能性のために環境に優しい機械に注目しています。したがって、振動流動床は環境に優しいだけでなく、他の流動床と比較して安価であるため、流動化における振動の影響を研究するための研究がさらに行われています。

従来の流動床技術の改良により、振動流動床が発見されました。この流動床は、振動とコンベアベッドに向かって垂直に流れるガスを組み合わせて設計されています。この流動床には流動床の利点がいくつかありますが、供給物は十分に乾燥して分解されるまで振動コンベアに沿って移動するため、供給物に凝集物が蓄積する可能性が低くなります。そのため、微粒子の小さいグループC粒子をより小さな凝集物に処理するのに役立ちます。^{[2] [3]}

振動流動床は、主に製薬、農業、触媒、プラスチック、鉱物、食品加工などのさまざまな産業で使用されています。 ^{[4] [5]}振動流動床の一般的な用途は、穀物や結晶の形の製品の乾燥、乾燥した製品の冷却、粗い粒子の凝集と造粒、および殺菌です。^{[4] [6]}

前述のように、振動流動床は、消費者により良い製品を生産するために、特定の粒子サイズを欠陥なく一定に保つ必要がある多くの業界で主に使用されています。振動流動床技術で使用される最も一般的なプロセス操作は、乾燥機と冷却機です。

標準的なタイプの振動流動乾燥機は、振動トレイコンベアで構成され、チャンバーからの高温ガスがトレイ内の穴を通って流れ、乾燥する材料と接触します。トレイ領域は、トレイ上の深さが低いデッキに沿って通過する材料のベッドを通る一定の流れに耐えるのに十分な大きさです。デッキへの振動は、材料の流動化を助けるために垂直成分に向けられ、振動の水平成分はトレイに沿った材料の輸送をサポートします。^[5]

振動式流動冷却器は同様の方法で動作しますが、チャンバーから供給される高温ガスの代わりに、チャンバー内を循環する空気が流れ、冷却媒体として水ミストを生成するための噴霧ノズルが装備されています。他の代替設計には、入口空気が通過する冷水コイルの使用が含まれます。このオプションは、流入空気と冷却対象材料の温度差が大きい場合に使用されます。^[7]

振動流動床の利点としては、以下のものが挙げられます。^{[4] [7] [8]}

• ユニット全体を連続的に乾燥します。
• 幅広い粒子サイズと形状の製品を扱います。
• 振動エネルギーがベッドに沿って伝達されるため、流動化速度と圧力降下が最小限に抑えられます。
• ガスと固体の接触効率を高めます。
• 機械的振動により流動床層の均一性と安定性が向上します。
• 振動の振幅の強さと周波数を操作することで、処理された材料の滞留時間分布をより簡単に制御できます。

振動流動層の限界は以下の通りである: ^{[7] [9] [10]}

• 乾燥プロセスへの入口空気温度は制限されています。
• 気候条件はユニットの熱効率に影響を与える可能性があります。
• 局所的な膨張領域の増加は、ベッド構造の不安定な動作につながります。

振動流動床についてより詳しく理解していただくために、以下にいくつかの特性を示し、特性と動作条件の関係を示し、振動流動床を使用して実行されるプロセスにどのような影響を与える可能性があるかを示します。

空隙率という用語は、物質間の間隔を指します。特定の粒子サイズの空隙率挙動が振動流動床のプロセスにどのように影響するかを知ることは重要です。なぜなら、それらは振動流動床を研究室規模から工業規模に設計およびスケールアップする際に考慮すべき重要な要素の 1 つだからです。実施されたいくつかの実験から、軸方向および半径方向の空隙率分布がより均一になるため、振動は粒子の流動化に役立つことが示されました。これは、振動振幅が大きい振動流動床に特に当てはまります。また、床の高さが増加すると、床内の粒子の層が振動エネルギーによって減衰される可能性があることもわかりました。波の伝播の分析により、そのパラメータは流動化挙動によって影響を受けることが示されました。^[11]

振動流動床では、振動壁が粒子と接触するとエネルギーが伝達されます。これらの粒子は流動床内の他の粒子と衝突し、振動流動床全体に波の伝播という形で運動エネルギーが伝達されます。伝達されるエネルギーの大きさは振幅に比例します。これは、振動流動床内の媒体境界の波の反射によって引き起こされる振動によるものです。^[12]

振動流動床の泡立ち挙動を評価するために、泡の大きさや速度などの要因も考慮されました。振動条件下での泡の挙動をよりよく理解するために、さまざまな振動振幅と周波数について振動流動床の数値シミュレーションが実施されました。結果は、振動流動床の振動変位により平均泡径が増加するが、泡の加速率が低下することを示しました。したがって、振動流動床の泡立ち挙動は振動に依存すると結論付けられました。^[13]

振動流動床乾燥機における多成分水分固体を考慮するために、多成分混合物で湿潤した粒子の薄層を乾燥する特性を評価するモデルが使用されました。これは、面倒で時間のかかるプロセスである多成分乾燥の複雑な処理をよりよく理解するために行われました。固体のプラグフローを使用したモデルに基づいて、理想的な最終水分組成を達成するための選択性と最適な乾燥条件が決定されました。揮発性の高い成分混合物の場合、振動流動床からの製品に残った液体の組成は、固体供給に少量の他の成分を使用することで制御できます。^[5]

振動流動床の利点の 1 つは圧力損失が小さいことであり、特定の動作条件範囲では、従来のものと比較して振動床の圧力損失がはるかに小さいことを示す研究がいくつか行われています。これは、振幅の増加と周波数の減少により振動が減少するときの最小流動化圧力損失を比較する場合にも当てはまります。^[14] 振動流動床全体でのこの圧力損失の存在は、プロセスにおける熱および質量移動に大きな影響を与えます。圧力損失の減少に対応するベッドの多孔度が増加します。この圧力損失の変化は、表面の振動の周波数と振幅に依存します。^[15]

振動流動床の床の高さも重要な特性であり、他のいくつかのパラメータにも影響します。以前の研究から、振動流動床の場合、最小流動化速度は床の高さによって影響を受けることがわかりました。それとは別に、振動流動床の床の高さの変化は、流動化挙動と流動ダイナミクスにも影響します。静的床の高さを高くすると、振動流動床の中央部分の固体濃度が増加しました。^[16]

振動流動床を最初に設計する際、振動流動床の設計が目的のプロセスに最適となるように、また、使用する最適な動作条件を把握できるように、特定のヒューリスティックスに従いました。ヒューリスティックスには次のようなものがあります。

最初のいくつかの流動床が工業プロセスにうまく適用された後、高まる工業需要を満たすために、より多くのタイプの流動化技術の需要が生まれました。 1984年に流動床に振動機構が追加され、Geldart ^[1]は、機械振動ふるいを使用すると、小さなサイズの微粒子の流動化性能が向上することを示しました。 これらの実験では、粒子の予測不可能な挙動のため、これらの粉末を流動化で処理することは困難でした。 その後、流動化プロセスに振動を追加することで、より安価で環境に優しいことがわかりました。 これは、振動の影響に基づくさらなる流動化研究の出発点として、他の多くの人々によって使用されました。 Mujumdar (1988) ^[17]は、熱に敏感でペースト状の材料を流動化するための振動流動化技術を使用する2つの方法を考案しました。 Yoshihide et al. (2003) ^[18]は、振動が流動化挙動に及ぼす影響と最小流動化速度の予測を研究しました。 Kaliyaperumal et al. （2011）^[19]は、異なる振動がナノ粒子とサブミクロン粒子に与える影響を決定しました。これらの粒子は機械的振動がないと流動化しにくく、特殊な特性を持っています。

前述のように、最適な動作条件を決定する 1 つの方法は、目的のプロセスに対して振動流動床をシミュレートするソフトウェアを使用して数学モデルまたはプロセス モデルを作成することです。ガス速度と温度の影響がモデル化されました。最適な動作条件の 1 つは、乾燥速度を上げることです。これは、乾燥速度が上がると、振動流動床での乾燥プロセスが短くなり、振動流動床の全体的な効率が向上するためです。乾燥速度を決定する主なメカニズムは 3 つあります。メカニズムは、ガス側の熱と質量の移動、接触中の 2 つの相間の熱力学的平衡、および湿った固体内の熱と質量の移動です。これら 3 つのメカニズムは、ガス速度と熱と質量の移動係数の増加に伴って増加します。これにより、ガス温度の上昇によってガス湿度が低下し、乾燥速度が増加します。^[20] 粒子サイズの影響もモデル化されました。粒子が大きいほど、粒子内の熱と質量の移動に対する抵抗が増加するため、同じ水分含有量に達するまでに乾燥するのに長い時間が必要になることがわかりました。粒子内の熱伝達に対する抵抗は質量伝達に対する抵抗よりも低いため、水の蒸発に使用されない対流熱は材料の温度を上昇させるために使用され、粒子内の水分移動係数が高くなり、乾燥速度が速くなります。したがって、最適な動作条件を達成するには、振動流動床に供給される粒子を減らす必要があるという結論に達しました。通常、供給材料の粒子サイズは、粉砕などの方法を使用しない限り制御パラメータではありませんが、粉砕すると余分な動作コストがかかるため、避ける必要があります。したがって、別のオプションは、振動流動床の振動の強度を高めることです。^[20]

ヒューリスティックスの最終部分の 1 つは、振動流動床を実験室規模から工業規模にスケールアップすることです。スケールアップを進める際に考慮すべき要素がいくつかあります。1 つは、工業規模の振動流動床のエネルギー消費です。これは、潜在的な顧客がプロセスの要件を知りたいと思うためです。したがって、振動流動床の各部分の個々のエネルギー消費を考慮する必要があります。^[21]経済的な観点から見ると、振動流動床についても同じことが言えます。振動流動床のほとんどの購入者は、収益を上げるためのプロセスに使用する可能性が高いです。したがって、詳細なコスト分析を行う必要があります。^[21]環境の観点からは、発生する廃棄物がプロセスですでに処理されているため、振動流動床自体は一般に環境に優しいと考えられているため、安全性の問題が発生する可能性を除いて、心配することはあまりありません。最後に、前述したように、空隙率の挙動が粒子サイズに与える影響など、スケールアップ時に影響を及ぼす可能性のある特性を忘れてはならない。^[11]

振動流動床の場合、一般的な廃棄物には、物質の接触/加熱によって生成される灰、ほこり、小さな固体粒子が含まれます。流動床からの流入ガスとオーバーフローは、環境問題のため、通常は洗浄する必要があります。廃棄物ストリームには、回収する必要がある大量の製品も含まれています。このプロセスは、ガスサイクロン、バグハウス、スクラバーなどの簡単な分離技術で実現できます。

ガスサイクロンは、ガス中の懸濁液から小さな固体粒子を分離するための装置である。サイクロン本体にガスを接線方向に供給することにより、高速回転流が遠心力を確立し、粒子の渦を作り出す。^[22]サイクロンによって仕様と特性が異なっている。一般的に、100μmより大きいか密度が高い粒子は慣性がより大きいため、壁に向かって押し出され、サイクロンの底に沈み、アンダーフローから排出される。この部分の固体は流動床の生成物として収集される。プロセスが必要な場合は、複数のサイクロンを並列に操作して効率を高めたり、直列に操作して回収率を高めたりすることができる。オーバーフローにはガスと少量の灰と塵が含まれており、通常は空気中に放出されるか、バッグハウスに送られてさらに処理される。

バグハウスは、人工繊維フィルター チューブを使用して空気または他のガスから粒子を濾過するように設計された大気汚染防止装置です。さまざまな用途にさまざまなバグハウス洗浄方法を適用できます。一般的な原理は、熱または圧力を使用して空気を繊維フィルター材料の上部に脈動させ、収集された粒子をバッグから分離することです。灰やほこりなどの「微粒子」粒子は濾過され、微粒子排出ボックスに収集されます。または、「ブロースルー」タイプのロータリー バルブを使用して、微粒子を元の製品ストリームに再導入することもできます。浄化されたガスは、産業用排気ファンと煙突によって大気中に放出されます。

スクラバーも大気汚染防止装置です。バグハウスと比較すると、スクラバーは乾燥試薬またはスラリーを汚れた供給ガスに注入し、対象物質との接触によって汚染物質を除去します。化合物の特性に応じて、異なる汚染物質には異なるスクラビング技術と試薬が対応します。灰やほこりの場合、水をスクラビング溶液として使用できます。

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