振動流動床

振動流動層（VFB）は、機械的振動によって流動化プロセスの性能を向上させる流動層の一種です。振動流動層が初めて発見されて以来、その振動特性は、通常の流動層では実現が非常に困難と思われていた微粒子の処理において、より効率的であることが証明されています。多くの論文が発表され、産業用途でも広く普及しているにもかかわらず、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良し、新たなレベルに引き上げるには、今後の研究開発が必要です。

導入

振動流動層技術は、1984年にゲルダートによって初めて発見されて以来、存在しています。ゲルダートは、振動機構を導入して粒子をさらに流動化させた際に、様々な種類の粒子群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年間存在してきましたが、この技術をさらに改良するための研究はほとんど行われていません。近年、地球の持続可能性のために、世界は環境に優しい機械に注目しています。そのため、振動流動層は環境に優しいだけでなく、他の流動層と比較して安価であることから、流動化における振動の効果を研究するための研究がますます行われています。

基本的な基礎

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、振動とコンベア床に向かって垂直に流れるガス流を組み合わせることで設計されています。この流動床は流動床の利点もいくつか備えていますが、原料は振動コンベア上を移動し、十分に乾燥して粉砕されるまで移動するため、原料中に凝集体が蓄積する可能性が低くなります。そのため、Cグループの微粒子をより小さな凝集体に加工するのに有効です。^{[2] [3]}

適用範囲

振動流動床は主に製薬、農業、触媒、プラスチック、鉱物、食品加工などの様々な産業で使用されています。 ^{[4] [5]}振動流動床の典型的な用途は、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]}

デザインは利用可能

前述の通り、振動流動層は、消費者にとって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均一に保つことが求められる多くの産業で主に利用されています。振動流動層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。

振動流動乾燥機

標準的な振動流動乾燥機は、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乾燥対象物と接触します。トレイ面積は、材料がベッドを通過する一定の流れを許容するのに十分な大きさで、トレイ上の深さは浅くなっています。デッキへの振動は、材料の流動化を助けるために垂直方向に向けられ、一方、振動の水平方向の成分は、トレイに沿った材料の搬送をサポートします。^[5]

振動流動冷却器

振動式流動冷却器も同様の仕組みで動作しますが、チャンバーから高温ガスを供給する代わりに、チャンバー内を循環する空気を流し、冷却媒体として水ミストを生成するための霧化ノズルを備えています。その他の設計としては、冷水コイルを使用し、その上を流入空気が通過する方式があり、このオプションは流入空気と冷却対象物質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限界

振動流動床の利点としては以下が挙げられる: ^{[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向上します。
• 機械的振動により流動層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及ぼす可能性があります。
• 局所的な膨張領域の構築は、ベッド構造の不安定な動作につながります。

主なプロセス特性

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、それらの特性と動作条件との関係を示し、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。

粒子サイズによる空隙率の挙動

空隙率とは、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層におけるプロセスにどのような影響を与えるかを理解することは非常に重要であり、これは振動流動層を研究室規模から工業規模へと設計・スケールアップする際に考慮すべき重要な要素の一つです。実施されたいくつかの実験から、振動によって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、粒子の流動化が促進されることが示されました。これは特に、振動振幅の大きい振動流動層に当てはまります。また、層高が増加すると、層内の粒子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判明しました。波動伝播の解析により、そのパラメータは流動化挙動の影響を受けることが示されました。^[11]

エネルギー伝達

振動流動層では、振動壁が粒子と接触するとエネルギーが伝達されます。これらの粒子は層内の他の粒子と衝突し、振動流動層全体に波動伝播という形で運動エネルギーを伝達します。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、振動流動層における媒質境界での波動反射によって引き起こされる振動によるものです。^[12]

バブリング行動

振動流動層における泡立ち挙動を評価するために、気泡の大きさや速度といった要因も考慮された。様々な振動振幅と周波数において、振動流動層の数値シミュレーションを実施し、振動条件下での気泡の挙動をより深く理解した。その結果、振動流動層の振動変位により、平均気泡径は増加するものの、気泡の加速率は低下することが示された。したがって、振動流動層における泡立ち挙動は振動に依存すると結論付けられた。^[13]

多成分水分

振動流動層乾燥機における多成分水分固体の乾燥特性を評価するために、多成分混合物で湿潤した粒子薄層の乾燥特性を評価するモデルが用いられた。これは、多成分乾燥という煩雑で時間のかかる複雑な処理をより深く理解するためであった。固体のプラグフローを用いたモデルに基づき、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た。揮発性の高い成分混合物の場合、振動流動層から得られる製品に残る液体の組成は、他の成分を少量固体原料に添加することで制御できる。^[5]

圧力降下

振動流動層の利点の一つは圧力損失が小さいことであり、いくつかの研究により、特定の運転条件範囲において、振動流動層の圧力損失は従来の流動層と比較してはるかに小さいことが示されています。これは、振幅の増加と周波数の低下により振動が減少する際の最小流動化圧力損失を比較した場合にも同様です。^[14] 振動流動層におけるこの圧力損失の存在は、プロセスにおける熱移動と物質移動に大きな影響を与えます。圧力損失の減少に伴い、流動層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]

ベッドの高さの影響

振動流動層における層高もまた重要な特性であり、他のいくつかのパラメータにも影響を与える。先行研究から、振動流動層では、最小流動化速度は層高の影響を受けることが明らかになっている。さらに、振動流動層における層高の変化は、流動化挙動と流動力学にも影響を与える。静的層高を高くすると、振動流動層の中央部における固形物濃度が上昇した。^[16]

プロセス設計時に使用するヒューリスティック

振動流動層を最初に設計する際には、振動流動層の設計が目的のプロセスに最適となるよう、また最適な運転条件を把握するために、特定のヒューリスティックスを採用しました。そのヒューリスティックスには以下のようなものがあります。

前のプロセスからの動機

最初のいくつかの流動床が工業プロセスへの適用に成功した後、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高まってきました。 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、粒子の挙動が予測できないため、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、振動の効果に基づいた流動化の研究をさらに進めるための多くの人々の出発点として使用されました。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（2011）^[19]は、ナノ粒子とサブマイクロ粒子に対するさまざまな振動の影響を決定し、これらの粒子は機械的振動がない場合には流動化しにくく、特殊な特性を持っています。

プロセスモデリング

前述のように、最適な運転条件を決定する一つの方法は、ソフトウェアを用いて数学モデルまたはプロセスモデルを作成し、目的のプロセスにおける振動流動層をシミュレートすることです。ガス流速と温度の影響がモデル化されました。最適な運転条件の一つは、乾燥速度を上げることです。これは、乾燥速度が上昇すると、振動流動層における乾燥プロセスが短縮され、振動流動層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。ガス側の熱・物質移動、接触時の二相間の熱力学的平衡、そして湿潤固体内の熱・物質移動です。これら3つのメカニズムは、ガス流速と熱・物質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・物質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。粒子内の熱伝達抵抗は物質移動抵抗よりも低いため、水の蒸発に利用されない対流熱は物質の温度上昇に利用され、粒子内の水分移動係数が高まり、乾燥速度が速まる。したがって、最適な運転条件を達成するには、振動流動層に投入する粒子を小さくする必要があるという結論に達した。通常、粉砕などの方法を用いない限り、投入物質の粒子径は制御パラメータではないが、粉砕を行うと余分な運転コストがかかるため、避けるべきである。したがって、振動流動層における振動の強度を高めることも別の選択肢となる。^[20]

スケールアップ

ヒューリスティックスの最終部分の一つは、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ある。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。一つは工業規模の振動流動床のエネルギー消費である。これは、潜在的顧客がプロセスの要件を知りたいと思うからである。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に入れる必要がある。^[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る。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それを使用する可能性が高い。したがって、詳細なコスト分析を行う必要がある。^[21]環境の観点からは、発生する廃棄物がプロセス内で既に処理されているため、振動流動床自体は一般的に環境に優しいと考えられているため、安全上の問題が発生する可能性を除けば、あまり心配する必要はありません。最後に、前述のように、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]

廃棄物ストリームの生成

振動流動層では、材料の接触・加熱によって生成される灰、粉塵、微小固体粒子などの廃棄物が一般的に発生します。流動層からの流入ガスとオーバーフローガスは、環境問題の観点から、通常は浄化する必要があります。廃棄物には、回収が必要な大量の生成物も含まれています。このプロセスは、ガスサイクロン、バグハウス、スクラバーなどのシンプルな分離技術によって実現できます。

ガスサイクロン

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装置です。サイクロン本体にガスを接線方向に送り込むことで、高速回転流が遠心力を生み出し、粒子の渦を作り出します。^[22]サイクロンによって仕様や特性が異なります。一般的に、100μmより大きいか密度が高い粒子は慣性が強いため、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ます。この部分の固体は流動層の生成物として収集されます。必要に応じて、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ます。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、さらなる処理のためにバッグハウスに送られます。

バグハウス

バグハウスは、特殊加工された布製フィルターチューブを用いて空気やその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。用途に応じて、様々なバグハウス洗浄方法を適用できます。一般的な原理は、熱または圧力を用いて布製フィルター材の上部に空気を脈動させ、バッグに捕集された粒子を剥離することです。灰や塵埃などの「微粒子」は濾過され、微粒子排出ボックスに集められます。あるいは、「ブロースルー」タイプのロータリーバルブを用いて、微粒子を元の製品流に戻すこともできます。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

スクラバーも大気汚染防止装置です。バグハウスとは異なり、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洗浄技術と試薬が適しています。灰や塵埃の場合は、水が洗浄液として使用できます。

参照

• 流動化
• 流動床

参考文献

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