旋回流場における微粒子分離に関する研究

旋回流場における微粒子分離に関する研究

著者 冬木 正

発行年 1995‑03‑25

URL http://hdl.handle.net/2297/30560

記 一  、 ・

刈  ｝ 、洲 ^{@一、天． ．議謙・1 。竃。．}

一壬 ．・

旋回流場における微粒子分離に関する研究

C1assification of fine partic1es by a free vo血ex cyc1one

冬木 正

提出 平成7年4月

博十論文

旋回流場における微粒子分離に関する研究

 C1assification of fine partic1es by a free voれex cyc1one

金沢大学大学院自然科学研究科        システム科学専攻

   エネルギーシステム講座

 学籍番号  氏 名

主任指導教官

  92−2211

金岡千嘉男教授

目次

第1章 序論 ユーユ 分級

！−2 サイクロン

    使用記号

    引用文献

1 1 5 7 8 11 11

第2章 実験および評価方法 2−1 実験装置

2−2 供試粉体 2−3 実験方法

2−4  評価方？去

2−5 粒度分仙則定法

    使用言己一号

    引用文献

13 13 19

24 24 26 30

31

第3章 サイクロン形状と分離性能 3−1  人rけ産状および気流出口管  3−1−1 実験装置および方法  3−！−2 結果および考察        （i）人口形状の影響        （ii）出L1管径の影響

       （iii）出口篭挿入長さの影響

3−2 円錐部

 3−2一ユ 実験装置および方法  3−2−2 結果および考察 3−3 内壁面粗さ

 3−3−1 実験装置および方法  3−3−2 結果および考察 3−4 胴体部形状

 3−4−1 実験装置および方法  3−4−2 結果および考察

32 32 32 33 33 36

40

44

44

49

3−5

使用言己サ

引用文献

第4章 サイクロン内の流れと圧力損失 4−1 サイクロンのLピカ手負失

 4−1−1実験ノア法  4 1−2 糾果および考察

4−2 サイクロン内の流れ  4−2−1 実験装置および方法  4−2−2 納果および考察

4 3 蛇管のハカ損失

 4−3 1 実験装置およびノJ法  4−3−2 糾果および考察

4−4 蛇管によるサイクロン内部流れのモデル化と圧力損失

 4−4 ユ サイクロン円筒内気流のモデル化と理論圧力損失の計算  4−4−2 蛇管モデルと圧力損失実測他との比較

4 5

    イ史ノH言己一ξナ

    引用文献

59 60 60 61 61 61 62 64 64 66 68 68 69

72

筋6章 スケールアップと分級性能 6一ユ スケールアッジ

 6−！−1 限外榊1∫・1千の州論i汁郭1  6−1−2 実篤萸当走棉＝および方〜夫

 6 1−3 結果：および考察 6−2 2連式サイクロン

 6−2一ユ 分離性能の理論計算  6−2−2 実験装置および方法  6−2−3 結果および考察 6−3 緒言

    使用記号     引用文献

第7章 結論

謝辞

1（）1

1（）1

101

1（）4

106 115 115 117 118 125 126 127

128

第5章 サイクロン集塵室における分離粒二rの再飛散とその抑制

 5−1−1 実験装置および方法  5−！−2 結果および考察

5−2  ブローダウン

 5−2 1 実験装置および方法  5−2−2 結果および考察

       （i）ブローダウン量の影響        （ii）ブローダウン高さの影響

5−3 集塵室円錐

 5−3−1 実験装置および方法  5−3−2 結果および考察

       （i）巻き上げ抑制効果        （ii）整流効果

5−4 緒言

    使用記号     引用文献

79 79 79 80 84 84 86 86 87

90

90

第ユー章序論

ユーユ 分級

 新素材やエレクトロニクスなどの先端枝術分野では、特性向Lの必要性から原料粉体

の高純度化・微粉化が進んでおり・最近ではサブミクロン柱手と11手はれる柱f千1μm以 下の微粉の使用も珍しくない。多くの場合、微粉体は粉砕によって袈造されるが広い＊、た 度分布を持っている・このため、］的粒径の粒一rを得るには何らかの方法で分級せざる

を得ない・しかし・1／l m以下の分級径を持ち、実用レベルの処州、1二と丁舳狼な分級を

達成できる装置はほとんどない。

 分級とは広義では「粉粒体の粒rを何らかの特性の差によって分別する」拙作である

が、狭義では「粉粒体の粒j㌃の大きさの差によって分別する」拙作である、、そこで、木 研究でも分級を狭義のものとして定義することにする。

 分級には種々の方法があるが、一般的には飾の〕開きにより村ゴの大きさを判定し分

て違うことを利用する流体分級に大別できる。

 流体分級はさらに使用する流体によって湿式と乾式に分類できる。Tablc l．1に画折の 特徴を示す。両者とも利用する力により重力、慣性力、遠心力等に分けられる。湿式分 級は液体と分散剤を併用することによりほぼ完全な分散状態を作／川すことがでさ、柵 度の高い分級はできるが、反面液体の粘性が気体と比べ著しく大きいので、分級住を小 さくすることが難しい。粒子の沈降を例に取って述べる、、屯力場でのピ川1沈降速度はス

ト」クスの沈降速度式Eq．（1−1）により、また、遠心力場での沈降速度はEq、（1−2）より夫ご

れる。

  u＝・（1・一1）D・      （1．一）

    18μ  p

  u＝・ω2（・・一1）D・       （1．。）

    18μ  ・

 ここで、uは沈降速度、D、は粒子径、μは流体の粘性係数、ρ，、は村手密度、ρは流体密 度、rは回転半径、ωは角速度である。

Table1−2に空気および水の物性と粒子径D、＝1μm、密度ρ、＝2g／cm／の粒二rの重カドでの沈 降速度を示す・粒子密度ρ、は水の密度ρ、とほぼ同じオーダーであり、また空気の密度ρ、

は粒子密度ρ、に比べρp》P、である。水の粘性係数は空気の粘性係数の約55倍である。し たがって、Eqs．（1−1），（1−2）より、同一密度、同一粒径の粒子の水中での沈降速度は空気

中での沈降速度に比べ著しく遅くなる。つまり、湿式法には分離村手軽を小さくするこ

とが難しく、分離に長時間を要するなどの問題点がある。さらに湿式分級を．［業的に利

川した場介、その多くは分級した製＾を乾燥する必要＝があるなど解決しなければならな

Tab1e l−l Fcature of wet and dry classification

Dlspersion（〕1 need畔）wdcr

（11assificationvcl（〕city

（lassificationsh岬ness

一

Wet

?≠ry

Dワ dcr

｡       ■      一

necd strong di spersion

10W high

s veワ9ood ^good

Tab1c l−2Tcminal settlingvelocity inairandwateピ20℃、latm）

I）CnSily

Plui（lviscoslty

Tcmlina1se−tlmg ve1oclty of paれ1cIe

（I）。＝1μm・ρI、二2g／・m）

Air Water

       3

1．204 998．2

0．0182 1．002

一一tling ve−ocity of paれicIe

@       、

      5

U．06xI0一      ⁸T．4x10一

Table1−3に乾式分級法を分離作用機構により分類した分類表を示す。現在工業的には 節分けと流体分級がほとんどである。節分け以外は粒子径に関係する相対的な作用力に

より分離が行われる。静電気あるいは磁気による分級は技術的には可能であるが、工業

Fig．1−1（a）一（c）に各分級法の原理図を示す。（a）重力分級は重力と気体抗力のバランスに

より分級を行う。構造が簡．単で、粗粒の分級は可能であるが、精密分級には適さない。

（b）慣性分級は慣性力と気体抗力のバランスにより分級を行う。粗粒の分級は可能である

るいは半山出渦による遠心分級に大別される。（c−1）強制渦遠心分級は回転ローターで外 部一駆動により強制渦を作るので構造が複雑になり、動力もかかるが分級精度は優れてい

る・（c−2）白山渦・半白山渦による遠心分級は自由渦・半白山渦により粒子に遠心力が与 える方式で、サイクロンに代表され、集塵装置として広く利用されている。多くの場合、

装置は回転部を持たないので構一造が簡単であるが、これまでは分級精度はよくなかった。

Table1−3Dry class旧。ation

一 一 ^{一 ⊥  一   一} 一  一   一 I −   L

一 一

n1echanisn1 fCaturC inS1rumCntS

皿 ■ 一  一 」 一 一 一      L        L   一

一 ■ 1 一

SieVe structure：simple，scalc：smal ・ibrating・crecn

absolute SieVe （ape市1re） cut size：20μm一一 shiftcr

c1assification classincation sharpness：vcry g・wl capacity：sma11

u 一  一   ■ 一 一 ■ I

graVitatiOnal stmcture：simp1e，scale：smal h（wizonta1typc classifier cut size：200㌔2000μn1 ・e汀ic111 typc

（9raVity） sharpncss：ba（1 capacity：small

」  L ■ ^{一 一}

inertia1classifier structure：simpie st・aigh〕ine1yp・

（ineれial fOrCe） cut sizc11O−250μm c1wぱ川nc type

sharpncss：not go（xl capacity：1arge

一  ■

stn』cture：simple clb（〕wjct cut size：0．5〜50μm ・ahab1・impact・r sha叩ness：9ood

f1uid capacity：large

ClaSSi行CatiOn centhfugal fomed structurc：complex turbo classifier classifier VOI11eX cut size：0，5㌔100μm aCuCut ClaSSiOCr

（centhfugal sha・p・ess：・eワ91xx1 fOrCe）

relative capacity：largc

c1㏄sification 佃 stn・ctu・e：simplc，scalc：・m州 cyckmc

VOrteX cut size：卜20μm sharpnes・：9oo（i capacity：sma11

』   一

一 一

diffusional classi行er structure：simple，sca1e：small di仙sio・bli11W

（d冊usion） Cut SiZe：㌔一〇一1μm

sharpness：・eα9ood capacity：small

■ L       一

e1ectrostatic e1eCtrOStatiC structure：simple C1aSSi行CatiOn corona discharge cut size：〜74μm

（e1eCtrOStatiC fhction electrification sharpness：not good

fOrCe） altemating elec㎞c capac1ty sma11 行eld

magnetiC statlc magnetlc而eld structure slmple，scale small Cl㏄SinCatiOn altematmg      cut slze5μm〜

（magnetiC magnetic行eld sharpness not good

fOrCe） capaclty sma11

一2一 一3一

［⇒

 1

1、．工

    」1＿

      ■⇒

      」

 l l ！

hol jzonta1type

斗に二一

喜萎萎

萎萎萎

血

〔）．【

□⇒  ・

    ↓

 ・erticaltype

（a）Gravitational Classifier

   ↑

＼．∴1

 1   ↓   1

州ightlinetype

Elbowjet      Variable impactor

（b） InertiaI classifier

行

（c−1）Turbo classifier

      （c−2）Cyc1one      （c）Centrifuga1classifier

Fig・1−1C1assification equipments        4一

ユー2 サイクロン

 サイクロンは回転部を持たず構造が簡単で、安価に製作できるため、一トに補助集塵装 置として工業プロセスに広く利用されている。既設装附の多くは分級精度がよくなく、

次節で紹介する既往の研究もほとんどが集塵装置としてのものであり、分級機としての 検討はあまりされていない。しかし、サイクロンは原湖的に気流連1二室を．Lげれば大きな 遠心力が得られるので、分離径を小さくでき、しかも処理量を大きくとれるので上業装 置としての可能性がある。したがって、サイクロンの微粒手分離特性を1リ」らかにするこ

とは重要な問題である。

 Fig．1−2にサイクロンの構造図を示す。サイクロンは含塵気流専人部a，r1−1筒部b、円

集塵室eより構成されている。

 気流はaより導入され、壁面に沿って流れることにより旋回流を形成しド峰し、i1」鉗 部。で更に加速され、その後反転し、上昇流となってdより系外へ排出される。また、

気流の一部は集塵室に流入する前に円錐部。で反転し、dより系外へ排出される。

 粒子は旋回流により遠心力が与えられ、遠心力と抗力のバランスにより粗粒手は壁方

向に移動する。気流より分離された粒子は壁面に沿って下降し集塵室で回収される。十 分に遠心力が与えられない微粒子は円錐部での反転気流とともに系外へ拐舳される。ま た、集塵室については本来粒子だけが落下する所であるが開孔郁があるため気流の一都 が入り、再飛散の原因となっている。

 集塵装置としてのサイクロンは気流からどれだけ多くの村ゴを除大できるかで．1＋仙iさ れる。しかし、サイクロンを分級機として評価する場合には、捕集効牛だけでなく、各 粒径ごとの捕集効率を表す部分分離効率、分離径、分級の鋭さなどについても、汗仙しな

ければならない。

 Fig．1−3に部分分離効率の一例を示す。遠心力と抗力のバランスにより分離を行うサイ

それより大きい粒子はlOO％捕集されるはずである。しかし、実際の連紙においては（2）

あるいは（3）のような分離曲線となる。サイクロンを分級機として用いる場合、（2），（3）

の特性曲線をいかに（1）に近づけるかが重要となる。

部分分離効率曲線において部分分離効率が50％となる粒子径を50％分離径あるいは分 級径といい、D、、。で表す。また、分級の鋭さを表す指標として次式で定義される 分級精度指数Kがある。

   D

   D、フ。

 ここで、D埠。は部分分離効率における25％粒径、D、、、は部分分離効率における75％粒径        一5一

である、一

§（

）

く

F

㍉り 目

。 5

ξ

9目

○

○寅

』 報

」9

ω

3

一

100

75

50

25

0

C1，a，air／Jd

・i・・P・・ti・1・s．、。一

    ノ

     ．1；÷二1         

entranCC

partic1cs

一 eXit

、1，b

． 、

    cyHndrical part

 C

、へ…i・・1p・・t

／dust chamber

e

Fig．1−2Schematic diagram of cyc1one

（1） （2）  （3）

（1）idea1c1assincation

c1assmcationsharpness

   （1）＞（2）＞（3）

      D＊

   P・・ti・1・di・m・t・・Dp（μm）

Fig．I−3 Paれia1separation efficiency         −6一

1−3 既往の・研究

 1886年アメリカのモ』スによって円錐型サイクロンの特，汁が収得されて以来、サイク ロンに関して多くの研究がなされている。近年においても欧州を中心に研究1−ll）が盛ん である・しかし・そのほとんどが集塵機としての研究であり、分級機として検討したも のはほとんどない・また・その捕集粒子径も数十μm前後のものがほとんどで、1μm以ド の粒子を対象としたものは少ない。

 Ramachandranら12）はサイクロン形状と捕集効率、ZhouらI3）はサイクロン内壁面状態と

最適形状の検討・Staudingerら16）はサイクロン形状と圧力損失を検討している。また、

Baskakovら17）はサイクロン内部の流れの可視化、Trefz18）は3方向プローブにより内部気

 しかし、それらはいずれもサイクロン本体だけに関するものであり、また、lO岬前後 の大きい粒子を対象としていたり、捕集効率の評価だけであったりして、ユμm以ドの

微粒子を対象とした分級機としての検討はなされていない。

 一方、集塵室は分離された粗粒子の回収を行うのが本来の〔的であるが、＊、7手だけで

その寸法あるいは気密性がサイクロン分離性能に影響を与える。装置の逃続巡巾ノ1を行う ためサイクロン粗粉回収には頻繁にロータリーバルブが使用されるが、ロー一タリ・一バル ブを使用すると集塵室を完全に密封することができず、サイクロンを負几1で使川した場 合には、僅かではあるが大気が集塵室に流入する。集塵室の気密性が分離性能に影響を およぼす例をFig．1−4に示す。図中、△はサイクロン粗粉u収のため集塵室底部にロータ

リーバルブを使用した場合であり、○は集塵室をほぼ完全に密封できるダブルダンパー を使用した場合の部分分離効率を示している。ダブルダンパーを使用した場合と比ベロ＿

タリ』バルブを使用した場合、分離効率曲線は高慣性側に移行し、山線の傾きも緩やか になり・粗粉収率ηが97．9％から88．8％に低下し、分離性能の低下が認められる。実験は 粗粉排出方法以外は全て同一の条件で行っており、両者の分離性能の差はロータリ＿バ ルブの使用に起因する集塵室からの空気漏れによるものと考えられる。以上のように集 塵室は分離性能に大きな影響を与える。しかしながら、集塵室の分離性能への影響はま

一7一

（100さ

）

＜180「

＞。

○ 目

。

．2

畠

㊤ 目

◎

一_竈

』 竈

①。

ω 亀

一_』

竈

一

60

40

20

0

      ． 乃乏 一

    r《

    ・  P1astics powder

   σ戸

   、   Cyc1one diameter    △         150mm

   、

 り l       InIet Ve1OCity

⊂         30m／s   △

小

ム 千1ou11elamper

一一｢一一Rotary va1ve

measured by

  Cou1ter MuItisizer

1−4

   10o       101       102

      Partic1e diameter D （μm）

       P

Fig．1−4 Partia1separation efficiencies of cyc1ones     with a rotary va1ve and a doub1e damper

本研究の概要

■木研究では、これまであまり研究が行われていない分級機としてのサイクロンに注目 し、サイクロンの作ケ用す旋回流場における粒子分離特性をサイクロン形状と分離性能、

サイクロン内の流れと圧力損一失、サイクロン集塵室の分離性能への影響およびサイクロ

で分級精度指数κがO．6以、ヒの精度の高い粒子分離が可能なサイクロンの設計について

一本研究は7章よりなる。以下に各章の内容を簡単に紹介する。

第！章 序論

本章では、本研究の背景および既往の研究の紹介と本研究の位置づけとその目的を述 べた。1−1では一本研究での分級の定義と各種分級機の分類、原理と特徴および問題点を 示した。1−2ではサイクロンの構造と原理を示し、さらにその評価方法を述べた。1−3で は既往の研究の紹介、1−4では本研究の位置づけと目的を述べた。

一8一

 第2章実験および評価一方法

 本研究を通じて共通するサイクロンをはじめとする実験尖置および方法、惧試粉体、

評価方法、粒度分布測定法について述べた。

実験装置では・装置の構成と実験の日1的．卜各構成要素に要求される性能およびその特 徴・供試粉体では・実験に使用した粉体の真密度、粒度分布およびその特徴、評価方法 では・本研究で用いた各評価方法の定義とその指標の意味合い、村1度分布測定方法では、

各測定原理とその特徴を述べた。

 第3章 サイクロン形状と分離性能

 サイクロン入口・微粉出口・胴体部分の形状およびサイクロン内壁面机さを変えて実 験を行い・サイクロン内部の旋回気流の変化が分離性能へおよぼす景ラ響について検討し

た。

 入口形状では接線入口式、半円周渦巻入口式、全円周渦巻人口式のサイクロンを用い て実験を行い、入口形状の分離性能への影響を明らかにした。

微粉出口管では管径と挿入長さを変えて実験を行い、出口管の分離性能への影響をリj

らかにした。

内壁面粗さに関しては、サンドペーパーや突起物により内壁面粗さを変えサイクロン 内部の旋回気流に微小な渦や乱れを生じさせて実験を行い、サイクロン内部気流の流動 状態の分離性能への影響を明らかにした。

 第4章サイクロン内の流れと圧力損失

サイクロン内壁近傍の流れをトレーサー粒子を壁面に付着させることにより観察し、

サイクロン内部の旋回流が蛇管状の気流であることを確認した。そしてモデル実験とし て種々の管径と回転直径を持つ蛇管の圧力損失の測定を行い、蛇管のハ1力損失特性を，洲 べた。さらにサイクロン内部の旋回流を蛇管によりモデル化し、実測仙と比較検討した。

 第5章 サイクロン集塵室における分離粒子の再飛散とその抑制

集塵室における粗粒子の巻き上げや気流の反転による粗粒子の微洲則への飛び込み等 の再飛散現象について集塵室寸法、ブローダウンの流量および位置、集塵室円錐形状を 変えて実験を行い、集塵室における粒子の再飛散が分離性能へおよぼす影響について検

討した。

第6章 スケールアップと分離性能

形状は等しく直径が72mm，154mm，343mmの3種類のサイクロンについて分離性能

実験を行い、スケールアップに伴う分離性能の変化について理論値と実験値とを比較検

試した・また、スケールア・ノブにおける性能維持村策としてサイクロンを直列につなぐ 2連人サイクロンを批案し、理論1汁算と実験他とを比一校し、性能維持対策としての可能

性を検討した、一

策7．栄結論

木研究で得られた結果を述べた。

木研究に関する発表論文を以、ドに示す。

1．Submicronparticleclassi∩cationbyaircyclone      （5章に相当）

  Iinoya，K、，T．Fuyuki and Y．Yamada

 1・一E・mP…Symp・・i・m・S・p・れi…fP・れi・1・・f・・mg・…（N・mb・・g），377〜387（1989）

2−Aircyc1onc・lassi∩e・forsubmicronsizc       （5章に相当）

 1in（）ya，K。，H．Hisakuni，E−Sue，T．Fuyuki and Y．Yamada

 Second Wor1d Congress Partic1eTechnology，Part III，120〜126（1990）

3一小型ブローダウンサイクロンによる乾式サブミクロン分級  （5章、6章に相当）

 外伊谷鋼一，冬木正，山旧幸良，久国浩之，陶 英一

4一里足形サイクロンの集塵性能      （3章に相当）

 冬木正，山川辛良，ル伊谷鋼…

 粉体二「学会誌v0130，No．7，490〜495（1993）

5．蛇管内を流れるエアロゾル粒子の管壁への沈着と圧力損失    （4章に相当）

 冬一木正，金回干嘉男，江見準

 粉体工学会誌v0131，No．6，396〜401（1994）

6．蛇管モデルによるサイクロンの圧力損失の推定         （4章に相当）

 冬木正，古内正美，令同一手嘉男

粉体」1学会誌・・131，N・．6，390〜395（1994）

7・サイクロンスケールアップと分離性能       （6章に相当）

 井伊谷鋼…，冬木正，山旧幸良，吉田一英人  （粉体二r1学会誌1995年8月号に掲載予定）

他用言己サ

D：Pa111iclcdiamctcr

 「

9 ：9・a・itatiom1accel・mti㎝

r    ：rotation radius u    ：fluid velocity

κ ：c1assi∩・・tion・ha・p・…ind・・

、    ：nuid viscosity

レ ：n・idki・eti・・i・cosity

ρ ：d㎝sity

ρ。：d㎝・ity・fg・・

ρ。：d㎝・ity・fp・れi・1・

ρw ：density ofwatcr ω ：angu1arVe10City

（m）

（m／SL）

（m）

（m／S）

（一）

（Pa s）

（n1」／S）

   1キ（kg／m）

（kμm ）

（kμm｛）

（kg／m ）

（ra（1／s）

引用文献

 1）Iozia Donna Lee and David Leith：Aerosol science and Tcchno1（〕gy12，598−6〔）6（199（〕）

2）HeumamWmiamL．：C11emkcal Engineering，l18−123Junc（1991）

3）B・・k・k・・A・P・・V・N・D・lg・…dY．M．G・ld・bi・：E・pTh・m・ド1・idS．i，597−6（〕2、

  （1990）

4）Bohnet M．andT−Lorenz：6th Wor1dFi1tration Congrcsss，Nagoya，479−482、（1（州）

5）MinierJ−P．and O．Simonin：Prcprints ofEuropcan synlposium，121−136，（1（）（）2）

6）H・ffm・・A・C・・R・J（・・g・・H・A…d…dC・H・…t・1P・・p・i・1・（）川・・（）P・…ymP・・i．Iη，

  137＿150，（1992）

7）Becker E．：Preprints of European symposium，171−183（1992）

8）B・m・・dJ・G・・J・A・d・i…K・R・G−1・i…dB．S…1・・1P・・p・i・t・（）〔1・・（）P…

  symposium，185−199（1992）

9）LorenzT．and M．Bohnet：Preprints ofEuropean symposium，201−213（1992）

1O）G・1y・伽1・・T・T㎡・d・d…d1・C・b・it・：P・・p・i・t・・ガE…p・…ymp（・・i・1η、215−227（1992）

l1）Xi・・1・・L・・C・Ji・・yi・J・Y・・h・i・・dS・Mi・g・i・・：6thW・・ldFilt・・ti・・C・・g・・∬・，N・g（〕y。，

  463＿468，（1993）

12）R・m・・h・・d…G…dJ・D・ig・，D・L・ith・・dH・F・ldm・・：USD・p・血m・・t・fE…gyg…t   DE−FG22−87PC79922（1990）

13）ZhouL・X・andS−L．Soo：PowderTechnology，64，213−220，（1991）

14）Di・g・J・h…dD・・idL・ith：A・・…1・・i・・・…dT・・h・・1・gy4，401−415（1985）

■O一 一11一

15）Mingxian S．，S．（luogang，W．Yunying and W．Xiao1in：舳World Filtration Congresss，

  Nag（）ya，469−473，（1993）

16）Stau（lingcr（1一、J．KcuschnigglmdM．Klupak：PrcprintsofEuropeansymposium，1Og−llg、

  （1992）

17）Baskakov〈、P．，V．N．Dolgov and Y．M−G（〕ldobin1Exp The㎜F1uid Sci，597−602，

  （1990）

18ジザrcπM、＝r）rcprini川ザ「ur（）pcansymp（）sium，151−169（1992）

19）Zh〔）uし．X．andS．L So（ゾP〔）wderTec㎞101ogy，63，45−63，（1990）

20）Zhr）ng1i J・・W・Xi11olin and S・Mingxian：6th World Fihration Congresss，Nagoya，

  458−462，（1（）（）3）

21）Behrouzi1）一三md R．1．Cmnc：6th Worl（i Filtrati〔）n Congrcsss，Nagoya，474−478，（1993）

22）（WlR．，M．（一ha（liri1in（lA．C．Hofrman：AIChEJouma1，37，2、（1991）

23）Sagc r）一W．三m（1M−A．Wright lドiltration＆Scparation，January炉。bruary（1986）

24）ハイ八谷洲一、 「新版集陣装置」 H千1」．r1業新聞付（1973）

25）粉体11学公利n1、 「粉体r1学便覧」 H利一1−1業新聞社（1986）

26川木粉体11茱技舳協会編、「粉体分級技術マニュアル」 広信社（1990）

27）l1木粉体11茱技術＝協会編、 「微粒子・．．1．1学」 朝倉書店（1994）

28）小川Iリ1， 1サイクロン分離粋」 アース社（1980）

29）岨片．｛即納、 「化学様似の〃論と三ポ賞（篶2版）」床業図書（1975）

30）流れの11丁手見化学会編、 「新版流れの口∫視化ハンドブック」朝倉書店（1989）

第2章 実馬寅および一三価プバ人

 木章では論文全体を通して共週する火籏尖置、火籏方法、供、式粉体、分離三性能、汁仙i方

法、粒度分布測定法について述べる。

2一ユ 実験一装置

Fig・2−1に実験装置の概略を示す。実験装置は粉体供給郁であるスクリューワィ＿ダ．

および分散器、試験部であるサイクロン木体および集塵牢、誰何i郁であるフずルターか

てあり・下流にブロ」ダウン粉n収用フィルターが設附されている。以卜 に各子海成残素

Feeder

岬索倣、

a1r

Air

Main舳er

l I

− I

］ Cyclone Blow down          Valve        Orifice    Blow down filter

（）ririCe

    Blowcr

Fig．2−1Schematic diagram of experimenta1apparatus

一12山

 （1）サイクロン

Fig．2−2に本実験で主に用いた基本型サイクロンを示す。本サイクロンは、人口は矩形 全円周渦巻形であり、粗粉出口直径はサイクロン気流出口篭芭径より若F大きくした。

サイクロン入口は縦37mm、横17mmで、気流は入口部通過後、半径50mmと半径40mmの

2つの半円を描き円筒部に接線方向から流入する。円筒部は内径72mm、長さ110mmで、

円錐部は長さ200mm（テーパ4．6。）である。粗粉出口径は40mmで粗粉出口は集塵室に

      一13一

ではサイクロン形状を変えて、分離性能を検討しているが、特に断りのない限り実験に

CXit

   o11tlctpipc

φ31

F

○

○○

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1 1

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72

Cylindrical part

コ

Conical Pan  φ40

φ40

bottom conc

dust chaIηhcr

         Fig．2−2Schematic diagram of standard cyc1one

 （2）集塵牢

 Fig．2−3に実験に使用した集塵室を示す。集塵室は気流漏れによる影響をなくすため密 封式とし・内径1㏄〕mm・高さ2（氾mmの円柱形を基本型とする。また、サイクロン集塵室 よ与）気流の…部を舳気するブローダウンを行えるよう集塵室上蓋部にはブローダウン油

点から内径22mmの9（コベント円管により行った。本研究では集塵室底部中、し、からのブ ロ］ダウンも行っているが・特に断りのない眼レ）、ブローダウンは集塵室上蓋部から行

また・サイクロン柵舳川こ集塵室からの＊立手の再飛散を抑制する目的として円錐形 の障害物（以後集㈱ 峨と1州を鮒た実験を一部行っている。・i。．・．。に集塵室円錐

を示す・集塵利リ錐は投影N形の」貞角が9（ブ、底市び）｛lf戸はサイクロン相．柳川川千と㌻

しいものを某木型とする・木村乏㌫では松木州リ鮒以外に技杉川影の」・1・川が6（ブσ）辛、のや り＝1空円錐を用いて実験を行っているが・特に断りのない限り実1牝判リ鮒を出ド，1する・火験 には某本型円錐を使用するものとする∩川鉗設附flンlf汽は1リ鮒の」慎一1．lllがサイクロン机粉川

口と同一面にくる位置を某木とする。

ρ形   へ      φ

O

N

（＼1

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blow downρipe

OO N

   dust chamber

Fig．2−3Schematic diagram of dust

    chamber

Fig・2−4S・h・m・ti・di・gmm・f

    bottoIηcone

 （3）フイ」ダ］

 供給粉塵濃度によりサイクロンの分離性能が変化することは戸備実験によりすでに確 認されており・実験時の粉塵濃度を一定に保つことはサイクロンの分舳つ三能を．；十仙iする

上で重要である・そのため・粉体供給部であるフィーダーには供給童の安定性が要求さ

回転数と供給速度の関係を示す。スクリューの回転数に比例して惧給速度が増加するこ

一15一

30 25

．冒

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Screw

F−F6尋

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Fig．2−5Schematic diagram of screw feeder

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15

．…

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3

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0 0    5    10   15   20   25         0

    Screw rotation （rPm）

Fig．2−6Relation between screw       revo1ution and feed rate

CaCO JIS No．17

   ］

1  2  3  4  5  6

    Time （min）

Fig．2−7 Re1ation between feed rate       and e1apse time

（4）分一散器

微粒丁・の乾式分級においては、分離場に導入された粒子が一次粒子にまで解砕されて いなければ、微粒手の凝集体が粗粉側に回収されるので分級精度の低下を才名く。強制遠 心式分級装置では高速でn虹1するローターにより粒一子に大きな・遠心力が作用すると同時 に、独断力が作用するので凝集村手の解砕が促進される。しかし、自由渦を利用するサ でクロンでは、特別粒ゴ・の解砕機構を有していないので、分離場へ導入される前の粒子

の外敵状熊が分離性能に．敢欠な影響を与・える、、

       一16一

 分散尖置には分赦力の㌻え方により、メカニカル方」・い、エアジ．［ット方人R・り1、細竹方 人1n＝などがあるが・木実験では、〜生気流を川い4）リングノズル人分出÷1÷（U沽こr、ンジニ アリング社製分散器DN−154）を使用した、、

 Fig．2−8に実験に使用したノズル住3m1ηのリングノズル人出舳1÷の断面附迭を、Jけ、、分

散器は圧縮空気をリング状ノズル外周部よ／）高速気祈ことしで噴出させることにより、中 心部に生じる負圧により粉体をノズル内に吸引する。粉体は．肯1速気流とともに細いノズ ル部を通過する際に・粒子同一十の衝突、柱rと雌而との衝突あるいは．｝土気流によるψ 断力により分散される。分散器の性能は供給する〔1締空気ハンJおよびリングノズルのギャ

 Fig・2−9に関一東ロームJISNo．11（平均粒径2．3μm、火伴、1度29（〕Okg／m ）を木・火蛛の分牧粂 作であるリングノズルギャップlmm、供給ハ1納㍗気1ドO．4MPaで分散させたときの＊、k度分 布を示す一則定は減圧インパクターによった。また、川ツ1には ノヒ乍介版が川侍される液 相法によ引則定結一果もあわせて示した・図1い、○は液相法であるS・digmph、●は1屹∫U一々

であるImpactorによる粒度分布測定結果を示す。閑のようにいhj考はほぼ・致しており、

木分散器によりかなりよく分散されていると見なせる。

分散度の定量的な言下仙i法として・Fig．2−lOに示す用口ら4〕が批茱している州女バ43があ

る・増田によると、分散度βは次式により定義される。

1・轤пE1・・、・μ・・、      （2■）

 ここで・D、は粒子I径・flは完全分散状態の頻度、Lはイく完令外版状1俵の州生、d・はヅ，とrノ の交点の粒径、pは分散度である。一・ 般に分散度βが95％以Lであれば ノヒ年州1女の状悠に あると考えられている。

Fig．2−9より分散器一通過後の粒度分布と完全分敵と想定される粒度分布とはほぼ一致し ており、分散度βは86．5％となる。したがって、リングノズル式分散淋により伏．式粉体が

かなりよく分散されていると言える。

       Powder        ↓   ・

Compressed air

恥

鑑I菱

．．土3

÷一一φ50

Fig．2−8 Cross scctional view of dispcrsion nozz1e DN−154

      −17一

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一一一怐E一一Impactor Kantoh I−oam JIS No．11

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      D＊

Partic1e diameter D （μm）

Fig．2−1O Definition of dispersibi1ity

 （5）フィルター

サイクロン微粉およびブローダウン粉の揃一集には、ゴアテックス製バグフィルターを 用いた、、また、一一部の実験には使い捨てのガラス繊維フィルター（アドバンテックトー

ヨー千一11裂GB−100R、捕集効率0．3μm99．9g％）を使用した。

      一18一

2 2 供試粉体

 供試粉体には、以下の4種類の粉体を使用した。

 （1）関東ロームJISNo．11

  JIS Z8901に規定されている関東ローム粉超微粒で、、式験用ダストとして、集塵装置   試験・機器類の磨耗試験・〜舳1用フィルター試験に用いられる。上成分はSiO，34−

  40％・Fe・0317〜23％・刈・0326，32％であり・典密度ρ、＝2900kg／m＼平均柱住

  D。。＝2．3μmの粉体である。

 （2）重質炭酸カルシウムJIS No．17

  JISZ8901に規定されている重質炭一酸カルシウム超微粒で、武験用ダストとして付析・

  凝集試験、集塵装置試験に用いられる。主成分はCaCO，96・一99％であり、れ密度

  p、＝2700kg／m3、平均粒径D、。＝2．3μmの粉体である。

（3）炭酸カルシウムNS＃400（口東粉化（株）製1束質炭破カルシウムNS糾。（〕）

  工業用に用いられている微粒の重質炭酸カルシウムで、真密度ρ、＝2700kg／m3、平均

  粒径p、。＝3．3μmの粉体である。

（4）炭酸カルシウム＃2000（丸尾カルシウム（株）製重質炭酸カルシウム＃2〔）oO）

 工業用に用いられている微粒の重質炭酸カルシウムで、真密度ρ、＝2700kg／m3、平均

Table2−1に供試粉体の真密度および平均粒径のカタログ仙、Figs．2−11…2−14に各柱度

酸カルシウムJIS No．17およびNS＃400の電子顕微鏡写真を示す。Tablc2−2には炭砿カル

シウムJIS No．17とNS＃400の粉体物性試験結・果を示す。Carr1リによる粉体物性、1＋仙il、二は パウダ」テスター（ホソカワミクロン社製）を用いた。

Tab1e2−l Test powders

T…d…ity（kg／m3） _Mean（

Kantoh Loam JIS No．11

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CaCO．JIS No．17 2700

0   ■

CaCO．NS＃40〔） 2700

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2．3

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  JIS No．11 一十r−CaC0

   3

   3  NS＃400

一十一CaC0

   3  ＃2000

measured by  Microtrac SPA

0．1

 1  10  100

Partic1e diameter D （μm）

rig．川P・れi・1・・i・・di・t・ib・ti…ft・・tp・wd…

   measured by Microtrac SPA

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   3

  JIS No．17

measured by

H皿LOS＆SUCELL

 0．1       1        10       100

    Partic1ediameter D（μm）

Fig．2−12Partic1e size distribution of test powder

   measured by HELOS＆SUCELL       −20一

 100

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竃60

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0

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十111to11oam

  JIS No．11

＋CaC0

   1

0．1   1   10

Partic1e diameter D （μm）

100

Fig．2−13 Paれic1e size distribution of test powdcrs

   measured by Sedigraph

 100 _（

ま

）

串80さ 冒

 60

．易

名40』昌

実

3 20

目 昌

0  0コ

一1トCaC0

   3

measured by Impactor

0．1         1         10     50

  Particlediameter D（μm）

Fig−2−14Paれic1e size distribution of test powders

   measured by Low pressure impactor

      −21一

●一

 ・夫

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∴㌧汀

一一文

汐㌻τ

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〆

Kantoh Loam JIS No．11

小・、I．

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CaC03JIS Nα17

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CaC03NS＃400

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Fig．2−15SEM photographs oftestpowders

一22一 一23一