JAERI -M

90-075

1 9 9 0 ^ 5 £

Japan Atomic Energy Research Institute

JAER 1-M

90-075

触媒燃焼によるイオン交換樹脂の減容処理

〈第 3報総括反応速度の把握)

1 9 9 0年 5月

矢幡胤昭・木下弘毅・平田 勝

日本原子力研究所

Ja閃nAtomic Energy Reseorch Institute

•

JAERI-M u*#- H i , B*W&timftm*T*&mz2miX^&mK&&ftX't. X&ff)N\&h*klt, H$Ig^aWftBrttjmff8»19#«#t* (T319-ll3&Wcltlil!flrasJK?fttt)

®SfWJBIJJtcjftft 0 ^BR^WFftRlf 1*3) X-mmz J: * SIKWi^r* fc fr •? "C & >) & 1"„

JAERI-M reports are issued irregularly. Inquiries about availability of the reports should be addressed to Information Division, Department

of Technical Information, Japan Atomic Energy Research Institute, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki-ken 319-11, Japan.

© Japan Atomic Energy Research Institute, 1990

en WJ az&mtwm&£&

]AERI-Mレポート li. 日本原子力研究所が不定期に公干1)している研究報告持て寸。

入手の閉会わせば，日本原子力研究所技術情報部情報資料課(干319-11茨城県那珂郡東海村)

あて.お申しこしください。なお.このほかに財団法人原子力弘済会資料センター(苧319-11茨城

県郊河郎東海村日本原子力研究所内)で復写による実質Bfi布をおこなっております。

]AERI-M reports are issued irregularly.

Inquiries a凶utavailability of the re卵白 shouldbe addr匂袋dto Infonnation Diwおn.De岡市聡nt

of Technical Information. ]apan Atomic Energy Research Institute. Tokai四 mura.Naka-gun.

Ibaraki-ken 319-11. ]apan.

。JapanAtomic Energy Research Institute. 1990

編集兼発行 日本原子力研究所

印 刷 日立高速印刷株式会社

J A E R I - M 9 0 - 0 7 5

Cm 3 IS I g f t K ^ a f f i © J E g )

( 1990*P4/3 2 3 B g S )

»EiHbgB*&i8&£lia!lL. i ^ i M f c g f i & i $ E © M 3 ; T £ £ W e n - Y u 0 5 « * 3 f f l - e # 3 t £

SE650°C. ^ J f J l K 4 . 9 l x l O - 2 m « s - l J ^ ± . 7 'J - * ' - KSB#*«EJ$ S-SexlO-'m-s"1 £TF

4 ? ^ ; o * & i e . ^ 0 o n e 7 ? ^ f c M ^ W - © R i B i i f f i S W [ (BS f * v £ & $ J i ! : 7.25x

lO"2. &>f tfyggiffilli : 8.71X10"2) * f f l ^ « e : 4 i c « f c 0 . x f r - ^ y * 7B$ffl*6&K

*&W3Sp/r : ¥311-13 S^AgKttSlftftlilTJftEBWfsffii! 3607

(1)

JAERI-M 90ー075

触媒燃焼によるイオン交換樹脂の誠容処理

〈第 3報 総括反応速度の把握)

日本原子力研究所大洗研究所管理部

矢幡胤昭・木下弘毅・平田 勝

( 1990年 4月23日受理)

酸化銅触媒を備えた流動層式焼却システム開発の一環として，常温および高温における

流動化開始速度を実測し.流動化開始速度の推算式であるWen-Yuの式が適用できる乙と

を確認した。

また，イオン交換樹脂を流動層燃焼する際の最適運転条件として，熱分解・燃焼炉内温

度 6500C. 空塔速度 4.91x 10-2m"s-1以上.フリーボード部ガス流速 3.36x 1 0-2m" S-1以下

を得た。さらに，今回の実験で得た見かけの反応速度定数(陽イオン交換樹脂 7.25x

10- 2 • 陰イオン交換樹脂 8.71 x 10-りを用いる乙とにより.スケールアップ時の総括反

応速度を表面反応速度式iζて評価できる見通しを得た。

大洗研究所:〒311-13茨城県東淡城郡大洗町成田町字新掲3607

.(1)

JAERI-M 90-075

Volume Reduction of Ion Exchange Resins

by Catalytic Incineration

( HI. Investigation of Overall Reaction Rate)

Taneaki YAHATA, Koki KINOSHITA

and Masaru HIRATA

Department of Administrative Services

Oarai Research Establishment

Japan Atomic Energy Research Institute

Oarai-machi, Higashiibaraki-gun, Ibaraki-ken

\

(Received April 23, 1990)

For development of fluidized bed incineration system armed with

copper monoxide catalyst, minimum fluidization velocities at room

temperature and high temperatures were examined. By comparing these data

with calculated values, it was found that Wen-Yu's equation was applicable.

Also by operating in various temperatures and gas velocities, most

preferable condition for incinerating ion exchange resins by fluidized

bed combustion was found to be temperature of 650°C, bed velocity of more -2 -1 -2

than 4.91 x 10 m*s , and free board velocity of less than 3.36 * 10

m*s . Moreover by using apparent reaction rate constants obtained in

this experiment, the overall reaction rate of scale-up apparatus may be

predictable.

Keywords : Volume Reduction, Ion Exchange Resin, Fluidized Bed

Incineration, Reaction Rate, Catalytic Incineration

(2)

JAER工-M90-075

Volume Reduction of工onExchange Resins

by Cata1ytic工ncineration

(m. Investigation of Overall Reaction Rate)

Taneaki YAHATA， Koki KINOSH1TA

and Masaru HlRATA

Department of Administrative Services

Oarai Research Establishment

Japan Atomic Energy Research 1nstitute

Oarai-machi， Higashiibaraki-gun， lbaraki-ken ¥

(Received Ap~i1 23， 1990)

For deve10pment of f1uidized bed incineration system armed with

copper monoxide catalyst， minimum fluidization velocities at room

temperature and high temperatures were examined. By comparing these data

with calcu1ated va1ues， it was found that Wen-Yu's equation was app1icab1e.

Also by operating in various temperatures and gas velocities， most

preferab1e condition for incinerating ion exchange resins by fluidized

bed combustion was found to be temperature of 650oC， bed ve10city of more -2 -1 4~-2

than 4.91 x 10 -m-s ，and free board velocity of less than 3.36 x 10 -

mos-1

Moreover by using apparent reaction rate constants obtained in

this experiment， the overall r色actionrate of scale-up apparatus may be

predictable.

Keywords Volume Reduction， 10n Exchange Resin， F1uidized Bed

1ncineration， Reaction Rate. Catalytic lncineration

(2)

J A E R I - M 90-075

@ ft

1. ft tw 1

2. 4 *y35868 fJ !©«£»£«F f f l f fH i 3

2. l teffi Lfc'f * ^ 3 e & M 3

2. 2 H & g f i ! 3

2. 3 Sg&jQrSi 4

2. 4 £ i & ^ & 4 2. 5 H i £ f S J £ © » 4

3. A * y&&mmmftM - Mtmmmwamm 13 3.1 mm^momm 14

3.2 M i t o a i r a 15 3.3 ffit§Mfc($&i§E©i!5g 17

3.3.1 1irfifc:fcW5fl&!MtB8*&S£K 17 3.3.2 i i®ic*i«-s«e©^§i i&aK 17

3.4 Hifc£sl£©:%& ( S S H S i o J t K ) 17

4. -f * v3SSlfl&lli©*&&jS£0ffl!Jjg 22

4. 1 gl@RjS©j§ffi!fc 24

4. 1. 1 ^ ? L t t @ # f f l a i S J 6 25 4. 1.2 £Att@#©JH@RJS 29

4.2 4*y£«#Ig©i |*gEfc8ff i f f f f i3MS 35 4.2.1 §t@Rj£lc*5#Sf&*SRJ&J§K©»]3£ 35

4. 2. 2 fgj»Jfii©H?Mj£ 36

4.3 HSLSSJ 37

4.3.i (sgfflLtz4*y&m$$m 37

4.3.2 3£@©5fci£ 37 4.3.3 # X # « f S E : f e £ # # # # & 37

4. 4 H f£@$ 38

4.4.1 «jaas{bic«t«*8gRisaK^©»» .38 4.4.2 -<*y^0 f f la {cJ :5 t6 igJR iSJSf f i ^© |g f l | 39

4.4.3 l i f f i S i S i i f f i O S f f i f t ^ t t 39

4.4.4 x x © ^ t f f f i L i t J;3$tfS£.iSi£ffi'N©gJl? 39

4. 5 §?!£!£*©%g? 40

5. & Ira 66

3* m 67

0%Xm 68

(3)

JAERI-M 90-075

日 次

1. 序 論・.，.・H ・.....・H ・...・H ・...…....・H ・.................................................................・・・・・・・・・ 1

2. イオン交換樹脂の熱分解挙動の把揮…...・H ・.....・H ・.....・H ・H ・H ・-…・H ・H ・......・H ・.，…...・H ・ 3

2. 1 使用 したイ オ ン交換樹脂 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3

2.2 実験装置....・H ・.......・H ・...・H ・....・H ・....・H ・..，・H ・...・H ・.....・H ・.......・H ・....・H ・-…....・H ・-… 3

2.3 実験方法…・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 4

2.4 実験結果....・H ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 4

2.5 実験結果の考察 ・…・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・e・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 4

:3. イオン交換樹指熱分解・燃焼試験装置の概要・…....・H ・'"・・・H ・H ・.....・H ・....・H ・-…...・H ・ 13

3. 1 試験装置の説明 ・...・H ・...・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 14

3.2 流動化の理論・...・H ・....・H ・....・H ・....・H ・....・H ・-…H ・H ・...・H ・..…H ・H ・-…H ・H ・...・H ・'"・H ・ 15

3.3 流動化開始速度の胡IJ定...・H ・..，・H ・'"・H ・..，・H ・..…....・H ・-…..，・H ・.....・H ・H ・H ・-….，.・H ・ 17

3. 3. 1 常温における流動化開始速度 …...・H ・..…...・H ・....・H ・..…H ・H ・....・H ・......・H ・-… 17

3.3.2 高温における流動化開始速度 '"・H ・.....・H ・.....・H ・.....・H ・..…...・H ・.....・H ・..…… 17

3.4 実験結果の考察(理論値との比較〉・……….....・H ・...・H ・........・H ・....・H ・.....・H ・...・H ・ 17

4. イオン交換樹脂の燃焼速度の測定・…..............................................・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 22

4. 1 気回反応の速度論 …・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 24

4. 1. 1 非多孔性団体の気聞反応…....・H ・...……H ・H ・...・H ・...・H ・...・H ・'"・H ・...・H ・....・H ・ 25

4. 1. 2 多孔性国体の気回反応...・H ・...……….....・H ・...・H ・...・H ・......・H ・....・H ・...・H ・H ・H ・ 29

4.2 イオン交換樹脂の総括反応速度評価手法…・…....・H ・-…...・H ・....・H ・....・H ・.....・H ・ 35

4. 2. 1 気回反応における総括反応速度の測定…..，・H ・.....・H ・......・H ・..…....・H ・..・…… 35

4. 2. 2 実測値の評価手法 ...・H ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 36

4. 3 実験方法 …..…・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ a・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 37

4.3.1 使用したイオン交換樹脂..，・H ・'"……H ・H ・....・H ・...・H ・-…...・H ・.....・H ・......・H ・-… 37

4.3.2 装置の改造 …'"・H ・....……・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 37

4.3.3 ガス分析装置および分析方法 …...・H ・.....・H ・.....・H ・.，…H ・H ・.....・H ・..….，.・H ・ 37

4.4 実験結果 ....・H ・...…….

(3)

J A E R I - M 90-075

C o n t e n t s

1. Introduction 1

2. Thermal Decomposition Behavior of Ion Exchange ,'esins 3

2.1 Ion Exchange Resins 3

2.2 Experimental Apparatus 3

2.3 Experimental Method 4

2.4 Experimental Results 4

2.5 Discussion 4

3. Caialytic Incineration System 13

3.1 Plant Description 14

3.2 Theory of Fluidization 15

3.3 Measurement of Minimum Fluidization Velocity ... •, 17

3.3.1 Minimum Fluidization Velocity at Room Temperature 17

3.3.2 Minimum Fluidization Velocity at High Temperature 17

3.4 Discussion (Comparison with Theoretical Values) 17

4. Overall Reaction Rate of Ion Exchange Resins 22

4.1 Theory of Gas-t jlid Reactions 24

4.1.1 Gas-Solid Reaction of Nonporous Solid 25

4.1.2 Gas-Solid Reaction of Porous Solid 29

4.2 Method for Overall Reaction Rate Analysis of Ion

Exchange Resins 35

4.2.1 General Remarks for Experimental Studies 35

4.2.2 Analysis of Experimental Data 36

4.3 Experimental Method 37

4.3.1 Ion Exchange Resins 37

4.3.2 Modification of Apparatus 37

4.3.3 Gas Analyzer and Procedure 37

4.4 Experimental Results 38

4.4.1 Effects of Gas Velocity on Overall Reaction Rate 38

4.4.2 Effects of Difference in Counter Ion on Overall

Reaction Rate 39

4.4.3 Temperature Dependance on Overall Reaction Rate 39

4.4.4 Effects of Elutriation of Soot on Overall Reaction Rate 39

4.5 Discussion 40

5. Conclusion 66

Acknowledgement 67

References 68

(4)

JAERI酬 M 90-075

Contents

1. Introduction ...................................................."'.. 1

2. Therma1 Decomposition Behavior of工onExchange ，'"".sins •••.•••••••••• 3

2.1 10n Exchange Resins ••••.••••••••••••••.••••••.••••.•••••••••••.• 3

2.2 Experimental Apparatus ••••••.••••••••••••••••..••...•.•••••••••• 3

2.3 Experimental Method •••••••.••..•••••••••••••••.••.••••••.••••••• 4

2.4 Experimental Resu1ts .•..••....•....•...•.•.••.....•.••••.••.•••. 4

2.5 Discussion...................................................... 4

3. Ca~alytic lncineration System .•.............................••..... 13

3.1 P1ant Description .••.••..•.••••••..•••.•••••••.••••••••••.•••••• 14

3.2 Theory of F1uidization •••••••••••.•••••••••••••••••••.•••••••••• 15

3.3 Heasurement of Hinimum F1uidization Ve10city ...、.. . . . . . . . . . . . . . . 17 3.3.1 Hinimum Fluidization Ve10city at Room Temperature .•••••••••• 17

3.3.2 Minimum F1uidization Velocity at High Temperature •••..••••.• 17

3.4 Discussion (Comparison with Theoretica1 Va1ues) •••••••••.••..••• 17

4. Overa11 Reaction Rate of 10n Exchange Resins •••...••..•...•..•..••. 22

4.1 Theory of Gas-~ )1id Reactions ••••••••••••••••..•••••••••••••.••• 24

4.1.1 Gas-S01id Reaction of Nonporous S01id •..•..•..•••......•..•• 25

4.1.2 Gas-S01id Reaction of Porous So1id ••••••••••••••.•.•.••••••• 29

4.2 Method for Overa11 Reaction Rate Ana1ysis of工on

Exchange Resins •••••.••..•.•••••••••••.•••.••.•••••••••••••••••• 35

4.2.1 Genera1 Remarks for Experimenta1 Studies ••.••••••.•••••..•.. 35

4.2.2 Ana1ysifl of Experimen ta1 Data •••••••••••••.•••••••••.•••.••• 36

4.3 Experimenta1 Method •.••.•••••••••••••••.•••.••.••••••••••.•••••• 37

4.3.1 10n Exchange Resins •••....•••.•.••••.•.••...•..••.••...••.•• 37

4.3.2 Modification of Apparatus •••••.•••••.••.••••••••.•.••••••••• 37

4.3.3 Gas Ana1yzer and Procedure .................................. 37

4.4 Experimental Resu1ts •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 38

4.4.1 Effects of Gas Ve10city on Overa11 Reaction Rate 38

4.4.2 Effects of Difference in Counter 10n on Overa11

Reaction Rate •••.•••••..•••••••••••.•••••..•••.••••••.•.•••. 39

4.4.3 Temperature Dependance on Overa11 Reaction Rate •••••.••••••• 39

4.4.4 Effects of E1utriation of Soot on Overa11 Reaction Rate ••••• 39

4.5 Discussion. . . . . . . . . . . • • . • . . . • • • • • • • . . . • • • • • . • . . • • . • • • . • • . . • . . • . . 40

5. Conclusion. . • . • • • . • . • • . . • • . • . • • • . . . • • . • . . • • . • • . • • • • . • • • • . • • • • • . • • • • 66

Acknow1edgement .•..•.•................•.....•............•...•.......•. 67

References ............................................................... 68

(4)

JAERI-M 90-075

List of Tables

Table 2.1 List of Ion Exchange Resins

Table 2.2 Theoretical Weighs Loss of Ion Exchange Resins in the

Course of Thermal Decomposition

List of Figures

Fig. 2.1 TG-DTA Curves of Cation Exchange Resins (DIAION SKN 1)

Fig. 2.2 TG-DTA Curves of Cation Exchange Resins (DIAION SK IB)

Fig. 2.3 TG-DTA Curves of Anion Exchange Resins (DIAION SAN 1)

Fig. 2.4 TG-DTA Curves of Anion Exchange Resins (DIAION SA 10A)

Fig. 2.5 Formation of Sulfonyl Bridges Between the Base Polymers

Fig. 3.1 Flow Sheet of Catalytic Incineration System

Fig. 3.2 Measurement of Minimum Fluidization Velocity

at Room Temperature

Fig. 3.3 Measurement of Minimum Fluidization Velocity

at High Temperatures

Fig. 4.1 Classification of Gas-Solid Reactions of Nonporous Solids

Fig. 4.2 Kinetic Regimes for Gasification of Porous Solid

Fig. 4.3 Model of Porous Solid With Random-Pore Intersections

Fig. 4.4 Gasification of Porous Solid Under Conditions Where

the External Dimensions of the Particle Shrink

Fig. 4.5 The Minimization of External Mass Transfer Effects

Fig. 4.6 Method for Overall Reaction Rate Analysis of

Ion Exchange Resins

Fig. 4.7 Behavior of Ion Exchange Resins in the Course of Reaction

Fig. 4.8 Modification of Fluidized Bed Incinerator

Fig. 4.9 t. Versus W. of DIAION SK IB at Temperature of 650°C,

and Bed Velocity of 1.64 x 10" *v< 5.45 * 10~ m-s"1

1 /3 Fig. 4.10 1-U-X.) ' Versus At. of DIAION SK IB at Temperature of 650°C,

1 1 -2 - 2 - 1

and Bed Velocity of 1.64 x 10 ^ 5.45 x 10 m«s

Fig. 4.11 log k Versus u B of DIAION SK IB at Temperature of 650°C,

and Bed Velocity Below 5.45 x io~ m-s~

(5)

JAERI-M 90-075

List of Tables

Tab1e 2.1 List of工onExchange Resins

Tab1e 2.2 Theoretica1 Weight. Loss of工onExchange Resins in the

Course of Thermal Decomposition

Fig. 2.1

Fig. 2.2

Fig. 2.3

Fig. 2.4

Fig. 2.5

Fig. 3.1

Fig. 3.2

Fig. 3.3

Fig. 4.1

Fig. 4.2

Fig. 4.3

Fig. 4.4

Fig. 4.5

Fig. 4.6

Fig. 4.7

Fig. 4.8

Fig. 4.9

Fig. 4.10

Fig. 4.11

List of Figures

TG-DTA Curves of Cation Exchange Resins (DIAION SKN 1)

TG-DTA Curves of Cation Exchange Resins (DIAION SK 1B)

TG-DTA Curves of Anion Exchange Resins (D工A10NSAN 1)

TG-DTA Curves of Anion Exchange Resins (DIAION SA 10A)

Formation of Sulfonyl Bridges Between the Base P01ymers

F10w Sheet of Cata1ytic Incinera仁ionSystem

Measurement of Minimum F1uidization Ve10city

at Room Temperature

Measurement of Minimum F1uidization Velocity

at High Temperatures

C1assification of Gas-S01id Reactions of Nonporous Solids

Kinetic Regimes for Gasification of Porous S01id

Mode1 of Porous So1id With Random-Pore工ntersections

Gasification of Porous Solid Vnder Conditions Where

the Externa1 Dimensions of the Partic1e Shrink

The Minimization of Externa1 1'fass Transfer Effects

Method for Overa11 Reaction Rate Analysis of

10n Exchange Resins

Behavior of 10n Exchange Resins in the Course of Reaction

Modification of F1uidized Bed Incinerator

ti Versus W1of D工AIONSK 1B at Temperature of 650oC， -2_~.~ ~~-2 -1

and Bed Ve10city of 1.64 x 10 -~ 5.45 x 10 -m's 1/3

1-(1-X~).'~ Versus 6t， of DIA工ONSK 1B at Temperature of 650oC， :l. l.

-2 _ 1~-2-1 and Bed Ve10city of 1.64 x 10 -~ 5.45 x 10 -m's

10g kap Versus uB of D工AIONSK 1B at Temperature of 650oC， -2 -1

and Bed Ve10city Be10w 5.45 x 10 -m's

(5)

JAERI-M 90-075

Fig. 4.12 Comparison of Apparent Reaction Rate Constant of DIAION SKN 1

and DIAION SK IB at Temperature of 650°C, and Bed Velocity of

5.45 x 10"2m-s_1

Fig. 4.13 Comparison of Apparent Reaction Rate Constant of DIAION SAN 1

and DIAION SA IDA at Temperature of 650°C, and Bed Velocity of

5.45 x lO^m-s"1

F i g . 4 .14 t . Versus W. of DIAION SK IB a t Tempera tu re of 550 ^ 750°C, 1 1 - 1

and Ai r Flow Rate of 5 .0Nl 'm in 1/3

F i g . 4 .15 1 - (1 -X. ) ' Versus At . of DIAION SK IB a t Temperature of

550 ^ 750°C, and Ai r Flow Rate of 5 . 0 N l ' m i n - 1

F i g . 4 .16 t Versus W. of DIAION SAN 1 a t Tempera tu re of 550 ^ 750°C, - 1 and Ai r Flow Rate of 5 .0Nl-min

1/3 F i g . 4 .17 1 - (1 -X. ) ' Versus At . of DIAION SAN 1 a t Tempera ture of

550 ^ 750°C, and Ai r Flow Rate of 5 . 0 N l ' m i n _ 1

F i g . 4 . 1 8 A r r h e n i u s P l o t of DIAION SK IB and DIAION SAN 1 a t

A i r Flow Rate of 5.0Nl-min~

F i g . 4 .19 ; Versus W. of DIAION SK IB a t Tempera tu re of 650°C, - 2 - 1 and F ree Board V e l o c i t y Above 3.49 x 10 m*s

1/3 F i g . 4 .20 1 - (1 -X. ) ' Versus At. of DIAION SK IB a t Tempera ture of

1 X - 2 - 3 650°C, and F r e e Board V e l o c i t y Above 3.49 x 10 m«s

F i g . 4 . 2 1 t Versus W. of DIAION SAN 1 a t Tempera tu re o f 650°C, - 2 - 1

and Free Board V e l o c i t y Above 1.90 x 10 m«s 1 /3

F i g . 4 .22 1 - (1 -X. ) ' Versus At. of DIAION SAN 1 a t Tempera ture of 1 1 - 2 - 1

650°C, and F r e e Board V e l o c i t y Above 1.90 x 10 m«s

F i g . 4 . 2 3 log k Versus VL of DIAION SK IB and DIAION SAN 1

a t Tempera ture of 650°C, and Free Board V e l o c i t y Above

1.90 x l O ^ m - s " " 1

(6)

JAERI-M 90-075

Fig. 4.12 Comparison of Apparent Reaction Rate Constant of D工AIONSKN 1

回 dDIA工ONSK 1B at Temperature of 650oC， and Bed Velocity of -2 -1

5.45 x 10 -m's

Fig. 4.13 Comparison of Apparent Reaction Rate Constant of D工AIONSAN 1

and DIA工ONSA 10A at Temperature of 650oC， and Bed Ve10city of

Fig. 4.14

Fig. 4.15

Fig. ゐ.16

Fig. 4.17

Fig. 4.18

Fig. 4.19

Fig. 4.20

Fig. 4.21

Fig. 4.22

Fig. 4.23

，

-2 -1 5.45 x 10 -m's

tiVersus wio f DIAZON SK lB at-temperatuEe o f550~7500c， and Air F10w Rate of 5.0Nl'min ~

1/3 l-(l-X.)-'-Versus At~ of DIA工ONSK 1B at Temperature of

1

550 ~ 750oG， and Air Flow Rate of 5.0N1・min工

t~ Versus W~ of DIAION SAN 1 at Temperature of 550 ~ 750oC， and Air F10w Rate of 5.0N1・瓜n l

1/3 1ー(1-xi)Versus&ti of DIAEON smlat Temperatureof

550 ~ 750oC， and Air F10w Rate of 5.0Nl'min ~

Arrhenius P10t of DIAION SK 1B and D工AIONSAN 1 at

Air Flow Rate of 5.0N工・minl

ニiVersus Wi

of DIAION SK 1B at Temperature of 650oC， -2 -1

and Free Board Ve10city Above 3.49 x 10 -m's 1/3

l-(l-X~)~'- Versus At~ of DIAION SK 1B at Temperature of 1. 1.

-2 -1 650oC， and Free Board Ve10city Above 3.49 x 10 -m's

ti

Versus Wi

of D工AIONSAN 1 at Temperature of 650oC， ーっ -，

and Free Board Velocity Above 1.90 x 10 -m's 1/3

l-(l-X~).I- Versus At~ of DIAION SAN 1 at Temperature of i ' . -------i -2 -1

650oC， and Free Board Ve10city Above 1.90 x 10 -m's

108LEap Versus 11F of DIA工ONSK lB and DIAION SAN 1

at Temperature of 6S0oC， and Free Board Ve10city Above -2 -1 1.90 x 10 -m's

(6)

JAERI-M 90-075

1- /? m

L, Js^ igtBoja^aBaiscD l o i L r , ft&&fin£&©&3Mfl'*«t$#3*fcj'&*i6.

&#^£^T?# t t ^ l cJ : ! )SU&f tS* i f c t>©T?*S. £fc«#2i£fiS«!ri i, *8**S!!xg«g-E,«

JffigS£«8Sft©iIgftlc«fc!JflsFJB$#3, & * fcJi»l*tti$fc£ LT«3Mb**lc«fc «3 8MbS#S tt

SO«l*P^KJ;6nr*Bt t« l@«: t©iSf lS&Sfc* l *SnT^S** I x x ©58£lc «fc 3SMH& 7

£ l±© £ £ le J: D -f * >$Lmmmv>^®:&t L r i i , x x©fg^g&jh*«t Cf S0,©Bft4*fm

i f f i S L T t ^ . 2»31

#«-?( * , 8 i S © * * m b f c H * 5 7 * - ? 8 t f & © - f f i £ L T , 8K!»)Brt»c43H-5'f*yS5»^

- 1 -

- い戸" 、略U鴫"山が日刊"凶山内叩"'叫判....~ ，，"，~'刊寸守、向山叩叩…-.，. ，，，"~叫.、-'_"'. ~T ""，" ，~_ _~~_~.

JAERI-M 90-075

、幹

1. 序論

エネルギー資源の乏しい我が固にとって，原子力発電の担う役割は極めて重要である。しか

し，原子力発屯の抱える問題の 1っとして，放射性廃棄物の処理処分対策が挙げられる。

原子力発屯所から発生する放射性物質としては，放射化生成物および核分裂生成物がある。

放射化生成物は，極く微量の原子炉構成材の腐食生成物および原子炉冷却材中 iζ含まれる不純

物が炉心内で=中性子により放射化されたものである。また核分裂生成物ほ，燃料製造過程で燃

料体敏樹皆に付着した倣砧心ウランによるもの，および燃料棒被磁首にピンホールが生じた場

合などに冷却材中へ漏出してきたものである。 1)

放射化生成物および核分裂生成物の内，イオン状のものについては，原子炉冷却材の水質管

理のため，脱塩塔により除去される。しかし， ζれらのイオンを吸着した使用済イオン交換樹

脂は，放射能レベルが比較的高い乙とから発電所敷地内の貯蔵タンク iζ未処理のまま保管され

ているのが現状である。

使用済イオン交換描脂の発生量は，原子力発電所の放射性廃棄物の総発生量から見ると少な

いが，液体廃棄物の減容固化技術，ウエスやポリエチレンシート等可燃性雑固体の焼却処理技

術がほぼ確立した現在，使用済イオン交換樹脂処理技術の必要性がよりー属クローズアップさ

れてきた。

当初， 乙れらイオン交換樹脂の処理法としては，セメントまたはアスフアルト等による固化

処理が試みられたが，減容性lと劣ること，固化体性状iこ難点があることから現実には実施され

ていない。

イオン交換樹指は，化学的に安定な物質であるため，滅容処理が困難とされている。そ乙で，

硫酸と硝酸の混酸iとより溶解させる，鉄または銅を触媒として過酸化水素により酸化させるな

どの湿式処埋法の開発が進められたが，加熱した酸を利用するため装置の耐食性が懸念される

L 処理コストの問題，大量の二次廃楽物が発生する乙となどの理由により採用されていない。 2)

一方， イオン交換樹脂は有機高分子化合物であるため，焼却処理が可能である。従って，既

設の焼却炉による可燃性雑固体との混焼処理も検討されているが，ススの発生による排気系フ

ィルタの目詰まり.有害メfスである SOxの発生の他，放射能レベJレが比較的高いイオン交換樹

脂の処理により焼却炉が汚染され，極めて放射能レベルの低い大量の可燃性雑団体の処理に支

障をきたす乙とが考えられるため，実処理には至っていない。

以上の乙とによりイオン交換樹脂の処回誌としては，ススの発生防止および SOxの除去対策

を施したコンパクトな焼却炉により専焼処理する乙とが望ましいと考えられる。

乙の考えに基づき触媒燃焼によるイオン突換樹脂の減容処理技術"の開発を行ってきて

おり，先lζ酸化銅触媒を備えた流動層式焼却炉により全体システムの運転を行い，その適用性

を雌認している。 2)3)

本報では，装置の大型化lζ資するデータ取得の一環として，流動層内におけるイオン交換樹

脂の燃焼速皮の把握を目的とした。乙乙では.基礎的データとして示差熱天秤によるイオン交

-1-

JAER1-M 90-075

jcsaaaiEm^oiEssffo t&ic. sLfrvto&&$&%.&&m® • SHE* 5 c±±-t&„

JAER l-M 90-075

換樹脂の熱分解挙動の把握，流動層における流動化開始速度の評価を行った後.流動届燃焼に

よる最適運転条件の把握を行うと共{乙，見かけの反応速度定数を取得・評価する乙ととする。

-2-

JAERI-M 90-075

2. >f * >X&ffifl!©iS#J!N£SjcDfflii

fir-9 i ' i D # 5 .

2.1 ffifflufc-r^-^sc g

$S$flS (Strongly acidic cation exchange resin) -C&D, 4 $ f c T y * - £ A g £ £ ± & L f c i b

©**. S&iSSttlS'f tfv^Mflg (Strongly basic anion exchange resin) T & 5„ 4>

« ! O D I A I 0 N * f f i f f l L T L ^ 5 . <L*l £© 4 * v £ & M © | * | , » 4 * y^SUSffiliilliir.

Na ig%e^$-H:A:^-erUIESftT*i») (DIAION SK I B ) , £ 4 * vSS&SHIBttftS*

wicSc^ttc ^JfiJKTfUJiEsnr^a CDIAION SA I O A ) 0 $ O T , £ji&*3M&Sffl

? ^ f f l H T U , -i-TfJCHJBfeSlMiOHJglcll&SnfcDIAION SKN 1, DIAION

SAN 1 ^ j £ < J J 3 ^ b n t ^ 6 .

tt*>, C f t & M © £ t e t f c 4 i £ Table 2.1 i c ^ .

2.2 ;gS

TGD-5000 RHSJ

M ~ f i H 1400°C

1°C- h " ~ffiii|500oC- min"1

h - •> 3 y "J *" > # 5 £ v -f * a M3£fP

tu $& JJ S;

&J£Sgf5@ # M 3 ffi ^ W B 5£

- 3 -

JAERI-M 90-075

2. イオン交換樹脂の熱分解挙動の把握

後述するイオン交換樹脂の流動層燃焼は，いわば定温反応であるため，示差熟天秤を用いた

定速界温による熱分解とは基本的に異なった挙動を示す可能性があるらしかし，示差熱天秤に

よる熱分解挙動の把握は，流動層燃焼における温度条件等を大略把握しておく上で極めて有効

なデータとなり得る。

ζ 乙では，陽イオン.陰イオン交換樹脂について， それぞれ比較的低速で・の熱重量測定 (T

G)および示烹・熱分析 (DTA，) Iとより熟分解温度の把握を行った。

2. 1 使用したイオン交換樹脂

イオン交換樹脂の高分子基体はスチレンとジピニノレベンゼンの共重合体であり， ピニル基を

それぞれ 1個有するスチレンと 2個有するジピニルベンゼンを混合し，重合開始剤により，ラ

ジカ Jレ重合させたものである。

乙の三次元l乙軍縮合した高分子基体1<:• スルホン酸基を結合したものが，強酸性陽イオン交

換樹脂 (Strongly acidic cation exchange r偲 in)であり 4級アンモニウム基を結合したも

のが，強塩基性陰イオン交換樹脂(S trongly basic anion exchange resi n)である。 4)

我が国で現在稼動中の原子力発電所の大半は.イオン交換樹脂として三菱化成工業株式会社

製の DIAIONを使用してしいる。乙れらのイオン交換樹脂の内，陽イオン交換樹脂は通常，

Na塩を結合させた形で市販されており (DIAION SK lB).陰イオン交換樹脂は化学

的iと安定なCe塩形で市販されている (DIAION SA lOA)。従って，乙れらを水処理用

に使用するためには，それぞれ硫酸および水酸化ナトリウムで再生する必要がある。一方，原

子力用としては，すでにH形あるいはOH形に再生された DIAION SKN 1. DIAION

SAN 1が広く用いられている。

こ乙では，幽イオン交換樹脂，陰イオン交換樹脂のそれぞれ 2つのイオン形 (H形， Na塩形

およびOHff3.C e塩形)について，空気雰囲気下での熱分解挙動を把握することとする。

なお，乙れら樹脂の主な仕様を Table2.1 1ζ示す。

2.2 実験装置

本実験では，以下i乙示す示差熱天秤を使用した。

機種:TGD-5000 RH型

加熱方式:赤外線イメージ炉

測定温度範囲:室温~最高 14000C

昇温速度 IOC.h -1 -最高 50QOC.min-1

天秤形式:トーションリボン方式マイクロ電気天秤

9u

JAERI-M 90-075

m n a a : M-X iooomg * - * : ££S!H*5££ t t

2.3 H H t - ^

J | Z S & I C J ; 5 M M S E (TG) *>&?§&*l5&£ii¥B8tefiKH:. £A¥iIffi#iH««E±lcS

fit LTtHJHiJ^ftSSffilefflSf 3o s ) - <£*»•&, TGffi«a»&f§&*iSt!i$Blii8l£lc§8-*-5

ttz, nz&j&fttR (DTA) ic:fcnrk#ffiiBffi#&i*£. e-t &{,}&!&&&< t±i), 2 ooRgfLfc fcf-?0--2jJif> 5 1 -a© t ° - ^ K I J t i T L t : » 6)

zc-eii, -i *y£»8fB§©*i£A¥aK©SSS$BW£ LTi*Sfc». it^tfj®&©10oC-min'1 T-lgSl^fi-ofco

§a*4£ L T I i , Table 2.1 lc^-rRg>f *y*j«fcaf|i-f*y2figSl<Sl!g*ffll\ ^ft^'ftlO.Omg

* 7 ^ 5 ^ 8 3 ^ 7 df©IS8|5Jc^—lC3teJSL, I S A ^ 1000°C oaff i*T?i£a#SL"Cfi«ff i

It^m^tZo C <D t%<D^L%m&lt^ftlk> 200ml • min"1 t U St&fiffi t tT^ $ ^ S i ^ y

# © ! £ £ & Lfcj»a$*t (PR 13) -e&tULfco

2.4 H ^ g ^

Table 2.1 \CK1T&4* >&8HiNlg£*l£JI¥ £ *fc t #©TG-DTAfii]J£*S&*: Fig.2. I ~

Fig.2. 4lc^:^-0

&4 *v2fc&ijjj|gjj, 4 * vJBic«fcD»fl'##!&#fflai'a-3fe©©, M ^ T i S K f i - f * x

<£*J. DIAION SK l B f c o ^ r t t , S & £ LT¥SW©iSJft48r#ffi«>&*iA:.

2.5 S I ^ $ S ^ 0 % ^

Fig.2. 1 ~ Fig.2. 4 J;«3, ^ f 4 l © 4 * i'35 JUS III fc*£ < # # T 3 ^moM&WP^^t

C i i ^ S , i f , DT A M l £ : f e ^ T 8 7 o C 0 M b ' - ^ f t 5 ® 1 g a f f l l t ^ l i ,

DIAION SKN 1 (Fig.2. 1) |C*jtf" 5 » 2 a a © S i f t » ^ ( i X - « / * V KS<0fltt«|K J;

3 *>©£#*_ t>ftSo Matsudab7' fi, &3SSlfl£*T? DI A ION SKN l*3ft##3-fr . t

mmt, ^©©gggsisi&ifejK-gcL-o**. DIAION SAN 1 (Fig.2. 3) IC*s tt 5 $ 2 g @ ©®ffi«iJ>tt, *£<D«8!fc £ £ ' • o T

^5fc»B^B8lc«8S^-5C i J i T f t t t ^ * * . 100 ~ 200°C©fiKSBttT»£ 6 ft. t f t l i r > *

- £ A & © M ( < : J ; S *>©£#x.&*l5o Matsuda£8> (i, |S§-f * v £ $ M l C O l*T «> fig >f

- 4 -

JAERI鍋 M 90・075

試料重量最大 1000mg

メ ー カ:真空理工株式会社

2. 3 実験方浩

昇温法による熱重量測定 (TG)から得られる熱分解開始温度は.分解速度が記録紙上iζ減

最として観測される温度に相当する。 5) すなわち. T G曲線から得られる情報は速度に関する

ものであり，減量中i乙中間化合物を生成するような反応においては，昇温速度が速いと TG曲

線の途中l乙屈折が検出されない場合がある。

また，示z::熟分析 (0T A) においても昇温速度が速いと， ピークの分解能が悪どなり 2

つの隣接したピークの一方はもう 1つのピーク l乙隠されてしまう 6)

乙こでは，イオン交換樹脂の熱分解温度の把握を目的としているため，比較的低速の100C.

min-1で実験を行った。

試料としては.Table 2. 1 I乙示す陽イオンおよび陰イオン交換樹脂を用い，それぞれ1O.0mg

をアルミナ製ルツボの底部に均一に充損し，室温からlOOOOCの温度まで定速昇温して重量変

化を調べた。乙のときの空気流量はいずれも 200m1・min-1 とし，試料温度はアルミナ製Jレツ

ボの底i乙接した熱電対 (PR 13)で検出した。

2.4 実験結果

Table 2.1に示す各イオン交換樹脂を熱分解させたときのTGーDTA制定結果を Fig.2.1-

Fig.2.4 Iζ示す。

各イオン交換樹脂は，イオン形iζ より熱分解挙動が相違するものの，燃焼完了温度はイオン

形iとよらず陽イオン交換樹脂で約 8000C. 陰イオン交換樹脂で約 6000Cとなっている。

なお. DIAION SK 18 については，残誼として半透明の溶融物が認められた。

2. 5 実験結果の考察

Fig.2. 1 -Fig. 2.4より，いずれのイオン交換樹脂も大きく分けて 3段階の重量減少を示す

乙とがわかる。まず. DTA曲線において870Cの吸熱ピークを有する第 1段自の重量減少は，

全てのイオン交換樹脂において舵認されるととから水分の蒸発によるものと考えられる。

01 A 10 N S KN 1 (Fig. 2. 1 )における第 2段自の重量減少はスルホン酸基の脱離によ

るものと考えられる。 Matsudaら7)は，窒素気涜中で DIAION SKN 1を熱分解させ，そ

の生成ガスを分析した結果. 200 -3000Cで交換基が脱離するととを報告している。乙の温度

傾域は，今回の実験結果とも良く一致している。

D 1 A 10 N S AN 1 (Fig. 2.3 )における第 2段自の重量減少は，水分の蒸発と重一って

いるため明確に確認するととはできないが. 100...... 2000Cの温度領域で見られ，乙れはアンモ

ニウム基の脱離によるものと考えられる。 Matsudaら引は，陰イオン交換樹脂についても陽イ

-4ー

JAERI-M 90-075

*3*&til!l&ltfttRStlJPt\.*±ittLXt3*), c©<L£{i, DIAION SKN 1 *>* «fe O* D I A

ION SAN 1 0£&$^•#?£iti&LT&DSb^T•£34 , .

—•ff, S f e R ^ L f c D I A I O N SK IB ( Fig.2.2 ) *J«fctf D I A ION SA lOACFig.

2.4) tt, l ^ f t f e H S i i s i t f O H S a o f e O I C J t L . 85 2ja@©Kfi«4>©JiS*lSf iKa<±

# L r ^ 5 o I K , DIAION SK l B f c o i > T t t S ^ t t ^ * * S a 6 & * l 5 o Fig. 2. 1©D I

AION SKN 1 IC:fetfSDTAffll8-l?ttiSfl' :?g#a*#iB-a-5K, 595°C©31—©5SS& t ° -

^ ^ • a - O J C f t U Fig. 2. 2 © D I AION SK 1 BtfJi 3-DOfgjfe e - ^ * i ^ 5«*lS C t *»

&, JgoRftlc«fc J? a # 0 & # | i # ^ / = fe © £ ^ *. t>*i 3 a

35«gj&*lftfllLfc»©i$£ :FSftli. Table 2. 1 K*j«-5f l | J t*f iT fe*)*»5 J: 9»C, l>-f

©4 *>£&ffiHlife»£J!Pfc:tetf SfflSUiga 6 * i « ^ * i - r T ? * 5 o LA»L. Fig.2.1 - Fig.

5 t £#*>*» 5 .

Matsuda718' bit, m<t * > &BU88B (D IA I 0 N SKN 1) *g£$ l« f t# . 300°CT-$l

»«?*•&, *£#Ji?&©3fcft!!MXx'<* M i ' S J i & U S&£#Mfc:Js i ,*Tx<« '*vRg© —

W Fig. 2.5 fc^tck ^ i x ; i ^ 7 * - ; f ( - S O , - ) ©SB#»ii£*&«£•* 5 t ££ffiK LTl>

So x; i>7*-^c±5Sff i&&Ji500^©ff lK-??7B£-a-S *>©©. CfflHHSfflSfiRtfliU *

v£»8JIIB©i8i# ;pa#£l&'f * v£ift«fflB©fe©«fc») t>#8?Lft< < L t ^ 5 1 4 T * i 6 5 i

^•(elCi^^fi, SSl»fflSn?if-3fcfci6. l t o t suda&©&#£J iS f tS fc©©|§|8l©£|fi|* ^ L fcfc©£# x.5o

* e>ic, iSif t^gftoJBiaiSieigLTtt . SiA<!f©'fd->2asSl«*lll**2ai!&©»iS?**L

< i S f t T i ^ * * , ^ © i ^ S ^ ^ T t t t ) <fcfe5i*iT^.5 *>©£#*. s f l>.

fc*J. ^•(aljSH^'IBUc^Lfe'f ^ ^ ^ ^ ^ ^ © ^ a P e K f c y - S S a & S S W ^ S T a b l e 2. 2 l c #

3?*-eic££a&A:#, DIAION SK lB£Bfc£, H»IT&^—§fc*3* LTl^S t i t f f c f r S .

* fc, ^ 2. 4 gp-C5, DIAION SK 1 B ico ^ T I i ¥ 8 W © S » S i * 6 a * K » &*lfc£ 4 *

^ fc t f* . CtHtmWti- h 'J * A (Na2S04) ©^gElCckS t © i # x . ^ ^ S 0 2) H-f i-y^S

^ M ^ M t S K I g L T I i , W l f # x T ? * 5 S 0 , r f * & £ * S # , T f e i M S E ^ L T M S f ?

*.tf355ett«Sft£©£fiRJc J: 0SO» © §fe£g&jh«c$^t 6 t> © £%*. b t i 5 .

- 5 -

JAERI-M 90・075

オン交換樹脂と同様の実験を行い， 2000C以下の湿度でアミンが発生する乙とを報告している。

また，陽イオン交換樹脂が化学的l乙安定で，比較的高温使用にも耐え得るのに対し，陰イオ

ン受換樹脂は分解されやすいとされており，乙の乙とは， DIAION SKN 1:および DIA

ION SAN 1の熱分解を比較しでも明らかである付。

一方，塩を吸着した D1 A 1 0 N S K 1 8 (Fig. 2. 2 )およびDIAION SA lOA(Fig.

2.4) は，いずれも H型およびOH型のものに比し，第 2段自の重量減少の見られる温度が上

昇している。特に， DIAION SK 18については顕著・な差が認められる。 Fig.2.1のo1

AION SKN 1における DTA曲線では高分子基体が分解する際， 5950Cの単一の発熱ピー

クを示すのに対し， Fig. 2.2の DIAION SK 18では 3つの発熱ピークが見られる乙とか

ら，塩の吸持Iとより分解形態が異なったものと考えられる ω

最後に第一 3段目の重量減少であるが，乙れは言うまでもなく高分子基体の分解に相当する。

交換基が脱離した後の高分子基体は， Table 2. 1 Iとおける構造を見てもわかるように，いず

れも同一形態のスチレン，ジピニルベンゼンの共重合体である。従って，乙の段階ではいずれ

のイオン交換樹脂も熱分解における相違は認められないはずである。しかし， Fig.2. 1 .....， Fig.

2.4より，陽イオン交換樹脂の方が陰イオン交換樹脂に比し，明らかに分解しにくくなってい

る乙とがわかる。

Matsuda 7)且}らは，陽イオン交換樹脂 (DIAION SKN 1) を窒素気流中， 3000Cで熱

分解させ，熱分解前後の赤外吸収スペクトルを比較し，熱分解過程においてス Jレホン酸基の一

部が Fig.2.5Iζ示すようなスルフォニノレ(ー S02ー〉の架橋構造を形成する乙とを確認してい

る。スルフォニノレlとよる架橋構造は 5000Cの温度で消失するものの， ζ の架橋の形成が陽イオ

ン交換樹脂の高分子基体を陰イオン交換樹脂のものよりも分解しにくくしている理由であると

結論付けている。

今回の実験は，空気雰囲気で行ったため， Matsudaらの条件とは異なるものの同様の傾向を

示したものと考える o

さらに，高分子基体の熱分解i乙際しては，ほとんどのイオン交換樹脂が 2段階の分解を示し

ている乙とがわかる。一般に π結合を有する環状炭化水素は，直鎖状炭化水素よりも分解しに

くいとをれているが，乙の影響が若干なりとも現れているものと考える"。

なお，今回熱分解に供したイオン交換樹脂の各段階における理論重量減少をTable2.21ζ参

考までにまとめたが， DIAION SK 18を除き，ほぽ良い一致を示している乙とがわかる。

また，第 2.4節で， DIAION SK 18 については半透明の溶融残誼が認められた乙とを

述べたが，とれは硫酸ナトリウム (Na2SOdの生成によるものと考えられる。 2)陽イオン交

換樹脂を燃焼するに際しては.有害ガスである SOx:が発生するが，予め塩を吸着して燃焼を行

えば安定な硫酸塩の生成によりSOxの発生防止に寄与するものと考えられる。

'hu

Table 2.1 List of Ion Exchange Resins

Resins

Type

Structure

Particle Distribution

Ion Exchange Capacity

DIAION SKN 1 DIAION SK 1B

Strongly Acidic Cation Exchange Resin

— CHo - CH - CHo -

-CH-CH2 -CH-

S03H

1190 - 4 2 0 / 1

^4 .7 meq/g

—GHp- C/H ""OHp -

-CH-CH2-CH-

S03Na

1190 - 2 9 7 / i

^2.3meq/g

DIAION SAN 1 DIAION SA10A

Strongly Basic Anion Exchange Resin

—CH2"" CH — CHo -

-CH-CH2-CH-

$ CH2

H3C-N-OH

CH3 CH3

1 1 9 0 - 420/1

^3.7 meq/g

Cno-CH""Cno~

-CH-CH2-CH-

CH2

H3C-N-CI

CH3 CH3

1 1 9 0 - 297/x

^1.9 meq/g

List of工onExchange Resins Table 2.1

』〉切

m-IZco'oz

Resins DIA ION SKN 1 DIAION SK 18 DIAION SAN 1 o I A 10 N S~ 10 A

Type Strongly Acidic Cation Exchange Resin strongly Basic Anion Exchonge Res;n

-CH，，-CH -CH，，- ーCH2-CH-CH2- -CH?-CH-CH?- -CH2 -CH -CH2-

ゆ 令 令 令

Struc↑ure ずー -CH-CH‘?-中CH- 2事H-

S03H S03No Hポス

?HーE

OH CH2

H3c-N-Cl CH3 CH3 Cト1/3

同¥

CH3

Part icle 1190 ~ 420μ 1190 -297μ 1190匂 420fl 1190-297μ Distribution

Ion Exchange 24.7 meq /g 22.3meq/g 二三3.7meq/g 主1.9meq /g Capacity

L-

1

0

1

JAERI-M 90-075

Table 2.2 Theoretical Weight Loss of Ion Exchange Resins in the

Course of Thermal Decomposition

DIAION SKN 1

DIAION SK IB

DIAION SAN 1

DIAION SA 10A

Water (Moisture )

Functional Group (-SO3H)

Resin Base /Co-Polymer of Styrene \ *and Divinylbenzene '

Water (Moisture)

Functional Group (1/2 o f - SO3-)

Resin Base (Co-Polymer of Styrene \ *and Divinvlbenzene '

Residue (Na2S04)

Water (Moisture)

Functional Group (-CH2-N(CH3)30H)

Resin Base / Co-Polymer of Styrene \ * and Divinylbenzene '

Water (Moisture)

Functional Group (-CH2-N(CH3)3Cl)

Resin Base / Co-Polymer of Styrene \ \ and Divinylbenzene '

A W ^ W Q = 4 7 - 5 3 %

AW2/W0 =12.1-13.7%

AW3/W0 =34.9-39.3%

AW,/W0 = 4 3 - 5 0 %

AW2/W0 =6.0-6.9%

AW3/W0 =34.7-39.5%

AW4/W0 =10.6-12.0%

A W ^ W Q = 4 6 - 5 0 %

AW2/W0 =13.9-15.0%

AW3/W0 =36.1-39.0%

AW,/W0 = 4 3 - 4 7 %

AW2/W0 =16.8-18.1%

AW3/W0 =36.2-38.9%

]AERI-M 90-075

• Table 2.2 Theoretical Weight Loss of工onExchange Resins in the

Course of Thermal Decomposition

「Water (Moisture ) f1W1/WO =47---53%

DIA 10N Funcfional Group f1W2/WO = 12.1-13.7%

SK N 1 ( -S03H )

Resin 8ase (co-Polymerof 51yrem) and Divinylbenzene

f1W3/WO = 34.9旬 39.3%

Wafer (Mois↑Il re ) f1W1/WO = 43... 50%

Fund iona I Group f1 W2/ W 0 := 6.0..， 6.9 %

DIA 10N (1/2 of -503ー}

SK 18 Resin 80se (co-PWmer of Sfyrm) f1W3/WO =34.7...39.5% and Divinylbenzene

Residue f1W4/WO =10.6-12.0% (N02504)

Water (Moisture) fJ. W 1 / W 0 = 46吋 50%

DIAION Funcfional Group fJ.W2/WO =13.9-15.0% SAN 1 (ーCH2-N (CH3)3 OH )

Resin 80se

( ~~A- ~~!，~~~rh~~~:~~rene ) and Divinylbenzene f1W3/WO =36.1-39.0%

Water (Moisture) f1W/Wo = 43 -47%

DIAION Functional Group D.W2/WO =16.8"'18.1 %

SA 10A (ーCH2-N(CH3)3CL)

Resin 80se (co-polymer of Styrene ) and Divinylbenzene

f1W3/ WO = 36.2向 38.9%

-7-

Fig. 2.1 TG-DTA Curves of Cation Exchange Resin* (DIAION SKN 1)

'Where, Wo is the initial weight of the resin, and AW the weight decrease.

..Sample weight, 10.0mg;heating rate, 10oC«min ;air flow rate, 200m£'min . „

』〉別問問

tz句

。

』

。

吋

印

10∞。c

10

90

30

70

80

と40

ハυ

n

υ

民1V

戸

hu

O〉

〉

¥

〉

〉

司

20

l

∞l

ーωl.o~____一一ーー一一一一一一ーー一一ーーー一一

(DIAION SKN 1)

[陥仇い theinit山叩 oft加吋，aI山山

-1 -1 Samp1e weigh t， 10.01目mg;heatingrate， 100C ・min~;air f10w rate， 200m且.min占.

TG-DTA Curves of Cation Exchange Resina 2.1 Fig.

Fig. 2.2 TG-DTA Curves of Cation Exchange Resins (DIAION SK IB)

'Where, Wo is the initial weight of the resin, and AW the weight decrease.

..Sample weight, 10.0mg;heating rate, 10°C'min ;air flow rate, 200mfl,Tnin

』〉開

mH--g

句。，O4m

EXO

ENDO

TG

(871

。

20

30

80

40

ポ...... 50 0

三=

注604

70

90

100

10

icl

(DIAION SK lB)

[陥仇い the叫山i勾ght山 e一， an凶…d仰川川t廿凶…h-1 工 i

Sample weight， lO.Omg;heating rate， lOOC.min ~;air flow rate， 20∞Om~ ・mln占.)

TG-DTA Curves of Cation Exchange Resins 2.2 Fig.

0

10

20

30

2 40 o

5= 50

i 60

70

80

90

100

T6

— \

— \

- \

"DTA

(87)

-

T S

' | I O J I V

Ms

EXO

1 , -t

^—^NDO

"^200 °C

^300°C

</400°C

(575)

' )m?t

y^oo'c

/700'Z

i i

i i

/^8Q0°C

|

I

/900°C

|

1

1000°C

-

-

-

-

.,, 1 . 1

-

-

-

• " • - I " • • •

>

i

2 <o o o -J CJ1

Fig. 2.3 TG-DTA Curves of Anion Exchange Resins (DIAION SAN 1)

Where, Wo is the initial weight of the resin, and AW the weight decrease. -1 -1

Sample weight, 10.0mg;heating rate, 10°C-min ;air flow rate, 200mX,-min .

』〉何回NHtg

ω0104印

1000・c

10

80

90

30

o 3: 50 、、主主<1

三40

60

70

20

151

-jQE3一一一一ーー一ーーーーー一一一一一ーー一一ーーーー一ー100

(DIAION SAN 1)

〔い -1 . . -1 I Sample weight， 10.0mg;heating rate， 10oComin ~;air flow rate， 200m見omin晶¥.)

TG-DTA Curves of Anion Exchange Resins 2.3 Fig・

Fig. 2.4 TG-DTA Curves of Anion Exchange Resins (DIAION SA 10A)

'Where, Wo is the initial weight of the resin, and AW the weight decrease.

^Sample weight, 10.Omg;heating rate, 10°C'min ;air flow rate, 200m£-min

』〉伺河

H'z。。10吋切

FU

T

nu

70

ω

90

100

m

40

30

日

60

10

[dp]

OB¥ppd

ー=ー

(DIAION SA 10A)

Wo is the initial weight of the resin， and 6W the weight decrease. 1

100C ・minl;a1r flow rate ，200mz-min-.J

TG-DTA Curves of Anion Exchange Resins

10.0mg;heating rate，

Fig. 2.4

+L

LU

O白

.-e w

，e

e

l

r

D

L

e

m

陥

h

rill-L

JAERI-M 90-075

CH ^ C H CH2 CK2

C H ^ ^ C H ^ \

o o "> o o HoO o=s=o

I OH o=s=o

CHi CH, .CH

xir CH

\

Fig. 2.5 Formation of Sulfonyl Bridges Between the Base Polymers

-12-

]AERI-M 90-075

¥¥CH/CH2¥CH/CH2、¥¥¥CH.， CP.

CH ...... 〆 2¥CH〆〆 2¥¥

〉 υυ+H20

o=s=o

¥JH/CfJN¥

Fig. 2.5 Formation of Sulfonyl Bridges Between the Base Polymers

-12-

JAERI-M 90-075

3. 4 * y'z&mmmftM • m&m \<D\

m ^

Wen-YulC«tS5£g[

Archimedes S£

Wcn-Yutc J : 5 ^ &

iS &

J3 i§

91 i t ® is

8KIMfcB§*&l$© Reynolds^

«£(*©&&

s o f f i c i i *

a © ^ S P ^ S

flta-fbBaji&i^oigospa*

ftt$©®i£

*£?©«!£

^ © J f r K & S c

C-J

C- ]

I. - J

Cm]

Cm]

CPa]

Cm«s-2]

Cm]

Cm]

C-]

Cx:]

[m-s - 1 ]

Cm's"1]

( ra-s- 1 )

[ P a ]

C- ]

C- ]

C- ]

C P a - s ]

Ckg.m"3]

Ckg'm"3]

C- ]

- 1 3 -

]AERI-M 90-li'15

3. イオン交換樹脂熱分解・燃焼試験装置の概要

記Eコヴ 表

a Wen -Yuによる定数 〔ー〕

Ar Archimedes数 〔ー〕

b Wcn --Yuによる定数 l --J

d p :粒子径 (m)

D :塔 径 (m)

Fw : 1苗単位断面積当たりの壁や分散板からの支持力 (pa)

g :重力の加速度 (m・S-2)

L : 1苗 市I司立 ( m)

Lc :静止層高 (m)

Remf:流動化開始時の Reynolds数 〔ー〕

T :流体の温度 ('C)

U B :空塔述度 (rn・S-I)

U mf 流動化開始速度 (m" 5-1)

U t :終末速度 (m"s-I)

ムp 層の圧力損失 (pa)

E :層の空間率 〔ー〕

E :層の平均空間率 〔ー〕

• mf 流動化開始時の層の空間率 〔一〕

μ :流体の枯度 ( Pa ・s)

Pt :流体の密度 (kg ・m-3)

Pp :粒子の密度 (kg" m-3)

ゆs :粒子の形状係数 〔一〕

-13-

J A E R I - M 90-075

4 *v£&M(±@&Ti3MMtr,t#?lb£ti-e;&D, cn*§»«ist5KSfcot

* fc, «ti&®SB «fc 9 3fc&ttBg-£JaSEI3# £ ft 5 « l & t t © ^ ^ * » a ic s ^ fcffiftJHfcliBlUc J:

SfcS&)gSia£&!9ft-3±-e, ^ - f t t oTfc f r t t t t f t t f t t&t t^ f f i i&fcB^ l i , fttffiMbga&it

ffiunIi*l*ai£u, T ' * * 0 - ^ © ^ M S S U B ( [£«£&} / t«U&Ji$»rffiia] ) ri>umf «fc

O ' h s ^ i ^ l i , ft}(*IS till*it (EI/SIS) L " C ^ 5 / J \ uB-;um{ JCteStif t jMMfcStttSo

Sbfc , a ^ i i K « - J Q L , te5fcJ&KJ2JLLlc1-* ( U B ^ U , ) i , J@^ffi^te>7iStfdiL/c1&:P©-

SB(iftt&lc |a]ft $ ftT^^(tf|ii$ ft S fc&, ftftjg*«!&•*• 5 c £ **T?# tt < « 5 5?' Sfe o T ,

i ^ ^ S S i S f t ^ ^ f f i i i ^ ^ S O t t , umf ~u» ©SBfti t tS**, u, liumf Ic i tL, -Hft jc 1 tfj El

± & *# «& t « s fc », umffi2-e ase*?f •?*£ic(*mo a:xxmm-tz«KStt«^G

KiS©iffirrM-tn\ >f * y$sgj$lli*©fc© ( c c - c u , * * ) ©&5fc&&#£J8i8&J: 0 fe,

J S M ) #?E£;*:£^<!:£lcte , 3a<SfRg8i£{itt&/ )j:^#, tfc^roJHWttlLajffitfl&ISRffiJi

{ £ £ * # <±®5i§&!£f i , * f f i © * * £ i i £ £ £ ^ 3 c £ c h t e £ o teoT, fl£S&iSE{*©8KiMt

*^-ef±, t"raiJiSia© fiE«ifi!c*ifflmicsiB^Lfc«, M£i&-c^<±-eiE^s-T

itt5«£!l«lii«:©«£»^B8*&»Sffiu„1i*|ia«L, SlU® i ©ibt££ft -5 „

3.1 B B S S ©ft 93

mstcDm^^mnfH^ Fig. 3.1 ics-a-.

Lt fc !3 , *FrtSKl±, F W e ! & t t f c M f t l r # * - f i $ [ £ & # ] U P I D t W K J ^ W S L - C

-T ^ S k i l l s f i , * * 'J ^ ? 7 ^ - ^ K « k « j , JftSftHSB^ifc^Sft, * « « f i n ? ^ a i ^ # J t i S ^ x i K o K i i , 7 'J - # - K±aiNctftttfcSMbfflJttffi£0&ttRfcfc«fc9fg£&&

i ^ t t i ^ - ^ t B , i»a,jw-«s«i !&>e.©»t&ft©»th**# .&ft5fcj&, ^mpictt-tf-4 * o y*sssLTfc«9, *-r * n y-e®mztitzmmfc&, TaBicffcttfcfr^icisiiKsn,

-14-

JAERI-M 90-075

イオン交換樹脂は極めて均質な有機高分子化合物であり，乙れを専焼処理するに当たって

は，最適温度条件において定常的な焼却処理が行えることが望ましい。また，イオン交換樹指

i乙|涙らす，一般に固体を焼却処理する場合には，静止状態よりも撹持状態下の方が効率的な燃

焼を行える。

乙れらを満足する燃焼方式として，本装置では連続供給も可能な流動層燃焼方式を採用した。

また，流動届部より未燃状態で気流同伴される微粉状のススを後段 lζ 設けた酸化銅触媒によ

り完全燃焼させることも本装置の特徴である。

流動層装置を取り扱う上で，ます知っておかなければならない重要な因子は，流動化開始速

度 Umlと終末辿皮 Utである。抗体の空塔速度 Us ( (全流量) / (流動層部断面儲))がUmf よ

り小さいときは. ;j:U体問は治止(回定!品)しているか Us一二 Umf になると流動化状態となる。

さらに，空塔速度を増し，終末速度以上lとする (U日二 Ul) と，居表面から飛び出した粒子の一

部は流体iζ同伴されて系外iζ輸送されるため.流動屈を維持する乙とができなくなる伊従って，

いわゆる流動化状態と呼べるのは Umf- Utの領域となるが UtはUmf I乙比し.一般に 1桁以

上も大きな値となるため Umf近辺で運転を行う場合には取り立てて議論する必要はない。

一方，イオン交換樹脂を流動層内で燃焼させる場合には，その粒子径が減少していくため，

反応の進行i乙伴い，イオン交換樹脂そのもの(ここでは，スス)の終末速度が空塔速度よりも，

おのずと小さくなる段階を経る。乙れは，燃焼による総括反応速度(移動過程の因子を含む反

応速度〉が充分大きいときには，さほど問題とはならないが，粒子の飛び出し速度が総括反応速

度を大きく上回る場合には，大量のススを発生させることとなる。従って，流動媒体の流動化

開始速度はできる限り小さくする乙とが望ましい。

本章では，まず試験装置の系統構成を簡単に説明した後，実験を進めていく上で重要な因子

となる流動媒体の流動化開始速度Umfを実測し，理論値との比較を行う。

3. 1 試験装置の説明

装置の概略系統構成を Fig.3. 1 I乙示す。

本装置の主要構成部は流動層燃焼方式を採用した熱分解・燃焼炉であり，流動化空気は前段

のコンプレッサより供給される。加熱方式としては，シースヒータによる外部加熱方式を採用

しており，炉内温度は，内部lζ設けた熱電対でガス温度を検知し， P 1 D 制御により管理して

いる。

イオン交換樹脂は，スクリ ι ウフィーダにより，流動層部へ供給され，未燃状態で空気同伴

されるスス等については，フリーボード上部に設けた酸化銅触媒との接触反応lとより完全燃焼

できる構造としている。

運転条件によっては，熱分解・燃焼炉からの微粉体の放出が考えられるため，炉出口にはサ

イクロンを設置しており，サイクロンで捕集された微粉体は，下部l乙設けたホッパに回収され，

必要に応じサンプリングできるようにしてある。

サイクロンの後段には，触媒反応炉を装置しており，酸化銅触媒そのものの性能を評価した

い場合に独立して運転できる構造としている。さらにその後段には焼結フィルタを設置してお

-14ー

JAERI-M 90-075

•3. rtSBir.7K»ft*^^^A^*-eaL. >f * y55»« t l i o« l« l l c ( * i> f6 fe -# -SSOxO«SI^

3.2 aftSHb^SM10'1"13'

# 5 S t L T , Ergan14' © S t f W &*i*o

AP 1-e r ( l - O //UB = 150 + :

L <kd?<? ^ 0sdp J ( 3. 1 ) Pt uB

2J

A P - (1 - T ) Lg Op- f t ) +FW = 0 ( 3 . 2 )

ateiMfctfcfliic* s i # {*, t&#jg©ffia#«E#ic«fc -,~c%±(t£ft$ n-c^a t*&*. &ns

A p / L = (1 - T ) g (Pp~ P{) ( 3 . 3 )

3; ( 3 . 1 ) 0 A P 4 S ( 3 . 3 ) JCftAL, Ue^Umf, T = e m f £ *J tt tf. #©B8$!&*i§ & ft

So

1.75 150 ( 1 - emf) —• Remr2 + ; — ; — • Remf = Ar

A«mf3 *2«»f3 ( 3. 4 )

- 1 5 -

JAER!-M 90-075

り，内部iζ水酸化カ Jレシウム等を充填し，イオン交換樹脂の燃焼に伴い発生する SOllの乾式除

去性能を確認したい場合に使用する u 従って，通常逆転中は，これらの機器の内挿物を取り外

した状態で運転される。

本装置の最後段にはオフガス洗浄培を設置し， SOxの湿式除去を行っている。洗浄液は，pH

および電気伝導率を監担の上，定期的i乙受換できる構造としている。

さらに，系内は排ガスプロワにより微負圧を維持できるようにしてあり，また系統の主要配

管は，水分および SOxの凝縮を避けるため，リボンヒータにより加温している。

以上が本装置の概要であり，本装置を取り扱う上で重要となる流動化開始速度Umfについて

以下に述べる。

3.2 流動化の理論 10)11) 13，

粉体周を通過する流体の圧力損失ムPを層流域から乱流域までの広い領域にわたって推算で

きる式として， Erganl4)の式が挙げられる。

ムP 1-e ( (1-e)μUB 、一一一=一一一一 I 150一一一一一+ 1. 75 Pf UB

21

L 4sdpg3 l... Osdp .• -..J ( 3. 1 )

ここで eは屈の空間率， r/1sは粒子の外表面積に対する位子と同体積の球の表面積で定義され

る形状係数で・ある。

一方，磁場の影響や層上部からの荷重など特別な外力が無視できる場合には，層高 Lの均質

な粉体届(平均空間率 τ)を流体が通過するときの粉体層単位断面積当たりの力のつり合いは

次式で表せる。

ムPー(1ーす)Lg (pp- Pr) + F w = 0 ( 3.2 )

ここで Fwは壁や分散板からの支持力である。

流動化状態にあるときは，粉体層の荷重が流体によって完全に支持されていると考えられる

から Fw=Oとみなせ，流動化の条件式として次式が得られる。

ムP/L=(1-τ) g (向、 Pr) ( 3.3 )

式(3. 1 )のム Pを式 (3.3)に代入し Us= Umf，τ言 emf とおけば，次の関係が得られ

る。

VA

A 一一m

白』

D抗、Bノ・m-

pi・『一一

M

l-匂

(一，q

nu-

「内

u-

4EA-+

m

O』R

pb

一3f

ワe

一m

l-'市 ( 3.4 )

-15-

JAERI-M 90-075

tzfzL, Remf s=dpptum[/M ( 3 . 5 )

A r s d p3 f t ( P , , - ^ ) g / / i ' ( 3 . 6 )

3. ( 3 . 4 ) £ R e m f [ t o ^ T j $ < £ & 5 £ # & £ > f t . 5 0

R e m f = [ (42.9 b / a ) 2 + A r / 1.75 a ] " 2 - 4 2 . 9 b / a ( 3 . 7 )

tzfzL, a s 1 / ( 0 s e m [3 ) ( 3 . 8 )

b s ( l - £ m f ) / W < W 3 ) ( 3 . 9 )

W e n - Y u I « W : , # i 9 t i & # 0 . 0 5 ~ 5 0 m m ( D & g & i H c o ^ T a , b £ * a 6 , a** 14, b * * l l

u m f = C ^ / C d p f t ) 1 C(33.72+0.0408 Ar)"« - 3 3 . 7 ) (3 .10)

5£ ( 3.10) ( i , A r c h i m e d e s » A i j & M ^ ^ t t t t £ E « l « £ , Ar A*S » T ^ # ^ t H t t S E f f i

R e m f < 1 0 - £ / ; ( ± A r < 1.9 xi0<CDi#& ;

u r a f = ( /< /dpPf ) ( o n n - A r \ 2 X33.7 '

dPz (pp-Pt) g

1650^ (3 .11)

R e m f > 1 0 0 0 £ fc{*Ar>2.45xl07fflffi-& ;

u m { = in/ (dp ft)) (0 .0408Ar) 1 / 2

dP ( P p - P f ) g V "

24.5 ft -» (3 .12) <

- 1 6 -

]AERI-M 90-075

ただし Remf~dpPfUmf/μ C 3. 5 )

Ar 玉三 dp3 Pr (pp - (lf) g/μz ( 3. 6 )

式 (3.4)をRemfについて解くと次式が得られる。

Remr= ( (42.9b/a)2 + Ar/ 1.75a)1/2-42.9b/a ( 3. 7 )

ただし a=-=l/C九Emr3) C 3.8)

b.=: (1 -Emf ) / (φ，.2 Emr 3) ( 3. 9 )

Wen -yu1S)は，平均粧径が O.05-50mmの各種粒子について a， bを求め， a'. 14， b与 11

となるととを見いだしている。乙れにより，流動化開始速度Umfは次式で求めることができる。

Umf = (μ/ (dpPr)l ((33.72+ O.0408Ar)1I2-33.7) C 3.10)

式(3.10) は. Archimedes数1¥1が小さい粘性支配領域と Arが極めて大きい慣性支配領

域について，それぞれ近似的に次式で表せる。

Remrく10または Arく1.9 X 104の場合;

I 0.0408 ¥ Um{ = (μ/dD Pr) l一一一一-Ar)…・ ¥2x33.7 I

主弓

dp2 (ρpPr) g

1650μ

Remf> 1000または Ar>2.45 x 107の場合;

Umf = (μ/ (dp Pr ) J (0. 0408 Ar)υz

ベdp(pp一也J1/2

24.5 Pf ，)

( 3.11)

( 3.12)

乙れより，粘性支配領域ではUmfはdp21乙比例し，慣性支配領域ではdpl/21乙比例する乙とが

わかる。

-16-

JAERI-M 90-075

3. 3 3£lMtH&il£G!)3N£

• f c ^ T g H b ^ S o u B A * / h * ^ @ 5 £ ® ® « l i : * ^ T « . A p { ± u B l c i t ^ J L T ' ^ « ( c i i S n t - 5 * s ' , uB

£ ± # $ - f r T fc^P{i-S<at«5iD|ia ftoT, umf {iuB I C ^ L T A P ^ n „ h LfcffllSfc

® # * f t f f i L T & & n S 3 E & © a i & a i £ * u „ 1 f i L T ^ 5 1 0 , „

c C t l i , * i - fp ;y4i icfc t t5u n i fi &*», ftfttftfjltZESiiSE^ 600, 650, 700X: £ L ^ t l

3.3.1 -^rm ic *? W- S «ES6-fb§a*&iSBE

l f t » » - j l 8 « i ^ K a g l J i J « ^ i L T , 3 0 / 6 0 ^ „ s / a ©jg& 7 * $ * £ & £ £ * * • * - 5 t h t J B g

©1M& ( L e / D ) # 1 . 0 i t tSJc- j l t j fcJ iBL, I S (21.5 O ©£§ l£T:#«fc OSS L f c i # ©

u B < h A P o | ^ ^ ^ F i g . 3 . 2 (C^^- 0 ciniCcfc!?, u m f { ± c l ( D f t ^ O i I l i ^ ^ ^ J f A L / c ^ ^ i

L T , umf = 5 .63xl0- 2m«s- ' iAJ-So

3.3.2 JUaic iJ t f SSKfid-fbBIJi&aS

ckD fe/h$ < tt5. «EffiiJSaSff*i&ffi:fc«fctf7 "J - - + " - K T S R # * S & ( ^ t i ^ ' t t F i g . 3 . l it

tetf 3 T I CR - 2fcctO'T I CR - 3 Icfflg) £ 6 0 0 , 650, 7 0 0 € i U : i § 0 u B i A P ( D

B8&£Fig.3. 3 i t ^ - r 0 ^ t e , ^ M f t & M t e M < h | l ] i ; T ; f e £ 0

Fig.3. 3 J ; «3 i^aUc* jy -5 U i n f { i f i lT®i*J0 t « 5 0

T = 600TC, umf = 3.47X10"2m-s-'

T = 6 5 0 " C , umf = 3 .34xi0 ' 2 m-s _ 1

T = 7 0 0 - C , umf = 3.22xi0- 2m-s- 1

3.4 Hit$£JHCD^g£ (SUSHI £0>J±&)

ffiSft^bBii&iiKumf Ji, a (3.10) i c « k D a 8 & W l c # 4 S # , * S ; © S a t t « r W [ f f i L T * <

t 1 i I 3 . 3. lJH*i«fcafaS3.3. 2 r g - e H ^ W ( t ^ J 6 a u m f i S (3.10) \z£Z>mmmt<Dkk&%:

ft9o

5£ (3.10) fc^atfefiffiTlcfctf 5 g a © t o t t f i g £ t t A U umf « r l h » - r 5 t J 6 l T o « t - 5 I C

a So T =21.5 10, uml = 5.52xi0-2m«s-1

T = 6 0 0 t : , umf = 2.65xl0_ 2m*s-1

- 1 7 -

jAERI・M 90-075

3.3 流動化開始速度の測定

流動化開始速度は空塔速度UBと届の圧力損失Apの関係を測定する乙とにより，実験的iζ求

めることができる。流動化試験装置に流動媒体を充慌し下方から空気を流す場合，ム PはUaに

よって変化する。 Uaが小さい固定層領域においては，ム pはUalζ比例して徐々に増加するが Ua

が流動化開始速度 Umfメ:・上回ると流動化が閥始し，届の空間率の変化や気泡の生成により Ua

を上昇させてもム Pは一定値となる P12}従って UmfはUaI乙対してム Pをプロットした曲線に

おける折点での U日の値として定義される。また，曲線がかなりなだらかに曲がる場合も，直線

部分を外押して得られる交点、の空塔速度をUmfとしている1010

こ乙では，ます常献におけるlIllIfを求め，次に流出J化空気温度を 600，650， 700"Cとした場

合の Umfを求める。

3.3. 1 常温における流動化開始速度

熱分解・燃焼炉に流動媒体として， 30/60メッシュの活性アルミナを塔径に対する静止層高

の割合 (Lc/D)が1.0となるように充頃し，室温 (21.5 'C)の空気を下方より流したときの

Uaとム Pの関係を Fig.3.2に示す。これにより Umfは乙の曲線の直線部分を挿入した交点と

して， Umf = 5.63x 10-2m .S-I となる。

3.3.2 高温における流動化開始速度

気体の粘度や密度は温度によって変化するため.高温状態でのUmfの値は一般に常温の場合

よりも小さくなる。流動庖部ガス温度およびフリーボード下部ガス温度(それぞれ Fig.3.1に

おける TICR-2およびTICR-31ζ相当〉を 600，650， 700'CとしたときのUaとム Pの

関係を Fig.3.3に示す。なお，流動媒体充境量は前項と同じである。

Fig.3.3より高温における Umfは以下のとおりとなる。

T = 600 'C. Umf = 3.47 XlO-2m・S-1

T = 650 'C， Umf = 3.34 X 1O-2m・S-1

T = 700 'C， U mf = 3.22 x 10 -2 m・S-1

3. 4 実験結果の考察(理論値との比較)

流動化開始速度Umfは，式(3.10) により理論的lζ求まるが，本式の妥当性を確認しておく

ことは，今後装置のスケー Jレアップを行っていく上で極めて重要な乙とである。従って，乙乙

では第 3.3.1項および第 3.3.2項で実験的i乙求めな Umfと式(3.10) による理論値との比較を

行う。

式 (3.10) I乙各運転温度Tにおける空気の物性値を代入し Umf を計算すると以下のように

なる。

T = 21.5 'C， Umf = 5.52 X 1O-2m. 8-1

T= 600'C， Umf = 2.65XlO-2m.s・1

-17-

JAERI-M 90-075

T = 6 5 0 ' C , umf = 2 .57xl0- 2 m-s- '

T = 7 0 0 ' C , umf = 2 .49xl0- z m-s- '

cti£<o, jffieaflE ffffl. C21.51C) os^Kjiiisnitaiftte^a^—sc^SLt^s© (c*f L, S S - e t i S M t f K ~ 2 4 # T I H ! O T ^ 5 C i***>*»5 O

SSflfTfti, &©fcJ:oT{«N§##i8flnL. em,#iifti-f-Sfcafc, a (3.10) icfcijtlMiL

- 1 8 -

JAERI-M 90-075

T = 650 'C. Umf = 2.57 x 10-2m. S-1

T = 700 'C， Umf = 2.49 x 1Q-2m. S-1

乙れより，述転温度が常温 (21.5'C)の場合には実視!l値と理論値が良い一致を示しているの

に対し，高温では理論値が22-2496下回っている乙とがわかる。

高温下では，物質によって付着力が増加し Emfが増加するため，式(3.10)による推算値

よりも実際の Umfが大きくなる場合がある。 I司

本実験でも乙の影響が現れているものと考えられるが，乙の程度の誤差は装置設計上特に支

障のないものと考える。

-18-

Sampling point 5

I CO

Samplings-point 2

Sompling

D*3 Globe VoWe

C « l Boll Valve

> » i

2 co o

CJi

Fig. 3.1 Flow Sheet of Catalytic Incineration System

』〉開閉耐【

l

冨

∞0・'O吋削

011 -Gas Blower

Me!ollic F i lIer

Sompling poinl3

Co !olysl

Compressor

l-cl

Globe Volve [AI

民主3Boll Volve

F10w Sheet of Cata1ytic工ncinerationSystem Fig. 3.1

JAE

RI-M

90-075

11

1'|

i'11

11

11 Q1

11

11

11

11

) 11

11

11

11

11

11

11

11

11

11

11

11

11

11

11

11

11

11

11

11

1I'll

i ii ilin

ill il ll n i ili m

l ii n

ln

i ilm

ill nil in

i In n

li in I

m

I I

O

ro

O

r—

o

o

o en"

p od

o N-"

p

to

^

CVJ

O

p ro

O

03

=3

-3P

-^

O

o

CO

o to o

o

rO

O

CD

M

3 u

ra H

01 c e H

e o

o

(A

U cd

JJ

•H

CJ

O

t-H

> g •H

U

ca N

•H

-O

•r4 3

r-l

s f-l

S3

o

G

%

a; u

3 CO 0J

3 CN

60

fa

cd

C

•H

S> •H

4

J C

J cd

in O

•O

a) X

I

cd

I CO

42 •

00 H

U-

H

O o

<u «-i

m

j3

a) iH

xi

*J C

N

CD

to

x

i U

M

-l

o

CJ

•rl 01

4J H

l-l

Cd

M-l

3 U

W

CO

H

UB

«

0) g

w

B

• 3

OJ

H

CO -U

0

0 M

ai

a)

> X

!

O

4J M

cd

•a

CO

0) 01 T

3 M

rH

3

O

H

CO -H

11 CO

t-i CO

cd a) a.

>

to 0)

PH

lOzH

Uiu

j] d

V

-2

0-

』〉悶悶【

tgoo-O叶凹

Umf = 5.63 x 10-2 [ m・5-1]

--'9:乙ーーーーーーーーーーーーーノ

〆

70

60

。。

40

50

30

20

10

{ONZEE] 0... <l

~ cコ

30.0 15.0 Q [NL'min-1]

l1 ""1 I1ILII uluu '1111 '1 1 11'1 1 11'111 1 ( 111 1 '11 11 '111 1 '1111'1 111'1111 '1 111'1 1 11 111 ILII 1 11 '1 1 11'11 11 11111

o 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0

X 102

25.0 20.0 10.0 5.0

[rn.C11 UB

Measurement of'Minimum Fluidization Velocity at Room Temperature

[pressure …一 air…te白 ra…… a山 a1 particles at the temperature of 21.50C. Vessel diameter， 81.1m叫

3.2 Fig.

JAERI-M 90-075

J I II 111 ii| I II 1111 n |i II 111 II 11 I II i 11 II 1111 ii | I I i i|i 11 i|i 1 1 1 1 1 11111 i I L

30 =-

20 --

873 [Kl 1600 [°CD

umf = 3.47x10"2 tm-s-1]

-€?

r\ -h i i i I i i i 11 i 11 11 I I i i I i i i i I i 11 i I i i i i 11 i i i 11 i i i I i i i 11 i i i i ! i i i i I i i i i 11 i i r

Umf = 3.34x10~2[m-s~1] _o o

923 [Kl (650 (°C1)

0<>

30

i l l I l l l i l i n i l l i i i l l it l I i I I i l l i l l l l l l I I i l n i l i i i l l i i il i i i l l n I I h i i r

973 [Kl Umf = 3.22 xlO^lm-s"1] (700 [°CD __y<l -o o- -£>

I i i n l i i n i l i n l i n i l i u i l i n i I n i i l n n l i i i i l l l l i l l i i i l I i i i l l i i h

0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0

Q [ N l - m i r f 1 ]

Fig. 3.3 Measurement of Minimum Fluidization Velocity

at High Temperatures

Pressure drop versus air flow rate for a bed of active alumina

particles at the temperatures of 600, 650 and 700°C respectively.

.Vessel diameter, 81.lmm;static bed height, 81.1mm.

-2 1 -

90-075 ]AERI-M

30

20

10

{ONZEE

一。ー〈コ

7.0 6.0 5.0 4.0

[Nl'min-1]

3.0 ー 2.01.0

Q

Measurement of Minimum Fl叫 dizationVeiocity 3.3 Fig.

at High Temperatures

[ににPre山山…e白 悶 …s臼悶s凱1

particles at the temperatures of 600， 650 and 7000C respectively. I Vessel diameter， 81.1mm;static bed height， 81.1mrn. )

-21-

J A E R I - M 90-075

4. 4 * >x«ffli&0«s«§Jis©fflis

a

a'

A

AP

b

cA CAS

Ccs

D

De

f

F P

G

hD

k

k'

Kap

Kap'

K

KE

L

m

n

Q

r

r0

rc

rP

Re

Rs

Sc

3p .g. ^g

S (4.16) - e £ « * f t 5 S a

s (4.i3) -ejga*nss» /$®<D%&T:'mmLfci£mctsvzmwiB%im%i mfcommm mm&m KfoffxMBt

mfc$tffi\t&v zfcfotf^mm. d i b i t s ic*s «• S £ f i R # x i§6E

# ^ M « @#fioWaffii« £®tl£$gc B^a^ 5£ (4.39) - e £ H £ * l S & & 5 c $ C

• mr@.®m%m. KjssK^a i t (4.56) T S i l * n " 6 m * » « - O S * a 5 S E S » [

5$ (4.65) T ? J £ a * f t S J i > t f © & f c i S K 5 E 8 c

5* (4.66) T ? J £ 8 3 f t S J i > t t © R J S a K J S » C

IfilTL^i^ l£=k95Eii:<5 5£gt

¥ » £ »

fHULo^g

•SJS&gfc

£JSft$C

.*£&©«£ fit

: llBJLcD^m

RjEffiOSBTLffl^g

: Httttufrfr&SJSasS-CeDffitt

: RJSl i l f©@#©¥&

: Reynolds $C

: ISffiRiSaffi : Schmidt^

- 2 2 -

JAERI-M 90・075

4. イオン交換樹脂の燃焼速度の測定

記 号 表

a 式(4.16)で定義される定数

a' 式 (4.13)で定義される定数

A 今回の実験で使用した装置におげる流動居断面積

Ap 固体の表面積

b 量論係数

C... 反応ガス濃度

C...s 固体表面における反応ガス濃度

Ccs : I面体表面における生成ガス濃度

D 分子拡散係数

De 固体内の有効拡散係数

f 表面祖さ係数

Fp 形状因子

G 式(4.39)で定義される無次元数

ho 物質移動係数

k 反応速度定数

ピ :式(4.56)で定義される見かけの反応速度定数

kap 式 (4.65)で定義される見かけの反応速度定数

kaP' 式(4.66)で定義される見かけの反応速度定数

K 細孔数と oにより定まる定数

KE 平衡定数

L 細孔の全長

m 反応次数

n :反応次数

Q :空気の流量

r :細孔の半径

ro :反応前の細孔の半径

rc :固体中心から反応部までの距離

rp 反応前の団体の半径

Re Reynolds数

Rs :総括反応速度

Sc Schmidt数

-22-

JAERI-M 90-075

Sherwood ifc

A ( 4 . 5 ) T3£&Sn**Hfc5c<fb$*lfcl$li8

s: (4.i7) -emm£tizmikjHti<tiK.mfsi Thiele |@[

7 'J - # - KSBtfxffiig

A *y$a&m%(DMMn

a (4.38) f J l g S t i S l l f t J c f t S n f c f f i l l

a; (4.4) -esissnsfti&TC'fbsnfcffiJS «fc#©ffiffi

S (4.29) • ? £ ! § £ *l£&&5EgC

S (4.45) -zm&Ztl&Mfc5c4t£tl1z#f$

- 2 3 -

JAERI-M 90-075

S h Sherwood数

Sv 細孔の比表面積

t 時間

t‘ :式 (4.5)で定義される無次元化された時間

ド :式(4.17)で定義される無次元化された時間

T h Thiele数

U ガス流速

Us 空塔速度

UF フリーボード部ガス流速

Vp 同体の体積

w イオン交換樹脂の流動層単位断面積当たりの炉内供給量

w イオン交換樹脂の炉内供給量

x 団体中心から反応部までの距離

x 反応率

氏。):φ により定まる形状係数

tl.w イオン交換樹脂の流動層単位断面積当たりの燃焼量

tl.W イオン交換樹脂の燃焼量

e 国体の空隙率

ε。反応前の固体の空隙率

ぐ :式(4.38)で定義される無次元化された距離

μ :流体の粘度

E :式(4. 4 )で定義される無次元化された距離

pf 流体の密度

ρs 固体の密度

oJ :式(4.29)で定義される無次元数

Tc 式(4.45)で定義される無次元化された時間

φ :細孔の交差角

-23-

JAERI-M 90-075

{glc500oC*min-' t C>-j M ®"Si#i&£?fo fcJg&T? & . SrffiOSffiieaf 5 * T-K^#J2*±

& T G } S t t « f f l - e # t t ^ . - # . T G S E £ f f i ^ f c t > ? l o 0 K J 5 S £ # # r * 8 : £ L T £ « T

4. 1 m@JgS(Z)SJgit17He,

Tf#5o

*fc, —m&RI&teis^Tltm#&l&Qs<Dfit6toR&R&nic*£ < » t 5 . c o i i ^ let*. jfeRlSS^jaic^^^nSH^^^I&Brtlcfe^SSiS^^offitfe^^flt^S'i&S^lil

R^ i§n^{cjff,fi-rs0 corns. BLxntyi&t£?mteMz.. mm&^nofcMmfr&^T feiSft-T'So £?Lt t lB#0£JSl i§ IKy-*®»t lT#f f i« t t fc t f> . #£?L t t@#0 «>©»<£«:

- 2 4 -

jAERI-M 90-075

速度論の観点からイオン交換樹脂の燃焼をとらえる乙とは.最適温度条件.流量条件を把握

できるだけでなく.効率的な焼却装置を設計していく上で重要な乙とである。

反応速度解析を行う上で最も一般的な方法は.熱重鼠測定 (TG)装置によるものである。

燃焼反応の反応述皮解析を行う場合，定温測定が望ましい乙とは言うまでもないが. T G装置

を用いる場合.定温iこ達するまでiζある時間を要するため.イオン交換樹脂の燃焼においては，

仮iこ50QOC・min-tという超高速鼻温を行った場合でも.所定の温度l乙達するまでに半分以上

のイオン交換樹脂が重白変化してしまう。従って.イオン交換樹脂の燃焼反応lこ対しては.定

温TG法は適用できない。一方. TG装置を用いたもう 1つの反応速度解析手法として定速T

G法が挙げられる。しかし.乙の方法を適用するに当たっては，反応が 1つの活性化エネルギ

で支配される単一な過程であり.担.lJ定量が反応生成物盤以外の量に影響されない ζ とが大前提

とな v ている。引従って.持品過程において./k分の蒜発.交換品心肱離.高分子益体ω分解.

のように多段階にわたる反応を示すイオン交換樹脂に対しては.乙の方法も適用できない。

そ乙で本実験では.重量を変えた既知量のイオン交換樹脂を定温状態に保たれた流動層内に

投じ，反応生成ガスである二酸化炭素の発生時間を測定する乙とにより，燃焼速度の把握を試

みた。

本章では，いわゆる気回反応全般についての反応速度論についてまず若干の考察を行い.次

いで乙の概念をイオン交換樹脂の燃焼反応へ応用する場合の考え方について述べた後.実験デ

ータの整理を行っていくものとする。

4. 1 気回反応の速度論 17川}

気回反応を大別すると.固体粒子が非多孔性であるものと.多孔性であるものの 2つに分類

できる。

今回の実験で取り扱うイオン交換樹脂は.ミクロポアーを有する多孔性固体であるが，乙乙

ではまず単純な非多孔性固体の気固反応について述べた後.多孔性国体のものへと展開するこ

ととする。

非多孔性国体の反応は.国体表面の明瞭な界面で反応が進行し.化学反応または方、ス境脱内

物質移動iζより律速される。従って.非多孔性固体の反応を理解するためには.その律速段階

が化学反応，あるいはガス境膜内物質移動のいずれであるかを把握しておく乙とが重要となる。

また，一部の反応においては固体生成物の有する細孔が反応過程lζ大きく影響する。乙の場合

i乙は.未反応核外周 i乙形成される固体生成物層内における反応ガスの拡散を考慮する必要が出

てくる。

気回反応モデJレの多くは，固体粒子が非多孔性であるという仮定l乙基づいていお。乙れは，

非多孔性固体の反応速度解析が多孔性国体のものに比し取り扱いやすいためである。しかし.

多くの気回反応では.闘体粒子が若干なりとも多孔位であるため，固体粒子内での拡散と化学

反応が同時に進行する。乙の場合.反応、は明瞭な界面i乙加え，国体位子内の拡散領域において

も進行する。多孔性国体の反応は実験データの解析が困難なため.非多孔性国体のものほどは

明らかにされていない。また，多孔位固体の実験結果であっても.非多孔性国体のモデJレi乙基

-24-

JAERI-M 90-075

(1) K JS # * © # * * & Pa $iegl& (2) Rj£#x©@&*£M?Lft©#;ifc

(3) K;S#x©Kg&«fcCX£j£;tfx©«»£#£r®#flffiT?©fb5£KJS

(4) ^fig^xota^ii^aajLrtoJfiSk (5) £fi5c#x®;tfxij!ggF>3MM

4.1. 1 #-£?L«ilS#©Sa@RJS

* 5 « *fc . ft^KJS#@#*fc:P©£igT?il&fi:-*-s*:a&. B#£B:W!Nc'8jK&I&S;©&fl£

# l c t t 5 f c©i l ,T f lX! )» -5 a « H , t©c£j&*. £?Lti:lid#«fc!>#£?LttHf*©RJS

3 f f i ) B l l r * t t l i e L t ^ « l f t T f * 5 .

#^7Ltt@#©JsLJE;Ji. *>£*&© 3 j & £ l c # & - e # s .

S/csb. Hf t t f t ^& ' t f r a^LTi . ^ fc© 021 fc. r a ^ i ^ i K S I ^ x ^ j i ^ - 5 )

(2) Bttfi^FSIte-jeicfiifctt. @*^BR«! l*fc{ iK»©ISA**RiSa®^^lcas fe©

(3) Krcsiiii^Tisi^ti^o^Sf^s^sfcto. atta^sa^b-r s *>© ua». r^is^

WVffiL=?-WM*f** CFig.4.1(1)3 « , SiHRJSotfTffefcfcSUfitt *>©"?*&. &©ffil§

A ( g ) + b B U ) — c C ( g )

t©S©RJS©0!Mi. K * . 5K©*R*fc*fcli#x<fb; B # © # * £ « ¥ : -eoflb-gl5©fSm

fifiJ¥igJc:&tfS'fb3*KJS. R f c # x 4 s J : t f £ j £ # * © # * # ^ r t 4 & K S f « i . Sr t : l i*©dS#

sfcKJfr&iRtS*?';!/ CFig.4.1(2)3 l±, &S©K<fb*iH5GKJE: fi£E©*S£; ^ K - f b ^ J ©

&m*£i?. <P> J* tMbS** «*#?&&7* n •**-*?£& ft. ^ © f t f ^ ^ T ? S $ n 5 o f / c . 5 0 C © ^

- 2 5 -

JAERI-M 90-075

づいて整理している例がしばしば見られる。

多くの国体粒子は.当初若干の細孔を有しているため，単純な非多孔性固体の毛デJレが適用

できない場合がある。

多孔性国体の不均一反応は一般に以下の諸過程を経て進行すると考えられる。

(1) 反応ガスのガス境膜内物質移動

(2) 反応ガスの固体粒子細孔内の拡散

(31 反応ガスの吸器および生成tlスの離散を含む固体表面での化学反応

(羽 生成ガスの国体粒子細孔内の拡散

(5) 生成ガスのガス境膜内物質移動

非多孔性国体同様.多孔性固体の場合も反応、を理解するためには.その律速段階を把握して

おく乙とが卓安となる。多孔性i封体心場合.jiス場牒内物質接助に加え，多孔性国体内心 jiス

拡散が総括反応速度，見かけの活性化エネ Jレギおよび見かけの反応次数iζ大きく影響すると考

えられる。

4.1. 1 非多孔性国体の気回反応

本項では.反応固体が非多孔性で.気体一団体または固体一国体の 2相聞の明瞭な界面で反

応が進行する場合について考える。

非多孔性固体の反応の特徴は，化学反応とガス境膜内物質移動の段階が連続していることで

ある。また.化学反応が国体粒子の表面で進行するため，国体表面が常iζ物質移動式の境界条

件になるものとして取り扱うことができる。乙の ζ とが，多孔性国体より非多孔性固体の反応

速度解析を簡単にしている理由である。

非多孔性固体の反応は.およそ次の 3形式に分類できる。

(1) 生成物がガス状であるか，もしくは固体状であっても生成後直ちに団体表面より剥離す

るため，固体粒子径が誠少していくもの(以後. r国体粒子収縮モデル」という〉

(2) 国体位子径は一定i乙保たれ.固体生成物または灰分の層が未反応核の外周 i乙残るもの

〈以後， r未反応核収縮モデル」という)

(3) 反応fiIj後で出体松子の体績が異なるため.凪体粒子径が変化するもの(以後， r焼結殻

形成モデルJという)

固体粒子収縮モデル(Fig. 4. 1 (1))は，気回反応の中でも最も単純なものであり.次の量論

式で表される。

A (g) +bB ts)→ c C (g)

乙の種の反応の例は.炭素，石炭の燃焼またはガス化;固体のガス分解;その他一部の電気

化学工業などの化学および冶金プロセスで見られる。団体粒子収縮モデルの場合.総括反応速

度は界面iとおげる化学反応.反応ガスおよび生成ガスのガス境膜内物質移動，またはその両者

により律速される。

未反応核収縮モデル(Fig. 4. 1 (2)) は，金属の酸化・還元反応;拡石の熔焼;金属化合物の

分解など.やはり化学および冶金プロセスで見られ，次の量論式で表される。また，石灰の生

-25-

JAERI-M 90-075

A ( g ) + b B Cs ) — c C ( g ) + d D ( s )

*R««EJR»*f*^©« . mfc-MftfflvwmteRm. -B^&X.St&K&tft£&#&.&.

q^±f? ih i J -£T^ - ? A©iHbKJ[S©«fc-3ic. B#£js£®g#&s&&<>:ttSK;S{±e:©

&&. *fc<i-e©tfi#KJ:0**j£$ftS. ^ ^ J S M i f ^ T ^ j c i f c ^ T t i . Hffi&#T©RJS -ei4SU*£dtfeJ8j&*&fe3-Sfca&. KJS#xfc.fctf£fifc#;*©@flc&iiSWIrt©W3»&tfc&».

[Fig.4.1(3)3 T?*9. C O ^ i L t l i . * * K J : S » f t - v f r ^ © i g 7 C # W & i ' l S . *MS SJ&fiR^TOi/lcfcttSKJSilKM:. *SfE^JKH^7-vi/©fe©{cfgIE^jQ^^Cilc=fc!9a?< t i t f T f ^ S * * . W^*Sfcft»*R^I*Plli:@l#feJ$'aHrt©tfcH©HftiLr^-i-lcfia«l *S8*t&©S»a«ra:£L-c^tt^;fc«>, HI£M!l£©5£&tf]-gc£jl5 leg * « .

*©pfi#©&Kiagj&*igga£tts«£ico^T©KffiaffiS£$<. (i) it*£Ri&i>tftm®LmtK&tk&

A©^^i§ffii U W t l t J .

Rs = k CCAsn- (CCS^/KE)] (4.1)

ccx, R.i±&mM&mfti&&BC!>mtfL#m. # & ^ i i « i i c o ^ T f B j i $ n * » # B S » A © ^ M Cmoi]), k ' i i a H S » , K E ( i ¥ ^ ^ ^ . cAI*»«tc;cc,ii-t*i€'nii(*35ffiic*jy-5

*$R#fiR£©»ffi(i£##*»ffilc^L^±#*.&ft<S©-i?. CAS=CA0. CCs = C C o i S t 5 o - # . »(*B!c»A©Rl£i:affili®#fiK»B®«^asffilc^L^t#xe>ti«©T?. &5S#J£

bRs = - p sdr c / d t (4. 2)

CC-e. i» ,{ i@tt j££B©*;HB£. r c J i@^*®lcS i I t t f f i « l t t l l c* j« -SE»Tf*S .

«±©2a*«i^7c©^T?Ka^*i»:S;**f#6*ia.

- 2 6 -

jAERI-M 90-075

成および灰分を多く含む石炭の燃焼もこの種の反応iこ含まれる。

A(g)+bB(s)→ cC(g)+dD(s)

未反応接収縮モデルの場合.国体一国体閣の明瞭な界面.言い換えると未反応核と固体生成

物盾との聞の狭い領域で反応が進行する。従って，反応が完結するためには反応ガスが団体生

成物層内を浸透していかなければならない。すなわち，酸化皮膜が一定厚になるとその成長が

事実上停止するアルミニウムの酸化反応のように，国体生成物層が保護皮膜となる反応は乙の

限りでない。

未反応核収縮モデルでの反応過程は界面での化学反応.反応、万スおよび生成ガスの国体生成

物層内拡散と乙れらガスのガス境膜内物質移動より成る。総括反応速度は化学反応速度.拡散

.iA此.またはそ心両者により律雄主きれる。禾反応核収縮モテソレにおいても.高温条件下の反応

では国体生成物層が焼結するため.反応ガスおよび生成ガスの固体生成物層内の有効拡散係数.

ひいては総括反応速度に影響をおよぼすことが考えられる。この場合が焼結殻形成モデル

( Fig. 4. 1 (3)) であり.この例としては.水素による酸化ニッケルの還元が挙げられる。焼結

殻形成モデルにおける反応速度は.未反応核収縮モデノレのものに修正を加える乙とにより導く

ことができるが.有効拡散係数を反応時間と固体生成物層内の位置の関数として表すに足る焼

結機構の理論が確立していないため，実験結果との定性的一致を見るに留まる。

以上述べた 3つの反応形式につき.それぞれ反応速度式を導くことは可能であるが，本研究

で取り扱うイオン交換樹脂の流動層燃焼においては.その反応過程が未反応核収縮モデJレもし

くは焼結殻形成モデJレi乙従うとは考えにくい。従って.乙乙では固体粒子収縮モデルについて.

まず化学反応.次iζ ガス境膜内物質移動がそれぞれ律速段階となる場合について考え，さらに

その両者の速度過程が同程度となる場合についての反応速度式を導く。

(1) 化学反応が律速段階となる場合

化学反応が律速段階となる場合には.総括反応速度は国体表面での化学反応による気体成分

Aの減少速度として次式で表せる。

Rs = k (CASn一 (CCSm/KE)) ( 4. 1 )

ここで Rsは反応速度(固体成分Bの単位時間，単位表面積について消費される気体成分Aの

物質盈 (molJ)， k・は適度定数， KEは平衡定数，C Asおよび Ccsはそれぞれ固体表面における

反応ガスと生成ガスの濃度である。乙乙で，総括反応速度が化学反応により律速されるため.

ガス境膜内物質移動による抵抗は無視できるものと仮定する。本条件下では.国体表面におけ

る気体成分の濃度は全体ガス濃度l乙等しいと考えられるので，CAS= CAO・Ccs= Ccoと表せる。

一方，気体成分Aの反応速度は固体成分 Bの減少法度i乙等しいと考えられるので，次式が成

立する。

b Rs =一 ρsdrc/dt (4.2)

乙乙で Psは固体成分Bのモル密度 rcは闇体表面 l乙垂直な座標軸における距離である。

以上の 2式を無次元の形で整理すると次式が得られる。

一26-

JAERI-M 90-075

d c / d t * = - l ( 4 . 3 )

fcfc'L. £ = C A p / F p V p ) r c ( 4 . 4 )

t * = ( b k / / O s ) ( A p / F p V p ) C C A o n - ( C C o m / K E ) ) t ( 4 . 5 )

c c i ? . Apfe£0'VP l i * t t e t t K J S I I ® H i * & : ? © 8 E a i # S I , F P { £ M . & R £ , ffcic

5£ (4 .3 ) ffl^MfHi

t* = 0. £ = 1 (4 .6 )

•e*5*>&. U $ f f i ^ T S (4 .3 ) ^ g £ t ^ i , R J S B S f i a i H t t t f t ^ & ^ b © ! ^ * * ^

t ' s l , £ = 1 - t*

t * £ 1 . f = 0 (4. 7)

Kff iJc(4±ia«»Ji . RlSff l ia*ISJ&*ftoB«:e^ic*JL.T©*aff ln l | | -e*5A*. ID ft

* tz tt4U£Jgl#© S i ^ ^ f f l U ^ m ^ liRJSJfifia+IlU&fcfiMt-a- 5 f e © i L T f f i t J a - 5 c i * *

:< i - <?Fp (4 .8 )

ftoT. 5£ (4 .7 ) ^ 5 ^ (4 .8 ) l c « A f - S C i l c J ; D . g M H i S J S * o H « ! J * J I 6 n

5 [fcfc'L, 5S; (4 .7 ) ©!& 2 £«*&&•*-*) o

t* = (bk/p s )CC A o n - (Cco m /K E ) ) (Ap/FpV p ) t = l - ( l - X ) l ' F P ( 4 . 9 )

/ » . ( F P V P / A p ) ( l x - ' bk[C A „ n - (Cco m /K E ) )

(2) # x M f l M ^ s & « M K £ t t s i # £ -ffiiitt'fb^KJ&fcM-rssiiiEJ&icfc^-ni. t8ffiK£ji£#iii#SE«fc£##x ataxia©

• 2 7 -

JAERI-M 90-075

dξ/dt*=-1 ( 4. 3 )

ただし. c = (Ap / F p V p) r c ( 4. 4)

t*=(bk/ρs)(Ap/FpVp) (CAOnー (Ccom/Ke))t (4.5)

ここで. ApおよびVpはそれぞれ反応前の国体粒子の表面積と体積 Fpは平仮.長円住，球I乙

対しそれぞれ 1. 2. 3の値を持つ形状因子である。

式(4.3 )の初期条件は

t.=O. ，=1 (4.6)

であるから，乙れを用いて式(4.3 )を積分すると.反応時間と固体粒子径変化の関係が得ら

れる。

t * 三五 1.，1-t*

t.2三 1.， = 0 (4.7)

厳密には上記積分は.反応期間中原形を保つ団体粒子に対してのみ適用可能であるが，細角

または針状以外のほとんどの国体粒子は反応期間中原形を保持するものとして取り扱う乙とが

できる。

なお.反応率Xは次式で与えられる。

λ1 --ep (4.8)

従って.式(4.7 )を式(4. 8) I乙代入することにより，反応時間と反応率の関係が得られ

る〔ただし.式 (4.7)の第 2式は無視する〕

t*=(bk/ρS)(CAQDー (Ccom/KE)) (Ap/ F p V p) t = 1ー (l-X)いfp ( 4. 9 )

乙れより，反応完了時間は次式で表せる。

t x-ps (F p Vp / Ap) X=I - bk (CAQDー (CCOm/K

E))

( 4.10)

化学反応が律速段階となる場合には tX=1は反応前の国体粒子径iζ比例する乙とがわかる。・

(2) ガス境脹内物質移動が律速段階となる場合

迅速な化学反応を呈する気回反応においては.総括反応速度が出体表面と全体ガス流れ聞の

ガス境脹内物質移動により律速される。ガス境膜内物質移動速度は総括反応速度の中での最大

値を取るため.反応装置を設計または操作する上で有効な情報となり得る。

ガス境膜内物質移動が律速段階となる場合には，総括反応速度は次式で表せる。

-27-

JAERI-M 90-075

Ps drc , , „ Ceo \ / Kg N ,.*,•* -T-&r=h°ic*°-K7nTTK;) C 4-n )

CCS. hDJiIS#*£ :JP&1 *"^aEi$. #x&teie«fc!3Bi$5®KS>Ifr0B»T?*.5o

Sh = f ( S c , Re) (4.12)

5C (4.12) ©ffiRHi. # * M * T & r & © & f r l c # ^ H # t f c ^ & # « ^ L T l > < « £ l c H : . m * ffl@^?i-Plc*} LT&SC-c-g-x. & f t3 o

Sh h D r c , D I t a 'Sc 1 , 3 (Reo) 1 ; ( r c / r p ) i r (4.13)

C C f . r p l ± R j S i 3 « 0 @ # S t - ? © * S . Re0 = 2 r p u p f / ^ u , a'ttjeScT?* So 3 , (4.13) S r S

(4.ii) icf AL. ftefc5c©5BT?ss-i-si»:a:**?i&ns.

df/dt + = — ! " ( l + a £ l / 2 ) / £ (4.14)

fc/£L. <f = r c / r p (4.15)

a = a 'Sc" 3 ( R e 0 ) " 2 (4.16)

t + - j ~ ( C A „ ~ ^ f ) ( - ^ - ) t (4.17) ps r p Kg 1 + K E

S (4.14) ©SJjffl&fMJ

t+ = 0, f = 1 (4.18)

•cis^e*. tn*ffli>ts (4.i4) &m#t&£&&#&&n*. t + =-^- ( l - f 3 ' 2 ) -4 ( l - f )+4( l - f " 2 ) -4 - l n (TT : ^> C4.19) 3 a a2 a3 a4 1+af'

a = 0 . - r « ^ ^ # i h « t # + T © H i © # l c o ^ - C J i . St (4.19) J i & S T f ^ t t S .

t* = 1-f2 (4.20)

3; (4.19) fccfcCfS; (4.20) £ t > . ®MReyxiolds&Re0iiiJz£\,^£\ci±Rj&%-Tm&&rPUi

(3) it¥&fo£trxmmMn®m<Dffimmm&:mtuz>m-& KfccomrfltftL. f f c ^ & J S < f c # x & | g r t ® f t £ S i # E g f i © f f i f f i £ t t S J I £ t e W : . ffl#©

4 # x O T r t M l £ j & i t # L ^ £ # ; L b f t 5 o

- ( / O s / b ) ( d r c / d t ) = k(C A sn -Cc s

m /K E ) (4.21)

= hD(CAO-CAS) = hD(Ccs-CCo) (4.22)

- 2 8 -

JAERI-M 90・075

o. dr~ C，，" .. K"，

一二三一:~~ = ho (C AD 一ーよ~) (一一二一)b dt 叩 KE • • 1十KE

( 4.11)

乙乙で. hoは国体桂子径.ガス流速，ガス物性により決まる物質移動係数である。

球または球形とみなし得る 1個の固体粒子，もしくは固定床.流動層内での反応K対しては.

hを以下の相関 iこより求めることができる。

Sh = f (S c. Re) ( 4.12)

式(4.12)の相闘は.ガス流中で反応の進行i乙伴い国体粒子径が減少していく場合には.個

々の固体粒子に対して次式で与えられる。

S h ho I'c〆.D 1 i a'Sじ1'3(Rじ。 )1 ・~(r ， /rp)l: ( 4.13)

ここで fpは反応前の固体粒子の半径. Reo=2rpupf/μ， a'は定数である。式(4.13)を式

( 4.11) I乙代入し.無次元の形で整理すると次式が得られる。

dE/dth-÷(Haff2〉/5

ただし. c-=rc/rp

a = a'Sc υ3 (ReO)1/2

2bD Cco " Ki': 」一一τ(CAO-ー と )(一ー)t

ρs r p・ KE ' ， 1 + Ki':

式(4.14)の初期条件は

t+=O， c=l

であるから.乙れを用いて式(4.14)を積分すると次式が得られる。

( 4.14)

( 4.15)

( 4.16)

( 4.17)

( 4.18)

4 1. 4 . ， 1十at + ==:一一 (1_cJ'り-:2 (1ーと)+ーす (1_c-112)一一 lnE一一一τ) (4.19) 3 a ，~ a2 ，- ~，. a3 ，- a‘上t-ae・1・

a = 0，すなわち静止流体中での 1個の球については.式(4.19)は次式で表せる。

tキニ 1_';2 ( 4.20)

式(4.19)および式(4.20)より，初期 Reynolds数 Reoが大きいときには反応完了時間がfpl・5

1乙比例するのに対し. Reoが小さいときには rp 2 11.:比例する乙とがわかる。

(3J 化学反応とガス境膜内物質移動の両者が律速段階となる場合

反応の進行iζ対し.化学反応とガス境膜内物質移動が同程度の抵抗となる場合には.両者の

寄与を同時に考慮する{イ吋ある。擬定状態を仮定すると，総括反応速度は界面での化学反応

とガス境膜内物質移動に噂しいと考えられる。

一(ρs/b)(drc/dt) =k(CASn一Ccsm/KE) ( 4.21)

= ho (CM ーCAS)= ho (CCs一Cco) ( 4.22)

-28-

JAERI-M 90-075

n = 1 . m = l i L I S (4.21) fccfctfit (4.22) ^ S l t 3 i £ i T ® « t 9 IC#^g-y-5 .

(CM~%g-)= • M , 1h ° , •„ ( C A 0 - ^ ) (4.23)

KE k ( l + l / K E J - i h D KE

Ps d r c __ (CAP — C C Q / K E )

b d t " [( l + l / K E ) / h D ] + l / k

5S (4.24) ^ f t ^ f f l B - e i l t S i f t S ^ i b n S .

df - 1

(4.24)

dt* l + k( l+KE) /(hDKE) ( 4.25)

CCT?. f * J : f f t , | U n f t i S ( 4 . 4 ) £ 3 (4.5 ) T fE&L£&&:£»-*?**-

M S M ^ I C ^ t L T I i . hD*S(4.13) K i D t t o , &5&*&< C£**T?§S .

d tVd£ = - [ l + 2 a 2 e / ( l + a f " 2 ) J (4.26)

55 (4.26) ©|0»|gfefMi

t* = 0. f = 1 (4.27)

•C*5*»&. c n * f f l l > t S (4.26) * » » - r 5 i & S * * ? i £ t l S .

t* = ( l - £ ) + Oo2q(£) (4.28)

/ ; / i 'L , a 02 =kr P ( 1 + 1 / K E ) / 2 D (4.29)

t f c . q (e) l i s (4.19) o s a - e * ^ o

s (4.28) * o . tttof icf tsa-eosjSBSligi i . ft^s^©***^jsa:Pif<ttti3l^iie

fctt-S2-e©&JSl$Pi8 ( S ( 4 7 ) ) i , # * 8 l f c f l & a » ! W © * # & » a i l f £ t t t ) E t e i c

te*£T?©SJSB!FfB W (4.19) ) i o f D J c t t s c i ^ * > 5 . t t u i . 1&©&®KJS©£

4.1.2 £ftttHft£®SiBKJ&

M T ( i , ^^?Lt t l ld(*:©aaR^Slco^T-ia i0Si£ai8ff l f f laKl«*W&*>lcLA:. #

ig-z?ii. 2L©»t««:^?Ltt@(il£©S;SlcJi£Si^SC. i i - T « .

£*Ltt@fl:©iil@KJS©£< {iifc&T-MSo A ( g ) + b B (s )-» #*tt£fiR4&

- 2 9 -

]AERI-M 90・075

以上の式より未知数CcsおよびCAS を求め整理すると.総括反応速度を固体位子径の蛮化の関

数として表すことができる。ここで.単純な 1次反応について上式を解く乙ととする。

n=l. rn=lとして式(4.21)および式(4.22)を整理すると以下のように書き表せる。

仁Cs ， ho Cco (C AS ーニ~~ ) = ， (CA日一二とと)

KE' k (1 + 1 / KE )十 ho ，-... KE ( 4.23)

従って，総括反応速度は CAOおよびCcoの関数として次式で表せる。

ρS drc (C，¥O一CCO/KEJ

b dt ((1十l/KE)/hロ〕十 l/k( 4.24)

式(4.24)を無次元の形で整理すると次式が得られる。

dc l

d t* -- 1十k(1 +KE)/(hoKE) ( 4.25)

乙乙で.cおよび t噂はそれぞれ式(4. 4 )と式(4. 5 )で定義した無次元数である。

球形固体粒子iζ対しては. hoを式(4.13)により求め.次式を導くことができる。

dt* /d ξ =ー C1 + 2a2と，/(1 + aC"1/2)J ( 4.26)

式(4.26) の初期条件は

t* = O. c = 1 ( 4.27 J

であるから.乙れを用いて式(4.26)を積分すると次式が得られる。

ゾ=(1-0十 a02q (と〉 ( 4.28)

ただし. ao2=-=krp(1十 l/KE) ，/ 2 D ( 4.29)

また. q (.;)は式 (4.19)の右辺である。

式(4.28)より，任意のとになるまでの反応時間は.化学反応のみが律速段階となり同じと

になるまでの反応時間〔式(4. 7) )と.ガス境膜内物質移動のみが律速段階となり閉じとに

なるまでの反応時間〔式 (4.19)Jとの和になる乙とがわかる。乙れは 1次の気回反応の全

てに適用できる重要な性質である。

また a02が小さし、(すなわち.化学反応の抵抗が拡散抵抗より大きい)ときには化学反応律

速として取り批うことができ a02が大きいときには拡散律速として取り扱う乙とができる。

4. 1. 2 多孔怯国体の気固反応

前項では.非多孔性国体の気回反応について一連の反応段階の相互関係を明らかにした。本

項では.この議論を多孔性固体の反応i乙拡張する乙ととする。

多孔性固体の気固反応の多くは次式で表せる。

A(g) +bB(s)→ガス状生成物

ー29-

JAERI-M 90-075

0 2 + 2 C - * 2 C O

4 CO + Ni —Ni (CO)4

£7Ltt@#©KJS©J§^. &j&#x©£?LttBi{*rt©!i£ffcj&*. fc-5-o©ai8£L-cffii*>So fE^T . KiCJ4Fig.4.2lcS-r«fc-3K. 3 o©±gftg;|SgJt#tf- £ f t £ . Wicke19' fc£tf

Walker £>20) it. ^7Ltt©K*0«S«§*i ±^3!f ^-fbK^T LT C O » S * 3 f f l L T ^ 5 .

- e 3 E # l £ # x ^ M L , ®#r tW©£EJSEi»A*—J£*K©;!fxfcS&S*iS. C f f l l l O g

s . &^r . ccsino&iB-irii. «6ffiRisas**jfcsiK^?Ltt@#rt©xr^ffi:S!i[igKEj:»j

JEa*iitf;fca&. M r t g t f t - e t f x M: i t fife Lt t i>. t©Si]lI©KP8"eW:. #xt iJB£ft$l«lfr l£

tzA, Ji>tf-©Sttfl::t*;i/*W:/J\$ < tt«o C©^|5gl?{i, KjS©£-C-j&*@#£ig-e2lt?ff

SfcJ6. ^JLttSttOrtffiH:. *£ jS©**KJS;M»f i r f S .

(1) Htttfc^olfflTLtffcrt L t ^ < * ^ ( I I © S B )

SS I ©JUfcl£:tettS£?Ltt@#©KJ64S&i'Ji-rs*7';i/© 1 o i LT , 5US©ii*Tic#^0

# I S ^ * * « ^ L . a E l ^ ' E ^ L t l ^ PetersonZ 2 ,©*rOu^^y'b*lSo * c * ? t t . lift:*!

c ©i&£, £ 7 L t £ g l # © M M ^ fc t) ©KJSi8£lifc5£-e-5*. 6 t i 5 .

O s S v / b ) d r / d t = ( / j . /b) d e / d t C4.30)

C t - e . S»(i^?LttiH*©^tei*:®^fcl5©lffl?Lo3EiB«. r Ji t t l?L©^g, e ttffiK*.

i° s l ifffl?L£l&<Ogft©K©*^K. blifia&flHRT&So

* (4.30) «fct)&©B8^**«*>n*.

S v = d £ / d r (4.31)

* fc . *B7L©¥S©I^KWSllSfttt»CST?^*a.

- 3 0 -

JAERI-M 90-075

乙の種の反応の例としては.次の化学反応式で表される炭素または黒鉛の燃焼，カルボニJレ

の生成などが挙げられる。

O2 + 2 C → 2CO

4 CO+Ni→ N i (C 0).

ここで，固体成分 Bは純枠な物質で完全にガス化し，固体状強誼の生成は無視できるものと

仮定する。なお.反応により.固体状残誼が生成される場合(例えば.灰分の多い石炭の燃焼

など)についての議論は.省略する。

前項では，非多孔性国体の反応過程は.両段階が影響し合う中間段階を含め.化学反応およ

びガス境肢内物質移動が律速する場合の二段階iこ分けられる乙とを不した。

多孔性固体の反応の場合，反応ガスの多孔性国体内の拡散が.もう一つの段階として加わる。

従って.反応は Fig.4.2Iζ示すように 3つの主要な段階K分けられる。 Wicke19)および

Walkerら20)は.多孔性の炭素の燃焼およびガス化に対して乙の分類を適用している。

低温度領域では.反応速度が多孔位国体内のガス拡散速度i乙比較して遅いので.国体内部ま

で充分iζガスが拡散し，固体内部の全反応面積が一定濃度のガスにさらされる。乙の第 Iの段

階では，化学反応により総括反応速度が律速される。

中間温度領域では.反応速度が次第に上昇するため，固体内部i乙ガスの濃度分布が形成され

る。従って.乙の第 Eの段階では，総括反応速度が次第i乙多孔性固体内のガス拡散速度lζ より

律速されるようになる。

高温度領域では.反応速度が極めて大きくなり，反応ガスが固体表面に接触すると直ちに反

応が進むため，国体内部までガスは拡散しない。乙の第Eの段階では.ガス境膜内物質移動i乙

より総括反応速度が律速される。131 ガス境膜内物質移動は温度変化の影響をほとんど受けない

ため.見かけの活性化エネルギは小さくなる。乙の段階では.反応の全てが固体表面で進行す

るため，多孔性固体の内部は.未反応のまま反応が進行する。

ここでは，多孔性国体の以上 3つの段階について反応速度式を導く。

(1) 国体粒子の細孔が拡大していく場合(第 Iの段階)

第 Iの段階における多孔位固体の反応を説明するモデルの lっとして，反応の進行に伴い国

体成分が減少し，細孔径が拡大していく Peterson聞のモデルが挙げられる。そ ζ では.固体粒

子が不規則 iζ交差する同一径の円筒状細孔を有すると仮定している。

この場合，多孔性国体の単位体積当たりの反応速度は次式で与えられる。

(ρsSv/b)dr/dt=(ρs/ b) d ε/dt (4.30)

乙乙で Svは多孔位固体の単位体積当たりの細孔の表面積 rは細孔の半径.ε は空隙率.

Psは細孔を除く国体の真のモ Jレ密度 bは量論係数である。

式(4.30) より次の関係が導かれる。

Sv= d ε/dr ( 4.30

また，細孔の半径の時間的変化は次式で表せる。

-30-

JAERI-M 90-075

d r / d t - - ( b k / p s ) CAn (4.32)

A (4.30) £ | ?< *:J6IC(£, S v i r © B g & £ & S & S # * S « CCT?. £?LttB(fr&*Fig.4.3

tttfc^fl-e^-ttii. !D?L0^S{±isnJ«iir,^&r*T--«ici8an-rs. l & r a a f c Q o *ffl*L©&gLttfflft©£jSffiffiltt©fn£LT&£T*#So

L= ab + bc-fcd l-de +••• ( 4.33)

Sv-=2.-rCL-ri!;(l/sin0i)3-r : !i; /9 (0,) (4.34) 1 = 1 i = i

CcTJ, n(±itf tf tma/cf)©fffi7l©£M-e;&£o 3t (4.34) ©£f23g 2 *l (i M O [$ • 35

fflSf leffiS L. /? (0i) <}*ffl?L©S:M£j 0t lc«fc & jg* 5 SSi * § © £ & £ * > • # 4 J&tt&&7?& 3 .

SrfcK*IH?L©a&j&*££tt^£<R£-rS£:, i d / s i n * , ) *J«ktf L^Ui) l i M i t S I * i - i I M

t i -yic-3&—JStttf?. A (4.34) {i&5$©J;9lt@£:g-££o

S v - - 2 ^ r L - K r 2 (4.35)

rcT-, Kii^ffi#safcf3©aB?La*iJ:a f«B?L©«Sflic«t«9 5 e * s s s [ T ? * - 5 .

S (4.31) 4 S : (4.3b) I t f t A U «tfJ-a-S£&5£#i#&ft.S.

£ ^ s L r ! - ( K / 3 J r ' (4.36)

UJH-FL©#& r - r , O i S , SBfi^« = «.-T?*«*»5.

£0 ;rLr0 — ( K /3 ) r0 G— 1

*:/£ L. C = r / r 0 (4.38)

G ^ 3 ^ L / K r 0 (4.39)

- t lEG©{B£#5fcto . e = 0 * > 6 e = 1 ©|BB8T£ (4.37) J&*fi»2:1-« t>® i f f i / S * * • £ (4.31) i x t (4.37) i O & ^ l b t l S .

Sv - - d e / r . d C = (e„ /r„) (2 G-3f ) f / ( G - 1) (4.40)

CCT?, e - l O t ^ S v - O i ^ S O T '

Cl . - i=- |"G (4.41)

£ (4.41) £ £ (4.37) i C f U L t i a t S i f t ^ l l b f t S .

- 3 1 -

jAERI-M 90・075

d r /d tょ(bk /ρs) CAn ( 4.32)

ここで kは反応速度定数 CAは反応ilス濃度である。

式(4.30) を解くためには S.とrの関係を得る必要がある。乙乙で，多孔性国体がFig.4.3

iζ示すような交差する円筒状細孔を有する理想状態にあるものと仮定する。反応、ガス濃度が固

体粒子内で均一なとき.細孔の半径は初期値 r0 tJ>らrまで一様に増加する。単位体積当たりの

細孔の全長Lは細孔の交点悶距離の和として次式で表せる。

L = ab十 bc.ト cdトde十… ( 4.33)

従って.細孔がー誌に拡大していく f見合には.半径 rの滑らかな細孔の去面積は次式で去せる。

Sv二 2xr〔L-rLI(1/Sinφi))ー rzu(φ1) ( 4.34)

ここで nは単位体積当たりの細孔の交点数である。式(4.34)の右辺第 2項は細孔の関口部

面積に相当し .fJ (φJは細孔の交差角ゆiにより定まる第 i番目の交点における形状係数である。

新た叫孔の交点が生じないと仮定すると，合(1/山φi)およひ之内i)は対象とする国体

粒子につき一定となり.式(4.34)は次式のように書き表せる。

Sv":: 2πr L -K r2 ( 4.35)

ζ こで Kは単位体積当たりの細孔数および細孔の交差角により定まる定数である。

式(4.31) を式 (4.3b)，と代入し.積分すると次式が得られる。

ε士 πLr 2 -- (K / 3) r3 ( 4.36)

細孔の半径 r=--roのとき.空隙率ε=ε。であるから

πL r2ー (K/3)r3 _? ， G-( 一一=一一一一司信一'一一τ=(2 (一一一一)ε。 πLr02ー (K/3)r03 .. 'G-1

( 4.37)

ただ‘し( r / fo ( 4.38)

G=3πL/Kro ( 4.39)

上記Gの値を得るため.ε=0から εご 1の範囲で式(4.37)が成立するものと仮定する。式

( 4.31)と式(4.37) より次式が得られる。

Sv =.do/rod( = (ε。/ro)(2G-30(/(Gー1)

乙こで e -. 1のとき Sv→ oとなるので

， I'~I =会G

式(4.41)を式 (4.37) Iζ代入して整理すると次式が得られる。

-31-

( 4.40)

( 4.41)

JAERI-M 90-075

( 4 / 2 7 ) £ „ G 3 - G + l = 0 (4.42)

5$ (4.30) . 5$ (4.32) *>£{>'5S; (4.40) IC± «? H i f c t i ^ O g & f t S S f c * ) 0 R J E i $ f f i * & a

k S v C A n - k ( 5 o / r „ ) C ( 2 G - 3 c ) C / ( G - l ) ] C An (4.43)

10 K l i . S (4.43) i & J S # * © f t i f c l C j : 3 & K i £ I & 5 t £ * ^ - C 3 f t f c 5 i : £ # T ? £ 5 .

ccT-. it^RJB^misaK-ittasjeias-tra. it (4.43) ©cA{±#*Lttia#rt£#ie.

*5< .>Tf i r {C-S£* t t t f<So S o t , S (4.32) £ M i - £ c < b l C c f c D & 5 W # t > t l . 5 o

C = r / r 0 = l + t / r c (4.44)

/ ; / : L , r c = r D / ) s / b k C An (4.45)

X = ( e - « 0 ) / ( 1 - e 0 ) (4.46)

^ O T . a (4.37) t a (4.44) «ki)R^^H£RjS¥©w&j&*ftf.na.

X - - ~ ^ — C C 2 ( - p ^ - ) - l ] ( 1 —£0J G— 1

= 7 ~ — T t ( l + - ) 2 ( - ~ : ^ - ^ ^ ) - 1 3 (4.47) ( 1 - e0) rc G — 1

tztzL. ^ (4.47) oa f f l tS f f l J i !8 f iS iS jSf f i*<f t^RJBT#JSSn . ® & * £ ^ r t © R J & # x

PetersonZ 2 )fcW&LTfct) . * f c , Hashimoto i Silveston23>lc «t -> T fc$f&£ tlX^6 o

Peterson ©^rVHCfct tSff igt ft ^ { ± . ^ a t t @ # * * l ^ - S © r a ® t t « B ? L * W ^ « i Lfc

tK(±£^£ S t ? * So $ b l c * ^ x ^ T - { 4 , R&©i t?Tfc#^ . RSI"rS8a?Lr?l±*»^{*U» J t i f e t a L T l ^ i ^ . l o t . S (4.37) {±e = 0*>t> e = 1 ©tSffl-efifci: L tt < tt* RJ

L ^ L . P e t e r s o n 2 2 , ( i * * T - ' ^ ^ i : i ? ^ ^ ^ c f . - e o ^ ? L t t l S I & a o S J S J c i i | f f l L, & ^ — &

- 3 2 -

JAERI -M 90-075

( 4 / 27) e 0 G3 - G十 1:::: 0 ( 4.42)

乙れより Gはε。の関数となり.上記 3次式を解く乙とにより求まる。乙うして求めたGを用い.

式 (4.30) .式(4.32)および式(4.40)により国体粒子の単位体積当たりの反応速度を次式

で求めることができる。

kSVCAn=k(ε。/ro)((2 G-3 O'/(G-l)) CAn ( 4.43)

仮 iζ.初期反応速度のみを求めたいとき(初期反応述度より反応速度定数を定める場合が多

い)には，式(4.43) と反応ガスの拡散による物質移動式とを用いて求める乙とができる。

ここで，化学反応が怜述段階となる反応過程では，式(4.43) 心 CAは多孔位出体内全域に

おいて常に一定とみなせる。従って，式 (4.32)を積分する乙とにより次式が得られる。

" = r / ro .:= 1 + t /.c ( 4.44)

ただし， cご roρs/bkCAn ( 4.45)

自体粒子の反応率は次式で与えられる。

x = (ε-eo)/(l-eo) ，( 4.46)

従って.式(4.37) と式(4.44)より反応時間と反応率の関係が得られる。

G-， x=一二一一 [ ，， 2 (一一一一)ー 1) (1-ε。) " 'G-1

t..，G-lー (t/TC)=一二L ー[(1+ー )2(一一一一一一〉ー 1)

( 1 -Eo) ~，- • Tc ' Gー 1( 4.47)

ただし.式(4.47)の適用範囲は総括反応速度が化学反応で律速され.国体粒子内の反応ガス

濃度が均ーとみなせる場合i乙限られる。反応速度が迅速となり.拡散による物質移動が闘体粒

子内の反応ガス濃度を均ーに保持できなくなったときには細孔内拡散が重要な過程となる。本

条件下では国体粒子内の拡散による物質移動の項を考慮する必要がある。乙れについては

Peterson 22)も言及しており，また. HashimotoとSilveston23)によっても研究されている。

Petersonのモデルにおける重要な仮定は.多孔性国体が同ー径の円筒状細孔を有するとした

乙とであるか，実際の多孔性国体は微粒子が堅固に結合したものが多く.その細孔径および形

状はまちまちである。さらに本モデルでは，反応の進行iζ伴い.隣接する細孔同士が合体じ得

るζ とも考慮していない。従って.式(4.37)はξ=0から ε=1の範囲で成立しなくなる可

能性を秘めている。

しかし. Peterson22)は本モデルを二酸化炭素中での多孔性黒鉛柱の反応に適用し，良い一致

を得ている。また，本モデルは反応の進行iζ伴い.単位体積当たりの表面積が増加し.極大値

を取った後減少する実際の反応状況を模擬しているため有効である。

-32-

JAERI-M 90-075

(2) B ^ a ^ o a a i B - c R j c ^ j i ^ T - r s f c t o t t - f s ^ i s ^ L T t ^ a ^

la) &EJir t^©¥isw8&&iJ[f l i» i±—JET?**). J t ^®«©«E^**a f f lT?#« feo i - r

DeV2CA-kSvCA"-0 (4.48)

c c f , De l i£ftt tBl#rt®&JS#x©W&S£ffc&»Tf*«5.

K I ® * B f c ^ T { i ¥ « ^ * t t L T l K * ) f t ? £ £ # • * ? # 5 . C © J i £ , SC (4.48) (i&S;©<fc ? ic

D ed 2CA /dx 2 -kS vCAn = 0 (4.49)

5£ (4.49) ©«#&fMi&S"T?^X.& f t4 .

x = 0 ( H f t t ^ P f l ^ E ) . C A =C A S (4.50)

x - » ° ° , CA = d C A / d x = 0 (4.51)

*>5£?Lt tE I#©t4*&l i&f f i f f i «©JP* lc J f cL . « S K * i * f c f c S £ G £ J £ L T ^ . 5 . c*i{±.

^ ? L t t E d # © # 8 ! V p * i « f c a f ^ ^ i S 8 t A p T S * n * T h i e l e »**i fc©W#£S5Je*-* £ # KJifiR

T h s ^ C ( J l ^ ) J l S ^ r 2 > 3 ( 4 . 5 2 )

tto-r. a; (4.49) te&^Ock 5ieHf#&g-50

dCA , 2 kSv - < ~ T - r - F r C A n + ' ) " ' 2 (4.53)

d x n + 1 De

R s = - D e ( 4 ^ - ) = ( -~-kSvD c ) " 2 C A S( n + l " 2 (4.54)

d x n + 1

•33 -

JAERI-M 90・075

(21 国体粒子の表面層で反応が進行するため粒子径が減少していく場合

(第 Eおよび第Eの段階)

反応速度が迅速になると，反応ガスが出体位子内 i乙深く浸透できなくなるため.反応は主i乙

外表面層で進行し.固体粒子はFig.4.4Iζ示すようにその内部がほとんど未反応のまま全体粒

子径を減じていく。乙の反応過程を定量的 iζ解析するため，反応過程が類似した均一触媒反応

の概念を取り入れることとする。ここで.以下の仮定をおく。

(a) 表面層内での平均有効拡散係数は一定であり.比表面積の概念が適用できるものとす

る。

(bl 固体粒子径が誠少しでも反応領域の形状は一定iζ保たれるものとする。

これにより，多孔性間体内の物質収支は不可逆反応に対して次式で与えられる。

De¥72CA -kSVcAn エ O ( 4.48)

ここで Dcは多孔性闘体内の反応ガスの有効拡散係数である。

反応が主l乙外表面層で進行する場合lとは.面体粒子形状は重要な白子ではなく.反応の最終

段階を除いては平板とみなして取り扱うことができる。乙の場合，式(4.48)は次式のように

書き表せる。

Dc d2CA/ dx2-k Sv CAn = 0 ( 4.49)

乙こで xは外表面i乙垂直な座標軸における距離である。

式(4.49)の境界条件は次式で与えられる。

x == 0 (固体粒子外表面). CA = CAS ( 4.50)

x→∞ . CA = dCA/dx= 0 ( 4.51)

第 2の境界条件は反応ガスの濃度が多孔性固体内部i乙向かうある点において零になる.すな

わち多孔性国体の粧子径は反応領域の厚みに比し.無限大とみなせると仮定している。乙れは.

多孔性闘体の体積 Vpおよび外表面積Apで表される Thiele数が次の関係を満足するときには成

立するとみなせる。21)

Vn"n+l ，k只VCA.n-1Th=7 ((一一一一)一.-.-". )1/2> 3 Ap "2 De

( 4.52)

従って.式(4.49) は次式のように書き表せる。

dC 2 kSv _ _. .，.均一ームェー(一一一一ー一一一 cAn+I)U2dx 、 n十 1 Dc

( 4.53)

また，単位外表面積当たりの総括反応速度は次式で与えられる。

dCA， 2 Rs =-Dc (マーこ)= (一一-:-k Sv Dc)"2CAstn叫"2 ---dx' n十 l 恥 n・

( 4.54)

na nd

JAERI-M 90-075

SC C4.54) «fct)RiSSffi{i CkDe)1/2lcit^JL. W&&ft«»©ffi&fe#«-#/h3 ^ S & i c

O S B & f t f e n * ^ (n + 1 ) / 2 I c / i S o

(bkCA sn /p s ) (Ap^ FPVP) t — 1 — C1 - X ) ' Fp 14.55)

k '= (—7-r-kSvD.)"2 (4.56) n+ 1

m@KJJ>KR]-rS«©ffl^T-(±. ^?Ltt. #£?Ltt*K&J tJ-f«c WD fit oTl^ «&©**£

fc*fOHcay£fg;&*£iScLT^T*>. g©&JS&ffi5£*fe£*$tt^£<!:fc*S. *fc. I © S

iESiffi^SO^fc&fcSt (4.54) ©£&£*& 3 ££&-?# 3 **". 1 &fiWDKJE"eiiE.JS&

- # . £BS$###lc/h*l .^. fe L < {iffifcTffl&/i:KJS©#£rci±IS#fl^ET?©EJE

*5' l l ic«- , t<5oM | ^©i#£. S^^Sffio^ffiMffiafcOoSSRlSaffittS (4.54)

Rs = (—|-rkSvD«) , ,*Cj"* ,"2 + kfCA,n (4.57) n +1

ijfe©^araas«;iE:**LTii. s; (4.24) j±&5£T?«*^^. i j®£ra&©s®ii*a*nrt&

_ ^ ^ I S = ?A. ( 4 5 g )

b ^ C(-XTkSvDe)"2+kf]-' + -^ n+ 1 hD

5^(4.58) (±ssn4.*«fccxigni©piiH:PS*5£L-c^So h D » k , -r ttft-^M-eoMi;

I&iMSBi$tt££{±. S (4.58) l i » : S T l t ^ .

- 3 4 -

jAERI-M 90-075

なお.無限平坂.長円柱.球についても上式は成立する。20)

一般に反応領域における単位体積当たりの表面積 Svは.反応の進行iζ伴い国体成分が消費さ

れることにより初期値とは呉なってくるが.全体粒子径が減少する場合には.この値は一定と

みなせる。

式(4.54) より反応速度は CkDe)1/21ζ比例し.有効拡散係数の温度依存性が小さい場合に

は.見かけの活性化エネルギは真の活性化エネルギの半分になる乙とがわかる。また.見かけ

の反応次数も nから(n + 1 )/2 Iとなる。

~n IIの段階.すなわち拡散抵抗が大きいときには多孔性闘体の反応は非多孔性国体について

たてた式l乙等しくなる。前項では.ガス境膜内物質移動の影響がない場合の非多孔性国体のk

応に対して次式を得ている。

C!JkCAS"/μ5) (.Ap/ FpVp) t-l--(l...X)I-FP ( 4.55)

多孔性国体についても上記 kを次式で定義される k'に.また CASnをCAS("+1)/2 I乙霞き換え

ることにより同様にして求める乙とができる。

k'= (一三-;-kSvDc)1/2 n十 1

( 4.56)

気回反応に閲する従来の研究では.多孔性，非多孔性を区別せずに取り扱っているものが多

い。乙れは上記のように，ある条件下では多孔性国体の総括反応速度も非多孔性国体iζ対して

導いた式を用いて整理する乙とができるからである。しかし.一見非多孔性出体i乙対してたて

たモデルi乙測定値が合致していても，真の反応述度定数を示さない乙ともある。また.真の反

応速度定数のかわりに式(4.54) の右辺を求めることもできるが 1次以外の反応では反応次

数も変わる。

一方.空隙率が非常i乙小さいか.もしくは極めて迅速な反応の場合Iとは固体外表面での反応

が重要になってくる P その場合.国体外表面の単位面積当たりの総括反応述度は式(4.54)

を用いて次式で表せる。

Rs=(-2-kSvDJUZcdn+11F2+k f CJ n十 1

( 4.57)

乙乙で fは真の外表面積lζ対する見かけの投影外表面積の割合で定哉される外表面粗さ係数

である。総括反応速度を計算する際，式(4. 1 )のかわりに上式を用いる乙ともできる。

1次の不可逆反応iζ対しては，式 C4.24)は次式で書き表せ.• ii百項と同様の式の誘導が可能

となる。

ρs drc _ C....

b dt 勿((一二一一 kSvDe)1/2+kfJ-1+ー

n+l-'-" hD

( 4.58)

式(4.58) は第 Eおよび第Eの両段階を表している。 hD::>> k ，すなわち外表面での物質移

動が迅速なときは，式(4.58) は次式で表せる。

-34-

JAERI-M 90-075

- ( p s / b ) d r c / d t - C { C2/Cn + l))kSvDe}"2 + kf;CAS (4.59)

^ i i c mmjL^vQffimfrst&WKs^m&icit, JC (4.59) ®3S2 3 i t t / h $ < t t 9 , &5S

- 0 » . / b ) d r c / d t = { t2/Cn+l)]kS vD e}" 2CA S (4.60)

cnj±asn©apsic*aa-r*. *fc. m2wm,£temTtt£ztt!icteMmx-m£tat&ji

- # , k » h D f f l < t ^ ( i , S (4.58) (±&5£-e^£-So

- ( / » , / b ) d r c / r t t = hDCAS (4.61)

C*Ui . i t (4.11) t K s - « i Lfc&-&f£^L< . JillllCD&Pglcia^-f So

TI±. M M I 5 £ ( T O m&mm-z&ti^tiib. wm&m^tzwt&m<DiMm&feiZLVtiB(Dffi,

4.2. i ^asj&tc *>•«•st&gsjEiiaofios

A>feSo #x*ffi ir t<&SgSffr©#SJ±. Fig. 4. 5(l)lc^^-«fc-5ic. # ' X B f t i § £ 3 k # H < $ 9 .

- # . *-x±iag^^M^fjcD^^(i, ®a-e&jS£fi::fc€4<:«fcj£cboTfeSMifc-fseta*

H f l t t t * * . ft^KJSie*j«-$StMb**-'i'*'*WLT^.5A:a&. Fig.4. 5 (2)lc^-r«fc -p icffi

& & # T T ( i # x # I K r t ® a i £ I & f f l f & » * i g S * 3 £ £ # " ? # « «

ffi«ti!T?*Srt:toft©**. RffiffiK#MT-&4fc»tt®fr*i!J358{cLT:fc<&g#*<5o

- 3 5 -

]AERI-M 90-075

一(Ps/b)dfc/dtエ ({(2/(n十l))kSvDe}川十 kf)CAS ( 4.59)

さらに，同体桂子の空隙率が比較的大きい場合iとは，式(4.5Y) の第 2項は小さくなり.次式

が適用できる

一(ρs/b) d fc /d t = { (2/ (n + 1)) kSvDe}"2CAs ( 4.60)

これは第 Eの段階iζ相当する。また，第 2項が重要な因子となるときには前項で論じた非多孔

性団体の国体粒子収縮モテソレiζ相当する。

一方. k ~ hoのときは，式(4.58)は次式で表せる。

一 (.0，/ h) d r c / rl t = h口C'¥5 ( 4.61)

これは.式(4.11)でKE→ ω とした場合に等しく.第皿の段階iζ相当する。

4. 2 イオン交換樹脂の総括反応速度評価手法

本章の冒頭でも述べたように，イオン交換樹脂の燃焼による総括反応速度を測定するに際し

ては.熱重量測定 (TG)法が適用できないため.重量を変えた既知量の樹脂を定温状態の流

動層内 lζ投じ，二酸化炭素の発生時間を測定することにより総括反応速度を把握する乙ととし

fこ。

本節では.まず気回反応一般について.総括反応速度を測定する上で留意しなければならな

い事項を述べた後.イオン交換樹脂の総括反応速度を担握するに当たっての実測値の評価手法

について述べる。

4. 2. 1 気回反応における総話反応速度の測定

気回反応における総括反応速度を測定するよでまず第ーに考慮しなければならない乙とは.

その反応が測定条件下においてガス境膜内物質移動律速となっているか否かを把握しておく乙

とである。 ζ れは.反応ガス流通を変化させ.気固反応を行わせることにより確認できる。

実験によっては，ガス境膜内物質移動以外の段階が律速段階となる反応速度を求めたい場合

がある。ガス境膜内物質移動の影響は. Fig.4. 5 (1) Iζ示すように，ガス流速を充分高く取り.

総括反応速度が飽和する条件下で反応を行わせることにより低減する乙とができる。乙の場合

には.ガス境臨内物質移動以外の段階iとより総括反応速度が律速されると考えられる。

一方，ガス境膜内物質移動の影響は.低温で反応を行わせる乙とによっても排除する乙とが

できる。ガス境牒内物質移動待速とは.ガス境膜内での拡散が反応の抵抗となるものであるが.

国体は本来，化学反応における活性化エネルギを有しているため. Fig.4. 5 (2)1ζ示すように低

温条件下ではガス境膜内物質移動の影響を低減する乙とができる。

従って，総括反応速度がガス境膜内物質移動により律速される場合でも，それが反応ガヌが

低流速であるためなのか，反応温度が高温であるためなのかを明確にしておく必要がある。

-35-

JAERI-M 90-075

4.2.2 M M © M # i £

(kap/Fp) t = l ~ ( l - X ) " F p (4.62)

fcATL. k,p liBJ&»«-OSLiEi$ffiSSc"e*5.

Xife*8fli©&jK&tt*ffifi-r£ t £ ic*5fc«>. K f E i l f f i J g ^ ^ k a p T - f t ^ ^ ^ T ^ M - t ^ ^

jfcJ&Ao i f 5 fe©-?*5**. a; (4.62) lc4jJj-SR^;$X*8ltSftJartffl-f * V2S5SISBS©1I

M f t i LTfiH^.*«l4{±^Rrfl6^**o l i t , CCTfigfc^nfflO'f * > £ » # » ! £ . ^ ©

RiS^fiJc®^*SHift<bK*©fi6^l^Bl*ffl^TfiEa-rst i i L/co

I^S. Fig. 4. 6 IC^*-<fc-3lcWo~W,.o OBtftlftO-f * y ^ ^ ^ J l ^ ^ i i f f i r t J c ^ l ^ L / c i

# . -UMkK*©ffi£«$IS# t 0 ~ t , . 0 i c t to tzttZ i . R i S ^ X i i R f f i ^ X i J c / i S i - e

©BSfgAti J i - t n ^ t i f i l T o J ; S i e g e s .

Xo

A 0.2

X0.4

A 0.6

Ao.s

A i.o

—

=

=

=

-

=

( W , . 0 -

( W , , -

( W , . „ -

( W , , -

(W, . 0 -

(W, . 0 -

-w , o) /W,. ,=

-W0 .8)/W,.o

-Wo

-Wo

-Wo

-Wo

a)/W,.0

4 ) / W , . 0

2)/w,.„

) /W,. 0 =

0"

• 1 .

A to

A to.2

A t 0.4

A t 0.6

A t 0.8

A t , . 0

—

-

=

=

-

™

t | . 0

t l . 0

t | . 0

t | . 0

t,.o

t,.o

—

—

—

—

—

—

t 1.0

t 0.8

t 0.6

t 0.4

t 0.2

to

CCT?. 4 * V&&m%*&&tiL¥£&t£t ±. A (4.62) © ^ ^ H ? F p ( i , Fp= 3 XM

itZo t S o T . ± E R l ^ * f f l ^ X ^ (4.62) £ © # Bl>L -5 t &&&'& bft<5 o

(kap/3)At i = l - ( l - X i ) " 3 (4.64)

4*y&mm^&mu^Tv-iMWiMftfcj&wstz^&itii. mx®4*y&&mm#mm W t i a S J S O J g S l t S t - S i l i l f i ^ - r . Fig.4. 7fc^-<}-ck-5{cji&«&L<(i. WlCcfc^fij

n © 5 5 ^ * * 7 ' S , * n S o *fc . KJSJ&**§?TL. -f * y£SMSIBg0t4g#«4>L-c< 5 i . £ t t

0#t&f f l l c« fc&f B f f - / £ £ # t t - & f t ( £ . S (4.64) l i a f f l - C ^ S f e O i ^ i ^ n S .

- 3 6 -

JAERI-M 90-075

4.2.2 実測値の評価手法

イオン交換樹脂の燃焼反応においても，第 4.1.2項で述べた中間温度領域以上での反応で.

その反応過程が化学反応lとより律速される場合には.以下の一般的反応速度式に従うものと考

えられる。

(k叩 /Fp) 1 :::.1ー CI-X)IlFP ( 4.62)

ただし kapは見かけの反応速度定数である。

なお，本研究の目的は.反応速度定数.反応次数などの真値を求めることではなく.イオン

交換樹脂の燃焼条件を把握することにあるため.反応速度定数を kapで代表させても差し支え

ない。

本実践では ).t温J計十()Ji/. dilJ l:凶内 iこ一正砧ωイオン完投樹脂を供給し.その総括反応越度を

求めえうとするものであるが.式(4.62) における反応率Xを流動層内のイオン交換樹脂の重

量変化として加えることは不可能である。従って.ここでは既知量のイオン交換樹脂と.その

反応生成物である二酸化炭素の発生時間を用いて整理する乙ととした。

いま. Fig. 4.6 I乙示すように WO~W1・ 0 の既知量のイオン交換樹脂を流動層内に供給したと

き.二酸化炭素の発生時間が t0 - t 1.0 Iとなったとすると，反応率Xiと反応率 Xilとなるまで

の時間ム tiはそれぞれ以下のように表せる。

ム10 11.0 - 11.0 = 0 Xo = (WI.0-WI.o)/W1.0=O

ムt0.2 1 1.0 - 1 0.8 XO.2 = (W1・o-Wo・s)/WI.O

ムt0.4 = t 1.0 - t 0.6 XO.4 = (WI.O -WO.6)/W1・0

C 4.63)

ムt0.6 t 1.0一t0.4 XO.6 = CWI.0-WO.4)/W1.0

~ t 0.8 = t 1.0 - t 0.2 XO.8 = (W1・o-WO・2)/W1・0

ムt1・o= t 1.0 - t 0 = t 1.0・ X 1.0 = (W 1.0 -W 0 ) /W 1.0 = 1

ここで.イオン交換樹脂を球形粒子とみなすと，式(4.62)の形状因子 Fpは Fp= 3で表

せる。従って.上記関係を用いて式 C4.62)を書き換えると次式が得られる。

(kap/3)61i=1ー(1-Xi)1四 ( 4.64)

イオン交換樹脂を高温条件下の流動局内i乙供給する場合iとは.個々のイオン交換樹脂が理想

的気回反応の形態を呈するとは限らず. Fig.4. 7 ，ζ示すように熱衝撃もしくは，撹祥による割

れの発生が予想される。また.反応が進行し.イオン交換樹脂の粒径が減少してくると.系外

への粒子の飛び出し現象も考えられる。しかし.乙れら現象の起乙る確率が.イオン交換樹脂

の供給量によらずほぼ一定とみなせれば.式(4.64)は適用できるものと考えられる。

以上の考えに基づき.イオン交換樹脂の見かけの反応速度定数 kapを求める。

-36-

JAERI-M 90-075

4.3 mism

4.3.1 {£fflLfc-f ^"V^fiSSJBi

B&^fiEfflLfco & 4 * v £ & ® ) ] g { i . 200, 400, 600, 800, fe£ & lOOOmg JCiEfllfcfFfi L ,

4.3.2 &(B©3fci§

Fig. 4. B tCTjx-f «fc "5 tt'^"?** «fctffeil?5:8M& I . c ©S®^fCfT-fitz?rO f tf v^Jfe|gfl&«-3E

Jfi L f c & . S^JCTBBaWlciKS i i t r c £ ic J; 0 {£*&•$- K i i L L

-&$r f±300 o C£lTK&f tL . £t> ic, ##x{± teJKTSB<fc ! ) 'M '>*x$-a ;5 t£ lcJ ;?>. *£&

i o g i ^ ^ ( L f c .

* H K T ? f e . tftM^iLT, 30/60 ^ y ^ a O f t t t T ^ ^ ^ - * ^ f f l U. ^©3Sif iS<*. «

4. 3. 3 *f x #f l f SSE *J J; tf##f#8i

T8B« fce>&#* fgE fc# j ! f x£g [AL f c .

(1) l » f t K * o a « r

C G T - 1 0 - 1 A

C O . C 0 2 O 2 ^ ruffes

* - ii

(2) m-McDftVr

p< - *

# - * 7'JuS?5fcIt

P O T - 101

o2

- 3 7 -

JAERI-M 90-075

4.3 実験方法

4.3.1 使用したイオン交換樹脂

本実験では，第 2章の熱分析で使用したものと同一パッチの陽イオンおよび陰イオンえ換樹

脂を使用した。各イオン交換樹脂は. 200. 400. 600. 800.および 1000mgに正確に秤量し，

熱分解・燃焼炉へ供給した。

4.3.2 装置の改造

本実験では.イオン交換樹脂を瞬間的に熱分解・燃焼炉へ供給する必要があるため，既設の

スクリュワフィーダによる供給では目的を達成し得ない。そ乙で.熱分解・燃焼炉の供給口 i乙

ドip;.4.8に不すようなノ"<，レヴおよび短符を接続し .ζ の短管内 iと秤量済のイオン交換樹脂を充

填した後.窒素にて瞬間的lこ吹き込むことにより供給することとした。

また，フリーボード上部に設置した酸化銅触媒の影響を除くため.触媒下部における排ガス

温度は 3000C以下i乙保持し，さらに.排ガスは触媒下部よりバイパスさせることにより.触媒

との接触をなくした。

本実験でも.流動媒体として. 30/60メッシュの佑性アルミナを使用し，その充損量は，塔

径iζ対する静止層高の割合がいずれも1.0となるようにした。なお.総括反応速度に対する炉

内圧力の影響は無視できるものと考えられるが.フリーボード部圧力はー50mmH20の微負圧

条件に統一して実験を行った。

4.3.3 ガス分析装置および分析方法

本実験で使用したがス分析装置の機種は以下のとおりであり.ガスサンプラーを用いて触媒

下部より各分析装置に排ガスを導入した。

(1) 二酸化炭素の分析

機 積 : ポータブJレガステスタ

C G T -10-1 A

iijlJ定原理 非分散形赤外線吸収方式

測定成分 C O. C O2の 2成分

メーカ 株式会社島津製作所

{2l 酸素の分析

機 種 ポータフツレ酸素計

POT-I01

測定原理 磁気風式

制定成分 O2

メーカ 株式会社島津製作所

-37-

JAERI-M 90-075

4.4 m&mm

#£lcfcSfBi#;Br«:?f^. KB-r *>*i.fctf|g'r * vS:8l8t l |gieo^T©*iEfia!J^ CTG) ttfe

(±. &2£-e*£fcTGffi&0&&fieSgftfcfctfSffifi«4>&ffi ( d W / d t ) i idf t^ci t tSf i

ffiT?Jiei-S^g***5 t t ^ b t l S . Fig. 2. 1 -F ig .2 . 4 «fc*)»'f *v, UN * ySEfeffilli

JCfctf 3 d W / d t ^ S ^ i ^ S S S l i . -f d-yj&ICfc b - f^n? ' t l 550~650°C . 500-600 0CT?**Ci7&*SS*fl5jn50 %-oT, i B S ^ t t i l T , 550~750°C©SK18f#£8£L*:o

ft«H#&#a&. 1.5 - 10.0N 1 •min- 'C^i i i iSuB= 1.64X10"2-1.09 xlO-'m-s"1 at 650

4.4.1 « i i S ^ k l c J : S I 8 J S S i S a K ^ o » »

IB4.2. lig-eJE'<fc«fc'5«c. &HRffi©t8:ffiKfci8BL£8»5£-*-5§K. M M T t e t f x i f t J g l

C c t ' l i , N a i i ® i ^ ^ V ^ « ( D I A I O N SK IB) ^ff lP, S l f f i l ( t / i

frfc. «SiS> ^1 .5Nl-min- ' fr Z'&* KJt t fT ^ § . #*£&rt4&Kg>I&©fl£»J&**ftSlt?#

4 *y?jz&mm<Dfcj&^T^miz&frte<ocDtfz>-3£&¥mznztzib, 5-IOOSUS^© n ^ ^ s i L ^ . <£*.-. fcmpm^nztitzmmmbmmicmmLtz.

Fig. 4. 9 i c ^ ^ ^ i l l f i (ETF rwij«hi£-f) i c j j f SRJS^TBSIH (J2TF TtiJ tlfil") ©BU

t H S t . C©g|«fc*). £ & M Q © ± # M c # l * . ti ( i B J £ f r l £ M £ f t X & D . #x«URrt

c tX^#fc$iJ5£ful£JM. 2. 2 ^ © M ^ & l t g c > § , Ati left-f 5 1 - ( 1 - X 0 1 / J © W & £

L Xl£ L fc £>©/&* Fig. 4.10Xifc£ = C ft «fc «9 ai3£tel±£^Jt0!IRl&£JJ* L t i t) . ^ 4 . 2 . 2 5

©fF-M&^i$fflX :£6o

ft It . Fig.4.10©7°a y h £ 1 &!§]*§$•£, C©i*©«£«fc*?j l0»t t©J8ff i£#k.p £ #

165 . C© J; o ic L T * ) 6 / : kap ffl;tf»*g*£l«EJi©M&£ L t l l t 5 i Fig. 4.11 #f§ &*l

S.#EI«fct) . Q**4.5N1 •min-1CuB=4.9lxiO-2m-s- i ;£l±T?*nif. £»8Kffi (X( i .

«!») ©*8feRJiBJSa^»©»»{i /h$<ttS. * f c . Q#4.5N1 • m i n - ' ^ l X & ^ T f c A t i

i 1 - U - X i ) " 3 (Dm&frm%k±&te&2>z i*>&. #x£Krt^H&»i©f&SJ±2Mirie/hS

f k© i % ^ . & f i 5 o

- 3 8 -

JAERI-M 90-075

4.4 実験結果

イオン交換樹脂の燃焼による総括反応速度を制定するに当たっては，まず実験を行う温度条

件.反応ガス(空気)の流量条件を設定する必要がある。第 2章では，イオン交換樹脂の定速

昇温による熱分析を行い.陽イオンおよび陰イオン交換樹脂についての熱重量測定 CTG)曲

線を得ている。イオン交換樹脂の流動層燃焼.すなわち定温反応で高い反応速度を得るために

は.第 2章で得た TG曲線の最終重量変化における重量減少速度 CdW /dt) が最大となる温

度で運転する必要があると考えられる。 Fig.2.1-Fig.2. 4より陽イオン.陰イオン交換樹脂

における dW/dtが最大となる温度は.イオン形によらずそれぞれ 550-6500C. 500-600

。Cである ζ とが読み取れる。従勺て，視度条件として. 550 -750oCの損度領域を選定した。

一方.空気の流量条件としては.ススの発生を極力防止するために.第 3章で得られた流動

媒体の流動化開始速度 (Umf) 近辺で連転する乙とが望ましいと考えられる。従って.未流動

化領域も含め. 1.5-10.0Nlomin-l(空塔速度 UB=1.64xlQ-z-1.09X10四 2m・S-I at 650

OC)の流量領域iζて実験を行った。

4.4. 1 流速変化による総括反応速度への影響

第 4.2.1項で述べたように.気回反応の総括反応速度を測定する際.低流速域ではガス境膜

内物質移動の影響が顕著に現れる。従って.総括反応速度の温度依存性を測定する前 i乙.空気

流速の影瞥を確認した。

ここでは. Na塩形の陽イオン交換樹脂 (DIAION SK 1B)を用い，空気流量(すな

わち.流速〉を1.5Nいmin-I から徐々に上げていき，ガス境膜内物質移動の影響が無視でき

る運転条件の把握を行った。なお，運転中は流動層部.フリーボード下部温度は共iζ 6500CI乙

保持した。

イオン交換樹脂の反応完了時聞にはかなりのばらつきが予想されるため. 5 -10の測定点の

算術平均を採用した。なお.次項以降で得られた測定値も同様に整理した。

Fig.4.9に供給樹脂昆(以下 rWiJと記す)に対する反応完了時間〈以下 rtiJと記す)の関

係を示す。この図より，空気流量 Qの上昇i乙伴い. tiは明らかに短縮されており.ガス境膜内

物質移動の影響が現れているとみなせる。

乙乙で得た損.IJ定値を第 4.2.2項の評価手法lと基づき .t:. ti I乙対する 1ー(1-Xi) 1/3の闘係と

して表したものがFig.4.1Oである。乙れより測定値は良い比例関係を示しており.第 4.2.2項

の評価手法か適用できる。

次i乙. Fig.4.10のプロットを 1次回帰させ，乙のときの傾きより見かけの速度定数 kapを求

める。乙のようにして求めた kapの対数を空気流速の関係として整理すると Fig.4.11が得られ

る。本図より， Qが 4.5Nい min-I(UB= 4.91X 10-2m・5-1)以上であれば.空気流量(文は，

流速〉の総括反応速度への影響は小さくなる。また.Qが 4.5Nl・min-I未満であってもb.ti

と 1ー(1-Xi)μ3の関係が直線とみなせるととから.ガス境膜内物質移動の影響は非常に小さ

いものと考えられる。

-38-

JAERI-M 90-075

4.4.2 4 * v$<D*Bi6lz:j;5*gi§RjSi£K^©f&S

J i $ 5 * © - M M . 7 'J - - + : - FTSI5-Sa:(iHlJinrHl1$650oClc&5gL. £Miftfi£ L T J i .

5.0 Nl • min-1 t LfZo

m^t * v ^ i ^ f e ^ i C o ^ T c o W . i t, fecfcO'Ati i 1 - ( l -X 1 )" 3 ©Kl&Fig .4 . l2 lc^L.

Pa-f * y^SSSJ8S»CO^T6DKJ^«:Fig.4.13IC^-r. @aH©M, t 1 - (1-Xi) , , 3©B8® «fc D

PJH * y, mt * >£ftt&llfi©Ji,a*tt0RJSiiMSk.p {ien^"f ik a p - i.25xio-2s-\ 1.51xio-2s-' £«» ) . -f * yj£icj:5ffl&fifi £ A^fgafr £fittV^ C i** t>^5o

Se-sT. RB>f * > £ M l ] | £ L T D I A I O N SK IB , Pa f * v£&©8£<t LTDIAI ON

SAN l£fflO-CH§fc£?T-5 feOif-So tt*J. c t l T ' l ' f ^ x ^ W i L T S x . T N a ^

£ £ { £ £ 0 , S0x©ffi«ftdUi&*ft5C.«J:£KWLrt:t>©"e i*S.

4. 4. 3 *&&KJSi$g©ffiffi«c?¥te

S ^ S S S - O N l - m i n - 1 © — £ i e « 5 . f l £ » H a 5 * s J : t f 7 y - # - K T S S K f c 550-750

^ © ^ « T g g f t £ # * : £ #©iifi8MB©£JS&ili'<fc.

i M * v . Pi-f * y3*&ttMg©Wi£ tiORl&fc.fctfAti £ 1 - ( l - X i ) , , 3 o i ^ I l L t

feO**n^nFig.4.14*>«tOtFig.4.15. Fig.4.16*J«fc0sFig.4.17lc^-ro 4 A:. CftlCcfcD

*«6fcE*»tfOS*£SK3e»kap ©*f»£8&**££T©iS*»0B80i£ LT* t&tz&Zk* ¥ig.

4.18ic^-r0

Fig.4.18J;D. k.p {4 550~650cCOfiffl-C!iaffiJCtt#L. 650°CJgLt»Cfc S £ kap tt—jg

i « S o C CD C £ fr &*8&SJSi8K Ji 550 ~ 650°C T?III#8igfc & tf 5 ft3*KJSiI£©:K» *

gW-Sfc©©. 650°C£l±-C s t t* 'xSlJKrt 'KlS^S&lc«fc»3^S*nSfeOi#^.&n5. ttfc.

BB-Y ai- y£&fl*Bgti700oCJ£U:-Cik,p **1 |^ :UT^«**. t © C £ ItWt&^Z «fc 9 IC X X CD

4.4.4 xx©j f t t fWLlc«fcSf i8g&JS»8f f i^©#af

flff *§-*?». R&W *y£ifc8*ll&{i7OOoC&±0KJSffiKlctt5£. *8gRJSS£a*±#&lS]£

* t C i 4 » S l T l > 4 . C©5lfe£ftSg-*-£fc«>. fl£»®ffl5*i«tOf7 'J - # - KTWfflffi*

HK650°C{CI£^L. 2 ? « f f i £ £ &IC±#*-y:;fcJg&lco£0tifc£?fo;fco £ © £ £ © W i

£ t i ©K3&&Fig.4.19lt. £fz, At, £ 1 - C 1 -X t ;"3 ©H9&& Fig. 4.20 »C 3 ^ .

x x o ^ o ' t B U i , 7 1 ; - * - Kf f i l c f e^a^^aE jSuFJc^** ti-5 £3§-x.bti5o ft o

T , CCT' l i^ 'xJSf t j i iLT. u , * J 8 l ^ S I t 4 C i i t 5 . Fig.4.20«t t)*J6fc k.p ©*t

» * U F © K I ^ < * : U T 7 , D v h Lfc&©£ Fig. 4.23 i c f t o

Ctl&<0. Wi<i tfi'SSSftfiMlf*. U&5.3N1 • mirT1 JEi±©«ffiiiT?(±mJ&»tf©RffiJSfiS»**

- 3 9 -

JAERI-M 90-075

4.4.2 イオン形の相違による総括反応速度への影響-

陽イオン交換樹脂には.H形のものと陽イオンを蚊若したものがあり.陰イオン交換樹脂も

同様にOH形と陰イオンを蚊着したものがある。ほって.ここではそれぞれの樹脂についてイ

オン形が異なる場合の総括反応速度への影響について調べた。

運転中の流動周部，フリーボード下部温度は前項同様 6500CI乙註定し.空気流量としては.

5.0 Nl・min-1 とした。

陽イオン交換樹脂についてのW，と t，および.d.t i と 1ー (1-X.) 1'3の陶係 Fig.4.121乙示し.

陰イオン交換樹脂についての陶係を Fig.4.131乙示す。両図の企t，と lー (1-Xi) 113の関係より

鴎イオン，陰イオン交換樹脂の見かけの反応速度定数 kapはそれぞれ kap=1.25X10-2 S-1•

1.51 x 10-2S-1となり，イオン形による相違はほとんど認められないことがわかる。

従って.陽イ才ン交換樹脂として DIAION SK lB. 陰イオン交換樹脂としてDIAION

SAN 1を用いて実験を行うものとする。なお.ここで陽イオン交換樹脂としてあえてNa塩

形を選んだ理由は.第 2章で述べたようにあらかじめ陽イオン交換樹脂iζ塩を吸着させておく

ととにより. SO"の低減化が見込まれることを反映したものである。

4.4.3 総括反応速度の温度依存性

空気流量を 5.0NI・min-1の一定i乙保ち，流動層部およびフリーボード下部温度を 550-750

Ocの領域で変化させたときの両樹脂の反応を調べた。

陽イオン.陰イオン交換樹脂のWiとtiの関係および.d.t iと1ー(I-Xi)l勺の関係を整理した

ものをそれぞれ Fig.4.14および Fig.4.15. Fig.4.16および Fig.4.17に示す。また.乙れにより

求めた見かけの反応速度定数 kapの対数を絶対温度Tの逆数の関係としてまとめた結果を Fig.

4.181乙示す。

Fig.4.18より k.pは 550-650 ocの範囲で温度に依存し. 650~C以上になると kap は一定

となる。このことから総括反応速度は 550-6500Cで固体表面における化学反応速度の影響を

受けるものの. 650oC.I2J.上ではガス境膜内物質移動により律速されるものと考えられる。なお.

陽イオン交換樹脂は 7000C以上で kapが増大しているが，乙の乙とは後i乙述べるようにススの

飛び出しが顕著になったためと考えられ. 6500C以上の温度では，実質的lと総括反応速度が飽

和するものと考えられる。

4.4.4 ススの飛び出しによる総括反応速度への影響

前項では.陽イオン交換樹脂は 7000C以上の反応温度になると.総括反応速度が上昇傾向を

示す乙とを確認している。乙の現象を把握するため，流動層部およびフリーボード下部温度を

再度 6500Cに設定し.空気流量をさらに上昇させた場合につき実験を行った。乙のときのWi

と tiの関係を Fig.4.191乙.また. .d. t I と 1-(1-Xi) 1ゅの関係を Fig.4.201乙示す。

ススの飛び出しは.フリーボード部におけるガス流速 uFIζ影聾されると考えられる。従っ

て.乙乙ではガス流速として UFを用いて整理するとととする。 Fig.4.20より求めた k叩の対

数を UFの関係としてプロットしたものを Fig.4.23に示す。

乙れより，陽イオン交換樹指は.約 5.3Nl・min-I以上の流速では見かけの反応速度定数が

-39-

JAERI-M 90-075

y « i f ^ - 7 ' ) ^ © x x o t t S - ^ ' i i i t - f "5C£/J>t>, x x ©MO'tti L lc «t 0 Ji,:6»0-±*&i£SJS

& & ^ ± # L T i ^ £ fc © £ # * . £ * ! . S .

700oCiciJ^5^m^ffl5.0Nl-min- I ;&650oCOffilCzaS^®:^->5<i:. 5.27N1-min-'i

i - s a * ^ , mjia©7oooc£i±-e©affi^^-c:^gR;eiiffi c £©££•. <<*v3gft*f8&©

t &. x*®ffi0-HiL#gfi#R:/j:ort:*:a6£%x.£ft50

ttfc. c CTJiJt&ofci&ic. IS4 # > £ 8 i # f l g i c o ^ r femalew.i ts . S f e l c A t i i

l - ( l - X , r © B 3 ^ * J 6 (Fig. 4.21. Fig. 4.22) . kap © J t i ^ i i O i i i LT Fig.

4.5 HS£$glil<D#IJI

650°CltlS:£L. ^i§MSuB ;£4.91xlO-2m-s-1J^±. 7 y - # - K&tfxSgS u ,£ 3.36X

10-2m-s-'JilT'CJl*Ei-'S C i i J i i U ' i l ^ S .

#f£lfcT?tt. *PrtJaK650°C, ^ ^ « S a 5 . 0 N l •min-1(uB=5.45xlO-2m-s-1. uF=3.17

x io - 2 m-s- ' ) ic&^X, L O g o f i ^ x , &-<*:'3£&ffiB8£*RiB^tffc&&©!!.*»«•©

R J S J § M » £ L T . -etl-e'tl kap = 1.25 xlO"2. 1.51 x l C ' s - 1 * * § T ^ 5 . L * L . S E

O x ^ - 7 •> 7*£fci**-*U:3fc-3Tte. $ b(c^ffl©-f * ^3cMfl i&#t*&L/ci#£lco

»»»-J8S«H^rtlc*5tf5^aj-v^BI^Bg»ffi U f c J i . £ f i £ # ' x M ) **HlD«ffilc^L

T ^ t t l ^ M l C f c ^ T J i , 3J (4.62) l « £ t 5 i % ^ ^ 5 o C C T , i P l ^ ^ t t ^ t S ' f ^

v£»8tflliffiJ&Wg . t f c t t f t i i A W g i t S t . SU. 2. 2 igo%i^A*ara-edSI5f f l i c

Ckap/ (3W"3)J ( = l - ( l - A W / w r (4.65)

C C T , k.p(±1.0g ®4 * y5Sm^B§ ;£^^Lfc<!:^©M-^«-©S:^iiffiSg^T-4>So

o T . «fti&JgSE&xfr-^T.y7'^Sl3K©fi#fi*j:£&l±. uB*l^ — i c « 6 . »Sfc67J»cJfci;

Tif S&&X-TS t i Tab * o10)

- 4 0 -

]AERI-M 90-075

さらに増加することがわかる。しかし.乙れ以上の流速域ではガスサンプリング配管(テフロ

ン・チューブ)へのススの付着が急増することから.ススの飛び出しにより見かけ上総括反応

速度が上昇しているものと考えられる。

7000C における空気流量 5.0Nl・min-Iを6500Cの値 l乙温度換算すると， 5.27Nいmin-Iと

なることから.前項の 7000C以上での温度領域で総括反応速度(乙の場合.イオン交換樹脂の

反応時間というよりも，炉内滞留時間としてとらえる方がより適切ではあるが)が上昇するこ

とも.ススの飛U'出しが顕著-になったためと考えられる Q

なお.ここでは比較のために，陰イ方ン交換樹脂についても同様に帆と ti ・さらにムtiと

1-(1-X，)川の関係を求め(Fig. 4.21. Fig.4.22) • k ap の対数を流速の関係として Fig.

4.231ζ併記しずご円

第 2章でも述べたように.陰イオン交換樹脂の方が陽イオン交換樹脂よりも分解しやすいた

め.総括反応速度が飽和する kap の値が若干異なってはいるもののススの飛び出しの観点から

は同様の傾向を示す乙とがわかる。

4.5 実験結果の考察

以上の結果より.イオン交換樹脂を流動層燃焼するに際しては.熱分解・燃焼炉内温度を

6500C Iと設定し，空塔速度 UBを 4.91x 1O-2mo 5-1以上.フリーボード部ガス流速 UFを3.36X

10-2m"s-1以下で運転する乙とが望ましいといえる。

本実験では，炉内温度 6500C，空気流量 5.0Nl 0 min-I (UB= 5.45 x 10-2m ・ 5- 1 • U F = 3.17

XI0-2m"s-りにおいて. 1. 0 gの陽イオン.陰イオン交換樹脂を燃焼させたときの見かけの

反応速度定数として.それぞれ kap=1.25XI0ーヘ 1. 51 x 10 -2 S-I を得ている。しかし.装置

のスケルーアッフ。を検討するに当たっては.さらに大量のイオン交換樹脂を供給した場合につ

いての評価が必要である。

熱分解・燃焼炉内におけるイオン交換樹脂濃度(または.生成ガス濃度)が飽和状態iζ達し

ていない範囲においては，式(4.62) は成立すると考えられる。乙乙で.炉内へ供給するイオ

ン交換樹脂抵をWg. また燃焼量をd.Wgとすると.第 4.2.2項の考え方が適用できる範聞に

おいて.次式が得られる。

(kap/ ( 3 W1/J)J t = 1一(I-AW/W)川 ( 4.65)

こ乙で. k apは1.0gのイオン交換樹脂を燃焼したときの見かけの反応速度定数である。

一方.流動層装置においては，同ーの流動媒体を使用し.層内温度とガス流通を同ーに保っ

た条件下では，同ーの反応成績を得るために必要な層高は塔径によらずほぼ一定値となる。従

って.流動層装置をスケールアップする際の基本的方法は Ueを同ーに保ち.処理能力に応じ

て塔径を拡大する乙とである JO}

乙れを考慮すると.イオン交換樹脂の供給量としては流動層単位断面積当たりの重量で表し

た方がより汎用託を持たせられる。

乙乙で，今回の実験で使用した装置における流動庖断面積をA m2とし.スケールアップした

-40ー

JAERI-M 90-075

: £ ^ f t - e ' f t w . A w k g - m ' 2 i t S i . S (4.65)

Kan / A

3 C 1000 w) T T T ^ t - 1 - C 1

Aw w

(4.66)

C C- C • K a p — K ap ^ A vaP' « (4.67)

i J g a ^ - S i . ^rt iSffi650°C. ^ J f i § a [ 5 45xl0- 2 m-s- 1 icfcW-£&§>f *y, & 4 * ;/2fc&

S t l l K f t L T . t < X ? f t k „ ' = 7.25X10-2, 8.7 IX 1 0 " 8 # 8 & t l . * * - i\>7 y 7° L fcglT

c D ^ g R ^ i i S ^ f t ^ - c f F - f f i t - 5 c i #T? § 5 o

k j p

3 ( lOOOvv)' . t = 1 _ ( 1 _ ^ ! L ) M

w ( 4.68)

tztzL. ±3.<Dmmmmi$, » # # • assort KfcH-s 4 * v £ igsffi^i&iPKa-rst

- 4 1 -

]AER I -M 90-075

装置へのイオン交換樹脂供給量および燃焼畠をそれぞれ w. Aw kg'm-zとすると.式 (4.65)

は次式のように書き表せる。

kan/ A1I3

叩 "、 t= 1ー(1一一一ー)/13 3(1000¥¥， )1'3' W

( 4.66)

ここで. k"p'= kap/ Aド 3 ( 4.67)

と定設すると.炉内温度 6500C.空塔速度 545X 1Q-2m・S-1における陽イオン.陰イオン交換

樹脂に対して，それぞれ kap'=7.25x10-z• 8.71x10-2が得られ，スケールアップした装置で

の総括反応速度を次式で評価することができる。

民ι-:¥iiJt := 1ー(1ーとと)113

3 (1000¥¥，)113 • W ( 4.68)

ただし，上式の適用範囲は.熱分解・燃焼炉内におけるイオン交換樹脂濃度が飽和 i乙達するま

での範囲i乙限られる。

-41-

JAERI-M 90-075

Unreacted Solid

K ^- Fluid Film

(1) Shrinking Particle Mode

Unreacled Solid

V_C|n i

Ash or Product

x —\y Fluid Film ^Unreacted Core

(2) Shrinking Unreacted-Core Model

Unreacted Solid Sintered Product

/

N— Flu id Film ^-Unreacted Core

(3) Sintering Product-Layer Model

Fig. 4.1 Classification of Gas-Solid Reactions of Nonporous Solids

' Three types of reactions according to the geometry taht

^the system exhibits.

-4 2 -

90-075 jAERI-M

(@) ーーーー・主ー-

Unreacfed Solid

、、‘‘.，，，，，

、

/(⑫)

/

、

，、ie.

，，・z・.‘、:) ーー『ヲー

Mode I Parficle (1) Shrinking

Product

ー一語』

Solid ，，-・ー・・

/ 〆

〆f '1

I 1 ¥ 、

¥ 』、ーーー

Unreac1ed

) 一ー-:-

Unreac1ed Core

Model Unreacted -Core (2) Shrinking

Sinte red Produc↑

"，-・・、、、

(鯵)‘、/

、.‘句---

-ー一吾ー-

Solid

) 『同---量』

U nreacfed Core

Model Product -Loy e r (3) Sin1ering

C1assification of Gas-Solid Reactions of Nonporous Solids

〔日 typesof…ons…山 tothe g…ry taht 1 the system exhibits. )

-42-

4.1 Fig.

JAERI-M 90-075

Fig. 4.2 Kinet ic Regimes for Gasi f ica t ion of Porous Solid

- 4 3 -

JAERI-M 90-075

Q.)

... ー。a:: c: 。-ー.... ・・・u 。Q.)

a:: 0'1

-。J

E E

1fT -ー

Fig. 4.2 Kinetic Regimes for Gasification of Porous Solid

-43-

JAERI-M 90-075

Fig. 4.3 Model of Porous Solid With Random-Pore Intersections221

Fluid Fi lm

Fluid Reactant Concentration

CAO

CAS i,

AJ

\

Fig. 4.4 Gasification of Porous Solid Under Conditions Where

the External Dimensions of the Particle Shrink"'

•44-

JAERI-M 90-075

Fig. 4.3 Model of Porous Solid With Random-Pore Intersections22)

ー一ーーーーー-

，.-・・h

/、f 〆，.τT討、¥

一一』 {fj物;;f)¥、¥三与/〆'司、、ー

e Fluid Reoctont Concentrotion

CAO

CAS 1・

Fig. 4.4 Gasification of Porous Solid Under Conditions Where

the External Dimensions of the Par仁icleShrink17)

-44-

JAERI-M 90-075

x

ce

o I—

a>

O

* * ^ J

«^<y Transition Region

No Mass Transfer Effect

Gas Velocity (logarithmic scale)

(1) The Minimization of External Mass Transfer Effect by Operation at High Gas Velocities

X • o

> O

Mass Transfer Control i

i i ^ i

s. i

i

i i

Transition Region

Q C

\ 4-.^ w \ \

1 /T

(2) The Minimization of External Mass Transfer Effect by Operation at Lower Temperatures

Fig. 4.5 The Minimization of External Mass Transfer Effects •17)

- 4 5 -

90-075 ]AER トM

No Mass Transfer Effecf

Transltion Region

↑司

¥X司

-ωFOE

一一O』ω〉O

Gas Velocify (Iogorifhmic scole)

Transfer Velocities

(1 ) The Minimizo1ion of Ex1ernol Moss Effect by Operation ot High Gos

Moss Tronsfer Control

Transition Region

右¥

X司

-20巴

一一O』ω〉O

Mass Transfer Temperatures

1 / T

Externol ot Lower

(2) The Minimizot ion of Effecf by Operot ion

The Minimization of External Mass Transfer Effectsl7l

-45-

4.5 Fig.

JAERI-M 90-075

c o

c CD o cz O

o CM o o

W0.t« V(w,0-w0)/w,0

Time

Fig. 4.6 Method for Overall Reaction Rate Analysis of

Ion Exchange Resins

Where, W is the weight of the resins fed to the incinerator, t the

.time for complete combustion, and X the overall extent of reaction.

-46-

c o

-・ー-o ‘"・-c Q.)

u c tCJ 3

(¥J

ζ〉仁J

l凸10ハ、

f¥

l¥t 0.4

JAERI-M 90-075

t 1.0

tO.8

¥¥

一-tO.6

l1 T 1.0

' Xo= (W，.O -W1.0}/W，.0

t

Xoi (W1.0 -WOs) IW，.O

Xo . .f (W，.O -WO.6) IW，.O

ぬff(W1.0 -WO.4) /WI.O

hIf (WI.O -WO.2)/W，.o

叶~♂(W I.O-Wo)/WI.OWo，to

Time 一一骨-

Fig. 4.6 Method for Overall Reaction Rate Analysis of

工onExchange Resins

〔陥仇 Wis the吋 tof the resins fed to the山辺ra叫 ttMj

time for complete combustion， and X the overall extent of reaction. )

.

-46-

JAERT-M 90-075

I

B O

U

«

«

o 0) to 3 o u QJ

J3

to C

•H to

QJ 60

c CO

O

c o M

>W O

l-t

o > W

4= a)

PQ

1-^

-3"

00 •H

- 4 7 -

90-075 JAERI-M

ロOJ明ωυMW匂出川向。

ωmHDOUω阿白川H

ロHma.判mud同

ω凶gHNduM凶

HHOH刷

OUHOJ明h

，MW岡山

ω伺

co一↑ou一』一的00

22aεoυ

(gj

jf(③)1

一⑮f

、⑤v・

(OJ

(FCOEC

一O』』C凶

zoニロ一』↑コ一一ω

~ /へ)③

v。

co一ちω一』一的00

ω↑ω一色

εoυ

{↑cωεc一ロ』↑

ε一凶』O}

C020一とコ一凶

、」ノ~

、....@

~

f 。z一400』

υ

、ベ rES¥

1、、レ jt、?に、l dV，jf§¥

~。~

一og』

ωZトy

f

ムぬ

wp'

叫ん，ベAW

公S-fi

r-

、(③J

的戸』一的由巳 h.q -ω・柄拘

古田』

UOω』ロコ

-47-

J A E R I - M 90-075

oa o o

1 0

Pressure Regulator

© © e^

N2

Ion Exchange Resins

2 Air Supply

,^>Electric Heaters

o "n

rricff\

•Distributor o

Fluidized Bed Incinerator

Fig. 4.8 Modification of Fluidized Bed Inc ine ra to r

[Dimensions are in mi l l ime t r e s . }

- 4 8 -

JAERI-M 90-075

Catolysf

Off -Gas

c>

命V

Pressure Regulofor ーーめ

(.O

一-8J

∞00

N2

ゐ

hpo

ゐNO

一一ーをうj寸

-A Air Supply

にご>

Fluidized Bed Incinerafor

Fig. 4.8 Modification of Fluidized Bed Incinerator

(Dimensions are in mil1imetres. )

-48-

JAERI-M 90-075

Q =1.5 [Nl-min-n (uB = 1.64x10~2tm-s-1]) Q=2 .0 [N l •m in - , ]

(uB=2.18x10-2tm-r'])

^ ^ ^ Z -

5 ^ < 4 - Q = 2.5 [Nt-min-'l " tuB = 2.73x10"2[m-s-,I)-

Q = 3 .0 [Nl -minH ] -• {uB = 3.27x10"2[m-s-,l)-

1 I I I I

0 =3.5 INl-muTM luB=3.82x10~2 [m-s-i])

0 = 4.0 [ N l m i n - 1 ! (uB = 4.36x10"2 [m-s-«])

.HZ-.011-

. a X C —

JST -I- -I-—*- 1 E_ at

a t

I I I I I I I I

0=4.5 INl-min '1 ] (uB=4.91x10"2fm-s-'])

Q =5.0 [Nl-min"1 ] (uB = 5.45x10~2 [m-s-'])

-I- J- -J—I-w*

,M' -I- -Mr -f-1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Wj I g l

Fig. 4.9 t. Versus W of DIAION SK IB at Temperature of 650°C,

and Bed Velocity of 1.64 x 10~2 5.45 x 10~ m-s"

Where, W. is the weight of the resins fed to the incinerator,

and t. the time for complete combustion.

-49-

JAERI-M 90-075

士一玉~l-I­:m: ...... 〆'品

官 __ I~瓦~l­亙.............-ー

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Wi [g]

Fig. 4.9 t~ Versus W~ of D工AIONSK 1B at Temperature of 650oC，

1 -2 _ _ . _ ~ ~-2 -1 and Bed Ve10city of 1.64 x 10 -~ 5.45 x 10 -m・s

( 陥恥附いe町悶r目e?:九νいisthe

and t~ the time for comp1ete com日lbus七ion. )

-49-

JAERI-M 90-075

i i i ) | i i i i | i i i i | i i i i | i i i i | i i i i | i i i i | n u | i i i i | i i i i | i i i i | i i i i | i i ) i | i i ) ) | i i i i | i i ) i | i i i i | i i n | i i i i | i i r i | i i i i | i n i | i i i i | i i i i

0 = 1.5 tNl-minr1] (uB=l.64x10"2lm-s-1l)

Q = 3.0[Nl-min"1

(uB=3.27x10"2[m-s-1lT1

0 = 2.5[Nl-min-,l I (uB=2.73xtO"2tm-s-1l)_

0 = 2.0[Nl-min-,l I | tuB=2.18x10"2[m-s'1])

i i r l i [ i i [ r i i r l i i i l l i i i . l i M t l i i i i l i i i i l i i i i l i i i i l i i i i c / i i ( l t i i l l i i t l i i i i l i i t i l i i i i l i i i r l i . . i l i i i r l l l i l l i i r t [ i 1111

0 = 3.5 [Nl-miiT'l (UB^^xlO^lm-s-'])

Q = 4 .0 INl-miir1] . (uB=4.36x10"ztm-s-'])

f r l i . i t l i r i r l i i i i l i i i i l r i i i l i i t r l r i r i l i r i i l i i i i l n i r J T r r l i i i i l t i t i l i n r l i i i i l i i i i l i i r i l i . i i l r i i i l i i i i l i . r i l i i t i

0 = 4.5 tNl-min"'] (UB=4.91x10"2[tn-s-'l)

Q = 5.0 tNl-rnin-n (u8 = 5.45x10"2Cms-1])'

i i l i t i i l i i i i l l i i i l i t t i l i i l i l i i i i l i i t i l i i i l l i i i i l i i i i l t i i i M i t i l i i i i l i i i i l i i i i l i i i i l n i i l i m l i i i i l i i i i l i i i l l m i l i i i i

100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500

A t i [ s i

Fig. 4.10 1-(1-X ) 1 ' 3 Versus At. of DIAION SK IB at Temperature of 650°C,

and Bed Velocity of 1.64 x 10~2 5.45 x 10~ m's - 1

'Where, At. is the time required for combustion of X., which is

the overall extent of reaction.

-50-

JAERI-M 90-075

098765432

1な

aaaな

0

0

0

Q = 1.5 [NL'min・1](Ua = 1.64 x 10・2tm's叶1)

Q = 3.0 INl'min・1)[uB=3.27 x 1σ2[m.s・111

Q = 2.5 (Nl'min-1]

(ua= 2.73 x 1σ2[m.♂1)

Q = 2.0 [Nl.min'・1)(us= 2.18 x 10・2[m.♂1)

1.0 I 0.9

0.8 0.7

Q = 3.5 [NL 'min-1J (Ua:;: 3.82x 10'・2[m・5"))

Q = 4.0 [Nl'min-1]

(uB=4.36x10・2[m・5"1)

f() 、、

.-0.6 x 0.5

0.4 0.3

0.2

0.1

nvGdQU7・氏VRUA守弐

d

つ」

18

1aoooooooo

Q :: 4.5 [NL'min'・11(UB= 4.91 x 10・2[m・5"1)

Q = 5.0 {Nl.miri・1](u~=5.45x 1O'2[m's・'])

1/3 Fig・4.10 1ー (1-Xi)~I~ Versus ~ti of DIAION SK 1B at Temperature of 650oC，

-2 _ _._ __-2 -1 and Bed Velocity of 1.64 x 10 -~ 5.45 x 10 -m's

[前ere，Atiis the time叩叫ん山はい Xi，油凶 i5]

the overa11 extent of reaction. )

-50ー

JAERI-M 90-075

-1.80

-1.85

-1.90

-1.95

-2.00

-2.05

-2.10

-2.15

-2.20

-2.25

-2.30

- i i < i | • i i i | i i i i | i i i i | i i i i | i i i i | i i i i | i i i i | i i i i | i i i i _

•i i i i I i i I i I i i i l I l r i i I i i i i I i i i i I i i i i I i i i i I i i i i I I i i i-

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

Q [ N l - m i l f 1 ]

1 ' ' ' i I ' ' I ' l ' i I ' I i i i i i i i i i 1 i i i • i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

Un X 102 [ m - S - 1 ]

Fig. 4.11 log k Versus u_ of DIAION SK IB at Temperature of 650°C, a p B -2 -1

and Bed Velocity Below 5.45 x 10 m«s

Where, u is the bed velocity, and K is the apparent

reaction rate constant.

-5 1 -

JAERI-M 90-075

一1.80

-1.85

-1.90

-1.95

-2.00 L-.J

-2.05 EE2 L -

よ.:::

01 -2.10 o --'

-2.15

-2.20

-2.25

-230 O E 1.5 2.0

Q

2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

[NL'min-1}

1I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I '-1 I L I I I I

o 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

U B X 102 [ m・c1}

Fig. 4.11 10g k~_ Versus u百 ofDIA工ONSK 1B at Temperature of 650oC，

ap tl _ ~-2 -1 and Bed Velocity Below 5.45 x 10 -m・s

(陥仇 UBisぃ…1山，山 is the a山 ntap

reaction rate constant.

-51ー

5.0

JAERI-M 90-075

300 i 1 r

DIAION SKN1

i i r

/r

- / ^

DIAION SK IB

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Wj [g]

1.0

0.9

_ 0.8

^ 0 . 7 to ^ _ 0.6 : * 0.5

r i 11 | i i i i | i i i i | M i i | i i \V\ i i i

DIAION SKN 1

kaP=1.253x10"2(S"1)

• ' ' 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

I M I | I M I | I I I I | I I I I | I I | P | I I I I

DIAION SK 1B

kap= 1.254 x10"2(S"1)H

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 250

Ati IS)

Fig. 4.12 Comparison of Apparent Reaction Rate Constant of DIAION SKN 1

a*id DIAION SK IB at Temperature of 650°C, and Bed Velocity of * -2 -1 5.45 x 10 m-s x

- 5 2 -

]AERI-M 90-075

300

250

200 (f)

150

50

DIAION SKN 1 DIAION SK 18

...-

100

O O 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Wj [g]

0

9

8

7

6

5

4

3

2

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

一1〕{一

〉

〈

lF)lF

同¥F

DIAION SKN 1

kop= 1.253 x 10・2(S-1) DIAION SK 18

kop= 1.254 x 10圃 2{S・1)

O o 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 250

LH i [S]

Fig. 4.12 Comparison of Apparent Reaction Rate Constant of DIA工ONSKN 1

a~d DlAION SK lB at Temperature of 650oC， and Bed Velocity of ~ .~-2-1 5.45 x 10 -m's

-52-

JAERI-M 90-075

-I-

DIAION SAN 1

-i 1 1 r

•nz -i- -I-I- "

J£T

DIAION SA10A

J L 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Wi [gl

i i i i | 11 i i | i i i i | I i y->\ I I I I | I I I I 1.0 0.9

_ 0.8 ^ 0.7

jo 0.6

"*~ 0.5 x , 0.4

— 0.3 J- 0.2

0.1 Q Q I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

DIAION SAN 1 kQp=1.506x10"2[s-i]

I I I I I I I I I I I I I I I I I I/O | M I I I I I I I

DIAION SA I0A kap=1.506x10"2[s-n-

i ' 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 M 11111

0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 250

Atj [ s ]

Fig. 4.13 Comparison of Apparent Reaction Rate Constant of DIAION SAN 1

and DIAION SA 10A at Temperature of 650CC, and Bed Velocity of

5.45 x 10~2m^s_1

-53-

300

250

..-. 200 ιn

--150 ..-

100

50

。

1.0

0.9

0.8

0.7 』 幽d

0.6

ー0.2

0.1

O 0.2

]AERI-M 90・075

DIAION SAN 1

0.4 0.6 0.8 1.0 。Wi [g 1

DIAION SAN 1 kap= 1.506x 10・2[s四 1]

/亙~I-I­/亙

亙

DIAION SA 10A

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

DIAION SA 10A kop= 1. 506 x 10-2 [5-1]

o~， ， ， ， ，，' ， ， ，，' ， ， " l' ， ，，' ， 1" ， ， ， o 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 250

dtj [S)

Fig. 4.13 Comparison of Apparent Reaction Rate Constant of D工AIONSAN 1

回 dDIA工ONSA lOA at Temperature of 650oC， and Bed Velocity of -2 -1

5.45 x 10 -m-s

-53-

F—i—r

300

200

100

300

200

100

0

i r

r1

=1 823 [K] (550 t°C])

J L

\^1 M'

948[KJ t (675 [°CD

i r

/ I' • / •

i i &

873 IK] (600 [°CJ]

r?

J L

I -rS z-1

I 973 IK J (700I°C]J

/ ^ *z* 898 IK] (625 [°CD

\r

- SL n tr J_

J I

998 IK] (725 I t ] )

J I I L.

1 l :

a<" .p*r

923 IK] (650[°Ci;

J L

: =©= / w -r JL- JSr

1023 CK1 (750 ('CD

J I 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Wi [gl

4.14 t. Versus W of DIAION SK IB at Temperature of 550 * 750°C, and Air Flow Rate of 5.0Nl-min

Where, W. is the weight of the resins fed to the incinerator, and t. the time

for complete combustion.

-1

> Pi w

CO o I o in

/~r Y

300

200

923 [K] (650 (oCIJ

873 [K 1 (600 (OC J)

823 [Kl (550[t])

100

』〉開

mTZCOSO吋印

明/五戸

亙.，...r・L

/ :fii:

/:r~t-I-1023 [KI (750 (tJ)

998(KI (725 (tl)

Lム

1

刈

.

/

.

例

代

TId--4i5

.

/

.

山

州

U

亙

11

/

Tillφムピ'

O

300

200

{

ω

]

-ー-・-l

uhl

100

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 O 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

[g ]

。1.0

Wi

0.2 0.4 0.6 0.8 O 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 O O

ti

Ve電SUS wi

of DIAION SK 1B at Tempeτature of 550 ~ 750oC， and Air F10w Rate of 5.0N1・m1n-1

〔kre，ぃ…ight…………for comp1ete combustion.

Fig. 4.14

JAERI-M 90-075

I

J- 1.0-

M 1111111111111111111 I l l I [ 11111111I I I

100 200 300 At i [Si

.1/3 F ig . 4.15 1-U-X ) ' Versus At. of DIAION SK IB a t Temperature of

550 ^ 750°C, and Air Flow Rate of 5.ONl-min"1

Where, At. i s the time required for combustion of X.,

which i s the overa l l extent of r e ac t i on .

- 5 5 -

JAERI-M 90・075

0

8

6

4

2

1anuaa

823 [K] (550 [OC])

873 [K 1 (600 ['t 1l

1.0

0.8 F四ー，

0.6 ‘-"

/ 898 [K]

/ 午H、3 923 [K]

(625 [OC 1) (650 [OC])

ヌ 0.2

O

‘---1.0

0.8

0.6

/ 948[Kl / 973[Kl (675 [oC1l (700 [OCl 1

0.2

O

1.0

0.8

0.6

/ 998 [K 1 ~/ 1023[Kl (725 [oC 1) (750 [oCl)

0.2

s1 i

Fig・4・15 1-(1ーも)1/3Ve四usati of D工AIONSK 1B at Temperature of

550 ~ 750oC， and Air Flow Rate of 5.0Nl.min -

〔陥ere，at1ist-ne叩 redfor c山口on円， J which is the overall extent of reaction. )

-55ー

F—i—i—i—r

300

200

100

~- IT Jr -3E -isr -sr

300^-

200

100

0

823 [K] (550 [°CD

i i i

z I"

\ * > *

Jt -3f -I-948 IK1 (675 i°c:

i—i—i—i—r

& -r _£—2E-

873[Kl (600 [°C1]

J I L

IS

z *< v^-

3r jSr -I-

973 IK) (700[°C1)

i i L_

i—i—r i F

i *rl •-i-

898 [K] (625 I°C1)

J I I L

: S; / lr *&

^3Sr~Y

998tK) (725 [°C11

J I ( L

1 r

•I' -J-I--J 923[Kl (650 I t 1)

i ' >

: ^

z L

,1- JC- -I- -5-:

1023 CK] (750 I t ! )

J I L_ 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Wi (gl

Fig. 4.16 t Versus W. of DIAION SAN 1 at Temperature of 550 <\, 750°C, and Air Flow Rate of 5 .ONl-min"

Where, W. is the weight of the resins fed to the incinerator, and t, the time

for complete combustion.

200E-亙/霊_][-A玉/亙:___r.JII..玄~j[- E/E/EFE--EF /I-I-Iー亙/

823 [Kl 873[KJ (550 [OC1) (600 [OC]) (625 [OC)} (650 [OC])

CI)

'-〉

-・-trl ::0 炉・・・

。0、3 a: 位。Eコ

Eコ

20時 r/4TJEJ亙-I-EEJJE--JAA 〓 r99l8rIKEl -〓:I........r-I-.亙J

ーミu、

刊はl fJ m lkl J 1023Ml t 00 J1 i'6?v5 L[~~ 1 ) T( t;ovO削 ! t725 [~~l) ~I (1750 [~21)

Fig. 4.16

ハUno nu 戸。ハU

AH.

nv nf』ハvnu

nU 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

W i (g]

ti Versus W

i of DIAION SAN 1 at Temperature of 550 ~ 750oC， and Air Flow Rate of 5.0Nl・min-1

[ぃ，ぃ…ight…一sfed to the in…叫町一me]

for complete combustion.

JAERI-M 90-075

1111 111 11 |i i 11) 1111 j 1111 1111 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ' i n 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

823 IK] (550 ft!)

873[Kl (600 f t 1)

Q>W< ii l i i 11 l i i i i h i ii 11 i ii I n 111 n u l l i i igi i n I n I I I n 111 n i t i n 11 I n u l i n i l l i n

898 IK] (625 [°C1)

923EK] (650 [°C]) J

pf i n l i M i l i i . n l n n i l i n L I I i l l n n l i i i I 0 I I I i l l m h n i h i l i I n n l I I n i l 11 i l i I | I

— i.o h I

- 0.8 0.6

0.4

0.2

0

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

948[K] (675 [°C]}

pf 11111111111 11111 1111 1111111111 n 11111 t ^ i I I 111111111111111111 n I m 11111111111

973 CK1 (700 l°Cl) J

998 [K] (725 i°cn

1023 IK] (750 l°Cl)

' " 11 n i 111 i i 1111 1111 11111 11111 11 111 i i ipTi 11 11111 111 11111 I I 11 I 111 n I 111 I 1111 I 11

0 100 20O 300 0 100 200 300

Ati Is]

Fig. 4.17 1-(1-X.)1/3 Versus At. of DIAION SAN 1 at Temperature of -1

550 'v 750°C, and Air Flow Rate of 5.0Nl«min

Where, At. is the time required for combustion of X., l x

.which is the overall extent of reaction.

•57-

]AERI巴 M 90-n75

0

8

6

A

2

4Enunυnunu OQi:1，， 111 "1，， ，， 111 !l1!lIIII!ltl"t.J""，

823[Kl (550 [OC ])

873[Kl (600 [OC})

1.0

0.8

I 0.6

0.4 ro 、、VL、0.2

x U

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

O

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

O O

898[Kl (625 [OC])

923[Kl (650 (OC])

948[Kl (675 [oCl)

973 fK 1 (700 (OCll

998 [K] (725 (oCl )

1023 {Kl (750 (OC])

100 200 300 0 100

LHi [S]

200 300

1/3 Fig. 4.17 1-(1-Xi)~'J Versus dt

i of DIA工ONSAN 1 at Temperature of

550 ~ 750oC， and Air Flow Rate of 5.0Nl ・min~

〔mere，at11shiIII-e山 dfor ω …of Xi， ] which i8 the overall extent of reaction. ~

-57ー

JAERI-M 90-075

O JH1

O

-1.70

-1.75

-1.80

-1.85

-1.90

-1.95

-2.00

-2.05

-2.10

-2.15

T i i i i i i r "i i i | i i i i ] i i i i | i i i r

-2.20

DIAION SAN1 -&-

DIAION SK IB

j . i > i I i i i i I i i 1_1 I 1_I 1 1_J I_L

0.95 1.00 1.05 1.10 1.15

T"1 x 103 [ K _ 1 ]

i i i i 1.20 1.25

Fig. 4.18 Arrhenius Plot of DIAION SK IB and DIAION SAN 1 at

Air Flow Rate of 5.0Nl-min

-58-

ー1.70

ー1.75

-1.80

ー1.85

，ー・『

-1.90 ‘剛嗣J・Q. 。

-1.95 .とζ

01 -2.00 。

-・4

-2.05

-2.10

-2.15

-2.20 0.95 1.00

]AER ト M 90-075

1.25 1.05 1.1 0 ー1__ .，，3 T I X 10

RJV

-E--a-

a、.. V

A

P--』

1.20

Fig. 4.18 Arrhenius P10t of DIAION SK 1B and DIA工ONSAN 1 at

Air F10w Rate of 5.0N1・minl

-58-

JAERI-M 90-075

250

200

150

100

50

0

250

200

150

100

50

0

250

200

150

100

50

0

- j j ! j p

T -—'° o^" -J-

IA Q = 5.5 CNL-min"1] {uF=3.49x10-2[m-s-«])

J I

i r

Q = 6.0 INl-min-M (uF = 3.8tx10~2[m-r1])

Q=6.5 [NL-min"'] {UF = 4.I3X10~2 [m-s-'D

Q = 7.0[NL-min-n (uF=4.44x10~2[m-s-1])

.at ' i I-- I"

3?

'- %

.3L" P^'^

J I J L

0 = 8.0tNl -mir r 1 ] (uF = 5.08x10"z [m-s"1])

x<~ ar ^E-

-2- -£-0*9.0 INl-mi i f1 ] (uF=5.71x10_z [m-s'1])

J^ 3 * -g = ^ 0 = 10.0 CNL-min-1]

(UF=6.35xlO"2[rn-s-»]).

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0,6 0.8 1.0

Wj l g ]

Fig. 4.19 t. Versus W. of DIAION SK IB at Temperature of 650°C, 1 1 - 2 - 1 and Free Board Velocity Above 3.49 x 10 m-s

'Where, W. is the weight of the resins fed to the incinerator,

> and t. the time for complete combustion.

-59-

JAERト M 90-075

250

200

150

100

50

。250

200

v)

..... 150

申ー

100

50

。250

200

150

100

50

Q=5.5 [Nl'min・1](UF = 3.49 X 10-2 [m's→])

Q=6.5[NL'min叶]( UF = 4.13 x 10・Z [m's-I])

Q = 7.0 [NL 'min叶 1(UF= 4.44 X 10-2 [m.s叶])

帝 __ 1--1-亙...，.-'ー

亙/"

Q = 8.0 [Nl'min・1]

(uF=5.08x 10'・2[m・5・， ) )

相 __ I--~亙J亙/一

一J

Q = 9.0 [Nl.min-1]

(UF= 5.71 x 10・2 [m's・'1)

r 亙て=コ豆ー/づ金::--=tf):-

~耳石= 10.0 [NL'min-'] (UF = 6.35xlO-2 [m・s・'])

O o 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0，.6 0.8 1.0

Wj [g]

Fig. 4.19 t~ Versus WJ of D工AIONSK lB at Temperature of 650oC， i . ----- ""i -2 -1

and Free Board Ve10city Above 3.49 x 10 -m.s

〔… い … ight … … 白倒即…dれ山t凶。 … and tJ the time for complete combustion.

一59-

J A E R I - M 9 0 - 0 7 5

11 11 | i n i | i i i i 11 i i i | i i i i | i i i i

Q = 5.5 LNl-rain"1] (uF=3.49x10~* [m-s-'D

I I ! I | I I I' I | I M I | I I I I | I I I I | I I I I

Q = 6.0[ | \ l l -mirr ' ] (uF=3.81x10~* [rn-s-ni

I I I I I I I I | ' ' • * ' ' ' ' I ' ' ' ' * ' ' ' <r{l ' I I I I I I I I I ' ' 1 I I I I I I I I i i I I i I I

Q =6.5 tNl-min" ' ] (uF= 4.13x10"* [rrvs-'])

Q=7.0 INl-min - 1 ] {uF

s4.44x10~*[m-sr,n

I i i i i I i i i i I i i I i I I i ' ' I ' ' i I ^ / I i i i I i i T i 1 i i i i I i i i i I i i i i I i i i i

Q = 8.0 tNL-min"13 luF= 5.08x10"* trn-s"'])

Q = IO.0[Nl-min_1] ' (uF = 6.35x10"* [m-s^]]-

Q=9.0[M-min"1 ] ' (uF= 5.71x10"* Cm-s-'])-

i i i 1 I I I i I r i I I I i i | I I i i I i I i i i i j ^T I I i I I I I I I I I I i I I I • I I i i I i I I I r I

50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 250 At j [ s i

, 1 / 3 F i g . 4 . 2 0 1 - ( 1 - X . ) ' V e r s u s At . o f DIAION SK IB a t Temperature o f 1 1 - 2 - 1

650°C, and Free Board Velocity Above 3.49 x 10 m-s

Where, At. is the time required for combustion of X.,

which is the overall extent of reaction.

-60-

JAERI-M 90-075

1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5 0.4 0.3 0.2

Q = 5.5 [Nl'min・1](uF::3.49xl0・2[m's-I])

Q = 6.0 fNL 'min・1](UF= 3.81 x 10・2[m's・11)

O. t O

..， 1.0

...... 0.9 Fー、。、

0.8

x 0.7 0.6

0.5

0.4 0.3

0.2

Q = 6.5 [Nl' min・11(UF::: 4.13 x 10・2[m's・1])

Q = 7.0 lNl' min-'J (UF = 4.44x 10・2[m's'・1])

0.1 o P1 ， ， 11 I "J， 1 Llll 1 11111， ， 1， 1 11

1.0 0.9

0.8 0.7

0.6

0.5

0.4 0.3

0.2

0.1 rn

Q = 8.0 lNL 'min-I] (UF= 5.08x 10'・2tm's・11)

Q = 10.0 [Nl.min-1l (uF=6.35xlO・2[m・s・I]J

Q = 9.0 [Nl' min-1] (uF=5.7txtO'・2(m's・'1)

oYi ， II I ， I II I I I Ll I '-1 11 J ， ， 1 II I I o 50 100 150 200 250 0 50

[ s ] 100 150 2∞250

Fig. 4.20

LH i

1/3 l-(l-X~)-'~ Versus ~t~ of DIA工ONSK lB at Temperature of i' . ----- --i

-2 -1 6500C， and Free Board Ve10city Above 3.49 x 10 -m.s

(hre，at11s the time叫 redfor 叫

which is the overa11 extent of reaction. )

-60ー

JAERI-M 90-075

5 0 0 ^

400

0 =3.0 ENL-rnin"1] (uF=1.90x10~2 tm-s"1])

- 1 -- 2 - r£T -w—

r- 3 E ' r **^

0 =3.5 (Nl -mir r ' l (uF=2.22x1CT2 [m-s-U!

.3n- *fc" -311— -=

Q = 4.0 [Nl-min"1] (uF=2.54x10"Mm-s-n)

Q=4.5 CNL-mfn-1] (uF=2.86x10 -2 [m-s"1])

-j£- - 1 - -31- _JE-

2H-- £ - -3E- £ " " - i

I a c ^

J L

0 = 5.0 CNl-min"1] (uF=3.17x10"2 [m-s-n)

0 =5.5 tNl-min"1 ] luF=3.49x10~2 [m-s-'D

-3SC- -I- -J 1- -3n-_ u _ •=

E :©:' am-

J L 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Wi [g]

Fig. 4.21 t Versus W of DIAION SAN 1 at Temperature of 650°C, - 2 - 1

and Free Board Velocity Above 1.90 * 10 m-s

Where, W. is the weight of the resins fed to the incinerator,

.and t. the time for complete combustion.

- 6 1 -

v)

-・-

500

400

300

200

100

500

O

400

300

1∞

jAERI-M 90-075

0=3.0 [NL'min喧 I]

(UF= 1.90x 10-2 [m's・11)

:m

-r_・r 亙.---亙ーー亙..--~

o ::: 4.0 [Nl'min-'] (UF= 2.54 x 10・2[m's-tl)

一一-~五戸戸ー豆一一叫「 ー

Q = 5.0 [Nl・min-'](UF= 3.17 x 10・2[m's・1])•

~~亙，ー亙ー-1一本--~

0::: 3.5 [Nl'min・11(U

F= 2.22 x 10・Z(m・s・111

~--

0=4.5 [NL'min-'] (UF = 2.86 x 10・2[m's叶])

71<"_・-耳.......-一

Q ::: 5.5 [Nl'min-1]

(UF = 3.49 x 10喧 2[m's・t])

戸戸戸

:1%):'

=_JII-lII-~~

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2

Wi [g]

Fig. 4.21 t~ Versus W~ of DIAION SAN 1 at Temperature of 650oC， i . -----""i -2 -1

and Free Board Ve10city Above 1.90 x 10 -m's

〔mere:W11s山叫 Ofthe resins fed tothe incinerator，j and t.， the time for comp1ete combustion. )

-61-

J A E R I - M 90-075

250 F_

200

150

100

50

0

250

200

CO

— 150

100

50

0

250

200

150

100

50

0

i r

Q = 6.0[NL-min-1l •x -2 i (Up = 3.81x10'[m-s-U)

: Q = 6.5[Nl-min-t] : (uF = 4.13x10"2[m-s-1])

J T ^ 1 -

. 2 '

J I J I

Q = 7.0 CNl-min"1] (uF = 4.44x10"2[m-s"1])

j r ^ i - 1 -

r. Q =9.0 [Nl-min-1]

E (uF=5.71x10"2[m-s-1l)

J L

. jE--31- -I- . 1 -

31'

i r

Q=8.0[Nl-min_1l (uF = 5.08x10"2[m-s~1]}

JST -&

-3S— ~

=»

J I

Q = 10.0 INl-min-1] (uF=6.35x10~2 tm-s"1! )

_ar- -331-

-au* . 3 1 '

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Wi [gl

F i g . 4 . 2 1 (Cont inued)

- 6 2 -

250

200

150

100

50

O

250

200

cn

- 150

-・-100

50

O

250

200

150

100

50

]AERr-M 90-075

Q = 6.0 [NL. min-11

(uF=3.81xl0圃 2[m's-1])

，./ 亙

T __ l--・亙-~正

Q = 7.0 [NL'min-1]

(UFヰ4.44x 10・2[m's-t])

t〆l--~­，./一

:m:

Q = 9.0 [Nl. min-1]

(UF= 5.71 X 10-2 [m・s-'])

耳

」五---1-目玉ー亙r

~

Q = 6.5 [Nl'min-I]

(uF=4.13xl0・2[m's-1])

」亙--~­，./一

主主

Q = 8.0 [Nl'min・1]

r. uF = 5.08 x 10・，2[m' s-11)

Q = 10.0 [Nl'min-1] (UF= 6.35x10・2[m・5-11)

豆

_lIt_:xtt-ー

---事〆 / ザ

。o 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

W i [ 9 1

Fig. 4.21 (Continued)

-62-

05

CO

00

/ rr

H- o

3*

H-

in

rt

XT

(0

O < (I) l-(

w

H

H» m

X

rr

n>

rt

rt

n

Hi

rt ro

m

o

rt

H- n r> \

...

v § CD

rt

CD

•* > rr H

- H-

CO

rt

XT

C

O

rt

H- 3 ro

rt

(D

J3 c H- rt

fi>

D-

l-h

O

rt o

o

3 &

CO

rt

o

3 O

l-h

X _/

ON

o o

o %•

o>

3 a.

*i rt

ro

(D

w

u

0)

rt

O. < (D h

* O

r>

H-

rt

VJ > O"

o

< (l> M • VO

o

X

h> o 1

H 1

•~\

M 1 X

r1- s-x H

l < CD

rt

CO

c CO

> rt -*• o

l-h

U

M > H O 3 w > si

H

Hi

rt

H 3 CD

N)

rt

3 • CO 1

» rt C

rt

H1 C

D

o

00

00

00

00

0—

o

- ro

w

A

bi

b)

N

bo I

D

b O

Q-

1 -

(1-X

j)1

/3

[-1

op

pp

pp

pp

pT

-o

'-* r

o O

J 4^

bi

b)

-NI o

o io

o

oo

oo

op

op

p—

o

^ ro

O

J j

* en

b>

->i b

o co

b

T—

i—r

.£>

o

O

Ol

O o

—.

o N

3

i _

•— • d

i

4 1

> PJ

S3

CD

O

I O

~

4 O

i jAERI-M 90-075

1.0 0.9 0.8 0.7

Q = 3.0 [N l'min-1J (uF=1.90xl0・2[m's-'l)

Q =3.5 (Nしmin-11(UF= 2.22 x 10・2[m's-'])

0987654

42nunuハU

ハU

ハU

ハυ

1

}

X

I

同

¥

Q = 4.0 [NL'min-1]

(UF = 2.54x 10・2[m's・IIJQ = 4.5 [Nl. min-t]

(UF = 2.86 x 10・2[m.s叶])

Q = 5.0 [NL. min-q (UF = 3.17 x 10-2 !m's-1])

Q = 5.5 (NL'min-'l (UF芋3.49x 10・2lm.s・1])

100 200 300 400 500

Mi [S]

1/3 Fig. 4.22 1-(1-Xi)~/J Ver5U5 ot

i of DIA工ONSAN 1 at Temperature of

-2 -1 6500C， and Free Board Ve10city Above 1.90 x 10 ~m.s

〔mere，ati山 et知 e叩 redfot' co蜘… ofXi， ]

which i5 the overa11 extent of reaction. )

no no

JAERI-M 90-075

I I I I | I I I I j I I I I j I I U | I I I i | I I i

C^e-OEMl-mirr'] (uF = 3.81x10"2[m-s-1l)

' ' ' i I i i i i I i i i i I i i i i I i i i i I i r i i

I ' I I | I I I I | I l I I | I i I I [ | I I I | I I I I

0 = 6 . 5 [Nl-mirf1] [uF = 4.i3xlO"2[m-s-1])"

i i i i 11 i 11 11 11111 11 11 111 111 111

Q = 7.0 [ N l - m i r f 1 ] (UFB4.44x10''t[m-s-,n

0 = 8.0 [Nl-mir f 1 ] _ (uF=5.08x10"2[m-s-'l)

l I l I l l I I I i l l l I I l I l I i i l i I I l l lA i l i i I I I I l I i l l i I I I l I I l i i i I I i l I

Q = 9.0 CNl-min-M uF = 5.71 x10"2[m-s-'])

Q = 10.0 CNL-raitr'L (uF = 6.35xlO"2[m-s-'])

l I I I I l I I I I I I I I I I I 1 I I I I I I I I i j l I I I I I I I l I I I l I I I I I I I I I I 1 I Ll I.L

50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 250

A t i [ S i

Fig . 4.22 (Continued)

- 6 4 -

1.0

0.9

0.8

0.7

0.6 0.5

0.4 0.3

0.2

0.1 O

1.0 0.9

f'f) 0.8 、、0.7

x 0.6 0.5

0.4 0.3

0.2

O. t O

1.0

0.9

0.8 0.7

0.6 0.5

0.4 0.3

0.2

]AERI-M 90-075

Q = 6.0 [NL 'min-'] (uF=3.81x 10・2[m・s-'))

21111 t 1 t 1 111 111111111 t 1111111

Q = 7.0 [Nl'min-1)

(UF = 4.44 x lO-z[m's-l) 1

11 1 1 1 1 1 1 1 1 LLI 11 1 1 1 1 1 1 1 LI LLI 1 1

Q = 9.0 [N l. m in-11 (uF=5.71 xl0・2[m's-I))

1 1 11111111 1 L 1111 III 111 '-1 1 LI 1 1

o 50 100 150 200 250 0

st i

50

[5 ]

Fig. 4.22 (Continued)

-64-

Q = 6.5 [NL・min-t](UF = 4.13 x 10"・2[m's叶))

Q = 8.0 (Nl'min-1]

(uF=5.0Bxl0・2[m's・'))

Q = t 0.0 [N l . m i n-1

(UF = 6.35x 10-2 (m's・'])

100 150 200 250

I I I i I I I ) I ) I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I .

DIAION SK IB

•i r i i I i i i i I i i i i I i t i i I i i i i I i • i i I t i i i I i i i i I i i i i I i i t i I i i i i I i , r i I i i i t I i i i r

3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 Q tNl-min* 1]

I ' ' ' ' I ' ' ' ' L _ J 1 l — I I 1 1 L _ J — I I I 1 l _ I I f I I I I r i I I I i f i I I r I

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6,0 u Fx 10

2 tm-s"1} Fig. 4.23 log k versus u„ of DIAION SK IB and DIAION SAN 1 at Temperature of

aP F _2 -1

650°C, and Free Board Velocity Above 1.90 x 10 m-s

Where, u is the free board velocity, and K is the apparent

..reaction rate constant.

> Pi w

CO o I o -J en

-1.50

い〉朋HNHlg

co

』。4印

6.0 6.5 7.0 7.5 Q [Nt'min-11

3.5 4.0 4.5

UF X 102 ( m. c1}

108LEap versus UFOf DIA工ONSK 1B and DIA工ONSAN 1 at Ternperature of ー2 -1

6500C， and Free Board Ve10city Above 1.90 x 10 -m・s

1-:":4 :-~

-¥ .55

-1.60

ー1.70

-1.80

-2.10 3.0

ー1.90

-1.95

-2.00

-2.05

-1.65

-1.75

ー1.85

{1] aov-0') 。

10ml

LLL 6.0

l.-.J. 」ム」

5.5 I-.J. L..lー」

5.0 」よ」

3.0 L-.L L-L.t

2.5 Lムム」

2.0

4.23 Fig.

「Ill--J

ゐ

ιn

e

r

a

ny

nr a

e

.H +L

S

・1and K ap (陥仇 u

Fis the ω 。…叩，

reaction rate constant.

JAERI-M 90-075

5- la m

&5„fi£oT, &«&iggp©fflj§fc:$fc:&$, M & ^ t f i ^ S l c k y - S uBf &UML, ETFOWen-

Yu o S ; J : 0 * * 5 a ^ M i © J t R * ? f o A : o

, u»f» (/"/(dpPf)H(33.72+0.0408Ar)l'2-33.7] (3.10)

it (3.10) J; *)#;££ umf li, HaiJI i i^^—g[*^U. #55 # * fr - ^ T y rLfcSE©

c n i D , n^^-v , i -f ^-y^^^f l§©' i i^sf i>( i , i ^ t i f e 65oocjet±T?*"x«flfirt^sr f£!&fc«fc»)#S&*l3C4i£:iSigLA:o Sfc, 7 'J --+* - K SB #*«£&* 3.36 xio-'m-s-' «fc

0 ^ S < f 5 4 . *x©ffl tf tfJL#®g£ttS££*ffiSLfc. £U:,fcD, -f*v£Sl$Ig©

SSS&JBttHSlciJ^-c;, xx£«#§S£$-y : t t^ iHE&#£ LT, #&£«?• *R8Hprtffl& 650

°C, £i£ilg4.91 xi0-2m's- I«±, 7 >) - * * - KSBtfxflEig 3.36 x 10-2m- s-'JHTi^fco

SE.IC *PI*3SK650oC, ^igiiS5.45 xiO-'m-s-'JCt-^Sfil-fd-yiJAcXIg-f^ySSSi

-tsiiBic*fts^i6>tf©R^;jiffije»k.p'i LT, -en-e"n7.25 xio-2, 8.71 xio-2£7#T:fci9,

5aiBL*f#A:o kap' Aw

2 t = l - ( l )"3 (4.68) 3(1000w)"3 ' w

*&$BH^x*©»£ffi©ffllB*Wttlc Lfc±T?, ftfcJiRJSfiPJcfcy-saM£&#©ffilS£?f •=

TV < 7'5£T-&5o

- 6 6 -

JAERI-M 90-075

5. 結 ~ 面問

酸化銅触媒を備えた・流動庖式焼却炉にてイオン交換樹脂の効率的処理を行うに当たっては，

流動層部および触媒反応部それぞれについての処理能力を把握しておくことが重要となる。流

動層部からのススの飛び出し量が触媒反応部における処理能力を上回るときには，必然的にス

スの抑制は不可能となる。従って，まず流動層部における処理能力を把握し、触媒反応部への

入力条件を明確にしておく必要がある。

今回の実験では，流動層部におけるイオン交換樹脂の燃焼速度の把握を主眼とした。流動層

去百を取り扱う上で，まず主[Jっておかなければはらない前要な肉子は夜勤化開始速度 Urnfで

ある。従って，燃焼速度の把握 lと先立ち，常温および高温における Umfを実視11し，以下のWen-

Yuの式より求まる理論値との比較を行った。

Urr.f = (μ/ (dp P r))( ( 33.72 + 0.0408 Ar )1/2 - 33.7) ( 3.10)

式(3.10) より求まる Umfは，実測値と良い一致を示し，本式がスケー Jレアップした装置の

設計に適用できるととを確認した。

乙れを受け，重量を変えた既知量のイオン交換樹脂を定温状態iと保たれた流動層内lζ投じ，

反応生成ガスである二酸化炭素の発生時間を測定することにより，燃焼速度の把握を行った。

乙れより，陽イオン，陰イオン交換樹脂の燃焼反応は，いずれも 6500C以上でガス境膜内物質

移動により律速されることを確認した。また， フリ一ポ一ド部カガ-ス流速を 3.36x 1叩0-→2m.s-寸.

り大きくすると'ススの飛び出しが顕著となる ζとを確認した。以上より.イオン交換樹脂の

流動層燃焼において，ススを極力発生させない運転条件として，熱分解・燃焼炉内温度 650

。C，空塔速度 4.91x 1Q-2m・S-1以上， フリーボード部ガス流速 3.36x 10-2m・S-1以下を得た。

さらに，炉内温度 6500C，空塔速度 5.45X 10-2 m. S-1における陽イオンおよび陰イオン交換

樹脂に対する見かりの反応速度定数kap'として，それぞれ 7.25x 10ーヘ 8.71x1O-2を得ており，

乙れを用いるととにより，スケールアップした装置における総括反応速度を次式にて評価でき

る見jffiしをf尋た。

ムwt=l-(.1-ー一一)川

3(1000w)1川、 W

nv a

bh ( 4.68)

しかし，上式の適用範囲は，熱分解・燃焼炉内におけるイオン交換樹脂濃度が飽和iζ遣する

までであるため，乙の上限値を把握しておく乙とが重要となる。

今後の実験では，上記飽和点におりるイオン交換樹脂濃度を把握し，連続供給時における供

給樹脂量とススの発生畳の相関を明確にした上で，触媒反応部における運転条件の把握を行っ

ていく予定である。

-66ー

J A E R I - M 90-075

if n

- 6 7 -

JAERI-M 90・075

議I 百平

本実験の遂行lと当たり，滋励下さった日本原子力研究所大洗研究所管理部大久保義春部長，

栗原正義主任研究員および肱射性廃棄物処理課阿部昌義課長代理に厚く感謝の意を表します。

-67-

JAERI-M 90-075

# % -& m

1) 5 "B Is, IKffljt& : - fe&ttefifgMS&tffcKI-f 5 W ^ M ^ ", 8c5££M3!IBtf&

Hiffi, JfcSC ( 1 9 8 3 ) .

2 ) & M H B , ^F!ig3fc, SUSJEfS : " t t & « # l c ± 5 > f * : ' £ » # 8 g © « m ! i a CSBlfR

S8£S*il)" . J A E R I - M , 88-008 ( 1988).

3 ) fcUSJffllig. ¥BB 8S, #P5 . |B5C, SIJSiEII : " ftfe&«&K: «fc 3 4 * v £ S l ® § § © M M

S ( S S 2 f g ^ v * * $ - - ; i / a K ) " , J A E R I - M , 88-233 ( 1988).

4 ) " *' 4 + 4 -t v : D l A I ON 1 ± v$i&m% • Sf&mnM •*• -- - r ^ [ I ] " , H S f t

5 ) g f t t t H f g : "mftVrmUk&WiAfl S 2 i " , I ^ l l f t ^ ? t J £ * ( i 9 8 2 ) .

&8sEI8t*S;&tfc, M ( 1 9 6 8 ) .

7 ) Matsuda M., Funabashi K., Yasu ft : J . Nucl. Sci. Technol., 24 C 2 ] , 124 ( 1987 ) .

8 ) Matsuda M.. Funabashi K., Nishi T.. Yasu H. : Nucl. Technol.. 75, 187 (1986) .

9) m&m±: " 7 ° 7 X f 7 ^ « t t " , &g.£&xmm&£, mm ci985). io) m K, m mm, M M • "«s»B©R£i#*',i*s;£tfcJsai&. m«ui984). 11) Daizo Kunii, Octave Levenspiel .' " Fluidization Engineering ", John Wiley &

Sons, Inc., New York ( 1969 ) .

12) &# m: " - M J J J I " . w&'m±, &m (1982). 13) ft#i3*t8£*B: "it^n^mm-, iiM^tt, ms ci988j. 14) Ergun, S. : Chem. Eng. Prog., 48. 89( 1952).

15) Wen, C. Y., Y. h. Yu : A. I. Ch. E. J., 12, 610 ( 1966 ) .

i6) •*, ium (R.) , nm, #&: it&x&mxm, ± , 557(1980). 17) Julian Szekely, James W. Evans, Hong Yong Sohn : "Gas-Sol id Reactions",

Academic Press, New York ( 1976 ) .

i8) m*$&fe: 'R&xrn', «c s^ t t ^®«r . mm ci988). 19) E. Wicke : Symp. Combust., 5 th p . 254. Van Nostrand-Reinhold, Princeton,

New Jersey ( 1955 ) .

20) P. L.Walker, J r . , F. Rusinko, Jr . , L . G . A u s t i n : A a ^ . \ . Catal., H , 133 ( 1959 ) .

21) E . E . P e t e r s e n : "Chemical Reaction Analysis " , Chapter 4 . Prentice-Hall .

Englewood Cliffs, New Jersey ( 1965 ).

22) E. E. Petersen : A. I . Ch. E. J. , _3_, 443 ( 1957).

23) K. Hashimoto, P. L. Silveston : A. I . Ch. E. J., .19, 268 ( 1973) .

- 6 8 -

]AERI‘M 90-075

参考文献

1 ) 天沼 健 ，底回貞弘放射性廃棄物処理処分iζ関する研究開発ヘ株式会社産業技術

出版，東京(1983 ).

2 ) 矢幡胤昭，寺門範充，栗原正義触媒燃焼によるイオン交換樹脂の滅容処理(第 l報

基礎試験)ヘ JAERI-M， 88-008 (1988).

3 ) 矢幡胤昭，平田 勝，寺門箱充，栗原正義触媒燃焼によるイオン交換樹脂の誠容処

理(第 2報 ベンチスケール試験)n， JAERI-M， 88-233 (1988).

4 ) “々、イヤイオン:D 1 A 1 ON 1オン交換樹脂・合成吸着剤マニ A アル [1]"，三主化

成工業株式会社(私信).

5 ) 長崎誠三編..熱分析実験技術入門第 2報ぺ真空理工株式会社，東京(1982).

6 ) ウェズレイ WM. ウェンランド著，笛本和雄，柳田博明，高橋洋一共訳..熱的分析法九

産業図書株式会社，東京(1968).

7 ) Matsuda M.， Funabashi K.， Yasu H. : J. Nuc1. S ci. Technol.， 24 [ 2 ]， 124 ( 1987 ).

8 ) Matsuda M.. Funabashi K.. Nishi T.. Yasu H. : NucI. TechnoL 75. 187 (1986).

9 ) 喜多信之プラスチックの燃焼性ヘ株式会社工業調査会，東京 (1985).

10) 鞭 巌，森滋勝，堀尾正靭..流動層の反応工学ヘ株式会社培風館，東京く 1984).

11) Daizo Kunii， Octave Levenspiel :“ Fluidization Engineering ヘJohn Wiley &

Sons， Inc.， New York ( 1969).

12) 白井 隆涜動居科学技術社，金沢(1982).

13) 化学工学協会編化学工学便覧丸善株式会社，東京(1988 ) .

14) Ergun， S. : Chem. Eng. Prog.， 48， 89( 1952).

15) Wen， C. Y.， Y. h. Yu : A. 1. Ch. E. J.， 12， 610 ( 1966).

16) 洪，山崎 (R.) ，高橋，神保:化学工学論文集， ..&..' 557 ( 1980 ) .

17) Jll1ian Szekely， James W. Evans， Hong Yong Sohn : "Gas-Solid Reactions"，

Academic Press， New York ( 1976 ).

1B) 橋本健治:“反応工学ヘ株式会社培風館，東京(1988) .

19) E. Wicke : Symp. Combust.， 5 th p. 254. Van Nostrand-Reinhold， Princeton，

New J ersey ( 1955) .

20) P. L. Walker， Jr.， F'. Rusinko， Jr.， L. G. Austin : Aa~'...\. Catal.，..!l， 133 ( 1959).

21) E. E. Petersen : .. Chemical Reaction Analysis'¥Chapter 4. Prentice一Hall.

Englewood Cliffs， New Jersey (1965).

22) E. E. Petersen : A. 1. Ch. E. J. ，~， 443 ( 1957).

23) K. Hashimoto， P. L. Silveston : A. 1. Ch. E. J.， 19， 268 ( 1973).

-68-