Łóżko wodne - Fluidized bed

Najstarsza elektrownia wykorzystująca technologię okrągłego złoża fluidalnego w Lünen w Niemczech

Złożem fluidalnym jest zjawisko fizyczne, występującą gdy pewną ilość stałych substancji stałych (zwykle obecny w statku posiadającego) umieszcza się w odpowiednich warunkach, które powodują Mieszanina stała / ciecz zachowywać się jak ciecz . Uzyskuje się to zwykle przez wprowadzenie płynu pod ciśnieniem przez ośrodek w postaci cząstek. Powoduje to, że medium ma wtedy wiele właściwości i właściwości normalnych płynów, takich jak zdolność do swobodnego przepływu pod wpływem grawitacji lub pompowanie przy użyciu technologii płynów.

Wynikające z tego zjawisko nazywa się fluidyzacją . Złoża fluidalne są wykorzystywane do kilku celów, takich jak reaktory ze złożem fluidalnym (typy reaktorów chemicznych ), separacja ciał stałych, fluidalny kraking katalityczny , spalanie w złożu fluidalnym , przenoszenie ciepła lub masy lub modyfikacja rozdziału faz, np. Nakładanie powłoki na elementy stałe. Technika ta staje się również coraz bardziej powszechna w akwakulturze do produkcji skorupiaków w zintegrowanych multitroficznych systemach akwakultury.

Nieruchomości

Złoże fluidalne składa się z mieszaniny płynno-stałej, która wykazuje właściwości podobne do płynu. W związku z tym górna powierzchnia złoża jest stosunkowo pozioma, co jest analogiczne do zachowania hydrostatycznego. Złoże można uznać za niejednorodną mieszaninę cieczy i ciała stałego, którą można przedstawić za pomocą pojedynczej gęstości nasypowej.

Ponadto obiekt o gęstości większej niż złoże tonie, podczas gdy obiekt o gęstości niższej niż złoże będzie pływać, a zatem można uznać, że złoże wykazuje właściwości płynne, których oczekuje się w przypadku zasady Archimedesa . Ponieważ „gęstość” (w rzeczywistości udział objętościowy zawiesiny ciała stałego) złoża można zmienić poprzez zmianę frakcji płynnej, obiekty o różnych gęstościach w porównaniu do złoża mogą być spowodowane zmianą frakcji płynnej lub stałej. tonąć lub unosić się na wodzie.

W złożach fluidalnych kontakt cząstek stałych z medium fluidyzacyjnym (gazem lub cieczą) jest znacznie zwiększony w porównaniu ze złożami upakowanymi . Takie zachowanie w fluidalnych łożach spalania umożliwia dobry transport ciepła wewnątrz systemu i dobre przenoszenie ciepła między złożem a jego zbiornikiem. Podobnie jak przy dobrym przewodzeniu ciepła, który zapewnia jednorodność cieplną analogiczną do dobrze wymieszanego gazu, złoże może mieć znaczną pojemność cieplną przy zachowaniu jednorodnego pola temperaturowego.

Podanie

Złoża fluidalne są stosowane jako proces techniczny, który ma zdolność promowania wysokiego poziomu kontaktu między gazami i ciałami stałymi. W złożu fluidalnym można wykorzystać charakterystyczny zestaw podstawowych właściwości, niezbędnych w nowoczesnych procesach i inżynierii chemicznej, do których należą:

Niezwykle duży kontakt powierzchniowy między płynem a ciałem stałym na jednostkę objętości złoża
Wysokie prędkości względne między płynem a zdyspergowaną fazą stałą.
Wysoki poziom wymieszania fazy cząstek stałych.
Częste zderzenia cząstek i ścianek cząstek.

Biorąc przykład z przemysłu spożywczego: złoża fluidalne są używane do przyspieszania zamrażania w niektórych indywidualnie szybko zamrażanych tunelach zamrażalniczych (IQF) . Te tunele ze złożem fluidalnym są zwykle używane do małych produktów spożywczych, takich jak groszek, krewetki lub pokrojone warzywa, i mogą wykorzystywać chłodzenie kriogeniczne lub kompresyjne . Płyn stosowany w złożach fluidalnych może również zawierać płyn typu katalitycznego; dlatego jest również używany do katalizowania reakcji chemicznej, a także do poprawy szybkości reakcji.

Złoża fluidalne są również używane do wydajnego suszenia materiałów luzem. Technologia złoża fluidalnego w suszarniach zwiększa wydajność, umożliwiając zawieszenie całej powierzchni suszonego materiału, a tym samym wystawienie go na działanie powietrza. W razie potrzeby proces ten można również łączyć z ogrzewaniem lub chłodzeniem, zgodnie ze specyfikacją aplikacji.

Historia

W 1922 roku Fritz Winkler dokonał pierwszego przemysłowego zastosowania fluidyzacji w reaktorze do procesu zgazowania węgla . W 1942 roku, pierwszy krążącego złoża fluidalnego zbudowany dla krakingu katalitycznego w olejach mineralnych z technologią fluidalnym zastosowano do obróbki metalurgicznej (prażenia arsenopirytu ) pod koniec 1940 roku. W tym czasie badania teoretyczne i eksperymentalne doprowadziły do udoskonalenia konstrukcji złoża fluidalnego. W latach 60-tych VAW-Lippewerk w Lünen w Niemczech wdrożył pierwsze złoże przemysłowe do spalania węgla, a później do kalcynacji wodorotlenku glinu.

Typy ze złożem fluidalnym

Typy łóżek można zgrubnie sklasyfikować według ich zachowania przepływu, w tym:

Stacjonarne lub rozdrobnione złoże fluidalne jest klasycznym podejściem, w którym stosuje się gaz przy małych prędkościach, a fluidyzacja ciał stałych jest względnie stacjonarna, z porwanymi drobnymi cząstkami.
W przypadku fluidyzacji pęcherzykowej (zwanej również złożem fluidalnym agregującym), prędkości płynu są duże, tworząc w ten sposób dwie oddzielne fazy - fazę ciągłą (faza gęstej lub emulsyjnej) i fazę nieciągłą (faza uboga lub bąbelkowa).
Krążące złoża fluidalne (CFB), w których gazy mają większą prędkość wystarczającą do zawieszenia złoża cząstek, z powodu większej energii kinetycznej płynu. W związku z tym powierzchnia łóżka jest mniej gładka, a większe cząstki mogą być porywane ze złoża niż w przypadku łóżek stacjonarnych. Uwięzione cząstki są zawracane przez zewnętrzną pętlę z powrotem do złoża reaktora. W zależności od procesu, cząstki można klasyfikować za pomocą separatora cyklonowego i oddzielać od złoża lub zawracać do niego, w zależności od wielkości cząstek.
Wibracyjne złoża fluidalne są podobne do stacjonarnych, ale dodają wibracje mechaniczne w celu dalszego wzbudzenia cząstek w celu zwiększenia ich porywania.
Reaktor transportowy lub błyskawiczny (FR): Przy prędkościach większych niż CFB cząstki zbliżają się do prędkości gazu. Prędkość poślizgu między gazem a ciałem stałym jest znacznie zmniejszona kosztem mniej jednorodnej dystrybucji ciepła.
Pierścieniowe złoże fluidalne (AFB): Duża dysza w środku złoża pęcherzykowego wprowadza gaz z dużą prędkością, osiągając strefę szybkiego mieszania nad otaczającym złożem, porównywalną do tej znajdującej się w zewnętrznej pętli CFB.
Reaktor fluidalny mechanicznie (MFR): Mieszadło mechaniczne jest używane do mobilizacji cząstek i uzyskania właściwości podobnych do dobrze wymieszanego złoża fluidalnego. Nie wymaga gazu fluidyzacyjnego.
Wąskie złoża fluidalne (NFB): W tym przypadku stosunek średnicy rury do ziaren jest równy lub mniejszy niż około 10. Dynamika złoża różni się wówczas od innych typów złóż fluidalnych z powodu silnych efektów uwięzienia, oraz powszechna jest obecność ziarnistych czopów składających się z obszarów o wysokim stężeniu ciał stałych na przemian z niskimi stężeniami ciał stałych.

Projekt łóżka

Schemat złoża fluidalnego

Model podstawowy

Kiedy przez wypełnione złoże przepływa płyn, spadek ciśnienia płynu jest w przybliżeniu proporcjonalny do powierzchniowej prędkości płynu . Aby przejść ze złoża upakowanego do stanu fluidalnego, prędkość gazu jest stale zwiększana. W przypadku wolnostojącego złoża będzie istniał punkt zwany minimalnym lub początkowym punktem fluidyzacji, w którym masa złoża jest zawieszana bezpośrednio przez przepływ strumienia płynu. Odpowiedni prędkość płynu, znany jako „minimalną prędkość fluidyzacji” . ${\ displaystyle u_ {mf}}$

Powyżej minimalnej prędkości fluidyzacji ( ), materiał złoża zostanie zawieszony przez strumień gazu, a dalszy wzrost prędkości będzie miał mniejszy wpływ na ciśnienie, dzięki wystarczającej perkolacji przepływu gazu. Zatem spadek ciśnienia dla jest względnie stały. ${\ displaystyle u \ geq u_ {mf}}$ ${\ displaystyle u> u_ {mf}}$

U podstawy naczynia pozorny spadek ciśnienia pomnożony przez pole przekroju poprzecznego złoża można przyrównać do siły ciężaru cząstek stałych (pomniejszonej o wypór ciała stałego w płynie).

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

gdzie:

${\ displaystyle \ Delta p_ {w}}$ to spadek ciśnienia w złożu

${\ displaystyle H_ {w}}$ to wysokość łóżka

${\ displaystyle \ epsilon _ {w}}$ jest pustką w złożu, tj. ułamkiem objętości złoża zajmowanym przez puste przestrzenie (przestrzenie płynowe między cząstkami)

${\ displaystyle \ rho _ {s}}$ jest pozorną gęstością cząstek złoża

${\ displaystyle \ rho _ {f}}$ jest gęstością płynu fluidyzacyjnego

${\ displaystyle g}$ to przyspieszenie ziemskie

${\ displaystyle M_ {s}}$ to całkowita masa ciał stałych w złożu

${\ displaystyle A}$ to pole przekroju poprzecznego łóżka

Geldart Groupings

W 1973 roku profesor D. Geldart zaproponował grupowanie proszków w cztery tak zwane „Grupy Geldarta”. Grupy są zdefiniowane poprzez ich lokalizację na wykresie różnicy gęstości ciała stałego i cieczy oraz wielkości cząstek. Metody projektowania złóż fluidalnych można dostosować w oparciu o grupowanie cząstek metodą Geldarta:

Grupa A Do tej grupy, której wielkość cząstek wynosi od 20 do 100 um, a gęstość cząstek wynosi zazwyczaj mniej niż 1,4 g / cm ³ . Przed zapoczątkowaniem fazy bąbelkowania złoża tych cząstek będą się rozszerzać 2 do 3 razy w początkowej fazie fluidyzacji, ze względu na zmniejszoną gęstość nasypową. Większość łóżek katalizowanych proszkowo wykorzystuje tę grupę.

Grupa B Wielkość cząstek wynosi od 40 do 500 µm, a gęstość między 1,4–4 g / cm ³ . Bąbelki zwykle powstają bezpośrednio w początkowej fazie fluidyzacji.

Grupa C Ta grupa zawiera niezwykle drobne, a co za tym idzie, najbardziej spójne cząstki. Przy wielkości od 20 do 30 µm cząstki te ulegają fluidyzacji w bardzo trudnych do osiągnięcia warunkach i mogą wymagać zastosowania siły zewnętrznej, takiej jak mieszanie mechaniczne.

Grupa D Cząstki w tym obszarze mają powyżej 600 µm i zwykle mają dużą gęstość. Fluidyzacja tej grupy wymaga bardzo wysokich energii płynów i jest zwykle związana z wysokim poziomem ścierania. Suszenie ziaren i grochu, prażenie ziaren kawy, zgazowanie węgli i niektóre prażone rudy metali to takie ciała stałe, które są zwykle przetwarzane w płytkich warstwach lub w trybie tryskaczowym.

Dystrybutor

Zwykle gaz lub ciecz pod ciśnieniem wpływa do naczynia ze złożem fluidalnym przez liczne otwory poprzez płytę zwaną płytą rozdzielacza, umieszczoną na dnie złoża fluidalnego. Płyn przepływa w górę przez złoże, powodując zawieszenie cząstek stałych. Jeśli płyn wlotowy zostanie zablokowany, złoże może osiąść, upchnąć się na płycie lub spłynąć przez płytę. Wiele łóżek przemysłowych używa dystrybutora zraszaczy zamiast płyty dystrybutora. Płyn jest następnie rozprowadzany przez szereg perforowanych rurek.

Zobacz też

Separacja cyklonowa - metoda separacji gazów i cząstek stałych
Fluidyzacja - Zasady i teoria fluidyzacji
Spalanie w złożu fluidalnym - Zastosowanie złóż fluidalnych do spalania
Reaktor ze złożem fluidalnym - Zastosowanie złóż fluidalnych do reaktywnych procesów chemicznych
Koncentrator ze złożem fluidalnym - Zastosowanie złóż fluidalnych do usuwania LZO / HAP z przemysłowych spalin
Operacja jednostki - Inne operacje jednostki inżynierskiej
Spalanie w pętli chemicznej - zastosowanie podwójnego złoża fluidalnego

Languages

In other projects