Кипящий слой

Старейшая электростанция, использующая технологию кругового кипящего слоя, в Люнен , Германия.

Псевдоожиженный слой — это физическое явление, которое возникает, когда твердое вещество в виде частиц (обычно присутствующее в резервуаре) находится в правильных условиях и ведет себя как жидкость . Обычный способ создания псевдоожиженного слоя — это закачивание жидкости под давлением в частицы. Полученная среда обладает многими свойствами и характеристиками обычных жидкостей, например, способностью свободно течь под действием силы тяжести или перекачиваться с использованием жидкостных технологий.

Возникающее в результате явление называется псевдоожижением . Кипящий слой используется для нескольких целей, таких как реакторы с псевдоожиженным слоем (типы химических реакторов ), разделение твердых веществ, ^[1] каталитический крекинг в псевдоожиженном слое , сжигание в псевдоожиженном слое , тепло- или массоперенос или модификация поверхности раздела, например, нанесение покрытия на твердые предметы. . Этот метод также становится все более распространенным в аквакультуре для производства моллюсков в интегрированных мультитрофических системах аквакультуры. ^[2]

Характеристики

Псевдоожиженный слой состоит из жидко-твердой смеси, проявляющей свойства жидкости. Таким образом, верхняя поверхность слоя относительно горизонтальна, что аналогично гидростатическому поведению. Слой можно рассматривать как гетерогенную смесь жидкости и твердого тела, которую можно представить единой объемной плотностью.

Кроме того, объект с более высокой плотностью, чем слой, будет тонуть, тогда как объект с более низкой плотностью, чем слой, будет плавать, таким образом, можно считать, что слой демонстрирует поведение жидкости, ожидаемое в соответствии с принципом Архимеда . Поскольку «плотность» (фактически объемная доля твердых частиц суспензии) слоя может быть изменена путем изменения фракции жидкости, объекты с различной плотностью по сравнению со слоем могут быть вызваны изменением либо жидкой, либо твердой фракции. тонуть или плавать.

В псевдоожиженном слое контакт твердых частиц с псевдоожижающей средой (газом или жидкостью) значительно усиливается по сравнению с насадочными слоями . Такое поведение в псевдоожиженном слое сгорания обеспечивает хороший перенос тепла внутри системы и хороший теплообмен между слоем и его контейнером. Подобно хорошей теплопередаче, которая обеспечивает тепловую однородность, аналогичную однородности хорошо перемешанного газа, слой может иметь значительную теплоемкость, сохраняя при этом однородное температурное поле.

Приложение

Кипящий слой используется как технический процесс, который способен обеспечить высокий уровень контакта между газами и твердыми веществами. В псевдоожиженном слое можно использовать характерный набор основных свойств, необходимых для современного процесса и химического машиностроения. Эти свойства включают в себя:

• Чрезвычайно большая площадь контакта между жидкостью и твердым телом на единицу объема слоя.
• Высокие относительные скорости между жидкостью и дисперсной твердой фазой.
• Высокий уровень перемешивания дисперсной фазы.
• Частые столкновения частица-частица и частица-стенка.

Возьмем пример из пищевой промышленности: псевдоожиженный слой используется для ускорения замораживания в некоторых туннельных морозильных камерах индивидуальной быстрой заморозки (IQF) . Эти туннели с псевдоожиженным слоем обычно используются для обработки небольших пищевых продуктов, таких как горох, креветки или нарезанные овощи, и могут использовать криогенное или парокомпрессионное охлаждение . Жидкость, используемая в псевдоожиженном слое, также может содержать жидкость каталитического типа; вот почему его также используют для катализа химической реакции, а также для повышения скорости реакции.

Кипящий слой также используется для эффективной массовой сушки материалов. Технология псевдоожиженного слоя в сушилках повышает эффективность, позволяя суспендировать всю поверхность сушильного материала и, следовательно, подвергать его воздействию воздуха. При необходимости этот процесс также можно комбинировать с нагревом или охлаждением в соответствии со спецификациями применения.

История

В 1922 году Фриц Винклер впервые применил псевдоожижение в реакторе для процесса газификации угля . ^[3] В 1942 году был построен первый циркулирующий псевдоожиженный слой для каталитического крекинга минеральных масел , а в конце 1940-х годов технология псевдоожижения была применена к металлургической обработке (обжигу арсенопирита ). ^{[4] [5]} За это время теоретические и экспериментальные исследования улучшили конструкцию псевдоожиженного слоя. В 1960-х годах компания VAW-Lippewerk в Люнене, Германия, построила первый промышленный слой для сжигания угля, а затем для обжига гидроксида алюминия.

Типы псевдоожиженного слоя

Типы пластов можно грубо классифицировать по их поведению потока, в том числе: ^[6]

• Стационарный псевдоожиженный слой или псевдоожиженный слой из частиц — это классический подход, при котором используется газ с низкими скоростями, а псевдоожижение твердых частиц является относительно стационарным, с захватом некоторых мелких частиц.
• При барботажном псевдоожиженном слое (также называемом агрегатным псевдоожиженным слоем) скорости жидкости высоки, что приводит к образованию двух отдельных фаз - непрерывной фазы (плотная или эмульсионная фаза) и прерывистой фазы (бедная или пузырьковая фаза).
• Циркулирующие псевдоожиженные слои (ЦКС), в которых газы имеют более высокую скорость, достаточную для удержания слоя частиц из-за большей кинетической энергии жидкости. По этой причине поверхность слоя менее гладкая, и из слоя могут быть унесены более крупные частицы, чем в случае стационарных слоев. Захваченные частицы рециркулируются через внешний контур обратно в слой реактора. В зависимости от процесса частицы могут быть классифицированы с помощью циклонного сепаратора и отделены от слоя или возвращены в него в зависимости от размера фракции частиц.
• Вибрационные псевдоожиженные слои аналогичны стационарным слоям, но добавляют механическую вибрацию для дальнейшего возбуждения частиц для увеличения уноса.
• Транспортный или флэш-реактор (FR): при скоростях выше, чем CFB, частицы приближаются к скорости газа. Скорость скольжения между газом и твердым телом значительно снижается за счет менее однородного распределения тепла.
• Кольцевой псевдоожиженный слой (AFB): большое сопло в центре барботажного слоя вводит газ с высокой скоростью, достигая зоны быстрого смешивания над окружающим слоем, сравнимой с той, которая находится во внешнем контуре CFB.
• Реактор с механически псевдоожиженным слоем (MFR). Механическая мешалка используется для мобилизации частиц и достижения свойств, аналогичных свойствам хорошо перемешанного псевдоожиженного слоя. Он не требует псевдоожижающего газа. ^[7]
• Узкие псевдоожиженные слои (NFB). В этом случае соотношение диаметров трубки и зерна равно или меньше примерно 10. В этом случае динамика слоя отличается от других типов псевдоожиженных слоев из-за сильных эффектов ограничения, и характерно наличие зернистых пробок, состоящих из областей с высокими концентрациями твердых веществ, чередующихся с низкими концентрациями твердых веществ. ^{[8] [9] [10]}

Дизайн кровати

Схема псевдоожиженного слоя

Базовая модель

Когда через насадочный слой проходит жидкость, падение давления жидкости примерно пропорционально поверхностной скорости жидкости . Для перехода от насадочного слоя к псевдоожиженному состоянию скорость газа постоянно повышают. Для отдельно стоящего слоя будет существовать точка, известная как минимальная или начальная точка псевдоожижения, в которой масса слоя удерживается непосредственно под действием потока жидкости. Соответствующая скорость жидкости, известная как «минимальная скорость псевдоожижения», . ^[11] ${\displaystyle u_{mf}}$

За пределами минимальной скорости псевдоожижения ( ) материал слоя будет подвешен газовым потоком, и дальнейшее увеличение скорости будет оказывать меньшее влияние на давление из-за достаточной просачивания газового потока. Таким образом, падение давления относительно постоянно. ${\displaystyle u\geq u_{mf}}$ ${\displaystyle u>u_{mf}}$

У основания сосуда кажущийся перепад давления, умноженный на площадь поперечного сечения слоя, можно приравнять к силе веса твердых частиц (за вычетом плавучести твердого вещества в жидкости).

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

где:

${\displaystyle \Delta p_{w}}$падение давления в пласте

${\displaystyle H_{w}}$высота кровати

${\displaystyle \epsilon _{w}}$- пористость слоя, т.е. доля объема слоя, занятая пустотами (жидкими пространствами между частицами)

${\displaystyle \rho _{s}}$- кажущаяся плотность частиц слоя

${\displaystyle \rho _{f}}$плотность псевдоожижающей жидкости

${\displaystyle g}$это ускорение свободного падения

${\displaystyle M_{s}}$общая масса твердых веществ в слое

${\displaystyle A}$площадь поперечного сечения кровати

Группы Гелдарта

В 1973 году профессор Д. Гелдарт предложил объединить порошки в четыре так называемые «группы Гелдарта». ^[12] Группы определяются по их расположению на диаграмме разницы плотностей твердой и жидкой фаз и размера частиц. Методы проектирования псевдоожиженного слоя могут быть адаптированы на основе группировки частиц по Гелдарту: ^[11]

Группа А. Для этой группы размер частиц составляет от 20 до 100 мкм, а плотность частиц обычно составляет менее 1,4 г/см ³ . До начала фазы кипящего слоя слои этих частиц расширяются в 2–3 раза при зарождающейся псевдоожижении из-за пониженной объемной плотности. Эту группу используют в большинстве слоев с порошковым катализом.

Группа B. Размер частиц составляет от 40 до 500 мкм, а плотность частиц - от 1,4 до 4 г/см ³ . Пузырьки обычно образуются непосредственно в начале псевдоожижения.

Группа C. Эта группа содержит чрезвычайно мелкие и, следовательно, наиболее связные частицы. Эти частицы размером от 20 до 30 мкм псевдоожижаются в очень трудно достижимых условиях и могут потребовать применения внешней силы, такой как механическое перемешивание.

Группа D. Частицы в этой области имеют размер более 600 мкм и обычно имеют высокую плотность частиц. Псевдоожижение этой группы требует очень высоких энергий жидкости и обычно связано с высоким уровнем абразивного истирания. К таким твердым веществам относятся сушка зерна и гороха, обжарка кофейных зерен, газификация углей, а также обжиг некоторых металлических руд, и их обработка обычно осуществляется в неглубоких слоях или в фонтанном режиме.

Распределитель

Обычно газ или жидкость под давлением поступает в резервуар с псевдоожиженным слоем через многочисленные отверстия через пластину, известную как распределительная пластина, расположенную в нижней части псевдоожиженного слоя. Жидкость течет вверх через слой, вызывая взвешенное состояние твердых частиц. Если подача жидкости отключена, слой может оседать, уплотняться на пластине или стекать через пластину. На многих промышленных станинах вместо распределительной пластины используется распределитель-распределитель. Затем жидкость распределяется по ряду перфорированных трубок.

Смотрите также

• Циклонная сепарация - метод разделения газов и твердых частиц.
• Псевдоожижение - Принципы и теория псевдоожижения.
• Сжигание в псевдоожиженном слое . Применение псевдоожиженного слоя для сжигания.
• Реактор с псевдоожиженным слоем - Применение псевдоожиженного слоя в реакционных химических процессах.
• Концентратор с псевдоожиженным слоем – применение псевдоожиженного слоя для удаления ЛОС/HAP из промышленных выхлопов.
• Эксплуатация подразделения – Прочие операции инженерного подразделения
• Химическое петлевое сжигание – применение двойного псевдоожиженного слоя

Рекомендации

1. Пэн, З.; Мохтадери, Б.; Дорудчи, Э. (2017), «Простая модель для прогнозирования распределения концентрации твердых веществ в псевдоожиженных слоях бинарных твердых жидкостей», AIChE Journal , 63 (2): 469:484, doi :10.1002/aic.15420
2. Ван, Дж. К., 2003. Концептуальный проект системы рециркуляции устриц и креветок на основе микроводорослей. Аквакультурная инженерия 28, 37-46
3. Грейс, Джон Р.; Лекнер, Бо; Чжу, Джесси; Ченг, Йи (2008), «Кипящий слой», в Клейтоне Т. Кроу (редактор), Справочник по многофазным потокам , CRC Press, стр. 5:71, дои : 10.1201/9781420040470.ch5, ISBN 978-1-4200-4047-0, получено 4 июня 2012 г.
4. Управление коммуникаций (3 ноября 1998 г.), Реактор с псевдоожиженным слоем: Батон-Руж, Луизиана (pdf) , Американское химическое общество , получено 4 июня 2012 г.
5. Грейс; Лекнер; Чжу; Ченг, с. 5:75 {{citation}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )
6. Технология псевдоожижения , Outotec , май 2007 г. , получено 4 июня 2012 г.
7. Чаудхари, Митеш К., «Влияние контакта жидкость-твердое тело на термический крекинг тяжелых углеводородов в реакторе с механически псевдоожиженным слоем» (2012). Электронный репозиторий диссертаций и диссертаций. Документ 1009. http://ir.lib.uwo.ca/etd/1009.
8. Куньес, Флорида; Франклин, Э.М. (2019). «Режим пробки в кипящем слое воды в очень узких трубках». Порошковая технология . 345 : 234–246. arXiv : 1901.07351 . Бибкод : 2019arXiv190107351C. doi :10.1016/j.powtec.2019.01.009. S2CID  104312233.
9. Куньес, Фернандо Давид; Франклин, Эрик М. (март 2020 г.). «Имитация инверсии слоев в псевдоожиженном слое твердого тела и жидкости в узких трубках». Порошковая технология . 364 : 994–1008. arXiv : 1912.04989 . doi : 10.1016/j.powtec.2019.09.089. S2CID  209202482.
10. Куньес, Фернандо Давид; Франклин, Эрик М. (01 августа 2020 г.). «Кристаллизация и заклинивание в узких кипящих слоях». Физика жидкостей . 32 (8): 083303. arXiv : 2007.15442 . Бибкод : 2020PhFl...32h3303C. дои : 10.1063/5.0015410. ISSN  1070-6631. S2CID  220871672.
11. Холдич, Ричард Грэм (1 ноября 2002 г.), «Глава 7: псевдоожижение» (PDF) , Основы технологии частиц , Midland Information Technology & Publishing, ISBN 978-0-9543881-0-2, получено 4 июня 2012 г.
12. Гелдарт, Д. (1973). «Виды псевдоожижения газа». Порошковая технология . 7 (5): 285–292. дои : 10.1016/0032-5910(73)80037-3.

Внешние ссылки

• Видео: Жидкостно-твердый псевдоожиженный слой
• Технология псевдоожиженного слоя Министерства энергетики США – обзорный веб-сайт
• Информационный бюллетень NETL Министерства энергетики США