Флюидизация (или псевдоожижение ) — это процесс, аналогичный сжижению , при котором гранулированный материал преобразуется из статического твердого состояния в динамическое жидкое состояние. Этот процесс происходит, когда текучая среда ( жидкость или газ ) проходит через гранулированный материал.
Когда поток газа вводится через дно слоя твердых частиц, он будет двигаться вверх через слой через пустые пространства между частицами. При низких скоростях газа аэродинамическое сопротивление каждой частицы также мало, и, таким образом, слой остается в фиксированном состоянии. При увеличении скорости силы аэродинамического сопротивления начнут противодействовать силам гравитации, заставляя слой расширяться в объеме по мере того, как частицы удаляются друг от друга. При дальнейшем увеличении скорости она достигнет критического значения, при котором силы сопротивления вверх будут точно равны силам гравитации вниз, заставляя частицы взвешиваться внутри жидкости. При этом критическом значении слой считается псевдоожиженным и будет демонстрировать жидкостное поведение. При дальнейшем увеличении скорости газа объемная плотность слоя будет продолжать уменьшаться, и его псевдоожижение станет более интенсивным до тех пор, пока частицы не перестанут образовывать слой и не будут «перенесены» вверх потоком газа.
При псевдоожижении слой твердых частиц будет вести себя как жидкость, как жидкость или газ. Как вода в ведре : слой будет соответствовать объему камеры, его поверхность останется перпендикулярной гравитации ; объекты с меньшей плотностью, чем плотность слоя, будут плавать на его поверхности, подпрыгивая вверх и вниз, если их толкать вниз, в то время как объекты с большей плотностью будут опускаться на дно слоя. Жидкостное поведение позволяет транспортировать частицы как жидкость, направляемую по трубам , не требуя механического транспорта (например, конвейерной ленты ).
Упрощенным примером каждодневного использования псевдоожиженного слоя газа и твердого тела может служить аппарат для приготовления попкорна с горячим воздухом . Зерна попкорна , все довольно однородные по размеру и форме, находятся подвешенными в горячем воздухе, поднимающемся из нижней камеры. Благодаря интенсивному перемешиванию частиц, подобному перемешиванию кипящей жидкости, это обеспечивает равномерную температуру зерен по всей камере, сводя к минимуму количество сгоревшего попкорна. После лопания более крупные частицы попкорна сталкиваются с повышенным аэродинамическим сопротивлением, которое выталкивает их из камеры в чашу.
Этот процесс также играет ключевую роль в формировании песчаного вулкана и структур выхода жидкости в отложениях и осадочных породах .
В большинстве случаев применения псевдоожижения используется одна или несколько из трех важных характеристик псевдоожиженного слоя:
В 1920-х годах был разработан процесс Винклера для газификации угля в псевдоожиженном слое с использованием кислорода. Он не имел коммерческого успеха.
Первой крупномасштабной коммерческой реализацией в начале 1940-х годов стал процесс каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем (FCC) , [1] который превращал более тяжелые нефтяные фракции в бензин . Богатый углеродом « кокс » откладывается на частицах катализатора и дезактивирует катализатор менее чем за 1 секунду . Частицы псевдоожиженного катализатора перемещаются между реактором с псевдоожиженным слоем и горелкой с псевдоожиженным слоем, где отложения кокса сжигаются, вырабатывая тепло для эндотермической реакции крекинга.
К 1950-м годам технология псевдоожиженного слоя стала применяться в минеральных и металлургических процессах, таких как сушка, прокалка и обжиг сульфидов .
В 1960-х годах несколько процессов с псевдоожиженным слоем значительно снизили стоимость некоторых важных мономеров . Примерами являются процесс Sohio для акрилонитрила [2] и процесс оксихлорирования для винилхлорида [3] . Эти химические реакции являются высокоэкзотермическими, а псевдоожижение обеспечивает равномерную температуру, сводя к минимуму нежелательные побочные реакции, и эффективную передачу тепла к охлаждающим трубкам, гарантируя высокую производительность.
В конце 1970-х годов процесс псевдоожиженного слоя для синтеза полиэтилена резко снизил стоимость этого важного полимера , сделав его использование экономичным во многих новых приложениях. [4] Реакция полимеризации генерирует тепло, а интенсивное перемешивание, связанное с псевдоожижением, предотвращает появление горячих точек, где частицы полиэтилена могли бы плавиться. Похожий процесс используется для синтеза полипропилена .
В настоящее время большинство процессов, которые разрабатываются для промышленного производства углеродных нанотрубок, используют псевдоожиженный слой. [5] Arkema использует псевдоожиженный слой для производства 400 тонн/год многослойных углеродных нанотрубок. [6] [7]
Новое потенциальное применение технологии псевдоожижения — химическое петлевое сжигание , которое пока не коммерциализировано. [8] Одним из решений для снижения потенциального влияния углекислого газа, образующегося при сжигании топлива (например, на электростанциях ), на глобальное потепление является секвестрация углекислого газа . Регулярное сжигание с воздухом производит газ, который в основном состоит из азота (так как он является основным компонентом воздуха, около 80% по объему), что препятствует экономичному секвестрированию. Химическое петлевое сжигание использует оксид металла в качестве твердого носителя кислорода . Эти частицы оксида металла заменяют воздух (в частности, кислород в воздухе) в реакции горения с твердым, жидким или газообразным топливом в псевдоожиженном слое, производя твердые металлические частицы из восстановления оксидов металлов и смеси углекислого газа и водяного пара , основных продуктов любой реакции горения. Водяной пар конденсируется, оставляя чистый углекислый газ, который может быть секвестрирован. Твердые металлические частицы циркулируют в другой псевдоожиженный слой, где они реагируют с воздухом (и снова, в частности, с кислородом в воздухе), выделяя тепло и окисляя металлические частицы до частиц оксида металла, которые рециркулируются в камеру сгорания псевдоожиженного слоя. Похожий процесс используется для получения малеинового ангидрида путем частичного окисления н-бутана, причем циркулирующие частицы действуют как катализатор и переносчик кислорода; чистый кислород также вводится непосредственно в слой. [9]
Почти 50% кремния в солнечных элементах производится в псевдоожиженных слоях. [8] Например, металлургический кремний сначала реагирует с газом силана . Газ силана термически расщепляется в псевдоожиженном слое затравочных частиц кремния, и кремний осаждается на затравочных частицах. Реакция растрескивания является эндотермической, и тепло подается через стенку слоя, обычно изготовленную из графита (чтобы избежать загрязнения металлом полученного кремния). Размер частиц слоя можно контролировать с помощью струй истирания. Силан часто предварительно смешивают с водородом, чтобы снизить риск взрыва протекшего силана в воздухе (см. силан ).
Псевдоожижение жидкость-твердое вещество имеет ряд применений в технике [10] [11] Наиболее известным применением псевдоожижения жидкость-твердое вещество является обратная промывка гранулированных фильтров водой. [12] [13]
Флюидизация имеет множество применений с использованием ионообменных частиц для очистки и обработки многих промышленных жидких потоков. Такие отрасли промышленности, как производство продуктов питания и напитков, гидрометаллургия, смягчение воды, катализ, биохимия и т. д. используют ионный обмен в качестве критического шага в обработке. Традиционно ионный обмен использовался в насадочном слое, где предварительно очищенная жидкость проходит вниз через колонну. Большая работа была проделана в Университете Западного Онтарио в Лондоне, Онтарио, Канада, по использованию непрерывной системы псевдоожиженного ионного обмена, названной «Жидко-твердый циркулирующий псевдоожиженный слой» (LSCFB), недавно названной «Циркуляционный псевдоожиженный ионообмен» (CFIX). Эта система имеет широкое применение, расширяя использование традиционных ионообменных систем, поскольку она может обрабатывать потоки с большим количеством взвешенных твердых частиц из-за использования псевдоожижения. [14] [15]