Как расширение семейства процессов разделения с псевдоожиженным слоем , флэш-реактор (FR) (или транспортный реактор) использует турбулентную жидкость, вводимую на высоких скоростях, чтобы стимулировать химические реакции с сырьем и впоследствии достигать разделения посредством химического преобразования желаемых веществ в различные фазы и потоки. Флэш-реактор состоит из основной реакционной камеры и выхода для разделенных продуктов для ввода в последующие процессы.
Сосуды FR обеспечивают низкое удержание газа и твердого вещества (и, следовательно, время контакта реагентов) для промышленных применений, что приводит к высокой производительности, чистому продукту и неидеальному распределению тепла по сравнению с другими реакторами с псевдоожиженным слоем. Благодаря этим свойствам, а также своей относительной простоте, FR имеют потенциал для использования в процессах предварительной и последующей обработки, где эти сильные стороны FR являются наиболее приоритетными.
Существуют различные конструкции FR (например, трубопроводный FR, центробежный FR, корпусной FR), которые в настоящее время используются в пилотных промышленных установках для дальнейшего развития. Эти конструкции допускают широкий спектр текущих и будущих применений, включая стерилизацию очистки воды , рекуперацию и переработку пыли сталелитейного завода, предварительную обработку и обжиг металлов, химическое петлевое сжигание, а также производство водорода из биомассы .
Флэш-реактор в корпусе — это конструкция, которая обычно используется и показана на рисунке справа. Газ вводится снизу при повышенной температуре и высокой скорости, с небольшим падением скорости, которое наблюдается в центральной части корпуса. Камера A имеет форму «яйца» с относительно узкой нижней площадью поперечного сечения и широкой верхней площадью поперечного сечения. Такая конфигурация предназначена для увеличения скорости жидкости в нижней части камеры, что позволяет тяжелым частицам сырья находиться в непрерывной циркуляции, что способствует образованию реакционного участка для процессов разделения. [1]
Метод подачи сырья различается в зависимости от его фазы. Твердые вещества могут подаваться с помощью конвейера B, в то время как жидкости испаряются и распыляются непосредственно в FR. Затем он контактирует с непрерывно циркулирующим горячим газом, который был введен в секцию C. Этот непрерывно циркулирующий газ взаимодействует по всей камере с поступающим сырьем, при этом поверхности частиц генерируют нерастворимые соли в результате реакций. Затем смесь продуктов разделяется через E, где выпускное отверстие выделяет газообразные продукты. Температура этого потока регулируется охлаждающей жидкостью, выделяемой распылительными форсунками судна D. [1]
Хотя для флэш-реактора доступно множество приложений, они следуют общему набору рабочих параметров/эвристик, которые похожи. Ниже перечислены важные параметры, которые следует учитывать при проектировании FR:
Относительно высокая скорость жидкости (10–30 м/с) [2] обычно требуется в операциях FR для обеспечения непрерывного распределения частиц по всему корпусу реактора. Это минимизирует скорость скольжения колонны (среднюю разницу скоростей различных жидкостей в трубе), оказывая положительное влияние на скорости тепло- и массопередачи и позволяя использовать сосуды меньшего диаметра, что может снизить эксплуатационные расходы. Кроме того, использование вертикальной конфигурации потока жидкости приведет к отсутствию смешивания частиц сырья в горизонтальном и вертикальном направлении, что, как таковое, препятствует взаимодействию частиц, которое могло бы уменьшить примеси продукта.
Использование высокой скорости жидкости, как описано выше, также обеспечивает короткое время удержания твердого сырья. Это будет соответствовать реакциям, требующим более чистого продукта и более высокой пропускной способности. Однако, если рабочие условия для определенного применения требуют более длительного времени реакции, это может быть реализовано путем введения циклической операции. Используя линию обратного потока, жидкость в FR может рециркулировать с сырьем, чтобы обеспечить дополнительное время контакта. [3]
Из-за высоких температурных требований для работы FR требуется огнеупорная футеровка для укрепления и поддержания целостности сосуда с течением времени. Кроме того, огнеупорная футеровка служит для изоляции высокой температуры камеры от температуры окружающей среды. Например, в процессе Reco-Dust FR футерована двумя отдельными огнеупорными материалами: кирпичами из оксида алюминия для камеры сгорания и кирпичами из карбида кремния для конической выпускной части. [4] Кроме того, конструкция сосуда может различаться по форме и размерам (т. е. от трубопроводной до яйцевидной формы), что направлено на содействие вертикальной циркуляции газов и твердых частиц. [1]
Чтобы минимизировать задержку материала в реакторе, для работы FR рекомендуется использовать плотный газ с легкими твердыми частицами. Твердое сырье, подаваемое в реактор, может состоять только из термостойких материалов и будет в лучшем случае, когда требуется только короткое время удержания. Также желательно, чтобы твердое сырье было сухим, текучим и с четко определенным размером зерна. [5]
_reactor.png/1280px-TSEFLAR_(centrifugal_flash)_reactor.png)
В отличие от других конструкций FR, порошкообразный материал контактирует с твердым теплоносителем, а не с газообразным. Он включает использование нагретой вращающейся пластины, которая рассеивает частицы порошка материала в течение короткого времени. Это достигается за счет использования центробежных сил, где он сжимает порошок на поверхности пластины, обеспечивая прямой контакт между частицами и горячим металлом, что обеспечивает более высокую скорость теплопередачи. [6] На рисунке справа показана установка TSE-FLAR, а стрелки показывают направление материала, движущегося от резервуара материала к дозатору, к вращающейся пластине и, наконец, к блоку охлаждающей воды.
Трубопроводный реактор мгновенного испарения (PFR) — это относительно новое устройство, разработанное по принципам FR, и, таким образом, обладающее большинством его характеристик, функций и свойств. Как следует из его названия, форма трубопроводного реактора имеет форму трубы. Несмотря на то, что это новый производный продукт более старой технологии, он проходит испытания в промышленных масштабах. Трубопроводные реакторы мгновенного испарения используются в качестве третичного или пост-очистного этапа при очистке сточных вод, либо интегрируются в новые установки, либо модернизируются в уже существующие разработки. [7] Форма PFR позволяет легко интегрировать его в новые технологические системы и модернизировать в более старые существующие системы для повышения общей эффективности системы. [8] Благодаря своей форме, к PFR можно легко добавлять модификации и расширения для удовлетворения требований определенных процессов. [9]
В PFR реагенты контактируют друг с другом в трубе, а не в смесительном сосуде в обычных системах смешивания, таких как реактор с непрерывным перемешиванием . Это устраняет необходимость в дополнительных смесительных резервуарах, что экономит место, но в качестве компромисса фактическое место реакции будет зависеть от спецификаций трубы и скорости жидкости. PFR также устраняет необходимость в громоздких каскадных системах или резервуарах, используемых другими технологиями в существующих разработках, что может снизить затраты на техническое обслуживание. Из-за характера устройства реагенты, обрабатываемые в PFR, будут иметь короткое время удерживания, однако добавление обратных потоков в систему является методом, который может увеличить время удерживания, если это необходимо. В отличие от обычных систем смешивания, турбулентная смесительная камера может быть реализована без создания перепадов давления. [3] Кроме того, PFR, как и большинство флэш-реакторов, высокоэффективны при небольшой занимаемой площади.
Универсальность флэш-реакторов/реакторов транспортировки подходит для широкого спектра процессов разделения, чувствительных к качеству. Ниже описаны основные области применения флэш-реакторов, следует отметить, что большинство областей применения флэш-реакторов не требуют систем предварительной или последующей обработки из-за отсутствия образующихся отходов.
(PFR) — это развивающаяся технология, которая применяется для повышения эффективности определенных процессов, таких как очистка сточных вод. Пилотный реактор был установлен в Калифорнии в рамках плана расширения [Castaic Lake Water Agency] (CLWA). PFR служит вспомогательным устройством смешивания и контакта для содействия поглощению озона в очищенной воде. PFR использовал индивидуальные форсунки для впрыскивания смеси озона и воды на высоких скоростях обратно в объем очищенной жидкости. Использование PFR, таких как реактор в расширении CLWA, в очистке воды становится все более популярным, поскольку PFR устраняет необходимость в дополнительных резервуарах, которые потребовались бы для таких процессов, как хлорирование . Меньших бассейнов достаточно для обеспечения времени контакта между реагентами для микробной инактивации, что снижает площадь установки в новых разработках. Кроме того, реагенты будут покидать PFR быстрее из-за более короткого времени удержания; было обнаружено, что эффективное рассеивание бокового потока в объеме жидкости достигалось всего за 1 секунду. [9]
С 2010 года пилотная установка флэш-реактора успешно работала в Montanuniversität в Леобене , Австрия . Известная как процесс RecoDust, такая установка была разработана для извлечения цинка из пыли, собираемой в сталелитейных операциях. Хотя испытания доказали функциональность этого процесса, дальнейшие исследования и внедрение этого процесса в промышленность были остановлены из-за неопределенных экономических перспектив сталелитейной промышленности. [5]
Тем не менее, исследования показали большой потенциал использования FR для восстановления цинка из пыли сталелитейного завода, поскольку он обеспечивает сильное окислительное и восстановительное состояние в реакционном сосуде, без образования отходов. Большая площадь реакционной поверхности ввода пылевого материала, а также отсутствие внутреннего цикла Zn и не требующие процессов предварительной обработки доказали эффективность и действенность процесса RecoDust. [10]
Типичный процесс RecoDust часто требует температур от 1600 до 1650 °C с сухим, сыпучим и хорошо определенным размером зерна сырьевым материалом на входе около 300 кг/ч. В одном эксперименте 94% хлора , 93% фтора и 92% свинца были удалены из пыли сталелитейного завода с 97% восстановлением цинка. [4]
Использование быстрого процесса термического нагрева с последующей закалкой/охлаждением имеет важное значение во многих областях химической инженерии. Например, порошок гидроксида алюминия (т. е. гиббсит ), используемый для приготовления катализатора на основе оксида алюминия, проходит процесс термохимической активации (ТХА) для образования термически активированного продукта, Al 2 O 3 ∙nH 2 O. Центробежный FR, TSEFLAR может использоваться для нагрева порошка до 400-900 К с температурой пластины 1000 К и скоростью 90-250 оборотов в минуту. Такие настройки показали, что выход продукта составляет 40 дм 3 /час при термической обработке менее 1,5 с. [6]
Флэш-реакторы обладают огромным потенциалом для замены или содействия существующим процессам первичного окисления руды, восстановления или другим процессам предварительной обработки и кондиционирования (например, прокалки ) на металлургическом заводе. [2] Простота и производительность флэш-реактора могут обеспечить экономически эффективное решение для упрощения использования существующих дорогостоящих строгих процессов.
Предварительный нагрев измельченных или мелких руд может осуществляться в FR, используя короткое время удержания для наиболее быстрого повышения температуры для достижения условий, требуемых в последующих процессах. В железных и ильменитовых рудах высокая пропускная способность FR позволяет существенно снизить общее потребление энергии, а также обеспечивает место смешивания с другими реагентами, такими как водород, для брикетирования в основном процессе очистки. [11]
Окисление измельченных частиц руды и удаление сульфида , мышьяка или других загрязняющих веществ является важнейшим процессом разделения при очистке металлов, который может быть выполнен в FR. Окисление сульфидных руд приводит к преобразованию мелкозернистой твердой сульфидной руды в оксиды и остаточный сернистый газ, что завершается разделением путем преобразования нежелательных сульфидов в газообразную фазу. Эти загрязняющие вещества затем могут быть подвергнуты последующей обработке для создания полезных продуктов из потока отходов, таких как серная кислота, с использованием контактного процесса.
Приведенное ниже уравнение [12] демонстрирует некоторые примеры реакций окисления при обжиге, используемых при очистке цинка из сфалерита и других руд.
При обжиге ильменита для получения синтетического руды магнитные свойства руды изменяются при высоких температурах [13], поскольку ферритовые соединения в руде окисляются. Это приводит к разделению окисленных соединений железа от парамагнитных компонентов хромита [13] в руде на выходе из реактора, где продукт может быть дополнительно очищен для синтеза железа или рутила ниже по потоку. При обжиге золотосодержащих сульфидных руд градиенты диффузии серы или мышьяка способствуют миграции золота к минеральным порам. [12] Таким образом, непрерывный обжиг и улетучивание серы и мышьяка обеспечивают коалесценцию золота на поверхности минеральных частиц, которые затем могут быть эффективно отделены с помощью последующих процессов, таких как выщелачивание.
В FR высокая пропускная способность подразумевает высокую концентрацию частиц на единицу объема газа и, следовательно, большую контактную поверхность реакции для массопереноса. Кроме того, толерантность этой реакции к коротким временам удержания делает этот процесс идеальным для проведения промышленной обжарки. Это позволяет использовать низкосортные исходные материалы для улучшения как производительности продукта, так и качества по сравнению с обычной обработкой. [2] Таким образом, простота реализации FR и его высокий выход продукта оптимизируют затраты на предварительную обжарку.
Химическое петлевое сжигание или CLC — это метод, в котором используется комбинация CFB и флэш-реакторов для удаления азота и примесей из воздуха перед окислением топлива с использованием цикла окисления и восстановления металла, такого как никель. В CLC горячий воздух впрыскивается в металл, который действует как катализатор и переносчик кислорода, такой как Fe 2 O 3 или металлический никель или медь. [2] [15] Флэш-реактор используется в процессе впрыска воздуха в начале цикла. Использование флэш-реакторов в этом сценарии позволяет использовать сырье более низкого качества и существенно увеличить производительность, а также чистоту продукта по сравнению с обычной обработкой. [16]
Теоретически CLC также может использоваться для извлечения водорода из биомассы во время синтеза синтез-газа , что поясняется в разделе «Производство водорода» ниже.
Производство водорода является новой технологией в области возобновляемой энергии . Поскольку ожидается, что спрос на водород будет расти экспоненциально, [17] в химической, углеводородной, полупроводниковой промышленности, необходимо найти новые источники водорода. Флэш-реакторы в тандеме с паровым риформингом метана и газификацией используют отходы биомассы, такие как смесь целлюлозы , лигнина и других органических веществ растительного материала, для производства газообразного водорода. Наиболее часто используемые отходы биомассы - это отходы масличной пальмы, образующиеся в результате деятельности пальмовой маслобойной промышленности. [18]
Флэш-реакторы также могут использоваться в секции сушки для быстрого удаления воды [18] из биомассы путем впрыскивания нагретого воздуха с высокой скоростью, который действует как предварительная обработка для фактической реакции пиролиза, которая также происходит в флэш-реакторе. [15] также показывает, что флэш-реактор используется после измельчения биомассы с добавлением экстремального тепла в смесь биомасла, угля и золы. Зола и уголь, полученные в результате этой реакции, позже удаляются из-за их каталитических свойств, которые могут помешать паровой реформации.