Реактор с псевдоожиженным слоем ( FBR ) — это тип реакторного устройства, которое можно использовать для проведения различных многофазных химических реакций. В реакторе этого типа жидкость (газ или жидкость) пропускают через твердый гранулированный материал (обычно катализатор ) на достаточно высоких скоростях, чтобы суспендировать твердое вещество и заставить его вести себя так, как если бы оно было жидкостью. Этот процесс, известный как псевдоожижение , придает FBR множество важных преимуществ. В результате FBR используются во многих отраслях промышленности.
Принципиальная схема реактора с псевдоожиженным слоем
Основные принципы
Твердый материал подложки (каталитический материал, с которым реагируют химические вещества) в реакторе с псевдоожиженным слоем обычно поддерживается пористой пластиной, известной как распределитель. [1] Затем жидкость проталкивается через распределитель вверх через твердый материал. При более низких скоростях жидкости твердые частицы остаются на месте, пока жидкость проходит через пустоты в материале. Это известно как реактор с насадочным слоем . По мере увеличения скорости жидкости реактор достигнет стадии, когда силы жидкости, воздействующей на твердые частицы, будет достаточно, чтобы сбалансировать вес твердого материала. Эта стадия известна как начальная псевдоожижение и происходит при этой минимальной скорости псевдоожижения. Как только эта минимальная скорость будет превышена, содержимое слоя реактора начнет расширяться и кружиться, подобно резервуару с мешалкой или кипящему котлу с водой. Реактор теперь представляет собой псевдоожиженный слой. В зависимости от условий работы и свойств твердой фазы в этом реакторе могут наблюдаться различные режимы течения.
История и текущее использование
Реакторы с псевдоожиженным слоем являются относительно новым инструментом в области химической технологии. Первый газогенератор с псевдоожиженным слоем был разработан Фрицем Винклером в Германии в 1920-х годах. [2] Одним из первых реакторов с псевдоожиженным слоем в США, использованных в нефтяной промышленности, была установка каталитического крекинга, созданная в Батон-Руж, штат Луизиана, в 1942 году компанией Standard Oil из Нью-Джерси (ныне ExxonMobil ). [3] Этот FBR и многие последующие были разработаны для нефтяной и нефтехимической промышленности. Здесь катализаторы использовались для восстановления нефти до более простых соединений посредством процесса, известного как крекинг . Изобретение этой технологии позволило значительно увеличить производство различных видов топлива в США. [4]
Сегодня реакторы с псевдоожиженным слоем по-прежнему используются для производства бензина и других видов топлива, а также многих других химических веществ. Многие промышленно производимые полимеры производятся с использованием технологии FBR, например, каучук , винилхлорид , полиэтилен , стиролы и полипропилен . [5] [ нужна страница ] Различные коммунальные предприятия также используют FBR для газификации угля , атомных электростанций, а также установок для очистки воды и отходов. Используемые в этих приложениях реакторы с псевдоожиженным слоем обеспечивают более чистый и эффективный процесс, чем предыдущие стандартные реакторные технологии. [4]
Преимущества
Увеличение использования реакторов с псевдоожиженным слоем в современном промышленном мире во многом обусловлено преимуществами, присущими этой технологии. [6]
Равномерное смешивание частиц. Благодаря свойству твердого материала, свойственному жидкости, в псевдоожиженном слое перемешивание не происходит плохо, как в насадочных слоях. Такое полное смешивание позволяет получить однородный продукт, чего часто бывает трудно достичь в реакторах других конструкций. Устранение радиальных и осевых градиентов концентрации также позволяет улучшить контакт жидкости и твердого тела, что важно для эффективности и качества реакции.
Равномерные температурные градиенты. Многие химические реакции требуют подвода или отвода тепла. В псевдоожиженном слое, таком как FBR, можно избежать локальных горячих или холодных пятен внутри реакционного слоя, которые часто являются проблемой в насадочных слоях. В других типах реакторов эти локальные перепады температур, особенно в горячих точках, могут привести к деградации продукта. Таким образом, FBR хорошо подходят для экзотермических реакций. Исследователи также узнали, что коэффициенты теплопередачи от слоя к поверхности для FBR высоки.
Возможность эксплуатации реактора в непрерывном режиме: природа этих реакторов с псевдоожиженным слоем позволяет непрерывно извлекать продукт и вводить новые реагенты в реакционный сосуд. Работа в режиме непрерывного процесса позволяет производителям более эффективно производить различные продукты благодаря устранению условий запуска в периодических процессах .
Недостатки
Как и любая конструкция, реактор с псевдоожиженным слоем имеет свои недостатки, которые должен учитывать любой проектировщик реактора. [6]
Увеличенный размер корпуса реактора: из-за расширения материалов слоя в реакторе часто требуется резервуар большего размера, чем для реактора с насадочным слоем. Это более крупное судно означает, что необходимо потратить больше средств на первоначальные капитальные затраты.
Требования к перекачке и перепад давления: Требование к жидкости для суспендирования твердого материала требует достижения более высокой скорости жидкости в реакторе. Для этого необходима большая мощность накачки и, следовательно, более высокие затраты энергии. Кроме того, перепад давления , связанный с глубокими пластами, также требует дополнительной мощности откачки.
Унос частиц. Высокие скорости газа, присутствующие в реакторах этого типа, часто приводят к увлечению мелких частиц жидкостью. Эти захваченные частицы затем выносятся из реактора с жидкостью, где их необходимо отделить. Решение этой проблемы может оказаться очень сложной и дорогостоящей в зависимости от конструкции и функции реактора. Это часто может оставаться проблемой даже при использовании других технологий снижения уноса.
Отсутствие текущего понимания: Текущее понимание фактического поведения материалов в псевдоожиженном слое весьма ограничено. Очень сложно предсказать и рассчитать сложные потоки массы и тепла внутри слоя. Из-за отсутствия понимания требуется пилотная установка для новых процессов. Даже на пилотных установках масштабирование может быть очень трудным и может не отражать того, что было получено в ходе пилотного испытания.
Эрозия внутренних компонентов. Жидкоподобное поведение мелких твердых частиц внутри слоя в конечном итоге приводит к износу корпуса реактора. Это может потребовать дорогостоящего обслуживания и ремонта реакционного сосуда и труб.
Сценарии потери давления: Если давление псевдоожижения внезапно падает, площадь поверхности слоя может внезапно уменьшиться. Это может либо доставлять неудобства (например, затруднять перезапуск слоя), либо иметь более серьезные последствия, такие как неконтролируемые реакции (например, экзотермические реакции, при которых теплопередача внезапно ограничивается).
Текущие исследования и тенденции
Из-за преимуществ реакторов с псевдоожиженным слоем этой технологии посвящено большое количество исследований. Большинство современных исследований направлено на количественную оценку и объяснение поведения фазовых взаимодействий в пласте. Конкретные темы исследований включают распределение частиц по размерам, различные коэффициенты переноса, фазовые взаимодействия, эффекты скорости и давления, а также компьютерное моделирование. [7] Целью данного исследования является создание более точных моделей внутренних движений и явлений кровати. [8] Это позволит инженерам-химикам разрабатывать более эффективные и эффективные реакторы, которые смогут эффективно справиться с текущими недостатками технологии и расширить диапазон использования FBR.
^ Ховард, младший (1989). Технология кипящего слоя: принципы и применение. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Адам Хиглер.
^ Тавулареас, С. (1991). Технология сжигания в кипящем слое. **Ежегодные обзоры Inc.** 16, 25–27.
^ «Первый коммерческий реактор с псевдоожиженным слоем». Национальные исторические химические достопримечательности . Американское химическое общество . Проверено 21 февраля 2014 г.
^ аб Торнхилл, Д. «Страница реактора с псевдоожиженным слоем» . Проверено 13 февраля 2007 г.
^ Производство полипропилена с помощью газофазного процесса, Программа экономики технологий . Интратек Решения. 2012. ISBN978-0-615-66694-5.
^ Аб Трамбуз, П., и Юзен, Дж. (2004). Химические реакторы: от проектирования к эксплуатации. (Р. Бононно, Пер.). Париж: Издания Technip.
^ Араступур, Х. (Ред.). (1998). Псевдоожижение и системы жидких частиц: последние исследования и разработки. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Американский институт инженеров-химиков.
^ Аббаси, Мохаммад Реза; Шамири, Ахмад; Хуссейн, Массачусетс (2016). «Динамическое моделирование и молекулярно-массовое распределение сополимеризации этилена в промышленном газофазном реакторе с псевдоожиженным слоем». Передовая порошковая технология . 27 (4): 1526–1538. doi : 10.1016/j.apt.2016.05.014.
