Флюидизация - Fluidization

Схематический чертеж реактора с псевдоожиженным слоем

Флюидизация (или же псевдоожижение) - процесс, аналогичный разжижение посредством чего гранулированный материал преобразуется из статического твердый -подобное состояние к динамическому жидкость -подобное состояние. Этот процесс происходит, когда жидкость (жидкость или же 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 малых скоростях газа аэродинамические тащить на каждой частице также низка, и поэтому 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. Дальнейшее увеличение скорости приведет к достижению критического значения, при котором восходящие силы сопротивления будут точно равны нисходящим гравитационным силам, в результате чего частицы будут взвешиваться в жидкости. При этом критическом значении слой считается псевдоожиженным и проявляет текучесть. При дальнейшем увеличении скорости газа объемная плотность слоя будет продолжать уменьшаться, и его псевдоожижение станет более интенсивным, пока частицы не перестанут образовывать слой и не будут «перемещаться» вверх потоком газа.

В псевдоожиженном состоянии слой твердых частиц будет вести себя как текучая среда, как жидкость или газ. Нравиться воды в ведро: кровать будет соответствовать объему камеры, ее поверхность останется перпендикулярной сила тяжести; объекты с более низкой плотностью, чем плотность кровати, будут плавать на ее поверхности, подпрыгивая вверх и вниз, если их толкать вниз, а объекты с более высокой плотностью опускаются на дно кровати. Жидкостное поведение позволяет частицам переноситься как жидкость по каналам трубы, не требующие механической транспортировки (например, конвейерная лента ).

Упрощенный пример твердого газа из повседневной жизни псевдоожиженный слой было бы горячим воздухом попкорн. В ядра попкорна все они довольно однородны по размеру и форме и подвешены в горячем воздухе, поднимающемся из нижней камеры. Благодаря интенсивному перемешиванию частиц, аналогичному перемешиванию кипящей жидкости, это позволяет поддерживать однородную температуру ядер по всей камере, сводя к минимуму количество сгоревшего попкорна. После лопания более крупные частицы попкорна испытывают повышенное аэродинамическое сопротивление, которое выталкивает их из камеры в чашу.

Этот процесс также играет ключевую роль в формировании песчаный вулкан и конструкции утечки жидкости в отложения и осадочные породы.

Приложения

Дополнительная информация о приложениях: Псевдоожиженный слой, Сжигание в псевдоожиженном слое, и Реактор с псевдоожиженным слоем

В большинстве приложений псевдоожижения используется одна или несколько из трех важных характеристик псевдоожиженного слоя:

  1. Псевдоожиженные твердые вещества легко переносятся между реакторами.
  2. Интенсивное перемешивание в псевдоожиженном слое означает, что его температура одинакова.
  3. Между псевдоожиженным слоем и теплообменниками, погруженными в него, наблюдается превосходная теплопередача.

В 1920-х годах был разработан процесс Винклера для газификации угля в псевдоожиженном слое с использованием кислорода. Это не было коммерчески успешным.

Первой крупномасштабной коммерческой реализацией в начале 1940-х годов была каталитический крекинг с псевдоожиженным слоем (FCC) процесс,[1] который преобразовал более тяжелый нефть врезается в бензин. Богатый углеродом »кокс "депозиты на катализатор частиц и дезактивирует катализатор менее чем за 1 второй. Частицы псевдоожиженного катализатора перемещаются между реактором псевдоожиженного слоя и горелкой псевдоожиженного слоя, где отложения кокса сжигаются, выделяя тепло для эндотермический реакция растрескивания.

К 1950-м годам технология псевдоожиженного слоя применялась в минеральных и металлургических процессах, таких как сушка, кальцинирование, и сульфид жарка.

В 1960-х годах несколько процессов с псевдоожиженным слоем резко снизили стоимость некоторых важных мономеры. Примерами являются Сохио процесс для акрилонитрил[2] и процесс оксихлорирования для винилхлорид.[3] Эти химические реакции сильно экзотермичны, а псевдоожижение обеспечивает равномерную температуру, сводит к минимуму нежелательные побочные реакции и эффективную передачу тепла к охлаждающим трубкам, обеспечивая высокую производительность.

В конце 1970-х годов процесс синтеза в псевдоожиженном слое полиэтилен резко снизила стоимость этого важного полимер, что делает его использование экономичным во многих новых приложениях.[4] В результате реакции полимеризации выделяется тепло, а интенсивное перемешивание, связанное с псевдоожижением, предотвращает появление горячих точек, в которых частицы полиэтилена могут плавиться. Аналогичный процесс используется для синтеза полипропилен.

В настоящее время большинство процессов, которые разрабатываются для промышленного производства углеродные нанотрубки использовать псевдоожиженный слой.[5] Arkema использует псевдоожиженный слой для производства 400 тонн многослойных углеродных нанотрубок в год.[6][7]

Новое потенциальное применение технологии псевдоожижения: химическое петлевое горение, который еще не был коммерциализирован. Одно решение для снижения потенциального эффекта углекислый газ создано сжигание топлива (например, в энергостанции ) на глобальное потепление является секвестрация углекислого газа. Обычный горение с воздуха производит газ, который в основном азот (поскольку это основной компонент воздуха в количестве около 80% по объему), что предотвращает экономичное связывание. В химическом цикле используется металл окись как твердый кислород перевозчик. Эти частицы оксида металла заменяют воздух (в частности, кислород в воздухе) в реакции горения с твердым, жидким или газообразным топливом в псевдоожиженном слое с образованием твердых металлических частиц из снижение оксидов металлов и смеси диоксида углерода и водяной пар, основные продукты любой реакции горения. В воды пар конденсируется, оставляя чистый диоксид углерода, который можно изолировать. Твердые металлические частицы циркулируют в другом псевдоожиженном слое, где они реагируют с воздухом (и снова с кислородом воздуха), выделяя тепло и окисляющий частицы металла в частицы оксида металла, которые рециркулируют в камеру сгорания псевдоожиженного слоя.

Псевдоожижение жидкость-твердое вещество имеет ряд применений в машиностроении. [8] [9] Самым известным применением псевдоожижения жидкости и твердого вещества является обратная промывка гранулированных фильтров водой. [10] [11]

Псевдоожижение имеет множество применений с использованием ионный обмен частицы для очистки и обработки многих промышленных жидкостных потоков. В таких отраслях, как пищевая, гидрометаллургическая, водоумягчительная, каталитическая, биохимическая и т. Д., Ионный обмен является критически важным этапом обработки. Традиционно ионный обмен используется в насадочном слое, где предварительно осветленная жидкость проходит вниз через колонну. В Университете Западного Онтарио в Лондоне, Онтарио, Канада, была проделана большая работа по использованию системы непрерывного псевдоожиженного ионного обмена, названной «Жидко-твердый циркулирующий псевдоожиженный слой» (LSCFB), недавно получившей название «Циркуляционный псевдоожиженный ионный обмен» ( CFIX). Эта система имеет широкое применение, расширяя использование традиционных ионообменных систем, поскольку она может обрабатывать потоки сырья с большим количеством взвешенных твердых частиц из-за использования псевдоожижения.[12][13]

Рекомендации

  1. ^ A.W. Питерс, W.H. Фланк, Б. Дэвис, "История крекинга нефти в 20 веке", Серия симпозиумов ACS, том 1000, 2009 г., страницы 103-187
  2. ^ "Sohio Acrylonitrile Process - Американское химическое общество". Американское химическое общество. В архиве из оригинала на 2017-09-06. Получено 2018-01-13.
  3. ^ Маршалл, К. А. 2003. Хлороуглероды и хлоргидрокарбонаты, обзор. Энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера
  4. ^ Томас Э. Ноулин, Бизнес и технологии мировой полиэтиленовой промышленности: всесторонний взгляд на историю, технологии, катализаторы и современное промышленное производство полиэтилена и продуктов из него, 2014 г., ISBN  9781118946039
  5. ^ Кэрол Баддур, Седрик Брайенс, 2005, «Синтез углеродных нанотрубок: обзор», IJCRE, 3, R3.Международный журнал химической реакторной техники В архиве 2007-01-28 на Wayback Machine
  6. ^ Аркема. "Graphistrength.com - Производство Graphistrength®". www.graphistrength.com. В архиве из оригинала от 23.04.2017. Получено 2018-01-13.
  7. ^ Кэрол Баддур, Седрик Бриенс, Серж Бодере, Дидье Англеро, Патрис Гайяр, 2008, «Струйное измельчение углеродных нанотрубок в псевдоожиженном слое с конфигурацией сопла / мишени», Powder Technology, том 190, выпуск 3, 25 марта 2009 г., страницы 372- 38
  8. ^ Эпштейн, Н. Флюидизация жидких и твердых тел. В Справочнике по псевдоожижению и жидкостным системам; Yang, W.C., Ed .; Marcel-Dekker Inc., Нью-Йорк, 2003 г .; 705-764.
  9. ^ Ярмарка, Г. и Хэтч, Л.П. (1933). Фундаментальные факторы, управляющие потоком воды через песок. Jour. AWWA, 25: 11: 1551.
  10. ^ С.Ю. Ханс, Э. Сойер,… Акгирай (2018). О расширении с обратной промывкой градуированных фильтрующих материалов. Порошковая технология, 333, 262-268. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.04.032
  11. ^ С.Ю. Ханс, Э. Сойер,… Акгирай (2016). Определение характеристик сыпучих материалов с внутренними порами для гидравлических расчетов с неподвижными и псевдоожиженными слоями. Промышленные и инженерные химические исследования, 55 (31), 8636-8651. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.6b00953
  12. ^ Князь Андрей; Басси, Amarjeet S; Хаас, Кристина; Чжу, Джесси Икс; Доу, Дженнифер (2012). «Извлечение соевого белка без использования растворителей с использованием непрерывного жидко-твердого ионообменника с циркулирующим псевдоожиженным слоем». Прогресс биотехнологии. 28 (1): 157–162. Дои:10.1002 / btpr.725. PMID  22002948. S2CID  205534874.
  13. ^ Мазумдер; Чжу, Рэй (апрель 2010 г.). «Оптимальная конструкция жидко-твердого циркулирующего псевдоожиженного слоя для непрерывного извлечения белка». Порошковая технология. 199 (1): 32–47. Дои:10.1016 / j.powtec.2009.07.009.

внешняя ссылка