Кольцевой псевдоожиженный слой - Annular fluidized bed

По другим темам о флюидизации см. Сжигание в псевдоожиженном слое, Реактор с псевдоожиженным слоем, Псевдоожиженный слой и Флюидизация.
Чертеж кольцевого псевдоожиженного слоя в разрезе

Псевдоожижение это явление, посредством которого твердые частицы помещается при определенных условиях, чтобы заставить его вести себя как жидкость. А псевдоожиженный слой это система, разработанная для облегчения псевдоожижения. Псевдоожиженные слои имеют широкий спектр применения, включая, помимо прочего: химические реакции, теплопередача, смешивание и сушка. Недавняя концепция, разработанная и запатентованная Outotec, "An кольцевой псевдоожиженный слой состоит из большого центрального сопла, окруженного стационарным псевдоожиженным слоем.[1]

История

  • Фриц Винклер создал первый псевдоожиженный слой в 1922 году для газификации угля.
  • Следующим достижением в области псевдоожиженного слоя стал циркулирующий псевдоожиженный слой, созданный в 1942 году для каталитического крекинга органических масел.
  • Наконец, в начале 1990-х годов была разработана концепция кольцевого псевдоожиженного слоя, и в настоящее время он используется:[2]
  • Опытная установка котла-утилизатора (1992 г.)
  • Завод прямого восстановления Circored (1996 г.)
  • Подогреватель руды, Австралия (2002 г.)
  • Установка для обжарки ильменита, Мозамбик (2005 г.)

Характеристики процесса

Обычный кольцевой псевдоожиженный слой (AFB) вводит газ с высокой скоростью, который входит в реактор из нижней части большого центрального сопла, а дополнительный псевдоожиженный газ вводится через кольцевое сопло. В результате газ и твердые частицы сильно перемешиваются в плотной нижней части смесительной камеры и текут вверх по стояку. Газ и твердые частицы покидают стояк и разделяются в циклоне в зависимости от заданной скорости. Отделенный газ проходит через рукавный фильтр, и твердые частицы движутся вниз в нисходящем трубопроводе, который подается в нижнюю часть установки, что снова повторяет процесс.

Основные компоненты

Нижняя часть стояка заужена, чтобы избежать скопления твердых частиц в нижней части. Вместо того, чтобы стенки стояка были гладкими, они, как правило, состоят из мембранных поверхностей водяной стенки, эта дополнительная особенность влияет на структуру потока твердых частиц в непосредственной близости, следовательно, влияет на смешивание и смешивание газа с твердыми частицами. Выходы стояка делятся на два типа; «Проходные выходы», при которых выходы имеют плавный изгиб или сужение.[3] Этот выход обеспечивает большую чистую циркуляцию и оптимален для короткого однородного времени пребывания, а также для быстро разлагающихся катализаторов. Другой выход - это «внутренние выходы флегмы», которые представляют собой резкий выход, вызывающий внутреннее отделение значительного количества увлеченных твердых частиц от газа, достигающего верха реактора.[3]Циклон является неотъемлемой частью кольцевого псевдоожиженного слоя, частицы определенного размера разделяются путем изменения скорости подаваемого газа.[1] Следовательно, при высокой скорости газ обеспечивает достаточно кинетической энергии для отделения частиц от псевдоожиженного слоя. Сырьевой газ и мелкие частицы летят в циклонный сепаратор, где сырьевой газ и частицы разделяются. В свою очередь, частицы могут быть возвращены или удалены в слой в зависимости от размера частицы. Унесенные твердые частицы улавливаются и отправляются обратно в основание стояка через вертикальную стояк.[4]Большое центральное сопло является основным компонентом кольцевого псевдоожиженного слоя, и этим отличается от других псевдоожиженных слоев. Центральное сопло окружено неподвижным псевдоожиженным слоем и «Из-за умеренного первичного псевдоожижения газа в кольцевом пространстве, твердые частицы перетекают через верхнюю кромку центрального сопла»[1] который затем транспортируется и смешивается в смесительной камере центральным вторичным газовым потоком с высокой восходящей скоростью.

Режим потока

Вид сверху и вид сбоку, эскиз движения кольцевого псевдоожиженного слоя.

Кольцевой псевдоожиженный слой - это новый тип псевдоожиженного слоя, который имеет определенный тип движения, когда он движется в радиальном направлении. Осевое перемешивание газов относительно невелико и движение происходит в радиальном направлении. Профиль осевого потока кольцевого псевдоожиженного слоя можно определить по перепадам давления по высоте установки, которые можно разделить на три основные части: кольцевое пространство, дно и нижнюю часть. верхняя часть смесительной камеры. В зависимости от высоты слоя, в то время как кольцевое пространство имеет пористость, близкую к пористости минимального псевдоожижения твердых частиц, каждая область слоя характеризуется различными градиентами давления. Чем ближе к центральному соплу, тем меньше градиент давления и больше перепад давления в смесительной камере. При известном градиенте давления (ΔP / ΔH) концентрацию твердого вещества можно рассчитать с помощью уравнения Вирта, показанного ниже:

〖(1-ε)〗 _ ∆P = ∆P / ∆H (ρ_s-ρ_f) г

Согласно экспериментальному описанию структуры течения в кольцевом псевдоожиженном слое, проведенному Анн Коллин, Карл-Эрнстом Виртом и Майклом Стродером,[1] на высоте 150 мм над центральным соплом градиент давления приблизительно равен нулю для малых скоростей и увеличивается с увеличением скорости.

Высота над растением и над центральной насадкой[1]

Два различных типа потока показаны в двух разных регионах: «Картина потока непосредственно над центральным соплом показывает типичный профиль струи, характеризующийся низкой концентрацией твердых частиц около 8% и высокими скоростями твердых частиц вверх (3 м / с), что приводит к высоким локальным массовым потокам твердых частиц». С другой стороны, окружение кольцевой области на дне смесительной камеры характеризуется высокой концентрацией твердых частиц. «С увеличением значений к стене, например 46% для высоты зонда 100 мм над центральным соплом »Скорости твердых тел и массовые потоки положительны вокруг области стенки, где ожидается спуск. Однако измеренные скорости могут не точно отражать фактические скорости твердых тел в области, где присутствует высокое поперечное и радиальное перемешивание. Это связано с тем, что емкостные датчики регистрируют только вертикальные скорости. Следовательно, рассчитанные массовые потоки твердых частиц всегда должны рассматриваться в одном и том же направлении. Подводя итог, можно сказать, что полностью развитая структура потока в кольцевом псевдоожиженном слое показывает структуру ядро-кольцевое пространство, которая является «Характеризуется типичным образованием центральной струи, окруженной областью с высокой концентрацией твердых частиц на дне смесительной камеры». Изменение скорости псевдоожижения в кольцевом пространстве способствует удалению большего количества твердых частиц из пузырьков и позволяет конвективному потоку массы проникать в струю. Количество твердых частиц, которые могут быть интегрированы в струю в конце, определяется скоростью газа. Более того, соотношение внутренней и внешней циркуляции твердых веществ в установке можно регулировать за счет взаимодействия обоих механизмов.[1]

Высота 25 мм над центральной насадкой

Поскольку скорость газа в кольцевом пространстве зависит от расчетной скорости твердых тел, выбрасываемых из пузырьков, твердым частицам, выходящим из кольцевого пространства с увеличивающейся скоростью в сопле, труднее проникнуть в центральную газовую струю при постоянной скорости псевдоожижения. Увеличение центральной скорости на высоте 25 мм над соплом снижает усредненную по времени концентрацию твердых частиц. Однако увеличение этой скорости не влияет на концентрацию твердых частиц над кольцевым пространством. С другой стороны, при низкой центральной скорости газа скорости твердых тел в кольцевом пространстве и над соплом показывают примерно одинаковое значение с резким градиентом скорости.

Высота 200 мм над центральной насадкой

Картина потока в циркулирующем псевдоожиженном слое полностью проявляется на высоте зонда 200 мм над центральным соплом. На этой высоте типичная концентрация увеличивается по направлению к стенке, и после объединения со скоростью падающих твердых частиц это приводит к отрицательному потоку твердой массы. Форма профиля концентрации твердых частиц не зависит от скорости газа, однако абсолютная концентрация ниже сечение с интегральными концентрациями твердых веществ, в результате поток массы твердых частиц имеет небольшое уменьшение с увеличением скорости газа в центральном сопле с интегральными значениями по сечению установки.

Влияние скорости газа в кольцевом псевдоожиженном слое

Влияние скорости газа в кольцевом псевдоожиженном слое

В кольцевом псевдоожиженном слое возникает образование пузырьков, вызванное введением газа центральным соплом с определенной скоростью, движущимся в общем направлении вверх. Внезапный выброс газа в центральном сопле заставляет частицы перемещаться в следе пузырьков.[1] Увеличение скорости кольцевого пространства приводит к увеличению размера пузырьков и скорости образования пузырьков. Новое увеличение динамики пузыря позволяет «Выброшенные твердые частицы глубже проникают в центральную газовую струю».[1] В результате этого увеличивается концентрация и скорость твердых тел и, следовательно, увеличивается оптимальный массовый поток твердых тел.

Эвристика дизайна

  • Связные частицы и крупные частицы размером более 1 мм плохо псевдоожижаются и обычно разделяются другими способами.[5]
  • Были сделаны грубые корреляции между минимальной скоростью псевдоожижения, расширением слоя, минимальной скоростью барботажа, колебаниями уровня слоя и высотой отключения. Эксперты рекомендуют, чтобы любой реальный проект был основан на работе опытной установки.[5]
  • «Практические операции проводятся при двух или более кратных минимальных скоростях псевдоожижения» .[2]
  • Продукция может быть увеличена до максимума, изменяя скорость псевдоожижения в кольцевом пространстве, больше твердых частиц может быть выброшено из пузырьков, а конвективный поток массы, способный проникать в струю, увеличивается.[1]

Преимущества и недостатки

Благодаря особым характеристикам AFB, при которых газы вводятся через центральное сопло с высокой скоростью, в слое достигается зона интенсивного перемешивания, сравнимая с условиями внешнего контура циркулирующего псевдоожиженного слоя.[2] AFB сочетает в себе преимущества длительного времени пребывания твердого вещества и хорошей тепло- и массообмена,[1] что делает его идеальным для использования процессов теплообмена, таких как охлаждение, нагрев или рекуперация тепла, а также для облегчения реакций. AFB можно комбинировать с другими типами псевдоожиженного слоя для облегчения процесса и дальнейшего улучшения его существующих свойств для повышения производительности процесса.

Характеристики AFB очень желательны для некоторых применений, однако они могут иметь нежелательный эффект для других применений, которые потребуют более короткого времени пребывания и менее интенсивного перемешивания, таких как печи обжига руды, где частицы не должны покидать псевдоожиженный слой. Стоимость AFB также будет выше по сравнению со стоимостью других псевдоожиженных слоев, поскольку введение центрального сопла усложняет производство компонентов и приводит к дополнительным расходам. AFB потребует более частого обслуживания и более высоких затрат на обслуживание из-за дополнительных и более сложных компонентов. Центральное сопло может легко забиться из-за попадания в сопло нежелательных частиц.

Хотя AFB имеет потенциал для повышения эффективности текущих процессов, он не без ограничений. Из-за того, что AFB является недавним достижением в технологии псевдоожижения, систематических исследований этого не проводилось, и описание глобальных и локальных структур потока может оказаться трудным для инженеров-химиков, поскольку «Гидродинамика слоя в псевдоожиженном слое малого и большого размера не одинакова».[1] Внедрение этой новой технологии на существующие предприятия может оказаться трудным и дорогостоящим; поэтому с момента появления AFB было сделано лишь несколько улучшений. Существует несколько заводов, на которых была внедрена технология AFB, однако может пройти несколько лет, прежде чем ее полное промышленное применение будет реализовано и широко используется.

Приложения

Кольцевой псевдоожиженный слой (AFB) может иметь широкий спектр применения из-за его способности использоваться вместе с другим типом псевдоожиженного слоя.[2] AFB идеально подходит для приложений, требующих быстрого и эффективного тепломассообмена при интенсивном перемешивании. Эти области применения могут варьироваться от осушителей, теплообменников, нагревателей, охладителей и реакторов.

Имеющиеся дизайны и новые разработки

Несмотря на то, что это относительно новая технология, использование AFB в отрасли с годами постепенно увеличивалось. Одним из таких примеров является компания Outotec, специализирующаяся на технологии псевдоожижения. Компания Outotec интегрировала использование AFB в свои недавние проекты заводов для дальнейшего улучшения процесса. Существующие в настоящее время предприятия Outotec, использующие AFB, включают:[2]

  • Опытная установка котла-утилизатора, 1 т / сут.
  • Завод прямого восстановления Circored, CAL, Тринидад, 1500 т / сутки
  • Подогреватель руды, HIsmelt Corporation, Австралия, 4 000 т / сут.
  • Обжиговая печь с восстановлением ильменита, Kenmare Resources plc, Мозамбик, 1200 т / сут.

Примечание: факты и цифры, полученные для OutetecПроцессы Circored, Circoheat и Circotherm, разработанные компанией, являются некоторыми примерами применения этой технологии псевдоожиженного слоя.

  • Circored - процесс, разработанный в 1990-х годах для прямого восстановления железа. «Процесс Circored использует водород в качестве единственного восстановителя для применения конфигурации реактора с двухступенчатым циркулирующим псевдоожиженным слоем / барботажным псевдоожиженным слоем для восстановления. Для достижения температуры брикетирования железа прямого восстановления используется импульсный нагреватель на основе AFB ».[2]
  • Circoheat - этот процесс предварительно нагревает мелкие частицы железной руды до температуры 850 ° C. Железная руда вводится в циркулирующий псевдоожиженный слой, где отходящий газ из емкости восстановления расплава Hlsmelt вводится в реактор через AFB. Затем отходящий газ сжигается с воздухом для нагрева руды.
  • Circotherm - одна из последних разработок Outotec, основная система AFB используется для рекуперации тепла и утилизации твердых частиц с помощью циклона.

Как видно из примеров Outotec, кольцевой псевдоожиженный слой может иметь широкий спектр применения, как и любая другая технология псевдоожижения. Однако, поскольку это недавняя разработка в этой области, ее полный потенциал еще предстоит реализовать и реализовать для промышленных приложений.

Безопасность и экология

Очистка воздуха

Одно из применений AFB - очистка воздуха. Он начинается с фокусировки солнечного ультрафиолетового света на частицах силикагеля, которые покрыты тонким слоем катализатора из диоксида титана. Затем ультрафиолетовый свет может заряжать эти частицы. Эти положительно и отрицательно заряженные частицы затем становятся доступными для инициирования различных химических реакций.[6]Когда загрязненный воздух проходит через центральное сопло в псевдоожиженный слой, загрязнения, которые контактируют с фотокаталитическими частицами, адсорбируются на поверхности частиц. Загрязнения вступают в реакцию с положительными и отрицательными зарядами и химически разрушаются. Результат - очищенный воздух.

Отходящий газ

Отходящий газ - это газообразный продукт, выходящий из циклонного сепаратора, который соединен с псевдоожиженным слоем. Если газ чистый и не содержит загрязнений, его можно охладить через конденсатор, а затем отфильтровать для удаления мелких частиц. После фильтрации он может быть направлен обратно в систему или уменьшен. В различных случаях летучие и / или ядовитые газы могут использоваться в качестве исходного газа для псевдоожиженных слоев. Отходящий газ, образующийся при операции, может содержать значительное количество таких газов, и поэтому его необходимо нейтрализовать. Попадание газов в окружающую среду может вызвать парниковые газы и быть токсичными для местной флоры и фауны. Очистка отходящих газов повышает экологичность и сводит на нет вредное воздействие на окружающую среду.

Мелкие частицы

Во время работы псевдоожиженного слоя частицы переносятся кинетической энергией, обеспечиваемой подаваемым газом. При определенных скоростях мелкие частицы могут лететь в циклон и отделяться от дымового газа. Эти мелкие частицы можно либо вернуть в систему, либо удалить. После удаления эти частицы, в зависимости от их природы, могут оказывать неблагоприятное воздействие на окружающую среду и требуют осторожного обращения.

Например, в настоящее время в процессе добычи в Мозамбике кольцевые псевдоожиженные слои используются для предварительного нагрева и восстановления ильменитовой руды, ильменит является опасным соединением, поскольку кристаллический кремнезем, как известно, вызывает фиброз легких и является известным канцерогеном.[7] Компании, использующие такое оборудование и вредные вещества, должны утилизировать свои отходы надлежащим образом.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c d е ж г час я j k Collin, A .; Wirth, K.-E .; Стредер, М. (2009). «Характеристика кольцевого псевдоожиженного слоя». Порошковая технология. 190 (1–2): 31–35. Дои:10.1016 / j.powtec.2008.04.090.
  2. ^ а б c d е ж Outotec Fluidization Technology 2011, просмотрено 13 октября 2013 г., www.outotec.com
  3. ^ а б Грейс, Дж. Р. (1990). «Реакторы с высокоскоростным псевдоожиженным слоем». Химическая инженерия. 45 (8): 1953–1966. Дои:10.1016 / 0009-2509 (90) 80070-У.
  4. ^ Сын, S.M .; Kim, U.Y .; Shin, I.S .; Kang, Y .; Юн, Б.Т .; Чой, М.Дж. "Анализ поведения газового потока в реакторе с кольцевым псевдоожиженным слоем для обработки отходов полистирола". Материальные циклы и управление отходами. 11 (2): 138–143. Дои:10.1007 / s10163-008-0226-0.
  5. ^ а б С.М. Валас 1990, Химическое технологическое оборудование, Бостон
  6. ^ DEM-Solutions 11 июля 2011 г., EDEM дает толчок экологическим технологиям, просмотр 12 октября 2013 г., <http://www.dem-solutions.com/edem-gives-boost-to-green-technology/ >
  7. ^ Doral Mineral Sands Pty. Ltd. 2007, Паспорт безопасности материалов ильменита, просмотрено 12 октября 2013 г. <«Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2013-04-09. Получено 2013-10-15.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт)>