Fluidyzacja
Fluidyzacja (lub fluidyzacja ) jest procesem podobnym do upłynniania , w którym materiał ziarnisty jest przekształcany ze statycznego stanu stałego w dynamiczny stan płynny . Proces ten zachodzi, gdy płyn ( ciecz lub gaz ) przechodzi przez materiał ziarnisty.
Gdy przepływ gazu zostanie wprowadzony przez dno złoża cząstek stałych, będzie on poruszał się w górę przez złoże przez puste przestrzenie między cząstkami. Przy niskich prędkościach gazu opór aerodynamiczny na każdą cząstkę jest również niski, a zatem złoże pozostaje w stanie ustalonym. Zwiększając prędkość, siły oporu aerodynamicznego zaczną przeciwdziałać siłom grawitacyjnym, powodując rozszerzanie się objętości złoża, gdy cząstki oddalają się od siebie. Dalsze zwiększanie prędkości osiągnie wartość krytyczną, przy której siły oporu skierowane w górę będą dokładnie równe siłom grawitacji skierowanym w dół, powodując zawieszenie cząstek w płynie. Przy tej wartości krytycznej mówi się, że złoże jest fluidyzowane i będzie wykazywać właściwości płynne. Poprzez dalsze zwiększanie prędkości gazu, gęstość nasypowa złoża będzie się nadal zmniejszać, a jego fluidyzacja stanie się bardziej intensywna, aż cząstki przestaną tworzyć złoże i zostaną „przeniesione” w górę przez przepływ gazu.
Po fluidyzacji złoże cząstek stałych będzie zachowywać się jak płyn, jak ciecz lub gaz. Jak woda w wiadrze : dno dostosuje się do objętości komory, a jego powierzchnia pozostanie prostopadła do grawitacji ; obiekty o gęstości mniejszej niż gęstość złoża będą unosić się na jego powierzchni, podskakując w górę iw dół, jeśli zostaną popchnięte w dół, podczas gdy obiekty o większej gęstości opadną na dno łóżka. Płynne zachowanie pozwala na transport cząstek jak płyn, kierowany rurami , niewymagający transportu mechanicznego (np. przenośnik taśmowy ).
Uproszczonym codziennym przykładem złoża fluidalnego z gazem stałym byłaby pralka do popcornu z gorącym powietrzem . Ziarna popcornu , wszystkie o dość jednolitym rozmiarze i kształcie, są zawieszone w gorącym powietrzu unoszącym się z dolnej komory. Ze względu na intensywne mieszanie cząstek, podobne do mieszania się wrzącej cieczy, pozwala to na równomierną temperaturę ziaren w całej komorze, minimalizując ilość spalonego popcornu. Po pęknięciu, teraz większe cząstki popcornu napotykają zwiększony opór aerodynamiczny, który wypycha je z komory do miski.
Proces ten ma również kluczowe znaczenie dla formowania się wulkanu piaskowego i struktur ucieczki płynów w osadach i skałach osadowych .
Aplikacje
Większość aplikacji fluidyzacyjnych wykorzystuje jedną lub więcej z trzech ważnych cech złóż fluidalnych:
- Fluidyzowane ciała stałe można łatwo przenosić między reaktorami.
- Intensywne mieszanie w złożu fluidalnym powoduje, że jego temperatura jest jednorodna.
- Pomiędzy złożem fluidalnym a wymiennikami ciepła zanurzonymi w złożu zachodzi doskonała wymiana ciepła.
W latach dwudziestych XX wieku opracowano proces Winklera do zgazowania węgla w złożu fluidalnym przy użyciu tlenu. Nie odniósł sukcesu komercyjnego.
Pierwszym komercyjnym wdrożeniem na dużą skalę we wczesnych latach czterdziestych XX wieku był proces fluidalnego krakingu katalitycznego (FCC) , który przekształcał cięższe frakcje ropy naftowej w benzynę . Bogaty w węgiel „ koks ” osadza się na cząstkach katalizatora i dezaktywuje katalizator w czasie krótszym niż 1 sekunda . Cząstki fluidalnego katalizatora są transportowane między reaktorem ze złożem fluidalnym a palnikiem ze złożem fluidalnym, w którym osady koksu są wypalane, wytwarzając ciepło do endotermicznej reakcji krakingu.
W latach pięćdziesiątych technologia złoża fluidalnego była stosowana w procesach mineralnych i metalurgicznych, takich jak suszenie, kalcynowanie i prażenie siarczkowe .
W latach sześćdziesiątych kilka procesów w złożu fluidalnym radykalnie obniżyło koszt niektórych ważnych monomerów . Przykładami są Sohio dla akrylonitrylu i proces oksychlorowania dla chlorku winylu . Te reakcje chemiczne są wysoce egzotermiczne, a fluidyzacja zapewnia jednolitą temperaturę, minimalizując niepożądane reakcje uboczne i wydajne przenoszenie ciepła do rur chłodzących, zapewniając wysoką wydajność.
Pod koniec lat siedemdziesiątych proces syntezy polietylenu w złożu fluidalnym radykalnie obniżył koszt tego ważnego polimeru , czyniąc jego zastosowanie ekonomicznym w wielu nowych zastosowaniach. Reakcja polimeryzacji generuje ciepło, a intensywne mieszanie związane z fluidyzacją zapobiega gorącym punktom, w których cząsteczki polietylenu mogłyby się stopić. Podobny proces stosuje się do syntezy polipropylenu .
Obecnie większość procesów opracowywanych do przemysłowej produkcji nanorurek węglowych wykorzystuje złoże fluidalne. Arkema wykorzystuje złoże fluidalne do produkcji 400 ton/rok wielościennych nanorurek węglowych.
Nowym potencjalnym zastosowaniem technologii fluidyzacji jest spalanie w pętli chemicznej , które nie zostało jeszcze skomercjalizowane. Jednym ze sposobów ograniczenia potencjalnego wpływu dwutlenku węgla powstającego podczas spalania paliw (np. w elektrowniach ) na globalne ocieplenie jest sekwestracja dwutlenku węgla . Regularne spalanie z powietrzem wytwarza gaz, który jest głównie azotem (ponieważ jest głównym składnikiem powietrza w około 80% objętości), co uniemożliwia ekonomiczną sekwestrację. Pętla chemiczna wykorzystuje tlenek metalu jako stały nośnik tlenu . Te cząsteczki tlenków metali zastępują powietrze (zwłaszcza tlen w powietrzu) w reakcji spalania z paliwem stałym, płynnym lub gazowym w złożu fluidalnym, wytwarzając stałe cząstki metali w wyniku redukcji tlenków metali i mieszaniny dwutlenku węgla i wody opary , główne produkty każdej reakcji spalania. Para wodna skrapla się, pozostawiając czysty dwutlenek węgla, który można sekwestrować. Cząsteczki metalu w stanie stałym krążą do innego złoża fluidalnego, gdzie reagują z powietrzem (i ponownie, w szczególności z tlenem w powietrzu), wytwarzając ciepło i utleniając cząstki metalu do cząstek tlenku metalu, które są zawracane do komory spalania ze złożem fluidalnym. Podobny proces stosuje się do produkcji bezwodnika maleinowego poprzez częściowe utlenianie n-butanu, przy czym krążące cząstki działają zarówno jako katalizator, jak i nośnik tlenu; czysty tlen jest również wprowadzany bezpośrednio do złoża.
Prawie 50% krzemu w ogniwach słonecznych jest wytwarzane w złożach fluidalnych. Na przykład krzem metalurgiczny jest najpierw poddawany reakcji z silanowym . Gaz silanowy jest krakowany termicznie w złożu fluidalnym zarodków krzemu, a krzem osadza się na cząstkach zarodków. Reakcja krakingu jest endotermiczna, a ciepło jest dostarczane przez ścianę złoża, zwykle wykonaną z grafitu (aby uniknąć zanieczyszczenia metalem krzemu produktu). Wielkość cząstek złoża można kontrolować za pomocą strumieni ścierających. Silan jest często wstępnie mieszany z wodorem, aby zmniejszyć ryzyko wybuchu wyciekającego silanu w powietrzu (patrz silan ).
Fluidyzacja ciecz-ciało stałe ma wiele zastosowań w inżynierii Najbardziej znanym zastosowaniem fluidyzacji ciecz-ciało stałe jest płukanie wsteczne filtrów ziarnistych wodą.
Fluidyzacja ma wiele zastosowań z wykorzystaniem cząstek jonowymiennych do oczyszczania i przetwarzania wielu przemysłowych strumieni cieczy. Branże takie jak żywność i napoje, hydrometalurgia, zmiękczanie wody, kataliza, chemikalia pochodzenia biologicznego itp. wykorzystują wymianę jonową jako krytyczny etap przetwarzania. Konwencjonalnie wymiana jonowa była stosowana w złożu upakowanym, w którym wstępnie sklarowana ciecz przepływa w dół przez kolumnę. Na University of Western Ontario w London Ontario w Kanadzie wykonano wiele pracy nad zastosowaniem ciągłego fluidalnego systemu wymiany jonowej, nazwanego „ciecz-ciało stałe obiegowe złoże fluidalne” (LSCFB), ostatnio nazywanego „cyrkulacyjną fluidalną wymianą jonową” ( CFIX). System ten ma szerokie zastosowanie, rozszerzając zastosowanie tradycyjnych systemów wymiany jonowej, ponieważ dzięki zastosowaniu fluidyzacji może obsługiwać strumienie zasilające z dużą ilością zawieszonych ciał stałych.