Fluidiserad säng

För andra ämnen om fluidisering, se Fluidiserad bäddförbränning , Fluidiserad bäddreaktor , Fluidiserad bäddkoncentrator och Fluidisering .

Äldsta kraftverk som använder cirkulär fluidiserad bäddteknologi, i Lünen , Tyskland

En fluidiserad bädd är ett fysiskt fenomen som uppstår när ett fast partikelformigt ämne (vanligtvis närvarande i ett uppehållskärl) är under rätt förhållanden så att det beter sig som en vätska . Det vanliga sättet att uppnå en fluidiserad bädd är att pumpa in trycksatt vätska i partiklarna. Det resulterande mediet har då många egenskaper och egenskaper hos normala vätskor, såsom förmågan att rinna fritt under tyngdkraften, eller att pumpas med vätsketeknik.

Det resulterande fenomenet kallas fluidisering . Fluidiserade bäddar används för flera ändamål, såsom reaktorer med fluidiserad bädd (typer av kemiska reaktorer ), separation av fasta ämnen, katalytisk vätskekrackning , förbränning i fluidiserad bädd , värme- eller massöverföring eller gränssnittsmodifiering, såsom applicering av en beläggning på fasta föremål. Denna teknik blir också allt vanligare inom vattenbruk för produktion av skaldjur i integrerade multitrofiska vattenbrukssystem.

Egenskaper

En fluidiserad bädd består av en vätske-fast blandning som uppvisar vätskeliknande egenskaper. Som sådan är bäddens övre yta relativt horisontell, vilket är analogt med hydrostatiskt beteende. Bädden kan anses vara en heterogen blandning av vätska och fast material som kan representeras av en enda skrymdensitet.

Vidare kommer ett föremål med högre densitet än bädden att sjunka, medan ett föremål med lägre densitet än bädden kommer att flyta, så bädden kan anses uppvisa det vätskebeteende som förväntas av Arkimedes princip . Eftersom "densiteten", (faktiskt den fasta volymfraktionen av suspensionen), av bädden kan ändras genom att ändra fluidfraktionen, kan föremål med olika densitet jämfört med bädden, genom att ändra antingen den flytande eller fasta fraktionen, orsakas att sjunka eller flyta.

I fluidiserade bäddar förbättras kontakten mellan de fasta partiklarna och fluidiseringsmediet (en gas eller en vätska) avsevärt jämfört med packade bäddar . Detta beteende i fluidiserade förbränningsbäddar möjliggör god termisk transport inuti systemet och god värmeöverföring mellan bädden och dess behållare. På samma sätt som den goda värmeöverföringen, som möjliggör termisk enhetlighet analog med den för en välblandad gas, kan bädden ha en betydande värmekapacitet samtidigt som ett homogent temperaturfält bibehålls.

Ansökan

Fluidiserade bäddar används som en teknisk process som har förmågan att främja höga nivåer av kontakt mellan gaser och fasta ämnen. I en fluidiserad bädd kan en karakteristisk uppsättning grundläggande egenskaper användas, oumbärliga för modern process- och kemiteknik, dessa egenskaper inkluderar:

• Extremt hög ytkontakt mellan vätska och fast material per enhet bäddvolym
• Höga relativa hastigheter mellan vätskan och den dispergerade fasta fasen.
• Höga nivåer av sammanblandning av partikelfasen.
• Frekventa partikel-partikel- och partikel-väggkollisioner.

Ta ett exempel från livsmedelsindustrin: Fluidiserade bäddar används för att påskynda frysningen i vissa individuellt snabbfrysta (IQF) tunnelfrysar . Dessa fluidiserade bäddtunnlar används vanligtvis på små livsmedelsprodukter som ärtor, räkor eller skivade grönsaker, och kan använda kryogen eller ångkompressionskylning . Vätskan som används i fluidiserade bäddar kan också innehålla en vätska av katalytisk typ; det är därför det också används för att katalysera den kemiska reaktionen och även för att förbättra reaktionshastigheten.

Fluidiserade bäddar används också för effektiv bulktorkning av material. Fluidiserad bäddteknologi i torktumlare ökar effektiviteten genom att tillåta att hela ytan av torkmaterialet hängs upp och därför exponeras för luften. Denna process kan också kombineras med uppvärmning eller kylning, vid behov, enligt specifikationerna för applikationen.

Historia

1922 gjorde Fritz Winkler den första industriella tillämpningen av fluidisering i en reaktor för en kolförgasningsprocess . År 1942 byggdes den första cirkulerande fluidbädden för katalytisk krackning av mineraloljor , med fluidiseringsteknologi applicerad på metallurgisk bearbetning (rostning av arsenopyrit ) i slutet av 1940-talet. Under denna tid förbättrade teoretisk och experimentell forskning utformningen av den fluidiserade bädden. På 1960-talet implementerade VAW-Lippewerk i Lünen, Tyskland den första industriella bädden för förbränning av kol och senare för förbränning av aluminiumhydroxid.

Typer av fluidiserade sängar

Sängtyper kan grovt klassificeras efter deras flödesbeteende, inklusive:

• Stationär eller partikelformig fluidiserad bädd är det klassiska tillvägagångssättet där gasen vid låga hastigheter används och fluidiseringen av de fasta ämnena är relativt stationär, med några fina partiklar meddragna.
• I bubblande fluidiserad (även kallad aggregativ fluidiserad bädd) är vätskans hastigheter höga, vilket bildar två separata faser - kontinuerlig fas (tät fas eller emulsionsfas) och en diskontinuerlig fas (mager eller bubbelfas).
• Cirkulerande fluidiserade bäddar (CFB), där gaserna har en högre hastighet som är tillräcklig för att suspendera partikelbädden, på grund av en större kinetisk energi hos vätskan. Som sådan är bäddens yta mindre slät och större partiklar kan dras med från bädden än för stationära bäddar. Medryckta partiklar recirkuleras via en extern slinga tillbaka in i reaktorbädden. Beroende på processen kan partiklarna klassificeras av en cyklonseparator och separeras från eller återföras till bädden, baserat på partikelstorleken.
• Vibrerande fluidiserade bäddar liknar stationära bäddar, men lägger till en mekanisk vibration för att ytterligare excitera partiklarna för ökad medryckning.
• Transport eller flashreaktor (FR): Vid hastigheter högre än CFB närmar sig partiklar gasens hastighet. Glidhastigheten mellan gas och fast material reduceras avsevärt till bekostnad av mindre homogen värmefördelning.
• Ringformig fluidiserad bädd (AFB): Ett stort munstycke i mitten av en bubbelbädd introducerar gas som hög hastighet som uppnår den snabba blandningszonen ovanför den omgivande bädden jämförbar med den som finns i den yttre slingan av en CFB.
• Mekaniskt fluidiserad reaktor (MFR): En mekanisk omrörare används för att mobilisera partiklar och uppnå egenskaper som liknar en välblandad fluidiserad bädd. Den kräver inte fluidiseringsgas.
• Smala fluidiserade bäddar (NFB): I detta fall är förhållandet mellan röret och korndiametrarna lika med eller mindre än cirka 10. Bäddens dynamik skiljer sig då från de andra typerna av fluidiserade bäddar på grund av starka inneslutningseffekter, och förekomsten av granulära pluggar, bestående av områden med höga koncentrationer av fasta ämnen omväxlande med låga koncentrationer av fasta ämnen, är vanligt.

Sängdesign

Ett diagram över en fluidiserad bädd

Grundmodell

När en vätska passerar över den packade bädden är vätskans tryckfall ungefär proportionell mot vätskans ythastighet . För att övergå från en packad bädd till ett fluidiserat tillstånd höjs gashastigheten kontinuerligt. För en fristående bädd kommer det att finnas en punkt, känd som den minimala eller begynnande fluidiseringspunkten, varvid bäddens massa suspenderas direkt av flödet av fluidströmmen. Motsvarande vätskehastighet, känd som "minsta fluidiseringshastighet", $u_{mf}$ .

Utöver den lägsta fluidiseringshastigheten ( $u\geq u_{mf}$ ), kommer bäddmaterialet att suspenderas av gasströmmen och ytterligare ökningar av hastigheten kommer att ha en minskad effekt på trycket, på grund av tillräcklig perkolering av gasflödet. Således är tryckfallet för $u>u_{mf}$ relativt konstant.

Vid botten av kärlet kan det skenbara tryckfallet multiplicerat med bäddens tvärsnittsarea likställas med kraften av vikten av de fasta partiklarna (minus flytkraften hos det fasta ämnet i vätskan).

$$\Delta p_{w}= H_{w}(1-\epsilon _{w})(\rho _{s}-\rho _{f})g=[M_{s}g/A][(\rho _{s}-\ rho _{f})/\rho _{s}]$$

var:

$\Delta p_{w}$ är bäddens tryckfall

$H_{w}$ är sänghöjden

$\epsilon _{w}$ är bäddens hålrum, dvs den del av bäddvolymen som upptas av hålrummen (vätskeutrymmena mellan partiklarna)

$\rho _{s}$ är den skenbara densiteten av bäddpartiklar

$\rho _{f}$ är densiteten hos den fluidiserande vätskan

$g$ är accelerationen på grund av gravitationen

$M_{s}$ är den totala massan av fasta ämnen i sängen

$A$ är sängens tvärsnittsarea

Geldart grupperingar

1973 föreslog professor D. Geldart grupperingen av pulver i fyra så kallade "Geldart-grupper". Grupperna definieras av deras placeringar på ett diagram över fast-vätskedensitetsskillnad och partikelstorlek. Designmetoder för fluidiserade bäddar kan skräddarsys baserat på partikelns Geldart-gruppering:

Grupp A För denna grupp är partikelstorleken mellan 20 och 100 µm, och partikeldensiteten är typiskt mindre än 1,4 g/cm ³ . Före initieringen av en bubblande bäddfas kommer bäddar från dessa partiklar att expandera med en faktor 2 till 3 vid begynnande fluidisering, på grund av en minskad bulkdensitet. De flesta pulverkatalyserade sängar använder denna grupp.

Grupp B Partikelstorleken ligger mellan 40 och 500 µm och partikeldensiteten mellan 1,4-4 g/cm ³ . Bubbling bildas vanligtvis direkt vid begynnande fluidisering.

Grupp C Denna grupp innehåller extremt fina och följaktligen de mest sammanhängande partiklarna. Med en storlek på 20 till 30 µm fluidiserar dessa partiklar under mycket svåra förhållanden och kan kräva applicering av en yttre kraft, såsom mekanisk omrörning.

Grupp D Partiklarna i denna region är över 600 µm och har typiskt höga partikeldensiteter. Fluidisering av denna grupp kräver mycket höga vätskeenergier och är typiskt förknippad med höga nivåer av nötning. Torkning av spannmål och ärter, rostning av kaffebönor, förgasning av kol och vissa rostning av metallmalmer är sådana fasta ämnen, och de bearbetas vanligtvis i grunda bäddar eller i sprutläge.

Distributör

Typiskt kommer trycksatt gas eller vätska in i kärlet med fluidiserad bädd genom ett flertal hål via en platta känd som en fördelningsplatta, placerad vid botten av den fluidiserade bädden. Vätskan strömmar uppåt genom bädden, vilket gör att de fasta partiklarna suspenderas. Om inloppsvätskan är inaktiverad kan bädden lägga sig, packas på plattan eller sippra ner genom plattan. Många industrisängar använder en spridarfördelare istället för en fördelarplatta. Vätskan distribueras sedan genom en serie perforerade rör.

Se även

• Cyklonisk separation – En metod för att separera gaser och partiklar
• Fluidisering – Principer och teori för fluidisering
• Fluidiserad bäddförbränning – Applicering av fluidiserad bädd vid förbränning
• Fluidiserad bäddreaktor – Tillämpning av fluidiserade bäddar på reaktiva kemiska processer
• Fluidiserad bäddkoncentrator – Applicering av fluidiserade bäddar för att avlägsna VOC/HAP från industriella avgaser
• Enhetsdrift – Övrig ingenjörsenhetsverksamhet
• Kemisk looping förbränning – Dubbel fluidiserad bäddapplikation

externa länkar

• Video: Liquid-Solid Fluidized Bed
• US DOE Fluidized Bed Technology – Översiktswebbplats
• US DOE NETL faktablad