Флюидизация - Fluidization
Псевдоожижение (или псевдоожижение ) - это процесс, похожий на ожижение, посредством которого гранулированный материал преобразуется из статического твердого состояния в динамическое жидкое состояние. Этот процесс происходит, когда жидкость ( жидкость или 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 аэродинамическое сопротивлениена каждой частице также низка, и, таким образом, 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.
При псевдоожижении слой твердых частиц будет вести себя как текучая среда, как жидкость или газ. Как вода в ведре : кровать будет соответствовать объему камеры, а ее поверхность останется перпендикулярной силе тяжести ; объекты с более низкой плотностью, чем плотность кровати, будут плавать на ее поверхности, подпрыгивая вверх и вниз, если их толкать вниз, в то время как объекты с более высокой плотностью опускаются на дно кровати. Гидравлическое поведение позволяет частицам транспортироваться, как жидкость, по трубам , не требуя механической транспортировки (например, конвейерной ленты ).
Упрощенным повседневным примером псевдоожиженного слоя газа и твердого вещества может быть попкорн с горячим воздухом . В попкорн ядра , все быть достаточно однородными по размеру и форме, суспендируют в горячем воздухе , поднимающийся из нижней камеры. Из-за интенсивного перемешивания частиц, аналогичного перемешиванию кипящей жидкости, это позволяет поддерживать равномерную 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 миску.
Этот процесс также играет ключевую роль в формировании песчаного вулкана и структур утечки жидкости в отложениях и осадочных породах .
Приложения
В большинстве приложений псевдоожижения используется одна или несколько из трех важных характеристик псевдоожиженного слоя:
- Псевдоожиженные твердые вещества легко переносятся между реакторами.
- Интенсивное перемешивание в псевдоожиженном слое означает, что его температура одинакова.
- Между псевдоожиженным слоем и теплообменниками, погруженными в слой, обеспечивается превосходная теплопередача.
В 1920-х годах был разработан процесс Винклера для газификации угля в псевдоожиженном слое с использованием кислорода. Это не было коммерчески успешным.
Первым крупномасштабным коммерческим внедрением в начале 1940-х годов стал процесс каталитического крекинга в псевдоожиженном слое (FCC) , в ходе которого более тяжелые нефтяные фракции были преобразованы в бензин . Богатый углеродом « кокс » откладывается на частицах катализатора и дезактивирует катализатор менее чем за 1 секунду . Частицы псевдоожиженного катализатора перемещаются между реактором псевдоожиженного слоя и горелкой псевдоожиженного слоя, где отложения кокса сжигаются, выделяя тепло для эндотермической реакции крекинга.
К 1950-м годам технология псевдоожиженного слоя применялась в минеральных и металлургических процессах, таких как сушка, кальцинирование и обжиг сульфидов .
В 1960-х годах несколько процессов с псевдоожиженным слоем резко снизили стоимость некоторых важных мономеров . Примерами являются процесс Sohio для акрилонитрила и процесс оксихлорирования для винилхлорида . Эти химические реакции являются сильно экзотермическими, а псевдоожижение обеспечивает однородную температуру, сводя к минимуму нежелательные побочные реакции и эффективную передачу тепла к охлаждающим трубкам, обеспечивая высокую производительность.
В конце 1970-х годов процесс синтеза полиэтилена в псевдоожиженном слое резко снизил стоимость этого важного полимера , что сделало его использование экономичным во многих новых областях применения. В результате реакции полимеризации выделяется тепло, а интенсивное перемешивание, связанное с псевдоожижением, предотвращает появление горячих точек, в которых частицы полиэтилена могут плавиться. Похожий процесс используется для синтеза полипропилена .
В настоящее время большинство процессов, которые разрабатываются для промышленного производства углеродных нанотрубок, используют псевдоожиженный слой. Arkema использует псевдоожиженный слой для производства 400 тонн многослойных углеродных нанотрубок в год.
Новым потенциальным применением технологии псевдоожижения является горение с химическим контуром , которое еще не было коммерциализировано. Одним из решений снижения потенциального воздействия углекислого газа, образующегося при сгорании топлива (например, на электростанциях ) на глобальное потепление, является связывание углекислого газа . При регулярном сжигании с воздухом образуется газ, в основном азот (так как это основной компонент воздуха в количестве около 80% по объему), что предотвращает экономичное связывание. В химическом цикле в качестве твердого переносчика кислорода используется оксид металла . Эти частицы оксида металла заменяют воздух (особенно кислород в воздухе) в реакции горения с твердым, жидким или газообразным топливом в псевдоожиженном слое, производя твердые частицы металла в результате восстановления оксидов металлов и смеси диоксида углерода и воды. пар , основные продукты любой реакции горения. Вода пар конденсируется, в результате чего чистый диоксида углерода , который может быть поглощенным. Частицы твердого металла циркулируют в другом псевдоожиженном слое, где они реагируют с воздухом (и снова с кислородом воздуха), выделяя тепло и окисляя частицы металла до частиц оксида металла, которые рециркулируют в камеру сгорания псевдоожиженного слоя.
Псевдоожижение жидкость-твердое вещество имеет ряд применений в машиностроении. Самым известным применением псевдоожижения жидкость-твердое вещество является обратная промывка гранулированных фильтров водой.
Псевдоожижение имеет множество применений с использованием ионообменных частиц для очистки и обработки многих промышленных жидкостных потоков. В таких отраслях, как пищевая, гидрометаллургическая, водоумягчительная, каталитическая, химическая на биологической основе и т. Д., Ионный обмен является критически важным этапом обработки. Обычно 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, расширяющее использование традиционных ионообменных систем, поскольку она может обрабатывать потоки сырья с большим количеством взвешенных твердых частиц из-за использования псевдоожижения.