Реактор с псевдоожиженным слоем - Fluidized bed reactor

Для других тем на псевдоожижения см с псевдоожиженным слоем технологии , сжигание в кипящем слое и псевдоожижения .

Реактор с псевдоожиженным слоем ( FBR ) представляет собой тип реактора устройства , которое может использоваться для выполнения различных многофазных химических реакций. В реакторах этого типа жидкость (газ или жидкость) проходит через твердый гранулированный материал (обычно катализатор ) с достаточно высокой скоростью, чтобы приостановить твердое тело и заставить его вести себя так, как если бы оно было жидкостью. Этот процесс, известный как псевдоожижение , дает много важных преимуществ FBR. В результате FBR используются во многих промышленных приложениях.

Принципиальная схема реактора с псевдоожиженным слоем

Основные принципы

Твердый материал подложки (каталитический материал, с которым реагируют химические частицы) в реакторе с псевдоожиженным слоем обычно поддерживается пористой пластиной, известной как распределитель. Затем жидкость проталкивается через распределитель вверх через твердый материал. При более низких скоростях жидкости твердые частицы остаются на месте, поскольку жидкость проходит через пустоты в материале. Это известно как реактор с насадочным слоем . По мере увеличения скорости жидкости реактор достигнет стадии, когда сила жидкости, действующей на твердые частицы, будет достаточной, чтобы уравновесить вес твердого материала. Эта стадия известна как начальная псевдоожижение и происходит при этой минимальной скорости псевдоожижения. Как только эта минимальная скорость будет превышена, содержимое слоя реактора начнет расширяться и закручиваться, как в резервуаре с мешалкой или в кипящем котле с водой. Теперь реактор представляет собой псевдоожиженный слой. В зависимости от условий работы и свойств твердой фазы в этом реакторе могут наблюдаться различные режимы течения.

История и текущее использование

Реакторы с псевдоожиженным слоем - относительно новый инструмент в области химического машиностроения. Первый газогенератор с псевдоожиженным слоем был разработан Фрицем Винклером в Германии в 1920-х годах. Одним из первых реакторов с псевдоожиженным слоем, использованных в нефтяной промышленности, была установка каталитического крекинга, созданная в Батон-Руж, штат Луизиана, в 1942 году компанией Standard Oil из Нью-Джерси (ныне ExxonMobil ). Этот FBR и многие последующие были разработаны для нефтяной и нефтехимической промышленности. Здесь катализаторы использовались для восстановления нефти до более простых соединений с помощью процесса, известного как крекинг . Изобретение этой технологии позволило значительно увеличить производство различных видов топлива в США.

Сегодня реакторы с псевдоожиженным слоем все еще используются для производства бензина и других видов топлива, а также многих других химикатов. Многие промышленные полимеры , такие как каучук , винилхлорид , полиэтилен , стирол и полипропилен , производятся с использованием технологии FBR . Различные коммунальные предприятия также используют FBR для газификации угля , атомных электростанций, а также установок для очистки воды и отходов. Используемые в этих приложениях реакторы с псевдоожиженным слоем обеспечивают более чистый и эффективный процесс, чем предыдущие стандартные реакторные технологии.

Преимущества

Увеличение использования реакторов с псевдоожиженным слоем в современном промышленном мире в значительной степени связано с неотъемлемыми преимуществами этой технологии.

  • Равномерное перемешивание частиц: из-за присущего твердому материалу поведения жидкости, псевдоожиженные слои не испытывают плохого перемешивания, как в уплотненных слоях. Такое полное перемешивание позволяет получить однородный продукт, что часто бывает трудно получить в реакторах других конструкций. Устранение радиальных и осевых градиентов концентрации также позволяет улучшить контакт жидкости с твердыми частицами, что важно для эффективности и качества реакции.
  • Равномерные градиенты температуры: многие химические реакции требуют добавления или отвода тепла. Локальные горячие или холодные точки в реакционном слое, часто являющиеся проблемой для уплотненных слоев, избегаются в условиях псевдоожижения, таких как FBR. В реакторах других типов эти локальные перепады температур, особенно в горячих точках, могут привести к деградации продукта. Таким образом, FBR хорошо подходят для экзотермических реакций. Исследователи также узнали, что коэффициенты теплопередачи от слоя к поверхности для FBR высоки.
  • Возможность работы реактора в непрерывном состоянии: природа этих реакторов с псевдоожиженным слоем позволяет непрерывно извлекать продукт и вводить новые реагенты в реакционный сосуд. Работа в состоянии непрерывного процесса позволяет производителям производить различные продукты более эффективно за счет устранения условий запуска в периодических процессах .

Недостатки

Как и в любой конструкции, у реактора с псевдоожиженным слоем есть свои недостатки, которые должен учитывать любой разработчик реактора.

  • Увеличенный размер емкости реактора: из-за расширения материалов слоя в реакторе часто требуется емкость большего размера, чем для реактора с насадочным слоем. Это более крупное судно означает, что необходимо потратить больше на первоначальные капитальные затраты.
  • Требования к перекачке и падение давления . Требование к текучей среде суспендировать твердый материал требует, чтобы в реакторе была достигнута более высокая скорость текучей среды. Для этого требуется большая мощность накачки и, следовательно, более высокие затраты на электроэнергию. Кроме того, падение давления, связанное с глубокими пластами, также требует дополнительной мощности откачки.
  • Унос частиц: высокие скорости газа, присутствующие в реакторах этого типа, часто приводят к тому, что мелкие частицы уносятся жидкостью. Эти захваченные частицы затем выносятся из реактора с жидкостью, где они должны быть отделены. Это может быть очень сложной и дорогостоящей проблемой в зависимости от конструкции и функции реактора. Это часто может оставаться проблемой даже при использовании других технологий снижения уноса.
  • Отсутствие текущего понимания: Текущее понимание фактического поведения материалов в псевдоожиженном слое довольно ограничено. Очень сложно предсказать и рассчитать сложные массовые и тепловые потоки в пласте. Из-за этого отсутствия понимания требуется пилотная установка для новых процессов. Даже с пилотными установками масштабирование может быть очень трудным и может не отражать то, что было испытано в пилотных испытаниях.
  • Эрозия внутренних компонентов: жидкое поведение мелких твердых частиц в слое в конечном итоге приводит к износу корпуса реактора. Это может потребовать дорогостоящего обслуживания реакционного сосуда и трубопроводов.
  • Сценарии потери давления: Если давление псевдоожижения внезапно падает, площадь поверхности слоя может внезапно уменьшиться. Это может быть либо неудобством (например, затруднение перезапуска слоя), либо может иметь более серьезные последствия, такие как неуправляемые реакции (например, для экзотермических реакций, при которых теплопередача внезапно ограничивается).

Текущие исследования и тенденции

Благодаря преимуществам реакторов с псевдоожиженным слоем, этой технологии посвящено большое количество исследований. Большинство современных исследований направлено на количественную оценку и объяснение поведения фазовых взаимодействий в слое. Конкретные темы исследований включают распределение частиц по размерам, различные коэффициенты переноса, фазовые взаимодействия, эффекты скорости и давления, а также компьютерное моделирование. Целью этого исследования является создание более точных моделей внутренних движений и явлений кровати. Это позволит инженерам-химикам разрабатывать более совершенные и эффективные реакторы, которые могут эффективно справляться с текущими недостатками технологии и расширять диапазон использования FBR.

Смотрите также

Рекомендации

  1. Перейти ↑ Howard, JR (1989). Технология псевдоожиженного слоя: принципы и применение. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Адам Хиглер.
  2. ^ Tavoulareas, S. (1991) псевдоожиженным слоем технологии сжигания. ** Annual Reviews Inc. ** 16, 25–27.
  3. ^ "Первый промышленный реактор с псевдоожиженным слоем" . Национальные исторические химические достопримечательности . Американское химическое общество . Проверено 21 февраля 2014 .
  4. ^ a b Торнхилл Д. "Страница реактора с псевдоожиженным слоем" . Проверено 13 февраля 2007 года .
  5. ^ Производство полипропилена с помощью газофазного процесса, Программа экономики технологий . Решения Intratec. 2012. ISBN.   978-0-615-66694-5 .
  6. ^ a b Трамбуз, П., и Юзен, Дж. (2004). Химические реакторы: от конструкции к эксплуатации. (Р. Бононно, Пер.). Париж: Издания Technip.
  7. ^ Arastoopour, Х. (ред.). (1998). Псевдоожижение и системы жидких частиц: последние исследования и разработки. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Американский институт инженеров-химиков.
  8. ^ Аббаси, Мохаммад Реза; Шамири, Ахмад; Хуссейн, Массачусетс (2016). «Динамическое моделирование и молекулярно-массовое распределение сополимеризации этилена в промышленном газофазном реакторе с псевдоожиженным слоем» . Передовая порошковая технология . 27 (4): 1526–1538. DOI : 10.1016 / j.apt.2016.05.014 .