Псевдоожиженный слой

Самая старая электростанция, использующая технологию кругового псевдоожиженного слоя, в Люнене , Германия

С псевдоожиженным слоем является физическое явление происходит , когда количество из твердого вещества в форме частиц (обычно присутствующей в удерживающей емкости) помещают в подходящих условиях , чтобы вызвать твердое вещество / жидкость , смесь вести себя как жидкость . Обычно это достигается введением жидкости под давлением через среду из твердых частиц. Это приводит к тому, что среда имеет многие свойства и характеристики обычных жидкостей, такие как способность свободно течь под действием силы тяжести или перекачиваться с использованием технологий жидкостного типа.

Возникающее в результате явление называется флюидизацией . Псевдоожиженный слой используется для нескольких целей, таких как реакторы с псевдоожиженным слоем (типы химических реакторов ), разделение твердых веществ, ^[1] каталитическим крекинга , сжигание в кипящем слое , тепловой или массопередачу или модификацию интерфейса, например, нанесение покрытия на твердые предметы . Этот метод также становится все более распространенным в аквакультуре для производства моллюсков в интегрированных многотрофических системах аквакультуры. ^[2]

Свойства [ править ]

Псевдоожиженный слой состоит из жидко-твердой смеси, которая проявляет свойства жидкости. Таким образом, верхняя поверхность слоя относительно горизонтальна, что аналогично гидростатическому поведению. Слой можно рассматривать как гетерогенную смесь жидкости и твердого вещества, которая может быть представлена одной насыпной плотностью.

Кроме того, объект с более высокой плотностью, чем слой, будет тонуть, в то время как объект с более низкой плотностью, чем слой, будет плавать, поэтому можно считать, что слой демонстрирует поведение жидкости, ожидаемое в соответствии с принципом Архимеда . Поскольку «плотность» (фактически объемная доля твердой фазы в суспензии) слоя может быть изменена путем изменения фракции текучей среды, объекты с различной плотностью по сравнению со слоем могут быть вызваны изменением либо жидкой, либо твердой фракции. тонуть или плавать.

В псевдоожиженных слоях контакт твердых частиц со средой псевдоожижения (газом или жидкостью) значительно усиливается по сравнению с уплотненными слоями . Такое поведение в псевдоожиженных слоях сгорания обеспечивает хороший перенос тепла внутри системы и хорошую теплопередачу между слоем и его контейнером. Подобно хорошей теплопередаче, которая обеспечивает тепловую однородность, аналогичную однородности хорошо перемешанного газа, слой может иметь значительную теплоемкость при сохранении однородного температурного поля.

Заявление [ править ]

Псевдоожиженный слой используется как технический процесс, способный обеспечить высокий уровень контакта между газами и твердыми частицами. В псевдоожиженном слое может быть использован характерный набор основных свойств, необходимых для современных процессов и химической инженерии, к которым относятся:

Чрезвычайно высокая площадь контакта между жидкостью и твердым телом на единицу объема слоя
Высокие относительные скорости между жидкостью и дисперсной твердой фазой.
Высокий уровень перемешивания фазы твердых частиц.
Частые столкновения частица-частица и частица-стенка.

Возьмем пример из пищевой промышленности: псевдоожиженные слои используются для ускорения замораживания в некоторых туннельных морозильных камерах индивидуальной быстрой заморозки (IQF) . Эти туннели с псевдоожиженным слоем обычно используются для небольших пищевых продуктов, таких как горох, креветки или нарезанные овощи, и могут использовать криогенное или парокомпрессионное охлаждение . Жидкость, используемая в псевдоожиженных слоях, может также содержать жидкость каталитического типа; вот почему он также используется для катализа химической реакции, а также для повышения скорости реакции.

Псевдоожиженные слои также используются для эффективной сушки материалов. Технология псевдоожиженного слоя в сушилках увеличивает эффективность, позволяя подвешивать всю поверхность сушильного материала и, следовательно, подвергать его воздействию воздуха. Этот процесс также можно комбинировать с нагревом или охлаждением, если необходимо, в соответствии с характеристиками приложения.

История [ править ]

В 1922 году Фриц Винклер впервые применил псевдоожижение в реакторе для процесса газификации угля . ^[3] В 1942 году, первый циркулирующий псевдоожиженный слой был построен для каталитического крекинга из минеральных масел , с псевдоожижением технологии применительно к металлургической обработке (обжарки арсенопирита ) в конце 1940 - х лет. ^[4]^[5] За это время теоретические и экспериментальные исследования улучшили конструкцию псевдоожиженного слоя. В 1960-х годах VAW-Lippewerk в Люнене, Германия, внедрила первый промышленный слой для сжигания угля, а затем и для прокаливания гидроксида алюминия.

Типы псевдоожиженного слоя [ править ]

Типы пластов можно грубо классифицировать по их поведению потока, в том числе: ^[6]

Стационарный псевдоожиженный слой или псевдоожиженный слой из частиц - это классический подход, при котором используется газ с низкими скоростями, а псевдоожижение твердых частиц является относительно стационарным с захватом некоторых мелких частиц.
В пузырьковом псевдоожиженном слое (также называемом агрегатным псевдоожиженным слоем) скорость жидкости высока, что приводит к образованию двух отдельных фаз - непрерывной фазы (плотная или эмульсионная) и прерывистой фазы (обедненная или пузырьковая фаза).
Циркулирующий псевдоожиженный слой (CFB), где газы имеют более высокую скорость, достаточную для приостановки слоя частиц, из-за большей кинетической энергии жидкости. Таким образом, поверхность слоя менее гладкая, и из него могут уноситься более крупные частицы, чем у неподвижных слоев. Унесенные частицы рециркулируют через внешний контур обратно в слой реактора. В зависимости от процесса частицы можно классифицировать с помощью циклонного сепаратора и отделять от слоя или возвращать в него в зависимости от размера фракции.
Вибрационные псевдоожиженные слои аналогичны стационарным слоям, но добавляют механическую вибрацию для дальнейшего возбуждения частиц для увеличения уноса.
Транспортный реактор или реактор мгновенного испарения (FR): при скоростях выше, чем CFB, частицы приближаются к скорости газа. Скорость скольжения между газом и твердым телом значительно снижается за счет менее однородного распределения тепла.
Кольцевой псевдоожиженный слой (AFB): большое сопло в центре пузырькового слоя вводит газ с высокой скоростью, достигая зоны быстрого перемешивания над окружающим слоем, сравнимой с тем, что обнаруживается во внешнем контуре CFB.
Реактор с механическим псевдоожиженным слоем (MFR): механическая мешалка используется для мобилизации частиц и достижения свойств, аналогичных свойствам хорошо перемешанного псевдоожиженного слоя. Не требует псевдоожижающего газа. ^[7]
Узкие псевдоожиженные слои (NFB): в этом случае соотношение между диаметрами трубы и зерен равно или меньше примерно 10. Динамика слоя в этом случае отличается от других типов псевдоожиженных слоев из-за сильных эффектов ограничения, и наличие зернистых пробок, состоящих из областей с высокой концентрацией твердых веществ, чередующихся с низкими концентрациями твердых веществ, является обычным явлением. ^[8]^[9]^[10]

Дизайн кровати [ править ]

Схема псевдоожиженного слоя

Базовая модель [ править ]

Когда над уплотненным слоем проходит жидкость, падение давления жидкости приблизительно пропорционально приведенной скорости жидкости . Для перехода от уплотненного слоя к псевдоожиженному состоянию скорость газа постоянно повышается. Для отдельно стоящего слоя будет существовать точка, известная как точка минимального или начального псевдоожижения, при которой масса слоя подвешивается непосредственно потоком потока текучей среды. Соответствующая скорость жидкости, известная как «минимальная скорость псевдоожижения», . ^[11] ${\ displaystyle u_ {mf}}$

За пределами минимальной скорости псевдоожижения ( ) материал слоя будет взвешиваться потоком газа, и дальнейшее увеличение скорости будет иметь меньшее влияние на давление из-за достаточной фильтрации потока газа. Таким образом, перепад давления относительно постоянен. ${\ displaystyle u \ geq u_ {mf}}$ ${\ displaystyle u> u_ {mf}}$

В основании сосуда кажущееся падение давления, умноженное на площадь поперечного сечения слоя, можно приравнять к силе веса твердых частиц (за вычетом плавучести твердого вещества в жидкости).

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

куда:

$\Delta p_{w}$ падение давления в слое

$H_{w}$ высота кровати

$\epsilon _{w}$ - пустотность слоя, то есть часть объема слоя, которая занята пустотами (жидкостными пространствами между частицами).

$\rho _{s}$ кажущаяся плотность частиц слоя

$\rho _{f}$ это плотность псевдоожижающей жидкости

$g$ ускорение свободного падения

$M_{s}$ это общая масса твердых частиц в слое

$A$ площадь поперечного сечения кровати

Группы Гелдарта [ править ]

В 1973 году профессор Д. Гелдарт предложил разделить порошки на четыре так называемые «группы Гелдарта». ^[12] Группы определяются их местоположением на диаграмме разницы плотностей твердой и жидкой фаз и размера частиц. Методы проектирования псевдоожиженных слоев могут быть адаптированы на основе группировки частиц по Гелдарту: ^[11]

Группа A Для этой группы размер частиц составляет от 20 до 100 мкм, а плотность частиц обычно меньше 1,4 г / см ³ . Перед началом фазы кипящего слоя слои этих частиц будут расширяться в 2–3 раза при начальном псевдоожижении из-за уменьшения объемной плотности. Эту группу используют в большинстве слоев с порошковым катализатором.

Группа B Размер частиц составляет от 40 до 500 мкм, а плотность составляет от 1,4 до 4 г / см ³ . Пузырьки обычно образуются непосредственно при начальном псевдоожижении.

Группа C Эта группа содержит очень мелкие и, следовательно, наиболее когезионные частицы. При размере от 20 до 30 мкм эти частицы псевдоожижают в очень труднодостижимых условиях и могут потребовать приложения внешней силы, такой как механическое перемешивание.

Группа D Частицы в этой области имеют размер более 600 мкм и обычно имеют высокую плотность частиц. Псевдоожижение этой группы требует очень высокой энергии жидкости и обычно связано с высоким уровнем абразивного истирания. К таким твердым веществам относятся сушка зерен и гороха, обжарка кофейных зерен, газификация углей и обжиг некоторых металлических руд, и их обычно перерабатывают в неглубоких слоях или в режиме разбрызгивания.

Дистрибьютор [ править ]

Обычно сжатый газ или жидкость поступает в сосуд с псевдоожиженным слоем через многочисленные отверстия через пластину, известную как распределительная пластина, расположенная на дне псевдоожиженного слоя. Жидкость течет вверх через слой, заставляя твердые частицы взвешиваться. Если впускная жидкость отключена, слой может осесть, набиться на пластину или просочиться через пластину. Многие промышленные кровати используют распределитель разбрызгивателя вместо распределительной пластины. Затем жидкость распределяется по ряду перфорированных трубок.

См. Также [ править ]

Циклонная сепарация - метод разделения газов и твердых частиц
Псевдоожижение - Принципы и теория псевдоожижения
Сжигание в псевдоожиженном слое - Применение псевдоожиженного слоя для сжигания
Реактор с псевдоожиженным слоем - применение псевдоожиженного слоя в реактивных химических процессах
Концентратор псевдоожиженного слоя - применение псевдоожиженного слоя для удаления ЛОС / HAP из промышленных выхлопных газов
Эксплуатация подразделения - Прочие операции инженерного подразделения
Горение с химическим контуром - Применение с двойным псевдоожиженным слоем

Ссылки [ править ]

^ Peng, Z .; Moghtaderi, B .; Дородчи, Э. (2017), «Простая модель для прогнозирования распределения концентрации твердых веществ в псевдоожиженных слоях бинарных и твердых жидкостей», AIChE Journal , 63 (2): 469: 484, doi : 10.1002 / aic.15420
^ Ван, JK, 2003. Концептуальный дизайн системы рециркуляции устриц и креветок на основе микроводорослей. Инженерия аквакультуры 28, 37-46
^ Грейс, Джон Р .; Лекнер, Бо; Чжу, Джесси; Cheng, Yi (2008), «Псевдоожиженные слои», в Clayton T. Crow (ed.), Multiphase Flow Handbook , CRC Press, p. 5:71, DOI : 10,1201 / 9781420040470.ch5 , ISBN 978-1-4200-4047-0, получено в июне 2012 г. Проверить значения даты в: |access-date=( помощь )
↑ Office of Communications (3 ноября 1998 г.), Реактор с псевдоожиженным слоем: Батон-Руж, Луизиана (pdf) , Американское химическое общество , получено в июне 2012 г. Проверить значения даты в: |access-date=( помощь )
^ Грейс; Лекнер; Чжу; Ченг, стр. 5:75 Отсутствует или пусто |title=( справка )
^ Технология псевдоожижения , Outotec , май 2007 г. , извлечено в июне 2012 г. Проверить значения даты в: |access-date=( помощь )
^ Чаудхари, Митеш С., "Влияние контакта жидкость-твердое тело на термический крекинг тяжелых углеводородов в реакторе с механическим псевдоожиженным слоем" (2012). Электронный тезис и репозиторий диссертаций. Документ 1009. http://ir.lib.uwo.ca/etd/1009
^ Cúñez, FD; Франклин, EM (2019). «Пробковый режим в водяных псевдоожиженных слоях в очень узких трубках». Порошковая технология . 345 : 234–246. arXiv : 1901.07351 . Bibcode : 2019arXiv190107351C . DOI : 10.1016 / j.powtec.2019.01.009 . S2CID 104312233 .
^ Куньес, Фернандо Давид; Франклин, Эрик М. (март 2020 г.). «Имитация инверсии слоя в псевдоожиженных слоях твердой и жидкой фаз в узких трубках» . Порошковая технология . 364 : 994–1008. arXiv : 1912.04989 . DOI : 10.1016 / j.powtec.2019.09.089 . S2CID 209202482 .
^ Куньес, Фернандо Давид; Франклин, Эрик М. (01.08.2020). «Кристаллизация и заклинивание в узких псевдоожиженных слоях» . Физика жидкостей . 32 (8): 083303. arXiv : 2007.15442 . DOI : 10.1063 / 5.0015410 . ISSN 1070-6631 . S2CID 220871672 .
^ a b Холдич, Ричард Грэм (1 ноября 2002 г.), «Глава 7: Флюидизация» (PDF) , Основы технологии частиц , Midland Information Technology & Publishing, ISBN 978-0954388102, получено в июне 2012 г. Проверить значения даты в: |access-date=( помощь )
^ Гелдарт, D. (1973). «Типы псевдоожижения газа». Порошковая технология . 7 (5): 285–292. DOI : 10.1016 / 0032-5910 (73) 80037-3 .

Внешние ссылки [ править ]

Видео: Жидко-твердый псевдоожиженный слой
Технология псевдоожиженного слоя Министерства энергетики США - Обзорный веб-сайт
Информационный бюллетень DOE NETL в США

[1] Peng, Z .; Moghtaderi, B .; Дородчи, Э. (2017), «Простая модель для прогнозирования распределения концентрации твердых веществ в псевдоожиженных слоях бинарных и твердых жидкостей», AIChE Journal , 63 (2): 469: 484, doi : 10.1002 / aic.15420

[2] Ван, JK, 2003. Концептуальный дизайн системы рециркуляции устриц и креветок на основе микроводорослей. Инженерия аквакультуры 28, 37-46

[3] Грейс, Джон Р .; Лекнер, Бо; Чжу, Джесси; Cheng, Yi (2008), «Псевдоожиженные слои», в Clayton T. Crow (ed.), Multiphase Flow Handbook , CRC Press, p. 5:71, DOI : 10,1201 / 9781420040470.ch5 , ISBN 978-1-4200-4047-0, получено в июне 2012 г. Проверить значения даты в: |access-date=( помощь )

[4] Office of Communications (3 ноября 1998 г.), Реактор с псевдоожиженным слоем: Батон-Руж, Луизиана (pdf) , Американское химическое общество , получено в июне 2012 г. Проверить значения даты в: |access-date=( помощь )

[5] Грейс; Лекнер; Чжу; Ченг, стр. 5:75 Отсутствует или пусто |title=( справка )

[6] Технология псевдоожижения , Outotec , май 2007 г. , извлечено в июне 2012 г. Проверить значения даты в: |access-date=( помощь )

[7] Чаудхари, Митеш С., "Влияние контакта жидкость-твердое тело на термический крекинг тяжелых углеводородов в реакторе с механическим псевдоожиженным слоем" (2012). Электронный тезис и репозиторий диссертаций. Документ 1009. http://ir.lib.uwo.ca/etd/1009

[8] Cúñez, FD; Франклин, EM (2019). «Пробковый режим в водяных псевдоожиженных слоях в очень узких трубках». Порошковая технология . 345 : 234–246. arXiv : 1901.07351 . Bibcode : 2019arXiv190107351C . DOI : 10.1016 / j.powtec.2019.01.009 . S2CID 104312233 .

[9] Куньес, Фернандо Давид; Франклин, Эрик М. (март 2020 г.). «Имитация инверсии слоя в псевдоожиженных слоях твердой и жидкой фаз в узких трубках» . Порошковая технология . 364 : 994–1008. arXiv : 1912.04989 . DOI : 10.1016 / j.powtec.2019.09.089 . S2CID 209202482 .

[10] Куньес, Фернандо Давид; Франклин, Эрик М. (01.08.2020). «Кристаллизация и заклинивание в узких псевдоожиженных слоях» . Физика жидкостей . 32 (8): 083303. arXiv : 2007.15442 . DOI : 10.1063 / 5.0015410 . ISSN 1070-6631 . S2CID 220871672 .

[holdich-11] Холдич, Ричард Грэм (1 ноября 2002 г.), «Глава 7: Флюидизация» (PDF) , Основы технологии частиц , Midland Information Technology & Publishing, ISBN 978-0954388102, получено в июне 2012 г. Проверить значения даты в: |access-date=( помощь )

[12] Гелдарт, D. (1973). «Типы псевдоожижения газа». Порошковая технология . 7 (5): 285–292. DOI : 10.1016 / 0032-5910 (73) 80037-3 .

[1]