Кипящий слой

Fluidized Bed (eng)

Автор: Wikipedia The Free Encyclopedia

Перевод с английского: Гавриленко Д. А.

Источник: http://en.wikipedia.org/wiki/Fluidized_bed...

Описание: описана конструкция кипящего слоя, его свойства и классификация, история возникновения, классификация Гелдарта.

Кипящий слой сформирован, когда количество  частиц твердого вещества (обычно присутствующие в миксере) помещены при соответствующих условиях для того, чтобы заставить твердую/жидкую смесь вести себя как жидкость. Это обычно достигается пропусканием воздуха под давлением через среду частиц.  В результате получаем среду, имеющую много свойств и характеристик нормальных жидкостей; такие как способность к свободному потоку под силой тяжести, или может быть накачан, используя тип технологий для жидкости.

Получающееся явление называют псевдоожижение. Кипящие слои используются для разных целей, таких как реакторы с кипящим слоем (тип химических реакторов), кипящий слой для каталитического крекинга, сжигание в кипящем слое, тепловые или массовые преобразования или модификации поверности, такие как создание покрытия на твердые элементы.

Рисунок 1 — Самая старая электростанция использующая технологию циркулирующего кипящего слоя, Люнен, Германия

Свойства кипящего слоя

Кипящий слой состоит из жидко-твердой смеси, которой присущи свойства подобные жидкости. Также, верхняя поверхность слоя относительно горизонтальна и схожа с гидродинамическим режимом. Слой может быть рассмотрен как неоднородная смесь жидкого и твердого, которое может быть представлено единственной массовой плотностью.

Кроме того, объект с более высокой плотностью, чем слой утонет, тогда как объект с более низкой плотностью, чем слой будет плавать, таким образом, слой может быть рассмотрен, как жидкость, используя принцип Архимеда.  «Плотность», (фактически твердая фракция взвешенного состояния), слоя может быть изменена, изменяя жидкую фракцию, объекты с различными плотностями, по сравнению со слоем, изменяя или жидкую или твердую фракцию, могут быть потоплены или переведены в взвешенное состояние.

В кипящем слое, контакт твердых частиц с псевдоожижающей средой (газ или жидкость) значительно больше, по сравнении с лежащим слоем. Такой режим при сжигании в кипящем слое дает возможность хорошего теплового обмена внутри системы и хорошей теплопередаче между слоем и поверхностями теплообмена. Подобно хорошей теплопередаче, которая дает возможность термической однородности аналогично хорошо смешанному газу, у слоя может быть значительная тепловая емкость, поддерживающая однородную температурную область.

Применение

Кипящий слой используются как технический процесс, у которого есть способность реализовать высокий уровень контакта между газами и твердыми частицами. В кипящем слое характерный набор основных свойств может быть использован, и является обязательным для современного процесса и химической технологии, эти свойства включают:

• Чрезвычайно высокая поверхностная область контакта между жидким и твердым телом в объеме кипящего слоя.
• Высокие относительные скорости между жидкой и рассредоточенной твердой фазой.
• Высокие уровни смешивания фаз частиц.
• Частые столкновения частиц с частицами и частиц со стенами..

Пример из пищевой промышленности: кипящий слой используется  для ускорения замораживания в некоторых туннельных морозильниках IQF. IQF (ИБЗ) означает индивидуально быстро замороженный, или замораживание неупакованных отдельных частей. Этот кипящий слой типично используют для мелких продовольственных продуктов, таких  как горох, креветки или нарезанные овощи, и могут использовать охлаждение сжатым паром или криогенное.

В 1922 году фон Винклер разработал реактор, который впервые использовал процесс газификации угля. Дальнейшее применение кипящего слоя включило  каталитический крекинг минеральных масел в 1940 году. За это время теоретические и экспериментальные исследования улучшили конструкцию кипящего слоя. В 1960-х VAW-Lippewerk  в Лонене ввел в действие первый промышленный кипящий слой для сжигания угля, а  позже и для обжига гидроксида алюминия.

Типы кипящего слоя
Типы слоев могут быть грубо классифицированы  по поведению их потока, включающем::

• Стационарные или пузырьковые слои, где псевдоожижение твердых частиц  относительно стационарно, с некоторыми мелкими вовлеченными частицами.
• Циркулирующие слои, где псевдоожижение приостанавливает частицы слоя, из-за большей кинетической энергии текучей среды. Из его поверхности менее однородные и более крупные частицы могут уноситься со слоя, в отличии от стационарного слоя. Эти частицы могут быть выловлены в циклоне и отделены для последующего возвращения в слой, взависимости от размера частицы.
• Вибрационные кипящие слои подобные стационарным слоям, но добавлена механическая вибрация для дальнейшего стимулирования частиц для возрастания уноса

Режим потока

Некоторые режимы течения, как правило, используется для описания потоков в слое:

• Пробковый слой: пузырьки   воздуха занимают все сечения котла и делят слой на слои.
• Кипящий слой: псевдоожиженный слой, в котором воздух или пузырьки газа примерно такого же размера, как и твердые частицы.
• Канальный слой : слой, в котором  воздух (или газ) образует каналы в слое, через которые проходит большая часть воздуха
• Фонтанирующий слой: псевдоожиженный слой, в котором воздух образует единый проход, через который  некоторые частицы увлекаются потоком в окружающую среду. При больших скоростях воздушного потока,  встрясывание становится все более жестоким и движения твердого материала  становится более сильным.

Конструкция слоя

Базовая модель

Когда через лежащий слой проходит ожижающий газ, падение давления газа пропорционально его поверхностной плотности. Для перехода от лежащего слоя к псевдоожиженному состоянию скорость ожижающего газа должна постоянно подниматься. При свободном псевдоожижении слоя существуют характерные точки, известные как минимальная или начальная (первая критическая или скорость ожижения) скорость псевдоожижения, в которой содержимое слоя находится в взвешенном состоянии и перемешивается. Cоответствующая скорость движения газа известна как «минимальная скорость псевдоожижения» u_mf..

После  минимальной скорости псевдоожижения (u ≥ u_mf), материал слоя будет  приостановлен газовым потоком а дальнейшее увеличение скорости сократит влияние давления,  в связи с достаточным проникновением газового потока. Таким образом, падение давления при   u > u_mf является относительно постоянным. На дне емкости явное падение давления умножается на площадь поперечного сечения слоя и может быть приравнено к силе тяжести твердых частиц (менее плавучих твердых частиц в ожиженной среде).

Δp_w = H_w(1 −ε_w)(ρ_s − ρ_f)g

Рисунок 2 — Структура кипящего слоя

Классификация Гелдарта

В 1973 году профессор Д. Гелдарт предложил классификацию сыпучих материалов в четырех так называемых «Гелдарт группах». Группы определяются их местоположением на диаграмме плотности твердого/жидкого  в зависимости от  размера частиц. Разработка методов кипящего слоя может быть адаптирована на основе группировки частицы Гелдарта.

Группа А. Размер частиц от 20 до 100 мкм, плотность частиц, как правило, 1400кг/м³. До начала фазы кипящего слоя, эти частицы будут расширяться с коэффициентом 2 к 3 при  начальном псевдоожижении, в связи с уменьшением насыпной плотности. Большинство сыпучих материалов из этой группы, используются в качестве инертного материала в кипящем слое.

Группа B.  Размер частиц лежит между 40 и 500 мкм; плотность частиц между 1400 и 4500 кг/м3. Пузырьки обычно  формируется непосредственно на начальном псевдоожижении.

Группа C. Эта группа содержит ультратонкие и впоследствии более связанные частицы размером от 20 до 30 мкм, эти частицы псевдоожижаются при тяжело достигаемых условиях, и может потребоваться применения внешней силы, например, механического перемешивания.

Группа D. Частицы в этой области превышают 600 мкм и, как правило, имеют высокую плотность. Псевдоожижение  этой группы требует очень высокой мощности потока и, как правило, приводят к высокому уровню износа. Сушка зерна и гороха, обжаривание кофе в зернах, газификации угля, и обжиг руд некоторых металлов, они, как правило, обрабатываются в малых кипящих слоях или в режиме фонтанирующего слоя.

Как правило, под давлением газ или жидкость поступает в емкость кипящего слоя через многочисленные отверстия распределительной решетки, расположенной в нижней части кипящего слоя. Ожижающий газ проходит через слой, в результате ожижая твердые частицы.