Akışkan yataklı reaktör - Fluidized bed reactor

Akışkanlaştırma ile ilgili diğer konular için bkz. Akışkan yatak teknolojisi , Akışkan yatakta yanma ve Akışkanlaştırma .

Bir akışkan yataklı reaktör ( FBR ), çeşitli çok fazlı kimyasal reaksiyonları gerçekleştirmek için kullanılabilen bir tür reaktör cihazıdır . Bu tür bir reaktörde, bir akışkan (gaz veya sıvı), katıyı askıya almak ve bir akışkanmış gibi davranmasına neden olmak için yeterince yüksek hızlarda katı tanecikli bir malzemeden (genellikle bir katalizör ) geçirilir . Akışkanlaştırma olarak bilinen bu işlem, bir FBR'ye birçok önemli avantaj sağlar. Sonuç olarak, FBR'ler birçok endüstriyel uygulama için kullanılmaktadır.

Akışkan yataklı reaktörün temel diyagramı

Temel prensipler

Akışkan yataklı reaktördeki katı substrat malzemesi (kimyasal türlerin tepkimeye girdiği katalitik malzeme) tipik olarak bir distribütör olarak bilinen gözenekli bir plaka tarafından desteklenir . Akışkan daha sonra dağıtıcıdan katı malzemenin içinden geçmeye zorlanır. Daha düşük akışkan hızlarında, akışkan malzeme içindeki boşluklardan geçerken katılar yerinde kalır. Bu, dolgulu yataklı reaktör olarak bilinir . Akışkan hızı arttıkça, reaktör, sıvının katılar üzerindeki kuvvetinin katı malzemenin ağırlığını dengelemeye yeterli olduğu bir aşamaya ulaşacaktır. Bu aşama, başlangıçtaki akışkanlaşma olarak bilinir ve bu minimum akışkanlaşma hızında gerçekleşir. Bu minimum hız aşıldığında, reaktör yatağının içeriği çalkalanmış bir tank veya kaynayan su kabı gibi genişlemeye ve etrafında dönmeye başlar. Reaktör artık bir akışkan yataktır. Katı fazın çalışma koşullarına ve özelliklerine bağlı olarak bu reaktörde çeşitli akış rejimleri gözlemlenebilir.

Tarih ve mevcut kullanımlar

Akışkan yataklı reaktörler, kimya mühendisliği alanında nispeten yeni bir araçtır. İlk akışkan yataklı gaz jeneratörü 1920'lerde Almanya'da Fritz Winkler tarafından geliştirildi. Petrol endüstrisinde kullanılan ilk Birleşik Devletler akışkan yataklı reaktörlerden biri, 1942'de New Jersey Standard Oil Company (şimdi ExxonMobil ) tarafından Baton Rouge, LA'da oluşturulan Katalitik Kırma Ünitesiydi . Bu FBR ve takip edilecek birçokları petrol ve petrokimya endüstrileri için geliştirildi. Burada , parçalama olarak bilinen bir işlemle petrolü daha basit bileşiklere indirgemek için katalizörler kullanıldı . Bu teknolojinin icadı, Amerika Birleşik Devletleri'nde çeşitli yakıtların üretimini önemli ölçüde artırmayı mümkün kıldı.

Günümüzde akışkan yataklı reaktörler, diğer birçok kimyasalın yanı sıra benzin ve diğer yakıtların üretiminde hala kullanılmaktadır. Kauçuk , vinil klorür , polietilen , stirenler ve polipropilen gibi endüstriyel olarak üretilen birçok polimer FBR teknolojisi kullanılarak yapılır . Çeşitli kuruluşlar ayrıca kömür gazlaştırma , nükleer enerji santralleri ve su ve atık arıtma ayarları için FBR'leri kullanır . Bu uygulamalarda kullanılan akışkan yataklı reaktörler, önceki standart reaktör teknolojilerine göre daha temiz, daha verimli bir proses sağlar.

Avantajları

Günümüz endüstriyel dünyasında akışkan yataklı reaktör kullanımındaki artış, büyük ölçüde teknolojinin doğal avantajlarından kaynaklanmaktadır.

  • Düzgün partikül karışımı: Katı malzemenin kendine özgü akışkan benzeri davranışı nedeniyle, akışkanlaştırılmış yataklar, dolgulu yataklardaki gibi zayıf karıştırma deneyimi yaşamaz. Bu tam karıştırma, diğer reaktör tasarımlarında elde edilmesi genellikle zor olabilen tek tip bir ürün sağlar. Radyal ve eksenel konsantrasyon gradyanlarının ortadan kaldırılması, reaksiyon verimliliği ve kalitesi için gerekli olan daha iyi sıvı-katı temasına da izin verir.
  • Tek tip sıcaklık gradyanları: Birçok kimyasal reaksiyon, ısının eklenmesini veya uzaklaştırılmasını gerektirir. FBR gibi akışkan bir durumda reaksiyon yatağı içindeki yerel sıcak veya soğuk noktalardan kaçınılır, bu genellikle paketli yataklarda bir problemdir. Diğer reaktör türlerinde, bu yerel sıcaklık farklılıkları, özellikle sıcak noktalar, ürünün bozulmasına neden olabilir. Bu nedenle FBR'ler ekzotermik reaksiyonlar için çok uygundur . Araştırmacılar ayrıca FBR'ler için yataktan yüzeye ısı transfer katsayılarının yüksek olduğunu öğrendiler.
  • Reaktörü sürekli durumda çalıştırma yeteneği: Bu reaktörlerin akışkanlaştırılmış yatak yapısı, ürünü sürekli olarak geri çekme ve reaksiyon kabına yeni reaktanlar ekleme kabiliyetine izin verir. Bir çalışan sürekli işlem halde üreticileri dolayı başlangıç koşullarının uzaklaştırılması daha verimli bir şekilde farklı ürünler sağlar toplu işlemler .

Dezavantajları

Herhangi bir tasarımda olduğu gibi, akışkan yataklı reaktör, herhangi bir reaktör tasarımcısının dikkate alması gereken kendi dezavantajlarına sahiptir.

  • Arttırılmış reaktör kabı boyutu: Reaktördeki yatak malzemelerinin genişlemesinden dolayı, genellikle dolgulu yataklı bir reaktör için olandan daha büyük bir kap gerekir. Bu daha büyük gemi, başlangıçtaki sermaye maliyetlerine daha fazla harcanması gerektiği anlamına gelir.
  • Pompalama gereksinimleri ve basınç düşüşü: Sıvının katı malzemeyi askıya alması gerekliliği, reaktörde daha yüksek bir sıvı hızına ulaşılmasını gerektirir. Bunu başarmak için daha fazla pompalama gücüne ve dolayısıyla daha yüksek enerji maliyetlerine ihtiyaç vardır. Ek olarak, derin yataklarla ilişkili basınç düşüşü ayrıca ek pompalama gücü gerektirir.
  • Partikül sürüklenmesi: Bu tarz reaktörde bulunan yüksek gaz hızları, genellikle ince partiküllerin sıvıya girmesine neden olur . Yakalanan bu parçacıklar daha sonra reaktörden ayrılması gereken akışkanla birlikte taşınır. Bu, reaktörün tasarımına ve işlevine bağlı olarak ele alınması çok zor ve pahalı bir sorun olabilir. Bu, diğer sürüklenmeyi azaltan teknolojilerde bile sorun olmaya devam edebilir.
  • Mevcut anlayış eksikliği: Akışkan yataktaki malzemelerin gerçek davranışına ilişkin mevcut anlayış oldukça sınırlıdır. Yatak içindeki karmaşık kütle ve ısı akışlarını tahmin etmek ve hesaplamak çok zordur. Bu anlayış eksikliğinden dolayı, yeni süreçler için bir pilot tesis gereklidir. Pilot tesislerde bile, ölçek büyütme çok zor olabilir ve pilot denemede yaşananları yansıtmayabilir.
  • İç bileşenlerin aşınması: Yatak içindeki ince katı parçacıkların akışkan benzeri davranışı, sonunda reaktör kabının aşınmasına neden olur. Bu, reaksiyon kabı ve boruları için pahalı bakım ve bakım gerektirebilir.
  • Basınç kaybı senaryoları: Akışkanlaştırma basıncı aniden kaybedilirse, yatağın yüzey alanı aniden azalabilir. Bu, bir rahatsızlık olabilir (örneğin yatağın yeniden başlatılmasını zorlaştırabilir) veya kontrolden çıkma reaksiyonları gibi daha ciddi sonuçlara sahip olabilir (örneğin, ısı transferinin aniden kısıtlandığı ekzotermik reaksiyonlar için).

Güncel araştırma ve eğilimler

Akışkan yataklı reaktörlerin avantajları nedeniyle, bu teknolojiye büyük miktarda araştırma ayrılmıştır. Güncel araştırmaların çoğu, yataktaki faz etkileşimlerinin davranışını ölçmeyi ve açıklamayı amaçlamaktadır. Özel araştırma konuları arasında partikül boyutu dağılımları, çeşitli transfer katsayıları, faz etkileşimleri, hız ve basınç etkileri ve bilgisayar modellemesi yer alır. Bu araştırmanın amacı, yatağın iç hareketleri ve fenomenlerinin daha doğru modellerini üretmektir. Bu, kimya mühendislerinin teknolojinin mevcut dezavantajlarıyla etkili bir şekilde başa çıkabilecek ve FBR kullanım aralığını genişletebilecek daha iyi, daha verimli reaktörler tasarlamasını sağlayacaktır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Howard, JR (1989). Akışkan Yatak Teknolojisi: İlkeler ve Uygulamalar. New York, NY: Adam Higler.
  2. ^ Tavoulareas, S. (1991.) Akışkan Yataklı Yanma Teknolojisi. ** Yıllık İncelemeler A.Ş. ** 16, 25-27.
  3. ^ "İlk Ticari Akışkan Yataklı Reaktör" . Ulusal Tarihi Kimyasal Yerler . Amerikan Kimya Derneği . Erişim tarihi: 2014-02-21 .
  4. ^ a b Thornhill, D. "Akışkan Yataklı Reaktör Sayfası" . Erişim tarihi: Şubat 13, 2007 .
  5. ^ Gaz Fazı Prosesi ile Polipropilen Üretimi, Teknoloji Ekonomisi Programı . Intratec Çözümleri. 2012. ISBN   978-0-615-66694-5 .
  6. ^ a b Trambouze, P. ve Euzen, J. (2004). Kimyasal Reaktörler: Tasarımdan İşletmeye. (R. Bononno, Çev.). Paris: Editions Technip.
  7. ^ Arastoopour, H. (Ed.). (1998). Akışkanlaştırma ve Akışkan Parçacık Sistemleri: Son Araştırma ve Geliştirme. New York, NY: Amerikan Kimya Mühendisleri Enstitüsü.
  8. ^ Abbasi, Mohammad Reza; Shamiri, Ahmad; Hussain, MA (2016). "Endüstriyel gaz fazlı Akışkan Yataklı Reaktörde etilen kopolimerizasyonunun dinamik modellemesi ve Moleküler Ağırlık Dağılımı" . Gelişmiş Toz Teknolojisi . 27 (4): 1526–1538. doi : 10.1016 / j.apt.2016.05.014 .