Wirbelschichtreaktor-Design: Diagramm, Parameter, Anwendungen, Vor- und Nachteile


In diesem Artikel werden das Thema „Wirbelschichtreaktordesign“ und Fakten zum Wirbelschichtreaktordesign wie Design, Diagramm, Parameter und Anwendungen zusammengefasst.

Der Wirbelschichtreaktor ist eine Klassifizierung der Reaktorvorrichtung, die hauptsächlich eine breite Palette von mehrphasigen chemischen Reaktionen durchführt. Im Wirbelschichtreaktor wird ein flüssiger oder gasförmiger Stoff mit hoher Geschwindigkeit von einem festen körnigen Material durchströmt. Das Verfahren wird als Fluidisierung bezeichnet.

In verschiedenen Anwendungen industrieller Bereiche wird ein Wirbelschichtreaktor eingesetzt.

Diagramm des Wirbelschichtreaktors:

Wirbelschichtreaktoren sind die beliebtesten Reaktorkonfigurationen, die für Reaktionen mit festen Reaktanten eingesetzt werden. In der FBR wird ein Fluidisierungsmedium (Gas oder Flüssigkeit) mit ausreichend hohen Geschwindigkeiten durch das Bett aus festen Reaktanten geleitet, um den Feststoff zu suspendieren und ihn dazu zu bringen, sich wie eine Flüssigkeit zu verhalten.

Das Diagramm des Wirbelschichtreaktors ist unten angegeben.

  • Der Wirbelschichtreaktor ist eine Klassifizierung von Reaktorgeräten, die hauptsächlich eine breite Palette von mehrphasigen chemischen Reaktionen durchführen.
  • Im Wirbelschichtreaktor wird ein flüssiger oder gasförmiger Stoff mit hoher Geschwindigkeit von einem festen körnigen Material durchströmt.
  • Die Verfahrensbegriffe wie Fluidisierung, weisen grundsätzlich wichtige Vorteile gegenüber dem Wirbelschichtreaktor auf.
  •  In verschiedenen Anwendungen industrieller Bereiche wird ein Wirbelschichtreaktor eingesetzt.
  • Wirbelschichtreaktoren sind im kommerziellen Maßstab bis hin zum Labor weit verbreitet.
  • Innerhalb des Wirbelschichtreaktors, wenn die Geschwindigkeit des Fluids auf der Substanz des Feststoffs zunimmt, geht der Bettreaktor bis zu einem Zeitraum, in dem die Fluidkraft geeignet ist, das Gleichgewicht des Gewichts der Feststoffsubstanz einzustellen. Der Zeitraum des Prozesses wird als beginnende Fluidisierung bezeichnet und passiert bei der niedrigsten Geschwindigkeit der Fluidisierung.
  • Bei der Kohlevergasung kommt zunächst der Wirbelschichtreaktor zum Einsatz.
Konstruktion eines Wirbelschichtreaktors
Bild – Prinzipskizze eines Wirbelschichtreaktors;
Bildnachweis - Wikipedia

Konstruktionsparameter des Wirbelschichtreaktors:

Die Parameter, die vom Wirbelschichtreaktor abhängen, sind unten aufgeführt.

Mechanischer Aufbau des Wirbelschichtreaktors:

Mit Hilfe der Navier-Stroke-Gleichung lässt sich das Verhalten der Fluidisierung eines Festkörpers ableiten. Fluidisierung tritt auf, wenn das Fluid in Aufwärtsrichtung strömt und verwendet wird, um feste Partikel zu mobilisieren und zu eliminieren.

Drei Schlüsselgleichungen, die bei der Fluidisierung vor dem Bau und Entwurf des Projekts verwendet werden, die in der Endgeschwindigkeit des kugelförmigen Partikels sowie der Fluidisierungsgeschwindigkeit basierend auf der Reynolds-Zahl des Partikels enthalten sind.

Die Endgeschwindigkeit eines kugelförmigen Teilchens kann durch diese Gleichung ausgedrückt werden,

vmax = (πr2)* d2 x (ρsolide – ρFlüssigkeit) *g / 18*μFlüssigkeit

Die Fluidisierungsgeschwindigkeit eines Partikels mit einer Reynolds-Zahl kleiner als 20 kann durch diese Gleichung ausgedrückt werden,

Vmin = (πr2)* d2 x (ρsolide – ρFlüssigkeit) *g*∈3*φ/150*μFlüssigkeit*(1-∈)

Die Fluidisierungsgeschwindigkeit eines Partikels mit einer Reynolds-Zahl von mehr als 1000 kann durch diese Gleichung ausgedrückt werden,

Woher,

ist die Fließgeschwindigkeit des Fluids bezeichnet

r = bezeichnet den Radius des Teilchens, das in der Flüssigkeit fließt, und der Wert beträgt 10 Millimeter

d = bezeichnet den Durchmesser des Partikels, der in der Flüssigkeit strömt, und der Wert beträgt 0.15 Millimeter

ρsolide = bezeichnet die Dichte der Partikel, die in der Flüssigkeit strömen, und der Wert beträgt 1.5 Kilogramm pro Kubikmeter

ρFlüssigkeit wird als Dichte der strömenden Flüssigkeit bezeichnet und beträgt 1.2 Kilogramm pro Kubikmeter

g wird als Schwerkraft bezeichnet und der Wert beträgt 9.81 Meter pro Quadratsekunde.

μ wird als Viskosität des fließenden Fluids bezeichnet und beträgt 1.8 Pascalsekunden.

φ ist die Sphärizität, die in der Flüssigkeit des Partikels fließt, und der Wert ist 1.0.

Wirbelschichtreaktoranwendungen:

In der Abwasseraufbereitung ist der Wirbelschichtreaktor weit verbreitet.

Abwasseraufbereitung:-

  • In der Abwasseraufbereitung wird der Wirbelschichtreaktor eingesetzt, aus diesem Grund können die Kosten minimiert werden und stellen eine kostengünstige Aufbereitung für das Abwasser dar, das schwer abbaubare Schadstoffe enthält (Die Mischung, die in einem langsamen Prozess biologisch abbaubar oder nicht biologisch abbaubar ist, die als , widerspenstige Mischung und Gruppe von einfachen halogenierten Kohlenwasserstoffen bis zu komplizierten Polymeren.)
  • Der Wirbelschichtreaktor wird in großem Umfang in der Abwasseraufbereitung verwendet, obwohl der Wirbelschichtreaktor im industriellen Großmaßstab für das fortgeschrittene Oxidationsverfahren und auch im Labor verwendet wird.
  • Beim katalytischen Wirbelschichtcracken wird ein Wirbelschichtreaktor verwendet, der in den 1940er Jahren eingeführt wurde.
  • Anaerober Wirbelschichtreaktor in moderner Generation, der als anaerobe Plattform verwendet wird, um eine hohe Festigkeit zu erreichen, und auch für die hochfesten Abfallströme wie Mais-Ethanol-Dünnschlempe und Schlamm der Kommunen.
Bild – Ein Flüssigkeitsausstoß von Null Prozessdiagramm die hervorhebt, wie Abwasser aus einem industriellen Prozess über eine ZLD-Anlage in Feststoffe und behandeltes Wasser zur Wiederverwendung umgewandelt wird;
Bildnachweis - Wikipedia

Vorteile des Wirbelschichtreaktors:

Die Vorteile des Wirbelschichtreaktors sind unten aufgeführt,

  • Das Mischen der Partikel erfolgt gleichmäßig
  • Einheitlicher Temperaturgradient
  • Fähigkeit, den Reaktor auch im kontinuierlichen Zustand zu führen

Das Mischen der Partikel ist gleichmäßig:-

Da sich die Wirbelschicht wie eine Eigenflüssigkeit im Feststoff verhält, konnte sie für die Durchmischung in den Festbetten keine schlechten Erfahrungen machen. Die vollständige und feine Durchmischung in der Wirbelschicht ermöglicht die Herstellung eines einheitlichen Produkts, das bei anderen Konstruktionen des Reaktors nicht so einfach zu erreichen ist. Der Abzug der axialen und radialen Konzentrationsgradienten kommt sogar einem besseren Fluid-Feststoff-Kontakt entgegen, der für die Qualität und Reaktionseffizienz benötigt wird.

Einheitlicher Temperaturgradient:-

Viele chemische Reaktionen erforderten die Zufuhr von Wärme oder die Entfernung von Wärme. Lokale Hot-Spots oder Cold-Spots unterhalb des Reaktionsbettes, an jeder Wende ein schwieriges Schüttbett, werden in einer Wirbelschicht wie einem Wirbelschichtreaktor vermieden.

Bei einer anderen Klassifizierung von Reaktoren kann der Unterschied der lokalen Temperatur hauptsächlich im Hotspot als Folge des Produktabbaus ausmachen.

Aus diesem besonderen Grund ist der Wirbelschichtreaktor für eine exotherme Reaktion geeignet. Beobachter beobachten auch, dass das Bett an die Oberfläche kommt Wärmeübertragung Koeffizient für den Wirbelschichtreaktor ist höher.

Fähigkeit, den Reaktor auch im kontinuierlichen Zustand zu betreiben:-

Der Fließbettcharakter dieser Reaktoren soll der Effizienz Rechnung tragen, um kontinuierlich Produkt abzuziehen und neue Reaktanten in das Reaktionsgefäß einzuführen.

Aktionen einer kontinuierlichen Verfahrenssituation bieten Herstellern die Möglichkeit, mehrere Produkte effizienter herzustellen, da Anlaufsituationen in Chargenverfahren eliminiert werden.

Nachteile des Wirbelschichtreaktors:

Die Nachteile des Wirbelschichtreaktors sind unten aufgeführt,

  • Die Größe des Reaktorbehälters wird erhöht
  • Druckabfall und Pumpen sind erforderlich
  • Partikelmitnahme
  • Druckverlustszenarien

Die Größe des Reaktorbehälters wird erhöht:-

Im Wirbelbettreaktor werden die Materialien im Reaktor expandiert, aus diesem Grund wird ein größerer Reaktorbehälter benötigt als für einen Festbettreaktor. Die Größe des großen Reaktorbehälters bedeutet, dass mehr Anfangskosten aufgewandt werden müssen. Der Wirbelschichtreaktor wurde sehr teuer.

Druckabfall und Pumpen ist erforderlich:-

Die Notwendigkeit, dass das Fluid das im festen Zustand verbleibende Material aufbricht, erfordert, dass im Reaktor des Wirbelschichtreaktors eine höhere Fluidgeschwindigkeit vorhanden ist.

Aus diesem besonderen Grund wird mehr Pumpleistung benötigt und auch höhere Energiekosten benötigt. zusätzlich Druckabfall mit den Tiefbetten angebracht ist erfordert somit auch zusätzliche Leistung des Pumpens.

Partikelmitnahme:-

Die hohen Gasgeschwindigkeiten, die bei dieser Art von Reaktor vorhanden sind, führen oft dazu, dass feine Partikel entstehen mitgenommen in der Flüssigkeit. Diese eingefangenen Partikel werden dann mit dem Fluid aus dem Reaktor ausgetragen, wo sie abgeschieden werden müssen.

Dies kann je nach Konstruktion und Funktion des Reaktors ein sehr schwieriges und teures Problem sein. Dies kann selbst bei anderen Technologien zur Verringerung des Mitreißens oft weiterhin ein Problem sein.

Druckverlustszenarien:-

Wenn der Fluidisierungsdruck plötzlich verloren geht, kann der Bereich der Bettoberfläche plötzlich beginnen, sich zu verringern. Dies kann entweder eine Unannehmlichkeit sein, wie z. B. das Erschweren des Neustarts des Betts, oder schwerwiegendere Auswirkungen haben, z. B. außer Kontrolle geratene Reaktionen.

Die anderen Nachteile des Wirbelschichtreaktors sind,

  • Fehlendes aktuelles Verständnis
  • Erosion von internen Komponenten

Funktionsprinzip des Wirbelschichtreaktors:

Der Zweck der Fluidisierung besteht darin, die festen Teilchen in einer Aufwärtsrichtung in einer Flüssigkeits- oder Gasströmung schwebend zu halten. Beim Gefrieren findet der Prozess der Fluidisierung statt, wenn Partikel gleicher Größe und Form einem Aufwärtsstrom von Luft mit niedriger Temperatur ausgesetzt werden.

Das Arbeitsprinzip des Wirbelschichtreaktors wird unten beschrieben,

  • Der Wirbelschichtreaktor arbeitet hauptsächlich im Gleichstrom.
  • Im Allgemeinen werden im Wirbelschichtreaktor drei verschiedene Arten von Partikeln verwendet,
  • a. Inerter Kern, in dem die Biomasse mit Hilfe der Zellanhaftung entsteht.
  • b. Zellaggregate.
  • c. Poröse Partikel, in denen in der Regel der Biokatalysator getränkt ist.
  • Die festen Schichten beziehen sich auf das katalytische Material, in dem die chemischen Reaktoren im Wirbelschichtreaktor umgesetzt werden, wobei die poröse Platte diesen Begriff als Verteiler bezeichnet.
  • Im nächsten Schritt wird die Flüssigkeit durch den Verteiler gedrückt, wodurch das feste katalytische Material nach oben steigen kann.
  • Innerhalb des Wirbelschichtreaktors, wenn die Geschwindigkeit des Fluids auf der Substanz des Feststoffs zunimmt, geht der Bettreaktor bis zu einem Zeitraum, in dem die Fluidkraft geeignet ist, das Gleichgewicht des Gewichts der Feststoffsubstanz einzustellen. Der Zeitraum des Prozesses wird als beginnende Fluidisierung bezeichnet und passiert bei der niedrigsten Geschwindigkeit der Fluidisierung.
  • Wenn die niedrigste Geschwindigkeit überschritten wird, wird das Volumen des Reaktorbetts mehr ausgedehnt und verdreht als wie eine kochende Wasserschüssel oder ein Rührkessel. Der Reaktor wird nun in die Wirbelschicht gestellt.
  • Ein Bett, das mit den immobilisierten Enzymen gefüllt ist, wird durch den schnellen Strom des sekundären Fluiddampfs oder den Aufwärtsstrom der Schicht oder das Mischen mit einer Flüssigkeit fluidisiert.
  • Abhängig von den Betriebsbedingungen und den Eigenschaften der festen Phase können im Wirbelschichtreaktor unterschiedliche Strömungsregime beobachtet werden.

Fazit:

Der Wirbelschichtreaktor wird in einem weiten Bereich der materialverarbeitenden Industrie eingesetzt, wo eine gute Wärme- und Stoffübertragung zwischen den Partikeln und der Masse erforderlich ist. Die Energie wird im Wirbelschichtreaktor aus dem warmen Gas bereitgestellt, mit dem man auch das Bett verwirbelt.

Indrani Banerjee

Hallo. Ich bin Indrani Banerjee. Ich habe meinen Bachelor in Maschinenbau abgeschlossen. Ich bin eine enthusiastische Person und ich bin eine Person, die jedem Aspekt des Lebens positiv gegenübersteht. Ich mag Bücher lesen und Musik zuhören. Verbinden wir uns über LinkedIn-https://www.linkedin.com/in/indrani-banerjee-2487b4214

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