fluidisert seng

Prosessymbol i et R & I-flytskjema

Uttrykket fluidisert seng (inkludert fluidisert seng kalt english fluidized bed ) kommer fra feltet termisk og mekanisk prosessteknologi . Et lag av faste partikler kalles en fluidisert seng , som føres til en fluidisert tilstand ved en oppstrømning av en fluid . I denne sammenheng indikerer begrepet "fluidisert" at den (tidligere) sengen nå har fluidlignende egenskaper. I noen beregningsmodeller brukes dette som en grunnleggende tilnærming. Siden et fluidisert seng er en væskefast blanding , kan denne tilnærmingen ikke beskrive alle fenomener til tross for det meste gode resultater.

Hvirvelsjiktprosess er en stor prioritet i fluidisert sjikt-tørkeapparater i tørke av granulære media i ovner av kull , alternative brennstoffer eller slam i den fluid katalytisk cracking -Kraftstoffherstellung eller kaffe og steking.

historie

Eldste kraftverk ved bruk av sirkulerende fluidbed-prosess i Lippe-anlegget i Lünen

Som en del av optimaliseringen av Haber-Bosch-prosessen utviklet den tyske kjemikeren Fritz Winkler det første fluidiserte sengeforgassingssystemet ved BASF for å produsere syntesegass fra finkornet brunkull i Winkler-generatoren , som han mottok patent i 1922. I 1926 ble det første store anlegget satt i drift. I 1929 kom fire nye fabrikker i drift. Ved bruk av fluidbed i USA for katalytisk sprekkdannelse av mineraloljer på 1940-tallet ble det raskt laget omfattende teoretiske og eksperimentelle studier av fluidized bed. På 1960-tallet ble det første kraftverket med sirkulerende fluidbed bygget i det som den gang var VAW Lippe- anlegget i Lünen for å brenne ballastrikt hardkull, senere for kalsinering av aluminiumhydroksid . Systemer med fluidiserte senger brukes nå til mange forskjellige formål.

Egenskaper av fluidiserte senger

Et fluidisert seng har væskelignende egenskaper. Som med vann dannes alltid en horisontal overflate. Hvis fluidiserte senger genereres i to sammenkoblede beholdere, er den samme absolutte høyden til fluidbed-øvre grense etablert i begge ( prinsippet om kommunikasjonsrør ). Videre synker gjenstander med høyere tetthet enn sengen i en fluidisert seng, mens gjenstander med lavere tetthet flyter ( Archimedes-prinsippet ). Siden 'tettheten' (faktisk den faste volumfraksjonen i blandingen) av fluidiseringssjiktet endres med fluidiseringshastigheten, kan gjenstander med en tetthet som ligner fluidiseringssengen få seg til å synke eller dukke opp igjen ved å endre fluidiseringshastigheten.

I fluidiserte senger er det nær kontakt mellom det fluidiserte materialet (faste partikler) og det fluidiserte mediet (fluid: gass eller væske) og de enkelte partiklene beveger seg kraftig i alle retninger. I ovner med fluidisert seng fører dette til god varmetransport inne i systemet og god varmeoverføring mellom fluidbed og containerveggen eller innebygde varmevekslere. Samtidig sikrer den gode varmetransporten og (sammenlignet med gass) den enorme høye varmekapasiteten til sengelageret et relativt homogent temperaturfelt i systemet, noe som resulterer i forbrenning med lite forurensende stoff. Forløpet til det faste volumprofilen, som kan beregnes ut fra det (tilsynelatende) trykktapet over systemhøyden, er karakteristisk for vurderingen av fluidiseringstilstanden til fluidiserte senger.

Typer av fluidiserte senger

Fluidbed reaktor

Det skilles mellom homogene fluidiserte senger med en romlig jevn fordeling av dispersjonsfasen og inhomogene fluidiserte senger med en romlig ujevn fordeling av dispersjonsfasen. Det er også stasjonære eller bobledannende fluidiserte senger (BWS), der det fluidiserte sengen har en klar grense, hvorfra bare svært få (fine) partikler slippes ut, og sirkulerende fluidiserte senger (ZWS), der fluidiseringssjiktet på grunn av en større strømningshastighet av Væsker har ikke lenger en klar øvre grense, og partikler slippes stort sett utover. Disse faller deretter tilbake i det fluidiserte sjiktet i form av klynger eller slippes ut i gassyklonen, hvor de skilles fra gassstrømmen og føres tilbake til bunnsonen via en retur, dvs. (re) sirkuleres.

Betingelser for væskebed

Homogen fluidisert seng

I det homogene fluidiserte sjiktet fordeles den faste (grovt spredte fasen) jevnt, og kontinuerlig ekspansjon oppstår når væskehastigheten økes. Homogene fluidiserte senger vises i finkornede, smalt distribuerte og ikke-kohesive materialsystemer med lav tetthetsforskjell og i fluidiserte fluidiserte senger.

Inhomogen fluidbed

Inhomogene fluidiserte senger forekommer hovedsakelig i gass-faste fluidiserte senger og med en bred partikkelstørrelsesfordeling eller store forskjeller i tetthet. Dette gjelder også store og / eller sammenhengende partikler. Uttrykkene av inhomogene fluidiserte senger inkluderer:

• bobledannende fluidiserte senger
• gassdannende fluidiserte senger
• tilstøtende fluidiserte senger

Bobledannende fluidisert seng

Et fluidisert seng kan anta forskjellige tilstander. Hvis man starter med en fast seng gjennom hvilken en væske- eller gassstrøm strømmer, og hvis denne kontinuerlig økes, føres det faste stoffet gjennom strømmen fra det såkalte løsepunktet, punktet med minimal fluidisering (tilstand A). Fluidiseringshastigheten som tilsvarer dette blir generelt referert til som. Hvis gassstrømmen økes ytterligere, vil det dannes bobler i det fluidiserte sjiktet (tilstand B), som nå også blir referert til som det bobledannende eller stasjonære fluidiserte sjiktet. ${\ displaystyle u_ {mf}}$

I et relativt bredt spekter av gasshastigheter endres ikke denne tilstanden vesentlig. Avhengig av partikkelform, størrelse, tilsynelatende tetthet osv., Beholder det fluidiserte sjiktet sin bobledannende karakter (for eksempel opptil fem til seks ganger ). Når gasshastigheten øker, øker andelen bobler, som et resultat av at andelen av suspensjonsvolumet blir lavere. Som regel finnes faste volumfraksjoner på ca. 20% til 40% i bobledannende fluidiserte senger. ${\ displaystyle u_ {mf}}$

Gasshastigheten i denne tilstanden er imidlertid betydelig lavere enn partikkelenes synkehastighet for enkeltkorn. Figurativt kan man snakke om en sverm oppførsel av partiklene. Noen partikler "stiller seg opp ved siden av hverandre" slik at strømningsmotstanden ( ) er betydelig høyere enn strømningsmotstanden til den enkelte partikkel. Samtidig er det en "slipstream" av partiklene som ligger over, slik at de ikke blir utsatt for full gassstrøm og "faller ned" raskere. Resultatet er et kompakt suspensjonslag med en tydelig definert overflate som blir karnet opp av bobler som sprenger på overflaten. ${\ displaystyle c_ {w}}$

Det bobledannende fluidiserte sjiktet er preget av intensiv blanding i vertikal retning. Avhengig av sengens tverrsnittsareal utvikler det seg store sirkulasjonsstrømmer. Generelt stiger solid i midten av det fluidiserte sengen, som synker igjen i kantene. Med veldig store tverrsnittsarealer dannes flere opp- og nedstigingssoner. Denne effekten kan forsterkes av spesialtilpassede gassfordelerbrett for f.eks. B. å forbedre drivstoffblandingen i bunnsonen ved forbrenning med fluidisert seng.

Med relativt grovt sengemateriale og smale rørtverrsnitt kan det oppstå et "bankende" fluidisert sjikt, ettersom boblestørrelsen i slike senger strekker seg over hele tverrsnittet (tilstand C). Hvis fluidiseringshastigheten økes, er det en økende utslipp av fint materiale i noen prosesser, for eksempel. B. blir returnert til sengen av intern gassyklon . (Stat D).

Sirkulerende fluidbed

En væskestrøm som fortsetter å vokse fører til en økt utslipp av innledningsvis finere partikler fra det fluidiserte sjiktet (tilstand E). For å resirkulere disse partiklene (i tilfelle gasser som væske) installeres vanligvis en aerocyklon for separasjon av faste stoffer med en resirkuleringsledning. Dette skiller det utslippte faste stoffet fra gassstrømmen, som deretter føres tilbake til bunnsonen av det sirkulerende fluidiserte sjiktet som nå blir dannet. I motsetning til tilstand D er mengden gass og faste stoffer som skal håndteres så stor at syklonen ikke lenger kan integreres i forbrenningskammeret eller i stigerøret (avhengig av prosessapplikasjonen) i systemet og må installeres utenfor.

Fordelene ved den tekniske anvendelsen av det sirkulerende fluidiserte sjiktet sammenlignet med det bobledannende fluidiserte sjiktet er den betydelig høyere gasshastigheten, som gjør det mulig å tilsette større mengder drivstoff i forbrenningsprosesser. I katalytiske prosesser, f.eks. B. "Fluid Catalytic Cracking" ( FCC ), den utladede katalysatoren kan overføres fra den såkalte cracker til regeneratoren uten mekaniske installasjoner.

Ulempene med det sirkulerende fluidiserte sengen sammenlignet med det bobledannende fluidiserte laget består i høyere utgifter til utstyr (→ høyere produksjonskostnader) og høyere energiforbruk for viften (→ høyere driftskostnader).

Beslutningen om hvilket fluidisert seng (ovn) som skal brukes, avhenger av størrelsen på matestrømmen som skal styres. Små (forbrennings) planter er ofte utformet som bobledannende, større planter som sirkulerende fluidiserte senger.

Sirkulerende fluidiserte senger har også en tett bunnsone, som imidlertid vanligvis ikke lenger har en klar øvre grense. På grunn av den høye væskestrømmen slippes et relativt stort antall partikler ut av bunnsonen, og (i tilfelle forbrenningsanlegg) blir noen av dem matet til den tilkoblede gassyklonen. Imidlertid faller en viss andel av det faste stoffet fortsatt tilbake i bunnsonen i det fluidiserte sjiktet. I den såkalte frie rom '( engelsk fribord ) over den tette sone, et strømningsmønster som de former, kjerneringstrukturen (engl. Kjerne-ringrommet er) som det vises til. I den relativt brede kjernen stiger det faste stoffet som en tynn suspensjon, mens det rett ved kanten av systemet (i industriell skala i en systemhøyde på 30 m til ca. 30 til 50 cm fra containerveggen) stiger det faste i klynger med høy hastighet emosjonell.

En profil av konsentrasjonen av faststoffvolumet dannes over systemets høyde, hvis maksimum vanligvis er ved den 'øvre grense' for den tette sonen, og hvis minimum kan finnes øverst i systemet. Andelen faste stoffer i volum i det frie rommet er i gjennomsnitt mindre enn 1% i moderne forbrenningsanlegg. Der har kjeks betydelig større volumfraksjoner.

Geldart-grupper

I henhold til deres forskjellige fluidiseringsadferd har Derek Geldart delt bulkvarer for gass / faste fluidiserte senger i fire såkalte "Geldart-grupper". Disse er tegnet i et dobbelt logaritmisk diagram over tetthetsforskjellen (væske - fast) over partikkelstørrelse.

Gruppe A

Partikkelstørrelsen er mellom ca. 20 ... 100 μm, partikkeltettheten under ca. 1400 kg / m³. Før det dannes bobler, utvides laget til to til tre ganger lagtykkelsen når det løsnes. De fleste av de pulverformige katalysatorene tilhører denne gruppen .

Gruppe B

Partikkelstørrelsen er mellom ca. 40 ... 500 μm, partikkeltettheten er ca. 1400… 4500 kg / m³. Blåsing starter umiddelbart etter at løsepunktet er overskredet.

Gruppe C

Disse er ekstremt små og derfor veldig sammenhengende partikler med en størrelse på mindre enn 20 ... 30 μm. På grunn av de sterke sammenhengende kreftene er disse partiklene svært vanskelige å fluidisere (f.eks. Ved hjelp av mekaniske omrører).

Gruppe D

Partikkelstørrelsen her er over 600 mikrometer med veldig høye partikkeltettheter. Det kreves en veldig stor volumstrøm for blanding, noe som igjen medfører risiko for slitasje.

modell

Hvis en væske strømmer gjennom et fast lag, øker trykktapet omtrent proporsjonalt med strømningshastigheten. Ved virvelpunktet ( ) blir sengematerialet ført av gassstrømmen. Tryktapet forblir da konstant. ${\ displaystyle u \ geq u_ {mf}}$

På bunnen av anlegget er det (tilsynelatende) trykktapet multiplisert med tverrsnittsarealet av det fluidiserte sjiktet lik vekten av det faste lageret (minus oppdrift av det faste stoffet i væsken).

Reh-diagrammet utviklet av Lothar Reh er egnet for å estimere tilstanden for fluidisering .

applikasjon

Winkler fluidbed bed gasifier

Fluidbed-systemer brukes i tekniske prosesser for å bringe faste stoffer i nær kontakt med gasser, væsker eller andre faste stoffer. I fluidbedet brukes blant annet følgende grunnleggende kjennetegn ved prosessteknikk og kjemisk reaksjonsteknikk:

• høye relative hastigheter mellom kontinuerlige væsker og den spredte faste fasen,
• hyppig partikkel-partikkel kollisjon og partikkel-vegg kollisjon
• intens blanding av partiklene

Fluidized bed-systemer brukes til et stort antall tekniske prosesser. På dette punktet bør de viktigste nevnes kort:

• Tørkeprosesser
• kjemiske reaksjoner og innen energiomdannelse for forgassings- og forbrenningsprosesser
• Klassifisering av heterogent rusk

Reaktoren med fluidisert seng har nylig blitt brukt mer og mer i kraftverksteknologi , der den bidrar til effektivitetsforbedringer . Operasjoner som pulverlakk kan også utføres på denne måten.

Søknadseksempler

Kraftverk med forbrenning med fluidisert seng

• ZWS kraftverk Gardanne , Frankrike, 250 MW _el
• Avløpsslamforbrenning i renseanlegget Berlin-Ruhleben .
• Termisk erstatningsanlegg for drivstoffgjenvinning (TEV), Neumünster
• ZWS biomassekraftverk Lünen av Remondis - Lippe-anlegg for erstatningsdrivstoff
• ZWS kraftverk Berlin-Moabit stenkull og brunkull 83 MW _el 136 MW _term
• Stadtwerke Flensburg GmbH, tre ZWS-kjeler for stenkull, erstatningsbrensel (RDF) og flis
• ZWS kraftverk Berrenrath , RWE Power , brunkull med kloakkslam og RDF, 2 × 230 MW _term
• ZWS fabrikk Frechen - kraftverk , RWE Power , brunkull med kloakkslam 2 × 165 MW _term
• HKW Merkenich , ZWS kraftverk brunkul med fluidisert seng, 240 MW _term , RheinEnergie , Köln

Kraftverk med forgassing med fluidisert seng

• Biomasse gassifisering i biomasse kraftanlegget i Güssing , Østerrike

Tørking

• Fluidbed-tørketrommel med intern gjenvinning av spillvarme (WTA) fra RWE Power AG, f.eks. B. i Niederaussem kraftverk
• Fordampingstørking med fluidisert seng under trykk (WVT, DDWT) med overopphetet damptørking av sukkerroemasse, NaWaRo ( CSD ) eller gropefukt brunkull (testanlegg ved Brandenburg Technical University, Cottbus og i industriparken Schwarze Pumpe )

I jernproduksjon

• FIOR-prosess (stasjonær fluidisert seng; bare anlegg som for øyeblikket ikke er i drift) (status 2000)
• FINMET-prosess (stasjonær fluidisert seng; anlegg med en kapasitet på 500.000 tonn per år i drift (fra midten av 2013))
• Circored og Circofer prosesser (sirkulerende fluidbed; bare anlegget for øyeblikket ute av drift)

Andre distribusjonsmetoder

• Tørking og granulering av fluidisert seng i kjemisk eller farmasøytisk industri
• Risting av fluidiserte senger av sulfidmalmer (sink, pyritt, kobber)
• Fluidized roasting av kaffebønner
• Kalsinering av fluidiserte senger av gips
• Kalsinering av fluidisert seng av aluminiumhydroksid
• Beising regenerering (stammer fra den metalliske sylteprosessen, saltsyre fylt med jern omdannes tilbake til ren saltsyre)

weblenker

• Grunnleggende om sirkulerende fluidbed (kald modell) (PDF-fil; 958 kB) ( Memento fra 28. september 2007 i Internet Archive )

hovne opp

1. ↑ Chemietechnik, november 2013 , åpnet 11. desember 2013.
2. ↑ Patent DE437970 : Metode for å produsere vanngass. Registrert 28. september 1922 , publisert 2. desember 1926 , søker: IG Farbenindustrie AG, oppfinner: Fritz Winkler. ‌
3. ↑ Crowe, C., flerfasehåndbok , s. 5-71
4. St M. Stieß: Mechanische Verfahrenstechnik 2 (kapittel 11 fluidiserte senger og pneumatisk transport). Springer forlag. 1995.
5. ^ H. Schubert: Håndbok for mekanisk prosessteknikk. Volum 1 (kapittel 3.2.2 Fluidiserte senger). Wiley Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. 2003.
6. Geld D. Geldart: Typer av gassfluidisering . I: Pulverteknologi . teip 7 , nei. 5. mai 1973, s. 285-292 , doi : 10.1016 / 0032-5910 (73) 80037-3 ( PDF ). 
7. ↑ Dybdestudie : Bestemmelse av hvirvelpunktet ved hjelp av dimensjonsløse nøkkeltall
8. ^ Utviklingen i den venezuelanske DRI-industrien , s.5
9. ↑ Hva er FINMET Process (Technology) for Iron Making? ( Memento fra 2. april 2015 i Internet Archive )
10. ^ Outotec : Direct Reduction Technologies
11. ^ Outotec: Alumina-løsninger
12. ↑ Fluidbed eller spraygitter: Fremskritt i utviklingen av saltsyreregenereringssystemer