псевдоожижение

Псевдоожижение (или псевдоожижение ) — это процесс, аналогичный сжижению , при котором гранулированный материал преобразуется из статического твердоподобного состояния в динамическое жидкоподобное состояние. Этот процесс происходит, когда жидкость ( жидкость или газ ) проходит через зернистый материал.

Когда поток газа вводится через дно слоя твердых частиц, он будет двигаться вверх через слой через пустые пространства между частицами. При малых скоростях газа аэродинамическое сопротивление каждой частицы также невелико, поэтому слой остается в фиксированном состоянии. Увеличивая скорость, силы аэродинамического сопротивления начнут противодействовать силам гравитации, заставляя слой расширяться в объеме по мере удаления частиц друг от друга. При дальнейшем увеличении скорости она достигнет критического значения, при котором восходящие силы сопротивления будут точно равны нисходящим силам гравитации, в результате чего частицы будут взвешены внутри жидкости. При этом критическом значении говорят, что слой псевдоожижен и будет проявлять текучее поведение. При дальнейшем увеличении скорости газа объемная плотность слоя будет продолжать уменьшаться, а его псевдоожижение становится более интенсивным до тех пор, пока частицы не перестанут образовывать слой и не будут «перенесены» вверх потоком газа.

При псевдоожижении слой твердых частиц будет вести себя как жидкость, например, жидкость или газ. Как вода в ведре : слой будет соответствовать объему камеры, а его поверхность останется перпендикулярной силе тяжести ; объекты с более низкой плотностью, чем плотность слоя, будут плавать на его поверхности, подпрыгивая вверх и вниз, если их толкнуть вниз, в то время как объекты с более высокой плотностью опускаются на дно слоя. Жидкостное поведение позволяет транспортировать частицы как жидкость по трубам , не требуя механического транспорта (например, конвейерной ленты ).

Упрощенным примером газотвердого псевдоожиженного слоя с горячим воздухом из повседневной жизни может быть устройство для приготовления попкорна . Зерна попкорна , довольно однородные по размеру и форме, подвешены в горячем воздухе, поднимающемся из нижней камеры. За счет интенсивного перемешивания частиц, похожего на перемешивание кипящей жидкости, это позволяет обеспечить равномерную температуру зёрен по всей камере, минимизируя количество пригоревшего попкорна. После взрыва более крупные частицы попкорна сталкиваются с повышенным аэродинамическим сопротивлением, которое выталкивает их из камеры в чашу.

Этот процесс также играет ключевую роль в формировании песчаных вулканов и структур выхода жидкости в отложениях и осадочных породах .

Приложения

В большинстве случаев применения псевдоожижения используется одна или несколько из трех важных характеристик псевдоожиженного слоя:

Псевдоожиженные твердые вещества можно легко переносить между реакторами.
Интенсивное перемешивание внутри псевдоожиженного слоя означает, что его температура является однородной.
Между псевдоожиженным слоем и теплообменниками, погруженными в слой, осуществляется превосходный теплообмен.

В 1920-х годах был разработан процесс Винклера для газификации угля в псевдоожиженном слое с использованием кислорода. Коммерческого успеха он не имел.

Первым крупномасштабным коммерческим внедрением в начале 1940-х годов стал процесс каталитического крекинга с флюидом (FCC) . ^{[ 1 ]} которые перерабатывали более тяжелые нефтяные фракции в бензин . Богатый углеродом « кокс » откладывается на частицах катализатора и дезактивирует катализатор менее чем за 1 секунду . Частицы псевдоожиженного катализатора перемещаются между реактором с псевдоожиженным слоем и горелкой с псевдоожиженным слоем, где сгорают отложения кокса, выделяя тепло для эндотермической реакции крекинга.

К 1950-м годам технология псевдоожиженного слоя стала применяться в минеральных и металлургических процессах, таких как сушка, прокаливание и сульфидный обжиг .

В 1960-х годах несколько процессов с псевдоожиженным слоем резко снизили стоимость некоторых важных мономеров . Примерами могут служить процесс Сохио для получения акрилонитрила. ^{[ 2 ]} и процесс оксихлорирования винилхлорида . ^{[ 3 ]} Эти химические реакции являются сильно экзотермическими, а псевдоожижение обеспечивает равномерную температуру, сводя к минимуму нежелательные побочные реакции, а также эффективную передачу тепла к охлаждающим трубкам, обеспечивая высокую производительность.

В конце 1970-х годов процесс синтеза полиэтилена в псевдоожиженном слое резко снизил стоимость этого важного полимера , сделав его использование экономичным во многих новых приложениях. ^{[ 4 ]} Реакция полимеризации генерирует тепло, а интенсивное перемешивание, связанное с псевдоожижением, предотвращает образование горячих точек, в которых частицы полиэтилена могут плавиться. Подобный процесс используется для синтеза полипропилена .

В настоящее время большинство разрабатываемых процессов промышленного производства углеродных нанотрубок используют псевдоожиженный слой. ^{[ 5 ]} Arkema использует псевдоожиженный слой для производства 400 тонн многостенных углеродных нанотрубок в год. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

Новым потенциальным применением технологии псевдоожижения является химическое петлевое сжигание , которое еще не коммерциализировано. ^{[ 8 ]} Одним из решений по уменьшению потенциального воздействия углекислого газа, образующегося при сжигании топлива (например, на электростанциях ) на глобальное потепление , является секвестрация углекислого газа . При регулярном горении с воздухом образуется газ, состоящий в основном из азота (поскольку он составляет около 80% по объему основного компонента воздуха), что предотвращает экономичную секвестрацию. используется металла оксид В химической петле в качестве твердого переносчика кислорода . Эти частицы оксидов металлов заменяют воздух (в частности, кислород воздуха) в реакции горения твердым, жидким или газообразным топливом в псевдоожиженном слое, образуя твердые частицы металла в результате восстановления оксидов металлов и смеси диоксида углерода и воды. пар , основной продукт любой реакции горения. Водяной . пар конденсируется, оставляя чистый диоксид углерода, который можно изолировать Частицы твердого металла циркулируют в другой псевдоожиженный слой, где они вступают в реакцию с воздухом (и снова, в частности, с кислородом воздуха), выделяя тепло и окисляя частицы металла до частиц оксидов металлов, которые рециркулируют в камеру сгорания с псевдоожиженным слоем. Аналогичный процесс используется для производства малеиновый ангидрид посредством частичного окисления н-бутана, при этом циркулирующие частицы действуют как катализатор и переносчик кислорода; чистый кислород также подается непосредственно в слой. ^{[ 9 ]}

Почти 50% кремния в солнечных элементах производится в псевдоожиженном слое. ^{[ 8 ]} Например, кремний металлургического качества сначала подвергается реакции с силаном . Силановый газ подвергается термическому крекированию в псевдоожиженном слое затравочных частиц кремния, и кремний осаждается на затравочных частицах. Реакция крекинга является эндотермической, и тепло подается через стенку слоя, обычно выполненную из графита (чтобы избежать загрязнения кремния металлами). Размер частиц слоя можно контролировать с помощью истирающих форсунок. Силан часто предварительно смешивают с водородом, чтобы снизить риск взрыва при утечке силана в воздух (см. Силан ).

Жидкостно-твердое псевдоожижение имеет ряд применений в технике. ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]} Наиболее известным применением псевдоожижения жидкость-твердое вещество является обратная промывка гранулированных фильтров водой. ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}

Псевдоожижение имеет множество применений с использованием ионообменных частиц для очистки и обработки многих потоков промышленных жидкостей. В таких отраслях, как пищевая промышленность и производство напитков, гидрометаллургия, водоумягчение, катализ, химическая промышленность на биологической основе и т. д., ионный обмен является важным этапом обработки. Обычно ионный обмен используется в насадочном слое, где предварительно осветленная жидкость проходит вниз через колонну. Большая работа была проделана в Университете Западного Онтарио в Лондоне, Онтарио, Канада, по использованию системы непрерывного псевдоожиженного ионного обмена, получившей название «Жидко-твердый циркулирующий псевдоожиженный слой» (LSCFB), а в последнее время ее называют «Циркулирующий псевдоожиженный ионный обмен» ( CFIX). Эта система имеет широкое применение, расширяя использование традиционных ионообменных систем, поскольку она может обрабатывать потоки сырья с большим количеством взвешенных твердых частиц за счет использования псевдоожижения. ^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}

Ссылки

^ Питерс, Алан В.; Фланк, Уильям Х.; Дэвис, Бертрон Х. (31 декабря 2008 г.). «История крекинга нефти в 20-х годах». ^й Век». Инновации в промышленной и инженерной химии . Вашингтон, округ Колумбия: Американское химическое общество. Стр. 103–187. doi : 10.1021/bk-2009-1000.ch005 . ISBN 978-0-8412-6963-7 . ISSN 0097-6156 .
^ «Процесс акрилонитрила в Сохио - Американское химическое общество» . Американское химическое общество . Архивировано из оригинала 6 сентября 2017 г. Проверено 13 января 2018 г.
^ Маршалл, Кенрик А. (18 апреля 2003 г.), «Хлоруглероды и хлоруглеводороды, обзор», Энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера , Wiley, doi : 10.1002/0471238961.1921182218050504.a01.pub2 , ISBN 978-0-471-48494-3
^ Ноулин, Томас Э. (2014). Бизнес и технологии мировой полиэтиленовой промышленности: углубленный взгляд на историю, технологии, катализаторы и современное коммерческое производство полиэтилена и продуктов из него . Салем, Массачусетс, Хобокен, Нью-Джерси: Scrivener Publishing, John Wiley and Sons. ISBN 978-1-118-94603-9 .
^ Баддур, Кэрол Э; Бриенс, Седрик (12 августа 2005 г.). «Синтез углеродных нанотрубок: обзор». Международный журнал химического реакторостроения . 3 (1). Вальтер де Грюйтер ГмбХ. дои : 10.2202/1542-6580.1279 . ISSN 1542-6580 . S2CID 95508695 .
^ Аркема. «Graphistrength.com — Производство Graphistrength®» . www.graphistrength.com . Архивировано из оригинала 23 апреля 2017 г. Проверено 13 января 2018 г.
^ Баддур, Кэрол Э.; Бриенс, Седрик Л.; Бордере, Серж; Англеро, Дидье; Гайяр, Патрис (2009). «Струйное измельчение углеродных нанотрубок в псевдоожиженном слое с конфигурацией сопло/мишень». Порошковая технология . 190 (3). Эльзевир Б.В.: 372–384. дои : 10.1016/j.powtec.2008.08.016 . ISSN 0032-5910 .
^ Jump up to: ^а ^б Чу, Цзя Вэй; Ламарш, В. Кейси К.; Кокко, Рэй А. (2022). «100 лет расширения масштабов реакторов с псевдоожиженным слоем и циркулирующим псевдоожиженным слоем». Порошковая технология . 409 . Elsevier BV: 117813. doi : 10.1016/j.powtec.2022.117813 . ISSN 0032-5910 . S2CID 251426476 .
^ Шекари, Али; Терпение, Грегори С.; Бократ, Ричард Э. (31 марта 2010 г.). «Влияние конфигурации питающего сопла на выход н-бутана в малеиновый ангидрид: от лабораторного до коммерческого». Прикладной катализ А: Общие сведения . 376 (1–2). Эльзевир Б.В.: 83–90. дои : 10.1016/j.apcata.2009.11.033 . ISSN 0926-860X .
^ Эпштейн, Норман (2003). «Псевдоожижение твердой и жидкой фаз» (PDF) . Ин Ян, туалет (ред.). Справочник по псевдоожижению и системам жидкость-частицы . Химическая промышленность. ЦРК Пресс. п. 705-764. ISBN 978-0-203-91274-4 .
^ Ярмарка, Гордон М.; Хэтч, Лоранус П.; Хадсон, Герберт Э. (1933). «ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФАКТОРЫ, УПРАВЛЯЮЩИЕ ПРЯМЫМ ПОТОКОМ ВОДЫ ЧЕРЕЗ ПЕСОК [с ОБСУЖДЕНИЕМ]». Журнал (Американская ассоциация водопроводных предприятий) . 25 (11). Американская ассоциация водопроводных предприятий: 1551–1565 гг. дои : 10.1002/j.1551-8833.1933.tb18342.x . ISSN 1551-8833 . JSTOR 41225921 .
^ Ханс, Сельда Йигит; Сойер, Элиф; Акгирай, Омер (2018). «О промывочном расширении сортированных фильтрующих материалов». Порошковая технология . 333 . Эльзевир Б.В.: 262–268. дои : 10.1016/j.powtec.2018.04.032 . ISSN 0032-5910 . S2CID 104007408 .
^ Йигит Хунсе, Сельда; Сойер, Элиф; Акгирай, Омер (27 июля 2016 г.). «Характеристика зернистых материалов с внутренними порами для гидравлических расчетов с неподвижным и псевдоожиженным слоем». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 55 (31). Американское химическое общество (ACS): 8636–8651. doi : 10.1021/acs.iecr.6b00953 . ISSN 0888-5885 .
^ Принц, Эндрю; Басси, Амарджит С; Хаас, Кристина; Чжу, Джесси Икс; Доу, Дженнифер (2012). «Восстановление соевого белка в процессе без растворителей с использованием непрерывного жидкостно-твердого ионообменника с циркулирующим псевдоожиженным слоем». Биотехнологический прогресс . 28 (1): 157–162. дои : 10.1002/btpr.725 . ПМИД 22002948 . S2CID 205534874 .
^ Мазумдер; Чжу, Рэй (апрель 2010 г.). «Оптимальная конструкция жидкостно-твердого циркулирующего псевдоожиженного слоя для непрерывного извлечения белка». Порошковая технология . 199 (1): 32–47. дои : 10.1016/j.powtec.2009.07.009 .

Внешние ссылки

[1] Питерс, Алан В.; Фланк, Уильям Х.; Дэвис, Бертрон Х. (31 декабря 2008 г.). «История крекинга нефти в 20-х годах». ^й Век». Инновации в промышленной и инженерной химии . Вашингтон, округ Колумбия: Американское химическое общество. Стр. 103–187. doi : 10.1021/bk-2009-1000.ch005 . ISBN 978-0-8412-6963-7 . ISSN 0097-6156 .

[2] «Процесс акрилонитрила в Сохио - Американское химическое общество» . Американское химическое общество . Архивировано из оригинала 6 сентября 2017 г. Проверено 13 января 2018 г.

[3] Маршалл, Кенрик А. (18 апреля 2003 г.), «Хлоруглероды и хлоруглеводороды, обзор», Энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера , Wiley, doi : 10.1002/0471238961.1921182218050504.a01.pub2 , ISBN 978-0-471-48494-3

[4] Ноулин, Томас Э. (2014). Бизнес и технологии мировой полиэтиленовой промышленности: углубленный взгляд на историю, технологии, катализаторы и современное коммерческое производство полиэтилена и продуктов из него . Салем, Массачусетс, Хобокен, Нью-Джерси: Scrivener Publishing, John Wiley and Sons. ISBN 978-1-118-94603-9 .

[5] Баддур, Кэрол Э; Бриенс, Седрик (12 августа 2005 г.). «Синтез углеродных нанотрубок: обзор». Международный журнал химического реакторостроения . 3 (1). Вальтер де Грюйтер ГмбХ. дои : 10.2202/1542-6580.1279 . ISSN 1542-6580 . S2CID 95508695 .

[6] Аркема. «Graphistrength.com — Производство Graphistrength®» . www.graphistrength.com . Архивировано из оригинала 23 апреля 2017 г. Проверено 13 января 2018 г.

[7] Баддур, Кэрол Э.; Бриенс, Седрик Л.; Бордере, Серж; Англеро, Дидье; Гайяр, Патрис (2009). «Струйное измельчение углеродных нанотрубок в псевдоожиженном слое с конфигурацией сопло/мишень». Порошковая технология . 190 (3). Эльзевир Б.В.: 372–384. дои : 10.1016/j.powtec.2008.08.016 . ISSN 0032-5910 .

[Chew-8] Jump up to: ^а ^б Чу, Цзя Вэй; Ламарш, В. Кейси К.; Кокко, Рэй А. (2022). «100 лет расширения масштабов реакторов с псевдоожиженным слоем и циркулирующим псевдоожиженным слоем». Порошковая технология . 409 . Elsevier BV: 117813. doi : 10.1016/j.powtec.2022.117813 . ISSN 0032-5910 . S2CID 251426476 .

[9] Шекари, Али; Терпение, Грегори С.; Бократ, Ричард Э. (31 марта 2010 г.). «Влияние конфигурации питающего сопла на выход н-бутана в малеиновый ангидрид: от лабораторного до коммерческого». Прикладной катализ А: Общие сведения . 376 (1–2). Эльзевир Б.В.: 83–90. дои : 10.1016/j.apcata.2009.11.033 . ISSN 0926-860X .

[10] Эпштейн, Норман (2003). «Псевдоожижение твердой и жидкой фаз» (PDF) . Ин Ян, туалет (ред.). Справочник по псевдоожижению и системам жидкость-частицы . Химическая промышленность. ЦРК Пресс. п. 705-764. ISBN 978-0-203-91274-4 .

[11] Ярмарка, Гордон М.; Хэтч, Лоранус П.; Хадсон, Герберт Э. (1933). «ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФАКТОРЫ, УПРАВЛЯЮЩИЕ ПРЯМЫМ ПОТОКОМ ВОДЫ ЧЕРЕЗ ПЕСОК [с ОБСУЖДЕНИЕМ]». Журнал (Американская ассоциация водопроводных предприятий) . 25 (11). Американская ассоциация водопроводных предприятий: 1551–1565 гг. дои : 10.1002/j.1551-8833.1933.tb18342.x . ISSN 1551-8833 . JSTOR 41225921 .

[12] Ханс, Сельда Йигит; Сойер, Элиф; Акгирай, Омер (2018). «О промывочном расширении сортированных фильтрующих материалов». Порошковая технология . 333 . Эльзевир Б.В.: 262–268. дои : 10.1016/j.powtec.2018.04.032 . ISSN 0032-5910 . S2CID 104007408 .

[13] Йигит Хунсе, Сельда; Сойер, Элиф; Акгирай, Омер (27 июля 2016 г.). «Характеристика зернистых материалов с внутренними порами для гидравлических расчетов с неподвижным и псевдоожиженным слоем». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 55 (31). Американское химическое общество (ACS): 8636–8651. doi : 10.1021/acs.iecr.6b00953 . ISSN 0888-5885 .

[14] Принц, Эндрю; Басси, Амарджит С; Хаас, Кристина; Чжу, Джесси Икс; Доу, Дженнифер (2012). «Восстановление соевого белка в процессе без растворителей с использованием непрерывного жидкостно-твердого ионообменника с циркулирующим псевдоожиженным слоем». Биотехнологический прогресс . 28 (1): 157–162. дои : 10.1002/btpr.725 . ПМИД 22002948 . S2CID 205534874 .

[15] Мазумдер; Чжу, Рэй (апрель 2010 г.). «Оптимальная конструкция жидкостно-твердого циркулирующего псевдоожиженного слоя для непрерывного извлечения белка». Порошковая технология . 199 (1): 32–47. дои : 10.1016/j.powtec.2009.07.009 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]