Flash reaktor - Flash reactor - Wikipedia

Jako rozšíření vodní postel rodina separačních procesů, bleskový reaktor (FR) (nebo transportní reaktor) využívá k povzbuzení turbulentní kapalinu přiváděnou při vysokých rychlostech chemické reakce s krmivy a následně dosáhnout separace chemickou přeměnou požadovaných látek na různé fáze a proudy. Bleskový reaktor sestává z hlavní reakční komory a výstupu pro oddělené produkty pro vstup do následných procesů.

FR nádoby usnadňují nízkou retenci plynu a pevných látek (a tedy dobu kontaktu reaktantů) pro průmyslové aplikace, které ve srovnání s jinými reaktory s fluidním ložem vedou k vysokému výkonu, čistému produktu a méně než ideálnímu tepelnému rozložení. Vzhledem k těmto vlastnostem a jejich relativní jednoduchosti mají FR potenciál pro použití pro procesy předúpravy a následné úpravy, kde jsou tyto síly FR nejvíce upřednostňovány.

Existují různé konstrukce FR (např. Potrubí FR, odstředivé FR, nádoby FR), které se v současné době používají v pilotních průmyslových závodech pro další vývoj. Tyto návrhy umožňují širokou škálu současných i budoucích aplikací, včetně sterilizace úpravou vody, využití a recyklace prachu z ocelárny, předúprava a pražení kovů, chemické smyčkové spalování stejně jako vodík Výroba z biomasa.

Vlastnosti

Postava uvnitř bleskového reaktoru. Plyn vstupující do C cirkuluje uvnitř A, je ochlazován D. Napájení vstupuje do B a vystupuje z E a F

Bleskový reaktor nádoby je konstrukce běžně používaná a je znázorněna na obrázku vpravo. Plyn se přivádí ze dna při zvýšené teplotě a vysoké rychlosti, s mírným poklesem rychlosti ve střední části nádoby. Komora A je navržena jako "vejčitá", s relativně úzkou spodní plochou průřezu a širokou horní plochou průřezu. Tato konfigurace je navržena ke zvýšení rychlosti tekutiny na dně komory, což umožňuje kontinuální cirkulaci těžkých přiváděných částic, což podporuje reakční místo pro separační procesy.[1]

Způsob dodávky krmiva se liší v závislosti na jeho fázi. Pevné látky mohou být dodávány pomocí dopravníku B, zatímco tekutiny se odpařují a stříkají přímo do FR. Poté se uvede do styku s kontinuálně cirkulujícím horkým plynem, který se zavádí v sekci C. Tento kontinuálně cirkulující plyn interaguje v celé komoře s přiváděným vstupem, přičemž povrchy částic vytvářejí v důsledku reakcí nerozpustné soli. Směs produktů se poté oddělí přes E, kde výfuk vydává plynné produkty. Teplota tohoto proudu je řízena chladicí kapalinou emitovanou rozstřikovacími tryskami D.[1]

Vlastnosti návrhu a heuristika

I když je k dispozici řada aplikací pro bleskový reaktor, dodržují obecnou sadu provozních parametrů / heuristiky, které jsou podobné. V následujícím seznamu jsou uvedeny důležité parametry, které je třeba vzít v úvahu při navrhování FR:

Konfigurace rychlosti a průtoku kapaliny

Relativně rychlá rychlost tekutiny (10–30 m / s)[2] je obvykle vyžadováno v operacích FR, aby se podpořila kontinuální distribuce částic v nádobě reaktoru. Tím se minimalizuje rychlost prokluzu kolony (průměrný rozdíl rychlostí různých kapalin v potrubí), což má pozitivní dopad na rychlost přenosu tepla a hmoty a umožňuje použití nádob s menším průměrem, což může snížit provozní náklady. Také použití konfigurace vertikálního toku tekutiny bude mít za následek nedostatek míchání vstupních částic v horizontálním a vertikálním směru, což odrazuje od interakcí částic, které by snižovaly nečistotu produktu.

Solidní retenční čas

Použití vysoké rychlosti tekutiny, jak je popsáno výše, také zajišťuje krátkou retenční dobu tuhého krmiva. To by zajistilo reakce, které vyžadují čistší produkt a vyšší propustnost. Pokud však provozní podmínky pro určitou aplikaci vyžadují delší reakční dobu, lze to provést zavedením cyklické operace. Použitím zpětného potrubí může být tekutina ve FR recirkulována s přívodem, což umožňuje další dobu kontaktu.[3]

Žáruvzdorný obkladový materiál

Vzhledem k vysokým teplotním požadavkům pro provoz FR je zapotřebí žáruvzdorná vyzdívka, která v průběhu času posiluje a udržuje integritu nádoby. Žáruvzdorná vyzdívka také slouží k izolaci vysoké teploty komory od teploty okolí. Například v procesu Reco-Dust je FR obložen dvěma samostatnými žáruvzdornými materiály: oxid hlinitý cihly pro spalovací komoru a karbid křemíku cihly pro kuželovou výstupní část.[4] Kromě toho se konstrukce nádoby může lišit v tvarech a velikostech (tj. Od potrubí po vejcovitý tvar), jejichž cílem je podporovat vertikální cirkulaci plynů a pevných částic.[1]

Typ krmiva a tekutiny

Aby se minimalizovalo zadržování materiálu v reaktoru, doporučuje se pro provoz FR hustý plyn s lehkými pevnými látkami. Pevná látka přiváděná do reaktoru může sestávat pouze z tepelně odolných materiálů a bude to v nejlepším případě, když je vyžadována pouze krátká retenční doba. Rovněž je žádoucí, aby pevné krmivo bylo suché, sypké a s přesně stanovenou velikostí zrna.[5]

Typy bleskových reaktorů

Odstředivý bleskový reaktor

Základní popis tseflárského reaktoru (odstředivý bleskový reaktor)

Na rozdíl od jiných konstrukcí FR je práškové krmivo kontaktováno spíše na pevném nosiči tepla než na plynném nosiči. Zahrnuje použití vyhřívané rotující desky, která rozptýlí částice práškového prášku na krátkou dobu. Toho je dosaženo použitím odstředivých sil, kdy stlačuje prášek na povrch desky, což umožňuje přímý kontakt mezi částicemi a horkým kovem, což umožňuje vyšší rychlost přenosu tepla.[6] obrázek vpravo ukazuje nastavení TSE-FLAR se šipkami znázorňujícími směr posuvu, který se pohybuje od podávací nádrže, k dávkovací jednotce, k rotující desce a nakonec k jednotce chladicí vody.

Potrubní bleskový reaktor

Tento obrázek ukazuje vstupní a výstupní toky potrubního bleskového reaktoru

Potrubní bleskový reaktor (PFR) je relativně nové zařízení vyvinuté na základě principů FR, které má většinu svých charakteristik, funkcí a vlastností. Jak je odvozeno z jeho názvu, tvar potrubního reaktoru má formu potrubí. Přestože se jedná o nový derivát starší technologie, v průmyslových provozech se s ním zkouší. Potrubní bleskové reaktory se používají jako terciární nebo dodatečný krok čištění odpadních vod, a to buď integrované v nových zařízeních, nebo dovybavené stávajícím vývojem.[7] Tvar PFR umožňuje jeho snadnou integraci do nových procesních systémů a jeho dovybavení staršími stávajícími systémy, aby se zlepšila celková účinnost systému.[8] Díky svému tvaru lze do PFR snadno přidat úpravy a rozšíření, aby vyhovovaly požadavkům určitých procesů.[9]

V PFR reagují reaktanty ve vzájemném kontaktu v potrubí, spíše než v míchací nádobě v konvenčních míchacích systémech, jako je kontinuálně míchaný tankový reaktor. To eliminuje potřebu dalších míchacích nádrží, což šetří místo, ale jako kompromis bude skutečné reakční místo záviset na specifikacích potrubí a rychlosti kapaliny. PFR také eliminuje potřebu objemných kaskádových systémů nebo nádrží používaných jinými technologiemi ve stávajícím vývoji, což může snížit náklady na údržbu. Vzhledem k povaze zařízení budou mít reaktanty zpracované v PFR krátké retenční časy, avšak přidání zpětných toků do systému je technika, která může v případě potřeby zvýšit retenční čas. Na rozdíl od konvenčních směšovacích systémů lze turbulentní směšovací komoru realizovat bez vytváření tlakových ztrát.[3] Také PFR, stejně jako většina bleskových reaktorů, jsou vysoce účinné a mají malou stopu.

Aplikace

Všestrannost bleskových / transportních reaktorů je vhodná pro širokou škálu separačních procesů citlivých na kvalitu. V následujícím textu jsou popsány hlavní aplikace bleskového reaktoru. Všimněte si, že většina aplikací bleskových reaktorů nevyžaduje žádný systém následného či předúpravy kvůli nedostatku vytvářeného odpadu.

Injekce ozónu pro sterilizaci úpravou vody

Hlavní článek: Čištění vody § Dezinfekce ozonem

(PFR) je rostoucí technologie s aplikacemi pro zlepšení účinnosti určitých procesů, jako je čištění odpadních vod. V Kalifornii byl instalován pilotní reaktor v rámci plánu expanze [Castaic Lake Water Agency] (CLWA). PFR slouží jako pomocné směšovací a kontaktní zařízení pro podporu absorpce ozonu v upravené vodě. PFR používal přizpůsobené trysky pro vstřikování směsi ozon / voda při vysokých rychlostech zpět do objemu zpracovávané tekutiny. Použití PFR, jako je reaktor v expanzi CLWA, při úpravách vody je stále populárnější, protože PFR eliminuje potřebu dalších nádrží, které by byly vyžadovány pro procesy, jako je chlorování. Menší pánve jsou dostatečné k zajištění doby kontaktu mezi reaktanty pro mikrobiální inaktivaci, čímž se snižují instalační stopy v novém vývoji. Reaktanty také opustí PFR rychleji kvůli kratší retenční době; bylo zjištěno, že účinné disperze postranního proudu do objemové tekutiny bylo dosaženo již za 1 sekundu.[9]

Zpracování prachu z ocelárny za účelem získání zinku

Od roku 2010 v elektrárně úspěšně fungovala pilotní elektrárna bleskového reaktoru Montanuniversität v Leoben, Rakousko. Známý jako proces RecoDust, takové nastavení bylo navrženo k obnovení zinek z prachu shromážděného při provozu oceli. Zatímco testy prokázaly funkčnost tohoto procesu, další výzkum a implementace tohoto procesu v průmyslu byly zastaveny kvůli nejistému ekonomickému výhledu ocelářského průmyslu.[5]

Výzkum nicméně ukázal velký potenciál pro využití FR při získávání zinku z prachu z oceláren, protože poskytuje silné oxidační a redukční podmínky v reakční nádobě bez vzniku odpadních materiálů. Účinnost a účinnost procesu RecoDust prokázala velká reakční povrchová plocha vstupujícího prachového materiálu a také to, že nemá vnitřní Zn-cyklus a nevyžaduje procesy předúpravy.[10]

Typický proces RecoDust bude často vyžadovat teploty od 1 600 do 1 650 ° C se suchým, tekutým a dobře definovaným vstupem zrna o velikosti přibližně 300 kg / h. V jednom experimentu 94% chlór, 93% fluor a 92% Vést byl odstraněn z prachu ocelárny s 97% zpětným získáním zinku.[4]

Rychlé tepelné zpracování práškových materiálů

V mnoha oblastech chemického inženýrství je zásadní použití rychlého procesu tepelného ohřevu následovaného jejich kalením / chlazením. Například prášek hydroxidu hlinitého (tj. gibbsite ), který se používá k přípravě katalyzátoru na bázi oxidu hlinitého, prochází procesem termochemická aktivace (TCA) za vzniku tepelně aktivovaného produktu, Al2Ó3∙ nH2O. Odstředivý FR, TSEFLAR může být použit k zahřátí prášku na 400-900 K s teplotou desky 1000 K a rychlostí 90-250 otáček za minutu. Ukázalo se, že takové nastavení produkuje produkt o výkonu 40 dm3/ h s tepelným zpracováním kratším než 1,5 s.[6]

Hutnictví

Flash reaktory mají obrovský potenciál k nahrazení nebo podpoře stávajících procesů oxidace, redukce nebo jiných úprav předúpravy (např. kalcinace ) v rafinérii kovů.[2] Jednoduchost a propustnost bleskového reaktoru může poskytnout nákladově efektivní řešení, které usnadní použití stávajících nákladných přísných procesů.

Předehřívání

Předehřátí drcených nebo jemných rud lze provádět v rámci FR s využitím krátkých retenčních časů k nejrychlejšímu zvýšení teploty k dosažení podmínek požadovaných v pozdějších procesech. V železe a ilmenit rudy s vysokou propustností FR umožňují podstatné celkové snížení spotřeby provozní energie a také poskytují místo pro míchání s jinými reaktanty, jako je vodík, briketování v hlavním procesu rafinace.[11]

Pražení

Oxidace rozdrcených rud částic a odstraňování sulfid, arsen nebo jiné kontaminující látky je rozhodujícím separačním procesem při čištění kovů, který lze provádět v FR. Oxidace sulfidových rud vede k přeměně malé pevné sulfidové rudy na oxidy a zbytky oxid siřičitý plyn kulminující separací přeměnou nežádoucích sulfidů na plynnou fázi. Tyto kontaminanty pak mohou projít následnou úpravou, aby se z odpadního proudu vytvořily užitečné produkty, jako např kyselina sírová pomocí kontaktního procesu.

Rovnice níže[12] zobrazuje několik příkladů pražení oxidačních reakcí používaných při rafinaci zinku z sfalerit a další rudy.

2AS (s) + 3O2 (g) ⇌ 2MO (s) + 2SO2 (G)
kde A =Cu, Zn, Pb

v ilmenit pražení za účelem výroby syntetického materiálu se magnetické vlastnosti rudy mění při vysokých teplotách[13] protože feritové sloučeniny v rudě jsou oxidovány. To má za následek oddělení oxidovaných sloučenin železa od paramagnetické chromit komponenty [13] uvnitř rudy na výstupu z reaktoru, kde může být produkt dále rafinován pro syntézu železa nebo rutil po proudu. Při pražení sulfidových rud nesoucích zlato podporují gradienty difúze síry nebo arsenu migraci zlata do minerálních pórů.[12] Proto neustálé pražení a odpařování síry a arsenu umožňuje koalescenci zlata na povrchu minerálních částic, které lze potom efektivně oddělit následnými procesy, jako je loužení.

U FR znamená vysoký výkon vysokou koncentraci částic na jednotku objemu plynu, a tedy velkou kontaktní plochu reakce pro přenos hmoty. Tolerance této reakce na krátké retenční časy dále činí tento proces ideálním pro průmyslové pražení. To umožňuje použití krmných surovin nižší kvality ke zlepšení kapacity produktu i kvality ve srovnání s konvenčním zpracováním.[2] Jednoduchost implementace FR a její vysoký výstup produktu proto optimalizují náklady na předběžnou úpravu pražení.

Výhody a omezení oproti konkurenčním procesům

AplikaceKonkurenční procesVýhoda oproti konkurenčnímu procesuOmezení
Metalurgie (pražení, předehřev)Cirkulující reaktor s fluidním ložem
  • Vyšší propustnost jako krátké retenční časy přijatelné pro tuto aplikaci; dlouhý oběh není nutný. To umožňuje větší obrat rudy za jednotku času.
  • Nižší provozní náklady na jednotku přívodu, protože tráví kratší dobu kontaktu v reaktoru.
  • Jednoduchá implementace, obecná výhoda FR ve srovnání s komplikovanějšími CFB
  • Distribuce tepla je zkreslená a izotermické podmínky nelze dosáhnout kvůli nižším rychlostem skluzu uvnitř FR.[2] Může bránit kvalitě produktu ve srovnání s možnou kontinuální izotermickou přeměnou v CFB reaktoru.
Zpětné získávání zinku z prachu ocelárnyThe Waelzův proces - rotační pec specializovaná na recyklaci zinku
  • Nevyžaduje žádné kroky předběžné úpravy a je zpracováván ve stejných podmínkách, v jakých opouštějí filtry prachového sáčku prachové jednotky.[5]
  • V procesu Waelz je vyžadováno několik specifikací prachu, ale proces RecoDust dokáže zpracovat řadu specifikací prachu, včetně prachů s nízkým obsahem zinku.[14]
  • Nižší provozní náklady pro budoucí průmyslová odvětví díky tomu, že pro recyklaci zinku vyžaduje pouze jednu jednotku FR.
  • Waelzův proces je více známý a uznávaný jako nejlepší dostupná technika v [Evropské unii], zatímco proces RecoDust je relativně nový[14]
  • Potenciálně vyšší kapitálové náklady díky novému procesu a vybavení
Sterilizace vodouKaskádové systémy a technologie po úpravě, které vyžadují nádrže: jako je chlorace nebo UV dezinfekce odpadních vod
  • V novém vývoji je zapotřebí méně prostoru
  • Kratší retenční čas než konkurenční procesy
  • Flexibilní v implementaci: přizpůsobitelný novému procesoru dovybavenému stávajícími systémy
  • Design je nastavitelný pro určité procesní požadavky
  • Relativně nová technologie
  • Potřebuje více pilotních testů pro shromáždění dostatečných dat
  • Proces nedokáže zpracovat velké koncentrace pevných látek
  • Vyšší kapitálové náklady než konkurenční procesy
Termická chemická aktivace pomocí TSEFLARKontakt mezi částicemi s horkými výfukovými plyny nebo horkými granulemi nosiče / katalyzátoru
  • Kompaktní, univerzální a jednoduchý design
  • Vyšší rychlost ohřevu - FR má za následek nižší spotřebu energie a efektivnější proces
  • Kratší retenční čas vede k tvorbě čistěji aktivovaného produktu
  • Výrobky jsou reprodukovatelné a stabilní
  • Kvůli nedostatku horkých výfukových plynů nebude tento proces produkovat produkty spalování paliva, což vede k ekologičtějšímu procesu [4]
  • TSEFLAR je dražší a není tak komerčně dostupný jako ostatní procesy, protože je relativně nový

Budoucí vývoj

Chemické smyčkové spalování

Hlavní článek: Chemické smyčkové spalování

Chemical Looping Combustion neboli CLC je metoda, při které se pomocí kombinace reaktorů CFB a Flash odstraňuje dusík a nečistoty ze vzduchu před oxidací paliva pomocí oxidačního a redukčního cyklu kovu, jako je nikl. V CLC se horký vzduch vstřikuje do kovu, který působí jako katalyzátor a nosič kyslíku, jako je Fe2Ó3 nebo kovový nikl nebo měď.[2][15] V procesu vstřikování vzduchu na začátku smyčky se používá bleskový reaktor. Použití bleskových reaktorů v tomto scénáři umožňuje použití vstupních surovin nižší kvality a podstatné zvýšení kapacity i čistoty produktu ve srovnání s konvenčním zpracováním.[16]

CLC lze teoreticky použít také k získání vodíku z biomasy během Syngas syntéza a je vysvětleno při výrobě vodíku níže.

Výroba vodíku z biomasy

Výroba vodíku je rozvíjející se technologií v oblasti obnovitelná energie. Protože se očekává exponenciální růst poptávky po vodíku,[17] v chemickém, uhlovodíkovém a polovodičovém průmyslu je třeba hledat nové zdroje vodíku. Flash reaktory v tandemu s reformování parního metanu a zplyňování, využívá odpadní biomasu, jako je směs celulóza, lignin a další organické látky rostlinného materiálu k výrobě plynného vodíku. Nejčastěji používaným odpadem z biomasy je odpad z palmového oleje jako výsledek průmyslu palmového oleje.[18]

K rychlému odstranění obsahu vody lze v sušicí sekci použít i bleskové reaktory [18] z biomasy vstřikováním ohřátého vzduchu o vysoké rychlosti, který působí jako předúprava ke skutečné pyrolýzní reakci, ke které také dochází ve flash reaktoru.[15] také ukazuje, že se po mletí biomasy s přídavkem extrémního tepla použije bleskový reaktor na směs biomasy, uhlí a popela. Popel a uhlí vyrobené při této reakci se později odstraní kvůli jejich katalytickým vlastnostem, které by interferovaly s parním reformováním.

Reference

  1. ^ A b C Taylor, F. W. (1976).Jednotka bleskového reaktoru. US patent 3985510 A
  2. ^ A b C d E Adams, M. D. (2005), Pokroky ve zpracování zlaté rudy., Burlington, Burlington Elsevier.
  3. ^ A b Doerschlag, C. 1977. Flash reaktor. US patent 4126550 A
  4. ^ A b C Antrekowitsch, J., Graller-Kettler, G., Matl, B. a Pestalozzi, A. (2005), „Využití principu bleskového reaktoru k získání zinku z prachu z ocelárny.“ JOM 57(8): 43-46.
  5. ^ A b C Delfs, N., Kofler, M., Geier, B., Rimser, A., Raupenstrauch, H., Bürgler, T., Pilz, K., McDonald, I. a Werner, A. (2011), „The Flash reaktor jako speciální tavicí jednotka pro práškové materiály v aplikaci DSG (granulace za suchého strusky). " BHM Berg- und Hüttenmännische Monatshefte156(9): 343-346.
  6. ^ A b Pinakov, VI, Stoyanovsky, OI, Tanashev, YY, Pikarevsky, AA, Grinberg, BE, Dryab, VN, Kulik, KV, Danilevich, VV, Kuznetsov, DV a Parmon, VN (2005), „TSEFLAR - odstředivý bleskový reaktor pro rychlé tepelné zpracování práškových materiálů. “ Chemical Engineering Journal 107(1–3): 157-161
  7. ^ Práce s vodou (2009), Potrubní bleskový reaktor pro čištění komunálních odpadních vod, Elsevier.
  8. ^ Vodní prostředí a technologie, (2010), Kalifornská vodní agentura hledá možnost instalace stykače s ozonem, WEF, 22(6).
  9. ^ A b Jackson, J. (2010), „Pipeline Flash Reactor Technology Selected for Castaic Lake Water Agency Expansion.“, AWWA.
  10. ^ Delfs, N., Geier, B., Raupenstrauch, H. a Pilz, K. (2013), „Efficient Recovery of Zn and Fe from Steel mill Residues with the RecoDust-Process.“ BHM Berg- und Hüttenmännische Monatshefte: 1-2.
  11. ^ Nuber D., Eichberge H., Rollinger, B. Přímá redukce jemné rudy v kruhu. Millenium Steel. 2006; 37-40
  12. ^ A b Marsden JO. Chemie těžby zlata. House CI, redaktor. Littleton: Littleton: SME; 2006
  13. ^ A b Bergeron, M., Perst, S. F. 1976. Magnetická separace ilmenitu. US patent 3935094 A
  14. ^ A b Delfs N, Geier B, Raupenstrauch H. RecoDust-Process for the Recycling of Steel mill Dusts. Rada pro výzkum a technologie v oblasti odpadu z energie [internet]. 2012/10/10/13. Dostupný z: http://www.wtert.eu/default.asp?Menue=1&ArtikelPPV=23476.
  15. ^ A b Meier, D., van de Beld, B., Bridgwater, A. V., Elliott, D. C., Oasmaa, A. a Preto, F. (2013) Nejmodernější technologie rychlé pyrolýzy v členských zemích IEA pro bioenergii. Recenze obnovitelné a udržitelné energie 20 (0); 619-641
  16. ^ Bell, D., Towler, B. and Fan, M (2010) Zplyňování uhlí a jeho aplikace, Elsevier
  17. ^ Levin, D. B. a Chahine, R. (2010), Výzvy pro výrobu obnovitelného vodíku z biomasy, International Journal of Hydrogen Energy 35 (10):4962-4969
  18. ^ A b Cohce, M. K., Dincer, I. a Rosen, M. A. (2011), Energetické a exergetické analýzy systému na výrobu vodíku na bázi biomasy. Technologie biologických zdrojů 102(18): 8466-8474