Reactoare cu strat fluidizat

Reactoare cu strat fluidizat

Prima utilizare a tehnicii stratului fluidizat a fost facut in anul 1922, la gazeificarea carbunilor prin procedeul cu generator Winkler. Dupa 20 de ani,

un nou impuls a fost dat acestei tehnici, prin aplicarea la cracarea catalitica.

Datorita numeroaselor avantaje pe care le are stratul fluidizat, se cunosc in prezent zeci de procedee pt. reactiile in sistem eterogen dintre gaze si solide si inca mult mai multe la reactile catalitice, precum si in procesele unitare de transfer de caldura , alimentare, amestecare, uscare adsortie s.a.

a.Principiul stratului fluidizat.Tipuri de fluidizari.La trecerea unui curent ascendent de gaz printr-o masa de material granular sau pulverulent, in anumite conditii de viteza si de granulatie se obtine o faza asemanatoare unui lichid in fierbrte.

Intre stratul fix si transport de solide exista mai multe , , stari fluidizate'', in functie de viteza gazului:

strat fluidizat cu suprafata bine definits, cu o miscare in toata masa solida, cu marirea volumului stratului fix la trecerea in starea fluidizata si cu mici antrenari de particole.

-strat puternic expandat, cu miscare energica a materialului solid si cu antrenariimportante de material solid la iesirea din reactor.

-strat fluidizat cu circulatie de solid, cu miscare puternica a particolelor, cu transport complet la iesirea din reactor si cu recirculatie a materialului solid.

Domeniul Reynolds pt. reactoare cu strat fluidizat este cuprins intre

0, 01-50.000.

b.Aplicatiile stratului fluidizat la reactoare G-S necatalitice.In prezent se gasesc in faza de aplicare industriala sau in faza de pilot, urmatoarele reactoare pt. :

-gazificarea carbunilor;

-fluid coking;

-prajirea sulfurilor de fier, Cu, Zn;

-calcinarea calcarului si adolomitei;

-producerea etilenei prin piroliza titeiului

-obtinerea fluorurilor de aluminiu, a tetra si hexafluoruriide uraniu

-fabricarea carbunelui activ , arderea carbunilor, arderea sisturilor bituminoase, arderea rezidiilorde la epurarea biologica etc.

c.Avantajele si dezavantajele reactoarelor cu strat fluidizat

Avantaje:

-posibilitatea de a da materialului solid o stare fluida, care usureaza transportul de material si transferul de caldura;

-suprafata de reactie mare

-egalizarea rapida a temperaturii si coeficent de transfer ridicat

-agitarea axiala si radiala intensiva

-pierderea de presiune mica

-constructie simpla si ieftina

-pornire si oprire usoara

Dezavantaje:

-eroziuni din cauza miscarii continue a stratului solid

-posibilitatea de aglomerare sau sinterzare a materialului

-realizarea contracurentului gaz-solid numai in reactoare cu mai multe etaje

-amestecarea radiala a gazului foarte solid

-amestecare inversa a gazului, foarte importanta

-unele materiale se prafuiesc in reactor datorita frecarilor intense din stratul fluidizat

d.Transferul de caldura si de substanta in stratul fluidizat

In stratul fluidizat se pun doua probleme de transfer de caldura:

-de la stratul fluidizat la un perete , peretele fiind al reactorului, al unei serpentine de incalzire sau racire etc.

-de la gaz la particola din stratul fluidizat.

1.Pt. transferul de caldura de la stratul fluidizat la un perete este aplicabila reactia generala de transfer de caldura.

Coeficenul de transfer de caldura in stratul fluidizateste influientat de :

Proprietatile gazului:densitatea G;vascozitatea cinematica;caldura specifica

Proprietatile particolelor solide:diametrul particolelor;densitatea particolei;caldura specifica

Proprietatile stratului fix:volumul intermediar

Starea de curgere a stratului fluidizat:viteza de fluidizare;volumul liber

Dimensiunile geometrice a stratului fluidizat:diametrul stratului fluidizat ;inaltimea stratului fluidizat;lungimea suprafetei de schimb imersate

2.Transferul de caldura si de substanta de la particole de gaz.

Pt. transferul de caldura se folosesc reactile :

Nup=2+0, 6Pr 1/3 Re ½

Shp=2+0, 6Sch1/3 Re1/2

e.Tipuri de reactii in stratul fluidizat.In timpul unei reactii intre gaze si particule, in stratul fluidizat, pot sa apara produse in stare gazoasa, in stare gazoasa si solida sau in stare solida.Particolele solide pot disparea, pot sa-si pastreze, sa-si micsorezesau sa-si mareasca diametrul, la fel ca si la reactoarele cu strat fix sau cu deplasare a fazei solide.Se pot deosebi urmatoarele tipuri de reactii:

-particolele isi pastreaza diametrul si reactioneaza repede

Ex:fabricarea carbunelui activ

-particolele isi pastreaza diametrul, dar reactia are loc dupa modelul cu miez nereactionat Ex:calcinarea calcarului cu bulgari mari

-particolele se sparg in timpul reactiei

-particolele se comtracta in tinpul reactiei, isi micsoreaza diametrul sau sint inlocuite cu cenusa

-particolele cresc in timpul reactiei prin refacerea sau formarea unor noi particole ;EX:calcinarea clorurii ferice

Distributia duratelor de stationare in reactor

Durataeste hotarata in primul rand de timpul mecesar reactiei pt. a atinge o anumita conversiune.

In cea ce priveste gazul , durata medie de stationare in reactor este dictata, in principal, de necesitatea fluidizari. Pt. mentinerea fluidizari , particolele solide trebuie sa aiba dimensiuni relativ mici cu un spectru granulometric adecvat, pt. a se evita formarea canalelor de curgere preferentiala a bulelor si sa aiba limite largi de fluidizare.Inaltimea stratului fluidizat pt. un sistem

gaz-solid dat depinde mai ales de diametrul particolelor.

Timpul de contact al gazului este in funtie de viteza si de inaltimea stratului si este dependent de uniformitatea curgerii.

Aplicatii ale stratului fluidizat la reactoare industriale

a.Reactoare pentru oxigenarea piritei.Aceste reactoare prezinta avantaje capacitatilor de productie ridicate, al unui control usor al temperaturii prin imersarea unor fascicole racitoare in stratul fluidizat si prin posibilitatea prelucrarii cenusii care contine plumb si arsen.

Reactoarele mari lucreaza in doua trepte de oxidare. Reactoarele se construiesc la dimensiuni foarte mari.

b.Reactoare pentru clcinarea calcarului.

Avantajele acestui procedeu consta in econonia de combustibil, obtinandu-se var de calitate superioara celui produs in cuptoarele verticale sau rotative.

Reactorul este captusit cu material refractor si inpartit in 4-5 copartimente.

Combustibilul este injectat in interior, in copartinentul al doilea de la partea inferioara.Temperatura de ardere atinge 870-950C si estesuficenta pt calcinarea calcarului.Produsul este racit si evacuat.

Particolele fine de calcar antrenate de gaze sant sseparate intr-un ciclon.

c. Cocsarea carbunilor.Calcinarea carbunilor la temperaturi de pana la 900 C pt. obtinerea cocsului se poate face de asemenea intr-un reactor cu strat fluidizat, dupa procedeul Lurgi-Ruhrgas.Procedeul  mai este aplicat pt cracarea termica a titeiului si a naftei la olefine.

d.Reactorul Fluid-Coker, pt cocsarea rezidurilor petroliere grele, obtine cocs de petrol , hidrocarburi lichide usoare si gaze cracate.

Instalatia consta dintr-un reactor, in care are loc cocsarea si un recipient de ardere si incalzire in stratul fluidizat, in care o parte din cocsul format in proces este ars pt a furniza caldura necesara.

e.Reactoare cu incalzire electrica si strat fluidizat de cocs , pt  fabricarea acidului clorhidric din metan sau propan si amoniac.

Reactorul are forma unui cuptorelectric, cu eectrozi introdusi in statul fluidizat. Se formeaza acid clorhidric, hidrogen si inerte din care prin absortie si distilare, se obtine acid clorhidric.

f . Reactoare aloterme cu energue nuclerara

Reactoare catalitice tip coloana, cu stratfluidizat

Sunt diferite de cele cu strat fix prin marimea particolelor de catalizator , care sant mai mici( 10-200 microni )porozitatea in stratul catalitic este mai mare, iar particolele se gasesc in miscare.

Datorita acestor particularitati , in reactoarele catalitice cu strat fluidizat se

realizeaza suprafata de contact mare intre gaz si catalizator , transferul de caldura este bun realizandu-se o functionare practic izoterma.

Un alt avantaj la reactoarele catalitice este regenerarea continua a unei parti

Din catalizator, ceea ce are drept urmare mentinerea aceleasi activitati

a catalizatorului , pe perioade lungi de functionare.

Reactoarele catalitice cu strat fluidizat pot fi cu circulatia catalizatorului si

fara circulatia catalizatorului.

Ca dezavantaj ale reactoarelor G-S catalitice cu strat fluidizat se mentioneaza:

-amestecarea inversa importanta, ceea ce conduce la o conversie ceva mai scazuta pt produsul principal;

- macinarea si prafuirea catalizatorului

- distributie neliniara a timpului de contact

- aplicabil foarte greu la materialele aglomerabile

Pt proiectarea si exploatarea reactoarelor cu strat fluidizat, trebuie sa se ia in considerare urmatoarele influente ale parametrilor, pt a se ajunge la o anumita conversie:

sa se aleaga o anumita temperatura de lucru, potrivita;

sa se pastreze o curgere potrivita a gazului si catalizatorului , legata de o distributie adecvata a timpului de contact si de o anumita amestecare;

-o durata de folosire cat mai lunga a catalizatorului