Wirbelschichten-Ingenieurhandbuch

1. Was ist eine Wirbelschicht ?

Eine Wirbelschicht besteht typischerweise aus einer Säule, die den Feststoff enthält, der zu fluidisieren ist (meistens Pulver, manchmal Granulate <6 mm Durchmesser) und die am Boden eine Verteilerplatte hat, die es ermöglicht, ein Gas durch die Schicht der Partikel zu blasen. Auf der Oberseite der Säule ist ein Gasauslass installiert. Wenn das Gas durch die Feststoffe strömt und eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht, dehnt sich die Feststoffschicht aus, da die Partikel fluidisieren und sich wie eine Flüssigkeit verhalten, und es bilden sich Gasblasen. Abbildung 1 : typische Benchscale-Wirbelschicht Hinweis: Einige Wirbelschichten verwenden tatsächlich eine Flüssigkeit, um die Fluidisierung durchzuführen.

2. Wie funktioniert eine Wirbelschicht ? Was ist das Prinzip von Wirbelschichten ? Abbildung 2 : typische industrielle Wirbelschicht

Diese sind die Mindestelemente, um eine Wirbelschicht im Labor zu bauen, jedoch sind industrielle Systeme natürlich komplexer und können Folgendes umfassen:

Ein

und

• Wärmeübertrager um das Gas zur Säule zu bringen, während sein Druck und seine Temperatur kontrolliert werden Ein Wärmeübertrager in der Säule, entweder direkt eine Spirale in der Schicht der Partikel oder ein Doppelmantel Ein Einlass und Auslass für die Partikel Zyklone
• /
• Filter
• am Gasauslass mit Möglichkeit, die Feinpartikel zur Wirbelschicht zurückzuführen Die Fluidisierung der Feststoffe hat zur Folge, dass sie sich wie eine Flüssigkeit verhalten, wobei das Gas alle Partikel berührt und sie in Bewegung hält. Wirbelschichten haben daher den Vorteil, sehr gute Wärme- und Stoffübertragungseigenschaften zu haben. 3. Fließverhalten von Feststoffen in einer Wirbelschicht Wie verhalten sich Pulver in einer Wirbelschicht ?

Das Fließverhalten innerhalb der Wirbelschicht hängt tatsächlich von der Natur der Feststoffe und

ihren

Aerations- und Permeabilitätseigenschaften ab.

Durch umfangreiche Experimente hat Geldart 4 Gruppen von Pulvern definiert, die eindeutiges Verhalten bei der Fluidisierung zeigen (siehe Grafik 1), und hat eine Grafik erstellt, die es ermöglicht, vorherzusagen, in welche Gruppe ein bestimmtes Pulver fällt. Das Schlüsselkriterium, das diese Gruppen unterscheidet, ist, wie die Luft in den Feststoffen verteilt wird:kleine Blasen gleichmäßig verteilt, große Blasen, Kanalisierung, Sprudeln...

Es ist kritisch, zu wissen, wie das Pulver fluidisiert, da dies direkte Auswirkungen auf die Wärme- und Stoffübertragungseigenschaften der Wirbelschicht und somit die Leistung des Systems hat. Grafik 1 : Geldart-Klassifizierung Die Dichte ρ

p

der Partikel in der obigen Grafik ist definiert als die Masse eines Partikels geteilt durch sein Volumen, einschließlich offener und geschlossener Poren._{Die folgenden Gruppen sind definiert:} Gruppe A :

aerierbare Pulver. Diese Pulver behalten Luft sehr gut und homogen. Sie haben eine geringe Permeabilität (siehe nächsten Absatz), die es ihnen ermöglicht, Luft über einen längeren Zeitraum zu behalten und flüssig zu bleiben.

• Gruppe B : sandähnliche Pulver, die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln sind gering, mit einer geringen Permeabilität (siehe Absatz unten), die bedeutet, dass die Partikel aufhören, flüssig zu sein, sobald die Luft abgestellt wird. Die Blasen können in der Größe wachsen und den Durchmesser der Wirbelschicht erreichen, wodurch "Schläge" entstehen.
• Gruppe C : kohäsive Pulver, das Gas kann sich nicht gleichmäßig in Blasen in der Schicht der Partikel verteilen, sondern wird stattdessen Kanäle bilden (daher der Name Kanalisierung). Es ist möglich, vorherzusagen, ob ein Pulver in Gruppe C fällt, indem man die lockere Bulk-Dichte und die gestampfte Bulk-Dichte vergleicht. Wenn das Verhältnis Bulk / locker > 1,4 ist, kann das Pulver in Gruppe C sein.
• Gruppe D : sprudelbare Pulver, mit einem Verhalten ähnlich wie Gruppe B, obwohl der "Sprudelzustand" erreicht werden kann, bei dem eine Gas-Säule in der Mitte der Wirbelschicht entstehen kann (dies erfordert jedoch, dass die Luft durch einen einzelnen Punkt anstelle der gesamten Bodenfläche der Partikelschicht injiziert wird).
• Abbildung 3 : die verschiedenen Geldart-Fluidisierungsgruppen 4. Mindestfluidisierungsgeschwindigkeit

Eine der wichtigsten Eigenschaften, die zum Betreiben einer Wirbelschicht bekannt sein muss, ist die Mindestfluidisierungsgeschwindigkeit, die Luftgeschwindigkeit, über der die Schicht der Partikel beginnt, flüssig zu werden. Die kritische Geschwindigkeit kann mit der Gleichung von Wen und Yu berechnet werden:

Gleichung 1 : Wen- und Yu-Korrelation für die Mindestfluidisierungsgeschwindigkeitsberechnung [Rhodes]

Mit :

U

mf
= Mindestoberflächengeschwindigkeit der Fluidisierung (m/s)_{μ = Gasviskosität (Pa.s)} ρ
g
= Gasdichte (kg/m₃ )^dv
= Partikelgröße, tatsächlich der Durchmesser der Kugel mit dem gleichen Volumen wie die Partikel (m)_{Ar = Archimedes-Zahl} ρ
p
= scheinbare Partikeldichte (kg/m_p = apparent particles density (kg/m³)

5. Druckabfall einer Wirbelschicht

Wie berechnet man den Druckabfall einer Wirbelschicht ?

Ein weiterer wichtiger Datenpunkt, der zum Entwerfen oder Betreiben einer Wirbelschicht bekannt sein sollte, ist der Druckabfall, der beobachtet wird, wenn die Partikel flüssig gemacht werden. Tatsächlich erhöht sich der Druckabfall mit der Oberflächen-Geschwindigkeit der Luft, solange die Geschwindigkeit geringer ist als die minimale Flüssigkeitsgeschwindigkeit, sobald darüber hinaus der Druckabfall stabil bleibt und konstant bleibt (siehe Graph 2).

Graph 2 : Druckabfall und Schicht Höhe als Funktion der Oberflächen-Geschwindigkeit in einer Wirbelschicht [Coco]

In den meisten Fällen kann dieser Flüssigkeits-Druckabfall als das Gewicht der Schicht von Partikeln geteilt durch die Querschnittsfläche der Säule berechnet werden.

Mit :
ΔP = Druckabfall (Pa)
M_B = Masse des Pulvers in der Säule (kg)
A = Querschnittsfläche der Säule (m2)
ρ_p = scheinbare Partikeldichte (kg/m³)
ρ_g = Gasdichte (kg/m³)
ε = Schichtporosität bei minimalem Flüssigkeitsgeschwindigkeit (-)
H_mf = Höhe der Wirbelschicht bei minimalem Flüssigkeitsgeschwindigkeit (m)
Hs = Höhe der sanft abgesetzten Schicht (m)
ρ_BS = Dichte der sanft abgesetzten Schicht (kg/m³)

6. Anwendungen von Wirbelschichten

Was ist der Zweck der Flüssigmachung von Pulver ?

Heute werden Wirbelschichten in allen Arten von Industrien weit verbreitet eingesetzt. Insbesondere in der chemischen und petrochemischen Industrie haben sie Anwendungen gefunden. Tatsächlich werden Produkte wie Instant-Milch oder Instant-Kaffee dank dieses Prozesses hergestellt. Die Möglichkeit, eine Verschlechterung während des Trocknens zu vermeiden, macht es auch zu einem Prozess der Wahl für die Pharmaindustrie.

Beispiele für Anwendungen von Wirbelschichten sind unten aufgeführt :

• Fluid Catalytic Cracking (FCC) : Produktion von Benzin aus schwereren Kohlenwasserstoffen
• Acrylnitril-Produktion
• Polyethylen-Produktion
• Wirbelschichtverbrennung zur Stromerzeugung
• Nachtrockner / Nachkühler für Sprühtrocknungsprozesse

Die Liste ist nur teilweise, aber bereits sehr lang. Viele Industrien nutzen Sprühtrocknung, da sie eine kontinuierliche Trocknungstechnik mit sehr kurzer Aufenthaltszeit bei der Temperatur bietet, was, wenn das Sprühtrocknungssystem gut abgestimmt ist, die Trocknung hitzeempfindlicher Komponenten ermöglicht.

Sicher, hier ist ein Abschnitt über Wartung und Fehlerbehebung für Wirbelschichten:

7. Wartung und Fehlerbehebung von Wirbelschichten

Wirbelschichten sind robuste und effiziente Systeme, aber wie jedes industrielle Gerät benötigen sie regelmäßige Wartung und können Betriebsprobleme aufweisen. Eine ordnungsgemäße Wartung und eine effektive Fehlerbehebung sind unerlässlich, um die kontinuierliche optimale Leistung von Wirbelschichten sicherzustellen. Nachfolgend finden Sie wichtige Überlegungen für die Wartung und die Behebung häufiger Probleme in Wirbelschichtsystemen.

7.1 Regelmäßige Wartung

• Inspektion und Reinigung: Überprüfen Sie regelmäßig die Wirbelschichtsäule, die Verteilerplatte und die Wärmeübertrager auf Ansammlungen von Ablagerungen, Verunreinigungen oder Fremdmaterialien. Reinigen oder entfernen Sie alle Hindernisse, um eine konsistente Flüssigmachung zu gewährleisten.
• Partikelersatz: Im Laufe der Zeit können die Partikel in der Wirbelschicht abbauen oder verunreinigt werden. Planen Sie regelmäßige Partikelersatz, um eine konsistente und effiziente Betriebsweise sicherzustellen.
• Wartung der Gasverteilungsplatte: Überprüfen Sie die Verteilerplatte auf Abnutzung, Verstopfung oder Schäden. Probleme mit der Platte können zu einer ungleichmäßigen Flüssigmachung führen. Ersetzen oder reparieren Sie die Platte nach Bedarf.
• Wärmeübertrager-Check: Stellen Sie sicher, dass die Wärmeübertrager ordnungsgemäß funktionieren. Eine Unzulänglichkeit in der Wärmeübertragung kann sich auf die Leistung der Wirbelschicht auswirken. Reparieren oder ersetzen Sie beschädigte Wärmeübertrager umgehend.
• Zyklone und Filter: Überprüfen Sie regelmäßig die Zyklone und Filter am Gasauslass. Verstopfte oder beschädigte Filter können die Gasrückführung beeinträchtigen und Betriebsprobleme verursachen.
• Sicherheitssystem-Prüfung: Bewerten Sie regelmäßig die Sicherheitssysteme, wie z.B. Druckentlastungsventile und Notabschaltmechanismen, um sicherzustellen, dass sie funktionieren. Sicherheit ist in Wirbelschichtbetrieben von größter Bedeutung.

7.2 Fehlerbehebung bei häufigen Problemen

• Nicht einheitliche Flüssigmachung: Wenn die Wirbelschicht eine nicht einheitliche Flüssigmachung aufweist, kann dies auf eine nicht einheitliche Partikelgröße, Partikelagglomeration oder Gas-Kanalisierung zurückzuführen sein. Überprüfen Sie die Partikelgrößenverteilung und ersetzen Sie gegebenenfalls die Partikel. Beheben Sie Agglomerationen und berücksichtigen Sie eine Modifizierung der Gasverteilung, um Kanalisierung zu vermeiden.
• Schichtagglomeration: Eine Agglomeration von Partikeln kann auftreten, wenn die Temperatur zu hoch wird oder wenn Partikel mit klebrigen Beschichtungen vorhanden sind. Reduzieren Sie die Betriebstemperatur oder berücksichtigen Sie die Verwendung von Anti-Verklumpungs-Mitteln oder Oberflächenbehandlungen auf Partikeln, um Agglomeration zu vermeiden.
• Druckabfall-Variationen: Eine inkonsistente Druckabfall kann durch Partikelansammlungen in bestimmten Bereichen der Schicht verursacht werden. Passen Sie die Partikelverteilung an, erhöhen Sie die Gasströmung oder führen Sie eine teilweise Schichtersatz durch, um das Problem zu lösen.
• Schicht-Defluidisation: Wenn die Schicht die Flüssigmachung verliert und die Partikel sich absetzen, kann dies auf eine Gas-Geschwindigkeit, unzureichende Gasströmung oder Partikel-Verunreinigung zurückzuführen sein. Passen Sie die Gas-Geschwindigkeit und die Gasströmung innerhalb des optimalen Bereichs an und stellen Sie sicher, dass die Partikelqualität den Spezifikationen entspricht.
• Übermäßige Emissionen: Höhere Emissionen als erwartet können durch unvollständige Verbrennung, unzureichende Gasreinigung oder schlechte Wärmeübertragung verursacht werden. Überprüfen und optimieren Sie den Verbrennungsprozess, verbessern Sie die Gasreinigungssysteme und überprüfen Sie die Wärmeübertrager auf Ablagerungen.
• Produktqualitätsprobleme: Wenn die Produktqualität nicht den gewünschten Standards entspricht, untersuchen Sie Probleme im Zusammenhang mit Partikelabbau, Temperaturregelung und Reaktionskinetik. Passen Sie die Einstellungen entsprechend an, um eine konsistente Produktqualität sicherzustellen.
• Geringe Wärme- oder Stoffübertragung: Schlechte Wärme- oder Stoffübertragung kann durch Ablagerungen in der Säule oder durch defekte Wärmeübertrager entstehen. Reinigen oder ersetzen Sie verfahrene Komponenten und reparieren Sie Wärmeübertrager, um effiziente Übertragungsprozesse aufrechtzuerhalten.
• Zyklische Betriebsweise: Eine zyklische oder instabile Betriebsweise kann durch unzureichende Kontrolle von Variablen wie Temperatur, Druck und Gasströmung verursacht werden. Implementieren Sie bessere Kontrollstrategien und Überwachungssysteme, um die Betriebsweise zu stabilisieren.
• Sicherheitsalarme und Abschaltungen: Nehmen Sie Sicherheitsalarme und Abschaltungen ernst. Untersuchen Sie die Ursache jedes Sicherheitsalarms und lösen Sie das Problem, bevor Sie den Betrieb wieder aufnehmen. Befolgen Sie ordnungsgemäße Abschaltverfahren im Falle von Notfällen.

Eine effektive Wartung und eine schnelle Fehlerbehebung sind für den kontinuierlichen Erfolg von Wirbelschichtsystemen von entscheidender Bedeutung. Regelmäßig geplante Wartung, gründliche Inspektionen und proaktive Problemlösung sind der Schlüssel, um sichere und effiziente Wirbelschichtbetriebe zu gewährleisten.

Quelle

[Rhodes] Prinzipien der Pulvertechnologie, Seite 124, Martin Rhodes et al, Wiley, 1990

[Coco] Einführung in die Flüssigmachung, Coco et al, AICHE, 2014