플래시 리액터

Flash reactor

분리 프로세스의 유동층 계열의 확장으로서 플래시 리액터(FR)(또는 수송 리액터)는 고속으로 도입된 난류 유체를 사용하여 피드와의 화학반응을 촉진하고 그 후 원하는 물질의 다른 상 및 흐름으로의 화학적 변환을 통해 분리를 실현한다.플래시 리액터는 주반응실과 분리물이 하류 프로세스로 진입하는 출구로 구성된다.

FR 용기는 다른 유동층 원자로에 비해 높은 처리량, 순수한 생산물 및 이상적인 열 분배를 발생시키는 산업용 가스 및 고체 보존(따라서 반응물 접촉 시간)을 촉진합니다.이러한 특성뿐만 아니라 상대적으로 단순하기 때문에 FR은 이러한 FR의 강점이 가장 우선시되는 전처리 및 후처리 프로세스에 사용될 가능성이 있습니다.

다양한 FR 설계(예: 파이프라인 FR, 원심 FR, 용기 FR)가 존재하며, 현재 추가 개발을 위해 시범 산업 플랜트에 사용되고 있다.이러한 설계는 수처리 살균, 제철소 분진의 회수 및 재활용, 금속의 전처리 및 로스팅, 화학 루프 연소, 바이오매스로부터의 수소 생산 등 광범위한 현재 및 미래 응용을 가능하게 합니다.

특성.

플래시 리액터 내부의 그림.C에서 유입된 가스는 A 내부를 순환하고 D에 의해 냉각된다.피드는 B로 들어가 E와 F로 나옵니다.

선박 플래시 원자로는 일반적으로 사용되는 설계로 오른쪽 그림에 나와 있습니다.기체는 상승된 온도와 고속으로 바닥에서 유입되며, 용기 중앙부에서 약간의 속도 저하를 경험합니다.챔버 A는 바닥 단면적이 상대적으로 좁고 상부 단면적이 넓은 "계란 모양"으로 설계되어 있습니다.이 구성은 챔버 바닥에서 유체의 속도를 증가시켜 무거운 피드 입자가 연속적으로 순환하여 [1]분리 공정을 위한 반응 부위를 촉진하도록 설계되었다.

사료배달방법은 국면에 따라 상이합니다.고형물은 컨베이어 B를 사용하여 운반할 수 있으며, 유체는 기화되어 FR로 직접 분사됩니다.그런 다음 섹션 C에 소개된 연속 순환 핫 가스와 접촉합니다.지속적으로 순환하는 이 가스는 유입되는 공급과 챔버 전체에서 상호작용하며, 입자 표면은 반응의 결과로 불용성 염분을 생성합니다.그런 다음 E를 통해 제품 혼합물이 분리되고, 여기서 배기구가 가스 제품을 배출합니다.이 흐름의 온도는 용기의 스프레이 노즐 [1]D에서 방출되는 냉각수에 의해 제어된다.

설계특성 및 휴리스틱스

플래시 리액터에는 다양한 어플리케이션을 사용할 수 있지만 유사한 일반적인 동작 파라미터/휴리스틱 세트를 따릅니다.다음으로 FR을 설계할 때 고려해야 할 중요한 파라미터를 나타냅니다.

유체 속도 및 유량 구성

FR 운전에서는 일반적으로 원자로 용기 전체에 걸쳐 연속적인 입자 분포를 촉진하기 위해 비교적 빠른 유체 속도(10~30m/s)[2]가 요구된다.이를 통해 기둥의 미끄러짐 속도(파이프 내 다양한 유체의 평균 속도 차이)를 최소화하여 열 및 질량 전달 속도에 긍정적인 영향을 제공하고 운영 비용을 절감할 수 있는 더 작은 직경의 용기를 사용할 수 있습니다.또한 수직 유체 흐름 구성을 사용하면 수평 방향과 수직 방향으로 공급 입자가 혼합되지 않아 제품 불순물이 감소하는 입자 상호 작용을 방해할 수 있습니다.

고정 유지 시간

위에서 설명한 바와 같이 빠른 유체 속도를 사용하면 짧은 고체 이송 유지 시간을 보장할 수 있습니다.이는 보다 순수한 제품과 더 높은 스루풋을 필요로 하는 반응을 충족시킵니다.단, 특정 어플리케이션의 동작조건이 긴 응답시간을 필요로 하는 경우에는 주기적인 동작을 도입하여 실행할 수 있다.역류 라인을 이용함으로써 FR 내의 유체를 공급과 함께 재순환시켜 추가 접촉 [3]시간을 확보할 수 있다.

내화 라이닝 재료

FR 작업을 위한 고온 요구 사항으로 인해 시간이 지남에 따라 혈관 무결성을 강화하고 유지하기 위해 내화 라이닝이 필요합니다.또한 내화 라이닝은 챔버의 고온을 주위 온도로부터 격리하는 역할을 합니다.예를 들어 Reco-Dust 공정에서 FR은 연소실용 산화알루미늄 벽돌과 원추출구부용 [4]탄화규소 벽돌의 2가지 별개의 내화재로 라이닝된다.또한 용기의 디자인은 가스와 입자 [1]물질의 수직 순환을 촉진하는 것을 목적으로 하는 형태와 크기(즉, 파이프라인에서 달걀 모양까지)가 다양할 수 있다.

공급 및 유체 유형

원자로 내 물질의 홀드를 최소화하기 위해 FR 운전에는 경질 고형물이 포함된 밀도가 높은 가스가 권장된다.원자로에 공급되는 고체 공급은 내열성 물질로만 구성될 수 있으며, 짧은 체류 시간만 필요할 때 최상의 상태가 된다.또한 고체 사료는 건조하고 붓기 쉬우며 입자 크기가 [5]잘 정의된 것이 바람직하다.

플래시 리액터 타입

원심 섬광로

Tseflar 원자로(중심 플래시 원자로)의 기본 설명

다른 FR 설계와 달리 분말 공급은 기체 운반체가 아닌 고체 열 운반체에 접촉됩니다.단시간 동안 공급 분말 입자를 분산시키는 가열 회전판을 사용해야 합니다.이는 원심력을 사용하여 플레이트의 표면에 분말을 압축하여 입자와 뜨거운 금속 사이에 직접 접촉함으로써 높은 열 전달 [6]속도를 가능하게 합니다.오른쪽 그림은 공급 탱크에서 계량 장치, 회전 플레이트, 마지막으로 냉각수 장치로 이동하는 공급의 방향을 화살표로 표시한 TSE-FLAR 설정을 나타냅니다.

파이프라인 플래시 리액터

이 그림은 파이프라인 플래시 리액터의 입구 및 출구 흐름을 보여줍니다.

PFR(Pipeline Flash Reactor)은 FR의 원리를 통해 개발된 비교적 새로운 장치이며, FR의 특성, 기능 및 특성의 대부분을 보유하고 있습니다.이름에서 유추할 수 있듯이 파이프형 원자로의 형태는 파이프형입니다.구형 기술의 새로운 파생상품이지만 산업용 규모 사업에서 트라이얼되고 있다.파이프라인 플래시 원자로는 폐수 처리의 3차 또는 사후 처리 단계로 사용되며, 새로운 발전소에 통합되거나 기존 개발에 [7]개조된다.PFR의 형태에 따라 새로운 프로세스 시스템에 쉽게 통합되고 오래된 기존 시스템에 개조되어 전체적인 [8]시스템 효율성을 향상시킬 수 있습니다.그 형태에 따라 특정 [9]프로세스의 요건을 충족하기 위해 PFR에 수정 및 확장을 쉽게 추가할 수 있습니다.

PFR에서는 연속교반탱크 원자로와 같은 기존 혼합시스템에서는 혼합용기가 아닌 파이프 내에서 반응물이 접촉한다.이렇게 하면 공간을 절약하는 추가 혼합 탱크가 필요하지 않지만, 그 대신 실제 반응 부위는 유체의 파이프 사양과 속도에 따라 달라집니다.또한 PFR은 기존 개발에서 다른 기술에 의해 사용되는 부피가 큰 캐스케이드 시스템이나 탱크의 필요성을 제거하여 유지관리 비용을 절감할 수 있습니다.장치의 특성상 PFR로 처리된 반응물은 유지 시간이 짧지만, 시스템에 역류를 추가하는 것은 필요할 경우 유지 시간을 늘리는 기술입니다.기존 혼합시스템과 달리 압력강하를 [3]발생시키지 않고 난류 혼합실을 실현할 수 있다.또한 PFR은 대부분의 플래시 원자로와 마찬가지로 설치 공간이 작으면서도 매우 효율적입니다.

적용들

플래시/수송용 원자로의 다기능성은 품질에 민감한 광범위한 분리 프로세스에 적합합니다.다음은 플래시 리액터의 주요 용도에 대해 설명합니다.플래시 리액터 어플리케이션의 대부분은 발생하는 폐기물의 부족으로 인해 후처리 또는 전처리 시스템이 필요하지 않습니다.

수처리 살균용 오존 주입

주요 기사:정수 ification 오존소독

(PFR)은 폐수 처리와 같은 특정 프로세스의 효율성을 개선하는 데 응용되어 발전하고 있는 기술입니다.[Castaic Lake Water Agency](CLWA) 확장 계획의 일환으로 캘리포니아에 시범 원자로가 설치되었다.PFR은 처리수의 오존 흡수를 촉진하는 보조 혼합 및 접촉 장치 역할을 합니다.PFR은 맞춤형 노즐을 사용하여 오존/물 혼합물을 처리 유체의 대부분에 고속으로 주입했습니다.PFR은 염소 처리와 같은 프로세스에 필요했던 추가 탱크의 필요성을 없애기 때문에 CLWA 확장의 원자로와 같은 PFR을 수처리에 사용하는 것이 더욱 보편화되고 있다.더 작은 분지는 미생물 불활성화를 위한 반응물 간의 접촉 시간을 제공하기에 충분하며, 따라서 새로운 개발에서 설치 발자국을 감소시킨다.또한 잔류 시간이 짧아지기 때문에 반응물이 PFR을 더 빨리 빠져나갈 수 있으며, 벌크 유체에 대한 측류의 효과적인 분산이 [9]1초 만에 달성된 것으로 확인되었습니다.

아연회수를 위한 제철소 분진처리

2010년 이후, 오스트리아 레오벤의 몬탄유니버시티테에서 플래시 리액터 시범 공장이 성공적으로 운영되었습니다.RecoDust 공정으로 알려진 이러한 설정은 철강 작업에서 수집된 먼지로부터 아연을 회수하기 위해 설계되었습니다.테스트에서 이 공정의 기능이 입증되었지만, 철강 산업의 불확실한 경제 [5]전망으로 인해 업계에서 이 공정의 추가 연구와 구현은 중단되었습니다.

그럼에도 불구하고 FR은 폐기물이 생성되지 않고 반응 용기에서 강력한 산화 및 환원 조건을 제공하기 때문에 제철소 분진에서 아연을 회수하는 데 사용될 가능성이 큰 것으로 연구 결과 밝혀졌다.먼지 재료 입력의 반응 표면적이 크고 내부 Zn 사이클이 없으며 전처리 프로세스가 필요하지 않은 점은 RecoDust [10]프로세스의 효과와 효율성을 입증했습니다.

일반적인 RecoDust 프로세스에서는 1600~1650°C의 온도가 필요한 경우가 많습니다.건조하고 붓기 쉽고 명확한 크기의 원료 투입량은 약 300kg/h입니다.한 실험에서 아연을 [4]97% 회수하여 제철소 분진에서 염소의 94%, 불소의 93%, 납의 92%가 제거되었습니다.

분말재료의 신속한 열처리

많은 화학 공학 분야에서 급랭/냉각에 이은 신속한 열 가열 프로세스의 사용은 필수적입니다.예를 들어 알루미나계 촉매의 제조에 사용되는 수산화알루미늄 분말(즉 깁사이트)은 열화학활성화(TCA) 과정을 거쳐 열활성화물인 AlOnnHO를232 형성한다.원심 FR, TSEFLAR를 사용하여 판온도 1000K, 분당 90~250턴의 속도로 분말을 400~900K까지 가열할 수 있다.이러한 설정에서는 1.5초 [6]미만의 열처리로 40dm3/hr의 제품 출력을 얻을 수 있습니다.

야금학

플래시 원자로는 금속 정제소의 [2]기존 1차 광석 산화, 환원 또는 기타 전처리 조절 프로세스(예: 소성)를 대체하거나 지원할 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다.플래시 원자로의 단순성과 처리량은 비용이 많이 드는 기존의 엄격한 프로세스를 쉽게 사용할 수 있는 비용 효율적인 솔루션을 제공할 수 있습니다.

예열 중

파쇄 또는 미세 광석의 예열은 FR 내에서 수행될 수 있으며, 짧은 유지 시간을 이용하여 온도를 가장 빠르게 상승시켜 이후 공정에서 요구되는 조건에 도달할 수 있습니다.철 및 일메나이트 광석의 높은 FR 스루풋은 작동 에너지 소비량을 전반적으로 상당히 줄일 수 있을 뿐만 아니라 주요 정제 [11]공정에서 연탄 처리를 위한 수소 등의 다른 반응물과의 혼합 장소를 제공합니다.

로스팅

파쇄된 입자 광석의 산화 및 황화물, 비소 또는 기타 오염물질의 제거는 FR 내에서 수행될 수 있는 금속의 정화에 있어 중요한 분리 과정이다.황화물 광석의 산화는 작은 크기의 고체 황화물 광석이 산화물로 전환되고, 잔류 이산화황 가스는 원치 않는 황화물을 기상으로 전환하여 분리에 도달한다.이러한 오염물질은 그 후 처리를 거쳐 황산과 같은 폐기물 흐름에서 유용한 제품을 만들어 낼 수 있습니다.

아래 방정식은[12] 스팔레라이트 및 기타 광석에서 아연을 정제할 때 사용되는 로스팅 산화 반응의 예를 보여줍니다.

2AS + 3O2 (g) 2 2MO + 2SO2 (g)
여기서 A=Cu, Zn, Pb

일메나이트 로스팅에서 광석 내의 페라이트 화합물이 산화됨에 따라 고온에서[13] 광석의 자성을 변화시킨다.이로 인해 원자로 출구에서 광석 내의 상사성 크롬산염 성분으로부터 산화철 화합물이 분리되며, 여기에서 생산물은 철 또는 루틸 하류의 합성물로 정제될 수 있다.금이 함유된 황화물 광석을 구울 때, 유황 또는 비소 확산 구배는 금의 광물 [12]기공으로의 이동을 촉진한다.따라서 유황과 비소의 지속적인 로스팅과 휘발은 광물 입자의 표면에서 금의 결합을 가능하게 하며, 그 후 침출과 같은 하류 과정을 통해 효율적으로 분리할 수 있다.

FR에서 높은 throughput은 가스의 단위 부피당 높은 입자 농도를 의미하므로 질량 전달을 위한 반응 면적이 크다.또, 짧은 체류 시간에 대한 이 반응에 대한 내성이 있기 때문에, 공업용 로스팅을 실시하는데 있어서 이상적이다.이를 통해 기존 처리보다 낮은 등급의 [2]사료 재료를 사용하여 제품 용량과 품질을 개선할 수 있습니다.따라서 FR 구현의 단순성과 높은 제품 출력은 로스팅 전처리 비용을 최적화합니다.

경쟁 프로세스에 대한 장점과 제한

적용들 경쟁 프로세스 경쟁 프로세스보다 우위 제한 사항
야금(구이, 예열) 순환 유동층 원자로
  • 이 어플리케이션에서 허용할 수 있는 짧은 유지 시간만큼 높은 스루풋.장기 순환은 불필요합니다.이를 통해 단위시간당 광석 회전율이 향상됩니다.
  • 원자로 내에서의 접촉 시간이 단축되므로 유닛 피드당 운전비용이 절감됩니다.
  • 구현이 간단하고 복잡한 CFB와 비교하여 FR의 일반적인 장점
  • FR [2]내의 슬립 속도가 낮아 열 분포가 왜곡되고 등온 조건을 달성할 수 없습니다.CFB 원자로에서 가능한 지속적인 등온 변환에 비해 제품의 품질을 저해할 수 있다.
제철소 분진으로부터의 아연 회수 Waelz 공정 - 아연 재활용에 특화된 회전식 가마
  • 전처리 단계가 필요하지 않으며 먼지 제거 [5]장치의 집진장치 필터에서 나오는 것과 동일한 조건에서 처리됩니다.
  • Waelz 공정에는 분진의 몇 가지 사양이 필요하지만 RecoDust 공정에서는 낮은 아연 [14]함유량을 포함한 다양한 분진을 처리할 수 있습니다.
  • 아연을 재활용하기 위해 단일 FR 유닛만 필요하므로 미래 산업의 운영 비용이 절감됩니다.
  • Waelz 프로세스는 [유럽 연합] 전체에서 사용 가능한 최고의 기술로 더 잘 알려진 반면 RecoDust 프로세스는 비교적 새로운[14] 것이다.
  • 새로운 프로세스와 장비로 인한 자본 비용 상승 가능성
물소독 분지가 필요한 사후 처리 캐스케이드 시스템 및 기술: 폐수의 염소 소독 또는 자외선 소독
  • 새로운 개발에 필요한 영역 감소
  • 경쟁사 프로세스보다 짧은 유지 시간
  • 유연한 구현: 기존 시스템에 새로 장착한 새로운 프로세서에 적응 가능
  • 특정 프로세스 요건에 맞게 설계 조정 가능
  • 비교적 새로운 테크놀로지
  • 충분한 데이터를 수집하기 위해 더 많은 파일럿 테스트 필요
  • 프로세스에서 대량의 솔리드 농도를 처리할 수 없습니다.
  • 경쟁 프로세스보다 높은 자본 비용
TSEFLAR를 이용한 열화학활성화 뜨거운 배기가스 또는 뜨거운 서포트/촉매 과립자가 있는 입자 간 접촉
  • 콤팩트하고 다기능적이며 심플한 디자인
  • 가열 속도가 높을수록 FR은 에너지 소비량을 줄이고 프로세스를 보다 효율적으로 수행합니다.
  • 유지 시간이 짧아지면 순수하게 활성화된 제품이 형성됩니다.
  • 제품의 재현성과 안정성
  • 고온 배기가스가 부족하기 때문에 이 과정에서 연료 연소 제품이 생성되지 않아 보다 친환경적인 프로세스가 실현됩니다.
  • TSEFLAR은 비교적 새로운 프로세스이기 때문에 다른 프로세스보다 비싸고 상업적으로 이용할 수 없습니다.

장래의 전개

화학 루프 연소

주요 기사:화학 루프 연소

화학루핑연소(CLC)는 CFB와 플래시 반응기를 조합해 니켈 등 금속의 산화환원주기를 이용해 연료가 산화되기 전에 공기 중 질소와 불순물을 제거하는 방식이다.CLC는 촉매로 작용하는 금속과 FeO23, 금속 니켈, [2][15]구리 등의 산소 운반체에 열풍을 주입한다.플래시 리액터는 루프 시작 시 공기 주입 프로세스에서 사용됩니다.이 시나리오에서 플래시 원자로를 사용하면 기존 처리와 비교하여 [16]저급 공급 재료를 사용하고 용량과 제품 순도를 크게 높일 수 있다.

CLC는 이론적으로도 singas 합성 시 바이오매스로부터 수소를 회수하는 데 사용될 수 있으며, 아래 수소 생산으로 설명된다.

바이오매스로부터의 수소 생산

수소 생산은 재생 에너지 분야에서 떠오르는 기술이다.수소 수요는 [17]기하급수적으로 증가할 것으로 예상되기 때문에 화학, 탄화수소, 반도체 산업에서 새로운 수소 공급원을 찾아야 한다.증기 메탄 개질 및 가스화와 함께 플래시 원자로는 셀룰로오스, 리그닌 및 기타 식물성 물질 유기물의 혼합물과 같은 폐바이오매스를 사용하여 수소가스를 생산합니다.가장 일반적으로 사용되는 바이오매스 폐기물은 팜유 [18]산업으로 인한 오일 팜 폐기물입니다.

또한 플래시 리액터를 건조부에 사용하면 플래시 [15]리액터에서 발생하는 실제 열분해 반응에 전처리 역할을 하는 고속 가열 공기를 주입함으로써 바이오매스로부터 수분 함량을 신속하게 제거할 수 있다.또한 바이오매스를 분쇄한 후 바이오오일, 차, 회분의 혼합물에 극단적인 열을 가하여 플래시 리액터를 사용하는 것을 보여준다.이 반응에서 생성된 회분과 숯은 나중에 증기 재형성을 방해하는 촉매 특성 때문에 제거됩니다.

레퍼런스

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