유동화
Fluidization |
유체화(또는 유체화)는 정적인 고체상태에서 동적 유체상태로 미세한 물질이 전환되는 액화작용과 유사한 과정이다. 이 과정은 유체(액체 또는 가스)가 세밀한 물질을 통해 전달될 때 발생한다.
고체 입자 층 바닥을 통해 가스 흐름이 유입되면 입자 사이의 빈 공간을 통해 침대를 통해 위쪽으로 이동한다. 낮은 기체 속도에서는 각 입자의 공기역학적 끌림도 낮기 때문에 침대가 고정된 상태로 유지된다. 속도를 증가시키면 공기역학적 드래그력이 중력에 대항하기 시작하여 입자가 서로 멀어지면 침대가 부피적으로 팽창하게 된다. 속도를 더 높이면 위쪽의 드래그력이 아래쪽의 중력력과 정확히 같아져서 입자가 유체 내에서 매달리게 되는 임계치에 도달할 것이다. 이 임계치에서는 침대가 유동적이라고 하며 유동적인 행동을 보일 것이다. 가스 속도를 더욱 증가시킴으로써 침대의 대량 밀도는 계속 감소할 것이며, 입자가 더 이상 침대를 형성하지 않고 기체 흐름에 의해 위쪽으로 "컨베어링"될 때까지 침대의 유동화는 더욱 격렬해진다.
유동화되면 고체 입자의 층은 액체나 가스처럼 유동적인 역할을 하게 될 것이다. 물통 속의 물처럼: 침대는 침실의 부피에 부합하고, 침대의 표면은 중력에 수직으로 유지될 것이다; 침대의 밀도보다 낮은 물체는 그 표면에 떠서 아래쪽으로 밀리면 위아래로 흔들릴 것이다. 반면 밀도가 높은 물체는 침대의 바닥으로 가라앉는다. 유체이동은 입자들이 기계적인 운송(예: 컨베이어 벨트)을 필요로 하지 않고 파이프를 통해 채널로 연결된 유체처럼 운송될 수 있도록 한다.
가스 고형 유동 침대의 단순화된 일상생활의 예는 온풍기 팝콘 포퍼일 것이다. 팝콘 알맹이는 크기와 모양이 모두 상당히 균일하며 바닥 챔버에서 솟아오르는 뜨거운 공기에 매달려 있다. 끓는 액체와 유사한 입자의 강한 혼합 때문에, 이것은 팝콘을 태우는 양을 최소화하면서, 알맹이의 온도를 실내 전체에 균일하게 할 수 있다. 팝콘을 터뜨린 후, 이제 더 큰 팝콘 입자들은 공기역학적 드래그를 경험하게 되고, 그로 인해 팝콘 입자들이 실내에서 그릇으로 밀려나게 된다.
이 과정은 퇴적물과 퇴적암에 모래 화산과 액체 탈출 구조물이 형성되는 데도 핵심이다.
적용들
대부분의 유동화 애플리케이션은 유동화 침대의 세 가지 중요한 특성 중 하나 이상을 사용한다.
- 유동화된 고형물은 원자로 간에 쉽게 옮겨질 수 있다.
- 유동화된 침대 안에서 격렬하게 섞이는 것은 온도가 균일하다는 것을 의미한다.
- 유체형 침대와 침상에 담근 열교환기 사이의 열전달은 우수하다.
1920년대에 윙클러 공정이 발달하여 산소를 이용하여 유동화된 침대에서 석탄을 기화시켰다. 그것은 상업적으로 성공적이지 못했다.
1940년대 초반에 처음으로 대규모 상업적 구현은 유체 촉매 균열(FCC) 공정이었는데, [1]이 공정은 더 무거운 석유 절감을 가솔린으로 전환시켰다. 탄소가 풍부한 "코크"는 촉매 입자에 침전되어 1초도 안 되는 시간에 촉매를 비활성화시킨다. 유동화된 촉매 입자는 유동화된 침대 원자로와 코크스 퇴적물이 연소되는 유동화된 침대 버너 사이에 결합되어 내열성 균열 반응을 위한 열을 발생시킨다.
1950년대에 이르러서는 건조, 석회화, 황화구이 등 광물 및 야금 공정에 유동화된 침대 기술이 적용되고 있었다.
1960년대에, 몇몇 유동화된 침대 공정은 몇몇 중요한 모노머들의 비용을 극적으로 줄였다. 아크릴로니트릴의[2] 소히오 공정과 염화비닐의 옥시염소화 공정이 그 예다.[3] 이러한 화학반응은 발열성이 높고 유동화가 균일한 온도를 보장하고 원치 않는 부작용은 최소화하며 냉각관로의 효율적인 열전달은 높은 생산성을 보장한다.
1970년대 후반, 폴리에틸렌 합성을 위한 유동화된 침대 공정은 이 중요한 폴리머의 비용을 극적으로 감소시켰고, 많은 새로운 용도에서 폴리에틸렌의 사용을 경제적으로 만들었다.[4] 중합반응은 열을 발생시키고 유체화와 관련된 강한 혼합은 폴리에틸렌 입자가 녹는 뜨거운 지점을 방지한다. 폴리프로필렌 합성에도 유사한 공정이 사용된다.
현재 탄소나노튜브의 산업생산을 위해 개발되고 있는 공정의 대부분은 유동화된 침대를 사용하고 있다.[5] 아르케마는 유동화된 침대를 사용하여 연간 400톤의 탄소 나노튜브를 생산한다.[6][7]
유체화 기술의 새로운 잠재적 적용은 아직 상용화되지 않은 화학적 루프 연소다. 연료 연소로 인해 발생하는 이산화탄소가 지구 온난화에 미치는 잠재적 영향(예: 발전소 내)을 줄이기 위한 한 가지 해결책은 이산화탄소 격리다. 공기를 이용한 정기연소는 대부분 질소(부피 기준 약 80%의 공기의 주성분인 만큼)를 생성해 경제적인 격리작용을 막는다. 화학 루핑은 고체 산소 운반체로 금속 산화물을 사용한다. 이 금속 산화 입자들은 연소 반응에서 공기(특히 공기 중의 산소)를 유동화된 침대의 고체, 액체 또는 기체 연료로 대체하여 금속 산화물의 감소와 모든 연소 반응의 주요 산물인 이산화탄소와 수증기의 혼합으로부터 고체 금속 입자를 생성한다. 수증기는 응축되어 순수 이산화탄소를 남긴다. 고체 금속 입자는 공기(그리고 다시 공기 중의 산소)와 반응하는 또 다른 유동화된 침대로 순환되어 열을 발생시키고 금속 입자를 유동화된 침대 가연체로 재순환되는 금속 산화 입자로 산화시킨다.
액체 고체 유동화에는 공학에 여러 가지 응용이 있다[9]. 액체 고체 유동화의 가장 잘 알려진 적용은 물을 이용한 세밀한 필터의 역청산이다. [10] [11]
유동화는 많은 산업용 액체 흐름의 정화 및 처리를 위해 이온 교환 입자를 사용하는 많은 응용을 가지고 있다. 식음료, 하이드로메탈수술, 물 연화, 촉매제, 바이오 기반 화학 등의 산업. 이온 교환을 처리의 중요한 단계로 사용한다. 관례적으로 이온 교환은 미리 밀폐된 액체가 기둥을 통해 아래로 지나가는 포장된 침대에서 사용되어 왔다. 캐나다 런던 온타리오주 웨스턴 온타리오 대학교에서 최근 "순환유체이온 교환"(CFIX)으로 불리는 "액체 고체 순환유체이온 교환기"라는 이름의 연속유체이온 교환기 사용에 대해 많은 연구가 이루어지고 있다. 이 시스템은 유동화 사용으로 부유물질 다량 공급 흐름을 처리할 수 있어 기존 이온교환 시스템 사용을 확대하는 응용이 광범위하게 이뤄지고 있다.[12][13]
참조
- ^ A.W. 피터스, W.H. 플랭크, B.H. 데이비스, "20세기의 석유 균열의 역사", ACS 심포지엄 시리즈, 1000권, 2009년, 페이지 103-187
- ^ "Sohio Acrylonitrile Process - American Chemical Society". American Chemical Society. Archived from the original on 2017-09-06. Retrieved 2018-01-13.
- ^ 마샬, K. A. 2003. 클로로카본스와 클로로하이드로카본스, 조사. 커크 오트머 화학기술 백과사전
- ^ 토마스 E. Nowlin, 글로벌 폴리에틸렌 산업의 비즈니스 및 기술: 폴리에틸렌과 그 제품의 역사, 기술, 촉매, 현대 상업적 제조, 2014년 ISBN 9781118946039
- ^ Carolle Baddour, Cedric Briens, 2005, "Carbon Nanotube 합성: A Review", IJCRE, 3, R3.Wayback Machine에 보관된 2007-01-28 화학 원자로 엔지니어링 국제 저널
- ^ Arkema. "Graphistrength.com - Graphistrength® manufacture". www.graphistrength.com. Archived from the original on 2017-04-23. Retrieved 2018-01-13.
- ^ Carole Baddour, Cedric Briens, Serge Bodere, Didier Anglerot, Patrice Gaillard, 2008년, "노즐/표적 구성을 가진 탄소 나노튜브의 유동화된 침대 제트 분쇄", 분말 기술, 190권, 발행 번호 3, 2009년 3월 25일, 페이지 372-38
- ^ 엡스타인, N. 액체 고체 유동화. 유동화 및 유체-입자 시스템 핸드북; 양, W.C., 에드; 마르셀-덱커 주식회사, 2003, 뉴욕, 705-764.
- ^ 페어, G.M.과 해치 L.P. (1933년) 모래를 통한 물의 흐름-선 흐름을 제어하는 기본요소 주르. AWWA, 25:11:1551.
- ^ S.Y. Hunce, E. 소이어, ö. 악기라이(2018). 그라데이션된 필터 미디어의 백워시 확장. 파우더 테크놀로지, 333, 262-268. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.04.032
- ^ S.Y. Hunce, E. 소이어, ö. 악기라이(2016년). 고정 및 유동 침대가 포함된 유압 계산을 위한 내부 모공을 가진 세분화된 재료 특성. 산업 및 공학 화학 연구, 55(31), 8636-8651. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.6b00953
- ^ Prince, Andrew; Bassi, Amarjeet S; Haas, Christine; Zhu, Jesse X; Dawe, Jennifer (2012). "Soy protein recovery in a solvent-free process using continuous liquid-solid circulating fluidized bed ion exchanger". Biotechnology Progress. 28 (1): 157–162. doi:10.1002/btpr.725. PMID 22002948. S2CID 205534874.
- ^ Mazumder; Zhu, Ray (April 2010). "Optimal design of liquid-solid circulating fluidized bed for continuous protein recovery". Powder Technology. 199 (1): 32–47. doi:10.1016/j.powtec.2009.07.009.
