유동 침대

독일 뤼넨에 있는 원형 유동층 기술을 이용한 가장 오래된 발전소

유동층은 고체 입자 물질(일반적으로 유지 용기에 있음)이 유체처럼 행동할 수 있도록 적절한 조건 하에서 발생하는 물리적 현상이다.유체 침대를 달성하는 일반적인 방법은 입자에 가압된 유체를 주입하는 것입니다.그 결과 발생하는 매질은 중력 하에서 자유롭게 흐르거나 유체 기술을 사용하여 펌핑하는 능력 등 일반 유체의 많은 특성과 특성을 갖게 됩니다.

그 결과 발생하는 현상을 유동화라고 한다.유동층은 유동층 원자로(화학 원자로 유형), 고체 분리,^[1] 유체 촉매 균열, 유동층 연소, 열 또는 물질 전달 또는 고체 항목에 코팅 적용과 같은 계면 수정과 같은 여러 목적으로 사용된다.이 기술은 또한 통합된 다영양 양식 시스템의 ^[2]조개 생산을 위한 양식에서도 더욱 보편화되고 있다.

특성.

유동층은 유체-고체 혼합물로 구성되며 유체-고체 특성을 보인다.이와 같이 침대의 윗면은 비교적 수평으로 되어 있어 정수 거동과 유사하다.침대는 단일 부피 밀도로 나타낼 수 있는 유체 및 고체의 이종 혼합물로 간주할 수 있습니다.

게다가 침대보다 밀도가 높은 물체는 가라앉고, 침대보다 밀도가 낮은 물체는 떠다니기 때문에 침대는 아르키메데스의 원리에서 예상되는 유동적인 행동을 보이는 것으로 간주할 수 있다.침대의 "밀도"(실제로 현탁액의 고체 체적 비율)는 유체 비율을 변경함으로써 변경할 수 있으며, 침대와 비교하여 밀도가 다른 물체는 유체 또는 고체 비율 중 하나를 변경함으로써 침하 또는 부유시킬 수 있다.

유동층에서는 고체 입자와 유동화 매체(가스 또는 액체)의 접촉이 포장된 침대와 비교하여 크게 향상됩니다.유동 연소층에서의 이러한 동작으로 시스템 내부의 열 전달이 원활해지고 침대와 용기 간의 열 전달이 원활해집니다.잘 혼합된 가스와 유사한 열 균일성을 가능하게 하는 우수한 열 전달과 유사하게, 침대는 균일한 온도장을 유지하면서 상당한 열 용량을 가질 수 있습니다.

어플

유동층은 가스와 고체 사이의 높은 수준의 접촉을 촉진할 수 있는 기술적 프로세스로 사용됩니다.유동층에서는 현대 프로세스 및 화학 공학에 필수적인 일련의 특성을 활용할 수 있습니다. 이러한 특성은 다음과 같습니다.

유닛 베드 부피당 유체 및 고체 사이의 표면적 접촉이 매우 높음
유체와 분산된 고체상 사이의 높은 상대 속도.
입자상의 높은 혼합 수준.
입자-입자 충돌 및 입자-벽 충돌 빈도가 높습니다.

식품 가공 산업의 예를 들어 다음과 같습니다.유동층은 일부 IQF(개별 급속 냉동) 터널 냉동고에서 동결을 가속화하기 위해 사용됩니다.이러한 유동층 터널은 일반적으로 완두콩, 새우 또는 얇게 썬 야채와 같은 작은 식품에 사용되며, 극저온 또는 증기 압축식 냉장을 사용할 수 있습니다.유동층에 사용되는 유체에는 촉매 유형의 유체도 포함될 수 있습니다. 따라서 화학 반응을 촉매하고 반응 속도를 향상시키는 데도 사용됩니다.

유동 침대는 효율적인 대량 건조 재료에도 사용됩니다.건조기의 유동층 기술은 건조재 표면 전체를 부유시켜 공기에 노출시킴으로써 효율을 높입니다.이 프로세스는 애플리케이션 사양에 따라 필요에 따라 난방 또는 냉방과 결합할 수도 있습니다.

역사

1922년, 프리츠 윙클러는 석탄 가스화 ^[3]과정을 위해 원자로에서 유동화의 첫 번째 산업적 응용을 했다.1942년, 최초의 순환 유체층이 광물유의 촉매 분해를 위해 건설되었고, 1940년대 ^[4]^[5]후반에는 야금 가공(비소피라이트 굽기)에 유동화 기술이 적용되었다.이 기간 동안 이론 및 실험 연구는 유동 침대의 설계를 개선했습니다.1960년대 독일 뤼넨에서 VAW-Lipperwerk는 석탄의 연소를 위한 최초의 산업층을 구현했고 이후 수산화알루미늄의 소성을 위한 산업층을 구현했다.

유동 침대 타입

침대 유형은 흐름 거동에 따라 대략적으로 분류할 수 있습니다.^[6]

고정 또는 미립자 유동층은 저속의 가스를 사용하고 고체의 유동화는 비교적 정지된 상태로 일부 미립자가 섞여 있는 전형적인 접근법입니다.
버블링 유동상(Aggregative fluidized bed라고도 함)에서는 유체의 속도가 높아 연속상(밀도상 또는 유화상)과 불연속상(리앤상 또는 버블상)의 두 가지 상(리앤상 또는 버블상)이 형성된다.
유동층(CFB)은 유체의 운동 에너지가 크기 때문에 기체가 입자층을 현탁하기에 충분한 높은 속도로 이동한다.이와 같이 침대의 표면이 평활하지 않고, 보다 큰 입자가 침상에서 침입할 수 있다.유입된 입자는 외부 루프를 통해 원자로 바닥으로 재순환된다.이 과정에 따라 입자는 사이클론 분리기로 분류되어 입자 절단 크기에 따라 침대와 분리되거나 침대로 되돌아갈 수 있다.
진동 유동 침대는 고정 침대와 유사하지만 기계적 진동을 가하여 입자를 더욱 자극하여 끼임성을 높입니다.
수송 또는 플래시 리액터(FR): CFB보다 높은 속도에서 입자는 가스 속도에 접근합니다.가스와 고체 사이의 미끄러짐 속도는 균일하지 않은 열 분포의 비용으로 크게 감소합니다.
환상유동층(AFB) : 기포층 중앙의 대형 노즐은 CFB의 외부 루프에 준하는 주변층 상부의 고속 혼합존을 실현하는 고속으로 가스를 도입한다.
MFR(Mechanical Fluidized Reactor): 기계 교반기는 입자를 이동시켜 잘 혼합된 유동층과 유사한 특성을 얻기 위해 사용됩니다.유동화 ^[7]가스가 필요 없습니다.
좁은 유동 침대(NFB):이 경우 튜브와 입경 사이의 비율이 약 10보다 작거나 같습니다.침대의 역학은 강한 구속 효과로 인해 다른 유형의 유동층과는 다르며, 고형분 농도가 낮은 고형분 농도가 번갈아 발생하는 고형분 영역으로 구성된 입상 플러그의 존재가 ^[8]^[9]^[10]일반적이다.

침대 디자인

유동층도

기본 모델

포장된 침대가 유체를 통과시키면 유체의 압력 강하는 유체의 표면 속도에 거의 비례합니다.패킹베드에서 유동화 상태로 이행하기 위해 가스속도를 지속적으로 상승시킨다.독립형 침대의 경우 최소 또는 초기 유동 지점이라고 하는 지점이 존재하며, 이 지점에서는 침대의 질량이 유체 흐름의 흐름에 의해 직접 부유됩니다."최소 유체화 속도"로 알려진 해당 유체 속도 $u_{mf}$ m f ${\$ ^[11]

최소 유동화 속도( $u\geq u_{mf}$ $u\geq u_{mf}$ m $u\geq u_{mf}$ \ $displaystyle$ u\ $geq u_{mf})$ 를 초과하면 침상 재료가 가스 흐름에 의해 현탁되고 속도가 추가로 증가하면 가스 흐름이 충분히 침투하므로 압력에 영향을 미칩니다.따라서 $u>u_{mf}$ > $u>u_{mf}$ $u>u_{mf}$ f { $displaystyle$ u > $u_{mf}$ 의 $u>u_{mf}$ 압력 강하는 비교적 일정합니다.

용기 밑부분에서 침대의 단면적을 곱한 겉보기 압력 강하는 고체 입자의 무게의 힘(유체 중 고체의 부력 감소)과 동일할 수 있다.

$\displaystyle \Delta p_{w}=H_{w}(1-\epsilon _{w})(\rho _{s}-\rho _{f})g=[M_{s}g/A][(\rho _{s}-\rho _{f})/\rho _{s}]}$

여기서:

$\Delta p_{w}$ p $w \displaystyle$ \ $Delta p_{$ w $\Delta p_{w}$ }는 침대 압력 강하입니다.

$H_{w}$ w $H_{w}$ \ $displaystyle H_{w}$ 는 $H_{w}$ 침대 높이입니다.

$§$ $w$ \ $displaystyle$ \ $explilon _$ { w}는 $\epsilon _{w}$ 침대 보이디지, 즉 빈 공간(입자 사이의 유체 공간)이 차지하는 침대 부피의 $\epsilon _{w}$ 입니다.

$§$ $s(\displaystyle \rho$ _ ${$ s $\rho _{s}$ })는 바닥 입자의 외관 밀도입니다.

$∙$ $f$ { $displaystyle$ \ $rho _$ { f $\rho _{f}$ } $\rho _{f}$ 유동유체의 밀도

$\displaystyle$ g는 $g$ 중력에 의한 가속도입니다.

$(\$ s $M_{s}$ })는 침대 내 고체의 총 질량입니다.

$\displaystyle$ A는 $A$ 침대의 $단면적$ 입니다.

겔다트 그룹

1973년, D교수.Geldart는 가루를 소위 "Geldart Groups"^[12]라고 불리는 4개의 그룹으로 분류할 것을 제안했다.그룹은 고체-유체 밀도 차이 및 입자 크기 다이어그램에서 위치에 따라 정의됩니다.유동층 설계 방법은 입자의 겔다트 ^[11]그룹에 따라 맞춤화할 수 있다.

그룹 A 이 그룹의 입자 크기는 20 ~ 100 µm이며, 일반적으로 입자 밀도는 1.4g/cm³ 미만이다.거품 바닥 단계가 시작되기 전에, 이러한 입자의 바닥은 부피 밀도 감소로 인해 초기 유동화 시 2~3배 확장된다.대부분의 분말 촉매 침대는 이 그룹을 이용한다.

그룹 B 입자의 크기는 40~500µm, 입자 밀도는 1.4~4g/cm이다³.거품은 일반적으로 초기 유동화 시 직접 형성됩니다.

그룹 C 이 그룹에는 매우 미세하고 결과적으로 가장 응집력이 높은 입자가 포함되어 있습니다.크기가 20~30µm인 이러한 입자는 매우 어려운 조건에서 유동화되며 기계적 교반과 같은 외부 힘을 가해야 할 수 있습니다.

그룹 D 이 지역의 입자는 600 µm 이상이며 일반적으로 높은 입자 밀도를 가지고 있습니다.이 그룹의 유동화에는 매우 높은 유체 에너지가 필요하며 일반적으로 높은 수준의 마모와 관련이 있다.곡물 및 완두콩 건조, 커피 원두 로스팅, 가스화 석탄 및 일부 로스팅 금속 광석은 이러한 고체이며, 일반적으로 얕은 바닥이나 분출 모드에서 가공된다.

디스트리뷰터

일반적으로 가압된 가스 또는 액체는 유동 침대 바닥에 위치한 분배기 플레이트라고 알려진 플레이트를 통해 수많은 구멍을 통해 유동 침대 용기로 들어갑니다.유체가 침대를 통해 위로 흐르면서 고체 입자가 부유하게 됩니다.흡기 오일이 비활성화된 경우 침대가 가라앉거나 플레이트에 채워지거나 플레이트를 통해 흘러내릴 수 있습니다.많은 산업용 침대는 분배기 플레이트 대신 스파거 분배기를 사용한다.그런 다음 유체는 일련의 유공 튜브를 통해 분배됩니다.

「」를 참조해 주세요.

사이클론 분리 - 기체와 미립자를 분리하는 방법
유동화 - 유동화의 원리 및 이론
유동층 연소 - 연소에 유동층 적용
유동층 원자로 - 반응성 화학 프로세스에 유동층 적용
유동층 콘센트레이터 - 산업용 배기가스에서 휘발성 유기화합물/HAP를 제거하기 위한 유동층 적용
유닛 작동 - 기타 엔지니어링 유닛 작동
화학적 루프 연소 - 이중 유동층 적용

레퍼런스

^ Peng, Z.; Moghtaderi, B.; Doroodchi, E. (2017), "A simple model for predicting solid concentration distribution in binary‐solid liquid fluidized beds", AIChE Journal, 63 (2): 469:484, doi:10.1002/aic.15420
^ 왕, JK, 2003.미세조류 기반의 순환 굴과 새우 시스템의 개념 설계.수산문화공학 28, 37-46
^ Grace, John R.; Leckner, Bo; Zhu, Jesse; Cheng, Yi (2008), "Fluidised Beds", in Clayton T. Crow (ed.), Multiphase Flow Handbook, CRC Press, p. 5:71, doi:10.1201/9781420040470.ch5, ISBN 978-1-4200-4047-0, retrieved 4 June 2012
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^ Grace; Leckner; Zhu; Cheng, p. 5:75 {{citation}}:누락 또는 비어 있음 title=(도움말)
^ Fluidisation technology, Outotec, May 2007, retrieved 4 June 2012
^ Chaudhari, Mitesh C., "기계적으로 유동화된 원자로에서 중탄화수소의 열적 균열에 대한 액체-고체 접촉의 영향"(2012).전자 논문 및 논문 저장소.종이 1009.http://ir.lib.uwo.ca/etd/1009
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^ Cúñez, Fernando David; Franklin, Erick M. (March 2020). "Mimicking layer inversion in solid-liquid fluidized beds in narrow tubes". Powder Technology. 364: 994–1008. arXiv:1912.04989. doi:10.1016/j.powtec.2019.09.089. S2CID 209202482.
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^ Geldart, D. (1973). "Types of gas fluidisation". Powder Technology. 7 (5): 285–292. doi:10.1016/0032-5910(73)80037-3.

외부 링크

[1] Peng, Z.; Moghtaderi, B.; Doroodchi, E. (2017), "A simple model for predicting solid concentration distribution in binary‐solid liquid fluidized beds", AIChE Journal, 63 (2): 469:484, doi:10.1002/aic.15420

[2] 왕, JK, 2003.미세조류 기반의 순환 굴과 새우 시스템의 개념 설계.수산문화공학 28, 37-46

[3] Grace, John R.; Leckner, Bo; Zhu, Jesse; Cheng, Yi (2008), "Fluidised Beds", in Clayton T. Crow (ed.), Multiphase Flow Handbook, CRC Press, p. 5:71, doi:10.1201/9781420040470.ch5, ISBN 978-1-4200-4047-0, retrieved 4 June 2012

[4] Office of Communications (November 3, 1998), The Fluid Bed Reactor:Baton Rouge, Louisiana (pdf), American Chemical Society, retrieved 4 June 2012

[5] Grace; Leckner; Zhu; Cheng, p. 5:75 {{citation}}:누락 또는 비어 있음 title=(도움말)

[6] Fluidisation technology, Outotec, May 2007, retrieved 4 June 2012

[7] Chaudhari, Mitesh C., "기계적으로 유동화된 원자로에서 중탄화수소의 열적 균열에 대한 액체-고체 접촉의 영향"(2012).전자 논문 및 논문 저장소.종이 1009.http://ir.lib.uwo.ca/etd/1009

[8] Cúñez, F. D.; Franklin, E. M. (2019). "Plug regime in water fluidized beds in very narrow tubes". Powder Technology. 345: 234–246. arXiv:1901.07351. Bibcode:2019arXiv190107351C. doi:10.1016/j.powtec.2019.01.009. S2CID 104312233.

[9] Cúñez, Fernando David; Franklin, Erick M. (March 2020). "Mimicking layer inversion in solid-liquid fluidized beds in narrow tubes". Powder Technology. 364: 994–1008. arXiv:1912.04989. doi:10.1016/j.powtec.2019.09.089. S2CID 209202482.

[10] Cúñez, Fernando David; Franklin, Erick M. (2020-08-01). "Crystallization and jamming in narrow fluidized beds". Physics of Fluids. 32 (8): 083303. arXiv:2007.15442. doi:10.1063/5.0015410. ISSN 1070-6631. S2CID 220871672.

[holdich-11] Holdich, Richard Graham (November 1, 2002), "Chapter 7: Fluidisation" (PDF), Fundamentals of Particle Technology, Midland Information Technology & Publishing, ISBN 978-0954388102, retrieved 4 June 2012

[12] Geldart, D. (1973). "Types of gas fluidisation". Powder Technology. 7 (5): 285–292. doi:10.1016/0032-5910(73)80037-3.

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