Wirbelschichtreaktoren (FBR) sind katalytische Reaktoren, bei denen der Katalysator innerhalb des Reaktors fluidisiert wird.
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Allgemeine Informationen
Wirbelschichtreaktoren sind heterogene katalytische Reaktoren, in denen die Katalysatormasse verwirbelt ist. Dies ermöglicht eine umfassende Durchmischung in alle Richtungen. Die Durchmischung führt zu einer ausgezeichneten Temperaturstabilität und zu erhöhten Stoffübertragungs- und Reaktionsgeschwindigkeiten.
Wirbelschichtreaktoren sind in der Lage, große Mengen an Einsatzmaterial und Katalysator zu verarbeiten. Das Bild zeigt einen FBR, der für die Behandlung von mit Anilin und Nitrobenzol verunreinigtem Abwasser eingesetzt wird.
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Equipment Design
Der Film unten zeigt den Betrieb eines Wirbelschichtreaktors. Bevor der Reaktor in Betrieb genommen wird, liegen die Katalysatorpellets auf einem Rost am Boden des Reaktors. Über einen Verteiler werden kontinuierlich Reaktanden in den Reaktor gepumpt, wodurch das Bett fluidisiert wird. Das Verhalten des Bettes nach der anfänglichen Fluidisierung hängt vom Zustand des Reaktanten ab. Handelt es sich um eine Flüssigkeit, dehnt sich das Bett mit zunehmendem Aufwärtsstrom des Reaktanten gleichmäßig aus. Dies wird als homogene Fluidisierung bezeichnet. Handelt es sich bei dem Reaktanten um ein Gas, so ist das Bett ungleichmäßig, weil das Gas Blasen im Bett bildet, was zu einer aggregativen Fluidisierung führt. Manchmal können diese Blasen in groben Materialien größer als zwei Drittel des Bettdurchmessers werden, was zu einer Blasenbildung führen kann. Dies kann zu Druckschwankungen, Vibrationen im Bett und einer Verringerung des Wärmeübergangs führen. Eine Erhöhung der Gasgeschwindigkeit führt zu einem turbulenten Zustand, wie unten dargestellt. Bei der schnellen Fluidisierung beginnt die Oberfläche des Bettes zu verschwinden. Eine weitere Erhöhung der Gasgeschwindigkeit führt zu einem pneumatischen Transport, bei dem das Bett vollständig entfernt wird und die Partikel gleichmäßig in der Flüssigkeit verteilt sind. Während dieses Prozesses reagieren die Reaktanten aufgrund der Anwesenheit der Katalysatorkügelchen und bilden Produkte, die kontinuierlich entfernt werden.
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Wirbelschichtreaktoren sind im Allgemeinen sehr groß. Sie müssen so ausgelegt sein, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit ausreicht, um die Katalysatorteilchen zu suspendieren. Die Partikel haben in der Regel eine Größe von 10 bis 300 Mikron.
Bei der Auslegung eines Wirbelschichtreaktors muss auch die Lebensdauer des Katalysators berücksichtigt werden. Die meisten Wirbelschichtreaktoren, wie der hier gezeigte, verfügen über eine separate Kammer zur Regeneration des Katalysators.
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Anwendungsbeispiele
Wirbelschichtreaktoren werden häufig in katalytischen Crackverfahren eingesetzt. Sie werden auch bei der Oxidation von Naphthalin zu Phthalsäureanhydrid, beim Rösten von Sulfiderzen, bei der Verkokung von Erdölrückständen und bei der Kalzinierung von Kalkstein eingesetzt. Sie werden häufig eingesetzt, wenn große Mengen an Wärmezufuhr oder -abgabe erforderlich sind, oder wenn genau kontrollierte Temperaturen benötigt werden.
Die nachstehenden Wirbelschichtreaktoren werden im Jet Propulsion Laboratory der NASA zur Entfernung von Perchlorat und chlorierten Lösungsmitteln aus dem Grundwasser eingesetzt. Das System kann Perchlorat aus bis zu 350 Gallonen Grundwasser pro Minute entfernen.
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Vorteile
Nachteile
- Gleichmäßige Temperaturverteilung verhindert heiße Stellen.
- Der Katalysator ist leicht zu ersetzen oder zu regenerieren.
- Ermöglicht einen kontinuierlichen, automatisch gesteuerten Betrieb.
- Effizientere Kontaktierung von Gas und Feststoff als in anderen katalytischen Reaktoren.
- Teuer in Bau und Wartung.
- Erosion der Reaktorwände kann auftreten.
- Regenerationsanlagen für Katalysatoren sind teuer.
- Der Katalysator kann deaktiviert werden.
- Kann nicht mit Katalysatorfeststoffen verwendet werden, die nicht frei fließen können.
- Großer Druckabfall.
- Attrition, Zerbrechen von Katalysatorpellets durch Aufprall auf die Reaktorwände, kann auftreten.
Danksagung
Chemical Engineering, Access Intelligence, LLC
Envirogen Technologies Inc. , Kingwood, TX
Fogler, Scott H. Elements of Chemical Reaction Engineering . 3. Aufl. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1998. Print.
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Walas, Stanley M. Reaction Kinetics for Chemical Engineers . New York: McGraw-Hill Inc., 1959. Print.
Entwickler
Sam Catalano
Alex Wozniak
Kelsey Kaplan
Thomas Plegue