流動層反応器（FBR）は、反応器内で触媒を流動化させる触媒反応器である。
General Information
流動層反応器は、触媒の塊が流動する不均一な触媒反応器である。 このため、あらゆる方向で広範囲に混合することができる。 その結果、温度安定性に優れ、物質移動量や反応速度が増大する。
流動層反応器は、大量のフィードと触媒を扱うことができる。 写真はアニリンやニトロベンゼンで汚染された廃水の処理に使用される高速炉である。
(Copyright Envirogen Technologies Inc., Kingwood, TX)
Equipment Design
下の動画は流動層反応器の動作の様子である。 反応器が始動する前に、触媒ペレットは反応器の底にある火格子の上に置かれている。 反応物は分配器を通して連続的に反応器に送り込まれ、ベッドを流動化させる。 初期流動化後のベッドの挙動は、反応物の状態に依存する。 反応物が液体である場合、反応物の上向きの流れが増加すると、ベッドは均一に膨張します。 これは均質な流動化と呼ばれる。 反応物質が気体の場合、気体がベッドに気泡を形成するため、ベッドは不均一になり、凝集流動化が起こります。 粗い材料では、この気泡がベッドの直径の3分の2よりも大きくなることがあり、スラッギングを引き起こすことがある。 スラッギングは、圧力変動、ベッドの振動、熱伝達の低下などを引き起こす可能性がある。 ガスの流速を上げると、下図のような乱流領域が発生します。 高速流動化領域では、ベッド表面が消失し始めます。 ガス速度をさらに上げると空気輸送となり、ベッドが完全に除去され、粒子が流体中で均一な間隔になります。 このプロセスでは、触媒ペレットの存在により反応物が反応し、生成物が形成され、それが連続的に除去されます。
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流動層反応器は一般的に非常に大きなものである。 触媒粒子を懸濁させるのに十分な流速が得られるように設計しなければならない。 粒子の大きさは通常10～300ミクロンである。
流動層反応器を設計する場合、触媒の寿命も考慮しなければならない。 ここに示すようなほとんどの流動床反応器は、触媒を再生するための別の区画を備えている。
(Copyright Envirogen Technologies Inc., Kingwood, TX)
使用例
流動層反応器は触媒分解プロセスによく使用されています。 また、ナフタレンの無水フタル酸への酸化、硫化鉱の焙焼、石油残渣のコークス化、石灰石の脱炭酸などにも使用される。 大量の熱の投入や出力が必要な場合や、厳密に温度を制御する必要がある場合によく使用される。
NASAのジェット推進研究所では、地下水中の過塩素酸塩と塩素系溶剤の除去に下記の流動層リアクターが使用されています。 このシステムは、1分間に最大350ガロンの地下水から過塩素酸塩を除去することができます。
(Copyright Envirogen Technologies Inc., Kingwood, TX)
特長
欠点
- 温度分布を均一化しホットスポットをなくすことが可能です。
- 触媒の交換、再生が容易である。
- 自動制御による連続運転が可能です。
- 他の触媒反応器よりも効率的にガスと固体を接触させることができる。
- 建設と維持に費用がかかる。
- 原子炉の壁の腐食が発生する可能性がある。
- 触媒の再生設備が高価である。
- 触媒が不活性化する可能性がある。
- 触媒の固形物が自由に流れないと使用できない。
- 圧力損失が大きい。
- 反応器の壁に衝突して触媒ペレットが壊れる、アトリションが発生することがある。
謝辞
Access Intelligence, LLCの化学エンジニアリング部門
Envirogen Technologies Inc. キングウッド、テキサス州
Fogler, Scott H. Elements of Chemical Reaction Engineering . 第3版 Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1998. 印刷する。
Hill, Charles G. Jr. 化学工学キネティクスとリアクターデザイン入門. ニューヨーク ジョン・ワイリー&・サンズ・インク. 1977. 印刷する。
國井大蔵, Levenspiel, Octave. 流動化工学 ニューヨーク: Robert E. Krieger Publishing Co., 1977. プリント
Perry, Robert H., and Don W. Green. ペリー・ケミカル・エンジニア・ハンドブック(Perry’s Chemical Engineers’ Handbook) . 第7版. New York: マグロウヒル社, 1997. 印刷する。
Walas, Stanley M. Chemical Process Equipment: 選択と設計. ボストン: バタワース・ハイネマン, 1990. 印刷する。
Walas, Stanley M. Reaction Kinetics for Chemical Engineers . New York: マグロウヒル社, 1959. 印刷する。
開発者
Sam Catalano
Alex Wozniak
Kelsey Kaplan
Thomas Plegue