Vorteile, Nachteile und Anwendungsbereiche von Festbett-, Schubbett- und Siedebettverfahren

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Der folgende Inhalt stammt aus dem Internet und unterliegt keiner rechtlichen Verantwortung. Festbett: Ein Festbettreaktor, auch als gefüllter Reaktor bezeichnet, ist ein Reaktortyp, der mit festem Katalysator oder festen Reaktanten gefüllt ist, um multiphase Reaktionsprozesse durchzuführen. Feste Stoffe haben in der Regel eine körnige Struktur; die Korngröße liegt bei etwa 2–15 mm. Sie bilden Schichten mit einer bestimmten Höhe (oder Dicke). Die Schicht bleibt unbewegt, das Fluid fließt durch die Schicht und reagiert dort. Der Unterschied zu Fluidisierungs- und Schubladengleichstromreaktoren besteht darin, dass die Festkörner in Ruhe bleiben. Festbettreaktoren werden hauptsächlich zur Durchführung von gasfestphasen-katalytischen Reaktionen eingesetzt, wie z. B. in Ammoniaksyntheseverbrennern, Kontaktoxidatoren für Schwefeldioxid oder Verbrennern zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffdämpfen. Bei nicht-katalytischen Reaktionen in gasfester oder flüssig-fester Phase wird die Schicht mit festen Reaktanten gefüllt. Reaktoren mit Strömungsbett können ebenfalls zu den Festbettreaktoren gezählt werden; Gas- und Flüssigkeitsphase strömen parallel nach unten durch das Bett, wodurch eine Kontaktfläche zwischen Gas-, Flüssigkeits- und Festphasen entsteht. 1. Klassifizierung: Festbettreaktoren gibt es in drei grundlegenden Formen: ① Axial adiabatische Festbettreaktoren. Die Flüssigkeit fließt axial von oben nach unten durch die Schicht; es findet kein Wärmetausch zwischen der Schicht und der Umgebung statt. ②Radialer adiabatischer Festbettreaktor. Die Flüssigkeit fließt radial durch die Schicht – es kann sich dabei um zyklonischen oder zentripetalen Fluss handeln. Es findet kein Wärmetausch zwischen der Schicht und der Umgebung statt. Im Vergleich zu axialen Reaktoren hat ein radialer Reaktor eine kürzere Strecke, die das Fluid zurücklegen muss. Zudem ist die Querschnittsfläche der Strömungswege größer, wodurch der Druckabfall des Fluids geringer ausfällt. Doch die Struktur von radialen Reaktoren ist komplexer als die von axialen Reaktoren. Beide Formen gehören zu den adiabatischen Reaktoren. Sie eignen sich für Fälle, in denen die Reaktionswärme nicht sehr groß ist – oder in denen das Reaktionsystem in der Lage ist, die durch die Reaktionswärme verursachten Temperaturänderungen unter adiabatischen Bedingungen auszuhalten. ③Rohrrohr-Reaktor mit festem Bett. Es besteht aus mehreren Reaktorrohren, die parallel miteinander verbunden sind. Katalysatoren werden im Inneren oder zwischen den Rohren platziert; der Wärmeträger fließt dabei durch die Zwischenräume zwischen den Rohren oder durch deren Inneres, um Heizung oder Kühlung zu bewirken. Der Durchmesser der Rohre liegt in der Regel zwischen 25 und 50 mm. Die Anzahl der Rohre kann bis zu zehntausend betragen. Reaktoren mit festem Katalysator in Rohrform eignen sich für Reaktionen mit hohem Wärmeentwicklungseffekt. Außerdem gibt es Reaktoren, die aus den oben genannten Grundformen in Reihe kombiniert werden, und die als mehrstufige Festbettreaktoren bezeichnet werden. Zum Beispiel: Wenn die Reaktionswärme groß ist oder eine stufenweise Temperaturkontrolle erforderlich ist, können mehrere adiabatische Reaktoren in Reihe geschaltet werden, um so mehrstufige adiabatische Festbettreaktoren zu bilden. Zwischen den Reaktoren werden Wärmetauscher oder Zusatzstoffe eingesetzt, um die Temperatur zu regulieren und so unter Bedingungen nahe der optimalen Temperatur arbeiten zu können. 2. Eigenschaften: Die Vorteile des Festbettreaktors sind: ① Geringe Rückmischung – dadurch kann eine effektive Kontaktaufnahme zwischen der Flüssigkeit und dem Katalysator stattfinden. Bei Reaktionen, bei denen es zu zusätzlichen Nebenreaktionen kommt, kann so eine höhere Selektivität erzielt werden. ②Der mechanische Verschleiß des Katalysators ist gering. ③Einfache Struktur. Die Nachteile des Festbettreaktors sind: ① Schlechte Wärmeübertragung; bei großer Reaktionswärmeentwicklung kann selbst in Rohrreaktoren eine Temperaturüberschreitung auftreten (die Reaktionstemperatur gerät außer Kontrolle und steigt stark an, wodurch sie den zulässigen Bereich überschreitet). ②Während des Betriebs kann der Katalysator nicht ausgetauscht werden. Reaktionen, bei denen der Katalysator häufig regeneriert werden muss, eignen sich in der Regel nicht; stattdessen werden meist Fluidisierungsreaktoren oder Schubladengleichstromreaktoren verwendet. 　　Katalysatoren in Festbettreaktoren sind nicht auf kugelförmige Formen beschränkt; netzartige Katalysatoren werden bereits seit längerem in der Industrie eingesetzt. Derzeit werden auch gitterförmige und faserförmige Katalysatoren weit verbreitet eingesetzt. 　　Mathematische Modelle: Der Festbettreaktor ist ein mehrphasiger Reaktor, der gut erforscht wurde. Es gibt verschiedene mathematische Modelle zur Beschreibung des Festbettreaktors. Sie lassen sich im Großen und Ganzen in pseudo-homogene Modelle (ohne Berücksichtigung von Konzentrations- und Temperaturunterschieden zwischen Flüssigkeit und Feststoff) und mehrphasige Modelle (mit Berücksichtigung dieser Unterschiede) einteilen. Jede dieser Kategorien kann wiederum je nach Berücksichtigung oder Nichtberücksichtigung von Rückmischung in Modelle ohne Rückmischung und Modelle mit Rückmischung unterteilt werden. Ebenso können sie je nach Berücksichtigung oder Nichtberücksichtigung von Konzentrations- und Temperaturgradienten in radialen Richtungen in eindimensionale und zweidimensionale Modelle unterteilt werden. Der Festbettreaktor ist ein weit verbreiteter Mehrphasen-Katalysatorreaktor. Im Reaktor befinden sich feststehende feste Partikel – es können dabei sowohl feste Katalysatoren als auch feste Reaktanten sein. Beispielsweise handelt es sich bei dem Rohr-Festbettreaktor um einen Reaktor, in dem der Katalysator in den Rohren untergebracht ist. Die Reaktionsstoffe fließen von oben nach unten durch die Schicht der festen Partikel. Zwischen den Rohren befindet sich ein Wärmeträger, der mit den Reaktionsstoffen im Inneren der Rohre Wärme austauscht, um die erforderlichen Temperaturbedingungen aufrechtzuerhalten. Zudem können Festbettreaktoren auch für nicht-katalytische Reaktionen zwischen Gas und Feststoff sowie zwischen Flüssigkeit und Feststoff verwendet werden. Wenn das Gas mit geringerer Geschwindigkeit durch das feste Bett strömt, führt der Aufstiegswiderstand des fließenden Gases nicht zu einer Veränderung des Bewegungszustands der Partikel; die Höhe des Bettes bleibt unverändert ； Der Druckabfall im Bett erhöht sich logarithmisch mit der Strömungsgeschwindigkeit. Flüssigkeitsbett: Im Flüssigkeitsbett fließt die Flüssigkeit nach oben durch eine Schicht aus feinen Partikeln (in einem Turm). Bei niedriger Fließgeschwindigkeit strömt die Flüssigkeit lediglich durch die Lücken zwischen den ruhenden Partikeln. In diesem Fall wird die Schicht als festes Bett bezeichnet ； Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit entfernen sich die Partikel voneinander. Man kann sehen, dass eine kleine Anzahl von Partikeln in bestimmten Bereichen vibrieren und sich bewegen – das wird als Ausdehnungsbett bezeichnet ； Die Geschwindigkeit wird weiter erhöht, bis alle Partikel genau in dem nach oben strömenden Gas oder Flüssigkeit schweben. In diesem Zustand liegt der Beginn des Fluidisierbettzustands vor. Kleine Feststoffpartikel können, genauso wie Flüssigkeiten wie Wasser, innerhalb des Geräts eine klare Trennschicht bilden. Selbst wenn das Gerät geneigt wird, bleibt diese Trennschicht weiterhin horizontal ； Der Druckabfall im Bett ändert sich nicht mit der Strömungsgeschwindigkeit (bleibt im Wesentlichen konstant). Einfach ausgedrückt: Das Phänomen, bei dem feste Partikel unter dem Einfluss eines Fluids Verhaltensweisen zeigen, die denen eines Fluids ähneln, wird als Fluidisierung bezeichnet. Ein Fluidisierungsbett ist eine Anlage, in der die Fluidisierung stattfindet. In einem Fluidisierungsreaktor befindet sich der Katalysator in einem Zustand des sprudelnden Fluidisierens. Er wird vom Reaktionsmedium sowie vom Auftriebsmedium mitgerissen und so schnell durch den Reaktor transportiert – wie beispielsweise in den Auftriebsrohrreaktoren für FCC. Transportbett: Bei festen Partikeln gibt es im Gerät keine sichtbare Trennschicht ； Der Druck im Bettkörper nimmt mit zunehmender Fließgeschwindigkeit ab. Ein Siedebett ist eine Art von Fluidisierbett – in diesem Reaktor bewegen sich die Feststoffe. Die Schicht aus Flüssigkeit und Feststoffpartikeln verhält sich wie flüssiges Material, das kocht. Im unteren Bereich des Siedebettr-Reaktors befindet sich eine Verteilplatte, auf der die Feststoffpartikel liegen. Die Flüssigkeit wird von unten in den Reaktor geleitet. Wenn die Geschwindigkeit der Flüssigkeit einen bestimmten Wert erreicht, beginnen die Feststoffpartikel, sich zu lösen. Bei weiterer Erhöhung der Geschwindigkeit tritt ein Fluidisierungszustand ein. Im Reaktor sind in der Regel Absperrwände, Wärmeaustauscher sowie Vorrichtungen zur Trennung von Flüssigkeit und Feststoffen vorhanden. Das Siedebett weist eine große Kontaktfläche auf, wodurch eine hohe Effizienz bei der Wärme- und Stoffübertragung erreicht werden kann. Zudem ist die Produktivität hoch – doch es kommt zu erheblichem Rückmischen der Stoffe. Bei dem Siedebett ist aufgrund der Bewegung der Feststoffe die Reaktions- oder Wärmeübertragungseffizienz hoch, doch der Energieverbrauch ist groß. Zudem entsteht bei der Befeuchtung von Kohle eine große Menge an Staub. Beweglicher Bed: Der bewegliche Bed ähnelt dem festen Bed, der Unterschied besteht darin, dass die Festkörner von oben kontinuierlich zugeführt und von unten entnommen werden. Ein beweglicher Bed ist ein Ionenaustauscher, bei dem die Ionenaustauschresine periodisch zwischen Austauschern, Regeneratoren und Reinigungsanlagen zirkulieren. Der Unterschied zwischen einem beweglichen und einem festen Reaktor besteht darin, dass der Katalysator im Laufe des Reaktionsprozesses langsam von der Eingangsstelle zum Ausgangsstelle des Reaktors bewegt wird. Frischer Katalysator (oder wiederhergestellter Katalysator) gelangt von der Eingangsstelle in den Reaktor, während inaktivierter Katalysator von der Ausgangsstelle herausgeführt wird, um dort wiederhergestellt zu werden. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Katalysators ist langsam; es wird kein Fließzustand erreicht. Wie die Bewegungsbettreaktoren in den kontinuierlichen Reforming-Prozessen von UOP und IFP. Unterschiede: Festbettanlagen können Kohle mit hohem Aschengehalt sowie hoher Schmelztemperatur der Asche verarbeiten. Die Investitionskosten sind gering, doch die Umweltbedingungen sind schlecht… Gasstrahlanlagen erzielen die höchste Produktionsmenge, doch sie haben bestimmte Anforderungen an die Art der Kohle ； Auf dem Schwefelbett kann der Druck derzeit nicht erhöht werden, wodurch die Verbreitung eingeschränkt ist. Das Wichtigste bei diesen drei Arten von Betten ist die Gestaltung des Bettgestells. Derzeit basiert die Gestaltung des Bettgestells im Inland meist auf empirischen Schätzungen und Simulationsexperimenten, was bei der industriellen Fertigung oft zu vielen Nachteilen führt. Der Hauptunterschied liegt weiterhin im Verwendungszweck sowie in den Eigenschaften des Materials – also ob es sich um physikalische oder chemische Prozesse handelt. Feste und bewegliche Schichten eignen sich besser für Gase-Gas-, Gas-Flüssigkeit- und Flüssigkeit-Flüssigkeit-Reaktionen. Die Schicht selbst fungiert als Katalysator. Vorteile sind geringe Rückmischung, wenig Abtrag der festen Phase sowie einfache Trennung. Die Bauform des Fluidisierbettes ist in der Konstruktion sehr wichtig und erfordert eine hohe Passgenauigkeit zum Reaktionsystem. Außerdem sind die Betriebsgeschwindigkeit der Gase, die Menge an Material, das abtransportiert wird, sowie die Konstruktion der zugehörigen Trennvorrichtungen wie Wirbelwindtrennern sehr streng reguliert. Die Wärmeübertragung im Fluidisierbett sowie Maßnahmen zur Verhinderung von Blasenbildung und zum Abbau von Strömungskanälen werden ebenfalls intensiv erforscht. Beim Fluidbett muss darauf geachtet werden, dass der Gasverteiler nicht verstopft, denn das ist sehr problematisch. Die Unterscheidung zwischen Festbett-, Beweglichbett- und Siedebettverfahren erfolgt anhand des Umfangs der Belüftung des Bettes. Mit zunehmendem Belüftungsumfang folgen nacheinander das Festbett, das Blasenbett (Siedebett), das Turbulenzbett und das Transportbett. Ein Schwebbett gehört streng genommen zur Kategorie der Fluidisierbette – dabei bewegen sich die Partikel nach unten, während die Höhe der Schicht konstant bleibt. Ein typisches Beispiel für ein Schwebbettverfahren ist das katalytische Reforming in der Raffinerieindustrie. Was den Anwendungsbereich sowie die Vor- und Nachteile angeht, so weist die Fluidisierbetttechnologie im Vergleich gute Eigenschaften hinsichtlich der Massen- und Wärmetransportierung sowie der Homogenität auf. Sie wird in großem Maßstab eingesetzt – beispielsweise bei verschiedenen Gasifizierungs- und Verbrennungsverfahren, die auf dem Prinzip des zyklischen Fluidisierbetts beruhen. Festbett- und Schwebbettanlagen sind durch Grenzen bei der Massen- und Wärmetransportierung auf kleine Größen beschränkt, weisen jedoch geringe Anlagekosten auf. Die Gaskohlegasifizierungsverfahren von Lurgi sind typische Beispiele für Festbettanlagen; in der Regel müssen mehrere Öfen nacheinander betrieben werden, um einen kontinuierlichen Ablauf des gesamten Prozesses zu gewährleisten.