Technische Gids voor Wervelbedden

1. Wat is een wervelbed?

Een wervelbed bestaat doorgaans uit een kolom die de vaste stof bevat (meestal poeders, soms korrels met een diameter <6 mm) en die aan de basis een distributieplaat heeft die het mogelijk maakt om een gas door het deeltjesbed te blazen. Aan de bovenkant van de kolom is een gasafvoer geïnstalleerd. Wanneer het gas door de vaste stoffen stroomt en een bepaalde snelheid bereikt, zet het vaste-stofbed uit doordat de deeltjes fluidiseren, zich bijna als een vloeistof gedragen, en gasbellen ontstaan. fluidiseren

Merk op dat sommige wervelbedden eigenlijk een vloeistof gebruiken om de fluidisatie uit te voeren. Dit artikel richt zich op het geval van gassen hoewel sommige begrippen ook toepasbaar zijn bij vloeistoffen.

2. Hoe werkt een wervelbed?

Wat is het principe van wervelbedden?

Dit zijn de minimale elementen om een wervelbed op laboschaal te bouwen, maar industriële systemen zijn natuurlijk complexer en kunnen het volgende omvatten:

• Een geblazer en warmtewisselaar om het gas naar de kolom te brengen terwijl de druk en temperatuur worden geregeld
• Een warmtewisselaar in de kolom, ofwel direct een spoel in het deeltjesbed of een dubbele mantel
• Een inlaat en uitlaat voor de deeltjes
• Cyclonen / filters bij de gasuitlaat met de mogelijkheid om de fijnstoffen terug te voeren naar het wervelbed

De fluidisatie van de vaste stoffen zorgt ervoor dat ze zich als een vloeistof gedragen, waarbij het gas alle deeltjes in contact brengt en ze in beweging houdt. Wervelbedden hebben daarom als voordeel dat ze zeer goede warmte- en materiaaloverdrachtseigenschappen hebben.

3. Stroming van vaste stoffen in een wervelbed

Hoe gedragen poeders zich in een wervelbed?

Het stromingsgedrag binnen het wervelbed hangt eigenlijk af van de aard van de vaste stoffen en hun beluchting en permeabiliteitseigenschappen. Door uitgebreid experiment heeft Geldart 4 groepen poeders gedefinieerd die onderscheidend gedrag vertonen bij fluidisatie (zie Grafiek 1), en heeft hij een grafiek gemaakt waarmee voorspeld kan worden in welke groep een bepaald poeder zal vallen.

De belangrijkste criteria die deze groepen onderscheiden, zijn de wijze waarop de lucht zich door de vaste stoffen verspreidt: met kleine gelijkmatig verspreide belletjes, grote bellen, kanaalvorming, spuiten, enz. Het is cruciaal om te weten hoe het poeder zal fluidiseren, omdat dit directe gevolgen heeft voor de warmte- en massaoverdrachtseigenschappen van het wervelbed en dus voor de prestaties van het systeem.

Grafiek 1: Geldart-classificatie

De dichtheid ρ_p van de deeltjes gebruikt in de bovenstaande grafiek is gedefinieerd als de massa van een deeltje gedeeld door zijn volume, inclusief open en gesloten poriën.

De volgende groepen zijn gedefinieerd:

• Groep A: beluchtbare poeders. Deze poeders houden lucht zeer goed en homogeen vast. Ze hebben een lage permeabiliteit (zie volgende alinea) die hen in staat stelt lucht vast te houden en gefluidiseerd te blijven.
• Groep B: zandachtige poeders, waarbij de interactie tussen deeltjes laag is, met een lage permeabiliteit (zie onderstaande alinea), wat betekent dat de deeltjes ogenblikkelijk stoppen met fluidiseren zodra de luchtstroom wordt onderbroken. De bellen kunnen in grootte toenemen en de diameter van het wervelbed bereiken, waardoor "pluggen" ontstaan.
• Groep C: cohesieve poeders, waarbij het gas zich niet gelijkmatig in bellen door het deeltjesbed kan verspreiden, maar eerder kanalen zal vormen (vandaar de term "kanaalvorming"). Het is mogelijk om te voorspellen of een poeder in groep C zal vallen door de losse bulkdichtheid en de aangestampte bulkdichtheid te vergelijken. Als de verhouding bulk/aangestampt > 1,4, dan kan het poeder tot groep C behoren.
• Groep D: spuitbare poeders, met een gedrag vergelijkbaar met groep B, hoewel de "spuitende" toestand kan worden bereikt waarbij een gaskolom in het midden van het wervelbed kan ontstaan (dit vereist echter dat de lucht via een enkel punt wordt ingevoerd in plaats van over de gehele bodem van het deeltjesbed).

4. Minimale fluidisatiesnelheid

Hoe berekent men de minimale fluidisatiesnelheid van een poeder?

Een van de belangrijkste kenmerken om een wervelbed te kunnen bedienen, is de minimale fluidisatiesnelheid: de luchtsnelheid waarbij het deeltjesbed begint te fluidiseren. De kritische snelheid kan worden berekend met de vergelijking van Wen en Yu:

Vergelijking 1: Wen en Yu-correlatie voor de berekening van de minimale fluidisatiesnelheid [Rhodes]

Met:
U_mf = minimale oppervlakkige fluidisatiesnelheid (m/s)
μ = gasviscositeit (Pa.s)
ρ_g = gasdichtheid (kg/m^³)
d_v = deeltjesgrootte, eigenlijk de diameter van de bol met hetzelfde volume als de deeltjes (m)
Ar = Archimedesgetal
ρ_p = schijnbare deeltjesdichtheid (kg/m³)

5. Drukval over een wervelbed

Hoe berekent men de drukval over een wervelbed?

Een andere cruciale parameter voor het ontwerp of de bedrijfsvoering van een wervelbed is de drukval die optreedt wanneer de deeltjes gefluidiseerd worden. Feitelijk neemt de drukval toe met de oppervlakkige luchtsnelheid, zolang deze snelheid lager blijft dan de minimale fluidisatiesnelheid, zodra deze snelheid overschreden wordt, stabiliseert de drukval en blijft constant (zie Grafiek 2).

Grafiek 2: Drukval en wervelbedhoogte als functie van de oppervlakkige luchtsnelheid in een wervelbed [Coco]

In de meeste gevallen kan deze fluidisatiedrukval worden berekend als het gewicht van het deeltjesbed gedeeld door het dwarsdoorsnede-oppervlak van de kolom.

Met:
ΔP = drukval (Pa)
M_B = massa van het poeder in de kolom (kg)
A = dwarsdoorsnede-oppervlak van de kolom (m²)
ρ_p = schijnbare deeltjesdichtheid (kg/m³)
ρ_g = gasdichtheid (kg/m³)
ε = bedporositeit bij minimale fluidisatiesnelheid (-)
H_mf = hoogte van het wervelbed bij minimale fluidisatiesnelheid (m)
Hₛ = hoogte van het losjes bezonken bed (m)
ρ_BS = dichtheid van het losjes bezonken bed (kg/m³)

6. Toepassingen van wervelbedden

Wat is het doel van het fluidiseren van poeders?

Tegenwoordig worden wervelbedden op grote schaal toegepast in diverse industrieën, met name in de chemische en petrochemische sector. Producten zoals oplosmelk of oploskoffie worden bijvoorbeeld met dit proces geproduceerd. De mogelijkheid om degradatie tijdens het drogen te voorkomen, maakt het ook tot een voorkeursproces in de farmaceutische industrie.

Voorbeelden van toepassingen voor wervelbedden zijn onder andere:

• Fluid Catalytic Cracking (FCC): productie van benzine uit zwaardere koolwaterstoffen
• Acrylonitrilproductie
• Polyethyleenproductie
• Wervelbedverbranding voor energieopwekking
• Nadrogers / Nakoelers voor spuitdroogprocessen

Deze lijst is slechts gedeeltelijk, maar al zeer uitgebreid. Veel industrieën gebruiken spuitdrogen omdat het een continu droogproces biedt met een zeer korte verblijftijd bij verhoogde temperatuur, waardoor – mits het systeem goed is afgesteld – warmtegevoelige componenten kunnen worden gedroogd.

Hier volgt een sectie over onderhoud en probleemoplossing voor wervelbedden:

7. Onderhoud en probleemoplossing van wervelbedden

Wervelbedden zijn robuuste en efficiënte systemen, maar zoals elk industrieel apparaat vereisen ze regelmatig onderhoud en kunnen operationele problemen optreden. Goed onderhoud en effectieve probleemoplossing zijn essentieel om de continue optimale prestaties van wervelbedsystemen te waarborgen. Hieronder volgen belangrijke aandachtspunten voor het onderhouden en aanpakken van veelvoorkomende problemen in wervelbedinstallaties.

7.1 Regelmatig onderhoud

• Inspectie en reiniging: Inspecteer regelmatig de wervelbedkolom, de verdeelplaat en warmtewisselaars op ophoping van vervuiling, afzettingen of vreemde materialen. Reinig of verwijder eventuele obstructies om een consistente fluidisatie te behouden.
• Vervanging van deeltjes: Na verloop van tijd kunnen de deeltjes in het wervelbed degraderen of verontreinigd raken. Plan regelmatige vervanging van deeltjes om een consistente en efficiënte bedrijfsvoering te garanderen.
• Onderhoud van de gasverdeelplaat: Controleer de verdeelplaat op slijtage, verstopping of beschadiging. Eventuele problemen met de plaat kunnen leiden tot ongelijke fluidisatie. Vervang of repareer de plaat indien nodig.
• Controle van warmtewisselaars: Zorg ervoor dat de warmtewisselaars correct functioneren. Elke inefficiëntie in warmteoverdracht kan de prestaties van het wervelbed beïnvloeden. Repareer of vervang beschadigde warmtewisselaars onmiddellijk.
• Cyclonen en filters: Inspecteer en reinig periodiek de cyclonen en filters bij de gasuitlaat. Verstopte of beschadigde filters kunnen de gasrecyclage beïnvloeden en operationele problemen veroorzaken.
• Evaluatie van veiligheidssystemen: Beoordeel regelmatig de veiligheidssystemen, zoals overdrukventielen en noodstopmechanismen, om er zeker van te zijn dat ze functioneel zijn. Veiligheid is van het grootste belang bij wervelbedoperaties.

7.2 Probleemoplossing voor veelvoorkomende issues

• Ongelijke fluidisatie: Als het wervelbed ongelijke fluidisatie vertoont, kan dit komen door ongelijke deeltjesgrootte, agglomeratie van deeltjes of gaskanalisatie. Controleer de deeltjesgrootteverdeling en vervang indien nodig de deeltjes. Pak agglomeratieproblemen aan en overweeg de gasverdeling aan te passen om kanalisatie te voorkomen.
• Agglomeratie in het bed: Agglomeratie van deeltjes kan optreden als de temperatuur te hoog wordt, of als er deeltjes met plakkerige coatings aanwezig zijn. Verlaag de bedrijfstemperatuur of overweeg het gebruik van anticaking-agentia of oppervlaktebehandelingen op deeltjes om agglomeratie te voorkomen.
• Variaties in drukval: Inconsistente drukval kan het gevolg zijn van ophoping van deeltjes in bepaalde gebieden van het bed. Pas de deeltjesverdeling aan, verhoog de gasstroom of voer een gedeeltelijke vervanging van het bed uit om het probleem op te lossen.
• Defluidisatie van het bed: Als het bed zijn fluidisatie verliest en deeltjes bezinken, kan dit komen door gasnelheid, onvoldoende gasstroom of verontreiniging van deeltjes. Pas de gasnelheid en stroomsnelheid aan binnen het optimale bereik en zorg ervoor dat de deeltjeskwaliteit voldoet aan de specificaties.
• Overmatige emissies: Hogere emissies dan verwacht kunnen het gevolg zijn van onvolledige verbranding, onvoldoende gasreiniging of slechte warmteoverdracht. Beoordeel en optimaliseer het verbrandingsproces, verbeter de gasreinigingssystemen en inspecteer de warmtewisselaars op vervuiling.
• Kwaliteitsproblemen met het product: Als de productkwaliteit niet aan de gewenste normen voldoet, onderzoeken dan issues met betrekking tot deeltjesdegradatie, temperatuurregeling en reactiekinetiek. Voer aanpassingen uit waar nodig om een consistente productkwaliteit te garanderen.
• Lage warmte- of massaoverdracht: Slechte warmte- of massaoverdracht kan ontstaan door vervuiling in de kolom of defecte warmtewisselaars. Reinig of vervang vervuilde componenten en repareer warmtewisselaars om efficiënte overdrachtsprocessen te behouden.
• Cyclische bedrijfsvoering: Cyclische of instabiele bedrijfsvoering kan veroorzaakt worden door onvoldoende regeling van variabelen zoals temperatuur, druk en gasstroom. Implementeer betere regelstrategieën en monitoringsystemen om de bedrijfsvoering te stabiliseren.
• Veiligheidsalarmen en noodstops: Neem veiligheidsalarmen en noodstops serieus. Onderzoek de oorzaak van elk veiligheidsalarm en los het probleem op voordat de bedrijfsvoering wordt hervat. Volg de juiste noodstopprocedures in geval van noodsituaties.

Effectief onderhoud en snelle probleemoplossing zijn van cruciaal belang voor het voortdurende succes van wervelbedsystemen. Regelmatig gepland onderhoud, grondige inspecties en proactieve oplossing van problemen zijn essentieel om veilige en efficiënte wervelbedoperaties te waarborgen.

Bron

[Rhodes] Principles of Powder Technology, pagina 124, Martin Rhodes et al, Wiley, 1990

[Coco] Introduction to Fluidization, Coco et al, AIChE, 2014