Loading article…
流動床反応器( FBR )は、さまざまな多相化学反応を実行するために使用できる反応装置の一種です。このタイプの反応器では、流体(ガスまたは液体) が固体粒状物質(通常は触媒) に十分な速度で通過し、固体を浮遊させて流体のように動作させます。流動化と呼ばれるこのプロセスにより、FBR には多くの重要な利点がもたらされます。その結果、FBR は多くの産業用途に使用されています。
基本原則
流動床反応器内の固体基質材料（化学種が反応する触媒材料）は、通常、ディストリビュータと呼ばれる多孔質プレートによって支えられています。 [1]次に、流体はディストリビュータを通って固体材料まで押し上げられます。流体速度が低い場合、流体が材料の空隙を通過する際、固体はその場に留まります。これは、充填床反応器として知られています。流体速度が増加すると、反応器は、固体に対する流体の力が固体材料の重量をバランスさせるのに十分である段階に到達します。この段階は初期流動化として知られ、この最小流動化速度で発生します。この最小速度を超えると、反応器床の内容物は、攪拌されたタンクや沸騰した鍋のように、膨張して渦巻き始めます。これで、反応器は流動床になります。動作条件と固相の特性に応じて、この反応器ではさまざまな流動様式が観察されます。
歴史と現在の用途
流動床反応器は、化学工学の分野では比較的新しいツールです。最初の流動床ガス発生器は、1920年代にドイツのフリッツ・ウィンクラーによって開発されました。[2]石油産業で使用された米国の最初の流動床反応器の1つは、1942年にルイジアナ州バトンルージュでニュージャージー州のスタンダード・オイル・カンパニー（現在のエクソンモービル）によって作成された接触分解装置でした。[3]このFBRとその後の多くのFBRは、石油および石油化学産業向けに開発されました。ここでは、クラッキングと呼ばれるプロセスを通じて、触媒を使用して石油をより単純な化合物に還元しました。この技術の発明により、米国でのさまざまな燃料の生産量を大幅に増やすことができました。[4]
現在でも流動床反応器はガソリンやその他の燃料、その他多くの化学物質の製造に使用されています。ゴム、塩化ビニル、ポリエチレン、スチレン、ポリプロピレンなど、工業的に生産される多くのポリマーはFBR技術を使用して製造されています。[5] [ページが必要]また、さまざまな公益事業では、石炭ガス化、原子力発電所、水処理および廃棄物処理の現場にFBRを使用しています。これらの用途で使用される流動床反応器は、従来の標準的な反応器技術よりもクリーンかつ効率的なプロセスを可能にします。[4]
利点
今日の産業界における流動床反応器の使用の増加は、主にこの技術の固有の利点によるものである。[6]
- 均一な粒子混合:固体材料の本質的な流体のような挙動により、流動床では充填床のように混合が不十分になることはありません。この完全な混合により、他のリアクター設計では実現が難しい均一な製品が実現します。また、放射状および軸方向の濃度勾配がなくなるため、反応の効率と品質に不可欠な、流体と固体の接触が改善されます。
- 均一な温度勾配:多くの化学反応では、熱の追加または除去が必要です。充填床で問題となることが多い反応床内の局所的な高温または低温スポットは、FBR などの流動化状況では回避されます。他の種類の原子炉では、これらの局所的な温度差、特に高温スポットによって製品の劣化が生じる可能性があります。したがって、FBR は発熱反応に適しています。研究者は、FBR の床から表面への熱伝達係数が高いこともわかっています。
- リアクターを連続状態で操作する機能:これらのリアクターの流動床特性により、製品を連続的に取り出し、新しい反応物を反応容器に導入することができます。連続プロセス状態で操作すると、バッチプロセスでの起動条件がなくなるため、メーカーはさまざまな製品をより効率的に生産できます。
デメリット
あらゆる設計と同様に、流動床反応器にも欠点があり、反応器設計者はそれを考慮に入れなければなりません。[6]
- 反応容器のサイズの拡大:反応器内の床材料が膨張するため、充填床反応器よりも大きな容器が必要になることがよくあります。容器が大きいということは、初期資本コストにさらにお金をかける必要があることを意味します。
- ポンプ要件と圧力降下:流体が固体材料を懸濁させるには、リアクター内でより高い流体速度を達成する必要があります。これを達成するには、より大きなポンプ出力が必要となり、エネルギー コストも高くなります。さらに、深いベッドに関連する圧力降下にも、追加のポンプ出力が必要になります。
- 粒子の巻き込み:このタイプのリアクターではガスの速度が高いため、微粒子が流体に巻き込まれることがよくあります。 捕捉された粒子は流体とともにリアクターから運び出され、そこで分離する必要があります。 これは、リアクターの設計と機能によっては、対処が非常に困難で費用のかかる問題になる場合があります。 他の巻き込み低減技術を使用しても、この問題は引き続き発生する可能性があります。
- 現状の理解不足:流動床における物質の実際の挙動に関する現状の理解は、かなり限られています。流動床内の複雑な質量および熱の流れを予測し、計算することは非常に困難です。この理解不足のため、新しいプロセスにはパイロット プラントが必要です。パイロット プラントがあっても、スケールアップは非常に困難であり、パイロット トライアルでの経験を反映しない可能性があります。
- 内部部品の侵食:ベッド内の微細固体粒子の流体のような挙動により、最終的には反応容器が摩耗します。これにより、反応容器とパイプのメンテナンスと維持に高額な費用がかかる場合があります。
- 圧力損失のシナリオ:流動化圧力が突然失われると、ベッドの表面積が突然減少する可能性があります。これは不便な状況 (ベッドの再起動が困難になるなど) を引き起こす可能性があります。また、暴走反応 (熱伝達が突然制限される発熱反応など) などのより深刻な影響を及ぼす可能性があります。
現在の研究と動向
流動床反応器の利点のため、この技術に関する研究は盛んに行われています。現在の研究のほとんどは、流動床内の相相互作用の挙動を定量化し、説明することを目的としています。具体的な研究テーマには、粒子サイズ分布、さまざまな移動係数、相相互作用、速度と圧力の影響、コンピューターモデリングなどがあります。[7]この研究の目的は、流動床の内部運動と現象のより正確なモデルを作成することです。[8]これにより、化学技術者は、現在の技術の欠点を効果的に処理し、FBRの使用範囲を拡大できる、より優れた効率的な反応器を設計できるようになります。
参照
参考文献
- ^ Howard, JR (1989).流動床技術：原理と応用.ニューヨーク、NY: Adam Higler.
- ^ Tavoulareas, S. (1991.) 流動床燃焼技術。**Annual Reviews Inc.** 16、25-27。
- ^ 「世界初の商業用流動床反応器」。国立歴史化学ランドマーク。アメリカ化学会。 2014年2月21日閲覧。
- ^ ab Thornhill, D. 「流動床反応器のページ」。2007年2月13日閲覧。
- ^ 気相プロセスによるポリプロピレン製造、テクノロジーエコノミクスプログラム。Intratec Solutions。2012年。ISBN 978-0-615-66694-5。
- ^ ab Trambouze, P., & Euzen, J. (2004).化学反応器：設計から運用まで。 (R. Bononno 訳). パリ: Editions Technip.
- ^ Arastoopour, H. (編). (1998).流動化と流体粒子システム: 最近の研究と開発.ニューヨーク、NY: アメリカ化学技術者協会.
- ^ Abbasi, Mohammad Reza; Shamiri, Ahmad; Hussain, MA (2016). 「工業用気相流動床反応器におけるエチレン共重合の動的モデリングと分子量分布」。Advanced Powder Technology。27 ( 4): 1526–1538。doi : 10.1016 /j.apt.2016.05.014。