ฟลูอิไดซ์เบดแบบหมุนเวียน

จาก ChulaPedia

---

รุ่นปัจจุบันของ 07:23, 11 เมษายน 2554

เนื้อหา 1 ฟลูอิไดซ์เบดแบบหมุนเวียน (Circulating Fluidized Bed, CFB) 2 ฟลูอิไดซ์เบดแบบหมุนเวียน 3 ส่วนประกอบหลักของเครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิไดซ์เบดแบบหมุนเวียน 4 หลักการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิไดซ์เบดแบบหมุนเวียน 5 ลักษณะการสัมผัสกันของอนุภาคของแข็งและของไหล 6 ช่วงการไหล 7 ข้อดีและข้อเสีย 8 การประยุกต์ใช้งาน 9 อ้างอิง

ฟลูอิไดซ์เบดแบบหมุนเวียน (Circulating Fluidized Bed, CFB)

ปัจจุบัน อนุภาคของแข็งได้เข้ามามีบทบาทอย่างมากในกระบวนการทางอุตสาหกรรมเคมี อุตสาหกรรมพลังงาน และอุตสาหกรรมเหมืองแร่ ยกตัวอย่างเช่น การเป็นสารตั้งต้นของปฏิกิริยาเคมี หรือ การเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเคมี เป็นต้น จึงมีความจำเป็นในการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์เคมีที่เหมาะสมเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของการดำเนินกระบวนการนั้นๆ ^[1]

ฟลูอิไดซ์เบดแบบหมุนเวียน

ฟลูอิไดซ์เบดแบบหมุนเวียน เป็นเครื่องปฏิกรณ์เคมีรูปแบบหนึ่งที่ภายในมีอนุภาคของแข็งและของไหลซึ่งมีอันตรกิริยาระหว่างกัน โดยอนุภาคของแข็งจะมีพฤติกรรมการเคลื่อนที่คล้ายกับของไหล นอกจากนี้เครื่องปฏิกรณ์ยังมีกลไกในการแยกอนุภาคของแข็งที่มีขนาดใหญ่หรือเกิดปฏิกิริยาเคมีไม่สมบูรณ์และป้อนกลับเข้าสู่กระบวนการอีกครั้ง ^[2]

ส่วนประกอบหลักของเครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิไดซ์เบดแบบหมุนเวียน

- ท่อไรเซอร์ (Riser)

- ท่อดาวเนอร์ (Downer หรือ Downcomer)

- ท่อป้อนกลับ (Return system)

- ไซโคลน (Cyclone)

หลักการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิไดซ์เบดแบบหมุนเวียน

1. ของไหลตัวกลาง จะไหลผ่านอนุภาคของแข็งภายในท่อไรเซอร์ ซึ่งเป็นท่อสูงก่อให้เกิดการสัมผัสกันระหว่างอนุภาคของแข็งและของไหล

2. เมื่อความเร็วของไหลมีความเหมาะสม อนุภาคของแข็งจะเปลี่ยนพฤติกรรมการเคลื่อนที่จนมีลักษณะคล้ายกับของไหล โดยพฤติกรรมนี้เกิดจากดุลของแรงจากของไหลที่กระทำต่ออนุภาคของแข็ง

3. เมื่ออนุภาคของแข็งเคลื่อนมาถึงด้านบนสุดของท่อไรเซอร์ อนุภาคจะเคลื่อนออกจากท่อไรเซอร์โดยไหลมาผ่านไซโคลน ซึ่งเป็นอุปกรณ์สำหรับทำหน้าที่แยกอนุภาคของแข็งออกจากแก๊สโดยอาศัยหลักการของแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางและแรงโน้มถ่วง

ส่วนอนุภาคของแข็งที่ยังมีขนาดใหญ่ จะถูกแยกโดยไซโคลนและตกลงมาในท่อดาวเนอร์ อนุภาคเหล่านี้จะถูกป้อนกลับเข้าไปในกระบวนการใหม่ตรงบริเวณส่วนล่างของท่อไรเซอร์ผ่านท่อป้อนกลับ

ลักษณะการสัมผัสกันของอนุภาคของแข็งและของไหล

โดยทั่วไป รูปแบบการสัมผัสกันหรืออันตรกิริยาของอนุภาคของแข็งและของไหลสามารถแบ่งออกได้เป็นสามแบบ ดังต่อไปนี้

- แบบไหลขึ้นทางเดียวกัน (Co-current upward flow) ในกรณีที่มีปริมาณการป้อนอนุภาคของแข็งน้อยหรือใช้ความเร็วของไหลสูง การสัมผัสกันของอนุภาคของแข็งและของไหลภายในกระบวนการ

- แบบไหลลงทางเดียวกัน (Co-current downward flow) จะพบในส่วนของ ไซโคลน ท่อดาวเนอร์ และท่อป้อนกลับของเครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิไดซ์เบดแบบหมุนเวียน ที่อนุภาคของแข็งและของไหลจะไหลลงตามแรงโน้มถ่วง

- แบบไหลสวนทางกันโดยมีของไหลไหลขึ้น (Counter-current flow) ในกรณีที่ปริมาณการป้อนอนุภาคของแข็งมีค่าสูงหรือใช้ความเร็วของไหลต่ำ จะเกิดการอิ่มตัวของอนุภาคของแข็งที่ไหลขึ้น ทำให้อนุภาคของแข็งบางส่วนแยกตัว และตกกลับลงมาบริเวณด้านล่างของท่อไรเซอร์

ช่วงการไหล

พฤติกรรมการเคลื่อนที่ของอนุภาคของแข็งในท่อไรเซอร์ของเครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิไดซ์เบดแบบหมุนเวียนมีการเปลี่ยนแปลงตามการเปลี่ยนแปลงความเร็วของของไหลที่ป้อนเข้าสู่กระบวนการ ซึ่งการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมเหล่านี้ถูกจำแนกเป็น ระบบการไหลแบบต่างๆ (Regime) โดยมีชื่อเรียก ระบบการไหลแบบต่างๆ เรียงตามความเร็วของไหลที่เพิ่มขึ้น ตามลำดับ ดังต่อไปนี้ ^[3]

1. ฟลูอิไดซ์เบดแบบปั่นป่วน เป็นระบบการไหลช่วงแรกที่สามารถเกิดขึ้นได้ในเครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิไดซ์เบดแบบหมุนเวียน เนื่องจากเริ่มมีอนุภาคของแข็งหลุดออกจากท่อไรเซอร์ โดยอนุภาคของแข็งส่วนใหญ่จะอยู่เรียงตัวอยู่หนาแน่นที่บริเวณด้านล่างของท่อไรเซอร์ จะสามารถพบเห็นหน้าเบดได้ชัดเจน จะมีอนุภาคของแข็งเพียงส่วนน้อยที่หลุดออกจากท่อไรเซอร์ทางด้านบน เพราะฉะนั้น ระบบการไหลแบบนี้จึงเหมาะกับกระบวนการที่ปฏิกิริยาเคมีต้องการเวลาเพื่อการเกิดปฏิกิริยาอย่างสมบูรณ์

2. ฟลูอิไดซ์เบดแบบความเร็วสูง เป็นระบบการไหลที่มีการใช้งานกันมากที่สุดในปัจจุบัน เนื่องจากมีการกระจายตัวของอนุภาคของแข็งเฉลี่ยตามแนวความสูงของท่อไรเซอร์อย่างสม่ำเสมอ ไม่สามารถพบเห็นหน้าเบดที่ชัดเจน และมีปริมาณอนุภาคของแข็งในกระบวนการสูง โดยที่บริเวณผนังของท่อไรเซอร์จะมีปริมาณของแข็งสูงกว่าที่บริเวณกึ่งกลางท่อ ระบบการไหลนี้จะเหมาะกับกระบวนการที่ปฏิกิริยาเคมีต้องการพื้นที่หรือปริมาตรในการเกิดปฏิกิริยาเคมีและการผสมกันที่ดีของอนุภาคของแข็งและของไหล

3. ฟลูอิไดซ์เบดแบบเบาบาง เป็นระบบการไหลที่ดำเนินการด้วยใช้ความเร็วป้อนเข้าของไหลสูงที่สุด อนุภาคของแข็งภายในท่อไรเซอร์จะถูกพยุงและยกตัวขึ้นอย่างรวดเร็วเนื่องมาจากแรงกระทำจากของไหลภายในกระบวนการ ดังนั้น พฤติกรรมการเคลื่อนที่ของอนุภาคของแข็งที่ดำเนินการในระบบการไหลนี้ จะมีอนุภาคของแข็งในกระบวนการในปริมาณต่ำตลอดแนวความสูงของท่อไรเซอร์ อนุภาคของแข็งที่เข้ามาในท่อไรเซอร์จะถูกของไหลพาออกไปอย่างรวดเร็ว ระบบการไหลนี้จึงเหมาะกับการขนส่งของแข็งจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งหรือเหมาะสำหรับกระบวนการที่มีอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีสูง

ข้อดีและข้อเสีย

ข้อดีและข้อเสียของเครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิไดซ์เบดแบบหมุนเวียนเมื่อทำการเปรียบเทียบกับเครื่องปฏิกรณ์เคมีสำหรับกระบวนการที่มีการสัมผัสกันระหว่างอนุภาคของแข็งและของไหลชนิดอื่น ซึ่งได้แก่ เครื่องปฏิกรณ์เบดนิ่ง และ เครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิไดซ์เบดที่ดำเนินการด้วยความเร็วต่ำ ^[4] มีดังนี้

ข้อดี

1. มีการสัมผัสกันของอนุภาคของแข็งและของไหลสูง ส่งผลให้ช่องว่างอากาศภายในเครื่องปฏิกรณ์ลดลง

2. มีปริมาณอนุภาคของแข็งสูงตลอดแนวความสูงของเครื่องปฏิกรณ์

3. มีการกระจายตัวของความร้อนสม่ำเสมอทั้งในแนวความสูงและแนวรัศมีของเครื่องปฏิกรณ์

4. มีความเป็นไปได้ในการนำไปใช้งานกับของแข็งหลายชนิดหรือของแข็งผสม

ข้อเสีย

1. มีความยุ่งยากในการออกแบบอุปกรณ์ต่างๆ เพิ่มขึ้น ยกตัวอย่างเช่น ไซโคลน หรือ ท่อป้อนกลับ เป็นต้น

2. มีการลงทุนในส่วนของค่าก่อสร้างและค่าดำเนินการเครื่องปฏิกรณ์ที่สูงขึ้น

3. มีการสึกกร่อนของผนังเครื่องปฏิกรณ์

4. มีการแตกหักหรือการลดขนาดของอนุภาคของแข็งภายในเครื่องปฏิกรณ์ที่สูงขึ้น

การประยุกต์ใช้งาน

1. กระบวนการทางกายภาพ ^[5]

- การลดขนาดของสินแร่ต่างๆ

- การอบแห้งของอนุภาคของแข็ง

- การแยกขนาดของอนุภาคของแข็ง

- การเคลือบผิวของอนุภาคของแข็ง

- การผสมของอนุภาคของแข็ง

- การขนส่งของอนุภาคของแข็ง

- การปรับสภาพของอนุภาคของแข็งภายหลังจากการทำปฏิกิริยาเคมี เช่น การลดหรือเพิ่มอุณหภูมิ เป็นต้น

2. กระบวนการทางเคมี ^[6]

- การเผาขยะของแข็ง (Incineration)

- การผลิตแก๊สจากเชื้อเพลิงแข็ง (Gasification)

- การดึงน้ำออกจากกรดบอริก (Dehydration)

- การเผาให้แตกตัวของอะลูมินา (Calcination)

- การเปลี่ยนโครงสร้างทางเคมีของเมทานอล

- การผลิตซีเมนต์ (Cement production)

- การทำความสะอาดแก๊สจากปล่องอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ เป็นต้น

อ้างอิง

ที่มาข้อมูล

1. ↑ Gidaspow, D., and Jiradilok, V. Computational Techniques: The Multiphase CFD Approach to Fluidization and Green Energy Technologies (Energy Science, Engineering and Technology Series). New York: Nova Science Publishers Inc., 2009.
2. ↑ หน่วยปฏิบัติการวิจัยการเปลี่ยนรูปพลังงานเคมี ศูนย์วิจัยเชื้อเพลิง ภาควิชาเคมีเทคนิค คณะวิทยาศาสตร์
3. ↑ Basu, P., and Fraser, S. A. Circulating Fluidized Bed Boilers. Stoneham: Butterworth-Heinemann, 1991.
4. ↑ Basu, P. Combustion and Gasification in Fluidized Beds. Boca Raton: CRC Press, 2006.
5. ↑ Grace, J. R., Avidan, A. A., and Knowlton, T. M. Circulating Fluidized Beds. London: Blackie Academic & Professional, 1997.
6. ↑ Chalermsinsuwan, B., Piumsomboon, P., and Gidaspow, D. A computational fluid dynamics design of a carbon dioxide sorption circulating fluidized bed. AIChE Journal 56 (2010): 2805-2824.

ผู้รับผิดชอบบทความ ศูนย์การสื่อสารนานาชาติแห่งจุฬาฯ