ฟลูอิไดซ์เบดแบบหมุนเวียน
จาก ChulaPedia
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- ↑ 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.
- ↑ หน่วยปฏิบัติการวิจัยการเปลี่ยนรูปพลังงานเคมี ศูนย์วิจัยเชื้อเพลิง ภาควิชาเคมีเทคนิค คณะวิทยาศาสตร์
- ↑ Basu, P., and Fraser, S. A. Circulating Fluidized Bed Boilers. Stoneham: Butterworth-Heinemann, 1991.
- ↑ Basu, P. Combustion and Gasification in Fluidized Beds. Boca Raton: CRC Press, 2006.
- ↑ Grace, J. R., Avidan, A. A., and Knowlton, T. M. Circulating Fluidized Beds. London: Blackie Academic & Professional, 1997.
- ↑ 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
