Wirbelschicht

Schema einer Wirbelschicht

GrundmodellBearbeiten

Wenn die Schüttschicht von einem Fluid überströmt wird, ist der Druckabfall des Fluids ungefähr proportional zur Oberflächengeschwindigkeit des Fluids. Um vom Schüttbett in den Wirbelzustand überzugehen, wird die Gasgeschwindigkeit kontinuierlich erhöht. Bei einem freistehenden Bett gibt es einen Punkt, der als minimaler oder beginnender Fluidisierungspunkt bezeichnet wird, an dem die Masse des Bettes direkt von der Strömung des Fluidstroms getragen wird. Die entsprechende Fluidgeschwindigkeit, die so genannte „Mindestfluidisierungsgeschwindigkeit“, u m f {\displaystyle u_{mf}}

.

Über die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit ( u ≥ u m f {\displaystyle u\geq u_{mf}}

) wird das Bettmaterial durch den Gasstrom in der Schwebe gehalten und eine weitere Erhöhung der Geschwindigkeit wirkt sich aufgrund einer ausreichenden Perkolation des Gasstroms weniger stark auf den Druck aus. Somit ist der Druckabfall für u > u m f {\displaystyle u>u_{mf}}

relativ konstant.

Am Boden des Behälters kann der scheinbare Druckabfall multipliziert mit der Querschnittsfläche des Bettes mit der Gewichtskraft der Feststoffteilchen (abzüglich des Auftriebs des Feststoffs in der Flüssigkeit) gleichgesetzt werden.

Δ p w = H w ( 1 – ϵ w ) ( ρ s – ρ f ) g = {\displaystyle \Delta p_{w}=H_{w}(1-\epsilon _{w})(\rho _{s}-\rho _{f})g=}

wobei:

Δ p w {\displaystyle \Delta p_{w}}

ist der Bettdruckverlust

H w {\displaystyle H_{w}}

ist die Betthöhe

ϵ w {\displaystyle \epsilon _{w}}

ist der Bettleerraum, d.h. der Anteil des Bettvolumens, der von den Hohlräumen (den Flüssigkeitsräumen zwischen den Partikeln) eingenommen wird

ρ s {\displaystyle \rho _{s}}

ist die scheinbare Dichte der Bettteilchen

ρ f {\displaystyle \rho _{f}}

ist die Dichte des fluidisierenden Fluids

g {\displaystyle g}

ist die Erdbeschleunigung

M s {\displaystyle M_{s}}

ist die Gesamtmasse der Feststoffe im Bett

A {\displaystyle A}

ist die Querschnittsfläche des Bettes

Geldart-GruppierungenBearbeiten

Im Jahr 1973 schlug Professor D. Geldart vor, die Pulver in vier so genannte „Geldart-Gruppen“ einzuteilen. Die Gruppen werden durch ihre Lage in einem Diagramm der Feststoff-Fluid-Dichte-Differenz und der Partikelgröße definiert. Konstruktionsmethoden für Wirbelschichten können auf der Grundlage der Geldart-Gruppeneinteilung der Partikel maßgeschneidert werden:

Gruppe A Bei dieser Gruppe liegt die Partikelgröße zwischen 20 und 100 µm, und die Partikeldichte beträgt typischerweise weniger als 1,4 g/cm3. Bevor die Blasenbildung einsetzt, dehnen sich Betten aus diesen Partikeln bei beginnender Fluidisierung um den Faktor 2 bis 3 aus, was auf eine geringere Schüttdichte zurückzuführen ist. Die meisten pulverkatalysierten Betten verwenden diese Gruppe.

Gruppe B Die Partikelgröße liegt zwischen 40 und 500 µm und die Partikeldichte zwischen 1,4-4g/cm3. Blasenbildung bildet sich typischerweise direkt bei beginnender Fluidisierung.

Gruppe C Diese Gruppe enthält extrem feine und damit kohäsivste Partikel. Mit einer Größe von 20 bis 30 µm fluidisieren diese Partikel unter sehr schwierig zu erreichenden Bedingungen und können die Anwendung einer externen Kraft, wie z. B. mechanisches Rühren, erfordern.

Gruppe D Die Partikel in dieser Region sind über 600 µm groß und haben typischerweise hohe Partikeldichten. Die Fluidisierung dieser Gruppe erfordert sehr hohe Fluidenergien und ist in der Regel mit einem hohen Abrieb verbunden. Das Trocknen von Körnern und Erbsen, das Rösten von Kaffeebohnen, das Vergasen von Kohle und einige geröstete Metallerze sind solche Feststoffe, und sie werden in der Regel in flachen Betten oder im Spouting-Modus verarbeitet.

VerteilerBearbeiten

Typischerweise tritt unter Druck stehendes Gas oder Flüssigkeit durch zahlreiche Löcher über eine Platte, die als Verteilerplatte bezeichnet wird und sich am Boden des Wirbelbetts befindet, in den Wirbelbettbehälter ein. Die Flüssigkeit strömt nach oben durch das Bett und bewirkt, dass die Feststoffpartikel in der Schwebe gehalten werden. Wenn das einströmende Fluid deaktiviert ist, kann sich das Bett absetzen, sich auf der Platte festsetzen oder durch die Platte nach unten rieseln.Viele Industriebetten verwenden anstelle einer Verteilerplatte einen Sparger-Verteiler. Die Flüssigkeit wird dann durch eine Reihe von perforierten Rohren verteilt.