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粉末登場:你是風兒我是沙 –流體化床

104/09/02 瀏覽次數 7712
流體化床的作用

夏日炎炎,來個涼拌豆腐吧!但如何讓豆腐均勻地沾到醬油呢?把一塊豆腐由中間剖下一刀,就多出來剖面的面積。隨著愈切愈多刀,暴露的豆腐表面面積越多,沾到醬油愈容易,也更能讓每一口中的豆腐都沾上醬油。

以食鹽為例,同樣1公克的食鹽,顆粒大小由1毫米減小至1微米時,總表面積由28平方公分增大至28,000平方公分。約5公克的食鹽,所提供的總表面積約略就是1個市區停車位的大小!由此可知,使固體微小化或粉粒化可大幅增加與外界接觸的表面積。

在工業上,使粉粒體與氣體或液體等流體進行物理操作如乾燥、吸附或化學操作如反應、焚化時,就是因為有非常大的固相與流體相的非勻相接觸表面積,而具有相當高的操作效率。

流體化床就是以流體使粉粒體流體化的非勻相操作單元。流體化床一方面運用廣大的非勻相接觸面積,提供粉粒體與流體間優異的熱傳遞或質量傳遞管道,另一方面使粉體流體化,使得原本死氣沉沉不易運動的粉體,呈現如流體般的輕易運動狀態,增加系統中的粉體混合與分布均勻性。由於具有這些特性,流體化床早已廣泛運用於石化、能源、環保、生化、製藥等工程領域。

流體化方法

如何使一群粉體流體化呢?先把欲流體化的粉體放置在管柱中,並使流體通過管柱底部的氣、液體分散器。當流體流速逐漸增大,到達某流速時(一般稱為最小流體化速度),粉體可呈現流體化的現象。這時比重較小的物體可浮在流體化床表面;又當容器傾斜時,流體化粉體床表面仍保持水平,也具有類似流體的連通管行為;且當在器壁鑿洞時,流體化粉體床如流體傾瀉而出;也具有像流體靜壓般的壓力。

根據粉體與流體的不同,粉體流體化後的行為有所差異,應用也不盡相同。

流體化床工業化

流體化床工業化始於1920年代。1922年,德國溫克勒(Winkler)公司首先發表流體化床的專利,並在1926年把高度達11公尺的流體化床煤氣化爐商業化,使油電燃氣工業有了劃時代的進步。

1938年,標準石油開發(Standard Oil Development)公司委由麻省理工學院成立的研究團隊發現在適當的催化劑粉體大小和氣體流速下,催化劑粉體和上升氣相可建立較高濃度的粒子床,能同時進行石油氣的裂解,這就是著名的流體化觸媒裂解程序。二戰後的丙烯與丁烷多應用這程序製造,為石化工業帶來革命性的快速發展。1940~1950年代,因為這程序的發展而帶動了流體化的各項研究,更發展出多項化學品製程,如費托合成(Fischer-Tropsch synthesis)法合成的液態碳氫化合物。

現今流體化床早已應用在各個領域,如以觸媒為流體化粒子使流經的流體進行裂解反應;以高熱傳導的石英砂為流體化粒子,乾燥、裂解或焚化同時加入系統中的另一粉體;以多孔洞的活性碳為流體化粒子,吸附流經流體中的汙染物等。若是在氣體—固體的流體化床的粒子運動中,同時在系統上方、下方或側面噴灑液體,更可以進行造粒、顆粒表面包衣的操作。

造粒、表面包衣的程序是食品工業、製藥工業中不可或缺的操作單元,造粒單元可改善粉體的流動性質,表面包衣可使液體包覆顆粒表面製造出只溶你口、不溶你手的巧克力球表面糖衣包裹層。此外,可以使不同的粉體同時流體化,應用流體化床中的粉體劇烈運動使物料均勻混合。

流體化床行為

在常壓下,依照流體化行為的不同,英國布拉德福德大學粉粒體技術研究所潔爾達(Derek Geldart)教授在1973年把粉粒體的流體化床行為分為A(充氣式)、B(類沙式)、C(黏附式)、D(噴流式)4族,正好可以畫在粉體與流體密度差與顆粒大小的座標軸上,這分類簡單易懂而廣為相關人員使用。

C族粒子顆粒最小,例如日常生活中常見的麵粉、水泥等。因為粉體間作用強,通常難以進行流體化床操作。若強迫粉體進行流體化操作時,往往會產生流體通過部分粉體層的渠道現象,使得大部分的粉體無法流體化。也許可以用外加震動的方式,改善C族粒子的流體化行為。

A族粒子是可以輕易流體化的最小粉粒體,例如工業上常應用的流體化觸媒裂解程序所使用的觸媒。A族粒子流體化時,床體明顯膨脹,許多大小均一的氣泡通過粉體床,床體中的粉體均勻混合。但由於其顆粒小,往往在停止流體供應後,需要較長的時間才能停止粉體流體化的運動。這樣的特性非常適合工業化的異相間反應操作,實務上可設計為循環式的流體化床操作,廣為石化工業、油電燃氣工業所採用。

日常生活中常見的B族粒子有食鹽、拌水泥河砂等。一旦流體化,立即生成氣泡,而氣泡容易合併,隨著上升過程不斷成長,最後在床面爆裂。氣泡是粒子均勻混合的關鍵,把粉體由床體下方帶往床體上方。因此,B族粒子流體化床通常有粒子混合的效果,但過於狹長的管柱則會在床體上方形成巨大的氣泡,氣泡爆破時會影響系統的穩定。B族粒子常運用於乾燥、焚化、汽電共生等操作。

D族粒子如咖啡豆、藥錠等顆粒較大的粒子,由於體積大、重力大,粉體間空隙大,不太容易完整包圍流體形成扎實的氣泡。因此,氣泡無法有效地把粉體由床體下方帶往床體上方,造成床體混合不佳。實務上,往往操作成為噴流床的形式,噴流流體化操作常用於乾燥、表面包衣等程序。

發展了近百年,流體化床技術也應用在許多新興產業,如再生能源的生質廢棄物裂解或氣化、氣體汙染物捕捉與降解的環工應用、高發電效率的潔煤汽電共生,甚至奈米碳管的商業化製備。

能源工業上的應用

流體化床所具有的廣大異相間接觸面積、混合效果好、高熱傳與質傳效率,已成為生質物、生質廢棄物、工業廢塑膠、都市廢棄物等轉化為再生能源的製程方式之一。

當流體是培養微生物的液體時,流體化床可應用於微生物培養,產製生物氫或酒精。

流體化床技術的廣大接觸面積,可藉由高溫工業如鋼鐵業、油電燃氣業高溫煙道氣與粉體間的熱交換,進行極具效率的廢熱回收。以100微米石英砂充填1立方米的床料,可提供的熱交換面積相當於188公里2英寸管所提供的!

流體化床可直接把廢棄物氣化為合成氣,或通入水蒸氣,以金屬或金屬氧化物觸媒做為部分或全部的流體化床顆粒進行重組反應,產生氫氣為主的合成氣。具有高熱值的合成氣燃燒效率相當高,可直接氧化後回收熱能。

若是應用氮氣或其他非氧化劑氣體為流體,可以應用流體化快速加熱的特性,把農業廢棄物等以約攝氏500度快速熱裂解為生質油品,直接取代部分重油,或精煉後應用於各式引擎。

環境工程上的應用

把一般低密度的塑膠料與高密度的金屬料投入水中,可以看到輕的物件上浮而重的物件下沉的現象。同樣地,流體化後的粉體床也可以把比重不同的物件分離,比重小的塑膠粒多在流體化床上層運動,比重大的金屬粒子多在流體化床下層運動。這比重分級可應用於固體廢棄物回收,節省人工選擇的成本與可能的危害。

溫室效應造成的氣候變遷已成為地球公民須正視的課題,在震天價響的節能減碳口號下,研究人員早已落實應用流體化床廣大氣—固間接觸面積與質傳效率,有效捕捉二氧化碳溫室氣體。

這程序一般稱為化學迴圈程序,應用兩套流體化床設備或循環式流體化床設備捕捉二氧化碳。一套流體化床系統用於應用碳酸化反應或其他化學反應,使流體化的床料如氧化鈣、矽酸鋰等與氣體中的二氧化碳反應捕獲。其次應用另一套流體化床系統使碳酸化的顆粒進行逆反應,以脫出二氧化碳。兩個反應不僅在吸、放熱上可達平衡外,第二套系統的出口氣體大大提升了二氧化碳的濃度而可直接應用或封存。

新穎材料製備的應用

流體化床也應用於製備新穎材料,如應用奈米聚集流體化床反應器製備多層奈米碳管、應用化學氣相沉積流體化床製備表面塗布奈米矽膠、應用金屬有機氣相沉積流體化床製備奈米複合材料等。

以化學氣相沉積流體化床商業化製備奈米碳管為例,把碳源如甲烷以化學氣相沉積方式沉積在流體化床中的觸媒床料上,使奈米碳管成長於觸媒床料表面。由於流體化床氣—固接觸面積大,整體床溫均勻,觸媒床料上的奈米碳管生成條件大致相同,所生成的碳管品質穩定。這種類似於播種、插秧、成長的稻穗成長模式,顯現流體化床多樣發展的可能性。

翻開流體化床工業史,從近百年前的煤氣化爐,到現今的奈米碳管商業化製備,流體化床應用其龐大的異相間接觸面積、均勻溫度分布、優異的熱與質傳效率、粒子均勻混合等特性,在許多產業中扮演重要角色。在不久的未來,流體化床技術應用於再生能源工業、環境保護工程、溫室氣體排放減量綠色工業將指日可待。
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