Magnetisch gestabiliseerd wervelbed
Citation for published version (APA):
Geuzens, P. L., & Thoenes, D. (1986). Magnetisch gestabiliseerd wervelbed. I2-Procestechnologie, 2(3), 15-17.
Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1986
Document Version:
Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record
Please check the document version of this publication:
• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.
• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.
• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.
Link to publication
General rights
Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.
If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:
www.tue.nl/taverne Take down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us at: openaccess@tue.nl
providing details and we will investigate your claim.
REACTORKUNDE
Verbeterde stofoverdracht tussen gas en vaste stof
Magnetisch gestabiliseerd
wervelbed
Behalve positieve eigenschappen, zoals goede warmteoverdracht naar de wand en lage drukval, heeft
het wervelbed ook enkele nadelen. Een voorbeeld is het vóórkomen van grote gasbellen, die zowel de
verblijftijdsspreiding van de gasfase als de stofoverdracht nadeling beïnvloeden.
In bepaalde gevallen kan men door het aanbrengen van een magneetspoel rond de kolom het wervelbed
dusdanig modificeren dat genoemde nadelen verdwijnen. De toepasbaarheid voor gasfiltratie komt aan
de orde in een volgend artikel.
Fig.1. Heterogene en J'IUIIIletlsch gestabiliseerde lIuïdlsatie (bron: Rosensweig [2])
t . • •
lol . : • • • • " . ' :
.. . . ' . rF..'=----+
een mengsel van magnetiseerbare en niet magnetiseerbare poeders. De veldlijnen van de· electromagneet zijn bij voorkeur evenwijdig aan de gasstroom. Als bodem-plaat kan gebruik worden gemaakt van een soort magnetische verdeelplaat.
Deze bestaat uit een grof rooster waar een elektrische stroom doorheen loopt waar-door de ferromagnetische beddeeltjes ter hoogte van de bodemplaat worden geïm-mobiliseerd. Deze onbeweeglijke laag bed-materiaal fungeert dan als een soort gasver-deelplaat voor het bovenliggende bed. Door de elektrische stroom door dit rooster periodiek te onderbreken kan het bedma-teriaal continu worden afgevoerd.
Wanneer gas door dit bed heen wordt geleid zal bij toenemende gassnelheid het bed expanderen bij de normale minimale
fluidisatiesnelheid(Umf).De drukval stemt
overeen met het gewicht van het bed per oppervlakte-eenheid. Wanneer de gassnel-heid nog verder wordt opgevoerd zal het bed in eerste instantie geen bellen vertonen
maar een homogene expansie die zichui~
strekt tot ver voorbij het normale bellen-punt. Afhankelijk van de magnetisatie
tre-fluidisatiegas
magnetisch gestabiliseerd
wervelbed
....
..
:
~.::87:
bel
heterogene
fluidisatie
fluidisatiegas
15 P.L. Geuzens, D. Thoenes Dr.ir.P.L. Geuzensis momeuteelalsproject. 'iDgèDieur vasteafval·stoffen verbonden aan het Studleceatnun voor Kernenergie, Boeretang
200, 2400 MOL(Belgii!). DitartikelIsgebaseerd op zijn promotieonder. zoek aande T.H. EInd· hoven, o.I.v. prof.c1r. Ir.D. Thoenes.
Fenomenologische beschrijving
Een magnetisch gestabiliseerd wervelbed bestaat in zijn meest eenvoudige vorm uit een kolom gevuld met ferromagnetische deeltjes waaromheen een electromagneti-sche spoel wordt aangebracht (figuur 1, [2]). Het bedmateriaal kan ook bestaan uit beide fasen en een goede stofoverdracht tussen beide. In bepaalde specifieke ge-vallen kan een gefluïdiseerd bed in die zin worden gemodificeerd dOOr het aanbren-gen van een magneetspoel rond de kolom
LIJ.
I
nde procestechnologie ontmoetenwe tal van processen waarbij gas-sen in contact worden gebracht met een vaste stof. Deze processen heb-ben ofwel een chemisch ofwel een strict fysisch karakter.
Verschillende typen apparaten zijn in gebruik om een optimaal contact te reali-seren tussen gas en vaste stof.
De belangrijkste hiervan zijn: het gepak-te bed, het gefluidiseerde bed en de "trickle flow" kolom. Ieder van deze apparaten vertoont bepaalde specifieke karakteristieken die het speciaal geschikt maken voor een bepaald proces.
Het gepakte bed is meestal eenvoudig en vrij goedkoop van constructie. Het is gekenmerkt door een goede stofover-drach\ en een kleine verblijfstijdssprei-ding van de gasstroom. Daardoor is een gepakt bed bij uitstek geschikt voor che-mische processen met een hoge omzet-tingsgraad of voor fysische overdrachts-processen waarbij een groot aantal over-drachtstrappen gewenst zijn. Nadelen zijn de relatief hoge drukval en de slechte warmteoverdracht naar de wand. Een gefluïdiseerd bed of wervelbed on-derscheidt zich van de andere typen ap-paraten door zijn goede warmteover-dracht naar de wand. Andere positieve
punten zijn derelatiefla~edrukval en de
- mogelijkheid voor contmue toe- en
af-voer van de vaste stof. De belangrijkste
otoepassing van een wervelbed is het
kata-lytisch kraken van nafta. Andere wervel-bedprocessen welke de laatste tijd aan belang winnen zijn de dehydrogenatie van zware aardoliefracties waarbij naast lichtere fracties ook cokes wordt ge-vormd (flexicokerproces) en de wervel-bedverbranding van kolen. Het belang-rijkste nadeel van een gefluïdiseerd bed is het v6órkomen van grote gasbellen die zowel de verblijftijdsspreiding van de ,gasfase als de stofoverdracht nadelig ;.beïnvloeden.
Wanneer de vaste stof continu wordt toe-. en afgevoerd kan ook de vaste stof men-ging problemen geven. Voor een ideaal gedrag zouden tegenstroom apparaten -.e.eD-_pIopstroming moeten vertonen in
~Iz.Procestechnologie- no.3 - 1986 r
REACTORKUNDE
\ \•
•
7•
stabiel li 4het bed hangen. De axiale gasmenging wordt daarbij veroorzaakt door een ver- : schil in verblijftijd van het gas in de kanalen ,. tussen de beddeeltjes en door de lang opge- ' rekte mengcellen.
De radiale dispersie is vergelijkbaar met deze in een gepakt bed omdat de
mengcel-len specifieke radiale afmetingenv~rtonen .~
die weinig verschillen van deze in een ge-~
pakt bed. De verminderde verblijftijds-; I2-Procestechnologie - no. 3 - 1986·~ 3
..
gepakt instabiel 2 • 0 Alm o 1650 Alm • 4125 Alm .. 6600 Almsup. gassnelheid (cmis) ~
magn. veldsterkte (kAlm)
I 10 100
f
o ' - - _..._ - _..._ - _..._-_..J.~...__..._-_...
2 3 ~ 11 110 Vl ... El u1
Fig.2. Fiuidisatie regimes voor magnetiet poeder (210-420flJD)
Fig. 3. Hoogte vaneeDmengtrap als functie vandesuperficiële gassnelheid en het aangelegde magneetveld
(iJzerpoeder 80-120flJD) ,
Ook met betrekking tot de structuur van het gestabiliseerde bed geven deze metin-gen informatie. Door de magnetisatie trek-ken de beddeeltjes elkaar aan. Deze inter-actiekrachten zijn echter gericht volgens de veldlijnen van het magneetveld (parallel aan de gasstroming) en dus anisotroop. Daardoor ontstaat een zeer specifieke ver-tikaal gelijnde bedstructuur waarbij de beddeeltjes als een soort parelsnoeren in den pas bellen op bij gassnelheden die gaan
tot 5 of meer keer de minimale fluïdisa-tiesneiheid. De verschillende regimes van een magnetisch gestabiliseerd bed zijn ge-geven in figuur 2.
De figuur geldt voor de fluïdisatieregimes van magnetietpoeder, fractie 210-420 mi-cron. Bij afwezigheid van een magneetveld vertoont dit poeder geen homogene expan-sie. De horizontale lijn door de waarde van
Umf geeft aan.dat de minimale
fluïdisa-tiesnelheid niet wordt bemvloed door het aanleggen van het magneetveld. De sChei-dingslijn tussen het stabiele en het insta-biele gebied geeft de overgangssnelheid van een homogeen geëxpandeerde toe-stand naar een heterogene fluïdisatie met gasbellen. Het gebied van de homogene expansie wordt het magnetisch gestabili-seerd bed genoemd.
Het uniforme magneetveld oefent als wda-nig geen kracht uit op het bed, maar het ontstaan van inhomogeniteiten in de vorm van bellen wordt verhinderd. Het magneet-veld werkt eerder als een soort oppervlak-tespanning op de gasbellen.
Gasstroming
Door de afwezigheid van bellen in het magnetisch gestabiliseerd bed mag worden verwacht dat de verblijftijdsspreiding van de gasstroming en ook de radiale gasmen-ging anders zullen zijn dan in het overeen-komstige niet gestabiliseerde bed. Dit is met name van belang voor het uitvoeren van bepaalde chemische en fysische over-drachtsprocessen in een magnetisch gesta-biliseerd bed. Voor de meeste gas-vast overdrachtsprocessen in een korrelbed zijn een' relatief lage axiale dispersie en een grote radiale dispersie gewenst.
De gasmenging en de verblijftijdsspreiding in de gasfase zijn experimenteel onder-zocht met behulp van tracertechnieken. Er blijkt dat in vergelijking met een hetero-geen gefluïdiseerd bed een sterke reductie wordt verkregen van de verblijftijdssprei-ding van de gasfase in die zin dat de kort-sluiting van fluïdisatiegas via de bellen wordt verhinderd. De hoogte van een mengtrap nam voor de onderzochte poe-ders (magnetiet en ijzerpoeder in verschil-lende deeltjesgrootten) af met een factor tien of meer ten opzichte van de niet gesta-biliseerde situatie (zie figuur 3). Anderzijds is de axiale gasmenging groot te noemen ten opzichte van een gepakt bed bij over-eenkomstige condities. In een gepakt bed is de hoogte van een mengtrap vergelijkbaar met de deeltjesdiameter. De radiale men-ging is nagenoeg identiek aan de radiale dispersie die gemeten wordt in een gepakt bed.
REACTORKUNDE
Fig.4. Lateraal snelheidsproftel voor poederstroming in een magnetisch gestabiliseerdbedmet magnetische gasverdeelplaat. Parameter: magnetische veldsterkte H(AlM).Gassnelheid: 2UIIIf
laterale positie
magnetische vaste stof, bijvoorbeeld een adsorbens voor gasadsorptie. Een meer elegante techniek bestaat er echter in om een ferromagnetische kern te coaten met
een actieve laag, bijvoorbeeld eenkata~
lysator. Deze techniek is in de katalyse overigens zeer gebruikelijk. Enkele po-tentiële processen worden hier genoemd. Gasfiltratie, eventueel bij hoge tempera-tuur en druk, kali uitstekend worden uitgevoerd in een magnetisch gestabili-seerd wervelbed. Deze toepassing wordt uitvoerig besproken in een tweede arti-kel in dit tijdschrift.
Lucchesi [3] beschrijft het gebruik van een magnetisch gestabiliseerd wervelbed . voor continue selectieve gasadsorptie van normale parafinen uit een mengsel
vanCS en C6 koolwaterstoffen. In dat
proces worden beddeeltjes van eenmole~
culaire zeef met een ferrOInagnetische kern in tegenstroom in contact gebracht met de dampvormige koolWaterstoffen
in een magnetisch gestabiliseerde
ad-sorptiezone. Door de magnetische stabi-lisatie kan de lage diffusieweerstand van
kleine beddeeltjes gecom~ineerd
wor-den met relatief hoge gassnelhewor-den. Door het tegenstroom gedrag kan het verzadigde bedmateriaal in een afzon-derlijke trap wordengedesorbeerd. De adsorptie-desorptiecyclus kan zeer kort worden gehouden. Een andere veel belo-vende toepassing betreft de katalytische reforming van nafta. Magnetische stabili-satie biedt ook hier het voordeel dat kleine katalysatordeeltjes kunnen
wor-den gebruikt met een geringe diffusieli-mitering. Verder kan de katalysator snel 'worden geregenereerd waardoor een ho-ge activiteit kan worden onderhouden. Conclusies
Een magnetisch gestabiliseerd wervel-bed kan een waardevol alternatief zijn voor bestaande apparatuur voor het uit-voeren van bepaalde gas-vast tegen-stroom processen. Belangrijk daarbij zijn de geringe verblijftijdsspreiding van het gas, de hoge dichte fase gassnelheid en de propstroming van de vaste stof. Door de beperkte mobiliteit van de bed-deeltjes'is de warmteoverdracht gering. Dit II1aakteen magnetisch gestabiliseerd wervelbed minder geschikt voor
proces-sen met een groot warmteëffeet. •
Literatuur
1. Geuzens;P.L., "Someaspects of magnetically stabilized fluidizanori", proefschrift T.H. Eindho-ven,(1985). .'
2. Rosensweig, R.E" Siegell, J.N., Lee, W.K.,
Mikus,T., "Magnetically stabilized fluidized sa-lids", Aiche Symp. series,205,77, pp. 8-16, (1981).
3. Lucchesi, P.J., Hatch, W.H., Mayer,F.X., Rosensweig, R.E.,' "Magnetically stabilized beds -New gas solids contacting technolgy", Proc. 10th world petrol. congressBuch~est4, sp.-4, pp. 1-7, Heyden&Sons,. Phil. Penn., (1979).
• 0 Alm o 4125 Alm • 6600 Alm 'tl •.-( 0.5 a> ..c: .-l a> l:: lil s~ o lil o 0 lol 0 +J.-l lil a>
.
.-( a> lil lil l:: +Ja> lol IS Ill...., Ill'tl ~~ lol a> a> l:: ToepasbaarheidGelet op de zeer specifieke hydrodyna~
mische eigenschappen van een magne-tisch gestabiliseerd wervelbed komt het apparaat vooral in aanmerking voor con-tinu gas-vast tegenstroom uitwisselings-processen. Een praktisch probleem is de onvermijdelijke voorwaarde dat het bed-materiaal, tenminste voor een deel, moet bestaan uit magnetiseerbare deeltjes. Het ferromagnetisch bedmateriaal kan ook_up.gemengd worden met een niet spreiding van het fluïdisatiegas en de hoge superficiële dichte fase gassnelheid zijn gunstige eigenschappen voor het gebruik van een magnetisch gestabiliseerd wervel-bed in stofoverdrachtsprocessen.
Vaste stof stroming
Voor het gebruik van een magnetisch gestabiliseerd bed als een tegenstroom gas-vast contactapparaat is ook de stro-ming van de vaste stof van belang. Deze werd experimenteel onderzocht in een bed dat voorzien was van een magneti-sche gasverdeelplaat om een continue doorstroming van het bedmateriaal toe te laten. Voor het meten van de poeder-stroming werd gebruik gemaakt van een optische meettechniek met behulp van een fosforescente tracer die op het bed-materiaal werd aangebracht.
Over het algemeen werd, door een toe-name van de cohesiekrachten tussen de deeltjes, een verminderde stroombaar-heid van het poeder vastgesteld. De men-ging van de vaste stof wordt onderdrukt met als gevolg dat de warmteoverdracht naar de wand sterk wordt gereduceerd. Voor een continu doorstroomd bed re-sulteert de verminderde stroombaarheid in eel;l bijna perfecte propstroming van de vaste stof door de magnetische bo-demplaat. Een voorbeeld van een snel-heidsprofiel met het aangelegde mag-neetveld als parameter is gegeven in
fi-guur~.
Bij zeer grote magnetische veldsterkten worden de interactiekrachten tussen de deeltjes zodanig groot dat het bed star wordt en niet of nauwelijks meer stroomt. De propstroming van het poe-der in combinatie met de geringe verblijf-tijdsspreiding van de gasfase maken een magnetisch gestabiliseerd bed geschikt als tegenstroom gas-vast
contactappa-raat. Een magnetische gasver~eelplaat
laat daarbij een zeer gemakkelijke con-trole toe van het vaste stof debiet. Het systeem is minder geschikt voor uitwisse-lingsprocessen met een groot warmteëf-fect.
