เตาปฏิกรณ์แบบฟลูอิไดซ์เบดเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพที่เกิดขึ้นเมื่อ สารอนุภาค ของแข็ง (โดยปกติจะอยู่ในภาชนะบรรจุ) อยู่ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม ทำให้มันมีพฤติกรรมคล้ายของเหลววิธีปกติในการสร้างเตาปฏิกรณ์แบบฟลูอิไดซ์เบดคือการปั๊มของเหลวที่มีแรงดันเข้าไปในอนุภาค สารที่ได้จะมีคุณสมบัติและลักษณะหลายอย่างเหมือนของเหลวทั่วไป เช่น ความสามารถในการไหลได้อย่างอิสระภายใต้แรงโน้มถ่วง หรือสามารถสูบได้โดยใช้เทคโนโลยีของไหล

ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเรียกว่าการทำให้เป็นของเหลว (fluidization ) เตียงของเหลวถูกนำไปใช้เพื่อวัตถุประสงค์หลายประการ เช่นเครื่องปฏิกรณ์เตียงของเหลว ( เครื่องปฏิกรณ์เคมีประเภทหนึ่ง) การแยกของแข็ง^{[ 1 ]}การแตกตัวเร่งปฏิกิริยาของของเหลวการเผาไหม้เตียงของเหลวการถ่ายเทความร้อนหรือมวล หรือการปรับเปลี่ยนพื้นผิวสัมผัส เช่น การเคลือบผิวลงบนของแข็ง เทคนิคนี้ยังเป็นที่นิยมมากขึ้นในด้านการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำสำหรับการผลิตหอยในระบบการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำแบบบูรณาการหลายระดับ^{[ 2 ]}

เตาปฏิกรณ์แบบฟลูอิไดซ์เบดประกอบด้วยส่วนผสมของของเหลวและของแข็งที่มีคุณสมบัติคล้ายของเหลว ดังนั้น พื้นผิวด้านบนของเตาปฏิกรณ์จึงค่อนข้างราบเรียบ ซึ่งคล้ายคลึงกับพฤติกรรมไฮโดรสแตติก เตาปฏิกรณ์สามารถพิจารณาได้ว่าเป็นส่วนผสมที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันของของเหลวและของแข็ง ซึ่งสามารถแสดงได้ด้วยความหนาแน่นรวมเพียง ค่าเดียว

นอกจากนี้ วัตถุที่มีความหนาแน่นสูงกว่าชั้นของสารแขวนลอยจะจม ในขณะที่วัตถุที่มีความหนาแน่นต่ำกว่าชั้นของสารแขวนลอยจะลอย ดังนั้นจึงอาจกล่าวได้ว่าชั้นของสารแขวนลอยแสดงพฤติกรรมของไหลตามหลักการของอาร์คิมิดีสเนื่องจาก "ความหนาแน่น" (ซึ่งแท้จริงแล้วคือสัดส่วนปริมาตรของของแข็งในสารแขวนลอย) ของชั้นของสารแขวนลอยสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการเปลี่ยนสัดส่วนของของเหลว ดังนั้นวัตถุที่มีความหนาแน่นต่างจากชั้นของสารแขวนลอยจึงสามารถทำให้จมหรือลอยได้โดยการเปลี่ยนแปลงสัดส่วนของของเหลวหรือของแข็ง

ในเตาเผาแบบฟลูอิไดซ์เบด การสัมผัสระหว่างอนุภาคของแข็งกับตัวกลางฟลูอิไดซ์ (ก๊าซหรือของเหลว) จะเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับเตาเผาแบบบรรจุแน่นพฤติกรรมนี้ในเตาเผาแบบฟลูอิไดซ์เบดช่วยให้เกิดการถ่ายเทความร้อนที่ดีภายในระบบ และการถ่ายเทความร้อนที่ดีระหว่างเตาเผากับภาชนะบรรจุ เช่นเดียวกับการถ่ายเทความร้อนที่ดีซึ่งช่วยให้เกิดความสม่ำเสมอทางความร้อนคล้ายกับก๊าซที่ผสมกันอย่างดี เตาเผาสามารถมีความจุความร้อนสูงในขณะที่ยังคงรักษาอุณหภูมิให้คงที่ได้

เตาปฏิกรณ์แบบฟลูอิไดซ์เบดเป็นกระบวนการทางเทคนิคที่มีความสามารถในการส่งเสริมการสัมผัสระหว่างก๊าซและของแข็งในระดับสูง ในเตาปฏิกรณ์แบบฟลูอิไดซ์เบดนั้น สามารถใช้คุณสมบัติพื้นฐานเฉพาะชุดหนึ่ง ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับวิศวกรรมกระบวนการและเคมี สมัยใหม่ คุณสมบัติเหล่านี้ได้แก่:

• พื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างของเหลวและของแข็งต่อหน่วยปริมาตรของชั้นวัสดุสูงมากเป็นพิเศษ
• ความเร็วสัมพัทธ์สูงระหว่างของเหลวและเฟสของแข็งที่กระจายตัวอยู่
• มีการผสมผสานกันอย่างมากของอนุภาคในระดับสูง
• การชนกันระหว่างอนุภาคกับอนุภาค และอนุภาคกับผนังเกิดขึ้นบ่อยครั้ง

ยกตัวอย่างจากอุตสาหกรรมแปรรูปอาหาร: เครื่องแช่แข็งแบบฟลูอิไดซ์เบด (Fluidized bed) ถูกนำมาใช้เพื่อเร่งกระบวนการแช่แข็งในเครื่องแช่แข็งแบบอุโมงค์ (IQF) บางประเภท เครื่องแช่ แข็งแบบอุโมงค์ ฟลูอิไดซ์เบดเหล่านี้มักใช้กับผลิตภัณฑ์อาหารขนาดเล็ก เช่น ถั่วลันเตา กุ้ง หรือผักหั่น และอาจใช้ การทำความเย็น แบบไครโอเจนิกหรือแบบอัดไอของเหลวที่ใช้ในเครื่องแช่แข็งแบบฟลูอิไดซ์เบดอาจมีของเหลวประเภทตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ด้วย นั่นเป็นเหตุผลที่ใช้เพื่อเร่งปฏิกิริยาเคมีและเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา

เครื่องอบแห้งแบบฟลูอิไดซ์เบด (Fluidized bed) ยังใช้สำหรับการอบแห้งวัสดุจำนวนมากอย่างมีประสิทธิภาพ เทคโนโลยีฟลูอิไดซ์เบดในเครื่องอบแห้งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยการทำให้พื้นผิวทั้งหมดของวัสดุที่กำลังอบแห้งลอยอยู่ในอากาศ และสัมผัสกับอากาศโดยตรง กระบวนการนี้ยังสามารถผสมผสานกับการให้ความร้อนหรือการทำความเย็นได้ตามความจำเป็น ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของงานนั้นๆ

ในปี พ.ศ. 2465 Fritz Winkler ได้นำเทคโนโลยีฟลูอิไดเซชันมาใช้ในอุตสาหกรรมเป็นครั้งแรกในเครื่องปฏิกรณ์สำหรับกระบวนการแปรสภาพถ่านหินเป็นก๊าซ^{[ 3 ]} ในปี พ.ศ. 2485 ได้มีการสร้างเตาเผาฟลูอิไดเซชันแบบหมุนเวียนเป็นครั้งแรกสำหรับการแตกตัวเร่งปฏิกิริยาของน้ำมันแร่โดยมีการนำเทคโนโลยีฟลูอิไดเซชันมาประยุกต์ใช้กับกระบวนการทางโลหะวิทยา (การคั่วอาร์เซโนไพไรต์ ) ในช่วงปลายทศวรรษ พ.ศ. 2483 ^{[ 4 ] [ 5 ]} ในช่วงเวลานี้ การวิจัยเชิงทฤษฎีและเชิงทดลองได้ปรับปรุงการออกแบบเตาเผาฟลูอิไดเซชัน ในช่วงทศวรรษ พ.ศ. 2503 VAW-Lippewerk ในเมืองลือเนน ประเทศเยอรมนี ได้นำเตาเผาฟลูอิไดเซชันแบบอุตสาหกรรมเครื่องแรกมาใช้สำหรับการเผาไหม้ถ่านหิน และต่อมาสำหรับการเผาอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์

สามารถจำแนกประเภทของเตียงได้คร่าวๆ ตามพฤติกรรมการไหล ซึ่งรวมถึง: ^{[ 6 ]}

• เตาเผาแบบฟลูอิไดซ์เบดแบบอยู่กับที่หรือแบบอนุภาคเป็นวิธีการแบบดั้งเดิมที่ใช้ก๊าซด้วยความเร็วต่ำ และการไหลของของแข็งเป็นแบบอยู่กับที่ค่อนข้างคงที่ โดยมีอนุภาคละเอียดบางส่วนถูกพัดพาไปด้วย
• ในระบบฟลูอิไดซ์แบบฟองอากาศ (หรือเรียกว่าระบบฟลูอิไดซ์แบบรวมกลุ่ม) ความเร็วของของเหลวจะสูง ทำให้เกิดเฟสแยกกันสองเฟส คือ เฟสต่อเนื่อง (เฟสหนาแน่นหรือเฟสอิมัลชัน) และเฟสไม่ต่อเนื่อง (เฟสเบาบางหรือเฟสฟองอากาศ)
• เครื่องปฏิกรณ์แบบฟลูอิไดซ์เบดหมุนเวียน (CFB) นั้น ก๊าซมีความเร็วสูงเพียงพอที่จะทำให้อนุภาคลอยตัวได้ เนื่องจากพลังงานจลน์ของของเหลวสูงกว่า ดังนั้นพื้นผิวของเบดจึงไม่เรียบ และอนุภาคขนาดใหญ่สามารถถูกพัดพาออกจากเบดได้มากกว่าในเบดแบบอยู่กับที่ อนุภาคที่ถูกพัดพาออกไปจะถูกหมุนเวียนกลับเข้าไปในเบดของเครื่องปฏิกรณ์ผ่านวงจรภายนอก ขึ้นอยู่กับกระบวนการ อนุภาคอาจถูกคัดแยกโดยเครื่องแยกไซโคลนและแยกออกจากเบดหรือส่งกลับเข้าไปในเบด โดยพิจารณาจากขนาดของอนุภาค
• เตาปฏิกรณ์แบบฟลูอิไดซ์แบบสั่นสะเทือนนั้นคล้ายกับเตาปฏิกรณ์แบบอยู่กับที่ แต่เพิ่มการสั่นสะเทือนเชิงกลเพื่อกระตุ้นอนุภาคให้มากขึ้น ส่งผลให้การดึงดูดอนุภาคมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น
• เครื่องปฏิกรณ์แบบขนส่งหรือแบบแฟลช (FR): ที่ความเร็วสูงกว่าแบบฟลูอิดไดซ์เบด (CFB) อนุภาคจะมีความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วของก๊าซ ความเร็วในการลื่นไถลระหว่างก๊าซและของแข็งจะลดลงอย่างมาก แต่แลกมาด้วยการกระจายความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอมากขึ้น
• เตาปฏิกรณ์แบบฟลูอิไดซ์เบดทรงวงแหวน (AFB): หัวฉีดขนาดใหญ่ที่อยู่ตรงกลางของชั้นฟองอากาศจะป้อนก๊าซด้วยความเร็วสูง ทำให้เกิดโซนการผสมอย่างรวดเร็วเหนือชั้นฟองอากาศโดยรอบ เทียบได้กับที่พบในวงจรภายนอกของเตาปฏิกรณ์แบบฟลูอิไดซ์เบดแบบต่อเนื่อง (CFB)
• เครื่องปฏิกรณ์แบบฟลูอิไดซ์เชิงกล (MFR): ใช้เครื่องกวนเชิงกลเพื่อเคลื่อนย้ายอนุภาคและทำให้เกิดคุณสมบัติคล้ายกับเตาฟลูอิไดซ์แบบผสมอย่างดี ไม่จำเป็นต้องใช้ก๊าซฟลูอิไดซ์^{[ 7 ]}
• เตียงฟลูอิไดซ์แบบแคบ (NFB): ในกรณีนี้ อัตราส่วนระหว่างเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อและเม็ดจะเท่ากับหรือน้อยกว่าประมาณ 10 พลวัตของเตียงจึงแตกต่างจากเตียงฟลูอิไดซ์ประเภทอื่น ๆ เนื่องจากผลกระทบของการจำกัดที่รุนแรง และการปรากฏตัวของปลั๊กเม็ด ซึ่งประกอบด้วยบริเวณที่มีความเข้มข้นของของแข็งสูงสลับกับบริเวณที่มีความเข้มข้นของของแข็งต่ำ เป็นเรื่องปกติ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

เมื่อของเหลวไหลผ่านชั้นบรรจุ ความดันที่ลดลงของของเหลวจะเป็นสัดส่วนโดยประมาณกับความเร็วผิว ของของเหลว ในการเปลี่ยนจากชั้นบรรจุไปสู่สภาวะของเหลว ความเร็วของก๊าซจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง สำหรับชั้นที่ตั้งอิสระ จะมีจุดหนึ่งที่เรียกว่าจุดฟลูอิไดเซชันขั้นต่ำหรือจุดเริ่มต้นของฟลูอิไดเซชัน ซึ่งมวลของชั้นจะถูกแขวนไว้โดยตรงด้วยการไหลของกระแสของเหลว ความเร็วของของเหลวที่สอดคล้องกันเรียกว่า "ความเร็วฟลูอิไดเซชันขั้นต่ำ^" [ ^{11 ]}${\displaystyle u_{mf}}$

เมื่อความเร็วการฟลูอิไดเซชันเกินค่าต่ำสุด ( ) วัสดุในเตาจะถูกแขวนลอยด้วยกระแสแก๊ส และการเพิ่มความเร็วต่อไปจะมีผลต่อความดันน้อยลง เนื่องจาก การไหลของแก๊ส มีการซึมผ่าน อย่างเพียงพอ ดังนั้นความดันลดลงสำหรับ จึงค่อนข้างคงที่ ${\displaystyle u\geq u_{mf}}$${\displaystyle u>u_{mf}}$

ที่ฐานของภาชนะ ความดันลดลงที่ปรากฏคูณด้วยพื้นที่หน้าตัดของชั้นอนุภาค สามารถเทียบได้กับแรงจากน้ำหนักของอนุภาคของแข็ง (ลบด้วยแรงลอยตัวของอนุภาคของแข็งในของเหลว)

$${\displaystyle \Delta p_{w}=H_{w}(1-\epsilon _{w})(\rho _{s}-\rho _{f})g=[M_{s}g/A][(\rho _{s}-\rho _{f})/\rho _{s}]}$$

ที่ไหน:

${\displaystyle \Delta p_{w}}$การลดลงของแรงดันในเตียงคือ

${\displaystyle H_{w}}$เตียงสูงเท่าไหร่

${\displaystyle \epsilon _{w}}$คือค่าความว่างเปล่าของชั้นตัวกลาง กล่าวคือ สัดส่วนของปริมาตรชั้นตัวกลางที่ถูกครอบครองโดยช่องว่าง (ช่องว่างของของเหลวระหว่างอนุภาค)

${\displaystyle \rho _{s}}$คือความหนาแน่นปรากฏของอนุภาคในชั้น

${\displaystyle \rho _{f}}$คือความหนาแน่นของของเหลวที่กำลังเกิดการไหล

${\displaystyle g}$คือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง

${\displaystyle M_{s}}$คือมวลรวมของของแข็งในชั้นตัวกลาง

${\displaystyle A}$คือพื้นที่หน้าตัดของเตียง

ในปี พ.ศ. 2516 ศาสตราจารย์ D. Geldart ได้เสนอการจัดกลุ่มผงเป็น 4 กลุ่มที่เรียกว่า "กลุ่ม Geldart" ^{[ 12 ]}กลุ่มเหล่านี้ถูกกำหนดโดยตำแหน่งบนแผนภาพความแตกต่างของความหนาแน่นของของแข็งและของเหลวและขนาดอนุภาควิธีการออกแบบสำหรับเตาเผาแบบฟลูอิไดซ์สามารถปรับแต่งได้ตามการจัดกลุ่ม Geldart ของอนุภาค: ^{[ 11 ]}

กลุ่ม Aสำหรับกลุ่มนี้ ขนาดอนุภาคอยู่ระหว่าง 20 ถึง 100 ไมโครเมตร และความหนาแน่นของอนุภาคโดยทั่วไปน้อยกว่า 1.4 กรัม/ซม^³ก่อนที่จะเริ่มเกิดเฟสฟองอากาศในชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาจากอนุภาคเหล่านี้จะขยายตัวขึ้น 2 ถึง 3 เท่าเมื่อเริ่มเกิดการไหลตัว เนื่องจากความหนาแน่นรวมลดลง ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาแบบผงส่วนใหญ่ใช้กลุ่มนี้

กลุ่ม Bขนาดอนุภาคอยู่ระหว่าง 40 ถึง 500 ไมโครเมตร และความหนาแน่นของอนุภาคอยู่ระหว่าง 1.4 ถึง 4 กรัม/ซม^³โดยทั่วไปการเกิดฟองจะเกิดขึ้นทันทีเมื่อเริ่มเกิดการไหลตัวแบบฟลูอิไดเซชัน

กลุ่ม Cกลุ่มนี้ประกอบด้วยอนุภาคที่มีขนาดเล็กมากและมีความเหนียวแน่นมากที่สุด อนุภาคเหล่านี้มีขนาด 20 ถึง 30 ไมโครเมตร การเกิดสถานะของเหลวเกิดขึ้นได้ยากมาก และอาจต้องใช้แรงภายนอก เช่น การกวนด้วยเครื่องจักรกล

กลุ่ม Dอนุภาคในบริเวณนี้มีขนาดใหญ่กว่า 600 ไมโครเมตร และโดยทั่วไปมีความหนาแน่นของอนุภาคสูง การทำให้ของเสียในกลุ่มนี้อยู่ในสถานะของเหลวต้องใช้พลังงานของเสียสูงมาก และโดยทั่วไปมักเกี่ยวข้องกับการเสียดสีในระดับสูง ตัวอย่างเช่น การอบแห้งเมล็ดธัญพืชและถั่ว การคั่วเมล็ดกาแฟ การผลิตก๊าซจากถ่านหิน และการคั่วแร่โลหะบางชนิด ซึ่งโดยปกติจะดำเนินการในเตาเผาแบบตื้นหรือในโหมดพ่น

โดยทั่วไป ก๊าซหรือของเหลวที่มีแรงดันจะเข้าสู่ภาชนะฟลูอิไดซ์เบดผ่านรูจำนวนมากโดยใช้แผ่นกระจายของเหลวที่อยู่ด้านล่างของฟลูอิไดซ์เบด ของเหลวจะไหลขึ้นไปด้านบนผ่านเบด ทำให้อนุภาคของแข็งลอยตัว หากการไหลของของเหลวเข้าถูกปิดกั้น เบดอาจตกตะกอน อัดแน่นบนแผ่น หรือไหลลงผ่านแผ่นไป ฟลูอิไดซ์เบดในอุตสาหกรรมหลายแห่งใช้ตัวกระจายแบบสปาร์เจอร์แทนแผ่นกระจายของเหลว จากนั้นของเหลวจะถูกกระจายผ่านท่อที่มีรูพรุนหลายชุด

• การแยกด้วยแรงเหวี่ยง – วิธีการแยกก๊าซและอนุภาค
• การทำให้เป็นของไหล – หลักการและทฤษฎีของการทำให้เป็นของไหล
• การเผาไหม้แบบฟลูอิไดซ์เบด – การประยุกต์ใช้ฟลูอิไดซ์เบดในการเผาไหม้
• เครื่องปฏิกรณ์แบบฟลูอิไดซ์เบด – การประยุกต์ใช้ฟลูอิไดซ์เบดในกระบวนการทางเคมีแบบปฏิกิริยา
• เครื่องแยกสารแบบฟลูอิไดซ์เบด – การประยุกต์ใช้ฟลูอิไดซ์เบดในการกำจัดสาร VOCs/HAPs จากไอเสียอุตสาหกรรม
• การดำเนินงานหน่วย – การดำเนินงานหน่วยทางวิศวกรรมอื่นๆ
• การเผาไหม้แบบวนรอบทางเคมี – การใช้งานในเตาเผาแบบฟลูอิไดซ์คู่

• วิดีโอ: เตียงฟลูอิไดซ์ของของเหลวและของแข็ง
• เว็บไซต์ภาพรวมเทคโนโลยีเตาเผาแบบฟลูอิไดซ์เบดของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ
• เอกสารข้อมูล NETL ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ