Псевдоожиженное состояние

Псевдоожиженное состояние

Содержание
Введение 3
1. Псевдоожиженное состояние 4
1.1. Общая характеристика явления 4
1.2. Основные технологические параметры процесса 7
1.3. Расширение псевдоожиженных систем 9
1.4. Перемешивание в псевдоожиженных системах 9
1.5. Об аналогии между псевдоожиженным слоем
и капельной жидкостью 11
2. Достоинства и недостатки метода псевдоожижения 13
Список литературы 16
Введение
В химической технологии значительное место занимают гетерогенные процессы. К их числу относятся, например, обжиг пиритов в производстве серной кислоты, каталитический кретинг нефтепродуктов, окисление нафталина во фталевый ангидрид, сушка влажных материалов, сорбция из газовых смесей и растворов и др. Твердые зернистые материалы претерпевают при этом химические превращения или физические изменения. До недавнего времени такие процессы осуществляли путем продувания неподвижных слоев зернистых материалов потоком газа (или жидкости). При этом участвовала не вся поверхность твердых частиц, велики были затраты энергии на преодоление гидравлического сопротивления зернистого слоя и часто (например, при обжоге) требовалось громоздкое и металлоемкое оборудование. Форсированию ряда процессов в рассматриваемых условиях часто препятствовала низкая теплообменная способность неподвижного зернистого слоя.
В связи с ростом масштабов и необходимостью резкой интенсификации химического производства были найдены новые технологические методы, среди которых необычайно быстрое распространение получил метод псевдоожижения — взвешивания твердых частиц в потоке газа или жидкости.
Метод псевдоожижения был, видимо, применен впервые в 70-х гг. прошлого столетия для обогащения и обжига различных руд. К началу XX в. относится предложение об использовании псевдоожижения для транспортировки мелкозернистых материалов. В 20-х гг. нашего века псевдоожижение было применено для промышленной газификации бурых углей в генераторе Винклера (1921 г.), а спустя 15-20 лет — для каталитического крекинга нефти. В настоящее время методом псевдоожижения в производственных масштабах осуществляется множество технологических процессов.
1. Псевдоожиженное состояние
1.1. Общая характеристика явления
Слой зернистого твердого материала, пронизываемый восходящим потоком жидкости или газа, может находиться в двух качественно различных стационарных состояниях. При скоростях потока w жидкости или газа ниже некоторой критической величины w’ твердые частицы неподвижны, объемная доля свободного пространства между частицами слоя e0 остается неизменной, а его гидравлическое сопротивление DR возрастает со скоростью w. По достижении скорости w’ гидравлическое сопротивление слоя становиться равным его весу, слой взвешивается, твердые частицы теряют прежний взаимный контакт, получают возможность перемещаться и перемешиваться; слой расширяется, в нем наблюдается проскакивание газовых пузырей, а на его свободной поверхности — волны и всплески. В этом состоянии слой напоминает кипящую жидкость, благодаря чему он назван псевдоожиженным, или кипящим. Динамическое равновесие сохраняется, слой продолжает расширяться и интенсивность движения частиц возрастает при увеличении скорости газа до второго критического значения
w”. При w > w” силы гидродинамического давления становятся больше силы веса и частицы выносятся из слоя.
Скорость w’ называется скоростью начала псевдоожижения (или первой критической), скорость w” – скоростью уноса (или второй критической).
Псевдоожиженный слой может иметь различную структуру. Непосредственно после перехода в псевдоожиженное состояние слой несколько расширен, однороден; его свободная поверхность практически неподвижна, перемещение частиц выражено слабо. С увеличением скорости газа и расширением слоя нарушается его однородность, в нем появляются небольшие газовые пузыри, повышающие интенсивность перемешивания частиц и вызывающие колебания все еще резко очерченной свободной поверхности слоя. При дальнейшем увеличении скорости газа слой продолжает расширяться, так что концентрация твердого материала в объеме слоя понижается и порозность e повышается. При e £ 0,7 псевдоожижение находится в плотной фазе, а приe > 0,7 – в разбавленной фазе. Рост скорости газа в плотной фазе сопровождается увеличением размера и количества всплывающих пузырей, вызывающих сильные завихрения слоя и его перемешивания. Уходящие пузыри, прорывая свободную поверхность слоя, вызывают значительные ее колебания и появление всплесков твердого материала.
Если ожижающим агентом является капельная жидкость, то после псевдоожижения слой постепенно расширяется и остается однородным вплоть до размывания свободной поверхности во всем диапазоне псевдоожижения. В данном случае слабее выражено движение частиц, вдоль слоя наблюдается более четкая сепарация по размерам и плотностям.
Структура псевдоожиженного слоя в значительной степени зависит от свойств твердых частиц. Так, крупные частицы одинакового размера склонны к образованию слоя с барботажем крупных пузырей. Добавление к такому слою порции более мелких частиц несколько увеличивает его однородность (газовые пузыри становятся мельче). Твердые частицы, склонные к агрегированию, образуют при скоростях, незначительно превышающих w’, слой со сквозными каналами; газ проходит по этим каналам без полного контакта с твердыми частицами. В ряде случаев с ростом скорости газа каналы либо исчезают, либо сохраняются только у газораспределительной решетки.
При псевдоожижении в конических и коническо-цилиндрических аппаратах с достаточно большим углом в вершине конуса возможно образования фонтанирующего слоя: ожижающий агент, проходя преимущественно по оси аппарата, увлекает твердые частицы и фонтаном выбрасывает их к периферии. Вдоль боковой поверхности конуса твердая фаза сползает вниз. При небольших углах конусности псевдоожижение возможно почти по всему сечению конуса, при этом эффект фонтанирования невелик.
Рис. 1
На рис. 1 изображена кривая идеального псевдоожижения монодисперсного слоя в аппарате постоянного поперечного сечения. Восходящая ветвь 0A соответствует движению ожижающего агента через неподвижный слой. Абсцисса точки A выражает скорость начала псевдоожижения w’. Горизонтальный участок AB изображает псевдоожиженное состояние, характеризующееся равенством гидродинамического давления и веса слоя, приходящегося на единицу площади его поперечного сечения. Так как этот вес с ростом w не меняется, то остается неизменным и перепад давления в псевдоожиженном слое DRп. Абсцисса точки Bвыражает скорость уноса w”. При w > w” весовое количество твердой фазы в слое падает и DR понижается.
Форма кривой псевдоожижения отражает состояние слоя. Например, если при псевдоожижении твердых частиц образуются сквозные каналы, на кривой появляются невоспроизводимые скачки перепада давления, исчезающие лишь при значительных скоростях газа. Псевдоожижение в конических аппаратах характерно значительным ростом (в 2– 3 раза) пика давления.
1.2. Основные технологические параметры процесса
К важнейшим технологическим параметрам псевдоожижения относятся перепад давления в слое DRп, значения критических скоростей w’ и w”, а также допустимая степень полидисперсности псевдоожижаемых смесей твердых частиц.
Величина DRп, определяющая выбор машины для подачи ожижающего агента, может быть найдена из условия равенства гидродинамического сопротивления слоя эффективному весу взвешиваемых твердых частиц.
На практике вследствие недостаточного полного псевдоожижения, каналообразования, появления застойных зон твердого материала и других отклонений от идеального псевдоожижения значение DRп нередко бывает несколько ниже (на 10% – 15%) рассчитанного.
При переменном поперечном сечении перепад давления DRп не будет оставаться неизменным по мере расширения псевдоожиженного слоя с увеличением скорости движения ожижающего агента. Так, в конических аппаратах (с меньшим основанием внизу) вследствие нарастания площади поперечного сечения кверху закономерно наблюдается понижение DRп с увеличением скорости газа w.
Скорость начала псевдоожижения (точка A на рис. 1) нетрудно определить экспериментально (по кривой псевдоожижения), но ее можно также вычислить по формуле профессора О.М. Тодеса:
Re0’ = Ar / (1400 + 5,22 Ar1/2),
где Re0’ = w’d / n – критерий Рейнольдса (n – вязкость ожижающего агента); Ar – критерий Архимеда.
Скорость уноса частиц w” можно определить экспериментально, а для ее приближенного расчета можно воспользоваться формулой О.М. Тодеса для скорости ”витания”:
Reв = Ar / (18 + 0,61 Ar1/2),
где Reв = wвd / n.
На практике рабочая скорость газа (жидкости) нередко оказывается выше скорости витания наиболее мелких частиц, входящих в состав слоя, но менее скорости витания крупных частиц. Движущей силой процесса уноса является разность между рабочей скоростью и скоростью витания частиц. Выброс частиц с поверхности слоя (всплески) и вынос их из слоя существенно зависят от однородности системы и равномерности газораспределения. Поэтому, использование газораспределительных устройств неудачной конструкции приводит к неравномерному псевдоожижению, интенсивному барботажу пузырей и повышенному выносу материала. С другой стороны, гомогенизирующее воздействие на слой (например, механическое воздействие, способствующее разрушению каналов) или на его поверхность, а также размещение в надслоевом пространстве сеток, решеток и т.п. отбойных устройств приводит к понижению уноса. Имеются процессы, где вынос твердых частиц является составной частью технологии (например, вынос огарка при обжиге пирита, отработанного медно-кремниевого сплава при синтезе алкилхлорсиланов и др.). В этих случаях задача инженера состоит не в предотвращении уноса, а в его упорядочивании и регулировании.
1.3. Расширение псевдоожиженных систем
При проектировании аппарата важно знать степень расширения псевдоожиженного слоя при различных скоростях ожижающего агента. Степень расширения рассчитывается по формуле:
R = H / H0 = (1 – e0) / (1 – e)
Величина R не только диктует рабочую высоту аппаратов, но является также одной из важнейших характеристик состояния псевдоожиженных систем. Так, она характеризует интенсивность перемешивания в псевдоожиженном слое и эффективность выравнивания свойств по объему слоя в результате этого перемешивания. Степень расширения и порозность, будучи связанны со структурой слоя, оказывают существенное, а часто и определяющее влияние на протекание тепло- и массообменных процессов, на ход химических превращений в псевдоожиженном слое.
1.4. Перемешивание в псевдоожиженных системах
Интенсивность взаимного перемещения твердых частиц в псевдоожиженном слое возрастает с увеличением числа псевдоожижения. Скорость пульсационного движения частиц обычно находится на уровне десятка сантиметров в секунду, а длина свободного пробега частицы между двумя соударениями измеряется миллиметрами или сантиметрами. При этом движение частиц в вертикальном направлении более интенсивно, нежели в горизонтальном.
При появлении газовых пузырей в слое значительную роль играют уже перемещения не отдельных частиц, а их агрегатов. Хаотическое движение частиц и агрегатов приводит к выравниванию температуры и других свойств по объему псевдоожиженного слоя.
Наряду с хаотическим (пульсационным) движением твердых частиц, в зависимости от конфигурации и геометрических размеров слоя, в нем может возникнуть и направленная циркуляция зернистого материала, в значительной мере обусловленная барботажем пузырей. Так, при отношении высоты слоя к его диаметру, близкой к единице, в аппаратах небольших диаметров наблюдается преимущественно восходящее движение твердых частиц по оси потока и нисходящее – по периферии слоя. В слое значительной высоты образуется несколько таких зон по высоте.
Интенсивностью перемешивания твердых частиц определяется характер перемешивания ожижающего агента в псевдоожиженном слое, существенно зависящий также от свойств ожижающего агента и твердого материала. Если газ инертен по отношению к твердому материалу, то он переносится отдельными частицами (пограничная пленка около частиц) и в особенности их агрегатами (газ между частицами внутри агрегата). Как правило, перемешивание ожижающего агента в этом случае невелико, и его интенсивность падает с ростом однородности системы. Если же твердые частицы обладают сорбционными свойствами по отношению к ожижающему агенту, то последний обычно перемешан в большей мере, и свойства его в значительной степени выровнены по объему слоя.
Многочисленные исследования показали, что в односекционном аппарате псевдоожиженные системы близки к системам с полным перемешиванием частиц. Исключение составляют высокие слои, псевдоожиженные в аппаратах малого диаметра, где процесс происходит в поршневом режиме. При использовании аппаратов из 8 – 10 секций движение частиц в псевдоожиженном слое по своему характеру приближается к идеальному вытеснению. Также, размещение в аппарате сеток, перегородок, насадки и т.п. предметов также приближает псевдоожиженных слой к системе идеального вытеснения.
Широта гранулометрического состава смеси твердых частиц оказывает влияние на характер псевдоожижения. Так, при добавлении к монодисперсному слою некоторого количества более мелких частиц улучшает однородность псевдоожижения. Добавление частиц большего размера к узкой фракции не дает такого эффекта.
Для осуществления процессов в псевдоожиженном слое зернистых материалов часто используют конические и коническо-цилиндрические аппараты. Понижение скорости ожижающего агента в верхних зонах этих аппаратов обуславливает уменьшение интенсивности всплесков, выбросов и механического уноса.
1.5. Об аналогии между псевдоожиженным слоем и капельной жидкостью
Рассматриваемые системы получили название ”псевдоожиженного” или ”кипящего” слоя из-за своего внешнего сходства с капельной (иногда кипящей) жидкостью. Хаотическое движение и изменение взаимного расположения частиц в таких системах напоминает броуновское движение молекул в жидкости. Именно по этой причине псевдоожиженный слой по многим своим свойствам аналогичен капельной жидкости. Он обладает текучестью, свободно перемещаясь под незначительный уклон (1 – 20); подчиняется законам плавания тел (в частности, закону Архимеда); на его поверхности возникают и распространяются волны, причем отражение их от преград и затухание сходно с соответствующими явлениями на поверхности капельной жидкости.
Установлено, что многие явления в псевдоожиженных и жидкостных системах математически описываются одинаково. Поверхность уровня в псевдоожиженном слое устанавливается в полном соответствии с законом гидростатики (например, горизонтально в покоящемся сосуде). Движение газовых пузырей в обеих системах также подчиняется одинаковым закономерностям. Истечение псевдоожиженного слоя и капельной жидкости из отверстий выражается сходными уравнениями, причем коэффициенты расхода в обоих случаях – величины одного порядка. Коэффициенты теплоотдачи в обоих случаях тоже количественно соизмеримы.
В основе сходства ряда явлений в псевдоожиженном слое и капельной жидкости лежит определенное сходство в энергетическом состоянии обеих систем. Подобно тому, как интенсивность движения молекул в жидкости определяется ее температурой t, интенсивность движения частиц в псевдоожиженной системе можно характеризовать скоростью ожижающего агента w.
Вязкость псевдоожиженного слоя может быть выражена экспоненциальной зависимостью от обратной скорости 1/wожижающего агента, подобно тому, как вязкость жидкости экспоненциально зависит от обратной температуры 1/T.
Переход неподвижного слоя зернистого материала в псевдоожиженное состояние может рассматриваться в аспекте аналогии с плавлением твердого тела, а унос может трактоваться по аналогии с испарением капельных жидкостей.
Над свободной поверхностью псевдоожиженного слоя всегда имеются твердые частицы, причем концентрация их увеличивается с ростом скорости w, подобно повышению давления паров над капельной жидкостью с ростом температуры.
2. Достоинства и недостатки метода псевдоожижения
Целесообразность осуществления конкретных технологических процессов методом псевдоожижения должна определяться с учетом как достоинств, так и недостатков этого метода. К основным достоинствам последнего относятся:
1. Интенсивное перемешивание твердой фазы, приводящее к практически полному выравниванию температур, концентраций и других параметров по объему псевдоожиженного слоя.
2. Высокие значения коэффициентов теплообмена между псевдоожиженным слоем и поверхностями нагрева или охлаждения, приближающиеся к значениям таковых в случае капельных жидкостей.
3. Возможность использования твердых частиц малых размеров, обладающих развитой поверхностью контакта с ожижающим агентом. Это приводит к понижению диффузионного торможения процессов и повышению производительности ряда сорбционных, тепловых, каталитических и других аппаратов.
4. Подвижность (”текучесть”) псевдоожиженного слоя и возможность непрерывной циркуляции твердой фазы через одно- и многоступенчатые аппараты, в том числе и выносные теплообменники.
5. Наибольшее гидравлическое сопротивление псевдоожиженного слоя, независимо от скорости ожижающего агента.
6. Широкий диапазон свойств перерабатываемой твердой фазы, газов, паров и капельных жидкостей, включая пастообразные материалы и суспензии.
7. Сравнительно простое устройство аппаратов и доступность их автоматизации.
Далее перечислены наиболее существенные недостатки метода псевдоожижения:
1. Вследствие интенсивного перемешивания фаз невозможен их противоток в пределах псевдоожиженного слоя при осуществлении химического превращения, тепло- и массообмена. Это ведет к понижению эффективности процессов.
2. Неравномерность времени пребывания в псевдоожиженном слое частиц твердой фазы и порций ожижающего агента. Например, одинаково возможны быстрый проскок частиц и их нахождение в слое дольше среднестатистического времени пребывания.
3. Ухудшение межфазного контакта при интенсивном барботаже крупных пузырей и каналообразовании.
4. Возможность истирания, растрескивания, обуглероживания, слипания, спекания и т.п. нежелательного изменения свойств твердых частиц.
5. Необходимость установки мощных пылеулавливающих устройств на выходе газов из псевдоожиженного слоя, особенно при широком гранулометрическом составе твердой фазы.
6. Ограниченность рабочих скоростей ожижающего агента пределами, соответствующими началу псевдоожижения твердой фазы и ее уносу из слоя.
7. Возникновение значительных зарядов статического электричества при псевдоожижении частиц диэлектрических материалов (взрывоопасность системы).
Достоинства метода, безусловно, превалируют над его недостатками, чем и объясняется широкое распространение техники псевдоожижения для осуществления разнообразных процессов во многих отраслях промышленности.
Список литературы
Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г. Псевдоожижение. –М.: Знание, 1968

Вопрос 2. Физические основы псевдоожижения и расчетные формулы

Модуль №2

Гидромеханические процессы

Лекция №13

Псевдоожижение

Литература:

1. Г.Д. Кавецкий, В.П. Касьяненко «Процессы и аппараты пищевой технологии».- М., КолосС, 2008.-591 с.: ил.

План лекции:

1. Общие сведения.

2. Физические основы псевдоожижения и расчетные формулы.

3. Аппараты с псевдоожиженым слоем.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение состоянию псевдоожижения.

2. С целью интенсификации каких процессов используется процесс псевдоожижения в пищевой промышленности?

3. Назовите основные достоинства процесса псевдоожижения.

4. Назовите основные недостатки метода.

5. Прокомментируйте кривую псевдоожижения.

6. Как выглядит критериальная зависимость для расчета скорости начала псевдоожижения.

7. Как выглядит критериальная зависимость для расчета скорости витания

Вопрос 1. Общие сведения

Псевдоожиженным называется такое состояние двухфазной си­стемы твердые частицы — газ (или жидкость), которое характери­зуется перемещением твердых частиц относительно друг друга в результате подвода энергии от какого-либо источника. Псевдо-ожиженная система, возникшая под воздействием ожижающего агента, получила название псевдоожиженного, или кипящего, слоя, так как этому слою присущи многие свойства капельной жидкости.

Псевдоожиженный слой образуется при восходящем движении ожижающего агента через слой зернистого материала со скорос­тью, позволяющей поддерживать слой материала во взвешенном состоянии.

За последние десятилетия процессы в псевдоожиженном слое получили широкое распространение во многих отраслях промыш­ленности. В псевдоожиженном слое проводят смешивание, транс­портирование, классификацию сыпучих материалов, теплообмен, сушку, например зерна, адсорбцию и др. Это объясняется следую­щими его достоинствами:

происходит интенсивное перемешивание твердой фазы, кото­рое приводит к выравниванию температур и концентраций в ра­бочем объеме аппарата, что исключает локальный перегрев твердых частиц, препятствующий оптимальному проведению процес­са и ухудшающий качество продукции;


текучесть псевдоожиженного слоя позволяет создавать аппара­ты непрерывного действия с непрерывным вводом и отводом от­работанной твердой фазы;

происходят резкое увеличение площади поверхности тепло- и массопередачи и снижение диффузионных сопротивлений в псев­доожиженном слое благодаря использованию частиц малого диа­метра с большой удельной поверхностью, что позволяет увеличить производительность аппаратов при проведении некоторых сорб-ционных, тепловых и других процессов;

коэффициенты теплоотдачи и эффективная теплопроводность от псевдоожиженного слоя к поверхностям нагрева достаточно высоки, что позволяет значительно интенсифицировать теплооб-менные процессы и, как следствие, уменьшить рабочие объемы теплообменных аппаратов;

в аппаратах с псевдоожиженным слоем гидравлическое сопро­тивление невелико и не зависит от скорости ожижающего агента в пределах существования псевдоожиженного слоя;

диапазон свойств твердых частиц и ожижающих агентов (газы, пары, капельные жидкости) достаточно широк и включает в том числе пастообразные материалы и суспензии;

аппараты для проведения процесса довольно просты, их легко механизировать и автоматизировать.

Наряду с большими достоинствами методу проведения процес­сов в псевдоожиженном слое присущи и недостатки:

вследствие интенсивного перемешивания твердой фазы в пре­делах одной секции движущая сила по сравнению с максимально возможной снижается;

время пребывания частиц и ожижающего агента в пределах од­ной секции неравномерно;

частицы в псевдоожиженном слое интенсивно истираются;

пыль, образующаяся при истирании частиц, уносится, и рабо­чая скорость ожижающего агента ограничивается скоростью уноса твердых частиц из слоя. Это вызывает необходимость установки пылеулавливающих устройств;

при псевдоожижении частиц диэлектрических материалов воз­можно возникновение зарядов статического электричества, что делает установку взрывоопасной.

Указанные недостатки метода псевдоожижения не являются определяющими и могут быть частично или полностью устране­ны.

Вопрос 2. Физические основы псевдоожижения и расчетные формулы

Рассмотрим процесс образования псевдоожиженного слоя. В вертикальный аппарат (рис.1), снабженный поперечной пер­форированной газораспределительной решеткой, помещен слой тонкодисперсного твердого материала. Ожижающий агент — газ — подается в нижнюю часть аппарата под газораспределитель­ную решетку. Перепад давления в слое измеряется дифференци­альным манометром.

Состояние двухфазной системы наглядно изображается в виде кривой псевдоожижения, которая выражает зависи­мость перепада давления в слое Δр от скорости ожижающего агента v:

При невысоких скоростях газа слой зернистого материала на решетке остается неподвижным, происходит фильтрация газа че­рез слой (кривая ОК на рис. 2). С увеличением скорости газа перепад давления в слое возрастает, и в определенный момент масса зернистого материала в слое уравновешивается гидродина­мическим давлением потока газа — наступает гидродинамическое равновесие. В этих условиях начинается взаимное пульсационное перемещение частиц. Излом в точке К1 соответствует переходу не­подвижного слоя в псевдоожиженное состояние.

Рис. 1. Аппарат для псевдоожижения:

/ — корпус; 2 — перфорированная решетка; 3—манометр

Рис.2. Кривая псевдоожижения

Абсцисса точки К1 определяет скорость газа v0, при которой начинается псевдоожижение, а ордината — перепад давления в этой точке. Скорость газа (жидкости) v0, при которой слой зернистого материала пере­ходит в псевдоожиженное состояние, называется скоростью начала псевдоожижения. При дальнейшем увеличении скорости газа слой расширяется, интенсивность перемешивания частиц возрастает, но перепад давления остается постоянным.

При определенной так называемой второй критической скорости vB или скорости уноса гидродинамическое равновесие нарушается. Эта скорость является верхним пределом существования псевдоожиженного слоя. При v > vB частицы уно­сятся из слоя, в результате этого снижается их массовое количе­ство и уменьшается энергия, необходимая для поддержания твер­дой фазы во взвешенном состоянии.

Реальная кривая псевдоожижения несколько отличается от идеальной. Для реальной кривой характерно наличие пика давле­ния Δрп в момент перехода в псевдоожиженное состояние, кото­рый объясняется затратой дополнительной энергии на преодоле­ние сил сцепления между частицами. Величина пика давления за­висит от формы и состояния поверхности частиц.

Реальная кривая псевдоожижения обнаруживает гистерезис — так называемые линии прямого и обратного хода, которые полу­чают соответственно при постепенном увеличении и уменьшении скорости газа. Эти линии вблизи точки К не совпадают, причем на линии обратного хода отсутствует пик давлений и она, как прави­ло, располагается ниже линии прямого хода. Участок кривой об­ратного хода левее точки К соответствует более рыхлой упаковке частиц, возможной для неподвижного слоя. Вправо от точки К эти линии совпадают. В реальных условиях перепад давления может не быть строго постоянным, а монотонно возрастать около неко­торого среднего значения.

Форма кривой псевдоожижения отражает состояние слоя.

Пределы существования псевдоожиженного слоя, таким образом, ограничены скоростями начала псевдоожижения и уноса. Резкий пе­реход от неподвижного слоя к псевдоожиженному характерен для слоев, состоящих из частиц близкого между собой размера. Для по­лидисперсных слоев существует область скоростей псевдоожижения, в которой начинается псевдоожижение полидисперсных частиц и за­вершается переход от неподвижного к псевдоожиженному слою.

Отношение рабочей скорости к скорости начала псевдоожиже­ния W= v/v0 называется числом псевдоожижения, кото­рое характеризует состояние псевдоожиженного слоя и интенсив­ность перемешивания частиц в слое. Характеристики псевдоожи­женного слоя зависят от числа псевдоожижения.

Псевдоожижение слоя может быть однородным и неоднород­ным. Однородное псевдоожижение происходит при псевдоожиже­нии слоя капельной жидкостью. Для неоднородного псевдоожи­женного слоя характерно присутствие в слое газовых пузырей (рис.3). При небольших числах псевдоожижения неоднород­ность слоя не сказывается отрицательно на его характеристиках. Движущиеся газовые пузыри интенсифицируют перемешивание частиц в слое. Однако при увеличении числа псевдоожижения неоднородность слоя возрастает: увеличивается размер пузырей и начинается интенсивный выброс (унос) частиц из слоя. Попереч­ный размер пузырей достигает размера аппарата. Возникает так называемый поршневой режим, при котором ухудшается равномерность контакта между газом и частицами материала.

При газовом псевдоожижении, особенно влажных, мелких и слипающихся частиц, может также наблюдаться каналообразование (рис.4), при котором часть газа «проскакивает» через слой. Пре­дельный случай каналообразования — образование фонтанирующе­го слоя. При фонтанировании поток газа (или жидкости) прорыва­ется через слой по каналу, возникающему вблизи оси аппарата.

Различают псевдоожижение в плотной и разбавленной фазах.

Псевдоожижение в плотной фазе наблюдается, когда скорость газа находится в пределах между скоростью начала псевдоожиже­ния v0 и скоростью уноса vB. При v > vB происходит пневмотранспортирование частиц из слоя в слой. В этом случае псевдоожиженный слой находится в разбавленной фазе. В пределе разбав­ленная фаза существует, когда хотя бы одна частица находится в газовом потоке.

Для создания и поддержания в псевдоожиженном состоянии слоя твердых частиц требуются затраты энергии Е, которая расходуется на преодоление трения частиц друг о друга и газа об их поверх-

Рис.3. Структура неоднородного псевдоожиженного слоя

(2)

В точке начала псевдоожижения согласно уравнению (2)

Приравнивая выражения (1) и (2), получают уравнение определения скорости псевдоожижения

f(v0)=ρэ (1-ε0).

В литературе предложен ряд зависимостей для расчета скорос­ти начала псевдоожижения, полученных на основе различных уравнений для расчета гидравлического сопротивления слоя.

Для расчета перепада давления в слое можно рекомендовать уравнение Эргана

из которого путем несложных преобразований О. М. Тодес получил критериальную зависимость для расчета скорости начала
псевдоожижения

(3)

При расчете скорости псевдоожижения по уравнению (3) вычисляют сначала значение критерия Аг по уравнению (9.14), за­тем находят величину Re0 и по ней, используя уравнение вычисляют скорость

начала псевдоожижения

Для частиц несферической формы скорость начала псевддожижения определяют с учетом фактора формы Ф.

Размер частиц, форма которых отличается от сферической, оп­ределяют как диаметр шара, по объему равновеликого частице:

(4)

Скорость витания (уноса)

где v — коэффициент кинематической вязкости.

Вопрос 3. Аппараты с пневдоожиженным слоем

Разработаны многочисленные конструкции аппаратов с псев-доожиженным слоем, учитывающие технологические условия протекания процессов, требования к качеству получаемых про­дуктов, специфические особенности взаимодействующих веществ. На рис. 5 показаны некоторые схемы аппаратов с псевдоожиженным слоем.

По принципу действия эти аппараты бывают периодического и непрерывного действия. В аппаратах непрерывного действия газо­вый поток взаимодействует с зернистым материалом, который не­прерывно вводится в аппарат и выводится из него. Процесс может происходить в противотоке, прямотоке и перекрестном токе.

В цилиндрический противоточный аппарат непрерывного действия (см. рис. 5, а) ожижающий газовый поток поступает снизу под газораспределительную решетку, а зернистый материал — в верх­нюю часть аппарата. Для поддержания определенного уровня ма­териала на газораспределительной решетке и выведения его из ап­парата служит переточный патрубок.

Вертикальные цилиндрические силосы(см. рис. 5, б) исполь­зуют для накопления и усреднения больших партий зерновых ма­териалов. Псевдоожиженный слой создается газом (воздухом), по­ступающим во внутреннюю полость между двумя днищами, кото­рая разделена концентрической перегородкой на внешнее и внут-реннее кольцо. Во внешнее кольцо подается примерно в 2 раза больше газа, чем во внутреннее. За счет разного количества газа, подаваемого во внешнее и внутреннее кольца, в силосе создается направленная циркуляция зернового материала от периферии к оси аппарата, способствующая его перемешиванию.

В конических аппаратах(см. рис.5, в) уменьшение скорости снизу вверх позволяет псевдоожижать полидисперсные материа­лы. Газ подается через небольшое отверстие в нижней части аппа­рата с высокой скоростью. Это позволяет при необходимости ра­ботать без газораспределительной решетки, что особенно важно при псевдоожижении комкующихся и слипающихся материалов. При значительном угле конусности аппарата струя газа может оторваться от стенок аппарата и образовать сплошной канал. По этому каналу будет двигаться с большой скоростью поток газо­взвеси, образующий над поверхностью слоя фонтаны твердых час­тиц. Такой слой называется фонтанирующим.

В аппаратах с фонтанирующим слоем возникает интенсивная циркуляция зернистого материала от оси к его стенкам.

На рис.5, д показана установка для пневмотранспортированиязернистого материала в разбавленной псевдоожиженной фазе. Зернистый материал дозируется в пневмолинию с помощью шлю­зового затвора. Разделение псевдоожиженного слоя на зернистый материал и газ происходит на новом уровне в циклоне.

При псевдоожижении мелких частиц диаметром 25…40мкм, склонных к агломерации, слипанию и электризации, для улучшения перемешивания и разрушения застой­ных зон, а также для интенсификации процессов тепло- и массообмена исполь­зуют газомеханический способ псевдо­ожижения. При этом способе дополни­тельную энергию вводят в слой посред­ством различного рода перемешивающих устройств и вибраторов.

Для уменьшения эффекта обратного перемешивания зернистого материала, ко­торое приводит к снижению движущей силы процесса, в противоточных аппара­тах непрерывного действия применяют секционирование(рис.6), т. е. разделяют весь слой зернистого материала по высоте перфорированными перегородками (возможно насадкой).

Рис. 6. Секционный аппарат непрерывного действия:

1— корпус; 2 — газораспределительная решетка; 3— пере­точное устройство

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПСЕВДООЖИЖЕНИЯ

АППАРАТЫ С ПСЕВДООЖИЖЕНЫМ СЛОЕМ. ПЕРЕМЕШИВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

ЛАБОРАТОРНАЯ PAБOTA №8.

Цел|ь работы: Изучение принципа работы и конструкций аппаратов с псевлоожиженным слоем и перемешивающих устройств.

Порядок выполнения работы:

1. Изучить принцип работы и конструкции аппаратов с псевдоожиженным слоем и перемешивающих устройств.

2. Подготовить краткое описание принципа работы и устройства изучаемого оборудования.

3. Ответить на контрольные вопросы.

Основное содержание работы

Псевдоожмженным называют такое состояние двухфазной системы твердые частицы-газ (или жидкость), которое характеризуется перемещением твердых частиц относительно друг друга за счет подвода энергии от какого-либо источника. Псевдоожиженная система, возникшая под воздействием сжижающего агента, получила название псевдоожнуенного, или кипящего, слоя, так как этому слою присущи многие свойства капельной жидкости.

Псевдоожиженный слой образуется при восходящем движении сжижающего агента через слой зернистого материала со скоростью, позволяющей поддерживать слой материала во взвешенном состоянии.

За последние десятилетия процессы в псевдоожиженном слое получили широкое распространение во многих отраслях промышленности. В псевдоожиженном слое проводятся процессы смешивания, транспортировки,

классификации сыпучих материалов, теплообмена, сушки, например зерна, адсорбции и др.

Рассмотрим образование псевдоожиженного слоя. В вертикальном аппарате (рис. 1), снабженном поперечной перфорированной газораспределительной решеткой, помешен слой тонкодисперсного твердою матерная». Ожижающий агент — газподается в нижнюю часть аппарата под газораспределительную решетку. Перепад давления в слое измеряется дифференциальным манометром.

Состояние двухфазной системы наглядно изображается в виде кривом псевдоожижения. Эта кривая выражает зависимость перепада давления в слое ∆р от скорости ожижающего агента v.

∆р/Но =f(v), где Но— высота неподвижного слоя, м.

При невысоких скоростях газа слой зернистого материала на решетке остается неподвижным, происходит фильтрация газа через слои (кривая ОК на рис. 2). С увеличением скорости газа перепад давления в слое возрастает, и в определенный момент масса зернистого материала в слое уравновешивается гидродинамическим давлением потока газа — наступает гидродинамическое равновесие. В условиях гидродинамического равновесия начинается взаимное пульсационное перемещение частиц. Излом в точке K1 соответствует переходу неподвижного слоя в псевдоожиженное состояние. Абсцисса точки К1 определяет скорость газа, при которой начинается псевдоожижение, а ордината — перепад давления в этой точке. Скорость газа (жидкости) Vo, при которой слой зернистого материала переходит в псевдоожиженное состояние, называется скоростью начала псевдоожижения. При дальнейшем увеличении скорости газа слой расширяется, интенсивность перемешивания частиц возрастает, но перепал давления остается постоянным.

Рис. 1 Аппарат для псевдоожижения:

Аппарат для псевдоожижения:

1 — корпус; 2 — перфорированная решетка; З — манометр

Рис. 2 Кривая псевдоожижения.

При определенной так называемой второй критической скорости Vв, или скорости уноса, гидродинамическое равновесие нарушается. Эта скорость является верхним пределом существования псевдоожиженного слоя. При V>Vв частицы уносятся из слоя, в результате этого снижается их массовое количество и уменьшается энергия, необходимая для поддержания твердой фазы во взвешенном состоянии.

Реальная кривая псевдоожижения несколько отличается от идеальной. Для реальной кривой характерно наличие пика давления ∆рn в момент перехода в псевдоожиженное состояние, который объясняется затратой дополнительной энергии на преодоление сил сцепления между частицами. Величина пика давления зависит от формы и состояния поверхности частиц.

Реальная кривая псевдоожижения обнаруживает гистерезис — так называемые линии прямого и обратного хода, которые получают соответственно при постепенном увеличении и уменьшении скорости газа. Эти линии вблизи точки К не совпадают, причем на линии обратного хода отсутствует инк давлений и она, как правило, располагается ниже линии прямою хода. Участок кривой обратного хода левее точки. К соответствует более рыхлой упаковке частиц, возможной для неподвижно о слоя. Bправо отточки К эти линии совпадают. В реальных условиях перепад давления может не быть строго постоянным. Он может монотонно возрастать, а также колебаться около некоторого среднего значения.

Форма кривой псевдоожижения отражает состояние слоя. Пределы существования псевдоожиженного слоя, таким образом, ограничены скоростью начала псевдоожижения и скоростью уноса. Резкий переход от неподвижного слоя к псевдоожиженному характерен для слоев, состоящих из частиц близкого размера. Для полидисперсных слоев существует область скоростей псевдоожнжения, в которой начинается псевдоожижение пол и дисперсных частиц и завершается переход от неподвижного к псевдоожижен ному слою.

Отношение рабочей скорости к скорости начала псевдоожижения

W =V/Vo называется числом псевдоожнжения. Число псевдоожижеиия характеризует состояние псевдоожиженного слоя и интенсивность перемешивания частиц в слое. Характеристики псевдоожиженного слоя зависят от числа псевдоожижения.

Псевдоожижение слоя может быть однородным и неоднородным. Однородное псевдоожижение имеет место при псевдоожижении слоя капельной жидкостью. Для неоднородного псевдоожиженного слоя характерно наличие в слое газовых пузырей.

Псевдоожиженный слой

Псевдоожиженный слой представляет собой слой частиц, через который пропускается нагнетаемый снизу воздух. При увеличении скорости воздушного потока происходит квадратичное по отношению к скорости падение давления над слоем топлива. Затем при определенной скорости воздушного потока падение давления становится постоянным. Эту скорость называют минимальной скоростью сжижения. При этой скорости частицы начинают интенсивно перемещаться в потоке воздуха, приобретая свойства, напоминающие свойства жидкостей. Если скорость воздушного потока меньше этого предельного значения скорости, слой топлива остается статичным.

Если скорость воздушного потока превышает минимальную скорость сжижения, падение давления над слоем топлива более не увеличивается.

Сжигание топлива в псевдоожиженном слое происходит внутри него. В псевдоожиженном слое содержится только несколько процентов топлива, например щепы или торфа. Остальное вещество слоя состоит из инертных материалов — песка или золы.

Благодаря интенсивному теплопереносу в псевдоожиженном слое происходит быстрое высушивание и испарение частиц, вовлекаемых в слой. Испаряющиеся частицы называют «угольной массой». Летучие компоненты сжигаются как газ вместе с частицами топлива.

При этом критическими факторами становятся время пребывания в слое газа и время воздействия воздушного потока, которое должно быть достаточным для того, чтобы обеспечить полное сжигание летучих компонентов. Равномерное распределение топлива в объеме слоя обеспечивает эффективное сгорание топлива.

В псевдоожиженном слое поддерживается относительно низкая температура горения, около 850 °С, с тем, чтобы не допустить спекания частиц золы и создать максимально благоприятные условия для связывания серы в слое, в который с этой целью добавляют доломит или известняк.

В процессе горения в результате дробления увеличивается количество отдельных частиц. Когда частицы становятся достаточно мелкими, их можно удалить из слоя. Этот процесс называется сепарацией.

Находясь в псевдоожиженном слое, частицы подвергаются воздействию относительно высокой температуры. Эта температура приблизительно на 100-300 °С выше, чем средняя температура слоя. При удалении из слоя частиц температура быстро уменьшается до значения ниже 700 °С и прекращается сгорание частиц угольной массы. Присутствие несгоревших частиц в золе нельзя исключить, но возможно минимизировать, поддерживая соответствующую скорость воздушного потока и используя топку соответствующей конструкции.

Контроль параметров псевдоожиженного слоя

Контроль параметров слоя можно осуществлять с использованием следующих трех методов или сочетаний этих методов.

Регулирование количества топлива и воздуха, подаваемых в топку, обеспечивающее поддержание постоянной температуры циркулирующей воды. Поддерживается постоянное отношение количество топлива/количество воздуха с тем, чтобы получить требуемое содержание О2 в отходящих газах.

Псевдоожиженный слой разделен на зоны с тем, чтобы перекрыть поток воздуха в отдельные части слоя.

Этот метод нельзя использовать при сжигании топлива с низкой зольностью.

При уменьшении количества материала слоя отключаются охлаждающие трубы слоя. Одновременно следует уменьшить количество топлива и воздуха.

Топливо может подаваться в топку либо снизу вверх над дном топки, либо над поверхностью слоя топлива. Подача топлива может производиться пневматическим или винтовым питателями. Для того, чтобы обеспечить равномерное распределение топлива в объеме топки, необходимо предусмотреть несколько точек подачи.

При активации псевдоожиженного слоя материал слоя должен быть нагрет до температуры приблизительно 600 °С с помощью стартовой горелки. Это сокращает период инициирования устройством процесса сжижения.

Псевдоожиженный слой обычного типа

Псевдоожиженный слой обычного типа подразделяется на две категории: кипящий слой и турбулентный слой. Когда над слоем больше не увеличивается падение давления, «избыточный воздух» начинает проходить через слой в форме пузырьков воздуха, создавая кипящий слой.

С повышением скорости воздушного потока увеличивается образование пузырьков, появляющихся и исчезающих в различных частях слоя. Такой слой называется турбулентным. При использовании в качестве топлива коры и щепы, имеющих низкую теплоту сгорания, охлаждать слой обычно не требуется. Зола удаляется вместе с отходящими газами и задерживается пылеуловителем.

Циркулирующий псевдоожиженный слой

В циркулирующем псевдоожиженном слое скорость воздушного потока возрастает до уровня, при котором топливные частицы выносятся за пределы слоя. Части угольной массы, которые не успевают полностью сгореть, отделяются и переносятся в нижнюю часть топки.

Таким образом, условия сжигания топлива в такой топке несколько отличаются от условий сжигания в кипящем слое — в основном по времени действия воздушного потока и степени перемешивания частиц, которое в этой топке происходит более эффективно.

Концентрация частиц в слое может изменяться в зависимости от параметров рециркулирующего потока. Это позволяет использовать различные виды топлива, так как управляемость этого слоя значительно выше, чем управляемость кипящего слоя.

Сжигание топлива в нескольких псевдоожиженных слоях

При сжигании топлива в нескольких псевдоожиженных слоях псевдоожиженные слои располагаются последовательно над участком подачи воздуха. В первом слое сжигание топлива осуществляется при температуре 900-950 °С. Так называемое вторичное сжигание происходит при температуре около 850 °С во втором (верхнем) слое.

Первичный воздух, подаваемый для поддержания процесса горения, равномерно распределяется над слоем топлива с помощью охлаждающей плиты, расположенной на дне топки. После образования псевдоожиженного слоя в него подается топливо. Под воздействием газов, образующихся при сжигании топлива в первом слое, и потока вторичного воздуха, нагнетаемого через распределительное устройство подачи воздуха второго слоя, происходит флюидизация второго слоя. Несгоревшие частицы, увлекаемые отходящими газами первого слоя, захватываются вторым слоем для вторичного сжигания.

5.5.5. Псевдоожиженные слои

Слой зернистого твердого материала, пронизываемый восходящим потоком жидкости или газа, может находиться в двух качественно различных стационарных состояниях. При фиктивной скорости потока ниже некоторой критической величинытвердые частицы неподвижны (рис. 5.18а), порозность слоянеизменна, а его гидравлическое сопротивлениерп, как ранее показано, возрастает с увеличением скорости . По достижении скоростипотерянное давлениерп становится равным весу слоя, отнесенному к площади его поперечного сечения, слой взвешивается, твердые частицы теряют прежний взаимный контакт, получают возможность перемещаться и перемешиваться; слой расширяется, на его свободной поверхности видны волны и всплески. В этом состоянии (рис. 5.18б) слой напоминает кипящую жидкость, благодаря чему он назван псевдоожиженным, или кипящим. С дальнейшим ростом скорости потока до некоторой величины слой продолжает расширяться и интенсивность движения частиц увеличивается. Прислой настолько разрыхляется, что частицы движутся независимо друг от друга и сила сопротивления отдельной частицы становится равной ее весу. Численное значение скоростисовпадает со скоростью осажденияи может быть найдено из уравнения (5.207). При дальнейшем увеличении скоростичастицы начинают уноситься из слоя со скоростью. Скоростьназываетсяскоростью начала псевдоожижения, а скорость скоростью начала уноса.

Рис. 5.18. Различные состояния зернистого слоя: а) – неподвижный слой; б) д) псевдоожиженный слой; 1 твердые частицы, 2 газовые пузыри, 3 газовые пробки, 4 сквозные каналы

Структура псевдоожиженного слоя зависит от того, жидким или газовым потоком достигается псевдоожижение. В случае жидкого потока структура слоя сохраняется достаточно однородной, что объясняется малой разницей плотностей твердой и жидкой фаз. Однако на практике чаще всего для псевдоожижения используется поток газа. В этом случае непосредственно после перехода в псевдоожиженное состояние слой несколько расширяется, он однороден; его свободная поверхность практически неподвижна, перемещение частиц выражено слабо. С ростом скорости газа и расширения слоя в его объеме появляются газовые пузыри (нарушается однородность), повышающие интенсивность перемешивания частиц и вызывающие колебания свободной поверхности слоя. При этом возрастает порозность слоя, увеличиваются размеры и количество всплывающих газовых пузырей (рис. 5.18в). При выходе из слоя пузыри, прорывая его свободную поверхность, вызывают ее колебания и появление всплесков твердых частиц. В узких и высоких слоях восходящие пузыри сливаются и могут занять все поперечное сечение, образуя газовые «пробки», которые чередуются с движущимися «поршнями» твердых частиц (рис. 5.18г). В таком поршнеобразном псевдоожиженном слое перемешивание твердых частиц затруднено. В слое твердых частиц, склонных к агрегированию, при скоростях газа, незначительно превышающих, образуются сквозные каналы (рис. 5.18д), через которые газ проходит без полного контакта с твердыми частицами. Эти каналы часто либо полностью исчезают при увеличении скорости газа, либо сохраняются лишь в основании слоя.

Псевдоожижение слоя графически изображается «кривой псевдоожижения», выражающей зависимость потерянного давления рп в слое от фиктивной скорости ожижающего агента (газа, жидкости). На рис. 5.19а показана кривая идеального псевдоожижения монодисперсного слоя твердых частиц в аппарате постоянного поперечного сечения. Восходящая ветвь О-А (прямая при ламинарном движении и кривая при других режимах) соответствует движению ожижающего агента через неподвижный зернистый слой. Абсцисса точки А () выражает скорость начала псевдоожижения. Горизонтальный участокАВ изображает псевдоожиженное состояние, здесь сохраняется pп=const. Абсцисса точки В выражает скорость начала уноса . Скорость называют скоростью уноса, или скоростью свободного витания частиц, ее обозначают Wвит.

а) б)

Рис. 5.19. Кривые псевдоожижения: а идеального; бреального

В реальных условиях кривая псевдоожижения (рис. 5.19б) отличается от изображения на рис. 5.19а. Дело в том, что за пределами величинаpп продолжает некоторое время расти в связи с затратами энергии на преодоление сил сцепления твердых частиц, а также на их трение со стенкой и между собой. После перехода слоя в псевдоожиженное состояние сопротивление его падает до характерного уровня . Значение пика давленияП зависит от свойств твердых частиц.

Кривая псевдоожижения, показанная сплошными линиями на рис. 5.19б, строится по сопряженным значениям pп и , непосредственно измеренным при постепенном увеличении скорости потока ожижающего агента, в этом случае получается кривая прямого хода. Если же строить кривую псевдоожижения по сопряженным значениямpп и , измеренным при постепенном уменьшении скорости отдо нуля, то кривая, показанная пунктирной линией на рис. 5.19б, носит название кривой обратного хода. Обе кривые совпадают в области развитого псевдоожижения, но расходятся вблизи начала псевдоожижения и в областипричем отсутствует пик давления для кривой обратного хода. Меньшие значенияpп для неподвижного слоя по кривой обратного хода обусловлены более рыхлой упаковкой слоя в результате понижения скорости .

Отношение рабочей скорости , значение которой должно находиться в пределах между и, к скорости начала псевдоожижения называетсячислом псевдоожижения и обозначается Kw:

. (5.245)

Расчетным путем величина может быть определена исходя из условия равенства потерянного давления в слое весу твердой фазы, отнесенному к площади поперечного сечения аппарата:

. (5.246)

При подстановке выражения (5.240) для коэффициента сопротивления г.с в уравнение (5.235) находится зависимость гидравлического сопротивления неподвижного слоя от различных факторов:

(5.247)

или после подстановки значения Re из выражения (5.238):

(5.248)

Подставляя рп из (5.248) для неподвижного слоя в (5.246) для псевдоожиженного слоя, получим уравнение для скорости начала псевдоожижения

. (5.249)

Умножим обе части этого уравнения на /2, тогда

или

, (5.250)

где Ar критерий Архимеда; Re0,пс критическое значение модифицированного критерия Рейнольдса (см.выражение 5.238), соответствующее началу псевдоожижения.

Для частиц формы, близкой к шарообразной, значение фактора Ф, определяемого уравнением Ф=Fш/Fч, близко к единице, а средняя порозность неподвижного слоя может быть принята равной 0,4. В данном случае путем приближенного решения уравнения (5.250) получают следующее выражение критического значения числа Рейнольдса, при котором начинается псевдоожижение:

. (5.251)

При расчете скорости начала псевдоожижения с помощью этого уравнения вычисляют сначала значение критерия Архимеда:

, (5.252)

затем находят величину Re0,пс из уравнения (5.251) и по ней, пользуясь выражением (5.239), величину . В случае с увеличением скорости слой расширяется и доля его свободного объема возрастает. При этом высота псевдоожиженного слоя Нпс и первоначальная высота неподвижного слоя Нн связаны зависимостью

Псевдоожижение

Физическая сущность и области промышленного применения

Процесс взаимодействия газов и жидкостей с твердыми зернистыми и пылевидными материалами, при проведении которого твердые частицы приобретают подвижность друг относительно друга за счет обмена энергией с псевдоожижающим потоком из-за внешнего сходства с поведением обычной капельной жидкости, называется псевдоожижением. Псевдоожиженный слой принимает форму вмещающего его аппарата, поверхность слоя (без учета всплесков) горизонтальна. Одновременно обнаруживаются и другие свойства, аналогичные свойствам жидкости: текучесть, вязкость и поверхностное натяжение. Тела, имеющие меньшую плотность, чем псевдоожиженный слой, всплывают в нем, а большую — тонут.

Преимущества

  • 1. Твердые частицы в псевдоожиженном состоянии можно перемещать по трубам, что позволяет многие периодические процессы осуществлять непрерывно.
  • 2. Особенно выгодно применение псевдоожиженного слоя для процессов, скорость которых определяется термическим или диффузионным сопротивлением в газовой фазе. Эти сопротивления в условиях псевдоожижения уменьшаются в десятки, а иногда и в сотни раз, а скорость процессов соответственно увеличивается.
  • 3. Благодаря интенсивному перемешиванию твердых частиц в псевдоожиженном слое практически выравнивается поле температур, устраняется возможность значительных локальных перегревов и связанных с этим нарушений в протекании ряда технологических процессов.

Недостатки

  • 1. Вызванное интенсивным перемешиванием твердых частиц выравнивание температур и концентраций в слое приводит к уменьшению движущей силы процесса.
  • 2. Возможность проскока значительных количеств газа без достаточного контакта с твердыми частицами уменьшает выход целевого продукта.
  • 3. Износ самих твердых частиц.
  • 4. Эрозия аппаратуры.
  • 5. Возникновение значительных зарядов статического электричества.
  • 6. Необходимость установки мощных газоочистных устройств. Процессы, в которых используется псевдоожижение твердых частиц, нашли широкое применение в различных отраслях промышленности:
    • • химические (каталитический крекинг нефтепродуктов, многочисленные гетерогенные каталитические реакции, газификация топлив, обжиг сульфидных руд и др.);
    • • физические и физико-химические (сушка мелкозернистых, пастообразных и жидких материалов, рудных концентратов, сублимационная очистка газов, термическая обработка металлов, нагрев и охлаждение газов и др.);
    • • механические (обогащение, классификация, гранулирование, смешение и транспортировка зернистых и пылевидных материалов).

Рис. 3.66. Схема аппарата с псевдоожиженным слоем:

У — корпус; 2 — частицы;

3 — перфорированная перегородка

Аппарат с псевдоожиженным слоем схематично представлен на рис. 3.66. В корпусе 1 аппарата расположена перфорированная перегородка J, на которую помещен слой зернистого или пылевидного материала 2. Через слой твердых частиц, расположенный на поддерживающей перфорированной решетке аппарата, проходит поток псевдоожижающего агента (газа или жидкости), состояние слоя оказывается различным в зависимости от скорости этого потока.

При плавном увеличении скорости потока от нуля до некоторого первого критического значения происходит обычный процесс фильтрования, при котором твердые частицы неподвижны (рис. 3.67, а). На графике процесса псевдоожижения, выражающем зависимость перепада статического давления в слое материала от скорости псевдоожижающего агента (рис. 3.68, а), процессу фильтрации соответствует восходящая ветвь ОА.

В случае малого размера частиц и невысоких скоростей фильтрации псевдоожижающего агента режим его движения в слое ламинар-

Рис. 3.67. Режимы псевдоожижения

Рис. 3.68. График зависимости перепада статического давления в слое материала от скорости псевдоожижающего агента

ный и ветвь ОЛ прямолинейна. В случае крупных частиц при достаточно высоких скоростях псевдоожижающего агента перепад давления может расти нелинейно с увеличением скорости (переходный и турбулентный режимы).

Переход от режима фильтрации к состоянию псевдоожижения соответствует на кривой псевдоожижения критической скорости псевдоожижающего агента Wnc (точка Л, см. рис. 3.68, а), называемой скоростью начала псевдоожижения.

В момент начала псевдоожижения масса зернистого или пылевидного материала, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения аппарата, уравновешивается силой гидравлического сопротивления слоя

где тсл — масса материала в слое;/— поперечное сечение аппарата с псевдоожиженным слоем.

С учетом архимедовых сил, действующих на частицы слоя, выражение можно представить в виде

где /г0 — высота неподвижного слоя; р и ра — плотности твердых частиц и псевдоожижающего агента; s0 — порозность неподвижного слоя, т.е. относительный объем пустот в неподвижном слое:

здесь V0 и V — объем неподвижного слоя и суммарный объем частиц.

При скорости начала псевдоожижения и выше сопротивление слоя Арсл сохраняет практически постоянное значение и зависимость Арсл = f{W) выражается прямой ЛВ, параллельной оси абсцисс (см. рис. 3.68, а). Это объясняется тем, что с ростом скорости псевдоожижающего агента контакт между частицами уменьшается и они получают большую возможность хаотического перемешивания по всем направлениям. При этом возрастает среднее расстояние (просветы) между частицами, т.е. увеличивается порозность слоя е и, следовательно, его высота И. Так как перепад давления в псевдоожиженном слое Арсл остается практически постоянным, высоту такого расширяющегося слоя можно определить из уравнения

откуда

В зависимости от свойств псевдоожижающего агента и его скорости можно наблюдать несколько стадий процесса псевдоожижения. При скоростях псевдоожижающего агента, незначительно превышающих Wnc, т.е. при W> Wnc, наблюдается так называемое однородное псевдоожижение (рис. 3.67, б). Однородное псевдоожижение для значительного диапазона скоростей наблюдается также при псевдоожижении зернистых материалов капельными жидкостями (р и ра одного порядка).

По мере роста скорости при псевдоожижении газом в слое образуются компактные массы газа («пузыри») и у поверхности возникают всплески твердых частиц. При этом наблюдаются значительные пульсации статического и динамического напора псевдоожижающего агента. Такой характер гидродинамики слоя называют неоднородным псевдоожижением (рис. 3.67, в).

При достижении некоторого второго критического значения скорости Wy, называемой скоростью уноса, твердые частицы начинают выноситься из слоя (рис. 3.67, г) и их количество в аппарате уменьшается. Порозность такого слоя стремится к единице, и сопротивление слоя правее точки В (см. рис. 3.68, а) также падает.

Рассмотренный график ОАВ (см. рис. 3.68, а) называют кривой идеального псевдоожижения.

На практике действительная кривая псевдоожижения отличается от идеальной. Крутизна восходящей ветви реальной кривой псевдоожижения определяется плотностью первоначальной засыпки твердых частиц: при более плотной упаковке сопротивление слоя несколько выше и восходящая ветвь идет круче (см. рис. 3.68, б, кривая /), при более рыхлой — полого (см. рис. 3.68, б, кривая 2). В момент перехода слоя в псевдоожиженное состояние наблюдается пик давления, обусловленный необходимостью затраты дополнительной энергии на преодоление сил сцепления. Величина пика давления определяется плотностью первоначальной упаковки частиц, их формой и состоянием поверхности.

При постепенном уменьшении скорости псевдоожижающего агента и переходе слоя от псевдоожиженного состояния к неподвижному кривая 3 располагается ниже кривых 1 и 2 (см. рис. 3.68, б), что соответствует более рыхлой структуре неподвижного слоя для этого случая.

Для полидисперсных материалов, как правило, наблюдается переходный диапазон скоростей между режимами фильтрации и псевдоожижения (см. рис. 3.68, в). Вначале при некоторой скорости W^c приходят в движение наиболее мелкие частицы. По мере приближения к скорости W^. все большее число частиц переходит во взвешенное состояние, наступает полное псевдоожижение.

В реальных условиях поведение слоя во многом зависит от конструктивных особенностей аппаратов. Так, в аппаратах с большим отношением h / D (т.е. в узких и высоких) пузыри газа, сливаясь по мере подъема, могут образовывать сплошные газовые «пробки», перемещающиеся с движущимися «поршнями» псевдоожижающего зернистого материала (рис. 3.68, д). Сопротивление слоя при этом начинает превышать расчетное значение Дрсл, определяемое равенством (3.107).

При малых отношениях h / D и при наибольших скоростях псевдоожижающего агента в аппаратах с перфорированными газораспределительными решетками могут возникать сквозные каналы, по которым устремляется основная часть газового потока — слой с ка- налообразованием (см. рис. 3.67, е). При этом в слое твердых частиц образуются застойные зоны и общее сопротивление слоя оказывается меньше расчетной величины, определяемой уравнением (3.107) (см. рис. 3.68, г, кривая 2).

Стадии процесса псевдоожижения. Кривая псевдоожижения. Порозность слоя. Критические скорости процесса псевдоожижения. Число псевдоожижения.

Порозность псевдоожиженного слоя является — важной характеристикой состояния системы и определяет не только степень расширения слоя, а следовательно, и его высоту, тем самым устанавливая выбор размеров аппарата, но и интенсивность процессов тепло — и массообме-на, входя в различные расчетные формулы.

Критические скорости процесса псевдоожижения

Переход от режима фильтрации к режиму псевдоожижения соответствует на кривой псевдоожижения критической скорости псевдоожижающего Wпс (точка А, рис.1), называемой скоростью начала псевдоожижения. В момент начала псевдоожижения вес зернистого материала, приходящийся на единицу площади поперечного сечения аппарата уравновешивается силой гидравлического сопротивления слоя

где — высота неподвижного слоя; и -плотности твердых частиц и псевдоожижающего агента; — порозность неподвижного слоя.

где V0 и V — объем неподвижного слоя и объем частиц.

Рис.1. Изменение перепада давления в слое зернистого материала в зави-симости от скорости газового (жидкостного) потока, проходящего через слой.

Число псевдоожижения характеризует интенсивность перемешивания частиц и состояние псевдоожиженного слоя. Оптимальные значения устанавливаются обычно практически для каждого конкретного технологического процесса и могут изменяться в довольно широких пределах.

Способы измельчения твердых материалов. Степень измельчения. Затраты энергии на ведение процессов дробления. Валковая мельница. Расчет размера куска и угла захвата его валками мельницы.

Измельчение — разрушение твердых тел до требуемых размеров. По размеру (крупности) измельченного продукта измельчение разделяют на два типа:

· Дробление: грубое (300-100 мм), среднее (100-25 мм) и мелкое (25-1 мм).

Цель дробления — получение кускового продукта необходимой крупности, а также подготовка к помолу.

· Помол: грубый (1000-500 мкм), средний (500-100 мкм), тонкий (100-40 мкм) и сверхтонкий ( < 40 мкм).

Цель помола — увеличение дисперсности твердого материала, придание ему определенного гранулометрического состава и формы частиц, дезагрегирование.

Раздавливание — тело под действием нагрузки деформируется по всему объему и, когда внутреннее напряжение в нем превысит предел прочности сжатию, разрушается. В результате такого разрушения получают частицы различного размера и формы. Подвергаются хрупкие материалы.

Раскалывание — тело разрушается на части в 1 местах концентрации наибольших нагрузок, передаваемых клинообразными рабочими элементами измельчителя.

Разламывание — тело разрушается под действием изгибающих сил. Размеры и форма частиц, получающихся при разламывании, примерно такие же, как и при раскалывании.

Резание — тело делится на части заранее заданных размеров и формы. Процесс полностью управляемый. Для вязких материалов.

При распиливании результаты получаются такие же, как и при резании. Процесс полностью управляем, и частицы имеют заранее заданные размер и форму.

Истиранием — тело измельчается под действием сжимающих, растягивающих и срезающих сил.

Удар — тело распадается на части под действием динамической нагрузки. Для хрупких материалов. Длительность воздействия меньше чем при раздавливании.

Степень измельчения — величина, представляющая собой отношение поперечного размера наиболее крупного куска огнеупорного сырья (материала) до измельчения к поперечному размеру наиболее крупного куска после измельчения.

Эта формула была рекомендована для определения расхода энергии, затрачиваемой на измельчение материала:

Мельницы предназначены для размола до пылевидного состояния каменного угля, полуантрацитов, тощего угля, бурого угля (с предварительной сушкой) в системах топливоприготовления на тепловых электростанциях, а также сырьевых материалов в цементной промышленности.

По сравнению с заменяемой мельницей, заказчик получает экономию в потребляемой энергии на размол и продолжительный срок службы размольных элементов (с 6000 часов до 20000 часов — в зависимости от характеристик размалываемого угля или материала).

Учитывая, что ( — угол внешнего трения материала), получим: , т.е. угол захвата дробилки должен быть меньше удвоенного угла внешнего трения. Не рекомендуется выбирать машины с , т.к. при этом снижается степень измельчения материала. Угол захвата стандартных дробилок 15-25 .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *