Теоретические основы процесса псевдоожижения

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ прОЦЕССЫ

Работа № 1. Изучение процессов и аппаратов для ПСЕВДООЖИЖЕНИЯ и пневмотранспорта сыпучих продуктов

Цели и задачи работы

Целью лабораторной работы является повышение уровня знаний в области гидромеханических процессов и аппаратов пищевых и химико-технологических производств.

Задачами работы являются:

- закрепление теоретических представлений о процессах псевдоожижения и пневмотранспорта;

- изучение устройства аппаратов с псевдоожиженным слоем;

- получение экспериментальных данных о параметрах псевдоожиженного слоя и проверка адекватности теоретических моделей гидромеханики псевдоожиженного слоя.

Теоретические основы процесса псевдоожижения

Процессы, в которых используется псевдоожижение и пневмотранспорт твердых частиц, нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. К ним относятся:

- химические процессы (каталитический крекинг нефтепродуктов,
многочисленные гетерогенные каталитические реакции, газификация топлив, обжиг сульфидных руд и др.);

- тепловые и массообменные процессы (сушка мелкозернистых,
пастообразных и жидких материалов, сублимационная очистка веществ, растворение и кристаллизация солей, адсорбционная очистка газов, термическая обработка металлов, нагрев и охлаждение газов);

- гидромеханические и механические процессы (обогащение, классификация, гранулирование, измельчение, смешение и перераспределение зернистых и пылевидных материалов между различными аппаратами технологических установок) .

Технология псевдоожиженного слояпозволяет существенно интенсифицировать процессы теплообмена и массообмена и сократить за счет этого длительность пребывания продукта при повышенной температуре, что особенно важно для термолабильных продуктов. Интенсификация процессов достигается непрерывным обновлением поверхности контакта ожижающего агента и дисперсного материала за счет хаотического движении его частиц в кипящем слое.

Наряду с достоинствами псевдоожиженному слою свойственны и некоторые недостатки. Так, вызванное интенсивным перемешиванием твердых частиц выравнивание температур и концентраций в слое приводит к уменьшению движущей силы процесса. Возможность проскока значительных количеств газа без достаточного контакта с твердыми частицами уменьшает выход целевого продукта. Отрицательными факторами следует считать износ самих твердых частиц, эрозию аппаратуры, возникновение значительных зарядов статического электричества, необходимость установки мощных газоочистительных устройств. Некоторые из перечисленных недостатков могут быть устранены рациональной конструкцией химических аппаратов.

На рис.1 представлена принципиальная схема одного из многочисленных промышленных аппаратов для сушки дисперсных материалов в кипящем (псевдоожиженном) слое.

Рис.1. Схема камерной сушилки для сушки дисперсных материалов в псевдоожиженном слое

При движении потока воздуха снизу вверх через камеру с газораспределительной решеткой, заполненную сыпучим продуктом (зерном или другими твердыми частицами), на каждую из них действуют в вертикальном направлении (при пренебрежении архимедовой силой) только силы лобового сопротивления и веса. При малых скоростях слой твердых частиц продувается воздухом, оставаясь неподвижным. Имеет место режим фильтрования. При увеличении скорости до некоторого критического значения наступает равенство сил лобового сопротивления и веса. При этом теряется силовое взаимодействие между отдельными частицами, и исчезают силы трения покоя в структуре сыпучей среды. Такое состояние сыпучей среды, носит название состояния псевдоожижения. Среда при этом приобретает свойства идеальной жидкости, которая не обладает вязкостью.

Таким образом, псевдоожижение – это явление исчезновения трения покоя между частицами твердой дисперсной фазы под действием продуваемого снизу вверх газового или жидкостного потока.

В псевдоожиженном состоянии частицы твердой фазы становятся подвижными; они перемещаются в пределах объема (слоя) и вращаются. Слой в целом, как было отмечено, обладает характеристиками идеальной жидкости.

Характер изменения структуры зернистого слоя при увеличении скорости продувания его воздухом схематично показан на рис. 2.

А б в г д

Рис.2. Изменение структуры зернистого материала при росте скорости воздушного потока: а – плотный слой (режим фильтрования); б - однородный слой (начало псевдоожижения); в – неоднородный слой (канальный прорыв воздуха); г – неоднородный слой (поршнеообразование); д – конечная стадия псевдоожижения ( унос твердых частиц)

г

в

а

б

Рис.3. Изменение перепада давления в слое зернистого материала в зависимости от скорости газового (жидкостного) потока, проходящего через слой: а - кривая идеального псевдоожижения; б - реальные кривые псевдоожижения; в - кривая псевдоожижения полидисперсного материала; г- кривые псевдоожижения для слоя с поршнеобразованием (кривая 1) и каналообразованием (кривая 2)

При плавном увеличении скорости потока от 0 до первого критического значения происходит обычный процесс фильтрования, при котором твердые частицы неподвижны. На графике процесса псевдоожижения, называемом кривой псевдоожижения и выражающем зависимость перепада статического давления в слое зернистого или пылевидного материалов от скорости псевдоожижающего агента (рис. 3а), процессу фильтрации соответствует восходящая ветвь ОА. В случае малого размера частиц и невысоких скоростей фильтрации псевдоожижающего агента режим его движения в слое ламинарный, и ветвь ОАпрямолинейна. В слое крупных частиц при достаточно высоких скоростях псевдоожижающего агента перепад давлений может расти нелинейно с увеличением скорости (переходный и турбулентный режимы). Переход от режима фильтрации к состоянию псевдоожижения соответствует на кривой псевдоожижения первой критической скорости псевдоожижающего агента (точка А), называемой также скоростью начала псевдоожижения. В момент начала псевдоожижения масса зернистого материала, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения аппарата, уравновешивается силой гидравлического сопротивления слоя.

В зависимости от свойств псевдоожижающего агента можно наблюдать несколько стадий процесса псевдоожижения. При скоростях псевдоожижающего агента, незначительно превышающих первую критическую скорость, наблюдается так называемое однородное псевдоожижение. По мере роста скорости при псевдоожижении газом в слое образуются компактные массы газа («пузыри», «каверны»), 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.

Наконец, при достижении некоторого второго критического значения скорости , называемой скоростью уноса, твердые частицы начинают выноситься из слоя, и их количество в аппарате уменьшается (рис. 2д).

На практике действительная кривая псевдоожижения (рис. 3б) отличается от идеальной. Крутизна восходящей ветви реальной кривой псевдоожижения определяется плотностью первоначальной упаковки (засыпки) твердых частиц: при более плотной упаковке сопротивление слоя несколько выше и восходящая ветвь идет круче (кривая 1), при более рыхлой - положе (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, что соответствует более рыхлой структуре неподвижного слоя для этого случая.

Для полидисперсных материалов, как правило, наблюдается переходный диапазон скоростей между режимами фильтрации и псевдоожижения (рис. 3в). Вначале приходят в движение наиболее мелкие частицы. По мере роста скорости все большее число частиц переходит во взвешенное состояние, и наступает полное псевдоожижение.

В реальных условиях поведение слоя во многом зависит от конструктивных особенностей аппаратов. В аппаратах с большим отношением h/D,то есть в узких и высоких аппаратах, пузыри газа, сливаясь по мере подъема, могут образовать сплошные газовые пробки, перемещающиеся с движущимися поршнями псевдоожиженного зернистого материала (рис. 2г).

При малых отношениях h/D и больших скоростях псевдоожижающего агента могут возникать сквозные каналы, по которым устремляется основная часть газового потока - слой с каналообразованием (рис. 2в). При этом в слое твердых частиц образуются застойные зоны, и общее сопротивление слоя оказывается меньше расчетной величины (рис.3г).

На практике теплообменные и массообменные процессы проводят в режиме однородного слоя, который достигается при скоростях несколько больших первой критической скорости. При этом отношение рабочей скорости к первой критической называют числом псевдоожижения:

(1)

Таким образом, расчетное определение и поддержание этой скорости является чрезвычайно важной технологической задачей.

Первая критическая скорость - скорость начала псевдоожижения может быть рассчитана из уравнения:

(2)

Числа Архимеда и Рейнольдса вычисляются по формулам:

(3)

где ρ_т, ρ_ж – плотность твердых частиц и газовой (жидкой) среды, кг/м³; μ – вязкость газовой среды, Па∙с; g = 9,81 м/с² – гравитационная постоянная.

Эквивалентный диаметр твердых частиц:

d_э = 6V /S, м (4)

где S – площадь поверхности частицы неправильной формы, м².

Вторая критическая скорость – скорость уноса частиц равна скорости осаждения частиц в неподвижной газовой или жидкой среде и может быть найдена по критериальным уравнениям, описывающим кинетику осаждения:

- при Re < 1,85 или Ar < 36 ;

- при Re =1,85 ÷500 или Ar = 36÷83∙10³ ; (5)

- при Re > 500 или Ar > 83∙10³ .

Особенностью псевдоожиженного слоя является его удержание во взвешенном состоянии за счет перепада давлений ΔР по газовому слою. Это позволяет определить указанный перепад из условия уравновешивания его силой веса слоя твердых частиц из уравнений:

где h₀ –начальная (до продувки) высота слоя частиц в аппарате, м; начальная (до продувки) порозность слоя; - насыпная плотность, кг/м³; V_п- объем пустот в слое, м³; m, V_н0 – масса (кг) и насыпной объем (м³) твердых частиц в аппарате до продувки.

Пористость зернистого слоя в состоянии псевдоожижения может быть вычислена путем измерения высоты слоев сыпучего материала в исходном состоянии и при продувке по зависимости:

(7)

где h, h_o – высоты зернистого слоя материала в продуваемом и плотном слоях материала.