Основы теории

При современном уровне производства ряд процессов химической технологии проводят при взаимодействии газов (или жидкостей) со слоем сыпучего материала (смешение, адсорбция, сушка, гранулирование, каталитические процессы и т.п.).

Если через неподвижный слой сыпучего материала, лежащего на пористой перегородке, пропускать снизу вверх поток газа (жидкости), то состояние слоя будет различным в зависимости от фиктивной скорости среды, под которой понимается ее расход, отнесенный к поперечному сечению аппарата. Различают четыре группы режимов взвешенного слоя в порядке возрастания скорости среды (в дальнейшей воздуха):

I–псевдоожижение (в том числе кипящий, виброкипящий, проходящий кипящий слой);

II –фонтанирование (в т.ч, аэрофонтанный слой);

III – пневмотранспорт (вт.ч. восходящий, нисходящий, горизонтальный, " дюнами" и т.п.);

IV –закрученные потоки (в т.ч. одиночные, встречные, спутные, вихревой слой и т.п.).

Псевдоожиженный (кипящий) слой получил свое название за внешнее сходство с поведением кипящей жидкости (он " течет", имеет пузыри, " кипит", принимает форму сосуда, в котором находится).

Процесс перевода сыпучего материала в " текучее" состояние называется псевдоожижением, а смесь сыпучего материала и ожижающего агента в состоянии полного псевдоожижения называется псевдоожиженнымслоем. На рис. I показаны различные стадии псевдоожиженияслоя по мере возрастания фиктивной скорости воздуха.

Скорость воздуха, при которой все частицы слоя переходят во взвешенное состояние, называется скоростью псевдоожижения w _пс, или первой критической скоростью.

При дальнейшем увеличении скорости воздуха наступает такой момент, когда частицы материала начинают уноситься из аппарата (явление пневмотранспорта). Такая скорость воздуха называется скоростью уноса w_ун, или второй критической скоростью. Интервал между двумя критическими скоростями, называется диапазоном существования псевдоожиженного слоя, а отношение любой скорости воздуха из этого интервала к скорости псевдоожижения называется числом псевдоожижения.

К основным характеристикам псевдоожиженного слоя относятся: перепад давления в слое ∆ P_сл, скорость псевдоожижения w _пс, скорость уноса (витания) w _ун, _, число псевдоожижения К= w _раб/ w _пс и порозность слоя (как для неподвижного, так и для взвешенного слоя).

w _ф1 > w _ф2> w _ф3

а – неподвижный слой; б – псевдоожиженный слой; в – пневмотранспорт.

Рисунок 1 – Стадии псевдоожиженного слоя

а – идеальная криваяпсевдоожижения б – реальная кривая псевдоожижения

I – Прямой ход; II – Обратный ход.

Рисунок 2 – Кривые псевдоожижения

Зависимость перепада давления в слое ∆ Р_сл от фиктивной скорости воздуха w _ф называется кривой псевдоожижения.

На рис. 2а показана идеальная кривая псевдоожижения. Восходящая ветвь ОА соответствует режиму фильтрации воздуха через слой, при котором всё большая и большая доля частиц вовлекается в движение. Горизонтальный участок АВ изображает псевдоожиженное состояние, при котором все частицы слоя интенсивно перемешиваются. Постоянство перепада давления в слое объясняется равенством сил динамического воздействия потока среды на слой с одной стороны и силы тяжести за вычетом подъемной (архимедовой) силы с другой стороны:

P=G-A (1)

Если средой является газ, то плотностью среды можно пренебречь, т.е. не учитывать подъемную силу:

P=G (2)

Разделив обе части равенства (2) на площадь поперечного сечения аппарата S, получим условие равновесия слоя в состоянии псевдоожижения:

(3)

Т.е. потери давления в псевдоожиженном слое не зависят от скорости воздуха.

Теоретически гидродинамическое сопротивление псевдоожиженного слоя выражается зависимостью:

(4)

где: , Н₀ – соответственно порозность и высота неподвижного слоя; =0, 4.

Линия ВС (рис. 2а) характеризует уменьшение сопротивления слоя при массовом уносе частиц, так как уменьшается вес слоя G (см. формулу (3).

Критические скорости (первую и вторую) удобно определять по обобщенной зависимости Тодеса, справедливой для всех режимов движения воздуха в слое:

(5)

Подставляя в (5) значение порозности =0, 4 или =1, получим зависимости для расчета соответственно первой и второй критических скоростей.

Порозностью (объемной долей пустот), называется отношение свободного объема между частицами к объему всего слоя:

(6)

где: V_сл, V_м – объем слоя и материала соответственно, м³;

, – насыпная и кажущаяся плотность материала, кг/м³

Из уравнения (5) можно найти теоретическое значение текущей порозностислоя:

(7)

На практике при неупорядоченной засыпке частиц неправильной формы величина порозности колеблется в пределах 0, 35 - 0, 45.Для неподвижного слоя сферических монодисперстных частиц принимают =0, 4, а при уносе частиц =1.

Промышленные сушилки устойчиво работают в интервалах порозности:

- сушилки кипящего слоя, = 0, 55 – 0, 75;

- аэрофонтанные сушилки, =0, 75 – 0, 9;

- трубы-сушилки, =0, 9 – 0, 95.

В отличие от описанной выше идеальной кривой псевдоожижения ОАВС, на рис. 2б представлена реальная кривая псевдоожижения для монодисперсного слоя, на которой четко виден пик перепада давления в слое . Характерно, что пик наблюдается только при возрастании скорости воздуха (прямой ход - кривая 1 на рис. 2б). При убывании скорости воздуха (обратный ход - кривая 2) пик исчезает. Если вновь увеличивать скорость воздуха, то пик также не наблюдается. Это объясняется тем, что плотность упаковки частиц в неподвижном слое до начала псевдоожижения несколько выше, чем в неподвижном слое после псевдоожижения. Поэтому при первоначальном увеличении скорости воздухадополнительные затраты энергии необходимы для преодоления сил инерции частиц, взаимного сцепления (когезии) частиц и трения их о стенки аппарата. При вторичном увеличении скорости воздуха эти силы незначительны. Величина пика давления зависит от свойств твердых частиц, геометрической формы аппарата и конструкции опорно – распределительной решетки. В аппаратах постоянного поперечного сечения =(0, 3 - 0, 5)∙ ∆ Р_сл, в конических – значительно больше.

Достоинствами псевдоожиженного слоя являются увеличения поверхности контакта фаз и их относительных скоростей движения, уменьшение внутри диффузного сопротивления твердой фазы в масообменных процессах. К недостаткам следует отнести снижение движущей силы процессов, обусловленное выравниванием полей температур и концентраций в слое; поршнеобразование, каналообразование, истирание твердых частиц и трудность равномерного распределения воздуха по сечению аппарата, особенно в аппаратах промышленного масштаба.