Расчёт аппаратов с кипящим (псевдоожиженным) слоем

Расчёт сводится к определению гидравлического сопротивления слоя и критических скоростей ( и ). Начало псевдоожижения (т. В, рис.) наступает при равенстве силы гидравлического сопротивления слоя весу всех его частиц. Обозначим через , , - объём, высоту и порозность неподвижного слоя. , , - объём, высоту и порозность кипящего слоя.

Объём, занимаемый кипящим слоем, равен , где - площадь поперечного сечения аппарата, м². Если порозность (свободный объём) слоя равна , то объём твёрдых частиц в слое будет , а вес частиц с учётом подъёмной (Архимедовой) силы среды составит

,

где и - плотность твёрдых частиц и среды, кг/м³; - ускорение силы тяжести, м/с².

Гидравлическое сопротивление кипящего слоя будет равно весу твёрдых частиц в слое, отнесённому к площади сечения аппарата:

, Па.

(4.6)

Поскольку объём твёрдых частиц постоянен в обоих состояниях слоя, то .

Тогда степень расширения слоя .

В аппарате постоянного поперечного сечения

,

откуда можно найти, зная и , высоту кипящего слоя:

, (4.7)

необходимую при расчёте высоты аппаратов с кипящим слоем.

Скорость начала псевдоожижения можно найти, приравняв сопротивление зернистого слоя по уравнению (4.3) к сопротивлению псевдоожиженного слоя по уравнению (4.6).

Практическое решение задачи по определению связано с определёнными трудностями, обусловленными тем, что размеры частиц в слое, как правило, отличаются друг от друга (полидисперсный слой).

Кроме того, форма частиц отличается от шарообразной, для которой установлены надёжные зависимости. В связи с этим в расчёты вводится такой параметр, как фактор формы . Однако основная трудность связана с определением коэффициента сопротивления , который учитывает не только трение потока о поверхность частиц, но и кривизну каналов. Поэтому, при расчёте пользуются обобщёнными эмпирическими зависимостями. Обычно в момент начала образования кипящего слоя порозность приближённо равна своему минимальному значению при свободной засыпке слоя для шарообразных частиц () в пределах 0, 35 – 0, 5.

Для частиц округлой формы, близкой к шарообразной (), а среднее значение . Критическое значение критерия Рейнольдса, при котором начинается псевдоожижение, находится по уравнению:

.

(4.8)

В критерий Архимеда входят все известные величины. Тогда, определив по уравнению (4.8) , находят . Зная , можно найти рабочую скорость потока , если известно число псевдоожижения : , а по ней определить диаметр аппарата из уравнения расхода и гидравлическое сопротивление зернистого слоя.

Скорость уноса рассчитывается по тем же формулам, что и скорость свободного осаждения или витания одиночной шарообразной частицы. Начало уноса характеризуется следующими условиями: 1) расширение слоя достигло предела () и движение отдельных частиц не зависит от присутствия соседних частиц; 2) частицы не осаждаются и не уносятся потоком, а свободно витают. Незначительное превышение скорости газа над скоростью витания приводит к уносу частицы.

Для приближённого расчёта применяется эмпирическая формула, которая получена для предельного расширения слоя ():

.

(4.9)

Определив по уравнению (4.9) , находят .

На работу аппаратов с кипящим слоем существенно влияет конструкция опорно-распределительной решётки, назначение которой состоит не только в удержании зернистого слоя, но и в равномерном распределении потока (жидкости или газа) по сечению аппарата.

ЛИТЕРАТУРА

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Изд. 13-е. – М.: ООО ТИД “Альянс”, 2006.

2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – Изд. 9-е. – М.: Химия, 1973.

3. Романков П.Г., Курочкина М.И., Мозжерин Ю.Я. и др. Процессы и аппараты химической промышленности – Л.: Химия, 1989.

4. Дытнерский М.Ю. Процессы и аппараты химической технологии. – Изд. 3-е. В 2-х кн. – М.: Химия, 2002.

5. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. В 2-х кн. – М.: Химия, 1981.

Содержание

Стр.

Введение. Предмет и задачи курса ПАХТ.................................................. 3

Классификация основных процессов химической технологии............... 4

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ...................... 4

1. Основы прикладной гидравлики................................................. 5

Единицы измерения основных физических величин..................................... 5

Основные физические свойства жидкостей и газов........................................ 7

1.1. Гидростатика. Гидростатическое давление...................................... 13

Дифференциальное уравнение равновесия Эйлера..................................... 13

Основное уравнение гидростатики............................................................... 15

Уравнение Паскаля........................................................................................ 16

1.2. Гидродинамика.................................................................................. 17

Дифференциальное уравнение движения Эйлера для жидкости................ 17

Уравнение Бернулли..................................................................................... 18

Практическое приложение уравнения Бернулли......................................... 22

Режимы движения жидкости......................................................................... 23

Уравнение расхода........................................................................................ 24

Уравнение неразрывности потока................................................................ 25

Дифференциальные уравнения движения реальной жидкости

(уравнения Навье Стокса).......................................................................... 25

Теория подобия. Критерии гидродинамического подобия........................ 26

2. Разделение жидких и газовых неоднородных систем............... 31

2.1. Классификация неоднородных систем.............................................. 31

2.2. Осаждение......................................................................................... 33

Гравитационное осаждение........................................................................... 33

Аппараты для разделения неоднородных систем под действием

силы тяжести................................................................................................. 37

Аппараты для разделения неоднородных систем под действием

центробежной силы...................................................................................... 39

Осаждение под действие сил электрического поля...................................... 43

2.3. Фильтрование..................................................................................... 44

Основные конструкции фильтров................................................................. 46

2.4. Очистка газов от пыли....................................................................... 51

Мокрая очистка газов................................................................................... 53

3. Перемешивание жидких сред....................................................... 56

3.1. Способы перемешивания................................................................... 56

3.2. Барботажное перемешивание............................................................ 56

3.3. Механическое перемешивание.......................................................... 57

Расход энергии (мощности на перемешивание).......................................... 60

4. Псевдоожижение............................................................................ 63

Движение потока через неподвижные зернистые слои................................ 63

Гидродинамика кипящих зернистых слоев.................................................. 66

Расчет аппарата с кипящим слоем................................................................ 68

Литература................................................................................................... 72