Гидродинамика кипящих (псевдоожиженных) зернистых слоёв

Проведение процессов в кипящем (псевдоожиженном) слое основывается на взвешивании мелкоизмельчённого твёрдого материала в потоке газа (реже – жидкости), поднимающегося вверх. Взвешенный слой характеризуется тем, что твёрдые частицы не лежат на опоре, а подвешены и перемещаются в потоке газа. Благодаря интенсивному перемешиванию частиц можно получить одинаковую температуру во всём слое, что особенно важно, когда твёрдые частицы играют роль катализатора. Псевдоожижению подвергаются частицы значительно меньших размеров, чем частицы материалов, находящихся в неподвижном слое. Гидравлическое сопротивление кипящего слоя при этом относительно невелико, а уменьшение размеров частиц приводит к увеличению поверхности их контакта с потоком, в результате возрастает скорость протекания многих процессов (обжига, теплообмена, сушки зернистых и порошкообразных материалов, адсорбции и т.д.).

Покажем на рисунке 4.1 три возможных состояния слоя твёрдых частиц в зависимости от скорости газа:

Рис. 4.1. Движение газа в слое твёрдых частиц:

а – неподвижный слой; б – кипящий (псевдоожиженный) слой; в – унос твёрдых частиц газом.

При небольшой скорости газа слой твёрдых частиц неподвижен (состояние а), идёт процесс фильтрации через каналы зернистого слоя и порозность слоя неизменна. Однако, когда скорость достигнет некоторой критической величины, слой перестаёт быть неподвижным, его порозность и высота начинают увеличиваться, слой приобретает текучесть и переходит как бы в кипящее (псевдоожиженное) состояние (б). В таком слое твёрдые частицы интенсивно перемещаются в потоке в различных направлениях (хаотично), и весь слой напоминает кипящую жидкость. При дальнейшем увеличении скорости потока, порозность слоя и его высота продолжают увеличиваться вплоть до достижения второй критической скорости, при которой слой разрушается и твёрдые частицы начинают уноситься потоком (состояние в).

Явление массового уноса твёрдых частиц потоком газа называется пневмотранспортом и используется в промышленности для перемещения сыпучих материалов.

Графическая зависимость гидравлического сопротивления зернистого слоя от фиктивной скорости газа (скорости, отнесённой ко всему сечению аппарата в отсутствие зернистого слоя) имеет вид:

Рис. 4.2. Зависимость сопротивления слоя твёрдых частиц от

фиктивной скорости газа.

Из рисунка 4.2 видно, что участок АВ характеризует неподвижный слой, здесь увеличивается, а порозность и высота слоя практически неизменны. Скорость, при которой нарушается неподвижность слоя и он начинает переходить во взвешенное (псевдоожиженное) состояние, называется скоростью начала псевдоожижения и обозначается . Участок ВС соответствует кипящему слою и характеризуется постоянным, не зависящим от скорости, сопротивлением. Это объясняется тем, что с увеличением скорости потока слой становится более рыхлым, порозность увеличивается и, следовательно, увеличивается пространство для прохода газа.

Скорость, при которой слой разрушается и начинается массовый унос частиц потоком, называется скоростью уноса . На участке СD, соответствующему уносу частиц потоком, сопротивление снова возрастает с увеличением скорости. Отношение рабочей скорости , значение которой должно находиться в пределах между и , к скорости начала псевдоожижения называется числом псевдоожижения . характеризует интенсивность перемешивания частиц и состояние псевдоожиженного слоя. Опытным путём установлено, что наиболее интенсивное перемешивание соответствует .