Гидродинамика псевдоожиженного слоя

ВВЕДЕНИЕ

В химической технологии значительное место занимают гетерогенные процессы. К их числу относятся, например: обжиг пиритов в производстве серной кислоты, каталитический крекинг нефтепродуктов, сушка влажных материалов, окисление нафталина во фталевый ангидрид, сорбция из газовых смесей и растворов и др. В настоящее время перечисленные выше процессы осуществляются в аппаратах, с так называемым взвешенным (кипящим, псевдоожиженным) слоем, в которых, благодаря развитой поверхности контакта фаз, эти процессы значительно интенсифицируются.

Простейшие представления о взвешенном слое можно дать в следующем виде. На рис. 6.1 приведена схема аппарата, в котором на решетке располагается зернистый материал с начальной высотой Н'₀. Важнейшей характеристикой слоя твердых частиц как неподвижного, так и взвешенного, является порозность (e) – объемная доля газа (жидкости) в слое:

, (6.1)

где V_CЛ – общий объем, занимаемый слоем, м³; V_Ч – объем, занимаемый только твердыми частицами, м³

Рис. 6.1. Схема аппарата со слоем зернистого материала

Для неподвижного слоя различных материалов порозность колеблется в пределах от 0, 35 до 0, 45.

Если через слой снизу вверх подавать газ со скоростью w, рассчитанной на всё сечение аппарата (фиктивная скорость), то гидравлическое сопротивление неподвижного слоя Р_СЛ будет возрастать с увеличением скорости газа. Графически его можно представить кривой АВ (рис. 6.2, а). При определенной скорости сопротивление слоя потоку газа достигнет веса частиц слоя, приходящегося на единицу площади поперечного сечения аппарата.

, (6.2)

где G_CЛ – вес частиц слоя, (Н); S – площадь поперечного сечения слоя, м².

При этом вес отдельных частиц уравновешивается силами трения о них. Граница слоя от первоначальной высоты Н'₀ переместится на Н₀, порозность слоя соответственно станет e₀. Опытами установлено, что для сферических частиц e₀ = 0, 4. Это состояние слоя называют началом взвешивания, и на рис. 6.2, а ему соответствует точка С. Частицы в этих условиях не остаются неподвижными, а совершают колебательные движения, слой приобретает текучесть, как жидкость (отсюда часто употребляемое название слоя – псевдоожиженный). Скорость газа w = w_В, при которой слой переходит во взвешенное состояние, называют скоростью взвешивания или первой критической. Увеличение скорости газа выше критической вызывает более интенсивное движение отдельных частиц и дальнейшее увеличение высоты слоя, при этом его уровень не является строго постоянным, что отражено на рис. 6.2, б двумя пунктирными кривыми.

Рис. 6.2. Зависимости гидравлического сопротивления