Явление псевдоожижения

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ПСЕВДООЖИЖЕНИЯ

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ВЗВЕШЕННОГО СЛОЯ

Явление псевдоожижения

Метод взаимодействия газов со слоем зернистого материала находит все большее применение в технике.

Взвешенный слой образуется в системах газ-твердые частицы, жидкость-твердые частицы при пропускании с определенными скоростями потока менее плотной фазы (газа или жидкости) снизу вверх через поток более плотной фазы (зернистого материала или жидкости).

Во всех системах взвешенный слой характеризуется тем, что вес тяжелой фазы (сила тяжести) уравновешивается трением газа о зерна. Тяжелая фракция не лежит на опоре, а подвешена в потоке легкой фракции.

Взвешенный слой в системе газ-твердые частицы в зависимости от характера взвешивания (псевдоожижения) зерен и соответствующих конструкций аппаратов подразделяют на ряд видов, имеющих соответствующие наименования, в том числе: кипящий, фонтанирующий и т.д.

Предположим, что поток газа движется через слой зернистого материала вверх так, как показано на рисунке 8.1. При низких скоростях потока слой соприкасающихся друг с другом частиц остается неподвижным, так как газ или жидкость проходит по межзерновым каналам и пустотам – фильтруется через слой. В таком состоянии частицы зернистого материала составляют так называемый неподвижный (фильтрующий) слой. При этом часть скоростного напора расходуется на преодоление трения при движении по извилистым межзерновым каналам о поверхность твердых частиц, а также о стенки аппарата. Обычно трение потока о стенки аппарата пренебрежимо мало (если диаметр аппарата достаточно велик по сравнению с диаметром частиц) и гидравлическое сопротивление слоя не превышает веса твердых частиц, приходящегося на единицу площади решетки, поддерживающей слой. Структура неподвижного слоя характеризуется тем, что при небольшой скорости движения потока газа сквозь слой взаимное расположение твердых частиц остается неизменным.

а) – неподвижный слой; б) – начальное псевдоожижение; в) – однородное псевдоожижение потоком жидкости; г) – неоднородное псевдоожижение потоком газа; д) – поршневой режим; е) – режим каналообразования; ж) – фонтанирующий слой; з) – разбавленная фаза псевдоожиженного слоя с пневмотранспортом частиц при высокой скорости потока газа или жидкости

Рисунок 8.1 – Схемы режимов псевдоожижения

С увеличением скорости потока промежутки между частицами увеличиваются, частицы начинают двигаться друг относительно друга и совершают колебательные движения с малыми амплитудами. В таком состоянии частицы образуют так называемый расширенный слой.

При более высокой скорости потока достигается состояние, когда почти все частицы составляют нечто вроде суспензии с текущим вверх потоком газа или жидкости. В этой области трение между частицей и потоком компенсируется весом частицы, вертикальная составляющая силы сцепления соседних частиц уменьшается, а перепад давления в любом сечении слоя будет равным весу потока с частицами в этом сечении. Слой в рассмотренном состоянии является почти псевдоожиженным, и его называют слоем в состоянииминимального псевдоожижения.

В системах жидкость-твердые частицы увеличение скорости потока выше требуемой для минимального псевдоожижения обычно приводит к спокойному, постепенному расширению слоя. Пульсации потока ослабляются; образование больших пузырей или неоднородности при обычных условиях не наблюдается. Такой псевдоожиженный слой называется однородным, гомогенным, спокойным или просто слоем, псевдоожиженным жидкостью. Однородный слой может быть получен при сравнительно низких скоростях и характеризуется равномерным распределением твердой фазы независимо от продолжительности процесса и размеров аппарата. Обычно он сравнительно легко организуется при одинаковых размерах и форме твердых частиц.

Обычно системы газ-твердые частицы ведут себя совершенно иначе. При увеличении скорости потока свыше требуемого для минимального псевдоожижения наблюдаются большие неоднородности в виде пузыреобразования или каналообразования. При более высоких скоростях потока перемешивание усиливается, а движение частиц становится более энергичным. Кроме того, расширенный слой называется агрегативным, неоднородным слоемс пузырями или просто слоем, псевдоожиженным газом. Если пузыри газа малы, неоднородную систему газ-твердые частицы часто называют кипящим слоем.

Считается, что как газовые, так и жидкостные слои являются псевдоожиженными в плотной фазе лишь постольку, поскольку имеется четко определенная верхняя граница или поверхность слоя. Однако, когда при достаточно высокой скорости потока жидкости или газа повышается скорость витания частиц, верхняя граница слоя исчезает, унос становится заметным и частицы выносятся из слоя с потоком ожижающего агента. В этом случае слой называется диспергированный, разбавленный или псевдоожиженный слой в разбавленной фазе с пневмотранспортом частиц.

Рассмотрим кратко качество псевдоожижения в слое с образованием пузырей. Хотя свойства частиц и газа сами будут определять характер псевдоожижения (спокойное или с пузыреобразованием), многие факторы влияют на скорость перемешивания частиц, размер пузырей и степень неоднородности слоя. К этим факторам относятся: геометрия слоя, скорость восходящего потока газа, тип газораспределителя и внутренняя конструкция сосуда (наличие таких элементов, как сетки, перегородки и теплообменники).

В качестве примера рассмотрим поршнеобразование – явление, сильно зависящее от геометрии сосуда. При таком режиме газовые пузыри сливаются и растут по мере их подъема; при достаточной глубине слоя они могут стать, в конце концов, достаточно большими, чтобы занять все поперечное сечение сосуда. Поэтому часть слоя выше пузыря выталкивается вверх как поршень. Частицы просыпаются из поршня вниз, и, наконец, он разрушается. Почти за это же время образуется другой поршень и это пульсирующее нестабильное движение повторяется. Чаще всего поршнеобразование является нежелательным, так как оно ставит проблему уноса и уменьшает потенциальные возможности использования такого слоя. Обычно поршнеобразование происходит в высоких слоях малого сечения.

При дальнейшем повышении скорости газового потока, особенно через слои тонкоизмельченных материалов с повышенной «текучестью», возникают сквозные прорывы газа и струи газа движутся по образовавшимся каналам как через неподвижный слой в условиях неустойчивости всей системы. Разновидностью взвешенного слоя является и так называемый фонтанирующий слой, образующийся при подаче восходящего потока газа в слой через газораспределительную решетку, площадь которой значительно меньше площади поперечного сечения аппарата. При этом струя газа фонтанирует вдоль вертикальной оси аппарата, увлекая часть слоя вверх. При переходе из конической части аппарата в цилиндрическую скорость газа уменьшается, движение твердых частиц замедляется и они, двигаясь по спирали, осаждаются по стенкам аппарата до самого дна, где снова подхватываются восходящим потоком газа.

Взвешенный слой мелкозернистого материала обычно поддерживается в аппарате прямоугольной, цилиндрической или конической формы с помощью решетки, служащей также и для равномерного распределения ожижающего потока. Однако существует ряд аппаратов (сушилки, трубы пневмо- и гидротранспорта), работающих без решеток в гидродинамическом режиме, соответствующем выносу материала из аппарата с газовым потоком.

Важным свойством взвешенного слоя является его текучесть, подобная текучести жидкости.