Sergei Chekryzhov1 ИЗУЧЕНИЕ АЭРОДИНАМИКИ КИПЯЩЕГО СЛОЯ СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА Теоретические вопросы

Sergei Chekryzhov2 Аппараты с кипящим или взвешенным слоем нашли применение во многих отраслях промышленности: там, где необходимо провести процессы взаимодействия между мелко раздробленными твердыми телами и газом или жидкостями. Аппараты со взвешенным слоем могут применяться для смешивания сыпучих материалов, классификации материалов по крупности. Широкое распространение аппаратов со взвешенным слоем в топливной промышленности объясняется интенсивным перемешиванием, что интенсифицирует процессы тепло- и массообмена. Взвешенный слой - это такое состояние слоя зернистого материала, при пропускании через который газа или жидкости вес частиц уравновешивается силой гидродинамического потока, в результате чего частицы получают свободу относительного перемещения. Взвешенный слой называется еще псевдоожиженным, кипящим слоем.

Sergei Chekryzhov3 Разновидности псевдоожиженных систем A.однородный взвешенный слой; B.слой с барботажем пузырей; C.слой с поршнеобразованием; D.слой с каналообразованием; E.фонтанирующий слой A B DCE

Sergei Chekryzhov4 Три основных состояния зернистого слоя Плотный слой частицы находятся в тесном соприкосновении одна с другой, при изменении скорости потока газовой или жидкой фазы, проходящего через слой, расстояние между частицами и объем слоя остаются неизменными Плотный слой может быть неподвижным или компактно перемещающимся.

Sergei Chekryzhov5 Три основных состояния зернистого слоя Взвешенный, псевдоожиженный или кипящий слой Частицы в результате воздействия движущейся через слой газовой или жидкой фазы находятся в хаотическом движении в пределах слоя, напоминая кипящую жидкость. Расстояние между частицами и объем слоя изменяются в зависимости от скорости потока, проходящего через слой.

Sergei Chekryzhov6 Режим транспорта частиц Частицы зернистого материала перемещаются в направлении движения восходящего потока жидкости или газа. Три основных состояния зернистого слоя

Sergei Chekryzhov7 Кривая псевдоожижения На графике процесса псевдоожижения, называемом кривой псевдоожижения, и которая выражает зависимость перепада статического давления в слое зернистого материала от скорости псевдоожижающего агента, процессу фильтрации соответствует восходящая ветвь ОА. В случае малого размера частиц и невысоких скоростей фильтрации псевдоожижающего агента режим его движения в слое ламинарный и восходящая ветвь прямолинейна. А

Sergei Chekryzhov8 Режим псевдоожижения Переход от режима фильтрации к режиму псевдоожижения соответствует на кривой псевдоожижения критической скорости w кр (точка А, ), называемой скоростью начала псевдоожижения w пс. В момент начала псевдоожижения вес зернистого материала, приходящийся на единицу площади поперечного сечения аппарата, уравновешивается силой гидравлического сопротивления слоя: ΔР сл = (ρ Т – ρ в )(1 - ε 0 )h 0 g, где ΔР сл – сопротивление слоя зернистого материала, Па; h 0 – высота неподвижного слоя, м; ρ Т и ρ в – плотности твердых частиц и воздуха (псевдоожижающего агента),кг/м 3 ; ε 0 – порозность неподвижного слоя материала. Отношение рабочей скорости газа к критической есть число псевдоожижения W p /W кр = К.

Sergei Chekryzhov9 Режим псевдоожижения Начиная со скорости начала псевдоожижения и выше, перепад давления на слое ΔР сл сохраняет практически постоянное значение и зависимость ΔР сл = f(W) выражается прямой АВ, параллельной оси абсцисс.Это объясняется тем, что с ростом скорости псевдоожижающего агента контакт между частицами уменьшается, и они получают большую возможность хаотического перемешивания по всем направлениям. А В При этом возрастает среднее расстояние (просветы) между частицами, то есть увеличивается порозность слоя ε и, следовательно, его высота h.

Sergei Chekryzhov10 Порозность неподвижного слоя материала Порозность – одна из главных характеристик слоя материала – отношение объема внешних пор к объему всего слоя материала. где V 0 и V – объем неподвижного слоя и объем частиц, м 3. Теоретически порозность можно определить лишь при трех граничных режимах: для неподвижного слоя (режим фильтрации), для шаровых частиц одинакового диаметра и для пневмотранспортного режима. Для частиц шаровой формы и близкой к ней порозность неподвижного слоя ε 0 = 0,4, для взвешенного слоя 0,4 < ε < 1.

Sergei Chekryzhov11 Зависимость высоты кипящего слоя от скорости воздуха

Sergei Chekryzhov12 Определение высоты кипящего слоя Так как перепад давления в псевдоожиженном слое ΔРсл остается практически постоянным, высоту кипящего слоя можно определить из следующего условия: ΔР сл = (ρ Т – ρ в )(1 - ε 0 )h 0 g = (ρ Т – ρ в )(1 - ε)hg, откуда где ε – порозность кипящего слоя материала, находится по формуле где h Т – высота твердой фазы материала (без внутренних и внешних пустот), м; H – средняя высота кипящего слоя материала, м. Высота твердой фазы материала находится по формуле: где М – масса слоя зернистого материала, кг; ρ Т – плотность твердой фазы материала, кг/м 3 ; F – площадь основания колонны с зернистым материалом, м 2 :

Sergei Chekryzhov13 Скорость псевдоожижения w 0 можно найти, приравняв уравнение сопротивления псевдоожиженного слоя сопротивлению зернистого слоя., после преобразований можно получить следующие расчетные уравнения: Re 0 –модифицированный критерий Рейнольдса,который соответствует скорости псевдоожижения w 0. критерий Архимеда., для частиц неправильной формы при ·ψ·Ar1,1·10 8

Sergei Chekryzhov14 Определение скорости витания Скорость витания Re vit можно приближенно определить по полуэмпирической зависимости Аэрова – Тодеса [3], при ε=1 и Обобщением опытных данных при промежуточных значениях порозности ε была получена формула По этой формуле можно вычислить скорость, необходимую для достижения заданной доли свободного объема слоя.

Sergei Chekryzhov15 Определение порозности слоя при заданной скорости Для расчета ε при данном значении скорости выражение приводится к виду: При расчете необходимо привести параметры среды к рабочим условиям процесса.

Sergei Chekryzhov16 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Условия существования взвешенного слоя. 2. Что такое порозность зернистого слоя ε? 3. Численные значения порозности взвешенного слоя ε. 4. Число псевдоожижения. 5. Что такое критическая скорость? 6. Что такое cкорость витания? 7. Объясните постоянство сопротивления слоя при изменении скорости потока от критической до скорости уноса. 8. Свойства, присущие взвешенному слою.

Sergei Chekryzhov17 Литература. 1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. "Химия" М. 1971г. стр Руководство к практическим занятиям в лаборатории по процессам и аппаратам химической технологии под редакцией П.Г. Романкова изд. "Химия" 1989, стр Павлов К.Ф., Романков П.Г. и др. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Изд. "Химия", 1987, стр