Гідродинаміка киплячих (псевдозріджених) зернистих шарів

За останні десятиліття значного застосування в хімічній та інших галузях промисловості набули процеси, пов’язані з взаємодією газів (рідше – крапельних рідин) з шаром мілко подрібнених твердих частинок, що знаходяться в «киплячому» або псевдозрідженому стані. Апарати з «киплячим» шаром використовуються для перемішування і зміщення сипучих матеріалів, для проведення процесів обліку, теплообміну, сушіння, адсорбції, каталітичних та інших процесів. Псевдозрідженню підлягають частинки значно менших розмірів, ніж частинки матеріалу, що знаходяться в нерухомому шарі. Гідравлічний опір «киплячого» шару при цьому відносно невеликий, а зменшення розмірів частинок приводить до збільшення поверхні їх контакту з потоком і знижує опір дифузії всередині частинок при взаємодії між твердою і газовою (або рідкою) фазами. В результаті суттєво зростає швидкість протікання багатьох процесів.

Можливі три стани шару твердих частинок в залежності від швидкості потоку, що піднімається (рис.5.8). За відносно не значних швидкостей зернистий шар залишається нерухомим, його характеристики (питома поверхня, порізність) не змінюються із зміною швидкість потоку. Проте, коли швидкість досягає певної критичної величини, шар перестає бути нерухомим і переходить у псевдо-киплячий стан. В такому шарі тверді частинки інтенсивно переміщуються в потоці в різних напрямках (б), і весь шар нагадує киплячу рідину, обмежену чітко вираженою верхньою межею поділу із потоком, що пройшов шар.

а б в

Рис. 5.8 Три стани шару твердих частинок:

а) нерухомий; б) псевдокиплячий; в) пневмотранспорт

При подальшому збільшенні швидкості потоку порізність шару (частка вільного об’єму) і його висота продовжує зростати до того моменту, коли швидкість досягне нового критичного значення, при якому шар руйнується і тверді частинки починають уноситися потоком (в). Явище масового уносу твердих частинок потоком газу називається пневмотранспортом і використовується в промисловості для переміщення сипучих матеріалів.

Швидкість, за якої порушується нерухомість шару і він починає переходити у псевдозріджений стан, називається швидкістю псевдозрідження і позначається через ω_пс. Початок псевдозрідження настає при рівності сили гідравлічного опору шару вазі всіх його частинок. Проте, в реальних умовах перепад тиску трохи більший величини, необхідної для підтримки шару у завислому стані. Це пояснюється дією сил щеплення між частинками шару, що знаходяться в потоці. Коли швидкість потоку досягає значення ω_пс частинки долають сили щеплення і перепад тисків стає рівним вазі частинок, що приходяться на одиницю площі поперечного перетину апарата.

Найчастіше в промисловості використовуються процеси псевдозрідження в системі газ – тверда фаза. Для такої системи псевдозрідження, як правило, є неоднорідним.

Поршневе псевдозрідження

Частина газу рухається через шар не суцільним потоком, а у вигляді пузирів, що руйнуються при досягненні верхньої межі шару, викликаючи коливання висоти шару. Це призводить до інтенсивного викиду твердих частинок над поверхнею шару. Пухирці газу можуть збільшуватися в об’ємі до розмірів діаметра апарата. При цьому псевдозрідженний шар розділяється на окремі частини газовими «пробками»; частина шару, що знаходиться над пробкою, підкидається догори, що призводить до значного викиду твердих частинок.

Виникнення поршнєвого псевдозрідження, якому сприяють крім зростання швидкості газу, збільшення розмірів частинок і зменшення діаметра апарата, є дуже небажаним, при цьому стрімко порушуюється рівномірність контакту між газом і твердими частинками.

 

Каналоутворення

Якщо значна частина газу (або рідини) піднімається догори через один або кілька каналів відбувається проскок («байпасування») значної кількості газу (або рідини). Каналоутворення особливо часто спостерігається при застосуванні матеріалів з дуже дрібними частинками, що злипаються, схильними до агломерації. Граничним випадком каналоутворення є фонтанування, при якому потік газу (або рідини) проривається крізь шар через один великий канал, що виникає поблизу осі апарата.

Насоси

В хімічній промисловості важливе значення має транспортування рідких і газоподібних продуктів по трубопроводах як в середині підприємства між окремими апаратами і установками, так і зовні його.

Рух рідини трубопроводами і через апарати зв’язаний з затратами енергії. В деяких випадках, наприклад, при русі з більш високого рівня на більш низький, рідина переміщується самотьоком, тобто без затрат енергії, внаслідок перетворення частини власної потенціальної енергії в кінетичну. При переміщенні рідини горизонтальними трубопроводами із нижчого рівня на вищий застосовуються насоси.

Насоси – гідравлічні машини, які перетворюють механічну енергію двигуна на енергію рідини, що переміщається, підвищуючи її тиск. Різниця тисків рідини в насосі і трубопроводі обумовлює її переміщення.

За принципом дії розрізняють насоси наступних типів: лопосні (центробіжні), об’ємні, вихреві, струйні, монтежю, газліфтинг.

У лопостних (центробіжних) насосах тиск створюється центробіжною силою, що діє на рідину при обертанні лопостних коліс.

У об’ємних насосах різниця тисків виникає при витісненні рідини із замкнутого простору тілами, що рухаються повертально-поступально або такими, що обертаються. До машин такого типу відносяться поршневі і ротаційні.

У вихревих насосах в енергію тиску трансформується енергія вихрів, що утворюється в рідині при обертанні робочого колеса.

У струйних насосах переміщення рідини здійснюється струєю повітря, пару або води, що рухається.

Газліфт – пристрій в якому переміщення відбувається під дією різниці густини рідини і газорідинної суміші, що утворюється шляхом введення газу в відкриту з двох сторін вертикальну трубу, один кінець якої опущено в рідину, що перекачується.

У монтежю використовується тиск повітря, газу або пару на поверхню рідини.

Компресори

На підприємствах хімічної промисловості підлягає переробці значна кількість газів і їх сумішей. Проведення багатьох хімічних процесів у газовій фазі за тиску, що відрізняється від атмосферного, часто приводить до збільшення їх швидкості і зменшення необхідного об’єму реакційної апаратури.

Машини, призначені для перемішування газів і рідин та стиснення газів, називають компресорними машинами.

Відношення кінцевого тиску Р₂, що створюється компресорною машиною, до початкового тиску Р₁, при якому відбувається всмоктування газу, називається ступенем стиснення.

В залежності від величини ступеня стиснення розрізняють наступні типи компресорних машин:

1) вентилятори (Р₂ Р₁<1,1) – для переміщення великих кількостей газів;

2) газодувки (1,1<Р₂ Р₁<3,0) – для переміщення газів при відносно високому опору газопровідної мережі;

3) компресори (Р₂ Р₁>3,0) – для створення великих тисків;

4) вакуум-насоси – для відсмоктування газів при тисках нижче атмосферного.