Гидродинамика кипящего (псевдоожиженного) слоя. Скорость и число псевдоожижения. Поршневое псевдоожижение, фонтанирование

Гидродинамическая сущность процессов псевдоожижения заключается в следующем. Если через слой твёрдых частиц, расположенный на поддерживающей перфорированной решётке аппарата, проходит восходящий поток жидкости или газа, то состояние слоя оказывается разным в зависимости от скорости этого потока.

а) неподвижный слой; б) кипящий (псевдоожиженный) слой; в) унос частиц потока

Состояние и условия существования взвешенного слоя зависят от скорости восходящего потока и физических свойств системы: плотности, вязкости, размеров частиц.

Слой будет неподвижным в восходящем потоке, если Vвит>V в 1,5-2 раза (режим фильтрации). Слой будет находиться в состоянии равновесия (витания), если Vвит≈V. Твёрдые частицы будут двигаться в сторону потока, если Vвит<V.

Скорость, при которой нарушается неподвижность слоя и он начинает переходить в псевдоожиженное состояние, называют скоростью псевдоожижения Vпс. При увеличении V₀ до Vпс высота слоя практически не меняется, а его гидравлическое сопротивление возрастает. При достижении потоком Vпс силы сцепления преодолевается, и перепад давления становится равным весу частиц. Сопротивление слоя в момент псевдоожижения можно выразить:

, где Gт – вес твёрдых частиц в слое, S – площадь поперечного сечения, h – высота неподвижного слоя,   – плотности твёрдых и жидких частиц соответственно,  – порозность неподвижного слоя.

При дальнейшем увеличении V₀ слой разрушается и начинается массовый унос частиц при соответствующей Vвит. Пределы существования псевдоожиженного слоя ограничены скоростями Vпс и Vвит. Отношение V₀/Vпс называют числом псевдоожижения.

Кv=V₀/Vпс – характеризует интенсивность перемешивания частиц в кипящем (псевдоожиженном) слое. Опытным путём установлено, что максимальная интенсивность – при Кv=2. V₀ – рабочая скорость.

 На практике Vпс определяют в лабораториях или промышленных установках. Графики перепада давления слое зернистого материала в зависимости от скорости могут иметь вид:

В реальной кривой крутизна определяется плотностью первоначальной упаковки. При более плотной упаковке сопротивление слоя несколько выше и восходящая ветвь круче (1), при более рыхлой – пологой (2).

В момент перехода слоя в псевдоожиженное состояние наблюдается пик давления (преодоление сил сцепления). Величина пика определяется скоростью упаковки, формой и состоянием поверхности. В промышленности строительных материалов чаще всего псевдоожижение используют в системе «газ-твёрдое тело». Для этой системы псевдоожижение, как правило, неоднородно. Часть газа движется через слой в виде пузырей или через один или несколько каналов, по которым происходит проскок значительного количества газа.

В реальных условиях поведение слоя зависит от конкретных особенностей аппарата и размеров частиц. В аппаратах узких и высоких h/D и с частицами крупных размеров пузыри газа, сливаясь по мере подъёма, могут образовывать сплошные газовые пробки. Происходит разделение псевдоожиженного слоя на отдельные слои, а прорыв газа сопровождается выбросом частиц.

Этот режим работы – поршневой – крайне нежелателен. При псевдоожижении очень маленьких частиц (25-70 мкм), склонных к электризации, агломерации слипанию, возможно фонтанирование, являющееся предельным случаем слияния потоков газа, движущихся по нескольким каналам в один, расположенных вблизи оси аппарата. Поток газовзвеси, движущийся в канале, образует с поверхностью слоя фонтаны частиц, а на периферии – застойные зоны.

Для устранения такого нарушения режима псевдоожижения используют дополнительный ввод в слой механической энергии посредством различного рода перемешивающих устройств и вибраторов (газомеханическое псевдоожижение). Т.к. процессы псевдоожижения в настоящее время не поддаются точному расчёту, их промышленная организация связана с проведением большого количества экспериментов и проверки в полупроизводственных условиях.