Понятие псевдоожиженного слоя

Типы псевдоожиженного слоя

 

Псевдоожижение – процесс, при котором твёрдая статическая (сыпучая) масса переводится в состояние подобной жидкой массе. Этот процесс происходит, когда жидкость (капельная жидкость или газ) движется вверх через слой зернистого материала.

Когда поток ожижающего агента проходит через распределительную решётку под слоем смеси зернистого материала, этот поток будет двигаться вверх через промежутки между зёрнами материала. При невысоких скоростях газа силы аэродинамического лобового сопротивления каждого из зёрен, действующие со стороны потока газа, малы, и слой остаётся в спокойном состоянии. Но увеличение скорости потока газа ведёт к возрастанию силы аэродинамического лобового сопротивления и начинают противодействовать силам гравитации. Это принуждает слой к увеличению своего объёма. Последующее подъём скорости газа приводит к тому, что высота слоя достигает некоторого критического значения, при котором поднимающие зёрна вверх силы лобового сопротивления становятся равными гравитационным силам – частицы слоя зависают в потоке ожижающего агента. Критический объём кипящего слоя обладает качествами жидкости. Если увеличивать скорость потока газа выше критического значения, то единство слоя разрушится, ожижение частиц приведёт к подъёму зёрен вверх, увлекаемые потоком газа [1].

Рисунок 1.1 – Режимы контактирования газ-твёрдое:

1 – взвешенный слой, 2 – пузырьковое псевдоожижение (кипящий слой),

3 – турбулентное режим псевдоожижения, 4 – быстрое псевдоожижение,

5 – пневмотранспорт

 

На рисунке 1.1 приведены основные формы контакта ожижающего газа и твёрдых частиц. Поскольку данный рисунок носит общий  характер, в нём не указаны некоторые отдельные формы существования псевдоожиженных систем, такие как поршнеобразование или фонтанирование [16].  

По мере увеличения скорости пропускания газа через неподвижные частицы сыпучего слоя (1 на рисунке 1.1) сопротивление материала растёт, достигая в определённый момент предельного значения, за которым плотности слоя становится недостаточно и он переходит в состояние псевдоожижения. Конкретно перед потерей устойчивости происходит незначительное перестроение структуры слоя с частичным разрушением сил сцепления между частицами, перемещениями отдельных элементов слоя, незначительным увеличением порозности. Такой слой называется взвешенным. Он устойчив в узком диапазоне скоростей воздуха, имеет некоторые технологические достоинства. В большей степени данный вопрос изучается  в связи с необходимостью описания перехода в псевдоожиженное состояние, изучения пределов существования кипящего слоя. Это позволяет рассматривать взвешенный слой как пузырьковый кипящий слой (2 на рисунке 1.1) при первой критической скорости ожижающего агента.

Взвешенный слой имеет отличия от других типов псевдоожижения, что объясняется отсутствием перемешивания зернистого материала и высокой порозностью. Порозность обуславливает высокие скорости обтекания твёрдых частиц воздухом. Скорость обтекания газами определяет интенсивный характер тепломассообмена от ожижающего агента к частицам слоя. С другой стороны, отсутствие циркуляции материала может вызвать значительные температурные градиенты, что часто является определяющим фактором в пользу выбора других режимов обработки. Кроме того, взвешенный слой непригоден для проведения непрерывных процессов в производстве.

Для обозначения широкого спектра дисперсных систем используется термин «пузырьковый кипящий слой». Характеристикой первого порядка важности для пузырькового слоя является его близкая схожесть с  реактором идеального смешения. Это преимущество позволяет проводить  масштабные процессы в изотермических условиях.

Что касается  газовой фазы, псевдоожиженный слой следует описывать моделями промежуточного типа, при этом неоднородность свойств ожижающего агента обнаруживается даже для небольших аппаратов, выполняющих работу в относительно активных гидродинамических режимах [16].

Аппараты с кипящим слоем хороши для обработки в непрерывном режиме, хотя обратное перемешивание частиц часто приводит к трудностям с регулированием времени пребывания частиц в аппарате, что ухудшает качество готового продукта [16]. Обычно интенсивность теплообмена высокая и не ограничивает размеры устройства, но  имеются сложности  с описанием этого процесса.

Одними из заметных недостатков устройств с псевдоожиженным слоем является эрозия оборудования, трудности с управлением переработки неоднородных сыпучих смесей частиц. Если у взвешенного слоя падение давления в связи с малой скоростью перемешивания частиц не ведёт к серьёзным трудностям, для кипящего слоя сопротивление слоя велико и растёт с высотой слоя, что говорит о высоких показателях энергетических затрат и более высоких требованиях к тягодутьевому оборудованию.

Увеличение скорости перемешивания псевдоожиженного слоя проводит его через ряд стадии изменений. При первой критической скорости ожижающий агент проходит через слой как гомогенную среду иной плотности. В такой ситуации говорят о спокойном псевдоожижении. Данный тип слоя нестабилен, быстро переходит в струйный режим псевдоожижения. В этом варианте ожижающий агент проходит через слой в виде факелообразных коридоров. При значительной высоте указанных струй происходит их обрыв и образование газовых пузырей. Интенсивное формировании полостей характеризует пузырьковый псевдоожиженный слой.

В зависимости от высоты слоя выделяют несколько зон, расчёт теплообмена в которых должен происходить отдельно друг от друга [17]. В связи с тем, что в промышленной практике получили наибольшее распространение слои, высота которых больше радиальных размеров и в которых реализуются развитые пузырьковые режимы, то вопросы расчёта параметров струйного псевдоожижения получили меньшее развитие, чем пузырькового.

Для описания только пузырьковых режимов псевдоожижения была предложена двухфазная теория, развитие которой началось с работ Туми и Джонстона. В рамках наиболее упрощённого варианта её построений слой рассматривается как однородная система «газ-твёрдое», в которую вносят возмущения формируемые газовые пузыри, причём на их образование расходуется часть оборота воздуха, сообщаемая сверх необходимой для минимального псевдоожижения.

Постепенное увеличение фиктивной скорости ожижающего агента, сопровождающееся ожидаемым увеличением количества газовых пузырей, их концентрации и размеров, интенсифицирующих перемешивание, вызывающих значительные колебания и размывание границ свободной поверхности слоя говорит о начале верхнего предела существования кипящего слоя [17]. При больших скоростях пузыри ожижающего агента объединяются, теряя правильную геометрическую форму, образуют завихрения частиц, что позволяет твёрдой фазе периодически покидать пределы аппарата. Этот режим принято называть турбулентным (положение 3 на рисунке 1.1).

Если формируется некоторый стационарный вынос материала (при повышенном расходе воздуха), а свободная поверхность слоя не может быть намечена даже условно, то говорят о быстром ожижении. Есть версия, что при быстром псевдоожижении есть возможность управлять процессом в режиме циркуляции (циркуляционный кипящий слой).

Переход в режим пневмотранспорта выражается через концентрацию частиц по высоте слоя, она близка к постоянной, в отличие от турбулентного и быстрого режимов, у которых концентрацию твёрдых частиц по высоте отличается. То есть, при режиме пневмотранспорта концентрация твёрдой фазы фактически не влияет я на скорость витания одиночных зёрен (при концентрации 0,05-0,06 м³/м³ и ниже).

При рассмотрении промышленного передела сыпучего материала, как правило, оценивается выбор между простым псевдоожиженным слоем и переработкой в режиме пневмотранспорта. При этом даже общий анализ (рисунок 1.1в) иллюстрирует, что максимальная скорость скольжения очевидно наблюдается в режимах, переходных от псевдоожижения к пневмотранспорту. Дело в том, что при пневмотранспорте частица зачастую перемещается вместе с потоком несущей среды, что снижает относительную скорость контакта и связанные с ней коэффициенты теплоотдачи. Это основная  причина использования режима пневмотранспорта для реализации быстропротекающих реакций, сушки частиц с небольшим внутридиффузионным сопротивлением или схожих в смысле скорости достижения необходимой степени завершённости превращения процессов, которые могут быть реализованы за время транспортирования частицы через аппарат [17].