Демонстрация «кипящего» слоя и

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ НАЧАЛА ПСЕВДООЖИЖЕНИЯ

ЗЕРНИСТОГО МАТЕРИАЛА

Цели лабораторной работы

· экспериментальное и теоретическое определение скорости начала псевдоожижения слоя зернистого материала;

· сопоставление экспериментальных значений скорости начала псевдоожижения слоя зернистого материала с расчетными;

· определение кажущейся (насыпной) плотности и порозности кипящего и неподвижного слоя зернистого материала.

 

Теоретические основы

В нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности многие технологические процессы используют в производственных масштабах технику псевдоожижения. Большое распространение получил процесс каталитического крекинга дистиллятного иостаточного сырья в кипящем (псевдоожиженном) слое катализа­тора, являющийся одним из основных вторичных процессов переработки углеводородного сырья, позволяющим получать высокооктановые авиационные и автомобильные бензины.

Слой зернистого материала представляет собой объем, заполненый мелкими частицами материала, пустоты между которыми образуют извилистые поровые каналы, по которым движется поток газа. Частицы зернистого материала могут иметь различные размеры и форму (сферы, цилиндры, таблетки, зерна произвольной формы и т.д.). Для характеристики формы частиц используют коэффициент формы (или фактор формы):

(2.1)

где F_ш – площадь поверхности шара, объём которого равен объёму частицы; F_ч - площадь поверхности частицы.

В общем случае ; для сферических частиц .

Коэффициент формы частиц геометрически правильной формы определяется аналитически. Для наиболее часто встречающихся форм частиц рассчитанные коэффициенты формы приведены в таблице П-3 приложений.

Для частиц неправильной формы коэффициент находят экспериментально. Для некоторых сыпучих материалов и насадок коэффициенты формы приведены в таблице П-4 приложений.

Важнейшей характеристикой слоя зернистого материала является его порозность ε или доля объёма пустот между частицами от общего объема слоя (доля свободного объема):

(2.2)

где V - объем слоя; V_ч - объем, занимаемый частицами; V_п - объем, занимаемый поровыми каналами.

Порозность можно выразить через кажущуюся (насыпную) и истинную плотности слоя зернистого материала:

(2.3)

где r_н – кажущаяся (насыпная) плотность слоя; r_ч - истинная плотность слоя, плотность материала частиц.

Слой может быть монодисперсным, т.е. состоять из частиц одинакового размера, или полидисперсным, т.е. состоять из частиц разного размера.

При восходящем движении среды (газа, жидкости) через неподвижный слой зернистого материала в сосуде, имеющем свободное пространство над слоем, по мере увеличения скорости потока увеличивается гидравлическое сопротивление слоя и ослабевает давление частиц друг на друга. При достижении некоторого критического значения скорости потока силы трения среды о поверхность частиц и инерционные силы потока уравновешивают силы тяжести слоя частиц, то есть сила сопротивления слоя становится равной силе тяжести слоя. В этот момент частицы слоя перестают оказывать давление друг на друга, они становятся подвижными.

При дальнейшем увеличении скорости газа w > w_кp слой переходит во взвешенное состояние. Взвешенный слой зернистого, порошкообразного материала по внешнему виду похож на кипящую жидкость, поэтому его часто называют «кипящим» или псевдоожиженным слоем. Структура слоя в зависимости от скорости восходящего (псевдоожижающего) потока, размера и формы частиц может быть различной. При невысоких скоростях потока, одинаковых размерах и форме твердых частиц может быть получен взвешенный слой с равномерным распределением твердой фазы независимо от продолжительности процесса и размеров аппарата. Такой слой называют однородным. Однородное псевдоожижение для значительного диапазона скоростей наблюдаётся при псевдоожижении зернистых материалов капельными жидкостями.

При псевдоожижении по мере роста скорости потока газа в слое образуются пузыри, а на поверхности слоя возникают всплески. При этом наблюдаются значительные пульсации статического и динамического напора псевдоожижающего агента. Такой характер гидродинамики слоя называют неоднородным псевдоожижением. Частицы в таком слое хаотически перемещаются внутри его, что способствует интенсивному тепло и массообмену внутри слоя. Характер движения образующихся пузырей и интенсивность их проскока через слой зависят от скорости газа, гранулометрического состава частиц, отношения высоты слоя к диаметру аппарата, конструкции распределительной решетки, свойств среды и др.

Итак, при плавном увеличении скорости потока через слой зернистого материала до некоторого критического значения происходит обычный процесс фильтрования, при котором твердые частицы неподвижны.

На рис. 2.1 представлен график зависимости перепада статического давления в слое зернистого материала от скорости среды , называемый кривой псевдоожижения.

Рис. 2.1. Идеальная кривая псевдоожижения

Приведенная форма кривой псевдоожижения является идеальной и характерна лишь для гладких, сухих, шаров одинакового размера.

Процессу фильтрации соответствует восходящий участок 1, отрезок ОА. При ламинарном режиме фильтрации потока через слой участок 1 представляет собой прямую линию (ΔР ~ w), при турбулентном - параболу (ΔР ~ w²). При достижении скоростью среды критического значения w_кр в точке А слой переходит в псевдоожиженное состояние. Участок 2 соответствует псевдоожиженному состоянию слоя. В точке В скорость среды становиться равной скорости витания. На участке 3 при скорости среды превышающей скорость витания частиц, происходит процесс уноса частиц зернистого материала из слоя и гидравлическое сопротивление вследствие этого падает.

Вид реальных кривых псевдоожижения показан на рис. 2.2 и рис. 2.3.

 

Рис. 2.2. Реальная кривая псевдоожижения с гистерезисом

Рис. 2.3. Реальная кривая псевдоожижения

Для полидисперсной системы

 

Для кривой, изображенной на рис. 2, характерно наличие пика ΔР* и гистерезиса, которые обусловлены силами сцепления между частицами слоя и трением частиц о стенки аппарата. Для аппаратов постоянного сечения величина ΔР обычно не превышает 1,5% - 5% от перепада давления ΔР в слое в состоянии псевдоожижения. В аппаратах с увеличивающейся площадью поперечного сечения величина ΔР* может в 2-3 раза превышать величину ΔР. В таких аппаратах образуется так называемый фонтанирующий слой.

Для полидисперсных систем характерна «размытость» момента начала псевдоожижения (см. рис. 2.3). Это объясняется тем, что для разных фракций частиц псевдоожижение начинается при разных критических скоростях и на процесс взаимодействия крупных частиц с потоком оказывают влияние уже «ожиженные» мелкие фракции. Для определения скорости начала псевдоожижения слоя в этом случае используют понятие эквивалентного диаметра частиц.

Использование эффекта псевдоожижения зернистых материалов позволяет перемещать твердые сыпучие материалы подобно жидкости и, благодаря этому, осуществлять многие процессы непрерывным методом. Интенсивное перемешивание фаз в условиях взвешенного слоя обуславливает высокую эффективность протекающих процессов, при этом значительно возрастает скорость внешней диффузии и теплообмена между потоком и частицами, легко обеспечивается выравнивание температур в большом объеме слоя и др.

Для расчета аппаратов с псевдоожиженным слоем необходимо знать величину критической скорости псевдо­ожижения w_Kp.

В режиме псевдоожижения вес слоя зернистого материала с учетом силы Архимеда действующей на частицы уравновешивается силой гидравлического сопротивления слоя. В этом случае баланс сил для сечения псевдоожиженного слоя, находящегося на расстоянии Н от его поверхности, записывается в следующем виде:

(2.4)

где: r_ч, r - плотности материала частиц слоя и среды соответственно; ε - порозность неподвижного слоя; F - площадь поперечного сечения слоя.

Потеря напора на единицу высоты слоя в широком диапазоне скоростей может быть описана универсальным, справедливым для ламинарного, переходного и турбулентного режимов, уравнением Эргуна:

(2.5)

где: µ - динамическая вязкость среды; d - диаметр частиц слоя.

С учетом уравнений (2.4) и (2.5) определим критерий Рейнольдся для начала режима псевдоожижения, т.е. при минимальной скорости потока, при которой слой переходит во взвешенное состояние:

(2.6)

где Ar – критерий Архимеда:

(2.7)

Решая совместно уравнения (2.6) и (2.7) можно определить скорость начала псевдоожижения w_кp.

Следует учитывать, что в полидисперсном слое, т.е. в слое, сосотоящем из фракций частиц различных размеров, величина w_кp для самых крупных частиц может оказаться больше, чем величина w_в для самых мелких частиц. В этом случае унос мелких частиц из слоя может наступить раньше, чем крупные частицы перейдут во взвешенное состояние. Различие в размерах частиц, входящих в состав полидисперсного слоя, оказывает влияние на порозность слоя, режим псевдоожижения, однородность слоя, а, следовательно, и на эффективность процессов, протекающих в псевдоожиженном слое.

Высота псевдоожиженного слоя Н связана с высотой неподвижного слоя Н_о соотношением:

(2.8)

где: Н и Н_о- высоты псевдоожиженного и неподвижного слоев соответственно; e и e₀ - порозности псевдоожиженного и неподвижного слоев соответственно.