Гидродинамика кипящих (псевдоожиженных) зернистых слоев

За последние два десятилетия значительное применение в химической и других отраслях промышленности получили процессы, связанные с взаимодействием газов (реже — капельных жидкостей) со слоем мелкораздробленных твердых частиц, находящихся в кипящем, или псевдоожиженном, состоянии. Аппараты с кипящим слоем используются для перемещения и смешивания сыпучих материалов, для проведения процессов обжига, теплообмена, сушки, сепарации, адсорбции, каталитических и других процессов. Та­кое широкое распространение процессов в кипящем слое обусловлено рядом их преимуществ, которые будут рассмотрены в главах XIV и XV, посвященных процессам адсорбции и сушки. Здесь отметим только, что псевдоожижению подвергаются частицы значительно меньших размеров, чем частицы материалов, находящиеся в неподвижном слое. Гидравли­ческое сопротивление кипящего слоя при этом относительно невелико, а уменьшение размеров частиц приводит к увеличению поверхности их кон­такта с потоком и снижает сопротивление диффузии внутри частиц при взаимодействии между твердой и газовой (или жидкой) фазами. В резуль­тате возрастает скорость протекания многих процессов.

Закономерности движения жидкостей через зернистые слои, рассмот­ренные выше, соблюдаются практически при любых скоростях потока, но лишь при движении его сверху вниз. Когда поток движется снизу вверх, эти закономерности применимы лишь при условии; что скорость потока не превышает величины, при которой неподвижность слоя нарушается.

На рис. 11-31 показаны три возможных состояния слоя твердых частиц в зависимости от скорости восходящего потока.

При относительно небольших скоростях зернистый слой остается не­подвижным (рис. 11-31, а), и его характеристики (удельная поверхность, порозность и т. д.) не меняются с изменением скорости потока. Однако, когда скорость достигает некоторой критической величины, слой пере­стает быть неподвижным, его порозность и высота начинают увеличивать­ся, слой приобретает текучесть и переходит как бы в кипящее (псевдоожиженное состояние. В таком слое твердые частицы интенсив­но перемещаются в потоке в различных направлениях (рис. 11-31, 6), и весь слой напоминает кипящую жидкость, ограниченную ясно выражен­ной верхней границей раздела с потоком, прошедшим слой. При дальней­шем увеличении скорости потока порозность слоя и его высота продолжают возрастать вплоть до того момента, когда скорость

Рис. 11-31. Движение газа (жидкости) через слой твердых частиц:

а — неподвижный слой; б — кипящий (псевдоожиженный) слой; в унос твердых частиц потоком.

достигает нового» критического значения, при котором слой разрушается и твердые частицы начинают уноситься потоком (рис. 11-31, в). Явление массового уноса твер­дых частиц потоком газа называют пневмотранспортом и исполь­зуют в промышленности для перемеще­ния сыпучих материалов.

Типичные графики изменения высоты зернистого слоя и перепада давлений в нем (гидравлического сопротивления) в. зависимости от фиктивной скорости газа (скорости, отнесенной ко всему сечению ап­парата) представлены на рис. 11-32.

Скорость, при которой нарушается не­подвижность слоя и он начинает перехо­дить в псевдоожиженное состояние, на­зывают скоростью псевдо­ожижения и обозначают через . При увеличении скорости газа до вели­чины, равной , сопротивление зерни­стого слоя, как следует из рис. 11-32, возрастает с увеличением , а его высота практически не изменяется (линия ABC на рис. 11-32, а).

Начало псевдоожижения наступает при равенстве силы гидравлического сопротивления слоя весу всех его частиц. Однако в действительности пере­пад давлений в слое, соответствующий точке В (рис. 11-32, б), т. е. непо­средственно перед началом псевдоожижения (точка С), несколько боль­ше величины, необходимой для поддержания слоя во взвешенном состоя­нии. Это объясняется действием сил сцепления между частицами слоя, находящегося в покое. Когда скорость потока достигает значения , частицы преодолевают силы сцепления и перепад давлений становится равным весу частиц, приходящемуся на единицу площади поперечного аппарата.

Из рис. 11-32, 6 видно, что указанное условие выполняется для всей области существования псевдоожиженного слоя (линия СЕ), вплоть до-того момента, когда скорость достигает величины, при которой слой раз­рушается и начинается массовый унос частиц потоком. Эту скорость назы­вают скоростью уноса, или, иначе, скоростью свобод­ного витания частиц, и обозначают символом . Последнее назва­ние обусловлено тем, что при массовом уносе порозность слоя столь вели­ка ( приближается к 1), что движение отдельных частиц можно считать не зависящим от воздействия других частиц слоя. Каждая отдельная части­ца свободно витает, т. е. не осаждается и не уносится потоком, при усло­вии, что ее вес в среде уравновешивается силой сопротивления, возника­ющей при обтекании частицы потоком. Значение может быть найдено исходя из того условия. Малейшее превышение скорости w₀ над величи­ной приводит к уносу частицы.

Таким образом, условие витания частицы в восходящем потоке иден­тично условию равномерного осаждения частицы в неподвижной среде (см. стр. 101). Поэтому скорости можно определять так же, как ско­рости осаждения .

В случае уменьшения скорости потока после псевдоожижения слоя наблюдается явление гистерезиса: зависимость гидравлического сопротив­ления неподвижного слоя от скорости потока выражается не линией ABC (рис. 11-32, 6), а прямой CD, расположенной ниже. Это связано с тем, что порозность неподвижного слоя по окончании его псевдоожижения ста­новится несколько выше, чем до псевдоожижения. Последнее подтверждает­ся также данными рис. 11-32, а — высота неподвижного слоя после псевдо­ожижения (ордината линии CD) больше, чем она была до псевдоожиже­ния (ордината линии АВ). Если вновь начать подачу газа в образованный путем псевдоожижения более порозный слой, то при увеличении скорости получается зависимость, соответствующая линии CD, и явление гистере­зиса уже не наблюдается.

Пределы существования псевдоожиженного слоя ограничены, следова­тельно, снизу скоростью псевдоожижения и сверху — скоростью ви­тания .

Надо заметить, что резкий переход от неподвижного к псевдоожиженному со­стоянию зернистого слоя характерен лишь для слоев частиц одинаковой дисперсности. Для полидисперсных слоев существует не скорость псевдоожижения, а область скоростей псевдоожижения, в которой начинается и завершается пе­реход от неподвижного к полностью псевдоожиженному слою.

Отношение рабочей скорости , величина которой должна находить­ся в пределах между и , к скорости начала псевдоожижения назы­вают числом псевдоожижения и обозначают символом:

(11б 136)

Число псевдоожижения характеризует интенсивность перемешивания частиц и состояние псевдоожиженного слоя. Опытным путем найдено, что во многих случаях интенсивное перемешивание достигается уже при . Оптимальные значения устанавливаются обычно практически для каждого конкретного технологического процесса и могут изменяться в довольно широких пределах.

При , т. е. при , характеристики кипящих слоев неоди­наковы при их псевдоожижении с помощью газа или капельной жидко­сти. Эти характеристики зависят также от величины .

Полностью однородное псевдоожижение практи­чески возможно лишь при псевдоожижении твердых частиц в потоке ка­пельной жидкости. При этом увеличение скорости сверх приводит к соответствующему возрастанию высоты слоя без каких-либо заметных ко­лебаний его верхней границы. Расстояние между частицами в данном случае увеличивается постепенно, а жидкость движется в свободном объе­ме между ними сплошным потоком.

Однако чаще всего в промышленности используют процессы псевдоожижения в системе газ — твердая фаза. Для этой системы псевдоожижение, как правило, является неоднородным: часть газа движется через слой не сплошным потоком, а в виде пузырей, которые разрушаются, достигнув верхней границы слоя, что вызывает колебания высоты слоя. На рис. 11-32, а показаны пунктиром (линии СЕ и СE₁) преде­лы колебания высоты псевдоожиженного слоя.

Пока значения числа псевдоожи­жения не очень велики, неоднород­ность слоя не оказывает отрица­тельного воздействия на его харак­теристики, а движущиеся пузыри, наоборот, интенсифицируют переме­шивание частиц в слое. Однако при значительном увеличении скорости газа неоднородность слоя возраста­ет: сквозь слой все чаще прорыва­ются более крупные пузыри и на­чинается интенсивное выбрасывание твердых, частиц над поверхно­стью слоя (рис. 11-33, а). Пузыри газа могут увеличиваться в объ­еме столь значительно, что, наконец, их размер достигает диаметра аппарата (рис. 11-33, б). При этом псевдоожиженный слой разделяется на отдельные части газовыми «пробками»; часть слоя, находящаяся над проб­кой, подбрасывается вверх, что приводит к большому выбросу твердых частиц.

Такой режим работы называют поршневым псевдо­ожижением. Его возникновению способствуют, кроме возрастания скорости газа, увеличение размера частиц и уменьшение диаметра аппара­та. Поршневой режим нежелателен, так как при нем резко ухудшается равномерность контакта между газом и твердыми частицами.

При псевдоожижении некоторых материалов однородность слоя на­рушается также вследствие каналообразования, при кото­ром происходит проскок («байпасирование») значительного количества газа (жидкости) через один или несколько каналов, образующихся в слое. Каналообразование особенно часто наблюдается при применении мате­риалов с очень мелкими или слипающимися частицами, склонными к агло­мерации. Предельным случаем каналообразования является фонта­нирование, при котором поток газа (или жидкости) прорывается сквозь слой по одному большому каналу, возникающему близ оси аппа­рата.

Режим псевдоожижения, соответствующий изменению скоростей в пре­делах от до , называют псевдоожижением в плот­ной фазе, в отличие от режима, при котором , и происходит пневмотранспорт твердых частиц в разбавленной фазе кипя­щего слоя.