3.2.2. Теплообмен в системах с дисперсной твердой фазой

В технологических аппаратах теплообмен между дисперсной твердой фазой и жидкостью или газом может происходить в различных условиях. Ряд процессов происходит в неподвижном слое дисперсного материала фильтруемым через слой потоком.

Есть аппараты с движущимся слоем дисперсного материала, который может обеспечить непрерывный процесс теплообмена как между самим потоком дисперсного материала и стенкой аппарата, так и между частицами дисперсного материала и потоком жидкости или газа, фильтрующимися через движущийся слой.

Ряд технологических процессов проводится в установках, где взаимодействие дисперсного материала с газом происходит в условиях взвеси, то есть в потоке сплошной фазы, несущей с собой мелкодисперсный материал твердой фазы.

В химической технологии, металлургии, энергетике и других отраслях промышленности получает широкое применение специфический метод осуществления контакта газовой (или жидкой) фазы с дисперсным материалом – метод псевдоожиженного, «кипящего» слоя. Сущность образования псевдоожиженного слоя состоит в том, что при некоторой скорости вертикального потока сплошной фазы U_кр сила гидравлического сопротивления, действующая на частицу в слое дисперсного материала, оказывается равной весу частицы (за вычетом подъемной силы Архимеда). При этом каждая частица оказывается в состоянии неустойчивого динамического равновесия. Дальнейшее увеличение скорости псевдоожижающего агента приводит к расширению слоя с сохранением динамического равновесия для каждой частицы, что обеспечивает равенство перепада статического давления на псевдоожиженном слое весу взвешенного дисперсного материала, приходящегося на единицу поперечного сечения слоя. При движении некоторой скорости U_ун (скорость уноса) частицы материала начинают выноситься из слоя потоком сплошной среды. Таким образом, устойчивое состояние псевдоожиженного слоя возможно в диапазоне скорости взвешивающей среды U_кр U U_ун.

В последние годы в технологической практике находит применение специфический метод межфазного взаимодействия сплошной и дисперсной фаз в аппаратах фонтанирующего слоя. Явление фонтанирования дисперсного материала создается за счет подачи газа не равномерно по всему поперечному сечению слоя, как это делается в обычном псевдоожиженном слое, а локализованно. Аппарат фонтанирующего слоя представляет собой конус, обращенный усеченной вершиной вниз. По трубопроводу малого диаметра подается взвешивающая сплошная фаза со скоростью U, достаточной для того, чтобы в центре слоя дисперсного материала появился канал (фонтан) восходящего газа и частиц. На выходе из слоя скорость газа падает, а частицы материала отбрасываются к периферии аппарата. Фонтанирующий слой имеет ряд преимуществ по сравнению с псевдоожиженным слоем: отсутствие газораспределительного устройства (решетки), возможность взвешивать крупные частицы без значительного увеличения расхода газа, осуществлять фонтанирование дисперсных материалов широкого гранулометрического состава без уноса мелких фракций, обрабатывать слипающиеся и спекающиеся материалы.