книги из ГПНТБ / Романков, П. Г. Гидромеханические процессы химической технологии

Зависимости (5-1336) соответствует график, представленный на рис. 5-26.

Если насадка состоит из насадочных тел различных размеров, то средняя удельная поверхность слоя равна:

где Хі — объемная доля і-й фракции частиц диаметром di. Средний эквивалентный диаметр:

Уравнения (5-133a) и (5-1336) могут быть представлены в виде зависимости, выражающей коэффициент сопротивления слоя на­ садки А.СЛ как отношение общего перепада давлений к величине потерь кинетической энергии:

Уравнение (5-136) применимо для расчета гидравлического сопро­ тивления слоя сухой насадки.

ВЗВЕШЕННЫЙ СЛОЙ

К смешанной задаче гидродинамики относится также движение восходящего потока жидкости или газа через подвижный слой зер­ нистого материала. При малых скоростях потока слой соприкасаю­ щихся друг с другом частиц остается неподвижным, так как газ или жидкость проходит по межзерновым каналам и пустотам, т. е. фильтруется через слой. При этом часть скоростного напора рас­ ходуется на преодоление трения при движении по извилистым меж­ зерновым каналам о поверхность твердых частиц, а также о стенки аппарата. Обычно трение потока о стенки аппарата пренебрежимо мало (если диаметр аппарата Dann достаточно велик по сравнению

сдиаметром частиц d4) и гидравлическое сопротивление слоя не превышает веса твердых частиц, приходящегося на единицу пло­ щади решетки, поддерживающей слой.

Сувеличением скорости потока промежутки между частицами увеличиваются. Частицы приходят в движение и перемешиваются

сгазом (или жидкостью). Образовавшаяся взвесь называется взве­ шенным слоем.

Взвешенный слой часто называют псевдоожиженным, так как масса мелких твердых частиц в результате непрерывного переме­ шивания в восходящем потоке газа приходит в легкоподвижное состояние, напоминая кипящую жидкость. При этом газовый поток передает некоторое количество движения (в виде кинетической

217

энергии) твердым частицам, перемещение которых друг относи­ тельно друга обусловливается уменьшением силы трения. Средняя величина вектора скорости перемещения каждой частицы близка к нулю, поэтому псевдоожиженный, «кипящий» слой еще не имеет направленного движения и его верхняя поверхность стремится при­ нять горизонтальное положение.

При дальнейшем увеличении скорости газа градиент скорости у каждой твердой частицы и силы вязкости, вызываемые этим гра­ диентом, увеличиваются, что приводит к увеличению сечения меж­ зерновых каналов и, следовательно, к уменьшению скорости. По­ этому твердые частицы, находящиеся под действием сил тяжести,

Рис. 5-27. Взвешенный слой (различные состояния системы газ — твер­ дое тело).

сопротивления и выталкивания, выносятся из слоя и вновь падают вследствие флуктуаций скорости.

Восходящий поток газа проходит через слой твердых частиц, прокладывая в нем узкие каналы (каналообразование) или обра­ зуя пузыри, иногда увеличивающиеся до таких размеров, что нахо­ дящийся над таким пузырем слой твердых частиц поднимается вверх как бы под действием поршня (поршнеобразование). Если

стиц и т. д.

На рис. 5-27 показаны возможные состояния неоднородной си­ стемы газ — мелкозернистый твердый материал в зависимости от характера движения восходящего потока газа через зернистый слой.

Структура так называемого неподвижного слоя отличается тем, что при небольшой скорости движения потока газа (жидкости)

218

сквозь слой взаимное расположение твердых частиц остается неиз­ менным (рис. 5-27, а). При увеличении скорости потока газа выше некоторого критического значения слой перейдет во взвешенное со­ стояние, причем структура его может быть различной. При сравни­ тельно низких скоростях может быть получен взвешенный слой с равномерным распределением твердой фазы независимо от про­ должительности процесса и размеров аппарата. Такой слой назы­ вают однородным. Обычно он сравнительно легко организуется при одинаковых размерах и форме твердых частиц (рис. 5-27,6), а также характеризуется отсутствием крупных пузырей газа, прохо­ дящих через слой. Таким образом, состояние системы газ — твер­ дые мелкозернистые частицы можно считать однородным только в том случае, если восходящий газовый поток свободен от внешних возмущений.

При движении через слой крупных пузырей наружная поверх­ ность слоя разрывается и группы частиц перемещаются вместе с пузырями по высоте слоя, способствуя интенсивному перемеши­ ванию твердой фазы (рис. 5-27, в). В аппаратах малого диаметра пузыри, образующиеся вблизи газораспределительной решетки, ча­ сто сливаются в один большой пузырь, заполняющий все сечение аппарата, и слой частиц, расположенный выше такого пузыря, под­ нимается вверх, как поршень (рис. 5-27,г). Поршни из частиц с до­ статочно большой «текучестью» медленно перемещаются вверх, распадаясь на агрегаты частиц, которые вновь падают вниз. При увеличении скорости газа расстояние между «поршнями» увеличи­ вается, и весь слой пульсирует без изменения структуры потока в «поршнях».

При дальнейшем повышении скорости газового потока, особенно через слои тонкоизмельченных материалов с повышенной «теку­ честью», возникают сквозные прорывы газа, и струи газа движутся по образовавшимся каналам как через неподвижный слой (рис. 5-27,6) в условиях неустойчивости всей системы. Разновидностью взвешенного слоя является и так называемый фонтанирующий слой, образующийся при подаче восходящего потока газа в слой через газораспределительную решетку, площадь которой значи­ тельно меньше площади сечения аппарата (рис. 5-27,г). При этом струя газа фонтанирует вдоль вертикальной оси аппарата, увлекая часть слоя вверх. При переходе из конической части аппарата в ци­ линдрическую скорость газа уменьшается, движение твердых ча­ стиц замедляется и они, двигаясь по спирали, осаждаются по стен­ кам аппарата до самого дна, где снова подхватываются восходя­ щим потоком газа.

Взвешенный слой мелкозернистого материала обычно поддер­ живается в аппарате прямоугольной, цилиндрической или кониче­ ской формы с помощью решетки, служащей также и для равномер­ ного распределения ожижающего потока. Однако существует ряд аппаратов (сушилки, трубы пневмо- и гидротранспорта), работаю­ щих (без решетки) в гидродинамическом режиме, соответствую­ щем выносу материала из аппарата с газовым потоком.

219

Метод взвешенного слоя в последние годы широко внедрен в различные отрасли промышленности и, в частности, в ряд процес­ сов химической технологии (адсорбцию и десорбцию, сушку, выще­ лачивание и экстрагирование, гетерогенный катализ, обжиг, гази­ фикацию и т. д.) в качестве прогрессивного технологического ме­ тода, обеспечивающего непрерывность взаимодействия газовой (жидкой) среды с зернистым твердым материалом в условиях вы­ равнивания таких параметров процесса, как температура и концен­ трация.

Структура взвешенного слоя является важнейшей характери­ стикой метода, обусловливающей его применение в конкретном частном случае, поэтому исследованию этого вопроса посвящено большое число работ [34]. Многие исследователи детально изучают условия образования взвешенного слоя, уделяя особое внимание зарождению и развитию пузырей газа, проходящих через слой [35] и обеспечивающих перемешивание твердой фазы, а также вызы­ вающих канало- и поршнеобразование.

По нашему мнению, наиболее перспективными являются ра­ боты, посвященные исследованию гидродинамических условий устойчивости однородного взвешенного слоя, характеризующегося постоянством концентрации твердых частиц во всех точках слоя независимо от времени и от размеров аппарата, т. е. отсутствием пузырей.

В последнее время для улучшения эффективности использова­ ния взвешенного слоя в химической промышленности стали разви­ вать следующие направления: 1) взвешенный слой под давлением [36] и при высоких температурах [37]; 2) взвешенный слой в центро­ бежном поле [37]; 3) взвешенный слой с импульсной циркуляцией ожижающего потока [38]; 4) виброкипящий слой [38].

Во всех перечисленных случаях увеличиваются эксперименталь­ ные трудности и усложняется математический аппарат, используе­ мый для обобщения результатов опытов.

Прежде чем рассматривать механизм взаимодействия газовой и твердой фаз, необходимо кратко изложить основные характери­ стики системы и условия образования взвешенного слоя.

Скорость потока при образовании взвешенного слоя

Если слой зернистого твердого материала для проведения ка­ кого-либо технологического процесса необходимо привести во взве­ шенное состояние, то при определении скорости газового (жид­ костного) потока следует учесть, что в зависимости от величины скорости w существуют три режима, характеризующие взаимодей­

При увеличении скорости восходящего потока газа в слое пере­ пад давлений возрастает и в какой-то момент становится равным противоположно направленной силе тяжести. Дальнейшее увеличе-

220

ние скоростного напора вызывает расширение слоя. Таким обра­ зом, баланс сил в сечении слоя длиной L при условии равенства сил давления и тяжести будет иметь вид:

221

где wup, I — минимальная скорость, при которой слой переходит во взвешенное состояние. При известной порозности слоя е и задан­ ном размере частиц d4 уравнение (5-138) легко решается относи­ тельно wKр. I. Обычно в момент начала образования взвешенного слоя порозность приближенно равна своему минимальному значе­ нию при свободной засыпке слоя (ео для шарообразных частиц

— 0,4), в пределах 0,35—0,5.

Уравнение (5-138) для слоя монодисперсных шарообразных ча­ стиц может быть приведено к виду [34]

или при порозности слоя, равной 0,4:

терий Рейнольдса, рассчитанный по минимальной скорости, при которой слой переходит во взвешенное состояние; ѵ — кинематиче­ ский коэффициент вязкости потока газа (жидкости).

Определение скорости ш>„р. і также можно проводить с помощью других зависимостей [39] различной степени сложности и точности.

Расчет скорости, необходимой для достижения заданного рас­ ширения взвешенного слоя, можно проводить по обобщенной фор­ муле [34]:

Лященко (рис. 5-28). С помощью рис. 5-28 (с погрешностью ±20%) можно определять: 1) скорость газового потока w, кото­ рая необходима для образования взвешенного слоя из частиц диа­ метром d4 при заданной порозности е; 2) минимальный диаметр частиц d4, переходящих во взвешенное состояние при заданной скорости газового потока.

Скорость уноса

Другим пределом существования взвешенного слоя является скорость, при которой зернистый материал выносится из аппарата. Скорость уноса рассчитывается по тем же формулам, что и ско­ рость свободного осаждения или витания одиночной шарообразной частицы. Начало уноса характеризуется следующими условия­ ми: 1) расширение слоя достигло предела и движение отдель­ ных частиц не зависит от воздействия соседних частиц; 2) частицы не осаждаются и не уносятся газовым потоком, свободно витая в надслоевом пространстве, так как вес каждой частицы уравнове­

222

шивается силой сопротивления, возникающей при обтекании ча­ стицы потоком газа. Незначительное превышение скорости газа над скоростью витания приводит к уносу частицы. Скорость вита­ ния является важнейшей характеристикой взвешенного слоя и определяется опытным путем [34].

При уносе движение твердых частиц в слое перестает быть хао­ тическим. Частицы ориентируются в направлении восходящего по­ тока газа и начинают перемещаться по аппарату снизу вверх. Та­ кой режим движения используют для перемещения сыпучих мелко­ зернистых материалов (пневмо- и гидротранспорт).

Скорость уноса в пределах изменения числа Рейнольдса

Re = Wydjv от 500 до 2 -ІО5, когда коэффициент трения при обте­ кании шарообразной частицы не меняется и равен примерно 0,44, может быть рассчитана по закону сопротивления Ньютона:

В том случае, когда слой состоит из большого числа фракций частиц различных размеров, значение шкр.і для крупных частиц оказывается меньше wKр. и для самых мелких частиц, т. е. унос мелких частиц из слоя наступит раньше, чем крупные частицы перейдут во взвешенное состояние. Поэтому для полидисперсных слоев можно говорить о критической области скоростей, соответ­ ствующих переходу слоя во взвешенное состояние или в режим пневмотранспорта. Эти области скоростей определяют эксперимен­ тально.

При однородном взвешенном слое можно воспользоваться соот­ ношением [40]:

ность слоя, соответствующая скорости да; п — показатель степени, зависящий от отношения d4/DRпп

223

Здесь Re = wocd4pl\i. Зависимость (5-143) была получена для однородного взвешенного слоя стеклянных шариков (d4 > 100 мкм) в потоке бромоформа и может быть использована также для оса­ ждения.

Порозность и высота взвешенного слоя

Порозность или степень расширения слоя можно вычислить по формуле:

Если объем слоя трудно определить экспериментально, то для расчета е используют интерполяционную формулу [41]:

/ 18 Re+ 0,36 Re2\0>2l

использована для определения порозности. Точный расчет е до­ вольно затруднителен (особенно в случае, когда слой переводится во взвешенное состояние восходящим газовым потоком), поэтому

224

графическое определение (рис. 5-30) степени расширения слоя по

отношение рабочей скорости (рас­ считанной на полное сечение ап­ парата) ш к критической скоро­ сти Шкр. I начала образования взвешенного слоя (ш/доКр. і) явля­ ется также общепризнанной ха­ рактеристикой взвешенного слоя п носит название числа псевдо­ ожижения Kw При Kw = 2 уже имеет место интенсивное переме­

шивание твердых частиц в слое. Оптимальные числа Kw для каж­ дого процесса колеблются в широких пределах.

Гидравлическоз сопротивление взвешенного слоя

Гидравлическое сопротивление зернистого слоя изменяется в зависимости от скорости потока в соответствии с уравнениями (5-1) —(5-3) и (5-5) до точки А, характеризующей начало образо­ вания взвешенного слоя (рис. 5-31). Для области существования взвешенного слоя гидравлическое сопротивление практически остается постоянным и равным весу GCJI мелкозернистых частиц,

приходящемуся на единицу площади Fсл поперечного сечения слоя (аппарата):

* сл

На рис. 5-31 представле­ на зависимость Арсл — f(w)' в логарифмических коорди­ натах. При увеличении ско­

Рис. 5-31. Гидравлическое сопротивление рости восходящего потока

зернистого слоя. слой расширяется до точки В и Арсл увеличивается ли­

нейно (идет фильтрация потока через слой), затем Ддол проходит че­ рез максимум (точка С), наличие которого объясняется по-разному [34] — силами адгезии или самоторможением потока вблизи стенок аппарата. Характерно, что при обратном ходе кривой АрСл — f(w), т. е. при уменьшении скорости, точка С отсутствует и прямая про­ цесса фильтрации расположена несколько ниже в результате об­ разования более рыхлой структуры слоя. Линия CD соответствует уравнению (5-150) и характеризуется независимостью Арсл от ско­ рости движения потока через слой. В точке D начинается унос, и слой разрушается.

Характеристики частиц зернистого материала

IIа первом этапе изучения гидродинамики взвешенного слоя исходили из идеализированных представлений о его структуре, рассматривая движение шарообразных частиц одинаковых разме­ ров и одинаковой плотности. В реальном слое частицы имеют са­ мую разнообразную форму и размеры, что затрудняет правильный выбор основных характеристик процесса.

Свойства частиц, таким образом, являются определяющими при установлении характера движения взвешенного слоя, особенно если ожижающим агентом является газ. Однако до сих пор способ­ ность зернистых материалов переходить во взвешенное состояние оценивается только качественно и только на основании экспери­ мента. По-видимому, эта проблема тесно связана с изменением порозности слоя в зависимости от гранулометрического состава зернистого материала и с изменением количества движения в си­ стеме газ — твердый мелкозернистый материал.

Взвешенный слой широко применяется в химической промыш­ ленности как наиболее простой метод, позволяющий организовать непрерывность обработки того или иного материала. Представляет интерес при аппаратурном оформлении взвешенного слоя исходить из оптимальной удельной производительности и наиболее благо­ приятных кинетических коэффициентов (тепло- и массообмена между газовой и твердой фазами), которые непосредственно зави­ сят от среднего размера частиц и их гранулометрического состава. Обычно для обработки непылящих материалов используют доста­ точно крупные частицы со средним диаметром d4 > 200 мкм при низких числах псевдоожижения (/С№— 2 -f-3). В тех случаях, когда в соответствии с технологическими требованиями необходимо обеспечить большую поверхность контакта (d4 < 100 мкм), и слой состоит из широко отличающихся по размерам частиц неправиль­ ной формы, процесс обычно ведут при больших значениях K.w, т. е. при скоростях, во много раз более высоких, чем шКр. і- При этом приходится учитывать большой унос мелких частиц с газовым по­ током (а также возможность поршнеобразования или канальных проскоков газа) и принимать соответствующие меры для уменьше­ ния потерь материала (например, рециркуляция).

Оптимальный режим для взвешенного монодисперсного слоя можно оценивать с помощью зависимости:

при обжиге в печах с кипящим слоем оптимальный тепловой режим обеспечивается при значениях А = 0,12 и п = 0,5. Об оптималь­ ных режимах для полидисперсных слоев см. подробно в [34].

Рассмотрим взаимодействие между восходящим потоком газа и твердыми частицами. При исследовании гидродинамики взвешен­ ного слоя применительно к конкретному технологическому про­ цессу необходимо, чтобы описание механизма метода включало следующие его стороны: 1) возникновение и движение пузырей

226