Lab._rab._Issled._gidravl._psevdoozh._sloya

УДК 66.096.5 (075)

Рецензент

канд. техн. наук доцент А. В. Ильин

Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета

Исследование гидравлики псевдоожиженного слоя : метод. указания / сост. В. А. Балашов, А. Б. Голованчиков, М. Е. Кисиль,

С.Б. Воротнева; ВолгГТУ. – Волгоград, 2012. – 16 с.

Вметодических указаниях описываются цели и задачи лабораторной работы по исследованию гидравлики псевдоожиженного слоя, общие сведения о типах и способах создания псевдоожиженных систем, о структуре псевдоожиженного слоя, основные расчетные зависимости для определения характеристик псевдоожиженного слоя твердых частиц и методика проведения лабораторной работы.

Предназначены для студентов очной формы обучения по направлениям 150400.62 «Технологические машины и оборудование», 240100.62 «Химическая технология и биотехнология».

Волгоградский государственный технический университет, 2012

2

2Цель лабораторной работы………………………………………. 11

3Описание экспериментальной установки ………………………. 11

4 Методика проведения лабораторной работы…………………… 12

5Обработка экспериментальных данных и оформление

отчета……………………………………………………………… 12

6Контрольные вопросы……………………………………………. 14 Список рекомендуемой литературы…………………………….. 15

3

Введение

Псевдоожиженный слой представляет собой массу мелкозернистых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в восходящем потоке жидкости или газа. Все тепловые, тепло-массообменные процессы в псевдоожиженном слое протекают более интенсивно.

В химической и нефтехимической промышленности ряд процессов, при которых должно происходить взаимодействие газа или жидкости с мелкораздробленным и твердым материалом (сушка, обжиг, адсорбция, каталитические процессы), осуществляют в аппаратах с псевдоожиженным слоем. В таких аппаратах указанные процессы значительно ускоряются.

Псевдоожиженный слой можно рассматривать как неоднородную смесь жидкой и твердой фаз, которая может быть представлена как единая масса с единой плотностью. Частицы с более высокой плотностью, чем единая плотность псевдоожиженного слоя будут опускаться вниз, а частицы, имеющие плотность меньшую единой плотности псевдоожиженного слоя, будут подниматься. То есть, псевдоожиженный слой можно рассматривать как жидкость, подчиняющуюся закону Архимеда.

Эти свойства псевдоожиженного слоя позволяют транспортировать массу из твердых зерен по трубам как жидкость, не прибегая к помощи механического транспорта (в частности, ленточных конвейеров).

1. Теоретическая часть

Если через неподвижный слой твердых частиц, находящихся в цилиндрическом аппарате на решетке, пропускать снизу вверх поток газа (или жидкости), постепенно увеличивая его скорость, то при некоторой скорости газа, называемой скоростью начала псевдоожижения или критической, весь слой твердых частиц переходит во взвешенное состояние. При повышении скорости газа объем взвешенного слоя увеличивается и его высота возрастает. Такой расширившийся взвешенный слой, в котором происходит интенсивное перемешивание твердых частиц, во многом напоминает кипящую жидкость. Он «течет», принимает форму сосуда, имеет свободную горизонтальную поверхность, через него барботируют пузыри газа; поэтому его называют псевдоожиженным или кипящим слоем. При дальнейшем увеличении скорости газа продолжается расширение взвешенного слоя. Наконец, при некоторой скорости газа, называемой скоростью уноса, начинается унос частиц из аппарата потоком газа. Массовый унос частиц потоком газа называется пневмотранспортом. Если измерять дифференциальным манометром гидравлическое сопротивление псевдоожиженного слоя Pсл (без сопротивления решетки) и построить затем

график зависимости Pсл от скорости фильтрации газа υ (рисунок 1). Под скоростью фильтрации понимается скорость, отнесенная к полному попе-

4

речному сечению аппарата. На рис. 1 в области существования взвешенного слоя, начиная от скорости начала псевдоожижения υпс и заканчивая скоростью уноса υун, величина Pсл сохраняет постоянное значение [3].

Для шаровых частиц:

где d – диаметр частиц;

υд – действительная скорость потока газа между частицами, м/с;

ρ,ρс – плотность частицы и среды, кг/м3;

λ– коэффициент сопротивления (безразмерная величина), зависящий от

величины критерия Рейнольдса;

g – ускорение свободного падения, м/с2.

Если средой является газ, то ρ >> ρс и F = G .

Когда весь слой перейдет во взвешенное состояние, то потеря давления Pсл , будет равна весу частиц, приходящихся на единицу площади по-

перечного сечения аппарата:

где Gсл – вес всех частиц слоя, Н;

S – площадь поперечного сечения, м2.

При увеличении расхода газа, то есть при увеличении скорости фильтрации υ, величина Pсл будет сохранять постоянное значение, равное

Gсл до тех пор, пока существует взвешенный слой, то есть до скорости

S

газа υун (рис. 1). Постоянство величины Pсл для взвешенного слоя объяс-

няется тем, что при повышении расхода газа происходит увеличение объема взвешенного слоя и его пористость возрастает. Из-за расширения слоя действительная скорость газа υд между частицами, определяющая согласно уравнению (2) силу воздействия потока на частицу, остается прежней (или может измениться, но при одновременном изменении коэффициента сопротивления λ). Поэтому остается неизменной сила F.

5

Рис. 2. Движение газа в слое твердых частиц

Псевдоожиженный слой может иметь различную структуру. Непосредственно после перехода в псевдоожиженное состояние слой несколько расширен и однороден; его свободная поверхность практически неподвижна, перемещение частиц выражено слабо. С увеличением скорости газа и расширением слоя нарушается его однородность, в нем появляется небольшие газовые пузыри, повышающие интенсивность перемешивания частиц и вызывающие колебания все еще резко очерченной свободной поверхности слоя. При дальнейшем возрастании скорости газа наблюдается увеличение размеров и количества всплывающих пузырей, происходит прорыв крупных пузырей газа через слой (рис. 3, а) и начинается интенсивное выбрасывание частиц над поверхностью. Пузыри газа могут увеличиваться в объеме и заполнять все сечения аппарата.

7

Рис. 3. Неравномерное псевдоожижение:

а – прорыв газовых пузырей; б – поршневое псевдоожижение

При этом кипящий слой переходит в режим так называемого поршневого псевдоожижения (рис. 3, б), слой разделяется на отдельные части газовыми «пробками». Часть слоя, находящаяся, над «пробкой» подбрасывается вверх, пузырь газа прорывается и происходит выброс твердых частиц. Развитию такого процесса способствует увеличение размеров частиц, повышение скорости газа и уменьшение диаметра аппарата. Режим поршневого псевдоожижения является нежелательным, так как приводит к колебаниям сопротивления псевдоожиженного слоя и ухудшению равномерности контакта между газом и твердыми частицами.

Отношение текущей скорости фильтрации к скорости начала псев-

доожижения а = υ называется числом псевдоожижения, которое харак-

υпс

теризует интенсивность перемешивания в кипящем слое. Опытами установлено, что наиболее интенсивное перемешивание соответствует значению а в пределах от 2 до 4.

Важнейшей характеристикой слоя твердых частиц, как неподвижно-

8

го, так и взвешенного, является пористость ε, определяющая объемную долю пустот в слое:

где Vсл – общий объем, занимаемый слоем, м3;

Vч – объем, занимаемый только твердыми частицами, м3.

Для неподвижного слоя шаровых частиц одинакового диаметра пористость ε0 составляет приблизительно 0,40 независимо от диаметра частиц.

Для взвешенного слоя пористость ε с увеличением скорости газа будет увеличиваться, так как объем взвешенного слоя Vсл при этом возраста-

ет. При скорости газа υун, предельной для взвешенного слоя, можно считать, что Vсл >>Vч и ε ун ≈1. Таким образом, взвешенный слой шаровых ча-

стиц может существовать в пределах изменения значений ε от 0,40 (при υпс) до 1 (при υун). С некоторым приближением эти пределы можно принять для частиц, имеющих форму многогранника.

Для данных частиц (диаметр d , плотность ρч ) и для данной среды (плотность ρс , вязкость 2с) пористость взвешенного слоя ε однозначно оп-

ределяется скоростью среды (газа) υ.

Высота псевдоожиженного слоя h связана с высотой неподвижного слоя h0 соотношением:

(твердые частицы – газ) предложен ряд формул. С целью обобщения опытных данных, полученных для разных систем, эти данные представляют в виде зависимости между безразмерными переменными – критериями подобия. Наиболее удобной для расчетов и наглядной является графическая зависимость

Особенность зависимости критериев подобия Лященко и Архимеда заключается в том, что критерий Лященко ( Lу ) не содержит диаметра час-

тиц, а критерий Архимеда ( Ar ) не содержит скорости газа. На рис. 5 пред-

9

ставлена в логарифмических координатах зависимость Lу от Ar при раз-

ных значениях ε. Этот график дает возможность найти любую из трех величин (d, υ, ε), если известны две остальные и физические свойства системы (ρч ,ρс ,ν с ). Например, если заданы диаметр частиц d и пористость слоя

ε, а требуется определить скорость фильтрации υ, то определив по формуле (11) критерий Архимеда Ar , по графику (рис. 5) находят соответствующие значение критерия Лященко Lу (по критерию Архимеда Ar и по-

ристости слоя ε), и затем по формуле (10) определяют скорость фильтрации υ [2].

Преимущества применения псевдоожиженного слоя:

–происходит интенсивное перемешивание твердой фазы, которое приводит к выравниванию температур и концентраций в рабочем объеме аппарата (что исключает локальный перегрев твердых частиц, препятствующий оптимальному проведению процесса и влияющий на качество продукции);

–текучесть псевдоожиженного слоя позволяет создавать аппараты непрерывного действия с непрерывным вводом и отводом отработанной твердой фазы;

–происходят резкое увеличение площади поверхности тепло-и массопередачи и снижение диффузионных сопротивлений в псевдоожиженном слое в результате использования частиц малого диаметра с большой удельной поверхностью, что позволяет увеличить производительность аппаратов при проведении ряда сорбционных, тепловых

идругих процессов;

–позволяет значительно интенсифицировать теплообменные процессы за счет того, что коэффициенты теплоотдачи и эффективная теплопроводность от псевдоожиженного слоя к поверхности нагрева достаточно высоки (как следствие позволяет уменьшить рабочие объемы теплообменных аппаратов);

–в аппаратах с псевдоожиженным слоем гидравлическое сопротивление невелико и не зависит от скорости ожижающего агента в пределах существования псевдоожиженного слоя;

–диапазон свойств твердых частиц и ожижающих агентов (газы, пары, капельные жидкости) достаточно широк и включает в том числе пастообразные материалы и суспензии;

–аппараты для проведения процесса довольно просты, легко механизируются и автоматизируются.

Недостатки применения псевдоожиженного слоя:

– вследствие интенсивного перемешивания твердой фазы в пределах одной секции движущая сила по сравнению с максимально возможной снижается;

– время пребывания твердых частиц и ожижающего агента в преде-

10