Лабораторная работа № 6 гидродинамика псевдоожиженного слоя

ВВЕДЕНИЕ

В химической технологии значительное место занимают гетерогенные процессы. К их числу относятся, например: обжиг пиритов в производстве серной кислоты, каталитический крекинг нефтепродуктов, сушка влажных материалов, окисление нафталина во фталевый ангидрид, сорбция из газовых смесей и растворов и др. В настоящее время перечисленные выше процессы осуществляются в аппаратах, с так называемым взвешенным (кипящим, псевдоожиженным) слоем, в которых, благодаря развитой поверхности контакта фаз, эти процессы значительно интенсифицируются.

Простейшие представления о взвешенном слое можно дать в следующем виде. На рис. 6.1 приведена схема аппарата, в котором на решетке располагается зернистый материал с начальной высотой Н'₀ . Важнейшей характеристикой слоя твердых частиц как неподвижного, так и взвешенного, является порозность () – объемная доля газа (жидкости) в слое:

, (6.1)

где V_CЛ – общий объем, занимаемый слоем, м³; V_Ч – объем, занимаемый только твердыми частицами, м³

Рис. 6.1. Схема аппарата со слоем зернистого материала

Для неподвижного слоя различных материалов порозность колеблется в пределах от 0,35 до 0,45.

Если через слой снизу вверх подавать газ со скоростью , рассчитанной на всё сечение аппарата (фиктивная скорость), то гидравлическое сопротивление неподвижного слоя Р_СЛ будет возрастать с увеличением скорости газа. Графически его можно представить кривой АВ (рис. 6.2,а). При определенной скорости сопротивление слоя потоку газа достигнет веса частиц слоя, приходящегося на единицу площади поперечного сечения аппарата.

, (6.2)

где G_CЛ – вес частиц слоя, (Н); S – площадь поперечного сечения слоя, м².

При этом вес отдельных частиц уравновешивается силами трения о них. Граница слоя от первоначальной высоты Н'₀ переместится на Н₀, порозность слоя соответственно станет ₀ . Опытами установлено, что для сферических частиц ₀ = 0,4. Это состояние слоя называют началом взвешивания, и на рис. 6.2,а ему соответствует точка С. Частицы в этих условиях не остаются неподвижными, а совершают колебательные движения, слой приобретает текучесть, как жидкость (отсюда часто употребляемое название слоя – псевдоожиженный). Скорость газа  = _В, при которой слой переходит во взвешенное состояние, называют скоростью взвешивания или первой критической. Увеличение скорости газа выше критической вызывает более интенсивное движение отдельных частиц и дальнейшее увеличение высоты слоя, при этом его уровень не является строго постоянным, что отражено на рис. 6.2,б двумя пунктирными кривыми.

Рис. 6.2. Зависимости гидравлического сопротивления

И высоты слоя от скорости газового потока

Увеличение высоты слоя дает возрастание средней порозности слоя ₀, но условия равновесия сил, действующих на частицы сохраняются. В результате появляется характерная особенность взвешенного слоя, независимость перепада давления от скорости газа (рис. 6.2,а) участок СЕ. Постоянство величины Р_СЛ объясняется тем, что при повышении расхода газа происходит одновременное увеличение объема взвешенного слоя. Из–за расширения слоя действительная скорость газа между частицами, определяющая силу воздействия потока на частицу, может оставаться неизменной.

Дальнейшее увеличение скорости приводит к моменту, когда частицы будут выноситься потоком газов из слоя, взвешенный слой переходит в режим пневмотранспорта, а скорость при этом достигает  = _У, и называется второй критической скоростью. При этом можно считать, что V_СЛ >>V_Ч и _У = 1.

Таким образом, взвешенный слой сферических частиц может существовать в пределах значений  от 0,4 (при _В) до 1 (при _У).

Скорость начала взвешивания можно определить не только экспериментально по кривой псевдоожижения (точка С на рис. 6.2,а ), но также вычислить по предложенным формулам. Среди них наиболее удачной является формула профессора О.М.Тодеса:

, (6.3)

где , - критерий Рейнольдса;

или - критерий Архимеда; _c – плотность ожижающей среды, кг/м³; _Ч – плотность частиц, кг/м³; d_Ч – диаметр частиц, м; _с – вязкость ожижающей среды, Пас; g – ускорение свободного падения, м/с².

Формула позволяет через Re определить _кр с точностью 30%. Она применима для моно– и полидисперсных слоев с частицами сферической и неправильной формы в широком диапазоне чисел Re.