Псевдоожиженные слои.

Слой зернистого твердого материала, пронизываемый восходящим потоком жидкости или газа, может находится в двух качественно различных стационарных состояниях. При фиктивной скорости потока ниже некоторой критической величины твердые частицы неподвижны (рис.19а), порозность слоя  неизменна, а его гидравлическое сопротивление Р_n, как ранее показано, возрастает с увеличением скорости . По достижении скорости потерянное давление Р_n становится равным весу, слой взвешивается, твердые частицы теряют прежний взаимный контакт, получают возможность перемещаться и перемешиваться; слой расширяется, на его свободной поверхности видны волны и всплески. В этом состоянии (рис.6.19б) слой напоминает кипящую жидкость, благодаря чему он назван псевдоожиженным, или кипящим. С дальнейшим ростом скорости потока до некоторой величины слой продолжает расширяться и интенсивность движения частиц увеличивается. При слой настолько разрыхляется, что частицы движутся независимо друг от друга и сила сопротивления отдельной частицы становится равной подъёмной силе действующей на неё. Численное значение скорости совпадает со скоростью осаждения и может быть найдена из уравнения для скорости осаждения. При дальнейшем увеличение скорости частицы начинают уносится из слоя со скоростью . Скорость называется скоростью начала псевдоожижения, а скорость - скоростью начала уноса.

Структура псевдоожиженного слоя зависит от того, жидким или газовым потоком достигается псевдоожижение. В случае жидкого потока структура слоя сохраняется достаточно однородной, что объясняется малой разницей плотностей твердой и жидкой фаз. Однако на практике чаще всего для псевдоожижения используется поток газа. В этом случае непосредственно после перехода в псевдоожиженное состояние слой несколько расширяется, он однороден; его свободная поверхность практически неподвижна, перемещение частиц выражено слабо. С ростом скорости газа и расширения слоя в его объеме появляются газовые пузыри (нарушается однородность), повышающие интенсивность перемешивания частиц и вызывающие колебания свободной поверхности слоя. При этом возрастает порозность слоя, увеличивается размеры и количество всплывающих газовых пузырей (рис.19в). При выходе из слоя пузыри, прорывая его свободную поверхность, вызывают ее колебания и появление всплесков твердых частиц. В узких и высоких слоях восходящие пузыри сливаются и могут занять все поперечное сечение, образуя газовые "пробки", которые чередуются с движущимися "поршнями" твердых частиц (рис.19г). В таком поршнеобразном псевдоожиженном слое перемешивание твердых частиц затруднено. В слое твердых частиц, склонных к агрегированию, при скоростях газа, незначительно превышающих образуются сквозные каналы (рис.19д), через которые газ проходит без полного контакта с твердыми частицами. Эти каналы часто либо полностью исчезают при увеличении скорости газа, либо сохраняются лишь в основании слоя.

Рис. 19 Различные состояния зернистого слоя:

а) - неподвижный слой; б) - д) - псевдоожиженный слой.

1 - твердые частицы, 2 - газовые пузыри, 3 - газовые пробки, 4 - сквозные каналы.

Псевдоожижение слоя графически изображается "кривой псевдоожижения", выражающей зависимость потерянного давления P_n в слое от фиктивной скорости ожижающего агента (газа, жидкости). На рис.(6.20а) показана кривая идеального псевдоожижения монодисперсного слоя твердых частиц в аппарате постоянного поперечного сечения. Восходящая ветвь ОА (прямая при ламинарном движении и кривая при других режимах) соответствует движению ожижающего агента через неподвижный зернистый слой. Абсцисса точка А ( ) выражает скорость начала псевдоожижения. Горизонтальный участок АВ изображает псевдоожиженное состояние, здесь сохраняется p_n=const. Абсцисса точки В выражает скорость начала уноса . Скорость называют скоростью уноса, или иначе скоростью свободного витания частиц, ее обозначают W_вит.. При скоростях твердые частицы выносятся потоком, вес слоя падает и уменьшается p_n. В реальных условиях кривая псевдоожижения (рис.20б) отличается от изображения на рис.20а. Дело в том, что за пределами величина p_n продолжает некоторое время расти в связи с затратами энергии на преодоление сил сцепления твердых частиц, а также на их трение со стенкой и между собой. После перехода слоя в псевдоожиженное состояние сопротивление его падает до характерного уровня p_n^пс . Значение пика давления П зависит от свойств твердых частиц и т.д. Кривая псевдоожижения, показанная сплошными линиями на рис.20б, строится по сопряженным значениям p_n и , непосредственно измерянным при постепенном увеличении скорости потока ожижающего агента, в этом случае получается кривая прямого хода. Если же строить кривую псевдоожижения по сопряженным значениям p_n и , измеренным при постепенном уменьшении скорости от до нуля, то кривая, показанная пунктирной линией на рис.20б, носит название кривой обратного хода. Обе кривые совпадают в области развитого псевдоожижения, но расходятся вблизи начала псевдоожижения и в области причем отсутствует пик давления для кривой обратного хода. Меньшие значения p_n для неподвижного слоя по кривой обратного хода обусловлены более рыхлой упаковкой слоя в результате понижения скорости .

Рис.20. Кривая псевдоожижения: а) - идеального; б) - реального.

Отношение рабочей скорости , значение которой должно находиться в пределах между и , к скорости начала псевдоожижения называется числом псевдоожижения и обозначается К_w: (111)

Расчетным путем величина может быть определена исходя из условия равенства потерянного давления в слое веса твердой фазы, отнесенной к площади поперечного сечения аппарата.

(112)

При подстановке выражения (6.240) для коэффициента сопротивления _г.с в уравнение (6.235) находится зависимость гидравлического сопротивления от различных факторов: (113)

Для частиц формы, близкой к шарообразной, значение фактора Ф, определяемого уравнением Ф=F_ш/F_c , близко к единице, а средняя порозность _н может быть принята равной  0,4.

Выражение критического значения числа Рейнольдса, при котором начинается псевдоожижение. (114)

При расчете скорости начала псевдоожижения W'₀ с помощью этого уравнения вычисляют сначала значение критерия Архимеда

(115)

затем находят величину Re_о,пс из уравнения (114) и по ней величину . В случае с увеличением скорости слой расширяется и доля его свободного объема возрастает. При этом высота псевдоожиженного слоя Н_пс и первоначальная высота неподвижного слоя Н_н связаны зависимостью

(116)

т.к. количество твердой фазы в слое постоянно (материальный баланс по твёрдой фазе).

Расчет скорости начала уноса при которой происходит разрушение слоя и унос частиц, проводят аналогично расчету скорости свободного осаждения частиц W_ос.