Гидравлическое сопротивление и скорость восходящего потока газа в псевдоожиженном слое

Гидродинамика псевдоожиженного слоя. Основная гидродинамическая зависимость псевдоожиженного слоя.

Кипя́щий слой создаётся в тех случаях, когда некоторое количество твёрдых частичек находится под воздействием восходящего потока газа (обычно воздуха) или смеси из газа и жидкости, благодаря чему твёрдые частички находятся в парящем состоянии. Такая система ведёт себя подобно жидкости.

Принцип разделения веществ в кипящем слое.

Схематический чертёж реактора с кипящим слоем, использующего свойство псевдоожижения.

Принцип разделения частиц в кипящем слое основан на использовании процесса псевдоожижения.

Кипящий слой представляет собой смесь жидкой и твёрдой фаз, которая имеет свойства, подобные свойствам жидкости. В частности, верхняя поверхность кипящего слоя является относительно горизонтальной, что аналогично поведению жидкостей, находящихся в покое. Кипящий слой можно рассматривать как неоднородную смесь жидкой и твёрдой фаз, которая может быть представлена как единая масса с единой плотностью. Частицы с более высокой плотностью, чем единая плотность кипящего слоя будут опускаться вниз, а частицы, имеющие плотность меньшую единой плотности кипящего слоя, будут подниматься. То есть, кипящий слой можно рассматривать как жидкость, подчиняющуюся закону Архимеда.

По мере того, как "единая плотность" кипящего слоя может изменяться (путём изменения либо количества жидкой фазы, либо количества твёрдой фазы), частички с разной плотностью по сравнению с "единой плотностью" кипящего слоя могут быть принуждены к тому, чтобы подниматься или опускаться.

Применение.

Кипящий слой используется как однородная отяжелённая среда для разделения (обогащения, классификации) минеральной массы, а также для обеспечения интенсивного тепло-массообмена (печь кипящего слоя). Кипящий слой применяется, например, для цементации стали. В печи кипящего слоя проводят окислительный обжиг сульфидных руд, восстановительный обжиг концентратов и т. п.

Имеются широкие перспективы и действующие установки, где кипящий слой применяется как среда для сжигания твёрдых топлив, в том числе низкосортных, в топках энергетических котлов.

Слой зернистого твердого материала, пронизываемый восходящим потоком жидкости или газа, может находиться в двух качественно различных стационарных состояниях. По достижении скорости w 0 гидравлическое сопротивление зернистого слоя становится равным его весу, слой взвешивается, твердые частицы теряют прежний взаимный контакт, получают возможность перемещаться и перемешиваться; слой расширяется, в нем наблюдается проскакивание газовых пузырей, а на его свободной поверхности - волны и всплески. В этом состоянии слой напоминает кипящую жидкость, благодаря чему он назван псевдоожиженным, или кипящим. С дальнейшим ростом скорости потока до некоторой величины w 0 слой продолжает расширяться и интенсивность движения частиц увеличивается. При w WQ сила гидродинамического сопротивления становится больше силы тяжести и твердые частицы выносятся из слоя.

Если слой зернистого твердого материала для проведения какого-либо технологического процесса необходимо привести во взвешенное состояние, то при определении скорости газового (жидкостного) потока следует учесть, что в зависимости от величины скорости w существуют три режима, характеризующие взаимодействие газового потока и слоя зернистого материала: 1) фильтрация.

Если слой зернистого твердого материала для проведения какого-либо технологического процесса необходимо привести во взвешенное состояние, то при определении скорости газового (жидкостного) потока следует учесть, что в зависимости от величины скорости w существуют три режима, характеризующие взаимодействие газового потока и слоя зернистого материала: 1) фильтрация. При увеличении скорости восходящего потока газа в слое перепад давлений возрастает и в какой-то момент становится равным противоположно направленной силе тяжести. Дальнейшее увеличение скоростного напора вызывает расширение слоя.

Если через слой сыпучего зернистого твердого материала, лежащий в сосуде на газораспределительной решетке, пропускать поток газа, то сначала будет наблюдаться фильтрация его через каналы между частицами твердого материала, при этом высота слоя остается неизменной. Скорость газового потока, при которой слой сыпучего материала остается неподвижным, называется скоростью фильтрации.

Скорость, при которой слой зернистого твердого материала переходит в псевдоожиженное состояние, называется скоростью начала псевдоожижения. Однородность псевдоожиженного слоя характеризуется одинаковым значением концентрации твердой фазы во всех точках слоя.

При прохождении потока газа через слой сыпучего зернистого твердого материала, лежащего в сосуде на воздухораспределительной решетке, сначала происходит лишь фильтрация газа через каналы между частицами твердого материала. При этом высота слоя остается практически неизменной. Когда скорость газа достигает первой критической величины, при которой гидравлическое сопротивление слоя становится равным его весу, слой твердых частиц приобретает текучесть и переходит в так называемое псевдоожиженное, или кипящее, состояние. С дальнейшим увеличением скорости газового потока высота слоя начинает возрастать и при некоторой новой (второй) критической величине скорости, когда гидравлическое сопротивление частицы становится равной ее весу, твердые частицы начинают уноситься газовым потоком и переходят в режим пневмотранспорта.

При движении газа снизу вверх через слой зернистого твердого материала поведение твердых частиц изменяется с увеличением скорости газа. Когда скорость газового потока W ниже критической величины, частицы остаются неподвижными; высота слоя Я0 не изменяется. С увеличением скорости потока W гидравлическое сопротивление слоя ДР возрастает.

При движении газа снизу вверх через слой зернистого твердого материала поведение твердых частиц изменяется с увеличением скорости газа. Когда скорость газового потока W ниже критической величины, частицы остаются неподвижными; высота слоя Н0 не изменяется. С увеличением скорости потока W гидравлическое сопротивление слоя АР возрастает.

При движении газа снизу вверх через слой зернистого твердого материала поведение твердых частиц изменяется с увеличением скорости газа. Когда скорость газового потока W ниже критической величины, частицы остаются неподвижными; высота слоя Я0 не изменяется.

При движении газа снизу вверх через слой зернистого твердого материала поведение твердых частиц изменяется с увеличением скорости газа. Когда скорость газового потока W ниже критической величины, частицы остаются неподвижными высота слоя Я0 не изменяется. С увеличением скорости потока W гидравлическое сопротивление слоя АР возрастает.

Кипящим или псевдоожиженным называют такое состояние слоя сыпучего зернистого твердого материала, когда при продувании через него газового потока он становится подобен кипящей жидкости. Если через слой сыпучего материала начать продувать газ (воздух), то при малых скоростях газа происходит его фильтрация через слой и высота слоя на поддерживающей газораспределительной решетке практически остается неизменной. Когда скорость газа достигнет некоторой критической величины - начала псевдоожижения - гидравлическое сопротивление слоя становится равным его весу, слой приобретает текучесть. При дальнейшем увеличении скорости газового потока высота слоя начинает возрастать и при некоторой новой (второй) критической величине скорости, твердые частицы начинают уноситься газовым потоком и переходят в режим пневмотранспорта. Схемы различных состояний слоя твердых частиц при прохождении через них потока газа (жидкости).

В химической технологии широко распространены процессы, использующие слой зернистого твердого материала, через который движется поток газа, пара или капельной жидкости.

Зная сопротивление Z, нетрудно определить потерю давления потока при прохождении через слой зернистого твердого материала или через слой насадки.

Пусть через слой зернистого твердого материала, помещенного на дне вертикального цилиндра, прокачивается снизу вверх поток газа или жидкости. При малых скоростях восходящего потока слой остается неподвижным.

Дата добавления: 2015-05-09