Вопрос 2. Физические основы псевдоожижения и расчетные формулы

Модуль №2

Гидромеханические процессы

Лекция №13

Псевдоожижение

 

Литература:

1. Г.Д. Кавецкий, В.П. Касьяненко «Процессы и аппараты пищевой технологии».- М., КолосС, 2008.-591 с.: ил.

 

План лекции:

1. Общие сведения.

2. Физические основы псевдоожижения и расчетные формулы.

3. Аппараты с псевдоожиженым слоем.

 

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение состоянию псевдоожижения.

2. С целью интенсификации каких процессов используется процесс псевдоожижения в пищевой промышленности?

3. Назовите основные достоинства процесса псевдоожижения.

4. Назовите основные недостатки метода.

5. Прокомментируйте кривую псевдоожижения.

6. Как выглядит критериальная зависимость для расчета скорости начала псевдоожижения.

7. Как выглядит критериальная зависимость для расчета скорости витания

Вопрос 1. Общие сведения

Псевдоожиженным называется такое состояние двухфазной си­стемы твердые частицы — газ (или жидкость), которое характери­зуется перемещением твердых частиц относительно друг друга в результате подвода энергии от какого-либо источника. Псевдо-ожиженная система, возникшая под воздействием ожижающего агента, получила название псевдоожиженного, или кипящего, слоя, так как этому слою присущи многие свойства капельной жидкости.

Псевдоожиженный слой образуется при восходящем движении ожижающего агента через слой зернистого материала со скорос­тью, позволяющей поддерживать слой материала во взвешенном состоянии.

За последние десятилетия процессы в псевдоожиженном слое получили широкое распространение во многих отраслях промыш­ленности. В псевдоожиженном слое проводят смешивание, транс­портирование, классификацию сыпучих материалов, теплообмен, сушку, например зерна, адсорбцию и др. Это объясняется следую­щими его достоинствами:

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 ухудшающий 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 благодаря использованию частиц малого диа­метра с большой удельной поверхностью, что позволяет увеличить производительность аппаратов при проведении некоторых сорб-ционных, тепловых и других процессов;

коэффициенты теплоотдачи и эффективная теплопроводность от псевдоожиженного слоя к поверхностям нагрева достаточно высоки, что позволяет значительно интенсифицировать теплооб-менные процессы и, как следствие, 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, их легко механизировать и автоматизировать.

Наряду с большими достоинствами методу проведения процес­сов в псевдоожиженном слое присущи и недостатки:

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

время пребывания частиц и ожижающего агента в пределах од­ной секции неравномерно;

частицы в псевдоожиженном слое интенсивно истираются;

пыль, образующаяся при истирании частиц, уносится, и рабо­чая скорость ожижающего агента ограничивается скоростью уноса твердых частиц из слоя. Это вызывает необходимость установки пылеулавливающих устройств;

при псевдоожижении частиц диэлектрических материалов воз­можно возникновение зарядов статического электричества, что делает установку взрывоопасной.

Указанные недостатки метода псевдоожижения не являются определяющими и могут быть частично или полностью устране­ны.

 

Вопрос 2. Физические основы псевдоожижения и расчетные формулы

Рассмотрим процесс образования псевдоожиженного слоя. В вертикальный аппарат (рис.1), снабженный поперечной пер­форированной газораспределительной решеткой, помещен слой тонкодисперсного твердого материала. Ожижающий агент — газ — подается в нижнюю часть аппарата под газораспределитель­ную решетку. Перепад давления в слое измеряется дифференци­альным манометром.

Состояние двухфазной системы наглядно изображается в виде кривой псевдоожижения, которая выражает зависи­мость перепада давления в слое Δр от скорости ожижающего агента v:

 

При невысоких скоростях газа слой зернистого материала на решетке остается неподвижным, происходит фильтрация газа че­рез слой (кривая ОК на рис. 2). С увеличением скорости газа перепад давления в слое возрастает, и в определенный момент масса зернистого материала в слое уравновешивается гидродина­мическим давлением потока газа — наступает гидродинамическое равновесие. В этих условиях начинается взаимное пульсационное перемещение частиц. Излом в точке К₁ соответствует переходу не­подвижного слоя в псевдоожиженное состояние.

Рис. 1. Аппарат для псевдоожижения:

/ — корпус; 2 — перфорированная решетка; 3—манометр

Рис.2. Кривая псевдоожижения

Абсцисса точки К₁ определяет скорость газа v₀, при которой начинается псевдоожижение, а ордината — перепад давления в этой точке. Скорость газа (жидкости) v₀, при которой слой зернистого материала пере­ходит в псевдоожиженное состояние, называется скоростью начала псевдоожижения. При дальнейшем увеличении скорости газа слой расширяется, интенсивность перемешивания частиц возрастает, но перепад давления остается постоянным.

При определенной так называемой второй критической скорости v_B или скорости уноса гидродинамическое равновесие нарушается. Эта скорость является верхним пределом существования псевдоожиженного слоя. При v > v_B частицы уно­сятся из слоя, в результате этого снижается их массовое количе­ство и уменьшается энергия, необходимая для поддержания твер­дой фазы во взвешенном состоянии.

Реальная кривая псевдоожижения несколько отличается от идеальной. Для реальной кривой характерно наличие пика давле­ния Δр_п в момент перехода в псевдоожиженное состояние, кото­рый объясняется затратой дополнительной энергии на преодоле­ние сил сцепления между частицами. Величина пика давления за­висит от формы и состояния поверхности частиц.

Реальная кривая псевдоожижения обнаруживает гистерезис — так называемые линии прямого и обратного хода, которые полу­чают соответственно при постепенном увеличении и уменьшении скорости газа. Эти линии вблизи точки К не совпадают, причем на линии обратного хода отсутствует пик давлений и она, как прави­ло, располагается ниже линии прямого хода. Участок кривой об­ратного хода левее точки К соответствует более рыхлой упаковке частиц, возможной для неподвижного слоя. Вправо от точки К эти линии совпадают. В реальных условиях перепад давления может не быть строго постоянным, а монотонно возрастать около неко­торого среднего значения.

Форма кривой псевдоожижения отражает состояние слоя.

Пределы существования псевдоожиженного слоя, таким образом, ограничены скоростями начала псевдоожижения и уноса. Резкий пе­реход от неподвижного слоя к псевдоожиженному характерен для слоев, состоящих из частиц близкого между собой размера. Для по­лидисперсных слоев существует область скоростей псевдоожижения, в которой начинается псевдоожижение полидисперсных частиц и за­вершается переход от неподвижного к псевдоожиженному слою.

Отношение рабочей скорости к скорости начала псевдоожиже­ния W= v/v₀ называется числом псевдоожижения, кото­рое характеризует состояние псевдоожиженного слоя и интенсив­ность перемешивания частиц в слое. Характеристики псевдоожи­женного слоя зависят от числа псевдоожижения.

Псевдоожижение слоя может быть однородным и неоднород­ным. Однородное псевдоожижение происходит при псевдоожиже­нии слоя капельной жидкостью. Для неоднородного псевдоожи­женного слоя характерно присутствие в слое газовых пузырей (рис.3). При небольших числах псевдоожижения неоднород­ность слоя не сказывается отрицательно на его характеристиках. Движущиеся газовые пузыри интенсифицируют перемешивание частиц в слое. Однако при увеличении числа псевдоожижения неоднородность слоя возрастает: увеличивается размер пузырей и начинается интенсивный выброс (унос) частиц из слоя. Попереч­ный размер пузырей достигает размера аппарата. Возникает так называемый поршневой режим, при котором ухудшается равномерность контакта между газом и частицами материала.

При газовом псевдоожижении, особенно влажных, мелких и слипающихся частиц, может также наблюдаться каналообразование (рис.4), при котором часть газа «проскакивает» через слой. Пре­дельный случай каналообразования — образование фонтанирующе­го слоя. При фонтанировании поток газа (или жидкости) прорыва­ется через слой по каналу, возникающему вблизи оси аппарата.

Различают псевдоожижение в плотной и разбавленной фазах.

Псевдоожижение в плотной фазе наблюдается, когда скорость газа находится в пределах между скоростью начала псевдоожиже­ния v₀ и скоростью уноса v_B. При v > v_B происходит пневмотранспортирование частиц из слоя в слой. В этом случае псевдоожиженный слой находится в разбавленной фазе. В пределе разбав­ленная фаза существует, когда хотя бы одна частица находится в газовом потоке.

Для создания и поддержания в псевдоожиженном состоянии слоя твердых частиц требуются затраты энергии Е, которая расходуется на преодоление трения частиц друг о друга и газа об их поверх-

Рис.3. Структура неоднородного псевдоожиженного слоя

 

(2)

 

В точке начала псевдоожижения согласно уравнению (2)

 

 

Приравнивая выражения (1) и (2), получают уравнение определения скорости псевдоожижения

 

f(v₀)=ρ_э (1-ε₀).

 

В литературе предложен ряд зависимостей для расчета скорос­ти начала псевдоожижения, полученных на основе различных уравнений для расчета гидравлического сопротивления слоя.

Для расчета перепада давления в слое можно рекомендовать уравнение Эргана

 

 

из которого путем несложных преобразований О. М. Тодес получил критериальную зависимость для расчета скорости начала
псевдоожижения

 

(3)

 

При расчете скорости псевдоожижения по уравнению (3) вычисляют сначала значение критерия А_г по уравнению (9.14), за­тем находят величину Re₀ и по ней, используя уравнение вычисляют скорость

начала псевдоожижения

Для частиц несферической формы скорость начала псевддожижения определяют с учетом фактора формы Ф.

Размер частиц, форма которых отличается от сферической, оп­ределяют как диаметр шара, по объему равновеликого частице:

 

(4)

 

Скорость витания (уноса)

 

где v — коэффициент кинематической вязкости.

 

Вопрос 3. Аппараты с пневдоожиженным слоем

Разработаны многочисленные конструкции аппаратов с псев-доожиженным слоем, учитывающие технологические условия протекания процессов, требования к качеству получаемых про­дуктов, специфические особенности взаимодействующих веществ. На рис. 5 показаны некоторые схемы аппаратов с псевдоожиженным слоем.

По принципу действия эти аппараты бывают периодического и непрерывного действия. В аппаратах непрерывного действия газо­вый поток взаимодействует с зернистым материалом, который не­прерывно вводится в аппарат и выводится из него. Процесс может происходить в противотоке, прямотоке и перекрестном токе.

В цилиндрический противоточный аппарат непрерывного действия (см. рис. 5, а) ожижающий газовый поток поступает снизу под газораспределительную решетку, а зернистый материал — в верх­нюю часть аппарата. Для поддержания определенного уровня ма­териала на газораспределительной решетке и выведения его из ап­парата служит переточный патрубок.

Вертикальные цилиндрические силосы(см. рис. 5, б) исполь­зуют для накопления и усреднения больших партий зерновых ма­териалов. Псевдоожиженный слой создается газом (воздухом), по­ступающим во внутреннюю полость между двумя днищами, кото­рая разделена концентрической перегородкой на внешнее и внут-реннее кольцо. Во внешнее кольцо подается примерно в 2 раза больше газа, чем во внутреннее. За счет разного количества газа, подаваемого во внешнее и внутреннее кольца, в силосе создается направленная циркуляция зернового материала от периферии к оси аппарата, способствующая его перемешиванию.

В конических аппаратах(см. рис.5, в) уменьшение скорости снизу вверх позволяет псевдоожижать полидисперсные материа­лы. Газ подается через небольшое отверстие в нижней части аппа­рата с высокой скоростью. Это позволяет при необходимости ра­ботать без газораспределительной решетки, что особенно важно при псевдоожижении комкующихся и слипающихся материалов. При значительном угле конусности аппарата струя газа может оторваться от стенок аппарата и образовать сплошной канал. По этому каналу будет двигаться с большой скоростью поток газо­взвеси, образующий над поверхностью слоя фонтаны твердых час­тиц. Такой слой называется фонтанирующим.

В аппаратах с фонтанирующим слоем возникает интенсивная циркуляция зернистого материала от оси к его стенкам.

На рис.5, д показана установка для пневмотранспортированиязернистого материала в разбавленной псевдоожиженной фазе. Зернистый материал дозируется в пневмолинию с помощью шлю­зового затвора. Разделение псевдоожиженного слоя на зернистый материал и газ происходит на новом уровне в циклоне.

При псевдоожижении мелких частиц диаметром 25...40мкм, склонных к агломерации, слипанию и электризации, для улучшения перемешивания и разрушения застой­ных зон, а также для интенсификации процессов тепло- и массообмена исполь­зуют газомеханический способ псевдо­ожижения. При этом способе дополни­тельную энергию вводят в слой посред­ством различного рода перемешивающих устройств и вибраторов.

Для уменьшения эффекта обратного перемешивания зернистого материала, ко­торое приводит к снижению движущей силы процесса, в противоточных аппара­тах непрерывного действия применяют секционирование(рис.6), т. е. разделяют весь слой зернистого материала по высоте перфорированными перегородками (возможно насадкой).

Рис. 6. Секционный аппарат непрерывного действия:

1— корпус; 2 — газораспределительная решетка; 3— пере­точное устройство

 

Зернистый материал перетекает из верхних секций в нижние под действием гравитационной силы через специальные переточные устройства либо через отверстия в горизонтальных перегородках (провальных тарелках).