Файл: Романков, П. Г. Гидромеханические процессы химической технологии.pdf

Зависимости (5-1336) соответствует график, представленный на рис. 5-26.

Если насадка состоит из насадочных тел различных размеров, то средняя удельная поверхность слоя равна:

где Хі — объемная доля і-й фракции частиц диаметром di. Средний эквивалентный диаметр:

Уравнения (5-133a) и (5-1336) могут быть представлены в виде зависимости, выражающей коэффициент сопротивления слоя на­ садки А.СЛ как отношение общего перепада давлений к величине потерь кинетической энергии:

Уравнение (5-136) применимо для расчета гидравлического сопро­ тивления слоя сухой насадки.

ВЗВЕШЕННЫЙ СЛОЙ

К смешанной задаче гидродинамики относится также движение восходящего потока жидкости или газа через подвижный слой зер­ нистого материала. При малых скоростях потока слой соприкасаю­ щихся друг с другом частиц остается неподвижным, так как газ или жидкость проходит по межзерновым каналам и пустотам, т. е. фильтруется через слой. При этом часть скоростного напора рас­ ходуется на преодоление трения при движении по извилистым меж­ зерновым каналам о поверхность твердых частиц, а также о стенки аппарата. Обычно трение потока о стенки аппарата пренебрежимо мало (если диаметр аппарата Dann достаточно велик по сравнению

сдиаметром частиц d4) и гидравлическое сопротивление слоя не превышает веса твердых частиц, приходящегося на единицу пло­ щади решетки, поддерживающей слой.

Сувеличением скорости потока промежутки между частицами увеличиваются. Частицы приходят в движение и перемешиваются

сгазом (или жидкостью). Образовавшаяся взвесь называется взве­ шенным слоем.

Взвешенный слой часто называют псевдоожиженным, так как масса мелких твердых частиц в результате непрерывного переме­ шивания в восходящем потоке газа приходит в легкоподвижное состояние, напоминая кипящую жидкость. При этом газовый поток передает некоторое количество движения (в виде кинетической

217

энергии) твердым частицам, перемещение которых друг относи­ тельно друга обусловливается уменьшением силы трения. Средняя величина вектора скорости перемещения каждой частицы близка к нулю, поэтому псевдоожиженный, «кипящий» слой еще не имеет направленного движения и его верхняя поверхность стремится при­ нять горизонтальное положение.

При дальнейшем увеличении скорости газа градиент скорости у каждой твердой частицы и силы вязкости, вызываемые этим гра­ диентом, увеличиваются, что приводит к увеличению сечения меж­ зерновых каналов и, следовательно, к уменьшению скорости. По­ этому твердые частицы, находящиеся под действием сил тяжести,

Рис. 5-27. Взвешенный слой (различные состояния системы газ — твер­ дое тело).

сопротивления и выталкивания, выносятся из слоя и вновь падают вследствие флуктуаций скорости.

Восходящий поток газа проходит через слой твердых частиц, прокладывая в нем узкие каналы (каналообразование) или обра­ зуя пузыри, иногда увеличивающиеся до таких размеров, что нахо­ дящийся над таким пузырем слой твердых частиц поднимается вверх как бы под действием поршня (поршнеобразование). Если

стиц и т. д.

На рис. 5-27 показаны возможные состояния неоднородной си­ стемы газ — мелкозернистый твердый материал в зависимости от характера движения восходящего потока газа через зернистый слой.

Структура так называемого неподвижного слоя отличается тем, что при небольшой скорости движения потока газа (жидкости)

218

сквозь слой взаимное расположение твердых частиц остается неиз­ менным (рис. 5-27, а). При увеличении скорости потока газа выше некоторого критического значения слой перейдет во взвешенное со­ стояние, причем структура его может быть различной. При сравни­ тельно низких скоростях может быть получен взвешенный слой с равномерным распределением твердой фазы независимо от про­ должительности процесса и размеров аппарата. Такой слой назы­ вают однородным. Обычно он сравнительно легко организуется при одинаковых размерах и форме твердых частиц (рис. 5-27,6), а также характеризуется отсутствием крупных пузырей газа, прохо­ дящих через слой. Таким образом, состояние системы газ — твер­ дые мелкозернистые частицы можно считать однородным только в том случае, если восходящий газовый поток свободен от внешних возмущений.

При движении через слой крупных пузырей наружная поверх­ ность слоя разрывается и группы частиц перемещаются вместе с пузырями по высоте слоя, способствуя интенсивному перемеши­ ванию твердой фазы (рис. 5-27, в). В аппаратах малого диаметра пузыри, образующиеся вблизи газораспределительной решетки, ча­ сто сливаются в один большой пузырь, заполняющий все сечение аппарата, и слой частиц, расположенный выше такого пузыря, под­ нимается вверх, как поршень (рис. 5-27,г). Поршни из частиц с до­ статочно большой «текучестью» медленно перемещаются вверх, распадаясь на агрегаты частиц, которые вновь падают вниз. При увеличении скорости газа расстояние между «поршнями» увеличи­ вается, и весь слой пульсирует без изменения структуры потока в «поршнях».

При дальнейшем повышении скорости газового потока, особенно через слои тонкоизмельченных материалов с повышенной «теку­ честью», возникают сквозные прорывы газа, и струи газа движутся по образовавшимся каналам как через неподвижный слой (рис. 5-27,6) в условиях неустойчивости всей системы. Разновидностью взвешенного слоя является и так называемый фонтанирующий слой, образующийся при подаче восходящего потока газа в слой через газораспределительную решетку, площадь которой значи­ тельно меньше площади сечения аппарата (рис. 5-27,г). При этом струя газа фонтанирует вдоль вертикальной оси аппарата, увлекая часть слоя вверх. При переходе из конической части аппарата в ци­ линдрическую скорость газа уменьшается, движение твердых ча­ стиц замедляется и они, двигаясь по спирали, осаждаются по стен­ кам аппарата до самого дна, где снова подхватываются восходя­ щим потоком газа.

Взвешенный слой мелкозернистого материала обычно поддер­ живается в аппарате прямоугольной, цилиндрической или кониче­ ской формы с помощью решетки, служащей также и для равномер­ ного распределения ожижающего потока. Однако существует ряд аппаратов (сушилки, трубы пневмо- и гидротранспорта), работаю­ щих (без решетки) в гидродинамическом режиме, соответствую­ щем выносу материала из аппарата с газовым потоком.

219

Метод взвешенного слоя в последние годы широко внедрен в различные отрасли промышленности и, в частности, в ряд процес­ сов химической технологии (адсорбцию и десорбцию, сушку, выще­ лачивание и экстрагирование, гетерогенный катализ, обжиг, гази­ фикацию и т. д.) в качестве прогрессивного технологического ме­ тода, обеспечивающего непрерывность взаимодействия газовой (жидкой) среды с зернистым твердым материалом в условиях вы­ равнивания таких параметров процесса, как температура и концен­ трация.

Структура взвешенного слоя является важнейшей характери­ стикой метода, обусловливающей его применение в конкретном частном случае, поэтому исследованию этого вопроса посвящено большое число работ [34]. Многие исследователи детально изучают условия образования взвешенного слоя, уделяя особое внимание зарождению и развитию пузырей газа, проходящих через слой [35] и обеспечивающих перемешивание твердой фазы, а также вызы­ вающих канало- и поршнеобразование.

По нашему мнению, наиболее перспективными являются ра­ боты, посвященные исследованию гидродинамических условий устойчивости однородного взвешенного слоя, характеризующегося постоянством концентрации твердых частиц во всех точках слоя независимо от времени и от размеров аппарата, т. е. отсутствием пузырей.

В последнее время для улучшения эффективности использова­ ния взвешенного слоя в химической промышленности стали разви­ вать следующие направления: 1) взвешенный слой под давлением [36] и при высоких температурах [37]; 2) взвешенный слой в центро­ бежном поле [37]; 3) взвешенный слой с импульсной циркуляцией ожижающего потока [38]; 4) виброкипящий слой [38].

Во всех перечисленных случаях увеличиваются эксперименталь­ ные трудности и усложняется математический аппарат, используе­ мый для обобщения результатов опытов.

Прежде чем рассматривать механизм взаимодействия газовой и твердой фаз, необходимо кратко изложить основные характери­ стики системы и условия образования взвешенного слоя.

Скорость потока при образовании взвешенного слоя

Если слой зернистого твердого материала для проведения ка­ кого-либо технологического процесса необходимо привести во взве­ шенное состояние, то при определении скорости газового (жид­ костного) потока следует учесть, что в зависимости от величины скорости w существуют три режима, характеризующие взаимодей­

При увеличении скорости восходящего потока газа в слое пере­ пад давлений возрастает и в какой-то момент становится равным противоположно направленной силе тяжести. Дальнейшее увеличе-

220