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

ние скоростного напора вызывает расширение слоя. Таким обра­ зом, баланс сил в сечении слоя длиной L при условии равенства сил давления и тяжести будет иметь вид:

221

где wup, I — минимальная скорость, при которой слой переходит во взвешенное состояние. При известной порозности слоя е и задан­ ном размере частиц d4 уравнение (5-138) легко решается относи­ тельно wKр. I. Обычно в момент начала образования взвешенного слоя порозность приближенно равна своему минимальному значе­ нию при свободной засыпке слоя (ео для шарообразных частиц

— 0,4), в пределах 0,35—0,5.

Уравнение (5-138) для слоя монодисперсных шарообразных ча­ стиц может быть приведено к виду [34]

или при порозности слоя, равной 0,4:

терий Рейнольдса, рассчитанный по минимальной скорости, при которой слой переходит во взвешенное состояние; ѵ — кинематиче­ ский коэффициент вязкости потока газа (жидкости).

Определение скорости ш>„р. і также можно проводить с помощью других зависимостей [39] различной степени сложности и точности.

Расчет скорости, необходимой для достижения заданного рас­ ширения взвешенного слоя, можно проводить по обобщенной фор­ муле [34]:

Лященко (рис. 5-28). С помощью рис. 5-28 (с погрешностью ±20%) можно определять: 1) скорость газового потока w, кото­ рая необходима для образования взвешенного слоя из частиц диа­ метром d4 при заданной порозности е; 2) минимальный диаметр частиц d4, переходящих во взвешенное состояние при заданной скорости газового потока.

Скорость уноса

Другим пределом существования взвешенного слоя является скорость, при которой зернистый материал выносится из аппарата. Скорость уноса рассчитывается по тем же формулам, что и ско­ рость свободного осаждения или витания одиночной шарообразной частицы. Начало уноса характеризуется следующими условия­ ми: 1) расширение слоя достигло предела и движение отдель­ ных частиц не зависит от воздействия соседних частиц; 2) частицы не осаждаются и не уносятся газовым потоком, свободно витая в надслоевом пространстве, так как вес каждой частицы уравнове­

222

шивается силой сопротивления, возникающей при обтекании ча­ стицы потоком газа. Незначительное превышение скорости газа над скоростью витания приводит к уносу частицы. Скорость вита­ ния является важнейшей характеристикой взвешенного слоя и определяется опытным путем [34].

При уносе движение твердых частиц в слое перестает быть хао­ тическим. Частицы ориентируются в направлении восходящего по­ тока газа и начинают перемещаться по аппарату снизу вверх. Та­ кой режим движения используют для перемещения сыпучих мелко­ зернистых материалов (пневмо- и гидротранспорт).

Скорость уноса в пределах изменения числа Рейнольдса

Re = Wydjv от 500 до 2 -ІО5, когда коэффициент трения при обте­ кании шарообразной частицы не меняется и равен примерно 0,44, может быть рассчитана по закону сопротивления Ньютона:

В том случае, когда слой состоит из большого числа фракций частиц различных размеров, значение шкр.і для крупных частиц оказывается меньше wKр. и для самых мелких частиц, т. е. унос мелких частиц из слоя наступит раньше, чем крупные частицы перейдут во взвешенное состояние. Поэтому для полидисперсных слоев можно говорить о критической области скоростей, соответ­ ствующих переходу слоя во взвешенное состояние или в режим пневмотранспорта. Эти области скоростей определяют эксперимен­ тально.

При однородном взвешенном слое можно воспользоваться соот­ ношением [40]:

ность слоя, соответствующая скорости да; п — показатель степени, зависящий от отношения d4/DRпп

223

Здесь Re = wocd4pl\i. Зависимость (5-143) была получена для однородного взвешенного слоя стеклянных шариков (d4 > 100 мкм) в потоке бромоформа и может быть использована также для оса­ ждения.

Порозность и высота взвешенного слоя

Порозность или степень расширения слоя можно вычислить по формуле:

Если объем слоя трудно определить экспериментально, то для расчета е используют интерполяционную формулу [41]:

/ 18 Re+ 0,36 Re2\0>2l

использована для определения порозности. Точный расчет е до­ вольно затруднителен (особенно в случае, когда слой переводится во взвешенное состояние восходящим газовым потоком), поэтому

224

графическое определение (рис. 5-30) степени расширения слоя по

отношение рабочей скорости (рас­ считанной на полное сечение ап­ парата) ш к критической скоро­ сти Шкр. I начала образования взвешенного слоя (ш/доКр. і) явля­ ется также общепризнанной ха­ рактеристикой взвешенного слоя п носит название числа псевдо­ ожижения Kw При Kw = 2 уже имеет место интенсивное переме­

шивание твердых частиц в слое. Оптимальные числа Kw для каж­ дого процесса колеблются в широких пределах.

Гидравлическоз сопротивление взвешенного слоя

Гидравлическое сопротивление зернистого слоя изменяется в зависимости от скорости потока в соответствии с уравнениями (5-1) —(5-3) и (5-5) до точки А, характеризующей начало образо­ вания взвешенного слоя (рис. 5-31). Для области существования взвешенного слоя гидравлическое сопротивление практически остается постоянным и равным весу GCJI мелкозернистых частиц,

приходящемуся на единицу площади Fсл поперечного сечения слоя (аппарата):

* сл

На рис. 5-31 представле­ на зависимость Арсл — f(w)' в логарифмических коорди­ натах. При увеличении ско­

Рис. 5-31. Гидравлическое сопротивление рости восходящего потока

зернистого слоя. слой расширяется до точки В и Арсл увеличивается ли­

нейно (идет фильтрация потока через слой), затем Ддол проходит че­ рез максимум (точка С), наличие которого объясняется по-разному [34] — силами адгезии или самоторможением потока вблизи стенок аппарата. Характерно, что при обратном ходе кривой АрСл — f(w), т. е. при уменьшении скорости, точка С отсутствует и прямая про­ цесса фильтрации расположена несколько ниже в результате об­ разования более рыхлой структуры слоя. Линия CD соответствует уравнению (5-150) и характеризуется независимостью Арсл от ско­ рости движения потока через слой. В точке D начинается унос, и слой разрушается.

Характеристики частиц зернистого материала

IIа первом этапе изучения гидродинамики взвешенного слоя исходили из идеализированных представлений о его структуре, рассматривая движение шарообразных частиц одинаковых разме­ ров и одинаковой плотности. В реальном слое частицы имеют са­ мую разнообразную форму и размеры, что затрудняет правильный выбор основных характеристик процесса.

Свойства частиц, таким образом, являются определяющими при установлении характера движения взвешенного слоя, особенно если ожижающим агентом является газ. Однако до сих пор способ­ ность зернистых материалов переходить во взвешенное состояние оценивается только качественно и только на основании экспери­ мента. По-видимому, эта проблема тесно связана с изменением порозности слоя в зависимости от гранулометрического состава зернистого материала и с изменением количества движения в си­ стеме газ — твердый мелкозернистый материал.

Взвешенный слой широко применяется в химической промыш­ ленности как наиболее простой метод, позволяющий организовать непрерывность обработки того или иного материала. Представляет интерес при аппаратурном оформлении взвешенного слоя исходить из оптимальной удельной производительности и наиболее благо­ приятных кинетических коэффициентов (тепло- и массообмена между газовой и твердой фазами), которые непосредственно зави­ сят от среднего размера частиц и их гранулометрического состава. Обычно для обработки непылящих материалов используют доста­ точно крупные частицы со средним диаметром d4 > 200 мкм при низких числах псевдоожижения (/С№— 2 -f-3). В тех случаях, когда в соответствии с технологическими требованиями необходимо обеспечить большую поверхность контакта (d4 < 100 мкм), и слой состоит из широко отличающихся по размерам частиц неправиль­ ной формы, процесс обычно ведут при больших значениях K.w, т. е. при скоростях, во много раз более высоких, чем шКр. і- При этом приходится учитывать большой унос мелких частиц с газовым по­ током (а также возможность поршнеобразования или канальных проскоков газа) и принимать соответствующие меры для уменьше­ ния потерь материала (например, рециркуляция).

Оптимальный режим для взвешенного монодисперсного слоя можно оценивать с помощью зависимости:

при обжиге в печах с кипящим слоем оптимальный тепловой режим обеспечивается при значениях А = 0,12 и п = 0,5. Об оптималь­ ных режимах для полидисперсных слоев см. подробно в [34].

Рассмотрим взаимодействие между восходящим потоком газа и твердыми частицами. При исследовании гидродинамики взвешен­ ного слоя применительно к конкретному технологическому про­ цессу необходимо, чтобы описание механизма метода включало следующие его стороны: 1) возникновение и движение пузырей

226