X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

В последнее время все более широкое применение получает сушка мелкодисперсных материалов и сжигание твердых видов топлива в кипящем слое. Это обусловлено высоким коэффициентом теплоотдачи между газовым объемом и материалом, а также большой поверхностью теплообмена.

Кипящим (псевдоожиженным) называется слой мелкозернистого материала, продуваемый снизу вверх газом со скоростью, превышающей предел устойчивости плотного слоя, но меньше скорости витания частиц. При визуальном наблюдении за таким слоем создается впечатление "кипения" частиц твердого материала, хаотически перемещающихся в пределах определенного объема. Способ сжигания топлива в кипящем слое аэродинамически является промежуточным между слоевым и факельным (рис. 1) [1].

Рисунок 1 – Топка с кипящим слоем: 1 - топочная камера; 2 - кипящий слой; 3 - газораспределительная решетка; 4 - воздуховод; 5 - золовой затвор.

В газораспределительной решетке имеются два вида отверстий (рис.2): отверстия, расположенные в решетке вертикально, через которые подается около 60-65% воздуха и предназначенные для подъема частиц и отверстия, расположенные в колпачках под углом к горизонту и предназначенные для перемещения частиц материала или топлива в горизонтальном направлении [2].

Рисунок 2 – Схема кипящего слоя: 1 - газораспределительная решетка; 2 – колпачки с отверстиями; 3 – материал вертикальные отверстия.

Гидродинамическая картина состоит из ряда особенностей, которые определяются расходом и скоростью протекающего через слой газа [4]:

при малых расходах и скорости газа процесс прохождения газа через слой напоминает фильтрацию. При малом размере частиц и сравнительно невысоких скоростей газа режим движения в слое ламинарный (однородный псевдоожиженный слой);

при крупном размере частиц и сравнительно высоких скоростей газа режим движения в слое переходный и турбулентный (неоднородный псевдоожиженный слой);

при значительных скоростях газа и малом размере частиц - унос продукта.

В зависимости от геометрии аппарата имеют место различные физические картины псевдоожижения:

при соотношении диаметра аппарата (газовой решетки) и его высоты 1:1 имеет место однородный псевдоожиженный слой;

при коническом сечении аппарата, либо при площади газовой решетки менее площади сечения аппарата имеет место фонтанирующий слой, когда четко заметна неравномерность скорости перемещения частиц материала по продольному сечению аппарата;

при соотношении высоты и диаметра аппарата более единицы имеет место поршнеобразование;

при соотношении высоты и диаметра аппарата менее единицы имеет место каналообразование.

Состояния слоя зернистого материала при продувке газом показано на рисунке 3.

Рисунок 3 – Состояние слоя зернистого материала при продувке газом: а – неподвижный слой (режим фильтрации); b – однородный псевдоожиженный слой; c - неоднородный псевдоожиженный слой; d – унос частиц; e – псевдоожиженный слой с поршнеобразованием; f - псевдоожиженный слой с каналобразованием.

Положительные особенностипсевдоожиженного слоя: интенсивное перемешивание твердых частиц; независимость сопротивления слоя от скорости ожижающего агента; выравнивание полей концентраций и температур.

Отрицательные особенности псевдоожиженного слоя: возможность проскока значительных количеств газа бездостаточного контакта с продуктом; износ стенок и продукта в результате трения; возникновение значительных зарядов статического электричества; необходимость установки мощных систем пылеулавливания и аспирации.

Положительные особенности находят применение в различных основных процессах: химические (катализ, обжиг, нагрев и др.); массообменные (сушка зернистых материалов в слое, сушка жидких продуктов на твердых инертных носителях); механические (гранулирование, смешение, транспортировка и пр.). Негативные эффекты могут быть погашены рациональными конструкторскими решениями.

Гидродинамика псевдоожижения может быть описана зависимостями сопротивления слоя Δр от скорости протекающего газа W.

Рисунок 4 – Кривая реального псевдоожижения: 1 - плотная упаковка зернистого материала; 2 – рыхлая упаковка зернистого материала; 3 – при уменьшении скорости газа сохраняется рыхлая упаковка зернистого материала.

Рисунок 5 – Зависимость сопротивления материала от скорости воздуха

В момент начала псевдоожижения вес материала уравновешивается гидродинамическим сопротивлением слоя [3]. Сопротивление кипящего слоя равно весу твердых частиц в слое G_тв , деленному на площадь сечения аппарата S.

Объём, занимаемый слоем, равен S·h₀, где h₀ - высота слоя в м. Если порозность неподвижного слоя (относительный объем пустот) в неподвижном слое ε₀ ,то объём твердых частиц в слое равен S·h0(1- ε₀), а вес частиц с учетом подъёмной силы среды составляет:

G_тв= S h₀(1- ε₀)(ρ_тв- ρ_г)g

Δр = G_тв /S

G_слоя - вес слоя, Н; S - поперечное сечение аппарата, м².

С учетом сил Архимеда:

Δр = h₀(1- ε₀)(ρ_тв- ρ_г)g

h₀ - высота неподвижного слоя; ρ_тв, ρ_г – соответственно, плотности твердых частиц и газа; ε₀ - порозность неподвижного слоя (относительный объем пустот в неподвижном слое): ε₀ = ((V₀ –V)/V₀)); V₀, V – соответственно, объем неподвижного слоя и объем частиц.

При увеличении фиктивной скорости потока возрастают как высота слоя h. так и его порозность ε. При этом (1- ε) уменьшается, а величина

h·(1- ε) остаётся постоянной, поскольку сопротивление псевдоожиженного слоя не зависит от скорости среды.

Следовательно, можно записать следующее равенство

h₀· (1- ε₀) = h· (1- ε) и отсюда пористость кипящего слоя:

, где называется коэффициентом расширения слоя.

Скорость псевдоожижения w₀ можно найти, приравняв уравнение сопротивления псевдоожиженного слоя сопротивлению зернистого слоя.

, после преобразований можно получить следующие расчетные уравнения:

Re₀ – модифицированный критерий Рейнольдса, который соответствует скорости псевдоожижения w₀.

– критерий Архимеда.

, для частиц неправильной формы Ф = 0,9

при

при

при

Скорость витания Re_vit можно приближенно определить по полуэмпирической зависимости Аэрова – Тодеса:

- по этой формуле можно вычислить скорость, необходимую для достижения заданной доли свободного объема слоя.

Для расчета ε при данном значении скорости выражение приводится к виду:

При расчете необходимо привести параметры среды к рабочим условиям процесса [5].

Список использованных источников

Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. "Химия" М. 1971г. стр. 109-114

Руководство к практическим занятиям в лаборатории по процессам и

аппаратам химической технологии под редакцией П.Г. Романкова изд.

"Химия" 1989, стр. 74-81.

Павлов К.Ф., Романков П.Г. и др. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Изд. "Химия", 1987, стр. 104-109

Расчеты аппаратов кипящего слоя: справочник / А.П.Баскаков, Б.С. Са-

жин, В.Ф. Фролов, И.П. Мухленов; под ред. И.П. Мухленова. - Л.: Химия,1986. - 352 с.

Плановский А.Н. Процессы и аппараты химической и нефтехимической

технологии / А.Н. Плановский, П.И. Николаев. - М.: Химия, 1987. - 495 с.

Код для цитирования: Скопировать