11.2. Псевдоожижение зернистого материала

Процесс псевдоожижения происходит при движении газа или жидкости через слой сыпучего материала. При этом частицы ста­новятся подвижными, хорошо перемешиваются в пределах объе­ма аппарата, тем самым выравнивая поле концентраций и темпе­ратур.

Различают три состояния слоя сыпучего материала. При неболь­шой скорости движения газа слой твердых частиц остается непо­движным (рис. 11.6, а). При таком режиме проводят процесс филь­трования (гл. 10). При большой скорости наблюдается режим уноса твердой фазы (рис. 11.6, б). В промышленном производстве в этом режиме осуществляют процессы пневмо- и гидротранспорта.

В некотором диапазоне значений скорости газа существует тре­тье состояние сыпучего слоя — так называемое псевдоожиженное (рис. 11.6, в). В этом режиме слой уже перестает быть неподвиж­ным, но унос еще не наступает. Частицы уже не соприкасаются друг с другом, а свободно витают в воздухе, но из аппарата не уносятся. Это состояние называют псевдоожиженным, поскольку слой твердых частиц по некоторым признакам становится подо­бен жидкости: он обладает текучестью (может вытекать через от­верстие в стенке аппарата), не имеет собственной формы, а при­нимает форму сосуда, в котором содержится, между ним и газом существует граница раздела. Внутри слоя частицы непрерывно ха­отически движутся, напоминая кипящую жидкость. Отсюда дру­гое название этого состояния сыпучего материала — «кипящий» слой.

Экспериментально показано, что зависимость перепада давле­ний от скорости газа в каждом из трех состояний слоя — кривая псевдоожижения — имеет свои особенности. На кривой можно выделить три участка (рис. 11.7). Участок / соответствует непод­вижному состоянию слоя. Газ проходит по каналам между части­цами насыпанного слоя. Скорость газа небольшая, проходные се­чения невелики, поэтому режим его течения здесь всегда лами­нарный. При таком режиме перепад давлений прямо пропорцио­нален скорости, и рассматриваемая зависимость представляет со­бой прямую линию.

Участок 2соответствует состоянию псевдоожижения. Здесь по­тери давления не меняются с возрастанием скорости газа. Увели­чивается лишь проходное сечение — расстояние между частицами и соответственно высота и объем слоя.

Участок 3 характеризует рост перепада давлений при увеличе­нии скорости газа. Этому участку соответствует режим пневмо­транспорта. Такая зависимость свойственна потоку жидкости в трубопроводе при турбулентном течении.

Границы участков на графике соответствуют критическим зна­чениям скорости потока газа: граница участков 1 и 2 — скорости начала псевдоожижения, участков 2 и 3 — скорости уноса. На границе участков 7 и 2 кривая имеет выступ: здесь сопротивление немного больше, чем при самом процессе псевдоожижения. Это объясняется тем, что для начала псевдоожижения необходима некоторая дополнительная энергия, затрачиваемая на преодоле­ние сил сцепления частиц друг с другом.

Почему в состоянии псевдоожижения сопротивление слоя не растет с увеличением скорости газа? Для того чтобы твердая час­тица витала (висела) в потоке воздуха, согласно законам механи­ки необходимо равенство внешних сил, действующих на нее.

В

Рис. 11.8. Сушилка с «кипящим» слоем:

/ — патрубок для ввода сушильного аген­та; 2 — сетчатая перегородка; 3 — пита­тель; 4 — бункер; 5 — рабочая зона; 6 — выходной патрубок; 7 — затвор; 8 — люк для выгрузки остатка

доль направления движения потока газа на частицу действу­ют сила тяжести, направленная вниз, и сила давления газа, на­правленная вверх. Суммарная сила воздействия газа на псевдо-ожиженный слой частиц равна весу всех частиц слоя. Если эту силу (т.е. вес всех частиц) отнести к единице площади сечения аппарата, то получим значение перепада давлений Ар в этом слое. При определенном весе материала, находящегося в аппарате, и постоянной площади сечения аппарата потеря давления в этом режиме будет постоянной величиной.

Использование закономерностей процесса псевдоожижения в промышленности обусловлено известными достоинствами этого состояния сыпучего материала. Благодаря хаотическому непрерыв­ному перемещению частиц происходит выравнивание концентра­ций и температуры в объеме кипящего слоя, что важно при осу­ществлении химических или теплообменных процессов.

Псевдоожижение широко используют при проведении хими­ческих реакций в присутствии мелкодисперсного катализатора. Непрерывное столкновение частиц со стенками аппарата и их перемещение от стенок внутрь объема обрабатываемой среды по­зволяет эффективно подводить или отводить теплоту именно че­рез стенки реактора. Это было бы затруднительно при осуществ­лении процесса в неподвижном слое твердой фазы. По сравнению с неподвижным слоем здесь легко проводить процесс в непре­рывном режиме. Сыпучий материал свободно перемещается от входа в аппарат к выходу из него.

К недостаткам «кипящего» слоя можно отнести интенсивное истирание частиц, сопровождающееся пылеобразованием и уно­сом мелкой фракции, что приводит к необходимости примене­ния в аппаратах или на линии от­ходящих газов пылеулавливающе­го оборудования. Недостатком так­же является ограниченный диапа­зон изменения расхода газа (от скорости псевдоожижения до ско­рости уноса). Выход за границы этого диапазона приводит к каче­ственному изменению гидродина­мики слоя.

На рис. 11.8 показан один из возможных вариантов схемы ап­парата с «кипящим» слоем для сушки песка. Влажный материал из бункера 4 подается питателем 3 в рабочую зону 5 сушилки. От­метим, что форма такого аппарата в сечении может быть различ­ной (круглая, квадратная, прямоугольная).

Сушильный агент (горячий воздух) через подводящий патру­бок 7 и далее через сетчатую перегородку 2 поступает в аппарат, где и создается псевдоожиженный слой. Интенсивная сушка пес­ка происходит, пока он движется от входа в сушилку до выгрузки готового продукта, которая осуществляется с помощью затвора 7. Отработанный сушильный агент уходит из аппарата через выход­ной патрубок 6.

В конической части сушилки предусмотрен люк 8для выгрузки остатка, который может просыпаться через перегородку 2 при прекращении подачи воздуха. Если перегородка выполнена пори­стой, непроницаемой для песка, то выгрузка остатка может осу­ществляться через боковой люк (на рисунке не показан).