Псевдоожиженный слой (ПС)

ГИДРОДИНАМИКА ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ

Характерной чертой двухфазных потоков является наличие границы раздела между фазами. Одна фаза называется сплошной, а другая распределена в первой в виде твердых частиц, капель, пузырей и называется дисперсной фазой.

Различают 2 вида двухфазных потоков:

1. Сплошная фаза - газ или жидкость, дисперсная – твердая [Г-Т]; [Ж-Т]

Встречается при:

· Осаждении;

· Псевдоожижении;

· Пневмо- и гидротранспорте.

2. Системы газ (пар) – жидкость; две несмешиваемые жидкости [Г - Ж]; [Ж-Ж]

Встречается при:

· Абсорбция;

· Ректификация;

· Экстракция;

· Мокрая пылеочистка.

Основное различие в их движении заключается в том, что твердые частицы практически не меняют свою форму и массу, а пузыри, капли, пленки меняют свою форму, а также и массу (слияние и дробление пузырей, капель.)

Движение фаз может быть прямоточным (пневмотранспорт) и противоточным (Г – Ж - системы).

Закономерности однофазных потоков – движение в трубопроводах и аппаратах, составляющее внутреннюю задачу гидродинамики – рассматриваются в гидравлике. Закономерности двухфазных потоков более сложны из-за взаимного движения фаз.

Осаждение

Осаждение связано с движением взвешенных частиц в жидкости или газе под действием различных сил (тяжести, инерционных, центробежных, электростатических). Изучение закономерностей обтекания тел составляет внешнюю задачу гидродинамики.

Движение твердого тела в жидкости (или обтекание неподвижного тела движущейся жидкостью) зависит от возникающего сопротивления среды, направленного в сторону, обратную движению. Для преодоления сопротивления должна быть затрачена определенная энергия.

Сопротивление среды складывается из сопротивления сил трения и сил инерции, а величина его зависит, главным образом, от режима движения и формы обтекаемого тела.

При ламинарном движении, наблюдающемся при небольших скоростях и малых размерах движущихся частиц, а также при высокой вязкости среды преобладают силы трения среды. Поток плавно обтекает частицу и она окружена пограничным слоем жидкости.

С развитием турбулентности все большую роль начинают играть силы инерции. Пограничный слой под действием сил инерции отрывается от поверхности тела, что приводит к понижению давления за движущимся телом и возникновению вихрей.

При этом возрастает разность давлений жидкости на переднюю и заднюю поверхности тела. Начиная с некоторого значения критерия Rе, роль лобового сопротивления, обусловленного силами инерции, становится преобладающей, а сопротивлением трения можно практически пренебречь.

Режим становится автомодельным по Rе и энергия расходуется в основном на преодоление лобового сопротивления.

Для всех режимов справедлив обобщенный закон сопротивления среды:

где: R – сила сопротивления среды;

– коэффициент сопротивления среды;

S – площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную движению.

Поскольку R/S=∆p, следовательно, перепад давлений, преодолеваемый движущимся телом, то

Соответственно, уравнения для расчета могут быть получены обработкой опытных данных методами теории подобия:

или

На основе большого числа экспериментальных данных для шарообразных частиц диаметром d_ч найден вид этой функции, причем существуют 3 области обтекания, следовательно, то есть три режима движения.

I. Ламинарный режим (Rе < 2).

уравнение Стокса;

II. Переходный режим (2 < Rе < 500)

Наблюдается плавный переход от ламинарного к турбулентному, так как толщина ламинарного слоя сравнима с диаметром частиц (в трубопроводах такого перехода нет).

III. Автомодельный режим (500<Re<2*10⁵)

Рассмотренный закон сопротивления относится к свободному движению (нет влияния соседних частиц) шарообразных твердых частиц.

Нижний предел применимости закона Стокса , ниже которого на скорость осаждения очень мелких частиц начинает влиять тепловое движение среды. Диаметр частиц соизмерим с длиной свободного пробега молекул (d=0.1м).

Верхний предел применимости закона Ньютона , так как выше этого возникает вакуум за движущимися частицами (в технике не используется).

Для не шарообразных частиц:

где: Ф – фактор формы, учитывающий не шарообразность частицы.

Значения Ф имеются в таблицах (для куба Ф=0.806) и определяется экспериментально.

Общий закон сопротивления не зависит от природы сил, вызывающих движение твердых частиц. Для конкретных случаев имеются конкретные выражения.

R=G, следовательно, при осаждении:

;

Псевдоожиженный слой (ПС)

ПС возникает при движении газа (реже жидкости) снизу вверх через слой мелких твердых частиц. Рассмотрим слой монодисперсных шарообразных частиц.

а) при относительно небольших скоростях газа зернистый слой остается неподвижным, и его порозность не изменяется.Порозность – доля пустот в объеме слоя (свободный объем)

; [ ]

Для неподвижного слоя шарообразных частиц одинакового размера В расчетах принимают

С порозностью тесно связаны понятия фиктивной и действительной скоростей.

Фиктивная скорость исчисляется на пустой аппарат, то есть на его полное поперечное сечение: ; эта скорость чаще всего исчисляется при расчете аппаратов.

Действительная скорость в каналах слоя будет всегда больше:

;

Рассмотрим характер изменения сопротивления слоя от величины .

С ростом фиктивной скорости сопротивление зернистого слоя возрастает, происходит фильтрация газа через неподвижный слой.

Кривая идеального псевдоожижения монодисперсных частиц.

I – фильтрация;

II – псевдоожижение;

III – унос.

б) По достижении так называемой критической скорости псевдоожижения слой скачкообразно переходит в псевдоожиженное состояние и твердые частицы хаотически перемещаются в различных направлениях. Условием этого перехода слоя является равенство подъемной силы газа весу всех частиц слоя. ( .

При псевдоожижении слой приобретает свойства жидкости, а именно:

А) Текучесть (из одного аппарата в другой);

Б) Принимает внутреннюю форму аппарата;

В) Имеет горизонтальную поверхность (четко выраженную поверхность

раздела от разряженной фазы);

Тело, погруженное в ПС в зависимости от его плотности, может всплы-

вать или тонуть.

Сопротивление слоя остается постоянным, так как с ростом фиктивной скорости увеличивается порозность и высота слоя, а действительная скорость остается постоянной!!!!

;

3) при дальнейшем увеличении скорости газа достигается новая критическая скорость – скорость витания, при которой частицы движутся по хаотическим траекториям, не имея поступательного движения относительно стенок аппарата.

Частица свободно витает, она не осаждается и не уносится потоком и движется независимо от других частиц.

По достижении и малейшем превышении скорости витания начинается унос частиц из слоя. Слой разрушается, переходит в состояние пневмотранспорта, начинает уменьшаться.

Для реальных систем на кривой имеется пик давления, возникающий вследствие необходимости преодоления инерции покоя слоя и сил сцепления между частицами.

Для полидисперсных систем существует интервал критических скоростей псевдоожижения: сначала псевдоожижаются мелкие частицы, потом крупные. Аналогично унос.

Таким образом, псевдоожиженный слой существует в интервале скоростей: критическая скорость псевдоожижения

Достоинства ПС:

1) ускорение гетерогенных процессов вследствие большой поверхности контакта и ее постоянного обновления, в особенности для процессов, идущих в диффузионной области;

2) сравнительно невысокое и постоянное гидравлическое сопротивление;

3) равномерный прогрев частиц, исключающий местные перегревы (аппарат полного смешения);

Недостатки ПС:

1) значительный пылеунос, требующий мощной газоочистительной аппаратуры;

2) истирание частиц;

3) сепарация частиц в слое.

Области применения:

1) газификация;

2) обжиг;

3) сушка;

4) адсорбция;

5) теплообмен;

6) каталитический гидрокрекинг.

Отношение рабочей скорости псевдоожижения к критической называется числом псевдоожижения:

Интенсивное перемешивание достигается уже при Оптимальные величины для каждого процесса определяются практически, что связано с возникающей неоднородностью псевдоожижения.

Полностью однородное псевдоожижение возможно практически лишь в системе Ж – Т (плотности одного порядка).

Для системы Г – Т псевдоожижение, как правило, является неоднородным: часть газа движется в виде пузырей, которые разрушаются при достижении верхней границы слоя и вызывают колебания высоты слоя, выбрасывание из него частиц.

При малых неоднородность слоя не оказывает отрицательного влияния, наоборот, движущиеся пузыри способствуют перемешиванию. При больших диаметр пузырей может достичь диаметра аппарата, и слой разделяется на отдельные части газовыми пробками. Прорыв пузыря сопровождается большим выбросом частиц. Наступает поршневое псевдоожижение, которое является нежелательным из-за колебания сопротивления аппарата, больших выбросов и ухудшения контакта между газом и твердыми частицами. Возникновение поршневого псевдоожижения наблюдается в аппаратах с большим отношением Н/Д (узкие и высокие аппараты).

В аппаратах с малым отношением Н/Д при псевдоожижении некоторых материалов может возникнуть каналообразование.

-для очень мелких частиц или слипающихся частиц, склонных к агломерации.

При этом происходит проскок («байпасирование») значительного количества газа через каналы, образующиеся в слое. В слое образуются более уплотненные зоны, оказывающие значительное сопротивление проходу газа, вследствие чего и образуются каналы. Контакт газа с частицами ухудшается.

Для улучшения перемешивания могут быть использованы разновидность ПС=> фонтанирующий слой и специальные газораспределительные решетки, обеспечивающие образование активных газовых струй. В последнее время с этой целью используется вибрация (ВКС).

Некоторые гидродинамические характеристики ПС.

1.Критическая скорость псевдоожижения и витания наиболее надежно определяется опытным путем. Для монодисперсного слоя шарообразных частиц при

где:

2.Скорость витания определяется по уравнению при

3.Для области 0.4< < 1 можно пользоваться методом Лященко:

;

Зная диаметр частицы, находят и для задания порозности определяют . По → , необходимую для достижения этой порозности.

4. Перепад давлений в слое:

Это очень важная величина, так как она служит для выбора побудителя тяги.

С учетом архимедовой силы:

Перепад давления в слое (возможно для выбора побудителя тяги):

^0.21;

Для критической скорости

Отсюда высота псевдоожиженного слоя:

Аппаратурное оформление

А) цилиндроконические аппараты

Б) конические аппараты

1) для полидисперсных материалов;

2) при увеличении объема газов в ходе процесса (с целью поддержания одинакового гидродинамического режима).

Живое сечение провальной решетки 15 – 30%; .

Поиск по сайту: