Гидродинамика псевдоожиженного слоя

При пропускании потока газа или жидкости через слой зернистого материала со скоростью w_Ф < w_кp1 слой остается неподвижным, газ (жидкость) фильтруется через него, не нарушая общей структуры. Сопротивление слоя при этом возрастает пропорционально увеличению скорости потока.

При достижении скорости w_кp1 вес зернистого материала в слое уравновешивается силой трения потока о поверхности частиц, которые переходят во взвешенное состояние и впоследствии приобретают возможность перемещения друг относительно друга. Скорость w_кp1 называется первой критической скоростью или скоростью начала псевдоожижения, а слой, находящийся в таком состоянии, называется псевдоожиженным, т. е. обладает свойствами, близкими к жидкости. Слой в этом случае приобретает текучесть, принимает форму аппарата, в котором находится, характеризуется вязкостью, на погруженные в него тела действует сила Архимеда. При дальнейшем увеличении скорости газа (жидкости) слой расширяется, его порозность и интенсивность движения частиц увеличиваются. Поскольку вес слоя при этом не изменяется, его сопротивление потоку остается неизменным.

При достижении w_Ф = w_кp2 начинается разрушение однородности слоя и унос из него частиц. Скорость w_кp2 называется второй критической скоростью или скоростью уноса.

Широкое использование аппаратов с псевдоожиженным слоем в промышленном производстве объясняется такими его свойствами, как выравнивание полей температур и концентраций компонентов в объеме технологических аппаратов; максимальное развитие поверхности взаимодействия между ожижающим агентом и зернистыми материалами (поверхности фазового контакта); возможность транспортировки зернистых материалов в псевдоожиженном состоянии; незначительное гидравлическое сопротивление слоя во всем диапазоне скоростей псевдоожижения; простота конструктивного оформления технологических аппаратов с псевдоожиженным слоем и возможность автоматизации их работы.

Наряду с перечисленными достоинствами псевдоожиженному слою свойственны некоторые недостатки: уменьшение движущей силы процесса, вызванное выравниванием концентрационных и температурных полей; возможность проскока значительных количеств газа без достаточного контакта с твердым материалом; возможность эрозионного изнашивания при трении твердых частиц о стенки аппаратов; возникновение электростатических зарядов при трении диэлектрических частиц друг о друга; необходимость дополнительной установки мощных газоочистных устройств и
т. д.

Основной характеристикой псевдоожиженного слоя является кривая псевдоожижения, представляющая собой зависимость между его гидравлическим сопротивлением и фиктивной скоростью ожижающего агента (рис. 1.3).

Кривая, показанная на рис. 1.3, а, называется кривой идеального псевдоожижения монодисперсного слоя твердых частиц, т. е. частиц одинакового размера. В зависимости от значений скорости w_Ф на ней различают области фильтрации ожижающего агента через неподвижный слой (0 < w_Ф < w_кp1), псевдоожижения (w_кp1 < w_Ф < w_кp2), Уноса (w_Ф > w_кp2).

Реальная кривая псевдоожижения (рис. 1.3, б) монодисперсного зернистого слоя (слоя с частицами одинакового размера) отличается от идеальной тем, что в момент перехода в псевдоожиженное состояние имеет место скачок давления (кривая 1), что вызвано необходимостью преодоления сил сцепления частиц. Величина этого пика зависит от формы и состояния поверхности твердых частиц, а также плотности их упаковки. В случае снижения скорости w_Ф переход от псевдоожиженного слоя к неподвижному происходит по кривой 2, на которой пик отсутствует.

В случае псевдоожижения полидисперсного зернистого слоя (слоя с частицами разного размера) четко выраженная скорость w_{КР 1} отсутствует (кривая 3), так как переход слоя в псевдоожиженное состояние происходит постепенно (пофракционно) – от мелких к крупным частицам.

Скорость начала псевдоожижения w_KP1 может быть определена исходя из того, что она принадлежит как областям фильтрования, так и псевдоожижения.

В первом случае перепад давлений может быть определен по зависимости (1.19), записанной для данных условий в виде

где Н₀, ε₀ - высота и порозность неподвижного слоя соответственно; ρ_г – плотность газа (псевдоожижающего агента).

Во втором случае перепад давлений может быть определен исходя из того, что гидравлическое сопротивление слоя равно весу слоя G_сл за вычетом действующей на него силы Архимеда G_А и отнесено к площади сечения аппарата f

или

Поскольку Δp = Δр_пс, приравняв зависимости (1.20) и (1.21), получим скорость начала псевдоожижения для частиц диаметром d рассматриваемой фракции (ψ = 1)

При ламинарном режиме течения ожижающего агента между частицами слоя (Re < 35)

λ= А/Re,

или, учитывая зависимости (1.15) - (1.17),

уравнение (1.22) перепишется как

где ε₀ – порозность неподвижного слоя; g – ускорение свободного падения; А – коэффициент пропорциональности; k – коэффициент извилистости каналов.

Обозначив первый сомножитель как В и умножив правую и левую части уравнения (1.23) на комплекс получим

Уравнение (1.24) показывает возможность экспериментального определения скорости начала псевдоожижения в соответствии с правилами теории подобия через критерии Рейнольдса и Архимеда.

Контрольные вопросы

1. Что является предметом изучения гидромеханики?

2. Какими основными свойствами и параметрами характеризуется реальная жидкость?

3. Какими видами энергии обладают покоящиеся и движущиеся жидкости?

4. Какие критерии относятся к критериям гидродинамического подобия и каков их физический смысл?

5. Какие гидродинамические режимы течения вязкой жидкости различают?

6. Как определяется гидравлическое сопротивление трубопровода?

7. Какими параметрами характеризуется движение жидкости через неподвижные, пористые и зернистые слои?

8. Что характеризует кривая псевдоожижения?

Тема 1.2. Перемещение жидкостей и газов