загрузка...
загрузка...
На головну

Гідродинаміка киплячих (псевдозріджених) зернистих шарів

  1. Аналіз переміщень шарів гірської породи
  2. Аналіз переміщень шарів гірської породи
  3. Веретеноподібні нейрони забезпечують вертикальні або горизонтальні взаємозв'язки нейронів різних шарів кори.
  4. ГІДРОДИНАМІКА
  5. Д. Механічні характеристики теплоізоляційних шарів
  6. Е.2 Класифікація великоуламкових, крупнозернистих і піщаних грунтів

За останні два десятиліття значне застосування в хімічній та інших галузях промисловості отримали процеси, пов'язані із взаємодією газів (рідше - крапельних рідин) з шаром мелкораздробленного твердих частинок, що знаходяться в киплячому, або псевдоожиженном стані. Апарати з киплячим шаром використовуються для переміщення і змішування сипучих матеріалів, для проведення процесів випалу, теплообміну, сушки, адсорбції, каталітичних і інших процесів. Таке широке поширення процесів в киплячому шарі обумовлено рядом їх переваг. Тут відзначимо лише, що псевдозріджених піддаються частки значно менших розмірів, ніж частинки матеріалів, що знаходяться в нерухомому шарі. Гідравлічний опір киплячого шару при цьому відносно невелика, а зменшення розмірів частинок призводить до збільшення поверхні їх контакту з потоком і знижує опір дифузії всередині частинок при взаємодії між твердою і газової (або рідкої) фазами. В результаті зростає швидкість протікання багатьох процесів.

Закономірності руху рідини через зернисті шари, розглянуті вище, дотримуються практично при будь-яких швидкостях потоку лише при русі його зверху вниз. Коли потік рухається від низу до верху, ці закономірності можуть застосовуватися лише за умови, що швидкість потоку не перевищує такого значення, при якому нерухомість шару порушується.

На рис. 1 показані три можливих стану шару твердих частинок в залежності від швидкості висхідного потоку.

Мал. 1. Рух газу (рідини) через шар твердих частинок: а - нерухомий шар; б - киплячий (псевдозріджений шар); в - винесення твердих частинок потоком.

При відносно невеликих швидкостях зернистий шар залишається нерухомим (рис. 1а), і його характеристики (питома поверхня, пористість і т. д.) не змінюються зі зміною швидкості потоку. Рідина при цьому просто фільтрується через шар. Однак, коли швидкість досягає певної критичної величини, шар перестає бути нерухомим, його порозность і висота починають збільшуватися, шар набуває плинність і переходить як би в кипляче (псевдозріджений) стан. У такому шарі тверді частинки інтенсивно переміщаються в потоці в різних напрямках (рис. 1б), і весь шар нагадує киплячу рідину, Обмежену чітко висловленої верхньою межею розділу з потоком, які пройшли шар. При подальшому збільшенні швидкості потоку порозность шару і його висота продовжують зростати аж до того моменту, коли швидкість досягає нового критичного значення, при якому шар руйнується і тверді частинки починають нестися потоком (рис 1в). Явище масового виносу твердих частинок потоком газу називають пневмотранспортом і використовують в промисловості для переміщення сипучих матеріалів.

Типові графіки зміни висоти зернистого шару і перепаду тисків в ньому (гідравлічного опору) в залежності від фіктивної швидкості газу (швидкості, віднесеної до всього перерізу апарату) представлені на рис. 2.

Швидкість, при якій порушується нерухомість шару і він починає переходити в псевдозріджений стан, називають швидкістю псевдорідинному і позначають через пс. При збільшенні швидкості газу до значення, рівного пс, Опір зернистого шару, як випливає з рис.2б, зростає зі збільшенням о, А його висота практично не змінюється (лінія АВС на рис. 2а).

Мал. 2. Залежності висоти зернистого шару (а) і його гідравлічного опору (б) від швидкості потоку.

Початок псевдорідинному настає при рівності сили гідравлічного опору шару вазі всіх його частинок. Однак насправді перепад тисків в шарі, що відповідає точці В (Рис.2б), т. е. безпосередньо перед початком псевдорідинному (точка С), дещо більше, ніж це необхідно для підтримки шару в підвішеному стані. Це пояснюється дією сил зчеплення між частинками шару, що знаходиться в спокої. Коли швидкість потоку досягає значення пс, Частки долають сили зчеплення і перепад тисків стає рівним вазі частинок, що припадає на одиницю площі поперечного перерізу апарату.

З рис. 2бвідно, що зазначена умова виконується для всієї області існування псевдозрідженого шару (лінія РЄ), аж до того моменту, коли швидкість стає такою, при якій шар руйнується і починається масовий винесення частинок потоком. Цю швидкість називають швидкістю виносу, або, інакше, швидкістю вільного витання часток, і позначають символом св. Останнє назва обумовлена ??тим, що при масовому віднесенні порозность шару настільки велика (  наближається до 1), що рух окремих частинок можна вважати не залежних від впливу інших частинок шару. Кожна окрема частинка вільно витає, т. Е. Осідає і не несеться потоком, за умови, що її вага в середовищі врівноважується силою опору, що виникає при обтіканні частинки потоком. значення св може бути знайдено виходячи з цього умови. Найменше перевищення швидкості  над величиною св призводить до уносу частки.

Таким чином, умова витання частки в висхідному потоці ідентично умові рівномірного осадження частинки в нерухомому середовищі. Тому швидкості св можна визначати так само, як швидкості осадження ос.

У разі зменшення швидкості потоку після псевдорідинному шару спостерігається явище гістерезису: залежність гідравлічного опору нерухомого шару від швидкості потоку виражається не лінією АВС (Рис. 2б), а прямий СD, розташованої нижче. Це пов'язано стем, що порозность нерухомого шару після закінчення його псевдорідинному стає трохи вище, ніж до псевдорідинному. Останнє підтверджується також даними рис. 2a - висота нерухомого шару після псевдорідинному (ордината лінії СD) більше, ніж вона була до псевдорідинному (ордината лінії АВ). Якщо знову почати подачу газу в утворений шляхом псевдорідинному більш порізно шар, то при збільшенні швидкості виходить залежність, відповідна лінії СD, і явище гістерезису вже не спостерігається.

Межі існування псевдозрідженого шару обмежені, отже, знизу швидкістю псевдорідинному пс і зверху - швидкістю витання св.

Треба зауважити, що різкий перехід від нерухомого до псевдозріджених станом зернистого шару характерний лише для шарів частинок однакової дисперсності. Для полідисперсних верств існує не швидкість псевдорідинному, а область швидкостей псевдорідинному, в якій починається і завершується перехід від нерухомого до повністю псевдозріджених шару.

Ставлення робочої швидкості  , Значення якої повинно знаходитися в межах між и св, До швидкості початку псевдозрідження називають числом псевдорідинному і позначають символом :

 (13)

Число псевдорідинному характеризує інтенсивність перемішування частинок і стан псевдозрідженим шаром. Дослідним шляхом знайдено, що в багатьох випадках інтенсивне перемішування досягається вже при  = 2. Оптимальні значення  встановлюються зазвичай практично для кожного конкретного технологічного процесу і можуть змінюватися в досить широких межах.

при  , Т. Е. При  > 1, характеристики киплячих верств неоднакові при їх псевдозріджених за допомогою газу або крапельної рідини. Ці характеристики залежать також від величини .

Повністю однорідне псевдозрідження практично можливо лише при псевдозріджених твердих частинок в потоці крапельної рідини. При цьому збільшення швидкості понад  призводить до відповідного зростання висоти шару без будь-яких помітних коливань його верхньої межі. Відстань між частинками в даному випадку збільшується поступово, а рідина рухається в вільному обсязі між ними суцільним потоком.

Однак найчастіше в промисловості використовують процеси псевдорідинному в системі газ - тверда фаза. Для цієї системи псевдозрідження, як правило, є неоднорідним: частина газу рухається через шар не суцільним потоком, а в вигляді бульбашок, які руйнуються, досягнувши верхньої межі шару, що викликає коливання висоти шару. На рис. 2а показані пунктиром (лінії РЄ и C ) межі коливання висоти псевдозрідженим шаром.

Поки значення числа псевдорідинному не дуже великі, неоднорідність шару не робить негативного впливу на його характеристики, а рухомі бульбашки, навпаки, інтенсифікують перемішування частинок в шарі. Однак при значному збільшенні швидкості газу неоднорідність шару зростає: крізь шар все частіше прориваються більші бульбашки і починається інтенсивне викидання твердих частинок над поверхнею шару (рис. 3а). Бульбашки газу можуть збільшуватися в обсязі настільки значно, що, нарешті, їх розмір досягає діаметра апарату (рис. 3 б). При цьому псевдозріджений шар поділяється на окремі частини газовими «пробками»; частина шару, що знаходиться над пробкою, підкидається вгору, що призводить до великої викиду твердих частинок.

Мал. 2. Зростання нерівномірності псевдорідинному зі збільшенням швидкості газу.

Такий режим роботи називають поршневим псевдозріджених. Його виникненню сприяють, крім зростання швидкості газу, збільшення розміру часток і зменшення діаметра апарату. Поршневий режим небажаний, так як при ньому різко погіршується рівномірність контакту між газом і твердими частинками.

При псевдозріджених деяких матеріалів однорідність шару порушується також внаслідок каналообразования, при якому відбувається проскакування ( «байпасірованіе») значної кількості газу (рідини) через один або кілька каналів, що утворюються в шарі. Каналообразования особливо часто спостерігається при застосуванні матеріалів з дуже дрібними або злипаються частинками, схильними до агломерації. Граничним випадком каналообразования є фонтанування, при якому потік газу (або рідини) проривається крізь шар по одному великому каналу, що виникає поблизу осі апарату.

Режим псевдорідинному, відповідний зміни швидкостей в межах від  до св, Називають псевдозріджених в щільній фазі, на відміну від режиму, при якому > св і відбувається пневмотранспорт твердих частинок в розведеною фазі киплячого шару.

Основні гідродинамічні характеристики псевдозріджених шарів знаходять наступними методами.

швидкість псевдорідинному св найбільш надійно визначають на лабораторних або напівпромислових установках, вимірюючи опір  шару в залежності від фіктивної швидкості  . Результати вимірювань зазвичай представляють графічно у вигляді залежності типу наведеної на рис. 2б.

Розрахунковим шляхом величина  може бути визначена виходячи із зазначеного вище умови рівності опору шару вазі твердої фази, віднесеній до одиниці площі поперечного перерізу апарату.

У літературі запропоновано низку залежностей для обчислення  , Отриманих на основі різних рівнянь для розрахунку гідравлічного опору шару. Так, при підстановці виразу (11) для коефіцієнта опору  в рівняння (7) знаходимо таку залежність гідравлічного опору від різних факторів

або після підстановки значення Rе з виразу (9)

Вага твердих частинок в шарі Gт, Віднесений до 1 м2 поперечного перерізу S апарату (з урахуванням сили Архімеда), дорівнює

прирівнюючи  величиною Gт/ S і проводячи скорочення, отримаємо

Помножимо обидві частини цього рівняння на / 2. тоді

=

або

 (14)

де  - Критерій Архімеда;  - Критичне значення модифікованого критерію Рейнольдса Rе0 [См. вираз (10)], відповідне початку псевдорідинному.

Для частинок округлої форми, близької до кулястої, значення поверхневого фактора Ф близько до одиниці, а середня порозность шару е може бути прийнята рівною  0,4. В даному випадку шляхом наближеного рішення квадратного рівняння (14) отримують такий вираз критичного значення Rе0, При якому починається псевдозрідження:

 (15)

При розрахунку швидкості псевдорідинному за допомогою цього рівняння обчислюють спочатку значення критерію  , Потім знаходять величину  з рівняння (15) і по ній, користуючись виразом (10), - величину пс.

В разі > пс зі збільшенням швидкості шар розширюється і частка його вільного об'єму зростає. При цьому висота псевдоожиженного шару Hпс і первісна висота нерухомого шару Hн пов'язані залежністю

Hпс = Hн=  (16)

Розрахунок швидкості витання св, При якій відбувається руйнування шару і масовий винесення частинок, як вказувалося, проводять аналогічно розрахунку швидкості вільного осадження частинок . Наприклад, на рівняння, придатного для всіх режимів руху

 (17)

При роботі з полідисперсними шарами, якщо при розрахунку псза допомогою рівняння (15) можна використовувати середній розмір часток, швидкість початку руйнування псевдоожиженного шару треба визначати за рівнянням (17) для найдрібніших частинок, найбільш легко видуває з шару.

Рівняння (15) для обчислення пс при  = 0,4 і рівняння для визначення осабо св при  = 1 мають однакову форму. Таку ж структуру має залежність між критеріями Rе0 і Аr і при проміжних значеннях 0,4 <  <1. Узагальненням дослідних даних в цих умовах отримана формула

 (18)

За цією формулою можна обчислити швидкість 0, Необхідну для досягнення будь-якої даної частки вільного об'єму шару.

Для вирішення протилежного завдання - розрахунку  при даному значенні 0 - Формула (18) приводиться до вигляду:

 (18a)


[1] Див., Наприклад: Забродський С. С. Гідродинаміка і теплообмін в псевдо-зрідженому (киплячому) шарі. М.-Л., Госенергоіздат, 1963.



Попередня   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12

Характеристики насосів. | Робота насосів на мережу. | Спільна робота насосів. | Принцип дії і типи насосів. | Продуктивність. | Нерівномірність подачі. | Неоднорідні системи і методи їх розподілу. | Матеріальний баланс процесу поділу. | Осадження під дією сили тяжіння. | відстоювання |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати