Гидродинамика псевдоожиженных слоев

В процессах пищевых производств большое распространение получили процессы взаимодействия газов и жидкостей с твердыми зернистыми материалами, при проведении которых твердые частицы приобретают подвижность друг относительно друга за счет обмена энергией с движущимся потоком. Такое состояние твердых частиц называется «псевдоожиженным слоем» в связи с внешнем сходством с поведением капельной жидкости. Псевдоожиженный слой принимает форму вмещающего сосуда (аппарата), его поверхность горизонтальна, тела, имеющие меньшую плотность, чем псевдоожиженный слой, всплывают в нем, а большую – тонут. Кроме этого, имеются и другие свойства псевдоожиженного слоя, характерные для жидкостей – текучесть, вязкость, поверхностное натяжение.

Широкое применение псевдоожижения в технике обусловлено рядом положительных факторов. Твердые частицы в псевдоожиженном состоянии вследствие текучести можно перемещать по трубам, что позволяет многие периодические процессы осуществлять непрерывно. Особенно выгодно применение псевдоожиженного слоя для процессов, скорость которых определяется термическим или диффузионным сопротивлениеми в газовой фазе. Эти сопротивления в условиях псевдоожижения уменьшаются в десятки, а иногда и сотни раз, и скорость процессов соответственно увеличивается.

Благодаря интенсивному перемешиванию твердых частиц в псевдоожиженном слое, практически выравнивается поле температур, устраняется возможность появления локальных перегревов и связанных с этим нарушений в протекании ряда технологических процессов.

Наряду с достоинствами псевдоожиженному слою свойственны и определенные недостатки. Так, вызванное интенсивным перемещением твердых частиц выравнивание температур и концентраций в слое приводит к уменьшению движущей силы процесса. Возможность проскока значительных количеств газа без достаточного контакта с твердыми частицами снижает выход целевого продукта. Отрицательными факторами следует считать также износ самих твердых частиц, эрозию аппаратуры, возникновение значительных зарядов статического электричества, необходимость установки мощных газоочистительных устройств после аппаратов с псевдоожиженным слоем.

Некоторые из перечисленных недостатков могут быть устранены рациональным конструированием аппарата.

Аппараты с псевдоожиженным слоем используются для перемещения и смешивания сыпучих материалов, для проведения процессов обжига, теплообмена, сушки, адсорбции, каталитических и других процессов.

Гидродинамическая сущность процесса псевдоожижения состоит в следующем. Если через слой твердых частиц, расположенный на поддерживающей перфорированной решетке аппарата, проходит поток псевдоожижающего агента (газа или жидкости), то состояние слоя оказывается различным в зависимости от скорости этого потока (рис. 2.19).

При плавном увеличении скорости потока от нуля до некоторого критического значения происходит обычный процесс фильтрования, при котором твердые частицы остаются неподвижными. На графике процесса псевдоожижения (рис. 2.20), называемом кривой псевдоожижения и выражающим зависимость перепада статического давления в слое зернистого и пылевидного материалов от скорости псевдоожижающего агента, восходящая линия АВ соответствует процессу фильтрации.

В случае малого размера частиц и невысоких скоростей фильтрации режим течения агента в слое - ламинарный и отрезок АВ представляет собой прямую линию. Для крупных частиц при достаточно высоких скоростях псевдоожижающего агента перепад давления с увеличением скорости растет нелинейно (для переходного и турбулентного режимов).

Для процесса фильтрации гидравлическое сопротивление определяется по формуле (2.11)

,

критерий Рейнольдса вычисляется по формуле

.

Переход от процесса фильтрации к состоянию псевдоожижения соответствует на кривой псевдоожижения скорости жидкости (газа) , называемой скоростью начала псевдоожижения. В начальный момент псевдоожижения масса зернистого материала, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения аппарата, уравновешивается силой гидравлического сопротивления слоя:

,

где - масса материала в слое и площадь поперечного сечения аппарата, соответственно.

С учетом Архимедовых сил, действующих на частицы слоя, это выражение можно представить в виде

,

где - плотность, порозность и высота неподвижного слоя, соответственно.

При скорости начала псевдоожижения и выше сопротивление слоя сохраняет практически постоянное значение и зависимость выражается прямой линией АВ, параллельной оси абцисс. Это связано с тем, что с ростом скорости псевдоожижающего агента контакт между частицами сокращается и они получают большую возможность хаотического перемешивания по всем направлениям. При этом возрастает среднее расстояние между частицами, т.е. увеличивается порозность слоя и его высота. Высоту расширившегося слоя можно определить из условия сохранения постоянства перепада давления в псевдоожиженном слое:

,

откуда

.

В зависимости от свойств псевдоожижающего агента и его скорости можно наблюдать несколько стадий процесса. При скоростях псевдоожижающего агента, незначительно превышающих скорость начала псевдоожижения, т.е. при имеет место однородное (спокойное) псевдоожижение.

При псевдоожижении газом по мере роста скорости в слое образуются компактные массы газа (пузыри) и на поверхности слоя появляются всплески твердых частиц. При этом наблюдаются значительные пульсации статического и динамического напора псевдоожижающего агента. Такой характер гидродинамики слоя называется неоднородным.

При достижении некоторого второго критического значения скорости твердые частицы начинают выноситься из слоя и их количество в аппарате уменьшается. Эту скорость называется скоростью уноса . Порозность такого слоя стремится к единице, и сопротивление слоя падает.

В инженерных расчетах очень важно оценить пределы существования псевдоожиженного слоя, т.е. определить значения скоростей и .

Отношение рабочей скорости , значение которой должно находиться в пределах между и , к скорости начала псевдоожижения называется числом псевдоожижения

.

В случае монодисперсного слоя для расчета скорости начала псевдоожижения можно вопользоваться зависимостями:

, .

Скорость начала уноса, при которой происходит разрушение слоя и массовый унос частиц, определяют аналогично расчету скорости свободного осаждения частиц по уравнению, пригодному для всех режимов движения частиц:

, .