Псевдоожиженное состояние

Содержание 
 
 
Введение 3 
 
1. Псевдоожиженное состояние 4 
 
1.1. Общая характеристика явления 4 
 
1.2. Основные технологические параметры процесса 7 
 
1.3. Расширение псевдоожиженных систем 9 
 
1.4. Перемешивание в псевдоожиженных системах 9 
 
1.5. Об аналогии между псевдоожиженным слоем 
 
и капельной жидкостью 11 
 
2. Достоинства и недостатки метода псевдоожижения 13 
 
Список литературы 16 
 
 
Введение 
 
 
В химической технологии значительное место занимают гетерогенные процессы. К их числу относятся, например, обжиг пиритов в производстве серной кислоты, каталитический кретинг нефтепродуктов, окисление нафталина во фталевый ангидрид, сушка влажных материалов, сорбция из газовых смесей и растворов и др. Твердые зернистые материалы претерпевают при этом химические превращения или физические изменения. До недавнего времени такие процессы осуществляли путем продувания неподвижных слоев зернистых материалов потоком газа (или жидкости). При этом участвовала не вся поверхность твердых частиц, велики были затраты энергии на преодоление гидравлического сопротивления зернистого слоя и часто (например, при обжоге) требовалось громоздкое и металлоемкое оборудование. Форсированию ряда процессов в рассматриваемых условиях часто препятствовала низкая теплообменная способность неподвижного зернистого слоя. 
 
В связи с ростом масштабов и необходимостью резкой интенсификации химического производства были найдены новые технологические методы, среди которых необычайно быстрое распространение получил метод псевдоожижения — взвешивания твердых частиц в потоке газа или жидкости. 
 
Метод псевдоожижения был, видимо, применен впервые в 70-х гг. прошлого столетия для обогащения и обжига различных руд. К началу XX в. относится предложение об использовании псевдоожижения для транспортировки мелкозернистых материалов. В 20-х гг. нашего века псевдоожижение было применено для промышленной газификации бурых углей в генераторе Винклера (1921 г.), а спустя 15-20 лет — для каталитического крекинга нефти. В настоящее время методом псевдоожижения в производственных масштабах осуществляется множество технологических процессов. 
 
 
1. Псевдоожиженное состояние 
 
1.1. Общая характеристика явления 
 
 
Слой зернистого твердого материала, пронизываемый восходящим потоком жидкости или газа, может находиться в двух качественно различных стационарных состояниях. При скоростях потока w жидкости или газа ниже некоторой критической величины w’ твердые частицы неподвижны, объемная доля свободного пространства между частицами слоя e₀ остается неизменной, а его гидравлическое сопротивление DR возрастает со скоростью w. По достижении скорости w’ гидравлическое сопротивление слоя становиться равным его весу, слой взвешивается, твердые частицы теряют прежний взаимный контакт, получают возможность перемещаться и перемешиваться; слой расширяется, в нем наблюдается проскакивание газовых пузырей, а на его свободной поверхности — волны и всплески. В этом состоянии слой напоминает кипящую жидкость, благодаря чему он назван псевдоожиженным, или кипящим. Динамическое равновесие сохраняется, слой продолжает расширяться и интенсивность движения частиц возрастает при увеличении скорости газа до второго критического значения 
w”. При w > w” силы гидродинамического давления становятся больше силы веса и частицы выносятся из слоя. 
 
Скорость w’ называется скоростью начала псевдоожижения (или первой критической), скорость w” – скоростью уноса (или второй критической). 
 
Псевдоожиженный слой может иметь различную структуру. Непосредственно после перехода в псевдоожиженное состояние слой несколько расширен, однороден; его свободная поверхность практически неподвижна, перемещение частиц выражено слабо. С увеличением скорости газа и расширением слоя нарушается его однородность, в нем появляются небольшие газовые пузыри, повышающие интенсивность перемешивания частиц и вызывающие колебания все еще резко очерченной свободной поверхности слоя. При дальнейшем увеличении скорости газа слой продолжает расширяться, так что концентрация твердого материала в объеме слоя понижается и порозность e повышается. При e £ 0,7 псевдоожижение находится в плотной фазе, а приe > 0,7 – в разбавленной фазе. Рост скорости газа в плотной фазе сопровождается увеличением размера и количества всплывающих пузырей, вызывающих сильные завихрения слоя и его перемешивания. Уходящие пузыри, прорывая свободную поверхность слоя, вызывают значительные ее колебания и появление всплесков твердого материала. 
 
Если ожижающим агентом является капельная жидкость, то после псевдоожижения слой постепенно расширяется и остается однородным вплоть до размывания свободной поверхности во всем диапазоне псевдоожижения. В данном случае слабее выражено движение частиц, вдоль слоя наблюдается более четкая сепарация по размерам и плотностям. 
 
Структура псевдоожиженного слоя в значительной степени зависит от свойств твердых частиц. Так, крупные частицы одинакового размера склонны к образованию слоя с барботажем крупных пузырей. Добавление к такому слою порции более мелких частиц несколько увеличивает его однородность (газовые пузыри становятся мельче). Твердые частицы, склонные к агрегированию, образуют при скоростях, незначительно превышающих w’, слой со сквозными каналами; газ проходит по этим каналам без полного контакта с твердыми частицами. В ряде случаев с ростом скорости газа каналы либо исчезают, либо сохраняются только у газораспределительной решетки. 
 
При псевдоожижении в конических и коническо-цилиндрических аппаратах с достаточно большим углом в вершине конуса возможно образования фонтанирующего слоя: ожижающий агент, проходя преимущественно по оси аппарата, увлекает твердые частицы и фонтаном выбрасывает их к периферии. Вдоль боковой поверхности конуса твердая фаза сползает вниз. При небольших углах конусности псевдоожижение возможно почти по всему сечению конуса, при этом эффект фонтанирования невелик. 
 
 
 
 
Рис. 1 
 
 
На рис. 1 изображена кривая идеального псевдоожижения монодисперсного слоя в аппарате постоянного поперечного сечения. Восходящая ветвь 0A соответствует движению ожижающего агента через неподвижный слой. Абсцисса точки A выражает скорость начала псевдоожижения w’. Горизонтальный участок AB изображает псевдоожиженное состояние, характеризующееся равенством гидродинамического давления и веса слоя, приходящегося на единицу площади его поперечного сечения. Так как этот вес с ростом w не меняется, то остается неизменным и перепад давления в псевдоожиженном слое DR_п. Абсцисса точки Bвыражает скорость уноса w”. При w > w” весовое количество твердой фазы в слое падает и DR понижается. 
 
Форма кривой псевдоожижения отражает состояние слоя. Например, если при псевдоожижении твердых частиц образуются сквозные каналы, на кривой появляются невоспроизводимые скачки перепада давления, исчезающие лишь при значительных скоростях газа. Псевдоожижение в конических аппаратах характерно значительным ростом (в 2– 3 раза) пика давления. 
 
 
1.2. Основные технологические параметры процесса 
 
 
К важнейшим технологическим параметрам псевдоожижения относятся перепад давления в слое DR_п, значения критических скоростей w’ и w”, а также допустимая степень полидисперсности псевдоожижаемых смесей твердых частиц. 
 
Величина DR_п, определяющая выбор машины для подачи ожижающего агента, может быть найдена из условия равенства гидродинамического сопротивления слоя эффективному весу взвешиваемых твердых частиц. 
 
На практике вследствие недостаточного полного псевдоожижения, каналообразования, появления застойных зон твердого материала и других отклонений от идеального псевдоожижения значение DR_п нередко бывает несколько ниже (на 10% – 15%) рассчитанного. 
 
При переменном поперечном сечении перепад давления DR_п не будет оставаться неизменным по мере расширения псевдоожиженного слоя с увеличением скорости движения ожижающего агента. Так, в конических аппаратах (с меньшим основанием внизу) вследствие нарастания площади поперечного сечения кверху закономерно наблюдается понижение DR_п с увеличением скорости газа w. 
 
Скорость начала псевдоожижения (точка A на рис. 1) нетрудно определить экспериментально (по кривой псевдоожижения), но ее можно также вычислить по формуле профессора О.М. Тодеса: 
 
 
Re₀’ = Ar / (1400 + 5,22 Ar^1/2), 
 
 
где Re₀’ = w’d / n – критерий Рейнольдса (n – вязкость ожижающего агента); Ar – критерий Архимеда. 
 
Скорость уноса частиц w” можно определить экспериментально, а для ее приближенного расчета можно воспользоваться формулой О.М. Тодеса для скорости ”витания”: 
 
 
Re_в = Ar / (18 + 0,61 Ar^1/2), 
 
 
где Re_в = w_вd / n. 
 
 
На практике рабочая скорость газа (жидкости) нередко оказывается выше скорости витания наиболее мелких частиц, входящих в состав слоя, но менее скорости витания крупных частиц. Движущей силой процесса уноса является разность между рабочей скоростью и скоростью витания частиц. Выброс частиц с поверхности слоя (всплески) и вынос их из слоя существенно зависят от однородности системы и равномерности газораспределения. Поэтому, использование газораспределительных устройств неудачной конструкции приводит к неравномерному псевдоожижению, интенсивному барботажу пузырей и повышенному выносу материала. С другой стороны, гомогенизирующее воздействие на слой (например, механическое воздействие, способствующее разрушению каналов) или на его поверхность, а также размещение в надслоевом пространстве сеток, решеток и т.п. отбойных устройств приводит к понижению уноса. Имеются процессы, где вынос твердых частиц является составной частью технологии (например, вынос огарка при обжиге пирита, отработанного медно-кремниевого сплава при синтезе алкилхлорсиланов и др.). В этих случаях задача инженера состоит не в предотвращении уноса, а в его упорядочивании и регулировании. 
 
 
1.3. Расширение псевдоожиженных систем 
 
 
При проектировании аппарата важно знать степень расширения псевдоожиженного слоя при различных скоростях ожижающего агента. Степень расширения рассчитывается по формуле: 
 
R = H / H₀ = (1 – e₀) / (1 – e) 
 
 
Величина R не только диктует рабочую высоту аппаратов, но является также одной из важнейших характеристик состояния псевдоожиженных систем. Так, она характеризует интенсивность перемешивания в псевдоожиженном слое и эффективность выравнивания свойств по объему слоя в результате этого перемешивания. Степень расширения и порозность, будучи связанны со структурой слоя, оказывают существенное, а часто и определяющее влияние на протекание тепло- и массообменных процессов, на ход химических превращений в псевдоожиженном слое. 
 
 
1.4. Перемешивание в псевдоожиженных системах 
 
 
Интенсивность взаимного перемещения твердых частиц в псевдоожиженном слое возрастает с увеличением числа псевдоожижения. Скорость пульсационного движения частиц обычно находится на уровне десятка сантиметров в секунду, а длина свободного пробега частицы между двумя соударениями измеряется миллиметрами или сантиметрами. При этом движение частиц в вертикальном направлении более интенсивно, нежели в горизонтальном. 
 
При появлении газовых пузырей в слое значительную роль играют уже перемещения не отдельных частиц, а их агрегатов. Хаотическое движение частиц и агрегатов приводит к выравниванию температуры и других свойств по объему псевдоожиженного слоя. 
 
Наряду с хаотическим (пульсационным) движением твердых частиц, в зависимости от конфигурации и геометрических размеров слоя, в нем может возникнуть и направленная циркуляция зернистого материала, в значительной мере обусловленная барботажем пузырей. Так, при отношении высоты слоя к его диаметру, близкой к единице, в аппаратах небольших диаметров наблюдается преимущественно восходящее движение твердых частиц по оси потока и нисходящее – по периферии слоя. В слое значительной высоты образуется несколько таких зон по высоте. 
 
Интенсивностью перемешивания твердых частиц определяется характер перемешивания ожижающего агента в псевдоожиженном слое, существенно зависящий также от свойств ожижающего агента и твердого материала. Если газ инертен по отношению к твердому материалу, то он переносится отдельными частицами (пограничная пленка около частиц) и в особенности их агрегатами (газ между частицами внутри агрегата). Как правило, перемешивание ожижающего агента в этом случае невелико, и его интенсивность падает с ростом однородности системы. Если же твердые частицы обладают сорбционными свойствами по отношению к ожижающему агенту, то последний обычно перемешан в большей мере, и свойства его в значительной степени выровнены по объему слоя. 
 
Многочисленные исследования показали, что в односекционном аппарате псевдоожиженные системы близки к системам с полным перемешиванием частиц. Исключение составляют высокие слои, псевдоожиженные в аппаратах малого диаметра, где процесс происходит в поршневом режиме. При использовании аппаратов из 8 – 10 секций движение частиц в псевдоожиженном слое по своему характеру приближается к идеальному вытеснению. Также, размещение в аппарате сеток, перегородок, насадки и т.п. предметов также приближает псевдоожиженных слой к системе идеального вытеснения. 
 
Широта гранулометрического состава смеси твердых частиц оказывает влияние на характер псевдоожижения. Так, при добавлении к монодисперсному слою некоторого количества более мелких частиц улучшает однородность псевдоожижения. Добавление частиц большего размера к узкой фракции не дает такого эффекта. 
 
Для осуществления процессов в псевдоожиженном слое зернистых материалов часто используют конические и коническо-цилиндрические аппараты. Понижение скорости ожижающего агента в верхних зонах этих аппаратов обуславливает уменьшение интенсивности всплесков, выбросов и механического уноса. 
 
 
1.5. Об аналогии между псевдоожиженным слоем и капельной жидкостью 
 
 
Рассматриваемые системы получили название ”псевдоожиженного” или ”кипящего” слоя из-за своего внешнего сходства с капельной (иногда кипящей) жидкостью. Хаотическое движение и изменение взаимного расположения частиц в таких системах напоминает броуновское движение молекул в жидкости. Именно по этой причине псевдоожиженный слой по многим своим свойствам аналогичен капельной жидкости. Он обладает текучестью, свободно перемещаясь под незначительный уклон (1 – 2⁰); подчиняется законам плавания тел (в частности, закону Архимеда); на его поверхности возникают и распространяются волны, причем отражение их от преград и затухание сходно с соответствующими явлениями на поверхности капельной жидкости. 
 
Установлено, что многие явления в псевдоожиженных и жидкостных системах математически описываются одинаково. Поверхность уровня в псевдоожиженном слое устанавливается в полном соответствии с законом гидростатики (например, горизонтально в покоящемся сосуде). Движение газовых пузырей в обеих системах также подчиняется одинаковым закономерностям. Истечение псевдоожиженного слоя и капельной жидкости из отверстий выражается сходными уравнениями, причем коэффициенты расхода в обоих случаях – величины одного порядка. Коэффициенты теплоотдачи в обоих случаях тоже количественно соизмеримы. 
 
В основе сходства ряда явлений в псевдоожиженном слое и капельной жидкости лежит определенное сходство в энергетическом состоянии обеих систем. Подобно тому, как интенсивность движения молекул в жидкости определяется ее температурой t, интенсивность движения частиц в псевдоожиженной системе можно характеризовать скоростью ожижающего агента w. 
 
Вязкость псевдоожиженного слоя может быть выражена экспоненциальной зависимостью от обратной скорости 1/wожижающего агента, подобно тому, как вязкость жидкости экспоненциально зависит от обратной температуры 1/T. 
 
Переход неподвижного слоя зернистого материала в псевдоожиженное состояние может рассматриваться в аспекте аналогии с плавлением твердого тела, а унос может трактоваться по аналогии с испарением капельных жидкостей. 
 
Над свободной поверхностью псевдоожиженного слоя всегда имеются твердые частицы, причем концентрация их увеличивается с ростом скорости w, подобно повышению давления паров над капельной жидкостью с ростом температуры. 
 
 
2. Достоинства и недостатки метода псевдоожижения 
 
 
Целесообразность осуществления конкретных технологических процессов методом псевдоожижения должна определяться с учетом как достоинств, так и недостатков этого метода. К основным достоинствам последнего относятся: 
 
1. Интенсивное перемешивание твердой фазы, приводящее к практически полному выравниванию температур, концентраций и других параметров по объему псевдоожиженного слоя. 
 
2. Высокие значения коэффициентов теплообмена между псевдоожиженным слоем и поверхностями нагрева или охлаждения, приближающиеся к значениям таковых в случае капельных жидкостей. 
 
3. Возможность использования твердых частиц малых размеров, обладающих развитой поверхностью контакта с ожижающим агентом. Это приводит к понижению диффузионного торможения процессов и повышению производительности ряда сорбционных, тепловых, каталитических и других аппаратов. 
 
4. Подвижность (”текучесть”) псевдоожиженного слоя и возможность непрерывной циркуляции твердой фазы через одно- и многоступенчатые аппараты, в том числе и выносные теплообменники. 
 
5. Наибольшее гидравлическое сопротивление псевдоожиженного слоя, независимо от скорости ожижающего агента. 
 
6. Широкий диапазон свойств перерабатываемой твердой фазы, газов, паров и капельных жидкостей, включая пастообразные материалы и суспензии. 
 
7. Сравнительно простое устройство аппаратов и доступность их автоматизации. 
 
 
Далее перечислены наиболее существенные недостатки метода псевдоожижения: 
 
1. Вследствие интенсивного перемешивания фаз невозможен их противоток в пределах псевдоожиженного слоя при осуществлении химического превращения, тепло- и массообмена. Это ведет к понижению эффективности процессов. 
 
2. Неравномерность времени пребывания в псевдоожиженном слое частиц твердой фазы и порций ожижающего агента. Например, одинаково возможны быстрый проскок частиц и их нахождение в слое дольше среднестатистического времени пребывания. 
 
3. Ухудшение межфазного контакта при интенсивном барботаже крупных пузырей и каналообразовании. 
 
4. Возможность истирания, растрескивания, обуглероживания, слипания, спекания и т.п. нежелательного изменения свойств твердых частиц. 
 
5. Необходимость установки мощных пылеулавливающих устройств на выходе газов из псевдоожиженного слоя, особенно при широком гранулометрическом составе твердой фазы. 
 
6. Ограниченность рабочих скоростей ожижающего агента пределами, соответствующими началу псевдоожижения твердой фазы и ее уносу из слоя. 
 
7. Возникновение значительных зарядов статического электричества при псевдоожижении частиц диэлектрических материалов (взрывоопасность системы). 
 
 
Достоинства метода, безусловно, превалируют над его недостатками, чем и объясняется широкое распространение техники псевдоожижения для осуществления разнообразных процессов во многих отраслях промышленности. 
 
Список литературы 
 
 
Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г. Псевдоожижение. –М.: Знание, 1968