Изучение гидродинамики псевдоожиженного слоя

5

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изучение гидродинамики псевдоожиженного слоя

1. Псевдоожижение. Основы теории

ожижающий слой частица вибрация

Двухфазная система из твердых частиц, газа или жидкости может существовать при определенных условиях в состоянии псевдоожижения. Внутренняя структура такого слоя характеризуется перемещением твердых частиц относительно друг друга за счет подвода энергии воздействием ожижающих агентов (газ, либо капельные жидкости) или вибрации. Система в таком состоянии обладает многими свойствами капельных жидкостей, что делает возможным использование этого состояния для интенсификации многих технологических процессов. Псевдоожижение образуется в слое зернистого материала, называемого псевдоожиженным или кипящим слоем.

Наиболее простой способ получения псевдоожиженного слоя - продувка снизу слоя зернистого материала газом.

особенности псевдоожиженного слоя:

Положительные особенности:

интенсивное перемешивание твердых частиц;

независимость сопротивления слоя от скорости ожижающего агента;

выравнивание полей концентраций и температур.

Отрицательные особенности:

возможность проскока значительных количеств газа без достаточного контакта с продуктом;

износ стенок и продукта в результате трения;

возникновение значительных зарядов статического электричества;

необходимость установки мощных систем пылеулавливания и аспирации.

Негативные эффекты могут быть погашены рациональными конструкторскими решениями.

Положительные особенности находят применение в различных основных процессах: псевдоожижение слой зернистый

химические (катализ, обжиг, нагрев и др.);

массообменные (сушка зернистых материалов в слое, сушка жидких продуктов на твердых инертных носителях);

механические (гранулирование, смешение, транспортировка и т. п.).

гидродинамическая картина довольно сложна и состоит из ряда особенностей, которые определяются расходом и скоростью протекающего через слой газа.

При малых расходах и скорости газа процесс прохождения газа через слой напоминает фильтрацию. При малом размере частиц и сравнительно невысоких скоростей газа режим движения в слое ламинарный (однородный псевдоожиженный слой).

При крупном размере частиц и сравнительно высоких скоростей газа режим движения в слое переходный и турбулентный (неоднородный псевдоожиженный слой).

При значительных скоростях газа и малом размере частиц - унос продукта.

В зависимости от геометрии аппарата имеют место различные физические картины псевдоожижения (рис. 1):

1. При соотношении диаметра аппарата (газовой решетки) и его высоты 1:1 имеет место однородный псевдоожиженный слой;

2. При коническом сечении аппарата, либо при площади газовой решетки менее площади сечения аппарата имеет место фонтанирующий слой, когда четко заметна неравномерность скорости перемещения частиц материала по продольному сечению аппарата;

3. При соотношении высоты и диаметра аппарата более единицы имеет место поршнеобразование;

4. При соотношении высоты и диаметра аппарата менее единицы имеет место каналообразование.



Рис. 1. Различные состояния слоя зернистого материала:

а) неподвижный слой (режим фильтрации); б) однородный псевдоожиженный слой; в) неоднородный псевдоожиженный слой; г) унос частиц; д) псевдоожиженный слой с поршнеобразованием; е) псевдоожиженный слой с каналобразованием

Гидродинамика псевдоожижения может быть выражена зависимостями сопротивления слоя р от скорости протекающего газа W (рис. 2).

В зависимости от свойств и скорости газа, формы частиц слоя имеет место несколько стадий процесса псевдоожижения: однородное псевдоожижение, неоднородное псевдоожижение, унос материала.

2. Аналитический аппарат псевдоожижения

В момент начала псевдоожижения вес материала уравновешивается гидродинамическим сопротивлением слоя:

рслоя = Gслоя / f, (1.3.13.1)

где Gслоя - вес слоя, Н; f - поперечное сечение аппарата, м2.

С учетом сил Архимеда:

рслоя = g ( - 0)(1 - 0)h0, (1.3.13.2)

где h0 - высота неподвижного слоя; , 0 - соответственно, плотности твердых частиц и газа; 0 - порозность неподвижного слоя (относительный объем пустот в неподвижном слое): 0 = ((V0 - V)/ V0)); V0, V - соответственно, объем неподвижного слоя и объем частиц.

При скорости более скорости начала псевдоожижения сопротивление слоя рслоя сохраняет практически постоянное значение, что объясняется увеличением порозности слоя, меньшим числом контактов частиц друг с другом, большим перемешиванием по всем направлениям.

Рис. 2. Гидродинамика псевдоожиженных слоев:

а) кривая идеального псевдоожижения; б) кривая реального псевдоожижения: 1 - плотная упаковка зернистого материала; 2 - рыхлая упаковка зернистого материала; 3 - при уменьшении скорости газа сохраняется рыхлая упаковка зернистого материала; в) псевдоожижение полидисперсных материалов: W'ПС - псевдоожижение мелких частиц; W”ПС - полное псевдоожижение; г) псевдоожижение в режимах: 1 - поршнеобразования; 2 - каналообразования

Так как высота псевдоожиженного слоя h больше, чем неподвижного h0, при равенстве:

рслоя = g ( - 0 )(1 - 0)h0 = g ( - 0 )(1 - 0)h, (1.3.13.3)

откуда

h = h0(1 - 0)/(1 - ), (1.3.13.4)

где - порозность псевдоожиженного слоя.

Для инженерных расчетов пользуются зависимостями

Re = f (ar, ).

Для скорости газа в начале псевдоожижения монодисперсного слоя шарообразных частиц О.М. Тодесом аналитически выведена критериальная зависимость при = 0,3 - 0,4:

, (1.3.13.5)

отсюда с точностью 20 %:

WПС = ReПС /d. (1.3.13.6)

Скорость витания определяют по критериальной зависимости О.М. Тодеса:

 (1.3.13.7)

где Reвит = Wвит d / , откуда

Wвит = Reвит / d. (1.3.13.8)

Варианты конструкторского оформления аппаратов псевдоожиженного слоя зависят от основного технологического назначения процесса (рис. 3.). аппараты с фонтанирующим слоем более привлекательны из-за самоорганизации циркулирующих потоков материала. Гидромеханика требует оптимизации по энергозатратам. Варианты оптимизации возможны за счет высоты аппарата, использования механических мешалок, вибрации.

Рис. 3. Варианты конструкций аппаратов псевдоожиженного слоя:

а) конический аппарат с решеткой; б) конический аппарат с фонтанирующим слоем; в) аппарат с газомеханическим псевдоожижением

Конструкторские решения многовариантны из-за сходства свойств слоя с жидкостью, могут содержать различные переливные устройства в аппаратах колонного типа, переливные устройства в системах выгрузки и т.п.

3. Вопросы для контроля

Какое состояние слоя зернистого материала называется псевдоожиженным?

Достоинства и недостатки псевдоожиженного слоя?

Укажите диапазон области псевдоожижения?

Физическая сущность отличия кривых идеального псевдоожижения от реальных кривых псевдоожижения?

Методика выполнения работы

Цель работы:

1. Ознакомиться с процессом перехода зернистого материала в псевдоожиженное состояние.

2. На основе экспериментальных данных построить зависимость

Дp = f(W).

3. Определить критическую скорость начала псевдоожижения по экспериментальной зависимости.

4. Рассчитать критическую скорость псевдоожижения, используя критериальные зависимости.

5. Полученное расчетное значение Wкр сравнить со значением, найденным по экспериментальной зависимости.

В период установившегося псевдоожижения гидравлическое сопротивление слоя не зависит от скорости воздуха и остается практически постоянным во всем диапазоне существования слоя (рис. 6). Это можно объяснить тем, что с ростом скорости псевдоожижающего агента сила гидродинамического воздействия на частицы слоя увеличивается и контакт между ними уменьшается. При этом частицы зернистого материала получают большую возможность хаотического перемещения, среднее расстояние между частицами увеличивается таким образом, что при новом значении скорости потока гидродинамическое сопротивление псевдоожиженного слоя остается практически постоянным. Увеличение среднего расстояния между частицами, т. е. увеличение порозности псевдоожиженного слоя при постоянной площади поперечного сечения аппарата приводит к расширению псевдоожиженного слоя, т. е. к увеличению его высоты Нс. Таким образом, слой зернистого материала способен автоматически поддерживать постоянство своего гидродинамического сопротивления.

Описание установки

Аппарат для изучения гидродинамики псевдоожиженного слоя (рис. 4) состоит из стеклянной царги, имеющей внутренний диаметр 55,7 мм, которая зажата во фланцах с помощью болтов. Внизу аппарата установлена газораспределительная решетка 1. В качестве сжижающей среды использован воздух, который подается под распределительную решетку за счет работы вытяжного вентилятора 4. Расход воздуха регулируется с помощью лабораторного автотрансформатора 5, меняющего напряжение на щетках вентилятора.

Рис. 4. Схема экспериментальной установки:

1 - газораспределительная решетка; 2 - диафрагма; 3 - псевдоожиженный слой; 4 - вентилятор; 5 - лабораторный автотрансформатор (ЛАТР); 6 - пьезометрические трубки; 7 - микроманометр; 8 - реометр

Скорость воздуха определяется по тарировочному графику (рис. 5) в зависимости от показаний реометра и номера диафрагмы. Перепад давлений в слое зернистого материала измеряется с помощью пьезометрических трубок, присоеденных к микроманометру 7. В качестве зернистого материала используется манная крупа плотностью 760 кг/м3 с диаметром частиц dэ = 0,31 мм.

Проведение опыта

Установить манометр 7 в горизонтальной плоскости по показанию двух уровней, расположенных взаимно перпендикулярно на столике манометра.

С помощью винта на крышке манометра установить манометрическую жидкость на нулевую отметку. Рукояткой ЛАТРа 5 плавно увеличить напряжение и снять показания микроманометра и реометра. Зафиксировать показания микроманометра в делениях его шкалы. Произвести две серии замеров. В первой серии скорость воздуха постепенно увеличивать, во второй скорость воздуха постепенно понижать. Пересчитываем показания шкалы микроманометра. Для этого показания микроманометра умножают на коэффициент К (нанесенный на дуге микроманометра). Произвести по 10 - 12 замеров для прямого и обратного хода.

Обработка результатов

Пользуясь тарировачным графиком реометра (рис. 5), для каждого замера находят скорость воздуха в свободном сечении колонки. Для определения соответствующих значений гидравлического сопротивления слоя показания микроманометра умножают на коэффициент К, указанный на фиксаторной дуге прибора. После проведения вычислений строят график экспериментальной зависимости Дp = f(W), с которого снимают значение критической скорости псевдоожижения.

Сравнивают рассчитанную и экспериментальную найденную скорость псевдоожижения, определяют относительную ошибку.



Рис. 5. Тарировочный график реометра

Порядок выполнения работы

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Экспериментально определить зависимость Дp = f(W) (перепад давлений от скорости в псевдоожиженном слое) (табл. 1).

По найденной экспериментальной зависимости Дp = f(W) определяется величина Дpсл (имеется ввиду сопротивление слоя в промежутке между пьезометрическими трубками).

По найденному значению Дpсл и по уравнению:

,

где Н0 - высота неподвижного слоя; - эффективный удельный вес частицы; - ?удельный вес твердых частиц и ожижающего агента (при ожижении газами ); 0 - порозность неподвижного слоя, т. е. относительный объем пустот в неподвижном слое (для частиц округлой формы 0 = 0,38 - 0,42).

Рассчитывается значение порозности (величина Н0 равна расстоянию между пьезометрическими трубками).

О.М. Тодес для определения критической скорости предложил использовать уравнение Эргана для перепада давления при движении газа (жидкости) через неподвижный зернистый слой в широком диапазоне критерия Re, охватывающем ламинарный и турбулентный режим, 1-ое слагаемое которого отражает потери давления за счет вязкостного трения, а 2-е - за счет «вихревого».

,

где мг - коэффициент динамической вязкости газа; W - фиктивная (условная) скорость газа, отнесенная к полному поперечному сечению аппарата.

W = Q / f,

где Q - объёмный расход газа.

Откуда, с использованием полученного значения 0 рассчитывается?? критерий Re по уравнению:

.

По значению критерия Re рассчитывается величина критической скорости Wк.расч..

Полученное значение Wк.расч. сравнивается со значением, найденным по экспериментальной зависимости Дp = f(W).

Таблица 1. Протокол испытаний

Показания реометра (прямой-обратный ход)	Номер диафрагмы	Линейная скорость воздуха, м/с по тарировочной кривой (прямой - обратный ход)	Число делений манометра (при увеличении скорости / при уменьшении скорости)	Пересчитанные данные щкалы микроманометра (при увеличении скорости / при уменьшении скорости) Перепад давления кгс/м2

4. Пример расчета критической скорости псевдоожижения

1. Расчитаем порозность 0? по формуле:

,

где диаметр стакана dс = 55,7 мм; высота неподвижного слоя Hс = 240 мм;

, (м3).

Объем частиц V определяют по объему вытесненной частицами жидкости в мерном стакане.

2. Находим критерий Архимеда при параметрах воздуха мг = 17,3·10-6 Па·с; св = 1,293 кг/м3:

.

При ст = 760 кг/м3; dэ = 0,31·10-3 м.

3. С использованием полученного значения Ar? рассчитывается критерий Рейнольдса при рассчитанном е0? или, в первом приближении для монодисперсного слоя шарообразных частиц е0??=0,4:

;

4. Строим зависимость Дp = f(W).

Рис. 6. Пример графика зависимости Дp = f(W)

5. Определение расчетной Wкрит производится по экспериментальной графической зависимости и по уравнению:

.

6. В результате проведения лабораторного задания делается вывод и определяется относительная погрешность измерений по сравнению с расчетными.

.

Вопросы для самопроверки

1. Что понимают под псевдоожижением?

2. Как практически образуется псевдоожиженный слой?

3. Что такое порозность слоя?

4. При каком соотношении действующих сил твердые частицы переходят во взвешенное состояние?

5. От чего зависит величина критической скорости псевдоожижения и скорость уноса?

6. Как рассчитывается критическая скорость псевдоожижения?

7. Чем отличается реальная кривая псевдоожижения от идеальной?

8. Какие критерии подобия определяют процесс псевдоожижения? Каков их физических смысл?

9. Каково практическое значение процесса? Его преимущества и недостатки.

Литература

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии - М.: Химия, 1973 - 750 с.

2. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. - М.: Химия, 1972. - 498 с.

3. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии.-кн. I.-M.: Химия, 1981.-384 с.

4. Стабников В.Н., Баранцев В.Л. Процессы и аппараты пищевых производств. - М.: Легкая и пищевая промышленность,1983. - 327 с.

Размещено на Allbest.ru

...