Общие вопросы прикладной гидромеханики

Гидродинамика псевдоожиженного слоя

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

При достижении скорости 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 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 начинается разрушение однородности слоя и унос из него частиц. Скорость 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 на ней различают области фильтрации ожижающего агента через неподвижный слой , псевдоожижения , уноса .

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 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 отсутствует (кривая 3), так как переход слоя в псевдоожиженное состояние происходит постепенно (пофракционно) - от мелких к крупным частицам.
Скорость начала псевдоожижения 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 за вычетом действующей на него силы Архимеда и отнесено к площади сечения аппарата f:

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

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

Где

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

уравнение (1.22) перепишется как

где - порозность неподвижного слоя; g - ускорение свободного падения; А - коэффициент пропорциональности; к - коэффициент извилистости каналов.
Обозначив первый сомножитель как В и умножив правую и левую части уравнения (1.23) на комплекс , получим

или

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