Что называют псевдоожиженным слоем

Псевдоожиженный слой

Псевдоожиженный слой представляет собой слой частиц, через который пропускается нагнетаемый снизу воздух. При увеличении скорости воздушного потока происходит квадратичное по отношению к скорости падение давления над слоем топлива. Затем при определенной скорости воздушного потока падение давления становится постоянным. Эту скорость называют минимальной скоростью сжижения. При этой скорости частицы начинают интенсивно перемещаться в потоке воздуха, приобретая свойства, напоминающие свойства жидкостей. Если скорость воздушного потока меньше этого предельного значения скорости, слой топлива остается статичным.

Если скорость воздушного потока превышает минимальную скорость сжижения, падение давления над слоем топлива более не увеличивается.

Благодаря интенсивному теплопереносу в псевдоожиженном слое происходит быстрое высушивание и испарение частиц, вовлекаемых в слой. Испаряющиеся частицы называют «угольной массой». Летучие компоненты сжигаются как газ вместе с частицами топлива.

При этом критическими факторами становятся время пребывания в слое газа и время воздействия воздушного потока, которое должно быть достаточным для того, чтобы обеспечить полное сжигание летучих компонентов. Равномерное распределение топлива в объеме слоя обеспечивает эффективное сгорание топлива.

В псевдоожиженном слое поддерживается относительно низкая температура горения, около 850 °С, с тем, чтобы не допустить спекания частиц золы и создать максимально благоприятные условия для связывания серы в слое, в который с этой целью добавляют доломит или известняк.

В процессе горения в результате дробления увеличивается количество отдельных частиц. Когда частицы становятся достаточно мелкими, их можно удалить из слоя. Этот процесс называется сепарацией.

Находясь в псевдоожиженном слое, частицы подвергаются воздействию относительно высокой температуры. Эта температура приблизительно на 100-300 °С выше, чем средняя температура слоя. При удалении из слоя частиц температура быстро уменьшается до значения ниже 700 °С и прекращается сгорание частиц угольной массы. Присутствие несгоревших частиц в золе нельзя исключить, но возможно минимизировать, поддерживая соответствующую скорость воздушного потока и используя топку соответствующей конструкции.

Контроль параметров псевдоожиженного слоя

Контроль параметров слоя можно осуществлять с использованием следующих трех методов или сочетаний этих методов.

Регулирование количества топлива и воздуха, подаваемых в топку, обеспечивающее поддержание постоянной температуры циркулирующей воды. Поддерживается постоянное отношение количество топлива/количество воздуха с тем, чтобы получить требуемое содержание О₂ в отходящих газах.

Псевдоожиженный слой разделен на зоны с тем, чтобы перекрыть поток воздуха в отдельные части слоя.

Этот метод нельзя использовать при сжигании топлива с низкой зольностью.

При уменьшении количества материала слоя отключаются охлаждающие трубы слоя. Одновременно следует уменьшить количество топлива и воздуха.

Топливо может подаваться в топку либо снизу вверх над дном топки, либо над поверхностью слоя топлива. Подача топлива может производиться пневматическим или винтовым питателями. Для того, чтобы обеспечить равномерное распределение топлива в объеме топки, необходимо предусмотреть несколько точек подачи.

При активации псевдоожиженного слоя материал слоя должен быть нагрет до температуры приблизительно 600 °С с помощью стартовой горелки. Это сокращает период инициирования устройством процесса сжижения.

Псевдоожиженный слой обычного типа

Псевдоожиженный слой обычного типа подразделяется на две категории: кипящий слой и турбулентный слой. Когда над слоем больше не увеличивается падение давления, «избыточный воздух» начинает проходить через слой в форме пузырьков воздуха, создавая кипящий слой.

С повышением скорости воздушного потока увеличивается образование пузырьков, появляющихся и исчезающих в различных частях слоя. Такой слой называется турбулентным. При использовании в качестве топлива коры и щепы, имеющих низкую теплоту сгорания, охлаждать слой обычно не требуется. Зола удаляется вместе с отходящими газами и задерживается пылеуловителем.

Циркулирующий псевдоожиженный слой

В циркулирующем псевдоожиженном слое скорость воздушного потока возрастает до уровня, при котором топливные частицы выносятся за пределы слоя. Части угольной массы, которые не успевают полностью сгореть, отделяются и переносятся в нижнюю часть топки.

Концентрация частиц в слое может изменяться в зависимости от параметров рециркулирующего потока. Это позволяет использовать различные виды топлива, так как управляемость этого слоя значительно выше, чем управляемость кипящего слоя.

Сжигание топлива в нескольких псевдоожиженных слоях

При сжигании топлива в нескольких псевдоожиженных слоях псевдоожиженные слои располагаются последовательно над участком подачи воздуха. В первом слое сжигание топлива осуществляется при температуре 900-950 °С. Так называемое вторичное сжигание происходит при температуре около 850 °С во втором (верхнем) слое.

Первичный воздух, подаваемый для поддержания процесса горения, равномерно распределяется над слоем топлива с помощью охлаждающей плиты, расположенной на дне топки. После образования псевдоожиженного слоя в него подается топливо. Под воздействием газов, образующихся при сжигании топлива в первом слое, и потока вторичного воздуха, нагнетаемого через распределительное устройство подачи воздуха второго слоя, происходит флюидизация второго слоя. Несгоревшие частицы, увлекаемые отходящими газами первого слоя, захватываются вторым слоем для вторичного сжигания.

Источник

ПСЕВДООЖИЖЕНИЕ

превращение слоя зернистого материала под влиянием восходящего газового или жидкостного потока либо иных физ.-мех. воздействий в систему, твердые частицы к-рой находятся во взвешенном состоянии, и напоминающую по св-вам жидкость,-псевдоожижен-ный слой. Из-за внеш. сходства с кипящей жидкостью псевдоожиженный слой часто наз. кипящим слоем. В англоязычной литературе принят термин :fluid bed: (ожиженный слой), а операция П. носит назв. :fluidiration:.

где d- диаметр частиц].

Последняя уменьшается с увеличением плотности восходящего потока.

При дальнейшем возрастании Wгидравлич. сопротивление слоя остается постоянным, пока он не разрушится и не начнется интенсивный вынос зернистого материала потоком из аппарата. Отвечающая данному состоянию слоя скорость потока наз. скоростью уноса (своб. витания частиц) или второй критической скоростью П. (W ун ), превышающей W k в десятки раз. Если скорость ожижающего агента больше скорости витания самых крупных частиц сжижаемого материала, слой полностью увлекается потоком (см. Пневмо- и гидротранспорт).

По мере увеличения W порозность слоя (доля объема, занятого ожижающим агентом) возрастает, поэтому средние концентрации твердых частиц в единице объема слоя уменьшаются. При этом в случае П. газом появляются подвижные полые неоднородности-пузыри (неоднородный слой). При П. жидкостью слой, расширяясь, остается существенно более однородным по локальным концентрациям частиц (однородный слой). В случае П. газом при повыш. давлениях создают псевдоожиженный слой промежут. типа.

Разновидность псевдоожиженного слоя-фонтанирующий слой. В данном случае газ (жидкость) вводят в ниж. часть зернистого слоя в виде струи. Твердые частицы подхватываются ею и выносятся в верх. часть слоя. На периферии струи (обычно у стенок аппарата) сверху вниз движется плотный слой частиц, т. е. они непрерывно циркулируют. В фонтанирующем слое во взвешенном состоянии находится лишь часть твердых частиц. Поэтому иногда используемый термин «взвешенный слой» менее универсален, чем термин «псевдоожиженный слой».

В ряде случаев обеспечивают пульсац. подачу ожижаю-щего агента или вводят его попеременно в разл. участки ниж. сечения слоя. Напр., вращают газораспределит. решетку, перфорированную лишь в нек-рых секторах. Данный прием позволяет привести зернистый слой в псевдоожижен-ное состояние при меньших расходах сжижающего агента по сравнению с обычным кипящим слоем.

Широкое распространение получил также трехфазный слой: твердые частицы взвешиваются жидкостью, к-рая в свою очередь перемешивается пузырьками барботирую-щего газа (см. Барботирование). Известна разновидность трехфазного слоя: поток жидкости подается сверху вниз со скоростью, равной или большей скорости всплытия твердых частиц, плотность к-рых меньше плотности жидкости; при этом барботаж газа приводит к перемешиванию твердых частиц в объеме жидкости. Несмотря на внеш. сходство с обычным псевдоожиженным слоем трехфазный слой ближе по св-вам к барботажному слою.

Псевдоожиженные системы создают также след. способами: 1) подвергают зернистый слой воздействию мех. вибраций (см. Вибрационная техника); 2) механически перемешивают зернистый слой, напр. вращением заполненного им аппарата; 3) подвергают твердые частицы, обладающие ферромагн. св-вами, воздействию электромагн. поля и др. Эти и иные приемы могут совмещаться с П. газом или жидкостью.

Далее для удобства изложения материала рассматривается только наиб. распространенный случай-П. газом.

Аналогия между псевдоожиженным слоем и жидкостью- главное св-во слоя как среды для проведения хим.-технол. процессов. Выделим нек-рые общие св-ва слоя и жидкости.

1) Гидростатич. давление в слое высотой Я то же, что и для столба жидкости и составляет:где -средняя массовая концентрация (плотность) твердых частиц.

2) При мех. воздействии на пов-сти слоя, похожей на пов-сть кипящей воды, могут возникать поперечные волны.

3) Поведение инородных тел в слое подчиняется закону Архимеда. Напр., можно судить о наступлении псевдоожи-женного состояния, если тела с плотностью, меньшей средней плотности слоя, всплывают, а с большей-тонут.

4) Из отверстия в боковой стенке аппарата с псевдоожиженным слоем через введенный в него трубопровод твердые частицы «вытекают», образуя струю, начальная скорость к-рой где g- ускорение своб. падения.

5) Смежные псевдоожиженные слои ведут себя как сообщающиеся сосуды. Поддерживая в таких слоях за счет различия в рабочих скоростях ожижающего газа разные средние плотности твердых частиц, можно организовать циркуляцию материала. В горизонтальных лотках слой течет, как жидкость в каналах.

6) Скорости всплытия пузырей в слое и невязкой жидкости при малых скоростях ожижающего газа практически одинаковы и пропорциональны , где d п — эквивалентный диаметр пузыря (диаметр эквивалентного шара, имеющего тот же объем, что и пузырь).

Сходство между жидкостью и слоем проявляется при помещении в него перемешивающих устройств. Закономерности макросмешения в псевдоожиженном слое твердых частиц и жидкости сопоставимы при барботаже газа. Однако аналогия с жидкостью наблюдается лишь при пропускании через зернистый слой достаточного для его псевдоожижения кол-ва газа. Напр., если газ вводят неравномерно по сечению слоя, возникают зоны, где частицы неподвижны. Такие неподвижные (застойные) зоны могут образовываться на разл. конструкц. элементах аппарата (на внутр. тепло-обменных устройствах и др.). В застойных зонах могут протекать нежелательные побочные процессы, возникать агломераты твердых частиц и т. д. Если в ходе хим.-технол. процесса частицы укрупняются, возможно прекращение П.

Пузыри в псевдоожиженном слое. Важнейшим св-вом псев-доожиженных слоев типа газ-твердое тело является образование в них пузырей (см. выше). От их размеров (обычно 3-30 см, но наблюдаются пузыри диаметром 0,5-0,7 м), общего числа, скоростей подъема зависит макросмешение газа и твердых частиц, а следовательно, и св-ва слоя как среды для осуществления хим.-технол. процессов. В пром. аппаратах, диаметры к-рых в

5 раз и более превышают возможные размеры пузырей, картина их движения зависит от размера и плотности твердых частиц. По этим признакам ожижаемые материалы принято подразделять на группы А, B, С, D. Принадлежность сыпучих материалов к соответствующей группе приближенно устанавливают с помощью рис. 1 (по Джелдарду).

В слоях частиц группы А (рис. 2, а) пузыри зарождаются вблизи пов-сти газораспределит. решетки. По мере всплытия пузыри растут за счет натекания газа из плотной фазы и коалесценции. Одновременно наблюдаются акты разрушения пузырей, образования короткоживущих агломератов мелких пузырей, разделенных прослойками твердой фазы, к-рые вновь сливаются в один пузырь. На расстояниях 1,0-1,5 м от газораспределителя размеры пузырей стабилизируются. Однако при этом они начинают двигаться «цепочками», траектории к-рых изменяются. Масштабы плотных зон (т. наз. плотных пакетов) слоя, разделяющих полые неоднородности, увеличиваются. Скорости всплытия пузырей составляют 0,7-1,0 м/с, в то время как скорости ожижающего газа, отнесенные к полному сечению слоя, обычно не превышают 0,4 м/с. Доля газа, проходящего слой в виде пузырей, быстро возрастает при удалении от газораспределителя. Так, на расстоянии 0,2-0,5 м от решетки типа «пористая плита» в виде пузырей движется практически весь газ.

В псевдоожиженных слоях материалов группы Вкартина движения пузырей качественно не изменяется, но наблюдаются заметные количеств. отличия осредненных характеристик фазы пузырей. Напр., уменьшаются число актов разрушения и коалесценции пузырей, а также доля газа, проходящего слой в виде пузырей. В слоях материалов группы Dхарактер движения пузырей заметно изменяется. Пузыри приобретают «сплющенную» форму, т. е. их размеры по горизонтали становятся существенно больше размеров по вертикали (см. рис. 2, а). При этом скорости всплытия пузырей меньше скоростей ожижающего газа. В слоях материалов группы Спузыри не образуются. Эти материалы удается привести в псевдоожиженное состояние только при дополнит. мех. воздействиях, напр. с помощью помещенной в слой мешалки.

Структура потоков в псевдоожиженном слое упрощенно описывается моделью, в к-рой можно выделить три механизма. По первому из них применительно к материалам групп А и В газ движется через пузырь снизу вверх под действием перепада давлений, пропорционального высоте пузыря. Если его скорость превышает скорость газа, пузырь «догоняет» и снова «всасывает» газ. При этом возникает устойчивое «облако циркуляции» газа, из к-рого газ проникает в глубь плотных пакетов. По второму механизму, обычно сопутствующему первому, перенос газа между пузырями и плотными зонами межфазного обмена происходит вследствие деформации, разрушения пузырей и образования их агломератов. Третий механизм предполагает участие в переносе газа твердых частиц.

Перенос газа между пузырями и плотными зонами обычно исследуют экспериментально (см. также Переноса процессы). Напр., совмещают локальные кривые вымывания меченого газа-трассёра (см. Трассёра метод )и локальные кривые флуктуации плотности, вызываемые движением пузырей (рис. 2). Сравнение кривых в области слоя, где сформировались большие пузыри, показывает, что в пузырях измеряются миним. концентрации трассёра (плотность слоя также минимальна), а в плотных пакетах-макс. концентрации (плотность максимальна). Чем больше разница концентраций в пузырях и плотной зоне, тем меньше коэф. обмена (обменные потоки газом между разреженными и плотными зонами, отнесенные к единице объема слоя).

Из анализа кривых вымывания инертных трассёров (рис. 2,5 и в), напр. Не, следует, что при переходе от материалов групп Аи Вк материалам группы Dкоэф. обмена увеличиваются на два порядка. Это связано с тем, что газ проходит пузыри, обгоняя их, и «облака циркуляции» исчезают. Если газ-трассёр, напр. хладон 12, адсорбируется частицами (рис. 2, б), то при смене пакетов на пузыри пульсации концентраций трассёров меньше, т. е. коэф. обмена возрастают. Это объясняется участием в переносе газа твердых частиц, и кол-во переносимого газа тем выше, чем выше адсорбц. способность частиц. Так, в пром. адсорберах коэф. обмена в 100-1000 раз больше, чем в ка-талитич. реакторах, в к-рых адсорбц. перенос газа несуществен.

Пузыри, всплывая, перемешивают твердые частицы. В грубом приближении их перемешивание напоминает мол. диффузию (см. Диффузия). Поэтому для описания перемешивания обычно используют диффузионную модель (см. Структура потоков). При этом козф. диффузии принято наз. эффективным или коэф. перемешивания. Твердые частицы также переносят газ, к-рый содержится в порах, своб. объеме пакетов, и адсорбируются на их пов-сти. Поэтому интенсивность перемешивания газа тем больше, чем выше способность частиц адсорбировать газ.

Твердые частицы-осн. теплопереносящий агент в псевдо-ожиженном слое, поскольку их объемные теплоемкости на три порядка выше, чем для газа. Значения коэф. перемешивания частиц достаточно велики для того, чтобы слой был практически изотермичен (в случае быстро протекающих экзотермич. р-ций изотермичность слоя м. б. существенно нарушена).

Теплообмен в псевдоожиженном слое. Теплообмен между пов-стью твердых частиц и ожижающим газом обычно не лимитирует скорость хим.-технол. процессов в слое. Напр., при сушке материала, содержащего поверхностную влагу, т-ра слоя практически равна т-ре мокрого термометра (см. Сушка),т. е. успевает установиться термич. равновесие в слое, даже если время пребывания в нем газа составляет десятые доли секунды.

Одна из осн. причин широкого применения техники П.-интенсивный теплообмен псевдоожиженного слоя с пов-стями погруженных в него тел или со стенками аппарата [коэф. теплоотдачи 100-1000 Вт/(м 2

Источник

Псевдоожижение зернистого материала

Процесс псевдоожижения происходит при движении газа или жидкости через слой сыпучего материала. При этом частицы ста­новятся подвижными, хорошо перемешиваются в пределах объе­ма аппарата, тем самым выравнивая поле концентраций и темпе­ратур.

Различают три состояния слоя сыпучего материала. При неболь­шой скорости движения газа слой твердых частиц остается непо­движным (рис. 11.6, а). При таком режиме проводят процесс филь­трования (гл. 10). При большой скорости наблюдается режим уноса твердой фазы (рис. 11.6, б). В промышленном производстве в этом режиме осуществляют процессы пневмо- и гидротранспорта.

В некотором диапазоне значений скорости газа существует тре­тье состояние сыпучего слоя — так называемое псевдоожиженное (рис. 11.6, в). В этом режиме слой уже перестает быть неподвиж­ным, но унос еще не наступает. Частицы уже не соприкасаются друг с другом, а свободно витают в воздухе, но из аппарата не уносятся. Это состояние называют псевдоожиженным, поскольку слой твердых частиц по некоторым признакам становится подо­бен жидкости: он обладает текучестью (может вытекать через от­верстие в стенке аппарата), не имеет собственной формы, а при-

нимает форму сосуда, в котором содержится, между ним и газом существует граница раздела. Внутри слоя частицы непрерывно ха­отически движутся, напоминая кипящую жидкость. Отсюда дру­гое название этого состояния сыпучего материала — «кипящий» слой.

Экспериментально показано, что зависимость перепада давле­ний от скорости газа в каждом из трех состояний слоя — кривая псевдоожижения — имеет свои особенности. На кривой можно выделить три участка (рис. 11.7). Участок 1 соответствует непод­вижному состоянию слоя. Газ проходит по каналам между части­цами насыпанного слоя. Скорость газа небольшая, проходные се­чения невелики, поэтому режим его течения здесь всегда лами­нарный. При таком режиме перепад давлений прямо пропорцио­нален скорости, и рассматриваемая зависимость представляет со­бой прямую линию.

Участок 2 соответствует состоянию псевдоожижения. Здесь по­тери давления не меняются с возрастанием скорости газа. Увели­чивается лишь проходное сечение — расстояние между частицами и соответственно высота и объем слоя.

Участок 3 характеризует рост перепада давлений при увеличе­нии скорости газа. Этому участку соответствует режим пневмо­транспорта. Такая зависимость свойственна потоку жидкости в трубопроводе при турбулентном течении.

Границы участков на графике соответствуют критическим зна­чениям скорости потока газа: граница участков 1 и 2— скорости начала псевдоожижения, участков 2 и 3 — скорости уноса. На границе участков 7 и 2 кривая имеет выступ: здесь сопротивление немного больше, чем при самом процессе псевдоожижения. Это объясняется тем, что для начала псевдоожижения необходима некоторая дополнительная энергия, затрачиваемая на преодоле­ние сил сцепления частиц друг с другом.

Почему в состоянии псевдоожижения сопротивление слоя не растет с увеличением скорости газа? Для того чтобы твердая час­тица витала (висела) в потоке воздуха, согласно законам механи­ки необходимо равенство внешних сил, действующих на нее.

Вдоль направления движения потока газа на частицу действу ют сила тяжести, направленная вниз, и сила давления газа, на­правленная вверх. Суммарная сила воздействия газа на псевдо. ожиженный слой частиц равна весу всех частиц слоя. Если эту силу (т.е. вес всех частиц) отнести к единице площади сечения аппарата, то получим значение перепада давлений в этом слое. При определенном весе материала, находящегося в аппарате » постоянной площади сечения аппарата потеря давления в этом режиме будет постоянной величиной.

Использование закономерностей процесса псевдоожижения в промышленности обусловлено известными достоинствами этого состояния сыпучего материала. Благодаря хаотическому непрерыв­ному перемещению частиц происходит выравнивание концентра­ций и температуры в объеме кипящего слоя, что важно при осу­ществлении химических или теплообменных процессов.

Псевдоожижение широко используют при проведении хими­ческих реакций в присутствии мелкодисперсного катализатора. Непрерывное столкновение частиц со стенками аппарата и их перемещение от стенок внутрь объема обрабатываемой среды по­зволяет эффективно подводить или отводить теплоту именно че­рез стенки реактора. Это было бы затруднительно при осуществ­лении процесса в неподвижном слое твердой фазы. По сравнению с неподвижным слоем здесь легко проводить процесс в непре­рывном режиме. Сыпучий материал свободно перемещается от входа в аппарат к выходу из него.

К недостаткам «кипящего» слоя можно отнести интенсивное истирание частиц, сопровождающееся пылеобразованием и уно­сом мелкой фракции, что приводит к необходимости примене­ния в аппаратах или на линии от­ходящих газов пылеулавливающе­го оборудования.

На рис. 11.8 показан один из возможных вариантов схемы ап­парата с «кипящим» слоем для сушки песка. Влажный материал из бункера 4 подается питателем 3 в рабочую зону 5 сушилки. От­метим, что форма такого аппарата в сечении может быть различ­ной (круглая, квадратная, прямоугольная).

Сушильный агент (горячий воздух) через подводящий патру­бок 1 и далее через сетчатую перегородку 2 поступает в аппарат, где и создается псевдоожиженный слой. Интенсивная сушка пес­ка происходит, пока он движется от входа в сушилку до выгрузки готового продукта, которая осуществляется с помощью затвора 7. Отработанный сушильный агент уходит из аппарата через выход­ной патрубок 6.

В конической части сушилки предусмотрен люк 8 для выгрузки остатка, который может просыпаться через перегородку 2 при прекращении подачи воздуха. Если перегородка выполнена пори­стой, непроницаемой для песка, то выгрузка остатка может осу­ществляться через боковой люк (на рисунке не показан).

Контрольные вопросы

1.Какую роль играет перемешивание в технологическом процессе?

2.По каким показателям оценивают результативность процесса пере­мешивания?

3.Почему искусственно ограничивают эффективность перемешива­ния в некоторых производственных процессах?

4.Перечислите способы воздействия на жидкость при перемешива­нии.

5.Какие конструкции мешалок используют при механическом пере­мешивании? Чем определяется выбор конструкции для конкретных ус­ловий перемешивания?

6.Какие факторы определяют мощность, потребляемую механиче­скими мешалками?

7.Как действуют статические смесители? В чем состоят их достоин­ства? Приведите пример конструкции.

8.Каким образом используют упругие колебания при перемешива­нии?

9.Опишите три возможных состояния твердых частиц в слое сыпучего материала, пронизываемого газовым потоком.

10.Как изменяется сопротивление слоя сыпучего материала при уве­личении скорости газа, проходящего через этот слой?

11.Почему сопротивление псевдоожиженного слоя сохраняется по­стоянным при изменении скорости газа? Чем определяется перепад дав­лений?

12.Каковы преимущества проведения некоторых технологических процессов в псевдоожиженном слое по сравнению с неподвижным слоем?

13.В чем состоят причины, ограничивающие применение «кипящего» слоя?

Источник