Исследование псевдоожиженного слоя твердого зернистого материала.

Исследование псевдоожиженного слоя твердого

Зернистого материала

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств»

Набережные Челны

2006 год.

Печатается по решению научно-методического совета Камской государственной инженерно-экономической академии.

Исследование псевдоожиженного слоя твердого зернистого материала: Методическое указание к лабораторной работе/ Составители Талипова И.П., Саубанов Р.Р. – Набережные Челны: ИНЭКА, 2006. - 12 с.

Методические указания предназначены в помощь студентам при подготовке и выполнении лабораторной работы по курсу «Процессы и аппараты пищевых производств»

Ил.: 2.

Рецензент к.т.н., доцент Каляшина А.В.

Камская государственная

инженерно-экономическая академия

2006 г.

Лабораторная работа № 2

Исследование псевдоожиженного слоя твердого зернистого материала.

Цель работы.

1. Ознакомление с процессом псевдоожижения твердого зернистого материала.

2. Определение основных гидродинамических характеристик псевдоожиженного слоя (скорость фильтрования, гидродинамическое сопротивление, порозность).

За последние годы широкое применение в промышленности нашли процессы взаимодействия газов и жидкостей с твердыми зернистыми материалами. При проведении этих процессов твердые частицы приобретают подвижность относительно одна другой за счет обмена энергией с взвешивающим потокам. Такое состояние зернистого материала получило название псевдоожиженный слой из-за внешнего сходства с поведением обычной капельной жидкости: псевдоожиженной слой принимает форму вмещающего его аппарата, поверхность псевдоожиженного слоя (без учета всплесков) – горизонтальная. Одновременно обнаруживаются и другие свойства, аналогичные свойствам жидкости, - текучесть и поверхностное натяжение. Тела, имеющие меньшую плотность, чем псевдоожиженный слой, всплывают в нем, а большую – тонут.

Рис.1. Состояние слоя зернистого материала при разных режимах:

a – неподвижный слой (режим фильтрования);

б – однородный псевдоожиженный слой при u³u_кр;

в – неоднородный псевдоожиженный слой;

г – унос твердых частиц;

d – псевдоожиженный слой с поршнеобразованием;

е - псевдоожиженный слой с каналообразованием.

Широкое внедрение техники псевдоожижения в промышленную практику обусловлено рядом преимуществ. Так, твердый зернистый материал можно перемещать по трубам, что позволяет многие периодические процессы осуществлять непрерывно. Особенно выгодно применять псевдоожиженный слой для процессов, скорость которых определяется термическим или диффузионным сопротивлением в газовой фазе. Эти сопротивления в условиях псевдоожижения уменьшаются в десятки, а иногда в сотни раз, а скорость процессов соответственно увеличивается. Благодаря интенсивному перемешиванию твердых частиц в псевдоожиженном слое практически выравнивается поле температур, устраняется возможность значительных локальных перегревов и связанных с этим нарушений в ходе ряда технологических процессов. Наряду с достоинствами псевдоожиженному слою свойственны и некоторые недостатки. Так, вызванное интенсивным перемешиванием твердых частиц выравнивание температур и концентраций в слое приводит к уменьшению движущей силы процесса. Возможность проскока значительных количеств газа без достаточного контакта с твердым зернистым материалом также снижает выход целевого продукта. Отрицательным следует считать износ самих твердых частиц, эрозию аппаратуры, возникновение значительных зарядов статического электричества, необходимость установки мощных газоочистительных устройств.

В момент начала псевдоожижения вес зернистого материала G_с, приходящийся на единицу площади поперечного сечения аппарата ¦, уравновешивается силой гидравлического сопротивления слоя:

. (1)

С учетом архимедовых сил, действующих на частицы слоя, выражение для Dp_с можно представить в виде:

(2)

где r и r_в – плотность твердых частиц и псевдоожижающего агента кг/м³;

h₀ – высота неподвижного слоя, м;

e₀ – порозность неподвижного слоя, т.е. относительный объем пустот в неподвижном слое.

, (3)

V_o и V – объем неподвижного слоя и объем частиц, м³;

r₀ – плотность материала, кг/м³.

Начиная со скорости u_кр в начале псевдоожижения и выше, сопротивление слоя сохраняет практически постоянное значение и зависимость Dp_с=¦(u_ф) выражается прямой АВ, параллельной оси абcцисс. Это объясняется тем, что с ростом скорости псевдоожижающего агента контакт между частицами уменьшается и они получают большую возможность хаотического перемещения по всем направлениям. При этом возрастает среднее расстояние (просветы) между частицами, т.е. увеличивается порозность слоя e и, следовательно, его высота h. Так как перепад давления в псевдоожиженном слое Dp_с практически остается постоянным, высоту такого расширившегося слоя можно определить из условия:

(4)

откуда

(5)

В зависимости от свойств псевдоожижающего потока и его скорости можно наблюдать несколько стадий процесса псевдоожижения. При скорости псевдоожижающего агента, незначительно превышающей u_кр, т.е. при u³u_кр, наблюдается однородное («спокойное»). По мере роста скорости при псевдоожижении газом в слое возникают компактные массы газа («пузыри», «каверны»), интенсивно турбулизирующие твердые частицы и образующие всплески зернистого материала на поверхности. При этом наблюдается значительные пульсации статического и динамического напоров псевдоожижающего агента. Такой характер гидродинамики слоя называется неоднократным псевдоожижением. Наконец, при движении некоторого второго критического значения скорости u_у, называемой скоростью уноса, твердые частицы начинают выноситься из слоя (см. рис. 1, г) и их количество в аппарате уменьшается. Порозность такого слоя стремится к 1, и сопротивление слоя правее точки В также падает. Кривая ОАВ называется кривой идеального псевдоожижения.

Напротив, при малых отношениях h/D и наибольших скоростях псевдоожижающего агента в аппаратах с перфорированными газораспределительными решетками могут возникать сквозные каналы, по которым устремляется основная часть газового потока – слой с каналообразованием (см. рис. 1, е). При этом в зернистом материале образуются застойные зоны и общее сопротивление слоя оказывается меньше его веса, т.е. меньше расчетной величины.

Для характеристики интенсивности перемешивания частиц в кипящем слое используется число псевдоожижения

N = u_ф/u_кр, (6)

где u_ф – фактическая скорость фильтрования воздуха;

u_кр – критическая скорость фильтрования воздуха, обусловливающая переход сыпучего материала в состояние кипения.

Дата добавления: 2015-07-20