Общие теоретические положения процесса псевдоожижения

Е.А. Шестаков

Взвешенным (псевдоожиженным) слоем называют состояние двухфазной системы, «зернистый твердый материал – газ (жидкость)», который характеризуется перемещением твердых частиц относительно друг друга. Слой частиц твердого материала при прохождении через него потока газа (или жидкости) может оставаться неподвижным, плотным (рис. 1а). В этом случае каждая частица соприкасается с другой и объем слоя постоянен даже при некотором возрастании скорости потока газа W. Дальнейшее увеличение W приводит к тому, что частицы начинают вибрировать, и некоторые частицы из глубины слоя передвигаются к его поверхности. При этом высота слоя h почти не меняется. Гидравлическое сопротивление слоя Δ Р с повышением скорости потока газа увеличивается по степенному закону, причем показатель степени n зависит от зна­чения критерия Рейнольдса Re (рис. 2) (с возрастанием Re величина n изменяется от 1,0 до 2,0).

а б в

Рис. 1. Схема режимов псевдоожижения:

а – неподвижный слой; б – начало псевдоожижения; в – режим

пневмотранспорта

 

При определенной скорости потока газа слой несколько разбухает и в результате передвижения частиц из нижней части слоя к поверхности в нем образуются каналы. С последующим повышением скорости потока газа, до так называемой критической W _кp, слой еще больше увеличивается в объеме и значение Δ Р уменьшается. Теперь даже незначительное возрастание скорости W приводит к разрыву слоя мелкими продолговатыми газовыми прослойками, все твердые частицы приходят в движение – начинается псевдоожижение (рис. 1б). При дальнейшем увеличении скорости потока газа гидравлическое сопротивление Δ Р остается почти неизменным и равным весу слоя
(рис. 2), приходящегося на единицу площади, а порозность (доля свободного объема) и высота слоя увеличиваются. Некоторый скачок гидравлического сопротивления в момент расширения слоя объясняется перестройкой его структуры. На преодоление сил сцепления между твердыми частицами необходима затрата энергии.

Рис.2. График зависимости ΔP_сл=f(W_сл)

При сравнительно высоких скоростях газа (чаще всего в слоях большой высоты) газовые пузыри сливаются по горизонтали и заполняют все сечение аппарата, разрывая слой и образуя «поршни». Эти скопления частиц подбрасываются вверх и снова падают вниз, причем гидравлическое сопротивление слоя колеблется. Амплитуда пульсаций возрастает с увеличением высоты слоя и скорости потока газа. Зернистый материал фильтруется через поднимающиеся газовые прослойки небольшими агрегатами или отдельными частицами.

Когда скорость потока газа будет выше скорости витания частиц W _вит, образуется газовая струя, проходящая через слой то вдоль его оси, то вблизи стенки аппарата. При этом частицы начинают уноситься газовым потоком, наступает режим пневмотранспорта (рис. 1в). Вследствие уменьшения веса слоя значение понижается (рис. 2).

На характер псевдоожижения и скорость перемешивания частиц наряду со свойствами частиц и газа будут влиять размер пузырей и степень неоднородности слоя. Кроме того, к факторам, оказывающим влияние, относятся: геометрия слоя, скорость потока газа, тип газораспределителя и внутренняя конструкция аппарата при наличии таких элементов, как сетки, перегородки и др.

По сравнению с другими способами контактирования твердых частиц с газом псевдоожиженные слои обладают уникальными свойствами. Они до некоторой степени аналогичны системам «жидкость – твердые частицы».

К основным преимуществам процесса псевдоожижения в промышленных установках относятся:

- циркуляция частиц между фазами псевдоожиженного слоя, дающая возможность обмена большим количествам тепла;

- возможность осуществления крупнотоннажных процессов;

- высокие скорости тепло- и массообмена между газом и частицами;

- сравнительно малые площади необходимой поверхности теплообмена вследствие значительных скоростей теплообмена между псевдоожиженным слоем и погруженной поверхностью;

- непрерывное движение частиц (подобное жидкости) позволяет вести постоянный автоматический контроль и упрощает регулирование;

- интенсивное перемешивание частиц, обеспечивающее почти изотермические условия в аппарате, следовательно, появляется возможность осуществлять эффективный контроль процесса.

Недостатки:

- относительно малая эффективность системы контактирования, что весьма существенно при необходимости высокой конверсии газо­образных реагентов в химических процессах;

- неравномерность времени пребывания частиц в реакторе вследствие широкого дисперсного состава;

- истирание крупных и унос газом мелких частиц;

- эрозия труб и улавливающих устройств при перемещении через них частиц, уносимых из псевдоожиженного слоя;

- агломерация и спекание мелких частиц при высоких температурах, ведущих впоследствии к снижению интенсивности процесса.

Несмотря на серьезные недостатки, существенные экономические преимущества псевдоожиженного слоя обусловили его успешное использование в промышленности (для каталитического крекинга нефти, прямого синтеза кремнийорганических соединений, окисления руд и минералов, обжига цементного клинкера, сушки разнообразных материалов, и т.п.).