Химическая энциклопедия - 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:.

Некоторые основные понятия. Типы и способы создания псевдоожиженных систем. Простейшую псевдоожиженную систему создают в заполненном слоем зернистого материала вертикальном аппарате, через днище к-рого равномерно по сечению вводят инертный ожижающий агент (газ или жидкость). При его небольшой скорости Wзернистый слой неподвижен; с ее увеличением высота слоя начинает возрастать (слой расширяется). Когда W достигает критич. значения, при к-ром сила гидравлич. сопротивления слоя восходящему потоку ожижающего агента становится равной весу твердых частиц, слой приобретает текучесть и переходит в псевдоожиженное состояние. Соответствующую линейную скорость ожижающего агента наз. скоростью начала П. или его первой критической скоростью Wk[для мелких (размер 0,1 мм) частиц Wk< ~ d², для крупных (1 мм) Ч Wk~ 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 Wk в десятки раз. Если скорость ожижающего агента больше скорости витания самых крупных частиц сжижаемого материала, слой полностью увлекается потоком (см. Пневмои 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).

Рис. 1. Диаграмма классификации сыпучих материалов в логарифмич. шкале (A -D -группы материалов; r и d- плотность и диаметр твердых частиц).

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.