5.Псевдозріження твердого зернистого матеріалу

Псевдозрідження - це процес взамодії газів і рідин з твердими зернистими пилевидними матеріалами, при проведені якого тверді частинки набувають рухливості одна відносно одної за рахунок обміну енергії з псевдозріджуючим потоком. Такий стан твердих частинок отримало назву "псевдозріджений слой" внаслідок зовнішньої подібності з поведінкою звичайної краплинної рідини:

-псевдозріджуючий слой приймає форму вміщуючого його апарату- поверхня псевдозріджуючого слою горизонтальна.

-аналогічні властивості рідини- текучість, "в'язкість" і поверхневий натяг. Тіла, що мають меншу густину, ніж псевдозріджуючий слой, вспливають в ньому, а більшу - тонуть.

Широке запровадження техніки псевдозрідження в промислову практику зумовлено рядом позитивних факторів. Тверді частинки в псевдозріджуючому стані внаслідок текучості можна переміщувати по трубам, що дозволяє багато періодичних процесів здійснювати безперервно. Особливо вигідне використання псевдозріджуючого слою для процесів, швидкість котрих визначається термічним або дифузійним опорами в газовій фазі. Ці опори в умовах псевдозрідження зменшуються в десятки, а інколи в сотні разів, а швидкість процесів відповідно зростає.

Завдяки інтенсивному перемішуванню твердих частинок в псевдозріджуючому слої практично вирівнюється поле температур, вилучається можливість значних локальних перегрівів і зв'язаних з цим порушень в проходженні ряду технологічних процесів.

Але поряд з перевагами, псевдозріджуючому слою властиві і деякі недоліки. Так викликане інтенсивним перемішуванням твердих частинок вирівнювання температур і концентрацій в слою призводить до зменшення рушійної сили процесу. Можливість проскоку значних кількостей газів без достатнього контакту з твердими частинками зменшується вихід цільового продукту. До від'ємних факторів також відносять ізнос твердих частинок, ерозію апаратури, виникнення значних зарядів статичної електрики, необхідність встановлення потужних газоочисних споруд. Деякі з перечислених недоліків можуть бути вилучені раціональною конструкцією апаратів.

Використання процесів псевдозрідження:

1) хімічні процеси (каталітичний крепінг нафтопродуктів, багаточисельні гетерогенні каталітичні реакції, газифікація топлив, обпалення сульфідних руд та ін.);

2) фізичні і фізико-хімічні процеси ( сушка дрібнозернистих, пастоподібних і рідких матеріалів, рудних концентратів, сублімаційна очистка речовин, розчинення кристалізація солей, адсорбційна очистка газів, термічна обробка металів, нагрів і охолодження газів та ін.);

3) механічні процеси (збагачення, класифікація, гранулювання,змішування і транспортування зернистих і пилеподібних матеріалів).

5.1. Гідродинамічна суть процесу псевдозрідження

Якщо через слой твердих частинок, розміщений на підтримуючій перфорованій решітц апарату, проходить поток псевдозріджуючого агенту (газу або рідини), то стан слою є різним в залежності від швидкості цього потоку.

При плавному збільшенні швидкості потоку від 0 до деякого першого критичного значення проходить звичайний процес фільтрування, при котрому тверді частинки нерухом (рис. 5.1.1.а). На графіку процесу псевдозрідження, який називається кривоюпсевдозрідження і виражає залежність перепаду статичного тиску в стгокг* зернистого і пилевидного матеріалів від швидкості псевдозріджуючого агента (рис. 5.1.2.а), процесу фільтрації відповідає лінія ОА .

a-нерухомий слой (режим фільтрації)

б-однорідний псевдозріджуючий шар при WWпс;

в-неоднорідний псевдозріджуючий шар ;

г-винесення твердих частинок ;

д- псевдозріджуючий шар з поршнеутворенням ;

ж- псевдозріджуючий шар з каналоутворенням

Рис.5.1.1 Різні стани шару зернистого матеріалу при проходженні через нього потоку газу (рідини).

У випадку малого розміру частинок і невисоких швидкостей фільтрації псевдозріджуючого агенту режим його руху в шарі, а гілка ОА прямолінійна .В шарі крупних частинок при достатньо високих швидкостях псевдозрідженого агенту перепад тиску може зростати нелінійно зі збільшенням швидкості (перехідний і турбулентний режими) .

а) крива ідеального псевдо зрідження; б) реальні криві псевдо зрідження; в) крива псевдозрідження полідисперсного матеріалу; г) криві псевдо зрідження для слою з поршнеутворенням (крива 2).

Рис. 5.1.2. Зміна перепаду тиску в слою зернистого матеріалу в залежності від швидкості газового (рідкого) потоку, що проходить через слой.

Перехід від режиму фільтрації до стану псевдозрідження відповідає на кривій псевдозрідження критичній швидкості псевдозріджуючого агенту W_ПС (точка А, рис. 5.1.2.,а), що називається швидкістю початку псевдозрідження. В момент початку псевдозрідження маса зернистого і пилевидного матеріалів, яка приходиться на одиницю площи поперечного перерізу апарату, зрівноважується силою г

(5.1.1.)

ідравлічного опору слоя:

де G_СЛ- маса матеріалу в слої;

f- поперечний переріз апарату з псевдозріджуючим слоєм.

З

(5.1.2.)

урахуванням архімедових сил, діючих на частинки слою, вираз (5.1.1) можна представити у вигляді:

де h_o - висота нерухомого слою; р і р₀ - густина твердих частинок і псевдозріджуючого агенту;

_- порозність нерухомого шару;

тобто відносний об'єм пустот в нерухомому слою_=(V_o-V)/V_o, де V₀ і V об'єм нерухомого шаруі об'єм частинок.

При швидкості початку псевдозрідження і більше опір слою _СЛ зберігає практично постійне значення і залежність f(W) виражається прямою АВ, палалельною вісі абсцис (рис.5.1.2.,а) Це пояснюється тим, що з ростом швидкості псевдозріджуючого агенту контакт між частинками зменшується і вони отримують більшу можливість хаотичного перемішування по всім ндіря^уїках. При цьому зростає середня відстань (просвіти) між частинками, тобто зростає порозність шару  і, отже, його висота h. Так як перепад тиску в псевдозріджуючому слої _СЛ залишається практично постійним, висоту такого розширеного можна визначити з умови (5.1.2):

звідки h=h_o_/ (5.1.3)

В залежності від властивостей псевдозріджуючого агенту і його швидкості можна спостерігати декілька стадій процесу псевдозрідження. При швидкостях псевдозріджуючого, дещо більших за W_ПС, тобто при WW_ПС, спостерігається так зване однорідне ("спокійне") псевдозрідження (рис. 5.1.1..6). Однорідне псевдозрідження для значного діапазону швидкостей спостерігається також при псевдозрідженні зернистих матеріалів краплинними рідинами ( і ₀ одного порядка).

Зі збільшенням швидкості при псевдозрідженні газом в слої утворюються компактні маси газу ("пузирі"), і у поверхні виникають всплески твердих частинок. При цьому спостерігаються значні пульсації статичного і динамічного напора псевдозріджуючого агенту. Такий характер гідродинамічного слою називають неоднорідним псевдозрідженням (рис. 5.1.1..В).

При досяганні деякого другого критичного значення швидкостіW_У, що називається швидкістю виносу, тверді частинки починають виноситись із шару (рис. 5.1.1,г) і їх кількість в апараті зменшується. Порозність такого слою прямує до 1, і опір слою правіше точки В (рис. 5.1. 2., а) також падає.

Розглянутий графік ОАВ (рис.4.2.2.,а) називають кривою ідеального псевдозрідження.

На практиці дійсна крива псевдозрідження (рис. 5.1. 2., б) відрізняється від ідеальної (рис. 5.1. 2., а). Крутизна зростаючої гілки реальної кривої псевдозрідження визначається густиною початкової упаковки (засипки) твердих частинок: при більш густішій упаковці опір слою дещо вище і лінія йде крутіше (рис. 5.1. 2., б, крива 1); при більш рихлій - полого (рис. 5.1. 2., б, крива 2). В момент переходу слоя в псевдозріджений стан спостерігається пік тиску, зумовлений необхідністю затрати додаткової енергії на подолання сил щеплення. Величина піку тиску визначається густиною початкової упаковки частинок, їх формою і станом поверхні.

При поступовому зменшенні швидкості псевдозріджуючого агенту і переході слою від псевдозріджуючого стану до нерухомого крива 3 розміщується нижче кривих 1 і 2 (рис. 5.1.2., б), що відповідає більш рихлій структурі нерухомого слою для цього випадку.

Для полідисперсних матеріалів, як правило, спостерігається перехідний діапазон швидкостей між режимами фільтрації і псевдозрідженням (рис. 5.1.2., в). Спершу при деякій швидкості W_{п с} приходять в рух найбільш дрібні частинки. Зі збільшенням швидкості W_пс все більша кількість частинок переходить у завислий стан, і наступає повне псевдозрідження.

В реальних умовах поведінка слою дуже залежить від конструктивних особливостей апаратів. Так в вузьки та високих апаратах бульбашки газу, зливаються по мірі підйому, можуть утворювати суцільні газові "пробки", які переміщаються рухаючими "поршнями" псевдозрідженого зернистого матеріалу (рис. 5.1.1.,д). Опір слою при цьому починає перевищувати розрахункове значення p_сл , що визначається рівнянням (5.1.1) (див. рис.5.1.2.,г, крива 1).

При малих відношеннях h/Д (тобто широких і низьких апаратах) і при великих швидкостях псевдозріджуючого агента в апаратах з перфорованими газорозподільними решітками можуть виникати наскрізні канали, по котрим проходить основна частина газового потоку - слої з каналоутворенням (рис. 5.1.1,ж). При цьому в слої твердих частинок утворюються застойні зони, і загальний опір слоя виявляється менше розрахованої величини, що визначається рівнянням (5.1.1) (див. рис. 5.1.2, г, крива 2).