Глава XX

Очистка газов

1. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ОЧИСТКИ ГАЗОВ

Перерабатываемые в промышленности потоки газов (паров) содержат, как правило, взвешенные в них твердые или жидкие частицы. Эти частицы необходимо удалять с целью подготовки газа для последующих стадий переработки или для извлечения ценных веществ, а также перед выбросом газа в атмосферу. Для удаления взвешенных частиц из газовых потоков применяют сле­дующие основные способы: 1) осаждение под действием силы тя­жести; 2) осаждение под действием инерционных сил, возникаю­щих при резком изменении направления газового потока; 3) оса­ждение под действием центробежной силы, возникающей при вра­щательном движении потока газа; 4) осаждение под действием сил электрического поля; 5) фильтрацию; 6) мокрую очистку.

Для получения необходимой степени очистки обычно при­ходится сочетать различные способы обработки газов.

Так, на установках каталитического крекинга перед выбросом газов из регенератора в атмосферу их очищают от пыли в цикло­нах, электрофильтрах и зачастую в мокрых пылеуловителях.

Эффективность работы пылеулавливающего аппарата характе­ризуется величинами общего к. п. д. (степень очистки)

Л = (т_я — т_к)/т_п = 1 —т_к/т_я (XX, 1)

и парциального к. п. д.

t)_d = (mj_H — Щк)/тйн — 1 — я^кМ/н (XX, 2)

где т и md — массовый расход пыли общий и частиц диаметром d;

тд = x_dm (XX,3)

Xd — относительная доля частиц в соответствующем потоке; индекс н относится ко входу в аппарат, к — к выходу.

Чем больше масса частиц, уловленных в аппарате, тем больше его к. п. д. В пределе при т_к 0 величина т] 1.

Характеристика эффективности работы аппарата величиной парциального к. п. д. имеет важное значение при переработке газов, содержащих мелкие частицы (менее 50 мкм). Следует отме­тить, что в аппаратах, использующих три первых способа очистки,

Woe

2

ъ /1\

'77777777777^_г е

Рис. ХХ-1. Основные способы улавливания частиц из газовего потока: а — осаждение под действием силы тяжести; б — осаждение под действием кнерцисг- ных сил; в — осаждение под действием центробежной силы; г — осаждение под действием сил электрического поля; д — фильтрация; е — мокрая очистка; 1' частица до и после осаждения; 2 — осадительная поверхность; 3 — лопатка (перегородка); 4 — ороситель.

чп

отделение частиц размером 10 мкм и менее затруднительно и пар­циальный к. п. д. для таких частиц низок. Выделенная из потока газа частица осаждается на рабочей поверхности аппарата и вы­водится затем из системы.

На рис. ХХ-1 приведены схемы основных способов улавлива­ния частиц из газового (парового) потока.

I W

в

>

к,

у/////////^

Л

/1\

/О

2. Газоочистительные аппараты

Пылеосадительные камеры. Простейшим типом газоочисти­тельных аппаратов являются пылеосадительные камеры (рис. ХХ-2), в которых улавливаемые частицы удаляются из^по-

п

у

Рис. ХХ-2. Пылеосадитель- ная камера:

I — запыленный газ; II — очищенный газ; 1 — каме­ра; 2 — перегородки.

Рис. ХХ-3. Жалюзийный пылеуловитель: / — очищаемый газ; II — очищенный газ; III — за­пыленный газ; 1 — корпус; 2 — лопатки (жалюзи).

А!

т/У

ф

тока газа под действием силы тяжести. Как известно (см. гл. XVIII), время осаждения частиц тем меньше, чем меньше вы­сота отстойной камеры. С этой целью внутри аппарата на расстоя­нии 400 мм или несколько более установлены горизонтальные или наклонные перегородки, которые делят весь объем камеры на систему параллельных каналов относительно небольшой высоты.

Пылеосадительные камеры имеют сравнительно большие габариты и используются обычно для удаления наиболее крупных частиц при предварительной очистке газа.

Инерционные пылеуловители. Поток очищаемого газа со ско- ростью 10—15 м/с вводится в аппарат (рис. ХХ-3). Внутри аппа- рата установлены лопатки (жалюзи), разделяющие рабочий объем

аппарата на две части: камеру запыленного и камеру очищенного газа. При входе в каналы между жалюзи газ резко изменяет направление движения и одновременно уменьшается его скорость. По инерции частицы движутся вдоль оси аппарата и, ударяясь о жалюзи, отбрасы- ваются в сторону, а очищенный газ проходит сквозь жалюзийную решетку и выводится из аппарата. Остальная часть газа (около 10%), содержащая основную массу пыли, выводится через другой штуцер и обычно подвергается дополнительной очистке в циклонах. Аппараты этого типа более компактны, чем пыле- осадительные камеры, однако они пригодны только для грубой очистки.

Циклоны. В циклон запыленный газ вво- дится со скоростью 15—25 м/с тангенциально и получает вращательное движение (рис. ХХ-4). Частицы пыли или капли жидкости под действием

Рис. ХХ-4. Циклон:

I — запыленный газ; II — очищенный газ; III — уловлен- ные частицы; 1 — корпус; 2 — выхлопная труба; 3 — успокоитель; 4 — бункер; 5 — затвор.

центробежной силы движутся к периферии и, достигнув стенки, направляются в бункер. Газ, совершив 1,5—3 оборота в циклоне, поворачивает вверх и выводится через центральную выхлопную трубу. В нефтегазопереработке наибольшее распространение по- лучили циклоны НИИОгаза типа ЦН, для которых разработана методика расчета.

В циклонах центробежная сила зависит от скорости вращения газа, которую в первом приближении можно принять равной ско- рости газа во входном патрубке w. Однако с постоянной линейной скоростью газ движется в циклоне лишь в течение первого оборота, а затем профиль скоростей перестраивается,и газ приобретает по- стоянную угловую скорость (о. Поскольку линейная и угловая скорости связаны соотношением

(XX,4)

на периферии газ имеет большую линейную скорость, 350

Степень очистки газа в циклоне сначала быстро B03pactaet увеличением скорости, а затем мало изменяется. Сопротивление ^С величивается пропорционально Чрезмерно большая скорость ^вижения _{газа в} ц_ИКЛоне приводит к повышению сопротивления ^Д_пПарата Ар и уменьшению степени его очистки т] вследствие вих- ^а £р_азования и выноса уловленных частиц в поток очищаемого *аза. Общий характер изменения этих показателей работы цик- ^г _а от скорости газа приведен на рис. ХХ-5. ^Л Сопротивление циклона Ар рассчитывают по условной ско-

отнесенной к его полному сечению

Шусл = VjJF^ = 4К_ц/я£>² (XX,5)

у_ц — производительность циклона; F^ — площадь поперечного сечения

циклона.

Сопротивление циклона определяют из выражения

Коэффициент сопротивления £ для стандартных конструкций циклонов находится в пределах от 75 до 250 в зависимости от модификации конструкции.

Скорость условная w_ycJl и скорость во входном патрубке w связаны соотношением

Ю/Юусл=>ц//?_П (XX,7)

- площадь входного патрубка

Рис* ХХ-6. Рукавный фильтр: / — запыленный газ; II — очищенный газ; jjl — пыль; 1 — встряхивающий механизм; 2 — корпус; 3 — рукав; 4 — кольцо; 5 — за­твор; б — бункер; 7 — трубная решетка.

Задавшись допустимой величиной сопротивления циклона Ар _{и в}ыбрав по каталогу тип и размеры циклона, по приведенным уравнениям определяют производительность циклона V_n и число циклонов.

Рукавные фильтры. Рассмотренные выше способы очистки _не позволяют эффективно улавливать мелкие частицы менее 20 мкм. Так, если к. п. д. циклона при улавливании частиц диа-

351

рости,

^Рг^сл/²

(XX,6)

Рис. ХХ-5. Зависимость сопротивления и сте­пени очистки в циклоне от скорости газа.

Метром 20 мкм составляет около 90%, то частицы диаметром 16 мкм улавливаются только на 65%.

Для очистки потоков газов от мелких частиц применяют ру- кавные фильтры (рис. ХХ-6), которые позволяют эффективно улав- ливать мелкие частицы, обеспечивая содержание пыли в очищен- ном газе менее 5 мг/м³. Фильтр представляет собой группы парал-

лельно соединенных цилин- дрических тканевых рукавов диаметром 150—200 мм и дли- ной до 3 м. Для сохранения формы рукава имеют вшитые в них проволочные кольца. Рукава подвешены в корпусе

Рис. ХХ-7. Принципиальная схема электрофильтра:

_а — трубчатого; б — пластинчатого; I — запыленный газ; II — очищенный газ; 1 — коронирующий электрод; 2 — осадительный электрод.

аппарата, а снизу закреплены к трубной решетке. Запыленный газ поступает в корпус аппарата и распределяется по отдельным ру- кавам. Частицы пыли оседают на внутренней поверхности рука- вов, а очищенный газ уходит из аппарата.

Фильтрация производится при постоянной скорости до полу- чения определенной величины перепада давления (0,015— 0,030 МПа). Очистку поверхности фильтра производят встряхи- ванием рукавов или обратной продувкой, особенно для ворсистых тканей. Скорость фильтрации зависит от плотности ткани и состав- ляет обычно 50—200 м³/(м² • ч). Площадь поверхности фильтра определяется из выражения

^Ф = У/С_Ф (XX,8)

где V — производительность фильтра; Сф — скорость фильтрации.

Число рукавов

n=F^ndl (XX,9) где d, I — диаметр и длина рукава.

При очистке газов, имеющих повышенную температуру (свыше 100 °С), используют стеклоткань, углеродную ткань и др. Для химически агрессивных газов применяют стеклоткань и различ- ные синтетические материалы.

Электрофильтры. Сила Q воздействия электрического поля на заряженную частицу определяется величиной заряда частицы q и напряженностью электрического поля Е

Q = qE (XX,10)

- 7

гЧ _

-а-

D-2R

*7

/I

Поскольку частицы пыли обычно нейтральны, им необходимо сообщить заряд. При этом мелким частицам можно сообщить боль­шой электрический заряд и создать благоприятные условия для их осаждения, не достижимые в поле силы тяжести или центро­бежной силы.

Для сообщения взвешенным в газе частицам электричес­кого заряда газ предварительно ионизируют. С этой целью поток газа пропускают между двумя электродами, создающими неоднородное электрическое поле. Размеры электродов должны существенно различаться, чтобы создать значительную разность напряженностей поля. Обычно для этого один электрод выпол­няют в виде тонкой проволоки диаметром 1—3 мм, а другой в виде соосного цилиндра диметром 250—300 мм или в виде плоских па­раллельных пластин (рис. ХХ-7). Вследствие значительной раз­ности площадей электродов вблизи электрода малой площади воз­никает местный пробой газа (корона), приводящий к ионизации газа.

Коронирующий электрод соединен с отрицательным полю­сом источника напряжения. Для воздуха критическое напряже­ние, при котором происходит образование короны, составляет около 30 кВ. Рабочее напряжение в 1,5—2,5 раза больше крити­ческого и обычно равно 40—75 кВ.

Электрофильтры с электродами из труб называются трубча­тыми, а с плоскими электродами — пластинчатыми. Электроды могут быть сплошными или из металлической сетки.

Скорость движения газа в электрофильтре обычно принимают -равной 0,75—1,5 м/с для трубчатых фильтров и 0,5—1,0 м/с для' пластинчатых.

Сила тока обычно составляет от 0,05 до 0,50 мА на один метр длины коронирующего электрода. Средняя напря­женность электрического поля составляет 4—6 кВ/см. При этих параметрах работы фильтра обеспечивается практически полная очистка газа от взвешенных в нем частиц. Сопротивление электро­фильтров составляет 50—200 Па, т. е. значительно меньше, чем циклонов и тканевых фильтров.

Степень очистки (к. п. д.) электрофильтра рассчитывают по уравнению

t) = l-e ^v (ХХЛ1)

где F_oc — поверхность осадительных электродов, м²; w_oc — скорость осаждения в электрическом поле, м/с; V — производительность электрофильтра, м³/с.

Поскольку в электрофильтре осаждаются мелкие частицы, мо­жет быть принят ламинарный режим их движения. Тогда скорость

¹/₂12 Молоканов Ю. К-

353

осаждения с учетом уравнения (XX, 10) определится из выра­жения

w_0C = qE/3jtdii (ХХ,12)

где d — диаметр частицы; ц — вязкость газа в рабочих условиях.

Электрофильтры могут быть применены для различных рабо­чих условий: горячего газа, влажного газа, химически активного газа и др., что делает этот вид газоочистительного оборудования весьма эффективным для санитарной очистки газов.

Поскольку электрофильтры работают под высоким напряже­нием, необходимо соблюдать правила монтажа и эксплуатации, разработанные для электроустановок. Осадительные электроды и корпус электрофильтра должны быть тщательно заземлены. Не­обходимо следить за состоянием и целостностью изоляции кабе­лей и выводов коронирующих электродов.

а	W } И	6	W til	6	W tit О о АО О О 5 О о 6 °и°° ° о о О о .о о о о 5 ° ООО ОАО о О О о о о о о	g W,<W f t t t о /Г^ О О О 0 W/iV/l °o®o oc ■ a^a ■
			Од ООО О ° о оа О У° о О\°ГО О o°o4V	1
		<Ji л?
	1И!
	111 W		и t W&WKPl		111 W^Wy	111

Рис. XX1-1. Различные состояния слоя твердых частиц при прохождении потока газа (жидкости):

а — плотный слой; б ч— псевдоожиженный слой; в транспортируемый слой; г — фон­танирующий слой.

Плотный слой (рис. XXI-1, а) характерен тем, что твердые ча­стицы соприкасаются одна с другой и остаются неподвижными при изменении скорости движения газа или жидкости; объем слоя также не изменяется.

Псевдоожиженный (кипящий) слой возникает при некоторой скорости газа или жидкости. Его отличительной особенностью

является то, что твердые частицы под влиянием движущегося по­тока газа получают возможность перемещаться одна относительно другой: расстояния между частицами увеличиваются, объем слоя возрастает (рис. XXI-1, б).

При дальнейшем возрастании скорости газа (жидкости) твер­дые частицы приобретают однонаправленное движение и слой пере­ходит в транспортируемый (рис. XXI-1, в).

Фонтанирующий слой (рис. XXI-1, г) представляет собой со­четание местного транспорта твердых частиц с последующей их сепарацией и возвращением в слой.

2. СТРУКТУРА И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛОЯ СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА

Слой сыпучего материала обычно представляет собой смесь частиц различной формы и различного размера, что определяется технологией их получения, а также требованиями технологиче­ского процесса, в котором применяют данный сыпучий материал.

Гранулометрический состав. Эта характеристика отражает относительную долю частиц данного размера в общей массе всех частиц. Гранулометрический состав сыпучего материала опреде­ляют просеиванием его через набор сит с различными размерами отверстий. Затем строят кривую распределения, общий вид кото­рой дан на рис. XX1-2. В тех случаях, когда частицы твердого материала специально формуют в виде таблеток или сфер, все частицы получаются практически одинакового размера (монодис­персный слой).

Эквивалентный диаметр частиц. Для характеристики поли­дисперсного слоя частиц применяют понятие эквивалентного диа­метра d₃, под которым понимают диаметр шарообразных частиц монодисперсного слоя, имеющего одинаковые усредненные харак­теристики с полидисперсным слоем. Наиболее часто эквивалент­ный диаметр рассчитывают как среднемассовый

где Х[ — массовая доля частиц данного размера; — диаметр соответствующих фракций сыпучего материала.

Рассчитанная по уравнению (XXI,2) величина й_э получается меньше, чем по уравнению (XXI, 1). Чаще используют форму-

Порозность (пористость) слоя. Слой сыпучего материала в аппарате занимает объем У_сЛ, в котором часть объема V₄ занята твердыми частицами, а остальная часть V_n — пустотами. Объем

^d9 = S ^xi^di

(XXI,1)

или среднеповерхностный

(XXI,2)

лу (XXI,2).

пустот зависит от размеров и формы частиц, а также от способа их укладки. Отношение объема пустот к общему объему слоя на- зывается порозностью (пористостью) слоя, т. е.

8 = УпА'сл = (Уел -^Т/ч)/У_сл = ¹ —Vt/Vсл (XXI,3)

Очевидно, что величины 8 могут заключаться в пределах О < в < 1.

Для шарообразных частиц порозность можно вычислить теоре- тически. Установлено, что величина порозности таких частиц не зависит от их диаметра, а только от способа укладки частиц, и из- меняется в пределах от 0,26 до 0,48.

Порозность псевдоожиженного или транспортируемого слоя больше порозности того же материала в неподвижном состоянии. Если массу частиц в объеме слоя обозначить т_ч, то плотность насыпного слоя р_н будет равна

9п=т_ч/У_сл (XXI,4)

Насыпная плотность р_н и порозность связаны соотношением

рн = (1 — ^е) рч + £р (XXI,5)

где р_ч и р — плотность твердых частиц и движущейся среды. Тогда

рч—Рн 1 — рн/рч

Для газов или паров р_ч > р, т. е.

в« 1 —рн/рч (XX 1,7)

Следовательно, для определения величины порозности слоя 8 достаточно замерить насыпную плотность сыпучего материала р_н. Для разных материалов порозность неподвижного слоя обычно изменяется относительно в небольших пределах от 0,35 до 0,45. В среднем можно принять по-

розность псевдоожиженного слоя равной 0,40.

Эквивалентный диаметр поро- вых каналов. Между частицами слоя образуются поровые ка-

8 = -

Рч—р

1 — р/рч

(XXI,6)

Рис. XXI-2. Кривая распределения грану- лометрического состава частиц сыпучего материала.

налы, которые имеют переменное поперечное сечение, различную длину и ориентацию в пространстве. Если размеры частиц значи­тельно меньше диаметра слоя (в 10 и более раз), то получается большое количество поровых каналов, индивидуальные различия которых перестают проявляться. В этом случае

е - V_u/V_CJl« F_u/F_CJl = ф_с (XXI,8)

где F_n и F_Cji — площадь поперечного сечения поровых каналов и слоя; <р_с — относительная площадь поперечного сечения поровых каналов.

12 Молоканов ю. К. 357

Эквивалентный диаметр поровых каналов d_K можно определить следующим образом. Согласно определению

d_K=4F_n/n_n (XXI,9)

где П_п*— периметр поровых каналов, м.

Если обозначить среднюю длину поровых каналов через L_n, то выражение (XXI, 9) можно записать в следующем виде:

j 4Z⁷_UL_U 4FnLu/Vcn 4е /yyt

^{dK =} -rar= ivwkc =т ^(XXI,10)

где / — поверхность частиц в единице объема слоя.

Для шарообразных частиц диаметром d выражение (XXI, 10) пре­образуется к следующему:

(XXI,11)

а

f = 6(1 —8 )/d (XXI,12)

Таким образом, все основные характеристики монодисперс­ного слоя сферических частиц определяются его порозностью и диаметром частиц.

3. СОПРОТИВЛЕНИЕ СЛОЯ СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА

Слой сыпучего материала можно рассматривать как систему поровых каналов, по которым движется газ или жидкость. Режим движения среды в поровых каналах может быть ламинарным, пере­ходным и турбулентным в зависимости от величины числа Рей­нольдса

Re₀ = w₀d_Kp/ii (XXI, 13)

где w₀ — скорость в поровом канале.

Скорость фильтрации w и скорость в поровом канале w₀ свя­заны соотношением

w₀=w/& (XXI,14)

Так как 8 < 1, величина w₀ > w.

Приняв во внимание уравнения (XXI, 11) и (XXI, 14) можно записать уравнение (XXI, 13) в следующем виде:

Re₀ = w2& dp/гЗ (1 — е) \i = [2/3 (1 — в)] w dpfp = 2 Re₄/3 (1 — e) (XXI,15)

Таким образом, число Рейнольдса в поровом канале однозначно выражается через число Рейнольдса при обтекании частицы и по­розность слоя. Сопротивление слоя сыпучего материала можно рассчитать по известному уравнению из гидравлики трубопрово­дов

Ар =X(H_cn/d_K) (pwy2) (XXI,16)

в котором коэффициент гидравлического сопротивления X = = f (Reo). Обычно эта зависимость имеет вид

Я^Ло/Re? (XXI, 17)

Коэффициент А₀ и показатель степени п определяют экспери- ментально в зависимости от режима движения. Для ламинарного режима п = 1, в переходном режиме п < 1, а для турбулентного режима п = 0. Отсюда следует, что для ламинарного режима со- противление слоя пропорционально произведению а для тур- булентного режима пропорционально wl и не зависит от вязкости.

Использование уравнений типа (XXI, 17) требует знания ре- жима движения для правильного определения величин А₀ и п. Поэтому в практике расчетов используют также уравнение сле- дующего вида:

Х = А/Яе₀ + В (XXI, 18)

которое справедливо для любого режима движения.

Если принять во внимание уравнения (XXI, 11), (XXI, 14), {XXI, 15) и (XXI, 16), то для практических расчетов можно полу- чить следующее уравнение Эргу на:

₌ 15о AL^L.J^. + _1i75 J41. (xxi,19)

п_{с л} в а² 8^л d

которое соответствует А = 134 и В = 2,34 в уравнении (XXI, 18).

Если сопротивление слоя лимитировано, то из уравнения {XXI, 19) можно определить скорость и соответственно расход потока газа или жидкости.

Расчет трубопроводов и бункеров для сыпучих материалов. На установках каталитического крекинга, адсорбции, сушки и других аппаратах устанавливают бункера, служащие для хране-

P,<fc

Рис. XXI-3. Схема истечения сыпучего ма­териала из бункера:

1-1 — первоначальная поверхность сы­пучего материала; 1-2-1 — образование воронки в начале истечения.

I

Рис. XX1-4. К расчету трубопровода сы­пучего материала.

ния сыпучих материалов. С другими аппаратами бункера соеди­няются трубопроводами, по которым перемещаются сыпучие ма­териалы.

Бункер представляет собой конический сосуд или цилиндриче­ский сосуд с коническим днищем. Загруженный в бункер сыпу­чий материал (рис. XXI-3) образует слой высотой Я. При откры-

12*

359

тии отверстия в днище бункера сыпучий материал разгружается, если соблюдается условие а > ф, где а — угол наклона кониче- ского днища бункера к горизонту; ф — угол внутреннего трения.

Во всяком случае угол а не должен быть меньше угла есте- ственного откоса. Часто принимают а = 45°.

В отличие от истечения жидкостей из сосудов движение сыпу- чих материалов происходит неравномерно по поперечному сече- нию бункера, в результате этого в центре образуется воронка, постепенно достигающая стенок аппарата. В дальнейшем по мере разгрузки материала через нижнее отверстие стенки воронки обрушиваются. Среднюю скорость истечения сыпучего материала из отверстия бункера можно рассчитать по приближенному урав- нению

w =2,15^(1 —3,8d/d₀) (XXI,20)

где w — скорость истечения сыпучего материала; d — диаметр частиц, м; d₀ — диа- метр отверстия, м.

Объемный расход сыпучего материала

l'=owidjj/4 - (XXI,21)

массовый расход

G = Fp_H = юрнЯ<*8/4 (XXI ,22)

При перемещении сыпучего материала из одного аппарата в другой необходимо иметь соответствующую высоту сыпучего материала в соединительном трубопроводе, которая будет доста- точной, чтобы обеспечить движение сыпучего материала в том чис- ле и в зону более высокого давления (рис. XX1-4).

Если разность давлений в аппаратах Ар = р₂ — р_и то давле- ние слоя сыпучего материала в нижнем сечении трубопровода, равное gp_H#, должно удовлетворять условию

gp_RH > Ар (XX 1,23)

Вследствие фильтрации газа порозность сыпучего материала по высоте трубопровода изменяется. Кроме того, необходимо пре- одолеть трение сыпучего материала о стенки трубопровода. По- этому высота трубопровода должна быть взята с некоторым за- пасом .

Н=К(XXI,24) . ёР*

где К — коэффициент запаса; (1,2—1,3); для стояков циклонов /С> 3.

Пропускную способность трубопровода можно приближенно рассчитать по уравнениям (XXI,20)—(XXI,22).

4. ПСЕВДООЖИЖЕННЫЕ СИСТЕМЫ

Основные понятия. Как было отмечено ранее (см. рис. ХХ1-1)> при некоторой скорости движения среды частицы сыпучего мате- риала получают возможность хаотически перемещаться в слое.

Зернистый материал оказывается взвешенным в восходящем по­токе газа или жидкости и напоминает внешне кипящую жидкость. Отсюда и различные названия такого слоя: псевдоожиженный, кипящий, взвешенный.

Псевдоожиженный слой может существовать лишь в определен­ном диапазоне скоростей газа или жидкости. Первая критическая скорость w_KPl, называемая скоростью начала псевдоожижения, соответствует переходу слоя из неподвижного в псевдоожиженное состояние. Вторая критическая скорость w_KP2 соответствует раз­рушению псевдоожиженного слоя и его транспортированию (уносу). Отношение рабочей скорости потока ожижающего агента w к скорости начала псевдоожижения w_KPl называется числом псев­доожижения и обозначается W

W =w/w_Kp 1 (XXI,25)

Вследствие интенсивного перемещения частиц в кипящем слое значительно увеличивается скорость различных процессов (тепло- обменных, массообменных и др.). Вместе с тем это же обстоятель­ство приводит к выравниванию температур, концентраций и дру­гих рабочих характеристик, что в некоторых случаях является нежелательным.

Структура псевдоожиженного слоя. Псевдоожиженный слой представляет собой систему твердых частиц и газа (жидкости), которые находятся в интенсивном относительном движении. Структура такого слоя зависит от ряда факторов: скорости ожи-

♦

t

ш

4

I

Рис. XXI-5. Основные типы структур псевдоожиженного слоя (ПС): а — однородный ПС; б — ПС с барботажом газовых пузырей; в = ПС с поршнеобразо- ванием; г — слой с каналообразованнем.

жающей среды, диаметра аппарата и высоты слоя, формы частиц и их гранулометрического состава, плотностей частиц и среды.

На рис. XX1-5 даны основные типы структур псевдоожижен­ного слоя. При относительно небольшой разности плотностей твердых частиц и ожижающей среды (случай псевдоожижения жидкостью) псевдоожиженный слой имеет однородную структуру.

Ожижающий агент достаточно равномерно распределен в слое твердых частиц (рис. XX1-5, а). Такая же структура слоя возни­кает сразу после перехода слоя в псевдоожиженное состояние при ожижении газом (паром). В случае ожижения газом, движу­щимся с большой скоростью, однородная структура слоя нару­шается, и псевдоожиженный слой становится неоднородным. В первую очередь в нем появляются газовые полости (пузыри), которые вызывают интенсивное перемешивание частиц слоя и сильные колебания его верхней границы (рис. XX1-5, б).

При относительно небольшом диаметре аппарата и большой вы­соте слоя пузыри газа могут образовать значительные газовые включения (пробки), которые могут распространиться на все по­перечное сечение аппарата (рис. XXI-5, в). По высоте слоя обра­зуются слои твердого материала или «поршни» и газовые пробки, которые создают весьма неравномерное и неэффективное контак­тирование обеих фаз.

Существенное влияние на структуру псевдоожиженного слоя оказывает размер, форма и полидисперсный состав частиц. Круп­ные монодисперсные частицы способствуют образованию крупных пузырей. Увеличение полидисперсности такого слоя добавками более мелких частиц способствует повышению однородности псев­доожиженного слоя. Слишком мелкие частицы, склонные к агре­гатированию, образуют при малых числах псевдоожижения сквоз­ные каналы (рис. XXI-5, г), которые при больших скоростях газа могут исчезнуть или сохраняются вблизи газораспределительной решетки. Увеличение давления (плотности) газа способствует по­вышению однородности псевдоожиженного слоя.

5- ОБЛАСТЬ СУЩЕСТВОВАНИЯ ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ| ЙГ РАСЧЕТ ПРЕДЕЛЬНЫХ СКОРОСТЕЙ

Сопротивление псевдоожиженного слоя. Для двухфазной си­стемы, находящейся в псевдоожиженном состоянии, весьма харак­терной является зависимость сопротивления слоя от скорости ожижающего агента или так называемая кривая псевдоожижения (рис. XXI-6).

Участок OA кривой характеризует движение ожижающего агента через неподвижный слой. Для идеальной кривой псевдо­ожижения монодисперсного слоя точка А отвечает переходу слоя в псевдоожиженное состояние. Горизонтальный участок А В соот­ветствует состоянию псевдоожижения. Поскольку масса частиц слоя остается постоянной, сопротивление псевдоожиженного слоя не изменяется вплоть до второй критической скорости (точка В).

Реальная кривая показывает некоторое увеличение сопротивле­ния по сравнению с сопротивлением в псевдоожиженном состоя­нии (точка С), так как переход в псевдоожиженное состояние тре­бует затраты энергии на преодоление сил сцепления между ча­стицами слоя.

Величина сопротивления псевдоожиженного слоя может быть найдена из следующих соображений. Сила гидродинамического давления, обусловленная сопротивлением слоя, уравновешивается весом частиц слоя, находящихся в псевдоожиженном состоянии, т. е.

Лр/сл=Сч (XXI,26)

где /_Сл — площадь поперечного сечения слоя.

С учетом выталкивающей силы, направленной снизу вверх о* =g (Рч -р) (1 -S) H_CJ_CJI (XXI,27)

где #_сл — высота псевдоожиженного слоя; р_ч, р — плотность частиц и ожижа- ющего агента.

Следовательно

Ар = g(p₄-p) (1 -8) #_сл (XXI,28)

Хотя с увеличением скорости ожижающего агента w пороз- ность е и высота слоя Н_сл возрастают, однако произведение (1 — е) #_сл сохраняется неизменным. Следовательно, можно за- писать, что

(1 — в) Я_сл = (1 — во) Н₀ (XX 1,29)

где 8₀ и #о — соответственно порозность и высота неподвижного слоя

Отсюда выражение (XXI, 28) можно, представить следующим образом:

Ар = £ (Рч — р) (1 — 8₀) Н₀ (XXI ,30)

На практике величина сопротивления может отличаться на 10—15% от рассчитанной по уравнению (XXI, 30).

Критические скорости. Первую критическую скорость a>_KPl, соответствующую началу псевдоожижения (см. рис. XXI-6), можно определить, приравняв величину Ар по уравнениям (XXI, 19) и (XXI, 30) при средней величине порозности г₀ = 0,40. Одной из таких формул явля-

ется полученная О. М. Тодесом

⁼ 1400+5% 1/А7 ^(ХХ1'³¹⁾ где Re_KPl = w_KPl d/v — число Рей- нольдса: Аг = (gd?h²) (р_ч — р)/р — чи- сло Архимеда.

Рис. XXI-6. Кривая псевдоожижения: 1 — идеальная; 2 — реальная.

Вторую критическую скорость w_KPz можно определить анало­гично первой при условии, что 8 ->- 1. Эту скорость, называемую также скоростью витания, можно определить из уравнения

Re_Kp2 = Re_B = Ar/(l8 + 0,6 l/A?) (XX1,32)

где

Re_Kp2 = Re_B = w_Kp«d/v = w_Bd/v.

Для полидисперсной смеси в формулу (XXI, 31) подставляют средний диаметр частиц, а в формулу (XXI, 32) —диаметр тех частиц, унос которых определяют. Из уравнений (XXI, 31) и (XXI, 32) следует, что первая и вторая критические скорости сильно зависят от размера частиц и вязкости газа, увеличиваясь с возрастанием диаметра частиц и с уменьшением вязкости газа. Порозность кипящего слоя е для заданного гидродинамического режима определяют по формуле

8 = [(18 Re + 0,36 Re²)/Ar]⁰'²¹ (XXI,33)

Таким образом, псевдоожиженный слой может существовать в диапазоне скоростей, определяемых уравнениями (XXI, 31) и (XXI, 32):

^шах = w_K?2/w_Kpl = ш_в/ш_кр1 = (1400 + 5,22 /А?)/(18 + 0,61 /SF) (XXI,34)

Для мелких частиц величиной Аг можно пренебречь и в этом случае W_max 1400/18 78; для крупных частиц величина Аг значительна и 1Г_тах 5,22/0,61 8,6.

Следовательно, область существования псевдоожиженного слоя в сильной степени зависит от гранулометрического состава частиц слоя и может изменяться в значительных пределах.

6. ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Качество псевдоожижения сыпучего материала существенно зависит от конструкции газораспределительной решетки и спо­соба ввода газа в слой. В конических аппаратах распределение потока осуществляют без распределительных решеток; для этого вводят ожижающий агент в нижнюю конусную часть аппарата.

Применяемые в аппаратах с кипящим слоем газораспредели­тельные решетки могут быть провального и беспровального типов.

Провальные решетки (рис. XXI-7) представляют собой перфо­рированные пластины с отверстиями круглой или прямоугольной формы. Работа такой решетки сильно зависит от скорости газа в отверстиях решетки

w_0TB = ад/фо (XXI ,35)

где w — скорость газа (жидкости) в аппарате; ср₀ — относительное свободное се­чение отверстий решетки.

При малых скоростях газа в отверстиях в прилегающей к ре­шетке области кипящего слоя образуются пузыри. По мере уве­личения расхода газа скорость в отверстиях решетки возрастает и на выходе из них образуются факелы, которые распространяются на большую или меньшую высоту слоя. Среднюю дальнобойность струи Я_ф в метрах в кипящем слое можно рассчитать по следую­щему уравнению:

Яф=2К⁰'³⁵ (XXI,36)

где V — расход ожижающего агента, м³/с. 364

>1 я	УД		тт	WA
	do	т6	tw

Е

клапанного типа (d

диаметр

Если сопротивление решетки меньше сопротивления слоя, то даже при относительно небольших изменениях сопротивления решетки при разных рабочих скоростях происходят большие коле­бания скоростей газа в слое.

Непровальные распределительные решетки (рис. XXI-8) обычно состоят из трубной решетки (плиты), в которой закреплены

колпачки той или иной конструкции. Обычно площадь попереч­ного сечения выходных отверстий колпачка меньше площади входного сечения патрубка. Это позволяет создать достаточно большую скорость газа при выходе в псевдоожиженный слой. Чтобы уменьшить возможность образования пузырей, рекомен­дуется избегать столкновения газовых струй, выходящих из отвер­стий смежных колпачков, между собой, а также с основанием труб­ной решетки. Следует отдавать предпочтение более мощным на­стильным струям, обеспечивающим интенсивное перемешивание твердых частиц в прирешеточной зоне.

Для ориентировочной оценки величины относительного свобод­ного сечения распределительной решетки ф₀ при разных числах псевдоожижения W можно пользоваться следующим уравнением:

W=ay°_Q>²² (XXI,40)

Коэффициент а ^ 22 для монодисперсного слоя и а ^ 25 для полидисперсных частиц размером от 0,1 до 1,5 мм.

Сопротивление колпачковой решетки можно определить по уравнению

^_Р=3,1(1-ф2)ри4_в (XXI,41)

Для защиты от воздействия высоких температур распредели­тельные решетки покрывают тепловой изоляцией.

7. УНОС ТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА ИЗ ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ

Выходящей из псевдоожиженного слоя газ захватывает ча­стицы сыпучего материала и выносит их в пространство над псевдо- ожиженным слоем. С увеличением скорости газа масса выноси­мого из слоя материала возрастает.

J Часть крупных частиц, вынесенных из

кипящего слоя, может возвратиться обратно, осев под действием силы тя- "g жести. Как более мелкие, так и крупные

сг частицы, получившие большой началь-

1 ный импульс, будут перемещаться

Рис. XXI-9. Общий вид зависимости уноса сыпучего материала от скорости газа.

с потоком газа и в конце [концов будут вынесены из аппарата. Чтобы уловить унесенные частицы твердого материала и воз- вратить их в кипящий слой, поток газа предварительно очи- щают в циклонах. При достаточной высоте сепарационного про- странства крупные частицы могут быть отделены отстаиванием.

Хотя в первую очередь из слоя выносятся частицы, скорость витания которых меньше скорости потока над кипящим слоем,

однако вследствие соударений частиц между собой часть мелких частиц остается в кипящем слое. Поэтому даже при длительной: продувке слоя без возврата мелочи в кипящем слое остаются мелкие частицы со скоростью витания меньше, чем скорость газа в аппарате. Общий характер зависимости уноса частиц от скоро­сти потока газа дан на рис. XX1-9.

Величину относительного уноса из кипящего слоя можно> определить из следующего уравнения:

^₌6f-P-/FrV'³⁷ (XXI, 42>

Gr \ Рч /

где Fr = w²/gd — число Фруда; w — скорость ожижающего агента; G_y — масса- уносимого твердого материала; G_r — расход газа; / — потенциальное содержа­ние пыли в слое, т. е. доля твердых частиц, которые могут быть унесены из псев­доожиженного слоя при данной скорости, доли единицы; 'р и p_q — плотности ожижающего агента и частиц.

Скорость уноса, отнесенная к единице площади поперечного сечения аппарата F_a

w_y = G_y/F_a (XXI,43>

Запыленность газового потока q над слоем

Из приведенных уравнений следует, что запыленность газа значительно возрастает с увеличением скорости газа (в степени 2,74) и его плотности (в степени 2,37). Поэтому в аппаратах, рабо­тающих под давлением, при прочих равных условиях вынос ма­териала из кипящего слоя больше, чем при атмосферном давлении. Вынос твердых частиц из кипящего слоя определяет запыленность, газового потока и нагрузку циклонов, улавливающих эти частицы.

8. ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ТРАНСПОРТ

Транспорт сыпучих материалов по трубопроводам в потоке газа или пара (пневмотранспорт) получил широкое распространение- на различных установках нефтегазопереработки для перемещения катализаторов, контактных масс, твердых теплоносителей. Про­мышленные системы пневмотранспорта могут работать при 600 °С и выше. Циркуляция катализатора на установках каталитического^ крекинга достигает 1000 кг/с и более.

Чтобы обеспечить транспорт сыпучего материала потоком газа (пара), необходимо создать определенную скорость транспорти­рующего агента. Эта скорость должна быть больше скорости вита_: ния наиболее крупных частиц сыпучего материала.

Скоростью витания частицы называется такая скорость газа, при которой частица переходит во взвешенное состояние. Скорость витания рассчитывают по уравнению (XX 1,32). Скорость витания с учетом объемной концентрации твердого материала а = 1 — е

в транспортирующем потоке можно определять по следующему уравнению, которое аналогично уравнению (XX 1,32):

_(ХХМ5)

18 +0,6 J/ Аг(1—а)⁴'⁷⁵

В зависимости от величины объемной концентрации твердой фазы в транспортирующем потоке различают следующие разновид­ности пневмотранспорта: низкой концентрации (объемная концен­трация твердой фазы не более 0,05 м^/м³); средней концентрации (объемная концентрация твердой фазы не более 0,20 м³/м³) и вы­сокой концентрации, когда содержание твердой фазы в потоке превышает 0,20 м^м³. Выбор той или иной системы пневмотранс­порта для технологической установки обусловлен осуществляемом в ней процессом.

Скорость транспортирующего агента в трубопроводе может достигать 25—30 м/с. Скорость движения твердых частиц несколько меньше скорости транспортирующего агента. Разность скоростей газа и частиц называется скоростью скольжения, а их отношение — коэффициентом скольжения. Величина коэффициента скольжения К_с обычно изменяется от 1,3 до 3.

Для сопоставления различных систем пневмотранспорта ис- лользуют следующие показатели.

Отношение массового расхода твердого материала к массовому расходу газа называется коэффициентом взвеси т

т — G_T/G_r (XXI ,46)

тде G_T и G_r — расходы твердого материала и газа, кг/с или кг/(с-м²).

Если взять отношение объемных расходов твердого материала и газа, то получим объемный коэффициент взвеси т₀

m_Q = V₇/V_r = (G_T/G_r) (р/р_ч) = mp/p_q (XXI ,47)

тде р и р_ч — плотности ожижающего агента и частиц.

Эти коэффициенты характеризуют относительную загрузку си­стемы пневмотранспорта транспортируемым материалом. Текущая массовая концентрация твердого материала К_Т определяется из соотношения

К_Т = G_T/y_r = G_Tp/F_rp = mp (XXI ,48)

Важной характеристикой является также удельная массовая производительность трубопровода

q_T=G_T/F (XXI,49) •где F — площадь поперечного сечения пневмоподъемника.

Дозеры и захватывающие устройства. Чтобы обеспечить необ­ходимое соотношение между расходами твердого материала и транспортирующего газа, в нижней части подъемного трубопро­вода устанавливают дозеры различных конструкций. На рис. XX1-10 представлен двухпоточный дозер с пневматическим регулированием производительности. Первичный или основной

поток газа подается в диффузор 3, которым заканчивается внизу пневмоподъемник L Чтобы создать благоприятные условия для захвата сыпучего материала, в дозер подается вторичный газ (при­мерно 20% от общего потока), который способствует псевдоожи­жению сыпучего материала вокруг диффузора. Сыпучий материал подается в дозер через верхний патрубок, соединенный с напорным стояком, в котором материал движется под действием силы тя­жести. Производительность регулируется изменением соотно­шения первичного и вторичного потоков газа.

На рис. XXI-11 показан узел смешения порошкообразнога катализатора с транспортирующим газом. Поток транспортиру­ющего газа вводится примерно по касательной к потоку твердого* материала, обеспечивая его разгон до соответствующей скорости.

Сопротивление при пневмотранспорте. При пневмотранспорте на высоту Я общее сопротивление Ар складывается из следующих величин:

1) статического напора транспортируемого материала и транс­портирующего агента

Api = [(1 -е) _Рч + ер] gH (XXI,50)

дозера; 3 — диффузор.

При транспортировании твердого материала потоком газа обычно вторым слагаемым в уравнении (XXI,50) можно пренебречь.

2) потерь напора вследствие трения транспортирующего агента о стенки трубопровода

Ар₂ =Я₂ (tfi/D) (рш²/2) (XXI,51>

где Н_г — приведенная длина пневмоствола с учетом местных сопротивлений^ D — диаметр пневмоствола; w — скорость газа.

Коэффициент сопротивления определяют из уравнений ги­дравлики (см. главу II).

3. потерь напора на трение транспортируемых частиц о стенки трубопровода

Ар₃ =Х_г (HJD) («в?/2) _Рч (1 -8) (XXI,52)

Коэффициент трения транспортируемых твердых частиц Х₃ ^ ^ 0,05. Скорость транспортируемых твердых частиц w₄ опреде­ляется с учетом коэффициента скольжения К_с

w₄ = W/Kq (XX 1,53)

3. потерь напора на разгон транспортируемого материала от нулевой скорости до скорости w₄

Ap₄ = (w²j2)₉₄ (XXI,54)

Общее сопротивление при пневмотранспорте равно

Ар = A_Pl + Др₂ + Ар₃ + Др₄ (XXI,55)

В большинстве случаев составляющая общего сопротивления Д/?1 является основной величиной. С увеличением концентрации твердого материала в пневмостволе а = 1 — 8 возрастает сопро­тивление трубопровода и требуется большее давление в нижней части пневмоствола.

Вместе с тем уменьшается расход транспортирующего агента, его скорость, снижается износ пневмоствола и т. п. Эти обстоя­тельства должны приниматься во внимание (наряду с технологи­ческими требованиями процесса) при расчете систем пневмо­транспорта.