ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПСЕВДООЖИЖЕНИЯ

Для ускорения ряда гетерогенных процессов в цветной металлургии (сушка, обжиг, выщелачивание), наряду с другими, широко используется метод псевдоожижения.

Под псевдоожижением понимают превращение слоя зернистого материала под воздействием проходящего через него газа или жидкости в «псквдожижкость» (так называемый «кипящий слой»). Псевдоожиженный слой подобен капельной жидкости и подчиняется законам гидростатики.

Наглядное представление о «кипящем слое» можно получить, пропуская жидкость (газ) снизу вверх в вертикальной трубе через сетку (или решетку) с расположенным на ней слоем шаров (частиц) одинакового размера (рис.1).

На рис.2 изображена кривая псевдоожижения монодисперсного слоя в аппарате постоянного сечения f, выражающая зависимость перепада давления в слое DP от скорости ожижающего агента W.

При малых скоростях жидкости в трубе (восходящая ветвь ОА, рис.2) частицы слоя остаются неподвижными, и жидкость фильтруется через слой (так называемый фильтрующий слой). Когда потеря напора жидкости сделается равной весу частиц, приходящихся на единицу сечения трубы, объем слоя скачком увеличивается на 5-15%, и слой порошка, приходя в движение, приобретает все свойства жидкости: тяжелые предметы в нем тонут, легкие всплывают. Скорость, соответствующая началу псевдоожижения (точка А) называется нижней критической скоростью псевдоожижения . Дальнейшее увеличение скорости жидкости, интенсифицируя движения частиц, вызывает увеличение «кипящего слоя». При этом падение напора в слое растет очень медленно, оставаясь практически постоянным до величины (верхняя критическая скорость, т.В). При скоростях, больших чем , наблюдается вынос частиц и давление понижается. Аналогичные этапы состояния псевдоожиженной двухфазной системы можно наблюдать на графике, представленном координатами: плотность слоя – скорость газа (жидкости) (рис.3). На этом графике: участок «а-б» - характеризует неподвижный слой; «б-в» – «кипящий слой»; «в-д» – «взвешенное состояние».

Рис.1. Модель аппарата для изучения процесса псевдоожижения

Рис.2. Кривые идеального (ОА) и реального (ОМ) псевдоожижения	Рис.3. Зависимость плотности «КС» от скорости потока

Форма реальных кривых псевдоожижения заметно отличается от идеальной наличием «пика давления» (рис.2, точка М) в момент перехода слоя в псевдоожиженное состояние ( преодоление сил сцепления частиц), что ведет к расширению слоя скачком (в среднем на 10%). Кроме того на форму реальной кривой псевдоожижения значительное влияние оказывают состояние и структура слоя.

К важнейшим технологическим параметрам псевдоожижения относятся перепад давления в слое DР, значения критических скоростей и , предельно допустимая степень полидисперсности смеси твердых частиц D_max, порозность слоя e, число псевдоожижения W, относительное расширение слоя R.

Величина DР может быть найдена из условия равенства силы гидродинамического слоя эффективному весу твердых частиц G:

(1)

Учитывая порозность псевдоожиженного слоя e и выталкивающую (архимедову) силу, пропорциональную разности удельных весов частиц g_т и псевдоожижающего агента g, имеем:

(2)

где Н – высота псевдоожиженного слоя.

Таким образом:

(3)

Так как с повышением скорости e и Н возрастают, и, следовательно, в аппарате постоянного сечения произведение (1 – e) остается неизменным, то в выражении (3) значения e и Н можно взять такими, как у неподвижного слоя.

На практике, вследствие недостаточного полного псевдоожижения, каналообразования, появления застойных зон значение DР нередко несколько ниже (на 10-15%), рассчитанного по формуле (3).

Для расчета нижней критической скорости псевдоожижения можно использовать формулу, связывающую величины критериев Рейнольдса (Re) и Архимеда (Ar):

(4)

где

(5)

(6)

в которых

d – диаметр частиц (см);

n – кинематическая вязкость (см²/с);

gт и g – плотности материала частиц и жидкости (газа) (г/см³).

В случае частиц неправильной формы вместо d в выражении (5) и (6) следует подставлять эквивалентный диаметр d_э, при котором объем шарообразной частицы и частицы неправильной формы равны:

(7)

Для определения верхней критической скорости нужно воспользоваться другой формулой:

(8)

где

Для определения можно также воспользоваться выражением:

(9)

Предельное отношение размеров наибольшей и наименьшей частицы в смеси D_max, выше которого мелкие частицы будут вынесены из слоя прежде, чем крупные перейдут в псевдоожиженное состояние можно рассчитать, используя критерий Лященко (Ly):

(10)

где G_o – вес частицы данного диаметра d в жидкости.

Все частицы в жидкости можно рассчитать по формуле:

(11)

В табл.1 приведены значения D_max в зависимости от величины Ly.

Таблица 1

Порозностью e называют отношение объема, занятого ожижающим агентом V к полному объему псевдоожиженного слоя V_п. Отношение объема, занятого твердым материалом V_т , к полному объему равно (1 – e). В неподвижном слое величина e близка к 0,4. С повышением скорости e возрастает, составляя 0,45÷0,7 (плотная фаза); 0,7-0,8 (разбавленная фаза); при уносе e → 1.

Числом псевдоожижения W является отношение рабочей скорости ожижающего агента W к скорости начала псевдоожижения :

Часто, при эксплуатации аппаратов, важно оценить диапазон псевдоожиженного состояния, в котором существует псевдоожиженная система W_max:

Относительным расширением слоя R называют отношение объема псевдоожиженного слоя к объему неподвижного слоя.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: