Вентилятор; 7- штуцер для высушенного материала; 8-транспортер; 9- циклон;

Аэродинамические основы энергоэффективных теплотехнологических процессов двухфазных потоков

Описание взаимодействия двухфазных потоков с твердыми поверхностями обтекаемых тел является одной из актуальных задач механики, что обусловлено широким кругом проблем, возникающих в технических приложениях. Такие задачи возникают при проектировании теплоэнергетических установок и химико-технологических аппаратов с двухфазным рабочим телом (теплообменников, камер сгорания, сушильных аппаратов), при производстве порошковых материалов, при «холодном» и плазменном напылении с использованием специально организованных высокоскоростных двухфазных струй, в современных технологиях нанесения микросхем с помощью аэрозольных пучков и многих других технологическихпроцессах.

В перечисленных приложениях двухфазные потоки представляют собой смесь газа с частицами (твердыми или жидкими), объемная концентрация которых обычно мала, однако (из-за различия на несколько порядков плотностей фаз) проявляются эффекты инерционности частиц, а локальная массовая концентрация дисперсной фазы может достигать конечных значений. Наличие дисперсной примеси приводит к значительному изменению как локальных (например, местных коэффициентов трения и теплообмена), так и глобальных (положение ударных волн, структура отрывных зон) характеристик обтекания твердых поверхностей. В настоящее время для математического описания двухфазных сред типа «газ- инерционные частицы» широко используется модель взаимопроникающих континуумов, каждый из которых относится к определенной фазе вещества. Вблизи твердых границ структура двухфазных течений резко усложняется: здесь становятся определяющими эффекты вязкости и теплопроводности несущей фазы, что при математическом описании приводит к появлению малых параметров при старших производных. В межфазном обмене импульсом требуется учет «сдвиговости» потока, приводящей к поперечной миграции частиц под действием подъемных сил Сэфмана. В случае газокапельных течений на обтекаемой поверхности возможно образование жидкой пленки. Кроме того, именно вблизи твердых границ возникают локальные зоны пересечения траекторий частиц, разрывы параметров и узкие зоны накопления дисперсной фазы. Учет перечисленных факторов требует создания новых математических моделей, разработки комплексных 2 асимптотических и численных методов их исследования, а также постановки и проведения экспериментов с использованием специального оборудования и уникальных измерительных методик

Аэродинамика сплошного потока в двухфазных системах Условия псевдоожижения

Псевдоожиженным называется такое состояние двухфазной системы твердые частицы — газ (или жидкость), которое характеризуется перемещением твердых частиц относительно друг друга в результате подвода энергии от какого-либо источника. Псевдо-ожиженная система, возникшая под воздействием ожижающего агента, получила название псевдоожиженного, или кипящего, слоя, так как этому слою присущи многие свойства капельной жидкости.

Псевдоожиженный слой образуется при восходящем движении ожижающего агента через слой зернистого материала со скоростью, позволяющей поддерживать слой материала во взвешенном состоянии.

За последние десятилетия процессы в псевдоожиженном слое получили широкое распространение во многих отраслях промышленности. В псевдоожиженномслое проводят смешивание, транспортирование, классификацию сыпучих материалов, теплообмен, сушку, например зерна, адсорбцию и др. Это объясняется следующими его достоинствами:

– происходит интенсивное перемешивание твердой фазы, которое приводит к выравниванию температур и концентраций в рабочем объеме аппарата, что исключает локальный перегрев твердых частиц, препятствующий оптимальному проведению процесса и ухудшающий качество продукции;

– текучесть псевдоожиженного слоя позволяет создавать аппараты непрерывного действия с непрерывным вводом и отводом отработанной твердой фазы;

– происходят резкое увеличение площади поверхности тепло- и массопередачи и снижение диффузионных сопротивлений в псевдоожиженном слое благодаря использованию частиц малого диаметра с большой удельной поверхностью, что позволяет увеличить производительность аппаратов при проведении некоторых сорбционных, тепловых и других процессов;

– коэффициенты теплоотдачи и эффективная теплопроводность от псевдоожиженного слоя к поверхностям нагрева достаточно высоки, что позволяет значительно интенсифицировать теплообменные процессы и, как следствие, уменьшить рабочие объемы теплообменных аппаратов;

– в аппаратах с псевдоожиженным слоем гидравлическое сопротивление невелико и не зависит от скорости ожижающего агента в пределах существования псевдоожиженного слоя;

– диапазон свойств твердых частиц и ожижающих агентов (газы, пары, капельные жидкости) достаточно широк и включает в том числе пастообразные материалы и суспензии;

– аппараты для проведения процесса довольно просты, их легко механизировать и автоматизировать.

Наряду с большими достоинствами методу проведения процессов в псевдоожиженном слое присущи и недостатки:

– вследствие интенсивного перемешивания твердой фазы в пределах одной секции движущая сила по сравнению с максимально возможной снижается;

– время пребывания частиц и ожижающего агента в пределах одной секции неравномерно;

– частицы в псевдоожиженном слое интенсивно истираются;

– пыль, образующаяся при истирании частиц, уносится, и рабочая скорость ожижающего агента ограничивается скоростью уноса твердых частиц из слоя. Это вызывает необходимость установки пылеулавливающих устройств;

– при псевдоожижении частиц диэлектрических материалов возможно возникновение зарядов статического электричества, что делает установку взрывоопасной.

Указанные недостатки метода псевдоожижения не являются определяющими и могут быть частично или полностью устранены.

Аппараты с псевдоожиженным слоем используются для перемещения и смешивания сыпучих материалов, для проведения процессов обжига, теплообмена, сушки, адсорбции, каталитических и других процессов.

Гидродинамическая сущность процесса псевдоожижения состоит в следующем. Если через слой твердых частиц, расположенный на поддерживающей перфорированной решетке аппарата, проходит поток псевдоожижающего агента (газа или жидкости), то состояние слоя оказывается различным в зависимости от скорости этого потока (рис. 1).

Состояние псевдоожижения зернистого материала наступает, когда через слой пропускают газ с так называемой критической скоростью, при которой он разъединяет частицы зернистого материала и уменьшает трение между ними. Слой сыпучего материала приобретает свойства жидкостей: имеет свою «вязкость», «удельный вес», постоянный уровень и может течь по желобу. Поверхность материала напоминает кипящую жидкость.

В условиях псевдоожижения чрезвычайно интенсифицируются процессы тепло- и массообмена между частицами твердого материала и газом, поэтому аппараты с псевдоожиженным (кипящим) слоем находят все более широкое применение в различных отраслях .промышленности. При продувании газа через слой сыпучего материала наблюдаются следующие режимы (см. рисунок):

1) фильтрация – газ проходит по каналам между неподвижными частицами материала;

2) псевдоожижение – интенсивное перемешивание частиц, сопровождающееся «вспуханием слоя» – увеличением его объема на 20—50%;

3) фонтанирование – газ прорывается через слой материала большими пузырями, происходит подбрасывание материала;

4) унос материала с потоком газа (режим пневмотранспорта).

Рис.1.Движение газа через слой сыпучего материала: a - фильтрация газа; б-псевдоожижение; в-фонтанирование; г-пневмотранспорт

Скорость газа, отнесенная к свободному сечению аппарата, соответствующая началу псевдоожижения, называется критической. Аппараты с псевдоожиженным слоем работают в сравнительно узком интервале скоростей продуваемого воздуха или газа. Эта скорость должна быть больше критической, но меньше скорости уноса частиц.

Минимальная толщина слоя, обеспечивающая устойчивую работу аппарата, 150 – 200 мм. Для увеличения производительности аппарата и размещения теплообменных элементов в слое материала толщину иногда увеличивают до 700 – 800 мм. Дальнейшее увеличение слоя не рекомендуется, так как при этом возрастает гидравлическое сопротивление системы. Высота свободного пространства над слоем материала должна превышать высоту взлета частиц при случайных выбросах.

Гидравлическое сопротивление кипящего слоя остается постоянным независимо от скорости газа.

При плавном увеличении скорости потока от нуля до некоторого критического значения происходит обычный процесс фильтрования, при котором твердые частицы остаются неподвижными. На графике процесса псевдоожижения (рис. 2.), называемом кривой псевдоожижения и выражающем зависимость перепада статического давления в слое зернистого и пылевидного материалов от скорости псевдоожижающего агента, восходящая линия АВ соответствует процессу фильтрации.

В случае малого размера частиц и невысоких скоростей фильтрации режим течения агента в слое ламинарный и отрезок АВ представляет собой прямую линию. Для крупных частиц при достаточно высоких скоростяхпсевдоожижающего агента перепад давления с увеличением скорости растет нелинейно (для переходного и турбулентного режимов).

Для процесса фильтрации гидравлическое сопротивление определяется по формуле:

и критерий Рейнольдса вычисляется по формуле

Переход от процесса фильтрации к состоянию псевдоожижения соответствует на кривой псевдоожижения скорости жидкости (газа) , называемой скоростью начала псевдоожижения. В начальный момент псевдоожижения масса зернистого материала, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения аппарата, уравновешивается силой гидравлического сопротивления слоя:

где – масса материала в слое и площадь поперечного сечения аппарата соответственно.

С учетом Архимедовых сил, действующих на частицы слоя, это выражение можно представить в виде

где – плотность, порозность и высота неподвижного слоя соответственно.

Рис.2. Зависимость высоты зернистого слоя(а) и его гидравлического сопротивления(б) от скорости потока

При скорости начала псевдоожижения и выше сопротивление слоя сохраняет практически постоянное значение и зависимость выражается прямой линией АВ, параллельной оси абсцисс. Это связано с тем, что с ростом скорости псевдоожижающего агента контакт между частицами сокращается и они получают большую возможность хаотического перемешивания по всем направлениям. При этом возрастает среднее расстояние между частицами, т.е. увеличиваются порозность слоя и его высота. Высоту расширившегося слоя можно определить из условия сохранения постоянства перепада давления в псевдоожиженном слое:

откуда .

В зависимости от свойств псевдоожижающего агента и его скорости можно наблюдать несколько стадий процесса. При скоростях псевдоожижающего агента, незначительно превышающих скорость начала псевдоожижения, т.е. при имеет место однородное(спокойное) псевдоожижение.

При псевдоожижении газом по мере роста скорости в слое образуются компактные массы газа (пузыри) и на поверхности слоя появляются всплески твердых частиц. При этом наблюдаются значительные пульсации статического и динамического напоров псевдоожижающего агента. Такой характер гидродинамики слоя называется неоднородным.

При достижении некоторого второго критического значения скорости твердые частицы начинают выноситься из слоя и их количество в аппарате уменьшается. Эта скорость называется скоростью уноса . Порозность такого слоя стремится к единице и сопротивление слоя падает.

В инженерных расчетах очень важно оценить пределы существования псевдоожиженного слоя, т.е. определить значения скоростей и .

Отношение рабочей скорости , значение которой должно находиться в пределах между и , к скорости начала псевдоожижения называется числом псевдоожижения:

В случае монодисперсного слоя для расчета скорости начала псевдоожижения можно вопользоваться зависимостями

, .

Скорость начала уноса, при которой происходят разрушение слоя и массовый унос частиц, определяют аналогично расчету скорости свободного осаждения частиц по уравнению, пригодному для всех режимов движения частиц:

, .

Аппараты с псевдоожиженным слоем работают, как правило, непрерывно, хотя в некоторых случаях их применяют для периодических процессов. Они являются аппаратами идеального смешения: вследствие интенсивного перемешивания во всех точках устанавливается практически одинаковый состав материала и одинаковая температура.

Эти аппараты не рекомендуется использовать для обработки слипающихся материалов. Их применяют для сушки зернистых, порошкообразных и пастообразных материалов.

Аппараты с псевдоожиженным слоем выполняются в виде круглой или прямоугольной камеры с плоским дном как с постоянным сечением, так и с камерой в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды, расширяющихся кверху. В дне камеры имеются сопла (отверстия), через которые в слой сыпучего материала вдувают газ. Имеются, однако, конструкции, в которых плоское дно отсутствует, а газ вводится через сопло в нижней части конического бункера или через кольцевую щель.

Конструкции аппаратов с псевдоожиженным слоем чрезвычайно разнообразны. Они зависят от целого ряда специфических свойств продуктов и требований к данному процессу.

Наиболее распространены однокамерные сушилки непрерывного действия.

Высушиваемый материал подается из бункера 1 питателем 2 в слой материала, «кипящего» на газораспределительной решетке 3 в камере 4 сушилки. Сушильный агент — горячий воздух или топочные газы, разбавленные воздухом, который подается в смесительную камеру 5 вентилятором 6,— проходит с заданной скоростью через отверстия решетки 3 и поддерживает на ней материал в кипящем (псевдоожиженном) состоянии. Высушенный материал ссыпается через штуцер 7 несколько выше решетки 3 и удаляется транспортером 8. Отработанные газы очищаются от унесенной пыли в циклоне 9 и батарейном пылеуловителе 10, после чего выбрасываются в атмосферу.

Рисунок 3.Однокамерные сушилки непрерывного действия. 1-бункер; 2-питатель;

3- газораспределительная решетка; 4-камера сушилки; 5-смесительная камера;

вентилятор; 7- штуцер для высушенного материала; 8-транспортер; 9- циклон;

Батарейный пылеуловитель

Многокамерные сушилки.Состоят из двух и более камер, через которые последовательно движется высушиваемый материал. Камеры располагаются либо рядом, либо одна над другой. Горячий воздух с большой скоростью подается через отверстия решетки, расположенной в нижней части каждой камеры. Материал поступает в верхнюю камеру, подсушивается в ней и пересыпается в нижнюю камеру, из которой удаляется высушенный материал. Воздух подается в каждую камеру отдельно и отводится из камер в общий коллектор для очистки от пыли, после чего выбрасывается в атмосферу. Над решеткой верхней камеры установлен механический разрыхлитель для комкающегося высушиваемого материала.

Рисунок 4. Многокамерная сушилка с последовательным передвижением материала:1, 2-штуцеры для входа и выхода сушильного агента; 3, 4-трубы для подачи и отвода материала;5-распределительная решетка; 6-переточная труба; 7-затворы

Достоинства: можно высушивать зернистые, сыпучие, пастообразные и жидкие материалы, процесс протекает очень интенсивно в силу значительного увеличения поверхности контакта между частицами материала и сушильным агентом, компактность, надежность.

Недостатки: повышенный расход электроэнергии, невысокая интенсивность процесса при сушке тонкодисперсных продуктов, значительное истирание частиц материала и, как следствие, образование большого количества пыли, прохождение газа в больших пустотах (пузырях) происходит без плотного контакта с основным объёмом зернистого продукта.

Метод кипящего слоя особенно распространён в промышленных отраслях, он используется для осуществления процессов сушки во взвешенном слое, катализа, грануляции, кристаллизации, обжига, прокаливания, газификации и пиролиза топлива, адсорбционных и десорбционных процессов и прочих.

Список литературы

1.Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической

технологии / А.Г. Касаткин. – 2-е изд., стер.идораб. – М.: Альянс, 2005.

2.Дытнерский, Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии.

В 2 ч. Ч. 2. Массообменные процессы и аппараты / Ю.И. Дытнерский. – М.: Химия, 2002. – 368 с.

3. Лыков, М.В. Сушка в химической промышленности / М.В. Лыков. – М.: Химия, 1970. – 429 с.

4. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Ленинград «ХИМИЯ». Ленинградское отделение 1987 г. 576 с.

Дата добавления: 2020-11-29; просмотров: 61; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!