Н.А. Галактионова
Промышленная экология
Учебное пособие для студентов заочного отделения / Москва: Международный независимый эколого-политологический университет, 2002

Тема 4. Основные технологические процессы

4.4. Гидромеханические процессы

4.4.5. Псевдоожижение

Псевдоожижение – П. твердого зернистого материала называют приведение его в такое состояние, при котором его свойства по многим показателям приближаются к свойствам жидкости; такое состояние достигается в результате пропускания через слой свободно лежащего твердого зернистого материала восходящего потока газа или жидкости. Псевдоожиженный слой принимает форму вмещающего его аппарата, его поверхность горизонтальна. Обнаруживаются и другие свойства, присущие жидкостям – текучесть, «вязкость» и поверхностное натяжения. Тела, имеющие меньший удельный вес, чем псевдоожиженный слой, в нем, а больший – тонут.

Широкое применение техника псевдоожижения нашла в связи с рядом важных преимуществ. Твердый зернистый материал в псевдожиженном состоянии вследствие текучести можно перемещать по трубам, что позволяет многие периодические процессы осуществлять непрерывно. Благодаря интенсивному перемешиванию твердых частиц в псевдожиженном слое выравнивается поле температур, устраняется возможность значительных локальных перегревов, хотя при этом происходит уменьшение движущей силы процесса.

Процессы, в которых псевдоожижение широко применяется:

1)  Химические: каталитический крекинг нефтепродуктов, гетерогенные каталитические реакции, газификация топлива, обжиг сульфидных руд и т.д.

2)  Физические и физико-химические: сушка мелкозернистых, пастообразных и жидких материалов, адсорбционная очистка газов, нагрев и охлаждение газов и др.

3)  Механические: обогащение, классификация, гранулирование, смешение и транспортировка зернистых материалов.

Гидродинамическая сущность процесса псевдоожижения заключается в следующем. Если через слой зернистого материала, расположенного на поддерживающей перфорированной решетке аппарата, проходит поток псевдоожижающего агента (газа или жидкости), то состояние слоя оказывается различным в зависимости от скорости этого потока.

При плавном увеличении скорости от «0» до некоторого первого критического значения происходит обычный процесс фильтрования, при котором твердые частицы неподвижны (рис. 4.16, а). На графике процесса псевдоожижения (рис.4.17), называемом кривой псевдоожижения и выражающем зависимость перепада статического давления в слое зернистого материала от скорости псевдоожижающего агента, процессу фильтрации соответствует восходящая ветвь ОА.

Рис. 4.16. Различные состояния слоя зернистого материала при прохождении через него потока газа (жидкости):
а – неподвижный слой (режим фильтрации); б – однородный псевдоожиженный слой при W ³ Wпс; в – неоднородный псевдоожиженный слой

Переход от режима фильтрации к состоянию псевдоожижения соответствует на кривой псевдоожижения критической скорости псевдоожижающего агента Wпс (точка А, рис. 4.17, называемой скоростью начала псевдоожижения.

Рис. 4.17. Изменение перепада давления в зависимости от скорости потока, проходящего через слой (кривая идеального псевдоожижения)

Начиная со скорости псевдоожижения и выше сопротивление слоя DР_сп сохраняет практически постоянное значение и зависимость DР = f(W) выражается прямой АВ, параллельной оси абсцисс. Это объясняется тем, что с ростом скорости псевдоожижающего агента контакт между частицами уменьшается и они получают большую возможность хаотического перемешивания по всем направлениям. При этом возрастает среднее расстояние (просветы) между частицами, т.е. увеличивается порозность слоя, а следовательно его высота h. Порозность неподвижного слоя e₀ – это отношение

e₀ = (V₀ – V) /V₀,

где V и V₀ – объем неподвижного слоя и объем частиц.

В зависимости от свойств псевдожижающего потока и его скорости можно наблюдать несколько стадий процесса псевдоожижения. При скоростях псевдоожижающего агента, незначительно превышающих критическую скорость Wпс, т.е. при W ³ Wпс, наблюдается так называемое однородное («спокойное») псевдоожижение (рис. 4.16,б).

По мере роста скорости при псевдоожижении газов в слое возникают компактные массы газа («пузыри», «каверны»), интенсивно турбулизирующие твердые частицы и образующие всплески зернистого материала на поверхности. При этом наблюдаются значительные пульсации статического и динамического напора псевдоожижающего агента. Такой характер гидродинамики слоя называется неоднородным псевдоожижением (рис. 4.16, в).

Наконец, при достижении некоторого второго критического значения скорости Wу, называемой скоростью уноса, твердые частицы начинают выноситься из слоя и их количество в аппарате уменьшается. Порозность такого слоя стремится к 1, и сопротивление слоя правее точки В (рис. 4.16) также падает.

Рассмотренный нами график называют кривой идеального псевдоожижения.

На практике действительная кривая псевдоожижения отличается от идеальной кривой (крутизной восходящей ветви и всплеском давления при начале псевдоожижения, определяемых, в основном, плотностью упаковки твердых частиц).

В настоящее время в связи с огромной важностью процессов псевдоожижения разрабатываются все новые и новые аппараты, учитывающие специфические особенности взаимодействующих веществ.

Наряду с обычными цилиндрическими аппаратами нашли широкое применение конические аппараты. Значительная скорость псевдоожижающего агента внизу аппарата дает возможность работать без поддерживающей решетки, что особенно важно для высокотемпературных процессов, агрессивных сред, а также при использовании комкующихся и слипающихся материалов.

Аппараты с псевдоожиженным слоем, как и все остальные технологические аппараты, могут быть периодического и непрерывного действия. В периодически действующих аппаратах твердые частицы не выводятся до своей полной отработки.

В аппаратах непрерывного действия осуществляется противоток зернистого материала, т.е. происходит постоянный вывод отработанных твердых частиц их замена их свежим зернистым материалом.

В тех случаях, когда нужно получить противоток зернистого материала и псевдоожижающего агента, в аппаратах непрерывного действия применяется последовательное секционирование на каскад последовательно расположенных слоев. В таких секциях происходит переход твердой фазы с верхних слоев на нижние под действием силы тяжести, либо через специальные перетоки, либо через отверстия в провальных тарелках, живое сечение которых составляет 15 – 30%.