Слой зернистого твердого материала, пронизываемый восходящим потоком жидкости или газа, может находиться в двух качественно различных стационарных состояниях. При фиктивной скорости потока ниже некоторой критической величины твердые частицы неподвижны (рис. 5.18а), порозность слоя ε неизменна, а его гидравлическое сопротивление ∆рn, как ранее показано, возрастает с увеличением скорости . По достижении скорости потерянное давление ∆рn становится равным весу слоя, отнесенному к площади его поперечного сечения, слой взвешивается, твердые частицы теряют прежний взаимный контакт, получают возможность перемещаться и перемешиваться; слой расширяется, на его свободной поверхности видны волны и всплески. В этом состоянии (рис. 5.18б) слой напоминает кипящую жидкость, благодаря чему он назван псевдоожиженным, или кипящим. С дальнейшим ростом скорости потока до некоторой величины слой продолжает расширяться и интенсивность движения частиц увеличивается. При слой настолько разрыхляется, что частицы движутся независимо друг от друга и сила сопротивления отдельной частицы становится равной ее весу. Численное значение скорости совпадает со скоростью осаждения и может быть найдено из уравнения (5.207). При дальнейшем увеличении скорости частицы начинают уноситься из слоя со скоростью . Скорость называется скоростью начала псевдоожижения, а скорость - скоростью начала уноса.
Рис. 5.18. Различные состояния зернистого слоя:а – неподвижный слой; б - д - псевдоожиженный слой; 1 - твердые частицы, 2 - газовые пузыри, 3 - газовые пробки, 4 - сквозные каналы
Структура псевдоожиженного слоя зависит от того, жидким или газовым потоком достигается псевдоожижение. В случае жидкого потока структура слоя сохраняется достаточно однородной, что объясняется малой разницей плотностей твердой и жидкой фаз. Однако на практике чаще всего для псевдоожижения используется поток газа. В этом случае непосредственно после перехода в псевдоожиженное состояние слой несколько расширяется, он однороден; его свободная поверхность практически неподвижна, перемещение частиц выражено слабо. С ростом скорости газа и расширения слоя в его объеме появляются газовые пузыри (нарушается однородность), повышающие интенсивность перемешивания частиц и вызывающие колебания свободной поверхности слоя. При этом возрастает порозность слоя, увеличиваются размеры и количество всплывающих газовых пузырей (рис. 5.18в). При выходе из слоя пузыри, прорывая его свободную поверхность, вызывают ее колебания и появление всплесков твердых частиц. В узких и высоких слоях восходящие пузыри сливаются и могут занять все поперечное сечение, образуя газовые "пробки", которые чередуются с движущимися "поршнями" твердых частиц (рис. 5.18г). В таком поршнеобразномпсевдоожиженном слое перемешивание твердых частиц затруднено. В слое твердых частиц, склонных к агрегированию, при скоростях газа, незначительно превышающих , образуются сквозные каналы (рис. 5.18д), через которые газ проходит без полного контакта с твердыми частицами. Эти каналы часто либо полностью исчезают при увеличении скорости газа, либо сохраняются лишь в основании слоя.
Псевдоожижение слоя графически изображается "кривой псевдоожижения", выражающей зависимость потерянного давления ∆рn в слое от фиктивной скорости ожижающего агента (газа, жидкости). На рис. 5.19а показана кривая идеального псевдоожижениямонодис-персного слоя твердых частиц в аппарате постоянного поперечного сечения. Восходящая ветвь ОА (прямая при ламинарном движении и кривая при других режимах) соответствует движению ожижающего агента через неподвижный зернистый слой. Абсцисса точки А()выражает скорость начала псевдоожижения. Горизонтальный участок АВ изображает псевдоожиженное состояние, здесь сохраняется ∆pn=const. Абсцисса точки В выражает скорость начала уноса . Скорость называют скоростью уноса, или скоростью свободного витания частиц, ее обозначают Wвит..
а б
Рис. 5.19. Кривые псевдоожижения: а - идеального; б - реального
В реальных условиях кривая псевдоожижения (рис. 5.19б) отличается от изображения на рис. 5.19а. Дело в том, что за пределами величина ∆pn продолжает некоторое время расти в связи с затратами энергии на преодоление сил сцепления твердых частиц, а также на их трение со стенкой и между собой. После перехода слоя в псевдоожиженное состояние сопротивление его падает до характерного уровня ∆pnпс . Значение пика давления∆Пзависит от свойств твердых частиц.
Кривая псевдоожижения, показанная сплошными линиями на рис. 5.19б, строится по сопряженным значениям ∆pn и , непосредственно измеренным при постепенном увеличении скорости потока ожижающего агента, в этом случае получается кривая прямого хода. Если же строить кривую псевдоожижения по сопряженным значениям ∆pn и , измеренным при постепенном уменьшении скорости от до нуля, то кривая, показанная пунктирной линией на рис. 5.19б, носит название кривой обратного хода. Обе кривые совпадают в области развитого псевдоожижения, но расходятся вблизи начала псевдоожижения и в области причем отсутствует пик давления для кривой обратного хода. Меньшие значения ∆pn для неподвижного слоя по кривой обратного хода обусловлены более рыхлой упаковкой слоя в результате понижения скорости .
Отношение рабочей скорости , значение которой должно находиться в пределах между и , к скорости начала псевдоожижения называется числом псевдоожижения и обозначается Кw:
. (5.245)
Расчетным путем величина может быть определена исходя из условия равенства потерянного давления в слое весу твердой фазы, отнесенному к площади поперечного сечения аппарата:
. (5.246)
Для частиц формы, близкой к шарообразной, значение фактора Ф, определяемого уравнением Ф=Fш/Fc , близко к единице, а средняяпорозностьεн может быть принята равной »0,4.
В данном случае путем приближенного решения уравнения (5.250) получают следующее выражение критического значения числа Рейнольдса, при котором начинается псевдоожижение:
. (5.251)
При расчете скорости начала псевдоожиженияW'0 с помощью этого уравнения вычисляют сначала значение критерия Архимеда:
, (5.252)
затем находят величину Reо,пс из уравнения (5.251) и по ней, пользуясь выражением (5.239), - величину . В случае с увеличением скорости слой расширяется и доля его свободного объема возрастает. При этом высота псевдоожиженного слоя Нпс и первоначальная высота неподвижного слоя Ннсвязаны зависимостью
, (5.253)
так как количество твердой фазы в слое постоянно (материальный баланс по твёрдой фазе).
Расчет скорости начала уноса при которой происходит разрушение слоя и унос частиц, производят аналогично расчету скорости свободного осаждения частиц Wос (5.207).