CC BY
9УДК 66.096.5
ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ
В ПУЛЬСИРУЮЩЕМ СЛОЕ
А.Н. Атясов, М.С. Василишин
Приводятся результаты экспериментального исследования влияния технологических параметров импульсного псевдоожижения слоя силикагеля и конструктивных особенностей газораспределительной решетки на величину циркуляционного расхода материала в рабочей камере.
Ключевые слова: пульсирующий слой, циркуляционный расход твердой фазы.
ВВЕДЕНИЕ
Псевдоожижение является одним из наиболее прогрессивных методов реализации технологических процессов с участием дисперсной - твердой фазы. Широкое внедрение метода в промышленную практику обусловлено прежде всего интенсивным перемешиванием твердой фазы, обеспечивающим однородное поле температур и концентраций во всем объёме слоя. Благодаря этому в значительной мере устраняется опасность локального перегрева частиц при их тепловой обработке и обеспечиваются высокие значения коэффициентов межфазного тепло- и массообмена. Вопросы перемешивания твердой фазы в псев-доожиженом слое достаточно полно отражены в ряде работ [1-3], в которых приводятся количественные оценки интенсивности процесса и рассматривается влияние технологических параметров на его кинетику.
Однако применение методов псевдоожижения ограничивается достаточно узким диапазоном скоростей газовой фазы, в котором может быть реализован процесс и его невысокой гидродинамической устойчивостью при обработке склонных к агломерации материалов. В этом случае реальной альтернативой обычному псевдоожижению является импульсный (пульсирующий) слой, создаваемый за счет прерывистой подачи ожижающе-го агента в рабочую камеру аппарата.
Известно [4, 5], что применение пульсирующего слоя позволяет интенсифицировать целый ряд процессов с участием дисперсной твердой фазы. В тоже время вопросы перемешивания материала, в частности количественная оценка его внутренней циркуляции, изучены недостаточно полно. Отсутствие такой информации вызывает определенные затруднения при расчете и проектировании соответствующего технологического оборудования.
Нами исследовано влияние некоторых
режимных параметров обработки на интенсивность внутренней циркуляции частиц сили-кагеля при их импульсном псевдоожижении.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для оценки параметров движения частиц в псевдоожиженных системах существует ряд методов [6, 7], в том числе основанных на определении расходов дисперсного материала через горизонтальное сечение слоя. Метод [6], базируется на определении изменения концентрации трассера в одной из двух зон псевдоожиженного слоя. Если концентрацию трассера в верхней и нижней зонах слоя обозначить соответственно через С-| и С2, то в соответствии с [6], дифференциальное уравнение для описания движения трассера может быть представлено в виде:
дс дс
1м —= -м2 —^
сп сп
G • F -(С2 - С1), (1)
где С - расход частицы через границу между зонами, г/(м2-с);
М1, М2 - соответственно, масса твердых частиц в верхней и нижней зонах слоя, г;
Е - площадь поперечного сечения слоя, м2. В момент времених = 0, концентрация
трассера в зонах составит С = С и С = 0 .
Тогда, после интегрирования (1) получается выражение для определения расхода частиц через границу между зонами:
С =
■1 Г с ^ 1С0 J Г* м 1 1+— М М 1 М2 ]
Р-х- 1 1 М М
(2)
Полученные с помощью (2) значения С могут быть использованы в качестве первого приближения для оценки интенсивности циркуляции частиц в слое.
Эксперименты по исследованию влияния технологических параметров обработки на величину циркуляционного расхода частиц силикагеля в пульсирующем слое проводились на установке, схема которой показана на рисунке 1.
1 - цилиндрическая камера;
2 - газоподводящий узел; 3 - электромагнитный клапан;
4 - электронный блок; 5 - сепарационный узел; 6 - хвостовой вентилятор
Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки
Установка представляла собой цилиндрическую камеру 1 диаметром й = 0,156 м и высотой Н = 0,5 м с газоподводящим узлом 2, непосредственно к которому подсоединен электромагнитный клапан 3 щелевого типа. Управление работой клапана осуществлялось от электронного блока 4, позволяющего изменять частоту пульсации в диапазоне ^ = 1-5 Гц и скважность импульса у = 0,25-0,75.
Камера 1 снабжалась набором беспровальных перфорированных решеток с долей «живого» сечения ф = 5, 10 и 15 %. В верхней части камеры располагался расширяющийся к верху сепарационный узел 5, непосредственно к которому подключался хвостовой вентилятор 6. Расход воздуха на псевдоожижение материала регулировался набором сменных диафрагм, которые устанавливались на входном патрубке клапана.
G, г/(м2с)
10
4
0,95
10
1,1
1'2 W, м/с
Нсл = 0,05 м; ф = 15 %;
■ - \ = 1 Гц ; • - \ = 3 Гц; А - \ = 5 Гц.
Рисунок 2 - Зависимость циркуляционного расхода твердой фазы от скорости воздуха (W)
В экспериментах использовался сили-кагель с эквивалентным размером частиц dэкв = 3,25-10" м. Плотность материала ртв = 2100 кг/м3. Часть силикагеля (трассер) пропитывалась спиртовым раствором бриллиантовой зелени.
9
8
7
6
5
ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ В ПУЛЬСИРУЮЩЕМ СЛОЕ
Силикагель, находящийся в стеклянной камере делился на 2 части: верхнюю - окрашенную и нижнюю - неокрашенную. Весовое соотношение окрашенной и неокрашенной частей засыпки во всех экспериментах составляло 1:10. В процессе импульсного псевдоожижения слоя происходил обмен частицами между частями засыпки. Длительность единичного опыта составляла 300 с, после чего из 5 точек на поверхности слоя отбирались пробы, в которых определяли среднюю массовую концентрацию трассера.
G, г/(м2-с)
10
0
0,25
0,5
0,75 ф
Нсл = 0,05 м; W = 1,2 м/c; Ф = 15 %; ■ - f = 1 Гц ; • - f = 3 Гц; ▲ - f = 5 Гц.
Рисунок 3 - Зависимость циркуляционного расхода твердой фазы (G) от скважности импульса (у)
Визуальными наблюдениями за поведением слоя силикагеля установлено, что под действием пульсирующего потока воздуха частицы твердой фазы интенсивно переме-
шиваются, при этом в центральной части рабочей камеры имеет место их восходящее движение, а по периферии - опускное.
На рисунке 2 представлены зависимости циркуляционного расхода твердой фазы от скорости воздуха.
Как следует из полученных зависимостей, с ростом скорости воздуха циркуляционный расход закономерно возрастает. Такая тенденция отмечена во всем диапазоне частот пульсации от 1 до 5 Гц, при этом увеличение частоты вызывало снижение циркуляционного расхода материала.
Влияние скважности импульса на циркуляционный расход носит экстремальный характер (рисунок 3) и максимальные значения G соответствуют у = 0,5.
При малых значениях скважности (у = 0,25), относительное перемещение частиц силикагеля невелико и слой движется как единое целое (поршень). Напротив, при у = 0,75 в слое появляется достаточно большое число крупных пузырей, при этом концентрация частиц силикагеля в единице объема снижается, что ведет к уменьшению циркуляционного расхода материала.
Влияние доли «живого» сечения газораспределительной решетки на циркуляционный расход показано на рисунке 4.
G, г/(м2 с)
12,5
12
11,5
11
10,5
10
9,5
9
2,5 5 10 15 Ф , %
Нсл = 0,05 м; W = 1,2 м/с; \ = 3 Гц
Рисунок 4 - Зависимость циркуляционного расхода твердой фазы от доли «живого» сечения решетки (ф)
9
8
7
6
5
4
Как следует из полученных данных, в диапазоне ф = 5-10 % С практически не меняется и резко увеличивается в дальнейшем, достигая величины 12,2 г/(м -с) при ф = 15 %. По-видимому, это связано с более однородным полем скоростей газовой фазы в поперечном сечении рабочей камеры.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследовано влияние некоторых технологических параметров импульсного псевдо-ожиженного слоя силикагеля и конструктивных особенностей газораспределительной решетки на величину циркуляционного расхода материала в рабочей камере. Установлено, что циркуляционный расход возрастает при увеличении скорости ожижающего агента и уменьшении частоты его пульсации. Влияние скважности на циркуляционный расход носит экстремальный характер, при этом максимальные значения С достигаются при симметричном цикле пульсации (у = 0,5).
Доля «живого» сечения газораспределительной решетки оказывает заметное влияние на величину циркуляционного расхода материала только при значениях ф, превышающих 10 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аэров, М. Э. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем / М. Э. Аэров, О. М. Тодес. - Л. : Химия, Ленингр. отд-ние, 1968. - 510 с.
2. Гельперин, Н. И. Основы техники псевдоожижения / Н. И. Гельперин, В. Г. Айнштейн,
B. Б. Кваша. - М. : Химия, 1967. - 664 с.
3. Забродский, С. С. Гидродинамика и теплообмен в псевдоожиженном (кипящем) слое /
C. С. Забродский. - Л. : Госэнергоиздат, 1963. - 488 с.
4. Айнштейн, В. Г. Псевдоожижение / В. Г. Айн-штейн, А. П. Баскаков, Б. В. Берг и др. - М. : Химия, 1991. - 400 с.
5. Василишин, М. С. // Сборник тезисов докладов Международной конференции по химической технологии «ХТ'07». - М. : Ленанд, 2007. -Т. 2. - С. 120-122.
6. Кунии, Д. Промышленное псевдоожижение / Д. Кунии, О. Левеншпиль. - М. : Химия, 1976. - 446 с.
7. Забродский, С. С. Тепло- и массообмен в многофазных многокомпонентных системах. Сб. научн. трудов. - Минск : ИТМО им. А. В. Лыкова АН БССР, 1978. - С.62-69.
Атясов Алексей Николаевич - аспирант, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, улица имени Героя Советского Союза Трофимова, 27, 659305, e-mail: [email protected].
Василишин Михаил Степанович -к.т.н., доцент, заведующий лабораторией ИПХЭТ СО РАН, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1, 659322, e-mail: [email protected].
