Явление псевдоожижения

Псевдоожижение — операция, при которой мелкие твердые частицы приходят в состояние, подобное жидкому, вследствие контакта с газом или жидкостью. Этот способ контактирования обладает рядом уникальных особенностей. Техника псевдоожижения имеет дело с попытками реализовать преимущества этого явления и найти им хорошее практическое применение.
Предположим, что поток мелких твердых частиц движется через слой вверх, при низких скоростях поток просто фильтруется через пустоты между частицами; в таком состоянии они составляют так называемый неподвижный слой. С увеличением скорости потока частицы будут двигаться друг относительно друга, и совершать колебательные движения с малыми амплитудами; в таком состоянии частицы образуют так называемый расширенный слой. При более высокой скорости потока достигается состояние, когда почти все частицы составляют нечто вроде суспензии с текущим вверх потоком газа или жидкости. В этой области трение между частицей и потоком компенсируется весом частицы, вертикальная составляющая силы сцепления соседних частиц уменьшается, а перепад давления в любом сечении слоя будет равным весу потока с частицами в этом сечении.
Слой в рассмотренном состоянии является почти псевдоожиженным и его называют слоем в состоянии минимального псевдоожижения. В системах жидкость — твердые частицы увеличение скорости потока выше требуемой для минимального псевдоожижения обычно приводит к спокойному, постепенному расширению слоя. Пульсации потока ослабляются; образование больших пузырей или неоднородности при обычных условиях не наблюдается. Такой псевдоожиженный слой называется однородным, гомогенным, спокойным или просто слоем, псевдоожиженным жидкостью.
Поведение системы при псевдоожижении
Обычно системы газ — твердое ведут себя совершенно иначе. При увеличении скорости потока свыше требуемого для минимального псевдоожижения наблюдаются большие неоднородности в виде пузыреобразования или каналообразования. При более высоких скоростях потока перемешивание усиливается, а движение частиц становится более энергичным. Кроме того, расширенный слой почти не превышает объема, занимаемого при минимальном псевдоожижении. Такой псевдоожиженный слой называется агрегативным, неоднородным слоем с пузырями или просто слоем, псевдоожиженным газом (рис.1).
В отдельных случаях псевдоожижение жидкостных систем не протекает спокойно, а газовые псевдоожиженные слои не имеют пузырей. В настоящее время такие случаи относятся к лабораторным курьезам, представляющим теоретический интерес. Считается, что как газовые, так и жидкостные слои являются псевдоожиженными в плотной фазе лишь постольку, поскольку имеется четко определенная верхняя граница или поверхность слоя. Однако, когда при достаточно высокой скорости потока жидкости повышается скорость витания частиц, верхняя граница слоя исчезает, унос становится заметным и частицы выносятся из слоя с потоком ожижающего агента. В этом случае мы имеем диспергированный, разбавленный или псевдоожиженный слой в разбавленной фазе с пневмотранспортом частиц.
Рассмотрим кратко качество псевдоожижения в слое с образованием пузырей. Хотя свойства частиц и газа сами будут определять характер псевдоожижения (спокойное или с пузыреобразованием), многие факторы влияют на скорость перемешивания частиц, размер пузырей и степень неоднородности слоя. К этим факторам относятся: геометрия слоя, скорость потока газа тип газораспределителя и внутренняя конструкция сосуда; наличие таких элементов, как сетки, перегородки и теплообменники [1].

Рис.1 Схемы режимов псевдоожижения: а-неподвижный слой при низкой скорости газа или жидкости; б-начальное псевдоожижение потоком газа или жидкости; в-однородное псевдоожижение потоком жидкости; г-неоднородное (с пузырями) псевдоожижение потоком газа; д-поршневой режим; е-разбавленная фаза псевдоожиженного слоя с пневмотранспортом при высокой скорости потока газа или жидкости
Кинетика псевдоожижения
Установлено, что перевод зернистого слоя в псевдоожиженное (кипящее) состояние позволяет интенсифицировать многие процессы химической технологии (адсорбции, сушки, теплообмена и т. п.), а также создать условия для перемещения и смешивания сыпучих материалов. При этом размер частиц должен быть небольшим, что приводит к увеличению поверхности их контакта с жидкостью или газом (а это очень важно для ускорения процессов тепло- и массообмена) при сравнительно невысоком гидравлическом сопротивлении.
Скорость процессов тепло- и массообмена повышается еще и потому, что в условиях псевдоожижения практически вся поверхность всех частиц омывается потоком, причем при значительных скоростях. Рассмотрим три основных состояния слоя зернистого материала в зависимости от скорости жидкости или газа (рис. 2). При скорости wo, потока ниже некоторого критического значения wnс. (скорости псевдоожижения) слой зернистого материала (рис. 2, а) находится в неподвижном состоянии, его гидравлическое сопротивление увеличивается (линия АВС на рис. 2, г), а порозность ᶓ и высота Н практически неизменны (линия АВС на рис. 2, д). По достижении некоторой критической скорости wnс, соответствующей точке С на рис. 2, г, д, гидравлическое сопротивление зернистого слоя становится равным его весу Gт, отнесенному к площади сечения S аппарата, т.е.
Δp=Gт/S
Но величину Gт можно выразить следующим образом:
Gт=SH(1- ᶓ)(ρт-ρ)g
Δp=H(ρт-ρ)(1-ᶓ)g
Слой приобретает текучесть, частицы слоя интенсивно перемещаются в потоке в различных направлениях (рис. 2), в нем наблюдается проскакивание газовых пузырей, а на его свободной поверхности появляются волны и всплески; порозность и высота слоя увеличиваются (рис. 2). В этом состоянии слой напоминает кипящую жидкость, благодаря чему он был назван псевдоожиженным (или кипящим). Скорость wnс называют скоростью начала псевдоожижения. В этих условиях слой еще имеет довольно четкую верхнюю границу раздела с потоком, прошедшим слой. Линия ВС на рис. 2, г, д отражает влияние сил сцепления между частицами.

Рис.2 Схема движения потока через слой твердых частиц и зависимость гидравлического сопротивления слоя от скорости потока: а-неподвижный слой, б-псевдоожижженный (кипящий) слой; в-унос (пневмотранспорт), г,д-зависимость гидравлического сопротивления слоя (г) и высоты слоя (д) от фиктивной скорости
При дальнейшем увеличении скорости потока до некоторого критического значения wy, частицы перемещаются интенсивней, порозность и высота слоя продолжают возрастать при практически постоянном гидравлическом сопротивлении (линия СР на рис. 2, г, д). При скоростях, превышающих новую критическую скорость wy, происходят разрушение псевдоожиженного слоя и вынос частиц потоком (рис. 2, в). Скорость wy, соответствующую началу массового уноса частиц, называют скоростью уноса, или скоростью свободного витания частиц. Последнее название обусловлено тем, что при wo= wy, порозность слоя настолько велика (ᶓ~1), что частицы движутся практически независимо друг от друга, свободно витают, не осаждаясь и не уносясь потоком, т.е. в этом случае (т. D на рис. 2, г, д) вес частицы уравновешивается силой сопротивления, возникающей при обтекании частицы потоком. При снижении скорости потока после псевдоожижения слоя оказывается, что зависимость гидравлического сопротивления от скорости (рис. 2,г) выражается линией СЕ, а не ВА. Этот гистерезис объясняется тем, что после псевдоожижения порозность слоя становится большей, чем до псевдоожижения, а значит, гидравлическое сопротивление неподвижного слоя в результате должно быть меньшим. Если после этого вновь начать псевдоожижение, то гистерезис уже не обнаруживается. Таким образом, рабочая скорость wo, потока в псевдоожиженном слое должна находиться в пределах wпс < wo <wy. Отношение рабочей скорости к скорости начала псевдоожижения называют числом псевдоожижения Кп:
Кп = wо/wпсОно характеризует интенсивность перемешивания частиц. Для каждого конкретного процесса определяют оптимальное значение Кп, однако интенсивное перемешивание частиц обычно достигается уже при Кп = 2. Следует отметить также, что структура псевдоожиженного слоя в определенной мере зависит от того, каким потоком — жидкостью или газом - достигнуто псевдоожиженное состояние зернистого материала [2].
Режимы псевдоожижения
На практике приходится иметь дело также с теми или иными способами контактирования, при которых псевдоожиженный слой в плотной фазе используется как элемент схемы.
Характер псевдоожижения дисперсного материала и диапазон рабочих условий, при которых поддерживается псевдоожижение, значительно меняются для различных систем газ — твердое. В зависимости от подвижности твердых частиц, их склонности к агломерации и статической электризации, геометрии сосуда, ввода таза и других параметров характеристики псевдоожижения системы будут меняться. Одним из важных факторов является распределение твердых частиц по размерам. В общем случае мелкие частицы имеют тенденцию к комкованию и агломерации, если они увлажнены или липкие. Тогда для поддержания удовлетворительных условий псевдоожижения необходимо перемешивание слоя. Для этого необходима механическая мешалка либо работа при относительно высоких скоростях газа, при которой кинетическая энергия входящих газовых струй используется для перемешивания твердых частиц. Широкая фракция мелких частичек остается в псевдоожиженном состоянии при значительных изменениях скорости фильтрации, позволяя вести процесс с высокими слоями большого размера. Слои крупных частиц одинакового размера обычно плохо поддаются псевдоожижению: наблюдаются удары, прорывы струй и поршнеобразование, что может привести к серьезным структурным отклонениям больших слоев. Качество псевдоожижения может быть значительно улучшено добавлением небольшого количества мелких частиц, которые работают как смазка. При псевдоожижении крупных частиц диапазон скоростей газа узок, следовательно, в этом случае надо использовать неглубокие слои. Для уточнения зависимости качества псевдоожижения от размера частиц необходима классификация слоев.
Первый из них представляет собой слой тонкой пудры, иногда называемый «жидкостным». Здесь размеры частиц обычно меньше 20 меш (833 мкм); преобладает материал размером меньше 200 меш (74 мкм). В типичных случаях, таких, как крекинг нефтепродукта, действуют большие установки (высота слоя от 40 до 15 м), в которых скорость газа во много раз больше скорости минимального псевдоожижения. Для более крупных материалов, обычно большой 60 меш (~230 мкм), создается разрыхленный слой. Применяются мелкие слои (до 1 м высотой), в которых скорость газа ненамного превышает скорость минимального псевдоожижения. Наконец, для еще более крупных частиц, которые не «смазаны» тонкофракционными частицами, обычное псевдоожижение может быть практически неосуществимо, поэтому используется модифицированный вид контактирования — фонтанирующий слой. Область применения фонтанирующего слоя ограничена небольшим числом физических процессов, таких, как сушка зерна и бобовых. В этой области возможно применение частиц относительно крупнозернистых материалов для реакции с газом, однако ожидать многого от этого типа реакций не следует из-за плохого контактирования газа с твердым материалом. Псевдоожиженные слои также можно классифицировать по способу загрузки твердых частиц. При такой классификации различают системы периодического действия, однопроходные и рециркуляционные. При разработке сложных процессов движение твердого материала через псевдоожиженные слои может сочетаться с другими способами транспортировки, такими, как движущийся слой, пневмотранспорт, ленточный или ковшевый конвейер [1].
Рис. 2 Классификация слоев по характеру движения частиц
Рис. 3 Классификация слоев по характеру загрузки частиц
Достоинства и недостатки псевдоожижения
Желательные и нежелательные свойства псевдоожиженного слоя удобно выявить при сравнении химического реактора, в котором имеется псевдоожиженный слой, с реакторами других типов.
Основные особенности псевдоожижения:
Циркуляция частиц между двумя псевдоожиженными слоями дают возможность обмена большими количествами тепла;
Удобство при осуществлении крупнотоннажных процессов;
Высокие скорости тепло- и массообмена между газом и частицами;
Сравнительно малые площади необходимой поверхности теплобмена вследствие значительных скоростей теплообмена между псевдоожиженным слоем и погруженной поверхностью.
Преимущества:
-спокойное движение частиц (подобное жидкости) позволяет иметь непрерывный автоматический контроль и упрощает регулирование;
-быстрое перемешивание частиц обеспечивает почти изотермические условия в реакторе, следовательно контролировать процесс можно просто и эффективно.
Недостатки:
-относительно малая эффективность системы контактирования, что весьма существенно при необходимости высокой конверсии газообразных реагентов;
-неравномерность времен пребывания частиц в реакторе вследствии быстрого перемешивания частиц в слое. При непрерывном процессе это приводит к неоднородности продукта и пониженной степени превращения, особенно при высоких конверсиях. С другой стороны, в периодических процессах такое перемешивание полезно, так как обеспечивает однородность продукта в твердой фазе. Для каталитических же реакций движение пористых частиц катализатора, при котором происходит непрерывный «захват» и «освобождение» молекул газового реагента, приводит к его обратному перемешиванию, что уменьшает производительность и ухудшает характеристики реактора;
-истирание и унос газом хрупких частиц, которые необходимо восполнять;
-эрозия труб и сосудов в результате абразивного действия частиц, которое может быть весьма значительным;
-агломерация и спекание мелких частиц при высоких температурах, вследствие чего иногда приходится идти на понижение температуры процесса, т.е. на значительное снижение его интенсивности.
Несмотря на серьезные недостатки, существенные экономические преимущества псевдоожиженного слоя обусловили его успешное использование в промышленности. Однако успеха можно достигнуть только при понимании дефектов контактирования при псевдоожижении и напряженном труде, направленном на преодоление упомянутых недостатков.
Применение псевдоожижения
Физические процессы:
-транспортировка
Текучесть псевдоожиженных твердых частиц часто бывает столь же велика, как и у жидкостей. Именно это свойство было эффективно использовано для транспортировки мелкодисперсных материалов. Транспортеры, использующие псевдоожижение не требуют больших мощностей, не содержат никаких движущихся элементов и удобен для перемещения сухих тонкоизмельченных материалов.
-смешение тонкодисперсных материалов
На основе обычных способ трудно добиться однородного смешения различного рода пылевидных материало; в то же самое время псевдоожижение смеси обеспечивает циркуляцию твердых частиц и сравнительно хорошее перемешивание [3].
-теплообмен
Псевдоожиженные слои нашли широкое применение для теплообмена, как в физических, так и в химических процессах благодаря их уникальной способности быстро передавать тепло и поддерживать постоянную температуру. Потенциально возможно использование псевдоожиженного слоя для закалки или «замораживания» горячих реакционных смесей [4].
-нанесение покрытий на металлическую поверхность
Американской фирмой Agile Corporation разработан способ нанесения полимерных покрытий, в соответствии с которым металлическое изделие нагревается выше температуры плавления полимера и затем на короткое время (2-3с) погружается в слой мелкого порошка полимера. Попадая на поверхность частички полимера плавятся и прилипают к ней тонким слоем [5].
-сушка и классификация
Псевдоожиженный слой используется для сушки и классификация порошкообразных материалов по размерам. Такая сушка широко применяется на таких материалах, как известняк, доломит, уголь, доменный шлак и полимеры.
-грануляция и конденсация продуктов возгонки
Когда раствор соли, например сульфата аммония, едкого натра или цианистого натрия, вдувается или распыляется в слое сухих частиц, псевдоожиженных горячим газом, частицы увеличиваются в размерах за счёт нарастания на них соли. Представляется возможным осуществление конденсации паров на сублимированных твёрдых частицах того же продукта в потоке инертного газа.
-адсорбция
Фирмой «Эссо» разработан многоступенчатый непрерывный процесс адсорбции в псевдоожиженном слое активированного угля, имеющей целью отделение и улавливание газообразных продуктов.
Реакторные процессы
Основное достоинство псевдоожиженного слоя при осуществлении реакции синтеза – это возможность точного регулирования температуры в реакционной зоне. Необходимость строго контроля температуры диктуется пределами взрываемости реакционной смеси, чувствительностью выхода желаемого продукта к температуре, вредным влиянием наличия горячих точек на свойства катализатора. Высокий тепловой эффект реакции осложняет поддержание температуры в заданных пределах. Вследствие низкой теплоемкости газовой смеси по сравнению с теплотой, выделяющейся при реакции, в неподвижном слое катализатора трудно осуществить эффективное управление температурным полем, необходима большая поверхность теплообмена, работа с высококонцентрированными смесями затруднена. Задача поддержания заданной температуры значительно упрощается при проведении процесса в псевдоожиженном слое, поскольку интенсивное перемешивание частиц, обладающих высокой теплоемкостью, исключает возможность появления горячих точек [6].
Крекинг и риформинг углеводородов
Процессы расщепления молекул углеводородов на низкокипящие (крекинг) или синтеза углеводородов большого молекулярного веса (риформинг) обладают двумя общими чертами: сопровождаются отложением кокса на поверхности катализатора и выделением большого количества тепла. Эти свойства, а также требования большой единичной производительности технологических установок определяют способ промышленной реализации этих процессов. Обычно в одном аппарате протекает реакция, сопровождающаяся поглощением тепла и отложением кокса, а в другом – выжигается отложившийся кокс и выделяется тепло. Поток частиц переносит это тепло в первый аппарат за счёт него поддерживается протекание реакции. Единственной системой, позволяющей эффективно осуществить такой процесс, является установка, в которое имеется один (или более) кипящий слой и пневматический транспорт циркулирующих частиц .Другие процессы переработки твердых горючих материалов: переработка нефтяных сланцев и угля; газификация угля и кокса; получение активированного древесного угля; производство клинкерного цемента. Реакции в системе газ-твердое: обжиг сульфидных руд; получение железа из руд [7].
Список использованной литературы:
Кунии Д., Левеншпиль О. Промышленное псевдоожижение, США, 1969. Пер. с англ. под ред. М.Г.Слинько и Г.С. Яблонского. М., «Химия», 1976.
Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. М.: Химия, 1995.-400 с.
Engineering Equipment Users Association, Pneumatic Handling of Powdered Materials, Constable and Company, London, 1963.
Ю.С. Лурье Портланд-цемент, 1959.
J. Gaynor, Chem. Eng. Progr. 56, 75 (1960).
T.E. Corrigan, Petrol. Refiner, 32, 87 (1953).
F.S. White, E.L. Kinsala, Mining Eng., 4, 903 (1952).