» » Структура кипящего слоя и расчет его рабочей скорости
21.05.2015

При скоростях газового потока, превышающих критическую, зерна в слое начинают интенсивно перемешиваться, делая его похожим на кипящую жидкость, и образуется кипящий слой.
Дальнейшее увеличение скорости вызывает выбросы зерен из кипящего слоя в виде фонтанов, высота которых определяется скоростью газового потока и размером зерен. По достижении скорости некоторой величины wун кипение слоя нарушается и зерна материала начинают уноситься из него с газовым потоком.
Для определения расчетом этой скорости Тодес, Горошко и Розенбаум предложили интерполяционную формулу:
Структура кипящего слоя и расчет его рабочей скорости

Отношение wун/wкр достигает в различных условиях 50—80, т. е. зерна в слое могут быть приведены в подвижное состояние при скорости восходящего газового потока в 50—80 раз меньшей, чем скорость витания зерна. Рабочая скорость газового потока wаб, при которой осуществляются технологические процессы, находится между критической минимальной скоростью псевдоожижения и скоростью уноса зерен:
wкр < wраб < wун.

Рабочая скорость газового потока зависит не только от физических свойств системы, но и от характера технологического процесса. В том случае, если доминирующим является процесс теплопередачи к поверхностям теплообменников, Мартюшин и Варыгин предложили оптимальную (рабочую) скорость газа рассчитывать по уравнению
Структура кипящего слоя и расчет его рабочей скорости

Для процессов сушки, где явления массопередачи имеют большое значение, Федоров ранее предложил уравнение
Rе = 0,22 Ar0,52.

Последнее можно рекомендовать и для расчета обжига. Полученные скорости газа необходимо согласовать с условиями выноса пыли и окончательное решение принимать по допускаемой запыленности газового потока.
Ниже приведен пример расчета рабочей скорости псевдоожижения или кипения для обжига цинкового концентрата в кипящем слое на одном из наших заводов.
1. Ситовой анализ огарка из ванны обжиговой печи:
Структура кипящего слоя и расчет его рабочей скорости

2. Кажущийся удельный вес огарка γг =4760 кг/м3;
3. Удельный вес газа (воздуха) при 900° γг = 0,34 кг/м3;
4. Вязкость газа (воздуха) при 900° μ = 4,76*10в-6 кг*сек/м2.
Решение. Средние фракционные размеры d1, d2 ... dn рассчитанные как среднеарифметические из размеров отверстий проходного и непроходного сита, составят; d1 = 1,40 мм; d2 = 0,92 мм; d3 = 0,50 мм; в4 = 0,36 мм; d5 = 0,23 мм: d6 = 0,14 мм; d7 = 0,08 мм.
По формуле Крюгера — Цункера рассчитывается эквивалентный линейный размер зерен полидисперсного слоя:
Структура кипящего слоя и расчет его рабочей скорости

По этим данным рассчитывается значение критерия Архимеда:
Структура кипящего слоя и расчет его рабочей скорости

Для оптимального теплового режима кипящего слоя критерий Рейнольдса определяется как
Структура кипящего слоя и расчет его рабочей скорости

откуда рабочая скорость газа в печи составит
Структура кипящего слоя и расчет его рабочей скорости

или, в пересчете на холодное дутье,
Структура кипящего слоя и расчет его рабочей скорости

В производственных условиях рабочая скорость дутья колеблется от 0,09 до 0,14 м/сек, т. е. находится в пределах расчетной величины.
Структура кипящего слоя неоднородна. Благодаря различным размерам и форме зерен в слое образуются более плотные, по сравнению с другими, скопления мелких зерен, оказывающие повышенное сопротивление проходу газа. В связи с этим в слое образуются каналы, оказывающие незначительное сопротивление проходу газа. Это явление, называемое канальным проскоком, иногда происходит в неподвижном слое перед началом псевдоожижения, замедляя или не допуская его образования. Это явление можно объяснить слипанием зерен между собой под влиянием либо электростатических сил при величине зерен ниже 50 мк, либо присутствия жидкой фазы на поверхности зерен.
Кипящий слой можно рассматривать как двухфазную систему, одна фаза которой состоит из твердых зерен и равномерно распределенного между ними газа, а другая — из пузырьков или ядер газа с ничтожным содержанием твердых зерен. Многочисленные мелкие пузырьки газа проходят через слой, интенсивно перемешивают его, придавая вид кипящей жидкости.
По мере подъема пузырьки газа сливаются в крупные ядра, размер которых может достигнуть величины диаметра аппарата. При этом образуется пробка из газа, разрастающаяся до тех пор, пока скопление зерен над нею не обрушится и заполнит газовое пространство. Это нежелательное явление поршневого проскока газа необходимо избегать во всех случаях.
Увеличение высоты слоя и диаметра зерен, а также уменьшение диаметра печи или реакционного аппарата способствуют возникновению явления поршневого проскока.
При обработке в кипящем слое полидисперсных систем, т. е. материалов с различными размерами зерен, скорость газового потока обычно превышает скорость витания части мелких зерен, которые поэтому уносятся из слоя потоком газа.
Выброс зерен из кипящего слоя в виде фонтанов и частичный вынос их из печи (реактора) с газовым потоком наблюдается, хотя и в меньшей степени, также при псевдоожижении материала, состоящего из зерен одинакового размера, так как скорость прохождения газа через слой не равномерна и в отдельных его участках может достигать высоких значений.
Таким образом, над кипящим слоем постоянно существует зона, в которой большая или меньшая часть зерен находится во взвешенном состоянии, однако концентрация зерен в газовом объеме над слоем ниже, чем в кипящем слое.