Гідродинаміка псевдозріджених шарів
У хімічній технології великого поширення набули процеси взаємодії газів і рідин з твердими зернистими матеріалами, при проведенні яких тверді частинки набувають рухливість один щодо одного за рахунок обміну енергією з рухомим потоком. Такий стан твердих частинок називається «псевдозрідженим шаром» в зв'язку з зовнішньою схожістю з поведінкою крапельної рідини. Псевдозрідженим шар приймає форму вміщує судини (апарату), його поверхню горизонтальна, тіла, що мають меншу щільність, ніж псевдозріджений шар, спливають в ньому, а більшу - тонуть. Крім цього, є й інші властивості псевдозрідженим шаром, характерні для рідин: плинність, в'язкість, поверхневий натяг.
Широке застосування псевдоожиження в техніці обумовлено рядом позитивних факторів. Тверді частинки в псевдозрідженому стані внаслідок плинності можна переміщати по трубах, що дозволяє багато періодичні процеси здійснювати безперервно. Особливо вигідно застосування псевдозрідженим шаром для процесів, швидкість яких визначається термічним або дифузійним опором в газовій фазі. Ці опору в умовах псевдоожиження зменшуються в десятки, а іноді і сотні разів, і швидкість процесів відповідно збільшується.
Завдяки інтенсивному перемішуванню твердих частинок в псевдозрідженому шарі, практично вирівнюється поле температур, усувається можливість появи локальних перегрівів і пов'язаних з цим порушень в протіканні ряду технологічних процесів.
Поряд з достоїнствами псевдозріджених шару властиві і певні недоліки. Так, викликане інтенсивним переміщенням твердих частинок вирівнювання температур і концентрацій в шарі призводить до зменшення рушійної сили процесу. Можливість проскока значних кількостей газу без достатнього контакту з твердими частинками знижує вихід цільового продукту. Негативними факторами слід вважати також знос самих твердих частинок, ерозію апаратури, виникнення значних зарядів статичної електрики, необхідність установки потужних газоочисних пристроїв після апаратів з псевдозрідженим шаром.
Деякі з перерахованих недоліків можуть бути усунені раціональним конструюванням апарату.
Апарати з псевдозрідженим шаром використовуються для переміщення і змішування сипучих матеріалів, для проведення процесів випалу, теплообміну, сушки, адсорбції, каталітичних і інших процесів.
Гідродинамічна сутність процесу псевдоожиження полягає в наступному. Якщо через шар твердих частинок, розташований на підтримуючої перфорованої решітки апарату, проходить потік псевдоожіжающего агента (газу або рідини), то стан шару виявляється різним в залежності від швидкості цього потоку (рис. 2.19).
При плавному збільшенні швидкості потоку від нуля до деякого критичного значення відбувається звичайний процес фільтрування, при якому тверді частинки залишаються нерухомими. На графіку процесу псевдоожиження (рис. 2.20), званому кривої псевдоожиження і виражає залежність перепаду статичного тиску в шарі зернистого і пилоподібного матеріалів від швидкості псевдоожіжающего агента, висхідна лінія АВ відповідає процесу фільтрації.
У разі малого розміру часток і невисоких швидкостей фільтрації режим течії агента в шарі ламінарний і відрізок АВ являє собою пряму лінію. Для великих частинок при досить високих швидкостях псевдоожіжающего агента перепад тиску зі збільшенням швидкості зростає нелінійно (для перехідного і турбулентного режимів).
Для процесу фільтрації гідравлічний опір визначається за формулою (2.11)
і критерій Рейнольдса обчислюється за формулою
Перехід від процесу фільтрації до стану псевдоожиження відповідає на кривій псевдоожиження швидкості рідини (газу), званої швидкістю почала псевдоожиження. У початковий момент псевдоожиження маса зернистого матеріалу, що припадає на одиницю площі поперечного перерізу апарату, врівноважується силою гідравлічного опору шару:
де - маса матеріалу в шарі і площа поперечного перерізу апарату відповідно.
З урахуванням архімедовим сил, що діють на частинки шару, цей вислів можна представити у вигляді