www.mexanik.ru

ВВЕДЕНИЕ

Псевдоожижение зернистого материала восходящим потоком газа или жидкости, как особый технологический прием, за последние полвека получило широкое распространение в самых различных отраслях техники при химических превращениях и изменении физических свойств одной или обеих взаимодействующих фаз. Обусловлено это несколькими обстоятельствами.

Во-первых, способность взвешенных в потоке частиц расходиться друг от друга и снижать при этом гидравлическое сопротивление аппарата приводит к саморегулированию и поддержанию постоянства потери напора при изменении скорости потока. Поскольку при этом потеря напора остается равной весу слоя независимо от крупности составляющих слой зерен, то появилась возможность сильно увеличивать поверхность контакта взаимодействующих фаз, без увеличения гидравлического сопротивления аппарата.

Во-вторых, интенсивное перемешивание подвижной, обладающей большой объемной теплоемкостью, твердой фазы приводит к выравниванию температуры практически по всему объему даже крупного промышленного аппарата и высоким значениям коэффициентов теплоотдачи к погруженным в слой поверхностям теплообмена. Эти обстоятельства сильно облегчают проведение именно в кипящем слое теплонапряженных и температуро-чувствительных процессов.

В-третьих, кипящий слой в целом — это своеобразная «псевдожидкость» с многими жидкостеподобными свойствами. Его легко «переливать» из одного сосуда в другой, что облегчает перевод периодических технологических процессов в разряд более прогрессивных, непрерывных по твердой фазе. Псевдожидкость может быть использована и в качестве тяжелой среды для гравитационного обогащения полезных ископаемых взамен дорогих истинных жидкостей, более тяжелых, чем обычная вода.

Естественно, что в некоторых случаях эти достоинства диалектически обращаются в недостатки. Так, столкновения движущихся частиц друг с другом и со стенками аппарата приводят к образованию пыли и выдуванию ее. Расширение слоя при увеличении расхода и производительности по газу, а также меры, предотвращающие сегрегацию по размерам и унос мелочи, требуют увеличения общего объема аппарата. Перемешивание и проскок газовых пузырей снижает движущую силу химического процесса. Для преодоления этих и других недостатков метода псевдоожижения в последние десятилетия в соответствии с потребностями конкретных технологических процессов был разработан целый ряд новых модификаций кипящего слоя — фонтанирующий, виброожиженный, «организованный» и др.

Наибольшая трудность при разработке и создании новых прогрессивных процессов в кипящем слое — практическая невозможность их масштабирования (scaling up). При естественном пути: лабораторная колонка — пилотная установка — опытнопромышленный аппарат —серийный реактор, на каждом из переходов от одного этапа к последующему исследователя и инженера ожидают многочисленные неожиданности в поведении системы, зачастую такие, что заставляют на каждом последующем этапе «начинать с нуля». Наглядным примером этого служит история разработки и внедрения в США во время второй мировой войны первого крупномасштабного производства — каталитического крекинга в псевдоожиженном слое. Большая группа ученых и инженеров-технологов, переходя от одного из перечисленных выше этапов к следующему, непрерывно сталкивалась на каждом переходе с новыми проблемами и трудностями. Все это позволило высказать утверждение, что масштабный переход к проектированию крупных промышленных аппаратов можно делать после отработки процесса на пилотной установке диаметром не менее 100 мм. Опыт освоения многих других процессов привел к тому, что в настоящее время эту границу часто отодвигают до 500 мм.

Внедрение метода кипящего слоя в самые различные отрасли техники привело к расширению фронта исследовательских работ, что находит отражение в многочисленных журнальных публикациях, а также в специальных монографиях. Предложены и разрабатываются различные, все более сложные модели структуры кипящего слоя, содержащие все возрастающее число параметров, значения которых заранее не предсказуемы. В лабораторных установках проводится сопоставление теоретических предсказаний с опытом с целью определения этих параметров. Чем больше таких параметров, тем менее однозначным становится определение каждого из них, даже при применении для расчета современных ЭЦВМ.

Для обобщения полученных данных каждый исследователь подбирает корреляцию — обычно в виде степенного одночлена из нескольких безразмерных критериев — независимо от того, варьировались ли все входящие в эти критерии физические величины, или нет. Для уменьшения объема статей "публикуются лишь эти ограниченные корреляции без указания реальных, наблюдаемых на опыте абсолютных значений исходных величин. Возможности масштабного переноса этих многочисленных и противоречивых корреляций, мягко выражаясь, весьма сомнительны.

Напомним, что аналогичное положение сложилось в самом начале исследования закономерностей внешнего теплообмена с кипящим слоем. Опыт наглядно показал, что при переходе слоя в псевдоожиженное состояние коэффициенты теплоотдачи к погруженным поверхностям теплообмена резко возрастают до 300— 500 Вт/(м2 К), а затем начинают падать по мере дальнейшего расширения слоя. Картина эта носит общий характер в аппаратах разного размера и для слоев из частиц самых различных материалов и размеров. Экспериментаторы же, даже исследовавшие лишь одну ветвь кривой а (и) — восходящую или нисходящую, — подбирали каждый свою одночленную степенную корреляцию. При экстраполяции же этих зависимостей за пределы изменения параметров, для которых они были подобраны, или просто для других систем эти корреляции отличались друг от друга и от опытов других исследователей на порядок и более. Лишь появление четких физических моделей механизма внешнего теплообмена и главным образом пакетной модели позволило выявить причины слабой зависимости коэффициентов теплообмена от масштаба слоя, диаметра и материала зерен, избавиться от необходимости выбирать какую-нибудь из ранее предложенных противоречивых корреляций, дать правильные оценки порядков величины, а затем внести необходимые уточнения.

Нам представляется, что решение столь важных для инженерной практики проблем правильного масштабирования может быть облегчено лишь, если на базе анализа всех имеющихся опубликованных данных (десятки монографий, многие тысячи статей) и модельных представлений удастся выделить физические модели всех основных процессов, протекающих в кипящем слое, а не только для внешнего теплообмена. В первую очередь при этом следует четко установить, какие группы явлений и закономерностей физически не должны зависеть от масштаба и геометрии аппарата, а какие и почему должны определяться главным образом этими масштабами.

В предлагаемой монографии делается такая попытка. Базой для нее служат некоторые обобщения, сделанные в предыдущей монографии (Аэров М. Э. и Тодес О. М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. Л., Химия, 1968), ряд исследований, выполненных с нашим участием в последующее десятилетие, и анализ основных положений и результатов других авторов.

В главу I выделены явления и закономерности, обусловленные физическим механизмом внутренней неустойчивости зернистого слоя и практически мало зависящие от его масштабов. В разделе 1.5 рассмотрены возможности переноса установленных для кипящего слоя закономерностей внешней гидравлики на родственные системы с частицами, находящимися в «невесомости» при вертикальном пневмотранспорте и стесненном осаждении концентрированных суспензий, при соблюдении тех же ограничений (диаметр аппарата велик по сравнению с размерами частиц и расстоянием между ними).

Последующие главы посвящены процессам, принципиально зависящим от масштаба аппарата и определяемым гравитационными колебаниями слоя в целом с характерными частотами порядка Vg/H. Анализируются все прямые и косвенные данные, подтверждающие этот механизм и обосновывающие вытекающие отсюда закономерности. Сюда относятся все явления переноса вещества, теплоты и импульса в кипящем слое и взаимодействия частиц с пронизывающим слой потоком газа или жидкости. Основное внимание при этом обращено на системы, псевдоожижаемые газом.

Важная проблема, по поводу которой вот уже два десятилетия «ломают копья» исследователи, связана с вопросом: когда и до каких пор в процессах переноса теплоты и импульса можно рассматривать кипящий слой как некий континуум с едиными общими, характеристиками, а не как аэровзвесь с различными, например, температурами частиц и потока? Выравнивание температур и обмен импульсом между фазами требуют определенных времен te. Если это время по сравнению с характерным временем нестационарного процесса переноса мало, то соответствующий процесс можно считать квазистационарным и для его анализа и расчета вполне применимо континуальное рассмотрение и введение единых характеристик, например, эффективной теплопроводности «пакета». Тогда же, когда te превышает характеристическое время процесса, подобные единые характеристики становятся мало пригодными для его описания. Поскольку до сих пор подобный физический анализ данной проблемы в литературе отсутствует, то заполнению этого пробела посвящены некоторые разделы главы III. Так как монография предназначена главным образом для инженеров-проектировщиков, исследователей и технологов, то в каждой главе приводятся не только физические обоснования механизма явлений, но и вытекающие из них простые инженерные формулы. Нам представляется, что наиболее важным свойством подобных расчетных формул должна быть их универсальность, т. е. охват всей области определяющих параметров. Точность же таких универсальных зависимостей может быть лишь логарифмической ±(20—30)%, как и для общеизвестных инженерных расчетных формул для теплоотдачи в потоках жидкостей и газов.

Наша монография посвящена физическим основам работы аппаратов кипящего слоя простейшей формы — постоянного сечения (за исключением надслоевого сепарационного пространства) при развитом псевдоожижении. Различные другие модификации кратко рассматриваются в главе V под углом зрения — какие из физических особенностей основного типа кипящего слоя сохраняются в этих модификациях и какие технологические дефекты преодолеваются.

В самом конце монографии дается краткая сводка рекомендуемых расчетных формул и некоторые примеры расчетов.

Назад, на страницу описания