Рух рідини або газу через шар сипучого матеріалу може викликати його розширення та безладний рух твердих частинок у цьому розширеному шарі. Такий шар, що отримав назву псевдозрідженого (або киплячого), може існувати за умови, що швидкість газового або рідинного потоку перевищує певне значення. При менших швидкостях потік проходить через звивисті порові канали нерухомого шару. Energomash – псевдозріджені системи.
Потік газу або рідини, що спричиняє псевдозрідження, називається псевдозріджувальним потоком. Псевдозріджений шар сипучого матеріалу має властивості, що сприяють його технологічному використанню. Можуть бути використані частки дуже маленького розміру як тверда фаза. Це дає змогу значно збільшити внутрішню поверхню шару. При цьому зменшення розміру твердих частинок не призводить до зростання гідравлічного опору, яке спостерігається в нерухомому шарі твердих частинок.
Псевдозріджений шар має високу текучість. Так само, як рідина, він може перетікати з одного пристрою в інший. Ця властивість широко використовується в деяких технологічних процесах, зокрема в системах пневматичної транспорта сипучих матеріалів, які використовують пневмокамерні насоси. Регенерований каталізатор знову переміщується до реактора.
У псевдозрідженому шарі тверді частинки ретельно змішуються, що сприяє створенню рівномірного температурного поля. Це може бути важливим для деяких пристроїв. Висока теплопровідність і великі значення коефіцієнтів теплообміну від шару до поверхонь теплообміну дозволяють завдяки застосуванню псевдозрідженого шару інтенсифікувати процеси теплообміну.
Гідравлічний опір пристроїв з нерухомим шаром сипучого матеріалу в значній мірі залежить від швидкості газового потоку, зростаючи зі збільшенням швидкості. Навпаки, втрата напору в псевдозрідженому шарі не залежить від швидкості газу. Тому вибір значення швидкості газового потоку в пристрої з псевдозрідженим шаром, і, відповідно, його продуктивності за сировиною, не обмежується величиною гідравлічного опору.
Однак псевдозріджений шар має і свої недоліки. Інтенсивне перемішування створює умови для нерівномірного перебування окремих порцій зріджувального агента та твердих частинок у шарі. Тобто час контакту окремих частинок із псевдозріджуючим потоком може бути вищим або нижчим за середній розрахунковий час перебування у шарі.
Якщо при тривалому перебуванні у зоні реакції цільовий продукт може піддаватися подальшим перетворенням, то умови процесу в псевдозрідженому шарі сприяють таким перетворенням.
При псевдозрідженні дрібнозернистих матеріалів необхідно передбачити потужні системи пилозбірника для запобігання винесенню частинок. Збирається тверда фаза, яку слід повертати назад у шар. Інтенсивний рух твердих частинок сприяє їх зношуванню та викликає ерозію обладнання. Внаслідок зношування твердої фази, а також її вивільнення неминучі втрати твердого матеріалу. Робоча швидкість зріджувального агента не обмежується гідравлічним опором шару, вона має межу, визначену верхньою межею існування псевдозрідженого шару. Ця межа відповідає швидкості переходу псевдозрідженого шару в піднімаючийся двофазний потік (пневмотранспорт).
Псевдозрідження газовим потоком характеризується наявністю газових бульбашок у шарі. Псевдозрідження рідкісним потоком характеризується однорідною структурою шару без проходження бульбашок через шар, тому зазвичай рідкісне псевдозрідження називають однорідним, а газове — неоднорідним. Докладний критичний огляд робіт, присвячених псевдозрідженню, наведений у роботі, з цього приводу ми тут докладніше не будемо зачіпати ці проблеми. Зазначимо лише, що в такій складній системі, як псевдозріджений шар, однорідність структури шару та пов’язане з цим перемішування твердої і газової фаз, час контакту фаз і рівномірність розподілу цього часу між різними порціями розсипного матеріалу та псевдозріджуючого середовища залежать від дуже багатьох факторів. Несумнівно, великий вплив справляють конструкція та розміри апарату та його газорозподільної частини. Немаловажну роль відіграють фізичні параметри твердої фази (розміри частинок, їх вага, шорсткість) та псевдозріджуючого потоку (вага, в’язкість). Однак навіть у межах однієї системи неодмінно відбувається статистичний розкид значень параметрів, що визначають структуру шару. Цей розкид залежить від випадкових явищ, що супроводжують взаємодію твердої і газової фаз.
Як вказано раніше, псевдозрідження спостерігається при певній швидкості, яку у літературі називають швидкістю початку псевдозрідження або критичною швидкістю. Відразу після початку псевдозрідження настає режим спокійного псевдозрідження, що характеризується легким перемішуванням та більш-менш спокійною горизонтальною поверхнею шару. Цей режим порушується лише при збільшенні швидкості потоку псевдозріджуючого середовища.
Деякі технологічні процеси проводяться стаціонарно в одному апараті, без циркуляції твердої фази в системі. Для інших процесів необхідна циркуляція твердої фази: вивід матеріалу із шару та введення свіжих порцій твердого матеріалу. Такий псевдозріджений шар називають циркулюючим.
При псевдозрідженні високих та вузьких шарів можливе утворення поршневого режиму. На окремих ділянках цього шару по висоті весь об’єм заповнений газовими заторами. Таким чином, шар поділяється газовими заторами на кілька ділянок твердого матеріалу, що рухається поступально. Перемішування в поршневому шарі менше, ніж у звичайному псевдозрідженому шарі.
У конічних плавно розширюючихся та конічно-циліндричних апаратах виникає так званий фонтануючий шар. Псевдозріджуючий потік проходить центральною частиною апарата та виводить тверді частки за собою, які, піднімаючись вгору, опускаються вниз по периферії, вздовж стінок апарата. Розподіл локальних концентрацій твердої фази в секціях фонтануючого шару нерівномірний.
Псевдозрідження дуже малих твердих часток (порядку 1 мкм) супроводжується формуванням проникних каналів. Це явище іноді спостерігається у решітчастій зоні апаратів, навіть при застосуванні твердого матеріалу з більшими частками.
Якщо тверда фаза має тенденцію до утворення каналів при псевдозрідженні, то для уникнення цього використовують механічне перемішування шару з мішалками.
Псевдозрідження монодисперсного шару характеризується певним значенням критичної швидкості, при якій відбувається перехід шару в псевдозріджений стан, а для полідисперсного шару – певним інтервалом швидкостей. Нижня межа інтервалу відповідає переходу до стану псевдозрідження дрібних часток, а верхня межа – повному псевдозрідженню шару.
Графічно псевдозрідження зображається як залежність втрати напору в шарі (або на одиницю висоти шару) від швидкості псевдозріджуючого потоку. На рисунку 1 показана залежність для монодисперсного шару, а на рисунку 2 – для полідисперсного.
Зі збільшенням швидкості потоку збільшується різниця тиску в нерухомому шарі. Це виражається у формі прямої, нахиленої під певним кутом до вісі абсцис. Кут нахилу залежить від концентрації твердих часток у шарі. Зі збільшенням концентрації твердих часток (щільніше упаковка) зростають втрати напору та збільшується кут нахилу графіка до горизонтальної вісі.
на Рис. 1. Залежність різниці тиску в монодисперсному шарі від швидкості псевдозріджуючого потоку:
1 — при щільному укладанні часток в нерухомому шарі; 2 — при розслабленому укладанні часток в нерухомому шарі; 3 — крива оберненого ходу.
Прямопропорційна залежність між втратою напору та швидкістю потоку характерна для дрібнозернистого матеріалу при ламінарному режимі фільтрації через шар. У шарі грубокускового матеріалу режим фільтрації може бути перехідним або турбулентним.
В такому випадку, цей відрізок графіка зображено кривою лінією. У точці А (див. Рис. 1) шар переходить у псевдозріджений стан, характеризується вершком тиску, який відображає витрати енергії на подолання сил інерції часток та зчеплення між ними.
Зображено на Рис. 2. Залежність втрати напору в полідисперсному шарі від швидкості псевдозріджуючого потоку (у логарифмічних координатах):
1 — область фільтрації; 2 — перехідний режим; 3 — стан повного псевдозрідження.
У встановленому режимі псевдозрідження додержується постійство різниці тиску в усьому інтервалі існування псевдозрідженого шару. При поступовому зниженні швидкості потоку псевдозріджений шар переходить в нерухомий за кривою оберненого ходу, яка не має вершка тиску та розташована в зоні нерухомого шару нижче графіка прямого ходу, так як у цей час утворюється розслаблений шар з розслабленим упакуванням зерен.
Зображено на Рис. 3. Залежність втрати напору в фонтануючому шарі пшениці від швидкості повітряного потоку:
1 — крива прямого ходу; 2 — крива оберненого ходу.
Полідисперсний шар характеризується поступовим переходом до псевдозрідженого стану часто без яскраво вираженого вершка тиску. Псевдозрідження зернистого матеріалу можливе не тільки в апаратах з нерухомими стінками, але й у обертовому апараті з пористими стінками, який обертається навколо своєї осі. При цьому псевдозрідження сипучого матеріалу відбувається в полі центробежних сил. Сипучий матеріал прижимається до пористих стінок, які одночасно є газорозподільним пристроєм. Утворюючийся псевдозріджений шар відрізняється зниженим унесенням твердих часток, що дозволяє підвищити робочі швидкості псевдозріджуючого потоку. Ці властивості можуть бути дуже корисними в малотоннажних технологічних процесах, де обробляються дорогі сипучі матеріали.
