Перемещение жидкости или газа через слой сыпучего материала может привести к его расширению и хаотическому перемещению твердых частиц в этом расширенном слое. Такой слой, известный как псевдозрелищный (или кипящий), способен существовать лишь при определенной скорости газового или жидкостного потока. При менее высоких скоростях поток проникает через извилистые поровые каналы стационарного слоя. Energomash — псевдожиженая система
Поток газа или жидкости, вызывающий псевдозрежение, называется псевдозреживающим потоком. Псевдозреженный слой сыпучего материала обладает характеристиками, способствующими его использованию в технологиях. Микроскопические частицы твердой фазы могут быть вовлечены, увеличивая внутреннюю поверхность слоя. Это предоставляет возможность значительно увеличить внутреннюю площадь слоя. При этом уменьшение размеров твердых частиц не ведет к увеличению гидравлического сопротивления, характерного для неподвижного слоя твердых частиц.
Псевдозреженный слой обладает высокой текучестью, подобной жидкости, и может перемещаться из одного устройства в другое. Это свойство широко используется в различных технологических процессах, включая системы пневматической перевозки сыпучих материалов с использованием пневматических насосов для перемещения. Регенерированный катализатор может быть повторно введен в реактор, так как псевдозреженный слой способствует перемещению.
В псевдозреженном слое твердые частицы тщательно перемешиваются, что способствует созданию равномерного температурного распределения. Это особенно важно для некоторых устройств. Большая теплопроводность и высокие коэффициенты теплообмена между слоем и поверхностью обмена тепла позволяют эффективно интенсифицировать процессы теплообмена.
Гидравлическое сопротивление устройств с неподвижным слоем сыпучего материала в значительной степени зависит от скорости газового потока, увеличиваясь с увеличением скорости. Однако потеря напора в псевдозреженном слое не зависит от скорости газа. Поэтому выбор скорости газового потока в устройстве с псевдозреженным слоем и, следовательно, его производительности, не ограничивается гидравлическим сопротивлением.
Однако псевдозреженный слой имеет свои недостатки. Интенсивное перемешивание способствует неравномерному распределению отдельных порций разреживающего агента и твердых частиц в слое. Время контакта отдельных частиц с потоком разреживания может различаться от среднего расчетного времени нахождения в слое.
Если целевой продукт в зоне реакции может подвергаться дальнейшим превращениям, условия процесса в псевдозреженном слое могут способствовать таким превращениям.
При разрежении мелкозернистых материалов важно иметь мощные системы сбора пыли, чтобы предотвратить выброс частиц. Твердая фаза собирается и возвращается обратно в слой. Интенсивное движение твердых частиц может вызвать их износ и привести к эрозии оборудования. Из-за износа твердой фазы и ее выделения наблюдается необратимая потеря материала. Рабочая скорость разреживающего агента имеет предел, определяемый верхним пределом существования псевдозреженного слоя, т.е. скоростью перехода псевдозреженного слоя в поднимающийся двухфазный поток (пневматическая перевозка).
Псевдозрежение газовым потоком характеризуется наличием газовых пузырей в слое. Псевдозрежение жидким потоком характеризуется однородной структурой слоя без прохождения пузырей через него, поэтому обычно однородное псевдозрежение называют псевдозрежением жидким, а газовое — неоднородным. Подробный критический обзор работ, посвященных псевдозрежению, приведен в работе, и мы не будем здесь подробно касаться этих проблем. Отметим только, что в такой сложной системе, как псевдозреженный слой, однородность структуры слоя и связанное с этим перемешивание твердой и газовой фаз, время контакта фаз и равномерное распределение этого времени между разными порциями разрыхлительного материала и разреживающей среды зависят от множества факторов. Несомненно, большое влияние оказывают конструкция и размеры аппарата и его газораспределительной части. Немаловажную роль играют физические параметры твердой фазы (размеры частиц, их вес, шероховатость) и разреживающего потока (вес, вязкость). Однако даже в пределах одной системы неизбежно происходит статистическое разброс значений параметров, определяющих структуру слоя. Этот разброс зависит от случайных явлений, сопровождающих взаимодействие твердой и газовой фаз.
Как указывалось ранее, псевдозрежение наблюдается при определенной скорости, которую в литературе называют скоростью начала псевдозрежения или критической скоростью. Сразу после начала псевдозрежения наступает режим спокойного псевдозрежения, характеризующийся легким перемешиванием и более или менее спокойной горизонтальной поверхностью слоя. Этот режим нарушается только при увеличении скорости потока разреживающей среды.
Некоторые технологические процессы проводятся стационарно в одном аппарате без циркуляции твердой фазы в системе. Для других процессов необходима циркуляция твердой фазы: вывод материала из слоя и введение свежих порций твердого материала. Такой псевдозреженный слой называется циркулирующим.
При разрежении высоких и узких слоев может возникнуть поршневый режим. На отдельных участках этого слоя по высоте весь объем заполнен газовыми пробками. Таким образом, слой делится на несколько участков твердого материала, перемещающегося поступательно. Перемешивание в поршневом слое менее интенсивное, чем в обычном псевдозреженном слое.
В конических плавно расширяющихся и коническо-цилиндрических аппаратах возникает так называемый фонтанный слой. Псевдозреживающий поток проходит через центральную часть аппарата и выводит за собой твердые частицы, которые, поднимаясь вверх, опускаются вниз вдоль стенок аппарата. Распределение локальных концентраций твердой фазы в секциях фонтанного слоя неравномерное.
Псевдозрежение очень мелких твердых частиц (порядка 1 мкм) сопровождается формированием проникающих каналов. Это явление иногда наблюдается в решетчатой зоне аппаратов, даже при использовании более крупных частиц.
Если твердая фаза имеет тенденцию образовывать каналы при псевдозрежении, то для предотвращения этого используется механическое перемешивание слоя с помощью мешалок.
Псевдозрежение монодисперсного слоя характеризуется определенным значением критической скорости, при которой происходит переход слоя в псевдозреженное состояние, а для полидисперсного слоя — определенным интервалом скоростей. Нижняя граница интервала соответствует переходу к состоянию псевдозрежения мелких частиц, а верхняя граница — полному псевдозрежению слоя.
Графически псевдозрежение представляется как зависимость потери напора в слое (или на единицу высоты слоя) от скорости псевдозреживающего потока. На рисунке 1 показана зависимость для монодисперсного слоя, а на рисунке 2 — для полидисперсного.
С увеличением скорости потока увеличивается разница давлений в неподвижном слое. Это выражается в виде прямой, наклоненной под определенным углом к оси абсцисс. Угол наклона зависит от концентрации твердых частиц в слое. С увеличением концентрации твердых частиц (плотная упаковка) возрастают потери напора и увеличивается угол наклона графика к горизонтальной оси.
На Рис. 1 изображена зависимость разницы давления в монодисперсном слое от скорости псевдозревающего потока:
1 — при плотной укладке частиц в неподвижном слое;
2 — при расслабленной укладке частиц в неподвижном слое;
3 — кривая обратного хода.
Прямопропорциональная зависимость между потерей напора и скоростью потока характерна для мелкозернистого материала при ламинарном режиме фильтрации через слой. В слое крупнозернистого материала режим фильтрации может быть переходным или турбулентным.
В таком случае этот участок графика изображен кривой линией. В точке А (см. Рис. 1) слой переходит в псевдозревное состояние, характеризуется вершиной давления, которая отражает затраты энергии на преодоление сил инерции частиц и их взаимодействия.
Рис. 2. Зависимость потери напора в полидисперсном слое от скорости псевдозревающего потока (в логарифмических координатах):
1 — область фильтрации;
2 — переходный режим;
3 — состояние полного псевдозревания.
В установившемся режиме псевдозревания сохраняется постоянство разницы давлений во всем интервале существования псевдозревающего слоя. При постепенном снижении скорости потока псевдозревающий слой переходит в неподвижное состояние по кривой обратного хода, которая не имеет вершины давления и находится в зоне неподвижного слоя ниже графика прямого хода, так как в это время образуется расслабленный слой с расслабленной упаковкой зерен.
Рис. 3. Зависимость потери напора в фонтанирующем слое пшеницы от скорости воздушного потока:
1 — кривая прямого хода;
2 — кривая обратного хода.
Полидисперсный слой характеризуется постепенным переходом к псевдозревному состоянию часто без выраженной вершины давления. Псевдозревание зернистого материала возможно не только в аппаратах с неподвижными стенками, но и во вращающемся аппарате с пористыми стенками, который вращается вокруг своей оси. При этом псевдозревание сыпучего материала происходит в поле центробежных сил. Сыпучий материал прижимается к пористым стенкам, которые одновременно являются газораспределительным устройством. Образующийся псевдозревный слой отличается уменьшенным уносом твердых частиц, что позволяет повысить рабочие скорости псевдозревающего потока. Эти свойства могут быть очень полезными в малотоннажных технологических процессах, где обрабатываются дорогие сыпучие материалы.
