Псевдоожиженный слой

Псевдоожиженный слой — это физическое явление, которое происходит, когда твердое вещество в виде частиц (обычно присутствующее в емкости для хранения) находится в правильных условиях, так что оно ведет себя как жидкость . Обычный способ получения псевдоожиженного слоя — закачивать жидкость под давлением в частицы. Полученная среда затем обладает многими свойствами и характеристиками обычных жидкостей, такими как способность свободно течь под действием силы тяжести или перекачиваться с использованием жидкостных технологий.

Полученное явление называется псевдоожижением . Псевдоожиженные слои используются для нескольких целей, таких как реакторы с псевдоожиженным слоем (типы химических реакторов ), разделение твердых веществ, ^[1] каталитический крекинг жидкости , сжигание в псевдоожиженном слое , тепло- или массообмен или модификация интерфейса, такие как нанесение покрытия на твердые предметы. Эта технология также становится все более распространенной в аквакультуре для производства моллюсков в интегрированных многотрофических системах аквакультуры. ^[2]

Псевдоожиженный слой состоит из смеси жидкости и твердого тела, которая проявляет свойства, подобные свойствам жидкости. Таким образом, верхняя поверхность слоя относительно горизонтальна, что аналогично гидростатическому поведению. Слой можно рассматривать как гетерогенную смесь жидкости и твердого тела, которая может быть представлена ​​единой объемной плотностью.

Кроме того, объект с более высокой плотностью, чем у дна, утонет, тогда как объект с более низкой плотностью, чем у дна, будет плавать, таким образом, можно считать, что дно демонстрирует поведение жидкости, ожидаемое от принципа Архимеда . Поскольку «плотность» (фактически, объемная доля твердого вещества суспензии) дна может быть изменена путем изменения доли жидкости, объекты с другой плотностью относительно дна могут, путем изменения либо доли жидкости, либо доли твердого вещества, быть вынуждены тонуть или плавать.

В псевдоожиженных слоях контакт твердых частиц с псевдоожижающей средой (газом или жидкостью) значительно усиливается по сравнению с насадочными слоями . Такое поведение в псевдоожиженных слоях сгорания обеспечивает хорошую теплопередачу внутри системы и хорошую теплопередачу между слоем и его контейнером. Подобно хорошей теплопередаче, которая обеспечивает термическую однородность, аналогичную однородности хорошо перемешанного газа, слой может иметь значительную теплоемкость, поддерживая при этом однородное температурное поле.

Кипящие слои используются как технический процесс, который имеет возможность способствовать высоким уровням контакта между газами и твердыми телами. В кипящем слое может быть использован характерный набор основных свойств, незаменимых для современных технологических процессов и химической инженерии, эти свойства включают:

• Чрезвычайно высокая площадь поверхности контакта между жидкостью и твердым веществом на единицу объема слоя
• Высокие относительные скорости между жидкостью и дисперсной твердой фазой.
• Высокий уровень перемешивания фазы частиц.
• Частые столкновения частиц с частицами и со стенками.

Возьмем пример из пищевой промышленности: псевдоожиженные слои используются для ускорения заморозки в некоторых индивидуально быстрозамороженных (IQF) туннельных морозильниках . Эти туннели псевдоожиженного слоя обычно используются для небольших пищевых продуктов, таких как горох, креветки или нарезанные овощи, и могут использовать криогенное или парокомпрессионное охлаждение . Жидкость, используемая в псевдоожиженных слоях, может также содержать жидкость каталитического типа; вот почему она также используется для катализа химической реакции, а также для повышения скорости реакции.

Кипящие слои также используются для эффективной объемной сушки материалов. Технология кипящего слоя в сушилках повышает эффективность, позволяя всей поверхности высушиваемого материала находиться во взвешенном состоянии и, следовательно, подвергаться воздействию воздуха. Этот процесс также может сочетаться с нагревом или охлаждением, если это необходимо, в соответствии со спецификациями применения.

В 1922 году Фриц Винклер осуществил первое промышленное применение псевдоожижения в реакторе для процесса газификации угля . ^[3] В 1942 году был построен первый циркулирующий псевдоожиженный слой для каталитического крекинга минеральных масел , а в конце 1940-х годов технология псевдоожижения была применена в металлургической обработке (обжиг арсенопирита ). ^{[4] [5]} В это время теоретические и экспериментальные исследования улучшили конструкцию псевдоожиженного слоя. В 1960-х годах VAW-Lippewerk в Люнене, Германия, реализовал первый промышленный слой для сжигания угля, а затем для прокалки гидроксида алюминия.

Типы пластов можно грубо классифицировать по их поведению потока, включая: ^[6]

• Стационарный или псевдоожиженный слой частиц представляет собой классический подход, при котором используется газ с низкой скоростью, а псевдоожижение твердых частиц происходит относительно стационарно, при этом захватываются некоторые мелкие частицы.
• В псевдоожиженном слое с пузырьками (также называемом агрегативным псевдоожиженным слоем) скорость жидкости высока, в результате чего образуются две отдельные фазы – непрерывная фаза (плотная или эмульсионная фаза) и прерывистая фаза (тощая или пузырьковая фаза).
• Циркулирующие псевдоожиженные слои (ЦПС), где газы имеют более высокую скорость, достаточную для подвешивания слоя частиц, из-за большей кинетической энергии жидкости. Таким образом, поверхность слоя менее гладкая, и более крупные частицы могут быть унесены из слоя, чем в случае стационарных слоев. Унесенные частицы рециркулируются через внешний контур обратно в слой реактора. В зависимости от процесса частицы могут быть классифицированы циклонным сепаратором и отделены от слоя или возвращены в него в зависимости от размера частиц.
• Вибрационные псевдоожиженные слои похожи на стационарные слои, но добавляют механическую вибрацию для дополнительного возбуждения частиц и повышения их уноса.
• Транспортный или флэш-реактор (FR): При скоростях выше CFB частицы приближаются к скорости газа. Скорость скольжения между газом и твердым телом значительно снижается за счет менее однородного распределения тепла.
• Кольцевой псевдоожиженный слой (КПС): Большое сопло в центре пузырькового слоя вводит газ с высокой скоростью, достигая зоны быстрого смешивания над окружающим слоем, сравнимой с той, которая наблюдается во внешнем контуре ЦКС.
• Механически псевдоожиженный реактор (MFR): Механическая мешалка используется для мобилизации частиц и достижения свойств, аналогичных свойствам хорошо перемешанного псевдоожиженного слоя. Он не требует псевдоожижающего газа. ^[7]
• Узкие псевдоожиженные слои (NFB): В этом случае соотношение между диаметрами трубки и зерна равно или меньше примерно 10. Динамика слоя в этом случае отличается от других типов псевдоожиженных слоев из-за сильных эффектов ограничения, а также наличия зернистых пробок, состоящих из областей с высокой концентрацией твердых частиц, чередующихся с низкими концентрациями твердых частиц, что является обычным явлением. ^{[8] [9] [10]}

Когда через насадочный слой проходит жидкость, падение давления жидкости приблизительно пропорционально поверхностной скорости жидкости . Для перехода от насадочного слоя к псевдоожиженному состоянию скорость газа непрерывно увеличивается. Для отдельно стоящего слоя будет существовать точка, известная как минимальная или начальная точка псевдоожижения, в которой масса слоя подвешивается непосредственно потоком потока жидкости. Соответствующая скорость жидкости, известная как «минимальная скорость псевдоожижения», . ^[11]${\displaystyle u_{mf}}$

За пределами минимальной скорости псевдоожижения ( ) материал слоя будет взвешен газовым потоком, и дальнейшее увеличение скорости будет иметь уменьшенное влияние на давление из-за достаточной фильтрации газового потока. Таким образом, падение давления для относительно постоянно.${\displaystyle u\geq u_{mf}}$${\displaystyle u>u_{mf}}$

У основания сосуда кажущийся перепад давления, умноженный на площадь поперечного сечения слоя, можно приравнять к силе веса твердых частиц (за вычетом плавучести твердого тела в жидкости).

$${\displaystyle \Delta p_{w}=H_{w}(1-\epsilon _{w})(\rho _{s}-\rho _{f})g=[M_{s}g/A][(\rho _{s}-\rho _{f})/\rho _{s}]}$$

где:

${\displaystyle \Дельта p_{w}}$это падение давления в слое

${\displaystyle H_{w}}$высота кровати

${\displaystyle \epsilon _{w}}$- это пустотность слоя, т.е. доля объема слоя, занимаемая пустотами (пространствами жидкости между частицами)

${\displaystyle \rho _{s}}$это кажущаяся плотность частиц слоя

${\displaystyle \rho _{f}}$плотность псевдоожижающей жидкости

${\displaystyle г}$это ускорение под действием силы тяжести

${\displaystyle М_{с}}$общая масса твердых частиц в слое

${\displaystyle А}$площадь поперечного сечения кровати

В 1973 году профессор Д. Гелдарт предложил группировать порошки в четыре так называемые «группы Гелдарта». ^[12] Группы определяются их расположением на диаграмме разности плотностей твердого тела и жидкости и размером частиц. Методы проектирования псевдоожиженных слоев могут быть адаптированы на основе группировки Гелдарта частиц: ^[11]

Группа A Для этой группы размер частиц составляет от 20 до 100 мкм, а плотность частиц обычно менее 1,4 г/см ³ . До начала фазы кипящего слоя слои из этих частиц будут расширяться в 2-3 раза при начальной псевдоожижении из-за снижения насыпной плотности. Большинство порошковых катализированных слоев используют эту группу.

Группа B Размер частиц составляет от 40 до 500 мкм, а плотность частиц — от 1,4 до 4 г/см ^3. Пузырение обычно образуется непосредственно при начальной стадии псевдоожижения.

Группа C Эта группа содержит чрезвычайно мелкие и, следовательно, наиболее связные частицы. Имея размер от 20 до 30 мкм, эти частицы псевдоожижаются в очень труднодостижимых условиях и могут потребовать приложения внешней силы, такой как механическое перемешивание.

Группа D Частицы в этой области имеют размер более 600 мкм и обычно имеют высокую плотность частиц. Флюидизация этой группы требует очень высокой энергии жидкости и обычно связана с высоким уровнем абразивного износа. Сушка зерна и гороха, обжарка кофейных зерен, газификация угля и обжарка некоторых металлических руд являются такими твердыми веществами, и они обычно обрабатываются в неглубоких слоях или в режиме фонтанирования.

Обычно сжатый газ или жидкость поступает в сосуд с псевдоожиженным слоем через многочисленные отверстия через пластину, известную как распределительная пластина, расположенную в нижней части псевдоожиженного слоя. Жидкость течет вверх через слой, заставляя твердые частицы взвешиваться. Если впускная жидкость отключена, слой может осесть, налипнуть на пластину или просочиться через пластину. Во многих промышленных слоях вместо распределительной пластины используется распределитель-разбрызгиватель. Затем жидкость распределяется через ряд перфорированных трубок.

• Циклонная сепарация – метод разделения газов и твердых частиц.
• Флюидизация – Принципы и теория флюидизации
• Сжигание в кипящем слое – применение кипящих слоев для сжигания
• Реактор с псевдоожиженным слоем – применение псевдоожиженных слоев в реактивных химических процессах
• Концентратор с псевдоожиженным слоем – применение псевдоожиженных слоев для удаления ЛОС/ОЗВ из промышленных выбросов
• Эксплуатация подразделения – Другие инженерные операции подразделения
• Химическое петлевое сжигание – применение двойного псевдоожиженного слоя

• Видео: псевдоожиженный слой «жидкость-твердое тело»
• Технология псевдоожиженного слоя Министерства энергетики США – Обзорный веб-сайт
• Информационный листок Министерства энергетики США NETL