Глава 17. Исследование гидродинамики орошаемого кипящего слоя дисперсного материала

В работах ряда исследователей показана возможность суш­ки растворов в кипящем слое дисперсного материала [1—7]. При этом производительность аппарата по испаренной влаге, отнесенная к поперечному сечению и полному объему рабочей камеры аппарата, в 15—17 раз больше, чем для распылитель­ных сушилок [6]. Существенно, что в подобных установках воз­можно совмещение процессов сушки и грануляции [1, 5, 8—13].

Вместе с тем данные по гидродинамическим особенностям орошаемого псевдоожиженного слоя в литературе весьма огра­ничены [14], и большинство известных работ освещает лишь качественную картину подобных систем, количественные же данные практически отсутствуют.

При впрыске жидкости в кипящий слой первостепенное зна­чение имеет вопрос равномерного перемешивания дисперсного материала. Правильный выбор минимальной скорости псевдо­ожижения орошаемого слоя при осуществлении процесса гра­нуляции в нем является основой для получения высококачест­венной продукции.

Нами проведено экспериментальное исследование гидроди­намики орошаемого кипящего слоя. Работа проводилась на экспериментальной установке, показанной на рис. 1. Принцип работы установки следующий. Воздух, пройдя электрокалори­фер, поступает под газораспределительную решетку (сечением 6%) цилиндрической рабочей камеры диаметром 145 мм. Жидкость подается пневматической форсункой на поверхность псевдоожиженного слоя дисперсного материала. Высота уста­новки форсунки над плотным слоем во всех опытах берется одинаковой и равной 100 мм. Расход воздуха определяется по газовому счетчику PC-100 и регулируется вентилем. Перепад давления в слое фиксируется по микроманометру, подключен­ному к двум пневмометрическим трубкам, одна из которых располагается    над газораспределительной решеткой, а другая — над слоем. Температура горячего воздуха измеряется и автоматически регулируется электронным потенциометром ЭПВ-01 в комплекте с хромель-алюмелевой термопарой, поме­щенной под газораспределительной решеткой. Термозонд с тремя закрепленными на нем хромель-копелевыми термо­парами может передвигаться по всему объему кипящего слоя.

Опыты проводились с тремя фракциями речного песка эк­вивалентным диаметром 0,42, 0,61 и 1,12 мм.

Условием существования кипящего слоя при испарении в нем жидкости является равенство подаваемой и испаренной массы воды:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

Приустойчивое псевдоожижение слоя нарушается. Соблюдение равенства (1) зависит от температуры и скорости подаваемого воздуха.

Нами сделана попытка определить опытным путем мини­мальные скорости воздуха, при которых наблюдается устойчи­вое псевдоожижение орошаемого слоя дисперсного материала.

Температура и скорость подаваемого воздуха для каждого расхода жидкости варьировались таким образом, чтобы темпе­ратура слоя, измеренная термозондом на расстоянии 20 мм от газораспределительной решетки и выше, была бы постоянной и равной 50 °С. При этом поддерживался такой режим псевдо­ожижения, чтобы пульсационные колебания давления в слое были бы минимальными и отсутствовало бы комкование мате­риала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Если при контрольном даже незначительном уменьше

нии скорости горячего воздуха начиналось комкование мате­риала и нарушалась изотермичность слоя, то эту скорость можно считать минимальной скоростью устойчивого псевдо­ожижения орошаемого слоя при данном удельном расходе жидкости. Экспериментальная зависимость минимальной ско­рости псевдоожижающего агента от расхода испаряемой жидкости  для  различных  значенийпредставлена на рис. 2. 

Опыты  проводились  в  достаточно  широком диапазоне изме­ненияи высоты плотного слоя

Обработка экспериментальных данных методом последователь­ного отыскания зависимости где - критерий позволила установить следующее соотношение:

 

 

Рейнольдса, вычисленный  при температуре  воздуха на входе в рабочую камеру;эквивалентный диаметр частиц; - средний диаметр частиц (сред­нее значение  для  двух  соседних сит); - критерий Федорова; - удельный расход жидкости,- площадь поперечного сечения аппарата,  - продолжительность опыта, час; - общий  расход  жидкости за  время опыта, кг; = - высота плотного слоя;- удельный вес дисперсного материала, 

;- вес материала, кг

Величинынеобходимо подставлять в формулу (3) в миллиметрах. При = 0 формула (3) преобразуется к виду(4)

Сопоставление формулы (4) с данными других исследователей, показало, что полученное нами значение условного критического числа  для "сухого слоя модельного материала в исследованном диапазоне изменения числа Fe несколько превышает величину  полученную другими авторами [15-17]. Это увеличение условной критической скорости псевдоожижения рассматриваемого нами слоя обусловлено, по-видимому, динамическим воздействием факела распыления, направленного навстречу потоку псевдоожижающего агента и препятствующего свободному расширению слоя.
Проследим по уравнению (3) влияние геометрических параметров орошаемого слоя дисперсного материала на величину минимальной скорости псевдоожижения. Зависимость для определенияотражает физическую сущность процессов, происходящих в орошаемом кипящем слое. Если пренебречь динамическим воздействием факела распыла, то энергия псевдоожижающего агента затрачивается на преодоление со­противления сухого псевдоожиженного слоя и дополнительных сил сцепления между частицами, появляющихся при ороше­нии слоя жидкостью. Увеличение высоты слоя /г_ппри постоян­ныхвлечет за собой уменьшение доли смоченных частиц в слое, а следовательно, и уменьшение сил сцепления частиц между собой, что выражается в уменьшении коэффи­циента В.

Изменение диаметра частиц при неизменной нагрузке су­хого материала на газораспределительную решетку и задан­номтакже приводит к изменению величины минимальной скорости устойчивого псевдоожижения, а следовательно, и ве­личиныДействительно, как видно из формулы (3), уве­личение d₃ влечет за собой рост коэффициентов Л и В. Вместе " тем увеличение диаметра частиц нивелирует влияние смачи­вания слоя при заданномна величину о_ш1п. Это обуслов­лено резким возрастанием критической скорости псевдоожи­жения «сухого» слоя, так как последняя прямо пропорциональ­на диаметру частиц в степени 0,96. Таким образом, при увеличении d_a уменьшается соотношение водяных эквивален­тов впрыскиваемой жидкости и псевдоожижающего агента (теплоносителя). Поэтому испарение в слое протекает более, интенсивно, а среднеинтегральная влажность слоя уменьша­ется. Это в свою очередь приводит к уменьшению слипаемости частиц («вязкости слоя»), а следовательно, и к менее замет­ному влиянию процесса орошения на величину

Полученная зависимость может быть использована для оп­ределения нижнего предела области существования орошае­мого псевдоожиженного слоя по скорости псевдоожижающего агента.