Кипящий слой

Что такое кипящий слой

Кипящий или псевдоожиженный слой – это состояние, характерное для сыпучих (дробленых) материалов при пропускании через них потока газа или воздуха под давлением. Получается взвешенная масса из твердых частиц, которая ведет себя подобно кипящей жидкости — интенсивно перемешивается. Каждое зерно твердого материала по всей поверхности контактирует с газом, чего не происходит в спокойном состоянии

Как вещество переходит в кипящий слой

В спокойном состоянии частицы сыпучих материалов неподвижны. Их удерживает гравитационная, магнитная или другая сила. Когда через массу частиц пропускают газ или жидкость, то при достижении определенного напора (равного удерживающей силе) устойчивость системы нарушается. Отдельные зерна «зависают» в потоке – так образуется кипящий слой. Частицы псевдоожиженного материала интенсивно перемешиваются, температура среды по всей толщине остается постоянной.

Различают 4 режима прохождения сжижающего агента:

• Фильтрация. Газ или жидкость в ламинарном (спокойном) режиме проходит через промежутки между твердыми неподвижными частицами.
• Псевдоожижение. Лежащий сыпучий материал «вспухает», увеличивается в объеме, становится более рыхлым. Начинается интенсивное перемешивание частиц.
• Фонтанирование. Поток сжижающего агента прорывается через твердый слой большими пузырями, наблюдается вынос небольшого количества частиц материала.
• Унос. Почти все зерна уносит поток газа/жидкости. Установка работает в режиме пневмотранспорта.

Когда скорость прохождения потока (давление) принимает промежуточное значение между началом псевдоожижения и уносом частиц, система саморегулируется. Степень «разрыхления», или порозность, или расстояние между твердыми частицами, равномерно меняется во всем объеме среды в соответствии с ускорением сжижающего агента. То есть, чем выше давление потока, тем более «рыхлым» становится материал.

Где применяется метод кипящего слоя

Метод широко используется в различных химико-технологических процессах. Установки кипящего слоя используют в химической, в металлургической, в горнодобывающей, в перерабатывающей и в других сферах промышленности. Аппараты легко автоматизируются (контроль температуры процесса, давления газа, времени прохождения потока), являются экономически эффективными за счет сокращения продолжительности технологического цикла на производстве.

Тепловые, массовые и объемные расчеты с кипящим слоем применяют в следующих технологических процессах:

• адсорбция (поглощение) жидких и газообразных веществ (например, для осушения, очистки воздуха от примесей);
• теплообмен (различные теплообменные аппараты);
• перемешивание и сушка твердого материала (пастообразного, зернистого или порошкообразного);
• обжиг и сжигание (процессы обогащения руды, сгорания топлива);
• сепарация и транспортировка зернистых материалов и т. д.

В частности, для определения теплового баланса установок рассчитывают диапазон скоростей потока сжижающего агента, в котором будет происходить псевдоожижение, определяют порог начала уноса, порозность слоя при заданном давлении, максимальный и минимальный размер твердых частиц, изменения теплообмена и массообмена, теплоту сгорания материалов, гидродинамические характеристики системы и т. д.

Например, для расчета теплоты сгорания топлива в кипящем слое используют уравнение следующего вида:

Q_топл = V_{под. сл.} / 3600 V₀^н × Q_p,

где V_{под. сл} – расход воздуха под слой, м³/ч; V₀^н – теоретическое количество воздуха, м³/кг; Q_p – располагаемая теплота топлива, кДж/кг.

В процессах адсорбции и сушки скорость уноса твердых частиц рассчитывают по формуле:

W₀ = Re × μ_в / d × ρ_в,

где Re – критерий Рейнольдса, соответствующий режиму движения при уносе твердых частиц; μ_в – динамическая вязкость воздуха при температуре 20 °С, Па × с; d – диаметр частиц, м; ρ_в – плотность воздуха при 20 °С, кг/м³.

Во многих установках сжижающим агентом является атмосферный воздух, который через фильтр подают в реактор. Аппараты обычно работают в непрерывном режиме, но могут использоваться и в периодических процессах. Это оборудование идеального смешения, способное поддерживать постоянство характеристик перемешиваемой среды в каждой точке.

В аппаратах кипящего слоя процессы горения, окисления, взаимодействия веществ твердой и газообразной/жидкой фазы протекают в несколько раз быстрее, чем в установках, использующих другие технологии.

Аппараты кипящего слоя Дюпонт

Технология псевдоожижениялежит в основе работы следующих агрегатов:

• печей и топок кипящего слоя;
• котлов;
• сушилок;
• оборудования для нанесения порошковой краски и т. д.

Для получения более полной информации свяжитесь со специалистами компании удобным для вас способом.

Оставить заявку