Кипящий слой

Автор: A-to-Z Guide to Thermodynamics, Heat & Mass Transfer, and Fluids Engineering

Автор перевода: Гасюкевич И. А. 

Источник (англ.): www.thermopedia.com.

Аннотация

Представляется подробное описание,что из себя представляет кипящий слой.

Кипящий слой – состояние двухфазной смеси частиц твердого материала и жидкости, который широко используется во многих современных технологиях для эффективной реализации различных физико-химических процессов. Псевдоожиженный слой был использован в технологических процессах, таких как: крекинг и риформинг углеводородов (нефти), карбонизации и газификации угля, обжига руды, синтеза Фишера-Тропша, производства полиэтилена, производства алюминия, гранулирования, сжигание отходов, подготовка ядерного топлива, сжигания твердого, жидкого и газообразного топлива, сушки, адсорбции, охлаждения, нагрева, замораживания, транспортировки, хранения и термической обработки различных твердых частиц твердых материалов.

Термин «кипящий слой» неизбежно связано с термином «частицы твердого материала». Сыпучие материалы являются механической смесью из множества твердых частиц. Натуральные материалы частиц происходят из многих долгосрочных природных процессов: отопление, охлаждение, термического расширения, дробления, атмосферные изменения, речной эрозии и эрозии, вызванной морских волн. Многие технологические процессы также происходят из частиц твердого материала: измельчение, испарение, кристаллизация, распыления и сушка. Порошковые материалы могут также быть органического (растительного) происхождения: плоды и семена.

Сыпучие материалы, наиболее часто, состоят из твердых частиц с диапазоном формы и размера. Большинство неорганических частиц твердых материалов, встречающихся в природе, имеют чрезвычайно широкий диапазон размеров частиц. Такие материалы называются полидисперсные материалы. По определенным технологическим процессам, можно получать частицы практически той же формы и размера. Органические материалы в виде частиц, встречающихся в природе (плодов и семян) состоят из частиц одинаковой формы и размера. Такие материалы называются монодисперсные материалы.

Геометрические, физические и аэродинамические свойства частиц твердых материалов влияют на начало псевдоожижения, характеристики, поведение и основные параметры кипящего слоя. Наиболее важные свойства твердых частиц:
– плотность частиц;
– скелетная плотность;
– насыпная плотность массы на единицу объема неподвижного слоя;
– пористость (доля пустот) в неподвижном слое – отношение объема пространства между частицами и объема неподвижного слоя;
– снятие параметров теплового баланса котла в различных режимах;
– средний эквивалентный характерный размер частиц;
– форма частиц;
– размер частиц распределения – вероятность распределения частиц из-за их размера
– свободное падение – скорость падения частицы на котором гравитационная, Архимеда и сила сопротивления находятся в равновесии.

Для точного определения термина «псевдоожиженный слой», не достаточно сказать, что псевдоожиженный слой является состоянием двухфазной смеси в виде частиц твердого материала и жидкости. Между двумя предельными состояниями смеси жидкости просачивания в вертикальном направлении через неподвижный слой твердых частиц и свободного падения частиц через застойной жидкости из-за гравитационной силы, разнообразие различных состояний твердого жидкости два-фаза смесь существует. Общей характеристикой всех этих государств в вертикальном, вверх или вниз, потоке (жидкости, частиц или обоих, в том же или противоположных направлениях) является наличие жидкости в частицах относительной скорости и силы сопротивления. Различные состояния двухфазных смесей твердых частиц жидкости отличаются друг от друга по следующим характеристикам:
– твердые частицы могут быть на прежнем уровне, плавающем или двигатся хаотично;
– движение твердых частицы могут быть в предпочтительном направлении или хаотично;
– направление потока может быть вертикальным или горизонтальным;
– текучая фаза может быть в параллельном потоке или противотоке;
– движение твердого материала может быть свободным или ограничено каким-то механическим устройством (перфорированной пластиной, например);
– плотность или концентрация смеси может сильно отличаться одним состоянием от другого.

Возможные жидкости частицы смеси государства твердые являются: неподвижнымй слоем, стационарным в кипящем слое, в кипящем слое с кормлением частиц на дне и переполнения на свободной поверхности слоя, или наоборот, вертикальной транспортировкой в плотном слое, низкая плотность по вертикали и горизонтали транспортировки, движение вниз частиц в плотном слое со спутным потоком жидкости, и низкой плотностью передачи вниз. Особые случаи вышеуказанных государств являются движущимся слоем. Плотная фаза, некипящего твердый потока, в котором частицы движутся целиком, с небольшой относительной скоростью, был передан в качестве потока подвижным слоем, упакованный потоком слоя или скольжением пригорания потока. Пористость близка к минимальному значению псевдоожижения. Вертикальный вниз поток часто используется с жидкостью движется быстрее, чем твердые тела. Восходящий из некипящих частиц не имеет ничего общего с Фонтанирующим слоем, и представляет собой сочетание струйного типа движущийся вверх псевдоожиженной фазы, окруженной медленным вниз подвижным слоем, через который газ просачивается вверх. Использование таких систем ограничены несколькими физическими операциями с крупными частицами. Граница перехода между этими состояниями смеси твердых материалов и жидкости определяются известной диаграммой Зеннца.

Кипящее состояние возникает, когда неподвижный слой зернистого материала пронизан в вертикальном направлении с жидкостью с достаточной скоростью, чтобы разбить слой. В неподвижном слое, частицы являются неподвижными, опираясь друг на друга в многочисленных точках контакта и применяя силы друг с другом. Вес силы тяжести частиц и вес слоя – распространяются во всех направлениях через контактные частиц пунктов. При достижении критической скорости (минимальной скорости псевдоожижения) твердые частицы начинают плавать, двигаться хаотично и столкиваться. Взаимные контакты между частицами носят кратковременный характер и силы между ними слабы. В кипящем состоянии, частицы находятся в постоянном, хаотическом движении, и их расстояние растет с увеличением скорости жидкости в результате чего высота слоя растет. Падение давления в жидкой фазе по дну постоянна и равна весу единицы поверхности сечения слоя. Это значение достигается при минимумальной скорости псевдоожижения.