В.Б.Кваша, В.В.Чижов, В.Г.Айнштейн

СРЫВ ВЛАГИ С ПОВЕРХНОСТИ ЧАСТИЦ В ИНЖЕКТОРНОМ СЛОЕ

Инженерно-технический журнал, т.ХХХ, № 3, 1976.

         Обнаружено явление “механического” срыва влаги в инжекторном слое. Изучено влияние влажности материала, высоты слоя, диаметра частиц и скорости инжектирующего агента на интенсивность срыва влаги.

         В настоящее время широкое распространение получили различные методы контактирования твердых частиц с газами (жидкостями) во взвешенном состоянии. Значительный интерес представляет инжекторный слой, основные свойства которого обусловлены высокими скоростями истечения газа из отверстии распределительной решетки малого живого сечения при сохранении умеренных скоростей над слоем (в том числе ниже скорости начала псевдоожижения). Из-за больших скоростных напоров, согласно уравнению Бернулли, в струях газа, выходящих из отверстий, возникают зоны пониженного давления. В эти зоны устремляются частицы из участков между отверстиями, где давление выше; они подхватываются газовыми струями и перемещаются вверх. При этом весь твердый материал участвует в интенсивном движении, образования застойных зон твердого материала не наблюдается, а повышенное сопротивление газораспределительной решетки, необходимое для реализации инжекторного слоя, улучшает равномерность газораспределения.

         Инерционность частиц, контактирующих с высокоскоростными струями, обусловливает весьма значительную разницу в скоростях газа и твердых частиц (в особенности вблизи решетки). При этом па поверхности частиц возникают некоторые явления, не наблюдаемые в системах с умеренными относительными скоростями газа и твердых частиц. Так, при сравнительно небольших значениях числа Рейнольдса (Rе ~ 10), рассчитанного по скорости на полное поперечное сечение аппарата, в инжекторном слое коэффициенты массообмена близки к величинам, характерным для одиночной закрепленной частицы (в обычных псевдоожиженных системах они на 1—2 порядка ниже).

         Предметом настоящего сообщения является обнаруженный нами эффект срыва влаги с поверхности твердых частиц при их обезвоживании и инжекторном слое в условиях удаления свободной влаги. В результате такого механического срыва влаги (в отличие от обычного диффузионного влагосъема) Xк нередко заметно превышает Xр (предельное для массообмена в условиях конвективной диффузии). Таким образом, появляется возможность удаления значительных количеств влаги без затрат энергии на ее испарение; практическое значение этого эффекта очевидно и подтверждено приведенными экспериментальными данными. Экспериментальный аппарат диаметром 180 мм и высотой 2000 мм был снабжен перфорированной решеткой, в отверстии которой вмонтированы сопла Лаваля с диаметром узкой части 1,0 мм и верхней — 1,27мм; живое сечение распределительного устройства (по узкой части сопел) составляло 0,25%. В качестве инжектирующего агента использовали воздух; инжектированию подвергали гранулы поликапроамида размерами d от 0,5 до 4,5 мм. В ходе эксперимента варьировали: U от 0,08 до 0,8 кг влаги/кг сухого вещества; Но от 0,5 до 50 мм; V от 60 до 180 м3/час (соответственно Wс= 150-450 м/сек). Температура в слое во всех опытах составляла 75 °С.

Рис 1 - Влияние влажности материала U кг влаги/кг сухого материала на интенсивность срыва N1 для слоя толщиной в одну частицу. Цифры у кривых справа – скорость воздуха на выходе из сопла Wс м/сек ; цифры у кривых – размеры частиц d, мм.
Рис 2 - Зависимость числа срыва N1 от скорости газа Wс , м/сек на выходе из сопла при влажности материала U=0,2 кг влаги/кг сухого вещества. Цифры у кривых – размеры частиц, мм.

         В настоящее время нам не удалось в полной мере выделить собственно процесс механического срыва влаги с поверхности частиц. Поэтому при обработке экспериментальных данных принимали, что в результате конвективного массообмена воздух полностью насыщается влагой до значения Xр, а избыток ее Х=Xк/Xр относили за счет срыва влаги. Относительное избыточное количество удаленной влаги N= X/Xр, именуемое ниже «числом срыва», представляли в зависимости от перечисленных выше параметров процесса.

         Влияние влажности материала на число срыва N1 для слоя толщиной в одну частицу (Ho = d) показано на рис. 1. Нулевому значению числа срыва физически соответствует Uкр= 0,07 кг влаги/кг сухого вещества. С ростом влажности U сверх Uкр число срыва N1 растет вначале быстро (штрих на рисунке), а затем линейно (сплошные линии) до определен¬ного граничного значения Uгр, за пределами которого N1, сохраняет по¬стоянное (граничное) значение Nгр. Подчеркнем, что для более крупных частиц кривые N1=N1(U) располагаются выше. Из рис. 1 также следу¬ет, что число срыва , N1 растет с увеличением скорости газа Wc, причем в исследованном диапазоне скоростей этот рост близок к линейному (рис. 2). Наконец, на интенсивность срыва влаги влияет высота слоя (рис. 3): крайние левые точки отвечают величинам N1; первоначально N возрас¬тает с повышением Ho. однако при достижении некоторых предельных значений Hкр влияние Ho вырождается.

         Возрастание интенсивности срыва (N1, N и Nгр,) с ростом размера частиц объясняется сопутствующим повышением относительной скоро¬сти движения газа и твердых частиц. Кроме того, при одинаковой влаж¬ности материала толщина пленки свободной влаги пропорциональна размеру частиц (количество влаги пропорционалцно кубу размера; сво¬бодная плата распределяется по поверхности, пропорциональной квад¬рату размера). Понятно, что газовый поток легче срывает влагу с плен¬ки большей толщины, т. е. с более крупной частицы. Эта же причина вызывает увеличение N1 с ростом влажности материала.

Рис. 3 - Влияние высоты слоя Hо, мм на интенсивность срыва N при влажности материа¬ла U= 0.2 кг влаги/кг сухого вещества. Сплошные линии — скорость газа Wс=455 м/сек; цифры у кривых слева — размеры частиц d, мм; штриховые линии — размер частиц 2,2 мм. Цифры у кривых справа — скорость, газа, Wс, м/с.
Рис. 4 - Зависимость числа срыва от влажности материала U, кг влаги/кг сухого материа¬ла при скорости газа Wс = 455 м/сек и различных высотах слоя. Цифры у кривых справа — размеры частиц, мм; цифры у кривых — значения Ho, мм.

         Постоянство Nгр при U>=Uгр, видимо, объясняется ограниченной не¬сущей способностью среды в двухфазных потоках [4]. Одновременно на вынос влаги, сорванной с поверхности твердых частиц, может оказывать влияние их отбойное действие. В этом аспекте вполне объяснимо полу¬чение меньших значений Nгр и Uгр в случае частиц малых размеров, об¬ладающих большей суммарной поверхностью (рис. 1).

         Возрастание величин N1’, N и Nгр с ростом Wс объясняется повышени¬ем относительной скорости газа и частиц, а также транспортирующей способности потока по жидкой фазе. Именно возрастанием последней при повышении Wс вызвано, вероятно, увеличение граничной влажно¬сти Uгр

         Рост N с увеличением высоты слоя при умеренных значениях Ho об¬условлен увеличением абсолютного количества влаги в слое, а также продолжительности контакта твердых частиц с газовым потоком. По¬стоянство N при высоких Ho является следствием отбойного действия частиц. При этом предельное значение Hкр закономерно (см. выше) рас¬тет с увеличением размера частиц.

         В основу обработки экспериментальных данных был положен анализ влияния параметров процесса па срыв влаги при толщине слоя в одну частицу.

         Из рис. 1 видно, что прямые N1 = N1(U) для разных скоростей Wс в пределах каждого размера частиц (2,2 и 4,5 мм) пересекаются в однойточке с абсциссой Uкр (пупктнрн;ые прямые вблизн Uкр). Ордината точ¬ки пересечения N1’ зависит от размера частиц (для частиц диаметром 1,25 и 0,5 мм значения N1’ находили как ординаты линий N1 = N1(U) при абсциссе Uкр. Статистическая обработка опытных данных привела к следующей зависимости:

         Для описания изменения N1 с U необходимо зафиксировать также ко¬нечную точку прямой с координатами Nгр, Uгр. Полученные нами эмпирические формулы отражают влияние размера частиц и скорости газа (рис 1 и 2)

         Формулы (1)—(3) получены в диапазоне

         Располагая крайними точками прямых N1= N1 (U), легко построить обоб¬щенную зависимость для всего литейного участка, пользуясь приведенными числами срыва N^* и влажности U^*

         По уравнению (4) можно определить число срыва N, при заданной влажности U в диапазоне от 2Uкр до Uгр.

         Переходя к расчету числа срыва для слоя произвольной высоты Ho, подчеркнем, что граничная точка (т. С. Численные значения Nгр и Uгр) не зависит от Ho (см. рис. 4). Анализ данных (рис. 3) показал целесооб¬разность их представления и относительных координатах N/N1 и Ho/d. При такой обработке экспериментальные точки для разных скоростей газа, размеров частиц и высот слоя располагаются с приемлемым раз¬бросом около общей кривой, описываемой простым соотношением

         Зависимость (5) получена в диапазоне Ho/d = 1/36. Этой зависимости, разумеется, не подчиняются экспериментальные данные за пределами критической высоты слоя Hкр: в случае Ho > Hкр интенсивность срыва остается неизменной и максимально возможной для частиц данного размера при дан¬ной.скорости газа. Для нахождения высоты Hкр, при превышении которой N =N1=Nгр = const, предлагается эмпирическая формула

---

Литература

1. Кваша В.Б., Чижов В.В., Хим. И нефт. Машиностроение,№ 6,1974.
2. Гельперин Н.И.,Анштейн В.Г., Кваша В.Б, Основы техники псевдоожижения . М., «Химия» 1967.
3. Псевдоожижение (под редакцией И. Дэвидсона и Д.Харрисона), гл Х. Пер. с англ под ред. Н.И. Гельперина. М., «Химия», 1974.
4. Забродский С.С. Гидродинамика и теплообмен в псевдоожиженном слое. М.-Л., Госэнергоиздат, 1963.