автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Процессы переноса в элементах аппаратов с организованным псевдоожиженным слоем

московский".ИНСТИТУТ тонкой ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ им. М.В. Ломоносова

На правах рукописи

КУВШИНОВ Геннадий Георгиевич

ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА В ЭЛЕМЕНТАХ .АППАРАТОВ С 0РГАКЙ303А1ШМ ПСЩЦ003И2ЕННЬМ СЛОИ

05.17.08 - процессы и аппараты химической технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук 1

Мосгазз- 1392

Работа

выполнена в Институте катализа Сибирского Российской Академии наук

Отделения

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук, профессор Айнштейн В.Г. доктор технических наук, профессор Бабешо В.Е. доктор физико- математических наук, профессор Ясников Г.П.

(ведущее предприятие - Институт теплофизики СО РАН

Защита (Соотоихеа •¿с&^Ск. 1992 года е '"'часов на

заседании • специализированого совета . Д.063.41.03 при Московском инешиуяв тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова по адресу« 117671 Москва, проспект Вернадского, 86. С диссертацией ыожно ознакомиться в библиотеке Института

по адресу: Москва, ул. Ма.п. Пироговская, д.1.

, у

Автореферат разослан »¿^» 1992. года

Учаний -секретарь, к.т.н. (С^й^гг^и С.В.Бабич

^ссертгцкЯ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ

Актуальность проблещ. Псевдоожиженние системы обладают рядом уникальных свойств, обеспечивающих эффективную реализацию в них множества <£изико- химических процоссов, которые сложно или невозможно осуществить в других условиях. Цревдз всего это касается высокотемпературных процессов и процессов, сопроводдапяихся поглощением или выделением большого количества тепла (скитание топлиз, обжиг, гетерогенный катализ и др.). Как правило, применение псевдоожиженного слоя позволяет существенно интенсифицировать реализуемый процесс, снизить габариты и металлоемкость оборудования, что с учетом масштабов современных производств является исключительно актуальной задачей.

Одним из важнейших направлений в создании нового технологического оборудования, использунцего технику псевдоожижения, является разработке аппаратов с организованным псевдоожиженным слоем, т.е. аппаратов, в которых на основе введения специальных конструкционных элементов осуществляется целенаправленное воздействие на структуру слоя и характер двйкения дисперсного материала в объеме реактора. Основные преимущества организованного псевдоожиженного слоя с практической точки зрения связаны с возможностью реализации неизотермических по высоте режимов, обеспечением заданной интенсивности перемешивания зернистого материала, повышением эффективности кекфазного газообмена, реализации режимов противотока газа и твердого.

По способу организации псевдоотккхенного слоя можно вндолить три основные группы аппаратов;

- с: направленной циркуляцией (например, проточные по дисперсному материалу аппарата);

- содержащие неподвижную равномерно распределенную по объому слоя организующую пасадку (заторможенные псевдоокиженные слои);

- . содержащиэ проницаемые для . дисперсного материала езкциониругщие элемента (реакторы с, секционированным псевдоожиженным слоем). *

Наряду с повышением, эффективности существующих процессов

применение реакторов с организованным псевдооаиженным слоем является основой реализации принципиально новых процессов, характеризующихся поваленной эксномичностьа.большй конверсией п селективность». В частности, к таким процессам относятся разрабатываемые в Институте катшЛза процесса слагакия топдив в каталитических генераторах тешш, парциального окисления оргоксилола ео фталевый ангидрид в условиях' цестацгонарного состояния катализатора, парциального окисления сероводорода с получением елементарной сэры в технологии очистки прпродаого газа и другие.

Вместо с тем техника псевдоошжания во всем шро ¿о сих пор внедряется с большими трудностями и счзтаатся трудао реализуемой в прошшленних масштабах. Яревде всего ото связано с отсутствием достаточно ЕфЗоитпышх ьазтодов расчета параметров, характеризующих интенсивность процессов пэрэноса в элементах аппаратов этого типа.

Еще более актуальна данная проблема для реакторов с организованным псевдоогаженнш слоем, т.к. послодниэ являются, с одной стороны, более перспективными, о с другой,- обладают более усложненной конструкдаей. Информация пэ о катодах расчета элементов аппаратов с организованный псевдоохашепвнм слоем, опыте их разработки и оксплуатецяи в сткритоЗ научной литературе чрезвычайно огроначона, что связакается с ее большим коммерческим значением.

Результаты данной диссертационной работи Сши получони в рамках выполнения комплексной научно- технической программы 0.Ц.014 и планов НИР Института катализа СО РАН.

Паль работа. Цель» настоодей дассортационлой работа является теоретическая и аксперамптальнад разработка {¿этодов расчета процессов переноса в элементах каталитических реакторов с организованным псевдоокетегашу слооа ирзьюнительно к решению задач их расчета и математического моделирования.

Для реализации указанной цели реиаотоя следуюцяе научные задачи:

- на безе комплекса исследование поведения газовых пузырей и закономерностей тепло- и массопереноса получить описание основных параметров, характеризующих тепло- и массогоренос в лсеБдоокиженном слое, организованном объемной насадкой:

скорость подъема и размеры газовых пузырей, расширение псэвдоогсизенного слоя, эффективные коэффициенты продольной диффузии частиц п теплопроводности, скорость циркуляции чвстиц, коэффициент мвхфазпого мвссообмена по честяцм, доли сечении, занятые подъемным п опускным потоками; -разработать метод расчета скорости гравитационного истечения зернистого материала из отверстия при наличии противотока газа;

-разработать физическую модель истечения зернистого материала через секцяонирующгю реактор решетку при наличии противотока газа, па ее осново описать процесс и полупить соотношения для расчета основных параметров, характеризующих истечение зернистого материала в рассматриваемых условиях: -исследовать особегаости циркуляции зернистого материала через провальный секционирукций элемепт, размещенный в псовдоожженном слое, разработать физическую модель циркуляции и получить соотношения для расчета интенсивности циркуляции частиц через секционпругсий элемент при наличии и в отсутствии протока катализатора через реактор;

-экспериментально исследовать особенности продольного теплопереноса в секционированном псевдоояигенном слое и получить соотношения для расчета э<Кективного термического сопротивления провального секционирующего элемента каталитического реактора;

-экспериментально исслздов&ть внешний теплообмен в нэдслоевом пространстве, установить основные закономерности теплообмена в этих условиях и получить соотношения для . расчета расширения слоя в интенсивности теплообмена в зависимости о? продольной координаты, условий псевдоогижонця и компоновки трубчатой яаподвизшой нэсадгсп, расположенной в слое и надслоевом тространство;

-разработать математическую модель каталитического реактора с тсевдоокикенным слоем, учитывающую, процесс коалосценции газовых , пузырей и . позволяющую анализировать влияние теобенностей узла подачи реагентов в реактор; на примере саталитических реакций первого . и второго • порядков фоакапизировять влияние ; коалесцанции пузырей и ^равномерности подачу реагентов ла интенсивность их

перемешивания и превращения в псо вдоо запханном слое катализатора. ,

Научная новизна. В результате проведенного в диссертации комплекса исследований разработаны основы расчета процессов переноса в элементах аппаратов с организованным псевдоокиженным слоем. При атом в диссертации получена следующие основные новые научные результаты:

1.На основе приближенной теории движения и взаимодействия газовых пузырей в развитом псевдооаошенном . слое получены но содержание дополнительных эмпирических коэф4зшонтов и хорошо согласующиеся с эксперименталышми данными новые формулы для расчета параметров циркуляционной и диффузионной моделей аппаратов с организованным объемной насадкой псевдоогзшэпным слоем (скорость подъема пузырей, коэффициент массообмена но частицам, коэффициент эффективной теплопроводности и др.);

2. Разработана эломентарная теория гравитационного истечения зэрнистого материала из отверстия при наличии противотока газа, на основе которой получены не содержащие новых эмглрических констант и хорошо описывающие имеющиеся экспериментальные данные соотношения для расчета расхода дисперсного материала в зависимости от скорости газа и параметров частиц и отверстия, а также' для критической скорости газа, при которой истечение зернистого материала, прекращается.

3. Разработана физическая модель истечени.. зернистого материала из системы отверстий (решетки) при наличии противотока газа, на основе которой выполнено описание этого процесса и установлены хорошо согласующиеся с полученными экспериментальными данными сботдашения для расчета . основных параметров, характеризующих процесс истечения и рассматриваемых условиях (скорость газа, соответствующая переходу от равномерного режима истечения к неравномерному, величина перепада давления на решетке, характерные скорости газа в отверстиях, доли отверстий, работающих в различных режимах, расход зернистого материала через реаетку, предельная скорость газа, при которой истечение зернистого матерная? через решетку прекращается).

4.На основе выполненного экспериментального исследования

разработаны физическая модель транспорта частиц через однослойный секционирующий элемент, расположенный в псэвдоожижэпном слое и приближенная теория, позволившая получись соотношения для расчета потоков частиц и характерных скоростей газа в проточном и непроточном аппаратах, хорошо обобщающие экспериментальные данные и содержащие один емпирический коэффициент.

5. В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований установлен механизм осевого переноса тепла через секционирующий элемент в псевдоожижешом слое. Выполнено списание процесса переноса тепла через секционирующий элемант и получены соотношения для расчота эффективного термического сопротивления секционирующего элемента в зависимости от конструкции последнего и параметров псовдоокижэния.

6. Получены ловце экспериментальные данная о механизме и интенс1шп0сти внешнего теплообмена в надслоевом пространство свободного и содержащего горизонтальные трубные пучки псевдоожижешого. слоя. Разработаны корреляции для расчота внешнего теплообмена в этих условиях, учитывающие высоту слоя, компоновку трубных пучков и другие особенности пеевдоожижеппя.

7. Предложена новая статистическая модель химического реактора с неоднородным псевдоожшнпым слоем, учитывающая коалесценцию пузырей и позволяющая анализировать влияние неравномерности подачи реагентов в аппарат на стопень их превращения. На оснсво предложенной математической модели установлены особенности паремепиванзя газообразной смеси и превращения реагентов в условиях протекания каталитических реакций первого и второго порядка в .заторможенном псевдоокижонном слое при неравномерном начальном распределении газовых пузырей по концентрация!«. Полученные аналитические и «оголенные решония качественно хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными. ■

Практическая ценность работы. Общим итогом рассмотренной работы является разработка основ расчета процессов переноса в элементах аппаратов с организованным псевдоожиженным слоем. Использование разработанных методов, новых подходов в описании процессов тепло- и массопереиоса в элементах рассматриваемых аппаратов, соотношений для расчета этих элементов обеспечивают

васоку» эффективность конструкторских расчетов и математического моделирования разнообразных каталитических и других процессов в организованном псевдооюгеяном слое.

Результаты данной диссертации могут быть использованы при разработке и создании прогрессивного высокоэффективного ресурсосберегающего оборудования о деииущимся плотным а псевдооггакешшм слоем в химической, нефте- и газоперерабатывающих технологиях, энергетике и других . отраслях промышленности. Полученные в диссертации результаты имеют также самостоятельное значение н могут использоваться для расчета отдельных узлов п конкретных аппаратов, но являвднхся реакторами с организованным псевдоожияенным слоем. Кроме того, изложенные результаты необходим для решения проблем. автоматизации режимов работы реакторов с организованном псевдоожюкэшшм слоем, их оптимизации, а также для роевни« проблем создания нового высокоэффективного экологически чистого оборудогания.

Реализация результатов работы. Полученные. в диссертации результаты использованы при разработке □ создании новых реакторов и технологических процессов, осуществляемых в псевдоолшаешом слое, в частности: ,

-соотношения для расчета термического сопротивления секционируадего провального элемента п ракомондацяп по рводу реагентов в псевдоокикенный слой, полученные па основе, статистической модели, использованы в НовосаСнрскои Сзлиапе КШиммаш при расчете каталитического гояораторз тепло дая обогрева строящихся объектов, создаваемого в рз«ках целевой комплексной научно- технической программ 0Ц.014. Результаты испытаний показали соответствие расчета □ реальных характеристик реактора;

-соотношения для расчета продольной аффективной теплопроводности заторможенного псевдоожиженного туюя, данные о выносе дисперсного материала в надслоовое пространство а зависимости внешнего теплообмена в надслоевом пространстве от концентрации частиц в потоке применят оя во ВНШМГазперерчботка при моделировании тепловых режимов , в расчете каталитического реактора окисления сероводорода в серу, создаваемого по програше "Зкологичесяя чистая

энергетика" в соответствии с постановлениями ГКНТ П 364 от 23.04.1950 и N 526 от II.04.1991;

-соотпопепия для расчета внешнего теплообмена в надслоевом пространстве использованы Бийским котельным заводом при проектировании топок котящего слоя;

-техническое ресенко по созданию контура циркуляции каталитического реактора с организованным псевдоожихенкым слоем для очистки природного газа от сероводорода передано в ШГШстрпхоньгазпром:

-соотпопепия для расчета параметров тепло- и массоперэноса в псоздоо.'япенпом слое, содерггацем объемную и секционирувдую насадку, используются Банкирском СКТБ концерна Грознефтеим при разработке каталитических реакторов с организованным псевдооязпгеншм слоем. Основные полосспия, шпосгадла на задяту;

1. Результаты теоретического и экспериментального исследования параметров тепло- и массопереноса диффузионной и циркуляционной моделей организованного псевдоо^шкенного слоя.

2. Новые подхода в оиисгиши процессов транспорта зернистого материала через одиночное отверстие и систему отверстий при наличии противотока газа и полученные на их остове соотноаепия для расчета основных характеристик истечения. ■ ■ ,

3. Результата экспериментального и теоретического ясслодоеония процессов' тепло- и массопереноса через сзкцио1П5руюсц!й элемент, расположенный в псевдоо:зпинном слое, включая полузкпиричеспие сотношония для расчота термического сопротивления элемента и потока обмена зернистым материалом для непроточного по частицам и проточного • каталитического рзактора.

4. Установленные- закономерности по ' механизму и ¡интенсивности внешнего теплообмена, а тпкхе .соотношения для расчета интенсивности внешнего теплообмена в надслоевом пространство п зависимости от продольной координаты, юмпоновки трубчатой насадки, высота слоя и параметров тспвдооишэния.

5. Статистическая модель каталитического реактора с ^однородным псевдоогижопнкм слоем, учитывающая коалесценцию

пузырей, и полученные на ее основе результата исследования влияния узла подачи реагентов в слой на степень превращения ' реагентов на призерах каталитических реакций первого и второго порядка.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: "Международный форум по тепломассообмену" (Минск, 1988), 4-я Моадународная школа "Моделирование процессов тепло- и массообмена, химические и биохимические реакторы" (Болгария, 1989), 10-я Международная конференция по химической технологии и химическим реакторам "СШБЛ'ЭО"(Прага, 1990), 7-я Всасошпая кои&еренция по тепломассообмену (Минск, 1984), 5-я Всесоюзная конференция "Горение органического топлива" (Новосибирск, 1984), "4-й Всесоюзный съезд по теоретической я прикладной механике", Ташкент» 2967, Всесоюзная научно- практическая конференция "ПсеБдаокижание-88" (Ленинград, 1988), Всесоюзное совоцание "Сжигание и газификация твердых тошшв в кшяцем слое" (Свердловск, 1968), Научно- практическое совещание . "Каталитические генераторы тепла" (Новосибирск, 1985), Конкурс научно- исследовательских работ Института катализа СО АН СССР' (Новосибирск. 1988, 1989, 1990), проблемный семинар Институте катализа. " .

Публикации. Непосредственно по материалам диссертации опубликована 31 работе, включая 6 авторских свидетельств.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и содержит 264 страницы основного машинописного текста, 95 рисунков, список литературы из 213 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕР2АП0Е РАБОТЫ

Во введения рассмотрены основные особенности'аппаратов о организованным псевдооюнсешшм слоем и сложности их . расчета, обоснована актуальность рассмтриваемых в диссертации проблем, сформулированы цели и задачи исследования.

В главе "Исследование и моделирование процессов переноса в псевдоожиженвои слое, организованной объемной насадкой" на основе пузырьковой модели псевдоокисенного слоя решается

Ю

проблема расчета параметров двух основных математических моделей, применяемых при моделировании ревкторов с организованным псевдожнженным слоем,- диффузионной и циркуляционной.

Все параметры циркуляционной модели, в рамках которой принимается, что перемешивание частиц и теплоперенос в псевдоохкженном слое обусловлен поднимающимися пузырями, можно легко определить из уравнений баланса газа и частиц, если известны скорость пузырей иь, га размеры и коэффициент массообмена Ро по частицам между опускающейся штатной фазой и поднимающимися шлейфами пузырей. Поэтому перечисленные параметры можно считать основополагающими при решении рассматриваемой проблемы. Имеющиеся в литературе корреляции для расчета этих параметров являются, как правило, эмпирическими и не отражают многие качественные особенности псевдоожюкенной системы, наблвдэемыо экспериментально.

Скорость подъема г-зовах пузырей в развитой псецдоогигеннои слое, Имевдаяся информация позволяет считать, что существенную роль при движении пузыря в псевдсожиженном слое играет механизм обтекания каждого последующего пупыря "следом" предыдущего (наличие "следов" подтверждено экспериментально как для случая подъема пузырей в жидкости. так и в псевдоонгазнном слое). Именно дополнительным ускорением пузыря в "следе" предыдущего можно объяснить увеличение скорости подъема пузырей в коллектива при увеличении расхода газа через аппарат. Исходя из сказанного, задача о скорости подъема пузырей при развитом псевдооаижэнии решается в на основе представления

пл.фаза

шлейф

Рис.1

диссертации теоретически псевдоокиженного слоя в виде трвхкомпонеятной смеси (рис.1): опускающиеся частицы плотной фазы, поднимающиеся вместе со шлейфами газовые пузыри и "следа". Используя теорию ' Ишии-Зубера для движения многокомпонентной, сыэси и полагая, что

доля "следов" в слое новеллка по сравнению с долями пузырей и опускного потока частиц, получеир соотношение для коллективной скорости подъема пузырей в виде:

иь=(и -1^)0 <а')/2 +[(и -кх)г/4 <,]"». (I)

где скорость подъема одиночного пузыря

иьо= (<Рс- р;ЧвЛре<1 + (2) -

Здесь ип1/- скорость минимального псевдоогажения, а- доля шлейфа в пузыре, ро, плотности слоя и пузырей (без шлейфа), гь- радиус пузыря.

Формулы (1,2) в отличии от аналогичных, получеших ранее (Дэвидсон- эмпирическая; Вайнэр и Клоу- теоретлческая). отражают влияние шлейфов на скорость подъема пузиреВ и благодаря этому лучке, как это показано в дассертадаи. . , согласуются с шевдимися и полученными в данной работе экспериментальными данными. В частности, здесь теоретически предсказывается существование наблюдаемого на практике предела . расширения слоя при увеличении скорости газа: 0Кгтаг«1/(1+д).

Размеры газовых пузырай о оргазззозгшаоа оОъегдюЗ пасздаоЗ псевдоозижетюи слое. Эксгортанташга вопрос ксслэдовзлсл на основе методики регистрация размеров пунарой. лшздетх по свободную поверхность слоя. Ешюдаено скспор^одтальноо исследование влияния объемной пасадгш па растру пузироЗ. Установлено, что при наличии равпоиэрао расздидолонлоЗ ио ,объем)' насадки существует достолпный по сасоте -схоа 7-врактершй размер газовых пузироП. В случае использования в. качестве насадки оаров, кодец Ракита, спиралей с шчш оагоу (Д/йи<10), характерный размер пузырей равен диаметру наседки (Д.й,- величина просвета ыевду витками п дааиетр' частиц, соответственно). С увеличением Ь/&ш характерный размер пузырей возрастает.

Коэффициент ыассообмеш) по частнцга цоаду . плейфоы п

-опустил! потокои частиц. Решение данной задачи базируется на предположении о том, что основной механизм обмена частицами в рассматриваемых условиях связан со взаимодействием возвратной струп плотной фазы со шлейфом пузыря. В этом случае, основываясь на представлениях Е.Н.Пузцрева, для коэффициента массообмена иогко получить:

Р 3 &3<1 - е*> )яУи - "У <и - Ч», )1

где п~0,04, а.ь^- отношение фронтального размера пузыря к эквивалентному п высота шлейфа (могут быть вирам ни через а). Эффективные коэффициенты диффузии п теплопроводности Для стационарных условий уравнения перемешивания частиц и переноса тепла циркуляционной модели могут быть преобразованы в соответствующие уравнения диффузии п теплопроводности диффузионной модели. При этом мохно получить следующие корреляции, связывающие параметры циркуляционной и диффузионной моделей:

где скорость циркуляции частиц

Соотжиепзте. аналогичное (4), получено ранэе Поттером.

Из (5) следует, что коэффициент эффективной теплопроводности слоя зависит пэ только от эффективной диффузии и свойств частиц, но и от свойств и скорости газа, что может быть существенным в случаях повышенных давлений, больших размеров частиц и в организованном слое, когда размеры пузырей невелики.

Наличие . строгого соотношения (5) между параметрами

диффузионной к циркуляционной моделей дало возьохаостосущестаить эффективную интегральную проверку тоореипескях результатов с'. помощью простого способа экспериментального определения А.#г на основе известной стационарной методики._ .____^ ^..............

Из рис.2 следует, что результаты расчетов вполне удовлетворительно согласуются с полученными в настоящей работе и опубликованными экспериментальными данными. (На рас. сплошные лиши- расчет. Дискретные обозначения- пружинная насадка, 1-Б- <1 =0,19 м, 6- й -=0,3 м, 1-3,6- <^«--0,016 11.4-«1^0,00? м. 5- ¿¿=0,02 м. 1-3,6? 1-0,0016 И. 4- 1=0,001 И. 5~ 2=0,002 м, 1,4,6- 1,0,0005 м (остроугольный алюмосиликат), Z-^=,001 м (ширики иаОа), 3- <1^0,002 м (вершей медаохромового катализатора), 6- 4^=0,0007 и (шарики меднохромового катализатора)). Можно видеть, что разработанная теория так же дает экстремальную зависимость как ото в было впервые

обнаружено в экспериментах л.П.Баскакозя с сотрудниками. -

В_главе "Гравптацяоное истечение зернистого материала

р эяезгаптзх аппаратов с оргашзовптстш слоем при палятаи протавэтода газа- решается проблема транспорта дисперсного материала о элементах аппаратов, характеризующихся направленной циркуляцией частиц, и секционированных аппаратов. Теоретически рассматриваются задачи истечения дисперсього материала из одиночного отверстия и системы отверстий при наличии противотока газа.

Проолема истечения зернистого, материала из одиночного отверстия является классической проблемой о песочных часах. Практическое жэ ее значение связано также с вопросами расчета скорости опорожнения бункеров п расчета регулирующих клапанов дерэточных устройств.

Анализ литература показал, что имеются лишь эмпирические и нолуэмпиричемсио соотношения для расчета скорости истечения зернистого материала при отсутствии противотскз газа. Теоретические попытхи решения этой задачя нельзя признать успешными, т.к. они были оснсваш на неверных формулировках законов сохранения и не позволили получить формулы, свободные от эмгагрнчоских коэффацшнтоз.

■ В диссертации разработана элементарная теория истечения зернистого материала из отверстия, основанная н? гипотезе о существовании над отверстием динак&ческого разгружающего свода частиц и предположении о : том, что скорость истечения определяется скоростью выхода частиц из свода. На сснозе рассмотрения взаимодействия частиц, а такте баланса сил тяжести и трения.со стороны газа,, действующих на частицу з сводз, получены не содержащие . новых эмпирических констант формулы для расчета скорости выхода частицы из свода в зависимости от ее положения в своде, а затем и полного расхода частиц через отверстие в виде:

(1м'р а~бр )а ТА. р

где к=0.49-0.61- вычисляемый коэффициент, рв,йв- плотность в диаметр частиц, йо- диаметр отверстия, Р - сила трения,, действующая на частицу со стороны газа, расположенную в своде (вычисляется с использованием уравнения Эргана). Соотношение, определяющее скорость газа при которой истечение

зернистого материала прекращается, получается из (7), осла положить Зт=0. При атом после подстановки в (7) приведенного в диссертации соотношения для Р , будем иметь:

4Ar v /й

g "

(8)

е

где Ar=depeg/(pev*) jm, кг/с

г-порозность свода.

—--Сопоставление

полученных результатов с имеющимися показало хорошее соответствие результатов расчетов, выполненных по

приведенным

теоретическим формулам, ц опубликованных

{экспериментов. Tax в случае отсутствия

противотока газа ? -О

3 т а соотношение

Рис.3 точностью

переходит в хорошо проверенные полуашшрлче сиси Линчевского, Брауна- Ричардсона л др. При наличии газа расчеты по (7,8) хорошо согласуются с . экспериментальными данными Борисова- Ходака (рис.3, шамот: I- 4=0,0015 ы. р^ЭЭО кг/Ыв, 2- й.«=0,002Ь кг/ы", 3- Л, =0,004 м, р*=920 кг/и, 4- ^=0,0065 кг/ма.) и Нехлебаева- Дементьева.

Рассмотренные результаты положены в основу решения

я

(7) с 5-16« зависшгостп противотока имэщшшся <^•0,04 Ы, М, . рв"870 М, ps>900

задачи

е

об истечений дисперсного материала черев систему отверстий (проницаемую для частиц горизонтальную решетку) при наличии противотока газа о отсутствии частиц под решеткой.

. Выделены три интервала скоростей, характеризующихся различными режимами истечения зернистого материала: 1) область скоростей, меньших критической скорости U4, ниже которой пузыри вад репоткой ие образуются, а газ распределяется по отверстиям равномерно (каждое отверстие работает как отдельное отверстие): 2) область скоростей от Oá до скорости XJt, при которой истечение зернистого материелз через решетку прекращается, и 3) область скоростэй U>US, когда транспорт частиц через решетку невозможен. Таким образом, основная проблема состоит в описании процесса транспорта частиц в пнтерв&по скоростей 01<и<иж.

В диссертации с учетом полученных и имеющихся в литературе экспериментальных данных сформулирована фтаическая модель процесса, основанная на предположении о том, что в этом диапазоне скоростей имеют место два освовннх регама работа . отверстий, характеризующихся суиестБенно различными скоростями газа в отверстии: регим "о", при котором скоропть газа мала, частицы просыпаются; и реаии "g", при котором на отверстии образуется пузырь (скорость газа велика, транспорт частпц через отверстие невозможен). При постоянной скорости газа доли отверстий вв И'-в остаются постоянными, хотя на каадом отверстии мохет периодически . происходить смена режимов. Суммарный расход частиц через реиетку в рамках принятой шделн определяется скоростью их прохегдания чорез отвгрстия "в" п делай этих отверстий (з^) по pe ¡rente при заданной скорости газа;

Рассмотренная модель лолоиенв в осаору ..разработанной приближенной •'. теории истечения зернистого материала, позволившей .получить соотношения для расчета расхода дисперсного материала j е критических скоростей rasa и ut, не содержащие дополнительных эмпирических коэффициентов.

Считая,'что падение давленая на отверстштх "а" связано с фильтрацией ; газа в неподвижном слоо (в, соответствии с

уравнением Эргава), в на отввротвах "в"- с гидравлическим сопротивлением собственно отверстий, определен перепад давления на решетке, скорость газа б отверстии каждого шла в доли этет отверстий на решетке. Для определения расхода зернистого материала через отдельное отверста "в" используется приведенное выше соотношение (7). Срмаранй расход зернистого материала через решетку при атом

* - а/»

* - ¿о.«»-**».- *о»<««.*Р >» г*»

(9)

"Ои'о.

(10)

а»

В рамках рассмотренное фюичэскоЯ модели критическая скорость газа и^ определяется из условия ве=1, а од- из условна >0 или в »О. Соответственно, можно получить«

(И)

в -

О»

характерные скорости газа в штос саченве

где

вичисляемые отвярстаях, решетки.

Следует отметить, ранее б экспериментах сыло учтакоаяаво, чао-скорость саза, при-которой-астэч&наа оорааотово материала; через* решетку,-прекращается., значительна пррвшаэт> соотватстеуотуи скорость газа. длд< эдашичнсгэ отверстия. Как это> следует на (II), аналогичный результат' дает в. разработанная, теория. Сравнеже результатов расчета по соотношениям-,» ^7), (9) с полученными в работе экспериментальным^. данными во врем диапазона изменения скоростей газа показывает, как это видно из рис.4 (Л.=0,59 мм, рв=1470 кг/м*. ((ИЗ, 4),

№ 2,0 30 ^/с Рис. 4

удовлетворительное соответствие.

Глава Твдроданвида секцаоннровюшого псеавроадкжврго слоя и транспорт частая через горязоятшыма секционарпщаА элемент" посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию особенностей поведения псевдосшшэгоюго слоя, секционированного проницаемыми для дисперсного катериала горизонтальными перегородками. Эксперименты проводились на установке сечением 0.2x0.4 и. В процессе экспериментов осуществлялись вдывренин распределения порозяостя (давления) по высоте слоя и потока обмена дисперсным материалом меаду смежными секциями (на основе методики меченных частиц)..

Экспериментально было установлено.' I) отверстия на реиетке работают неравномерно; 2) зависимость потока обмана ^ от скорости газа имеет максимум; 3) влияние нижней секции на поток обменапри больших скоростях газа исчезает (3. уменьовется при увеличении скорости газа по закону изменения 5 в случае, когда слой . в нижней сэкции отсутствует).

Выполненные эксперименты подтвердили также, что под провальной решеткой существует разретацная зона, высота которой возрастает с увеличением скорости газа.

Совокупность всех полученных в имеющихся экспериментальных данных позволила предложить физическую модель транспорта частей, основанную на предположении о существовании четырех основных режимов работы отверстий: "в"- малые скорости газа, частицы движутся вниз; "вм- большие скорости газа, частицы в отверстии отсутствует; "Ь"-- большие скорости гага, транспорт частиц вверх нз свода, образующегося под отверстием;

"¿"-малые скорости газа, отверстия заблокированы слоем чаотиц и сверху, и снизу (см. рис.5, где I, 2- нигняя в верхняя секции, 3- секционирующий элемент, 4- газовая прослойка. 5-свода частиц под отверстиями, 6- плотная зова шх отверстиями, 7- плотная зона над отверстиями).

В рамках принятой модели изменение потока обмена через решетку в зависимости от расхода газа происходит сдедующгаз образом. При малых скоростях газа большая часть отверстий оказывается заблокированной (режим я4"). По иере увеличения и ширина разреженной 'зоны под решеткой возрастает, дом отверстий "Л" уменьшается, поток обмена возрастает. Затем при скорости 0=0^, когда в^О, достигается максимальное значение Далее при реветка саазу оказывается шшюстью

отделенной от псевдоожшеенного сдоя газовой прослойкой, о , ¡т при увеличепии о уменьшается ш закону, соответствующему изменению расхода дисперсного иатераала черээ решетку в отсутствии слоя снизу. Таким образом, полный доапазол скоростей газа разбивается на два инторвша» ЖЯ^ и 0>Р_п (случай, рассмотренный шае).

В случае ¿ки^, с учетои того, что основной~ шток газа проходит через отверстия типа "в" в *Ь", а также того факта, что внсота выбросов частиц б газовую прослойку гораздо больве толщины последней, соотношение еь/(еъ* принимается

постоянным. Исходя из рассмотренных . представлений и основываясь па уравнениях баланса газа в частиц, в сечении

го

репаткп, мокло получить соответствующие соотношения для долей отверстий каждого тшга и потока обмена:

Таким образом, проблема расчета потока обмена в диапазоне скоростей Ц<Р^,н сводится к проблеме расчета локальных еолгпш, характеризующих работу отверстий каждого типа. Эта задача в диссертации решена следувдич образом. Величины ДР, , Ввв. для отверстий, контактирующие с газовой прослойкой, определяются аналогично тому, как это делалось для случая, когда слой под решеткой отсутствовал. Скорость газа ГС^ п отпэрстш! Яг1* когет быть получена по схеме расчета по с учетом палгзй плотного сися как над, так и под отверстием. Скорость газа яоЪ в отверстии "ьн находится из рассмотрения своде частиц под отверстием. Величина определяется из условия а^-0 с учетом (12):

а 3 3 . й

.1- - Г"' ^— (14)

"от

Старость О^, соосветствущая могет бить получена

эзультате подстановки ¿гш соответствующих шчислзаий:

в результате подстановки ¿|)|м||| в (13), замены; о на и^ п

<р(» Л Лг * XI Л (1 - к. ) + я .3 к ) и н ^ »* °ь Ч ■ _ч' оЬ^. о' (1Б)

■вк + "вЬ А

В случае проточного по дисперсному материалу аппарата в рожах рассиотренних положений получены важные для практики соотношения для расчета максимальной пропускной способности решетка:

мах *овТ1 оа т/ х ее о®"

(16)

а также обратного потока переМеоивания занисяпдаго от величины сквозного потока частиц

ТТЛ И-к )А /к )• (17)

"оЬ о« оЬ о® о» Я 9 ©• у

Полученные зависимости содержат один эмпирический коэффициент к .

На рис.6 (Ли=0,б? КГ/1^; <р 0,40; сравнение результатов зависимостям (13)

Кв-0.4б)

Р.-1470 показано расчета та (восходящая

и, м/с

ветвь) и (9} (нисходящая ветвь) в полученных экспериментальных

данных. Видао, что имеет места достаточно хорошее соответствие

Рис.6

расчета й экспериментов во всем диапазоне скоростей.

"Продольный тепдопередос в секционированное

В_главе

псеадоожияенном слое- решается задача списания теплопареноса через проницаемые для дисперсного материала однослойные н многослойные секционирующие элементы. . Экспериментально этот вопрос исследовался на "холодных" моделях сечением 0,2x0,2 л

0,2x0,4 н, а также в условиях сжигания дизельного топлива в аппарате сечением 0,4x0,4 м.

Характерные зависимости

эффективного термического

сопротивления секциоЕирупцого элемента ст скорости гзза показаны на рее.7, где <1в=0,58 им; Нж, =0,350..0,700 м; <рьЗ,40; I- п я I! 2- г. = 2; 3- п * 4} 4- п я Б, песок.Эксперименты, выполненные в. широком диапазоне

95 10 1,5 20 25 ДО РИС.7

р.г

режимных параметров, показали: I) зависимость На(и) имеет минимум; 2) зависимость Re(n) при увеличении и вырождается (n-чнсло слоев); 3) для однословного элемента теплообмен между встречными потоками частиц отсутствует, и его эффективное термическое сопротивление может быть рассчитано по величине потока обмена на основе соотношения:

(18)

Сравнение результатов расчета Re

да уравнению (18) с использованием

ранее полученных зависимостей (9),

(13) для Je с экспериментальными

данными показало, как это следует из

рис.8 (ф=0,40; (^^,37 мм: 8-

посок С Л =0,35 им; К =0,40; • в окись алюминия с а^О.59 мм;

К0=О,4О; В- песок С <1^0,9? ИМ;

К «0.40), что качественно

зависимость Re(ü) описывается хорошо

во всем диапазоне скоростей газа.

Однако коайшуюпт к не остается о

постоянным при изменении условий псевдоотажения, а изменяется в диапазоне 0,4-0,8. При среднем значении к^О.6 из-за этого погрепшость определения может достигать БОЖ, что часто мопет быть приемлемо. Вместе с тем, для наиболее важного с практической точки зрения диапазона скоростей газа (нисходящая ветвь IV (U)) колучзна уточненная эшшряческая зависимость

(19)

(здесь. . F¡r.= (n-n^f/ígd^)). обобщающая всэ

пдапциес» данйна-ш нё для одноолойешц элементов о точностью яэ хуже ±26$; (рце.Эг ir "холоднваГ мэд?льь 2- сгиганяэ топлива).

Для расчета термического. сопрртивлеаад, многослойных-

"„= у и.о./.

1 ч**|

^ 0

\

0 10 2.0 0 1.0 U,*vfc ЕаЮУк/ü*

»! 1 "1

\ 11)

\

-W Í

Piso.а

ю го Ц"/:

Рис.9

секционирующих элементов в области иси^ получена эмпирическая формула, в которой отражен факт вырождения зависимости йж(п) при стремлении скорости газа к и^:

1>.(ит - И)

Эта зависимость является универсальной и обобщает с точностью не хуже ±40% все имеющиеся данные, полученные с использованием многослойных секционирующих элементов на "холодных" г "горячих" стендах.

В главе "Внешний теплообмен в надслоевои пространстве аппарата с псеыдоожиаеннцы слоем" рассмотрены вопросы теплообмена между горизонтальными гучкзми . труб и средой в •надслоевом пространстве.

Исследования проводились на установке сеченном 0,2x0,4 м.

гь Г.;.■■';■

В экспериментальных исследованиях основное внимание уделено: -механизму теплообмена в надслоэвом пространстве; -распределению интенсивности теплоотдачи по высоте; -влиянию на теплообмен режимных параметров и свойств дисперсного материала;

-влиянию на теплообмен высоты слоя к компоновки трубных пучков в псевдоозтакенном слое; -определению свободной границы слоя;

-разработке соотношений для расчета положения свободной границы слоя и интенсивности внешнего теплообмена в надслоевом пространстве.

Исследования показали, что компонорка теплообменных труб ногат 1сачественно изменить зависимость относительного расширения слоя от скорости газа. В случае свободного слоя и коридорных пучков труб для обобщения экспериментальных данных по раслшронип слоя ыогет быть рекомендована модернизированная зависимость Дэвидсона- Хпррлсонъ:

- 1 - кр (Ц~иы) (Р-" /(в V (21)

ГДЗ 0 »[(О-и' )/(и,- О .)] , п-О.О, к =0.46 (Л<1 1ЯЛ).

М Ш V М( р ■

1£р=о.ззб (аа>и=1).

Пра наягшя пучков труб в (21) необходимо подставлять ^ффектавяно значения скорости газа п диаметров пузырей: и., «ъо, (3^=4^,где ь- величина, обратная доли проходного сечения в трубном пучке характерный размер пузыря в насадке.

В случае папзатной коешоновки насадка распределена по объему более равно?,:эрг:о. Если частицы достаточно мелкие (<0,35 га). расширение слоя подчиняется теоретическому соотношению, полученному па . основе пузырьковой модели с учетом устоноалзшюго соотношения (I) для скорости подъема пузыря в слое, содарзадвы равномерно распределенную насадку.

Характерные зависимости интенсивности теплообмена от расстояния до газораспределительной решетки представлены на рао.Ю, где Н^-0,4, Лвв(0,2- 0,5)10"'м. Зона псевдоогшгенного

и:0,95*/с Ш о, >л

о.»

слоя характеризуется приблизительно постоянной интенсивностью внешнего теплообмене, зона над слоевого пространства- переменной.

К наиболее важным результатам. экспериментов по тевлообаену в надслоевом пространство . можно отнести следующие: -имеется характерный диапазон изменения коэффициента теплоотдачи Рис.10 в надслоевом пространстве ст

величины, соответствующей псевдоожшкэннбму слою (Ц,), до величины, соответствующей однофазной конвекции ); -существует тесная корреляция мекду интенсивностью теплообмена и потоком частиц, взаимодействующих с теплообменной' поверхностью;

-преобладающее влияние на интенсивность теплообмена в надслоевом пространстве оказывают размеры газовых . пузырей, выходящих на поверхность слоя и определяющих интенсивность выбросов частиц в надслоевое пространство.

Последний очевидный, но не отмечьнный ранее вывод, является ключевчм в формировании физических представлений о закономерностях теплеюбмеца в надслоевом пространстве а обобщении экспериментальных данных . на основе единых представлений, базирующихся на . пузырьковой модели псевдоожиненного слоя.

С учетом специфичности условий и наличия фиксированных диапазонов изменения интенсивности теплоотдачи и

скорости газа (иь-Пт(), а также (в случае свободного слоя) характерного линейного размера, связанного с высотой слоя (н^> и диаметром аппарата (о^) (величины, определяющие размеры газовых пузырей), обобщение экспериментальных данных для свободного слоя проводилось в относительных переменных:

I» - и-и, * - Н.

где и^-скорооть уноса, Нь- высота слоя. При этом в результате обработки экспериментальных данннх в широком диапазона скоростей газа, высот слоя, диаметров н плотностей частиц, других параметров получено следущее соотношение для расчете коэффицента теплоотдачи в нвдслоевоы пространстве свободного слоя:

Н «= ехр(-0,2!> А ' 'О" *'). (23)

РПО.И

На ряс.II, где I- 8 - п^-0,4 ы, I, 4, 7 - частицы фракции (0,2 - 0,5)«Ю~*м, 2, Б, 8 - частицы фракции (1.;0 1,26)•10_,м, 3, 6 - частица фракции (2,6 - 2,8)* Ю"'*м, I- 3 -0*0,061, 4, 6 - 0,191, 7, 8 - 0,Ь; 9- 14 - частицы фракции (1,0 - 1,25).Ю~*М, 0-0,191, 9 - Н^-0,08 М, 10 - 140, II -200, 12 - 300, 13 - 500, 14 - 600, 15 - данные 8.В1уШ1 и др., показано сравнение результатов расчете по (23) с нмевдимися к получэяннмя в данной работе экспериментальными дчнными, видно достаточно хорошее соответствие расчетов я экспериментов да*о в сбластп ЮТ^

Это гге соотношение использовано для обобщения

экспериментальных данных, полученных при наличии в слое пучков горизстгальных труб. Особенность применения соотношения (23) в этом случае состоит лишь в том, что при вычислениях в формулу (23) необходимо подставлять эф£ективныэ значения высоты слоя (Н^) и скорости газа (и>г). Эффективная высота соответствует высоте свободного слоя, при которой в. свободном слое достигается тот же размер пузырей, что и характерный размер, соответствующий применяемой компоновке трубного пучка. В диссертации приведены рекомендации по выбору характерного диаметра пузыря для различных компоновок. Эффективная высота слоя находится, исходя из известных соотношений, связывающих размер пузыря и высоту свободного слоя.

При таком подходе, как показал анализ экспериментальных данных, соотношение (23) может быть применено как для расчета теплоотдачи в надслоевом пространстве свободного слоя, так и организованного, включая ситуации, когда трубный пучок располагается по всей высоте слоя, на некотором удалении от газораспределительной решетки или затоплен и находится на некотором удалении от свободной границы слоя (в последнем случае характерный размер пузырей определяется с учетом их роста в свободной зоне над трубным пучком).

Одним из важнейших элементов аппаратов' с псевдоожиженным слоем является также узел пода^ш реагентов в аппсрат. Особенно, когда различные реагенты по условиям

взрывобезопасности подаются раздельно или частично перемешанными; В этом случае в основании слоя образуются газовые пузыри с различной концентрацией, вследствие чего процесс конверсии оказывается в значительной мере зависящим от интенсивности перемешивания газа в пузырьковой фазе и коалесценции газовых пузырей. Существующие математические модели не позволяют анализировать влияние особенностей подачи реагентов и эффектов коалесценции на эффективность химического превращения в псевдоожикенном слое. .

Эта проблема рассматривается в последней главе диссертации "Моделирование химических процессов в псевлоожижешом слое с учетом коалесиепдаи пузырей и неравномерности подача реагентов

а аппарат", где предложена новая статистическая модель химического реа1стора с псевдоогяженным слоем, основанная на введении функции расирэдоления (Г) пузырей по параметрам -объемам пузырей (V), парциальным объемам реагентов (х^. тешературе (Т). В рамках этой модели псевдоошгаенный слой представляется состоящим из 2-х основных фаз - эмульсионной (плотной) п пузырей. Газовые пузыри могут быть, в обцем случае, разного размера, иметь различную концентрацию и температуру. Поднимаясь в слое, они могут сливаться и разрушаться, интенсифицируя тем самым процесс перемешивания газа в пузырях. Иевду. пузырями и плотной фазой существует газообмен,. интенсивность которого зависит от размеров и концентрации пузырей. В предлагаемой модели рассмотрение процессов тепло- п массообмэна в реакторе деталезируется до уровпя элзкенторпнх актов взаимодействия пузырей кезду собой и с эмульсионной фазой.

Ссповнпу уравнением предлагаемой модели является уравнение, отразавдоа балапс пузырей в слое:

0(и. л <Э($Г) 3(*Г) « в(х.Г) • * 4---+ - + 2 -*— « Ь (24)

О а а т в Т 1« Ог,

гдэ е- высота, функции источников я стоков пузырей

рассгттрзвас«ого вида, обусловленные коалесценцией.

Креме того, а рамках сСцей постановки в рассмотрение вгодятся уравнения сохранения реагиругашх компонент п энергии для плотной фаги:

/ ; 7 (▼>«! - з1/у)Г4ус1х1...ахо(1Т - (1-0^(г)].

о а х> о

.....«„.О+в^ад.....СП,ТОП))=0 (25)

X ?...]та4 (V) (топ-а? . ..агат-аа-а^ (а) ] •

О О "

зт

где '1=1,2,3... - номер компонента газа, р- когф!ициенты

тонло- и газообмена между' пузырем и плотной фазой, с-кондентрация газа в плотной фазе, скорости реакции в

газовой фазе и на катализаторе, т, топ- температура пузырей и опускного потока плотной фазы,

С^(а)=; /[1+а(7)]уГ<1т(1х1...азс(>(1Т (27)

о о о о

Особенности подачи реагентов учитывается путем задания соответствующей функции распределения пузырей в основании слоя. Граничные условия относительно плотной фазы соответствуют циркуляционному характеру движения твердых частиц.

Накладывая дополнительные ограничения и конкретизируя законы взаимодействия газовых пузырей меаду собой и с плотной фазой в кавдом отдельном случае, можно на основе (23-26) определит!, функцию распределения пузырей или моменты этой функции, .хзлявдиеся характеристиками перемешивания или конверсии реагирующих веществ.

В диссертации обоснованы допущения и получены уравнения для описания химических реакций в неизотермических и УД, Х'Ш изотермических условиях со свободным . и организованным |\/,Т,Х|Л(У) псбвдсоякженныи слоем.

Предполагается, что

козлесценция пузырей парная; в соответствии с данными Аргирио считается. что скорость . коалэсцзнцил

пропорциональна квадрату суммы диаметров

взаимодействующих пузырей; коалесценция осуществляется по схеме, показанной ка рис.12а (свободный слой) и рис.126 (заторможенный). При этом,

например, для случая организованного слоя функции источников и стоков пузырей можно представить в виде интегралов столкновений

2Х4 2Хп 2Т Г... ; / .....

ООО

2х-х\2Т-Т'.г)йг'...<1х'<5Т' (28)

ОЛ р ' 1 п Л '

Ь"=ид..;™ (29)

ООО

(28) представляет собой удвоенное количество пузырей вида 2т, 2х4;..., 25, образующихся в результате коалесценции в единицу Бремени на высоте г в единице объема слоя. Значение этой величин« соответствует количеству пузырей искомого вида,

поскольку каждый пузнрь вида 2у,2х1..... 2тп, 2?. согласно

принятой схеме, сразу же вновь делится пополам. Сток пузырей обусловлен коалесцвнцией пузырей рассматриваемого вида со всеми остальными. Поэтому в (29) интегрирование ведется по всем зпаченпям иг'. Легко видеть, что интеграл в (29) представляет собой количество пузырей в единице объема слоя. Значение этого интеграла при принятых допущениях (постоянство размеров пузырей и объемного расхода газа) должно оставаться постоянным по высоте.

Для случаев осуществления в изотермических условиях реакций первого порядка в свободном псввдоозсиженном слое, • а таксе реакций первого. порядка и бимолекулярной реакции в организованном псевдоошшенном слое получены численные и аналитические решения, показавше. работоспособность предложенной модели. .

В случае свободного псевдоожиженного слоя в результате численного решения по методу явной разностной схемы получены данные о влиянии коалесценции пузырей на изменение функции распределения пузырей по размерам и концентрации, а также зависимости конверсии от продольной координаты и начального распределения. Начальное распределение концентрации задавалось

треугольным. По мере удаления от решетки распределение пузырей по концентрациям становилось более острым, а максимум сдвигался в сторону меньших концентраций.

Расчеты показали, что в случае изотермической реакции 1-го порядка р свободном ксевдоокжхенном слоэ увеличение скорости коалеспенции приводит к повышению конверсии. Особенно это становится заметным на значительных удалениях ' от газораспределительной решетки.

В случае организованного - псевдоокиненного . слоя решалась задача на отыскание моментов функции распределения, характеризующих перемэшиваниэ газа в фазе'пузырей и конверсию. При реализации в этих условиях реакции первого порядка • коалесценция и начальное-распределение пузырей не' оказывают влияния на степень превращения. В этом случае рассматриваемая статистическая модель дает дифференциальное уравнение относительно средней концентрации роагеЕта (х) совершенно аналогичное уравнению, которое следует из обычной двухфазной модели: •

и §+ Р(5-о)=0 (30)

Соответственно и выражение для средней концентрации получается аналогична.

В случае бимолекулярной изотермической реакции в организованном псевдоокижоном слое, используя обоснованный в диссертации приближенный метод решения, мохао получить следующее уразноние относительно средней концентрации газа в' пузырях:

таГ^ + (б +а(1-е *(1-з +сш „^(г/71 «Гл0) • • ехр [-(2^+гв )г/и]+х7%' [бшт(1-ет,) ]+ а-О.+ае^,) *}=0 (31)

Откуда наглядно прослеживается роль процесса ксалесценции и' неравномерности начального распределения реагентов по пузырям. Влияние неравномерности подачи реагентов и коелесцепции

-зависит от знака 012о=х*■1 - (о1ТО<0- раздельная или с

частичным перемешиванием подача реагентов, aí2o=0- полное предварительное перемешивание, oiJO>0- реагирующие компоненты полностью перемешаны, инерт отдольео). Как это видно, в данном случае неравномерность подачи реагентов может значительно снижать Ееличкну конверсии, причем тем значительнее, чем меньше скорость коалесценщга. В случае полного перемешивания реагентов па входе коелесцшщия на степень конверсии не влияет. Эти ке вывода следуют и из расчетов по (31), результаты которых представлены на рис.13, где и-ита,= 0,5 м/с; 510= 0,077; 0,154; 2,91 I/c: w=w"= ICO I/o-, I-

0^=^(0)^ (0)<0- раздельная подача; 2- частичное предварительное перемешивание; 3- 0«о~0, полное . предварительное перемешивание : сплошная лаем- уравнение (31), пунктирная- численный счет).

Рис.13

Зшл! образом, рассмотренные результаты показнвают, что при проведении в псевдоолпЕенном слое слеши (второго и более порядка) химических реакций сукествешое влияние на процесс хилаческого превращения оказывает коалесценция пузырей. Учет этого явления при моделировании химических реакторов с псевдоозигепнш слоем особенно необходим при анализе реакторов с раздельной подачей реагентов в аппарат, что весьма часто имеет место на практике. Соответствие полученных результатов физическому смыслу и наблюдаемым в экспериментах особенностям

проведения бимолекулярных реакций в организованном псевдооигаенном слое подтверждает правильность предложенного подхода и оправдывает принятые в математической модели .допущения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главным итогом рассмотренной работы явилась разработка основ расчета процессов переноса в элементах аппаратов с организованным псевдсожшкенвкм слоем. Исследованы механизмы и физические закономерности процессов тепло- массопереносо, играющих ключевую роль в работе аппаратов с организованным псевдоохккенннм слоем. При этом в диссертации получены следующие основше научные результаты:

1 .Благодаря отражению в модели существования "следов" (плотной фазы, движущейся в спутном потоке за пузырями) и ••шлейфов" (присоединенной к пузырям плотной фазы) теоретически получены соотношения для расчета скорости подъема пузырой,. качественно и количественно лучше согласующиеся с ■ имеющимися экспертазнтсльшми данными.

2 .На слове пузырьковой модели псевдоожгскешюго слоя и результатов для скорости подъема пузырей получено расчетное соотношение, хорошо оппсывавдае экспериментальные данные и предсказывающее каблидаемый на практике предел расширения слоя, содержащего регулярную, хаотична распределенную ло объему насадку.

3. Исходя из представлений циркуляционной модели о движении дисперсного материала в псевдоожиэсешом слое и взаимодействии шлейфа пузыря с возвратной струей, а тюке с использованием полученного сотношения для скорости подъема пузырей, выведены уравнения для расчета таких параметров модели, как:

- коэффициент массообмена по частицам между подъемным, и опускным потоками дисперсного материала;

- доли сечения, занятого опускным и подъемным. потоками, а

также скорости частиц в этих потоках;

- эффективные коэффициенты продольной диффузии частиц и -продольной теплопроводности заторможенного псевдоожижепкего слоя.

Полученные теоретические соотношения но содераат новых эмпирических констант и хорошо согласуются с имеющимися и полученными в работе экспериментальными дашм.и (предсказывают наличие и полокёние максимума в зависимости эффективной теплопроводности заторможенного псевдоогигенкого слоя от скорости псевдоокикения, отражают влияние на эффективную теплопроводность свойств дисперсного материала и параметров пасадхи , а такте тэшгофязяческих свойств газа в случае повышенных давлений и малих размеров пузырей).

4. На основании гипотезы о динамическом разгружающем своде, Еозникакхцом над отверстием при истечении из него зернистого материала, разработана элементарная теория истечения, позволившая списать процесс выхода частиц из свода при наличии восходящего потока газа, и получить не содержащие новых эмпирических констант и хорошо согласующиеся с экспериментальными данными разных авторов соотношения для расчета расхода дисперсного материала через отверстие в зависимости от скорости газа и параметров отверстия и частиц, а такта соотношение для критической скорости газа, при которой истечение зернистого материала прекращается.

5. Предложены физическая модель и теория транспорта дисперсного материала через решетку при наличии противотока газа, позволившие разработать соотношения для расчета перепада давленая на решетке расхода зернистого материала и предельной скорости, газа, при. которой истечение прекращается. Полученные соотновенияне не содержат новых эмпирических коэффициентов и хорошо согласуются с экспериментальный! данными.

6. Выполнено экспериментальное исследование особенностей псевдоокиденного слоя, сзкщюнированного по высоте проницаемыми для дисперсного материала горизонтальными перегородками, и разработана физическая модель транспорта дисперсного материала через однослойный секционирующий элемент в этих условиях.' На основе приближенной теории, базирующейся на сформулированной физической модели транспортз дисперсного кеториала через секционирующий элемент, получены соотношения для расчета потока обмена в проточном и непроточном ашгзратах,

содержащие один эмпирический коэффициент, Соотношения хорошо согласуются с полученными на основе методики меченных частиц экспериментальными данными.

7. Выполнено экспериментальное исследование особенностей транспорта тепла через секционирующий элемент, расположенный в псовдоожкзенном слое. Установлено, что перенос тепла через однослойный секционирующий элемент определяется величиной потока обмена дисперсным материалом кевду смежными секцрзями и •' теплоемкостью частиц.

Выполнено описание процесса переноса топла через секционирующий элемент на основе ' разработанной . теории циркуляции дисперсного материала меаду смежными секциями. При этом удалось теоретически отразить все наблюдаемые экспериментально особенности изменения герггического сопротивления от определяющих параметров: наличие минимума в зависимости от скорости газа, тенденции изменения термического сопротивления в зависимости от направления изменения определяющих параметров и т. д. Для нисходящей ветви щи) разработали уточненные эмпирические зависимости для расчета термического сопротивления, обеспечиваюние точность не хуго ±25» для однослойных и ±40% для многослойных элементов.

8. Получены новые данные о механизме внешнего теплообмена в надслоером пространстве, свободного п организованного псевдоожикзнного слоя. Установлена . тесная связь кевду процессами, протекающими в исевдоогжшнноы слое и нзделоовом пространстве. Пологсение об определяющей роли размеров газовых пузырей, Езятое в основу анализа и обработки экспериментальных данных, позволило с едино;: позиции описать'процессы расширения псевдоохихеяного слоя и теплообмена в надслоевом пространстве для принципиально различающихся режимов •, . свободного и ■ организованного псевдоожюкения. Предложены соотновеная для определения внешнего теплообмена в надслоевом пространстве свободного и заторможенного псевдоокжзюнннх слоев, учитывайте. •высоту слоя, компоновку трубных пупсов и другие условия псевдоокижения.

9. Разработана новая статистическая модель химического

3.6

реактора с ко однородным' псевдооятазнным слоем, учитывающая коалесценцию пузырей и позволяющая анализировать вдияпиз особенностей узла подачи реагентов в аппарат на степень их превращения. На ochoeo этой модели установлены особенности серемешивйния газообразной смсеа в заторможенном псевдоогзсякном слое. На примерах бимолекулярной реакции и реакции первого порядка исследовано влияние коалвсценции газовых пузырей в заторможенном псэвдооашкенном слое и начального распределения газа но объемам рэагируюсдах компонентов на степень превращения. Полученные аналитические и численные решения качественно.хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными.

10. ИзлоЕзшые результата . составляют фундаментальную основу расчета и моделирования процессов переноса в аппаратах с организованным псевдоскцсенякм слоем, представляющих новое поправление развития оборудования хшоте ской технологии и nnoproTinai. Результаты наши применение при разработка. ноеых схем тсггачно-' теплообмешшх аппаратов и ката.™"гических реакторов для различных окислителыхх процессов. Полученные соотношения для расчета параметров переноса необходим для рзпопия проблем автоматизация решлов работы реакторов с организованным псевдоожшэншш слоем, пх оптимизации, г также дал рзпопия проблем создания йоеого высокоэффективного о:кш)П1чоскя чистого оборудования.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Кириллов Г.А., Кувгинов Г.Г. Зависимость структуры псовдоопсянного слоя от расположения в нам горизонтальных, труб. // Расчет тепломассообмена _в энергохимичаиах процессах. - Новосибирск. 1981.

2. A.c. СССР й 902802. Аппарат о псевдоокихенным слоем. Авт.: Кириллов Г.А., Кувгинов Г.Г., Давыдов Н.И., Полотнюк O.A.

3. Бурдуков А.П., КуЕпинов Г.Г., Утович Е.А. Перспективы асподьзовгшхя установок кипящего слоя в теплогенераторах. // Процесса переноса в апоргохпмичэских шсгофазных системах. Новосибирск, ИТ СО All СССР, 1983. с. У-13.

4. Буфетов Н.С., Кувшинов Г.Г., Могильных Ю.И. Исследование многосекционногс топочно-теплообменного аппарата с кипящим слоем./Процессы переноса в анергохомических многофазных, системах. // Новосибирск. Институт теплофизики СО АН СССР. . 1983. с. 14-27.

5. А.с. I0II989 /СССР/. Способ отвода тепла аз псевдоожи-женного слоя / СКБ "Энергохшмаш"; авт. изобрет. А.П. ' Бурдуков. Г.Г. Кувшинов, Ю.М. Петкн и др. - Заяв. 24.04.81, Л 328446/22-02; Опубл. вЗХ, 1983, J4 14.

6. Burdukcv А.Р., Kuvsohinov G.Q., Utovich 7.А. Potential Aplicaticns of Pluidized- Bed Devices in Heat Generators. // Heat Transfer. Sov. Kes. v. 15, 5, ".983, 40- 46.

7. Bufetov H.S..Kuvsohinov G.G., Mogilnykh Yu.I. Investigation of Multieeotional Pumaoe- Haat Erchangor Pluidized- Bed Apparatus. // Heat Transfer. Sov. Res. v.15« Я 5, 1933. 47- 61.

8. Бурдуков А.П., Кувпиков Г.Г., Мухин' Д.П., Буфетов Н.С. Паронос тепла через горизонтальную перегородку в псевдоокижрчнсм слое. // Процэссы переноса в аппаратах энергохимических производств. Новосибирск. Институт теплофизики СО АН СССР, 1985, с. 5 - 16.

S. А.с. II532I7 /СССР/. Способ регулируемого отвода тепла из псевдоохиженного слоя / СКБ "Знергохиммаи"; авт. изобр. Г.Г. Кувшинов, Ю.И. Могильных, Т.М. Печергаша. - Заявл. 06.10.83,-й 3651170/22-02; Опубл. в Б.П.. 1985, >16.

10. А.с. 1174705 /СССР/. Аппарат псэвдосгзшенного слоя, авт.: Н.С.Буфетов, Г.Г. Кувшинов, Ю.И. Могильных.

11. А.с. I2I8280 /СССР/. Аппарат кшшцго слоя с регулируемым отводом тепла, авт.: Г.Г. Кувшинов. Ю.И. Могильных, А.И. Мухин, 1986

12. А.с. I3I8774 /СССР/. Аппарат псевдоожикенного слоя, авт.: Г.Г. Кувшинов, Ю.И. Могильных, А.И. Мухин. I9S7-.

13. Кувшинов Г.Г., Могильных Ю.И. О продольном теплопереносе в псевдоожшкенном слое //Процессы переноса в аппаратах глгергохимичосшх производств. - Новосибирск, 1985 -с. 15-23.

14. Кувшинов Г.Г., Могилышх Ю.И. Влияние коалесцекцик на.

процессы превращения в псевдоокиженном слое. //Вопросы сжигания топлив в КГГ, Новосибирск, 1985 - с. 165-172.

15. Бурдуков A.C., Кувшинов Г.Г., Могильных Ю.И. Математическое моделирование изотермического топочного аппарата кипящего слоя; //Горение органического тошшь.-. Материалы. 5-ой Всесоюзной конференции - Новосибирск: ИТ СО АН СССР - 1885 - с.81-85.

16. Бурдуков А.П., Кувшинов Г.Г, Буфетов Н.С., Иващепко Ф.Ф., Могильных Ю.И. Исследование процесса переноса в топочно-теплообменном аппарате с кипящим слоем. // Известия СО АН СССР. Серил технических наук. - 1985. - Я 16, выпуск 3, с. 3-5.

17. Бурдуков А.П., Кувшинов Г.Г, Мухин А.И. Исследование секциошфушего элемента энергосберегающего тояочно-теплообменного аппарата с кипящим слоем. // Энергосбережение в энергохикичэских производствах. Новосибирск. Институт теплофизики СО АН СССР, 1986, с. 118 - 131.

18. Кувшинов Г.Г., Могильных Ю.И. Влияние коалесценцяи тузырей на продольный топломассоперенос в псевдооюшзнном слое. //6-й съезд по теоретической и прикладной механике, Ташкент,1986

19. Кувшинов Г.Г., Могильных Ю.И. Влияние коалесценции пузырей на распределение газообразного топлива в кипящем слоо. //Сжигагле и газификация твордах теплив в кипящем слое. Свердловск, 1986, с. 37- 38.

20. Кувшинов Г.Г., Мухин А.И. О защите горизонтальных секционирующих элементов от воздействия высоких температур в кипящем слое .//Изв. вузов. Строительство и архитектура, 1988, Й6, с. 102- 106.

21. Бурдуков А.П., Демин U.A., Кувшинов Г-Г-» Симонов А.Д. Исследование внешнего теплообмена одиночной трубы в надслоевом пространстве псевдоожиженного слоя. //Известия СО АН СССР, Серия технических наук.- 1988.-.Выпуск 5, JS 18, с. 25- 30.

22. Бурдуков А.П., Демин М.А.,Кувшинов Г.Г., Отгонов А.Д. Внешний теплообмен в надслоевом пространстве псевдооышенного слоя,- В кн. .'Тепломассообмен. Тезисы докладов Минского международного форума (24- 27 мая 1988 г.), с. 37- 39.

23. Бурдуков А.П., Демин М.А., Кузшпгав Г.Г.Симонов А.Д. ■ Внешний теплообмен в надслоевом пространстве свободного и организованного псевдоохиженного слоя.- В кн.: Техника псевдсокккения (КС) и перспективы ее 'развитая.-'. ЛенкнградР19&3, с. 36-38.

24. Бурдуков Л.П., Демин М.А., КуЕШШов Г.Г., Симонов А.Д. Внззниа теплообмен в надслоевом пространстве псевдоозашэ иного слоя.- В кн.: Тепломассообмен. Избранные .доклады Минского международного форума. -Минск, 1989, с. 156- 170.

25. Кукпинов Г.Г., Могильных Ю.И. Скорость подъема газовых пузырей в развитом псевдоозкиженном слое // Изв. СО АН СССР. Сорил тех. наук, 1989, в. 4. С. 88-95.

2G. кувшинов Г.Г., Могильных Ю.И. Перемошгаание твердых частиц и продольный теплоперэнос в организованном псеьдоози-хенном слое // Изв. СО АН СССР. Сер. тех. наук. Вып. 2. 1990. С. 17-24. ' ;

27. А.П. Бурдуков, Г.Г. Кувшинов, А.И. Мухин. Тепло- и мзссоперенос через горизонтальную прозалъную решетку в псевдоохиженна.: слое. // ЖШЯФ, Х&, IS90, с. 81-88.

28. К/еещое Г.Г., Могильных Ю.И. Статистическая модель неоднородного псевдоожиженного слоя. Препринт. Новосибирск.: Кнститут катализа СО АН ССР. 1990. 55 с.

29. Eurdukov А.P., Kuvshinov G.G., Benin Ji.A. Expereaental results on heat transfer in freedoard region ol fluidized bc<i. // Russion Journal of Engineering Thermophysics. J6 2,

' 221.

ЗС. Куккнов Г.Г. Транспорт зернистого материала в элементах ашаратов с плотным и' псевдоозашбтшм слоем. Препринт. Новосибирск.: Институт катализа СО АН СССР. 1991. 67 с. 31. KuvshinoT G.G., Mogilnykh Yu.I. Statistical ¡simulation of a fluidized bed reaotorwith separate feed of reaetants.//4th world ocngr. of Chea. Eng. Strategies 2000. Propr. 3, 1991, p.9.5-35. • ' ' " " .

Ззк. 311 та pa a 100 экз.Ротадрдптная :лу'ГХТ 'ам.Лракосова . ь1.1ш:зоговская ул.д.1 ■ . ■ ■ ' ' 1