автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Структура и организация неподвижного зернистого слоя в цилиндрических аппаратах

РОССИЙСКАЯ АКАДЕЛШЯ НАУК Ордена Ленина институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова

На правах рукописи Экземпляр №_

КОЛЕСКИН Владимир Николаевич

СТРУКТУРА И ОРГАНИЗАЦИЯ НЕПОДВИЖНОГО ЗЕРНИСТОГО СЛОЯ В ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ АППАРАТАХ

05.17.08 — Процессы и аппараты химической технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 1992

Работа выполнена в Ярославском государственном педагогическом институте мм.-К. Д. Ушинского.

Научные руководители,-

доктор технических наук, профессор К у л о в Н. П., кандидат физико-математических паук, доцент Штерн П. Г.

доктор технических наук, профессор X о л па по в Л. П.. кандидат физико-математических паук, старший научный сотрудник Кронберг Д. Е.

Ведущая организация: Государственный научно-исследовательский и проектный институт азотной промышленности и продуктов органического синтеза (ГИАП), г. Москва.

Защита состоится Л^1992 года в 11) час.

на заседании специализированного совета К.002.37.02 ПОНХ РАН по адресу: 117907, г. Москва В-71, Ленинский проспект, 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПОНХ.

Официальные оппоненты:

Автореферат разослан « «З^Э »

1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат химических наук, старший научный сотрудник

Жуков

í

vP. •• '

-•Г'.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИС'ЛЖА. РАБОТЫ

актупльиосгь те.'.и. Производительность хилшческпх реакторов с неподз;гашм зернистом слоем (H3G) катализатора а г/ -;с:;т от равномерности распродолешш газового потока :ю сечении ^.парата. Известно, что з аппаратах аксиального т;:па место значителыгые неоднородности поля скоростей газо.юх'о потока, что привомт к возникновению локальних отклонишь; от сродного времени контакта для различных ломеитов потока ¡i ноблагокрияию сказывается на работа реактор. 3 рлдо исследований сшз показано, что о'ично приметаемые способы свободной загрузки зорнлеткх материалов в технологические аппараты споеобегзуьс фор..;:ройа.щ;ю неравногорнол структуры слоя. Сказалось, что возникшую в . — зультате этого неоднородности сксростеЛ потока ц^и отклоники:: от средних значений,- примерно на 30 могут призостп для экзотермических реакднй к снмешш конверсии на' 10-15 Селективность процесса при этом то;::о падает.

До недавнего времени равномер .оо распределение потоков газа ила жидкости в химических реакторах пытались осуществить с помощью-входных распределительных устройств, полагая при ото;.:, что в дальнейшем сам слой будет работать как выравнивание устройство. Однако лабораторные эксперимента л результата обследования премьшлошых реакторов показачл, что первоначально однородны;: ¿¡ото:: еще но является гарантией равномерного распределения газа или жидкости по всему слом. Большой цикл исследований, проведенных .М.Э.Азровы:,!, O.wl.Тодесом и другими позволил установить, что зернистый слой содор^лт неоднородности. различного типа, а имзн-но, локалыше - соизмеримые ^ размером отдельной частицу слоя и крупномасштабные - соизмеримые с размером аппарата. Эти неоднородно- Л1 влияют на распределение скоро сте'; в а*:ое.

Однако проводошше исследования не раскрыли причин возки- . КНОЕС1ШЯ утзалг^х неоднородностей зернистого слоя в реакторах н поэто.'.у осталось неясным, как эти неоднородности воздействует на структуру потока газа дли яадкости в реакторе.

Очевидно, что исследование причин возникновения структурных неоднородностей по объе:.у слоя и разработка способов их уо-трагекпя является актуальной задачей с точки зрения повышения эффективности работы химических аппаратов.

Работа выполнялась в соответствии ( Координационным планом All СССГ по направления "Теоретические основы химической технологии" (п.п. 2,27.1.4.7) на I9SS-I690 г.г., с планом научнс исследовательских работ Ярославского государственного педагогического института по теме "Методы организации неподвижного зор-нистого слоя в аппаратах аксиального типа", В гос. регистрации 0190.0062886.

Целью работы являло« изучение структуры неподвижного зернистого слоя я поля скоростей газа, в аппаратах аксиального типа, установление связи мезду локальными и крупномасштабными не-о^нородностямп структуры и способами организации слоя и разра-. ботка на атой основе практических способов создания однородных зернистых слоев, возводящих формировать необходимую для зффек- • тивной работы реактора структуру потоков реакционной смеси.

Научная новизна работы определяется следующими новыми результатами, по'лучешшми соискателем: .

- зернистый слой впервые изучен таким набором экспериментальных методов, совокупность которых позволила прозондировать структуру его как вблизи ограничивающей слой стенки на г^сштабе одного диаметра зерна, так и по всему объему слоя;

- разработан hoe 'I метод контроля структуры зернистого слоя .утем просынки мелкодисперсного сыпучего материала через

него, вперше использован для изучения зерниотого слоя метод рентгеновской вычислительной томографии; кроме того, ряд экспериментальных вдгодов (моточ штеснешш воздуха «идкостью из поротого пространства зернистого слоя, метод ослабления <Г* -квантов, тензометрирование напряжений в среде) усовершенствованы п работе таким образом, чтобы поучить количественные данные о структура слоя;

- установлено, что основными факторами, определягаими гоз-ншшовенпв неоднородностей структуры слоя, являются форма п упругие свойотва огранячивавднх поверхностей (столок и днища аппарата) и способы организации слоя;

- получено аналитическое решение задачи о движении жидкости и газа в зернистых слоях, в которых распределение порозйостн изгоняется как по радиусу, так л по шсото аппарата;

- закономерности распределения неоднородностей зерниотого слоя при различных способах загрузки частиц (на конус, через воронку, спиралью от стенки н от центра) изучены методом реит-геновскоГ. вычислительное томография и на основа этих исслодога-лий раскрыт мбханпям взаимодействия частиц и стенки прп разлнч-ных способах загрузки, определяющий возникновение неоднородностей олоя;

- показано, что наличие мягкой деформируемой стенки устраняет лекальные и крупномасштабные неоднородности, а профилированная (в ввде сетки) ограничивающая поверхность снижает в оо-новном только локалыша неоднородности структуры;

- установлено, что наилучшие результаты при создании однородных слоев зернистого материала в химито-технологичеспих аппаратах аксиального типа дает способ загрузки по спирали; лред-лонены две модификации способа загрузки: загрузка от стенки л от центра аппарата;

- обоснованный в работе вероятностный подход к организации зернистого слоя позволил создать оригинальную конструкцию загрузочных устройств, пригодных Д1Я применения в аппаратах как малого, так и большого длаштра.

Реализация результате,!, саботн. Разработанные метода управления структурой неподвижного зернистого слоя и загрузочное устройство апробированы в IMAJ и использованы при разработке рекомендаций по повышению эффективности работы адсорбционных аппаратов.

Апробация габота. Результаты работы, докладывались и обсуждались на 4-ой Всесоюзной конференции VoxaiuiKu сыпучих материалов" (г. Одесса, 19Ь0 г.), на Всесоюзной конференции "Хпмреак-тор-IO" (г. Тольятти, 19Ь9 г.), 4-ой Ижоло-семииаро "Соврогенные проблемы тепло- и массообыена в хишчэсксй технологии" (г. Звенигород, IQ9I г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе получено 2 авторских свидетельств?, на изобретения;

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, . четырех глав, выводов, списка литературы из 115 наименований отечественных и зарубежных авторов. Объем работы: ¡¿48 с., 96 рис., Ь таблиц и приложение. , •

ociioehcl: соджаше работы

Критический анализ экслерш,¡остальных и теоретических исследований структуры IE3C покаьэл, что структура слоя прозондирована, в основном, только в прдйтеночлой области. Эти результаты не мохут ооъясыить наличие а адшцадча неравномерности поля скоростей, масштаб которых сопоставим с размером аппарата. £ качестве основных причин, влияющих на исяьлшшо тшшх иеравномерностей •рассматриваются: влияние стопок аппарата, деформация слоя под воздействием потока газа и аялыщо способа сегрузки (организации)

зернистого слоя,

В наогоящей работе предпринято исследование неоднородноо-той, возникающих в зернистом олоо вблизи его ограничивающих поверхностей и в объеме слоя в результате различных способов его организации. Был использован широкий набор экспериментальных методов, позволиших исследовать ¡сак локальные, так и крупномасштабные изменения порозности.

Влияние ограничивающих поверхностей

Распределение порозности вблизи твердой стегки изучали методом вытеснения, который заключается в последовательном вытео-нении жидкостью воздуха из порового пространства зернистого слоя, находящегося в специальной кювете. По этой методике неоднородности порозности измеряли от дна кюветы ( то есть в области; где _ ^ з специальной сараи опытов для уменьшения влияния твердой стенки использовали слой дедлрмируемого материала (поролона) или сетку, накладываемую на станку.

Из анализа экспериментальных результатов оледует, что распределение породности вблизи плоокой поверхности днища кюветы совпадает о аналогичным распределением вблизи боковой поверхности цилиндрического аппарата, найденным в работах Бененатти и Бро-оилова (1962) и Ридавея и Тарбука (1968). Отличия заключатся в том, что колебательный характер распределения порозности вблизи среднего значения, соонютотвушиЯ области более регулярной укладки частиц, наблюдается на расстояниях до (8+10) Ыэ от днища кюветы, в то время как в работах указанных выше исследователей соответствующее расстояние от цилиндрической стенки составляет лишь (4+5) с() . В опытах о мягкой деформируемой отенкой и сеткой показано, что меняя свойства ограничивающих поверхностей, можно влиять на распределение порозности. Например, при использовании "мягкой стенки" и сетки с определенным размером ячеек

г

0.&

0,6 г

0,к Ц

,0.1

1 3

можно уменьшить пристеночный вф^оот, то есть область о регулярной укладкой чаотиц составляет лишь (2+3)0^ (рис. I). Расчеты показывает, что структура зернистого слоя со средней пороэ-ноегью 0,4 соответст^'ет упаковкам зернистой среды о координационным числом Ж = В.

Рис. I, Распределение £ в направлении по нормали от дшща вдоль осп 2 , полученное методом вытео-непия для шаров о с^ = 15 мл: а - от твердой ограничивавшей повар хности, б - от "мягкой стенка".

2 4 г ;

Изучение распределения порозиооти слоя зернистого материала по диаметру аппарата осуществляли путем просвечивания пучком ^ -квантов, ориентированным Тшраллельно оси аппарата о заданнш шагом по окружностям различных радиусов. В качества источника моноэнергетичеокого ¿''-излучения использовала изотоп С* . Связь между порозностью п интенсивностью юлучения У -квантов определяли ко фориуло

¿пПопт " Р-Нсл'^т

Получешше результата хорошо согласуются о распределением сорозности найденным методом вытеснения, однако оказалось, что •

ъ

средние значения порознооти слоя зависят от отношения ¿^г .

Измерения показали, что кроме локальных существуй: а крупномасштабные неоднородности, устраняемые применением мягкой деформируемой стешш (рис. 2>.

Рис. 2. Распределение В По нормали от днида, полученное методом ослабления -квантов для шаров (¿1 =- 4 мы: а - распределение вблизи твердой поверхности, б -- вблизи "мягкой стенки*.

(I)

Влияние способов ого&шзагрш зернистого слоя

Результаты работы Брауна и Ричардоа (1967) дают основание предположить, что структура зернистого олоя зависит от способа его загрузки. Для проверки этого предположения проводили измерение напряжений на дне и боковой поверхности цилиндрического контейнера специально сконструированными тензодатчиками. Для свободно загружаемых слоев и слоев, уплотненных вибрацией, измеряли напряжения на ограничивающих слой стенках и внутри слоя.

Распределение напряжения на дне контейнера для загрузок такого типа представлено на рио. 3.

Рио. 3. ^определение (о на дне контейнера для свободной (свеглые точки) и уплотненной (темные точки) укладки шаров: о,» - (¿1 в 10 т, Л, Д - (¿» ■» 5 ш, V, ▼ -¿у « 3,5 мы

Напряжения, возникающие на

поверхпоотях контейнера, загноят Ъ.

от отношения а способа

организации зернистого слоя. В процессе вибрация происходит уплотнение олоя, то еоть увеличение числа контактов о другими частицами (темные точки на рио.З) я увеличение нагрузки на днище контейнера. Это приводят к возникновению неоднородностей в отруктуре слоя.

Возникновение крупномасштабных неоднородвоотей при раглич-ных способах организации слоя отмечено и при использовании метода просыпки мелкодисперсного сыпучего материала. Этот метод

7 г А,««;

позволяет качественно регистрировать застойные зоны и разрыхления, расположенные в объеме зернистого слоя.

Для изучения распределения неоднородаостёй в объеме слоя был применен метод рентгеновской вычислительной томографии (РВТ). В основе этого метода лежит принцип теневого просвечивания о последуй:',ой обработкой полученных результатов сверткой функций. Эти результаты, формируемые в виде матрицы распре дала ния линейного коэффициента ослабления. (ЛКО), фиксируемые на различных нооителях (магнитном диске, бумаге) или воспроизводимые на экране диодлея, позволяют произгости реконструкцию двумерного раопределония ЛКО. Связь между ЛХО и порозносуыо имеет вид л . V (М - / 1+Шг10'*

" 1+СНцу-1й'* (г)

Для изучения влияния- способов организации на отруктуру зернистого слоя засыпу осуществляли на конус, размеры которого на 10 % меньше диаметра аппарач'а 2? , через воронку и цо спирали, (перемещая струю зернистого маториаяа по сечению аппарата). Некоторые результаты, пллюотрпрущио распределение порогнооти при этих способах загрузки представлены на рис. 4. Для загрузки на конуо и через воронку характерно цр.лячг.е локальных и крупномао-штабных неоднородноотей, распределенных по объему слоя.

Изучение влияния мягкой деформируемой огечки (из поролона) на изменение внутротей структуры зернистого слоя при заоыпка на конуо, которая даст наибольсую крупномасштабную наоднород-ность показало, что наличие мягкой стенки приводит к уменьшению локальных и крупномасштабных неодпорэдностей. Об этом свидетельствуют существенно более шоохиэ значения в распределении пороз-нооти (как по К , так и по Н слоя) и сравнительная пологость ■ верхних кривых (рас. 56) по сравнении о ннжшыи.

Усредненные томограмм, представлешаге на рис. б, наглядно иллюстрируют различия в структуре сернистого слоя в зависимости от способа засылки. Нетрудно убедиться, что наиболее однородный зорняотый слой получается при загрузке спиралью.

Для опаса!шя двумерного распределения порозноотп был применен метод сплайн-функцпй. С этой целыо матрицы, получегашо для всэх загрузок зернистого материала, инторполи;ювалп кубическими сплайнами двух переменных. Стро;1ли сядайни разгаадшя по базису из тензорного произведения В-сплайнов

о)

где В1(х)-1+5)1" 4+2-1*

аналогичная форт,ула записывается а для ^ ( ^ ).

Г&спределешю порозностп ло высоте слоя сппроксп.\шроьали линейной фракС'.ей. Геометрическая реалазапш: одного из порченных результатов, с напболое однородной структурой засышсл, пред-

результатов для наиболее однородной загрузи! (спираль»), полученной томографическим методом.

Сравнительный анализ рассмотренных методов

Метод вытеснения жидкостью воздуха из порового пространства зернистого слоя отличается простотой, хорошей воспроизводимостью результатов и значительной точностью (до 1,6 %). Этим методом изучали локальные ^однородности структуры на расстоя- ■ шш до (10*15)0? э от ограничивающих поверхноотей. Однако распределение £ по радиусу аппарата при этом методе усредняется.

Более универсален метод ослабления <Г -квантов материалом зернистой ореда. Его можно попользовать для аппаратов любого диаметра. Применение этого метода дает возможность изучения интегральных величин ЛКО по высоте зоны "просветки".

Тензометрирование являемся косвенным методом перазруша*ь щих испытаний, поскольку не влияет на геометрию упаковки Метод позволяет проводить измерения локальных напряжений на ограничивающих зернистый слой поверхностях и в объеме слоя.

Метод просыпки'келкодиспэрсного сыпучего материала является интегральным методом контроля загрузки. Он позволяет изучать локализацию крупномасштабных неоднородностей и механизм их образования.

Метод ЕВТ идеально реализует диагностические задачи нераз- ' рушаицего контроля. Не нарушая целостности объекта исследования, он позволяет воспроизводить пространственные сечения, измерять геометрические размеры и относительное распределение элементов структуры. Высокие информационные возможности мотода позволяют различить малые изменения плотности материалов и сохраняют свои преимущества при обнаружении дефектов, размеры которых существенно меньше элементов матрицы изображения (1,6 х 1,6 км).

В совокупности обсукдашкеся ьше методы позволяют весьма детально изучить структуру зернистого слоя в аппарате.

Основнке Факторы, определяйте структуру зернистого слоя

В результате выполненных исследований было установлено, что определяющими факторами, воздействующими на структуру зернис-г.. того слоя, являются свойства ограничивающих поверхностей и способы организации слоя.

Механизм влияния этих факторов на возникновение и распределение неоднородностей в структуре слоя можно прооледить, анализируя сово!^пность полученных результатов.

Воздействие ограничивающих поверхностей на слой проявляется в том, что они оказывают ориентирующее воздействие на близ-лежаиие частицы и повкшаюг вероятность возникновения локальных неоднородностей, поскольку идеально уложить олой шаров вблизи них практически невозможно. Кра\.а того, стенка активно участвует в создании жесткой пространственной конструкции ("скелета'') из частиц зернистой ореды.

Ориентирулдее глиякяе поверхностей, ограничивающих зернистый слой, экспериментально доказано методом вытеснения, результаты которого-свидетельстцуют о том, что порозность максимальна вблизи стоики и ее значения для сферических частгц постепенно приближаются к 0,-1 (на расстоянии (5+10)0^ ). Таким образом, наличие жесткой стенки при свободной загрузке частиц приводит к укладкам, близким к ромбоэдрической с координационным числом (.У= 8). Заметим, что локальные неоднородности и ориентирующее влияние стеши были обнаружены также методам вычислительной томографии.

Экспериментальные да!гаге в опытах с деформируемой мягкой стенкой, получе!шыа рассмотренными методами, свидетельствуют о ее сглаживающем влиянии на распределение неоднородностей. При использовании мягкой стенки шш сетки наблюдается отсутствие синусоидальности распределения порочности,' которое свидвтельспдг-

ет о регулярности структуры у стенки. Например, уае на рассто- с янаи от стенки, равном 2&з , порозность понижается со знача- _ ни;'! 0,6 у твердой стенки до 0,4 (рис. I). Такое снижение объясняется не только нарувониом регулярности структуры, но а вероятностью уменьшения числа локальных неоднородностей.

Серия экспериментов по тензометрировалию зернистого слоя показа;» образование жестких пространственных конструкций "скелета", приводящих к возникновению локальных неоднородностей в . слое частиц , и исчезающих при деформации слоя.

Крупномасштабные неоднородности, обнаруженные методом оо-лаблеиия ¡Г -квактов, уже не могут быть объяснены одним лишь влиянием ограничивающих поверхностей. В то же время изучение зернистых слоев тензометрическим методом свидетельствует об изменении структуры слоя во всим объеме, в зависимости от способа его организации.

Влияние на проницаемость слоя способа загрузки подтвердили к эксперименты, подученные методом просыпки мелкодисперсного сыпучего материала. Эксперименты показали наличие зон понваэнпой проницаемости, характеризуемой скоростью истечения сыпучего в тех местах слоя, куда проводилась сгрузка. При равномерном распределении зернистого материала (сгяш;ру№ая загрузка) проница- • емость его практически одинакова на всех участках.

Влияние способа загрузки наглядно иллюстрируется томографическим методом; Возникновение локальных неоднородностей происходит в результате подвижки одного слоя частил относительно другого за счет одвиговых де$орт;ий, обуславливающих эффект дилатан-оии. Это приводит к повышения сродней порозности слоя.

По результатам томографических иооледовакий оказалось, что при засыпке на конус частицы устремляются к стенке, причем некоторые из них, обларалдие значительной скоростью и не обмениваю-

циеся импульсами с другими частицами, при отскоке от стенки попадают в центральную часть слоя. Другая (большая) часть ссыпается к центру под углом естественного скоса. В итоге поручается распределение порозиооти, изображенное на рис. 56. При засыпке через воронку частицы сразу попадают в центральную часть олоя и укладываются более плотно, затем, по мере заполнения контейнера, ссыпаются к стенкам (рио. 5а). Отсюда возникают сдвиговые деформация с эффектом дилатансии и, вдобавок, накладывается влияние ограничиващей стенки. Все это в соэо^пнооти приводит к талу, что верхние участки болео разрыхлены, чэгл у днгаца контейнера. Аналогичные неоднородности регистрировались и методом ослабления

¿Г -квантов, тензометрирования и просыпки мелкодисперсного сыпучего материала.

Бэссмо'иренннэ выше способы загрузки относятся к инерциаль-ному типу, поскольку частицы движутся но по прямолинейной траектории и со значительной скоростью. Другой тип загрузки - гравитационный, характеризуется падением частиц о незначительной высоты и по прямолинейной траектории. Этому типу загрузки соответствует зьгсузка спиралью (рио. 5в).

Выявление механизмов возникновения неоднородностей в олое позволяет осуществить целенаправленное воздействие на его структуру, например, за счет применения деформируемой или профилированной стенок, а таете - путем разработки специальных методов загрузок.

РАСЧЕТ РЛГБ'ЗО^Ж УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ РА'Л1Й4ДЕЛЕШ1Я ЧАС1ИЦ

Перфорированное пластины

Плоская струя зернистого материала пачает на перфорированные пластины, расположенные под углом об друг к другу. Бу-

„ict

дам считать, что попадание часгицы в К отверстия пластины равновероятны (рис. V).

Рио. 7. Перфорированные плао-тины:

а - охема течения; ó - гистограмма распределения частиц ( - 4 мм) по ячейкам.

iONSw*

, где П - число отверстий, =

Рассмотрим попадание чао-тицы в отверотиа К, причем

п. (5) - рао-

отояние между отверстиями; X

[В) - нормирующая единица

/и

длккы, причем д ' X

Бороятность попадания в К-ое отверстие выразится как

Л У(Х<)а X¿ = л (7)

где A -/Caí).

Вероятность попадания частицы в одно из отверстий от 0 до . К будет равна к

<8> ■

t*0

где [i f(X¡)ü XiJ к - непопадание частицч в К-ое отверстиз,

соответственно, - непопадание чаотицы

го

в первые К-ые отверстия. Отсюда следуэт х

(.9)

После преобразования получим расчетную формулу, сеязшш>-»

щую параметры устройства

d* -

Если струя имеет ширину

(Ю)

причем ({.

а

то будем иметь ¿д

!М ШОТ.'.'Ь ^

d«-hJdJl)dL .

После преобразования получим

/У _ " Т ) (то)

Сделаем корректировку, учитывающую обмен импульсами между чаотицами во вреда движения, тогда

GLk -1,32 if(-nTK) e (13)

Гистограмма распределения сферических частиц сСь = 4 мм (оимметричноо усреднение) при JL = 160° и - 18 мм представлена на рис. 76.

Распределительная реиетка

досмотрим процесс случайного блуждания частиц по неравномерной сетке. Будем приближенно считать, что в результате столкновения частицы оо штырьком она может с одинаковой вероятностью 1/2 отлететь как влево, так и вправо. Общая схема расположения штырьков на неравномерной сетке показана на рис. 8а. Такие группы штырьков образуют несколько уровней. Вероятность попадания

п,

шарика на штырьки одного уровня составляет (1/2) , где tl -порядковый номер уровня. Особонноотью неравномерной сетки, изображенной на рис. 8а, является то, что если входные вероятности равны Р, то вероятность попадания шарика на любой штырек такза равна Р: 1/2Г + I/2P = Р (14)

На рассмотренном приникло была спроектирована и изготовлена модель загрузочного устройства. Расстояние мекду штырьками выбирали в 2,0 - 2,5 сСл ( d4 мм). Штырыг располагали в вораинах равнобедренных треугольников (рис. 8а).

Полученные результаты пересчитывали» в плотности вароят-

ности. Для количественного сравнения результатов расчитывались дисперсии распределения (рас. 8<5),

А/'УРСМЛ |--------.. л.

О • Рис. Ь. Распределительная ^ ' решетка, а схема расположения штырьков на неравномерно а сотко; <$ - дисперсия распределения частиц по ячойкаа: X - стальные кары, « « 4 вд;

А - торо;:, с(3<= 6,5 ш; V - стеклянные сари, г 2,4 ш;

о - катализатор /М 2204 (5x5 ш).

М 6 в 10 X

Для испытания такого устройства' в цилиндрических аппаратах

была изготовлпна его объемная модель. Она представляет собой конусный распределитель, шло лианный в виде ярусами соосно установленных воронок, представлящих собой рядами рослолсиен-ные концентрическое кольца, расположение которых совпадает о* расположением штырьков на плоской, модели. Устройство помешали в -обечайку, диаметр которой соответствовал диаметру загружаемого аппарата.

Испытание этого устройства проводили на модальном стенде диаметром 0,2 м. Засыпку частиц катализатора ИМ 2204 производи- ; ли струей шириной 30-40 ш. Высота зернистого слоя составляла 0,2 м. Продуву осуществляли сверху шиз из промышленной дата-' страли. Измеряли перепада давлений с помощь*) дпМиашометра • 1Ш-220, которые затеи пересчитывали в относительные скорости. Порченные результаты представлены на рис. У. -

М ■ 1,0 -а* -а*

I

Рио. 9. Распределение относительных скоростей по сечения аппарата: Д - загрузка через ворошу, V - произвольная загрузка, о - распределительное

устройство.

1,0 0,ь 46 ОЛ 0.1 о

^_I.

J_I

Из них следует, что применение такого загрузочного уотройотва позволяет

получить равномерное распределение частиц по оечению цилиндрического аппарата. Это устройство практически реализует загрузку типа "доадь".

Таким образом, используя теорию стохастических процессов, разработано два ь-рианта устройств для равномерного распределения чаотиц по сечению аппарата.

ОСЕСИЛЕТРИЧНОЕ ТЕЧЕНИЕ НЕШМАЕМОИ ВДЩЮСТИ В АКСИАЛЬНЫХ АППАРАТАХ С К310ДШШЫМ ЗЕРНИСТЫМ СЛОЕМ

Рассмотрим • осескмметричноа течение несжимаемой жидкости в цилиндрическом аппарате радиуса К , содержащий зернистый слой высотой Н (рио. 10).

Движение несжимаемой жидкости в зернистой среде со структурными неоднородкостями описывается уравнением Эргана в квадратичной форме и уравнением неразрывности. Уравнения записывали в безразмерном виде (обезразмеривая по Л/г-» и Е ) в цилиндрических координатах. Вводя функпию тока Ч^ , эти уравнения преобразовывали в нелинейное эллиптическое уравнение, которое решали численнш методом. Граничные условия выбирались следуицш образом:

на

стенке реактора % * -1/2, т.е. = У* • (К>

на оси реактора ' ^/Ги0 ~0 . ^^

На входа в слой и — 0, (17)

следовательно

t-o

= 0.

ПИШИ

Рис. 10. Схема течения в цилиндрическом аппарате.

IIa выходе из слоя р ~ Contt , то есть - О, Vr - О,

следовательно.

Исходные данные для . расчета брели из томографических измерений. Движущейся средой слуяпл воздух при температуре 20° С и нормальном атмосферном давлении. Распределение порозностп для разных способов загибки описывалось вдоль радиуса кубическими сплайнами двух пероменннх, а по высоте - линейной функцией. •

Результаты расчета приведены на рио.,11. Oojua профиля ско-. рости потока при прохождении через слой практически остается неизменно! и хорошо коррелирует с радпальнш распределением ророз-ности. Радиальная компонента скорости ( Vr ) стремится к нулю

и перестройки потока в слое практически на происходит.

Профиль безразмерной окороотд вдоль радиуса существенно неоднороден. Относительная неоднородность скорости для засыпки на конус составляет 30 55, при заокпке'через воронку - 24 %, а при засыпке спиралью - 3,5 %.

1,0 0,1 0,6 С,4 0.2 0 г

Рис. II. Профили безразмерной скорости ( 1?х ) для загруэоч: а - на конус, б - через воронку, в - спиралью.

Из анализа матриц распредели деления порозности .для каждой конкретной загрузки, состоящих ьа из 2500 элементов, следует, что локальные изменения пороз-кости значительно вше, чем зго следует из усредненных значений. В связи с этим были проведены расчеты еще для двух видов загрузки.

Рассмотрим схемы загрузок, изобретенные на рис. Х2г, д. В радиальном направлении

пэрозность менялась по косинусовдальному (или параболическому) закону. Загрузк?, изображенная на рис. 12г, на верхней границе в центра аппарата имела порозпость 0,33, а у стенки - 0,38. На нижней граница: в центре - 0,38, у стекки - 0,33.

Во втором случае, Р'лс. 12д, в центре загрузки имели уилот-нзпио конусной форьа*. й;утри конуса уплотнения лорозность равна 0,33, вэрщина конуса лечит в точке = 0 на верхней грана 1 слоя, а радиус основания конуса - 0,7 й аппарата, на шпней граница слоя. Экстремальные значешш порознооти были взяты из результатов, полученных тошграфическим методом.

Основные результаты расчетов, предетавлешше на рис. 12а,б, свидетельствуют о том, что перестройка течения происходит во всем объеме слоя за счет появления радиальной компоненты скорости

(рко. 12л), которая имеет максимум примерно на половине радцуоа аппарата (для варианта I). Эта компонента обуславливает перестройка в зернистом слое входящего профиля скорооти в выходящий.

Рас. 12. Результаты вариантных расчетов: а - профиль £ -компонент скорооти для варианта I (рис. 12г): I - на входа в одоЕ, 2 - на выходе из слоя, 3 - в середине олоя; б - то ко для варианта 2 (рис. 12д): I - на входе в слой, 2 -на выходе из слоя, 3 - в середине олоя, в - профиль радиальной компоненты скорости: I - для варианта I (рис. 12а,г), 2 - для варианта 2 (рио. 12 б,д)

• ОСНОВШЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДИ

1. Методами неразрушаицего контроля экспериментально установлено наличие в контактных аппаратах с неподвижном зернистым слоем локальных и крупнотсштабши нооднородностей структуры. Показано, что основными факторами, определяющими возникновение не-одиороддостей, является воздействие ограничивающих поверхностей

и спососш организации зернистого слоя. Установлено, что косинусоидальное распределение порозности, возникающее вблизи станки аппарата, распространяется на расстояние до 10-12 сСз .

2. Получено аналитическое решение для осесимметричного то-Ч9!шя несжимаемой жидкости в зернистых слоях с учетом структурных неоднородностой, возникающих прч различных способах загрузки аппарате.. Оказалось, что неоднородности структуры могут вызывать существенные гидродинамические неравномерности потогл. Так, нарушение равномерности распределения порозности на 15 % вызывает неоднородности профиля скорости в;<утрл зернистого слоя до 50 % от среднерасходного значе!шя.

3. Теоретически показано, что при отсутствии радиальной составляющей скорости жидкости в слое, неоднородности потока сохраняются неизменными по поему слою, тогда как появление радиальной .компоненты скорости приводит к перестройке потока по высоте слоя, то есть осн.оьной причиной возникновения неоднороднос-тей потока являются крупномасштабные неоднородности зернистого слоя.

4. Разрс1ботаны метода управления структурой зернистого слоя. Показано, что применение профилированной сетчатой стенки приводит к снижению локальных неоднородностей, но не влияет существенно на крупномасштабные. Применение мягкой деформируемой стенки снижает локальные неоднородности в пристеночной области

в 3-4 раза (до 2-3 ) и устраняет крупномасштабны-) неоднород-

ноотя в объеме слоя.

5. Изучены различные способы загрузки зернистого материала (на кону<", через воронку, спиралью). Установлено,'что наиболее равномерное распределение порозности в слое удается создать при загрузке по спирали.

6. На основе вероятностного подхода к движению частиц зернистой среда в процессе загрузки слоя созданы оригинальные конструкции загрузочных устройств, позволяйте получить однородные .зернистые слои в аппаратах различных диаметров. Эти способы загрузки проверены на лабораторных установках и модельных стендах.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЁШ ДИССЕРТАЦИИ

X. Коле скин B.II., Кулов H.H., Штерн П.Г., РуДэнчик Е.А. Структурные R гидродинамические неоднородности неподвижного зернистого слоя в аксиальных аппаратах // Теор. основы хим. технол. - 1992. - Т. 26. - & 6.- С.830— 811.

2. Колесклн В.Н., Абаев Г.Н., Штерн П.Г., Турунтаев C.B., Попов Е.К. Влияние ограничивающих поверхностей на распределение порозности в зерниотой среде // И<й. - 19Ь2. - Т. 42. - J» 4, -С. 57L-58I. '

3. Колеск/н В.Н., Штерн П.Г. Исследование структуры неподвижного зернистого слоя методом вычислительной томографии // ИФ£. - 1992. - Т. 62. - » I. - С. 70-75.

4. Колескин В.Н., Абаев Г.Н., Штерн П.Г., Турунтаев C.B. Тенпометрирование напряжений на ограничивающих зернистый слой поверхностях // 1У Всесоюзная конференция "Механика сыпучих материалов": Тезисы докладов. - Одесса, 1910. - С. 167-IGb.

5. Абаев Г.Н., Понов'Е.К., Штерн П.Г., Турунтаев C.B., Крес-тинин А.К., Рогозина H.H., Лукьяненко U.C., Гурфейн Н.С., Дыча-1ин B.Ö., Котелшш В.1Л., Колескпн В. Я. Результаты исследования ^аэродинамики зернистого слоя на стендах и промюлоняих реакто-

pax синтеза мономеров для СК // Аэродинамика в технологических процессах / Под ред. В.В.Струминского. - П.: Наука, 19Ы. -С. 79-91.

6. Колескин В.Н. Экспериментальное изучение напрятанного состояния зернистой среда, ограниченной стенками / Яросл. гоо. дед. ин-т. - Ярославль, 1969. - 15 с.-Деп. в ВИНИТИ. 04.04.Ь9, й 20I0-B.89.

7. Колескин В.Н., Штерн П.Г. Зависимость структуры неподвижного зернистого слоя от способов организация // Всесоюзная конференция "Химреактор-IO": Тезисц докладов. - Тольятти, 19Ь9. - С. I73-I7L.

Ь. Колескин В.Н. Датчик для измерения напряжений внутри зернистой среда / Яросл. гос. пед. ин-т. - Ярославль, 1990. -6 с.-Деп. в ВИШ2И. 06.06.90, Н 3042-В.90.

9. А. о. Я II45275 СССР. Ш13 G OlH/lS/Cb. Способ определения проницаемости зернистого материала / Г.Н.Абаев, И.С.Лукь-яненко, В.Н.Колесив, П.Г.Штерн, С.В.Турунтаов, С.В.Львова.

3 е.: I ил.

10. A.c.Ji PI0II5 СССР. ЫКИ5 B0I Т 4/02. Способ загрузки зернистого материала в контактный аппарат / В.II.Колескин, П.Г.Штерн, В.АЛерняева, В.С.Киселев;

11. Колескин В.Н. Определение структуры зернистой среда мзтодсм проошпи? мелкодисперсного сыпучего материала // Механика гетерогенных сред,—Ярославль,'19Ь6. - С. 46-56.

ОБОЗНАЧЕНИЯ

Ъ - диаметр аппарата, г.: Ofэ - диаметр зерна, м (Ни).- линейкьД коэффициент

(Ни)- линейный коэффициент

ослаолбния слоя з Хаунофилдах

ослабления 1лок слитного образца в Хаунсфил-цах

1-

т -

р г

V -

V -

интенсивность пучка ^- квантов без поглотителя, имп/с ' интенсивность пучка /*- квантов, прошедшего через слой поглотителя толщиной Н, нмп/о давление, Па расстояние, отсчитываемое от' оси аппарата по нормали к стенке, и

сроднерасходная скорость, м/с

скорость в слое, м/с безразмерная компоиэн-та скорости по оси безразмерная компонента скорости по оси

г т

в -А -

(Н*-•

р -V -

расстояние, отсчитываемое по норлали от днища аппарата едоль ого оси, м порозность слоя линейный коэффициент ослабления слоя, сьГ*

линейный коэффициент осл£?бл01шя монолитного образца, массовый коэффициент ослабления, см^/г удолышй вес твердых частиц, г/см"* функция тока,

Соискатель --

Коласкин В.Н.