книги / Обжиг в кипящем слое в производстве строительных материалов

намного превышающих обычно применяемые

тем­

пературы при вспучивании и агломерации глин*

Разработанный в Ф РГ способ вспучивания

глин

в циркуляционно-взвешенном слое (называемый так­

удара") предусматривает обжиг

гранулированных

и

подсушенных мелких зерен в вертикальной

печи

шахтного типа.

Американская

фирма S c ia S

разработала

спо­

соб получения мелких гранул керамзита, при

кото­

ром гранулы jgэ вспучивания нагреваются при

тем­

пературе 4 0 0 С

в псевдоожиженном слое, а

обжиг

со вспучиванием их происходит в шахтной печи

с

падающим слоем

В 17, 122].

Завод фирмы

Carolina StaLite применяет

род трехкамерный реактор кипящего слоя с

после­

дующим

их вспучиванием на

спекательной

реш ет-

ке [120

] .

Встречаю тся также отдельные упоминания

об

использовании кипящего слоя

для термической об­

работки при вспучивании глинистых пород в

Ф РГ

(получение керамзитового песка по методу

фирмы

"И н тем а ") и СШ А, однако в

них отсутствую т

опи­

сание параметров процесса,

теплового

агрегата,

способа сжигания топлива в кипящем слое*

При­

веденные

данные показывают,

что за

последние

находит все более

широкое применение в

различ­

ных отраслях промышленности строительных

мате­

риалов* В связи с

этим возникла необходимость оз­

накомления работников

промышленности с

накоп­

ленным в этой

области

опы том,

В

настоящ ей

книге

сделана

попытка

обобщения

это го

опы та, в

ней освещ ены

теоретические

основы

процессов в кипящем слое, в первую очередь

эн­

дотермических,

требующих подвода тепла

в

слой,

а также р езульта ты исследовательски х и

проектных

пящ его слоя в различных технологических

процессах

производства

строительны х

материалов.

Введение,

главы 1 У

и У

написаны канд.

техн.

наук А .И . Полинковской;

главы 1,П ,Ш ,У П

и

п. 4

главы

У 1

-

канд. техн. наук А .А . Ахундовы м;

гл а ­

ва У 1

-

канд. техн . наук Г .А . Петрихиной;

глава

I. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

Псевдоожиженным, или кипяшим слоем ,

назы­

вают особое состояние дисперсного материала,

ха­

рактеризующееся перемещением

твердых

частиц

относительно друг друга за счет

энергии

газа

или

пропускании сквозь слой материала

восходящего

потока газа вначале засыпанный материал

будет

оставаться неподвижным, а сопротивление

слоя

будет возрастать с увеличением скорости

газа*

Когда величина силы сопротивления материала

при

фильтрации газа через слой сравнивается с

вели­

чиной массы слоя, наступает

гидродинамическое

равновесие и частицы получают возможность

вза­

имного пульсациоиного перемещения,

т.е* слой

3

кости.

С дальнейшим увеличением скорости газа

слой

расширяется, интенсивность движения частиц

воз­

новесия. При достижении же скорости газа,

при

которой сила гидродинамического давления

станет

Р и с.

1 . С хем а аппарата со

слоем

зернистого материала

1 -

перфорированная

ре­

шетка; 2

- сосуд;

3 -

слой

материала

ние. Д ля

псевдоожиженного слоя

характерна

опре­

деленная зави сим ость меж ду

перепадом

давления

и скоростью фильтрации потока. Кривые,

выража­

ющие эт у

зави сим ость, принято

назы вать

кривыми

нистого слоя м атериала с одинаковым

разм ером

частиц. Линия о а на рисунке

со о тв етств ует реж иму

фильтрации га за ск в озь

слой,

при котором

вы сота

с л о я

не м еняется. У часток кривой

а& соотв етст ­

в у е т

области

кипящего

слоя ,

в которой

сопротив­

лени е

с л о я не

зави сит

о т скорости

потока.

ния м онодисперсного

слоя

Ар -

сопротивление сло я ,

м м . вод.

с т .; |ф^-

линейная

ск ор ость

фильтрации

потока,

м/с

Скорость газа, при которой неподвижный

слой

материала переходит в псевдоожиженное

состоя­

ние,

называется

скоростью

начала

псевдоожижения

или

критической

скоростью

псевдоожижения.

Ско­

рость газа, приводящая к выносу твердых

частиц

из слоя, называется скоростью уноса. Таким

обра­

зом , область существования кипящего слоя

нахо­

дится между значениями критической

скорости

псевдоожижения

и скорости

уноса.

Экспериментально установлено,

что в

области

кипящего слоя перепад давления газа в слое

при­

мерно равняется

м ассе материала,

отнесенной

к

площади газораспределительной решетки

и

опреде­

ляется зависимостью

4 o = ^ = / / (i-.c )(/ v -/ V )

(1)

Скорость газа, при которой осуществляются раз­

личные технологические процессы в кипяшем

слое,

называется рабочей скоростью . Эта скорость

об ­

слое, обеспечивающее

минимальный его

вынос

и

оптимальные

режимы

теплообмена.

Отношение рабочей скорости газов к

критичес­

кой, названное числом

псевдоожижения [1 1 0 ],

ха­

рактеризует

интенсивность перемешивания частиц

в кипящем слое и служит критерием для

сравнения

различных систем . При скорости газа,

незначи­

псевдоожижения. С увеличением скорости

газа

в

слое начинают появляться газовы е пузыри

и

одно­

родность псевдоожижения нарушается.

Дальнейшее

возрастание скорости газа приводит к

увеличению

размера пузырей, чем обусловливается

появле­

ние каналов в узких и высоких слоях -

поршне-

образование.

Физические

явления

в

с ло е

твердого

зерн истого

м атериала при

переходе

его

о т

неподвижного

к

псевдоож иж енному состоянию

зави сят о т

грануло­

м етр и ческ ого

состав а

и формы

зерен , составляю щ их

слой . По зерн овом у соста в у

различаю т

м он о -

и

полидисперсные слои . Истинный

монодисперсньй

слой долж ен состо я ть

из

частиц сферической формы,

однако на практике монодисперсным сло е м

счита­

ю т слой , состоящ ий и з

зерен

одной узкой

фракции.

Полидисперсным с л о е м

назы ваю т лю бую

с м есь

из

частиц различного разм ера и формы.

Характерной особен ностью кривой

псевдоожиже­

ния моно дисперсного сло я (с м . рис.

2 )

является

резкий и зло м

в точке

перехода

неподвижного

слоя

изводной функции

А Р

( W ) •

Кривая

псевдоожижения моно дисперсно го

слоя

состои т из

двух

прямых,

для которы х

А Р ^

W * * н

А Р = - con st.

П ок азатель т

м ож ет м ен яться

в

пре­

д е л а х о т 1

до 2 . На кривых псевдоожижения поли­

дисперсно го

слоя

о т с у т с т в у е т типичный для

м он о -

дисперсного

сло я

и злом при переходе

в

псевдо­

ожиженное состоян и е.

Как видно из рис. 3 , линия,

характеризую щ ая

процесс фильтрации, и прямая,

типичная для состоя ­

ния полного псевдоожижения, соединены переходной

линией. У ч а сток меж ду точками

а '-о /' назван

пере­

ходной обла стью псевдоожижения, для которой

з а ­

ви сим ость давления от скорости вы раж ается

A P ~ V ,

гд е О^т < 1 . С к ор ость га за , соответствую щ ая точке

а ' , названа начальной скоростью переходной

об ­

рости к критической ^ ^

\ - числом

полидис­

персности , характеризую щим 7 полидисперсность

слоя

[ 4 6 , 4 7 ] .

Гидродинамику псевдоож иж енного слоя

до

по­

с л е д н е го

врем ени исследовали главны м образом на

м онодисперсны х

слоях, в реальны х

технологических

п р оц есса х

почти

не встречаю щ ихся.

Особенно широ-

Р и с,

3 . Кривая псевдоожиже­

ния

полидисперсного

слоя

да расчетных формул для

определения критической

скорости псевдоожижения. Эти расчетные

формулы

были получены на основе

закономерности

измене­

материал, или же путем анализа действия сил

на

отдельную частицу в момент начала витания,

при

условии одновременного

взвешивания всего

слоя

однородных частиц в потоке газа

[1 8 , 2 1 ,

3 9,

4 5 , 6 0 , 6 5 , 9 6 ].

Исследование гидродинамики

псевдоожиженных

полидисперсных см есей

проведено

сравнительно

в

небольшом

объеме [4 6 ,

6 0 ,

6 2 ,

9 6 , 1 1 0 ] .

В

отдельны х

исследованиях [2 1 ,

3 5 ] величины сопро­

тивления

псевдоожиженного

слоя

приравнены к по­

тере давления газа в области фильтрации, т.е.

в

формулах не учитывается наличие

переходной

об­

ев.

Анализ физических явлений, происходящих

при

псевдоожижении

полидисперсного слоя,

наиболее

полно изучен в работах Н.Б. Кондукова

[4 6 ,

4 7 ,

5 1 , 5 2 , 5 4 ],

в

которых показано,

что*-в

мо­

нодисперсных слоях

соблю дается точное

подобие в

объясняется

тож дественностью сопротивления сло ­

ев , так как гранулом етрический состав

однороден

и на подобие

не влияет. Д ля подобия же

полидис-

жимов псевдоожижения требуется

также

подобие

по гран улом етри ческом у состав у * М еж ду

режимами

ожижения монодисперсного и полидисперсно го

слоев

нет подобия вследствие различия физических

явле­

ний при переходе от фильтрации к полному

ожи­

жению. П оэтом у расчетны е зависимости,

выведен­

ные для м онодисперсного слоя,

не

м о гу т

бы ть

ис­

пользованы для полидисперсных

слоев [ 4 6 ] ,

для

р ость псевдоожижения по двум

уравнениям

[ 4 8 ] .

Д ля

переходной области

Н

( 2)

Чч

*

для

полного

псевдоожижения

А Р * = " к £ (Л - - А Н 1- * * ) ,

( 3 )

гд е

-

коэффициент гидродинамического

со ­

противления;

эквивалентный

диаметр

частиц

(в

м ), вычисленный

по

гранулом етри­

ческом у состав у

зе р е н ,

i-т

с ,

,

(З а )

*=1

1

з д е с ь

доля класса

по

м а ссе;

j -

_ условны й диаметр

зерна

класса,

определяем ы й

по

разм еру отверстий

проход­

ного

(

^|

) и

не

проход­

ного

(

#2.

)

сит (3 6 ) .

рости псевдоожижения получены с

использованием

так называемой "внутренней" задачи, т.ё.

путем

рассмотрения движения газового потока в

каналах

между частицами.

Ввиду того, что в псевдоожиженном слое

нет

каналов с устойчивыми объемами

и формой, а лишь

сущ ествую т недеформирующиеся частицы, в

теорию

псевдоожижения введено понятие

"внешней"

задачи

путем рассмотрения макровзаимодействия

между

псевдоожиженным слоем и ожижающим агентом [4 7 ],

Уравнение Дарси-Вейсбаха, преобразованное

для

внешней задачи обтекания частиц, имеет вид

. 1-£

fiW 1 Н

( 4 )

4

*

2

d i *

где £

эквивалентный

коэффициент

гидро­

динамического

сопротивления слоя.

На основании исследования гидродинамики псев­

доожиженного

полидисперсного слоя,

состоящ его из

сферических частиц или близких к ним по

форме

частиц с различными плотностями, получены

сле ­

дующие зависимости:

а )

для

коэффициента

сопротивления

Re*~п■

vOf6

( i _

r

( 5 )

чумаке I

б)

для

критической

скорости

л._2-/7 л

*

. v

\ °(Ь

.Z-W #waicc ^

(в)

йвк

~гс

ас*

j

В уравнениях ( 5 )

и (-6;)

С =

4 9 0

и

О .в З

при

О Д ^С е^ < 2 ;

3

с =

1 3 0

и

/?=

0,4

при

2С К £ в £ < 1 , 5 - 1 0 .

Д ля

псевдоожиженных слоён ,

составленны х

из

частиц неправильной формы, при заданном

значе­

нии скорости

и,

соответственно,критерия

Р ей ­

нольдса,

коэффициент сопротивления будет

выше,

чем

слоя

из

сферических

частиц,

что

обусловли ва­

ется

характером

их обтекания

га зо м

в с ло е .

По­

этом у зависим ость

(6 )

для

расчета

критической

скорости

псевдоожижения

полидисперсного

слоя

с

частицами сферической

формы

также

не

м ож ет бы ть

использована

для полидисперсных

см есей

с

части­

цами неправильной

формы.

В

связи с

тем , что в процессах с кипящим

сло ­

ем ,

применяемых в

производстве

строительны х

м а­

териалов,

как правило,

обработке

подвергаю тся

п о -

лидисперсные

см еси с

частицами

неправильной

фор­

мы,

возникла

необходим ость в дальнейш ем

иссле­

довании

гидродинамики

псевдоожижения

подобных

см есей .

Э то

необходимо

в частности

для

разработанных

во В Н И И С Т Р О М е способов

обж ига в

кипящем

сло е

м елких

фракций

глинисты х,

вулканических

и

други х

м атериалов (д л я

получения

керам зитового,

перли­

тового,

треп ельн ого, ш унгитового

песка

и

м елк ого

гр ав и я),

при

которы х в процессе термической обра­

ботки происходит их вспучивание,

сопровож даембе

резким

изменением

разм ера, м ассы и формы

зерен .

Внедрение

в промыш ленность производства

по­

ристы х

песков обж игом

в

кипящем сло е

тр ебует

дальнейш его

соверш енствования

технологии

произ­

водства и конструкции печных а гр егатов .

П оэтом у

В Н И И С ТРО Л Ю М

были проведены специальные

ис­

следования гидродинамики

псевдоожижения

глинис­

ты х,

вулканических

и других пород.