книги / Обжиг в кипящем слое в производстве строительных материалов

Рис, 9* Зависимость содержания окрашенных

час­

тиц перлита

в

пробе X

о т

продолж ительности

их

пребывания

в

кипящем

сло е

^ при числах

псев­

доожижения

1 - 1 ,2 5 ;

2 - 2 ,0 4

Полученные р езульта ты подтвердились в

у с л о ­

виях обжига

глинистых, вулканических,

карбонат­

ных и других

пород в лабораторных и в

полу­

изводства

керамзитового

песка обж игом в

печах

кипящего

слоя на первом

в С оветском

С ою зе

водству керам зитового песка [1 4 1 .

В промышлен­

ных условиях

было установлено,

что

при

ум ень­

шении числа

псевдоожижения ниже 2

происходит

значительное

перераспределение

температурных по­

лей в объем е

слоя, что приводит

к местны м

пере­

гревам, образованию спеков и прекращению

про­

цесса [1 б 1 *

Р и с.

1 0 . Б лок -схем а

установки для

изучения

дви­

жения частицы в псевдоожиженном сло е

м етодом

радиоактивных изотопов

1

-

фотоэлектронный

умнож итель;

2 -

аппа­

рат;

3

-

распределительная коробка;

4

-

выпря­

м итель;

5

-

электронный

уси ли тель;

6

-

стаби­

лизатор

В С - 2 2 ; 7 -

шлейфовый осциллограф

М П О -2

Для

определения

характера

перемешивания см еси

природного и вспученного перлита в

кипящем

с л о е

и уточнения механизма движения частиц при

их

термообработке были проведены t i l ]

исследова­

ния с применением меченой радиоактивной

частицы

на специальной установке

(р и с. 1 0 )

кафедры

жТ е -

оретические

основы

тепло техники"*

М осковского

ин­

ститута химического

машиностроения

1 5 3 ],

В

реактор диаметром

1 1 0

м м загруж али

с м е с ь

природного

перлита

фракции

1 - 1 ,5

м м

и

вспучен­

ного

перлита фракции 2 - 3 м м . Р а зм ер

фракции

и

объемная

м асса вспученного перлита

соотв етств о ­

вали получаемым на практике при

вспучивании

фракции природного

перлита 1 - 1 ,5

м м .

Установка оснащена специальным

устр ой ств ом

для записи на киноленту движения

радиоактивных

частиц в псевдоожиженном с л о е . В

тр ех

п лоск остях

вокруг аппарата 2 установлены три пары

фото­

электронных умнож ителей

1, которы е

фиксируют

движение радиоактивной частицы. И м п ульс,

п осле­

довательно усиливаясь в ф отоэлектронных

умно­

жителях и в электронном уси ли теле 3 ,

п оступ ает

в шлейфовый осциллограф

М П О -2

,

гд е одноврем ен­

но записывается на кинопленку. Питание

си стем ы

осущ ествляется из сети переменного

тока

чер ез

стабилизатор

В С - 2 2 , вы прямитель

4

и

распре­

делительную

коробку 3 .

С м есь природного и вспученного

перлита

под­

жиме полного перемешивания

м атериала. При э т о м

наблюдалась

м оментальная

сепарация

частиц

вспу­

ченного. и природного перлита, что

обуслов лен о

разницей их

плотностей.

Над кипятим

слоем

специальным

устр ой ством

была

закреплена

радиоактивная частица

диам етром

1 ,2

мм

и массой 1 ,0 5

м г. М асса

радиоактивной

частицы

была близка к

м ассе

частиц

природного

перлита

фракции

1 - 1 ,5

мм

с

эквивалентным

диа­

м етром

1 ,2 1

мм

(0 ,9 3 '4 м г ) . Для фиксации

дви­

жения радиоактивной частицы ее опускали в

псев­

доожиженный слой после включения всей

систем ы

и

фотосъемочного устройства

осциллографа

(с о

ско­

ростью

движения

пленки 1 0

м м в 1

м и н ).

Анализ осциллограммы

(рис.

1 1 )

траектории

движения радиоактивной

частицы в

псевдоожижен­

ном слое см еси природного

и вспученного перлита

показывает,

что

скорость движения

радиоактивной

частицы

составляет 1 0 - 1 5

см /с

и что она

при­

мерно за 0 ,8 - 1

с

опускается

в

нижнюю

часть слоя .

Если за это время в реальных условиях

термо­

обработки частица

перлита

не

усп еет

прогреться

и

вспучиться,

то она

будет циркулировать

в

нижних

Рис. 1

1 .

Осциллограмма записи сигналов

движу­

щейся

в

кипящем слое радиоактивной

частицы

до ее вспучивания. Затем

в

р езульта те

снижения

объемной м ассы перлита

под

действием

гидро­

динамических сил потока га за

частица

должна

под­

няться в верхнюю часть слоя,

В связи

с тем ,

что

в промышленных аппаратах вы сота кипящего

слоя

скания

вниз попадающей в слой частицы будет

в

них значительно больше и частицы должны

будут

успеть

нагреться и вспучиться еще до

опуска­

слое в соответствии с описанными условиями.

Опыт с меченой радиоактивной частицей

под­

твердил предположение о том, что в

самой

природе

процесса вспучивания

различных материалов

в ки­

пящем слое заложен

автоматический

м еханизм ,

ких процессов, значительно (почти на порядок

и

более) ниже, чем среднее время пребывания

м а т е -

риала в слое, рассчитываемое по формуле

( 1 3 ) .

Несмотря на это, во избежание выхода из

слоя

отдельны х не вспученных частиц

конструирование

аппаратов требуется вести таким образом»

чтобы

исключался прямой проскок частиц от места

за­

грузки

к м есту выгрузки. Для каждого

конкрет­

ного технологического процесса

это

достигается

определенным

расположением подающих и

выгру­

зочных

течек,

выбором размеров

и

геометрической

формы

слоя.

4. УНОС МАТЕРИАЛА ИЗ КИПЯЩЕГО СЛОЯ

Унос зерен материала из кипящего слоя

насту­

пает, когда скорость псевдоожижения агента

пре­

вышает

скорость витания

частиц.

Значение

величины Wb является вполне определенным,

если

псевдоожиженный слой состоит из частиц

одина­

кового

размера (монодисперсный

сл о й ).

Б олее

ких частиц материала из полидисперсного слоя на­

ступает раньше, чем скорость ожижающего

агента

достигает величины, соответствую щ ей

скорости

псевдоожижения

частицы среднего размера*

При обж иге в

кипящем слое значение

рабочей

аметр полидисперсной см еси, оказы вается

значи­

тельно выше, чем скорость витания наиболее

м ел ­

ких

частиц данной см еси . П оэтом у вынос некоторой

части материала неизбеж ен. Д ля

улавливания

уно­

симого материала приходится ставить

циклоны,

электрофильтры или иные пылеулавливающие

аппа­

раты.

Экспериментальными исследованиями установле­

но,

что при получении керам зитового песка

обжи­

гом

зерен глины разм ером до 5

м м в

кипящем

слое унос

м елких

фракций

м атериала из

слоя

со­

ста в ля ет

2 5 - 3 5 %

общ его

количества

м атериала.

Увеличение уноса при производстве пористых

за­

полнителей

и других строительны х

м атериалов

об ­

ж игом в

кипящем

слое значительно

услож н яет

а п ­

паратурное оформление теплоиспользую щ их и

пыле­

улавливающих устройств печного а гр ега та . В

связи

с этим для

снижения

уноса необходимо

тщ ательно

определять

скорости

газовы х потоков.

Интенсивность выноса частиц из кипящ его

слоя

зависит от

свойств твердого м атериала,

скорости

ожижающего агента, конструктивных разм еров

и

формы аппарата.

При организации того или иного технологическо­

го процесса

очень

важное

значение

им еет

опре­

слоя для каждой фракции материала. П од

диапазо­

ном

псевдоожиженного состояния понимают

интер­

вал

Скоростей ожижающего агента (о т ее

крити­

ческого значения до скорости витания), в

котором

сущ ествует псевдоожиженный слой.

Экспериментально установлено, что для

м елких

ного состояния, а с увеличением разм ера

частиц

диапазон суж ается.

Существую т различные формулы для

р асчета

няется следующая

формула [9 7 ]:

«

е

= _____Л г _______

к е

1 8 *0 ,6 1 ^ Я г

Установлено, что

отношение скорости

витания

к критической скорости псевдоожижения для

м ел ­

ких

частиц состав ляет порядка 7 0 - 8 0 , а

для

круп­

ных

не превышает

8

- 1 0 .

и т.п. пород в кипящем слое

неразрывно

связана с

теп ло -

и м ассообменом. Раздели ть эти два

явле­

ния обмена практически невозможно. Только в

ре­

зульта те

совм естного их изучения можно

выявить,

какое из них превалирует в

технологическом

про­

цессе.

Рассм отрим

этот

вопрос

на примере образования

керамзита

обжигом

гранулы

глинистого

сырца

в

кипящем слое.

На

рис. 1 2

приведена осциллограмма нагревания

и образования

керамзита

из

гранулы

глинистого

сырца

диаметром

1 0 м м

в кипящем слое

[ б ] . Кри­

вая 2

показывает

изменение

температуры

на

по­

верхности

гранулы,

а кривая

1 - внутри ее.

Гори­

зонтальная линия 3 показывает температуру

кипя­

щего слоя, соответствующую

оптимальной

темпе­

ратуре вспучивания материала. Из этого

рисунка

видно,

что

когда

температура поверхности

гранулы

Р и с . 1 2 .

О сциллограм м а

изменения

тем пературы по

времени терм оподготовлен.

ной гранулы и з глинистого

д !

Is

сырца

в печи

кипящего

&

г

слоя

АЛЯ_____ 1

у

1 -

внутри гранулы ; 2 -

I

>

г

на поверхности

гранулы ;

J j

3 — тем пература кипящего

и

1

iV

to 3и

V

слоя

0

10 5

д ! с

и внутреннего

теплообмена сопровождается

вы де­

фазы. Таким образом из этого примера

видно,

что

решающую роль в

поризашш глинистой

м ассы

и г ­

рает теплообмен,

а время протекания

физико­

должительностью

нагревания гранулы до тем пера­

туры вспучивания.

Приведенные данные показывают, что при

тер-»

мообработке со

вспучиванием дисперсного

сы рье­

вого материала

в кипящем сло е м ассообм ен

и м еет

меньшее значение, чем теплообм ен, что

позво­

ляет рассматривать теплообм ен как основной

физи­

женном

слое

являются: 1 ) теплообмен меж ду

час­

тицами обрабатываемого материала и средой;

2 )

эффективная

теплопроводность

псевдоожиженного

слоя; 3 )

теплообмен псевдоожиженного слоя с

по­

верхностями

нагрева.

Суммарная скорость процесса теплообмена в ки­

пящем слое

сла га ется из стадий

диффузии теп ла из

пространства между частицами к внешней

поверх­

ности твердых частиц или обратно

(внешняя

зада­

ча) и диффузии его

в глу б ь зерна,

или из

центра

зерна к поверхности

(внутренняя за д а ч а ).

С ум ­

а экспериментальные данные обобщены в виде

эм­

пирической критериальной связи

Nu

j ^ г ) •

(2 0 )

Таким образом, у всех авторов постановка

за­

дачи и методы обобщения экспериментальных

дан­

ных одинаковы. Однако след ует

отм ети ть, что

ре­

зультаты экспериментальных данных

отдельны х

исследований

плохо

согласую тся меж ду

собой .

Известно,

что

при подаче

горячих

газов

в

большом активном участке h

по высоту.

псевдо­

ожиженного слоя Н . На участке выше

h наступает

тепловое равновесие, т.е, температура га зов

и

частиц выравнивается. С ледовательн о,

тольк о

при

Н ^ h

скорость достижения

заданной

температуры

в слое

будет лимитироваться

кинетическим

факто­

ром -

коэффициентом теплоотдачи. П оэтом у

толь­

ко в этом случае расчет процесса нагревания

(охлаж у

этом у

расчет процесса возможен

на основе

урав­

нения

тепловых и материальных

балансов, так

как

жающего агента

и

твердого материала.

Установлено,

что

подавляющее больш инство ис­

следований по теплообмену проведены

в

условиях

теплового равновесия, а не в области

кинетическо­

го процесса.

ся экспериментальных данных по теплообм ену

в

кипящем слое между

газам и и м атериалом является

традиционный способ

их обработки в виде

эмпи­