Визуализация процесса формирования фонтанирующего слоя в щелевой установке

Аннотация: В статье представлено описание экспериментальной установки, использованной для визуализации характера формирования кипящего слоя при боковом подводе псевдоожижающего агента. Описаны основные результаты наблюдений за движением отдельных частиц. Показаны особенности поведения слоя при использовании тангенциальной подачи газа. Обоснованы основные упрощения математической модели формирования фонтанирующего слоя в аппарате с направляющими.

Лабораторные установки кипящего слоя толщиной в одно зерно (щелевые установки) находят широкое применение в лабораторных и экспериментальных исследованиях процессов связанных с формированием кипящего слоя [1, c. 120]. Преимуществом данного рода аппаратов является возможность визуального наблюдения за характером кипения, что позволяет производить анализ движения отдельных частиц и анализ формирования агломератов и неоднородностей слоя [2, c. 122].

Исходя из полученных данных о движении частиц возможно получение кинетических зависимостей наблюдаемых явлений. Непосредственно в экспериментальной установке имеется возможность формировать произвольно форму аппарата, устанавливать заданный характер ввода сыпучего продукта в слой, изменять характер места ввода псевдоожижающего агента, варьировать тип газораспределительной решетки.

Для анализа возможностей интенсификации процесса сушки жидких дисперсных продуктов в аппаратах с кипящим слоем нами была разработана схема аппарата фонтанирующего слоя с боковым тангенциальным вводом газа, а также с определенными направляющими элементами внутри сушильного аппарата (рис. 1).

Рис. 1. Схема щелевой установки фонтанирующего слоя с боковым тангенциальным вводом газа: 1 – корпус, 2 – модельные частицы, 3 – ограничитель, 4 – направляющая, 5 – основной поток газа, 6 – боковой подвод газа, 7 – газораспределительная решетка.

Основным исследуемым вопросом было получение численных характеристик движения отдельных частиц материала с определением скорости движения твердой фазы в потоке псевдоожижающего агента. Анализировалось движение отдельно выбранной частицы маркера в фонтане, формирующимся внутри аппарата в заданном режиме.

Анализ видеосъемки поведения зернистого материала с маркерной частицей позволяет сделать вывод о том, что большая часть зернистого материала увлекается псевдоожижающим агентом и попадает на направляющий элемент, затем движется вдоль элемента и отбрасывается потоком к стенке аппарата.

Частица, отброшенная к стенке аппарата, опускается вдоль вертикальной стенки и далее может быть захвачена другими частицами и заново отброшена на направляющий элемент, либо может продвигаться вдоль стенки аппарата к газораспределительной решетке, где заново направляется в основной факел фонтана. Характер движения частиц в районе направляющей показан на рис. 2.

Рис. 2. Характер движения частиц в районе направляющей: 1 – направляющая, 2 – стенка аппарата; а – направляющая установлена под наклоном, б – вертикальная направляющая у стенки аппарата, в – вертикальная направляющая установлена по оси аппарата.

Анализ поведения отдельной частицы в этом случае осложняется многочисленными столкновениями контрольной частицы с другими частицами слоя. При этом скорость частицы изменяется от нуля до некоторой скорости близкой к скорости псевдоожижающего агента [3, c. 13].

Как правило, эта скорость наблюдается в средней части факела. Установлено что практически все частицы, попадающие на установленный внутри аппарата направляющий элемент, движутся снизу вверх. При этом скорость движения частицы с разных сторон направляющего элемента различается в зависимости от количества соседних частиц. Как правило, со стороны основного фонтана скорость частиц выше, чем скорость частиц со стороны стенки аппарата.

Для математического описания характера движения частиц внутри фонтанирующего слоя в этом случае можно предположить упрощение экспериментальной модели (для дальнейшего построения математической модели) и рассмотреть движение отдельной частицы без учета столкновения с другими частицами зернистого слоя [4, c. 73]. Однако такое предположение даст некоторую погрешность в оценке полученных кинетических зависимостей.

Общий анализ движения частиц в предложенной экспериментальной установке дает возможность выявить влияние конструктивных и технологических параметров аппарата на кинетические характеристики процесса фонтанирования, что позволяет определить, например, размер серапарационной зоны аппаратов с фонтанирующим слоем.

 

Список литературы

1. Pakhomov A. N. Formation and behaviour of fluidized bed of inert particles / Pakhomov A. N., Volostnykh S. G., Eltsov A. G., Shuvaev L. S. // European Applied Sciences: challenges and solutions. 2nd International Scientific Conference. – 2015. – P. 119–120.
2. Pakhomov A. N. The influence of the shape of the dryer to the nature of binary fluidized bed of inert / Pakhomov A. N., Banin R. Y., Chernikh E. A., Loviagina E. Y. // Applied and Fundamental Studies Proceedings of the 8th International Academic Conference. Publishing House Science and Innovation Center. – 2015. – P. 121–123.
3. Пахомов А. Н. Исследование характера кипящего слоя в сушилке с инертными телами / Пахомов А. Н., Скрипникова С. Г., Сироткин А. О., Загребнев Р. С. // Инженерный вестник Дона. – 2016. – Т. 40. – № 1 (40). – С. 13.
4. Пахомов А. Н. Некоторые особенности моделирования сушилки с кипящим слоем инертных тел / Пахомов А. Н., Васенина С. В., Бирюкова И. А., Комбарова Е. Ю., Позднышева И. Г. // Инженерный вестник Дона. – 2016. – Т. 43. – № 4 (43). – С. 72.

Материал поступил в редакцию 18.05.2017
© Пахомов А. Н., Комбарова Е. Ю., Позднышева И. Г., 2017