CC BY
35
yflK 66
BEREICHE DER STABILEN FLUIDISATION VERSCHIEDENER STRAHLSCHICHTBAUARTEN Elka Piskova1, Dimitar Mitev2, Lothar Morl1, Gerhard Kruger1
Institut fur Apparate- und Umwelttechnik, Otto-von-Guericke-Universitat, Magdeburg, Deutschland (1);
Assen Zlatarov Universitat Burgas, Bulgarien (2)
Vorgelegt vom Mitglied des Redaktionskollegiums Professor E. Tsotsas
Kennworte: Strahlschicht; Hydrodynamik; Strahlschichtregimes, minimale Fluidisationsgeschwindigkeit.
Zusammenfassung: Experimentelle Untersuchungen der Pneumatik
verschiedener Strahlschichtbauarten wurden durchgefuhrt. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Untersuchung und die Berechnung der pneumatischen Arbeitsregimes verschiedener Strahlschichtbauarten und der Vergleich mit dem Bereich der stabilen Fluidisation einer Wirbelschicht. Mit Hilfe der Strahlschichttechnik lassen sich gegenuber anderen Verfahren des Fluid-Feststoff-Kontakts bessere Warme- und Stoffubergangsbedingungen realisieren. So wird die Strahlschichttechnik dann angewendet, wenn in der Wirbelschicht kein homogenes und stabiles Regime zu realisieren ist, d. h. bei Teilchen mit einem Langen-Durchmesser-Verhaltnis wesentlich grofier als eins und bei polydispersen Systemen und Substanzen, die zur Kanalbildung neigen.
In dem vorliegenden Beitrag wurden die Arbeitsregimes verschiedener Strahlschichtbauarten durch AP-w- und ReEin ASF-G-Ar-Diagramme dargestellt und mit denen fur die Wirbelschicht verglichen. Es wurden Gleichungen fur die Berechnung der Reynoldszahl zu Beginn der stabilen Fluidisation und fur die Berechnung des Simplex G fur prismatische Apparate mit zwei Gaseintritten und mit regelbarer Anstromeinrichtung formuliert.
Formelzeichen
a - Abstand zwischen beiden Fluideintritten, m;
A - Flache, m2;
Ar - Archimedes-Zahl; dp - Partikeldurchmesser, m;
F - Kraft, N;
G - Simplex (nach Gleichung 16), %;
H0 - Schichthohe, m; m - Massenstrom, kg/h N - Zahl der Partikel;
AP - Schichtdruckverlust, Pa;
Re - Reynolds-Zahl;
Ro - Simplex von Romankov;
V - Fluidvolumenstrom, m3/h; w - Fluidgeschwindigkeit, m/s;
X0 - dimensionslose Charakteristik des
Einengungszustandes nach Mitev.
Griechische Buchstaben
a - Konuswinkel, °;
vF - kinematische Viskositat des Fluids (Luft),
m2/s;
Pf - Fluiddichte (Luft), kg/m3;
Pp - Rohdichte des Feststoffs, kg/m3;
Z - Widerstandsbeiwert.
A - Austragspunkt;
ASF - Anfang stabiler Fluidisation; DN - dynamischer Druck;
E - Einengungsverhaltnisse;
EA - am Eintritt A;
EB - am Eintritt B;
Ein - Eintritt;
Indices
Ein, Q - Verhaltnis nach Gl. З;
G - Gravitation;
KB - Kolbenbereich;
P - Partikel;
Pl - P2 - Druck vor und nach dem ^rper; PB - Pulsationsbereich;
Sch - Schicht;
WP - Wirbelpunkt.
1 PROBLEMSTELLUNG
Die Strahlschichttechnik ist ein Verfahren, welches energiesparend arbeitet und in chemischen, metallurgischen und ahnlichen Industriezwiegen fur verschiedene Operationen angewendet wird. Mit Hilfe der Strahlschichttechnik lassen sich gegenuber anderen Verfahren des Fluid-Feststoff-Kontakts bessere Warme- und Stoffubergangsbedingungen realisieren. So wird die Strahlschichttechnik dann angewendet, wenn in der Wirbelschicht kein homogenes und stabiles Regime zu realisieren ist, d. h. bei Teilchen mit einem Langen-Durchmesser-Verhaltnis wesentlich grafter als eins und bei polydispersen Systemen und Substanzen, die zur Kanalbildung neigen.
Grundsatzlich lassen sich die bis heute bekannten Strahlschichtapparate in folgende Bauformen unterscheiden: konische Apparate (s. Abb. la) [l, 2], konisch-zylindrische Apparate (s. Abb. lb) [3, 4], spaltformige Apparate mit einem Fluideintritt (s. Abb. lc) [З, б], spaMGrmige Apparate, welche in symmetrische (s. Abb. ld) [З] und asymmetrische (s. Abb.le) [З] Bauarten unterteilt werden, spaMQrmige Strahlschichtapparate mit zwei parallelen Gaseintritten (s. Abb. lf) [7, В] und Strahlschichtapparate mit regelbarer Anstrameinrichtung (s. Abb. lg) [9, lQ].
Es ist aus der Literatur und Praxis bekannt, dass die Auswahl der optimalen Apparatekonstruktion und der Prozessbedingungen in einer Strahlschicht sehr von den pneumatischen Arbeitsregimes abhangig ist. Ein pneumatisches Regime ist ein solcher Schichtzustand (stabil oder instabil), der von der Verteilung der beiden Phasen (kontinuierliche - Fluid und disperse - Feststoff) bestimmt wird. Diese Verteilung hangt von der Geschwindigkeit der kontinuierlichen Phase, von der Apparatekonstruktion, vom Eintrittsquerschnitt und von den physikalisch-chemischen Eigenschaften der Partikel ab. Bei der Fluidisation der dispersen Phase wurde Filtration, Blasenbildung, Kanalbildung und gleichmaftige Verteilung des Fluids im Apparat beobachtet. Diese Verhaltensweisen bestimmen die Arbeitsregimes in einer Strahlschicht. Es sind in der heutigen Literatur einige Klassifikationen der Arbeitregimes bekannt [4 - б, ll - l4]. Die bekannten experimentellen Ergebnisse gelten nur fur die konkreten Strahlschichtapparatebauarten. Deshalb ist es notwenig, die Strahlschichtapparate zu klassifizieren und deren pneumatische Arbeitregimes nach einem Algorithmus zu bestimmen und zu berechnen.
Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Untersuchung und die Berechnung der pneumatischen Arbeitsregimes verschiedener Strahlschichtbauarten und der Vergleich mit dem Bereich der stabilen Fluidisation einer Wirbelschicht.
e) f) g)
Abb. 1 Strahlschichtapparate unterschiedlicher Bauformen:
а - konischer Strahlschichtapparat [5, 3]; b - konisch-zylindrischer Strahlschichtapparat [6]; с - spaltformiger Strahlschichtapparat mit einem Gaseintritt [8]; d - spaltformiger Strahlschichtapparat mit zwei Gaseintritten [9, 10]; е - spaltformiger Apparat symmetrischer Bauart [7]; f - spaltformiger Apparat asymmetrischer Bauart [7]; g - Strahlschichtapparat mit regelbarer Anstromeinrichtung [11]
2 ARBEITSREGIMES DER STRAHLSCHICHT
2.1 Darstellung der Regimes bei konstanter Schichtmasse, bei konstanter Archimedes-Zahl und bei konstantem freien Querschnitt des Anstrombodens
In Abb. 2 wurden die Arbeitsregimes der Wirbelschicht in einer Darstellung des Schichtdruckverlustes uber der relativen Gasgeschwindigkeit bei konstanter Schichtmasse, bei konstanter Dispersitat des Materials und bei konstantem freien Querschnitt des Anstrombodens dargestellt. Mit der Veranderung der relativen Gasgeschwindigkeit w/wA von 0 bis 1 in Strahlschichtapparaten kann eine Veranderung des Schichtdruckverlustes und des Schuttgutverhaltens vom Festbett bis zum Austrag der Partikel beobachtet werden. Bei kleineren Geschwindigkeiten vergroftert sich der
wA Wa Wa Wa
Abb. 2 Arbeitsregimes der Wirbelschicht:
I - Festbett; II - Ubergangsbereich; III - Anfang der stabilen Fluidisation (ASF);
IV - Pulsationsbereich (PB); V - Kolbenbereich (KB)
Schichtdruckverlust fast linear. Die Gesetzmaftigkeit fur die Bereiche in der ruhenden Schicht werden durch die Ergun-Gleichung berechnet [15]. Bei weiterer Erhohung der relativen Geschwindigkeit nimmt der Druckverlust zunachst quadratisch bis zum maximalen Schichtdruckverlust zu und fallt dann auf einen nahezu konstant bleibenden Wert. Bei weiterer Steigerung der Relativgeschwindigkeit erfolgt eine Stabilisierung der Schicht. Eine gute Durchmischung der Partikel liegt bei Erreichen des Anfangs stabiler Fluidisation vor (Bereich III). Das Gebiet III endet beim Pulsationsbereich (PB) und es schlieftt sich die Pulsationszone IV an. Es sind folgende Bereiche zu beobachten: I -unbewegliche Schicht; II - Ubergangszone; in Abhangigkeit von der Polydispersitat der Schicht, dem freien Querschnitt des Anstrombodens und seiner Konstruktion werden Schichtvermischung, Kanalbildung und Blasenbildung beobachtet; III - Bereich der stabilen Fluidisation der Schicht; er ist durch eine gleichmaftige Teilchenbewegung, ohne Pulsation und Kolbenbildung charakterisiert; IV - Pulsationsbereich; er ist durch einzelne Austragungen von Feststoff in die Beruhigungskammer und ein ungleichmaftiges Wirbeln charakterisiert; V - Kolbenbereich; dieser Bereich entsteht dann, wenn die Gasgeschwindigkeit am Anstromboden niedriger als die Gasgeschwindigkeit zwischen den Teilchen ist.
Bei unterschiedlichen Archimedeszahlen (siehe Abb. 3) verschieben sich die Arbeitsregimes I bis V in ihrer Grofte. Bei den kleineren Archimedeszahlen ist der Bereich der stabilen Fluidisation III sehr schmal und man beobachtet eine breite Ubergangszone, in der die Schicht fluidisiert, aber mit Kanalen und Blasenbildung. Bei Vergrofterung der Archimedeszahlen wird der Bereich II enger und im besonders turbulenten Gebiet ist die Zone II sehr schmal. Bei Archimedeszahlen grofter als 106 beginnt die stabile Fluidisation der Schicht schon kurz nach dem Ubergang vom Festbett zur Wirbelschicht. In dieser Ubergangszone II kann in Abhangigkeit von der Archimedeszahl auch Kolben-, Blasen- und Kanalbildung festgestellt werden.
a)
b)
Abb. 3 Arbeitsregimes der Wirbelschicht bei unterschiedlichen Ar-Zahlen:
a - Ar = 10°, Z >1; b - Ar = 5-103, Z= 1; c - Ar > 106, Z < 1;
ASF - Anfang stabiler Fluidisation; PB - Pulsationsbereich; KB - Kolbenbereich
A
2.2 Darstellung der Arbeitsbereiche bei konstanter Schichtmasse aber unterschiedlichen Archimedeszahlen und unterschiedlichen freien Querschnitten des Anstrombodens
In Abb. 4 ist nach Mitev [5, 6, 16] das Gleichgewicht der Krafte zu sehen, die auf ein Teilchen (Abb. 4a) und auf eine Menge von Teilchen (Abb. 4b) wirken. Ausgehend von der Massenbilanz und dem Grundgesetz der Mechanik
Z Fi,z = 0 (1)
i=1
wurden die Arbeitregimes in Strahlschichten bestimmt. Die Massenbilanz im Gleichgewichtszustand ist
1П = pF V = pF wSch (AP + AE ) = pFwEAE = pFwEin AEin = const (2)
wobei wSch die Gasgeschwindigkeit im Querschnitt der ruhenden Schicht ist, wE ist die Geschwindigkeit im freien Querschnitt AE = ASch - AP, und wEin ist die Gasgeschwindigkeit am Gaseintritt (siehe Abb. 4). Wird Gleichung (2) durch die Massenbilanz inp =pFAPwA =pV eines beliebigen Teilchens dividiert, so fuhrt das zur folgenden charakteristischen Gleichung
m V wSch ( Ap + Ae
lnch = — = — = ■
m p
Vp wA
(3)
Abb. 4 Gleichgewicht der Krafte, wirkend
a - auf ein Teilchen; b - auf eine Menge von Teilchen im begrenzten Raum
af
Wird Ro =-------- in der Gleichung (З) eingesetzt, kann der Massenstrom so
AP
ausgedruckt werden:
mch = (І + Ro)= —Ro = w'Fln AFln,0 = xo = const, (4)
mp Vp w A wA wA
wobei m ch die charakteristische Fluidmasse ist, die fur das Gleichgewicht des Partikels notwendig ist und
A = AFin
AFin,0 = —----. (З)
AP
Ro wurde von Mitev „Simplex von Romankov“ genannt und wird als relative geometrische Charakterisierungsgrafie der Schicht definiert [З].
Beim Gleichgewicht von N Teilchen im begrenzten Raum ist die Kraft des dynamischen Druckes des Fluids am Gaseintritt:
pF w2-
N (F0 - Fa ) = Ap^L-^L. (6)
Aus (6) ergibt sich folgende Gleichung fur die Bestimmung der
Gasgeschwindigkeit am Gaseintritt:
w
Fin
2N (0 - Fa_), (7)
pF AP
wobei FG - FAr durch die Archimedeszahl ausgedruckt ist:
FG - FAr= npFw2Ar. (В)
6
Nach Einsetzen in die Gleichung (6) und einigen Umwandlungen resultiert daraus:
wFln = 4 Ar
wA \ З ReA Nach Gleichung (4) ist
wFln
N ^ VZN . (9)
wA wA
wobei nach Mitev [З] ist
AFln,0 =---------Ro = X0 , (І0)
wA \i + Ro ^ Ro
und nach dem Einsetzen in (І0) ergibt sich daraus:
wF -I Ro І І +-L| (ІІ)
"'Fl"-AE„,0 = Ro,/-R°-[і +S- j = Xo, (І2)
wA \i + Ro ^ Ro
wobei laut Gleichung (4) mch = X0 ist. Aufterdem ist X0 auch der relative Querschnitt des Apparates (in dem die Schicht fluidisiert), falls die Gasgeschwindigkeit gleich der Austragsgeschwindigkeit ist:
wEin AEin,0 = wAX0 .
Nach Gleichung (9) ist die Gasgeschwindigkeit am Apparateeintritt
wEin = w^VCN
(14)
und der relative Eintrittsquerschnitt
(15)
Das geometrische Verhaltnis des Gaseintrittsquerschnitts und des Querschnitts der ruhenden Schicht wurde als Simplex G bezeichnet. G andert sich mit dem Eintrittsquerschnitt und mit der Schichtmasse
d. h. AEin = ASch G wobei AScll = AE + AP und nach Division durch APergibt sich
Lost man diese Gleichung mit der Beziehung (15), so fuhrt dies zu einem Ausdruck fur den relativen Eintrittsquerschnitt:
Zur Bestimmung der Arbeitsbereiche und Existenzgrenzen wurde die charakteristische Gleichung (4), die sich auf Grund einer Materialbilanz ergibt, sowie die Gleichung (17) benutzt.
Die Relativgeschwindigkeiten wurden von Mitev [5] in verschiedenen Querschnitten der Schicht als kritische Geschwindigkeit wwp, als minimale Geschwindigkeit beim Anfang stabiler Fluidisation der Schicht wASF und als Gasgeschwindigkeit am Anstromboden wEm definiert (s. Abb. 5 und 6). Alle oben genannten Geschwindigkeiten werden im Verhaltnis zur Austragsgeschwindigkeit wA betrachtet.
Die relative Wirbelpunktgeschwindigkeit wwp/wA ist die, bei der die erste Bewegung der Schicht beobachtet wurde. Bei dieser Geschwindigkeit erreicht der Druckverlust seinen maximalen Wert APmax. Die Wirbelpunktgeschwindigkeit ist eine Funktion der Archimedeszahl (s. Kurve 1). Kurve 1 ist die Grenze zwischen dem Festbett und der Schicht, die sich zu bewegen beginnt. Die relative kritische Geschwindigkeit und Rewp bei wwp wurde nach den Gleichungen
berechnet [17].
Beim Erreichen der relativen minimalen Arbeitsgeschwindigkeit wurde stabile Fluidisation der Schicht beobachtet. Der Bereich II, der von der Linie 1 wwp/wA und der Linie 2 wASF/wA begrenzt wird, ist der Ubergangsbereich. Aus der Abb. 5 ist zu sehen, dass der Bereich II im turbulenten Gebiet schmal ist. In manchen Fallen wurde dieser
G = ^“100 ASch
(16)
AEin,0 = G (1 + Ro) .
(17)
AEin,0 Xq
(18)
wwp = 18 + 0,61^
wa 1400 + 5,22л/Хг
(19)
Re
Ar
wp 1400 + 5,2^VAr
(20)
ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ. 2004. Том 10. № 2. Transactions TSTU. 503
£
I
Qt9999
M99I
0,9956
0,9715
Qjfi034
0,436
W/WA
Abb. 5 Relative Fluidgeschwindigkeit in Abhangigkeit von der Archimedes-Zahl
1 - Wwj/wa; 2 - wSch ASF/wA; 5 - wSch/wA bei Ro = 0,25; 4 - wSch/wA bei Ro = 0,5; 5 - wSch/wA bei Ro = 1; 6 - wE/wA (nach Gl. 11)
ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ. 2004. Том 10. № 2. Transactions TSTU.
Abb. 6 Dreidimensionale Darstellung des AP-w/wA-Ar-Diagramms:
1 - Wwp/wA; 2 - WSch5ASF/wA
Bereich nicht gar beobachtet, weil der Abstand zwischen wwp und wAsf klein ist. Infolgedessen wurde die Annahme getroffen, dass die Wirbelpunktgeschwindigkeit eigentlich die minimale Geschwindigkeit zu Beginn der stabilen Fluidisation ist. Fur das laminare Gebiet ist der Abstand zwischen wwp und wASF relativ groB. Die minimale Arbeitsgeschwindigkeit wurde nach Mitev [5] folgendermaBen berechnet: fur Ar > 5-103 oder Z < 1
wEin,ASF _ Xo (21)
wA 1 + Ro
und fur Ar < 5-103 oder Z > 1
WEinASF Xo (22)
Wa 1 + X,
0
wobei X0 = Ro I Ro [1 + —
0 ^1 + Ro ^ Ro,
Der Bodendruckverlust und die Existenzbereiche der Schicht werden von der Fluid-geschwindigkeit am Anstromboden wEin/wA beeinflusst. Nach Gleichung (14) lasst sich wEin berechnen, wobei
„ 4 Ar
Z = 3R7 (23)
H0
N -—°. (24)
d
Die relative Geschwindigkeit des Fluides im Querschnitt der ruhenden Schicht, ausgedruckt durch die Fluideintrittsgeschwindigkeit wEin, ist
AEin,0
wsdl = w'Ei" (1+^ (25)
bzw. geschrieben als Re-Kriterium
л л AEin,0
ReSch - ReEin ( + ro) (26)
Resch - ReEinG. (27)
Wahrend die minimale Relativgasgeschwindigkeit im Querschnitt der ruhenden Schicht einen wesentlichen Einfluss auf die Bestimmung der Gasmenge hat, die fur das gleichmaBige Wirbeln des Materials notig ist, erweist sich die Eintrittsgasgeschwindigkeit am Eintrittsboden als eine der BestimmungsgroBen fur die Bildung der Arbeitsbereiche der Schicht.
Abbildung 7 zeigt das ReEin,ASF - G - Ar - Diagramm (s. Abb. 7a) und das
Resch,ASF - G - Diagramm (s. Abb. 7). Das Diagramm stellt die pneumatischen
Regimes der Wirbelschicht (s. Abb. 7, Kurven a und b), des prismatischen (s. Abb. 7, Kurve e und f) und des konischen Apparates (s. Abb. 7, Kurven c und d) dar [5]. Dieses Diagramm fur verschiedene Bauformen von Fluidisationsapparaten erlaubt die Beschreibung des pneumatischen Zustandes der Feststoffteilchen, die die gleiche
G [%]
a)
G Г%]
b)
Abb. 7 Zusammenhang
a - ReEin,ASF-G-Ar; b - ReSch-G fur Wirbelschicht (Kurven a und b); prismatische (Kurven e und f) und konische Apparate (Kurven c und d) nach Mitev [5]
Archimedeszahl haben, aber sich in verschiedenen Apparatekonstruktionen befinden. ReEinASF ist die Reynoldszahl am Gaseintritt zu Beginn der stabilen Fluidisation und
wurde fur alle experimentellen Kurven nach der Gleichung
wFdp
ReEin,ASF --------- (28)
VF
berechnet.
Hierin sind wF die Eintrittsgasgeschwindigkeit, dp der Partikeldurchmesser und vF die kinematische Viskositat des Gases.
Es lassen sich folgende Bereiche unterscheiden: die Kurven a, c und e sind die Grenzen zwischen der Kanalbildung und der stabilen Arbeit der Wirbelschicht, des prismatischen Apparates und des konischen Apparates; der Bereich zwischen den Kurven a und b ist der Bereich der stabilen Arbeit der Wirbelschicht. Fur die prismatischen Apparate liegt dieses Gebiet zwischen den Kurven e und f, und fur die konischen Apparate zwischen c und d; hinter den Kurven b, d und f ist das Pulsationsgebiet.
3 ERGEBNISSE
Abb. 8 zeigt den Vergleich zwischen den theoretisch berechneten Grenzen der stabilen Arbeit der Wirbelschicht (Linien a und b) und den experimentell bestimmten Grenzen der stabilen Arbeit fur Strahlschichtapparate unterschiedlicher Bauarten. Die Linien a, c, e, g und i zeigen den Anfang der stabilen Fluidisation (ASF). Diese Linien verbinden die Punkte fur ASF bei verschiedenen Archimedeszahlen. Sie k6nnen auf theoretischem oder experimentellem Wege ermittelt werden. Die Koordinaten des Punktes AFS, die auf den Linien a, c, e, g und i liegen, wurden folgendermaften bestimmt:
fur die Wirbelschicht durch die Gleichungen (Kurve a) [5]
G
ReEin,ASF - X0 ReA ■—~ (29)
1 + Ro
G -■ X0 1
(30)
1 + Ro 7ZN !
fur prismatische Apparate mit einem Gaseintritt (Kurve e) [4]
ReEin,ASF - 12,2ReA G 0,8 (31)
G - 3,9 •10-3Ar0,443 +1,1 (32)
mit folgendem Gultigkeitsbereich: dp von 0,36 mm bis 9 mm; pp von 1200 kg/m3 bis 2700 kg/m3; Ar von 2,2-103 bis 6,6-107; H0 von 105 mm bis 390 mm; a von 10° bis 40 °; pF = 1,2 kg/m3; vF = 15,7-10-6 m2/s; AEin bis 2-10-4 m2 bis 20-10-4 m2;
fur konische Apparate (Kurve c) [4]
ReEin,ASF - 12,2ReA G-0’8 (33)
G - 1,09 •10-3Ar0,507 + 4,1; (34)
mit dem Gultigkeitsbereich: dp von 0,36 mm bis 9 mm; pp von 1200 kg/m3 bis 2700 kg/m3; Ar von 2,2-103 bis 6,6-107; H0 von 105 mm bis 390 mm; a von 10 ° bis
40 °; pF = 1,2 kg/m3; vF = 15,7-10-6 m2/s; dEin von 40 mm bis 120 mm;
fur prismatische Apparate mit zwei parallelen Gaseintritten (Kurve g) [8]
ReEin,ASF - 42,3ReA G-1,979 (35)
G -6-10-8 Ar +1,8; (36)
mit folgendem Gultigkeitsbereich: dp von 0,47 mm bis 10 mm; pp von 794 kg/m3 bis 2469 kg/m3; Ar von 8,5-103 bis 2,6-107; H0 von 10 mm bis 180 mm; а = 25 °; pF = = 1,2 kg/m3; vF = 15,7-10-6 m2/s; AEin bis 2-10-4 m2 bis 1810-4 m2;
Чй*’
—t
—t
Wirbelfichichtiipparate konische prismatische Apparate prismatisclie Apparate Appamt mit regelbarer
Kurven a und Ъ Apparate mit cinem Oascintritt mit zwci Gastintrittcn AnstrOmeinrichtung
- Kurven e und d Kurven e und f Kurven g und h Kurven і und к
Si
%
A
u
oh
&
G [%]
a)
b)
Abb. 8 Vergleich zwischen den Grenzen der stabilen Fluidisation fur Wirbelschichtapparate und unterschiedliche Bauformen von Strahlschichtapparaten in den Koordinaten:
a - ReASF-G-Ar; b - ReSch,ASF-G
fur den Strahlschichtapparat mit regelbarer Anstromeinrichtung (Kurve i) [9, 10]
ReEin,ASF = 290,65ReA G-2,9803 (37)
G = 9 -10-8 Ar + 2,3; (38)
mit folgendem Gultigkeitsbereich: dp von 0,47 mm bis 6,64 mm; pp von 1257 kg/m3 bis 2469 kg/m3; Ar von 8,5-103 bis 12,2-106; H0 von 10 mm bis 180 mm; a = 56 °; pF = 1,2 kg/m3; vF = 15,7-10-6 m2/s; AEin bis 1,2-Ш"4 m2 bis 9,7-Ш-4 m2;
Die Kurven a, c, e, g und i (s. Abb. 8b) wurden fur jeden Apparatetyp nach den Gleichungen (26) und (27) berechnet.
Die in der Abb. 8 dargestellten Arbeitsbereiche der Wirbelschicht und der Strahlschicht ermoglichen den Ergebnisvergleich der selben Vorgange, die in unterschiedlichen Apparatekonstruktionen ablaufen und unterstutzen auf diese Weise die Auswahl des optimalen Apparates. Die Arbeitsbereiche der Wirbelschicht und der Strahlschicht uberdecken sich teilweise. Die Existenzgrenzen der Arbeitsbereiche hangen von der Apparatekonstruktion und der Schichthohe ab.
In Abb. 9 werden die Kurven, die den Anfang der stabilen Fluidisation fur die Wirbelschicht (Kurve 2) kennzeichnen, mit denen fur unterschiedliche Konstruktionen von Strahlschichtapparaten (Kurven 3, 4, 5, 6) verglichen. Es ist zu sehen, dass im turbulenten Bereich bei Ar > 103 die Kurve fur konische Apparate uber den Kurven 2, 4, 5 und 6 liegt. Das bedeutet, dass bei gleichen Archimedeszahlen die Geschwindigkeit wEin,ASF fur konische Apparate grofter als fur die anderen Apparatekonstruktionen ist. In konischen Apparaten wird mehr Energie fur eine stabile Fluidisation gebraucht als bei den anderen Apparatekonstruktionen.
10'2 10 1 102 104 106 10® 101® 1012
At H
Abb. 9 Relative Fluidgeschwindigkeiten unterschiedlicher Apparatekonstruktionen:
1 - wwp/wA fur Wirbelschicht; 2 - wSch,ASF/wA fur Wirbelschicht; 3 - wSchASF/wA fur konische Apparate; 4 - wSchASF/wA fur prismatische Apparate; 5 - wSch,ASF/wA fur prismatische Apparate mit regelbarer Anstromeinrichtung; 6 - wSchASF/wA fur prismatische Apparate mit zwei parallelen Gaseingangen; I - Festbett; II - Ubergangszone; III - Bereich der stabilen Fluidisation
4 ZUSAMMENFASSUNG
Strahlschichtapparate zur intensiven Kontaktierung von Fluid-Feststoff-Systemen befinden sich bereits in einigen Bereichen der Technik im Einsatz. Fur die L6su^ verschiedener technischer Probleme wurde eine Reihe konstruktiver Varianten entwickelt.
Die Prozessbedingungen in einer Strahlschicht hangen sehr von den pneumatischen Arbeitsregimes ab. Die Ermittlung dieser Regimes zeigt die Mбglichkeit fur die Realisierung gleicher Prozesse in verschiedenen Apparatekonstruktionen fur gegebene pneumatische Warme- und Stoffubergangsprozesse.
In dem vorliegenden Beitrag wurden die Arbeitsregimes verschiedener Strahlschichtbauarten durch ДP-w-, ReEin,ASF-G-Ar- und w/wA-Ar-Diagramme dargestellt und mit denen fur die Wirbelschicht verglichen. Die Arbeitregimes der Wirbelschicht und der Strahlschicht uberdecken sich teilweise. Bei Archimedeszahlen kleiner als Ar < 104 wurde eine breite Ubergangszone beobachtet, in der die Schicht instabil fluidisiert. Bei Archimedeszahlen grafter als Ar > 106 wurde die Ubergangszone nicht beobachtet und die stabile Fluidisation beginnt schon kurz nach dem Durchbrechen des Festbetts.
Es wurden Gleichungen fur die Berechnung der Reynoldszahl zu Beginn der stabilen Fluidisation und fur die Berechnung des Simplex G fur prismatische Apparate mit zwei Gaseintritten und mit regelbarer Anstromeinrichtung formuliert.
Literatur
[1] Olazar, M.; San Jose, M. J.; Aguayo, A. T.; Arandes, J. M.; Bilbao, J. Design Factors of Conical Spouted Beds and Jet Spouted Beds, Ind. Eng. Chem. Res. 32 (1993) S. 1245-1250.
[2] Markowski, A.; Kaminski, W. Hydrodynamic Characteristics of Jet-Spouted Beds, Can. J. Chem. Eng. 61 (19S3) S. 377-3S1.
[3] Mathur, K. B.; Epstein, N. Spouted Beds, Academic Press, New York (1974) S. 2S4.
[4] Romankov, P. G.; Raschkovskaja, N. B. Trocknung in Wirbelschichten 3nd ed., Chimia, Leningrad (Russland) (197S) S. 27S.
[5] Mitev, D. T. Theoretische und experimentelle Untersuchung der Hydrodynamik, des Warme- und Stoffuberganges in Strahlschichtapparaten (russ.) Habilitation, LTI Leningrad 1979.
[6] Mitev, D. T.; Rusev, D. R. Bestimmung der minimalen Arbeitsgeschwin-digkeit in der Wirbelschicht bei Hochdruck (russ.), Zh. Prikl. Khim. 10 (19S7) S. 23612366.
[7] Iordanova, E. N.; Mitev, D. T.; Mбrl, L. Hydrodynamische Kennwerte eines Strahlschichtapparates mit zwei Gaseingangen, GVC-Jahrestagung, Karlsruhe 2000.
[S] Piskova, E. Untersuchung der Fluiddynamik eines Strahlschichtapparates mit zwei parallelen Gaseintritten und seine Anwendung auf die Beschichtung feindisperser Feststoffe, Dissertation, Otto-von-Guericke-Universitat Magdeburg 2002.
[9] Mбrl, L.; Kruger, G.; Heinrich, S.; Ihlow, M.; Iordanova, E. Steuerbare Gasanstrбmeinrichtung fur Strahlschichtapparate, Deutsches Patent 10004939 (2001).
[10] Mбrl, L.; Kruger, G.; Kojouharov, K. Entwicklung neuer Anstrбmbбden fur Wirbelschichten - Beispiel: Strahlschichtapparat, Internationales Innovationsseminar, Magdeburg Oktober (2000).
[11] Olazar, M.; San Jose, M. J.; Aguayo, A. T.; Arandes, J. M.; Bilbao, J. Stable Operation Conditions for Gas-Solid Contact Regimes in Conical Spouted Beds, Ind. Eng. Chem. Res. 31 (1992) S. 17S4-1792.
[12] Catipovic, N. M.; Jovanovic, G. N.; Fitzgerad, T. J. Regimes of Fluidisation for Large Particles, AIChE J. 24 (197S) S. 543-547.
[13] Grace, J. R. Contacting Models and Behavior Classification of Gas-Solid and Other Two-Phase Suspensions, Can. J. Chem. Eng. 64 (19S6) S. 353-363.
[14] Kunii, D.; Levenspiel, O. Fluidisation Engineering 2nd ed., Butterworth -Heinemann, Stoneham (USA) (1991) S. 491.
[15] Ergun, S. Fluid Flow through Packed Columns, Chem. Ing. Prog. 4S (1952) S. S9-94.
[16] Mitev, D. T. Bestimmung der Arbeits- und Optimalgeschwindigkeit des Fluides in Wirbelschicht- und Strahlschichtapparaten (bulg.), GWHTI - Burgas 19 (19S4) 1, S. 9-1S.
[17] Goroschko, W. D.; Rosenbaum, R. B.; Todes, O. M. Neft i Gas 1 (195S) S. 125.
[1S] Geldart, D. Gas Fluidization Technology, Wiley, New York (19S6).
Область устойчивого псевдоожижения в различных конструкциях аппаратов фонтанирующего слоя
Е. Пискова1, Д. Митев1, Л. Мёрль2, Г. Крюгер1
Университет Отто-фон-Герике,
Институт процессов и аппаратов и экологии,
Магдебург, Германия (1);
Институт Ассен Златаров, Бургас, Болгария (2)
Ключевые слова и фразы: гидродинамика; минимальная скорость псевдоожижения; режим фонтанирования; фонтанирующий слой.
Аннотация: Проведены экспериментальные исследования аэродинамики различных видов фонтанирующих слоев. Целью работы было исследование и расчет аэродинамических режимов работы различных видов фонтанирующих слоев и сравнение с областью устойчивого псевдоожижения вихревого слоя. С помощью техники фонтанирующего слоя могут быть реализованы лучшие условия тепло- и массопередачи по сравнению с другими способами контакта между жидкостью и твердым материалом. Техника фонтанирующих слоев используется тогда, когда в вихревом слое не может быть реализован гомогенный и устойчивый режим, т.е. при соотношении длины и диаметра частиц значительно больше единицы и в случае, когда полидисперсные системы и материалы склонны к образованию каналов.
В статье представлены режимы работы различных видов фонтанирующих слоев с помощью диаграмм ДР-м и Яе-в-Аг, которые сравниваются с диаграммами для вихревого слоя. Сформулированы уравнения для расчета числа Рейнольда, соответствующего началу устойчивого псевдоожижения, и для расчета симлекса в для призматического аппарата с двумя входами для газа и с регулируемым устройством ввода.
The Area of Stable Fluidization in Various Designs of Apparatuses
of Spouted Bed
E. Piskova1, D. Mitev1, L. Merl2, G. Kruger1
The Otto-von-Guericke-University' Magdeburg, Germany (1);
Assen Zlatarov Institute, Burgas, Bulgaria (2)
Key words and phrases: spouted bed; hydrodynamic; fluid flow regimes; minimum spouting velocity.
Abstract: Experimental studies of the pneumatics in different spouted bed apparatuses have been studied. The operation spouting regimes have been determined in different spouted bed constructions and have been compared with the conventional fluidized bed. The spouted bed techniques are used when in the fluidised bed a homogeneous and stable flow regime is not observed as, for example, in the cases of non-spherical particles and in polydisperse and feindisperse systems. Consequently, original hydrodynamics correlations to calculate the Reynolds number, corresponding to the stable fluidization, and for the calculation of the simplex G have been proposed. The pneumatic regimes of different constructions spouted beds are demonstrated through AP-w- and Re-G-Ar-diagramms.
Domaines de la pseudo-liquidation dans les differentes constructions des appareils des couches d’eruption
Resume: Sont executees les etudes experimentales de la pneumatique de differents types des couches d’eruption. Au centre de cet ouvrage se trouve l’etude et le calcul du regime pneumatique du fonctionnement de differents types des couches d’eruption et la comparaison avec le domaine de la pseudo-liquidation stable de la couche de tourbillons. A l’aide de la technique d’etude des couches d’eruption on pourrait realiser les conditions plus ou moins meilleurs du transfert de masse et de chaleur par comparaison avec d’autres moyens de contact entre le liquide et le materiel solide. La technique d’etude des couches d’eruption est employee lorsque dans la couche de tourbillons on ne peut pas realiser le regime stable homogene, c’est a dire lorsque le rapport de la longueur et du diametre des particules est beaucoup plus qu’une unite et lorsque les systemes de polydispersion et les substances peuvent former un canal.
Dans le present rapport sont presentes les regimes du fonctionnement de differents types des couches d’eruption a l’aide de diagrammes AP-w- et Re-G-Ar qui sont aussi compares avec les diagrammes pour une couche de tourbillons. On a formule les equations pour le calcul du nombre de Reynolds pour le commencement de pseudoliquidation stable et le calcul du G pour un appareil prismatique a deux entrees.
