ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СЛОЯ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Journal of Advances in CHEMICAL

Engineering Technology Vol.1 (9)2023 "©"[j- TECHNOLOGY

Худойбердиева Н.Ш.

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СЛОЯ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ

Худойбердиева Н.Ш. - PhD., доцент, Навоийский государственный горно-технологический университет,

Аннотация. Приведены результаты экспериментальных исследований по изучению гидродинамика псевдоожиженного слоя. Проблему интенсификации теплообмена в трубах при умеренном росте перепада давления можно решать созданием псевдоожижения твердых частиц в восходящем потоке основного теплоносителя. Интенсивность переноса тепла в псевдоожиженном слое значительно выше, чем в однофазном газовом потоке в пустой трубе или в заполненной неподвижным зернистым материалом.

Ключевые слова: аппарат, псевдоожиженный слой, зернистый материал, гидродинамика, неподвижный слой, скорость, структура, взвешенный слой, гидравлическое сопротивления, поток.

Особенности, присущие зернистому слою, затрудняют непосредственное измерение поля скоростей в нем и единственной легко измеряемой величиной является перепад давления в слое. Данные по гидравлическому сопротивлению слоя зернистого материала позволяют определить скорость потока, при которой слой приходит в псевдоожиженное состояние, или так называемую скорость псевдоожижения. В связи с этим, исследование перепада давления в неподвижном слое зернистого материала имеет важное практическое значение.

Слой незакрепленного твердого зернистого материала при проходе его жидкостью может перейти в подвижное состояние. Подобная гетерогенная система проходит, по крайней мере, три стадии: статическое состояние слоя при фильтрации через него жидкости, псевдоожижение зерен в потоке жидкости и, наконец, вынос зерен с потоком жидкости. При одинаковом размере и форме зерен слоя (монодисперсный слой) иных состояний системы не наблюдается. Неодинаковый размер зерен (полидисперсный слой) является причиной появления переходных областей в движении частиц, в частности переходной области между состоянием фильтрации и псевдоожижения [1]. Изучение гидродинамических особенностей и условий подобия переходной области псевдоожижения показало необходимость экспериментального исследования в ней гидродинамического сопротивления.

Нами были проведены опыты с двенадцатью образцами различных зернистых материалов. С целью увеличения степени неоднородности слоя, характеризующейся отношением п = dmax/dmin, опыты проведены также с бинарными слоями, которые состояли из частиц различного материала и плотности, поскольку таких слоев примыкают к полидисперсным [2,3].

В большинстве исследований, посвященных установлению зависимости между перепадом давления и свойствами слоя и ожижающей среды, опыты проводили с большими отношениями диаметра аппарата к диаметру монодисперсных зерен (D/d> 20). В то же время при проведении экзотермических гетерогенно-каталитических реакций с большими тепловыми эффектами, часто применяются трубчатые контактные аппараты, в которых катализатор загружается в трубы диаметром не более 30 мм. Кроме того, в последнее время зернистый 2 материал начали применять в качестве промежуточного теплоносителя для

Journal of Advances in Engineering Technology Vol.1 (9) 2023

Ш

CHEMICAL TECHNOLOGY

интенсификации теплопереноса и предотвращения отложения накипи в трубчатых теплообменных аппаратах [4,5]. Использование труб малого диаметра и большой длины (высоты) дает возможность приблизиться к изотермическим условиям ведения процесса. Поэтому большой практический интерес представляет исследование гидравлического сопротивления слоя полидисперсных зернистых материалов в трубах малого диаметра в диапазоне отношения диаметра аппарата к диаметру частиц D/d = 2 ... 20.

В первой серии опытов слой гравия различного гранулометрического состава ожижалась водой. Полидисперсная зернистая масса рассеивалась на ситах 1,0-1,7; 1,7-2,3; 2,3-2,8; 2,8-3,3 мм. Полученные смеси с относительно близкими размерами зерен являлись исходными для дальнейших экспериментов.

В качестве определяющего размера принимался эквивалентный диаметр зерна, а не диаметр каналов. Зона переходного режима (переходная область) определялась из графика 1дДр = f(lgw) (рис. 1), на которых наиболее четко выявляются две характерные точки - начало переходного режима и полное псевдоожижение [6,7]. Эквивалентный диаметр зерна dэ, рассчитывался по размерам проходного и непроходного сит и весовому составу зерен исходного класса.

-Q-ft _

u о

ж ° / о о/ и ft 0 -Д-ft- *-0 ft 0—о—Л

v \ 0 2

о/ / t. i t ^ i + '

V3

10

20 30

Скорость жидкости, мм/с

D = 36 мм; 1 - Н0 = 24,6 см; 2 - Н0 = 14,8 см; 3 - Н0 = 7,1 см

0

Рис. 1. Зависимость гидравлического сопротивления слоя гравия со средним диаметром 1,98 мм от скорости воды.

Существенным переходом является замена действительного диаметра зерна d3 эквивалентным диаметром d3. Этот переход служит чисто расчетным приемом и не имеет физических предпосылок. В этом пока выражается неумение ввести правильный определяющий размер для полидисперсного слоя. В принципе переход к расчетному эквивалентному диаметру есть отказ от наиболее существенной ^

Journal of Advances in CHEMICAL

Engineering Technology Vol.1 (9)2023 "^/t/ TECHNOLOGY

геометрической характеристики полидисперсного слоя - отличных друг от друга размеров зерен. Однако в настоящее время нет

других рекомендаций для расчета определяющего зерна. Кроме того, результаты наших опытов показывают соответствие между физическими процессами в слое и средним расчетным диаметром зерна (d^. Видимо,

статистическое распределение, и усреднение физических явлений в процессе позволяют вводить средние расчетные характеристики.

Обработка опытных данных по гидравлическому сопротивлению слоя в логарифмической системе координат позволяла четко выявить особенности поведения полидисперсного слоя при его ожижении жидкостью. Анализ полученных результатов позволяла выявить наиболее характерные особенности полидисперсного слоя и его отличие от монодисперсного слоя:

а) существование переходного режима между областями фильтрации и псевдоожижения (в монодисперсном слое такой области не существует;

б) наличие двух характерных скоростей: wн - начальной скорости переходного режима и wк - критической скорости псевдоожижения.

Из анализа кривых сопротивления монодисперсного и полидисперсного слоев очевидно неподобие законов сопротивления в этих двух случаях.

При фильтрации потока жидкости (газа) через зернистый материал для расчета гидравлического сопротивления слоя может быть использована зависимость для определения потери давления на трение в трубопроводах [8]:

Др = ЛHpWп2/(2dк) (1)

где Л - коэффициент, который лишь формально отвечает коэффициенту трения;

H - высота слоя, м;

р - плотность жидкости, кг/м3;

wп - скорость потока в поровых каналах слоя, м/с;

dп - эквивалентный диаметр порового канала, м.

Коэффициент Л должен отражать не только влияние сопротивления трения, но и дополнительных местных сопротивлений, возникающих при движении жидкости по искривленным каналам в слое и обтекании ею отдельных элементов слоя [8].

Учитывая, что определение диаметра канала для частиц неправильной формы затруднительно, целесообразно перейти от этого размера к эквивалентному диаметру самих частиц, используя соотношение

dп = Фйэ£о/(1-£ю) (2)

где Ф - коэффициент, учитывающий зависимость эквивалентного диаметра частицы d;3 от ее формы;

£0 - порозность неподвижного слоя зернистого материала.

Следует заметить, что замена истинной геометрической характеристики зерен полидисперсного слоя единым фиктивным диаметром является отступлением от понятия полидисперсности.

Обработка результатов экспериментов в общепринятой системе критериев Eu = f ^е, Аг, £0, dj/H) не привела к обобщенной зависимости для закона сопротивления О®

Journal of Advances in Engineering Technology Vol.1 (9) 2023

CHEMICAL TECHNOLOGY

в переходном режиме. Трудности обобщений в переходном режиме объясняются сложностью физических явлений, для которых характерно одновременное существование двух процессов - фильтрации и псевдоожижения. Поэтому обычная система критериев для одного из этих режимов не может привести к обобщению.

[1]. Бахронов Х.Ш., Худойбердиева Н.Ш., Суярова Х.Х.Гидродинамика полидисперсных зернистых материалов. Журнал «Горный вестник Узбекистана». -Навои, 2012. -№ 4. -С. 112-114.

[2]. Бахронов Х.Ш., Худойбердиева Н.Ш., Эрназаров К.А.Структурные характеристики взвешенных слоев полидисперсных зернистых материалов. Журнал «Горный вестник Узбекистана». -Навои, 2016. -№ 1. -С. 95-97.

[3]. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. - Л.: Химия, 1968. - 512 с.

[4]. Бахронов Х.Ш. Худойбердиева Н.Ш. Гидравлическое сопротивление зернистого слоя при восходящем потоке жидкости // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - Москва, 2007. - № 12. - С. 12-13.

[5]. Бахронов Х.Ш. Гидравлическое сопротивление полидиспесрного катионита КУ-2-8 // Узбекский химический журнал. - Ташкент, 2008. - № 1. -С. 39-43.

[6]. Бахронов Х.Ш. Повышение эффективности выпаривания кристаллизующихся растворов с использованием псевдоожиженного слоя: Дис. ... докт. техн. наук. -Ташкент: 2009. - 270 с.

[7]. Бахронов Х.Ш., Худойбердиева Н.Ш. Intensity of Heat Transfer in a tube with a Fluidized layer of a Polydisperse Granular material. International Journal of Scientific & Engineering Research, Volume 8, Issue 1, January-2017, ISSN 2229-55181482-1485 pages.

[8]. Бахронов Х.Ш., Худойбердиева Н.Ш., Юнусова С.Т. Liguidation of solid particlis of polyadispersed grained material. International Journal of integrated education ISNN:2620-3502 (Е)/2615-3785(Р). Vol.3 №10, Oct. 2020, Indonezia.

Использованные литературы:

INJ 10