LABORATORIUM

PODSTAWOWYCH OPERACJI

MECHANICZNYCH

Temat:

Fluidyzacja

ZAKŁAD APARATURY PRZEMYSŁOWEJ

POLITECHNIKA WARSZAWSKA

WYDZIAŁ BMiP

2

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze zjawiskiem fluidyzacji.

2. Podstawy teoretyczne.

Fluidyzacją nazywamy specjalną metodę zetknięcia się fazy stałej z fazą płynną. W

zasadzie metoda ta polega na zawieszeniu ciała stałego w płynącym do góry strumieniu

płynu. Fluidyzacja jest ważną operacją jednostkową, stosowaną w celu osiągnięcia pełnego,

jednolitego kontaktu między płynem i cząstkami stałymi. W miarę wzrostu prędkości płynu

poruszającego się ku górze przez warstwę cząstek, osiąga się punkt (minimalną prędkość

fluidyzacji), w którym siła skierowana ku górze staje się wystarczająca dla unoszenia cząstek

i ekspansji złoża. Poszczególne cząstki nie stykają się już więcej ze sobą w sposób ciągły, ale

mogą mniej lub bardziej swobodnie poruszać się w złożu. Jeśli prędkość płynu wzrasta,

porowatość złoża rośnie, dążąc do jedności. W końcu odległości między cząstkami stają się

na tyle duże, że zachowują się one jak cząstki indywidualne. Jeśli siła skierowana ku górze,

działająca na cząstkę, staje się znacznie większa od jej ciężaru, cząstka jest całkowicie

„wymiatana” ze złoża. Tak więc, przy minimalnej prędkości fluidyzacyjnej uzyskuje się

przepływ przez warstwę wypełnienia (faza „gęsta”), a przy wysokich predkościach –

przepływ dokoła pojedyńczej cząstki (faza „rzadka”).

2.1. Minimalna prędkość fluidyzacji.

Początek fluidyzacji występuje wtedy, gdy ciężar złoża F

1

zrówna się z siłą parcia

płynu F

2

. Siły te wyrażamy równaniami:

)

1

(

)

(

1

ε

ρ

ρ

−

⋅

⋅

⋅

⋅

−

=

h

A

g

F

S

(1)

ρ

ε

ε

⋅

⋅

−

⋅

⋅

⋅

=

2

3

2

1

op

Z

w

d

h

A

f

F

(2)

gdzie: A- Powierzchnia przekroju poprzecznego aparatu,

ρ

o

– gęstość cząsteczek,

ρ

– gęstość płynu

w

op

– minimalna prędkość przepływu płynu odniesiona do pustego przekroju aparatu,

f – współczynnik oporu przepływu,

ε

– porowatość złoża nieruchomego.

3

Współczynnik oporu przepływu f obliczamy z równania Erguna, obejmującego cały zakres

liczb Reynoldsa, tj. zarówno przepływ laminarny, burzliwy jak i przepływ przejściowy:

75

,

1

Re

150

+

=

P

f

(3)

gdzie:

η

ε

ρ

⋅

−

⋅

⋅

=

)

1

(

Re

O

Z

P

w

d

(4)

jest liczbą Reynoldsa dla przepływu jednofazowego przez złoże.

Przyrównując do siebie równania (1) i (2) oraz wstawiając współczynnik oporu f, otrzymamy

równanie kwadratowe względem prędkości w

o

. Z równania tego można obliczyć prędkość

płynu w

op

, niezbędną do zapoczątkowania fluidyzacji w złożu o średnicy zastępczej cząstek d

z

i porowatości

ε

:

ρ

ρ

ρ

ε

ε

ρ

ε

η

−

=

⋅

⋅

⋅

+

⋅

⋅

⋅

−

⋅

⋅

⋅

s

z

op

z

op

g

d

w

d

g

w

3

2

3

2

75

,

1

)

1

(

150

(5)

Równanie (5) jest ważne w zakresie liczb Reynoldsa w granicach 0,1 < Re

p

< 10

4

oraz

0,4 < Re

p

< 0,65. przepływ ma charakter laminarny dla Re

p

< 10, burzliwy dla Re

p

> 10

3

oraz

charakter przejściowy dla pośredniej wartości Re

p

.

2.2. Ekspansja złoża oraz maksymalna prędkość fluidyzacji.

Gdy prędkość płynu jest większa od w

op

, wówczas następuje rozluźnienie kontaktu

między poszczególnymi cząstkami. Każda cząstka zachowuj się niezależnie, wznoszą się i

opadając. Następuje wzrost porowatości złoża, zwany ekspansją, od początkowej wartości

ε

fp

dla luźno usypanych cząstek, do wartości

ε

f

>

ε

fp

, związanej z prędkością płynu.

Równocześnie rośnie wysokość złoża od wartości h w stanie spoczynku do wartości h

f

w

stanie fluidalnym. W miarę wzrostu prędkości płynu burzliwość staje się coraz silniejsza i

stopniowo powstają strumienie cząstek, krążące wzdłuż całej wysokości złoża.

Zależność porowatości złoża w stanie fluidalnym

ε

f

i wysokości h

f

od prędkości płynu

w

o

przedstawia rys.1.

4

Rys.1. Porowatość w ekspandowanym złożu fluidalnym.

Aż do początkowej prędkości fluidyzacji w

op

porowatość

ε

i wysokość złoża h mają wartości

stałe (linia AB). Dla w

of

> w

op

porowatość złoża

ε

f

rośnie, zbliżając się do punktu

ε

f

= 1.

Złoże fluidalne jest stopniowo usuwane z aparatu, a w punkcie

ε

f

= 1 następuje wywianie z

aparatu. Zjawisko to występuje, gdy prędkość płynu osiągnie prędkość swobodnego opadania

cząstki ciała stałego w płynie. Prędkość tę określamy jako maksymalną prędkość fluidyzacji

w

om

i obliczamy za pomocą wzoru wyprowadzonego na podstawie praw rządzących ruchem

ciała stałego w polu sił:

5

,

0

)

(

3

4













⋅

⋅

⋅

=

d

g

w

S

om

ρ

ρ

ρ

λ

(6)

gdzie:

λ

- współczynnik oporu czołowego przy opadaniu cząstek kulistych obliczony dla

właściwego obszaru wartości liczby Reynoldsa (Stokesa, Newtona lub Allena).

lg

ε

lg h

C

h

f

h

fp

1

ε

f

ε

fp

w

op

w

of

w

om

lg w

o

A B

5

1.3. Spadek ciśnienia w złożu.

Równie charakterystycznie jak porowatość złoża kształtuje się spadek ciśnienia w

złożu fluidalnym, pokazany w zależności od prędkości umownej płynu w

o

na rys.2.

Rys.2. Spadek ciśnienia w złożu nieruchomym i fluidalnym

Gdy prędkości płynu są mniejsze od minimalnej prędkości fluidyzacji w

op

, wówczas

zależność spadku ciśnienia od prędkości w

o

przedstawia linia AB, aż do punktu B’ będąca

linią prostą. Złoże jest nieruchome. Powyżej punktu B’ zależność przestaje być liniową.

Punkt B odpowiada minimalnej prędkości w

op

fluidyzacji. Podczas dalszego wzrostu

prędkości następuje wskutek wzrostu porowatości

ε

f

lekkie obniżenie

∆

p

f

, przy czym

począwszy od punktu C’ spadek ciśnienia jest praktycznie stały w całym obszarze fluidyzacji,

t.j. aż do punktu C. Dzieje się tak na skutek przeciwstawnego działania równocześnie dwóch

czynników, a to wzrostu wirowości złoża związanego z powiększeniem prędkości płynu oraz

wzrostu porowatości złoża

ε

f

zmniejszającego jego opór.

lg

∆

p

C

w

op

lg w

o

A

B

•

•

•

•

•

B’

C’

w

om

6

2.4. Rodzaje fluidyzacji.

Jeżeli ruch cząstek w płynnej fazie układu fluidalnego jest chaotyczny, tak że

wszystkie cząstki rozłożone są równomiernie, to taki proces nazywamy fluidyzacją

jednorodną.

Zdarza się jednak, że cząstki skupiają się w agregaty, a gaz w postaci dużych pęcherzy

porusza się ku górze między zagęszczonymi partiami złoża. Na powierzchni pęcherz gazowy

pęka i pojedyncze cząstki są wyrzucane do góry. Taki proces nosi nazwę fluidyzacji

niejednorodnej. Liczbą kryterialną określającą występowanie obu powyższych rodzajów

fluidyzacji jest liczba Froude'a:

ρ

ρ

ρ

−

⋅

⋅

=

S

z

o

d

g

w

Fr

2

(7)

Dla liczby Fr < 1, wówczas występuje fluidyzacja jednorodna.

Dla liczby Fr > 1 fluidyzacja jest niejednorodna.

3. Stanowisko pomiarowe.

Rys.3. Schemat stanowiska do badań procesu fluidyzacji.

1 – aparat fluidalny; 2 – dozownik; 3 – materiału;
4 – manometr do pomiaru spadku na złożu; 5 – wentylator; 6 – zasuwa;
7 – manometr do pomiaru prędkości gazu rurką Pitota.

7

4. Przebieg pomiarów i opracowanie wyników

Do przestrzeni aparatu (1) nad sitem wsypać niewielką ilość materiału i zmierzyć

wysokość h. Następnie przy zamkniętej zasuwie (6) uruchomić wentylator (5). Po włączeniu

wentylatora uchylić zasuwę i odczytać wartości odpowiednich ciśnień na manometrach (4) i

(7) oraz wysokość złoża h

f

. Dla różnych wartości wydatku gazu odczytywać ciśnienia na

manometrach oraz wysokość złoża h

f

i wpisywać do odpowiednich rubryk w tabeli. Na

podstawie wykonanych pomiarów wykonać wykresy: lg(

∆

p) = f(lg(w

o

)) (gdzie:

∆

p - spadek

ciśnienia na złożu, w

o

- prędkość przepływu gazu liczona na pusty przekrój aparatu);

lg(h

f

) = f(lg(w

o

)). Określić minimalną i maksymalną prędkość fluidyzacji. Czynności

pomiarowe powtórzyć dla różnych ilości materiału w złożu, aż do uzyskania fluidyzacji

niejednorodnej.

Tabela pomiarów i obliczeni.

Prędkość gazu

Wysokość złoża

Różnica

ciśnień w

rurce

Pitota

w

rurze

w

aparacie

Spadek

ciśnienia w

złożu

nieruchomego

w stanie

fluidalnym

Liczba

Froude’a

∆

p

r

w w

o

∆

p

h h

f

Fr

mm H

2

O m/s m/s mm

H

2

O m m

W sprawozdaniu należy umieścić:

- wzory używane do obliczeń,

- tabelę pomiarów i obliczeń,

- wykresy lg(

∆

p) = f (lg(w

o

) i lg(h

f

) = f (lg(w

o

)),

- wartości minimalnych i maksymalnych prędkości fluidyzacji,

- rachunek błędów,

- wnioski.

8

5. Literatura.

1. Z.Ziółkowski i inni, Przenoszenie pędu, ciepła i mammy, PWN, W-wa 1982

2. C.O.Sennet, J.E.Myers, Przenoszenie pędu, ciepła i masy, WNT, W-wa 1967

3. J. Ci Borowski , Fluidyzacja, PWT. W-wa 1957.