LABORATORIUM PODSTAW SPALANIA
Fluidyzacja
Wprowadzenie
W czasie przepływu płynu (gaz, ciecz) stanowiącego tzw. fazę ciągłą przez warstwę usypanego
materiału stałego (złoże) tworzącą tzw. fazę rozproszoną można w zależności od prędkości przepływu
płynu przez złoże rozróżnić następujące etapy [1]:
" warstwa nieruchoma - występuje przy niewielkich prędkościach, warstwa materiału sypkiego
pozostaje nieruchoma względem siebie i ścian aparatu, ze wzrostem prędkości przepływu rośnie
spadek ciśnienia na złożu
" warstwa fluidalna (wrząca, pseudopłynna) - przy wzroście prędkości przepływu do pewnej
granicznej wartości zwanej dolną krytyczną prędkością fluidyzacji (wk1) złoże ulega niewielkiej
ekspansji, a przy dalszym wzroście prędkości ładunek przechodzi w tzw. stan fluidalny,
charakteryzujący się tym, że ziarna zmieniają położenie względem siebie i względem ścian aparatu,
spadek ciśnienia na złożu ze wzrostem prędkości przepływu płynu jest prawie stały
" transport pneumatyczny - gdy prędkość płynu wzrośnie do tzw. górnej krytycznej prędkości
fluidyzacji (wk2) cząstki tworzące złoże zostają porywane z aparatu.
Fluidyzacja jest to więc taki proces kontaktowania się fazy stałej z płynem, w którym warstwa
rozdrobnionego materiału stałego utrzymywana jest w charakteryzującym się intensywną cyrkulacją
stanie pseudopłynnym wywołanym przepływem przez złoże gazu (fluidyzacja gazowa) lub cieczy
(fluidyzacja cieczowa). Możliwa jest również fluidyzacja trójfazowa, w której uczestniczyć będą fazy
stała, ciekła i gazowa. Warunkiem początku fluidyzacji warstwy jest osiągnięcie dolnej krytycznej
prędkości fluidyzacji, w której nadciśnienie płynu przekracza wartość ciśnienia statycznego złoża. W
zakresie fluidyzacji niejednorodnej charakteryzującej się nierównomiernością rozmieszczenia fazy stałej
w złożu, dużymi fluktuacjami ciśnień, czy zmianami porowatości, można wyróżnić m.in. fluidyzację
pęcherzykową (pęcherzową), tłokową (korkową, złoże pulsujące), kanalikową, czy fontannową [2].
Przykłady złóż niejednorodnych przedstawia rysunek 1.
a b c d
Rys.1. Przykłady niejednorodnych warstw fluidalnych; a, fluidyzacja pęcherzykowa; b, fluidyzacja tłokowa; c,
fluidyzacja kanalikowa; d, fluidyzacja fontannowa
Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika ÅšlÄ…ska, Gliwice
1
LABORATORIUM PODSTAW SPALANIA
Parametry decydujące o ruchu warstwy (także o wartościach wk1 i wk2) to: średnia prędkość
przepływu gazu, średnica ziaren cząstek materiału złoża (zwykle jest to średnica zastępcza podawana
jako średnica Sautera), gęstość materiału ziaren, własności fizyczne gazu (lepkość kinematyczna, gęstość,
temperatura, ciśnienie), porowatość złoża (ułamek objętości swobodnej nie zajęty przez ciało stałe) [3].
Dolną i górną krytyczną prędkość fluidyzacji można wyliczyć z wzorów empirycznych, ale wobec
szeregu założeń upraszczających wskazane jest, aby wyznaczać je eksperymentalnie. Przy wyznaczaniu
wk1 wykorzystuje się charakterystyczną cechę hydrodynamiki warstwy fluidalnej, a mianowicie stałość
spadku ciśnienia na warstwie. Zmiany spadku ciśnienia "p na warstwie wynikającego z oporów
przepływu ze wzrostem prędkości przepływu płynu przez warstwę przedstawia rysunek 2. Na wykresie
można zaobserwować, że zwiększanie prędkości przepływu przez złoże nieruchome powoduje wzrost
oporów i co za tym idzie wzrost spadku ciśnienia. W chwili, gdy nadciśnienie przewyższa ciśnienie
statyczne warstwy (w = wk1) następuje niewielka ekspansja warstwy, a podczas dalszego wzrostu
prędkości złoże przechodzi w stan fluidalny. W obszarze przejścia ze stanu warstwy nieruchomej do
złoża fluidalnego występuje histereza spowodowana segregacją i reorientacją ziaren. Podczas
zmniejszania natężenia przepływu płynu nie obserwuje się już charakterystycznego garbu (linia
przerywana). Dolną krytyczną prędkość przepływu płynu wk1 odczytuje się na przecięciu linii 1 i 2.
"
p
2
1
w
wk2
wk1
Rys.2. Zmiany spadku ciśnienia ze zmianą prędkości czynnika fluidyzacyjnego; 1, 2, linie wyznaczające dolną
krytyczną prędkość fluidyzacji
Celem ćwiczenia jest określenie dolnej krytycznej prędkości fluidyzacji na podstawie obserwacji
zmian spadku ciśnienia na złożu ze zmianą prędkości przepływu powietrza, a także zapoznanie się z
procesem fluidyzacji.
Opis stanowiska
Schemat stanowiska do obserwacji procesu fluidyzacji przedstawia rysunek 3. Zasadniczym
elementem stanowiska jest aparat fluidyzacyjny o przekroju kołowym wraz z dnem sitowym wykonany w
celu ułatwienia obserwacji zjawiska z przezroczystego materiału. Pod dno sitowe doprowadzane jest
Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika ÅšlÄ…ska, Gliwice
2
LABORATORIUM PODSTAW SPALANIA
powietrze, a jego strumień można regulować za pomocą zaworu. Strumień i nadciśnienie powietrza
mierzone są odpowiednio rotametrem i manometrem. Zwiększenie prędkości przepływu czynnika
fluidyzującego (powietrza) przez złoże ponad dolną krytyczną prędkość fluidyzacji powoduje przejście
złoża w stan fluidalny. Opory przepływu powodują spadek ciśnienia przepływającego przez złoże
powietrza, który mierzony jest za pomocą manometru typu U-rurka.
5
2
"h
4
1
Sprężone
powietrze
3
Rys.3. Schemat stanowiska do pomiaru dolnej krytycznej prędkości fluidyzacji. 1, zawór regulacyjny; 2, rotametr;
3, manometr; 4, komora wypełniona złożem; 5, manometr różnicowy
Sposób realizacji ćwiczenia
Sprawdz
ogólny stan aparatury a następnie:
1) napełnij aparat fluidyzacyjny materiałem ziarnistym o jednorodnym składzie frakcyjnym do ustalonej
przez prowadzącego wysokości,
2) w celu orientacyjnego określenia dolnej krytycznej prędkości fluidyzacji stopniowo zwiększając
natężenie przepływu powietrza obserwuj zachowanie się złoża. W momencie przejścia złoża w stan
fluidalny zanotuj wskazania rotametru. Przerwij przepływ powietrza zamykając zawór regulujący,
3) otwórz ponownie zawór powietrza i zwiększając kolejno natężenie przepływu powietrza przez złoże o
4 działki dokonuj odczytu wskazań manometrów. W zakresie od 10 działek przed i po
zaobserwowanej w punkcie 2 orientacyjnej wartości dolnej krytycznej prędkości fluidyzacji należy
"zagęścić" pomiary dokonując odczytów wskazań manometrów co 1 działkę. Następnych odczytów
dokonuj co 3 działki,
4) jeżeli wzrost natężenia przepływu przez złoże nie będzie powodował już zmian w wartości spadku
ciśnienia na złożu, co jest cechą charakterystyczną dla stanu fluidalnego, dokonaj odczytów dla tych
samych wskazań rotametru, ale przy zmniejszaniu prędkości przepływu powietrza,
5) czynności 1-4 wykonaj dla innych wysokości złoża określonych przez prowadzącego,
6) dokonaj odczytu temperatury otoczenia i ciśnienia barometrycznego.
Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika ÅšlÄ…ska, Gliwice
3
LABORATORIUM PODSTAW SPALANIA
Opracowanie wyników
Odczyty wskazań przyrządów pomiarowych notuj w tabeli pomiarowej. Przykład takiej tabeli
&
przedstawia tablica 1. Poszczególne symbole oznaczają: Vzm - objętościowe natężenie przepływu
powietrza odczytane z rotametru, p - nadciśnienie powietrza przed rotametrem, "h - różnica wysokości
&
słupa cieczy odczytana na U-rurce, kz - poprawka dla wskazań rotametru, Vrz - rzeczywista wartość
objętościowego natężenia przepływu po uwzględnieniu poprawki kz, w - prędkość przepływu powietrza
przez aparat (jest to tzw. prędkość na pusty aparat). W oparciu o wyniki pomiarów sporządz
wykres
zależności spadku ciśnienia od prędkości przepływu czynnika fluidyzującego dla różnych wysokości
złoża. Analizując uzyskany wykres wyznacz dolną krytyczną prędkość fluidyzacji dla danej wysokości
złoża i opisz zmiany spadku ciśnienia wraz ze zmianą prędkości przepływu gazu przez aparat. Wyjaśnij
dlaczego na wykresach pojawia się charakterystyczny garb i skąd bierze się różnica w wartościach
spadku ciśnienia na złożu dla wzrastających i malejących prędkości przepływu powietrza.
Podczas dokonywania obliczeń pamiętaj o uwzględnieniu poprawki dla wskazań rotametru
korygującej różnice parametrów przepływającego gazu w momencie pomiaru i cechowania rotametru.
Przy przeliczaniu wskazań U-rurki na spadek ciśnienia przyjmij gęstość cieczy manometrycznej
Ácm = 1000 kg/m3. PrÄ™dkość przepÅ‚ywu gazu oblicz w oparciu o objÄ™toÅ›ciowe natężenie przepÅ‚ywu i pole
przekroju poprzecznego aparatu fluidyzacyjnego.
Tab. 1. Wyniki pomiarów dolnej krytycznej prędkości fluidyzacji
Materiał złoża:
Wysokość złoża h1=
Średnica wewnętrzna aparatu d=
GÄ™stość cieczy manometrycznej Ácm=
Temperatura otoczenia tot=
Ciśnienie barometryczne pot=
& &
V , p, "h, V , w,
zm rz
Lp kz
kG/cm3 mm m/s
dm3/h dm3/h
1
2
Literatura
[1] Koch R., Noworyta A.: Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej, WNT, Warszawa, 1995
[2] Radovanović M.: Fluidized Bed Combustion, Hemisphere Publishing Corporation, 1985
[3] Szarawara J.: Podstawy technologii chemicznej. Część III: Projektowanie reaktorów chemicznych i
modelowanie procesów chemicznych, Skrypt Politechniki Śląskiej Nr 610, Gliwice, 1975
Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika ÅšlÄ…ska, Gliwice
4