Anna Sowa III CC DI, L1, 2011/2012			Katedra Inżynierii Chemicznej i Procesowej
HYDRODYNMIKA FLUIDYZACJI GAZOWEJ
Data wykonania ćwiczenia	21.12.2011	Ocena		Data	Podpis
Data oddania sprawozdania	11.01.2012

Fluidyzacja jest procesem tworzenia pseudofazy fluidowej kształtującej warstwę unoszącą strumieniowo ciała stałe - zwykle za pomocą gazu, która znajduje się w ruchu podobnym do wrzenia, np. unoszenie stałych drobin z dna naczynia przez strumień płynu. Proces fluidyzacji powoduje zwiększenie powierzchni styku międzyfazowego i wzmaga kinetykę przemian. Jest to zatem procesem polegający na utrzymaniu złoża rozdrobnionego materiału stałego w stanie intensywnej cyrkulacji wywołanej przepływem przez złoże gazu (fluidyzacja gazowa) lub cieczy (fluidyzacja cieczowa). Cyrkulacja ziaren ma miejsce po przekroczeniu określonej prędkości przepływu tzw. krytycznej prędkości fluidyzacji. Poniżej tej prędkości złoże jest nieruchome, zaś znaczne przekroczenie powoduje przejście w obszar transportu pneumatycznego. W układzie ciecz-ciało stałe zwiększenie prędkości ponad krytyczną powoduje spokojne, stopniowe rozszerzanie się złoża i równomierną cyrkulację ziaren - fluidyzacja jednorodna. Natomiast w układzie gaz-ciało stałe zwiększenie prędkości powoduje pulsacyjny przepływ gazu przez złoże (w postaci pęcherzy) i niejednorodną strukturę złoża - fluidyzacja niejednorodna (pęcherzująca).

Przepływ płynu przez złoże materiału rozdrobnionego wiąże się ze spadkiem ciśnienia płynu wynikającym z oporów przepływu. Podwyższenie prędkości płynu powoduje wzrost oporów i wzrost spadków ciśnienia (linia nr 1). Gdy nadciśnienie płynu pod złożem materiału zrównoważy lub przekroczy ciśnienie statyczne to następuje niewielka ekspansja. Jest to spowodowane rozluźnianiem złoża, a zatem i wzrostem jego objętości. Powiększenie prędkości płynu powoduje przejście i utrzymanie złoża w stanie fluidalnym, w którym spadek ciśnienia nie ulega większym zmianom (linia nr 2). Prędkość przepływu płynu rozgraniczająca obszar złoża fluidalnego od złoża nieruchomego nazywana jest krytyczną prędkością fluidyzacji. Odpowiada punktowi załamania krzywej.

spadek ciśnienia w złożu fluidalnym

Redukcja prędkości osłabia intensywność mieszania i złoże fluidalne przechodzi w złoże nieruchome, a porowatość tego złoża pozostaje na poziomie porowatości krytycznej, jest więc inna niż porowatość złoża wyjściowego. Wskutek tego inna jest też zależność spadku ciśnienia od prędkości przepływu płynu (linia nr 3).

Fluidyzacja jest stosowana np. w kontaktowych procesach suszenia, sublimacji.

Część doświadczalna.

Masa materiału	Frakcje[mm]					Gęstość [kg/m^3]	Średnica zastępcza dz [mm]	Czynnik kształtu φ
1,4 kg	0,2-0,25	0,25-0,3	0,3-0,4	0,4-0,5	0,5-0,6	1960	0,34	0,85
		Udział masowy [%]
		0,65	2,3	30,8	55,9	10,35

• Przeprowadzono pomiary dla złoża monodyspersyjnego, otrzymano następujące wyniki.

Lp.	Wysokość złoża nieruchomego [mm]	Objętościowe natężenie przepływu powietrza [m^3/h]	Spadek ciśnienia na złożu [mmCCl4]	Nadciśnienie przed rotametrem [mmCCl4]
1.	88	1,95	50	52
2.	88	2,3	60	62
3.	88,5	2,6	71	72
4.	88,5	3,0	82	82
5.	88,5	3,2	90	91
6.	112	6,8	93	95
7..	145	9,8	95	96
8.	160	13	99	99
9.	150	11,2	95	96
10.	117,5	5,8	91	92
11.	100	4,4	88	89
12.	89	3,2	84	86
13.	88	2,4	66	67
14.	88	1,7	44	45

ρ_pow = 0,693 [kg/m³]

η_pow = 1,8198 10^-5 [Pa s]

• Doświadczalną wartość W_kr wyznacza się z wykresu zależności log Δp = f(logW). Punkt przecięcia wyznacza wartość W_kr, dlatego liczymy Δp, ΔW.

Do obliczenia Δp wykorzystano wzór: Δp=Δh _CCl4(ρ_CCl4-ρ)g

- gęstość CCl₄ ρ_CCl4 =1586,25 m³/kg

- gęstość powietrza ρ = 0,693 m³/kg

	Δp [Pa]	log Δp
1.	777,5	2,890692
2.	933,0	2,969873
3.	1104,0	3,04298
4.	1275,1	3,105536
5.	1399,5	3,145964
6.	1446,1	3,160205
7.	1477,2	3,169445
8.	1539,4	3,187357
9.	1477,2	3,169445
10.	1415,0	3,150763
11.	1368,4	3,136205
12.	1306,2	3,116001
13.	1026,3	3,011266
14.	684,2	2,835175

• Prędkość jest prędkością liniową na pusty przekrój aparatu :

	w [m/h]	log w
1.	220,38007	2,343172
2.	259,93547	2,414866
3.	293,84009	2,468111
4.	339,04626	2,530259
5.	361,64935	2,558288
6.	768,50486	2,885647
7.	1107,5511	3,044364
8.	1469,2005	3,167081
9.	1265,7727	3,102356
10.	655,48944	2,816566
11.	497,26785	2,69659
12.	361,64935	2,558288
13.	271,23701	2,433349
14.	192,12622	2,283587

• Odczytana z wykresu wartość prędkości krytycznej fluidyzacji wynosi:

logW_kr= 2,6 W_kr= 398,107 m/h W_kr = 0,1106 m/s

• W obliczeniach prędkości krytycznej posłużymy się następującymi korelacjami:

• Leva:
  

• Erguna:
  , gdzie:

d_z - średnica zastępcza złoża [m],

g - przyspieszenie ziemskie [m/s²],

ε_kr - porowatość złoża w warunkach krytycznych,

ρ_s - gęstość ciała stałego(materiału złoża) [kg/m³],

ρ - gęstość płynu [kg/m³],

φ - czynnik kształtu,

η - współczynnik lepkości dynamicznej płynu [kg/ms].

• Sosny i Kondukowa:
  , gdzie:

- bezwymiarowa prędkość,

- bezwymiarowa średnica,

υ - lepkość kinetyczna płynu [m²/s],

n = 1,3 i c = 0,025 dla D_M ≤ 3,

n = 0,765 i c = 0,045 dla D_M >3.

• Do obliczeń potrzebna będzie znajomość następujących wielkości:

-
,

- ρ_{kr usp} oblicza się dla wartości wysokości krytycznej 0,103 (przy osłabieniu mieszania złoża przechodzi w stan nieruchomy ale o krytycznej porowatości- wysokość ta wynosiła 0,0885; 0,1175 wzięto wartość średnią)

- ρ_{kr usp}=

ρ_{kr usp =}

ε _kr = 1-

• Według korelacji poszczególnych korelacji prędkość krytyczna wynosi:

• korelacja Leva:

W_kr = 0,104 m/s

• korelacji Erguna

W_kr = 0,01 m/s

• korelacji Sosny i Kondukowa

W_kr = 2,367 m/s

ZESTAWIENIE WYNIKÓW

	doświadczalna	k. Leva	k. Erguna	k. Sosny i Kondukowa
Wkr [m/s]	2,6	0,104	0,01	2,367

Wnioski:

Otrzymana doświadczalnie wartość prędkości krytycznej różni się znacznie od tych, z poszczególnych korelacji. Różnica ta jest największa w stosunku do korelacji Erguna. Pryzcyzną tego mógł być niedokładny odczyt wartości spadku ciśnienia z manometru, gdyż podczas pomiaru ciecz manometryczna była bardzo niestabilna i trudno było wyznaczyć jednoznaczną wartość.

Błędy, które powstały podczas odczytu spadku ciśnienia widoczne są szczególnie na wykresie obrazującym spadek ciśnienia na złożu fluidalnym - linia ta jest bardzo pofalowana.

Prędkość krytyczna wyznaczona przy pomocy graficznej prawdopodobnie obarczona jest bardzo dużym błędem, gdyż uzyskany wykres nie jest dokładnym odwzorowaniem wykresów, jakie możemy spotkać w literaturze.

Różnice w wartościach wyliczonych z korelacji mogą być również wynikiem tego, że korelacja Leva i Erguna zakładają iż hydraulikę całego złoża określa przepływ płynu w kanałach międzyziarnowych zaś korelacja Sosny i Kondukowa mówi, że o hydraulice złoża decyduje opływ cząstek złoża przez płyn.

Na podstawie powyższych danych, wyznaczona doświadczalnie przez nas wartość najbardziej zbliżona jest do wartości uzyskanej z korelacji Sosny i Kondukowa, zatem warunki przeprowadzonego doświadczenia prawdopodobnie odpowiadają tym, w jakich została wyznaczona powyższa zależność.

3

---