Fluidizacija i transport - FSB Online · pneumatski transport, odnosno odnošenje čestica iz...

FluidizacijaFluidizacija i transport i transport ččestica fluidimaestica fluidima

Doc.dr.sc. Saša Mudrinić

Zavod za termodinamiku, toplinsku i procesnu tehniku

Katedra za toplinsku i procesnu tehniku

Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje V 2

Brzina odnošenja česticaOdnošenje čestica iz sloja započinje onda kada je

brzina fluidizatora wkf veća od brzine lebdjenja čestica wfp.

U sloju čestica različitih veličina, brzina wkf je različita za pojedine čestice.

Brzina odnošenja najmanje čestice jednaka je ili čak manja od wmf najveće čestice.

Prvo se odnose najmanje čestice dok se najveće tek počinju fluidizirati ili još miruju.

Prikazan je postupak za sloj jednakih čestica


Brzina lebdjenja čestica wfp može se izvesti iz zakona o slobodnom padu.

Kad su čestice uronjene u mirnu tekućinu one se počinju nejednoliko gibati pod utjecajem sile teže.

U momentu kad se djelovanje te sile izjednači sa silom otpora, čestice se počinju gibati jednoliko.


Za kuglaste čestice sila otpora Fo može se izračunati pomoću jednadžbe:

gdje je CD faktor otpora trenja čestica koji se utvrđuje iskustveno u ovisnosti o Reynoldsovoj značajci Re.

Df2fp

2po 8/ CwdF


105

104

103

102

101

100

10-1

10-2

10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105 106

CD

Re

Dijagramski prikaz ovisnosti faktora otpora trenja CD o Reynoldsovoj značajci za pojedinačno nastrujanu kuglu


a) Stokesovo područje, Re 1.

Strujanje tekućine oko čestice je laminarno. Faktor otpora trenja može se dobro aproksimirati jednadžbom:

b) prijelazno područje, 1 < Re < 103.

za 500 < Re < 1000

ReC /24D

6,0D /5,18 ReC


c) Newtonovo područje, 103 < Re < 3 105

Strujanje tekućine oko čestica je turbulentno s vrtlozima.

CD = 0,44

d) Kritično područje, Re 3 105.

Strujanje tekućine oko čestica je turbulentno s izrazitim vrtlozima. Dolazi i do kidanja laminarnog graničnog sloja na površini čestica. Faktor otpora trenja CD ima vrijednost od 0,4 do 0,09.


e) Nadkritično područje, Re > 3 105.

Dolazi do formiranja turbulentnog graničnog sloja oko površina čestica, a strujanje tekućine je izrazito vrtložno.

4,0/4/24 5,0D ReReC


Jedinstvena opća jednadžba, npr. Heider i Levenspiel

za Re < 2,6 105

ReReReC /95,68801/4251,01806,01/24 6459,0D


Za nekuglaste čestice postoje različite empirijske jednadžbe za izračunavanje faktora otpora trenja i sile otpora, ali je za njihovo korištenje potrebno poznavati Wadellov faktor sfericiteta s.

Prema Wollheimu, sila otpora:

Reynoldsova značajka Re se tada računa pomoću ekvivalentnog promjera čestice:

xV = dek .

Faktor trenja CD množi se s korekcijskim faktorom potpora oblika čestice.

pDf2fp

2eko 8/ CwdF


Oblik p kugla 1 sitne čestice raznih oblika 1,2 do 1,5oktaedar 2,4 kocka 3,2 tetraedar 4,7 ploče (duž./šir./vis. = 10/5/1) 5

Korekcijski faktor p za područje 103 < Re < 105


Izjednačenjem masene sile čestice umanjene za uzgon

i sile otpora čestice, dobiva se jednadžba:

koja nije prikladna za upotrebu s obzirom da je CD = CD(wfp).

Množenjem s Re2 konačan oblik:

fppfpu gVgmgmF

5,0Dpfpfp /1/3/4 Cgdw

ArReC 3/42D


Za slučaj gotovo sferičnih čestica, u rasponu Re brojeva 1 < Re < 1000, CD se može aproksimirati izrazom:

pa se brzina odnošenja može izračunati:

53D 5,18 /-ReC

7/5

5/3f

5/2f

fp5/8

pfp 072,0

d

gw


Eksperimentalno se brzina odnošenja čestica može odrediti istim metodama kao i minimalna brzina fluidizacije, i to mjerenjem: (a) pada tlaka u sloju, (b) poroznosti (ekspanzije) sloja i (c) koeficijenta prijelaza topline u sloju.


Režimi plinske fluidizacijeU ovisnosti o brzini plina razlikuju se sljedeći režimi

plinske fluidizacije:

mirujući sloj čestica

homogena fluidizacija

mjehurasta fluidizacija

stapna fluidizacija

turbulentna fluidizacija

brza fluidizacija

pneumatski transport, odnosno odnošenje čestica iz sloja.


Režimi plinske fludizacije


Mirujući sloj čestica• brzina 0 w wmf

• čestice miruju

• poroznost = konst.


Homogena fluidizacija• wmf w wmb

• fluidizirani sloj ekspandira bez pojave mjehura

• lagano miješanje čestica

• Grupa A


Mjehurasta fluidizacija• wmb w wmsl

• mjehuri se formiraju iznad distributivne ploče

• neprestano se cijepaju i stapaju kako se dižu prema površini

• veliki mjehuri smanjuju miješanje čestica, smanjuje se intenzitet dodira plin u mjehuru – čestice u oblaku oko mjehura

• potrebno cijepanje mjehura s internim cijevima i pregradama


Stapna fluidizacija• wmsl w wc

• mjehuri zauzimaju gotovo cijeli promjer kolone

• nastaje kad je visina kolone dva ili više puta veća od promjera kolone


Turbulentna fluidizacija• wc w wkf

• javlja se kod većih brzina plina

• cijepanje velikih mjehura u sitne

• zato se čak i više koristi nego mjehurasta fluidizacija

• Lee i Kim:

0,44 Ar 4,4 107485,0kr 74,0 ArRe


Brza fluidizacija• w > wkf

• značajno odnošenje čestica pa se zato one moraju vraćati u kolonu “cirkulirajuća fluidizacija”

• primjena kod npr. ložišta s cirkulirajućim fluidiziranimslojem (kotlovi II. generacije SFS)

• prednosti takvih kotlova u odnosu na konvencionalne:

- izgaranje nekvalitetnih goriva (sadržaj vlage do 60%, sadržaj pepela do 70%)


- gorivo izgara u usijanom sloju inertnog materijala (pijesak, pepeo, vapnenac) koji se nalazi u fluidiziranom stanju

- inertni materijal ne sudjeluje u izgaranju, ali stvara vrlo povoljne uvjete za izgaranje

- niska temperatura izgaranja- intenzivan prijenos topline- nije potrebna skupa priprema goriva- vezivanje SO2, mala emisija CO, NOx- izgaranje biomase i otpadnih goriva- visok stupanj djelovanja- mogućnost rekonstrukcije klasičnih kotlova


• Kotlovi I. generacije SFS rade u režimu mjehuraste fluidizacije

sloj inertnog materijala nalazi se na distributivnoj ploči

izgaranje se odvija najvećim dijelom u tom sloju

temperatura izgaranja mora biti između 800 – 900 °C, dodatni izmjenjivači topline

smanjena emisija SO2, NOx, CO, spojeva klora itd.

dodavanjem vapnenca (CaCO3) zadržava se do 95% SO2 vezivanjem u CaSO4

stupanj djelovanja (bez recirkulacije neizgorenihčestica) do 90%, s recirkulacijom do 98% ovisno o vrsti goriva


• Kotlovi II. generacije SFS rade u režimu brze fluidizacije

brzina dimnih plinova znatno je veća od brzine odnošenja čestica

vrlo intenzivno miješanje čestica

približno konstantna temperatura plina i čestica u ložištu i ciklonima

uvjeti za izgaranje vrlo povoljni

zbog recirkulacije čestice goriva ostaju u ložištu dok u potpunosti ne izgore, odnosno do veličine koja se više ne može odvojiti u ciklonima

stupanj djelovanja i do 99,5%


Ložište s cirkulirajućim fluidiziranim slojem


Pneumatski transport• w > wkf za sve čestice u sloju

• poroznost = 1


Dijagram režima mjehuraste i brze fluidizacije

3/1*p Ard Bezdimenzijski promjer čestice

Bezdimenzijska brzina fluidizatoramfkf

mff*

wwwww


Distributivne pločeDistributivna ploča spada u najvažnije elemente uređaja s fluidiziranim slojem.

Njezine osnovne funkcija su:

podupiranje sloja čestica čvrste tvari

pravilna razdioba fluidizatora po presjeku sloja


Uz to, distributivna ploča mora još zadovoljiti i niz drugih zahtjeva:

omogućavanje pravilnog nastanka procesa fluidizacije

onemogućavanje propada čestica u tlačni kanal ili komoru

održavanje stabilne fluidizacije kroz različite radne režime

minimalna erozija površine

što manji pad tlaka

otpornost na kemijske utjecaje

čvrstoća, tvrdoća itd.


Vrlo važan utjecaj distributivne ploče je i na nastanak mjehura u fluidiziranom sloju, te na njihovu veličinu i broj.

Distributivne ploče imaju vrlo važan utjecaj i na prijenos topline u sloju, osobito na maksimalnu vrijednost koeficijenta prijelaza topline, pa je stoga osobito važan odabir pravilne distributivne ploče.


Iako se u zadnja tri desetljeća mnogo pažnje posvetilo izučavanju veze između hidrodinamike fluidiziranogsloja i konstrukcije distributivne ploče, još uvijek ima mnogo nepoznanica u teorijskog opisu ovog problema.

Standardni proračuni za konstruiranje distributivnih ploča u praksi još ne postoje, ali se vrlo dobre smjernice mogu naći u literaturi.


Jednostruka perforiranaili porozna ploča

Dvostruka perforiranaili porozna ploča

Ploča s filtar sapnicama

Konveksno perforiranaploča

Konkavno perforiranaploča

Ploča sa sapnicama

Sendvič perforiranaploča

Ploča s horizontalnimotvorima

Ploča s kapicama

Ploča s dvostrukim cijevima Ploča s kuglicama Ploča s cijevnommrežom

Različiti tipovi distributivnih ploča


Porozne pločeNajčešće korišten tip ploča su porozne ploče koje se rade od sinterirane keramike ili metala.

Ploče tog tipa imaju linearnu karakteristiku otpora strujanju plina i daju fluidizaciju najbolje kvalitete pa su zato najčešće korišten tip ploča kod manjih kolona ili pri laboratorijskim uvjetima.

Mjehuri koji nastaju su vrlo sitni i u velikom broju, no jako brzo se međusobno spajaju prilikom dizanja prema površini.


Nedostaci su:

- dosta velik pad tlaka fluidizatora

- problematična je izrada pora točno određene veličine

- kod većih temperatura dolazi do širenja materijala što može poremetiti pore na ploči

- kod onečišćenih plinova lako se začepe

- ploče većeg promjera moraju se raditi zavarivanjem iz više dijelova


Kod tih ploča se vrlo često izrađuju kombinacije s filtar papirom ili nekim sličnim pokrovom kako bi se postigla pravilna raspodjela fluidizatora i određeni pad tlaka na ploči.

Moguća je i kombinacija više poroznih ploča s takvim pokrovom koje onda tvore sendvič sloj.


Perforirane pločeNajčešće se koriste u industriji jer imaju veće otvore pa se stoga lakše proizvode i stvaraju manji pad tlaka.

Nedostatak im je propuštanje čestica u tlačnu komoru ili kanal, bez obzira na relativno velike brzine fluidizatora, što se dešava zbog nejednolike raspodjele fluidizatorakroz sve otvore.

Stoga se najčešće koristi kombinacija više ploča s nekim pokrovom u obliku sendvič sloja.


Često se te ploče rade zakrivljene (konveksne ili konkavne) ili s nekim ojačanjem kako bi mogle nositi težinu sloja.

Promjeri otvora na tim pločama variraju od 1 do 2 mm kod manjih ploča koje se koriste za istraživanje u laboratorijima, ili sve do 50 mm u veoma velikim kemijskim reaktorima.


Ploče sa sapnicama različitih oblika su pogodne jer ne propuštaju čestice, a prednost im je što im otpor strujanju raste s kvadratom masenog protoka fluidizatora. Vrlo često se koriste kod većih i dubokih slojeva.

Ploče s kuglicama se koriste kod prašinom onečišćenih fluidizatora, dok se ploče s cijevnom mrežom upotrebljavaju kod većih jedinica.

Ploče u obliku dvostrukih cijevi nemaju potrebu za tlačnim komorama, nego se mogu postaviti izravno na kanal.


Pad tlaka u pločiMora biti dovoljan kako bi se osigurala jednolika distribucija fluidizatora kroz sve otvore ploče te se na taj način dobila stabilna fluidizacija.

Pri tome treba paziti da pad tlaka ne bude prevelik jer bi to uzrokovalo povećanu potrošnju energije za pogon kompresora.


Smjernice za konstruiranje distributivne ploče

• Preporučeni pad tlaka na ploči

Hiby:

wf / wmf 1 2 pD 0,15 psloj

wf / wmf >> 2 pD 0,015 psloj

• Mogu se naći i druge vrijednosti

• Najtočnije eksperimentalno određivanje


Brzina fluidizatora kroz otvore na distributivnoj ploči:

CD je faktor protjecanja distributivne ploče.

Tipična vrijednost iznosi CD 0,8.

5,0

f

DDD

2

pCw

Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje V 43Određivanje faktora CD

Na slici:

t – debljina distributivne ploče

dh – promjer otvora na distributivnoj ploči

Lh – razmak između otvora


U literaturi se mogu naći i još neki izrazi.

Qureshi i Creasy:

D – promjer kolone, cm

pD, psloj – kPa

mf

5,0

sloj

D

13,0

hD

12,001,0

82,0

ZD

epp

dtC


Raspored otvora na distributivnoj ploči

Broj otvora na distributivnoj ploči mora biti Nd 20 / m2 kako bi se onemogućilo nastajanje neaktivnih zona.

Trokutasti raspored

60 °

Lh

dhLh

dh

Kvadratni raspored

sin601

dh N

Ld

h1N

L

Na slici:

Nd – broj otvora/m2


Promjer otvora na distributivnoj ploči dh i njihov raspored, odabiru se na osnovu preporučene gustoće otvora Nd te drugih zahtjeva kao što su onemogućavanje propada čestica, pad tlaka, tehnologija izrade itd.

Preporuka je i da omjer brzine fluidizatora na slobodnom presjeku kolone i brzine kroz otvore na distributivnoj ploči bude:

1,0D

f ww


Približan promjer aktivnog dijela distributivne ploče:

gdje su:

DT, mm, približan promjer koji je potreban izračunati prije crtanja same mreže distributivne ploče

f1 = 1,1 (za raspored) standardizirana vrijednost uvjetovana konstrukcijom

f2 = 0 standardizirana vrijednost uvjetovana konstrukcijom

5,0h

5,02

2h1T LnfLnfD


Približan promjer distributivne ploče (i kolone):

gdje je:

u, mm, konstrukcijska veličina, razmak između zadnjeg otvora i plašta kolone.

udDd 2h


Skica uz proračun promjera distributivne ploče

s1

d

DT

dh Lh

u


Proračun ostalih dijelova kolone za fluidizaciju

Glavni elementi kolone za fluidizaciju:

- cilindrična (ili prizmatična) posuda

- distributivna ploča

- tlačna komora (ili dovodni kanal)

- cijev za dovod zraka u tlačnu komoru


Kolona zafluidizaciju

Električnigrijač vode

Cijevnazavojnica

Mjerna linija za fluidizaciju


Montažni crtež kolone za fluidizaciju


Cilindrični dio kolone:- materijal npr. čelična bešavna cijev ili varenjem iz

više dijelova- cilindrični dio može imati više segmenata (gornji i

donji) radi lakše manipulacije- prisutni su i drugi elementi i različiti otvori (npr. za

punjenje i pražnjenje, procjepi s umetkom od stakla za vizualno praćenje procesa u kupki, za smještaj osjetnika tlaka i temperature itd.)


Montažni crtež cilindričnog dijela


Cijev za dovod zraka u tlačnu komoru:

- materijal npr. čelična bešavna cijev

- promjer cijevi je konstrukcijska veličina

- preporučena brzina plina u cijevi 10 30 m/s


Cijev za dovod zraka u tlačnu komoru


Tlačna komora:

Ukoliko je zadovoljen uvjet omjera pada tlaka u distributivnoj ploči naprama pad tlaka u sloju, onda oblikovanje tlačne komore nije osobito važno.

Tlačna komora ima funkciju smirivanja toka stlačenog zraka kako bi se dobila jednolika raspodjela tlaka na ulazu u distributivnu ploču.

Neke uobičajene konstrukcije ulaza zraka u tlačnu komoru, prikazane su na sljedećoj slici.


Neke uobičajene konstrukcije ulaza zraka u tlačnu komoru


Kod ulaza plina s donje strane (slika a) potrebno je osigurati dovoljan razmak do distributivne ploče.

U slučaju ulaza sa strane, potrebno je cijev provesti do sredine tlačne komore (slika b i c).

Konstrukcija na slikama d, e i f je uobičajena ako je fluidizator tekućina s disperziranom čvrstom tvari.

Fluidizacija i transport - FSB Online · pneumatski transport, odnosno odnošenje čestica iz...

Documents

Transcript of Fluidizacija i transport - FSB Online · pneumatski transport, odnosno odnošenje čestica iz...