ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2014, том 48, № 3, с. 260-267
УДК 621.926
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К РАСЧЕТУ ПРОЦЕССОВ В АППАРАТЕ КОМБИНИРОВАННОГО ДЕЙСТВИЯ © 2014 г. И. В. Постникова, В. Н. Блиничев
Ивановский государственный химико-технологический университет
poirvic@mail.ru, blinich@isuct.ru Поступила в редакцию 20.09.2013 г.
На базе системного подхода предлагается методика расчета аппарата комбинированного действия для проведения высокотемпературной реакции в псевдоожиженном слое частиц твердого реагента, в котором параллельно с реакцией осуществляется непрерывное измельчение образующихся продуктов реакции и существенно интенсифицируются процессы тепло- и массопереноса в связи с постоянным обновлением (обнажением) реакционной поверхности как за счет ударного разрушения корки продукта в зонах интенсивного столкновения в противоточных потоках реагирующих частиц, так и истирания ее в объеме псевдоожиженного слоя.
Ключевые слова: аппараты комбинированного действия, псевдоожиженный слой, системный подход, системный анализ.
Б01: 10.7868/80040357114030178 ВВЕДЕНИЕ
Аппарат комбинированного действия или аппарат совмещенных нескольких последовательных или последовательно-параллельных процессов в одном корпусе по сложности взаимодействия можно отнести к достаточно сложной химико-технологической системе [1].
Поэтому при разработке методов расчета таких аппаратов применим системный анализ, основоположником которого в России является В.В. Ка-фаров со своими учениками [1—6].
Примером системного подхода к расчету совмещенных процессов может являться высокотемпературный реактор в системе газ—твердое, когда образующиеся на частицах твердого реагента продукты реакции существенно затормаживают процессы тепло - и массопереноса к границе реакции [7—9].
Одной из задач расчета подобных аппаратов является разработка математической модели гидродинамики двухфазной высокоскоростной струи, развивающейся в псевдоожиженном слое с определением концентрации твердых частиц в струе и скорости их движения с последующим расчетом вероятности столкновения и разрушения частиц в противоположных струях и определения гранулометрического состава частиц после столкновения.
ИЕРАРХИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА РАСЧЕТА АППАРАТА КОМБИНИРОВАННОГО ДЕЙСТВИЯ
Процессы, протекающие в аппарате комбинированного действия, как сложная иерархическая система разбивается на основные уровни (подсистемы): процесс измельчения реагирующих частиц в псевдоожиженном слое со встроенными зонами интенсивного разрушения образующихся продуктов реакции за счет разгона и столкновения частиц во встречных струях и процессы тепло- и массопереноса.
В свою очередь, уровень (подсистема) измельчения подразделяется на свои подчиненные уровни:
а) определение скоростей движения частиц в зонах их ударного столкновения;
б) расчет процесса измельчения при их столкновении в противоточных струях.
Естественно, что и процессы тепло- и массо-обмена рассматриваются, начиная с процессов, протекающих в одиночной частице.
В общем случае структуру расчета комбинированного аппарата данного типа можно представить в виде следующей блок-схемы, представленной на рис. 1.
В данной статье в связи с большим объемом материала рассматривается только подсистема процесса измельчения продуктов реакции.
Для интенсификации процесса химической реакции в твердой частице измельчение должно происходить со скоростями, близкими к скорости
Моделирование гидродинамики аппарата в целом
Рис. 1. Блок-схема расчета аппарата комбинированного действия.
химической реакции, чтобы исключить возможность диффузионного торможения в корке образующегося продукта. В то же время, получаемые при измельчении частицы должны обладать заданной степенью дисперсности, высокой химической активностью и степенью прореагирования.
Подобным требованиям удовлетворяет аппарат, совмещающий измельчение сырья и продуктов реакции при высокоскоростном ударном на-гружении в псевдоожиженном слое частиц, эндотермическая химическая реакция в котором осуществляется либо за счет теплоты газа, поступающего на псевдоожижение, либо за счет сжигания газа в слое при реализации высокотемпературных процессов. Классификация частиц по крупности осуществляется также внутри аппарата с помощью инерционно-пневматического классификатора. Основное измельчение осуществляется за счет разгона частиц струей газа и их столкновения в противоточных струях непосредственно внутри кипящего слоя. Большая часть тонкодисперсных частиц образуется за счет истирания образовавшихся осколков внутри псевдоожижен-
ного слоя. Аппарат функционирует без разгонных трубок и выносных переточных устройств, так как их применение при высоких температурах среды и повышенной абразивности обрабатываемого материала очень затруднено. По этим же причинам использование в качестве классификатора устройства сложной конструкции также неприемлемо.
В качестве примера конструктивной реализации аппарата подобного типа рассмотрим разработанный на кафедре МАХП аппарат для высокотемпературного обжига известняка (декарбонизации) в кипящем слое топочных газов с одновременным измельчением корки продукта на обрабатываемых частицах и самих частиц в результате столкновения высокоскоростных двухфазных противоположно направленных струй, принципиальная схема которого изображена на рис. 2.
Аппарат работает следующим образом. Исходное сырье поступает в реакционную камеру аппарата. Необходимая для протекания реакции температура (950—1000°С) создается либо за счет
Пылегазовая смесь
Рис. 2. Принципиальная схема аппарата комбинированного действия: 1 — выходной патрубок; 2 — реакционная камера; 3 — напорные сопла; 4 — топочная камера; 5 — газораспределительная решетка; 6 — инерционно-пневматический классификатор.
псевдоожижения слоя топочными газами, либо за счет сжигания природного газа непосредственно в псевдоожиженном слое частиц. Одновременно через систему сопел подается сжатый воздух. Частицы материала, подхваченные струей газа, разгоняются до критических скоростей, необходимых для измельчения. В реакционной камере аппарата, непосредственно в слое обрабатываемого материала за счет столкновения струй, образуется фонтанирующий слой материала. Частицы, измельченные за счет ударного столкновения и истирания в псевдоожиженном слое до требуемого размера, проходя инерционный классификатор, уносятся потоком газа через выходной патрубок, а неизмельченный материал возвращается в слой, где заново подхватывается струями энергоносителя. Классификация частиц осуществляется при помощи инерционно-пневматического классификатора, который может иметь различную конструкцию.
Тремя основными задачами расчета такого аппарата являются: нахождение среднего времени пребывания декарбонизирующихся и разрушающихся частиц внутри аппарата, определение его
производительности и гранулометрического состава по тонкодисперсному продукту, а также расчет габаритных размеров аппарата по заданной производительности.
Сложность расчета заключается в том, что все технологические процессы, протекающие в данном аппарате, взаимосвязаны и взаимозависимы и осуществляются одновременно. В период пуска до момента установления баланса между приходом сырья в аппарат и расходом готового продукта наблюдается нестационарный режим работы аппарата.
Описание гидродинамической обстановки в аппарате сводится к моделированию процессов в различных зонах, которые можно выделить внутри аппарата. Основными зонами или подсистемами процесса разрушения продуктов реакции являются: высоконапорная двухфазная струя; ядро столкновения противоточных струй; псевдо-ожиженный слой; сепарационная зона.
При описании гидродинамики любой из выделенных подсистем необходимо знание гранулометрического состава зернистого материала в
Рис. 3. Структурная схема потоков дисперсной фазы в аппарате комбинированного действия.
каждой подсистеме. Так как в процессе работы аппарата происходит постоянный обмен частицами материала между выделенными зонами, возникают определенные трудности при расчете гранулометрического состава на каждом участке. До установления стационарного режима работы аппарата, т.е. до момента накопления псевдоожи-женного слоя постоянного объема и неизменного гранулометрического состава, внутрь высоконапорной струи энергоносителя поступают частицы не только из окружающего слоя, но и непосредственно из питающего патрубка. Таким образом, в зону столкновения противоточных струй, т.е. в ядро столкновения, поступает масса частиц с меняющимся гранулометрическим составом.
Решение проблемы расчета гранулометрического состава частиц в каждой зоне (подсистеме) комбинированного аппарата возможно, если время до установления стационарного режима разделить на п временных отрезков и вести расчет поэтапно, учитывая структуру потоков твердых частиц между характерными подсистемами аппарата.
Подобная структура представлена на рис. 3.
Расчет ведется следующим образом:
1\ ^ гизм т-^изм/ А гвх т^ / .г!
1) т = ^ / ¿1 (ё) = / ГНЩ ^ /
изм изм ¿1
гкл т--кЯ/ »ч X 1 т-изм т--изм / »ч / »ч / X 1 7-и
/1 ¿1 (ё) = X /1 ¿1и (ё)п(ё) / X /1
ё),
и ё,
гизм т--изм ¿1
ё гр
7-вых 7--вы^/ »ч X 1 7-изм т--изм / »ч / »ч / X 1 7-изм ггНзм/ гч
/1 ¿1 (ё) = X /1 ¿1 (ё)п(ё)/ X /1 ¿1и (ё),
ё шт гсл т-гсл /
ё шт гкл г-»кЯ/
/с 1^1сл(ё) = (1 - к)/,^Г(ё).
2) Т = (2 /2изм^2изм(ё) = /вХвх(ё) + к/1кл^1кл(ё)|
^ /2изм/-2г(ё),
ё шах
/ё шах
/кл г-кЯ/ »ч X 1 7-изм т--изм / »ч / »ч / X 1 7-изм г-гизм/ гч
2 ¿2 (ё) = X /2 ¿2 (ё)п(ё) X /2 ¿2и (ё),
ёгр
ёгр
ё шт / ё шах
/вЬК г-вых/ »ч X 1 7-изм 7--изм / »ч / X 1 7-изм г-гизм/ гч
2 ¿2 (ё) = X /2 ¿2и (ё) X /2 ¿2и (ё),
ё шт / ё шт
/2сл^2сл(ё) = (1 - к)/клг2кл(ё)
ч , Т-изм Т^из^/ к гв^^^к 7 7"^ т^кл / ;ч|
п) Т = /п Г„ (ё) = / ¿н(ё) + kJ«-яlF«_l(ё)|
изм изм ^ / п ¿пк (ё),
(1)
/кл т-^кл/ К х 1 гизм т^-изм / к / К / X 1 7-изм т^-изм/ ;ч
П ¿п (ё) = X /п рпк (ё)п(ё)/ X /п рпк (ё),(2)
ёгр / ё шт
ёгр / ё шах
/вых т^вых/ к X 1 гизм т^изм/ к / к / X 1 гизм т^изм/ «ч (3)
п ¿п (ё) = X /п ¿п к (ё)п(ё) / X /п ¿п к (ё), 7
ё гр
ё шт
ё шт / ё шт
/пСЛ^СЛ(ё) = (1 - /¿Лё).
Зд
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.