Upload
dinhtruc
View
240
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
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 I 2
Fluidizacija – definicija?!Fluidizacija je proces prostrujavanja sloja čestica čvrste tvari nekom tekućinom (plinom, kapljevinom ili oboje). Čestice se pri tom kreću u određenom volumenu, a nastala mješavina i sama poprima neka svojstva tekućine.
Dovedena tekućina naziva se fluidizatorom, a nastala mješavina fluidiziranim slojem.
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 3
distributivna ploča
kolona za fluidizaciju
nasip česticačvrste tvari
tlačna komora
Mirujući sloj čestica Fluidizirani sloj
teži predmetlakši predmet
Površina sloja je neravna, predmeti se nalazena površini bez obzira na svoju težinu
Površina sloja je ravna, težipredmeti tonu dok lakši plutaju
p
Razlika tlaka neproporcionalnaje visini (težini) sloja
p
Razlika tlaka proporcionalnaje visini (težini) sloja
fluidizator
fluidizator
a)
b)
Neka svojstva fluidiziranog sloja u usporedbi s mirujućim slojem čestica (prvi dio)
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 4
Čestice ispadaju kroz otvorkolone, ali ne teku
Čestice teku kroz otvorkolone kao tekućina
Različita visina slojeva Jednaka visina slojeva
pregrada
fluidizator
fluidizator
c)
d)
Neka svojstva fluidiziranog sloja u usporedbi s mirujućim slojem čestica (drugi dio)
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 5
Izvor: Fluidization of Particles byFluids, Martin Rhodes
Fluidized Sand
Izvor: Youtube
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 6
Zašto se koristi?U mnogim industrijskim procesima vrlo je važno ostvariti dobar dodir između fluida (kapljevine ili plina) i čestica čvrste tvari kako bi se ostvarila veća brzina prijenosa topline i tvari.
Ti procesi mogu biti relativno jednostavni, kao što je primjerice sušenje zrnatih materijala, pa sve do onih kompleksnih, kao što su različite kemijske reakcije ili primjerice izgaranje.
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 7
Gdje se koristi?Procesi u kojima se koristi fluidizacija mogu se svrstati u dvije temeljne skupine:
primjena fluidizacije kod fizikalnih operacija i
primjena fluidizacije kod izvođenja kemijskih reakcija
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 8
Prednosti u odnosu na druge procese iste namjene?
- veliki intenzitet prijenosa topline i tvari;
za prijelaz topline plin-čestice (dominantan toplinski otpor) oko 20 W/(m2 K)
u fluidiziranom sloju 250 – 700 W/(m2 K)
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 9
- jednaka temperatura u svim dijelovima sloja zbog vrlo intenzivnog miješanja čestica;
- fluidizirani sloj čestica se ponaša poput tekućine, pa čestice mogu „teći“ između više fluidiziranih slojeva
- u uređajima s fluidiziranim slojem ne postoje pomični dijelovi pa su troškovi održavanja relativno mali;
- uređaji su uglavnom postavljeni vertikalno pa tako ne zauzimaju puno prostora;
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 10
Još???-kontrola procesa je relativno jednostavna, čak i kod većih postrojenja, pa za upravljanje uređajima nije potrebno stručno znanje;
-fluidizirani sloj je vrlo pogodan za izvođenje toplinski osjetljivih, egzotermnih i endotermnih reakcija;
- zbog velikih vrijednosti koeficijenata prijelaza toplineuronjeni izmjenjivači topline imaju manju površinu;
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 11
-visine sloja nisu velike pa je onda i mali pad tlaka fluidizatora;
- fluidizacija se može odvijati u više stupnjeva, pa se na taj način može kontrolirati vrijeme sudjelovanja čestica i fluidizatora u procesu.
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 12
A nedostaci?Postoje, i uglavnom su vezani za složenost procesa i fluidizacijska svojstva čestica:-vrlo sitne, fine čestice je veoma teško fluidizirati bez primjene dopunskih mehaničkih miješalica ili neke druge tehnike zbog velikih privlačnih sila između čestica.
- zbivanja u fluidiziranom sloju vrlo su složena, pa ne postoje pouzdani matematički modeli koji se mogu primijeniti kod konstruiranja uređaja s fluidiziranimslojem;
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 13
-velike čestice je isto vrlo teško fluidizirati, a kod njih se može javiti i lokalno propuhivanje fluidizatora kroz sloj pri čemu nastaje proboj u vidu vertikalnog kanala. Zbog takvog prostrujavanja javljaju se velike promjene tlaka u sloju i vibracije postrojenja;
- za kvalitetno odvijanje fluidizacije potrebna je velika pažnja kod odabira režima brzina i dimenzija čestica;
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 14
-zbog intenzivnog miješanja i sudaranja čestica u sloju može doći do loma krhkijih čestica te njihova propadanja kroz distributivnu ploču u tlačnu komoru ili odnošenja iz kolone;
- intenzivno miješanje čestica uzrokuje eroziju površinau koloni te skraćuje njezin radni vijek;
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 15
Primjena fluidizacije kod fizikalnih operacija:- sušenje- miješanje prašaka- operacije klasiranja i sortiranja- grijanje i hlađenje- operacije pneumatskog i hidrauličnog transporta- izgaranje u fluidiziranim ložištima
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 16
ulaz rashladnevode
fluidizirani sloj
izlaz zraka
ulaz zraka distributivna ploča ulaz zraka
. .
. .. .. .. .. .. . . .. . .. .
.. .
. .. .. . .
. .. .
..
. .
. .
. .
. .. .. .. .. .
.
. . . . .. . .. .. .
.. ....
. .
. .. .
. . ...
.
ulaz vrućihčestica
.
.. .. .. .. .
. ..
. . . . .
. ... .
. .. .. .. .
. . .. . ..
. . .. .. .. .
.. .. .. ..
.
. . . . . . . .
. ..... .
. .. .. .. .. . .. .
. . . ..
. .. .. .. .. .. .. ..
. .. .. .. .. .. .. .. .
. . .. . .
. . .. . .
. .. .. .. .. .. .. .. .
. . . . . . .
. .. .. .. .. .. .. .. .. ... .
. . . . .. . . . . .. . . . .. . . . .. . . . .
. . . . .. . . .
. . . . .. . . . .. . . . .. . . .
.. . . .. . ... .
.
izlaz ohlađenihčestica
...
izlaz rashladnevode
Posuda za hlađenje čestica u fluidiziranom sloju
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 17
ulazfluidizatora
ulaz vlažnihčestica
izlaz osušenihčestica
izlazfluidizatora
Posuda za šaržno sušenje čestica u fluidiziranom sloju
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 18
Primjena fluidizacije kod kemijskih reakcija:- različite pirolize (npr. spaljivanje muljevitih ili kapljevitihotpadaka industrije na ugrijanom, fluidiziranom pijesku)- procesi krekiranja- pri tzv. Fischer-Tropschovim sintezama- kod rasplinjavanja ugljena- procesi prženja- procesi pečenja- u novije vrijeme i kod izvođenja nekih nuklearnih reakcija
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 19
Nastajanje fluidiziranog sloja
Fluidizacija se provodi u različitim uvjetima, ali najčešće u cilindričnoj ili prizmatičnoj posudi (koloni).
Fluidizirajuća tekućina dovodi se kroz distributivnu ploču kojom je pregrađen donji dio kolone za fluidizaciju, a koja ima vrlo važnu ulogu u ravnomjernoj distribuciji fluidizatora po poprečnom presjeku kolone.
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 20
wf
ws
DP
Z 0
padtlaka p
DP
mf
Z mf
pmf
wmf
a) mirujući sloj b) sloj u stanju minimalne fluidizacije
kolona zafluidizaciju
nasip česticakrute tvari
distributivnaploča
tlačnakomora
ekspandiranisloj česticakrute tvari
Nastajanje fluidiziranog sloja
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 21
p
wf
ZBIJEN SLOJ(KOD PRVE FLUIDIZACIJE)
wmf
strujanje krozporozno tijelo
fluidizirani sloj pneumatski ilihidraulični transport
pmf
wkf
Pad tlaka fluidizatora u ovisnosti o brzini fluidizatora za mirujući i fluidizirani sloj
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 22
Karakteristike fluidiziranog sloja u ovisnosti o fluidizatoru
Fluidizator koji struji kroz sloj čestica može biti plin, kapljevina ili oboje
Kod kapljevine kao fluidizatora postiže se homogenafluidizacija optimalne kvalitete
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 23
Sloj čestica ekspandira ovisno o brzini fluidizatora pri čemu se može postići daleko veća visina sloja nego početna, a povećanjem brzine se progresivno povećava i intenzitet miješanja čestica
Kod postizanja neke krajnje brzine započinje odnošenje čestica, odnosno hidraulički transport
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 24
Ekspanzija kapljevitog fluidiziranog sloja
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 25
Kod fluidizacije plinom, ovisno o veličini i gustoći čestica te gustoći plina, može se prvo javiti homogena fluidizacija, ali se najčešće s povećanjem brzine vrlo brzo u sloju javljaju mjehuri fluidizatora pa se fluidizacijanastavlja kao heterogena.
Važno: Geldartova podjela čestica na grupe
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 26
Kod većine čestica do stvaranja mjehura dolazi odmahpo nastajanju fluidiziranog sloja.
Mjehuri nastaju na distributivnoj ploči i rastu međusobnim spajanjem kroz sloj, a veličina im može rasti i s porastom brzine fluidizatora.
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 27
Heterogeni plinski fluidizirani sloj
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 28
Kod fluidizacije plinom, mogu nastati i neki specijalni slučajevi: kod uskih i dubljih slojeva s česticama manjih dimenzija mogu se mjehuri spojiti u jedan veliki koji zauzima cijeli promjer kolone za fluidizaciju, a fluidizacija se zbog toga naziva „stapnom“.
ovisno o dimenziji čestica moguće je i lokalno propuhivanje sloja pri čemu nastaje proboj u obliku vertikalnog kanala. To je tzv. „fontanska fluidizacija“.
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 29
Stapna fluidizacija Fontanska fluidizacija
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 30
Uvjet za nastupanje homogene ili heterogenefluidizacije Wilhelm i Kwauk 1948. godine predlažu korištenje Froudeovog broja kao kriterij:
gdje je wmf minimalna brzina fluidizacije svedena na slobodni presjek kolone, dp promjer čestica, a ggravitacija.
p
2mf
gdwFr
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 31
Ako je:Fr < 0,13 homogena fluidizacija
Fr > 1,3 heterogena fluidizacija
Nešto precizniji kriterij predložili su Romero i Johanson:
homogena fluidizacija
heterogena fluidizacija
100kol
mf
f
fpmfmf
dZReFr
100kol
mf
f
fpmfmf
dZReFr
Fluidizacija i transport čestica fluidima - Predavanje I 32
Kod fluidizacije plinom ekspanzija sloja je vrlo ograničena i daleko je manja nego kod fluidizacijekapljevinom, a s povećanjem brzine proces se nastavlja do neke brzine wkf koja se naziva brzinom odnošenjačestica kod koje nastupa pneumatski transport.