Аппараты с кипящим слоем Широко распространены и перспективны процессы взаимодействия газов и жидкостей с твердыми зернистыми материалами, в которых твердые частицы становятся подвижными относительно друг друга за Счет обмена энергией с взвешивающим их потоком. Такое состояние зернистого материала получило название «псевдоожиженного» или кипящего слоя вследствие внешнего сходства с поведением обычной капельной ЖИДК0СТИ. Кипящему слою присущи свойства жидкости: текучесть, вязкость, поверхностное натяжение. Процессы, в которых осуществляется псевдоожижение твердых материалов, применяют в различных отраслях промышленности. К ним относятся, например, химические процессы: каталитический крекинг нефтепродуктов, газификация топлив, обжиг различных руд; физические и физико-химические процессы: сушка мелкозернистых, пастообразных и жидких материалов, термическая обработка металлов, нагревание и охлаждение газов; механические процессы: обогащение, гранулирование, смешивание ш транспортировка зернистых материалов и др. Широкое внедрение псевдоожижения в промышленную практику обусловлено рядом его преимуществ. Твердый зернистый материал в псевдоожиженном состоянии вследствие текучести можно перемещать по трубам, что позволяет многие процессы осуществлять непрерывно. Особенно выгодно применение псевдоожиженного слоя в процессах, скорость которых определяется термическим или диффузионным сопротивлением в газовой фазе. Эти сопротивления в условиях псевдоожижения уменьшаются в десятки раз, а скорость процессов соответственно увеличивается. Благодаря интенсивному перемешиванию твердых частиц в псевдоожиженном слое практическд выравнивается поле температур, устраняется опасность значительных перегревов и связанных с. этим»нарушений в протекании ряда технологических процессов. Наряду с достоинствами псевдоожиженному слою присущи и недостатки. Так, вызванное интенсивным перемешиванием твердых частиц выравнивание температур и концентраций в слое приводит к уменьшению движущей силы процесса. Иногда проскок значительных количеств газа без достаточного контакта с твердым зернистым материалом уменьшает выход целевого продукта. Отрицательными факторами следует также считать истирание и измельчение твердых частиц, эрозию аппаратуры, возникновение значительных зарядов статического электричества, необходимость установки мощных газоочистительных устройств. Процессы в кипящем слое создаются при больших затратах энергии. Некоторые недостатки могут быть устранены за счет совершенствования конструкций аппаратов. Принцип образования кипящего слоя состоит в следующем. Если под слой зернистого материала, расположенного на поддерживающей решетке, подавать поток теплоносителя (газа или жидкости), то состояние слоя оказывается различным в зависимости от скорости потока. При плавном ее увеличении от нуля до некоторого первого критического значения w^o происходит обычный процесс фильтрования, при котором твердые частицы неподвижны (рис. 3.10,), порозность слоя 8 неизменна, а его гидродинамическое сопротивление Ар возрастает с ростом скорости W. При достижении скорости w'o гидродинамическое сопротивление зернистого слоя становится равным его весу, слой взвешивается, на¬рушается контакт частиц, они получают возможность перемещаться и перемешиваться; слой расширяется, в нем наблюдается проскакйвание газовых пузырьков. При дальнейшем росте скорости потока до некоторого значения % слой продолжает расширяться и интенсивность движения частиц увеличивается,-При w>w^^o твердые частицы начинают выноситься из слоя. Скорость w[o называется скоростью начала псевдоожижения, а скорость —скоростью начала уноса. После перехода в псевдоожиженное состояние слой несколько расширяется, он однороден, его верхний уровень — свободная поверхность, она практически неподвижна, перемещение частиц выражено слабо (рис. 3.10,6). С ростом скорости газа слой расширяется, в его объеме появляются газовые пузыри (нарушается однородность), повышается интенсивность перемешивания частиц, возникают колебания свободной поверхности слоя (рис. 3.10,в). При выходе из слоя пузыри, прорывая его свободную поверхность, вызывают ее колебания и появление выброса твердых частиц. В узких и высоких слоях восходящие пузыри могут сливаться и занять все поперечное сечение, образуя перемещающиеся вверх газовые «пробки», которые чередуются с движущимися «поршнями» твердых частиц (рис. ,3.10,г). В таком поршнеобразном осевдоржиженном слое перемешивание твердых частиц в вертикальном направлении затруднено. В слое тверды частиц, склонных к агрегированию, при скоростях газа, незначительно превышающих w'o, образуются сквозные каналы (рис. 3.10,5), через которые газ проходит без достаточного контакта с твердыми частицами. Эти каналы часто либо полностью исчезают при увеличении скорости газа, либо сохраняются лишь в основании слоя. При высоких давлениях, когда плотности газа и твердых частиц соизмеримы, слой приближается к однородному. При w^w^^o твердые частицы начинают выноситься из слоя (рис. 3.10,в) и их количество в аппарате уменьшается. Порозность такого слоя стремится к единице, а сопротивление слоя резко падает. При псевдоожижении зернистых материалов в коническо-цилиндрических и конических аппаратах с углом в вершине более 15—20° возможно образование фонтанирующего слоя (рис. 3.10,ж). Здесь газ, проходя преимущественно б центральной зоне слоя, увлекает твердые частицы и фонтаном выбрасывает их к периферии, где они сползают вниз вдоль боковой поверхности. Рис. 3.10. Различные состояния слоя зернистого материала при прохождении через него потока газа (жидкости): , а — неподвижный слой; б— кипящий слой ; в —слой с барботажем газовых пузырей; г — поршнеобразный слой: д- слой со сквозными каналами; е — унос твердых частиц; ж — фонтанирующий слой;