fluidizacija i transport - fsb online · hidraulični transport ... fluidizacija i transport...

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.


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)


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)


Izvor: Fluidization of Particles byFluids, Martin Rhodes

Fluidized Sand

Izvor: Youtube


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.


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


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)


- 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;


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;


-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.


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;


-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;


-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;


Primjena fluidizacije kod fizikalnih operacija:- sušenje- miješanje prašaka- operacije klasiranja i sortiranja- grijanje i hlađenje- operacije pneumatskog i hidrauličnog transporta- izgaranje u fluidiziranim ložištima


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


ulazfluidizatora

ulaz vlažnihčestica

izlaz osušenihčestica

izlazfluidizatora

Posuda za šaržno sušenje čestica u fluidiziranom sloju


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


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.


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


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


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


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


Ekspanzija kapljevitog fluidiziranog sloja


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


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.


Heterogeni plinski fluidizirani sloj


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“.


Stapna fluidizacija Fontanska fluidizacija


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


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


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.

fluidizacija i transport - fsb online · hidraulični transport ... fluidizacija i transport...

Documents