Псевдоожижение, превращение слоя зернистого материала под влиянием восходящего газового или жидкостного потока либо иных физико-механических воздействий в систему, твердые частицы которой находятся во взвешенном состоянии, и напоминающую по свойствам жидкость – псевдоожиженный слой. Из-за внешнего сходства с кипящей жидкостью псевдоожиженный слой часто называют кипящим слоем. В англоязычной литературе принят термин «fluid bed» (ожиженный слой), а операция псевдоожижение носит название «fluidiration».
Некоторые основные понятия. Типы и способы создания псевдоожиженных систем. Простейшую псевдоожиженную систему создают в заполненном слоем зернистого материала вертикальном аппарате, через днище которого равномерно по сечению вводят инертный ожижающий агент (газ или жидкость). При его небольшой скорости W зернистый слой неподвижен; с ее увеличением высота слоя начинает возрастать (слой расширяется). Когда W достигает критического значения, при котором сила гидравлического сопротивления слоя восходящему потоку ожижающего агента становится равной весу твердых частиц, слой приобретает текучесть и переходит в псевдоожиженное состояние. Соответствующую линейную скорость ожижающего агента называют скоростью начала псевдоожижения или его первой критической скоростью Wk [для мелких (размер 0,1 мм) частиц Wk ~ d2, для крупных ( 1 мм) — Wk ~ где d-диаметр частиц].
Последняя уменьшается с увеличением плотности восходящего потока.
При дальнейшем возрастании W гидравлического сопротивление слоя остается постоянным, пока он не разрушится и не начнется интенсивный вынос зернистого материала потоком из аппарата. Отвечающая данному состоянию слоя скорость потока называют скоростью уноса (свободного витания частиц) или второй критической скоростью псевдоожижение (Wун), превышающей Wk в десятки раз. Если скорость ожижающего агента больше скорости витания самых крупных частиц сжижаемого материала, слой полностью увлекается потоком (см. Пневмо- и гидротранспорт).
По мере увеличения W порозность слоя (доля объема, занятого ожижающим агентом) возрастает, поэтому средние концентрации твердых частиц в единице объема слоя уменьшаются. При этом в случае псевдоожижения газом появляются подвижные полые неоднородности-пузыри (неоднородный слой). При псевдоожижением жидкостью слой, расширяясь, остается существенно более однородным по локальным концентрациям частиц (однородный слой). В случае псевдоожижения газом при повышенных давлениях создают псевдоожиженный слой промежуточного типа.
Разновидность псевдоожиженного слоя-фонтанирующий слой. В данном случае газ (жидкость) вводят в нижнюю часть зернистого слоя в виде струи. Твердые частицы подхватываются ею и выносятся в верхнюю часть слоя. На периферии струи (обычно у стенок аппарата) сверху вниз движется плотный слой частиц, т.е. они непрерывно циркулируют. В фонтанирующем слое во взвешенном состоянии находится лишь часть твердых частиц. Поэтому иногда используемый термин "взвешенный слой" менее универсален, чем термин "псевдоожиженный слой".
В ряде случаев обеспечивают пульсационную подачу ожижающего агента или вводят его попеременно в различные участки нижнего сечения слоя. Например, вращают газораспределительную решетку, перфорированную лишь в некоторых секторах. Данный прием позволяет привести зернистый слой в псевдоожиженное состояние при меньших расходах сжижающего агента по сравнению с обычным кипящим слоем.
Широкое распространение получил также трехфазный слой: твердые частицы взвешиваются жидкостью, которая в свою очередь перемешивается пузырьками барботирующего газа (см. Барботирование). Известна разновидность трехфазного слоя: поток жидкости подается сверху вниз со скоростью, равной или большей скорости всплытия твердых частиц, плотность которых меньше плотности жидкости; при этом барботаж газа приводит к перемешиванию твердых частиц в объеме жидкости. Несмотря на внеш. сходство с обычным псевдоожиженным слоем трехфазный слой ближе по свойствам к барботажному слою.
Псевдоожиженные системы создают также следующими способами: 1) подвергают зернистый слой воздействию механических вибраций (см. Вибрационная техника); 2) механически перемешивают зернистый слой, например вращением заполненного им аппарата; 3) подвергают твердые частицы, обладающие ферромагнитными свойствами, воздействию электромагнитного поля и др. Эти и иные приемы могут совмещаться с псевдоожижение газом или жидкостью.
Далее для удобства изложения материала рассматривается только наиболее распространенный случай - псевдоожижение газом.
Аналогия между псевдоожиженным слоем и жидкостью-главное свойство слоя как среды для проведения химико-технологических процессов. Выделим некоторые общие свойства слоя и жидкости.
1) Гидростатическое давление в слое высотой h то же, что и для столба жидкости и составляет: где -средняя массовая концентрация (плотность) твердых частиц.
2) При механическом воздействии на поверхности слоя, похожей на поверхность кипящей воды, могут возникать поперечные волны.
3) Поведение инородных тел в слое подчиняется закону Архимеда. Напр., можно судить о наступлении псевдоожиженного состояния, если тела с плотностью, меньшей средней плотности слоя, всплывают, а с большей - тонут.
4) Из отверстия в боковой стенке аппарата с псевдоожиженным слоем через введенный в него трубопровод твердые частицы "вытекают", образуя струю, начальная скорость которой где g- ускорение свободного падения.
5) Смежные псевдоожиженные слои ведут себя как сообщающиеся сосуды. Поддерживая в таких слоях за счет различия в рабочих скоростях ожижающего газа разные средние плотности твердых частиц, можно организовать циркуляцию материала. В горизонтальных лотках слой течет, как жидкость в каналах.
6) Скорости всплытия пузырей в слое и невязкой жидкости при малых скоростях ожижающего газа практически одинаковы и пропорциональны , где dп - эквивалентный диаметр пузыря (диаметр эквивалентного шара, имеющего тот же объем, что и пузырь).
Сходство между жидкостью и слоем проявляется при помещении в него перемешивающих устройств. Закономерности макросмешения в псевдоожиженном слое твердых частиц и жидкости сопоставимы при барботаже газа. Однако аналогия с жидкостью наблюдается лишь при пропускании через зернистый слой достаточного для его псевдоожижения количества газа. Например, если газ вводят неравномерно по сечению слоя, возникают зоны, где частицы неподвижны. Такие неподвижные (застойные) зоны могут образовываться на различных конструкционных элементах аппарата (на внутренних теплообменных устройствах и др.). В застойных зонах могут протекать нежелательные побочные процессы, возникать агломераты твердых частиц и т. д. Если в ходе химико-технологического процесса частицы укрупняются, возможно прекращение псевдоожижения
Пузыри в псевдоожиженном слое. Важнейшим свойством псевдоожиженных слоев типа газ-твердое тело является образование в них пузырей (см. выше). От их размеров (обычно 3-30 см, но наблюдаются пузыри диаметром 0,5-0,7 м), общего числа, скоростей подъема зависит макросмешение газа и твердых частиц, а следовательно, и свойства слоя как среды для осуществления химико-технологических процессов. В промышленных аппаратах, диаметры которых в ~5 раз и более превышают возможные размеры пузырей, картина их движения зависит от размера и плотности твердых частиц. По этим признакам ожижаемые материалы принято подразделять на группы А, B,С, D. Принадлежность сыпучих материалов к соответствующей группе приближенно устанавливают с помощью рис. 1 (по Джелдарду).
Рис. 1. Диаграмма классификации сыпучих материалов в логарифмической шкале (A -D-группы материалов; r и d- плотность и диаметр твердых частиц).
В слоях частиц группы А (рис. 2, а) пузыри зарождаются вблизи поверхности газораспределительной решетки. По мере всплытия пузыри растут за счет натекания газа из плотной фазы и коалесценции. Одновременно наблюдаются акты разрушения пузырей, образования короткоживущих агломератов мелких пузырей, разделенных прослойками твердой фазы, которые вновь сливаются в один пузырь. На расстояниях 1,0-1,5 м от газораспределителя размеры пузырей стабилизируются. Однако при этом они начинают двигаться "цепочками", траектории которых изменяются. Масштабы плотных зон (так называемых плотных пакетов) слоя, разделяющих полые неоднородности, увеличиваются. Скорости всплытия пузырей составляют 0,7-1,0 м/с, в то время как скорости ожижающего газа, отнесенные к полному сечению слоя, обычно не превышают 0,4 м/с. Доля газа, проходящего слой в виде пузырей, быстро возрастает при удалении от газораспределителя. Так, на расстоянии 0,2-0,5 м от решетки типа "пористая плита" в виде пузырей движется практически весь газ.
В псевдоожиженных слоях материалов группы В картина движения пузырей качественно не изменяется, но наблюдаются заметные количеств. отличия осредненных характеристик фазы пузырей. Напр., уменьшаются число актов разрушения и коалесценции пузырей, а также доля газа, проходящего слой в виде пузырей. В слоях материалов группы D характер движения пузырей заметно изменяется. Пузыри приобретают "сплющенную" форму, т. е. их размеры по горизонтали становятся существенно больше размеров по вертикали (см. рис. 2, а). При этом скорости всплытия пузырей меньше скоростей ожижающего газа. В слоях материалов группы С пузыри не образуются. Эти материалы удается привести в псевдоожиженное состояние только при дополнит. мех. воздействиях, например с помощью помещенной в слой мешалки.
Структура потоков в псевдоожиженном слое упрощенно описывается моделью, в которой можно выделить три механизма. По первому из них применительно к материалам групп А и В газ движется через пузырь снизу вверх под действием перепада давлений, пропорционального высоте пузыря. Если его скорость превышает скорость газа, пузырь "догоняет" и снова "всасывает" газ. При этом возникает устойчивое "облако циркуляции" газа, из которого газ проникает в глубь плотных пакетов. По второму механизму, обычно сопутствующему первому, перенос газа между пузырями и плотными зонами межфазного обмена происходит вследствие деформации, разрушения пузырей и образования их агломератов. Третий механизм предполагает участие в переносе газа твердых частиц.
Рис. 2. Локальные кривые вымывания газов-трассёров (1) и кривые флуктуации плотности псевдоожиженного слоя (2): а-фрагменты двухмерного слоя (материалы групп А и D); б-инертный и адсорбирующийся трассёры, соотв. Tрин и Tрадс (материал группы A); в-инертный трассёр (материал группы D); с0, с-начальная и текущая концентрации трассёра; т-время.
Перенос газа между пузырями и плотными зонами обычно исследуют экспериментально (см. также Переноса процессы). Например, совмещают локальные кривые вымывания меченого газа-трассёра (см. Трассёра метод)и локальные кривые флуктуации плотности, вызываемые движением пузырей (рис. 2). Сравнение кривых в области слоя, где сформировались большие пузыри, показывает, что в пузырях измеряются минимальные концентрации трассёра (плотность слоя также минимальна), а в плотных пакетах-макс. концентрации (плотность максимальна). Чем больше разница концентраций в пузырях и плотной зоне, тем меньше коэффициент обмена (обменные потоки газом между разреженными и плотными зонами, отнесенные к единице объема слоя).
Из анализа кривых вымывания инертных трассёров (рис. 2,5 и в), например Не, следует, что при переходе от материалов групп А и В к материалам группы D коэффициенты обмена увеличиваются на два порядка. Это связано с тем, что газ проходит пузыри, обгоняя их, и "облака циркуляции" исчезают. Если газ-трассёр, например хладон 12, адсорбируется частицами (рис. 2, б), то при смене пакетов на пузыри пульсации концентраций трассёров меньше, то есть коэффициент обмена возрастают. Это объясняется участием в переносе газа твердых частиц, и кол-во переносимого газа тем выше, чем выше адсорбционная способность частиц. Так, в промышленных адсорберах коэффициент обмена в 100-1000 раз больше, чем в каталитических реакторах, в которых адсорбционный перенос газа несуществен.
Пузыри, всплывая, перемешивают твердые частицы. В грубом приближении их перемешивание напоминает молекулярную диффузию (см. Диффузия). Поэтому для описания перемешивания обычно используют диффузионную модель (см. Структура потоков). При этом коэффициент диффузии принято называть эффективным или коэффициентом перемешивания. Твердые частицы также переносят газ, который содержится в порах, свободном объеме пакетов, и адсорбируются на их поверхности. Поэтому интенсивность перемешивания газа тем больше, чем выше способность частиц адсорбировать газ.
Твердые частицы - основной теплопереносящий агент в псевдоожиженном слое, поскольку их объемные теплоемкости на три порядка выше, чем для газа. Значения коэффициентов перемешивания частиц достаточно велики для того, чтобы слой был практически изотермичен (в случае быстро протекающих экзотермич. реакций изотермичность слоя м.б. существенно нарушена).
Теплообмен в псевдоожиженном слое. Теплообмен между поверхностью твердых частиц и ожижающим газом обычно не лимитирует скорость химико-технологических процессов в слое. Например, при сушке материала, содержащего поверхностную влагу, температура слоя практически равна температуре мокрого термометра (см. Сушка), т.е. успевает установиться термическое равновесие в слое, даже если время пребывания в нем газа составляет десятые доли секунды.
Одна из основных причин широкого применения техники псевдоожижения - интенсивный теплообмен псевдоожиженного слоя с поверхностями погруженных в него тел или со стенками аппарата [коэффициент теплоотдачи 100-1000 Вт/(м2•К)]. Теплота передается: 1) через тонкую газовую прослойку (толщиной менее d), которая непрерывно разрушается и обновляется благодаря движению твердых частиц около одной из указанных поверхностей; 2) твердым частицам при их контакте с теплообменной поверхностью (разность температур отдельной частицы и поверхности близка к разности температур поверхности и слоя, поскольку время контакта мало); 3) пакетам твердых частиц, которые периодически сменяются у поверхности или чередуются с пузырями; 4) твердой фазе, движущейся сплошным потоком в контакте с поверхностью. В высокотемпературных псевдоожиженных системах заметную роль играет также тепловое излучение.
В рамках перечисленных механизмов можно объяснить наблюдаемые закономерности теплообмена слоя с какой-либо поверхностью. Эти механизмы, как правило, действуют совокупно, поэтому теплообмен нестационарен. Например, мгновенные значения коэффициента теплоотдачи изменяются с периодичностью, соответствующей появлению пузырей у теплообменной поверхности (рис. 3). В момент ее контакта с пузырями коэффициент теплоотдачи минимальны и максимальны при контакте с плотными пакетами. Осредненные по времени коэффициенты теплоотдачи (обычно применяемые в инженерных расчетах) возрастают при увеличении температуры псевдоожижение, теплопроводностей газа и плотного слоя частиц, а также при уменьшении их диаметра до тех пор, пока они способны к самостоятельное псевдоожижение (не принадлежат к группе С). При увеличении рабочей скорости газа W коэф. теплоотдачи первоначально возрастают вследствие увеличения подвижности частиц и их плотных пакетов. При дальнейшем росте W время контакта теплообменной поверхности с пузырями увеличивается и осредненные по времени коэффициент теплоотдачи уменьшаются. Их локальные значения существенно зависят от формы и конструкции теплообменник устройств, а также от ориентации последних к направлению движения газа. Так, для горизонтального цилиндра коэффициента теплоотдачи в "лобовой" зоне может быть в 3-4 раза больше, чем в "кормовой". Это доказывает, что аналогия между слоем и жидкостью имеет пределы.
Рис. 3. Мгновенные значения коэффициентов теплоотдачи a от псевдоожиженного слоя к теплообменной поверхности (т-время).
Достоинства и недостатки псевдоожиженного слоя. В зависимости от особенностей химико-технологического процесса одни и те же свойства псевдоожиженного слоя можно трактовать и как достоинства и как недостатки. Так, унос из слоя мелких частиц осложняет осуществление каталитических процессов, а при сушке используется для выгрузки готового продукта; при интенсивном перемешивании выравнивается поле температур и устраняется возможность значительных локальных перегревов, то есть достигается изотермичность слоя (что важно, например, при переработке термолабильных материалов), однако снижается движущая сила процесса и возрастает неоднородность обработки твердых частиц. Истираемость их в слое может приводить, например, к увеличению расхода катализаторов, существенным затратам на пылеочистку отработанных газов; тем не менее, при обжиге, хлорировании или сушке, сопровождаемых осмолением поверхности твердых частиц и стенок аппаратов, истираемость играет важную роль.
Главные преимущества аппаратов с псевдоожиженным слоем перед применяемыми в одних и тех же с ними химико-технологических процессах аппаратами с неподвижным или движущимся слоем зернистого материала и аппаратами типа "вращающийся барабан": простота загрузки и перемещения ожижаемого материала, а также выгрузка готового продукта; возможность размещения внутри теплообменных, газораспределительных либо перемешивающих устройств; интенсивность теплообмена между псевдоожиженным слоем и поверхностью конструкционных элементов; легкость герметизации даже при высоких рабочих давлениях и т.д. Для многих химико-технологических процессов единичная мощность агрегатов, включающих аппараты с псевдоожиженным слоем, практически неограничена.
Области применения псевдоожиженного слоя чрезвычайно многообразны. Обобщим их с помощью нескольких типовых схем аппаратов (рис. 4), каждый из которых может быть использован для проведения группы процессов (мех., физ., физ.-хим. или химических), обладающих сходными чертами.
Псевдоожижение в проточных системах газ-твердое тело (рис. 4, а и б)часто применяют при нагревании и охлаждении, адсорбции, сушке, водной дегазации полимеров, коксовании, восстановлении Fe2O3 водородом и др. Обычно твердые частицы движутся сверху вниз навстречу газовому потоку. Приближение структуры потоков к идеальному вытеснению достигается посредством перегородок провального типа, решеток с переточными устройствами, оформлением псевдоожиженного слоя в виде вертикального каскада последовательно соединенных аппаратов.
Рис. 4. Аппараты с псевдоожиженным слоем: а, б-секционированые противоточные с решетками провальными и снабженными переточными устройствами (адсорбция, обжиг); в - прямоточный с "быстрым" слоем и циркуляцией твердых частиц (обжиг, сжигание твердых топлив); г, д-с внутренними теплосьемными элементами и различными способами газораспределения (реакторные процессы); е-с внутренним циркуляционным контуром (десублимация, реакторные процессы); ж - блок аппаратов с циркуляцией твердых частиц (крекинг, риформинг); з-с горизонтальным слоем (нагревание, охлаждение, сушка). I-поток сжижающего агента; II-поток частиц.
В подобных противоточных системах создаются оптимальные условия взаимодействия фаз. Так, при экзотермических процессах (например, при окислении) в верхних по ходу потока секциях аппарата с псевдоожиженным слоем осуществляется подогрев твердых частиц отходящими газами, в нижних - нагревание ожижающего агента обработанными твердыми частицами; в результате в рабочей зоне удается поддерживать высокие температуры без дополнительного подвода теплоты. При адсорбции в нижних секциях аппарата насыщенные сорбируемым компонентом частицы взаимодействуют с газовым потоком, в котором концентрация этого компонента максимальна, в верхних секциях обедненный им газ контактирует со свежими твердыми частицами; таким образом обеспечивается приближение к оптимально возможной степени извлечения целевого компонента. Вследствие сужения в секционированном аппарате спектра распределения времен пребывания твердых частиц и уменьшения интенсивности перемешивания достигается их равномерная обработка, что важно во многих процессах (например, при восстановлении металлов из оксидов).
Широко распространены прямоточные процессы в "быстрых" псевдоожиженных слоях, нередко комбинируемых с обычными кипящими слоями (рис. 4, в). При скоростях, которые превышают скорости уноса, твердые частицы движутся в виде газовой взвеси или разреженных пакетов, перемешивание газовой и твердой фаз невелико, устраняются сопротивления межфазному переносу. В результате предотвращается агломерация частиц (напр., при сжигании угля или сланцев), достигаются равномерный выжиг кокса при термическом крекинге и высокие степени превращения и селективности в каталитических процессах, снижаются энергозатраты при получении g-А12О3 из гидроксида А1 и т.д.
Многочисленны реакторные процессы (в том числе каталитические), осуществляемые в псевдоожиженных слоях. Наиболее известны окислит. хлорирование этилена до дихлорэтана; окислительный аммонолиз пропилена с получением акрилонитрила; синтез винилацетата взаимодействием уксусной кислоты с ацетиленом; окисление нафталина во фталевый ангидрид и SO2 в SO3; получение различных хлорсиланов взаимодействием порошкообразного Si и его сплавов с НС1, СН3С1, С2Н5С1, а также с С6Н5С1; прямое хлорирование углеводородов и хлоругле-водородов. Весьма перспективно хлорирование оксидов металлов с получением хлоридов Al, Ti, Fe, Si и др.
При всем многообразии конструкций реакторов они представляют собой аппараты со свободно кипящими или секционированными с помощью провальных решеток слоями, которые снабжены теплообменными элементами; последние имеют газораспределители в виде перфорированных плит либо сопла, а также барботеры (рис. 4, г; в данном случае через решетку и барботер вводятся различные газовые потоки). Нередко газ поступает в реактор через боковые штуцера (рис. 4, д и е). Функционируют аппараты, в которые одновременно вводятся газообразные и жидкие реагенты. Способы улучшения контактирования фаз, а также воздействия на перемешивание в реакторах принципиально те же, что и для систем газ-жидкость в колонных аппаратах. Благодаря текучести псевдоожиженного слоя такие каталитические процессы вторичной переработки нефти, как крекинг и риформинг, проводят в совмещенных блоках реактор - регенератор (рис. 4, ж), что позволило перейти от полупериодического производства к непрерывному. Подобные комбинации быстро распространились и на иные реакционные и массообменные процессы (например, системы реактор-адсорбер).
Псевдоожиженный слой также применяют: для получения гранулированных продуктов путем ввода в слой распыленных растворов или струй газов, конденсирующихся с образованием твердых продуктов, например минер. удобрений, льда, А1С13 (см. Сублимация); для покрытия защитной полимерной пленкой нагретых деталей; для проведения кристаллизации из растворов, выщелачивания (ожижающий агент - выщелачивающий раствор), растворения; как высокотемпературный теплоноситель и т. д.
Вообще, отрасль промышленности, где псевдоожиженный слой не используется или не может быть применен в перспективе, назвать трудно В то же время он является одной из наиболее сложных cред для осуществления химико-технологических процессов, и перечень неудачных попыток его использования весьма велик.
0,1 мм) частиц Wk ~ d2, для крупных ( 
1 мм) — Wk ~ 
где d-диаметр частиц].
где 
-средняя массовая концентрация (плотность) твердых частиц.
где g- ускорение свободного падения.
, где dп - эквивалентный диаметр пузыря (диаметр эквивалентного шара, имеющего тот же объем, что и пузырь).
