Фонтанирующий слой. США. 1974. Пер. с англ, под ред. докт. техн. наук, проф. И. П. Мухленова и канд. техн. наук, доц. А. Е. Горштейна
Предлагаемая читателю книга является первой монографией, в которой рассматриваются механизм образования, гидродинамические характеристики, структура фонтанирующего слоя зернистых материалов и его применение з процессах сушки, грануляции и др. В ней анализируются уравнения для расчета параметров слоя. • Она выгодно отличается от известных книг по теории и технике псевдоожижения хорошей систематизацией практически всего накопленного материала (большую долю составляют исследования советских ученых).
Книга предназначена для научных и инженерно-технических работников химической и нефтехимической промышленности, а также может быть полезна преподавателям, аспирантам и студентам химико-технологических вузов.
288 стр., 31 табл., 106 рис., список литературы 302 ссылки.
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРОВ РУССКОГО ПЕРЕВОДА
Среди многочисленных методов осуществления контакта между взаимодействующими фазами во многих гетерогенных процессах фонтанирующий слой занимает особое место. Большинство исследователей признают за ним целый ряд неоспоримых преимуществ, таких как отсутствие распределительного устройства; возможность перерабатывать крупные твердые частицы, полидисперсные материалы, агрессивные среды; осуществлять процессы при высоких температурах; обрабатывать слипающиеся, агломерирующиеся и спекающиеся материалы и т. п. При этом для многих процессов подчеркивается большая интенсивность "работы аппаратов с фонтанирующим слоем по сравнению с установками КС. Тем не менее использование фонтанирующего слоя в промышленной практике, по крайней мере в нашей стране, далеко не такое широкое, как, скажем, кипящего или даже движущегося слоев. Отнести это за счет недостаточной изученности явления теперь уже нельзя, поскольку только в СССР исследованию фонтанирующего слоя посвятили свои работы П. Г. Романков и Н. Б. Раш-ковская, Н. И. Гельперин и В. Г. Айнштейн, С. С. Забродский, А. П. Баскаков, И. П. Мухленов и А. Е. Горштейн, Н. Б. ^Кон-дуков, Н. С. Вавилов, И. Т. Эльперин, их многочисленные ученики и последователи.
Дело скорее всего заключается в том, что, несмотря на более чем двадцатилетнюю историю существования этого метода, он до сих пор не был обстоятельно и обобщенно представлен в единой монографии. Предлагаемая читателям книга в значительной степени восполнит этот пробел.
Авторы книги — известные специалисты в области фонтанирующего слоя, а К. Б. Матур и вообще является одним из создателей этого метода, впервые описанного в 1955 г. Это обстоятельство, бесспорно, сделает книгу полезной для многих инженеров-практиков, исследователей, аспирантов, студентов старших курсов, всех, кто специализируется в области химической технологии, металлургической промышленности, производстве строительных материалов, пищевых продуктов, фармацевтических изделий.
Одним из достоинств монографии является стремление авторов тщательно проанализировать состояние вопроса, обсудить всю имеющуюся техническую литературу, критически оценить подходы
различных исследователей как к изучению самого явления, так и к интерпретации полученных данных. В этой связи обращает на себя внимание прекрасная осведомленность авторов о работах советских исследователей. Пожалуй, трудно найти еще одну техническую книгу, изданную за рубежом, в которой с такой полнотой были бы представлены работы советских ученых в данной области.
Работа над монографией началась в 1968 г., и в 1974 г. книга была опубликована. За период после 1974 г. в технической, литературе появилось довольно много данных об исследовании фонтанирующего слоя, дополняющих, корректирующих, а иногда и опровергающих мнение авторов монографии. Это побудило нас, во-первых, дополнить список литературы последними изданиями, а, „ во-вторых, высказать своё отношение к некоторым спорным моментам.
Вслед за авторами монографии мы надеемся, что опубликование ее в нашей стране послужит несомненным стимулом к дальнейшему изучению фонтанирующего слоя, его усовершенствованию, будет содействовать более широкому внедрению в промышленное производство.
И. П. Мухленов А. Е. Горштейн
ПРЕДИСЛОВИЕ
Когда в 1967 г. у нас впервые возникла идея составления обзора по фонтанирующему слою, мы были довольно далеки от этой тематики, поскольку свыше десяти лет каждый из нас занимался деятельностью, не связанной с фонтанированием. Написание настоящей монографии стимулировалось обилием периодически появляющихся публикаций по этой теме. Мы начали работу в 1968 г., планируя написать минимонографию по результатам наших исследований. Покопавшись немного в литературе, мы вскоре осознали, что взяли на себя значительно более сложную задачу, чем рассчитывали сначала. Со временем мы также поняли, что затронули интенсивно развивающуюся тему и что само фонтанирование не может быть охарактеризовано как «канадское псевдоожижение», по определению некоторых наших иностранных коллег. Этот вопрос приобрел особую остроту, когда мы просмотрели список работ [273—286], представленных в 1973 г. на Международном симпозиуме по фонтанирующему слою в Ванкувере.
Интернациональный характер работ по фонтанированию отражен и в списке литературы нашей книги, при этом языковый барьер был в значительной степени преодолен благодаря усилиям многих переводчиков.
Наш переводчик с русского на английский профессор И. Со-лецки из UBC (Университет Британской Колумбии) проделал огромную работу, так как вклад советских ученых в изучение фонтанирующего слоя весьма значителен.
Все же мы сочли необходимым обсудить с профессором: Заброд-ским вопрос, касающийся приоритета в исследовании фонтанирующего слоя. В предисловии к своей книге «Гидродинамика и теплообмен в псевдоожижённом слое» (1966 г. [260]) Забродский упрекает Лева (1959г. [117]) за утверждение о том, что фонтанирующий слой является «...последним новшеством, пришедшим из Канады...», и отмечает, что «...нам (в Советском Союзе) известно об аппаратах с воздушным фонтаном уже более двадцати лет». Просмотрев некоторые из ссылок, цитируемых Забродским в подтверждение своего замечания, мы нашли, что, хотя термин «фонг-танирование» в советской литературе действительно появился ранее работы Матура — Гишлера (1955 г. [137]), этот термин использовался советскими учеными в несколько другом смысле.
Например, система для сжигания дробленого каменного угля, в которой «слой сильно взвешен и заполняет весь аппарат», была названа Сыромятниковым (1951 г. [223]) «печью фонтанирующего типа». Объемная концентрация каменного угля в процессе взвешивания в этой системе составляла 20—30 кг/м3, в то время как насыпная плотность этого угля равна 400—500 кг/м3. Описанный процесс не намного отличается от фонтанирования газом в печи для обжига руды, запатентованного Робинсоном [196] в США почти столетие назад (1879 г.), и имеет отдаленное гидродинамическое сходство с хорошо известным явлением, названным Матуром и Гишлером «фонтанированием». Сходным образом газовоздушные сушилки Романкова и сотрудников [200] и Саяшна [207], используемые для сушки красок, пигментов и других пастообразных материалов, также упоминаемые Забродским, в действительности представляют собой системы с интенсивным псевдоожижением в конических аппаратах. Таким образом, по-видимому, возникла семантическая трудность, которая впоследствии была устранена • Романковым и Рашковской. Эти авторы в своей книге «Сушка во взвешенном состоянии» (1968 г. [201]) используют термин «аэрофонтанный режим» для описанного выше типа процесса в сильно разреженном по твердой фазе потоке в отличие от «фонтанирующего слоя», который, как они отмечают, был «впервые систематически исследован Матуром и Гишлером», как гидравлическая система.
За этот период в технической литературе появился большой объем информации по фонтанирующему слою. Из час^ти этого материала периодически составлялись обзоры в журналах [8, 49, 60, 141, 166] и монографиях [117, 140, 169, 177, 201, 260]. Хотя общее понимание сущности явления фонтанирования все еще далеко от полноты, достигнута определенная стадия, на которой накопленная информация может быть соответствующим образом систематизирована, и теперь можно попытаться четко отделить, известное и сформировавшееся от неизвестного и неисследованного в явлении фонтанирования. Именно такая постановка вопроса составляет основную задачу нашей книги; оправданность написания ее диктуется большим разнообразием процессов, для которых доказана целесообразность применения фонтанирования. Хотелось бы надеяться, что многосторонний характер вопросов, которые мы попытались обсудить в монографии, приведет, с одной стороны, к более полному промышленному использованию специфических свойств фонтанирующего слоя, а, с другой стороны, — к дальнейшим научным исследованиям тех аспектов явления фонтанирования, где требуется более полное понимание основных принципов. Чтобы идти в ногу со временем, мы старались использовать систему СИ, и отсутствие в книге д*с является доказательством того, что наши усилия увенчались определенным успехом. Однако мы
позволили себе и некоторые вольности. Многие эмпирические уравнения из опубликованной литературы оставлены в оригинальной транскрипции.
Благодарности
Мы глубоко благодарны нашим иностранным коллегам, JKOTO рые в течение последних пяти лет предоставляли нам не только репринты, но также и препринты своих статей, книг и диссертаций. Среди них следует отметить профессора Ратклиффа из Австралии, профессора Куго и Уемаки из Японии, профессора Немета и доктора Паллаи из Венгрии, профессора Волпицелли и Массимилла из Италии, профессоров Вуковича и Зданьского из Югославии, профессоров Нельсона и Клэри из США и профессоров Мухленова, Горштейна, Романкова, Забродского, Ми-хайлика, Гельперина и Айнштейна из СССР.
Мы также признательны доктору Сторроу (Англия), мистеру Берквину (Франция), мистеру Мак Доннелу (Коминчо, Канада), и особенно мистеру Петерсону (NRC, Национальный исследовательский совет, Канада), предоставившим в наше распоряжение ценные неопубликованные результаты, включенные "Нами в текст монографии.
Значительный вклад в книгу сделан студентами последнего курса технологического факультета Университета Британской Колумбии, что отражено в списке литературы, который включает не менее десятка работ на степень бакалавра UBC. Дипломанты С. Дж. Лим и Т. Л. Труонг оказали помощь в вычислительной работе.
Нам хотелось бы принести особую дань Лауре Шарп, которой наряду со своими обязанностями как-то удавалось печатать страницу за страницей рукописи на своей машинке с .завидной скоростью, необыкновенной тщательностью и всегда в хорошем настроении. Существенную поддержку в работе нам оказывала Вина Матур.
Наконец, мы благодарны Национальному исследовательскому совету Канады за финансовую помощь в процессе проведения исследований.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие редакторов русского перевода........ 5
Предисловие ...................... 7
Благодарности ..................... 9
1. Введение.......................... 10
1.1. Фонтанирующий слой . . . . Г........... 10
. 1.2. История ...................... 13
1.3. Условия фонтанирования '............... 14
1.4. Место фонтанирующего слоя в ряду систем взаимодействия
газ — твердое . ................'. . . 17
1.5. Сравнение фонтанирования и псевдоожижения...... 19
1.6. Порядок изложения материала............. 21
2. Начало фонтанирования............... . . . . 22
2.1. Механизм........... ........... 22
2.2. Перепад давления.................. 27
Л. Интерпретация измерении перепада давления .... 27
Б. Пик перепада давления .............. 29
В. Перепад давления при фонтанировании....... 35
2.3. Минимальная скорость фонтанирования ........ 40
A. Максимальное значение.............. 41'
Б. Уравнения.................... 44
B. Расчет для больших слоев............. 53
3. Модель потока газа...................... 56
Л
3.1. Экспериментальные данные.............. 56
3.2. Расчет газораспределения............... 60
3.3. Распределение времени пребывания.......... 67
4. Характер движения твердых частиц.............. 69
4.1. Движение частиц в ядре................ 69
A. Техника измерения................ 69
Б. Продольный профиль ............... 70
B. Радиальный профиль ............... 77
4.2. Движение частиц в кольце и их рециркуляция...... 78
А. Экспериментальные данные . ........... 78'
Б. Теоретические расчеты .............. 85-3
4.3. Эффективность перемешивания частиц......... 88
А. Экспериментальные данные............ 88
Б. Моделирование.................. 91
286 "-••••;
5. Структура слоя....................... 97
5.1. Форма фонтанирующего ядра............. 97
A. Экспериментальные наблюдения .......... 97
Б. Эмпирические соотношения ............ 101
B. Теоретические модели............... 101
5.2. Распределение порозности............. . 107
А. Кольцо..................... 107
Б. Фонтанирующее ядро .............. 107
6. Устойчивость фонтанирования ................ 114
6.1. Экспериментальные наблюдения........... 114
А. Влияние геометрии аппарата............ 114
Б. Влияние свойств твердых частиц.......... 118
' В. Влияние скорости газа............... 121
6.2. Максимальная высота слоя, способного фонтанировать . . 122 ' А. Механизмы,. определяющие границы устойчивого фонтанирования................... 122
Б. Методы расчета ................. 123
7. Истирание частиц...................... 127
8. Теплообмен ......................... 132
8.1. Теплообмен между газом и частицами......... 132
A. Механизм обмена................. 132
Б. Экспериментальные данные ............ 137
B. Расчетные уравнения ............... 139
8.2. Теплообмен между стенкой и слоем........... 141
A. Механизм обмена................. 141
Б. Экспериментальные данные ............ 142
B, Теоретическая модель............... 148
8.3. Теплообмен между погруженным телом и слоем..... 149
А: Механиз^ обмена................. 150
Б. Экспериментальные данные........... . 150
9. Массопередача и сушка.................... 150
9.1. Массообмен при условиях внешнего контроля ...... 155
А. Механизм переноса................ 155
Б. Экспериментальные исследования ......... 157
9.2. Массопередача при условии внутреннего контроля .... 159
9.3. Расчетные уравнения для сушки твердого материала . . . 161
A. Постоянная скорость сушки............. 161
Б. Падающая скорость сушки............. 162
B. Промежуточный случай............... 169
10. Химическая реакция в паровой фазе.............. 171
10.1. Фонтанирующий слой как химический реактор..... 171
10.2. Теоретическая модель для расчета каталитической конверсии ....................... 172
10.3. Расчет производительности реактора......... 175
10.4. Сравнение с неподвижным и кипящим слоями..... 178
10.5. Экспериментальные данные ............. 181
11. Применение........................ 182
11.1. Введение..................... 182
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ.
11.2. Диффузионные процессы .............. . 185
A. Сушка гранулированных твердых частиц ...... 186
Б. Сушка суспензий и растворов ........... 190
B. Фонтанирующий слой как реактор — гранулятор . . 200
Г. Нанесение покрытий............... 202
Д. Сорбция....................' 207
Е. Диффузионные процессы, которые можно осуществить
в фонтанирующем слое.............. 207
287
Н.Э., Термическая обработка........ . . v ,. , . . 208
A. Нагревание твердого материала .... . .;-л •. . . 208
B. Охлаждение твердых частиц............ 210
В. Пищевая промышленность ..........., 211
11.4. Механическая обработка..............>. 211
A. Перемешивание твердых веществ.......... 212
Б. Дробление................ . . . 213
B. Возможные (перспективные) механические операции ^fSifc^
ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ.
11.5. Твердые частицы как реагенты............ 219
A. Низкотемпературное коксование угля (полукоксование) 219
B. Пиролиз сланца.............. . . . 222
В. Восстановление железной руды.......... 225
Г. Производство цементного клинкера......... 227
Д. Активирование древесного угля......... . 227
11.6. Твердый материал как теплоноситель или катализатор 227
А. Термический крекинг нефти............ 227
Б. Катализ твердыми катализаторами........ 232
12. Модификации....................... 233
12.1. Множественное фонтанирование ....'.'...... 233
12.2. Многоступенчатое фонтанирование .......... 237
12.3. Фонтанирование в пульсирующем потоке....... 239
12.4. Фонтанирование с трубчатыми вставками-....... 244
А. Трубчатая вставка................. 245
Б. Трубчатый ситчатый вкладыш ....'....... 246
12.5. Другие модификации................ 247
A. Кольцевой фонтанирующий слой.........._ 247
Б. Щелевой фонтанирующий слой .'...'...... 247
B. Фонтанирование с обратным газовым потоком в кольце 249
Г. Фонтанирующий кипящий слой.......... 250
Д. Фонтанирование жидкостью . . . . . . . . . . . 251
13. Конструирование ...................... 254
13.1. Общие соображения................. 254
13.2. Необходимые эксперименты и критерии масштабирования 257
A. Режим фонтанирования ............. 257
Б. Данные по скорости и равновесию.........' 259
B. Работа на пилотной установке............ 260
13.3. Некоторые практические предложения......... 262
A. Ввод газа.................... 262
Б. Загрузка и выгрузка твердого материала...... 263
B. Контроль уровня слоя.........,..... 264
Г. Поддержка слой................. 264
ДЛ Отражатель фонтана............... 2б5_.
П'р и л о ж е н и я................ . . . -. . . 267"
Обозначения . t...............•...... 267
ч Соотношение между некоторыми внесистемными единицами и
единицами СИ ..................... 270
Лит ер атура ....................... 271
Литература, рекомендуемая редакторами перевода...... 281
Предметный указатель............... 283
Цена: 300руб.
