.5 TECHNIKA NA TVORBU FLUIDNÝCH VRSTIEV Oerácie, ri korých je orebný inenzívny syk ekuej a evnej zrniej áky, sa veľmi časo uskuočňujú vo fuidnej vrsve. V riemysenej raxi nachádza fuidizácia re svoje výhody časé uanenie. Využíva sa v dorave sykých maeriáov vo fuidných žľaboch, ri sušení a mrazení zrniých maeriáov, v chemických reakoroch, v korých je uhá fáza jednou z reagujúcich zožiek aebo kaayzáorom..5. Teória fuidizácie Fuidná vrsva vzniká ri rúdení ekuiny, korá reeká óroviou vrsvou časíc, uožených na roše vo vacovej nádobe smerom hore a ekuina má menšiu husou ako časice. Ak ekuina rúdi maou rýchosťou, ide o rieok nehybnou óroviou vrsvou (obr..46a). Pri osunom zvyšovaní rýchosi rúdenia ekuiny sa dosiahne sav, keď sia, korou ôsobí ekuina na časice, bude v rovnováhe s iažovou siou časíc zmenšenou o vzakovú siu. Pri omo save, korý sa nazýva rah fuidizácie, sa časice od seba navzájom oddeia a začnú sa vznášať (obr..46b). Pri ďašom zvyšovaní rýchosi rúdenia ekuiny fuidná vrsva exanduje, jej óroviosť sa zväčšuje (obr..46c). Vrsva sa svojim srávaním odobá vriacej kvaaine, nar. ľahšie eá môžu ávať na ovrchu vrsvy, ri skonení aaráu zosáva ovrch vrsvy vodorovný, ri miernom skone dochádza vo vrsve k oku ako v kvaainách. Exanzia vrsvy môže okračovať až do savu, keď sa jednoivé časice ranú navzájom ovyvňovať. Vedy je rýchosť ekuiny rovnako veľká ako usadzovacia rýchosť samosanej časice a eno sav sa nazýva rah úeu. Pri rekročení rahu úeu ekuina unáša časice z aaráu, ovrch vrsvy rane byť zreeľný a vrsva sa rozadáva. a) b) c) Obr..46 Vznik a exanzia fuidnej vrsvy Pri usáenom rieoku ekuiny fuidnou vrsvou môže ekuina reekať vrsvou časíc niekoľkými sôsobmi. Sôsob reekania ekuiny závisí od veľkosi, množsva a varu časíc, vasnosí ekuiny, veľkosi zariadenia a od oužiého rošu. Najjednoduchším yom fuidnej vrsvy je rovnomerná fuidná vrsva (obr..47a). Rovnomerná fuidná vrsva je yická re ríady, keď fuidizačnou ekuinou je kvaaina. Časice sú vo vrsve rozýené rovnomerne. Koncenrácia časíc v každom mie je časovo nezávisá a ohyb časíc vo vrsve je úne náhodný. Zaiaľ čo vrsva fuidizovaná kvaainou zosáva sravida homogénna až do dosiahnuia rahu úeu, srávajú sa vrsvy fuidizované ynom úne inak. 9
a) b) c) d) e) Obr..47 Druhy fuidných vrsiev Pyny zvyčajne reekajú fuidnými vrsvami v bubinách. Takáo vrsva sa voá bubajúca fuidná vrsva (obr..47b). S rasom rieoku ynu sa zvyšuje rýchosť zmiešavania vo vrsve, časice vykonávajú rýche ohyby a vysrekujú nad hadinu vrsvy. Pri zvyšovaní rieoku sa objem vrsvy veľmi neíši od objemu, korý maa vrsva na začiaku fuidizácie. Niekedy sa bubiny ynu ri súaní vrsvou sájajú a v dosaočne vysokých vrsvách sa môžu zväčšiť naoľko, že vynia ceý rierez aaráu. Poom je ceá časť vrsvy nad bubinou vyáčaná hore ako i. Časice z oho iu osune readávajú doe a i sa nakoniec rozadá. V om isom čase sa však vorí ďaší i a eno dej sa oakuje. Takáo vrsva sa nazýva iujúca vrsva (obr..47c). Piovanie vrsvy je zvyčajne nežiadúce, reože vedie k zvýšeniu únosu časíc a k zníženiu inenziy syku medzi časicami a ynom. S iujúcimi vrsvami sa sreávame najmä ri vysokých a úzkych fuidných vrsvách. Pri fuidizácii niekorých maeriáov dochádza k vyváraniu kanáikov, ri korom značné množsvo ynu reeká vrsvou jedným aebo niekoľkými kanáikmi, koré sa vyvoria vo vrsve (obr..47d). Vyváranie kanáikov sa vyskyuje najmä v jemných maeriáoch, aebo v eivých časiciach, koré majú skon k agomerácii. Vrsvy s vyvorenými kanáikmi neočíame medzi fuidné vrsvy, reože časť vrsvy maeriáu je neohybivá. Ak má sodná časť zariadenia var kužeľa a ekuina sa rivádza doným úzkym hrdom, vedy sa vyvorí vrsva, korú nazývame sriekajúca vrsva, ako znázorňuje obr..47e. Tekuina vsuuje do zariadenia rýchosťou značne revyšujúcou rah úeu časíc, unáša časice smerom hore, odobne ako ri neumaickej dorave. V rozšírenej časi aaráu sa rýchosť ekuiny somaí od hodnou rýchosi úeu, časice však zorvačnosťou eia ďaej a sú somaľované graviačnou siou až sa zasavia a začnú adať ozdĺž sien zariadenia na kužeľovú časť zariadenia. Tam sa uvorí osuvná vrsva s ohybom ku vsunému ovoru ekuiny, kde sú časice znova srhávané vsuujúcim rúdom ekuiny. V súčasnosi je oužiie sriekajúcich vrsiev obmedzené najmä na sušenie obiia a iných zrniých maeriáov. 94
Použiie fuidizácie rináša ieo výhody: uhé časice sú úne obkoené ekuinou a dosahuje sa vysoká inenzia ruu ea a áky v orovnaní s neohybivou vrsvou, vyvom inenzívneho remiešavania sa dosahuje vo vrsve rovnomerné rozoženie eoy a koncenrácie áok, čo uľahčuje auomaickú reguáciu rocu, časice sú rivádzané a odvádzané zo zariadenia nereržie, inenzívny môže byť aj ru ea medzi fuidnou vrsvou a vsavanými výmennými ochami, konšrukčná jednoduchosť fuidných zariadení. K nevýhodám fuidizácie arí: inenzívne remiešavanie vo vrsve sôsobuje v koninuánych zariadeniach nerovnomerné zadržiavanie jednoivých časíc, čo sôsobuje nerovnomernú kvaiu roduku, ri drobivých maeriáoch dochádza k ich rozdrobeniu a k únosu jemných časíc, ri evných časiciach dochádza k ich vzájomnému oorebovaniu ovrchov, v dôsedku abrazívnych a erozívnych účinkov uhej fázy môže dochádzať k rýchemu oorebovaniu niekorých časí zariadenia. Nehybná vrsva sa zmení na fuidnú, ak je rýchosť ekuiny väčšia ako rahová rýchosť fuidizácie. Na rahu fuidizácie začnú byť časice udržiavané vo vznášaní rúdiacou ekuinou, a reo ri odvodení vzťahov re rahovú rýchosť fuidizácie sa vychádza zo rovnováhy sí ôsobiacich na časicu (obr..48). Ak zanedbáme renie fuidnej vrsvy o seny zariadenia, budú akové siy v rovnováhe s iažou vrsvy a aí: kde: ( ). ρ.g + S.h.. ρ. g.s = 2.S + S.h. (.57) - ak ekuiny na vsue do fuidnej vrsvy, Pa 2 - ak ekuiny na výsue z fuidnej vrsvy, Pa S - ocha vrsvy, m 2 h - výška vrsvy, m - medzeroviosť vrsvy, - ρ - husoa uhých časíc fuidnej vrsvy, kg/m ρ - husoa ekuiny, korá rúdi cez fuidnú vrsvu, kg/m 2 h S Obr..48 Fuidná vrsva re biancovanie na nej ôsobiacich sí Z rovnice (.57) môžeme vyjadriť rozdie akov ekuiny vo vrsve časíc: ( ). ρ. ρ ) 2 = h. g. + (.58) 95
Ak vyjadríme rozdie akov z Bernouiho rovnice mechanickej energie dosaneme ri konšannom riereze vrsvy, keď rýchosť ekuiny u = u 2 =u 0, rovnicu: kde: 2 = ρ.g.h + Δ z (.59) Δ z - aková sraa ekuiny rúdiacej cez órovié rosredie, Pa ričom:, h 2 Δ z = λ... u0. ρ, Pa (.50) d kde: λ - súčinieľ renia ekuiny reekajúcej óroviým rosredím, - - óroviosť (medzeroviosť) óroviej vrsvy, - h - výška óroviej vrsvy, m d - ekvivaenný riemer časíc náne odľa šecifického ovrchu, m u 0 - rýchosť rúdenia ekuiny v aaráe s voľným rieokovým rierezom (bez náne), m/s ρ - husoa ekuiny, korá rúdi cez óroviú vrsvu, kg/m Súčinieľ renia ekuiny reekajúcej óroviým rosredím vyjadríme omocou Ergunovej rovnice: 50 λ =, 75 R e +, - (.5) Úravou rovnice (.59) omocou z rovníc (.50) a (.5) dosaneme vzťah: 50 h 2 ρ. g.h + ρ. + 75,.. + ρ (( ). ρ ).u0 = h.g.. (.60) Re d korej: Ak do redchádzajúcej rovnice dosadíme za R e ravú sranu rovnice (.52), odľa u0. d. ρ e =. )μ R (.52) o úrave dosaneme: ). μ ) 50. h 2 +,75 ρ u = g h u d ρ..... 0 0.. d Po ďašej úrave má rovnica.6 var:,75 ρ 50. ) μ ).( ρ ρ ) (.6) 2.. u0 +.. u0 = g. ( ρ ρ ) (.62) 2 d d 96
Rovnica (.62) býva časo uvádzaná v bezrozmernom vare, korý získame 2 vynásobením výrazom ρ. d / μ : ) 75, 2 50..Re +.Re = Ar Bezrozmerné kriériá Re a Ar sú definované: (.6) u 0 d. ρ Re =. (.64) μ ( ρ ρ ). d. ρ. g Ar = (.65) 2 μ kde: Re Reynodsovo číso re ok ekuiny óroviou vrsvou, - Ar - Archimedovo číso, - Ak dosadíme do rovnice (.6), rí. (.62) za maximánu óroviosť nehybnej vrsvy, môžeme riešením kvadraickej rovnice vyočíať rahovú rýchosť fuidizácie u 0. Exerimenáne zisené hodnoy óroviosi sú re niekoré maeriáy uvedené v ab..9. Tab..9 Hodnoy óroviosi na rahu fuidizácie Druh časíc Rozmer časíc, mm 0,02 0,05 0,07 0,0 0,20 0,0 Hodnoy óroviosi, - Osrohranný iok δ = 0,67-0,60 0,59 0,58 0,54 0,50 Okrúhy iok δ = 0,86-0,56 0,52 0,48 0,44 0,42 Uhoný a skenený rášok 0,72 0,67 0,64 0,62 0,57 0,56 Akívne uhie 0,74 0,72 0,7 0,69 - - Fischerov - Troachov kaayzáor δ = 0,58 - - - 0,58 0,56 0,50 δ sféricia časíc Pri ďašom zväčšovaní rýchosí ekuiny nad hodnou u 0 rasie óroviosť vrsvy, a ým aj jej výška - vrsva exanduje. Vzájomný vzťah medzi óroviosťou a rýchosťou ekuiny vyjadrujú rovnice (.6), rí. (.62), korých odvodenie vychádzao z rovníc re rieok nehybnou óroviou vrsvou. Exanzia fuidnej vrsvy Pri odvodzovaní vzťahu re výšku fuidnej vrsvy vychádzame z biancie uhej fázy vo vrsve: kde: ( ) = h. S. ) h.s. (.66) - index označujúci veičiny na rahu fuidizácie. 97
Výška fuidnej vrsvy sa vyočía odľa vzťahu: h = h. (.67) Pri rovnomernej fuidizácii môžeme určiť óroviosť vrsvy z niekorého už uvedeného vzťahu medzi Re, Ar a..5.2 Rošy fuidných aaráov Konšrukcia rošu do veľkej miery ovyvňuje srávanie fuidnej vrsvy. Maý oče ovorov na vsue ynu sôsobuje nerovnomerné rozdeenie ynu vo vrsve a zvyšuje nebezečensvo vzniku kanáikov a iov vrsvy. Veľký oče maých ovorov vedie k vysokým akovým sraám ri rieoku rošom. Rošy môžu byť keramické aebo kovové. Výhodou keramických rošov je ich odonosť roi korózii a odonosť roi vysokým eoám. K ich nevýhodám arí ciivosť na náhe zmeny eô a maá odonosť voči erózii. Preo sa vo väčšine riemysených aikácií oužívajú kovové rošy. Niekoľko ríkadov yov rošov je uvedených na obr..49. a) b) c) d) e) Obr..49 Rôzne yy fuidných rošov a - erforovaný ech, b - dva erforované echy s navzájom radenými ovormi, c - óroviý maeriá, d - kenuý erforovaný ech, e - roš 98