Вибрационный псевдоожиженный слой (VFB) — это тип псевдоожиженного слоя , в котором механическая вибрация повышает производительность процесса псевдоожижения. С момента первого открытия вибрационного псевдоожиженного слоя его вибрационные свойства оказались более эффективными при работе с мелкими частицами, чего, по-видимому, очень трудно достичь с помощью обычного псевдоожиженного слоя. Несмотря на многочисленные публикации и его популярность в промышленных применениях, знания о вибрационной динамике и свойствах очень ограничены. Необходимы будущие исследования и разработки для дальнейшего совершенствования этой технологии с целью выведения ее на новый уровень.
Технология вибрационного псевдоожиженного слоя существует с момента ее первого открытия в 1984 году Гелдартом, где он провел эксперимент по наблюдению за поведением различных типов групп частиц, когда вводится механизм вибрации для дальнейшего псевдоожижения частиц. [1] Хотя она существует уже 20 лет, было проведено лишь несколько исследований для дальнейшего улучшения этой технологии. В последнее время мир сосредотачивается на экологически чистых машинах для обеспечения устойчивости Земли. Поэтому было проведено больше исследований для изучения влияния вибрации на псевдоожижение, поскольку вибрационный псевдоожиженный слой не только экологически безопасен, но и дешевле по сравнению с другими псевдоожиженными слоями.
Улучшение по сравнению с обычной технологией псевдоожиженного слоя привело к открытию вибрационного псевдоожиженного слоя, где слой сконструирован путем объединения вибрации и потока газа вертикально к конвейерному слою. Он предлагает некоторые преимущества псевдоожиженного слоя, однако сырье будет перемещаться вдоль вибрационного конвейера до тех пор, пока не высохнет достаточно для разрушения, и это приведет к снижению вероятности образования агломератов в сырье; следовательно, он полезен для переработки частиц группы C, которые имеют небольшой размер мелких частиц, в более мелкие агломераты. [2] [3]
Вибрационные псевдоожиженные слои в основном используются в нескольких отраслях промышленности, таких как фармацевтика, сельское хозяйство, катализаторы , пластмассы, минералы, пищевые процессы. [4] [5] Типичные области применения вибрационных псевдоожиженных слоев — сушка продуктов в виде зерен и кристаллов, охлаждение высушенных продуктов, агломерация и грануляция крупных частиц, а также стерилизация. [4] [6]
Как упоминалось выше, вибрационный псевдоожиженный слой в основном используется в многочисленных отраслях промышленности, где определенный размер частиц должен быть постоянным без каких-либо дефектов для производства лучшего продукта для их потребителя. Наиболее распространенными технологическими операциями, используемыми в технологии вибрационного псевдоожиженного слоя, являются сушилки и охладители.
Стандартный тип вибрационной флюидизирующей сушилки состоит из вибрационного лоткового конвейера, где горячие газы из камеры будут проходить через отверстия в лотке и вступать в контакт с материалами, которые будут высушиваться. Площадь лотка достаточно велика, чтобы выдерживать постоянный поток материала через слой и проходить вдоль настила с небольшой глубиной на лотке. Вибрации на настиле направлены в вертикальной составляющей, чтобы способствовать флюидизации материала, тогда как горизонтальная составляющая вибрации поддерживает транспортировку материалов вдоль лотка. [5]
Вибрационные охладители с псевдоожиженным слоем работают таким же образом, но вместо подачи горячих газов из камеры, они имеют рециркулирующий воздух, протекающий через камеру и оборудованный распылительной форсункой для создания водяного тумана в качестве охлаждающей среды. Другие альтернативные конструкции включают использование змеевиков холодной воды с проходящим над ними входящим воздухом, и этот вариант используется, когда входящий воздух имеет большую разницу температур по сравнению с охлаждаемым материалом. [7]
Некоторые из преимуществ вибрационных псевдоожиженных слоев включают в себя: [4] [7] [8]
Ограничения вибрационного псевдоожиженного слоя следующие: [7] [9] [10]
Чтобы дать более подробное представление о вибрационном псевдоожиженном слое, ниже приведены некоторые характеристики, показывающие взаимосвязь между характеристиками, а также условиями эксплуатации и тем, как они могут повлиять на некоторые процессы, проводимые с использованием вибрационного псевдоожиженного слоя.
Термин «пустота» относится к расстоянию между материалами. Крайне важно знать, как поведение пустоты определенных размеров частиц влияет на процесс в вибрационном псевдоожиженном слое, поскольку они являются одним из ключевых факторов, которые следует учитывать при проектировании и масштабировании вибрационного псевдоожиженного слоя от лабораторного до промышленного масштаба. Из нескольких проведенных экспериментов было показано, что вибрация способствует псевдоожижению частиц, поскольку осевое и радиальное распределение пустоты становится более однородным. Это особенно верно для вибрационных псевдоожиженных слоев с большими амплитудами колебаний. Было также обнаружено, что с увеличением высоты слоя слои частиц в слое могут быть затухнуты энергией вибрации. Анализ распространения волны показал, что ее параметры зависят от поведения псевдоожижения. [11]
В вибрирующем псевдоожиженном слое энергия передается, когда вибрирующая стенка соприкасается с частицами. Эти частицы сталкиваются с другими частицами в слое, который передает кинетическую энергию в виде распространения волн по всему вибрирующему псевдоожиженному слою. Величина передаваемой энергии зависит от амплитуды. Это происходит из-за колебаний, вызванных отражением волн границы среды в вибрирующем псевдоожиженном слое. [12]
Для оценки поведения пузырьков вибрирующего псевдоожиженного слоя также учитывались такие факторы, как размер пузырька и его скорость. Для различных амплитуд и частот колебаний было проведено численное моделирование вибрирующего псевдоожиженного слоя, чтобы лучше понять поведение пузырьков в условиях вибрации. Результаты показали, что из-за колебательного смещения вибрирующего псевдоожиженного слоя средний диаметр пузырьков увеличивается, но снижается скорость ускорения пузырьков. Таким образом, был сделан вывод, что поведение пузырьков в вибрирующем псевдоожиженном слое зависит от вибраций. [13]
Для рассмотрения многокомпонентной влаги в твердом веществе в сушилке с вибрационным псевдоожиженным слоем была использована модель для оценки характеристик сушки тонкого слоя частиц, смоченных многокомпонентной смесью. Это было сделано для лучшего понимания сложной обработки многокомпонентной сушки, которая является утомительным и длительным процессом. На основе модели с использованием пробкового потока твердых веществ были определены селективность и наилучшие условия сушки для достижения идеального конечного состава влаги. Для смеси компонентов, которая является высоколетучей, состав жидкости, которая осталась в продукте из вибрационного псевдоожиженного слоя, можно контролировать, используя небольшое количество других компонентов в твердом сырье. [5]
Зная, что одним из преимуществ вибрационного псевдоожиженного слоя является его небольшой перепад давления, было проведено несколько исследований, чтобы показать, что для заданного диапазона рабочих условий перепад давления вибрационного слоя по сравнению с обычным намного меньше. Это также имеет место при сравнении минимального перепада давления псевдоожижения, поскольку вибрация уменьшается из-за увеличения амплитуды и уменьшения частоты. [14] Наличие этого перепада давления в вибрирующем псевдоожиженном слое оказывает большое влияние на тепло- и массоперенос в процессе. Наблюдается увеличение пористости слоя , что соответствует уменьшению потери давления. Это изменение потери давления зависит от частоты и амплитуды вибрации поверхности. [15]
Высота слоя для вибрационного псевдоожиженного слоя также является важной характеристикой, поскольку она влияет на несколько других параметров. Из предыдущих исследований было обнаружено, что для вибрационного псевдоожиженного слоя минимальная скорость псевдоожижения зависит от высоты слоя. Помимо этого, изменение высоты слоя для вибрационного псевдоожиженного слоя также влияет на поведение псевдоожижения и динамику потока. При увеличении статической высоты слоя наблюдалось увеличение концентрации твердых веществ в центральной части вибрационного псевдоожиженного слоя. [16]
При первом проектировании вибрационного псевдоожиженного слоя были соблюдены определенные эвристики , чтобы конструкции вибрационного псевдоожиженного слоя могли наилучшим образом подходить для желаемого процесса, а также чтобы знать оптимальные рабочие условия, которые будут использоваться. Некоторые из эвристик:
После того, как первые несколько псевдоожиженных слоев были успешно применены в промышленных процессах, спрос на большее количество типов технологий псевдоожижения вырос, чтобы удовлетворить растущий промышленный спрос. Добавление вибрационного механизма к псевдоожиженному слою в 1984 году, где Гелдарт [1] показал, что использование механического вибрационного сита может улучшить производительность псевдоожижения мелких частиц. Эти эксперименты затрудняют обработку этих порошков псевдоожижением из-за непредсказуемого поведения частиц. Позже было обнаружено, что было бы дешевле и более экологически безопасно добавлять вибрацию в процесс псевдоожижения. Затем это было использовано в качестве отправной точки многими другими для дальнейших исследований псевдоожижения, основанных на эффектах вибраций. Муджумдар (1988) [17] разработал два метода с использованием вибрационной техники псевдоожижения для псевдоожижения термочувствительных и пастообразных материалов. Йошихиде и др. (2003) [18] изучали влияние вибрации на поведение псевдоожижения и прогнозирование минимальной скорости псевдоожижения. Калияперумал и др. (2011) [19] определили влияние различной вибрации на нано- и субмикрочастицы; эти частицы трудно псевдоожижать при отсутствии механической вибрации и обладают особыми свойствами.
Как упоминалось ранее, одним из способов определения наилучших условий эксплуатации будет создание математической модели или модели процесса с использованием программного обеспечения для моделирования вибрационного псевдоожиженного слоя для желаемого процесса. Были смоделированы эффекты скорости газа и температуры. Одним из оптимальных условий эксплуатации будет увеличение скорости сушки. Это связано с тем, что с увеличением скорости сушки процесс сушки в вибрационном псевдоожиженном слое будет короче, что обеспечит вибрационному псевдоожиженному слою общую более высокую эффективность. Существует 3 основных механизма, которые определяют скорость сушки. Механизмами являются тепло- и массоперенос со стороны газа, термодинамическое равновесие между двумя фазами во время контакта и тепло- и массоперенос во влажном твердом теле. Эти три механизма будут увеличиваться с увеличением скорости газа, а также коэффициента тепло- и массопереноса . Это затем приведет к увеличению скорости сушки из-за увеличения температуры газа, что приведет к снижению влажности газа. [20] Также были смоделированы эффекты размера частиц. Было обнаружено, что. Более крупным частицам требуется больше времени для высыхания, чтобы достичь того же содержания влаги из-за увеличения сопротивления внутри частиц тепло- и массопереносу. Поскольку сопротивление теплопередаче внутри частицы ниже, чем сопротивление массопередаче, конвекционное тепло, не используемое для испарения воды, используется для повышения температуры материала, что приведет к более высоким коэффициентам переноса влаги внутри частиц и вызовет более высокую скорость сушки. Поэтому был сделан вывод, что для достижения оптимальных рабочих условий следует уменьшить количество частиц, подаваемых в вибрационный псевдоожиженный слой. Обычно размер частиц исходного материала не является контролируемым параметром, если не используются такие методы, как измельчение, но это повлечет за собой дополнительные эксплуатационные расходы, которых следует избегать. Следовательно, другим вариантом было бы увеличение интенсивности вибраций в вибрационном псевдоожиженном слое. [20]
Одной из заключительных частей эвристики будет масштабирование вибрационного псевдоожиженного слоя от лабораторного до промышленного масштаба. Есть несколько факторов, которые следует учитывать при масштабировании. Одним из них будет потребление энергии вибрационным псевдоожиженным слоем промышленного масштаба. Это связано с тем, что потенциальный клиент захочет узнать требования к процессу. Поэтому следует учитывать индивидуальное потребление энергии для каждой части вибрационного псевдоожиженного слоя. [21] То же самое можно сказать и о вибрационном псевдоожиженном слое, если рассматривать его с экономической точки зрения. Большинство покупателей вибрационного псевдоожиженного слоя, скорее всего, будут использовать его для процесса, чтобы получить прибыль. Следовательно, следует провести подробный анализ затрат. [21] С точки зрения экологии, беспокоиться не о чем, за исключением возможных проблем безопасности, поскольку сам вибрационный псевдоожиженный слой, как правило, считается экологически чистым, поскольку образующиеся отходы уже перерабатываются в процессе. Наконец, не стоит забывать о характеристиках, которые могут оказывать влияние при масштабировании, например, влияние пористости на размер частиц, о чем упоминалось ранее. [11]
Для вибрационного псевдоожиженного слоя обычные отходы включают золу, пыль и мелкие твердые частицы, образующиеся при контакте/нагреве материалов. Входной газ и перелив из псевдоожиженного слоя обычно необходимо очищать из-за проблем с окружающей средой. Поток отходов также содержит большое количество интересующего нас продукта, который необходимо восстановить. Этот процесс может быть достигнут с помощью простых методов разделения, таких как газовые циклоны, рукавные фильтры и скрубберы.
Газовый циклон — это устройство для отделения мелких твердых частиц от взвеси в газе. При подаче газа по касательной в корпус циклона высокоскоростной вращающийся поток создает центробежную силу и создает вихри частиц. [22] Различные циклоны имеют разные спецификации и характеристики. Как правило, частицы размером более 100 мкм или плотнее, которые обладают большей инерцией, отталкиваются к стенке и опускаются на дно циклона, выходят через нижний поток. Эта часть твердого вещества будет собираться как продукт псевдоожиженного слоя. Если требуется процесс, несколько циклонов могут работать параллельно для повышения эффективности или последовательно для повышения извлечения. Верхний поток содержит газ и небольшое количество золы и пыли, он обычно осаждается в воздухе или подается в рукавный фильтр для дальнейшей обработки.
Рукавный фильтр — это устройство контроля загрязнения воздуха, предназначенное для фильтрации частиц из воздуха или другого газа с помощью специальных тканевых фильтрующих трубок. Различные методы очистки рукавных фильтров могут применяться для различных применений. Общий принцип заключается в использовании тепла или давления для импульсной подачи воздуха через верхнюю часть тканевого фильтрующего материала для отделения собранных частиц от мешков. «Мелкие» частицы, такие как зола и пыль, будут отфильтрованы и собраны в коробке для выгрузки мелких частиц. В качестве альтернативы мелкие частицы могут быть повторно введены в исходный поток продукта с помощью поворотного клапана «продувочного» типа. Очищенный газ будет выбрасываться в атмосферу промышленным вытяжным вентилятором и дымовой трубой.
Скруббер также является устройством контроля загрязнения воздуха. По сравнению с рукавным фильтром, скруббер впрыскивает сухой реагент или суспензию в грязный исходный газ, посредством контакта с целевыми материалами для удаления загрязнения. В зависимости от свойств соединения, различные загрязняющие вещества соответствуют различным методам очистки и реагентам. Для золы и пыли в качестве очищающего раствора может использоваться вода.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )Передача тепла с помощью вибрационного псевдоожиженного слоя , Kinergy Corporation, «Передача тепла с помощью вибрационного псевдоожиженного слоя»