Disciplina : Metale neferoase grele

Disciplina : METALE GRELE SI PRETIOASELucrrile nr. 3 i 4Determinarea teoretic i experimental a parametrilor procesului de fluidizare

1. Noiuni introductive

Procesele fizico-chimice ce au loc n sistemul solid-gaz sunt dependente de mrimea suprafeei interfazice, care joac rol de suprafa de reacie (procese topochimice). Cu ct suprafaa interfazic este mai mare cu att interaciunile fizico-chimice sunt mai rapide, asigurnd astfel i o productivitate mai mare tehnologiilor ce au la baz astfel de procese. Dintre modalitile practice de realizare a contactului solid-gaz, fluidizarea este tehnica care asigur cea mai mare suprafa interfazic n astfel de sisteme.

In principiu, fluidizarea const n insuflarea fazei gazoase printr-un starat de material solid n stare pulverulent care produce o micare turbionar intens a masei de material. Fluidizarea este utilizat n procesele de uscare, prjire oxidant, prjire sulfatizant, prjire clorurant, calcinare , etc. Avantajele fluidizrii pentru procesele din sistemul solid-gaz (fr apariia fazelor lichide) i implicit pentru prjirea n strat fluidizat a concentratelor sulfuroase sunt determinate n special de contactul intim foarte bun realizat ntre reactani (de exemplu ntre particulele de sulfuri i oxigenul din faza gazoas) cea ce favorizeaz att viteza reaciilor chimice de oxidare ct i fenomenele de difuzie, de transfer de mas i de cldur ce au loc concomitent cu acestea. Procesul de fluidizare depinde de o serie de parametrii cum sunt: mrimea, forma i densitatea particulelor solide, presiunea, debitul i viteza fazei gazoase.

2. Parametrii procesului de fluidizare

Realizara procesului de fluidizare necesit cunoaterea principalilor parametrii caracteristici strii de fluidizare cum sunt: curba de fluidizare, viteza minim de fluidizare, viteza de elutraie, viteza real de fluidizare i fenomenele secundare care nsoesc fluidizarea (canalizarea i pistonarea).

a. Curba de fluidizareComportarea particulelor fine de material solid aflate ntr-un curent gazos este n funcie de viteza acestuia (Fig.1).

Fig.1. Reprezentarea schematic a comportrii particulelor solide ntr-un curent gazos.

In fig. 1a este reprezentat un strat fix de material solid, cu o valoare minim a fraciei de goluri ((), prin care trece un curent gazos cu o vitez foarte mic (u1) cnd se nregistreaz un gradient de presiune n strat (P. Fracia de goluri este definit prin raportul:

( = 1- VS/VT

(1)

n care: VS, VT reprezint volumul stratului de material (fr goluri) i respectiv, volumul total al stratului (incluznd i golurile).

Dac viteza fazei gazoase crete, se constat o cretere i a pierderilor de presiune iar particulele solide se redistribuie, prin dislocare, n stratul de material, n tendina lor de a opune o rezisten minim la trecerea curentului gazos. Ca urmare se produce o dilatare a stratului de material iar fracia de goluri se mrete (fig. 1b), fr ns a se produce antrenarea de particule n curentul gazos. Creterea n continuare a vitezei fazei gazoase, peste o anumit limit, determin antrenarea particulelor de ctre faza gazoas (fig.1c).

Curba de fluidizare red variaia pierderilor de presiune n funcie de viteza fazei gazoase n coordonate directe sau logaritmice. Schematic, curba teoretic de fluidizare este redat n fig.2.

Fig. 2. Curba teoretic de fluidizare.

Din fig. 2 se constat o cretere liniar a pierderilor de presiune cu mrirea vitezei fazei gazoase (segmentul AB) pn la atingerea unei valori maxime, dup care, se pune n eviden o uoar scdere a pierderilor de presiune (segmentul de curb BC). Creterea n continuare a vitezei peste valoarea corespunztoare punctului C nu modific n mod semnificativ pierderile de presiune( segmentul CD).

b. Viteza minim de fluidizare

Scderea pierderilor de presiune, care se produce la un moment dat, se datoreaz rearanjrii particulelor n stratul de material astfel nct ele s opun o rezisten minim la trecerea curentului gazos. Ca urmare, punctul C, numit punct incipient de fluidizare, corespunde atingerii maximului de goluri n stratul fix de material. Viteza corespunztoare punctului incipient de fluidizare ( C ) se numete viteza minim de fluidizare (umf).

Viteza minim de fluidizare este foarte important n procesele bazate pe fenomenul de fluidizare deoarece viteza real a fazei gazoase insuflate prin stratul de material trebuie s fie mai mare dect valoarea corespunztoare vitezei minime de fluidizare. Valoarea vitezei minime de fluidizare se poate determina experimental sau teoretic. Determinarea experimental se bazeaz pe trasarea curbei de fluidizare i punerea n eviden a punctului incipient de fluidizare ( C ) cruia i corespunde viteza minim de fluidizare. Determinarea teoretic a vitezei minime de fluidizare se bazeaz pe utilizarea unor relatii semiempirice care au fost obinute prin corelarea valorilor experimentale cu principalii parametrii fizici ai fazei gazoase i ai materialului solid (densitate, dimensiuni). Dintre relaiile empirice de determinare pe cale teoretic a vitezei minime de fluidizare, cele mai utilizate sunt cele stabilite de Wen i Yu. Conform acestora, viteza minim de fluidizare se poate determina din relaia:

dpumf(g/(g = [33,72+0,0408dp3g((s-(g)/(g2]1/2-33,7

(2)

n care: dp este diametrul echivalent al particulelor (diametrul unei sfere cu volumul egal cu cel al unei particule);

(g viscozitatea dinamic a fazei gazoase;

(g , (s densitile fazei gazoase i particulelor solide.

Ecuaia de mai sus poate fi simplificat n funcie de valorile numrului Reynolds definit prin relaia :

NRe = dpumf(g/(g

(3)

pentru NRe1000

umf = dpg((s-(g)/24,5(g

(5)

b. Viteza de elutraieDup cum s-a artat anterior, viteza minim de fluidizare corespunde momentului incipient al fluidizrii cnd particulele se dispun n aa fel nct s opun o rezisten minim la trecerea curentului gazos , dar particulele rmn n continuare sub forma unui strat fix. In practic, viteza de insuflare a fazei gazoase este mai mare dect viteza minim de fluidizare dar aceasta nu trebuie s depeasc o anumita limit deoarece tot materialul solid este antrenat de ctre faza gazoas ( transport pneumatic). Viteza la care ncepe transportul pneumatic al particulelor solide se numete vitez de elutraie. Aceasta reprezint valoarea maxim a vitezei la care se poate realiza fluidizarea i valoarea minim a vitezei la care se poate produce transportul pneumatic. Viteza de elutraie (ue) se preupune a fi egal cu viteza limit de cdere a particulelor, care, n funcie de valorile numrului Reynolds, se poate determina cu relaiile:

pentru NReu2

a) b) c)

(P

sau

ln(P

C D

B

A

umf u sau ln u

a) b)

9

10 8

1

2 7

3

5

4

6

PAGE 1