Characteristic of Atmospheric Fluidized Bed in the Laboratory Conditions

• Autorzy: Dawid Jankowski , Przemysław Migas , Witold Żukowski

Warianty tytułu

Charakterystyka pracy atmosferycznego złoża fluidalnego w warunkach laboratoryjnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Fluidization is a two phase process involves on the suspension powdery solid layer in the stream of fluid (gas or liquid) flowing vertically from the bottom of the column. Intensive mixing occurs in bed and developed interfacial contact area creates the high heat and mass transfer coefficients. Nature of thefluidized bed allows to create a very good environment for the processes such as drying, combustion or conducting catalytic chemical reactions. The purpose of the research was to determine the influence of changing the fluidizing medium velocity to the process of mixing taking place inside the bed of different weights and grain size. The range of the research included the study of heterogeneity of porosity, creation and association of bubbles of different sizes and shapes. The research was conducted in a laboratory reactor with bubbles, atmospheric fluidized bed in the form of quartz sand of varying particle size and weight. The air given through perforated gas distributor was fluidized medium. Image registration was conducted using high-speed and high resolution camera- Basler ace acA2000-340kc, with frequency of 500 frames per second. It was used two 400W halogens lamps for proper exposure of recorded movie. Digital image analysis of the experiments indicate the presence at least four characteristic phenomena in the fluidization process. In the initial stage, as the effect of increasing gas flow velocity the homogeneous fluidization was observed, in this stage the relaxation and a few millimeters rising of the bed occurred. As a result of further increasing the velocity occurred the slugging. At the moment when the fluid pressure equalized with the static pressure exerted by a layer of the bed, the bobbles fluidization began. Bobbles phase was characterized by high porosity. During the fluidization there can be sometimes observed spouting flow which involving at the flow of the gas through the axis of the reactor and lifting the sand over the bed. Air bubbles were formed at the perforated bottom and grew during the flow through the bed as a result of the coalescence phenomenon. During the researches not only the bobbles coalescence but also those dividing into smaller was observed. The bobbles size was a function of flow velocity, mass and high of the bed. Bubbles did not move only vertically upwards, it could be observed chaotic lateral movement. Velocity of air bubbles was also dependent of their diameter and shape, which is analogous to the barbotage. Intensive mixing and high interfacial surface area in a fluidized bed makes very good conditions for process like drying, combustion or conducting catalytic chemical reactions. In the homogeneous fluidization process, there are different forms grains mixing, depending on the velocity of the gas. The bed height and the velocity of given air have an impact on shape, size, way of moving air bubbles. (original abstract)

Fluidyzacja jest procesem dwufazowym polegającym na utrzymaniu sypkiej warstwy ciała stałego w strumieniu płynu (gaz lub ciecz) przepływającego pionowo od dołu kolumny. Intensywne mieszanie warstwy złoża oraz rozwinięta powierzchnia kontaktu międzyfazowego przekłada się bezpośrednio na wysokie współczynniki wymiany ciepła i masy. Natura złoża fluidalnego umożliwia stworzenie w nim bardzo korzystnych warunków dla takich procesów jak: suszenie, spalanie lub prowadzenia katalitycznych reakcji chemicznych. Celem badań było określenie wpływu zmiany prędkości czynnika fluidyzującego na proces mieszania zachodzący wewnątrz warstwy złoża. Zakres prac obejmował również badanie niejednorodności porowatości, tworzenia i asocjacji pęcherzy o różnych rozmiarach i kształtach. Badania prowadzono w reaktorze laboratoryjnym z pęcherzowym, atmosferycznym złożem fluidalnym w postaci piasku kwarcowego o różnym uziarnieniu i masie. Czynnikiem fluidyzacyjnym było powietrze podawane pod złoże poprzez dno sitowe dystrybutora gazu. Rejestrację obrazu prowadzono za pomocą szybkiej kamery firmy Basler model ACE acA2000-340kc, która umożliwiła zapis obrazu z częstotliwością wynoszącą 500 klatek na sekundę w wysokiej rozdzielczości. Dla zapewnienia właściwej ekspozycji pracującego reaktora zastosowano układ dwóch lamp halogenowych o mocy 400W każda. Analiza obrazu cyfrowego z prowadzonych eksperymentów wskazuje na obecność, co najmniej czterech charakterystycznych zjawisk w procesie fluidyzacji. W początkowej fazie, w skutek zwiększania prędkości strumienia gazu zaobserwowano fluidyzację jednorodną, w tym etapie nastąpiło rozluźnienie złoża i podniesienie cząstek o kilka minimetrów. W wyniku dalszego zwiększania prędkości gazu, w warstwie złoża wystąpiło wyraźne tłokowanie. Ziarna zostały podniesione o kilkanaście mm w górę kolumny, nastąpiło rozwarstwienie materiału sypkiego. W chwili, gdy nadciśnienie płynu zrównało się z ciśnieniem statycznym wywieranym przez warstwę złoża, rozpoczynała się fluidyzacja pęcherzowa. Faza pęcherzy charakteryzowała się dużą porowatością. W trakcie fluidyzacji można było niekiedy zaobserwować również przepływ fontannowy, charakteryzujący się centralizacją strumienia gazu, który porywa materiał złoża i wyrzuca go ponad powierzchnię. Pęcherze powietrza powstawały przy dnie sitowym i rosły podczas przepływu przez złożę na skutek zjawiska koalescencji. W trakcie badań zaobserwowano również możliwość nie tylko wzrostu pęcherzy, ale także dzielenia się ich na mniejsze. Wielkość pęcherzy zależała głównie od prędkości strumienia podawanego powietrza oraz wysokości złoża i jego masy. Pęcherze nie poruszały się wyłącznie pionowo w górę, zauważyć można było chaotyczny ruch poprzeczny. Prędkość pęcherzy powietrza zależna była również od ich średnicy i kształtu, co wskazuje na analogię z przepływem gazu przez kolumnę barbotażową. Intensywne mieszanie oraz wysoka powierzchnia kontaktu między fazowego w złożu fluidalnym, tworzy korzystne warunki dla prowadzenia takich procesów jak spalanie czy suszenie. W procesie fluidyzacji niejednorodnej występują różne formy mieszania ziaren, zależne od prędkości i charakteru przepływu fazy gazowej. Wysokość złoża oraz prędkość podawanego powietrza mają wpływ na kształt, rozmiar, sposób poruszania się pęcherzy powietrznych. (abstrakt oryginalny)

Słowa kluczowe

EN

Chemical technologies; Logistics; Research results

PL

Technologie chemiczne; Logistyka; Wyniki badań

• Czasopismo: Logistyka
• Rocznik: 2013
• Numer: nr 4, CD
• Strony: 160--166

Twórcy

autor

Dawid Jankowski

• Politechnika Krakowska

autor

Przemysław Migas

• Politechnika Krakowska

autor

Witold Żukowski

• Politechnika Krakowska

Bibliografia

• [1] Ciborowski J.: Fluidyzacja, WNT, Warszawa 1957, 78, s. 25-46.
• [2] Orzechowski Z.: Przepływy dwufazowe, PWN, Warszawa 1990, 12, s. 233-269.
• [3] Winkler F.: German patent No 437970, 28 wrzesień 1922.
• [4] Drake J.: Hydrodynamic Characterization of 3D Fluidized Beds using noninvasive techniques. Iowa State University, Ames, 2011, 1.1: 2.
• [5] Bis Z.: Kotły fluidalne. Teoria i praktyka, Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2010.
• [6] Fisher J. M.: Fluidised bed combustion (FBC), 2005, [online] www.photomemorabilia.co.uk
• [7] Baron J., Migas P., Żukowski W.: Wpływ sposobu wprowadzania reagentów na spalanie paliwa gazowego w reaktorze fluidyzacyjnym, "Przem. Chem.", 91, 2012, s. 673.
• [8] Cooke R.B., Goodson M.J., Hayhurst A.N.: The combustion of solid wastes as studied in a fluidized bed, "Trans I Chem Eng.", 81, 2003, s. 156.
• [9] Baron J., Kandafer S., Kowarska B., Żukowski W., Spalanie komunalnego osadu ściekowego w reaktorze fluidyzacyjnym, "Przem. Chem.", 91, 2012, s.816.
• [10] Cole W.E., Essenhigh R.H., Proc. 3rd Int. Conf. on Fluidised Bed Combustion, Hueston Woods (Ohio), (1972 ), II.5, s. 1-25
• [11] ISWA. Energy from Waste. State of the art report. Statistics 5th edition august, International Solid Waste Association, Kopenhaga 2006, s. 1-191.
• [12] ISWA. Energy from Waste. State of the art report. Statistics 6th edition august 2012, International Solid Waste Association, Kopenhaga 2012, s. 6-185.
• [13] Barletta M.: Progress in abrasive fluidized bed machining, "Journal of Materials Processing Technology", vol. 209. 20, 2009, s. 6087-6102.
• [14] Kunii D., Levenspiel O.: Fluidization Engineering, Butterworth-Heinemann, Newtown 1991, s. 1-13.
• [15] Kandefer S.: Spalanie fluidalne odpadów i paliw niskogatunkowych, Monografia nr 79 Politechniki Krakowskiej, 1989, s. 47-60.
• [16] Juryś Cz.: Odsiarczanie spalin w paleniskach fluidyzacyjnych z zastosowaniem wapna pokarbidowego, Monografia nr 45 Politechniki Krakowskiej, 1986, s. 5-9.