Процесс взаимодействия аммиака с кислотой в технологии минеральных удобрений осуществляют не только в жидкости, но и в зернистом слое, например, одновременно с гранулированием или на конечной стадии поверхностного кондиционирования гранул. Интенсивность процесса определяется не только кинети­кой собственно химической реакции, но главным образом усло­виями внешнего подвода аммиака и движения его внутри части­цы, т. е. внешней и внутренней диффузией газа.

2.3.1. ИСТЕЧЕНИЕ ГАЗА В СЛОИ ЗЕРНИСТОГО МАТЕРИАЛА

Интенсивность подвода и обмена газа вблизи частицы твер­дого носителя зависит от типа аппарата и способа введения газа. Наиболее пригоден для практического использования струйный подвод. Движение газа в неподвижном и псевдоожи­женном слоях широко исследовано рядом авторов [85—90]1. Развитие газовой струи в общем случае приводит к образованию неустойчивой поверхности раздела слоя с областью газового пузыря, его отрыву и зарождению нового. В зависимости от параметров истечения меняются размеры и частота зарождения пузырей, а также интенсивность циркуляции через них твердых частиц. Различают три режима истечения газа; фильтрацион­ный, пузырьковый и струйный, определяемые характерным со­отношением размера факела и высоты слоя над ним і[85]. Частный случай струйного режима — каналообразование.

S4

При фильтрационном режиме размер отрывающихся пузы­рей настолько мал, что соизмерим с каналами между частица­ми, а частота отрыва настолько велика, что течение газа прак­тически непрерывно и не влияет на движение частиц. При обра­зовании в слое каверны или факела в них возникает циркуляция твердых частиц, что резко увеличивает интенсив­ность контакта газовой и твердой фаз. Интенсивность внедрения частиц в факел ослабевает по длине струи вследствие уменьше­ния разности давлений в слое и струе и увеличения степени насыщения струи частицами. При заполнении сечения струи частицами наступает полное насыщение, после чего внедряю­щиеся в факел частицы, сталкиваясь, вновь выходят в слой, образуя сплошную прослойку, служащую границей раздела [86].

Математическое описание этой сложной физической картины возможно лишь при ряде допущений и выделении отдельных составляющих. Рассматривалась [87] внутренняя задача, т. е. гидродинамика и процесс перемешивания внутри индивидуаль­ных струйных факелов с учетом присутствия в них взвешенных частиц, а также внешняя задача — влияние струй на гидродина­мику и процессы переноса в плотной фазе слоя вне факелов [88].

Решение задачи газораспределения в неподвижном слое базируется на рассмотрении равновесия сил, действующих на выделенный элементарный объем инфильтруемого слоя, и опре­делении критических расходов газа, отвечающих условию зарождения каверны [85]. Далее методами теории аналитиче­ских функций находят поле давления в окрестности струи. Раз­работанная методика расчета предполагает постановку единич­ного эксперимента по пробою слоя для определения коэффициен­та, характеризующего интенсивность нарастания толщины струи в слое данных параметров. Таким образом, практическое использование разработанной теории сводится к проведению экспериментальных исследований в модельных условиях.

Чисто эмпирический подход к расчету струй в неподвижном слое предложен в работе [89]. Здесь же рассмотрено распро­странение газа в неподвижном и псевдоожиженном слоях в ус­ловиях адсорбции. Установлено, что наиболее интенсивный массообмен газа со слоем происходит в пределах факела. Одна­ко скоростные и концентрационные границы в слое не совпада­ют. Уменьшение концентрации поглощаемого вещества происхо­дит значительно медленнее, чем изменение скорости. Показано влияние на массоперенос диаметра частиц и сопла. Отмечается, что в условиях адсорбции динамическая и концентрационная границы факела совпадают.

Для описания струйного течения в псевдоожиженном слое используются методы интегральных соотношений :[85, 90]: урав­нения интегрального баланса импульса, энергии и объема. При

некоторых дополнительных предположениях о профилях скоро­сти газа по оси и в сечениях основного участка, структуре потока в нем и законе нарастания толщины факела вдоль пото­ка получены основные кинематические, энергетические и массо­вые характеристики развития струй в псевдоожиженном слое. Такой подход также не лишен недостатков, так как применим в пределах принятых допущений и только для условий, в кото­рых получены значения эмпирических коэффициентов.

Развитие струи газа во вращающемся в барабане слое исследовалось в работах [91, 92]. Установлено влияние на режим истечения скорости и плот­ности истекающего из сопла газа, а также давления над соплом, режима движения материала и соотношения размеров частиц и сопла. В зависимости от этих параметров газ может истекать в режиме фильтрации или канало - образования. Последний непригоден из-за больших проскоков газа. Режим фильтрации может осуществляться как с образованием факела у сопла, так и без него. С возрастанием скорости истечения у погруженного сопла вначале образуется шаровая каверна с циркуляционным движением частиц внутри ее, а затем — практически свободный от частиц факел.

Анализ размерностей параметров, влияющих на относительный размер замкнутого факела, который определяется соотношением длины и макси­мального диаметра, показал, что эти параметры можно объединить в следую­щие безразмерные комплексы: Re, Eu, Fr, d/d0. Экспериментально определен­ные зависимости размера факела от некоторых из безразмерных параметров приведены на рис. 2-32, а, б.

Зависимость длины факела (Z-ф, м) от параметров истечения газа и вра­щения барабана выражается уравнением:

£*=rfo2(l — 4,9Fr)Res.>/4- 10°dP (2.39)

где d0 — диаметр сопла, м; Fr=<atlD/2g — число Фруда для барабана (со — частота вращения, с-1; D — диаметр барабана, м); Rt—vdj — число Рей­нольдса для истечения из сопла (о — скорость истечения газа, м/с; d — диа­метр частиц слоя, м; v — кинематическая вязкость газа, мг/с); P=Eu Re2 — безразмерный комплекс давления.

Уравнение (2.39) справедливо в диапазоне изменения пара­метров: d/d0=0,05—0,3; LJd0=3—10; Fr=0,01—0,16; Р,=400— 8000.

0,1І mm a, ijfiM

РИС. 2-33. Зависимость параметра истечения газа из сопла а от различных факторов:

а — от числа Рейнольдса при d/rfoe0,25 и различной высоте слоя над соплом И; б — от соотношения размеров частиц и сопла dld<, при высоте слоя над соплом //=0,08 м и Re^e-lO3

Исследование аммонизации в режиме факелообразования по­казало, что из-за создания разрежения в устье сопла подсасы­ваются наиболее мелкие частицы, которые быстро аммонизиру­ются, перегреваются и налипают на сопло. Это приводит к образованию комков и нарушению процесса. Для предотвраще­ния этих явлений рекомендуется поддерживать скорость газа в режиме начала факелообразования, т. е. при соотношении £фМ>=3, а для уменьшения скорости использовать сопла диа­метром свыше 10 диаметров частиц.

Истекающая из погруженного в слой сопла струя газа раз­вивается в зернистом слое и выходит на поверхность, причем тепломассообмен между газом и твердым материалом происхо­дит не только в факеле, но и в зоне фильтрации. Исследовалась зона распространения газа в движущемся слое. Расширение газа происходит по параболическому закону, и его зону фильт­рации через слой можно принять в виде параболоида вращения с вершиной у погруженного сопла и основанием на поверхности слоя. Для неподвижного слоя это подтверждено другими иссле­дователями [93, 94].

Экспериментально определялся параметр а параболоида, описываемого уравнением у=ах2, в зависимости от скорости истечения газа, числа оборотов барабана, диаметра частиц слоя, глубины погружения сопла. Зависимости а от числа Рейнольдса для сопла и соотношения размеров частиц и сопла приведены на графиках (рис. 2-33, а, б). Как видно из графиков, величина а возрастает с уменьшением высоты слоя. Установлено, что аммонизацию предпочтительнее осуществлять в верхней скаты­вающейся части вращающегося слоя, высота которой состав­
ляет 0,06—0,1 м. Следовательно, для расчета реальных процес­сов достаточно приведенных данных.

Зная параметр истечения а, нетрудно найти объем зоны фильтрации газа в слое зернистого материала:

Кф=яЯ2/2а (2.40)

(где Н — глубина погружения сопла в слой).

Однако это справедливо лишь для инертного слоя материа­ла. При взаимодействии газа и твердых частиц, сопровождаемом массообменом, такая конфигурация газовой зоны нецелесообраз­на, поскольку велика площадь истечения газа из слоя, что при­водит к большим проскокам непрореагировавшего газа. Наи­более рационально иметь в слое замкнутый газовый объем, образующийся при соответствии истекающего и поглощаемого газа. Такую задачу можно решить, только зная скорость погло­щения газа, т. е. кинетику аммонизации продукта.