ПОСТРОЕНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И ТЕПЛООБМЕНА В АППАРАТЕ КИПЯЩЕГО СЛОЯ С ТЕПЛОВОЙ РУБАШКОЙ
Аннотация
В работе на основе математического аппарата теории цепей Маркова предложена одномерная математическая модель формирования псевдоожиженного слоя и эволюции его теплового состояния в процессе прогрева ансамбля частиц. При описании теплового состояния системы учитываются процессы межфазного теплообмена между газовым потоком и частицами, а также между стенкой аппарата и газовзвесью. Результаты выполненных ранее исследований и известные эмпирические закономерности для материальных констант процесса использованы для идентификации параметров модели. Выполненная параметрическая идентификация позволила адаптировать и применить математическую модель для расчета процесса тепловой обработки навески частиц силикатного песка в аппарате с псевдоожиженным слоем периодического принципа действия, снабженного рубашкой нагрева. Проверка прогнозирующих возможностей адаптированной таким образом физико-математической модели была проведена путем сравнения получаемых расчетным путем прогнозов с результатами выполненного в ходе исследования натурного эксперимента. Для проведения натурного эксперимента навеска частиц песка помещалась в аппарат, который предварительно выводился на установившийся тепловой режим работы. После загрузки материала в аппарат помещали набор термопар, равноудаленных друг от друга, и снимали показания температуры на различных высотах от уровня газораспределительной решетки. Полученные таким образом распределения температур по высоте слоя находились в хорошем соответствии с расчетными прогнозами и показали значительную неоднородность полей температуры газовой фазы. Температура частиц оценивалась только как интегральная характеристика по измерениям теплосодержания сыпучей среды после выгрузки ее навески из аппарата. Интегральная температура частиц также оказалась близка к прогнозным значениям. Кроме того, в ходе расчетно-экспериментального исследования были уточнены кинетические характеристики нагрева навески материала. Таким образом, предложенная математическая модель обладает достаточной для инженерных задач прогностической эффективностью и может рассматриваться в качестве основы для построения компьютерного метода расчета теплообменных аппаратов с рубашкой нагрева, использующих технику псевдоожижения сыпучих сред.
Для цитирования:
Митрофанов А.В., Василевич С.В., Малько М.В., Огурцов А.В., Шпейнова Н.С. Построение и верификация модели формирования структуры и теплообмена в аппарате кипящего слоя с тепловой рубашкой. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2023. Т. 66. Вып. 5. С. 128-138. DOI: 10.6060/ivkkt.20236605.6748.
Литература
Tannous K., De Mitri A.G., Mizonov V. Experimental study of fluid dynamic behavior of biomass particles in fluidized beds: a review. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2018. V. 61. N 9-10. P. 4-14 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20186109-10.5895.
Lipin A.G., Lipin A.A. Particle mass ditribution in batch fluidized bed coating process. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 12. P. 84-90 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20216412.6448.
Borodulya V.A., Buchilko E.K., Vinogradov L.M. Some special features of combusting the coal-water fuel made of Belarussian brown coals in the fluidized bed. Therm. Eng. 2014. V. 61. N 7. P. 497-502. DOI: 10.1134/S0040601514040016.
Borodulya V.A., Pal'chenok G.I., Rabinovich O.S., Vasilevich S.V. Investigation of the composition of biomass-gasification products in a pseudoliquid layer. J. Eng. Phys. Thermophys. 2007. V. 80. N 2. P. 322-328. DOI: 10.1007/s10891-007-0042-8.
Handbook of pharmaceutical granulation technology. Ed. by D.M. Parikh. New York, USA: Informa Healthcare, Inc. 2010. 659 p.
Hu X., Cunningham J.C., Winstead D. Study growth kinetics in fluidized bed granulation with at-line FBRM. Int. J. Pharm. 2008. V. 347. P. 54–61. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2007.06.043.
Chayjan R.A. Modeling some drying characteristics of high moisture potato slices in fixed, semi fluidized and fluidized bed conditions. J. Agricult. Sci. Technol. 2012. V. 14. P. 1229-1241.
Smith P.G. Applications of fluidization to food processing. UK: Blackwellscience. 2007. 243 p. DOI: 10.1002/9780470995426.
Fluidization. Ed. by I.F. Davidson, D. Harrison. M.: Khimi-ya. 1974. 728 p. (in Russian).
Toomey R.D., Johnstone H.F. Gaseous fluidization of small particles. Chem. Eng. Progr. 1952. V. 48. N 5. P. 220 – 226.
van der Hoef M.A., Ye M., van Sint Annaland M., An-drews IV A.T., Sundaresan S., Kuipers J.A.M. Mul-tiscale modeling of gas-fluidized beds. Adv. Chem. Eng. 2006. V. 31. P. 65-149. DOI: 10.1016/S0065-2377(06)31002-2.
Jiradilok V., Gidaspow D., Damronglerd S., Koves W.J., Mostofi R. Kinetic theory based CFD simulation of turbulent fluidization of FCC particles in a riser. Chem. Eng. Sci. 2006. V. 61. P. 5544 – 5559. DOI: 10.1016/j.ces.2006.04.006.
Shakhova N.A., Minaev G.A. Engineering method for calculating a jet in a fluidized bed. Ing. Fizich. Zhurn. 1970. V. 19. N 6. P. 1002-1007 (in Russian). DOI: 10.1007/BF00825346.
Esmaili E., Mahinpey N. Adjustment of drag coefficient correlations in three dimensional CFD simulation of gas–solid bubbling fluidized bed. Adv. Eng. Software. 2011. V. 42. P. 375–386. DOI: 10.1016/j.advengsoft.2011.03.005.
Zhonghua W., Mujumdar A.S. CFD modeling of the gas–particle flow behavior in spouted beds. Powder Technol. 2008. V. 183. P. 260-272. DOI: 10.1016/j.powtec.2007.07.040.
Feng Y.Q., Yu A.B. Assessment of model formulations in the discrete particle simulation of gas–solid flow. Indust. Eng. Chem. Res. 2004. V. 43. N 26. P. 8378–8390. DOI: 10.1021/ie049387v.
Feng Y.Q., Xu B.H., Zhang S.J., Yu A.B., Zulli P. Discrete particle simulation of gas fluidization of particle mix-tures. A.I.Ch.E. J. 2004. V. 50. N 8. P. 1713–1728. DOI: 10.1002/aic.10169.
Sturm M., Wirtz S., Scherer V., Denecke J. Coupled demcfd simulation of pneumatically conveyed granular media. Chem. Eng. Technol. 2010. V. 33. N 7. P. 1184–1192. DOI: 10.1002/ceat.201000162.
Mitrofanov A.V., Mizonov V.E., Tannous K., Ovchinnikov L.N. A Markov chain model to describe fluidization of particles with time-varying properties. Particul. Sci. Technol. 2018. V. 36. N 2. P. 244–253. DOI: 10.1080/02726351.2016.1243180.
Gidaspow D., Jung J., Singh Raj K. Hydrodynamics of fluidization using kinetic theory: an emerging paradigm. Powder Technol. 2004. V. 148. P.123– 141. DOI: 10.1016/j.powtec.2004.09.025.
Qi Z., Kuang S.B., Qiu T.S., Yu A.B. Lattice Boltzmann investigation on fluid flows through packed beds: Interaction between fluid rheology and bed properties. Powder Technol. 2020. V. 369. P. 248-260. DOI: 10.1016/j.powtec.2020.05.046.
Mizonov V.E., Mitrofanov A.V. Application of the theory of Markov chains to model different processes in particle technology. Advances in engineering research. New York: Nova Science Publ., Inc. 2020. P. 1-74.
Mitrofanov A.V. Mizonov V.E., Tannous K. A mathematical model of fluidized bed state evolution at moisture transfer. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2015. V. 58. N 4. P. 75-78 (in Russian).
Gibilaro L.G. Fluidization dynamics. L.: Butterworth-Heinemann. 2001. 232 p. DOI: 10.1016/B978-075065003-8/50013-6.
Zhang H., Degrève J., Baeyens J., Dewil R. Wall-to-Bed Heat Transfer at Minimum Gas-Solid Fluidization. J. Powder Technol. 2014. Art. ID 163469. DOI: 10.1155/2014/163469.
Mizonov V., Mitrofanov A., Camelo A., Ovchinnikov L. Theoretical study of particulate flows formation in circulating fluidized bed. Rec. Innov. Chem. Eng. 2018. V. 11. N 1. P. 20-28. DOI: 10.2174/2405520410666170620105102.
Milovanov O.Y., Is'emin R.L., Klimov D.V., Kokh-Tatarenko V.S., Larina O.M. Analysis and Simulation of the Motion of Particles near the Heat Exchange Surface Immersed in a Fluidized Bed. Theor. Found. Chem. Eng. 2021. V. 55. N 1. P. 41-52. DOI: 10.1134/S0040579520060172.
The new handbook of chemist and technologist. Processes and apparatuses of chemical technologies. Ch. I. Ed. by G.M. Ostrovsky. SPb.: ANO NPO "Professional". 2004. 848 p. (in Russian).
Heat engineering. Ed. by A.P. Baskakov. M.: Energoatomizdat. 1991. 223 p. (in Russian).
Nazzal J. The presence of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) in oil obtained at pyrolysis of Jordan oil shale. Oil Shale. 2007. V. 24. N 3. P. 465–475. DOI: 10.3176/oil.2007.3.06.
Ryabenky B.C., Filippov A.F. On the stability of difference equations. M.: Gostekhizdat. 1956.171 p. (in Russian).
Handbook of Functional Equations: Stability Theory. Ed. by T.M. Rassias. New York: Springer. 2014. 396 p.
Zeifman A.I., Korotysheva A., Satin Ya., Korolev V., Bening V. Perturbation bounds and truncations for a class of Markovian queues. Queueing Syst. 2014. V. 76. P. 205–221. DOI: 10.1007/s11134-013-9388-0.
