论文化工管道气力输送压降模型计算机模拟罗俊云.docx

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论文化工管道气力输送压降模型计算机模拟罗俊云

摘要

管道气力输送是方兴未艾的新学科和边缘学科,它是利用有压气体作为载体在密闭的管道中达到运送散料或成型物品。

粉体的气力输送是利用气体为载体,在管道或容器中输送粉体物料的一种方法,在气力输送中,混合介质是气体和粉粒体,一般使用的气体是空气,当要求输送的物料不能被氧化时,使用氮气或惰性气体,因而属于气固两相流。

本课题采用以实验为主，以理论分析和数值模拟为辅的方法，系统研究水平T型分支管道气固两相流输送系统中，输送动力变化、发送压力和两分支管路的阀门开度的变化对系统阻力特性和分配特性的影响。

本文的主要对气固两相流管网输送的产生历史、国内外发展状况、基本原理和应用等内容进行了较详细的介绍，同时对本课题的研究意义及前景进行详细论述。

在水平T型分支管道中，用压缩空气作为输送介质，在保持气体流量分别为45m3/h和50m3/h时，分别改变发送压力和各分支管路的阀门开度，对各分支管道各自的阻力特性和两支管的分配特性的变化情况进行分析和研究。

关键词：

气固两相流；管网分流；压降；阻力特性；流量分配特性；

Abstract

Pneumaticconveyingpipeisanewdiscipline'sburgeoningandtheedgediscipline,itisusedasacarriergaspressureintheclosedpipelinetotransportbulkormoldingitems.Powderpneumaticconveyingistheuseofgasasthecarrier,inapipeorcontainerconveyingofpowdermaterialisakindofmethod,inthepneumaticconveying,thegeneraluseofthegasisair,whenthematerialsrequestcan'tbeoxidation,usingnitrogengasorinertgas,whichbelongstothegas-solidtwophaseflow.

Thispapermainlystudiesthecontents:

thegas-solidflowpipelinenetworkgenerationhistory,,basicprinciplesandapplicationsandothercontentforamoredetaileddescription,whiletheresearchsignificanceandprospectsdiscussedindetail,andpipelinetechnologyfocusontheapplicationofdeep-seatedanddifficultissueswerediscussed.T-branchinahorizontalpipe,usingcompressedairasatransfermedium,respectively,whilemaintainingthegasflow45m3/hand50m3/h,thepressure,respectively,andchangingthetransmissionofthebranchpipeofthevalveopeningdegreeofeachrespectivebranchpiperesistancecharacteristicsandtwotubechangesthedistributioncharacteristicsanalysisandresearch.

Keyword：

Gas-solidtwo-phaseflows;Pipenetworksystem;Pressuredrop;Resistancecharacteristic;Flowdistributioncharacteristics；

目录

摘要i

1绪论1

1.1课题的研究背景1

1.2气力输送系统的分类1

1.3气力输送系统的特点4

1.4气力输送系统的研究现状6

1.4.1Y型分支管路的研究现状6

1.4.2T型分支管路的研究现状7

1.5本章小结9

2气固两相流管道输送实验系统简介10

2.1系统简介10

2.1.1供料与收料系统11

2.1.2T型分支管路输送试验系统14

2.1.3数据测量采集系统15

2.2.试验中固相物料的选择15

2.3本章小结16

3T型分支管路阻力特性实验及分析16

3.1研究方法介绍17

3.1.1研究方案17

3.1.2试验步骤17

3.2分支管路的阻力试验特性18

3.2.1分支管路控制阀开度相同时两分支管的阻力特性18

3.3本章小结26

4结论27

参考文献29

致谢33

化工管道气力输送压降模型计算机模拟

1绪论

管道气力输送是方兴未艾的新学科和边缘学科,它是利用有压缩气体作为载体在密闭的管道中达到运送散料或成型物品。

这种管道技术对我国来说也是一门年轻而极具有光广阔营运前景的有待研究开发和应用的技术。

直到现在,不管是在理论方面还是在实际应用方面,许多问题远未得得到很好地解决。

粉体的气力输送是利用气体为载体,在管道或容器中输送粉体物料的一种方法,在气力输送中,混合介质是气体和粉粒体,一般使用的气体是空气,当要求输送的物料不能被氧化时,使用氮气或惰性气体,因而属于气固两相流。

1.1课题的研究背景

气力输送因具有成本低、效率高、污染少、操作危险小、管网布置灵活、生产率高，结构简单，可升可降，操作方便，长距离输送不受地域影响的特点，而且在输送过程中可以汇合、分流、混合、粉碎、分级、干燥、冷却除尘、化学反应等工艺操作，过程封闭既保证物品不受潮、污损或混入异物，又能满足环境保护的要求等优点，已成为普遍适用的利用有压管流输送粉粒状物体的新兴的输送技术。

气力输送技术发展至今已有100多年的历史,在化工、发电、制药、食品、机械制造、饲料、建筑、冶金等领域广泛应用[]。

气力输送技术己有一百多年的发展历史。

早在1810年Uedhu-rst就提出了邮件气力输送方案,1824年Vallanse最先建立了气力输送实验装置。

1853年欧洲出现第一个气力输送装置,但由于当时科学技术和工艺水平的限制,气力输送技术在较长的时间内没能得到广泛的应用。

只局限于某些大码头上的装卸。

1924年Gasterstaedt研究过气固悬浮体管内流动。

但是许多经验和研究成果分布在各个部门,交流不多。

有意识的总结归纳所遇到的各种现象,用气固两相流的统一观点系统地分析和研究,则是1940年后才开始。

两相流（two-phaseflow）的名词在1949年才见诸文献。

五十年代以后论文数量显著增加,内容包括两项流边界层、流态化技术、激波在两相流混合介质中的传播、空化理论、喷管理论等。

1956年Ingebo研究了颗粒群阻力系数试验公式[2]。

1961年Streeter主编的流体力学手册有专门的一节介绍两相流。

六十年代后,越来越多的学者探索描述两相流运动的基本方程。

早期的工作有Marble，Murray，Pabton等[3]。

20世纪60年代,英国Bardford大学的Dr.Williams建立了粉粒技术研究院,并创刊了PowderTechnology杂志。

Cambridge大学的J.F.Davidson和D.Harrison1971年出版了Fluidization.Klinzing在粉体的物性以及气力输送进行了较深入地研究,Tsuji,Y在气力输送气固两相流动的数值计算方面作了大量的工作。

Zenz就气一固流动特性进行了广泛的研究,提出了单颗粒在水平管线上的沉积速度的关联式,前苏联学者克列因、高尔得什琴、李克洛夫斯基等对谷物、水泥等材料以弹性力学理论和实验结果为基础,进行了散粒体结构力学的基本问题研究,包括散粒体的性质及其应力状态等问题的研究。

井尹固赫、俊腾获得了在水平输送线上固体和气体的速度分布,Wen对水平中曳力和压降进行了实验研究,提出了气固存在滑动。

1970年,日本学者久保辉一郎、水渡英二,对粉体的力学特性和运动理论进行了研究。

1985年,近尺正敏、金棒孝文针对颗粒间作用力进行了深入地研究。

上憧具贞用流体力学和固体摩擦理论的方法,建立管道颗粒流动的运动模型,试图得到一种解析解,建立了许多不合理的假设,分析了可利用的理论速度,但与实际情况相差很大,其方法不适用于非均匀悬浮流管流[4]。

研究流场中单颗粒或有着相互作用的多颗粒运动,以及考察含有颗粒的流场本身可用来推测流场中有关的流动信息,如探讨作用在颗粒上的合力和通过对流场平均得到的流变性质等,关于这方面的研究成果,有1965年Einstein的有效粘性理论,1975年Tchen提出的关于小颗粒在均匀紊流中运动受力和扩散的理论。

颗粒流的研究得到了迅速的发展,这方面Savage、Lun等都做出了相应的论述。

VonKarman学院的Lourenco等人所进行的气固两相紊流运动模型的研究有独特的地方。

将固相与稀薄气体分子运动相比拟,用方程描述,而气相用连续介质模型描述。

对稀相管道紊动两相流,所应用的运动模型的数值计算结果与实验能够很好符合。

两相流的运动模型和连续介质模型分别从微观和宏观描述两相流动。

1.2气力输送系统的分类

在气固两相流中，当输送空气表观气速较高时，物料处于悬浮状态，在气流输送中呈均匀分布；当输送气速降低，物料开始积聚，部分物料在管道中开始大量积聚，呈集团脉动状态输送；当输送风速降低到一定程度，物料堵塞界面，形成不稳定的料栓；再降低输送风速，不稳定的料栓将成为稳定的料栓，有空气的压力推动输送。

基于物料的运动状态的不同气力输送系统一般可以分为一下四类：

（1）稀相气力输送

稀相输送是最传统的气力输送方式，气流速度12～40m/s之间，料气比在1～5之间，最大可达15，输送效率在10～20t/h之间。

被输送物料的质量流量与输送气体的质量流量之比较小，物料颗粒之间的间距较大，气体的输送压力较低，输送速度较大，系统磨损较大，输送效率低，能耗大。

（2）密相气力输送

在气力输送密相输送时，物料在管道内已不再均匀分布，呈密集状态，但管道并未被物料堵塞。

气流速度在8～15m/s之间。

料气比的变化范围很大,高压输送与高真空吸送的料气比大致在15～50之间，而对于易吸气的粉料，料气比可高达200以上,流态化输送。

输送效率一般在20～50t/h。

（3）栓流气力输送

这种输送是目前气力输送中一种较好的中等距离的输送方法。

它是人为地把料栓预先以气力切割程较短的料栓，气栓把料栓相间的分开，以静压推动料栓连续前进，这样就提高了料栓速度，降低了输送压力，减少了功率消耗，并增加了输送距离。

此外，尚有将密集状物料连续不断地充塞管内而形成料柱作短距离输送。

（4）集装容器式气力输送

按装料容器的不同分为无轮的传输筒和有轮的集装容器车两类。

它类似于栓料气力输送，是利用空气的压力使传输筒或集装容器车在管道内快速输送[5]。

1.3气力输送系统的特点

从气力输送的输送机理和相关实践可以看出它的一系列优点：

输送效率较高、设备构造简单、维护简单方便、易于实现自动化以及有利于环境保护等。

概括起来气力输送主要有以下的优点：

（1）与其他散状固体物料的输送设备相比,气力输送系统是小颗粒固体物料连续输送最合适的输送设备,同样也适于间断地将大量的颗粒物料从罐车、铁路车辆和货船输送至贮仓。

（2）可充分利用空间。

带式输送机、螺旋输送机、埋刮板输送机等输送机械实质上是朝一个方向输送,而气力输送系统可以向上、向下或围绕建筑物、大的设备及其他障碍物输送物料,其输送管可高出或避开其他装置或设备所占用的空间。

（3）所采用的各种固体物料输送泵、流量分配器以及接受器的操作非常类似于流体设备的操作,因此大多数气力输送关系很容易实现自动控制,由一个中心控制台操作。

（4）与其他散状固体物料的输送设备相比,其着火和爆炸的危险性小。

（5）设计比较好的气力输送系统常常是干净的,并且消除了对环境的污染。

在负压输送时,任何一处的空气泄漏都是向内的,因此物料的污染就可限制到最小。

（6）输送物料可以散装,操作效率高,包装和装卸费用低。

（7）设备简单,占地面积小,可充分利用空间,设备的投资和维修费用少。

（8）可以实现由数点集中送往一处,或由一处分散送往数点的远。

（9）对于化学性能不稳定的物料,可以采用惰性气体输送。

（10）利于安全生产,改善车间卫生条件,防止灰尘、粉尘的外扬,有利于环境保护。

但在实践过程中还存在以下缺点：

（1）与其他散状固体物料输送设备相比,气力输送系统动力消耗较大,特别是稀相气力输送系统。

（2）使用受到限制。

气力输送系统只能用于输送干燥、无磨琢性、有时还需要能自由流动的物料。

如果成品不允许破碎,则脆性的、易于碎裂的物料不宜采用稀相气力输送。

除非是特殊设计,否则易吸潮、结块的物料也不宜采用气力输送系统。

易氧化的物料不宜用空气输送,但可以采用带有气体循环返回的惰性气体来代替空气。

（3）输送距离受到限制。

至目前为止,气力输送系统只能用于比较短的输送距离,一般小于300m，对黏性的物料则更短,例如炭黑,目前只能输送250m

（4）物料特性如堆积密度、粒度、硬度、休止角、磨琢性等的微小变化,都能造成操作上的困难[6]。

1.4气力输送系统的研究现状

目前国内该方面的研究主要以上海理工大学、浙江大学等研究机构为主，且对气力输送分支管道中的相关特性研究取得了一些较大的进展。

1.4.1Y型分支管路的研究现状

吴冕等在水平Y型分支管道中采用压缩空气对平均粒径为2mm的小米颗粒进行气力输送试验，对在Y型管道中流动的气固两相流体的流动状态及流量分配特性进行了研究。

试验结果表明，在发送压力基本保持不变的条件下，当活动支与主管间夹角不变时，分配到活动支侧收料仓B的固相颗粒质量分数随表观气速的增大而逐渐减小；当活动支与主管间夹角发生改变时，分配到收料仓B的固相颗粒质量分数随夹角的增大而逐渐减小，且相较于表观气速，活动支与主管间夹角的变化对分配到收料仓B的固相颗粒质量分数影响较大[]。

申敬罡等以压缩空气为输送介质，粒径相同而密度不同的小米和空心玻璃珠为输送物料，在水平变角度Y型分支管气力输送试验台上对气固两相的流量分配特性进行了研究。

通过对比，发现固相密度对流量分配特性影响不大[7]。

段广斌等[8]人在气固两相流水平Y型分支管实验装置中，通过采用压缩空气对小米物料进行气力输送试验，对分支管的固体流量分配特性进行了研究。

同时，采用Euler-Lagrange两相流研究方法，固相采用离散相（DPM）模型，采用Fluent软件对3种不同夹角的Y型分支管内气固两相流动进行了数值模拟。

结果表明，气体表观速度和变动支管与主管中轴线夹角支管的对固相分配特性具有较大影响。

模拟的结果较好地对颗粒在分支管内的运动轨迹，颗粒在分支处的流动形态以及重新实现颗粒相流场均匀分布所需的距离等进行预估。

数值模拟结果与试验结果之间相对误差较小。

通过相关的气力输送过程实验研究已的到得压损经验公式及相关实验数据可知，压损最小值处的气力输送风速为临界速度。

徐建树【9】等人基于以上理论并基于matlab软件的simulink工作环境空间，通过运用模糊控制器等相关运算模块构建气力输送过程控制仿真模型，有效的控制气力输送风速至临界速度处，从而达到节能优化的目的，效果不错。

王丽玉[9]等人通过采用Euler-Lagrange两相流研究方法，固相采用离散相模型，对三种夹角的Y型分支管内其固两相流动进行了数值模拟，气相湍流采用Realizable模型，固相的湍流耗散采用随机轨道模型。

模拟结果较好地预估了颗粒在分叉处的流动状态、颗粒在分支管内的运动轨迹，以及重新实现颗粒相流场均匀分布所需的距离。

同时发现随机轨道模型较适用于分支与主管夹角较大的情况下，固体颗粒在分叉处地运动。

将分支管内固体颗粒质量分配的数据模拟结果与实验结果比较，发现两者吻合较好，相对误差较小。

1.4.2T型分支管路的研究现状

王晓宁等[10]用压缩空气作为输送介质通过水平T型分支管道试验系统对平均粒径为0.5mm砂石进行了气固两相流分支输送试验,并对分支管道输送的阻力特性进行了研究。

试验结果表明，在保持发送压力恒定的情况下，当输送气体流量下降时各分支管的压差在开始时逐渐减小；但当表观气速下降到一定程度后，压差下降趋势减慢，但局部阻力相对较大的分支管路的压差则开始增大。

当分支管的控制阀开度差值由小变大时，两分支管各自的压差差值梯度逐渐增大，局部阻力相对较大的分支管路的临界速度则增大。

而用压缩空气对平均粒径为0.25mm的砂石进行了试验。

结果表明，在发送压力保持恒定的情况下，随着表观气速的减小，各分支管上的压差，当开始时逐渐减小；但当气速下降到一定程度后，各分支管压差转而增大；当各分支管路流量控制阀的开度差值变大时，固相颗粒在分支管路中的流量分配情况也发生了较大变化[11]。

郑丹等[]通过水平T型分支管道试验系统对平均粒径为0.5mm的沙石进行了气固两相流试验，结果表明，当空气的表观气速大于33m/s时，T型分支管接头处不会出现固相沉积，而当表观气速大于33m/s时，分支管接头处则会出现沉积，分支管路的流量分配和并且沉积量与分支管路上阀门开度有关；开度相同时，分支接头两侧的固相流量分配和沉积量相同；开度不同时，阀门开度小的一侧分支接头处的分配流量少，沉积量也少。

林江等的论文[]通过对管壁摩擦力影响的悬浮固粒群在不同初始条件下的运动进行研究,对固粒从初始到稳定状态的全过程进行了全面的探讨,得出在不同初始条件下,固粒群的运动速度与时间、距离的关系。

通过对不同初始速度的固粒群在加速段的运动状态的观察,分析了初始气固速度比对固粒输送速度的影响。

包福兵等[12]采用双流体模型对气力输送系统中T形盲管弯头的3维气固两相流场进行了数值模拟。

分析结果表明，颗粒直径和管道直径越小，固相体积浓度和入口速度越大，流场压力损失越大。

固相体积浓度、颗粒直径、气流人口速度越大，盲管长度L与管道直径D的比值H应选取较大；且H值的选取范围应在0.5～3之间，不同管道直径的压力损失有着相同的变化趋势和同样的H值。

在管网输送有关特性模拟预测方面，王晓宁等[13]在水平T型分支管道中,用压缩空气作为输送气体，对平均粒径为0.25mm和0.5mm的砂石进行气力输送试验。

通过试验和GRNN神经网络对输送表观气速和两分支管路流量控制阀开度发生变化时，各分支管路中的阻力特性进行了模拟预测。

通过试验值和GRNN网络模拟值的对比，发现试验值和模拟值间相互吻合得较好，说明采用GRNN网络来模拟两分支管路中各自的阻力特性适应性较好。

并通过用BP神经网络对两支管的分配特性进行了模拟预测，试验值和预测值比较，发现BP神经网络对分支管路的分配特性具有较高的预测精度。

1.5本章小结

管道气力输送具有其它输送方式不可比拟的优点，但也存在输送过程能耗较大，稳定性较差的缺陷，研究输送管道中气固两相流的流动机理是解决此类问题的根本和关键。

在国内外关于气固两相分支流动的试验，机理分析和数值模拟的研究较少，理论研究更远远落后于其实际工程应用水平。

对其流场的物理本质还缺乏足够的了解，没有形成统一的理论，大多数分支管路气力输送系统的设计仍主要依赖于实验室数据和实际工程经验，其设计周期较长，费用高，且准确性也不够理想，这些都限制了其在国民经济发展中的更进一步的应用，因此管网系统中气固两相流动特性的研究急需深化与发展，这也是促进管道输送技术深层次应用的重点和难点问题。

本课题从试验入手，对多分支管网分流过程中的动力特性和流量分配特性进行研究，并对其气固两相流机理进行探索，建立相应的物理数学模型，为管网分流系统的敷设和操作参数的优化提供依据，具有重要的理论价值和实际意义。

2气固两相流管网输送试验系统简介

本课题通过王晓宁副教授设计建立的一套室内T型气力输送管网实验系统对相关物料进行了试验。

通过调节总管和各分支管路的空气流量、各支管的阀门开度以及发送罐的压力，能较准确对各支管的阻力特征和固体分配特性进行较准确的测量，是一套既可以用于实验室试验，又可进行工业化中试试验的气固管道输送的系统。

本课题的主要研究内容包括四个方面：

一是气力输送系统及其试验装置的建立及改进；二是气固两相T型分支管路分流阻力特性的研究；三是气固两相T型分支管路分流固相颗粒分配特性的研究；四是对相关特征参数建立数据模型，该试验系统基本可以满足以上的要求。

2.1系统简介

本装置采用水平T形分支管路进行气力输送试验，两分支管路分别采用球阀进行流量调节。

该试验以干燥、纯净的压缩空气作为输送介质，对固相颗粒的输送过程进行了研究，并采用转子流量计对气体流量进行在线测量。

两分支管路A、B采用T形分支接头连接，两分支管和分支接头由Φ32mm的无缝钢管和等径的有机胶管组成。

通过有机胶管，可以实时观察总管及T形分支接头和两分支管内的两相流体的流动情况。

两分支管路通过U型压差计对测量点进行压差在线测量，分支管路A和B分别通过透明有机胶管连接到收料仓A和B。

发送仓和收料仓B的固体物料重量均采用质量测量仪进行测量，可为支管的固体收分配特性和管路输送的固气比的分析提供数据。

尾部都有布袋除尘器对物料粉尘进行收集。

本试验系统主要包括输送气源、稳压装置、流量计、发料仓、输送管道、收料仓等。

实验装置如图2-1所示：

图2-1实验装置图

Figure1:

Thediagramoftheexperimentequipment

2.1.1供料与收料系统

（1）供气系统

本实验装置根据经验和试验要求选取沈阳红五环压缩机有限公司生产的EXCEED型空气压缩机作为动力源，排气压力为1.25MPa，活塞排量为0.8m3/min,最高压力为1.4MPa。

过滤器选用沈阳市材和机电设备制造有限公司制造的博世型号，该型号总高75cm，其最大工作压力为1.2MPa，排气量为8.46m3/min，用于压缩空气中杂质的过滤、水分的干燥和定压稳压。

供气系统主要包括空气压缩机、稳压过滤装置、转子流量计等设备。

图2-2空气压缩机

图2-3空气过滤器

（2）供料系统

本实验装置的发送仓为釜式结构，中间为圆柱形，上下各有锥形结构，便于物料的进入和输出。

发料仓的实际容积约30L，由三根铁柱并用地脚螺丝固定在地面上，以保持发料仓工作时的稳定。

在发料仓的顶部有物料进口，用不锈钢球阀进行密封，两边安装有精密压力表和安全阀，分别用来测量发料仓内的压力和防止发料仓内压力超过安全值。

发料仓的底部装有流量控制球阀，用来控制气力输送管道内的固体物料流量。

流量控制阀的下面装有气固混合系统，通过透明软管与输送管道系统相连。

发料混合系统整体结构如图片所示：

图2-4发料混合系统

（3）收料系统

收料仓的结构