（机械工程专业论文）钛白粉气力输送系统设计方法与装备技术.pdf

摘要 气力输送是指借助流动的气体来输送粉末状物料的一种输送方法，与输送介 质、压力、距离等诸多因素有关，且在不同的管段内，物料呈现出不同的流动状 态。本文以在钛白粉这一特殊行业使用气力输送为研究目的，主要进行了如下研 究工作： 1 分析了颗粒在管道内的流动状态及在垂直管、水平管内压力降的计算方 法，提出了适合钛白粉输送的设计计算依据。 2 针对要输送物料的特性及要求，设计了3 套气力输送系统用于钛白粉生 产，并对各主要设备进行了设计；对输送系统磨蚀机理进行分析并提出了解决方 案；分析了管路堵塞产生的原因，设计了管路破拱。 3 在设计完成的输送系统上做了工业实验，结果表明，设计的气力输送系 统能够比较好的满足设计的要求，系统的输送能力可达到6 1 吨，料气比约等于 3 4 ，系统比较稳定；在此基础上验证了输送量、输送速度、耗气量与理论计算的 误差，对产生误差的原因进行了分析探讨；借助实验分析海拔高度对气力输送的 影响。 本文利用气力输送系统的优点，成功设计气力输送系统应用于钛白生产中， 不仅解决了钛白粉行业的粉尘污染问题，也为气力输送在不同的行业使用提供借 鉴方法和实践经验。 关键词：气力输送钛白粉气固两相 a bs t r a c t p n e u m a t i cc o n v e y i n gi sak i n do ft r a n s m i s s i o nm e t h o df o rp o w d e r m a t e r i a l sb yu s i n gt h ef l o wo fg a s i th a sr e l a t i o n s h i pw i t ht h ef a c t o r s s u c ha st h et r a n s m i s s i o nm e d i ap r e s s u r ea n dd i s t a n c e ，a n dt h em a t e r i a l s h o w sd i f f e r e n tf l o ws t a t e si nd i f f e r e n ts e c t i o n so ft h ep i p e t h e p n e u m a t i cd e l i v e r ys y s t e mf o rt i t a n i u md i o x i d ew a ss t u d i e di nt h i sp a p e r , a n dt h ef o l l o w i n ga c h i e v e m e n t sh a v eb e e na c c o m p l i s h e d t h ef l o ws t a t eo fp o w d e rp a r t i c l e si nt h ep i p ew a sa n a l y z e d ； m e a n w h i l e t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d sf o rt h ep r e s s u r ed r o pi nt h ev e r t i c a l a n dl e v e lp i p e sa r ep r e s e n t e d t i l ed e s i g nr e f e r e n c e sf o rt i t a n i u md i o x i d e p n e u m a t i cd e l i v e r yw e r ep u tf o r w a r d b a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n t so ft h em a t e r i a l sf o r t r a n s m i s s i o n ，t h r e ed i f f e r e n tp n e u m a t i cd e l i v e r ys y s t e m sw e r ed e s i g n e d f o rt i t a n i u md i o x i d ep r o d u c t i o n ，a n dt h em a i ne q u i p m e n t sh a v eb e e na l s o d e s i g n e d a b r a s i o np r i n c i p l eo ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e mw a sa n a l y z e da n d t h es o l u t i o n sw e r ep u tf o r w a r d t h ec a u s e sf o rt h eb r e a ko fp i p e sw e r e d i s c u s s e d ，a n dt h es o l u t i o n sw e r ep r e s e n t e d 卟e e x p e r i m e n t s w e r ec a r r i e do u to nt h e d e s i g n e dp n e u m a t i c d e l i v e r ys y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e dp n e u m a t i cd e l i v e r y s y s t e mc a ns a t i s f yt h ed e s i g n e dr e q u i r e m e n t s t h et r a n f f i cc a p a c i t yo ft h e s y s t e mc a nr e a c h6 1t ，t h er a t i oo fm a t e r i e lt og a si sa b o u t3 4 ，a n dt h e s y s t e m c a no p e r a t e s t a b l y b a s e d o nt h e e x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h e c a l c u l a t i o ne r r o r so fd e l i v e r ya m o u n t ，d e l i v e r ys p e e da n da i rc o n s u m p t i o n w e r eg a i n e d ，a n dt h ef a c t o r st h a tc a u s e dt h ee r r o r sw e r ed i s c u s s e d t h e i n f l u e n c ec a u s e db yh e i g h tw a sa n a l y z e df i n a l l y n ep n e u m a t i cd e l i v e r y s y s t e mw a ss u c c e s s f u l l yd e s i g n e da n d a p p l i e di nt i t a n i u md i o x i d ep r o d u c t i o n i tn o to n l ys o l v e st h ep r o b l e mo f d u s tp o l l u t i o ni nt i t a n i u md i o x i d ei n d u s t r y , b u ta l s op r o v i d e sr e f e r e n c e m e t h o da n dp r a c t i c a le x p e r i e n c e k e yw o r d s ： a i rd e l i v e r y ，t i t a n i u md i o x i d e ，g a sa n ds o l i dp h a s e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：谢乏勿签字日期：夕矿7 年 学位论文版权使用授权书 日 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：渊灸匆 导师签名：胀 签字日期： 钟年f 月 日 签字日期：口夕年月 日 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 在化工生产中，物料的输送是一个关键的部分，实际生产中很大一部分能量 消耗于原料、成品或半成品的运输过程中。因此选择、设计一种合理的输送方式 已成为提高效率、减低成本的关键。气力输送作为一种散装物料的输送方式，越 来越多地在工业生产中得到应用。它除了可以在工厂车间内部还可在露天、铁路、 船舶的运输作业中应用，在对各种粉末状、颗粒状、纤维状、叶片状的物料如面 粉、谷物、煤粉、水泥、石灰、化肥、塑料颗粒、砂石等广泛地采用了气力输送 外，在邮局、银行、商店、旅馆、图书馆等搬运频繁的场合，对于信件、票证、 帐册、图书、药剂等也采用气力输送。此外化工产品、金属零件、核反应堆的硼 球等物品也成为可供选用的运输方式。因此，气力输送系统对电力、化工、食品、 钢铁、冶金、建筑、机械制造、医药、饲料、核电等行业发展具有直接的影响。 在钛白生产中，传统的输送方式是用人工、螺旋输送机、斗式提升机进行物 料的输送，往往是“黑区”、“白区”分明，粉尘飘扬对环境和操作工健康造成很大 的影响，并且造成能源浪费、产品污染、成本增加。由于高污染，硫酸法钛白被 国家列为限制类发展项目。从钛白粉的生产过程来看，输送是一个十分重要的环 节，对各工段物料进行分析，对各种输送方式进行比较，选择合适的输送方式， 不仅可以解决环境问题，而且对节能减耗、提高产品质量，提升企业竞争力，解 决行业问题都有极大的好处。从应用基础研究方面来看，气力输送是一个十分复 杂的多相流运动过程，固体颗粒在输送管道内的运动，涉及到气流速度的分布以 及固体颗粒的运动形态等各种因素。输送管道内固体颗粒的运动状态既有滚动又 有悬浮，同时还发生固体颗粒与颗粒、固体颗粒与管道的摩擦和碰撞，固体颗粒 在向前运动的同时还有部分在旋转，完全考虑这些因素进行研究是比较复杂的。 长期以来人们虽然已经在该领域进行了大量的研究，但仍有许多问题没有得到解 决。此外，输送系统的效率、磨损也是一个重要问题，被输送物料的尺寸、硬度、 抵抗损坏的能力以及物料特征和输送系统的自身条件等多种因素相互制约，共同 决定了气力输送的效率及使用，从综合角度来考虑输送效果就变得非常复杂。因 此，要对气力输送系统进行设计，就必须掌握系统运行时气固两相流动的特性及 规律，必须对固体颗粒在管道内的流动形态进行深入的分析研究，对组成特定的 输送系统的各个组成部分进行分析、优化设计，对影响输送系统的各种因素进行 第一章绪论 全面的分析。而这些问题往往是气力输送系统设计的重点。 综上所述，气力输送的设计和实验研究课题有着广泛的工程实际需要和重要 的理论、实践意义，具有广阔的发展前景。 1 2 气力输送系统研究综述 1 2 1 气力输送系统简介 气力输送是指在输送管道内利用气体作为承载介质，将物料从一地输送到另 一地的输送方法。流动的气体直接给输送管内物料粒子提供移动所需要的能量， 管道内空气的流动则是由管子两端压力差来推动。通常气体为空气，空气流动称 之为风，因此气力输送也称为风送或风运。气力输送是流态化技术的一种具体应 用。气力输送装置具有布置灵活、操作方便、可实现自动化控制等特点。在输送 过程中还可同时进行物料的加热、冷却、干燥、粉碎和气流分级等物理操作或某 些化学操作。而且输送过程中物料在密闭的系统内运行，可有效解决物料输送带 来的环境污染问题。 1 2 2 气力输送系统分类 气力输送的分类标准比较多，以下两种分类方法得到大家的认可：( 1 ) 根据 输送压力分类，其依据来自输送管道中空气的压力状态；( 2 ) 根据物料在管道中 的流动状态分类，其依据是物料的相图、输送管道中的气固流动状态、单位时间 的输送量及料气比。 1 2 2 1 按输送压力分类 按气力输送管道中压力来分类可以将气力输送分为负压吸送；正压压送及 吸、压混合三种。 ( 1 ) 负压吸送系统负压吸送系统是利用输送系统终点的设备抽吸系统内 的空气，在系统中形成低于大气压的负压气流，物料与空气同时从吸嘴进入系统 内并随气流到达系统终点，最后由过滤分离部分实现料气分离。图1 1 所示为负 压吸送的典型示意图。负压吸送系统具有以下特点： 整个输送装置处于负压状态下工作作，物料和粉尘不会外逸飞扬，能保证 工作环境干净卫生。 适宜于物料从多处向一处集中输送。 适用于堆积面广或低、深处物料的输送( 如仓库、货船等散装粮的输送) 。 2 第一章绪论 上料方式简单( 和压送式相比而言) 。 对卸料器、除尘器的气密性及卸料要求较高( 要求在气密条件下排料) 。 输送量、输送距离受到定的限制，动力消耗较高。 图1 1 负压吸送典型示意图 牲 觥 ( 2 ) 正压压送送系统正压压送是气力输送最基本最常见的形式。图1 2 为其典型示意图，在输送系统中起点处的风机等气源设备，将高于大气压的压缩 气流送入输送系统中，同时物料定量均匀地加入高速运行的气流中，在气流的带 动下，物料到达输送系统终点，经过物料与空气分离，物料进入料仓，空气排入 大气。这种系统具有的特点如下： 图l - 2 正压输送典型示意图 第一章绪论 整个输送装置处于正压状态，容易造成粉尘泄漏，污染车间环境。但能防 止外界杂质进入系统。 适宜于物料由一处同时向几个地方输送。 适合于长距离、大流量输送。 供料器结构复杂，输送压力较高时，供料器需具有关风能力。 卸料器结构简单。 ( 3 ) 混合输送系统混合输送系统是在同一输送系统中既有正压又有负压。 它同时具有吸送、压送两种优势，因而可以应用于比较复杂的输送中。混合系统 可以是压送式输送，也可以是送压式的输送组合系统。图1 3 是吸、压结合的 典型输送图。 图1 3 吸、压结合典型输送图 1 2 2 2 按流动状态分类 按照物料颗粒的流动状态及相图进行分类，可以将气力输送系统分为以下四 种：稀相输送、密相动压输送、密相静压输送、简式输送。 ( 1 ) 稀相气力输送系统属于颗粒悬浮输送，物料在管道内悬浮于气流中， 在管内分布比较均匀，由于颗粒较少，空隙率很大，依靠流速较高的空气所形成 的动能来携带物料输送。通常采用的气体流速约在1 5 r n s 以上。料气比一般为 1 - 1 0 0 。 ( 2 ) 密相动压输送系统输送气流速度在8 1 2 m s 之间，管道中物料浓度 较稀相输送大，物料不再均匀分布，这种输送方式中，物料的流动方式可能有三 种：线流、疏密流、沙丘流。由于输送气速较稀相输送低，一部分物料沉积在管 道底部，一部分悬浮于管道上部。对于悬浮颗粒主要靠气流输送，对于沉积颗粒， 4 第一章绪论 主要依靠颗粒之间、颗粒与气流之间的相互作用来推动物料向前运动。 ( 3 ) 密相静压输送系统密相静压输送是近几年发展起来的的低速高浓度 输送系统。输送物料被分为料栓，物料移动不是靠空气的动压，而是借助于料栓 前后气体静压来推移，此类输送也被称为栓流输送。这种输送方式的料气比高， 可达5 0 以上，但气速低，一般为5 m s 左右，最高不超过1 0 m s ，缺点是输送距 离短，并且受输送颗粒物理性能的限制。 ( 4 ) 筒式输送筒式气力输送装置，是将物料装在具有一定形状的传输筒中， 在管道内利用空气的压力进行输送。 1 2 3 气力输送系统的特点 气力输送系统的特征比较明显，它属于管路输送，没有回程。管路输送是 指输送线完全为管道，没有机械传动部分，输送装置占地面面积小，而且输送中 物料与外界隔绝，不受外界的影响，也不会对外界造成污染等，它的优点如下： ( 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罐。 ( 2 ) 生产效率高，包装和装卸费用低。 ( 3 ) 输送管道能灵活布置，输送距离长，可充分利用空间，从而使工厂设 备、工艺布置更为合理。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，其输送管路可高出或避开其他装置所占用的空间。 ( 4 ) 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系统很容易实现自动控制，由一个中 心控制台集中控制。 ( 5 ) 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较小。 ( 6 ) 气力输送系统整个过程完全密闭，受气候环境条件影响小。这不仅改 善了操作的工作条件，而且被输送的物料不致吸潮、污染或混入其他杂质，可以 保证物料在输送过程中的不发生变化。 ( 7 ) 设备简单，占地面积小，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。 ( 9 ) 对于化学性能不稳定的物料，可以采用惰性气体输送。 ( 1 0 ) 运动部件少，维修保养方便。 气力输送系统做为种物料的输送模式，其缺点也是鲜明的，主要有以下几 点。 第一牵绪论 ( 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、无腐蚀 性的物料，对物料的要求较高。 ( 3 ) 气力输送系统的通用性比较差，只能针对特定的物料及布置设计特定 的系统，只要情况发生变化，系统需要重新设计。 1 2 4 气力输送系统发展状况 气力输送做为一门新兴边缘学科，它是结合流体力学、空气动力学、材料学、 流化态技术、粉体工程等学科发展而来，经过1 0 0 多年不断的探索和研究，它在 输送领域越来越受到重视。由于研究侧重点不同，在不同时期人们提出了不同的 理论及经验公式，但基本还是实践应用走在理论研究前面。 ( 1 ) 气力输送系统在国内的发展 我国的气力输送系统发展较晚，目前，主要应用于钢铁厂的高炉喷煤、火电 厂的粉煤灰输送、水泥工业中水泥熟料的输送、铸造工厂的型砂、黏土、粉煤及 面粉厂面粉的输送等。1 9 5 9 长春汽车厂最早使用气力输送进行热气流烘砂工艺 试验，取得一定成果，19 6 6 年又试验成功涡流式压送浆料装置【l 】。理论研究的方 面，郭慕孙等对颗粒和颗粒群的运动状态做了研究【2 】，秦霏光等对物料在管道中 的流动做了讨论研究【3 】，1 9 7 8 年李洪钟对垂直管压强降计算方法进行了研究【4 】， 1 9 8 0 年杨伦对脉冲气刀式栓流密相气力输送做了研究【5 】，1 9 9 2 年余洲生又对长 距离水平输送进行了论证【6 j ，1 9 9 6 年魏飞等对气固并行系统中弥散颗粒混合行为 做了系统的研究 7 1 ，1 9 9 7 年潘贵全、盛青对垂直管中气力输送的粉体噎塞速度进 行了深入研究【引，徐学耘、周艳对高压力吸送装置进行了研列9 1 ，2 0 0 3 年浙江大 学的林江等对空间模式下的初始气固速度比对管道内的固体颗粒加速特性进行 了深入研究i j 。 目前我国共有1 0 几所科研院所、企业单位进行着气力输送的研究及开发应 用，但由于起步较晚，在应用和理论研究方面与国外有一定差距。 ( 2 ) 气力输送系统在国外的发展 气力输送技术在国外己有一百多年的发展历史。在1 8 1 0 年m e d h u r s t 提出了 邮件气力输送设想。1 8 2 4 年v a l l a n s e 第一次建立了气力输送实验装置。1 8 5 3 年 c l a r k 制成了直径为1 5 英尺，长6 7 5 英尺的气力输送的实验装置。粉状物料气 力输送装置的发展始于1 8 6 6 年s t u r t e v a n t 对除尘器的研制。1 8 8 6 年a l l i n g t o n 进行 了长距离气力压送纤维的探讨。1 8 9 0 年，英国工程师d u c k h a m 发明了套筒式吸 嘴并经过研究，建造了吸送谷物的卸船机，为现代吸送的发展奠定了基础。1 9 0 6 6 第一章绪论 年m i t c h e l l 研制了输料管逐段改变的谷物卸船机。1 9 1 9 年英国人ki n g o n 发明了压 送粉末状物科的螺旋泵。1 9 2 4 年德国人g a s t e r s 伯姗究了输送小麦的压力损失计 算公式。1 9 5 8 年德国人b a n h 近一步发展t g a s t e r s t a d t 的研究成果】。 气力输送应用于工厂内部是在大型气力输送设备出现之后。两相流 ( t w o p h a s ef l o w ) 名词在1 9 4 9 年才见诸文献。k l i n z i n g 对粉体特性与气力输送的关 系进行了较深入地研究，t s u j i y 对气力输送气固两相流动的计算做了研究【l 2 1 ， z e n z 就气固流动特性进行了研究，提出了单颗粒在水平管线上沉积速度的关联 式【1 3 】，前苏联学者克列因、李克洛夫斯基等【1 4 】做了散粒体结构力学的研究，包 括散粒体的性质及其应力状态的研究，1 9 7 0 年日本学者九保辉一郎、水渡英二， 对粉体的力学特性和运动理论进行了研究。上撞具贞建立起了管道颗粒流动的运 动模型1 15 1 。 固体的气力输送代表了十九世纪工业的巨大革新之一，经过一个多世纪的发 展，国外气力输送技术已经遥遥领先于中国。目前，在美国、德国、瑞士、英国、 日本和荷兰都有气力输送的设计和研究中心，其研制的成套气力输送装置已经形 成规模，各种装置形式越来越多。 1 3 本课题的目的及意义 由于影响气力输送的因素众多，包括输送物料特性、输送方式选择、输送距 离、输送系统参数设定、输送设备选型及布置等等。正是由于这种复杂性决定了 对其进行准确的理论计算是相当困难的。即使推导出一些计算公式也因误差大、 理论模型与实际情况有较大差异无法适用于特定的气力输送系统中。但是我们通 过理论分析和实验验证，对影响气力输送的主要因素进行分析研究，对指导钛白 生产过程中的气力输送设计仍然具有非常现实的意义。 本课题以钛白粉生产过程中的物料输送为研究对象，通过理论分析，根据不 同的输送要求，设计了不同的气力输送系统，其中包括工艺流程图和设备布置图， 并对组成气力输送的气源、给料器、管道、弯头、阀门、除尘设备进行了设计， 对系统可能出现的问题进行了分析。在此基础上对所设计的气力输送系统进行了 工业实验，基本达到了解决钛白生产中的物料输送问题。 1 4 主要研究内容及技术路线 由于气力输送的特殊性，在特定的行业人们进行了研究并取得了一定进展， 但在钛白粉行业气力输送还处在摸索阶段，目前还没有成功使用的前例【蚓。本 文在前人研究的基础上对影响气力输送的各种因素进行系统分析研究，设计不同 的气力输送装置使用于不同的输送工序，并对在高原地区使用气力输送装置进行 7 第一章绪论 了探讨，对气力输送的磨损、管材选择、输送系统功耗进行了分析。它对于推动 气力输送在钛白行业的发展具有积极意义。 1 5 本文的主要创新工作 在经过学习前人经验成果的基础上经过分析比较，本文主要在以下几个方面 进行了研究： ( 1 ) 仔细分析了各种理论和经验公式，提出了适合钛白粉输送的计算公式。 ( 2 ) 针对不同的输送物料设计了3 套气力输送装置。 ( 3 ) 对影响气力输送装置的各种因素进行了分析并提出解决方案。 ( 4 ) 在设计完成的装置上进行了工业实验，验证设计参数，对出现的误差进 行了分析，提出了改进系统提高效率的方案。 ( 5 ) 分析了海拔高度对气力输送装置的影响。 8 第二章气力输送系统基础理论分析 第二章气力输送系统基础理论分析 2 1 气力输送系统基本理论 随着人们对气力输送认识不断提高，气力输送理论一直在发展之中，但最基 础的还是由以下参数开始考虑。 2 1 1 混合比和浓度 混合比和浓度均是指两相流中颗粒物料量与空气量的比值。它反映了输送量 和输送状态的标准，是两相流的重要参数之一。一般分为混合比、体积浓度和实 际浓度。 ( 1 ) 混合比混合比也称质量浓度，是指通过输料管断面的物料质量流量 g 惦与气体质量流量g 啪之比，即 - = q w s g w a = g 琊p aq，a)(2-1) 式中：g 一料质量流量( k g h ) p 。一气体的密度( k g m 3 ) q w a 气体的质量流量( k g h ) 口、以体的流量( m ) ( 2 ) 体积浓度体积浓度是指物料的密实流量g 。与气体质量流量g ，。之比， 即 鳓v 出v f ( q w s p 。) ( g 啪p a ) ：即。勿。 ( 2 2 ) 式中：p 。一管中物料的真密度( k g m 3 ) ( 3 ) 实际浓度实际浓度是指输料管中长度单位内的物料质量( 聊。l = g 邶t ) 。) 和气体质量之比( m = q w a d s ) ，即 c = ( q w s d s ) ( g w a d 。) - 卢t ) 。d 。 ( 2 3 ) 式中：d 。一管中物料的平均速度( m s ) d a 一管中气体的平均速度( m s ) 在气力输送系统设计时，通常采用混合比作为已知设计参数。混合比口高， 有利于增大输送能力，所消耗空气量就小，单位能耗就低；同时空气量小了所需 要的管道、收尘设备也可以相应减小，从而节约设备的投资。然而，若过大， 则在悬浮状态下输送物料时，输送管道容易发生堵塞，且管道中压力损失也大， 要求提供较高的压力气源设备。因此混合比的数值受到物料、输送方式、输送 9 第二章气力输送系统基础理论分析 条件、供料装置以及气源设备等诸多因素的限制。设计时应参考已有的装置并根 据经验来选定合适的混合比，最为可靠的方法是结合理论分析和工业实验进行选 择。一般选取的范围见表2 1 【17 1 。 表2 1 混合比选择范围 在气力输送过程中驴d s ，所以c 斗，即实际浓度大于混合比，特别在细粉料 的稀相输送中，在物料颗粒进入等速段之后，可以认为d 。接近于t ) 。，此时t ) a d 。l ， 可以用代替c 。 2 1 2 物料颗粒的沉降速度和悬浮速度 物料颗粒在气流中运动时，沉降速度和悬浮速度是粒子动力学最基本的性 质，是气力输送设计计算的最原始数据，对输送管内的输送速度有重要影响。 ( 1 ) 沉降速度当物料颗粒以静止状态在空气中自由下落时，它将受到三个 力的共同作用，即重力g 、空气的浮力尸和空气的阻力，。由于重力的作用，粒子 从静止状态自由下落时，其下落的运动速度愈来愈快，同时，空气对它的阻力也 随着速度的加快而不断增加，最后下降速度达到最大值甜。时颗粒受力达到平衡 时，即 g - p = - f( 2 4 ) 此时粒子因惯性以最大的速度做等速度自由沉降，一般把物料颗粒在空气中 由静止状态到自由下落所能达到的最大速度，称为物料颗粒的沉降速度。 ( 2 ) 悬浮速度把沉降速度为d o 的物料颗粒，置于垂直向上、速度为t ) 的均 匀气流中，则物料粒子运动的绝对速度t ) l 为 功2 d t ) o 假设此时萨d 0 ，则粒子的绝对速度为零， l o ( 2 5 ) 也就是说，物料颗粒在气流中处于 第二章气力输送系统基础理论分析 某一固定高度而静止，既不上升，也不下降。我们把物料颗粒在垂直向上的气流 中能处于静止状态时的气流速度称为物料颗粒的悬浮速度。 从以上描述中可以看出，物料的沉降速度是物料颗粒自身的运动速度，而 物料颗粒的悬浮速度则是气流的运动速度。两者在定义上是不同的，它们数值相 等，方向相反。 物料在管道中的运动十分复杂，受多方面因素的影响，物料颗粒的形状通常 是极不规则的，颗粒的形状对悬浮速度有较大的影响，在同类等重物料中，以球 形颗粒的悬浮速度最大，其它不规则形状颗粒的悬浮速度则相应较小。此外在气 力输送情况下，管道中的物料不再是单个的颗粒，而呈颗粒群运动，此时颗粒的 沉降不仅受到流体阻力，还要受到其他颗粒的干扰阻力。此时，沉降( 即悬浮速 度值) 与颗粒群浓度有关，浓度大，则沉降速度减小。浓度相同时，颗粒越细， 则颗粒数目愈多，一方面因颗粒体表面积就愈大，阻力增大；另一方面因颗粒间 摩擦、碰撞机会就愈多，阻力也增大，使的沉降速度更为减小。所以颗粒群干扰 沉降速度，即颗粒群的悬浮速度比单颗粒的自由沉降速度要小【1 8 - 1 9 。在实际应用 中，各种物料的实际悬浮速度需要通过实验来确定。当无参考数值时，可按下式 计算 ( 1 ) 对粒状物料 驴乎 式中：d 广物料颗粒的当量球直径( m ) 触物料的真密度( k g m 3 ) 户a 一物料的堆密度( k g m ( 2 ) 对粉状物料 v ：生：鲤二2 墨 。 1 8 儿 式中：一空气的黏滞系数 2 1 3 物料在管道中的运动状态 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 1 ) 物料颗粒在垂直管道中的运动状态在垂直管道中，物料颗粒的重力方 向与空气动力的方向处于同一垂直线上，但方向相反，只要气流的速度大于颗粒 的悬浮速度，颗粒就会随气流向上运动。但在紊流气流中，因有与流向相垂直的 分量存在，管道内的气流速度是不均匀的，物料颗粒的形状通常也不规则，且物 料相互间或与管壁间相互碰撞产生旋转，致使物料颗粒的运动呈不规则的曲线上 第二章气力输送系统基础理论分析 升状态。在垂直输料管中，物料颗粒在管道内的分布基本是均匀的1 2 0 l 。 ( 2 ) 物料颗粒在水平管道中的运动状态在水平管道中，物料颗粒的重力 方向与空气流动的方向相垂直，流动气流对颗粒的悬浮不起直接作用，但物料颗 粒仍然能被悬浮输送，这是因为在气流水平动力的作用下，产生悬浮力来对抗重 力，从而使物料被悬浮。 在水平输料管中，物料颗粒群体受管道内气流速度大小的影响，呈现以下六 种运动状态1 2j j ： 悬浮流管道内输送气流的速度较大时，物料基本上处于均匀分布状态， 物料颗粒在气流中呈悬浮状态输送，如图2 1 所示。在这种情况下由垂直方向向 上的分速度产生的作用力提供物料颗粒克服重力。 图2 一l 悬浮流示意图 底密流管道内输送气流的速度减小时，越接近管道底部，物料的分布越 密集，物料粒子在做不规则的旋转、碰撞的同时向前运动，如图2 2 所示。此时， 处在下部的物料颗粒群，由于其上下部速度不同所形成的静压差而产生的作用 力，推动物料克服重力向前运动。 图2 2 底密流示意图 疏密流管道内输送气流的速度进一步减小，物料在水平管道内呈疏密不 均匀的流动状态，部分物料颗粒在管底滑动，如图2 3 所示。这种情况下，物料 颗粒周围的环流与管内气流共同作用形成升力，贴近管底的物料，在气流的推动 下向前滚动，由于流体具有粘性，颗粒周围的空气便被带动，形成环流。颗粒上 部的环流与气流的速度方向相同，叠加后速度增大；颗粒下部的环流与气流的速 度方向相反，叠加后速度减小。这样颗粒的上下部速度不同而产生的静压差提供 对颗粒的升力。 + j ； ? ： fi - 。，- - 吁， 图2 - 3 疏密流示意图 1 2 第二章气力输送系统基础理论分析 停滞流物料在水平管道内呈疏密不均匀的流动状态随着管道内输送气 流的速度再次减小，大部分的物料颗粒失去了气流对它的悬浮力，停滞在管道底 部。此时，管道的局部区段因物料积聚而使管内断面变小，气流速度在该区段增 大，使停滞的物料重新被吹走，形成停滞、积聚、吹走相互交替的不稳定输送状 态，如图2 4 所示。由于管内气流速度发生变化加颗粒的不规则形状，颗粒受到 的推力在垂直方向上的分力是克服重力的主要因素。 部分流管道内输送气流的速度过小时，气流就失去对物料的悬浮能力， 物料颗粒堆积在管底，气流在上部流动。在堆积物料的表面，有部分颗粒在气流 的作用下做不规则的向前移动，同时堆积层也作沙丘移动似的移动，如图2 5 所 示。此时推力在垂直方向的分力是克服重力的主要因素。 图2 5 部分流示意图 柱塞流当部分流也不能实现时，管道即被堵塞，物料呈柱状间隔充满管 道。由于物料柱前后的压缩空气存在压力差，物料就依靠静压差的移动而被输送， 如图2 - 6 所示。在这种情况下，颗粒相互碰撞或颗粒与管壁碰撞后受到的反作用 力在垂直方向的分力是克服重力的主要因素。 图2 - 6 柱塞流示意图 ，t一目翌翩 -一 掰 1一 再 - 一 俜 - 一 和 ：i 拯缝 第二章气力输送系统基础理论分析 2 1 4 两相流在管道中的速度分布 纯空气在管道内流动时，管内流动呈现层流和紊流两种流动状态。无论是层 流还是紊流，气流的速度分布总在管道的中心处出现最大值，且沿管道中心线对 称分布。当气、料两相流在管道中流动时，对于垂直管内，气流速度仍然在管道 中心处出现最大值，且沿管道中心线对称分布；但在水平管道中，物料被输送时， 由于受到重力的影响，越接近管道底部，物料分布越密集，空气受到的阻力越大， 气流的速度越小。因此，在水平管中，气流速度的分布出现了显著的变化，最大 速度的位置移至管道的中心线以上【2 2 1 。 关于物料颗粒的运动速度，由于多种因素的影响，如物料颗粒在管道内的分 布不均匀、输送过程中物料颗粒自身的旋转、颗粒之间的碰撞和摩擦等，致使物 料在所谓的稳定输送状态下，粒子的运动速度也不是一个定值。由于输送时物料 颗粒的运动极为复杂，瞬间的情况难以掌握，只能定量的推知物料颗粒的平均速 度。根据对物料颗粒运动速度的测定、研究、分析，可以得到以下几点结论【2 3 】： 一般情况下，管道内气流的速度越大，则v 粒n 的比值越大；随着气流 速度的降低，糯，气的值也随之减小。因为气流速度减小，浓度比增大，魄n 大致与浓度比成反比；当气流速度足够大时，v 粒in 基本不受浓度比的影响，而 是一个定值。 比较易输送的颗粒状物料以低浓度输送时，无论气流速度如何变化，魄 v 气大致为定值。 对于粉状物料，其输送状态随输送气流的变化更为显著。气流速度足够大 时，粒子呈悬浮状态输送v 粒v 气 1 ；气流速度减小时，v 粒v 气不规则的变小，其 输送状态呈疏密流或停滞流。 2 2 气力输送中的压力损失分析 在气力输送中，气体和物料在管道中运动，不可避免的造成压力损失，因此 管道压力降是气力输送设计计算最重要的参数之一。影响气力输送压力减小的因 素很多，到现在还没有完全搞清楚。计算压降的方法有很多种，传统的有经验公 式法、压降比法、附加压降法和力平衡法等等，这些不管是从理论推导还是经验 公式都局限于特定的条件下，很少有通用的计算公式。气力输送的设计和实验研 究基本参数压力降一直是气力输运理论的一个重要研究课题。上世纪7 0 年代以 后随着对气、固两相流湍流理论的深入研究，使的数值计算在气力输送设计成为 可能。这些公式基本通过双流体模型法和颗粒轨道法等，由流体力学原理以及气 固两相质量、动量、能量守恒来分析气固流动及相互作用力，然后由数值模拟计 1 4 第二章气力输送系统基础理论分析 算得到相关的物理量。到目前为止，比较成熟的计算压降的方法有压降比法、经 验公式法、附加压降法和力平衡法【2 4 1 。 2 2 1 压降比法 g a s t e r s t a d t 是最早提出压降比法计算压降的人。压降比定义为：气固两相混 合物流经管道的总压降彳只与纯空气气流以气固混合物中气相的速度流过同根管 道时产生的压降4 尸空之比。该公式需要通过实验确定输送特征与总压降的关系， 其关联式一般为 a = z f 删尸g _ l 卅q ( 2 8 ) 式中：舻料气比 肛由实验确定，它与实验条件和物料特性有关。 总的来说该方法具有一定局限性，需要预先设计实验装置测量k 值，且误 差较大。在气力输送系统设计中用的较少，一般作为验证设计效果时采用。 2 2 2 经验公式法 a l b f i g h t 等由实验数据得到 当g g s , j e t 厄印d o 3 5 2 5 7 7 时 z i p , = 0 0 1 5 2 g r s l 1 2 0 吨0 1 当 z l p t l x p d s n 3 5 4 7x1 0 4 i f j - a = 1 0 6 a = 0 8 3 ( 2 1 3 ) g s 佃 4 7 x1 0 4 啪= 0 8 3 8a = 1 2 8( 2 1 4 ) 经验公式的优点在于计算简单，便于工程应用，但其精度偏低，且在输送物 料发生变化时不一定适用。有些公式为了提高精度采取了分段表示压降的方法， 这实际是一种将管内某种流动特性与压降联系在一起的方法，回避了流型与压降 间的关系，并没有揭示气力输送的输送机理。 2 - 2 3 附加压降法 b a r t h 提出附加压降法，指出气固两相流动的总压降由一些具有一定物理意 义的各种压降组成，一般表示为 彳尸t = 彳尸a g 刊尸s 十4 尸矗斗彳以 ( 2 1 5 ) 式中：彳尸a 广加速段气体造成的压降( p a ) 彳尸k 一加速段固体造成的压降( p a ) 彳b 一稳定段气体造成的压降( p a ) 彳尸s 一稳定段固体造成的压降( p a ) 在一般输送条件t a p 战很小可以忽略不计。在输送的稳定段，附加压降主要 有两种表达形式，其一为基于固体颗粒速度的表达式 z i p 。= f j p d s u s l l d ( 2 - 16 ) 式中：仁固体摩擦系数，与固体颗粒特性有关 其余符号同前所述 其二为基于气体速度的表达式 a p s = t 2 z , o 萍 l f2 d ( 2 17 ) 式中：五r 附加压降系数，与气体速度及变化有关 其余符号同前所述 目前所有对附加压力降研究的差异就在不同的人提出的于正、屯的表达式不 同。主要由于物料特性不尽相同，输送装置区别较大，且各装置在输送时其物料、 流型往往不能确定，因而使得研究结果相差较大。 由上面的几种计算方法可知，气力输送系统的设计相当复杂，只有在设计时 选用与之相近的实验条件下所得到的经验公式才能使设计合理和可靠。随着气力 1 6 第二章气力输送系统基础理论分析 输送系统的发展，仅用压降比法、经验公式法和附加压降法已满足不了精确设计 的要求。为了提高计算精度，有人从分析输送机理出发，根据气固两相流的力平 衡方程求解压力降，这种方法称为力平衡法。与前几种方法比较，这种方法的特 点是具有明确的物理意义和理论基础，相应的计算结果精度也较高。 2 2 4 力平衡法 从前面论述可以看出，常见的气力输送按其流动形态可以分为柱塞流和分层 流，下面将就这两类流动分别论述。 ( 1 ) 柱塞流w e b e r 假设管壁摩擦力为柱塞重量与壁摩擦系数之积，柱塞内 部各种力不变，提出压降公式 p l p 2 = e x p ( f l p g l ( r t c v ) ) ( 2 - 18 ) 式中：尸l 输送系统的初压( m p a ) p 广输送系统的末压( m p a ) 肛物料常数，其值为o 4 o 8 炉料气比 一水平管长度( m ) l o 气体常数 卜热力学温度( k ) 一粒速度( m s ) 卜空气速度( m s ) k o n r a d 等通过观察水力输送流型，引入粉体力学理论，在假设气固两相柱 塞流型与液固两相柱塞流型相似的基础上，建立了水平管压力降计算公式。通过 在长6 3 m 、内径4 7 3 r a m 的玻璃管中输送直径为4 r a m 乙烯的实验装置中，得到 全长压降实验数据，比较发现与模型计算结果比较相当准确。 19 9 4 年w y p y c h l 2 1 】对大颗粒物料栓柱流进行研究，得到了在水平管道中栓柱 运动所需的最小表观气流速度，并且由实验得到栓柱速度与表观气流速度成线性 关系。1 9 9 5 年对大颗粒物料栓柱流的壁面压力进行了实验研究，发现壁面压力 在栓柱内与长度成指数关系，由栓柱前后的应力决定，对于给定的物料，壁面应 力与空气质量流量成正比线性关系。 ( 2 ) 分层流m u s c h e l k n a u t z 和k r a m b r o c k 对分层流动进行研究，通过对管道 下层物料的受力分析，把总压降表示为 z l p t = - ( 1 一矿) l p g g ( 2 1 9 ) 式中：肛重力系数 矿一悬浮流所占面积与管道截面积之比 第二章气力输送系统基础理论分析 其余符号同前所述 1 9 8 9 年m y l e rz a l t a s h 将热力学用于探讨分层流动的气力输送机理，将分层流 上层稀相和下层密相看作两种状态，运用v a nd e rw a g s 方程在一定程度上较好地 讨论了分层流动过程。19 9 3 年北京科技大学的洪江等针对分层流动，通过分析 水平气固分层流动时悬浮流层与滑动床层之间的相互作用，建立了分层流运动模 型。得到以下结论：稳定分层流动输送时，颗粒越细，悬浮颗粒越易集中于滑动 床表面。低气速输送阻力主要是滑动床壁摩擦力，较高气速输送时最主要阻力是 悬浮颗粒壁摩擦力，层间颗粒的剪切力是滑动床移动的主要动力。1 9 9 5 年，洪 江等又在提出的分层流动模型的基础上，建立了分层流动输送相图，可以方便地 预测管内输送流型，从而防止在某一给定输送量下，不稳定流动的发生。洪江等 提出的模型与m u s c h e l k n a u t z 提出的模型相比较，在气速较高和较低的情况下都 比较吻合1 2 6 - 2 7 。 由以上可以看到，由于气力输送系统的流动情况复杂，气力输送机理尚不十 分清楚，因此气力输送的