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青岛科技大学研究生学位论文 炭黑气力输送气固两相流的模拟分析与实验研究 摘要 气力输送是指借助具有一定的压力和一定速度的空气或其他气体在管道内 输送干燥的散状固体颗粒或粉料的一种方法。在输送过程中体现了充分利用资 源、节能降耗以及减少环境污染的宗旨。因此气力输送越来越受到各行各业的关 注，有着广泛的应用前景。 本文综述了气力输送的发展，建立了炭黑气力输送中常用的输送管道类型如 垂直管、水平管和弯管的气固两相流的流动数学模型，在此基础上运用f l u e n t 软 件求解炭黑气力输送中气固两相流的流动。此模型考虑了气固两相之间的相互作 用、炭黑颗粒间碰撞作用以及炭黑颗粒与壁面间相互作用。对不同工况下的炭黑 颗粒在水平管、垂直管以及弯管中输送的流动情况进行了数值模拟。 首先用二维模型对炭黑气力输送中垂直管道的气固两相湍流流动进行了模 拟。对引起炭黑浓度沿径向分布不均匀的原因进行了分析，对影响垂直管道炭黑 气力输送的各种参数进行了系统研究，得到了气固速度分布、浓度分布规律和各 种输送量下的最佳经济速度。其次，采用所建立的三维模型对炭黑气力输送中水 平、弯管管道的气固两相湍流流动进行了模拟，同样也得到了不同输送条件下的 气固两相速度分布、浓度分布以及最佳经济速度，在弯管的数值模拟中还重点分 析了弯径比对弯管管道的影响。 利用所设计的炭黑气力输送实验，将实验得出的有效数据与模拟结果进行对 比分析，通过对比分析发现利用f l u e n t 模拟简化的数学模型得出的结果与实验结 果具有较好的一致性和准确性。 最后对本文所做工作进行了总结，在此基础上指出其中的不足，对炭黑气力 输送气固两相流的研究提出了展望。 关键词：气力输送气固两相流数值模拟双流体模型压降损失 青岛科技大学研究生学位论文 g a s s o u dt w o p h a s ef l o w ss i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n i a i ，s t u d yo nc a r b o nb l a c k p n e u m 姗cc o n v e n g a b s 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 fm e t h o dt h a tc o n v e y ss o l i dp a r t i c l e st h r o u g ha p i p e l i n eb ym e a n so fd e f i n i t ep m 豁u ma n dv e l o c i t yo fa i ro ro t h e rg a s f o rt h ep r o c e s s o fp n e u m a t i cc o n v e y i n g ，t h ep r i n c i p l et h a tm a k e su s eo fr e s o u r c e s ，r e d u c ee n e r g y w a s t i n ga n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o ni s c o n s i d e r e d s od i f f e r e n ti n d u s t r i e sp a ym o r e a t t e n t i o nt op n e u m a t i cc o n v e y i n g ，a n di th a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s t h i sa r t i c l er e v i e w st h e d e v e l o p m e n to fp n e u m a t i cc o n v e y i n g ，s e t su pt h e m a t h e m a t i c a lm o d e l so fg a s s o l i dt w o p h a s ef l o w sa b o u tv e r t i c a l ，h o r i z o n t a la n d e l b o wp i p e l i n e sc o m m o n l yu s e di nc a r b o nb l a c kp n e u m a t i cc o n v e y i n g ，a n dw i t ht h e s o f t w a r ef l u e n tt oe x p l a i nt h ec a r b o nb l a c kf l o ww h e np n e u m a t i cc o n v e y i n g v i a t h em o d e l ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ng a s s o l i d ，c o l l i s i o nb e t w e e nc a r b o nb l a c kp a r t i c l e s a n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nc a r b o nb l a c kp a r t i c l e sa n dw a l la r ec o n s i d e r e d i nd i f f e r e n t c o n v e y i n gc o n d i t i o n s ，t h ec a r b o nb l a c kp a r t i c l e s f l o wi nv e r t i c a l ，h o r i z o n t a la n d e l b o w p i p e l i n e sp n e u m a t i cc o n v e y i n gi ss i m u l a t e d f i r s to fa l l ，t h eg a s - s o l i dt w o p h a s ef l o w si nv e r t i c a lc a r b o nb l a c kp n e u m a t i c c o n v e y i n gp i p ea r es i m u l a t e db ym e a n so ft w o d i m e n s i o n a lm o d e l t h ef a c t o r st h a t a f f e c tt h ec o n c e n t r a t i o no fc a r b o nb l a c kb e i n gu n e v e nd i s t r i b u t i o na l o n gt h er a d i a la r e a n a l y z e d ，t h ev a r i o u sp a r a m e t e r st h a ta f f e c tv e r t i c a lc a r b o nb l a c kp n e u m a t i cc o n v e y i n g a r es t u d i e ds y s t e m i c a l l y , a n dt h er e s u l t so ft h eg a s s o l i dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n ，t h e c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o na n dt h eb e s te c o n o m i cv e l o c i t yu n d e rav a r i e t yo ft h r o u g h p u t a r eo b t a i n e d s e c o n d l y , t h eg a s - s o l i dt w o p h a s ef l o wi nh o r i z o n t a la n de l b o wc a r b o n b l a c kp n e u m a t i cc o n v e y i n gp i p ea r es i m u l a t e db ym e a n so ft h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l ， a n dt h er e s u l t so ft h eg a s s o l i dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n ，t h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o na n d t h eb e s te c o n o m i cv e l o c i t yu n d e rav a r i e t yo ft h r o u g h p u ta r eo b t a i n e d t h ee f f e c to f r rr a t i ot oe l b o wp i p ei sa l s os t u d i e dw h e ns i m u l a t i n gt h ee l b o wp i p e t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa c q u i r e df r o mt h ed e s i g n e dc a r b o nb l a c kp n e u m a t i c i 炭黑气力输送气同两相流的模拟分析与实验研究 c o n v e y i n ge x p e r i m e n t , a r ec o m p a r e dw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，ag o o dc o n s i s t e n c y a n da c c u r a c yi sf o u n d i nt h ee n d ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ew o r kd o i n g ，p o i n t so u tt h es h o r t c o m i n g s a n d p r o p o s e st h ef u r t h e rs t u d yw o r ka b o u tg a s s o l i dt w o - p h a s ef l o wi nc a r b o nb l a c k p n e u m a t i cc o n v e y i n g k e yw o r d s ：p n e u m a t i cc o n v e y i n g ；g a s s o l i df l o w s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；t w o f l u i dm o d e l s ；p r e s s u r ed r o p 青岛科技大学研究生学位论文 符号说明 符号 说明单位 心管道压降 p a a管道压降比无量纲 p s气相与固相混合比无量纲 f输送时间s g 弘 气固两相流质量流量 k g m 2 s g固相质量流量 k g m z s p 嗲 气固两相混合物密度 k g m s p s 气相密度 k g m 3 p 8固相密度 k g m 3 “暑 气相速度m s h j固相颗粒速度 m s 噍固相颗粒直径 i n d输送管道直径m k 口i气相穿过固相颗粒渗透率 以 气相摩擦系数无量纲 五 附加压降系数无量纲 三p 柱塞长度，咒 炭黑气力输送气同两相流的模拟分析与实验研究 尺通用气体常数 j m o l 一1 k 一1 z绝对温度k 包 管道倾角 。 乱管道内壁摩擦角 ， d 横截面悬浮流所占面积与整 矽 个管道横截面面积之比 哇流层之间的线条空隙率 口g气相体积分数 口p固相体积分数 g重力加速度 m s z p e气相有效粘度 p a s p p固相湍动粘度 p a s r e ，颗粒雷诺数无量纲 p p 固相压力 p a b气固两相交换系数无量纲 e固相弹性恢复系数无量纲 o颗粒温度函数无量纲 g o颗粒径向分布函数无量纲 k能量扩散系数无量纲 卡门旋涡频率 h z 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 课题背景和意义 1 绪论 散料输送是我们日常所遇到的大宗运送货物的输送方式之一，例如矿石、煤 炭、谷物、砂石、水泥以及各种工业原料的粉粒体物料输送。现使用的散料输送 装置有多种方式，按其输送原理大致可分为机械输送方式、流体管道输送方式和 容器输送方式三大类。流体管道输送方式是一种正在被应用和很有发展前途的效 率高、占地少、成本低、无污染的现代化输送方式之一1 1 1 。而气力输送在该输送 方式中占有非常重要的地位。 作为各种散装物料的一种连续输送方式，气力输送技术是随着物料搬运和一 些工业过程的需要而发展起来的，该技术在相当长的一段时间内，只能用于输送 固体颗粒为稀相的情形。2 0 世纪中后期，气力输送技术得到了迅速的开发和应用， 原有的一些限制也不断地被突破。目前越来越多的应用于工业生产中，在整个物 料输送中占有很大的比重。除了在工厂车间内部、露天、建筑、铁路、船舶的运 输作业中对各种粉末状、颗粒状、纤维状、叶片状的物料如面粉、谷物、煤、飞 灰、水泥、石灰、化肥、塑料原料、砂石、棉花、羊毛、烟丝、茶叶等广泛采用、， 气力输送外，而且在邮局、银行、商店、旅馆、图书馆等搬运频繁的场合，对于 信件、票证、账册、图书、药剂等也可以采用气力输送。此外，滤嘴卷烟的滤棒、 小包卷烟、塑料瓶装食品药品、金属零件等成件物品气力输送也成为可供选用的 运输方式。因此，气力输送技术对电力、化工、食品、钢铁、冶金、建筑材料、 机械制造、医药、饲料等行业及其部门的发展具有直接的影响。 气力输送是一种利用空气( 或气体) 流作为输送动力，在管道中搬运粉粒状固 体物料的方法【2 1 。与其它机械输送方法相比，在某些情况下，气力输送系统是固 体颗粒或粉状物料连续输送的最合适的方法，同样也适合间断地将大批量颗粒或 粉状物料从罐车、铁路车辆或货船输送至贮仓。气力输送可向上、向下或围绕建 筑物以及大的设备及其它障碍物输送物料而不需设置转运点或使用第二台输送 机。气力输送系统很容易实现自动化，由一个自动控制台操作，可以减少操作人 员的费用。而且气力输送系统具有使用安全的特点，对环境的污染也是各种输送 方法中最小的。目前已在以下领域获得重要应用： 1 港口的气力输送 炭黑气力输送气同两相流的模拟分析与实验研究 1 9 5 8 年，我国就对气力输送技术在港口方面的应用进行开发研究和试验，主 要针对谷物船的吸卸。到目前为止，台时效率为4 0 0 t h 的大型吸粮机以及用于中、 小内河港口的中、小容量吸粮机已经研制完成并成功应用。除此之外，对流动性 差的物料，如沙石、煤炭、带碎冰的鱼类卸船也展开了试验研究。 2 粉煤灰的气力输送 粉煤灰的气力输送包括正压和负压气力输送两种，输送距离长，料气比高， 是全密闭、环保的散料输送方式。此技术一般应用于火力发电厂粉煤灰的输送、 钢铁厂粉煤灰的输送等方面。粉煤灰的气力输送技术是在全封闭式的输送管道内 依靠气流输送，减少了工作环境粉尘的飞扬，避免了二次扬尘和环境污染，能够 很好地防止被输送物料受到污损和潮湿，改善了工作环境，并且提高了工作效率 1 3 4 、5 】 0 3 环卫部门的气力输送 作为气力输送技术对新应用领域的开拓，气力输送用于城市卫生和公共事业 领域最为社会重视，尤其是城市垃圾的运送，此技术已被国外许多大城市所采用。 气力输送城市垃圾收集是指通过预铺设好的管道系统，将生活垃圾利用负压气力 输送技术抽送至中央收集站，再由压缩车将垃圾运送至垃圾处置场。这是世界发 达国家近年来发展的一种既高效又卫生的垃圾收集方法。它主要适用于现代化住 宅区、高层公寓楼房以及对环境要求比较高的地区。利用此方法来收集运送垃圾 有以下几个优点： ( 1 ) 可以把运输垃圾密封、与外界环境完全隔离，有效地杜绝了收集运输过 程中的二次污染； ( 2 ) 显著降低了垃圾收集的劳动强度，提高了收集效率； ( 3 ) 基本避免了垃圾运输车辆频繁穿行于居住区，减轻了交通压力和环境污 染： ( 4 ) 垃圾收集全天自动运行，不受雨雪影响。 由此可以看出，利用气力输送技术对垃圾进行收集运送，对城市可持续发展、 城市环境改善与城市生活质量提高有着积极的意义【6 】。 4 生产部门的气力输送 在车间生产铸件的过程中，需要运送大量的原材料如煤粉、粘土粉、旧砂、 芯砂、型砂等，其总周转量大、劳动量大、卫生条件差。采用气力输送技术不仅 可以改善车间的工作环境、降低劳动强度、提高劳动效率，而且在输送过程中还 可以同时对运送的材料进行烘干、冷却等操作，减少了操作程序，改进了操作工 艺。 在工业生产中某些原料可能对人身健康有害，在搬运过程中也可能会发生物 2 青岛科技大学研究生学位论文 料损耗、浪费，清扫这些泄漏物也会给周围环境带来污染。这就需要有一种新的 输送和装卸各种物料的方法。气力输科技术正好是适合此要求的首选输送方式。 在输送过程中，为了达到各种规定对运送粉剂填充料的要求有严格的环保准则， 现在针对用户的要求和物料的特点已经开发出多种稀相、中相、密相类型的气力 输送方式。 近数十年来，气力输送技术的应用发展异常迅速。就稀相悬浮输送来说，其 输送模型、流动状态分析、压力损失设计计算、组成装置和系统的各种部件结构 以及操作管理均已有一定的研究深度和经验的积累。随着科学技术的进步，稀相 悬浮气力输送呈现出本质上的缺陷，如所需功率较大、管内料速快、管道磨损严 重、气固分离工作量大等问题【7 1 ，人们就试着从低输送风速、高输送浓度中来寻 找新的途径开发一种能耗低、料气比大、气固分离工作量小、输送性能更优 越的输送技术，这就是密相气力输送技术。 密相气力输送技术主要是指粉料在输送管中以低速、密相及低动力指数的状 态输送【8 】。密相气力输送的两相流体流速很低，一般在7 m s 左右，比稀相输送小 一倍多，而且输送稳定性好，适合远距离输送，并且随着料气比的提高，气力输 送的动力指数显著下降。另外由于材料的磨损与流速的二次方或三次方成正比， 因此气流速度的减小大大延缓了材料的磨损，是一种更理想的输送方式。 尽管这样，至今这种输送方法【9 1 0 】仍没有形成一项完善的技术，其理论研究 大大落后于实际应用。许多气力输送理论只能应用于少数有选择的物料，相当部 分的物料仍靠试验获得设计数据【1 1 、1 2 _ 3 】。对于密相输送装置，降低气流速度，提 高料气比是提高输送效率的关键。这类气力输送装置的压损计算公式也很多，但 大多是计算水平管或垂直管压损的经验公式和经验数据，而且使用范围也有一定 的限制【1 4 1 5 _ 6 】。基于这种现状，本课题利用专业分析软件来模拟炭黑在气力输送 管道内部的流动情况，以期对实际生产具有定的指导意义。 1 2 气力输送的发展简史 1 2 1 国外的发展 气力输送技术已有近2 0 0 年的发展历史，在1 8 1 0 年英国人u e d h u r s t 就提出 了用气力输送技术来输送邮件的方案【1 7 】。因此，气力输送技术是起始于成件物品 的筒式输送。此后，气力输送才开始用在输送棉花、谷物和砂等散状物料【堋，第 一台浮船式气力卸船设备以及固定式的吸粮机设备陆续得以问世。这些气力输送 卸船设备问世以后只有在欧洲一些国家，特别是当时的粮食输入国，如德国、英 国、荷兰等获得了普及应用。但限于当时的技术水平，在相当长的一段时间内气 3 炭黑气力输送气固两相流的模拟分析与实验研究 力输送技术几乎没有多大进展，设计的装置一般只基于低料气比悬浮气力输送即 稀相气力输送。直到2 0 世纪初，气力输送技术才用于车间内的物料输送。1 9 2 4 年德国g a s t e r s t a e d t 对小麦作了气力输送实验【1 9 1 ，研究了气固悬浮体管内流动情 况，发表了许多实验的和理论的报告，他所提出的附加压降系数法，至今仍应用 于稀相气力输送系统的设计计算。近几十年来，气力输送技术的发展异常迅速。 用气固两相流的观点系统地研究气力输送，则是1 9 4 0 年后才开始，并且两相流 ( t w o p h a s ef l o w ) f 拘名词在1 9 4 9 年才见诸文献1 2 0 1 。五十年代以后论文数量显著增 加，内容包括流态化原理、激波在两相流中的传播、两相流边界层、喷管理论等。 1 9 5 6 年i n g e b o 提出了颗粒群阻力系数公式【z l l 。s t r e e t e r 在1 9 6 1 年主编的流体力 学手册里面有一节专门介绍了两相流【2 2 1 。上世纪六十年代以后，两相流运动的基 本方程越来越多的被许多学者所探索和描述。对于稀相悬浮气力输送来说，其流 动状态分析、压力损失计算、输送模型、装置组成和系统的各种部件均有一定的 经验和研究深度。由于悬浮稀相气力输送存在着本质上的缺陷，如输送风速高致 使能耗大、物料的破碎率高、管道磨损等问题，人们开始以低输送风速、高浓度、 高压力来寻求新的输送方式，开发新的装置。 2 0 世纪中期，由d r w d l i a m s 成立的粉粒技术研究院在英国b r a d f o r d 大学建 立，并创办了p o w d e rt e c h n o l o g y 杂志1 2 3 1 。来自c a m b r i d g e 大学的j f d a v i d s o n 和d h a r r i s o n 在1 9 7 1 年发表了f l u i d i z a t i o nk l i n z i n g ，此文献较深入地研究了粉 粒体的气力输送技术 2 4 1 。z e n z 提出了水平管线上的单颗粒沉积速度计算公式【2 5 1 。 在气固两相流动的数值计算方面，t s u j i y 作了大量的工作 2 6 1 。来自前苏联学者 克列因、李克洛夫斯基、高尔得什琴等以弹性力学理论和具体实验结果为基础， 对谷物、水泥等材料进行了粉粒体结构力学的研究阳。 日本的水渡英二、久保辉一郎在1 9 7 0 年，研究了粉粒体的运动理论和力学 特性闭。1 9 8 5 年，上潼具贞基于流体力学建立管道颗粒的运动模型【2 9 】，试图得 到一种解析方法，于是他建立了许多不尽合理的假设，与实际情况相差很大，所 以这种解析方法不能用于非均匀悬浮管道的流动。1 9 6 5 年e i n s t e i n 提出的有效粘 性理论【3 0 】和1 9 7 5 年t c h e n 提出的紊流运动中小颗粒受力和扩散理论1 3 1 1 ，能够比 较合理的用于流场中单颗粒和相互作用的多颗粒运动，以及可用来推测含有颗粒 的流场中有关的流动信息等。 v o nk a r m a l l 学院对气固两相紊流运动的研究有很多新颖的地方【3 2 】。将固相运 动比拟成稀薄气体分子的运动，然后用方程进行描述，而气相则用连续介质来描 述。运用此种方法对稀相紊动两相流进行的描述，应用的运动模型所得出的的数 值计算结果能够与实验很好的吻合。 4 青岛科技大学研究生学位论文 1 2 2 国内的发展 1 9 5 8 年我国试验研究了气力输送技术在港口卸船方面的应用，其他一些行业 也在生产上开发并应用了各种形式的气力输送装置，例如利用气力输送来输送烟 丝、建立气力输送系统的面粉厂、气力输送技术在铸造车间里面的应用等等。此 后对一些流动性差的物料如砂石、煤炭、带碎冰的鱼类卸船展开研究，并成功制 造出效率为每小时4 0 0 t 的大型吸粮机以及适合在各种小港口使用的小型吸粮机。 气力输送设备可以用来输送各种粉粒体物料如轻工纺织、化工、水泥、食品、水 产等，气力输送设备开始在粮食加工厂和新建谷类粮仓以及其他的加工车间应 用。此外，我国其他行业中的气力输送技术也得到了迅速的发展，特别是近几年 开发和成功应用高料气混合比、低风速的气力输送装置，在铸造车间中气力输送 可以输送粘土粉、新砂、旧砂、型砂和煤粉等造型材料，这在某些方面大大提高 了我国的气力输送技术。近几年来，我国自行设计研制成功了筒式气力输送技术， 例如，图书馆的借书条传送技术，矿业试样及冶金传输技术，传输码头集中管理 系统中的传票凭证输送技术。在高压输送基础上气力输送可以得到进一步开拓应，t 用，例如，将粉体燃料吹入熔化炉和锅炉中；将粉料吹入高温熔化的液态金属中； 输送塑料成形体中物件以及输送磨损性大的物料等。我国的科研、设计、教学和 应用部门在理论、设计、测试、维护管理方面已经做了大量的工作并且取得了不 少进展，中国机械工程学会的成立( 现更名为物流工程分会) ，管道物料输送专业 委员会的设立( 原为气力输送专业委员会) ，都表明了气力输送技术已经在我国普 及并得到进一步发展。 、 1 3 气力输送综述 1 3 1 气力输送的装置类型 1 吸气式气力输送装置 吸气式气力输送装置是在输送系统末端采用罗茨风机或真空泵作为气源设 备，取料装置一般为吸嘴、诱导式接料器等，一般常见的系统见图1 - 1 。当风机 开动后，在整个管道系统内部造成一定的负压。这时，由于管道内外存在压力差， 空气就被不断地压入管道。同时，物料也被周围空气带动通过吸嘴吸入管道，并 被输送至除尘器。通过除尘器的分离作用，物料和空气分离，被分离出来的物料 通过除尘器底端落入储料罐f 3 3 1 ，而净化后的空气最后排到大气中。这种输送方式 有以下几个和特点： ( 1 ) 适宜于堆积面广，或装在低处深处物料的输送，能够从几处同时吸取物料， 集中输送到一处： 5 炭黑气力输送气同两相流的模拟分析与实验研究 ( 2 ) 在负压输送过程中，空气的泄漏都是向内的，这就可以减少粉尘飞逸外扬 的可能，减少了车间的粉尘飞扬； ( 3 ) 能够很容易地把管道伸入到一些比较狭窄的地方吸取物料进行输送； ( 4 ) 输送气流的压力低于大气压力，容易输送水分较多的物料。 e x h a u s te r a i rf i l t e r 图1 - 1 典型的吸气式气力输送系统 f i g 1 - 11 卯i c a ln e g a t i v ep r e s s u r ec o n v e y i n gs y s t e m 2 压气式气力输送装置 如图1 2 ，在压气式气力输送装置中【3 4 1 ，气源设备在系统的进料端，物料不 能自由的进入输送管道，所以必须采用封闭的供料装置。压气式气力输送的供料 装置比吸气式复杂，利用安装在起点的空气压缩机，将高压空气通入供料器使之 与物料混合，混合后物料与空气同时进入管道并输送到终点的储料罐内，物料留 在罐内，空气经过除尘器过滤后排放到大气中。 这种输送方式的特点是：如果将输料管分叉并安装切换阀，即可实现由一点 向多点的输送模式；与负压式气力输送系统相比，其空气净化较容易，对空气质 量要求较高，须防止水、油侵入系统：由于压气式气力输送系统的压差大，适合 于长距离、大容量输送，如输送炭黑时，输送距离可达5 0 0 多米。整个装置内部 处于高压状态，物料易从排料口排出。 6 青岛科技大学研究生学位论文 图1 - 2 典型的压气式气力输送系统 f i g 1 2t y p i c a lp o s i t i v ep r e s s u r ec o n v e y i n gs y s t e m 3 混合式气力输送装置 将吸送式和压送式装置相结合就是混合式气力输送装置，如图1 3 。混合装置 结合了吸送式和压送式各自的优点，在该系统中吸送式装置把物料从多个吸嘴处 吸走进入输料管到除尘器，物料从下面的卸料器排出( 它也是压送式的供料装置) 进入压送输料管道，从除尘器分离出来的空气进入风机，经过压缩后进入压送部 分的输料管最终到达卸料处1 3 5 1 。物料从卸料器排出，最后空气经过除尘器净化后 排入大气中。 混合式输送利用中间仓把吸送式和压气式分开，并可以分别选择吸送式和压 气式系统所需要的气源。但是它的结构过于复杂，气源设备的工作条件很差，很 容易造成风机壳体的磨损。 击f 盘】y e v e z t 色- r 图1 - 3 典型的混合式气力输送系统 f i g 1 - 3t y p i c a ld u a lv a g 1 l t l ma n dp o s i t i v es y s t e m 7， 炭黑气力输送气固两相流的模拟分析与实验研究 1 3 2 气力输送的状态类型 输送管道中物料的流动一般可以分为两种形式：稀相气力输送和密相气力输 送。在密相气力输送中又可以分为四种：沙丘流、无沉积层栓流、有沉积层栓流 和连续密相流。另外还有一种介于稀相和密相之间的带沉积层悬浮流。在以上几 种流动中，连续密相输送和稀相输送所需要的压降最大，而带沉积层悬浮流所需 要的压降最低。气速和压降之间的关系分布大致如图1 - 4 。 a i rv e l o c i y 图1 4 气速与管道压降关系曲线 f i g 1 - 4g a sv e l o c i t ya n dt h ep i p ep r e s s u r ed r o pr e l a t i o nc u r v e 从图1 _ 4 中可以看出，气固两相流动时，管道内部物料的运动状态取决于输 送风速的大小。当输送风速很高时，物料在管道内部均匀分布地被输送，处于悬 浮状态；随着风速的降低物料开始在管道底部聚集，出现沉积层；当风速继续降 低，物料开始堵塞管道截面，这时候出现了不稳定的料栓；再继续降低风速，不 稳定的料栓最终变成稳定的料栓，此时就是密相输送。中间的沉降速度线就是稀 相和密相的分界线，在分界线的左边是密相，右边是稀相。 1 稀相气力输送气流速度很高，处于沉降速度线的右侧，物料在管道中均 匀的分布且呈悬浮状态向前输送，物料与物料之间的空隙很大。物料主要是靠高 速的气流能量向前输送。 2 密相气力输送气流速度比较低，处于沉降速度线的左侧。此时，物料在 8 pc一d田h比hjhq 青岛科技大学研究生学位论文 管道内部呈密集状态而不再均匀分布，但是这个时候管道并没有被堵塞，物料向 前输送的能量依然是来自于气流的能量。 总之，物料在管道中的流动状态很复杂，而且现在工厂里的同一个气力输送 装置在一次输送中也会产生好几种不同的输送形式。有时，输送形式是其中的一 种或两种流动方式组成，有时甚至同时产生三种流动情况。例如在青岛高校软控 做的气力输送碳黑系统实验，物料刚开始进入管道中时是栓状，当随着气速的增 加，炭黑的速度也开始增加，此时输送形式变成了带沉积层的栓流，到输送管道 的最后阶段，碳黑的流动方式变成了沙丘流。 1 3 3 气力输送过程中主要的影晌因素 1 物料特性对气力输送的影响 粉粒状物料的特性对其气力输送的成功运行和能够达到的效率有很大的影 响。不同种类物料的特性不同，而同一种类的物料也不一定具有相同的气力输送 特性，例如不同粒径的同一种粉料，其气力输送行为可能完全不一样。 物料的物性包括其堆积密度、真密度、颗粒尺寸、筛分析、吸湿性、脆性、 毒性、磨琢性、爆炸性、最高允许温度。真密度和堆积密度决定贮仓和料斗的设 计和类型；颗粒大小和筛分析决定粉尘除尘器的位置和采用的类型；吸湿性决定 粉尘收集器的类型；输送脆性物料应避免使用易破碎物料的供料器：磨琢性和低 熔点物料输送时采用较低的输送速度；易爆和带有毒性的物料在输送时应设置相 应的安全装置。除此之外，物料的流动性，能够以密相气力输送的物料范围要比 稀相的受到较多限制，这是由于密相气力输送受到的是散料( 即粒子群) 流动行为 的影响，而稀相的只受到单个粒子固体性能的影响【3 6 1 。 物料的堆积密度【了7 】对气力输送影响较大。堆积密度越大，输送阻力越大，输 送越困难。对于堆积密度大的物料，为了提高输送能力，需要较大的输送压力和 气量。气量增大，使料气混合比下降，降低输送阻力，输送速度加快p 8 j 。白炭黑 一般呈粉状，且粒径较小，其堆积密度为o 2 5 左右，输送速度快，输送阻力小， 可以实现较大的料气混合l t ( g 达2 0 3 0 ) 进行输送，气量消耗少，甚至辅管不补充 气体同样可以进行正常输送。对于堆积密度较大的炭黑，比如半补强和n 6 6 0 炭 黑，其堆积密度最大可达0 6 ，输送速度慢，输送压力大。虽然现场测试证实造 粒炭黑比粉料容易输送，但并不是所有情况都是如此，比如白炭黑粉料也容易输 送，而一些片状外形结构的白炭黑( 长度约2 0 m m ) ，由于形状不规则，输送反而 不易。 2 混合比对气力输送的影响 单位时间内输送物料的重量与输送所需的空气重量之比称为料气混合比，简 称混合比。混合比也是影响密相气力输送的重要因素之一。混合比越大，越有利 9 炭黑气力输送气同两相流的模拟分析与实验研究 于提高输送能力，在相同的生产率条件下，所需的管道直径就越小，可选用容量 较小的分离、除尘设备，所消耗的风量和能量也越小，从而使物料气力输送系统 的投资费用降低、单位能耗减小【3 9 】。但是，也必须注意到，随着混合比的增大， 输料管易产生堵塞，使系统中的压力损失增加，从而要求风源提供较高的压力。 因而，在设计与计算时，应根据物料的物理性质、输送方式以及输送条件等情况， 选定或调整合适的混合比。目前，炭黑等物料气力输送系统的输送混合比，在2 0 4 0 之间选取。 3 压力损失对气力输送的影响 炭黑在气力输送过程中的压力损失【加】是其中最关键的参数之一，它不仅关系 到气力输送系统的整体设计，还影响其投入使用后的安全性、可靠性和经济性。 气力输送系统的总压力损失，包括输料直管的压力损失和各部件及管道的局部压 力损失。由下列各项组成： 峨一a p , + 必+ 皑+ 叱+ 皑+ 蝇 ( 1 1 ) 式中， 必表示纯净空气运动产生的压力损失； 只表示在直管中输送气流与管壁、颗粒的摩擦，颗粒与管壁及颗粒之间相 互碰撞摩擦产生的压力损失； 必表示将颗粒加速到稳定输送速度所产生的压力损失，主要发生在供料器 和弯管之后； 纰表示在垂直输料管中提升固相颗粒时克服重力产生的压力损失； 职表示弯管压力损失。主要是由于流动方向改变而产生离心力作用引起涡 流以及颗粒沿内壁滑行产生的压力损失； 必为各主要部件如供料装置、除尘器等产生的压力损失。 压力损失的大小限制了密相气力输送的输送距离【4 1 1 。当压力降低时，气体速 度会增大，使物料逐渐被气流吹起呈悬浮状，产生不稳定流动或稀相流动。从而 使管道的磨损加大，物料的破碎率也增大。因此，如输送距离超过一定长度，需 要在设计气力输送系统时采用变径管路或在管路沿线设置加压站。 1 3 4 气力输送的优缺点 从输送机理和实践应用可以看出，气力输送具有很多优点：较高的输送效率， 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 简单的设备构造，易于实现自动化也方便维护管理，封闭的运送管道有利于保护 环境等。在某些工厂车间罩输送时，可以把生产工艺与输送过程相结合，有利于 工艺过程的简化【4 2 】。因此可以降低成产成本并提高劳动生产率。 总之，气力输送有如下优点： ( 1 ) 输送管道封闭，粉尘飞扬少，有利于保护环境； ( 2 ) 可以进行由一点分散送往多点或者由多点集中送往一点的输送； ( 3 ) 能够灵活布置输送管道，使工厂可以合理配置设备工艺； ( 4 ) 能够实现高效率的散料输送，从而降低了装卸包装费用； ( 5 ) 对于在常温下能与空气发生反应的物料h a l ，可以用惰性气体进行输送； ( 6 ) 设备简单，方便保养和维修，从而易于实现自动化管理； ( 7 ) 相对封闭的运送环境可以使物料不受潮、不混入杂物、不污损，物料质 量得以保证； ( 8 ) 物料在输送过程中可以同时进行混合、分级、冷却、除尘、干燥以及化 学反应等多种工艺操作。 和其他输送方式相比，气力输送也有不少缺点：以高压空气为动力源，动力 消耗很大；由于输送时风速较高，被输送物料与管道的碰撞严重，致使物料破碎 和管道的磨损加剧；被输送物料的性质和颗粒大小也受到一定的限制，吸湿性、 粘结性强的物料以及颗粒尺寸大于3 0 m m 的物料输送起来都较为困难。 1 4 课题的研究内容 气力输送管道中的具体流动形态一般无法运用简单的函数进行描述，其流动 具有非定常性，由此直接建立的数学模型较为复杂，不能得到简单的解析结果。 通常工程设计运用经验设计，即根据相似理论和已有的实验数据、图表、总结的 经验公式来设计系统的工艺参数。不过这些经验公式都有一定的局限性，当输送 条件变化时，一般又要通过实验数据来作为系统设计的依据，但往往实验的装置 比较庞大，并且实验的成本较高，因而实验的研究受到了一定的限制。这种依靠 以前的输送经验和试验来设计系统的工艺参数，系统改进周期长，设计效率低。 在气力输送的系统设计中，借助于计算机的强大运算能力可以将设计中许多 复杂的、繁琐的部分由计算机来完成，而设计人员可以只关注关键性的设计步骤。 因此，本文用f l u e n t 模拟分析软件对炭黑三种管道气力输送过程进行模拟研究。 根据己知的输送要求和参数，再结合其它的一些实际应用中的输送条件，进行相 关的气力输送系统的输送速度、输送压损等参数进行模拟，具体内容如下： 1 建立管道内部炭黑流动的数学模型，对简化后的数学模型进行分析和推 1 1 炭黑气力输送气同两相流的模拟分析与实验研究 导。 2 分别建立炭黑气力输送在水平管道、垂直管道以及弯管处的动力学模型， 对三种模型进行进行模拟，求出各种情况下管道内部的速度、压力和压降情况。 3 在模拟数据的基础上，讨论各种参数对输送过程的影响，验证理论分析和 计算结果的真实可靠性。 4 设计气力输送用实验台，对管道内的炭黑流动情况进行测定。 5 对模拟结果和实验结果进行对比分析，检验数学模型的准确性。 青岛科技大学研究生学位论文 2 气力输送研究方法 2 1 气力输送气固两相的流动特性 在气力输送过程中由于管道内部有气体和物料，因此管道内部属于两相流动， 管道内部情况相当复杂，存在气体与颗粒、颗粒与颗粒以及颗粒与管道内壁之间 的相互作用，这些导致了输送过程中的压力损失。影响气固两相流的因素很多， 主要有被输送物料的性质、管道的特性、所用输送气体的性质、管道的几何布置 情况以及各种操作条件等，这些因素的共同作用导致了气力输送气固两相流的多 样性，输送过程中可能会出现各种不同的流动形态，从而可能会产生大小不同的 压力损失。 2 1 1 气力输送管道类型 1 垂直管道 物料在垂直管道中输送，颗粒的重力与气流对物料颗粒的作用力在同一直线 上，二者方向相反，因为气流紊流的脉动速度、涡流影响，以及气流对颗粒的作 用力不均匀和颗粒问的相互摩擦碰撞等因素，导致物料颗粒在上升过程中受到水 平方向的力，从而引起水平方向的运动，因而使颗粒群在垂直管道中形成接近于 均匀的定常流动，颗粒群在此过程中形成相互交错不规则的上升螺旋线运动。垂 直管道中，颗粒群在管道中受力比较均匀，所以上升输送中物料颗粒浓度是以管 道中心线为对称的，形成了管道中心浓度高，而壁面浓度较低的现象。b o l i o 曾 经考虑了颗粒相互碰撞力和颗粒的湍流运动i 枷，在数值模拟中他发现了管壁附近 的颗粒浓度低于管中心处。d u r s t 和l e e 在稀相垂直管道气固两相流中，得出这 样结论：在管道壁面附近的颗粒浓度很低，而管中心浓度很高，其管壁面甚至出 现了无颗粒区1 4 5 1 。l o u g e 则认为在垂直管气力输送中引起颗粒相互交错呈螺旋线 上升的原因是，颗粒与壁面、颗粒与颗粒之间的相互碰撞力1 4 6 1 ，提出了与t s u j i 试验相符合的数值计算动力学方程。r a u t i a i n e n 研究了小颗粒物料在垂直管道中 的输送过程，得出随着输送气速的减小气固滑移速度反而增大的结论 4 7 1 。s h i g e r u m a t s u m t o 利用比较先进的光学测量方法观测了垂直气力输送两相流体，显示出在 较低的输送气速下气固滑移速度小于颗粒的悬浮速度，在较高的输送气速下气固 滑移速度大于颗粒的悬浮速度【镭l 。 2 水平管道 炭黑气力输送气固两相流的模拟分析与实验研究 在水平管道中输送物料，物料颗粒的重力与气流对物料颗粒的作用力不在一 条直线上，而是呈现直角，颗粒在受到气流紊流的脉动速度、涡流影响，以及气 流对颗粒的作用力不均匀和颗粒间的相互摩擦碰撞等，并在自身重力的作用下， 此时颗粒在水平管道中的速度分布已经很不均匀，并且也不再呈现对称分布。颗 粒浓度在管道的垂直方向上呈现逐渐减小的趋势，管道上方浓度很低，中心处浓 度较高，管到底部浓度最高。s i m m o n 和w e n 在1 9 5 9 年利用钢管( 内径6 4 r a m ) 和光滑透明的玻璃管( 内径分别为1 2 7 r a m ，2 0 1 m m ，2 5 4 m m ) q b 进行短距离输送 煤粉( 平均粒径0 1 1 2 m m ，0 5 m m ，0 7 5 4 m m ) 和玻璃珠( 平均粒径0 0 7 1 m m ， 0 1 4 7 m m ，0 2 7 9 m m ) 两种物科的实验【4 9 1 ，得出了稳定段的输送阻力公式。洪江于 1 9 9 1 年在水平管道中输送钝化石灰粉( 平均粒径为8 3 m ) 和砂粒( 平均粒径为 4 2 0 1 x r n ) ，水平管中压力为1 5 1 5 0 k p a ，料气比为3 0 2 0 0 k g k g ，得出了表观气速为 5 1 6 m s 的层流阻力特性，通过分析水平管道气固分层流动时底部滑动床层与上 部悬浮层的相互作用【5 0 5 1 1 ，建立了高浓度连续输送模型的分层流动模型，确定了 水平管道输送过程中的加速段压降、稳定段压降以及整个管道内部的物料平均浓 度和平均速度，最终通过力平衡方法建立了水平管道输送阻力公式。2 0 0 0 年 h e r b r e t e a u 在水平悬浮气力输送的过程中，针对相同的物料改变物料颗粒的粒径、 形状、密度等特性，得出了在输送压降最低点的f r 数经验公式，从而能够更清楚 地了解相同物料的各种不同因素对输送管道压降损失的影响【5 2 1 。 3 弯管 弯管的使用能够令气力输送管道布置变得更加灵活，但同时也增加了系统的 压力损失、物料的破碎