聚丙烯酰胺在气力输送系统中流动特试验研究.doc

聚丙烯酰胺在气力输送系统中流动特性试验研究摘要：以聚丙烯酰胺为研究对象，在气力输送系统上分别以不同的输送压力、输送风量，研究了不同管段压损比与雷诺数的关系。结果表明：在水平管段中，压损比较小，且受雷诺数影响不大；在垂直管段中，压损比约为20-40，可以近似地认为总压力损失等于聚丙烯酰胺流动产生的压损；在弯管段中，当雷诺数较小时，其压损比变化与水平管段相似，而当雷诺数较大时，其压损比变化与垂直管段相似。关键词：聚丙烯酰胺；压损比；雷诺数Experimental Investigation on Flow Characteristics of Polyacrylamide in pneumatic conveying system Abstract: Study on Polyacrylamide in pneumatic conveying system of different pipes relationship between pressure loss ratio and Reynolds number. The results show that:Pressure loss ratio is small and subjects little effect with Reynolds number in horizontal pipe section; in the vertical pipe section, the pressure loss ratio is about 20-40, can be similar to that of the total loss of pressure equal to the loss of polyacrylamide; in the bend, the pressure loss ratio is similar to horizontal pipe section when the Reynolds number is small, when the Reynolds number is big enough, the pressure loss ratio is similar to vertical pipe sections.Keywords: Polyacrylamide; Pressure loss ratio; Reynolds number 聚丙烯酰胺广泛用于石油、造纸等工业,特别是石油工业三次开采。在聚合物驱油技术中,水解的聚丙烯酰胺是化学增稠剂, 少量的聚丙烯酰胺溶于水中就能显著提高其粘度与波及效率,从而提高石油采出量。但同样是由于聚丙烯酰胺自身极强的絮凝作用，给输运造成了很大的不便，尤其是在潮湿的海上采油平台。胜利油田在综合考虑流通效率、作业环节、作业人员劳动强度、流通费用、流通过程中的损耗和污染等多方面因素，决定采用可以避免储运过程中物料“四散”化的气力输送技术对海上采油平台输送聚丙烯酰胺1-2。关于粉体的密相输送,有了许多有价值的研究成果,被广泛应用于化工、发电、制药和食品等行业。一般来说,这些系统主要在低压下工作。由于高压浓相输送速度较低,固相浓度过高,流动形态复杂,系统的输送技术要求和条件与一般输送系统相差较大,可借鉴的资料和经验很少,尚无成熟理论依据可以参照,所以只能依赖对真实系统进行试验研究,获取其流动规律3。 应用气力输送系统进行了聚丙烯酰胺流动特性的试验研究，包括输送压力和输送风量等试验条件对聚丙烯酰胺压力损失的影响，阐述了聚丙烯酰胺输送过程中压损比及混合比与雷诺数的关系4，为工业中的聚丙烯酰胺气力输送系统设计提供了理论基础。1.试验系统及原理1.1 试验系统气力输送试验系统如图1所示，气体经空气压缩机后进入系统，通过调节阀调节输送气体的体积流量，压力传感器、涡街流量计分别用来测量输送气体的压强及体积流量。输送管道为玻璃管道，管道内径为80mm。经试验测定，聚丙烯酰胺堆积密度为660kgm-3，真实密度1302kgm-3，平均粒径为481.74um，试验温度为室温（20oC），聚丙烯酰胺质量流量为7220kgm-3。图1 气力输送系统Fig.1 Pneumatic conveying system在试验过程中，通过组态王数据采集系统分别记录下纯空气状态下与聚丙烯酰胺输送过程中的输送压强、输送气量、颗粒质量流量等重要参数，并通过这些参数查找、计算纯空气状态下的空气压力损失、输送过程中的总压力损失，计算输送过程中的输送气速、颗粒速度、压损比和雷诺数5。1.2 试验原理气力输送总压力损失由纯气流压力损失与固体颗粒流动产生的压力损失两部分组成6。在水平与垂直管段中，纯气流动造成的压力损失为： （1） 聚丙烯酰胺流动产生的局部压力损失可用下式进行计算： （2）总压力损失是上述两项之和，（1）+（2）得： （3）式（3）中：a、s分别为气体、聚丙烯酰胺在水平管中的局部压力损失系数；m固气混合比，kgkg-1；va、vs分别是气体、聚丙烯酰胺的流速，ms-1；a气体密度，kgm-3；L 水平管两测压点间距，m；D 管道内径，mm；a 压损比。在弯管段中， 包括聚丙烯酰胺流动产生的局部阻力和聚丙烯酰胺上升引起的能量损失，即： （4）（4）式中： m气体与聚丙烯酰胺混合流的平均密度，即： （5）将式（5）代入式（4），整理得： （6）本研究通过压损比a将求解整个气力输送系统复杂的气固两相流压力损失转化为求解纯空气系统下气体单相流压力损失，单相流的压力损失可以通过流体力学的知识计算求得。所以只要能够确定输送过程中各个管段的压损比，就可以通过式（3）和式（6）求得整个系统的压力损失。压损比同样是一个受众多因素影响的参数，并不能通过一两个参数简单地确定它的大小及变化规律，所以研究引雷诺数（Reynolds number）这个表征流体惯性力与粘性力之比的相似准则，以聚丙烯酰胺为例，来讨论其气力输送过程中压损比变化规律。雷诺数是流体力学中表征惯性力与粘性力之比的相似准则，两个几何相似流场的雷诺数相等，则对应微团的惯性力与粘性力之比相等。雷诺数越小意味着粘性力影响越显著，越大则惯性力影响越显著。一般管道雷诺数Re2000为层流状态，Re4000为紊流状态，Re20004000为过渡状态。在不同的流动状态下，流体的运动规律流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速v与最大流速vmax的比值也是不同的。因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。在流体力学相关研究中，雷诺数是主要的相似准则。 （7） 、为流体密度和粘度；、L为流场的特征速度和特征长度。2.试验结果分析2.1 聚丙烯酰胺通过水平管道时的压力损失在气力输送过程中，压损比越大，表示系统因聚丙烯酰胺流动而产生的流动压损越大。聚丙烯酰胺是依靠气体提供的动力来运动的，所以气体压力与气、固混合比对输送量有较大的影响。混合比高时，颗粒多，相应的局部压力损失系数就大。图2为水平管段中雷诺数与压损比及混合比的关系。在水平管道中，雷诺数较小时，受气流速度低影响，聚丙烯酰胺颗粒也处于低速运动状态。在这种状态下，颗粒紧贴管壁向前移动，与管壁之间存在很大的摩擦力，系统中由颗粒流动而产生的损失也就越大，所以压损比较高。随着雷诺数的逐渐增大，气流速度也慢慢增加，这时虽然仍有部分颗粒沉积在管壁，但不再紧贴管壁移动，使得颗粒与管壁之间的摩擦力降低，压损比也随之减小。当雷诺数增大到一定程度时，压损比下降速度将明显变缓，说明这时只有少数的颗粒在运动过程中与管壁接触，颗粒随着气速的升高在管道中处于悬浮状态向前移动，与管壁的摩擦力逐渐趋于稳定，由于气速持续增加，纯空气所产生的压降也越来越大，但是纯空气流动对压降的影响还是要小于颗粒所流动所产生的压降，所以压损比仍然有缓慢下降的趋势。混合比随雷诺数增大而呈抛物线趋势减小，即输送气体体积流量越大Re越大，紊流现象更加明显。图2 水平管段中雷诺数与压损比及混合比关系Fig.2 The relationship between Reynolds number and pressure loss ratio and blend ratio in horizontal pipe section 2.2 聚丙烯酰胺通过垂直管段时的压力损失图3为垂直管段中雷诺数与压损比及混合比关系。与水平管段相比，垂直管段中压损比数值明显要大，水平管段中压损比的变化范围为7-25，而在垂直管段中达到20-40。因为颗粒在垂直管段中，虽然与管壁的摩擦力作用减小，但是需要克服的重力却大大增加，所以Pnf占Pmf的比重增加，即压损比大。因为颗粒与管道之间的摩擦力变化不大，受重力的影响也很稳定，且压损比高时（大于20）纯空气流动所产生的压力损失虽然仍受雷诺数影响很大，但与颗粒流动所产生的压力损失相比只占很小一部分，所以压损比与雷诺数之间的变化规律与水平管段不同，在雷诺数增大到一定程度后没有明显放缓的趋势，而是与雷诺数有近似于线性的变化关系。同样的现象也体现在Re与m关系曲线上，图3中2条曲线不仅趋势相同，且几近重合，说明在垂直管段中，压损比与混合比随雷诺数变化有着相同的规律。图3 垂直管段中雷诺数与压损比及混合比关系Fig.3 The relationship between Reynolds number and pressure loss ratio and blend ratio in vertical pipe section 2.3 聚丙烯酰胺通过弯管段时的压力损失图4所示为垂直管段中雷诺数与压损比及混合比关系。在弯管段中，其压损比从最小的11.2到最大的36，特点是变化范围广，说明雷诺数在弯管段中对压损比的影响要大于水平管段和垂直管段。因为聚丙烯酰胺颗粒在通过弯管段时，颗粒运动由水平转向垂直时（研究中弯管由水平向垂直过渡），不可避免的对管壁产生很大的压力，而这些压力会最终转化为颗粒上升时需要克服的摩擦力。在雷诺数较大时，气流速度快，颗粒由水平运动转为竖直运动的时间短，颗粒与管壁接触的时间少，产生的摩擦力也就小，所以压损比较低，其变化范围与水平管相似；而在雷诺数较小的情况下，气流速度低，颗粒由水平运动向竖直运动过渡时间长，甚至囤积在管壁，所以颗粒与颗粒内部产生摩擦力，而聚丙烯酰胺的内摩擦角为39.51，远远大于它的壁面摩擦角12.71，所以压损比快速上升，其变化范围与垂直管段相似。相对于压损比，混合比曲线要平滑得多，与水平管段规律相似，呈抛物线状规律下降。 图4 弯管段中雷诺数与压损比及混合比关系Fig4 The relationship between Reynolds number with pressure loss ratio and blend rairo in bend section 3结论(1)在水平管段中，压损比变化范围为7-22，随着雷诺数的增大而减小。当雷诺数大于7106时，压损比减小趋势放缓。(2)在垂直管段中，压损比变化范围为20-40，随着雷诺数的增大而减小。较水平管段它的压损比大，可以近似地认为垂直管段中的总压力损失Pmf等于聚丙烯酰胺流动产生的压力损失Pnf。且压损比随雷诺数变化规律与混合比相同。 (3)在弯管段中，压损比变化范围为9-37，变化范围比水平管段和垂直管段要大。在雷诺数较低的情况下，其变化范围与水平管相似；而当雷诺数较高时，其变化范围与垂直管相似。参 考 文 献1 闻振乾,钟宏,符剑刚等.阳离子型聚丙烯酰胺絮凝剂的研究概况J.材料研究与应用,2008,2(2):98-102.2 陈艺. 国内粮食流通中气力输送装置的现状及改进J.工艺设备,2004,2:9-11.3 Peter W, Wypych, Jianglin Yi. Minimum transport boundary for horizontal dense phase pneumatic conveying of granular materials J. Powder Technology, 2003(119):111-121.4 K Hettiaratchi, S R Woodhead, A R Read. Comparison between pressure drop in horizontal and vertical pneumatic conveying pipelines