翻译密相气力输送中分离和混合的研究

1、密相气力输送中分离和混合的研究Jiansheng Xiang · Don McGlinchey ·John-Paul Latham摘 要散装物料的气力输送在许多行业已经成为一项重要的技术：从农业生产、石油化工到发电行业。颗粒分离已经在其许多固体处理流程中得到应用。但是，关于隔离和混合气力输送管道的研究却很少，特别是密相气力输送的研究。由于密相流的某些特性，流通塞中的分离很难监测到的。在后续的一系列设计和建造中，通过从气力输送管道的一个采样设备上提取样品。在一定范围内，进行数个气-固两相流实验，采用3mm尼龙颗粒和3mm玻璃球作为分离的混合物。用实验数据与相应软件相结合，分析

2、和描述管道内固体塞的分离和混合。本次调查主要针对在流通塞上建立一个分离指数来进行初步研究。在水平管道密相气力输送中，为尼龙-玻璃微粒混合物的塞状流建立一个气-固两相二维数学模型。该模型是基于离散单元法（DEM）得到的。这个模型被用来模拟在均匀流动和需要考虑气体、颗粒和管壁之间的相互作用的两种粒子运动。 对于气相，采用Patankar交错网格系统方案，整合Navier - Stokes方程和压力方程中的半隐式方法（SIMPLE）。同时对该质点运动，整合牛顿的单个粒子的运动方程，其中的粒子碰撞的排斥力和阻尼力、重力和拉力都要考虑在内。对于颗粒接触，运用一个简单的非线性弹簧和减震器来建立正常和切向分

3、量模型。该模型采用粒径为3mm颗粒和玻璃珠进行混合，作为具有尼龙和玻璃相应性能的虚拟材料。从模型的结果中讨论和实验成果相比较，并证明其一致性。为进一步在关键领域的建模和实验工作中给出了实质性建议。关键词：离散单元法，隔离，密相1 前言颗粒分离现象在许多固体处理过程中已经开始被研究了。许多研究人员专注于堆形成，料仓的填充和排料的“混合”操作1-6。然而，很少有发表的研究是关于分离和混合气力输送管道的，特别是可能发生分离现象的密相气力输送材料的。例如在运输系统中，煤的分离可能会导致的锅炉效率损失，增加未燃烧的原料量，增加了颗粒排放量和增加硫、氮氧化物排放量。通常认为运输管道的长度和几何形状不具有显

4、着的效果，其程度上接近于输送管道之间进料和排放点不同的混合粉末质量的效果。假定在密相输送系统中，由于这些微粒紧密排列，它们会有很少的自由度，被彼此的相邻的微粒限制，因此从粗组分中分离出来的细微粒的倾向最小。事实上，在密相气力输送管道的微粒运动，可以分为两个过程：进给和输送。当微粒首先被送入的输送管道，在管道的底部形成一个堆。通常情况下，将这些微粒由夹带空气输送，直到堆生长可以填充管道的上整个横截面。当有足够的颗粒被引入到管道中时，在管道中行进的颗粒可以形成一个塞。这个可以视为在一个密相流化床。根据作者从实验观察中得到的经验，在堆的形成和颗粒流化过程中可能会出现了大量的颗粒混合物。所以在密相气力

5、输送中，如果运输的的混合物是由两个或更多不同大小，密度，形状或其它物理性质的物质组成，这种分离现象可能会发生在管道中的7。 McGlinchey8选择有分离特性和易于观察的盐和黑塑料珠二元混合物。该盐的平均颗粒大小367m、珠的直径为约5mm。在卧式玻璃管道中观察材料沿密相行驶，这表明在垂直方向上材料明显分离。形成两层，黑塑料珠在上盐在下，如图1所示。图 1 在玻璃管道内的分离在水平或主要输送方向上有很少或着完全没有分离。 McGlinchey注意到在安放物料的管道横截面区域可用于气体流动，从而增加了此区域气体流速。这些盐在大部分主要产品之前要进行选择并运送。只有在当空气速度下降到接近的平均值

6、时候，才能从悬浮液中分离开，并且能够在管道的底部形成分层。由在密相流的表征难度，在流动塞中关于分离的详细的实验研究报道较少。 McGlinchey用一个由玻璃管道构成的小装置运行测试，为便于观察的塞的运动并拍照。然而，这项研究并没有用包括从塞中提取实物样品和分析分离程度。在本研究中，在“捕捉一个塞”后设计和建造采样装置，从而能够从气力输送管道里提取样本。在一定范围内，气-固流动条件下进行数个实验，并且采用粒径3mm尼龙颗粒和粒径3mm 玻璃球作为分离的混合物，因为它们有完全不同的密度。实验数据与视频素材相结合进行分析，来描述在管道当中固体堵塞的分离和混合现象。实验设备和采样装置将在第三章节介绍

7、。数值模拟为预测流通塞中的分离现象提供了有用的工具，离散元素法（DEM），有时也被称为离散单元法，正在被广泛地使用来模拟颗粒流。库德尔和施特拉应用程序的方法对颗粒系统进行开拓性研究9。Tsuji 10进一步发展和修改库德尔和和施特拉克的模型，其中DEM第一次在模拟塞流系统中使用。在本研究中，一个基于（离散元素法）DEM11的二维模型已经开发出来。在下一节描述的模型中还要包括的某些3D模型的考虑。2 模型在这项工作中，在综合离散单元法（DEM）和计算流体动力学（CFD）的方法的基础上建立一个气-固体二维的数学模型的。对于固体相，DEM用于模拟粒子的运动。无论是在均匀的流动相还是要考虑到在气体中，

8、颗粒和管壁之间的二元混合物的各种相互作用。对于气相，采用Patankar交错网格系统方案的压力联方程的半隐式方法（SIMPLE）对Navier-Stokes方程进行了整合。2.1 离散元方法2.1.1粒子运动方程式 单个颗粒在气力输送系统中有两种类型的运动形式，平移和旋转。这种颗粒运动受到的重力，颗粒之间和颗粒和管壁的接触力的影响，还有流体阻力的影响。根据牛顿第二运动定律的微分粒子的运动方程可以写为： (1) (2)其中和是线性加速度和粒子的角加速度，和是总转矩和接触的颗粒上所造成作用力，是流体阻力，是总接触力，g是重力加速度。2.1.2 接触力 在计算接触力时，颗粒接触是仿照一对弹簧减振器在

9、正常和切线方向上。在切线方向上，最大静摩擦力参与计算。 (3)式中和为弹簧刚度的法向和切向方向， 和为法向和切向方向阻尼系数，和为法向和切向位移，为粒子和粒子的相对速度，是滑动摩擦系数，是粒子和粒子j粒子中心的单位向量，是接触点的滑动速度，是单位向量垂直向量。2.1.2.1力-位移法根据赫兹联系理论 ,正常力和位移之间的关系给出下式， （4）对于两个不同的范围，下面给出， （5）其中，为杨氏模量，为粒子的泊松比，和为粒子1和粒子2的半径。由明德林和德莱塞维茨12获得的切向力和位移之间的关系。 （6） 2.1.2.2阻尼系数 在目前的工作中，已经采用Tsuji的阻尼系数模型。阻尼系数如下所示，

10、（7）2.1.3 阻力在公式（1）的隐含式中，流体的阻力应确定单个粒子的基础上。但是从理论上来说是难以计算的，这里提到的流体阻力相关性已经被Ergun 13和Wen-Yu 14 开发了。对于个别颗粒，阻力作用在一个单独的粒子已经在经验得出的相关性中派生出来。a当时，根据Ergun公式。 （8）b. 当时，根据wen-yu公式。 （9） 其中是流体的密度，动态流体的粘度，是粒子速度和为颗粒直径，为单个粒子的阻力系数，为修改后的阻力系数，为流体空隙率。在这里值得一提的是，孔隙率是在3D的封闭系统中空隙的体积和总体积的比值，这样是为了考虑到在2D和3D之间的孔隙率的计算差异。因此在这项工作中，所使用

11、的颗粒是球体，而不是在计算第个粒子的体积中的磁盘或圆筒，、是一个计算单元的体积是用一个长方形的盒子的厚度等于球体直径，其中x和y是计算流体单元中分别在x和y方向上的长度，。k为流体单元当中微粒的数量。2.2计算流体动力学对于流体相，在本次工作中，采用有限体积法。流体流域可划分为若干单元,，每个单元大小为16mm×16mm。流体流动遵循以下的质量守恒方程和Navier-Stokes方程。 （10） （11）其中，是压力，是有效粘度，是流体在单元格中的微粒的平均流速。如流体阻力作用于单个微粒所知（见2.1.3节），从计算在每个单元的体积力开始： （12）在公式（11）中，的有效粘度可以计

12、算为： （13）是动荡粘度用普朗特混合长度理论14计算： （14）给定 (15)其中，是垂直于壁面的坐标， 是管半径，是在管道内的平均流速，是动力学粘度。使用压力联方程16（SIMPLE）半隐式方法可以解决上述方程。速度分量的置换或“交错”网格用于数值计算。在交错的网格中，计算速度分量是为了计算控制体积面的速度分量。3实验装置在密相气力输送中，格拉斯哥苏格兰大学的气力输送试验装置用于开展气力输送线中的微粒分离研究。图2即为所显示的实验设备，它包括一个进料斗，一图2 实验装置示意图个收料斗，一个单端的压力变换器和另外两个不同的压力变换器。钻机的细节可以在参考文献7中找到。为了实现塞状流，需要选择

13、低质量的气体流率。在一个代表性范围内，塞状流的空气质量是在0.0150.040kg/ s之间，制造出来的表面空气在管道出口速度在2.56.5m/ s之间。在实验中具有代表性固体流体流量在25t/h之间。视镜区可使塞状流可视化。我们选定白色尼龙颗粒和黑色玻璃珠做成两相混合物，是因为它们的分离特性和可视易用性。混合物最初进行充分混合，并放入一个进料斗内分批处理7 。3.1采集装置人们已经认识到，直接从在管道的塞中采取样品是相当困难的。McGlinchey8拍照并且研究在管道中塞的分离。在这项研究中，”捕捉塞”后设计并建造一个采样装置用以采集气力输送管道中的样品。该装置在3m视镜区前的地方安装（参照

14、图2），并示于图3。该装置包括两个凸缘，玻璃部分和两个薄钢板。玻璃部分被夹 图3采样装置在两个法兰盘之间，两个钢板嵌入玻璃部分和两边缘之间的间隙，装置固定在固定位置并允许塞通过。塞可以通过玻璃部分进行观察。当压缩空气被切断时，观察他们是否在该装置位置停住。“捕捉”一个塞后，通过固定塞把两块薄板小心地向上推，从而能使样品堵塞在玻璃部分，尽一切努力在取样时要保持原样。接近钢板的少量微粒可能会重新排列。但是，这不会明显地影响总的分离测量。我们可以从玻璃部分取出样品，用来分析和测量塞的分离。4 实验结果本实验选择的材料是用尼龙绳切割成为直径3mm的尼龙颗粒和直径为3mm玻璃珠。材料的性质示于表1，用于

15、分离研究的尼龙和玻璃珠密度存在大的差值。表1 混合物的性质物质75%尼龙颗粒+25%小玻璃珠尼龙颗粒小玻璃珠直径（mm）33 密度（kg/m3）1143.62531.5颜色白色黑色（尼龙密度为1143.6 kg/m3和玻璃珠的密度为2531.5 kg/m3）。他们有不同的形状，实验物质的分离受到形状影响，这将在下面的章节中讨论。混合物最小传送速度约为3.0m/ s。我们进行了两次探讨二元混合物的分离和混合测试，其中他们有不同的表面空气速度，一个是3.29m/ s（正上方的最小输送速度），另一个是4.26m/ s（高于最小输送速度）。因此，我们只部分研究在这些测试中不同的表面空气速度的影响，测试

16、中的主要流动参数均在表2中给出。固体载入率（SLR）是一个无量纲的参数，定义为固体的质量流率和空气的质量流率（并也称为相的密度）的比值，常用来描述在管道中的条件。表2测试流程参数测试1测试2固体流速kg/s1.141.49空气流速kg/s0.020.027固体负荷率5755表面空气速度m/s3.294.26图4 塞的前部图5 塞的中间图6 塞的尾部图4、图5和图6分别显示出塞的前部，中间和尾部，他们是从实验2中捕获的照片。从这三张照片可以看出，尼龙颗粒占据塞前部大多数空间而玻璃球只在管道的底部形成薄层。在塞的中间和尾部，尼龙粒料仍然占据着塞的顶部位置，但更多的玻璃球出现在塞接近玻璃管壁的较高位

17、置。我们可以认为是由于玻璃球的密度高于尼龙2倍。尼龙颗粒的通过速度远大于玻璃球。因此玻璃球在塞的尾部堆积。在测试1中也发现了类似的结果。人们认识到不可能使用电流采样装置来捕获整个塞。本研究中所示的结果重点放在塞的部分分离。每个测试配置至少运行3次，在每次实验中采取三个样品使 图7 实验1中的分离 图8 实验2中的分离用平均值。样品的实验结果如图所示。图7和图8显示出两个样品的外观（延伸到约七个颗粒的深度），他们是在测试中采样装置的两个塞中采集的。每个样本包括40005000个颗粒。从横截面照片（图7、图8）中可以看出，玻璃球积聚在管道的底部（参见图7、图 8），而且它们几乎完全填补水平标记位置

18、（参照图7）。图7还显示出玻璃球时常地出现在管道的顶部，而且只有少量出现在中间位置。与图7相比较，图8显示出的分离程度明显小于测试2的分离程度。这是由于实验2的空塔速度高于试验1（见表2）的空塔速度约2.5倍。较高的空塔速度的会导致更高的垂直速度。较高的垂直速度在垂直方向上产生较高的阻力，因此，较重的颗粒被带到相对较高的位置。 样本被分成五个部分或单元格（参见图7、图8）。玻璃球和尼龙粒料的体积浓度分别在每个单元格中计算。图9和图10中的数据显示的是直径位置所含玻璃球和尼龙粒料的体积容量：0mm是管道的底部，80mm管道的顶部。从图9中可以看出，在试验1中玻璃球占据底部近85，但是在横截面的顶

19、部却小于20，在试验2中的玻璃球在底部占据近80，但是在横截面顶部却小于30。在图10中可以清楚地看出在测试2中只有少量分离。在图9中，实验2中56mm位置上（从顶部数第二个单元格）有一个惊人的实验结果，尼龙颗粒浓度在减少。 我们可以认为是因为管道的中心附近的固体浓度是高于在其邻近的单元格的浓度，然后更多的颗粒积压在那里，从且失去了流动性7。因此，玻璃球不能轻易穿透横截面中心，并且积聚在顶部的第二个单元格。这仅仅只是横截面中心上部分区域的玻璃球 。所有单元格玻璃球的平均体积浓度高于整批浓度25，我们可以确认在行进方向也存在一些分离。在本次研究中分离的水平成分并没有被量化。 图9 两个测试的尼龙

20、颗粒浓度的比较（取三次实验的平均值）图10 两个测试的玻璃珠的浓度的比较（取三次实验的平均值）5 数值结果这两个实验分别研究在实验测试中二元混合物的分离和混合现象，还使用数学模型进行模拟。由于该数值模型是二维的，为了用三维方法比较计算与实验结果，在数值测试中（如固体流量，空气流量，表3中的SLR）给出了几个流动参数。实验测试的主要流动参数的数值和混合物的属性在表3中给出。颗粒的物理性质（摩擦系数，泊松比，恢复系数）的标准值可以从文献中找到。Tsuji等人 17研究证明：在一定条件下可以假设刚度较小的微粒仍然产生与真实粒子相同的运动，这样就可以减少了计算时间。因此，杨氏模量设置的值比实际值要小，

21、并且减少了30倍。这相当于在仿真精度的计算效率上获得了最小影响，是放弃大多数的DEM文献来得到的。这里应当注意的是，在该数值模型中尼龙粒料的形状是球形的，但在实验测试中使用的尼龙粒料是圆筒状的。 图11 管道中的一个塞 图12 塞的前部 图13 塞的中部和尾部表3 塞状流的条件塞流实验1的条件固体流速（kg/s）1.6空气流速（kg/s）0.0202SLR79表面空气速度（m/s）3.29塞流实验2的条件固体流速（kg/s）1.91空气流速（kg/s）0.0261SLR73表面空气速度（m/s）4.26管道和流量管道直径（mm）80管道长度（mm）8,000固体流动速度（kg/s）1.29空气

22、流速（kg/s）0.0261SLR45.4表面空气速度（m/s）4.26气体使用的气体空气密度根据理想气体定律颗粒原料尼龙和玻璃形状球形最大粒子数65,000颗粒密度（尼龙）（kg m3 ）1.135颗粒直径（mm）3尼龙-尼龙的摩擦系数0.3泊松比0.33恢复系数（尼龙）0.8杨氏模量（尼龙）（Pa）1E+7颗粒密度（玻璃珠）（kg m3 ）2,531颗粒直径（mm）3玻璃 - 玻璃的摩擦系数0.4泊松比（玻璃珠）0.23恢复系数（玻璃珠）0.9杨氏模量（玻璃珠）（Pa）1E+8图11，图12和图13显示塞的特殊分布和整体混合情况，分别为试验2得到的前部和尾部的塞。从这三个图可以看出在尼龙粒

23、料占据塞前部的大多数空间，但是玻璃球在管道的底部只形成了一个薄层。在塞的中部和前部位置，尼龙颗粒仍然占用塞的前部位置，但是越来越多的玻璃球出现在塞的较高位置。我们可以认为这是由于的玻璃球的密度高于尼龙颗粒的2倍。我们可以知道尼龙颗粒的移动速度比玻璃球快，因此玻璃球主要积聚在塞的尾部。之后，塞会在管道中移动，我们可以观察到更大的分离现象。这个结果与在第四节的实验分析相一致。采样窗口（0.4m×80mm）图示于图12和图13中。每个样品含有2,0003,000个颗粒用于体积浓度计算。像分析实验工作那样，将样品分为五个部分或单元格（参见图12，图13）。计算在每个单元格中玻璃球和尼龙粒料的体积浓度，并在下面的结果进行了讨论。 图14 实验1中玻璃珠的模拟分布图15 实验1中尼龙颗粒的模拟分布图16 实验2中玻璃珠的模拟分布图17 实验2中尼龙颗粒的模拟分布图14、图15、图16和图17显示出玻璃球和尼龙颗粒浓度接近于模拟试验1和试验2中塞前部和尾部的浓度。在图1实验结果中可以清楚地看出接近塞尾部玻璃球的浓度高于接近塞前部玻璃球的浓度。这些图显示在试验1和试