气力输送系统设计中的放大换算技术

气力输送系统设计中的放大换算技术

潘仁湖1,PeterW W ypych2

(1、福建龙净环保股份有限公司,福建龙岩 364000;2、Un i v ersity ofW o ll o ngong,澳大利亚)

摘 要:资料研究表明,尽管实验台数据放大换算已被广泛地认为是气力输送系统设计中的一个十分重要的步骤,然而直至今日,还没有通用的方法使实验台数据能可靠而精确地按比例放大到全尺度系统,主要原因在于以前的放大换算技术并未考虑到弯管位置、数量,以及短管等对总压降的影响。试验台布置了由两长一短的直管段和两个弯管组成的简单实验管道,通过从两长直管段测得的压力来确定经验公式中的指数以预测由弯管和直管段引起的压降。研究结果表明,这些公式不但能够精确地预测不同位置直管段和弯管引起的压降,还能够精确地预测不同长度、管径、弯管数和分段的总管道压降。

关键词:气力输送;试验台;数据换算;量纲分析;压降;设计

中图分类号:TQ022.401.59 文献标识码:A 文章编号:1009-1904(2005)06-0008-05

1 引言

由于气力输送的复杂本质和众多影响参数[1],实践经验已广泛用来确定因气 固混合引起的压降。然而,工业中应用的气力输送系统包含众多的不同长度、直径、弯管数量及分段的管道布置。因此,根据同样的气力输送系统来进行实验室试验几乎是不可能的。通常建立试验规模的实验台并以拟议中的系统所要输送的料样做运转试验,再将获得的试验数据按比例放大以预测整个实际管道的压降,故实验台数据能可靠而精确按比例放大到全尺度系统是气力输送设计的一个十分重要的步骤。

过去20年来,已提出许多按比例放大的程序并广为使用[2~4],然而,其中有许多论文并未考虑弯管的位置或数量[2~3]。而且,虽然B rad l e y等人[4]对管道的弯管和直管段分开处理,但考虑沿相邻直管段为不变的压力坡度则是不正确的。所有以上的限制使得试验台数据可靠而精确地按比例放大到全尺度系统为不可能。

本文根据详尽的量纲分析建立了经验公式,预测由弯管和直管段引起的压降。经验公式中的指数是使沿一条包括两长一短的直管段和两个弯管的简单管道布置的压力误差平方之和为最小而确定的。

这些经验公式再用来确定在几种不同长度、直径、弯管数和分段的气力输送管道中的总管道空气压降。研究结果表明,这些经验公式不仅能够精确地预测直管段和不同位置弯管两者引起的压降,而且能预测不同管道中总管道的空气压降。

2 物料通过直管和弯管引起压降的公式

已表明因气 固混合物引起的压降,当以两个函数的和表达时是最恰当的关联[1、5]。第一个函数表示由于纯空气引起的压力损失,而第二个函数则与由于物料引起的压力损失有关,即:

p s= p sf+ p ss

p b= p b f+ p bs

计算因纯空气引起压力损失的经验公式已经建立并于最近发表[6],所以本节主要涉及建立预测由

相比,硬石膏制硫酸的生产成本(联产水泥)比硫铁矿制酸的低(分别为244.63、287.50元/吨),每吨硫酸的单位建设投资为413.70元,与硫铁矿制酸的不相上下(406元/吨),经济效益明显。就湘福石膏矿硬石膏制硫酸联产水泥的 10-15工程 而言,原材料就地取材,石膏中的硫和钙都充分得到了利用,建设该工程符合湖南省经济发展的要求,且本地区交通方便,其可行性是充分的。

3、鉴于该项目对稳定我国硫酸市场,开辟硫酸生产的新原料路线具有战略意义,备受业内人士关注,建议有关各方大力支持,日后必有丰厚的回报。

作者简介:宁爱民(1942-)男,湖南邵阳人,高级工程师,总工程师,长期从事硫酸和磷肥的生产技术管理、技术开发及企业管理工作。

(收稿日期:2005-07-07)

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硫磷设计与粉体工程

S P&B MH RELATED ENG I NEER I NG

2005年第6期

于物料在直管段引起的压降( p ss )和在弯管引起的压降( p bs )的经验公式。2.1 直管段

因物料通过直管段引起的压降 p ss 可以考虑为许多有关变数的函数,如:平均表观气速u f m ,平均空气密度 fm ,管径D ,长度 L ,空气黏度 ,管壁粗糙度 ,物料质量流量m s ,颗粒密度 s ,平均粒径d ,颗粒形状系数z ,以及管壁和颗粒间摩擦系数 。对于给定的物料和管材,可以假定d 、z 、 s 和 不变。利用量纲分析,首先考虑提出式(1)的表达式:

p ss =ku a

fm b

fm D c

L e f

g

m h

s

(1)

式(1)通常应求出八个未知数的值,但利用量

纲分析法则可以减少。与式(1)相应的量纲方程为[L -1

MT

-2

]=[LT

-1

]a [M L

-3

]b [L]c [L]

e

[L -1

MT -1

]f

[L]g

[MT -1

]

h

(2)式(2)可分解成三个指数辅助方程:L : -1=a -3b +c +e -f +g (3)M:

1=b +f +h

(4)

T :-2=-a -f -h (5)现有七个未知数和三个方程式,因而三个未知数要通过其余四个未知数来表示,可以有众多的组合,一个可能的组合是通过e 、f 、g 和h 来表达a 、b 和c ,由式(3~5)得出:

a =2-f -h

b =1-f -h

c =-e -f -g -2h

将这些值代入式(1)得出: p ss =ku 2-f -h

fm

1-f -h f

m D

-e -f -g -2h

L e f

g

m

h s

可以重写成: p ss =k

f m u fm D f

D

g

L D

e

m s

f m u f m D

2

h

fm u

2

f

m (6a)

假定:

ss =2k

4

h

R e f D g

L

D

e -1

m *h -1

(6b)

p ss =m * ss fm u 2

f m

2D

L

(6)

重写式(6b)得出:

ss =2k

4h L

D

e -1

m *h -1

u -f

f

m

-f

fm

D

f

D

g

(6c)

对于一给定的管材和输送空气温度并以实际物料(例如飞灰)数次运转后,可以假定 和 不变,而且k 可为m *

、u fm 、 f

m 、D 和 L 的函数,故式(6c)重写并假定为

ss = (m *

,u f m , f

m ,D , L )=x 1m

*x 2

F r x 3m x

4

f

m (6d)

常数x 1、x 2、x 3和x 4由实验确定,并只对一给定的散料有效。

2.2 弯管

通过弯管的流动要比通过直管段的复杂得多,但由于弯管引起的物料压降也可以认为是管径D 、弯管弯曲半径R 、管壁粗糙度 、物料质量流量m s 、颗粒密度 s 、平均粒径d 、颗粒形状系数z ,空气黏度 ,管壁与颗粒间摩擦系数 ,以及弯管出口处的表观空气速度u fo 与空气密度 fo 等的函数。对于一给定物料和管材,d 、z 、 s 和 也是不变的,故再次采用量纲分析法,得到由式(7)提出的表达式:

p b s =ku a

fo b

fo D c

R e

f g

m h

s

(7)

利用量纲分析,得出类似式(6a)的表达式:

p bs =k fo u fo D f D g R D e

m s fo u fo D 2h fo u 2

fo

假定:

bs =2k 4 fo u fo D

f

D

g

R D

e

m s

fo u fo D

2

h -1

(8a) p b s =

12

m * bs fo u 2

fo (8)

重写式(8a)得出:

bs =2k 4

h

m *

h -1

u -f fo

-f fo

D

f

D

g

R D

e

对于一给定管材和输送空气温度并以实际物料

数次运转后,可以假定 和 不变,而且k 可为m *

、

u fo 、 fo 、

D 和R 的函数。故对一给定的弯管弯曲半径可以假定计算 bs 的方程式为

bs =y 1m

*y 2

Fr y 3o y

4

fo

(8b)

常数y 1、y 2、y 3和y 4也是实验确定并只对一给定的物料有效。

3 新实验方法的提出

为将试验台数据能精确、可靠地按比例放大到全尺度系统,以下几方面应予考虑:

1、必须计入弯管的位置和数目(不同的管道布置产生不同的总管道空气压降);

2、当对工业中通常使用的相当短的直管段按比例放大必须给以裕量;

3、从任何不变直径管道获得的试验数据,按比例放大到其他的不同长度、直径、弯管数和分段的管道,要求准确性(可信度);

9 2005年第6期

潘仁湖,等 气力输送系统设计中的放大换算技术

表1 试验台管道特性

管道特性

管道有效长度/m 编号L /m D /m m */kg kg -1S a S b

S c

S d

S e

S f

S g

S h

S i S j A 1020.05258.2~199.2 1.95.921.321.136.520.717.0 3.0 2.5 2.0B 1350.05256.9~150.1 1.95.921.337.646.537.217.0 3.0

2.5

2.0C

137

0.0805

9.9~70.26

1.9

5.921.937.707.353

6.51

7.33.35 2.5

2.6

4、试验台管道布置应尽可能简单,容易由其他

研究者再现。

根据以上准则,设计了图1所示的简单管道布置,用以确定经验公式[如式(6d)、(8b )]中的指数。在本管道中,有着弯管及长、短直管段。在直管段A 、B 中,传感器安装在任何弯管作用处之外。公式(6d)、(8b)中的指数是由直管段A 中的传感器测出的压力平方误差之和为最小来确定,从安装了其他传感器的直管段B 中的点开始,(见图1)

。

图1 用来建立新换算公式的简单管道布置示意4 试验方案

三条气力输送管道被用来获得全部实验数据,

实验台的有代表性的布置示意见图2,三种管道的特性列于表1。注意管道材质为碳钢,所有弯管的R =254mm 。

由三台螺杆空压机组合在最高压头为800kPa 下供应压缩空气,调节进料点P 前面的流量控制阀得到不同的空气质量流量。空气质量流量由annu -bar 量出。物料质量流量从装在受料斗下的负荷传

感器获得。

图2 试验台有代表性的布置示意

对于每一试验台管道,以飞灰通过很宽范围的输送条件(见表1)进行了总数36次实验。每次实验中,可以相信沿管道的所有传感器(T b ~T g )均是装在任何弯管的作用区之外。

5 放大换算技术的比较

首先,由管道A 所得出的实验数据,用来确定公式(6d)、(8b)中的指数。公式(6d)、(8b)中的指数是通过从S f 段中T c 点开始至S d 段中的T d ,T e 点压力平方误差之和为最小来确定,所确定的指数数值列于表2。

表2 指数数值

指数按管道A 的数据按管道C 的数据

按172m 管道的数据

x 1 5.30625.3144 5.3062x 20.56340.58300.5634x 3

1.93411.9504 1.9341x 40.11750.12630.1175y 10.00850.00760.0520y 2 1.16541.0753 1.6580y 3 1.33501.45910.6730y 4

0.0129

-0.0262

-1.4950

然后利用以上的公式,可预测管道A 、B 和C 中的总管道空气压降和要选择的压力,从管道终端或沿管道上的某一点开始。

所有的吻合十分良好,一些预测示于图3。但在计算中假设注意:垂直下落段S i 被看成是一段短水平管;垂直提升段中的压力坡度相对水平管中的压力坡度中比例被认为等于4(来自其他实验)。

最终需要将从任何等直径管道获得的试验台数据,按比例放大到其他的不同长度、直径、弯管数目和分段的管道。第二,从管道C 得到的数据已用于确定指数x 1 x 4,y 1 y 4。同样,指数是通过从S f 段中T c 点开始至S d 段中的T d 、T e 点压力平方误差之和为最小来确定,已确定的指数数值也列于表2中。然后也利用这些公式,预测出管道A 、B 和C 总的管道空气压降和选择的压力,从管道终端或沿管道上的点开始。所有的吻合仍然是很好,一些预

测已示于图4。

6 应用

用同样的飞灰对另外

三种不同的管道[5]

进行实验。有关管道的布置及参数见图5和表3。由于所有弯管的弯曲半径变为1m ,

10 硫磷设计与粉体工程

S P &B MH RELATED ENG I NEER I NG

2005年第6期

图3 管道A 、B 、C

的预测压力与实验数据对比

图4 按比例放大后管道A 、B 、C 的预测压力与实验数据对比

故式(8b)中的指数应由实验重新确定,这些指数是通过从172m 管道中的点T e1开始至T e2、T c1、T c2、T c3和T c4等点的压力平方误差之和为最小来确定,(见图5a)。已确定的常数值也列于表2中。注意,前面管道A 确定的指数x 1 x 4再用于此次分析。

表3 管道布置

管道直径/m 总有效长度/m 弯管数目直管数目数据

数量m *

/kg kg -1Ⅰ0.0691725638 2.66~75.74Ⅱ0.069554171814

2.92~21.77

Ⅲ

0.06956417130.081

381

12

18

8

2.02~11.85

于是利用以上的公式,从管道终端或沿管道的

点开始预测了管道Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ中总的管道空气压降和选择点的压力。吻合总的十分良好,如图6所示。所有以上的结果均证实本文的放大换算技术具有良

好的精确性和可靠性。

图5 管道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ布置示意

11 2005年第6期

潘仁湖,等 气力输送系统设计中的放大换算技术

图6 管道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的预测压力与实验数据对比

7 结论

实验台数据的放大是气力输送设计的最重要阶段之一。

本文发表的放大换算技术考虑到了弯管位置及数目的影响,以及相对短的直管段的影响,这些是工业中普遍用到的。

摩擦系数关联式中提供的指数是实验确定,并只对所实验的物料(即飞灰)有效。本文发表的放大换算技术的良好精确性和可靠性,很好地预测了不同长度、直径、弯管数目和分段的多种管道的压降。

符号说明

A 管断面积,m2;

a,b,c,e,f,g,h 指数,1;

d 平均粒径,m;

D 管径,m;

Fr 弗劳德数,F r=u f(gD)-0.5,1;

Fr m 直管段中的弗劳德数,1;

Fr o 弯管段中的弗劳德数,1;

g 重力加速度,m/s2;

k 系数,1;L 总有效管道长度,m;

L 直管段长,m;

m f 输送空气质量流量,kg/s;

m s 物料质量流量,kg/s;

m* 料气质量流量比m s/m f,kg/kg;

p

b

弯管压降,Pa;

p

bf

空气通过弯管的压降,Pa;

p

bs

物料通过弯管的压降,Pa;

p

s

物料通过 L压降,Pa;

p

s f

空气通过直管的压降,Pa;

p

ss

物料通过直管的压降,Pa;

R 弯管弯曲半径,m;

R e 雷诺数,1;

u f 输送空气的表观气速,u f=m f( f A)-1,m/s;

u f m 直管段中输送空气的表观气速,m/s;

u fo 弯管出口处输送空气的表观气速,m/s;

x1 x4 指数,1;

y1 y4 指数,1;

z 颗粒形状系数,1;

bs

物料通过弯管的摩擦系数,1;

ss

物料通过直管的摩擦系数,1;

空气动力黏度,Pa s;

管壁与颗粒间摩擦系数,1;

管壁粗糙度,m;

f

输送空气密度,kg/m3;

f m

直管段中输送空气密度,kg/m3;

fo

弯管出口处输送空气密度,kg/m3;

s

颗粒密度,kg/m3。

参考文献:

[1] M W eb er.Pri nci p les of H ydrau lic and Pneum atic Convey i ng i n

P i pes[J],Bu l k Soli ds H and li ng,1981,1:57~63.

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作者简介:潘仁湖(1963-),男,浙江象山人,博士生导师, 1988年赴澳留学,1993年获气力输送博士学位,中国机械工程学会管道物料输送技术专业委员会副理事长,福建龙净环保股份有限公司副总工程师,气力输送事业部部长,一直从事气力输送工程研究、教育、咨询,完成了200多项气力输送系统交钥匙工程,发表专著70余篇。

(收稿日期:2005-07-22)

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硫磷设计与粉体工程

S P&B MH RELATED ENG I NEER I NG

2005年第6期

ABS TRACTS B i m on t h l y TotalNo.69,N o.62005;Pub lis hed on N ov.30,2005

(In i ti al Issue i n Dec.of1991)

F i nd i ng Ne w Raw M ateri al Rou tes for Sul phuric A cid Production i n Ch i na Feasi b ility

Study for Su l phur i c Aci d Production by Hu nan X iangfu w ith Gypsu m and

Anhydrite w it h Joint Production of Ce m ent

N ING A-i m i n(H u nan X iang f u N e w Bu ildi ng M ater i a ls Co.,L td.,Changde415200,Ch i na)

)i s proposed for the fact tha t the raw Abstrac t: A new ra w m a terial route for the produc tion o f su l phuric acid w ith anhydrite(CaSO

4

m ater i a l structure for s u l phur i c ac i d produc tion i n China is changed,t he sulfur i m po rt i s increasi ng si gn ifi cantl y and is contro ll ed by the internati ona lm arket,and there a re abundant gypsu m resources i n Chi na w ith ma t ure techno logy and equip m ent f o r production of sulphu-ric ac i d w ith gypsu m.Co m pa red w i th ra w m ater i a ls such as sulf ur o r py rite,the cost for producti on o f s u l phur i c acid w ith anhydrite w ith jo i nt producti on o f ce m ent is l ow er t han that of su l phuric ac i d producti on w it h pyr ite(244.63Y uan/t and287.5Yuan/t respecti ve ly). T he construction cost f o r s u l phur i c ac i d i s413.70Y uan/t,wh ich i s co m parable to ac i d producti on w ith pyrite(406Y uan/t).T he re-sources a re co m prehensively utili zed and the 10-15P ro ject o fX iangfu i s feasi b l e.Th i s pro j ect has strateg ic s i gnificance to stab il-i zi ng the sul phur i c ac i d m a rket i n Ch i na and fi nd i ng new ra w m a terial routes for sulphur ic aci d production.

K ey word s: su l phuric ac i d producti on;raw m ater ial rou te;anhydr ite;resource;techno l ogy;comprehensi ve ana lysis

Sca le-up Procedures for Pneu m atic Convey i ng D esign

PAN Ren-hu1,Pet er W Wypyh2(1、Fuji an L ong ji ng Env i ron m enta l P ro tecti on Co.,L t d.,L ongyan364000,Ch i na;

2、U n i ve rsity o fW oll ogong,Austra lia)

Abstrac t: A survey o f literature show s that,a lt hough sca li ng up of test r i g data is conside red w i dely to be one o f the m ost i m po rtant stages o f pneuma ti c convey i ng design,to data no genera lm ethod was developed for the re li able and accura te scale-up of test ri g data to ful-l scale i nstall a tions.T he m a i n reason is t hat the prev i ous procedures don t take i n t o accoun t t he locati on and/or nu mber o f bends and a lso t he re l a tive l y short stra i ght secti ons o f p i pe that are used comm on l y in i ndustry.A si m ple con fi guration o f p i pe i s e m ployed, compr i seing t wo long and one short stra i ght section of pipe and t wo bends.Based on the m eas u red pressures along the t wo l ong stra i ght secti ons o f pi pe,the exponents i n the emp irical for m ulae are deter m i ned for the pred i c tion of pressure drop caused by bends and stra i ght secti ons of pipe.T he results show t hat these for m ulae are ab le t o pred i ct accu rate ly not on l y the pressure drop caused by bo t h bends and stra i ght secti ons of pipe at d ifferent locati ons,but also t he tota l p i peli ne air pressure drop i n pi pe lines o f d ifferent leng t h,d i am eter,bend nu mber and step.

K ey word s: pneu m ati c convey i ng;test r i g;data conv ers i on;di m ensi ona l ana l y si s;pressure drop;design

R esearc h on H ydrogen Su l phideW a ste G a s T reat m ent

L IU Ke-j i e,YANG Hong,Y I N G Jian-kang(Chem ica lEng i neeri ng Co ll ege o f S ichuan U n i versity,Chengdu610065,Ch i na)

S w aste gas,it i s proposed to use w ater as med i u m,sodi um carbonate as absorber,hydro-Abstrac t: Fo r the s m a ll to tal amount o fH

2

qu i none as cata l y st and a ir as ox i d i z i ng agent t o absorb the hydrogen su l phi de and convert it to sulfur,and regene rate the sod i u m carbon-a te so l ution as absorpti on li quid i n t he m eanti m e,wh ich has ach i eved good results i n i ndustr i a l i nstall a tions.

K ey word s: w aste gas treat m ent;hydrogen sulph i de;sod i u m carbona te;hydroqu i none;ox ida ti on

R esearc h on R efining o f H igh-substit ution H ydroxy E t hyl Ce llulose w ith Isopropanol Q I Zeng-zhong,HAN X i a o,XA I Da-i kuan,ZHANG X ing-q ian(Che m ica l Eng ineer i ng Co llege of S i chuan U niversity,

Chengdu610065,China)

Abstrac t: H i gh-substit u tion hydrox y ethy l ce ll u l ose(HEC)can be refi ned us i ng isopropano l so l u ti on.The opti m u m refi n i ng process cond iti ons are de ter m i ned through expe ri m en t accordi ng to the ash content i n the hi gh-substituti on H EC and its disso lv i ng speed and so l ub ilit y i n isopropano:l the nu m ber o f scrubb i ng ti m es i s2,t he scrubb i ng dura ti on for each ti m e is20m i n,and the scrubb i ng so luti on consu mption is10mL isopropano l soluti on per gra m o fHEC,and the scrubbi ng so l uti on consumpti on is the same for each sc rubbi ng. T he exper i m ent a lso des i gnes the p il o t p l ant for recovery o f isopropano l i n t he product and the spen t scrubb i ng so l ution,wh ich o ffers good i ndustr i a l reference.

K ey word s: isopropano;l scrubb i ng;h i gh-substituti on hydroxy et hy l cell ulose

D esign F ea tures of TheW o rld s L arges tM etallurgical A cid P lant

Kar l H.Daum(Outokumpu T echno logy Gm b H,G er m any)

Abstrac t: R ecentl y the w orld s l a rgestm eta llurg ica l s u l phuric acid plant w ith a peak capac ity o f4,200t/d,bu ilt on a LS TK bas i s f o r W estern M i n i ng F ertili zer w as comm i ssi oned i n M ount Isa,A ustra lia.The p l ant is based on coppe r s m e lter and conve rter off gas w ith comp l em entary su l phur burn i ng to m a tch the ac i d de m and of the assoc iated fe rtilizer producti on.T he m ain desi gn features o f the i nsta-l lati on are h i ghli ghted.The paper focuses on process and mechan i ca l desi gn i ssues and it presents a nu mber of i nte resti ng deta ils o f the project.T he comb i nati on of up to4different gas sources(1Isa s m e lter+3P e i rce Sm ith conv erters)w ith fl uctuati ng gasfl ow s and va r-concen trati ons pl us t he additiona l su l phur burni ng(3~25t/h),creates a w i de range o f operati ng scenar i os and conditi ons f o r

y i ng S O

2

both gas clean i ng section and ac i d plant.The size o f the plant s i ndividual equip ment,w ith a m ax i m u m gas throughput of378,000m3/ h(as standard condition),and the sa i d nu m erous scenar i os,lead to very co m plex and comprehensive p l ant des i gn cr iter i a.T ho se crite-