聚丙烯酰胺在氣力輸送系統(tǒng)中流動(dòng)特性試驗(yàn)研究

1、聚丙烯酰胺在氣力輸送系統(tǒng)中流動(dòng)特性試驗(yàn)研究賈文廣收稿日期：2008-12-24作者簡介：賈文廣（1984），男，碩士研究生. *通訊聯(lián)系人,郭建章,陳明義,李慶領(lǐng)* (青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)摘要：以聚丙烯酰胺為研究對象，在氣力輸送系統(tǒng)上分別以不同的輸送壓力、輸送風(fēng)量，研究了不同管段壓損比與雷諾數(shù)的關(guān)系。結(jié)果表明：在水平管段中，壓損比較小，且受雷諾數(shù)影響不大；在垂直管段中，壓損比約為20-40，可以近似地認(rèn)為總壓力損失等于聚丙烯酰胺流動(dòng)產(chǎn)生的壓損；在彎管段中，當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí)，其壓損比變化與水平管段相似，而當(dāng)雷諾數(shù)較大時(shí)，其壓損比變化與垂直管段相似。關(guān)鍵詞：聚丙烯酰

2、胺；壓損比；雷諾數(shù)中圖分類號(hào)：TQ536 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：BExperimental Investigation on Flow Characteristics of Polyacrylamide in pneumatic conveying system JIA Wen-guang, GUO Jian-zhang,CHEN Ming-yi, LI Qing-lingAbstract: Study on Polyacrylamide in pneumatic conveying system of different pipes relationship between pressure loss

3、 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 p

4、olyacrylamide; 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 聚丙烯酰胺廣泛用于石油

5、、造紙等工業(yè),特別是石油工業(yè)三次開采。在聚合物驅(qū)油技術(shù)中,水解的聚丙烯酰胺是化學(xué)增稠劑, 少量的聚丙烯酰胺溶于水中就能顯著提高其粘度與波及效率,從而提高石油采出量。但同樣是由于聚丙烯酰胺自身極強(qiáng)的絮凝作用，給輸運(yùn)造成了很大的不便，尤其是在潮濕的海上采油平臺(tái)。勝利油田在綜合考慮流通效率、作業(yè)環(huán)節(jié)、作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度、流通費(fèi)用、流通過程中的損耗和污染等多方面因素，決定采用可以避免儲(chǔ)運(yùn)過程中物料“四散”化的氣力輸送技術(shù)對海上采油平臺(tái)輸送聚丙烯酰胺1-2。關(guān)于粉體的密相輸送,有了許多有價(jià)值的研究成果,被廣泛應(yīng)用于化工、發(fā)電、制藥和食品等行業(yè)。一般來說,這些系統(tǒng)主要在低壓下工作。由于高壓濃相輸送速度較低,

6、固相濃度過高,流動(dòng)形態(tài)復(fù)雜,系統(tǒng)的輸送技術(shù)要求和條件與一般輸送系統(tǒng)相差較大,可借鑒的資料和經(jīng)驗(yàn)很少,尚無成熟理論依據(jù)可以參照,所以只能依賴對真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究,獲取其流動(dòng)規(guī)律3。 應(yīng)用氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行了聚丙烯酰胺流動(dòng)特性的試驗(yàn)研究，包括輸送壓力和輸送風(fēng)量等試驗(yàn)條件對聚丙烯酰胺壓力損失的影響，闡述了聚丙烯酰胺輸送過程中壓損比及混合比與雷諾數(shù)的關(guān)系4，為工業(yè)中的聚丙烯酰胺氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。1.試驗(yàn)系統(tǒng)及原理1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)氣力輸送試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，氣體經(jīng)空氣壓縮機(jī)后進(jìn)入系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)輸送氣體的體積流量，壓力傳感器、渦街流量計(jì)分別用來測量輸送氣體的壓強(qiáng)及體積流量。輸送管道為玻

7、璃管道，管道內(nèi)徑為80mm。經(jīng)試驗(yàn)測定，聚丙烯酰胺堆積密度為660kgm-3，真實(shí)密度1302kgm-3，平均粒徑為481.74um，試驗(yàn)溫度為室溫（20oC），聚丙烯酰胺質(zhì)量流量為7220kgm-3。圖1 氣力輸送系統(tǒng)Fig.1 Pneumatic conveying system在試驗(yàn)過程中，通過組態(tài)王數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別記錄下純空氣狀態(tài)下與聚丙烯酰胺輸送過程中的輸送壓強(qiáng)、輸送氣量、顆粒質(zhì)量流量等重要參數(shù)，并通過這些參數(shù)查找、計(jì)算純空氣狀態(tài)下的空氣壓力損失、輸送過程中的總壓力損失，計(jì)算輸送過程中的輸送氣速、顆粒速度、壓損比和雷諾數(shù)5。1.2 試驗(yàn)原理氣力輸送總壓力損失由純氣流壓力損失與固體顆粒

8、流動(dòng)產(chǎn)生的壓力損失兩部分組成6。在水平與垂直管段中，純氣流動(dòng)造成的壓力損失為： （1） 聚丙烯酰胺流動(dòng)產(chǎn)生的局部壓力損失可用下式進(jìn)行計(jì)算： （2）總壓力損失是上述兩項(xiàng)之和，（1）+（2）得： （3）式（3）中：a、s分別為氣體、聚丙烯酰胺在水平管中的局部壓力損失系數(shù)；m固氣混合比，kgkg-1；va、vs分別是氣體、聚丙烯酰胺的流速，ms-1；a氣體密度，kgm-3；L 水平管兩測壓點(diǎn)間距，m；D 管道內(nèi)徑，mm；a 壓損比。在彎管段中， 包括聚丙烯酰胺流動(dòng)產(chǎn)生的局部阻力和聚丙烯酰胺上升引起的能量損失，即： （4）（4）式中： m氣體與聚丙烯酰胺混合流的平均密度，即： （5）將式（5）代入式（

9、4），整理得： （6）本研究通過壓損比a將求解整個(gè)氣力輸送系統(tǒng)復(fù)雜的氣固兩相流壓力損失轉(zhuǎn)化為求解純空氣系統(tǒng)下氣體單相流壓力損失，單相流的壓力損失可以通過流體力學(xué)的知識(shí)計(jì)算求得。所以只要能夠確定輸送過程中各個(gè)管段的壓損比，就可以通過式（3）和式（6）求得整個(gè)系統(tǒng)的壓力損失。壓損比同樣是一個(gè)受眾多因素影響的參數(shù)，并不能通過一兩個(gè)參數(shù)簡單地確定它的大小及變化規(guī)律，所以研究引雷諾數(shù)（Reynolds number）這個(gè)表征流體慣性力與粘性力之比的相似準(zhǔn)則，以聚丙烯酰胺為例，來討論其氣力輸送過程中壓損比變化規(guī)律。雷諾數(shù)是流體力學(xué)中表征慣性力與粘性力之比的相似準(zhǔn)則，兩個(gè)幾何相似流場的雷諾數(shù)相等，則對應(yīng)微團(tuán)

10、的慣性力與粘性力之比相等。雷諾數(shù)越小意味著粘性力影響越顯著，越大則慣性力影響越顯著。一般管道雷諾數(shù)Re2000為層流狀態(tài)，Re4000為紊流狀態(tài)，Re20004000為過渡狀態(tài)。在不同的流動(dòng)狀態(tài)下，流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律流速的分布等都是不同的，因而管道內(nèi)流體的平均流速v與最大流速vmax的比值也是不同的。因此雷諾數(shù)的大小決定了粘性流體的流動(dòng)特性。在流體力學(xué)相關(guān)研究中，雷諾數(shù)是主要的相似準(zhǔn)則。 （7） 、為流體密度和粘度；、L為流場的特征速度和特征長度。2.試驗(yàn)結(jié)果分析2.1 聚丙烯酰胺通過水平管道時(shí)的壓力損失在氣力輸送過程中，壓損比越大，表示系統(tǒng)因聚丙烯酰胺流動(dòng)而產(chǎn)生的流動(dòng)壓損越大。聚丙烯酰胺是依靠氣

11、體提供的動(dòng)力來運(yùn)動(dòng)的，所以氣體壓力與氣、固混合比對輸送量有較大的影響?；旌媳雀邥r(shí)，顆粒多，相應(yīng)的局部壓力損失系數(shù)就大。圖2為水平管段中雷諾數(shù)與壓損比及混合比的關(guān)系。在水平管道中，雷諾數(shù)較小時(shí)，受氣流速度低影響，聚丙烯酰胺顆粒也處于低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，顆粒緊貼管壁向前移動(dòng)，與管壁之間存在很大的摩擦力，系統(tǒng)中由顆粒流動(dòng)而產(chǎn)生的損失也就越大，所以壓損比較高。隨著雷諾數(shù)的逐漸增大，氣流速度也慢慢增加，這時(shí)雖然仍有部分顆粒沉積在管壁，但不再緊貼管壁移動(dòng)，使得顆粒與管壁之間的摩擦力降低，壓損比也隨之減小。當(dāng)雷諾數(shù)增大到一定程度時(shí)，壓損比下降速度將明顯變緩，說明這時(shí)只有少數(shù)的顆粒在運(yùn)動(dòng)過程中與管壁接

12、觸，顆粒隨著氣速的升高在管道中處于懸浮狀態(tài)向前移動(dòng)，與管壁的摩擦力逐漸趨于穩(wěn)定，由于氣速持續(xù)增加，純空氣所產(chǎn)生的壓降也越來越大，但是純空氣流動(dòng)對壓降的影響還是要小于顆粒所流動(dòng)所產(chǎn)生的壓降，所以壓損比仍然有緩慢下降的趨勢?；旌媳入S雷諾數(shù)增大而呈拋物線趨勢減小，即輸送氣體體積流量越大Re越大，紊流現(xiàn)象更加明顯。圖2 水平管段中雷諾數(shù)與壓損比及混合比關(guān)系Fig.2 The relationship between Reynolds number and pressure loss ratio and blend ratio in horizontal pipe section 2.2 聚丙烯酰胺通過

13、垂直管段時(shí)的壓力損失圖3為垂直管段中雷諾數(shù)與壓損比及混合比關(guān)系。與水平管段相比，垂直管段中壓損比數(shù)值明顯要大，水平管段中壓損比的變化范圍為7-25，而在垂直管段中達(dá)到20-40。因?yàn)轭w粒在垂直管段中，雖然與管壁的摩擦力作用減小，但是需要克服的重力卻大大增加，所以Pnf占Pmf的比重增加，即壓損比大。因?yàn)轭w粒與管道之間的摩擦力變化不大，受重力的影響也很穩(wěn)定，且壓損比高時(shí)（大于20）純空氣流動(dòng)所產(chǎn)生的壓力損失雖然仍受雷諾數(shù)影響很大，但與顆粒流動(dòng)所產(chǎn)生的壓力損失相比只占很小一部分，所以壓損比與雷諾數(shù)之間的變化規(guī)律與水平管段不同，在雷諾數(shù)增大到一定程度后沒有明顯放緩的趨勢，而是與雷諾數(shù)有近似于線性的變

14、化關(guān)系。同樣的現(xiàn)象也體現(xiàn)在Re與m關(guān)系曲線上，圖3中2條曲線不僅趨勢相同，且?guī)捉睾?，說明在垂直管段中，壓損比與混合比隨雷諾數(shù)變化有著相同的規(guī)律。圖3 垂直管段中雷諾數(shù)與壓損比及混合比關(guān)系Fig.3 The relationship between Reynolds number and pressure loss ratio and blend ratio in vertical pipe section 2.3 聚丙烯酰胺通過彎管段時(shí)的壓力損失圖4所示為垂直管段中雷諾數(shù)與壓損比及混合比關(guān)系。在彎管段中，其壓損比從最小的11.2到最大的36，特點(diǎn)是變化范圍廣，說明雷諾數(shù)在彎管段中對壓損比的影

15、響要大于水平管段和垂直管段。因?yàn)榫郾０奉w粒在通過彎管段時(shí)，顆粒運(yùn)動(dòng)由水平轉(zhuǎn)向垂直時(shí)（研究中彎管由水平向垂直過渡），不可避免的對管壁產(chǎn)生很大的壓力，而這些壓力會(huì)最終轉(zhuǎn)化為顆粒上升時(shí)需要克服的摩擦力。在雷諾數(shù)較大時(shí)，氣流速度快，顆粒由水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為豎直運(yùn)動(dòng)的時(shí)間短，顆粒與管壁接觸的時(shí)間少，產(chǎn)生的摩擦力也就小，所以壓損比較低，其變化范圍與水平管相似；而在雷諾數(shù)較小的情況下，氣流速度低，顆粒由水平運(yùn)動(dòng)向豎直運(yùn)動(dòng)過渡時(shí)間長，甚至囤積在管壁，所以顆粒與顆粒內(nèi)部產(chǎn)生摩擦力，而聚丙烯酰胺的內(nèi)摩擦角為39.51，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它的壁面摩擦角12.71，所以壓損比快速上升，其變化范圍與垂直管段相似。相對于壓損比，混合

16、比曲線要平滑得多，與水平管段規(guī)律相似，呈拋物線狀規(guī)律下降。 圖4 彎管段中雷諾數(shù)與壓損比及混合比關(guān)系Fig4 The relationship between Reynolds number with pressure loss ratio and blend rairo in bend section 3結(jié)論(1)在水平管段中，壓損比變化范圍為7-22，隨著雷諾數(shù)的增大而減小。當(dāng)雷諾數(shù)大于7106時(shí)，壓損比減小趨勢放緩。(2)在垂直管段中，壓損比變化范圍為20-40，隨著雷諾數(shù)的增大而減小。較水平管段它的壓損比大，可以近似地認(rèn)為垂直管段中的總壓力損失Pmf等于聚丙烯酰胺流動(dòng)產(chǎn)生的壓力損失Pn

17、f。且壓損比隨雷諾數(shù)變化規(guī)律與混合比相同。 (3)在彎管段中，壓損比變化范圍為9-37，變化范圍比水平管段和垂直管段要大。在雷諾數(shù)較低的情況下，其變化范圍與水平管相似；而當(dāng)雷諾數(shù)較高時(shí)，其變化范圍與垂直管相似。參 考 文 獻(xiàn)1 聞?wù)袂?鐘宏,符劍剛等.陽離子型聚丙烯酰胺絮凝劑的研究概況J.材料研究與應(yīng)用,2008,2(2):98-102.2 陳藝. 國內(nèi)糧食流通中氣力輸送裝置的現(xiàn)狀及改進(jìn)J.工藝設(shè)備,2004,2:9-11.3 Peter W, Wypych, Jianglin Yi. Minimum transport boundary for horizontal dense phase

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