颗粒和粉体混合物沿斜管运动计算和参数测定 - 农业工程技术杂志社投稿

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颗粒和粉体混合物沿斜管运动计算和参数测定

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2004年1月农机化研究第1期颗粒和粉体混合物沿斜管运动计算和参数测定何芳柏雪源山东理工大学李永军山东淄博易维明［摘　　要］在分析简化基础上建立了颗粒和粉体混合物沿倾斜管流动方程实验测定了直径23mm的陶瓷颗粒和玉米秸秆粉混合物的堆密度和滑动摩擦系数实验表明混合物堆密度滑动摩擦系数和混合物中各成分的理论体积系数呈线性关系且线性式中各表观值大于纯物质相应的值［关键词］农业工程颗粒和粉体混合物运动试验分析堆密度滑动摩擦系数［中图分类号］　　　ＴＱ０２２．３　　　　［文献标识码］　　　Ａ　　　　　　　　　［文章编号］　　　１００３─１８８Ｘ（２００４）０１─０１１３─０４生物质快速热解液化反应的一个重要工艺参数是反应初产物的滞留时间[1]对于下降管式热载体循环离心分离快速热解液化设备来说反应初产物的滞留时间和反应物的滞留时间密切相关若反应物滞留时间过短则反应进行不充分液体产物得率低若反应滞留时间过长则热解初产物蒸汽易物发生二次裂解反应成为不可凝气体液体产物得率同样较低因此必须对反应物的滞留时进行计算下降管式热载体循环离心分离快速热解液化设备中反应物滞留时间的计算属于颗粒流计算问题在这种条件下的流动中颗粒直接作用占优势而粒间液体相的影响可不予考虑关于颗粒流动的计算问题国内外学者做过一些研究[1-5]主要以分子运动论为理论基础比拟粘性流体力学建立颗粒流动的本构方程和其它各方程用来分析计算颗粒流在各种条件下充分发展阶段的流动速度在流动截面的分布情况等由于实验条件的限制各模型的结果很难验证目前并没有被普遍接受的典型模型而且各模型中有许多与颗粒性质相关的参数这些参数也较难检测本文在分析颗粒沿斜管运动的基础上利用假设简化的方法建立了混合物颗粒流动的方程并对模型中涉及的混合物的参数进行了实验和分析１　　下降管热解液化设备中反应过程下降管式快速热解液化装置反应器的结构和反应过程如图1所示流量为Ms的高温热载体陶瓷颗粒和流量为Mb的生物质粉分别被注入倾斜角度为θ直径为D的热解管在热解管中混合生物［收稿日期］2003-05-19［基金项目］　　国家863项目2001AA［作者简介］何芳1972-女安徽肥西人山东理工大学副教授质被快速加热并发生热解反应当混合物沿热解管流动到出口处后生物质和热载体及初产物热解蒸汽被分离并进行后序处理热解反应由于失去热源而终止热载体Ms和生物质粉Mb平推流段充分混合段图１　　设备热解过程简图混合物中陶瓷颗粒为球形单独陶瓷颗粒在热解管中滚动时阻力极小可忽略不计滑动时的摩擦系数可由实验测定生物质粉为粉末状或纤维状沿倾斜管流动阻力较大滑动摩擦系数也可由实验测定２　　流动模型的建立２．１　　流动现象简述实验发现生物质和陶瓷球颗粒混合物沿倾斜管流动时在流动初始段陶瓷颗粒和生物质粉几乎没有相对运动混合物沿斜管底面滑动当速度达到一定值时或混合物达到某种状态时陶瓷颗粒开始在生物质粉表面滚动速率急剧上升随着运动速率的增大陶瓷颗粒互相碰撞并逐步加剧同时和生物质粉碰撞携带生物质粉沿管运动充斥整个管道流动状态简图如图2所示２．２　　流动计算方法上海理工大学博士主要从事生物质能方面的研究工作-113-万　方数据2004年1月农机化研究第1期本研究侧重载体下降管式生物质热解液化设备虑流动时的膨胀效应即流动过程中混合物密度保中生物质滞留时间的计算为了使问题简化假设持不变垂直流动方向截面上混合物中各物料具有相同的速(1)连续性方程由流体连续性方程根据以度由上述实验观察可知可以将混合物流动分为上假设有两段平推流动和充分混合流动来计算在平推ρｍｉｘSｍｉｘu=Mｍｉｘ(1)流动阶段假设混合物中陶瓷颗粒和生物质粉无相式中ρｍｉｘ为混合物密度kg/m3与混合物中各对运动混合物作为一个整体沿斜管滑动混合物成分所占体积有关Smix为混合物沿斜管流动时横和壁面的摩擦擦可由实验确定在充分混合流动阶截面积m2u为混合物流速m/sMmix为混合物段陶瓷颗粒滚动并以碰撞的形式携带生物质粉的流量kg/s是载体和生物质粉流量的和和其一起运动(2)动量方程由流体动量方程根据以上假设及流动定常等条件可得动量方程为dl?uu=g(sinθ?μmixcosθ)(2)D?l式中μｍｉｘ为混合物的滑动摩擦系数l为管长方(a)(b)(c)向坐标mg为重力加速度m/s2θ为管倾角图２　　流动状态简单描述２．４．２充分混合阶段这里有两个关键问题一是流动两阶段之间的在充分混合阶段混合物充斥整个管道如图临界条件如何确定二是各阶段的流动如何用方程2(c)所示这时计算混合物所占管道的截面积已来描述没有意义因此这里只计算混合物的速度假设混２．３　　临界条件确定合物充分混合陶瓷颗粒滚动所受阻力忽略不计流动阶段的临界条件可由理想平均状态分布时混合物整体所受的阻力只有生物质粉滑动受的阻力陶瓷颗粒滑动和滚动的临界条件来确定资料表和空气阻力在热解液化设备中由于引风机的作明粉体流动过程中有略微的膨胀发生分析其原用蒸汽产物和混合物一起沿管长方向流动气体因是由于粉体在静止状态时静压使物料压缩阻力可以忽略因此动量方程为而粉体由于重力而自由流动时内部压力急剧减少?uMbu=g(sinθ?μbcosθ)(3)可以忽略不计因此这里假设流动时混合物沿运?lMs+Mb动方向的压力为零此时热载体陶瓷颗粒所受合式中MsMb分别为陶瓷颗粒和生物质粉的流力如图3所示若生物质粉堆积高度h大于载体粒量,kg/sμb为生物质粉的滑动摩擦系数径r则合力不能形成滚动所需的力矩陶瓷颗粒３　　混合物参数的测定滑动相反若生物质粉高度h