聚苯乙烯顆粒的稀相系統(tǒng)：管道橫截面上的壓降曲線和顆粒分布


在塑料粒料的氣力輸送過(guò)程中，已經(jīng)觀察到具有相似物理特性的材料可能在壓降方面產(chǎn)生顯著差異。 在這項(xiàng)工作中，從實(shí)驗(yàn)角度展示了具有圓形橫截面的載有顆粒的2.7米長(zhǎng)水平通道中的壓降。 對(duì)圓柱形聚苯乙烯珠粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，平均直徑為3.2mm，質(zhì)量載荷為0.06-0.11（kg顆粒/ kg氣體）。 研究了空氣質(zhì)量流量在0.085kg / s至0.170kg / s的范圍內(nèi)。 壓降曲線顯示為空氣速度和顆粒載荷的函數(shù)。 響應(yīng)面法對(duì)空氣速度，粒子載荷及其交叉關(guān)系表現(xiàn)出高度統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

關(guān)鍵詞：氣力輸送系統(tǒng); 顆粒狀固體; 聚苯乙烯; 粒子分布; 壓力損失。

輸送管道中的固體流動(dòng)通常通過(guò)應(yīng)用兩種不同的流動(dòng)技術(shù)進(jìn)行：密相和稀相。 在致密相中，施加高濃度的固體，通常大于30％v / v，速度為1-5m / s。 密相狀態(tài)具有高的采集，操作和維護(hù)成本，因?yàn)樗枰邭鈮海▔毫Ω哂?0 mbar / m）。 稀相輸送在低于1％v / v的固體濃度和高于20m / s的速度下運(yùn)行。 稀相方案成本較低，但在低運(yùn)輸速度下會(huì)引起不規(guī)則的管道磨損，主要是在水平管道的下部。

在稀相中氣動(dòng)輸送系統(tǒng)的性能受壓降的影響很大，而壓降又取決于幾個(gè)參數(shù)，例如材料特性，管道設(shè)計(jì)和氣流。

本研究的目的是獲得圓柱形聚苯乙烯顆粒的壓降曲線，并分析空氣速度和固體載荷對(duì)壓降的影響。 響應(yīng)面法用于分析空氣速度和固體載荷對(duì)壓降響應(yīng)的影響。

材料和方法

實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置的圓柱形通道的總長(zhǎng)度為4.2米。 通道的第一部分長(zhǎng)1.5米，用于在聚合物顆粒的進(jìn)料點(diǎn)之前獲得完全發(fā)展的氣流。 圓柱形通道的初始部分具有流量調(diào)節(jié)器，其位于鼓風(fēng)機(jī)后0.9m處，其用于使管流中的速度分布均勻化。 流量調(diào)節(jié)器還旨在加速形成完全發(fā)展的湍流速度分布，其在調(diào)節(jié)器下游約25個(gè)直徑處獲得（Xiong等人，2005）。

實(shí)驗(yàn)裝置的主要部件由圓柱形通道組成，放置在顆粒的進(jìn)料點(diǎn)之后，長(zhǎng)2.7米，內(nèi)徑117毫米。 這種配置允許建立二維流動(dòng)條件，其中由于顆粒沉降，重力破壞了兩相流中的圓柱對(duì)稱（ 圖1和2 ）。



通過(guò)離心式鼓風(fēng)機(jī)（）引入空氣，其具有100mm直徑的半開(kāi)式葉片，203mm直徑的吸入管線和102mm方形排出部分，其連接至1Hp可變旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，其中兩個(gè)額外的軸承是增加（平衡鼓風(fēng)機(jī)馬達(dá)）來(lái)評(píng)估機(jī)械功率。

通過(guò)皮托管測(cè)量總壓力和靜壓。 這些管由兩根190mm長(zhǎng)的“L”形同軸管組成。 內(nèi)管的內(nèi)徑為3毫米，外管的內(nèi)徑為8毫米，按照ASME規(guī)范制造。 總壓力通過(guò)皮托管的中心管獲得，而靜壓通過(guò)放置在皮托管外管壁中的小孔獲得。 動(dòng)態(tài)壓力確定為總壓力和靜壓力之間的差值。 皮托管放置在第一個(gè)測(cè)壓環(huán)后0.13米處和流量調(diào)節(jié)器后0.53米處。

在流動(dòng)調(diào)節(jié)器之后，分別將第一，第二，第三和第四測(cè)壓環(huán)放置在0.40米，0.60米，1.20米和3.00米處。

借助于帶有六個(gè)徑向葉片的旋轉(zhuǎn)閥將固體從進(jìn)料容器送入輸送管，測(cè)量為92mm×42mm，直徑為76.2mm。 將固體排放到位于水平氣動(dòng)輸送機(jī)末端的收集器模塊中。 顆粒分布分析模塊由九個(gè)方形截面的鋁管組成，尼龍袋連接在其上以收集固體顆粒（ 圖3 ）。 負(fù)載 μ （固體質(zhì)量流量/空氣質(zhì)量流量）由氣流閥和旋轉(zhuǎn)閥的相互作用控制。

材料

在測(cè)試中使用聚苯乙烯顆粒（PS）并由BASF提供。 聚苯乙烯顆粒的性質(zhì)列于表1中 。

實(shí)驗(yàn)

通過(guò)將固體質(zhì)量流速設(shè)定為0.085kg / s，0.13kg / s和0.17kg / s（此處分別稱為G 1 ，G 2和G 3 ）來(lái)建立作為空氣速度的函數(shù)的聚苯乙烯壓降特性曲線。 。 速度從5到35米/秒變化，載體上的壓力用連接到傾斜壓力計(jì)的測(cè)壓環(huán)測(cè)量。 在這些條件下的最小和最大顆粒負(fù)載量分別為0.5kg顆粒/ kg空氣和7.8kg顆粒/ kg空氣。

聚苯乙烯在管道中的分布是根據(jù)安裝在輸送管末端的九管收集模塊中的固體質(zhì)量確定的; 管道編號(hào)如圖3所示。 在每個(gè)袋中收集的質(zhì)量用于計(jì)算每單位面積的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，然后允許計(jì)算聚苯乙烯在管的橫截面中對(duì)于所有空氣速度和固體質(zhì)量流速的分散。

計(jì)算九個(gè)收集器的顆粒密度，并且還使用表面響應(yīng)方法處理這些點(diǎn)。 使用軟件Statistica v7.0基于使用距離加權(quán)最小二乘法的數(shù)據(jù)內(nèi)插來(lái)生成粒子分布輪廓。 應(yīng)用該方法是因?yàn)樗鼮榉菍?duì)稱輪廓提供了更好的數(shù)據(jù)擬合。

結(jié)果與討論

將水平和垂直方向上的壓降測(cè)量值歸一化為 ΔP/ L，其中L是壓力抽頭之間的距離。 圖4顯示了聚苯乙烯顆粒在水平方向上的壓降與載荷和空氣速度的關(guān)系。 圖4中的A'B'部分表示由整個(gè)水平傳輸線中的空氣流（無(wú)固體流速G 0 = 0）引起的壓降。 由于內(nèi)部摩擦，空氣對(duì)壁摩擦和流動(dòng)擾動(dòng)，壓力隨著速度的增加而增加。


圖4中的CDE部分表示固體流速為0.085kg / s（G 1 ）時(shí)的壓降曲線。 高風(fēng)速（25米/秒）導(dǎo)致相對(duì)較高的壓降。 隨著空氣速度降低并且固體質(zhì)量流速保持恒定，壓降達(dá)到最小點(diǎn)，然后由于水平管下部的固體沉降而增加。 對(duì)于所有固體流速（G 2 = 0.13kg / s和G 3 = 0.17kg / s）觀察到相同的行為。

響應(yīng)面法用于分析操作條件對(duì)聚苯乙烯顆粒壓降的影響。 表2列出了壓降的因素?cái)_動(dòng)分析。 結(jié)果顯示，在99％的置信水平下，固體載荷和空氣速度的二次效應(yīng)（v 2 ）具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p <0.01）。 兩種操作條件對(duì)壓降都有積極影響，這意味著固體載荷或空氣速度的增加傾向于增加聚苯乙烯珠粒的壓降。 在恒定空氣速度下，總壓力梯度隨著固體質(zhì)量流速的增加而增加。 高固體流速下的壓降增加可歸因于管道中較高的橫截面固體濃度，從而對(duì)通過(guò)系統(tǒng)的空氣流動(dòng)產(chǎn)生額外的阻力。



空氣速度二次項(xiàng)的99％置信水平的正面意義表明，空氣速度的增加對(duì)壓降的影響遠(yuǎn)大于固體載荷。 空氣速度和固體載荷之間的交叉相互作用是負(fù)的，這意味著在某些操作條件下，可以找到壓降的最小值， 如圖4所示 。

管道中氣流的壓降（G = 0）可用公式（1）表示：

水平管道中兩相流的壓降（G = 0.085至G = 0.17）可用公式（2）（單位為mm / m）或公式（3）（單位為Pa / m）表示：

水平管道中兩相流的壓降（G = 0.085至G = 0.17）可用公式（2）（單位為mm / m）或公式（3）（單位為Pa / m）表示：


其中 ΔP/ ΔL是壓降（Pa / m），G是固體流速（kg / s），v是空氣流速（m / s）。

為了對(duì)任何管道直徑普遍有效，可以重新定義等式（3），如公式（4）所示：





其中 ΔP/ ΔL是壓降（Pa / m），D是管道直徑（m），G是固體流速（kg / s），g是重力加速度（m / s 2 ） v是空氣流量（m / s）， ρa 是空氣密度（kg / m 3 ）。

通過(guò)F檢驗(yàn)驗(yàn)證了水平管中聚苯乙烯顆粒壓降和水平管中氣流壓降的回歸模型（ 表3 ）。 F檢驗(yàn)的結(jié)果顯示，計(jì)算的F值比列出的F值高出4倍以上（95％置信水平），表明回歸模型是有效的，可用于預(yù)測(cè)水平管道中聚苯乙烯顆粒的壓降。 預(yù)測(cè)值和觀測(cè)值的圖示于圖5中 。






當(dāng)空氣流速很高時(shí)，固體完全懸浮在空氣流中。 隨著空氣速度的降低，固體移動(dòng)得更慢，并傾向于沉降在管道的下部。 當(dāng)空氣速度不足以保持所有顆粒懸浮時(shí)，顆粒開(kāi)始在管道底部沉降，直到橫截面完全堵塞（Rhodes，2000）。 此時(shí)，固體沿管道底部以密相輸送。 這一點(diǎn)標(biāo)志著氣動(dòng)輸送的稀相和密相之間在水平線上的邊界。

Vásquez等。 （2008）研究了4mm聚乙烯顆粒（硬顆粒和軟顆粒）的壓降曲線，速度在15和30m / s之間，固體載荷/空氣質(zhì)量在0.5和2.5之間。 Vásquez等人獲得的結(jié)果。 （2008）類似于本文獲得的聚苯乙烯顆粒的壓降。 Vásquez等。 （2008）聲稱增加的壓降部分是由于顆粒在通過(guò)輸送系統(tǒng)的過(guò)程中必須多次重新加速。 另外，強(qiáng)烈的彈跳增加了固體和空氣之間的軸向速度差異，增加了顆粒上的阻力。

Tomita和Asou（2009）研究了聚乙烯顆粒在水平管道中以非常低的速度（<8 m / s）輸送。 他們觀察到高壓力損失，就像本研究報(bào)告的低氣流速度一樣，也可以通過(guò)類似于公式（3）的方程擬合。 Pahk和Klinzing（2008）對(duì)聚苯乙烯顆粒觀察到相同的典型結(jié)果，但是在高空氣速度和稍大的顆粒直徑（3.9mm）下觀察到。

水平管道中氣動(dòng)輸送的壓降也可以通過(guò)考慮氣流速度，管道直徑，氣體密度，顆粒負(fù)載和顆粒摩擦系數(shù)的公式來(lái)擬合。 然而，顆粒摩擦系數(shù)難以計(jì)算，并且其估計(jì)存在若干相關(guān)性。 通常，顆粒摩擦系數(shù)取決于氣流速度，顆粒速度，管道直徑，氣體密度，顆粒負(fù)荷，阻力系數(shù)，顆粒直徑和氣體粘度（Klinzing等，1997）。 這里提出的用于估算聚苯乙烯顆粒的水平氣力輸送中的壓降的等式可以用作更復(fù)雜的等式的替代。

圖6顯示，即使遠(yuǎn)離最小壓降點(diǎn)，也可能在管的橫截面中出現(xiàn)不均勻的顆粒分布。 在最高風(fēng)速（23 m / s）和最低固體流速（0.085 kg / s）下，固體大部分在管道底部附近運(yùn)輸，83％的聚苯乙烯顆粒存在于收集器中7 ，8和9（ 圖3 ）。 在任何操作條件下，聚苯乙烯顆粒在管道中的輸送不均勻分布。 當(dāng)氣動(dòng)輸送在高風(fēng)速和低聚乙烯流速下運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)了最佳分布。 即便如此，68％的顆粒沿管道底部移動(dòng)，只有16％的顆粒被收集在管道的上層。


在該工作中獲得的管的橫截面中的顆粒分布類似于通過(guò)諸如擴(kuò)展激光多普勒測(cè)速儀（LDA）的先進(jìn)技術(shù)獲得的水平管流的顆粒密度分布。 Lu等人。 （2009）通過(guò)使用擴(kuò)展的LDA技術(shù)研究了玻璃珠的運(yùn)輸，并報(bào)道了類似于本文獲得的顆粒分布。

這里應(yīng)用的所有條件的斯托克斯數(shù)高于1，表明顆粒運(yùn)動(dòng)與載氣流無(wú)關(guān)，因?yàn)樗鼰o(wú)法響應(yīng)其變化。 對(duì)于兩相流計(jì)算的最低斯托克斯數(shù)是1.53，在5m / s的空氣流速下獲得，其接近于顆粒的快速和慢響應(yīng)時(shí)間與空氣速度變化之間的理論邊界。 對(duì)于兩相流計(jì)算的最高斯托克斯數(shù)是10.7，在空氣流速為35m / s時(shí)獲得。

結(jié)果表明，作為空氣速度和固體質(zhì)量流量函數(shù)的壓降曲線必須與管道橫截面中顆粒分布的數(shù)據(jù)相結(jié)合，以加強(qiáng)稀相氣動(dòng)的設(shè)計(jì)和分析。輸送系統(tǒng)。

結(jié)論

聚苯乙烯在管道中的水平氣動(dòng)輸送中呈現(xiàn)不均勻的顆粒分布。 圓柱形聚苯乙烯顆粒的輸送主要在管的下部，即使在低固體載荷和高空氣速度下也是如此。 當(dāng)系統(tǒng)在高風(fēng)速和低聚苯乙烯負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)了最佳分布。 結(jié)果表明研究顆粒分散和系統(tǒng)特征曲線的重要性



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