炭黑在密相气力输送系统中的流动机理及数值模拟分析

摘要

气力输送是以压缩气体作为动力源，在密闭管道中依靠空气或者其他惰性气体，把散状粒料或粉料沿着管道输送到目的地的一种方法。由于气力输送过程是在密闭管道中进行的，具有无污染、低能耗，输送稳定安全等优点。因此，气力输送广泛地应用在各行业的散料输送过程当中。
　　本文综述了气力输送的国内外的发展情况，并对比总结了目前常用的气力输送技术及发展趋势。针对橡胶工业常用炭黑的特殊输送要求，以炭黑在密相输送中的流动机理为研究方向进行深入探讨。本文提出了研究密相气力输送机理的数学模型和物理模型，结合固相颗粒在管道中的受力情况以及气固两相的相互作用，通过实验和模拟对炭黑密相气力输送的流动机理进行分析和验证。
　　设计了一套炭黑密相气力输送系统并进行了输送实验，对不同气力输送的输送工艺参数得到的实验结果进行整理分析，得出在不同输送条件下，气力输送的输送特性关系图，发现了发送罐憋压压力、管道压力等参数对输送的影响规律，找出了满足输送量情况下的最佳输送工艺参数，实现了提高输送效率的同时，降低了压缩空气的消耗量以及炭黑的破碎率。通过输送机理的研究，找出了影响稳定、高效、环保、节能、安全的气力输送的因素。利用压缩空气节能技术对炭黑的气力输送整个系统进行节能优化，使气力输送系统在较低的能耗下稳定运行。
　　结合炭黑的密相气力输送机理，建立起输送数学和物理模型，利用Fluent软件对其进行模拟分析。首先对管道的几何参数进行了模拟分析，得到了不同管道内径、不同弯径比、不同弯管布置情况下对压降以及管道流动状态的影响，提出了最优的管道布置方案;其次，对输送的工艺参数进行了模拟分析，得到了在不同输送风速和输送量得情况下，炭黑颗粒在管道的流动特性，同时，得出了在输送量不变的情况下的最佳气体速度;最后，结合最佳的管道几何参数和最优的输送工艺参数，对炭黑密相气力输送进行模拟，结合炭黑在管道中的受力情况对炭黑的流动状态进行了研究，分析了不同布置弯管形式对整个输送过程的影响。
　　本文采用理论研究、实验分析与数值模拟对炭黑在密相气力输送系统的流动机理进行了全面的研究，其研究成果，对炭黑气力输送系统的设计及应用都具有较高的推广应用价值。

目录

摘要

符号说明

1 绪论

1．1 课题的研究背景及研究意义

1．2 气力输送的发展

1．2．1 国外的发展

1．2．2 国内的发展

1．3 存在的不足及待研究的问题

1．4 课题研究的目的、研究内容

2 气力输送概述

2．1 气力输送系统简介

2．2 气力输送的特点

2．2．1 气力输送与其它输送方式的比较

2．2．2 气力输送的优点

2．2．3 气力输送的缺点

2．3 气力输送分类

2．3．1 按输送装置分类

2．3．2 按输送流态分类

2．4 密相气力输送

2．4．1 脉冲气刀式栓流输送

2．4．2 单辅管密相气力输送

2．4．3 双辅管密相气力输送

2．5 本章小结

3 气固两相流的流动机理分析

3．1 气力输送的基本流型

3．1．1 垂直管道的流型

3．1．2 水平管道的流型

3．1．3 弯管的流型

3．2 流体中颗粒的受力分析

3．2．1 阻力

3．2．2 加速度力

3．2．3 不均匀力

3．3 颗粒在管道中的运动方程

3．3．1 单颗粒的悬浮

3．3．2 颗粒群的运动方程

3．4 管道的磨损机理

3．4．1 磨损形成机理

3．4．2 磨损理论

3．4．3 磨损的因素

3．4．4 防止管道磨损的措施

3．5 堵塞成因分析

3．5．1 堵塞形成机理

3．5．2 堵塞产生的原因

3．5．3 堵塞的排除

3．6 研究方法

3．6．1 压降模型

3．6．2 数值研究方法

3．7 本章小结

4 炭黑密相气力输送系统设计

4．1 气源及气体处理设备

4．1．1 空压机的参数计算

4．1．2 空气干燥处理装置

4．2 炭黑解包机与除尘器

4．2．1 除尘器的设计

4．3 炭黑发送装置

4．3．1 发送装置的组成及原理

4．3．2 发送罐发送能力及容积计算

4．4 输送管道及储气罐的选择

4．4．1 输送管道管径的计算及选择

4．4．2 储气罐最小容积计算

4．5 两位三通分配阀

4．6 料气分离器

4．7 涡街流量计选型

4．8 控制系统

4．8 本章小结

5 炭黑密相气力输送系统实验研究以及能耗分析

5．1 炭黑的物理性质

5．1．1 炭黑的粒径

5．1．2 炭黑的堆积密度

5．1．3 炭黑的真密度

5．2 炭黑物性实验

5．2．1 炭黑堆积密度测量

5．2．2 炭黑粒径分布测量

5．2．3 炭黑流动性实验

5．3 炭黑输送实验

5．3．1 实验装置

5．3．2 输送设备

5．3．3 实验过程

5．3．4 输送工艺参数及结果分析

5．4 气力输送的能耗分析以及优化节能

5．4．1 压缩空气的成本

5．4．2 空压机能耗实验

5．4．3 气力输送系统的节能计算

5．5 本章小结

6 炭黑气力输送的数值模拟及分析

6．1 利用FLUENT模拟炭黑气力输送的步骤

6．2 物理模型

6．3 控制方程

6．4 边界条件的设置

6．4．1 气相的边界条件

6．4．2 固相的边界条件

6．5 模拟参数

6．6 管道几何参数对输送过程的影响

6．6．1 管径与压降的影响

6．6．2 弯径比与压降的关系

6．6．3 管道布置对输送过程的影响

6．7 工艺参数对输送过程的影响

6．7．1 输送气速和输送量对压降的影响

6．7．2 料气比与压降的关系

6．7．3 输送过程参数的变化

6．8 整体模拟

6．8．1 水平管道的流动状态

6．8．2 垂直管道的流动状态

6．8．3 弯管的流动状态

6．9 本章小结

总结与展望

参考文献

附录

致谢

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