管径选择与管道压力降计算(三)92~137

管径选择与管道压力降计算PS304-03—92—5气－固两相流5.1简述5.1.1气体和固体在管道内一起的流动称为气—固两相流动(简称气—固两相流)。气—固两相流出现在气力输送系统中。气力输送按其被输送物料在管道中的运动状态可分为以下几类，见图5.1.1—1和图5.1.1—2所示。5.1.1.1稀相动压气力输送在输送物料时，物料悬浮在管中并呈均匀分布，在水平管道中呈飞翔状态，空隙率很大，物料输送主要靠由较高速度在工作气体所形成的动能来实现。气流速度通常在12m／s至40m／s之间，质量输送比(简称输送比，即被输送物料的质量流量与工作气体质量流量之比，以m表示)通常在1～5之间，对于粒料，输送比可高达15。5.1.1.2密相动压气力输送物料在管道内已不再均匀分布，而呈密集状态，物料从气流中分离出来，但管道并未被堵塞，物料呈沙丘状，密相动压输送亦是依靠工作气体的动能来实现的。通常密相动压输送中，气流速度在8～15m／s之间，输送比(m)在15～20之间，对于易充气的物料，输送比(m)可高达200以上。5.1.1.3密相静压气力输送物料在管道中沉积、密集而栓塞管道，依靠工作气体的静压来推送物料，比起前两种输送方式，密相静压输送的气流速度更低，输送比(m)更高。5.1.2设计气力输送系统时，应根据被输送物料的特性、装置的技术经济要求以及生产过程的工艺特性和工艺要求等因素，选择合适的输送方式。要考虑温度对被输送物料的影响，同时系统中应采取消除静电和防爆措施，确保安全操作。确定正确的输送方式后，可根据系统的允许压力降和工作气体的流量选择送风或引风设备。5.1.3气力输送系统的压力降包括输送管道(包括管件)和附属设备，如分离器、喷嘴或吸嘴以及袋滤机等的压力降。本章只给出管道(包括管件)压力降的计算公式，附属设备压力降的计算可参考有关制造厂的产品说明和其他的文献资料。管径选择与管道压力降计算PS304-03—93—图5.1.1—1水平气力输送物料运动状态图5.1.1—2垂直气力输送物料运动状态5.2计算方法管径选择与管道压力降计算PS304-03—94—5.2.1气力输送是一门半经验半理论的学科。化工物料品种繁多，形状各异。设计气力输送装置时，可根据实际应用装置，选取设计参数，若无实际装置参考，可通过实验来确定，也可从与被输送物料性质接近(指形状、密度等物理性质接近)的实际装置中选取有关数据。5.2.1.1在某一气体流速下输送物料其压力降最小，该气体流速称为经济流速，以ue表示。5.2.1.2当气体流速低到某一值时，输送物料开始沉积而堵塞管道，此时的气体流速称为噎塞流速，用uh表示。5.2.1.3稀相动压输送时，气体流速大于经济流速。密相动压输送时，气体流速介于经济流速与噎塞流速间，密相静压输送的气体流速则低于噎塞流速。输送过程中，随着输送距离的加大，有时应逐渐加大输送管径以适应流速的增加。5.2.1.4经济流速和噎塞流速由实验测定，输送比则可根据物料特性及输送方式来确定GSWWm(5.2.1—1)式中m——料－气质量输送比，简称输送比，WS——物料质量流量，kg／h；WG——气体质量流量，kg／h；5.2.1.5使物料保持悬浮状态的气体最小流速称为悬浮流速，以Vt表示，由实验测定，亦可由下式估算：对于粉料(通常粒径小于0.001m称为粉料)(5.2.1—2)对于粒状物料(通常粒径大于0.001m称为粒料)：(5.2.1—3)式中Vt——悬浮流速，m／s；d——输送物料的当量球径(同体积圆球的直径)，m；管径选择与管道压力降计算PS304-03—95—ρS——输送物料的堆积密度，kg／m3；ρf——工作气体的密度，kg／m3；g——重力加速度，m／s2；μf——工作气体的粘度，Pa·s。5.2.2稀相动压气力输送管压力降计算稀相动力气力输送的气体流速高于经济流速(ue)，计算时，应首先选定气体流速(uf)，uf由经验选定，或由下式估算：tdSLfLKKu1000(5.2.2—1)式中uf——气体流速，m／s；KL——输送物料的粒度系数，见表5.2.2—1；Kd——输送物料的特性系数，取2×10-5～5×10-5，对于干燥粉料取较小值，Lt——输送距离，mLt=L1+n1Lh+n2L2+nbLb(5.2.2—2)L1——水平管长度，m；L2——倾斜管长度，m；Lh——垂直管长度，m；Lb——弯管当量长度，m；90°弯管当量长度见表5.2.2—2；n1——垂直管校正系数，n1＝1.3～2.0n2——倾斜管校正系数n2=1+2α(nl一1)／π或n2=1.1～1.5；α——倾斜宜管与水平面的夹角，rad，nb——弯管数量。其余符号意义同前。除上述可由式(5.2.2—1)估算uf外，亦可以uf=2Vt作为初选气体流速。气力输送中，满足工况要求可以选用的气体流速和输送比的范围是较宽的，但如何确定最优方案却是比较困难的。本章提到的经济流速，是指输送管中物料颗粒在气流中由均匀分布到不再均匀分布的临界点，即稀相动压输送与密相动压输送间的临界点，并非输送中气流的最优流速。一般气力输送计算中应选择几组气体流速及料”气输送比，进行压力降、管径和风机选择等计算，然后根据装置管径选择与管道压力降计算PS304-03—96—的具体情况，从经济角度来选取较优的方案。此外，气力输送中，工作气体的密度、流速以及与此有关的其他参数(如后面提到的料—气容积比等)值是有变化的。通常在稀相和输送距离不远的密相动压输送中，这种变化可以忽略。在本章有关的计算公式中，上述参数是指输送管入口端(对压送式装置)或输送管出口端(对吸送式装置)的值。对于密相静压输送或距离较远的密相动压输送中，由于压力变化较大，在进行有关计算时，应采用平均值。物料的粒度系数KL表表5.2.2—1物料种类颗粒大小mKL值粉料0.00110～16均质粒状物料0.001～0.0116～20细块状物料0.01～0.0220～22中块状物料0.02～0.0822～2590°弯管当量长度Lb(m)表5.2.2—2R0/D物料种类46810粉状料4～85～106～108～10大小均匀的颗粒——8～1012～1616～20大小不均匀的小块粒————28～3535～45大小均匀的大块粒————60～8070～90注：R0——弯管的曲率半径，m；D——输送管内直径，m。选定气体流速(uf)及输送比(m)后，根据下式计算输送管起始段的内直径(D)：ffSumWD301(5.2.2—3)式中D——输送管内直径，m。其余符号意义同前。稀相动压气力输送管道压力降由直管段压力降(⊿Pmt)、弯管段压力降(⊿Pmb)和管件局部压力降(⊿Pfp)三部分组成，分述如下。5.2.2.1直管段压力降(⊿Pmt)计算管径选择与管道压力降计算PS304-03—97—直管段压力降是由两部分组成：加速段压力降(⊿Psa)和恒速段压力降(⊿PSC)，即⊿Pmt＝⊿Psa+⊿PSC(5.2.2—4)(1)加速段压力降(⊿Psa)计算在长距离输送中，由于管道总压力降较大，加速段压力降相对较小，可以忽略不计，但在短距离输送中，必须计算。对垂直输料管，物料达到稳定运动时的速度(Vm)常取Vm＝uf－Vt(5.2.2—5)处于垂直加速段的物料速度(VS)可按图5.2.1—1根据参数(m1)及(uf／Vt)值查得VS／uf而求得，其中参数212thoVgLm(5.2.2—6)式中Lho——垂直直管加速段长度，m。其余符号意义同前。设计计算时，先计算垂直加速段长度(Lho)，令VS＝Vm，根据uf／Vt及VS／uf(也即Vm／uf)数值，查图5.2.2一l得到m1，则有gVmLtho221(5.2.2—6a)式中符号意义同前。若LhoLh，则说明整个垂直段，物料一直处于加速状态，此时Lho＝Lh，用式(5.2.2—6)及图5.2.2—1计算VS。若Lho≤Lh，则在垂直段中，物料已达到稳定运动状态，且加速段末期，物料速度VS＝Vm。对水平输料管，物料达到稳定运动时的速度(Vm)常近似取Vm＝uf－V起(5.2.2—7)或Vm≈(0.70～0.85)uf(5.2.2—7a)式中V起——物料在水平输料管中的起始流速，m／s。处于水平加速段的物粒速度(VS)，可按图5.2.2—2根据参数(m2)及(Vm／uf)值查得VS／uf而求得，其中参数管径选择与管道压力降计算PS304-03—98—2022tVgLm(5.2.2—8)式中L0——水平加速段长度，m。其余符号意义同前。设计计算时，先计算水平加速段长度(L0)，令VS=Vm，根据Vm／uf及VS／uf(即Vm／uf)数值，查图5.2.2—2得到m2，则有(5.2.2—8a)式中符号意义同前。若L0＞L1，则说明整个水平直管段物料一直处于加速状态，此时L0＝L1，用式(5.2.2—8)及图5.2.2—2计算VS。若L0≤L1，则在水平直管段中，物料已达到稳定运动状态，且加速段末段，物料速度VS＝Vm。对于倾斜直管加速段，可先求得垂直加速段的速度比(VS／uf)，再乘以sinα而求得倾斜直管加速比(VS／uf)，α为倾斜角(与水平方向的夹角)。设物料由初始速度(V0)加速到VS，加速度阻力系数(λsa)为：λsa＝2×(VS一V0)／uf(5.2.2—9)(5.2.2—10)式中λsa——加速段阻力系数；V0——物料初始速度，m／s；其余符号意义同前。管径选择与管道压力降计算PS304-03—99—图5.2.2——1垂直管加速段VS／uf，与m1的关系图5.2.2—2水平管加速段VS／uf与m2的关系(2)恒速段压力降(⊿PSC)计算稀相动压输送时直管恒速段压力降计算公式如下：垂直直管(5.2.2—11)其中(5.2.2—12)水平直管(5.2.2—13)管径选择与管道压力降计算PS304-03—100—其中VC＝uf－C·Vt(5.2.2—14)C＝0.55+0.0032Fr0.85(5.2.2—15)Fr＝uf／(gD)0.5(5.2.2—16)Frc＝VC／(gD)0.5(5.2.2—17)式中⊿Pf——纯工作气体单相流动时的压力降，Pa；λf——工作气体的摩擦阻力系数。其余符号意义同前。倾角为的倾斜直管，可用垂直直管的计算公式，但其中η＝sinα+0.0156Fr0.85(5.2.2—18)以上各式中，⊿Pf、λf分别为纯工作气体(空气)单相流动时的压力降及摩擦阻力系数，λf值根据雷诺数按有关公式计算。表5.2.2—3给出了λf的实验值。直管摩擦阻力系数(λf)(实验值)表5.2.2—3管道内径mmλf新钢管旧钢管特别旧的积垢钢管0.0250.0500.0750.1000.1500.2000.2500.3000.3500.4000.4500.5000.0490.0380.0330.0300.0270.0250.0230.0220.0220.0210.0200.0200.0650.0490.0420.0380.0330.0300.0280.0270.0260.0250.0240.0230.078以上0.057以上0.049以上0.049以上0.038以上0.035以上0.032以上0.030以上0.029以上0.028以上0.027以上0.026以上要注意的是式(5.2.2—11)和式(5.2.2—13)只适用于表5.2.2—5所列的有关范围，若超出适用范围则应按下式计算⊿PSC：(5.2.2—19)管径选择与管道压力降计算PS304-03—101—式中L3——水平直管或垂直直管或倾斜直管恒速段长度，m；λh——与物料自重及悬浮有关的阻力系数，λh的计算公式见下表：水平直管垂直直管倾斜直管λhφm——料—气最大速度比，其值等于Vm／uf，当物料流速达到最大值Vm时，物料就处于恒速运动状态。φm值的计算公式见下表。φm粉装物料粒装物料水平直管（5.2.2－23）（5.2.2－24）垂直直管（5.2.2－25）（5.2.2－26）倾斜直管垂直直管的φm与sinα