膜分離制氮裝置分流器近均勻分風設計

潘 亮

（1.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122）

氮氣是一種反應活性較低的惰性氣體，在油船、油庫、煤礦等易燃、易爆空間內使用可形成惰化環境，具有防滅火作用；在糧食、蔬菜、水果、食品以及易氧化材料保存等領域，被用作保護性氣體，具有保鮮防腐作用。采用中空纖維膜分離空氣成分富集氮氣，其技術被廣泛應用。

中空纖維膜制氮裝置的核心是膜組，膜組的使用壽命及工效主要取決于膜組氣源的供氣品質及進氣端分流器的分流。為了提升氣源品質，采取了對進入膜組的空氣進行預處理措施，即：采用換熱器恒溫空氣，可達到預期的分離；采用過濾器對空氣除水、除塵、除油，利于膜組減污延壽。而分流器分流對膜組其影響，目前研究、報道的較少。對此，建立了分流器模型，分析了分流器分流及對膜組的不利影響，旨在優化分流器結構，消除影響空分的不利因素。

1 分流器模型結構

分流器模型結構示意圖如圖1。模型由1 個進氣橫管和5 個進氣立管組成，橫管在x 軸方向上等距開有5 個等徑的X1～X5出氣孔使空氣由橫管進入立管；立管在z 軸方向上等距開有10 個等徑的Z1～Z10出氣孔使空氣由立管進入膜組。

圖1 分流器模型結構示意圖Fig.1 schematic diagram of shunt model structure

2 分流器的分流狀況及對膜組的影響

對分流器模型進行通流測定，其各出風口出流大小不等，模型分流器分流狀態圖如圖2。橫管由進口的X1孔到終端的X5孔，立管由進口的Z1孔到終端的Z10孔，其出流量均逐漸增大，形成了孔出風量QX5Z10＞QX5Z1＞QX1Z10＞QX1Z1的分流關系。其出流最大偏差約12%。

圖2 模型分流器分流狀態圖Fig.2 State diagram of model shunt

將圖2 中的ABCD 虛線框看做平均進氣量截面，處于截面內進氣量低于均量的膜，其產氮量降低，處于截面外進氣量高于均量的膜，其產氮量提高，膜的產氮量與進氣量關系見表1。

由于對進入膜組的空氣進行的預處理也難以完全去污，所以每個超均量使用的膜相對低通量的膜會重點加劇污染，一些油與塵在中空纖維管上的內外沉積與吸附，致密了纖維空隙，收窄或堵塞了纖維管通道，隨著纖維管壁截留沉積溶質濃度的升高所形成的濃差極化層又會加速纖維管表面污染物的吸+膜壓差下通量的衰減或者恒定通量下跨膜壓差增大[1]，而隨著超均量區域膜塊污染的不斷加重增阻，風流逐漸轉向低阻膜通道，又加速了低通量膜的污染。相對于均布污染，這種擴散式污染會加快污染進程。

表1 某型分離器膜的產氮量與進氣量關系Table 1 Relationship between nitrogen production and air intake of a type of separator membrane

3 分流器的近均勻分風

導致膜組功能減退相對加快的原因是分流器不能等量分風，采用均勻送風管道實現均勻送風是減緩膜組較快污染的一種有效途徑。

目前，均勻送風管道有3 種形式：①變截面等風口（條縫）均勻送風管道，如文獻[2]；②變風口（條縫）等截面均勻送風管道，如文獻[3]；②等截面等側孔（條縫）均勻送風管道，如文獻[4]。3 種均勻送風管道的特點：①第1 種形式的管道能夠實現均勻送風且出風口風速相等[5-6]，但加工制造困難，對使用空間有一定要求；②第2 種形式的管道在實現均勻送風時，各出風口的風速不等[7-8]，對只要求均勻送風，不要求出口風速的工程中，采用這種方式的送風管道易于加工制造且費用較低；③第3 種形式的管道可實現近似均勻送風[9-10]。

從圖1 的分流器結構上看，橫管的各風口出風進入立管，立管的各風口出風進入膜分離器。這樣，帶有條縫的均勻送風管道不適用于本分流器。同樣，有限的空間及等徑的分流器與膜連接管限制了變截面等風口、變風口等截面均勻送風管道的使用。鑒于此，采用等截面等側孔送風管道實現分流器近似均勻送風，等斷面等側孔近似均勻送風管道計算模型如圖3。

管道末端封閉，進口斷面流速為ω0，斷面積為A，長度為l，孔口數n，孔口面積為σ。

圖3 等斷面等側孔近似均勻送風管道計算模型Fig.3 Calculation model of approximately uniform air supply pipeline with equal side holes of equal sections

從管道末端向進口方向，將孔口依次編號且在每一個孔口前面取1 個斷面。

第i 號孔口的出流速度vi為：

式中：μ 為孔口流量系數；ρ 為空氣密度，t/m3；pi為斷面處的空氣靜壓，Pa；g 為重力加速度，kg/s2。

列1 斷面與斷面間能量方程式：

式中：p1為1 斷面處的空氣靜壓，Pa；ω1、ωi、ωk、ωk+1為1、i、k、k+1 斷面處流速，m/s；λ 為沿程阻力系數；l0為相鄰孔口之間距離，m；d 為管道直徑（或當量直徑），m；τ 為孔口阻力系數，τ=0.4。

《觸電》這首詩具有強烈的構成性，是整體與通感的。通感一般是把分屬于不同“感覺域”的詞或詞組，通過特定的語法手段組合在一起，使核心意象的詞義發生變化——感染上其他“感覺域”所特有的色彩，從而形成通感意象。

當管道中流速的變化符合線性，λ 為常數，l0=l/n 時，式（2）可以寫成：

由于近似均勻送風，可以認為平均出流速度vc等于出流速度v1,即vc=v1，求解式（1）、式（3）得到：

式中：v1為第1 號孔口的出流速度，m/s。對式（4）進行推導、換算，可求出任意一個孔口的出流速度；=σ/A。

等斷面等側孔送風管道孔口出流速度如圖4。

要實現近似均勻送風，就要減小孔口出流速度的偏差，孔口出流的不均勻性系數r 定義為：

圖4 等斷面等側孔送風管道孔口出流速度變化Fig.4 Variation of outlet velocity of air supply pipe with equal side holes in the same section

式中：v 為計算孔口的出流速度，m/s。管道末端孔口出流速度的不均勻性系數r1為：

管道進口處孔口出流速度不均勻性系數rn為：

當l＜2d/λ 時，管道中間部分不出現出流速度最小的孔口，式（6）失去意義，采用式（5）和式（7）進行計算；當2d/λ＜l＜3d/λ 時，采用式（5）和式（6）進行計算；當l＞3d/λ 時，采用式（6）和式（7）進行計算。

由式（5）～式（7）計算出的r1、rmin、rn值都不能超過給定的最大不均勻性系數rmax。依據這個原則，確定值，可得到孔口面積計算式：

對圖1 分流器模型進行近均勻分風設計。其中，對橫管的設計省略，立管設計的已知參數：管內徑d=0.039 m，長l=1.2 m，孔口數n=10，孔口流量系數μ=0.62，沿程阻力系數λ=0.03，最大不均勻性系數rmax=0.05。

根據式（8）計算的孔口面積為9.6×10-5m2，將計算結果轉化為孔徑，d=11 mm。

當出風口孔徑d=11 mm 時，分流器的分流偏差由12 %降至5 %，實現了分流器近于等量分風。

4 結 語

1）用斷面平均流速和靜壓代表計算斷面的流速和靜壓，孔口出流未考慮位能影響僅認為是靜壓作用的結果，假定了管道內空氣密度、孔口的流量系數為常數，這樣的理論計算與實際存在偏差；另外，對同一類型的送風管道設計，由于選取的管道斷面積、長度、孔口數及供風量不同，其風口等量送風率也不同。因此，要獲得理想的應用效果就要對設計參數進行反復優化及實驗驗證。

2）如果分流器出風口連接管的內徑大于計算的等截面變風口均勻送風管道的最大風口直徑，建議采用等截面變風口均勻送風管道設計出風口，使近似均勻送風更接近于均勻送風。