含大粒徑顆粒的液固兩相物料輸送減壓裝置模塊化設計與數(shù)值模擬

熊一民 溫懷玉 楊建興 楊 斌

（1.西安近代化學所；2.西北大學化工學院）

物料的管道輸送是化工生產的基本過程，管道作為傳輸?shù)妮d體， 是連接各種化工設備的橋梁。 在生產工藝中不同裝置或過程中的工作壓力有較大區(qū)別，比如前一工藝過程中對物料進行加壓操作，到下一過程或裝置中運行工況又變?yōu)槌海虼斯艿垒斔瓦^程中需要加裝減壓裝置以完成減壓或穩(wěn)壓操作，保證工藝的正常運行。

減壓閥［1～4］和節(jié)流元件（如文丘里管）［5，6］是常用的減壓裝置，在化工、機械、電力、供暖（汽/水）及市政等行業(yè)都有廣泛應用。 裝置減壓原理主要是改變管道流通面積， 減壓效果包括兩方面，一方面根據(jù)伯努利方程，通過流道面積變化增大流速進而減小壓強；另一方面同樣是由于流道面積的突然變化造成局部阻力減小、速度增加，從而降低壓強。 然而，在細管道中輸送顆粒粒徑較大、濃度較高的液固兩相物料時，常規(guī)減壓閥由于閥門開度和流向變化容易發(fā)生堵塞；雖然文丘里管進出口面積變化較小，不容易發(fā)生堵塞，但減壓幅度較小，更多地用于流量測量場合。 為此，筆者針對顆粒平均粒徑為1mm、顆粒相與液相質量比為1∶10 的液固兩相物料在DN50mm 管道中由3.0atm（1atm=101.325kPa）降壓到1.5atm 的工況，設計一種模塊化變徑段組合的減壓裝置，并通過Fluent 數(shù)值模擬［7］分析了裝置內的壓降過程，確定了最終的組合形式。

1 減壓裝置模塊化設計

為了防止管道內發(fā)生堵塞和顆粒變形，減壓預驅溶裝置采用孔板式節(jié)流單元，通過流道截面積變化實現(xiàn)物料減壓操作。 由于前后壓降比過大，前端管徑為50mm，由理論計算可知如果采用突然縮小結構， 一次性從3.0atm 降壓到1.5atm，則減壓裝置出口管徑要小于3mm；如果采用文丘里管形式的漸縮結構，其阻力損失更小，但出口尺寸要到微米級別。 已知物料中顆粒相粒徑為0.8～2.0mm（平均粒徑1mm），顆粒與水的質量比為1∶10，液固兩相濃度較高，在上述節(jié)流減壓過程中必然會發(fā)生堵塞。 為此，筆者采用模塊化設計， 多個孔板節(jié)流單元組合共同完成降壓過程。設計完成的減壓裝置結構如圖1 所示，底部變徑段用來整流和預減壓，進、出口截面內徑分別為53mm（DN50mm）和28mm（DN25mm），變徑段長度為76mm。由于設計物料上送，采用DN25mm 的90°彎管轉向。 孔板節(jié)流單元尺寸設計為：粗管段內徑28mm，長為54mm；細孔口內徑分別為6、7、8mm，長為20mm；為了防止顆粒在粗管段內堆積造成堵塞，粗管段進出口加有倒角（斜邊）結構，水平夾角為15°。

圖1 減壓裝置結構示意圖

2 數(shù)值模擬

2.1 設計工況

減壓裝置中流動的液固兩相物料， 液相為水， 固相顆粒粒徑為0.8～2.0mm （平均粒徑1mm），相對密度為1.3。 入口處液相水的質量流量為300kg/h，顆粒相與水的質量比為1∶10。

2.2 網格劃分

數(shù)值模擬采用結構化網格劃分模型，壁面網格局部加密，如圖2 所示。

圖2 減壓裝置網格劃分

2.3 流動模型及計算方法

為了分析可能的堵塞情況，對減壓裝置內液固兩相流動進行非定常模擬。 由于顆粒相濃度較高，而裝置結構較為簡單，模型采用歐拉兩相流模型。 由于流動中湍流作用顯著，計算采用各向異性的k-omega 湍流模型［8］，該模型考慮了不同方向速度的影響及相互耦合作用，湍流在各個方向的脈動不再是簡單的各向完全正比于速度，故計算結果更為準確。 相間作用按常規(guī)液固兩相流動設定。

計算采用相間耦合的simple 方法，除體積分數(shù)離散采用QUICK 格式外， 其他項均采用二階迎風格式。 時間格式采用二階隱式格式，時間步長為0.5ms。 收斂時殘差等級設置為10-3，滿足該條件即為收斂。

2.4 邊界條件和初始條件

物料入口采用質量入口條件，液相水的入口流量0.083kg/s， 顆粒相入口流量0.008 3kg/s，出口采用壓力出口條件，根據(jù)工況設定混合物相對壓力為0.5MPa。 其他壁面類型按固壁面設定。 初始時刻減壓裝置僅有水存在，模擬持續(xù)進行到減壓裝置出口處固相顆粒流量和進口壓力基本穩(wěn)定，即認為流動達到穩(wěn)定，結束計算。

3 計算結果與分析

圖3 給出了不同孔徑下單個孔板結構中液固兩相的速度分布。 由圖3 可以看出，物料在通過小孔時加速減壓，而在擴張段內物料向兩側擴散，進而下落又被入流攜帶，形成環(huán)流，通過突然擴大局部損失進一步降壓。

圖4 給出了3 種孔徑的多級孔板減壓裝置內壓力損失分布（不包含揚程水力損失）。 由圖4可以發(fā)現(xiàn)，第1、2 個孔板的損失比較大，后面的孔板損失趨于平穩(wěn)，意味著多級孔板減壓裝置可以進行模塊化設計使用，且在應用現(xiàn)場可以根據(jù)實際情況隨意組合使用。

假定上送料管道凈高為3m， 揚程損失約為0.3MPa。 如圖4 所示，當孔徑為7mm 時，10 個孔板組合壓降基本可滿足減壓裝置設計要求，此時裝置凈高為0.8m（不含橫向漸縮部分），有足夠的長度余量用于布置其他連接附件。當孔徑為6mm時，4 個單元孔板即可滿足壓降要求， 裝置凈高0.32m， 但每一級壓降較大不易調節(jié)且堵塞的可能性較高。當孔徑為8mm 時，10 個單元孔板壓降僅0.5MPa，按照后續(xù)孔板壓降規(guī)律，總共需要25個左右的單元孔板才可滿足壓降需要，導致結構過于復雜。 綜合比較之下，7mm 孔徑的孔板組合是較為合適的減壓預驅溶裝置結構。

圖3 不同孔徑下單個孔板結構中液固兩相的速度分布

圖4 3 種孔徑的多級孔板減壓裝置內壓力損失分布

4 結束語

采用多級孔板減壓方式可以通過局部阻力損失的疊加，有效地實現(xiàn)細管道中含有較大粒徑的液固兩相物料的減壓操作。 多個孔板節(jié)流單元組合可以在較大孔徑的條件下使物料產生較大幅度的壓降，而且能防止裝置內部堵塞。 針對本工況， 采用10 個DN25mm 管道配合孔徑7mm 的孔板節(jié)流單元， 可以在裝置凈高僅0.8m 的情況下將物料壓強從3.0atm 降到1.5atm。 另外，模塊化設計孔板節(jié)流單元可以在現(xiàn)場靈活組合，實現(xiàn)不同壓降需求。