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喷嘴对液固外循环流化床内颗粒循环特性的影响点击：1741 日期：[ 2014-04-26 21:57:59 ] |
| 喷嘴对液固外循环流化床内颗粒循环特性的影响 张少峰,沈志远,魏建明 (河北工业大学化工学院,天津300130) 摘要：液固外循环流化床换热器可以用来蒸发浓缩单基药提取硝化棉的提取液。设计了实现液固外循环流化床内颗粒正常循环的关键部件喷嘴,构建了以喷嘴作颗粒循环装置的液固外循环流化床换热器,研究了喷嘴的结构参数及操作参数对起始循环流体流量、全床压降、负压和最大颗粒循环流量等的影响。结果表明,喷嘴的口径比及安装位置对提高颗粒循环效果均存在一个最佳值,为外循环流化床换热器的设计计算提供了依据。 关键词：喷嘴;外循环流化床;废弃发射药;颗粒循环 中图分类号：TJ55; TQ051 文献标志码：A 文章编号：1007-7812(2009)01-0083-04 引 言 废旧火炸药的处理是国内外一直关注的问题,直到20世纪70年代初,对于大批量军用废旧火炸药的处理还采用公海倾倒法。在环境保护法规的要求下,传统的处理废旧火炸药的方法逐渐被废止,需要由环境污染较少的方法取而代之[1]。废旧火炸药中含有多种成分,通过处理可以从中分离出硝化棉、硝化甘油、硝基胍、二硝基甲苯、苯二甲酸二丁酯等原料进行再利用,也可以通过化学反应,使其转化为其他化工产品[2]。 从废弃发射药中回收硝化棉,使之作为单、双、三基发射药的原料[3],将会产生很好的社会效益和经济效益。我国大约有20余种单基药,单基药的组分包括硝化纤维素、挥发性溶剂、化学安定剂以及其他辅助成分,其中硝化棉的质量分数超过95%。从单基药提取硝化棉可分为3步:无机物、NC与有机物分离,提取液分离,固态产物分离。其中,蒸发浓缩提取液可以在液-固外循环流化床换热器中进行,颗粒在提取液中循环流动可以提高传质传热系数及防除垢,颗粒的循环效果直接影响提取液蒸发浓缩的效果。因此,研究液-固外循环流化床换热器中的颗粒循环流动特性具有重要意义。 本研究对以喷嘴为颗粒循环控制装置的外循环流化床换热器内的颗粒循环流动特性进行冷模实验。 1 实 验 1.1 实验装置及流程 实验装置如图1所示。为便于观测,流化床主体设计为具有18根1m长的Ф25mm×3mm的透明有机玻璃管的液固外循环流化床。循环床下降段与水平输送管的三通处安装有喷嘴。 水由泵从储水槽送入系统,经转子流量计在喷嘴处与惰性固体颗粒和少量的水混合后进入流化床换热段,然后从流化床上方流出,进入固液分离器,被分离后的固体颗粒由外循环管返回到粒子收集筒,实现粒子的循环使用,水则返回储水槽进入下一次循环。 实验在常温常压下进行。喷嘴出口直径d1与水平管直径d2的比例是影响射流吸卷效果的关键因素,本实验将该比例定义为口径比d1/d2。取d1/d2为0.35、0.375、0.4;喷嘴安装位置定义为L,可以左右移动,以下降管的边缘界限为喷嘴安装的原点,以向右为正,向左为负,分别取10、0、-10、-20mm四个安装位置;固体颗粒为密度2350kg/m3的刚玉球,直径分别取1、2、3mm;循环系统的初始颗粒加入量占全床的体积分数ε分别取0.75、1.25、1.75、2.0%;流体为模拟不同浓度的提取液,其黏度μ分别为1.0、1.5、2.0、2.5和3.0mPa·s。 1.2 喷嘴直径和安装位置设计 本实验参考气体喷射器、喷射式加热器中喷嘴的基本原理[4]设计了用于液固外循环流化床换热器颗粒循环的喷嘴循环装置,见图2。 喷嘴设计为锥形,前端有一段直管段,水平安装在输送管中,喷嘴与水平输送管共轴线,图2中循环下降段的边缘界限为喷嘴安装位置的原点。考虑到喷嘴出口直径与管道直径之比太大时,喷嘴的射流卷吸力太小而不利于颗粒循环,故所选用喷嘴出口直径较小,分别为14、15、16mm,且可前后移动,以调节喷嘴出口与循环下降管口的距离。喷嘴采用法兰固定,前后位置通过在喷嘴上安装橡胶垫圈进行调节。 2 结果与讨论 2.1 口径比对起始外循环液体流量的影响表1为L=0时口径比与外循环流化床的起始循环液体流量的关系。由表1可知,随着口径比的增加,所要求的起始循环液体流量加大。这是因为,对于由喷嘴构成循环装置的外循环流化床来说,颗粒能否在旋液分离器中被分离后沿下降管返回流化床段,是由喷嘴射流形成的负压的大小决定。而在相同的液体流量下,随着口径比的增加,喷嘴的射流速度减小,喷嘴射流形成的负压减小,并且射流形成的终截面增大,产生液体倒流的可能性增加[5]。若要颗粒循环起来,就得增加起始循环液体流量。因此随着口径比的增加,起始外循环液体流量(Q)增加。 2.2 口径比对全床压降的影响 图3为ε=2%、μ=1mPa·s、L=0的条件下,口径比与全床压降的关系曲线。由图3可以看出,口径比对全床压降具有重要影响,随着口径比的缩小,压降明显增大,这主要是因为口径比的减小,使得循环床的管道截面积减小,造成流动阻力增大;另外,当口径比缩小时,射流速度增大,射流与周围流体间的速度梯度增大,使得流体内的剪切力增加,造成压降增大。 2.3 口径比对最大颗粒循环流量的影响 当L=0,ε=2.0%时口径比对最大颗粒循环流量(QS)的影响如表2所示。 由表2可以看出,最大颗粒循环流量随着口径比增加而先增大后减小。这是因为一方面颗粒循环流量受到液体流量的影响,当液体流量较大时,进入下降段的颗粒较多,颗粒循环数量较大,而流量调节范围与口径比成正比;另一方面,喷嘴形成的负压大小与其射流速度有关,口径比的减小使得射流速度增大,增加了负压值。实验结果可以反映出口径比对流量调节范围和负压的综合影响,当口径比为0.375时,在最大液体流量下形成的最大颗粒循环流量最大,说明该喷嘴对液体流量和射流形成的负压的综合作用效果最好。 2.4 喷嘴最大流量下口径比对喷嘴前负压的影响在μ=1mPa·s,对安装在L=10mm的位置时各口径比的喷嘴在其所能达到的最大流量下各测量点位置的负压值进行比较,结果见图4。由图4可以看出,口径比为0.375的喷嘴在其最大流量下,各位置处的负压值最大,而且负压带也较长,在相同流量下,虽然口径比为0.350的喷嘴形成的射流速度最大,但其流量调节范围小。由于口径比为0.375的喷嘴管道截面积大,流动阻力小,流量调节范围大,其在高流量下所能达到的负压值要大于口径比为0.350的喷嘴所能达到的负压值。口径比为0.400的喷嘴的截面积较大,在本实验中总体表现的颗粒循环效果较差,且其负压值普遍较低。 2.5 喷嘴安装位置对起始循环液体流量的影响图5为喷嘴安装位置与外循环流化床内起始循环液体流量的关系。其中,ε=2%,μ=1mPa·s。 在L=0位置处所需的起始循环液体流量最小,其他位置所需的起始循环液体流量都较大,从曲线的趋势看,在L=0位置处存在一个极小值点,越远离这个位置起始循环液体的流量越高,直到无法完成循环。出现这种现象是因为喷嘴安装位置的改变将影响下降管管口处的负压,当喷嘴安装位置合适时,喷嘴射流形成负压的最大值会出现在管口处,从而使得完成循环所需的流量减小,所以存在一个最佳位置使得起始外循环液体流量的值最小。 2.6 喷嘴安装位置对全床压降的影响 图6为口径比为0.375的喷嘴在μ=1mPa·s条件下,喷嘴安装位置与全床压降的关系。由图6可见,随着喷嘴安装位置的变化,全床压降具有明显的变化,这是由于喷嘴的安装位置改变时,循环液体和颗粒的流量将变化,导致喷嘴射流时形成的撞击损失也将不同,当喷嘴的安装位置越接近最适值时使得循环液体和颗粒流量越大,从而形成的压降越大。由图6还可知,当喷嘴被安装在靠近下降段边缘界限时形成的压降比较大,说明在这里射流的卷吸周围静止流体比较多,所以能量损失较大[6]。 2.7 喷嘴安装位置对最大颗粒循环流量的影响 图7为喷嘴安装位置与最大颗粒循环流量之间的关系。 由图7可见,随着喷嘴安装位置从负方向到正方向的变化,最大颗粒循环流量先增加后减小;当喷嘴安装位置在正方向过大时,会因为碰撞损失过多而影响喷嘴的喷射效率,即对下降段的卷吸作用减小;当喷嘴安装位置在负方向上(如-20和-10mm位置处)时,则会因为负压的作用范围达不到下降管处而影响颗粒循环效果;当喷嘴安装在距离下降管边缘界限不远的位置(如0或10mm)时,最大颗粒的循环流量较高,并且变化不大。 3 结 论 (1)喷嘴的口径比是影响颗粒循环效果的决定性因素,综合比较,当口径比为0.375时效果最好。 (2)喷嘴的安装位置对颗粒的循环效果也具有重要影响,当喷嘴安装在下降段边缘界限位置附近时所形成的负压带最长而且下降管口处的负压最大,最有利于颗粒循环。 参考文献: [1] 张丽华,王泽山.过期火炸药的处理与利用研究[J].火炸药学报, 1998,21(1):10-12. [2] 肖忠良,胡双启,吴小青,等.火炸药的安全与环保技术[M].北京:北京理工大学出版社,2006. [3] 鲁彦玲,张力,施冬梅,等.废弃发射药的再利用研究[J].环境科学与技术, 2006(S1):147-150. [4] 沈胜强,曲晓萍,张博.气液喷射器工作参数的数值模拟[J].太阳能学报,2006,27(1):106-109. [5] 李文忠,李景丽,卢雪峰,等.圆形射流轴线压力分布实验研究[J].冶金能源,2005,24(2):19-25. [6] 刘燕,张少峰,魏建明,等.液固外循环流化床换热器主压降的实验研究[J].化工进展,2007(10):1489-1492. |
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