化工进展 ›› 2019, Vol. 38 ›› Issue (05): 2112-2122.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2018-1643
收稿日期:
2018-08-10
修回日期:
2018-09-26
出版日期:
2019-05-05
发布日期:
2019-05-05
通讯作者:
张立栋
作者简介:
<named-content content-type="corresp-name">韦庆文</named-content>(1991—),男,硕士研究生。E-mail:<email>2284131304@qq.com</email>。
基金资助:
Qingwen WEI(),Lidong ZHANG(),Qing WANG
Received:
2018-08-10
Revised:
2018-09-26
Online:
2019-05-05
Published:
2019-05-05
Contact:
Lidong ZHANG
摘要:
采用离散单元法(DEM)模拟了二组元颗粒体系在有扰流件回转干馏炉内的流动和混合。根据涡心区(混合死区)的位置和尺寸在回转干馏炉中分别安装了外接圆半径相等的圆柱、前半圆、后半圆和直板扰流件,研究了扰流件类型对扰流件尾流、颗粒平均速度和大小颗粒混合程度的影响。研究表明:当各扰流件穿过颗粒物料时,其尾流分别经历了左偏尾流、近似对称尾流和右偏尾流。扰流件类型不同,在相同的时刻其尾流的大小存在差异。当回转干馏炉内无扰流件或者有直板扰流件时,颗粒平均速度的波动范围较小,且波动较为不规则。当安装圆柱、前半圆和后半圆扰流件时,平均速度的波动范围较大,且波动规律性较强,每一个波动过程均由一个大波动和一个小波动构成。对于圆柱和前半圆扰流件,小波动位于波动范围的低值区,对于后半圆扰流件,小波动位于波动范围的中值区。对于二组元颗粒系统,当外接圆半径相等时,后半圆扰流件的增混效果最好,但干馏炉耗能最快。圆柱和前半圆扰流件的增混效果次之。直板增混效果最差,但相比于其他绕流件耗能最慢。较大的绕流件终末卸料角更有利于颗粒的增混。
中图分类号:
韦庆文, 张立栋, 王擎. 回转干馏炉内扰流件的扰动及增混特性[J]. 化工进展, 2019, 38(05): 2112-2122.
Qingwen WEI, Lidong ZHANG, Qing WANG. Perturbation and mixing enhancement of stirring internals installed in rotary retorts[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2019, 38(05): 2112-2122.
参数 | 油页岩颗粒 (大颗粒) | 页岩灰颗粒 (小颗粒) |
---|---|---|
泊松比 | 0.25 | 0.25 |
剪切模量/Pa | 1×108 | 1×108 |
真实密度/kg·m-3 | 2200 | 2600 |
表1 颗粒的物理性质
参数 | 油页岩颗粒 (大颗粒) | 页岩灰颗粒 (小颗粒) |
---|---|---|
泊松比 | 0.25 | 0.25 |
剪切模量/Pa | 1×108 | 1×108 |
真实密度/kg·m-3 | 2200 | 2600 |
参数 | 回转炉-颗粒 | 颗粒-颗粒 |
---|---|---|
恢复系数 | 0.1 | 0.5 |
静摩擦系数 | 0.9 | 0.6 |
滚动摩擦系数 | 0.05 | 0.05 |
表2 颗粒的力学性质
参数 | 回转炉-颗粒 | 颗粒-颗粒 |
---|---|---|
恢复系数 | 0.1 | 0.5 |
静摩擦系数 | 0.9 | 0.6 |
滚动摩擦系数 | 0.05 | 0.05 |
参数 | 钢材 | 陶瓷 | 玻璃 |
---|---|---|---|
泊松比 | 0.3 | 0.23 | 0.27 |
剪切模量/Pa | 7.5×1010 | 2.4×1010 | 3.2×1010 |
密度/kg·m-3 | 7800 | 2800 | 2500 |
表3 材料的物理性质
参数 | 钢材 | 陶瓷 | 玻璃 |
---|---|---|---|
泊松比 | 0.3 | 0.23 | 0.27 |
剪切模量/Pa | 7.5×1010 | 2.4×1010 | 3.2×1010 |
密度/kg·m-3 | 7800 | 2800 | 2500 |
参数 | 钢材-陶瓷 | 陶瓷-陶瓷 | 玻璃-陶瓷 |
---|---|---|---|
恢复系数 | 0.7 | 0.8 | 0.8 |
静摩擦系数 | 0.3 | 0.4 | 0.7 |
滚动摩擦系数 | 0.04 | 0.04 | 0.04 |
表4 材料的力学性质
参数 | 钢材-陶瓷 | 陶瓷-陶瓷 | 玻璃-陶瓷 |
---|---|---|---|
恢复系数 | 0.7 | 0.8 | 0.8 |
静摩擦系数 | 0.3 | 0.4 | 0.7 |
滚动摩擦系数 | 0.04 | 0.04 | 0.04 |
干馏炉 | 实验值/mm | 模拟值/mm | 误差值/% |
---|---|---|---|
无绕流件 | 56.1 | 57.8 | 3.0 |
直板绕流件 | 66.3 | 65.2 | 1.7 |
前半圆绕流件 | 68.7 | 68.1 | 0.9 |
后半圆绕流件 | 67.7 | 66.2 | 2.2 |
圆柱绕流件 | 72.2 | 69.0 | 4.4 |
表5 2~30 s时颗粒的时均上升高度
干馏炉 | 实验值/mm | 模拟值/mm | 误差值/% |
---|---|---|---|
无绕流件 | 56.1 | 57.8 | 3.0 |
直板绕流件 | 66.3 | 65.2 | 1.7 |
前半圆绕流件 | 68.7 | 68.1 | 0.9 |
后半圆绕流件 | 67.7 | 66.2 | 2.2 |
圆柱绕流件 | 72.2 | 69.0 | 4.4 |
回转干馏炉类型 | 时均M |
---|---|
无扰流件 | 0.290 |
圆柱扰流件 | 0.405 |
前半圆扰流件 | 0.412 |
后半圆扰流件 | 0.423 |
直板扰流件 | 0.395 |
表6 稳定后时均接触数指标与扰流件类型的关系
回转干馏炉类型 | 时均M |
---|---|
无扰流件 | 0.290 |
圆柱扰流件 | 0.405 |
前半圆扰流件 | 0.412 |
后半圆扰流件 | 0.423 |
直板扰流件 | 0.395 |
回转干馏炉类型 | |
---|---|
圆柱扰流件 | 82.8° |
前半圆扰流件 | 78.9° |
后半圆扰流件 | 104.6° |
直板扰流件 | 55.8° |
表7 平均终末卸料角与扰流件类型的关系
回转干馏炉类型 | |
---|---|
圆柱扰流件 | 82.8° |
前半圆扰流件 | 78.9° |
后半圆扰流件 | 104.6° |
直板扰流件 | 55.8° |
干馏炉 | 时均总动能 /10-4J | 时均总势能 /10-3J | 时均总机械能 /10-3J | 机械能差 /10-3J |
---|---|---|---|---|
无扰流件 | 3.80 | -7.30 | -6.92 | 3.08 |
直板 | 5.89 | -5.01 | -4.42 | 5.58 |
前半圆 | 5.54 | -4.95 | -4.39 | 5.61 |
后半圆 | 5.71 | -4.36 | -3.79 | 6.21 |
圆柱 | 5.30 | -4.73 | -4.20 | 5.80 |
表8 2~30 s时各干馏炉内颗粒的时均总机械能
干馏炉 | 时均总动能 /10-4J | 时均总势能 /10-3J | 时均总机械能 /10-3J | 机械能差 /10-3J |
---|---|---|---|---|
无扰流件 | 3.80 | -7.30 | -6.92 | 3.08 |
直板 | 5.89 | -5.01 | -4.42 | 5.58 |
前半圆 | 5.54 | -4.95 | -4.39 | 5.61 |
后半圆 | 5.71 | -4.36 | -3.79 | 6.21 |
圆柱 | 5.30 | -4.73 | -4.20 | 5.80 |
1 | 赵子渊, 李昱君, 王富帅, 等. 玻璃-橡胶混合颗粒体系的弹性行为研究[J]. 物理学报, 2018(10): 104502. |
ZHAOZ Y, LIY J, WANGF S, et al. Numerical experiment studies of clogging during the discharge of granular matter in a three-dimensional hopper[J], Acta. Phys. Sin., 2018(10): 104502. | |
2 | 梁财, 陈晓平, 赵长遂. 加压密相粉煤输送特性及稳定性研究[J]. 工程热物理学报, 2009, 30(10): 1787-1790. |
LIANGC, CHENX P, ZHAOC S. Investigation of flow characteristics and stability of dense-phase pneumatic conveying of pulverized coal at high pressure[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2009, 30(10): 1787-1790. | |
3 | LIANGC, HUJW, LIUHY, et al. Resistance characteristics of pressure letdown in dense-phase pneumatic conveying[J]. Journal of Chemical Engineering of Japan, 2016, 49(6): 511-518. |
4 | 沈杭, 杨建红, 张认成, 等. 干粉站用干燥滚筒离散元仿真分析与试验研究[J]. 机械设计, 2016(8): 67-71. |
SHENH, YANGJ H, ZHANGR C, et al. Discrete element simulation analysis and experiment research of rotary dryer in the powder station[J]. Journal of Machine Design, 2016(8): 67-71. | |
5 | 王擎, 李建, 王智超, 等. 回转干馏炉内颗粒间传热特性的数值模拟[J]. 化工学报, 2017, 68(11): 4137-4146. |
WANGQ, LIJ, WANGZ C, et al. Numerical simulation on characteristics of heat transfer between particles in rotary retorting[J]. CIESC Journal, 2017, 68(11): 4137-4146. | |
6 | KHAKHARD V, ORPEA V, HAJRAS K. Segregation of granular materials in rotating cylinders[J]. Physica A Statistical Mechanics & its Applications, 2003, 318: 129-136. |
7 | 王鹏程, 范元钢, 王彩玲, 等. 滚筒混合抄板长度和角度的二维数值模拟仿真[J]. 兵器装备工程学报, 2018,39(4): 170-173. |
WANGP C, FANY G, WANGC L, et al. Two dimensional numerical simulations of length and angle of drum mixing plate[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2018, 39(4): 170-173. | |
8 | 李利桥, 王德福, 李超. 回转式日粮混合机混合机理分析与性能试验优化[J]. 农业机械学报, 2017, 48(8): 123-132. |
LIL Q, WANGD F, LIC. Mixing process and analysis and performance experiment of rotary ration mixer[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(8): 123-132. | |
9 | 李沐沅, 凌祥, 彭浩, 等. 板式回转干燥机的颗粒流动传热特性研究[J]. 压力容器, 2016, 33(3): 21-31. |
LIM Y, LINGX, PENGH, et al. Flow and heat transfer characteristics of materials in the flighted rotary dryer[J]. Pressure Vessel Technology, 2016, 33(3): 21-31. | |
10 | 段鸾芳, 凌祥. 转速对板式回转换热器内颗粒传热性能的影响[J]. 南京工业大学学报(自科科学版), 2017, 39(6): 99-104. |
DUANL F, LINGX. Impact of rotating speed on particles heat transfer in plate rotary heat exchanger[J]. Journal of Nanjing Tech University (Natural Science Edition), 2017, 39(6): 99-104. | |
11 | 徐颖, 吴家正, 张亨伟, 等. 红外滚筒干燥机内颗粒混合的模拟研究[J]. 节能技术, 2018(2): 125-129. |
XUY, WUJ Z, ZHANGH W, et al. Simulation study of particle mixing in an infrared drum dryer[J]. Energy Conservation Technology, 2018(2): 125-129. | |
12 | SHID, ABATANA, VAGASW, et al. Eliminating segregation in free-surface flows of particles[J]. Physical Review Letters, 2007, 99(14): 1-4. |
13 | PITONM, HUCHETF, CORREO L, et al. A coupled thermal-granular model in flights rotary kiln: industrial validation and process design[J]. Applied Thermal Engineering, 2015, 75: 1011-1021. |
14 | SILVÉRIOB C, ARRUDAE B, DUARTEC R, et al. A novel rotary dryer for drying fertilizer: comparison of performance with conventional configurations[J]. Powder Technology, 2015, 270: 135-140. |
15 | JIANGM Q, ZHAOY Z, LIUG S, et al. Enhancing mixing of particles by baffles in a rotating drum mixer[J]. Particuology, 2011, 9(3): 270-278. |
16 | CUNDALLP A, STRACKO L. A discrete numerical model for granular assemblies[J]. Geotechnique, 1979, 29(1): 47-65. |
17 | CHENH, XIAOY G, LIUY L, et al. 2017. Effect of Young ,s modulus on DEM results regarding transverse mixing of particles within a rotating drum[J]. Powder Technology, 2017,318: 507-517. |
18 | MELLMANNJ. The transverse motion of solids in rotating cylinders-forms of motion and transition behavior[J]. Powder Technology, 2001, 118(3): 251-270. |
19 | NIELSENA R, ANIOLR W, LARSENM B, et al. Mixing large and small particles in a pilot scale rotary kiln[J]. Powder Technology, 2011, 210 (3): 273-280. |
20 | 钱家麟, 尹亮. 油页岩: 石油的补充能源[M]. 北京:中国石化出版社, 2011: 49, 319. |
QIANJ L, YINL. Oil shale: petroleum alternative[M]. Beijing: China Petrochemical Press, 2011: 49, 319. | |
21 | 王恭, 苗宇, 孙灵芳, 等. 回转干馏炉内颗粒停留时间的计算机模拟研究[J]. 东北电力大学学报, 2012, 32(3): 37-41. |
WANGG, MIAOY, SUNL F, et al. Computer simulation of particles ,residence time in rotary dry distillation furnace[J]. Journal of Northeast Electric Power University, 2012, 32(3): 37-41. | |
22 | 彭瑞东. 材料力学性能[M]. 北京: 机械工业出版社, 2017: 330. |
PENGR D. Mechanical properties of materials[M]. Beijing: China Machine Press, 2017: 330. | |
23 | 田晓. 陶瓷材料摩擦副的摩擦磨损特性研究[D]. 天津: 天津大学, 2003. |
TIANX. The friction and wear characteristics research of ceramics friction pair[D]. Tianjin: Tianjin University, 2003. | |
24 | 庞佑霞, 郭源君, 赵运才. 不同条件下Al2O3基陶瓷材料的摩擦磨损性能研究[J]. 功能材料, 2000, 31(2): 223-224. |
PANGY X, GUOY J, ZHAOY C. Study of friction and wear behaviors of Al2O3 matrix ceramic in various conditions[J]. Journal of Functional Materials, 2000, 31(2): 223-224. | |
25 | 李庆阳. 玻璃材料的摩擦磨损性能测试及其装置的研制[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2006. |
LIQ Y. Friction & wear-based test and development of instrument for glass[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2006. | |
26 | 陈辉, 肖友刚, 赵先琼, 等. 回转窑内二元颗粒物料的径向混合[J]. 工程科学学报, 2016, 38(2): 194-199. |
CHENH, XIAOY G, ZHAOX Q, et al. Transverse mixing of binary solid materials in a rotating kiln[J]. Chinese Journal of Engineering, 2016, 38(2): 194-199. | |
27 | YAMAMOTOM, ISHIHARAS, KANOJ. Evaluation of particle density effect for mixing behavior in a rotating drum mixer by DEM simulation[J]. Advanced Powder Technology, 2015, 27(3): 864-870. |
[1] | 邵博识, 谭宏博. 锯齿波纹板对挥发性有机物低温脱除过程强化模拟分析[J]. 化工进展, 2023, 42(S1): 84-93. |
[2] | 郭强, 赵文凯, 肖永厚. 增强流体扰动强化变压吸附甲硫醚/氮气分离的数值模拟[J]. 化工进展, 2023, 42(S1): 64-72. |
[3] | 谢璐垚, 陈崧哲, 王来军, 张平. 用于SO2去极化电解制氢的铂基催化剂[J]. 化工进展, 2023, 42(S1): 299-309. |
[4] | 王太, 苏硕, 李晟瑞, 马小龙, 刘春涛. 交流电场中贴壁气泡的动力学行为[J]. 化工进展, 2023, 42(S1): 133-141. |
[5] | 杨寒月, 孔令真, 陈家庆, 孙欢, 宋家恺, 王思诚, 孔标. 微气泡型下向流管式气液接触器脱碳性能[J]. 化工进展, 2023, 42(S1): 197-204. |
[6] | 陈匡胤, 李蕊兰, 童杨, 沈建华. 质子交换膜燃料电池气体扩散层结构与设计研究进展[J]. 化工进展, 2023, 42(S1): 246-259. |
[7] | 赵曦, 马浩然, 李平, 黄爱玲. 错位碰撞型微混合器混合性能的模拟分析与优化设计[J]. 化工进展, 2023, 42(9): 4559-4572. |
[8] | 刘炫麟, 王驿凯, 戴苏洲, 殷勇高. 热泵中氨基甲酸铵分解反应特性及反应器结构优化[J]. 化工进展, 2023, 42(9): 4522-4530. |
[9] | 叶振东, 刘涵, 吕静, 张亚宁, 刘洪芝. 基于钙镁二元盐的热化学储能反应器的性能优化[J]. 化工进展, 2023, 42(8): 4307-4314. |
[10] | 周龙大, 赵立新, 徐保蕊, 张爽, 刘琳. 电场-旋流耦合强化多相介质分离研究进展[J]. 化工进展, 2023, 42(7): 3443-3456. |
[11] | 王硕, 张亚新, 朱博韬. 基于灰色预测模型的水煤浆输送管道冲蚀磨损寿命预测[J]. 化工进展, 2023, 42(7): 3431-3442. |
[12] | 单雪影, 张濛, 张家傅, 李玲玉, 宋艳, 李锦春. 阻燃型环氧树脂的燃烧数值模拟[J]. 化工进展, 2023, 42(7): 3413-3419. |
[13] | 俞俊楠, 俞建峰, 程洋, 齐一搏, 化春键, 蒋毅. 基于深度学习的变宽度浓度梯度芯片性能预测[J]. 化工进展, 2023, 42(7): 3383-3393. |
[14] | 修浩然, 王云刚, 白彦渊, 邹立, 刘阳. 准东煤/市政污泥混燃燃烧特性及灰熔融行为分析[J]. 化工进展, 2023, 42(6): 3242-3252. |
[15] | 王保文, 刘同庆, 张港, 李炜光, 林德顺, 王梦家, 马晶晶. CuFe2O4改性脱硫渣氧载体与褐煤的反应特性[J]. 化工进展, 2023, 42(6): 2884-2894. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||
京ICP备12046843号-2;京公网安备 11010102001994号 版权所有 © 《化工进展》编辑部 地址:北京市东城区青年湖南街13号 邮编:100011 电子信箱:hgjz@cip.com.cn 本系统由北京玛格泰克科技发展有限公司设计开发 技术支持:support@magtech.com.cn |