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，管道作為傳輸的載體， 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為常壓，因此管道輸送過程中需要加裝減壓裝置以完成減壓或穩壓操作，保證工藝的正常運行。

減壓閥［1～4］和節流元件（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，常規減壓閥由于閥門開度和流向變化容易發生堵塞；雖然文丘里管進出口面積變化較小，不容易發生堵塞，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

為了防止管道內發生堵塞和顆粒變形，減壓預驅溶裝置采用孔板式節流單元，通過流道截面積變化實現物料減壓操作。 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，在上述節流減壓過程中必然會發生堵塞。 為此，筆者采用模塊化設計， 多個孔板節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，模擬持續進行到減壓裝置出口處固相顆粒流量和進口壓力基本穩定，即認為流動達到穩定，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可以發現，第1、2 個孔板的損失比較大，后面的孔板損失趨于平穩，意味著多級孔板減壓裝置可以進行模塊化設計使用，且在應用現場可以根據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，按照后續孔板壓降規律，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，模塊化設計孔板節流單元可以在現場靈活組合，實現不同壓降需求。