基于整体流型的粉体料仓设计分析

第 43卷第 3期 2006年 6月 化 　工 　设 　备 　与 　管 　道 PROCESS EQU IPMENT & P IP ING Vol143　No13 June12006　 基于整体流型的粉体料仓 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 分析 陈长冰 (合肥工业大学土木建筑工程学院 , 合肥 　230009 ) 摘　要 : 介绍了各种料仓流型 ,分析了影响料仓流型的因素 ,并应用到整体流料仓设计 ,在料斗形式、曲线、材料的选择以及改流 体的设置上 ,作了详细的分析比较。 关键词 : 粉体 ; 　料仓 ; 　整体流型 ; 　料斗 ; 　改流体 中图分类号 : TQ053 文献标识码 : A 文章编号 : 100923281 (2006) 0320034205 D esign and Ana lysis of S ilos w ith M a ss Flow Chen Changb ing (School of C ivil Engineering, Hefei U niversity of Technology Hefei, 230009) Abstract　In this article, several flow types occurring siloswere introduced first. Then, the factors influencing flow typeswere analyzed. W ith p ractical design of silos having mass flow, the comparison of solo type, curve, selection of material and inserter were finally carried out in detail. Keywords　Particulate solid, Silos, Mass flow pattern, Hopper, Insert 收稿日期 : 2005208222 作者简介 :陈长冰 (1973—) ,男 ,博士研究生。从事料仓侧压力形成 机理研究。 　　料仓是化学生产的重要设备 ,它不仅作储存工 艺粉体物料和辅助物料 ,而且作为均化物料性能、 平衡工艺物流以及事故情况下的物料存放等。与 流体储罐相比 ,在常温常压下操作的粉体料仓 ,其 设计却复杂得多 ,很难象在流体场合那样建设一种 具有普遍意义的设计理论。就卸料流动问题而言 , 对于流体储罐 ,只需要设计者按照成熟的公式作一 些简单的计算就能很好地解决。而对于粉体料仓 , 情况就不那么简单。由于料仓几何条件、料仓壁面 摩擦、粉体内摩擦、装料形式等诸多因素的作用 ,影 响粉体在料仓内的流动类型。本文考虑影响粉体 料仓流型的多种因素 ,为整体流型的粉体料仓设计 做一些具体的分析。 1　粉体在料仓内的流型 1. 1　流型划分 在上世纪四、五十年代 ,苏联的塔赫塔耶夫 ( S G Takhtam ishev)、基姆 (V S Kim )与法国的仓勃脱 (M Suqita)等研究者 ,指出料仓内流动大致可以分 为动力型与非动力型 (也称为整体流动与管状流 动 )两种流动形式。以后。美国的詹尼克 (A , M , Jenike)等将料仓的流动类型区分为四种 (图 1) : (1)整体流。在料仓卸料时 ,全部仓料都在移 动 ,流动稳定均匀 ,引起仓壁侧压力急剧增加 ,这一 类型的流动又称为动力型流动。 (2)漏斗流。卸料时仅卸料口以上一定范围内 的仓料呈漏斗状流动 ,仓内存在死料区。 (3)管状流。卸料时 ,只是中心部分的仓料在 流动 ,周围的仓料呆滞不动。管状流是漏斗流的一 种情况 ,仓壁的贮料压力基本接近静态压力的数 值。因此漏斗流和管状流又称为非动力流。 (4)扩散流。这是整体流动的一种变异形式 , 即在下部为整体流 ,通过扩散使上部也进入整体流。 1. 2　基本流型比较 整体流卸料速率稳定 ,卸料密度均匀 ,卸料顺 序为先进先出 ,料仓造价较高 ,料仓寿命较短 ,仓储 时间一致。 漏斗流动卸料速率不稳定 ,卸料密度不均匀 , © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 1　四种流动形式 卸料顺序为先进后出 ,料仓造价较低 ,料仓寿命较 长 ,仓储时间不一致。 因此在料仓设计时为了做到安全、合理、经济 , 选择具体流型应按照实际需要来选择合适的流型 , 下面就影响料仓流型的因素加以综合分析。 2　影响料仓流型因素分析 2. 1　料斗形状的影响 料斗倾角 (α)越小 ,卸料过程中仓内的压力拱 分布的高度就越高 ,料斗的倾角较大时 ,仓料流出 的速度越大 ,流动的形态主要为整体流或管状流与 整体流的混合状态 ,而当料斗的倾角较小时 ,仓料 流出速度也较小 ,尤其是靠近仓壁处速度很小 ,且 流动形态主要为管状流。[ 1, 2 ] 料斗的出料口越小 ,料仓下部接近料斗处结拱 越严重 ,仓料的流速也越小。当出料口增大 ,流动 形态由在料斗部分为管状流而上部为整体流 ,转变 成有时在料斗部位为管状流 ,有时则为整体流两种 型状 [ 1 ]。 在 20世纪 80年代末期 ,设计者从土建结构设 计入手 ,来解决锥形漏斗卸料不通畅和堵塞等问 题 ,其时注意到我国出版的《建筑结构设计手册 (贮 仓结构篇 ) 》中介绍的储煤仓单口卸料的双曲线型 旋转壳体漏斗结构型式是解决问题的方法。于是 双曲线型卸料漏斗相继在钢筋混凝土储煤圆料仓 4 口漏斗设计中以及矿井下煤仓的设计中得到应用 , 且卓有成效地解决了圆料仓卸料不通畅和堵塞等 问题 ;投产使用证明了采用双曲线卸料漏斗 ,就无 须对储煤圆料仓配置机械动力促流设备 [ 3 ]。在大 直径圆料仓中 ,使用部分曲线漏斗 ,即倒圆锥漏斗与 曲线漏斗相结合的漏斗形式 ,也是一个既可解决煤仓 漏斗堵煤问题 ,又可避免贮仓容积减少的有效途径 [4 ]。 2. 2　料仓材料与粉体物性的影响 不论仓壁还是仓料的摩擦系数增大 ,都可以引 起料仓卸料过程中 ,动态压力拱增加 ,卸料速度减 小 ,甚至卸料受阻。当摩擦系数较大时 ,粉体流动 的速度缓慢 ,且不均匀 ,粉体上部为整体流而料斗 的中间部位或一侧为管状流 ;当粉体与仓壁摩擦系 数为 0时 ,粉体流动形态主要为整体流。[ 1 ] 仓壁刚度越大 ( Ew 仓壁弹性模量 , t为仓壁厚 度 ) ,则其弹性变形传播速度越快 ,侧压力升高值越 大 ;反之则其弹性变形传播速度越慢 ,侧压力升高 值越小 ,并有助于破拱 ,利于粉体流动。[ 9, 10 ] 当粉体密实时 ,仓壁部分的粉体基本上是整体 流 ,仅在锥形料斗部分的粉体做管状流动 ;当粉体 松散时 ,粉体的管状流动区加大 ,扩展到了直壁 部分。[ 2 ] Jenike定义粉体流动函数 FF为预压缩应力与 粉体的开放屈服强度之比 : FF =σ0 /σc ,粉体流动性 与流函数 FF的关系如表 1。[ 5 ] 表 1 函数 FF FF < 2 2 < FF < 4 4 < FF < 10 FF > 10 团聚性 流动性 强团聚性 结拱 团聚性 流动性差 轻微团聚性 流动性好 不团聚性 良好的流动性 2. 3　改流体 (嵌入体 )对流型的影响 针对在流动过程中仓内可能出现不安全现象 , 可以根据不同需要设计、安装不同类型的改流体 , 改流体的作用 : 2. 3. 1　改善粉体的流动环境 如 Easiflow料仓和 Johanson设计的改流体 ,将 流动条件相对差的区域由圆锥形收缩通道改为流 动条件较好的楔形收缩通道 ,从而大大降低粉体成 拱的可能性 ,同时也利于粉体平稳卸载。 2. 3. 2　改善粉体流动区域的分布 如 Jenike & Johanson公司的 B INSERT改流体 , 其实质就是在料斗内再安装一个小料斗 ,使其内部 产生整体流动 ,且降低小料斗与外部大料斗之间环 形区域内的物料在卸料时产生的超压。这种改流 体大大增加了有效流动通道的宽度 ,能在有效降低 料仓高度的前提下 ,扩大料仓的容量 ,获得整体流。 ·53·第 43卷 　 陈长冰 1基于整体流型的粉体料仓设计分析 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 另外 Shi2Chen Yang等人用 conical和 B INSERT两种 改流体实验也得出 :这两种改流体使料仓内流型由 漏斗流变为整体 ,同时明显降低了仓内动态水平侧 压力 [ 6 ]。 2. 3. 3　改善粉体在仓内的流动区域分布方式 如 Bates改流体使径向流动改为周向流动 ,使 粉体物料更容易屈服而产生流动。这种改流体可 以使料仓倾角较大、出口尺寸较小的情况下 ,获得 比传统料斗好的多的卸载效果。 3　基于整体流型料仓设计分析 在设计阶段 ,为了获得理想的整体流型 ,必须 综合考虑影响流型的各因素 ,充分掌握贮料物性 (内、外摩擦角等 ) ,在保证料仓有效容积的前提下 , 选择料仓几何参数 (料斗倾角、卸料口尺寸、料斗曲 线等 ,图 2)和材料参数 (壁面摩擦角、仓壁刚度等 ) 进行经济比较。 在实际工作中 ,改变粉体物料理化特性的方 法 ,因受种种条件限制 ,又增大管理的难度和费用 , 有时又较为复杂 ,有其局限性。从理论上讲 ,还是 整体流料仓是最合理、最简单、经济的方法 [ 2, 7 ] ,下 面就料仓形状曲线 ,从对粉体流动的理论分析中 , 得出整体流料斗曲线和料斗卸料口尺寸的设计 方法。 3. 1　锥型料斗 3. 1. 1　圆锥形料斗 根据仓存物料的特性 (有效内摩擦角和壁面摩 擦角 ) ,确定出一个料斗半顶角 ,对于圆锥形料斗 , 保持整体流所需要的最大半顶角为 [ 8 ] : α= 1 (180°- <) - 12 arccos(1 - sinδ2sinδ ) + arcsin ( sin 3B )。对于平均直 径较小的粉体物料 ,不产生粘性拱的最小卸料口 尺寸 [ 5 ] : B > H (α) ·σC /γ (7) 式中 　σC ———粉体的临界开放屈服强度 , Pa; 　　　γ　———粉体重度 , kN /m3 ; H (α)。 由下式确定 : H (α) = (1 +m ) + 0. 01· (0. 5 +m )α (8) 式中 　α———锥底半顶角 , (°) ; 对于轴对称的圆锥型料斗 , m = 1;对于平面对 称的楔形料斗 , m = 0。 对于平均直径较大 ( > 3000μm )的颗粒体 ,卸 料口尺寸由下式确定 : B > 6dp (9) dp ———平均颗粒半径。 3. 4　料斗材料的选择 由以上分析可知 ,料仓能否处于整体流型 ,与 壁面摩擦角Φ有关 ,所以料斗壁面材料 ,尽量选用 摩擦角小的。对于常用粉体 ,聚四氟乙烯的平均壁 面摩擦角最小 ,其次是不锈钢 ,碳钢的壁面摩擦角 最大。例如对碳钢料斗 ,用聚四氟乙烯作衬里 ,可 大大减小壁面摩擦角 ,提高粉体在料斗中的流动 性。另外 ,铝合金也是值得推广的材料 ,其平均壁 面摩擦角并不大 ,且对于大部分粉体 ,壁面摩擦角 的分散较小。在一般条件下 ,壁面摩擦角减小 5°左 右 ,则按整体流设计的料斗半顶角就会增大 5°～10°。 同时选用有弹性的仓壁材料 ,在卸载时也有利于破拱。 3. 5　在仓内设置改流体 在仓内设置改流体 ,可以改善料斗内粉体的流 动形态。对料斗仓壁和改流体之间的环形面积 ,可 以看成一个条形卸料口 ,在料仓仓体和料斗的过度 区附近设置改流体能形成整体流。常用的改流体 形式有 :水平挡板 ;垂直挡板 ;倾斜挡板 ;倒锥体 ;双 锥体 (如图 4所示 )。 3. 5. 1　水平挡板 在某一卸料口尺寸和粉体物料休止角的条件 下 ,一定尺寸和安装位置合理的水平挡板 ,对卸料 作业将产生良好效果。在挡板下方是一个环形空间 , 所以对卸料口的压力与仓内粉体物料的高度无关。 3. 5. 2　垂直挡板 垂直挡板如做成十字架形隔板 ,可以消除部分 物料的横向压力。对呈对称流动的物料起破拱作 用。物料出仓时形成 2股或 4股互不相干的料流 , 流动物料间的摩擦力、剪切力趋于零。 3. 5. 3　倾斜挡板 倾斜挡板多用于大型料仓中 ,装有 4个倾斜挡 板的料斗 , 挡板的倾斜度 , 应比物料休止角大 约 10°。 3. 5. 4　倒锥体 ·73·第 43卷 　 陈长冰 1基于整体流型的粉体料仓设计分析 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 4　改流体形式 当采用一个水平挡板时 ,在挡板上方会形成一 个流动的物料堆 ,时间长容易变质结块。为了防止 这种情况 ,挡板本身做成一个锥体 ,这就是倒锥改 流体 ,其位置与尺寸是极为重要的。因为一方面必 须使改流体和料斗之间的物料不能形成稳定的料 拱 ,另一方面 ,又要获得一个最佳流动带。根据经 验 ,倒锥体的尺寸为 :锥底直径 d = D /3或 d = A /3 (料仓直径为 D,或边长为 A ) ,锥体高 h = D /4或 h =A /4。 4　改善料仓粉体流动性措施 对于已建成料仓 ,要改善仓内散体的流动性 , 只能在装料、卸料形式 ,以及辅助设备上加以改进 : (1) 采用中心装料形式 ,使仓料散体形成锥顶 ; (2) 采用最大出口开度的中心卸料形式 ,使卸 料出口通畅 ; (3) 适当使用改流体 ,在料斗上部安装直隔板、 水平隔板、圆锥状插入物等 ; (4) 其他措施 :如对非自由流动性粉体物料应 采取排拱助流器 ,排拱助流器有三种 :流态化形式、 机械式、振动式。 5　结 　论 为了改善粉体在料仓中的流动和贮存特性 ,整 体流是设计者首选的流型。要实现整体流 ,就要根 据设计条件 ,确定出一个合适的的料斗半顶角。这 个半顶角 ,不仅与物料性能有关 ,而且与料斗材料有 关。如果锥形料斗不能满足要求 ,可以考虑曲线料 斗 ,但曲线料斗必须解决有效容积的损失问题。另 外 ,可以设置改流体或增添辅助设备 ,也可以使料 仓达到整体流动的效果。 由于影响流型因素众多 ,形成机理复杂 ,不可 能列几个公式就能解决问题 ,要进一步研究还须通 过模型实验、实仓测试、计算机模拟 (如颗粒流程序 PFC2D、PFC3D)等进行更深入的研究。 参考文献 1　杜明芳. 立料仓水平侧压力的实验研究与颗粒流模拟分析 [ D ] 1 上海 :同济大学博士学位论文 2003 2　李志诚 ,王淑兰 ,丁信伟. 散体料仓的设计 [ J ]. 化学工业与工程 技术 , 1999, 20 (4) : 11 3　邹亚军 ,黄金华. 钢筋混凝土圆料仓双曲线型卸料漏斗设计分析 [ J ]. 特种结构 , 2003, 20 (2) : 22 - 26 4　刘琳. 部分曲线漏斗在大直径圆料仓中的应用 [ J ] ,煤矿设计 , 2001, 6: 21 - 22 5　H. 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