立管移动床中架拱现象的力学分析.pdf

第14卷第4期 化 【 冶 金 1993年 11月 EngineeringChemistry＆Me ： !竺兰 、 ’1 57r ’ ／ ． 一 立管移动床 中架拱现象的力学分析 李洪钟 中国科学院化r晌盘研究所l北京。。。80 TQo}1．I 擅 要 本l文应用散料力学和气固两相流理论分析 r伴有气体流动的立管圆锥形床 及立管圆柱形床中发生架拱的机理．建立r相应的拱的 平衡黼分方程并得到 激 分方程的解析解 由此可以预测工业立管移动床 (包括有气流通过或无气流通过)及 料仓中架拱发生的可能性．并且可以用于工业移动床及料仓的管径及排料 口尺寸的 设计，从而避免槊拱现象的发生 关键词力学墨壁 蔓塾生 皇：堕堕 字晰 J 1前 言 立管移动床 中架桥 (拱)现象时有发生，它是工业移动床反应器和循环流态化床料腿以及 旋风分离器料腿操作不稳定的重要原因．当架桥现象发生时，立管中某部位被物料堵塞，形成 拱桥，拱桥之上的物料被拱所堵而停止流动，拱桥之下的物料则被排空，而形成空管，整个系 统的压力平衡及物料循环被破坏．当拱桥在某外力作用下塌落时，拱上物料急速倾泻于拱下 空管之中，形成巨大振动，以至破坏设备，形成事故．因此研究立管移动床中架桥现象形成的 条件，进而提出预防措旌，具有重要理论及实用意义． 以往的研究集中于料仓中的架拱现象 【 ，目的是为料仓的设计与操作提供指导，以便设 计出合理的仓型及排料 口尺寸，提出合理的操作方法．该项研究始于 60年代，至今尚处于半 经验阶段，理论预测与实验结果相差甚远．如被广为推荐的 Jenike方法之料仓排料 口尺寸的 理论计算值 比实验值高出100％ 以上 J．伴有气体流动的移动床料腿 中的架拱现象的研究至 今 尚未见报导．本文的研究重点在于伴有气体相对于固体物料 同向或逆 向流动的工业移动床 反应器及循环流化床之立管移动床料腿中的架拱现象，分析其形成的力学条件，进而提出预 防对策．本文首先讨论圆锥形立管中的架拱机理，然后讨论圆柱形立管中的架拱机理．至于方 锥形管及方柱形管中的架拱机理亦已类推，篇幅所限不再赘述． · 2 理论分析 2．1 圆锥形立管中的架拱理论 2．1_1基本假设 颗粒状物料的架拱问题，属于散料力学研究的范畴，本文作者提出的非流态化气固流的 动力学理论 110-13]可以用来分析立管移动床中的架拱现象． ，本研究为国家 自然科学基金资助课题 率 史于 1993年 1月 7口收到． 1993年 3月6 日到修改稿 化 工 冶 金 w lker4j在研究锥形料仓中的架拱现象时提出几点假设，即假设拱的厚度均 匀 ·拱与 面接触处之物料处于临界屈服状态，拱内物料则处与非屈服状态，并且忽略拱上物料对拱的 作用力，以企做到安全的设计．实际上Walker的假设中拱的厚度是无法确定的，只有忽略拱 上物料的作用力，拱的厚度才与拱的力平衡无关．忽略拱上物料的作用力显然是 台理的 它是造成所谓 过设计 (overdesign)的主要原因． EnstadO]提出TZ维锥形漏斗中的架拱理论，他假设漏斗中物料形成一连串的拱状层， 如图 l所示．即各层的轮廓线为一系列圆心在中轴线上的不同心圆，圆的切线方 向代表最大 主应力 的方 向，垂直于圆的方向则代表最小主应力 2的方 向．同一圆上的 Cr1与 02只有 方向的变化而无数值的变化．当漏斗中物料处于架拱状态时，物料 由极限应力状态转变为临 界被动应力状态， 变为 变