膜分離制氮裝置分流器近均勻分風(fēng)設(shè)計(jì)

潘 亮

（1.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122；2.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122）

氮?dú)馐且环N反應(yīng)活性較低的惰性氣體，在油船、油庫、煤礦等易燃、易爆空間內(nèi)使用可形成惰化環(huán)境，具有防滅火作用；在糧食、蔬菜、水果、食品以及易氧化材料保存等領(lǐng)域，被用作保護(hù)性氣體，具有保鮮防腐作用。采用中空纖維膜分離空氣成分富集氮?dú)?，其技術(shù)被廣泛應(yīng)用。

中空纖維膜制氮裝置的核心是膜組，膜組的使用壽命及工效主要取決于膜組氣源的供氣品質(zhì)及進(jìn)氣端分流器的分流。為了提升氣源品質(zhì)，采取了對(duì)進(jìn)入膜組的空氣進(jìn)行預(yù)處理措施，即：采用換熱器恒溫空氣，可達(dá)到預(yù)期的分離；采用過濾器對(duì)空氣除水、除塵、除油，利于膜組減污延壽。而分流器分流對(duì)膜組其影響，目前研究、報(bào)道的較少。對(duì)此，建立了分流器模型，分析了分流器分流及對(duì)膜組的不利影響，旨在優(yōu)化分流器結(jié)構(gòu)，消除影響空分的不利因素。

1 分流器模型結(jié)構(gòu)

分流器模型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。模型由1 個(gè)進(jìn)氣橫管和5 個(gè)進(jìn)氣立管組成，橫管在x 軸方向上等距開有5 個(gè)等徑的X1～X5出氣孔使空氣由橫管進(jìn)入立管；立管在z 軸方向上等距開有10 個(gè)等徑的Z1～Z10出氣孔使空氣由立管進(jìn)入膜組。

圖1 分流器模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 schematic diagram of shunt model structure

2 分流器的分流狀況及對(duì)膜組的影響

對(duì)分流器模型進(jìn)行通流測定，其各出風(fēng)口出流大小不等，模型分流器分流狀態(tài)圖如圖2。橫管由進(jìn)口的X1孔到終端的X5孔，立管由進(jìn)口的Z1孔到終端的Z10孔，其出流量均逐漸增大，形成了孔出風(fēng)量QX5Z10＞QX5Z1＞QX1Z10＞QX1Z1的分流關(guān)系。其出流最大偏差約12%。

圖2 模型分流器分流狀態(tài)圖Fig.2 State diagram of model shunt

將圖2 中的ABCD 虛線框看做平均進(jìn)氣量截面，處于截面內(nèi)進(jìn)氣量低于均量的膜，其產(chǎn)氮量降低，處于截面外進(jìn)氣量高于均量的膜，其產(chǎn)氮量提高，膜的產(chǎn)氮量與進(jìn)氣量關(guān)系見表1。

由于對(duì)進(jìn)入膜組的空氣進(jìn)行的預(yù)處理也難以完全去污，所以每個(gè)超均量使用的膜相對(duì)低通量的膜會(huì)重點(diǎn)加劇污染，一些油與塵在中空纖維管上的內(nèi)外沉積與吸附，致密了纖維空隙，收窄或堵塞了纖維管通道，隨著纖維管壁截留沉積溶質(zhì)濃度的升高所形成的濃差極化層又會(huì)加速纖維管表面污染物的吸+膜壓差下通量的衰減或者恒定通量下跨膜壓差增大[1]，而隨著超均量區(qū)域膜塊污染的不斷加重增阻，風(fēng)流逐漸轉(zhuǎn)向低阻膜通道，又加速了低通量膜的污染。相對(duì)于均布污染，這種擴(kuò)散式污染會(huì)加快污染進(jìn)程。

表1 某型分離器膜的產(chǎn)氮量與進(jìn)氣量關(guān)系Table 1 Relationship between nitrogen production and air intake of a type of separator membrane

3 分流器的近均勻分風(fēng)

導(dǎo)致膜組功能減退相對(duì)加快的原因是分流器不能等量分風(fēng)，采用均勻送風(fēng)管道實(shí)現(xiàn)均勻送風(fēng)是減緩膜組較快污染的一種有效途徑。

目前，均勻送風(fēng)管道有3 種形式：①變截面等風(fēng)口（條縫）均勻送風(fēng)管道，如文獻(xiàn)[2]；②變風(fēng)口（條縫）等截面均勻送風(fēng)管道，如文獻(xiàn)[3]；②等截面等側(cè)孔（條縫）均勻送風(fēng)管道，如文獻(xiàn)[4]。3 種均勻送風(fēng)管道的特點(diǎn)：①第1 種形式的管道能夠?qū)崿F(xiàn)均勻送風(fēng)且出風(fēng)口風(fēng)速相等[5-6]，但加工制造困難，對(duì)使用空間有一定要求；②第2 種形式的管道在實(shí)現(xiàn)均勻送風(fēng)時(shí)，各出風(fēng)口的風(fēng)速不等[7-8]，對(duì)只要求均勻送風(fēng)，不要求出口風(fēng)速的工程中，采用這種方式的送風(fēng)管道易于加工制造且費(fèi)用較低；③第3 種形式的管道可實(shí)現(xiàn)近似均勻送風(fēng)[9-10]。

從圖1 的分流器結(jié)構(gòu)上看，橫管的各風(fēng)口出風(fēng)進(jìn)入立管，立管的各風(fēng)口出風(fēng)進(jìn)入膜分離器。這樣，帶有條縫的均勻送風(fēng)管道不適用于本分流器。同樣，有限的空間及等徑的分流器與膜連接管限制了變截面等風(fēng)口、變風(fēng)口等截面均勻送風(fēng)管道的使用。鑒于此，采用等截面等側(cè)孔送風(fēng)管道實(shí)現(xiàn)分流器近似均勻送風(fēng)，等斷面等側(cè)孔近似均勻送風(fēng)管道計(jì)算模型如圖3。

管道末端封閉，進(jìn)口斷面流速為ω0，斷面積為A，長度為l，孔口數(shù)n，孔口面積為σ。

圖3 等斷面等側(cè)孔近似均勻送風(fēng)管道計(jì)算模型Fig.3 Calculation model of approximately uniform air supply pipeline with equal side holes of equal sections

從管道末端向進(jìn)口方向，將孔口依次編號(hào)且在每一個(gè)孔口前面取1 個(gè)斷面。

第i 號(hào)孔口的出流速度vi為：

式中：μ 為孔口流量系數(shù)；ρ 為空氣密度，t/m3；pi為斷面處的空氣靜壓，Pa；g 為重力加速度，kg/s2。

列1 斷面與斷面間能量方程式：

式中：p1為1 斷面處的空氣靜壓，Pa；ω1、ωi、ωk、ωk+1為1、i、k、k+1 斷面處流速，m/s；λ 為沿程阻力系數(shù)；l0為相鄰孔口之間距離，m；d 為管道直徑（或當(dāng)量直徑），m；τ 為孔口阻力系數(shù)，τ=0.4。

《觸電》這首詩具有強(qiáng)烈的構(gòu)成性，是整體與通感的。通感一般是把分屬于不同“感覺域”的詞或詞組，通過特定的語法手段組合在一起，使核心意象的詞義發(fā)生變化——感染上其他“感覺域”所特有的色彩，從而形成通感意象。

當(dāng)管道中流速的變化符合線性，λ 為常數(shù)，l0=l/n 時(shí)，式（2）可以寫成：

由于近似均勻送風(fēng)，可以認(rèn)為平均出流速度vc等于出流速度v1,即vc=v1，求解式（1）、式（3）得到：

式中：v1為第1 號(hào)孔口的出流速度，m/s。對(duì)式（4）進(jìn)行推導(dǎo)、換算，可求出任意一個(gè)孔口的出流速度；=σ/A。

等斷面等側(cè)孔送風(fēng)管道孔口出流速度如圖4。

要實(shí)現(xiàn)近似均勻送風(fēng)，就要減小孔口出流速度的偏差，孔口出流的不均勻性系數(shù)r 定義為：

圖4 等斷面等側(cè)孔送風(fēng)管道孔口出流速度變化Fig.4 Variation of outlet velocity of air supply pipe with equal side holes in the same section

式中：v 為計(jì)算孔口的出流速度，m/s。管道末端孔口出流速度的不均勻性系數(shù)r1為：

管道進(jìn)口處孔口出流速度不均勻性系數(shù)rn為：

當(dāng)l＜2d/λ 時(shí)，管道中間部分不出現(xiàn)出流速度最小的孔口，式（6）失去意義，采用式（5）和式（7）進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)2d/λ＜l＜3d/λ 時(shí)，采用式（5）和式（6）進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)l＞3d/λ 時(shí)，采用式（6）和式（7）進(jìn)行計(jì)算。

由式（5）～式（7）計(jì)算出的r1、rmin、rn值都不能超過給定的最大不均勻性系數(shù)rmax。依據(jù)這個(gè)原則，確定值，可得到孔口面積計(jì)算式：

對(duì)圖1 分流器模型進(jìn)行近均勻分風(fēng)設(shè)計(jì)。其中，對(duì)橫管的設(shè)計(jì)省略，立管設(shè)計(jì)的已知參數(shù)：管內(nèi)徑d=0.039 m，長l=1.2 m，孔口數(shù)n=10，孔口流量系數(shù)μ=0.62，沿程阻力系數(shù)λ=0.03，最大不均勻性系數(shù)rmax=0.05。

根據(jù)式（8）計(jì)算的孔口面積為9.6×10-5m2，將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為孔徑，d=11 mm。

當(dāng)出風(fēng)口孔徑d=11 mm 時(shí)，分流器的分流偏差由12 %降至5 %，實(shí)現(xiàn)了分流器近于等量分風(fēng)。

4 結(jié) 語

1）用斷面平均流速和靜壓代表計(jì)算斷面的流速和靜壓，孔口出流未考慮位能影響僅認(rèn)為是靜壓作用的結(jié)果，假定了管道內(nèi)空氣密度、孔口的流量系數(shù)為常數(shù)，這樣的理論計(jì)算與實(shí)際存在偏差；另外，對(duì)同一類型的送風(fēng)管道設(shè)計(jì)，由于選取的管道斷面積、長度、孔口數(shù)及供風(fēng)量不同，其風(fēng)口等量送風(fēng)率也不同。因此，要獲得理想的應(yīng)用效果就要對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2）如果分流器出風(fēng)口連接管的內(nèi)徑大于計(jì)算的等截面變風(fēng)口均勻送風(fēng)管道的最大風(fēng)口直徑，建議采用等截面變風(fēng)口均勻送風(fēng)管道設(shè)計(jì)出風(fēng)口，使近似均勻送風(fēng)更接近于均勻送風(fēng)。