颗粒在椭圆形回转干馏炉内运动分析*

张立栋 朱明亮 刘朝青 王 擎 李少华 于 鑫

(1.东北电力大学；2.中国大唐电力科学研究院；3. 华能吉林发电有限公司长春热电厂)

颗粒物质正逐渐被人们所认知、研究，厚美瑛等对颗粒物质的基本性质、基本现象进行了阐述，对较常见的粮仓效应、加压膨胀特性、应力分布与成拱现象、崩塌现象以及振动引起的巴西果效应与成各种图案效应等现象进行系统描述[1～3]。在对颗粒进行研究的领域内，混合质量优异对产品质量有着至关重要的影响[4]，主要因素有运动空间、颗粒物性及运动速度等。目前国内外学者对这方面的研究主要采用数值模拟及实验等方法对不同振动下颗粒运动及回转装置内颗粒运动模式进行分析[5～7]，其中最典型的是巴西果效应，从中发现诸多振动所引起的现象[8～10]。对于回转装置内颗粒运动模式的研究，在圆形回转装置上的较多，主要通过不同颗粒物性、不同转速等实验因素对颗粒在回转装置内运动情况的影响进行分析[11～14]。武锦涛等通过实验与数值模拟对移动床中颗粒的运动进行研究，得出影响颗粒运动速度与内部受力的主要原因[15]。此外，国外对方形回转容器、椭圆形滚筒内不同物性颗粒混合与分离情况进行了分析，并对不同混合装置内颗粒随时间推移所形成的混合花纹与偏析现象进行系统分析[16～18]。

为了研究椭圆形混合装置对油页岩固体热载体干馏炼油过程的影响情况，应首先分析颗粒在椭圆形干馏炉中的运动状态。因此，本实验对椭圆形回转装置内不同长短轴比的椭圆筒形、不同转速、不同填充率和不同颗粒粒径下颗粒的运动模式进行对比分析，总结低转速时椭圆形回转装置内颗粒的运动模式，为研究椭圆滚筒内油页岩与固体热载体间混合机理打下基础。

1 实验装置及实验方法

1.1实验装置及物料物性

本实验所使用的实验台如图1所示，调速仪调节范围为0～50r/min，实验薄滚筒依据长短轴之比的不同分为两类(长短轴之比10.0∶9.0和10.0∶8.5)。实验物料采用直径为1、3mm的轴承钢GCr15钢球颗粒，其硬度为HRC62～66，密度为7.85g/cm3，弹性模量为21.14MPa，颗粒间摩擦系数为0.15；滚筒材料为中碳钢，其硬度约为HRC55，与钢球间摩擦系数为0.15。

图1 实验装置

1.2实验方案设计

实验主要方案(实验工况)见表1。此外为了研究不同粒径颗粒对运动形式的影响，采用3mm钢球颗粒重复进行10.0∶9.0椭圆形滚筒实验。

表1 实验工况

2 实验结果与讨论

颗粒在圆筒形混合器内的运动根据其不同物料与转速大致有6种形态[19]，笔者观察实验过程中转速对颗粒运动影响情况和长短轴随时间的变化，提取长轴垂直水平面时颗粒的运动图像进行处理，并对比分析异同点。

2.1不同转速下颗粒运动情况

图2所示为粒径1mm的颗粒在10.0∶9.0椭圆滚筒不同转速时的运动情况。转速6r/min时颗粒总体运动形式呈圆形运动模式中的rolling(滚动)模式，20、40r/min转速下颗粒总体运动形式呈现cascading(小瀑布)模式。图2中箭头代表颗粒运动趋势，A区域为颗粒下落层，B区域为涡心，C区域为相对静止层，曲线a为下落层与其他两个区域的分界线。对3种转速下颗粒的运动情况对比可知：颗粒群上表面在不同转速下表现各不相同，随着转速的提高上表面由直线逐渐变为大弧度曲线；颗粒在下落层两端所表现出的运动弧度随转速的增加而增大，涡心变长。这些现象与颗粒在圆形滚筒中相应运动模式下的运动现象基本相同。

图2 不同转速下颗粒的运动情况

2.2不同位置下颗粒运动情况

在不同位置下颗粒运动变化与圆形滚筒间差异很大(图3)：随着滚筒转动，颗粒表层与椭圆中心距离会发生周期性变化，颗粒表层所处位置在滚筒纵向(即颗粒层与长轴垂直位置)位置时最高，横向(即颗粒层与短轴垂直位置)位置时最低，这一结果导致涡心随着转动上下变化，并不像在圆形滚筒中涡心不变；随着转速的增大，颗粒表层切线a与水平线的夹角在不同位置发生变化，这一结果表明，在不同位置颗粒受到滚筒上抛力的作用，在横向时，上抛力最大，导致曲线a与水平线夹角最大；根据对不同位置下颗粒表面曲线b的形状对比发现，在较高转速下，横向位置曲线变化弧度较大，该现象在滚筒右上端最为明显，这是由于颗粒在滚筒不同位置所受力的大小不同，力越大颗粒表面弧度越大。

图3 不同转速、不同位置时颗粒的运动情况

2.3不同筒形下颗粒运动情况

根据对不同转速下10.0∶9.0椭圆滚筒与10.0∶8.5椭圆滚筒颗粒运动情况对比得出，当长短径比变大后，颗粒在低转速下运动状态相同，但进入小瀑布模式后运动有所改变，如图4所示为转速40r/min时滚筒(10.0∶8.5)内不同位置颗粒运动情况。

图4 10.0∶8.5滚筒内不同位置颗粒运动情况

通过图3、4对比发现，由于滚筒长短轴的变化，导致在小瀑布模式下颗粒表面弧度变小，即小瀑布模式被减弱，颗粒运动模式进入小瀑布的最低转速升高。

2.4不同填充率下颗粒运动情况

根据对实验记录的观察与分析，得出10.0∶9.0滚筒与10.0∶8.5滚筒在低转速(0～50r/min)下1/6填充率颗粒运动模式基本相同，但与1/3填充率下颗粒运动差别很大。图5为10.0∶9.0滚筒内1/6填充率下40 r/min时滚筒在不同位置时颗粒的运动情况，整体可以运动模式介于滚动模式和小瀑布模式之间，根据滚筒不同位置颗粒运动模式有所不同。图5a为竖直位置时颗粒的运动情况，在此位置右上部位颗粒线速度最大，因此颗粒在右上部位出现一定的上抛趋势，此时的颗粒运动模式趋近于小瀑布模式，与之相反，横向位置时颗粒运动平缓，运动模式更趋近于滚动模式；图5b中，颗粒表面形成的弧度最大，呈月亮形模式，也是一种典型的滚动模式。这组结果表明，在椭圆滚筒内，颗粒运动模式并不固定在圆形滚筒的6种模式，由于长短轴的变化会使颗粒出现两种运动模式并存的模式，在这里可以看作过渡模式。

图5 10.0∶9.0滚筒内1/6填充率下颗粒运动情况

2.53mm颗粒运动情况分析

粒径为3mm的颗粒在10.0∶8.5滚筒不同转速下的运动情况如图6所示。通过观察实验发现，在各个转速下，颗粒运动情况并非全程一个模式，在图6a、b中，颗粒运动到长轴垂直水平位置时，颗粒开始做滚动模式运动，当颗粒经过长轴与椭圆交点位置后，颗粒以滑动模式运动；当转速升高到30r/min左右时，在长轴垂直水平位置时出现小瀑布模式，之后变为滚动、滑动模式；在40r/min下颗粒运动模式由滚动、滑动相结合的模式转变为小瀑布与滑动相结合的运动模式；随着转速的升高，滑动模式会渐渐被滚动模式所替代，在50 r/min左右时，滑动模式完全被滚动模式所替代，颗粒运动模式变为滚动模式与小瀑布模式相结合的形式。

图6 10.0∶8.5滚筒内3mm颗粒运动情况

通过这组实验表明，当颗粒变大后，在长轴平行水平位置附近运动时，颗粒受到重力作用导致其在运动过程中产生大规模滑动；而在长轴位置被短轴替代后，颗粒进入了一个“爬坡”阶段，此时，颗粒静摩擦力大于重力产生的推力，故而运动模式变为滚动模式；在转速提高后，颗粒的滑动速度逐渐跟不上滚筒的转动，致使滑动被滚动替代；又由于转速增大后，颗粒在原滚动区域内所受到的惯性增大，导致颗粒慢慢被抛起，产生了小瀑布模式。

3 结论

3.1在低转速下，颗粒在椭圆滚筒内运动模式与在圆形滚筒的运动模式基本相同，但在椭圆滚筒内，不同位置会出现不同的运动模式。

3.2长短轴比10∶9较10∶8.5，颗粒运动趋势趋于平缓，进入小瀑布模式所需转速被提高。

3.3填充率变低会导致引起颗粒运动模式变化的最低转速增加，运动模式变化过渡区更明显。

3.4颗粒粒径变大，导致颗粒的运动模式更复杂，滑动模式、滚动模式与小瀑布模式组合出现。

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