膜分离制氮装置分流器近均匀分风设计

潘 亮

（1.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122）

氮气是一种反应活性较低的惰性气体，在油船、油库、煤矿等易燃、易爆空间内使用可形成惰化环境，具有防灭火作用；在粮食、蔬菜、水果、食品以及易氧化材料保存等领域，被用作保护性气体，具有保鲜防腐作用。采用中空纤维膜分离空气成分富集氮气，其技术被广泛应用。

中空纤维膜制氮装置的核心是膜组，膜组的使用寿命及工效主要取决于膜组气源的供气品质及进气端分流器的分流。为了提升气源品质，采取了对进入膜组的空气进行预处理措施，即：采用换热器恒温空气，可达到预期的分离；采用过滤器对空气除水、除尘、除油，利于膜组减污延寿。而分流器分流对膜组其影响，目前研究、报道的较少。对此，建立了分流器模型，分析了分流器分流及对膜组的不利影响，旨在优化分流器结构，消除影响空分的不利因素。

1 分流器模型结构

分流器模型结构示意图如图1。模型由1 个进气横管和5 个进气立管组成，横管在x 轴方向上等距开有5 个等径的X1～X5出气孔使空气由横管进入立管；立管在z 轴方向上等距开有10 个等径的Z1～Z10出气孔使空气由立管进入膜组。

图1 分流器模型结构示意图Fig.1 schematic diagram of shunt model structure

2 分流器的分流状况及对膜组的影响

对分流器模型进行通流测定，其各出风口出流大小不等，模型分流器分流状态图如图2。横管由进口的X1孔到终端的X5孔，立管由进口的Z1孔到终端的Z10孔，其出流量均逐渐增大，形成了孔出风量QX5Z10＞QX5Z1＞QX1Z10＞QX1Z1的分流关系。其出流最大偏差约12%。

图2 模型分流器分流状态图Fig.2 State diagram of model shunt

将图2 中的ABCD 虚线框看做平均进气量截面，处于截面内进气量低于均量的膜，其产氮量降低，处于截面外进气量高于均量的膜，其产氮量提高，膜的产氮量与进气量关系见表1。

由于对进入膜组的空气进行的预处理也难以完全去污，所以每个超均量使用的膜相对低通量的膜会重点加剧污染，一些油与尘在中空纤维管上的内外沉积与吸附，致密了纤维空隙，收窄或堵塞了纤维管通道，随着纤维管壁截留沉积溶质浓度的升高所形成的浓差极化层又会加速纤维管表面污染物的吸+膜压差下通量的衰减或者恒定通量下跨膜压差增大[1]，而随着超均量区域膜块污染的不断加重增阻，风流逐渐转向低阻膜通道，又加速了低通量膜的污染。相对于均布污染，这种扩散式污染会加快污染进程。

表1 某型分离器膜的产氮量与进气量关系Table 1 Relationship between nitrogen production and air intake of a type of separator membrane

3 分流器的近均匀分风

导致膜组功能减退相对加快的原因是分流器不能等量分风，采用均匀送风管道实现均匀送风是减缓膜组较快污染的一种有效途径。

目前，均匀送风管道有3 种形式：①变截面等风口（条缝）均匀送风管道，如文献[2]；②变风口（条缝）等截面均匀送风管道，如文献[3]；②等截面等侧孔（条缝）均匀送风管道，如文献[4]。3 种均匀送风管道的特点：①第1 种形式的管道能够实现均匀送风且出风口风速相等[5-6]，但加工制造困难，对使用空间有一定要求；②第2 种形式的管道在实现均匀送风时，各出风口的风速不等[7-8]，对只要求均匀送风，不要求出口风速的工程中，采用这种方式的送风管道易于加工制造且费用较低；③第3 种形式的管道可实现近似均匀送风[9-10]。

从图1 的分流器结构上看，横管的各风口出风进入立管，立管的各风口出风进入膜分离器。这样，带有条缝的均匀送风管道不适用于本分流器。同样，有限的空间及等径的分流器与膜连接管限制了变截面等风口、变风口等截面均匀送风管道的使用。鉴于此，采用等截面等侧孔送风管道实现分流器近似均匀送风，等断面等侧孔近似均匀送风管道计算模型如图3。

管道末端封闭，进口断面流速为ω0，断面积为A，长度为l，孔口数n，孔口面积为σ。

图3 等断面等侧孔近似均匀送风管道计算模型Fig.3 Calculation model of approximately uniform air supply pipeline with equal side holes of equal sections

从管道末端向进口方向，将孔口依次编号且在每一个孔口前面取1 个断面。

第i 号孔口的出流速度vi为：

式中：μ 为孔口流量系数；ρ 为空气密度，t/m3；pi为断面处的空气静压，Pa；g 为重力加速度，kg/s2。

列1 断面与断面间能量方程式：

式中：p1为1 断面处的空气静压，Pa；ω1、ωi、ωk、ωk+1为1、i、k、k+1 断面处流速，m/s；λ 为沿程阻力系数；l0为相邻孔口之间距离，m；d 为管道直径（或当量直径），m；τ 为孔口阻力系数，τ=0.4。

《触电》这首诗具有强烈的构成性，是整体与通感的。通感一般是把分属于不同“感觉域”的词或词组，通过特定的语法手段组合在一起，使核心意象的词义发生变化——感染上其他“感觉域”所特有的色彩，从而形成通感意象。

当管道中流速的变化符合线性，λ 为常数，l0=l/n 时，式（2）可以写成：

由于近似均匀送风，可以认为平均出流速度vc等于出流速度v1,即vc=v1，求解式（1）、式（3）得到：

式中：v1为第1 号孔口的出流速度，m/s。对式（4）进行推导、换算，可求出任意一个孔口的出流速度；=σ/A。

等断面等侧孔送风管道孔口出流速度如图4。

要实现近似均匀送风，就要减小孔口出流速度的偏差，孔口出流的不均匀性系数r 定义为：

图4 等断面等侧孔送风管道孔口出流速度变化Fig.4 Variation of outlet velocity of air supply pipe with equal side holes in the same section

式中：v 为计算孔口的出流速度，m/s。管道末端孔口出流速度的不均匀性系数r1为：

管道进口处孔口出流速度不均匀性系数rn为：

当l＜2d/λ 时，管道中间部分不出现出流速度最小的孔口，式（6）失去意义，采用式（5）和式（7）进行计算；当2d/λ＜l＜3d/λ 时，采用式（5）和式（6）进行计算；当l＞3d/λ 时，采用式（6）和式（7）进行计算。

由式（5）～式（7）计算出的r1、rmin、rn值都不能超过给定的最大不均匀性系数rmax。依据这个原则，确定值，可得到孔口面积计算式：

对图1 分流器模型进行近均匀分风设计。其中，对横管的设计省略，立管设计的已知参数：管内径d=0.039 m，长l=1.2 m，孔口数n=10，孔口流量系数μ=0.62，沿程阻力系数λ=0.03，最大不均匀性系数rmax=0.05。

根据式（8）计算的孔口面积为9.6×10-5m2，将计算结果转化为孔径，d=11 mm。

当出风口孔径d=11 mm 时，分流器的分流偏差由12 %降至5 %，实现了分流器近于等量分风。

4 结 语

1）用断面平均流速和静压代表计算断面的流速和静压，孔口出流未考虑位能影响仅认为是静压作用的结果，假定了管道内空气密度、孔口的流量系数为常数，这样的理论计算与实际存在偏差；另外，对同一类型的送风管道设计，由于选取的管道断面积、长度、孔口数及供风量不同，其风口等量送风率也不同。因此，要获得理想的应用效果就要对设计参数进行反复优化及实验验证。

2）如果分流器出风口连接管的内径大于计算的等截面变风口均匀送风管道的最大风口直径，建议采用等截面变风口均匀送风管道设计出风口，使近似均匀送风更接近于均匀送风。