膜分离制氮装置分流器近均匀分风设计_潘亮.pdf

第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 膜分离制氮装置分流器近均匀分风设计 潘亮 1,2 （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） 摘要 建立了一种送风管道为等截面等风口的膜分离制氮装置分流器实验模型， 旨在对分流 器各出风孔口的分流进行问题分析与优化计算， 通过对模型分风实验测定， 得到了分流器各风 口出风量大小不等的结果， 其分风量的最大偏差为 12 。由于分流器分流不均对膜组有不利影 响， 因此对分流器实验模型进行了优化设计， 采用 5的不均匀性分风系数设计分流器， 可看作 分流器实现了近似等量分风， 而由此设计出的出风口孔径 d， 即为优化设计的结果。 关键词 矿井防灭火； 制氮机； 膜分离制氮装置； 分流器； 均匀分风 中图分类号 TD753.3文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 07-0096-04 Near Uni Air Distribution Design for Shunt of Nitrogen Making Device of Membrane Separation PAN Liang1,2 （1.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China;2.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China） Abstract The experimental model is established about the shunt for membrane separation nitrogen making device, and the air supply pipeline is of equal cross section and equal tuyere, to carry out the problem analysis and optimization for the shunting of air orifices of the shunt. The model is measured by the air distribution experiment, the results show that the air volume of each air orifice of the shunt is different, and the maximum deviation of its air distribution is 12. Because the uneven distribution of the shunt has a negative effect on the membrane group, the experimental model of the shunt is optimized. The shunt is designed with an uneven distribution coefficient of 5, which can be considered that the approximate equal air distribution of the shunt is achieved. On this basis, the diameter d of air orifice is the result of optimization design. Key words mine fire control; nitrogen making machine; nitrogen making device of membrane separation; shunt; uni air distribution 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～ DOI10.13347/ki.mkaq.2020.07.019 潘亮.膜分离制氮装置分流器近均匀分风设计 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （7） 96-99. PAN Liang. Near Uni Air Distribution Design for Shunt of Nitrogen Making Device of Membrane Separa- tion ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （7） 96-99. 移动扫码阅读 96 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 压力/MPa供气量/ （m3 h-1）产氮量/ （m3 h-1） 0.48 0.69 0.90 1.10 1.31 12.3 18.7 25.2 31.8 38.4 3.90 6.45 9.13 11.9 14.6 Z10出气孔使空气由立管进入膜组。 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。 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。 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 2模型分流器分流状态图 Fig.2State diagram of model shunt 图 1分流器模型结构示意图 Fig.1schematic diagram of shunt model structure 表 1某型分离器膜的产氮量与进气量关系 Table 1Relationship between nitrogen production and air intake of a type of separator membrane 注 膜工作温度为 46 ℃； 产氮纯度为 97 。 97 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 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 viμ 2g ρ pi ■ （1） 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 pi ω 2 iρ 2g p1 ω 2 1ρ 2g i-1 k 1 ∑λ l0 d ω 2 kρ 2g τ ρ 2g（ωk1 -ωk） 2 ［］（2） 式中 p1为 1 断面处的空气静压， Pa； ω1、 ωi、 ωk、 ωk1为 1、 i、 k、 k1 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， τ0.4。 当管道中流速的变化符合线性， λ 为常数， l0l/ n 时， 式 （2） 可以写成 pip1 1i 2 λl 6n（i-1） （2i-1） iτ （i-1 ［］） 1 n 2 ω0 2 ρ 2g （3） 式中l l/d； l 为管道长度， m； n 为孔口数； i 为 孔口位置。 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 vcv1， 求解式 （1 ） 、 式 （3 ） 得到 viv10.5μ 2 σ 2 1-i 2 λl 6n（i-1） （2i-1） iτ （i-1 ［］）vc （4） 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 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 r v-vc vc v vc -1 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 r10.5μ 2 σ 2 （2n1） （n1） 6 -1- λl 12（n 2 -1） -τ n-1 2 ［］ （5 ） 孔口最小出流速度的不均匀性系数 rmin为 rmin0.5μ 2 σ 2 （1 3 （2n1） （n1） 6 - λl 12（n 2 -1） - τ n-1 2 - （1-τ）2n λl - 4n 2 3λ 2 l 2） （6） 管道进口处孔口出流速度不均匀性系数 rn为 rn0.5μ 2 σ 2 λl 4 （n-1） 2 τ n-1 2 -（4n1） （n-1） 6 ［］ （7 ） 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 μσ ， 可得到孔口面积计算式 σ μσ A μ （8） 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 d0.039 m， 长 l1.2 m， 孔口数 n10， 孔口流量系数 μ0.62，沿程阻力系数 λ0.03，最大不均匀性系数 rmax0.05。 由于 2d λ 20.039 0.03 2.6 m＞l,故采用式 （5）和 式 （7） 进行计算 图 3等断面等侧孔近似均匀送风管道计算模型 Fig.3Calculation model of approximately uni air supply pipeline with equal side holes of equal sections 图 4等断面等侧孔送风管道孔口出流速度变化 Fig.4Variation of outlet velocity of air supply pipe with equal side holes in the same section 98 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 λl ＝λl d 0.03 1.2 0.039 0.923 r10.5μ 2 σ 2 1211 6 -1- 0.92399 12 -0.4 9 2 ［］ 0.5μ 2 σ -2 28 rn0.5μ 2 σ 2 0.92381 4 0.4 9 2 - 419 6 ［］ 0.5μ 2 σ 2 （-41） 计算结果， rn的绝对值大于 r1， 令 rmaxrn 0.050.5μ 2 σ 2 （-41） 得到 μσ 0.05 0.541■ 0.049 4 根据式 （8） 计算的孔口面积为 9.610-5m2， 将计 算结果转化为孔径， d11 mm。 当出风口孔径 d11 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。 参考文献 ［1］ 赵微.增强 PVDF 中空纤维膜 MBR 应用及其污染机 理研究 ［D］ .天津 天津工业大学， 2015 3-4. ［2］ 李素玲， 赵韩， 史敏.实验室均匀送风管道设计的近似 计算 ［J］ .流体机械， 2004 （2） 39-40. ［3］ 滕琴， 杨冬冬， 田奇勇， 等.送风管道均匀送风的设计 方法 ［J］ .流体机械， 2003 （增刊） 310-313. ［4］ 杜红.等截面等侧孔均匀送风管道的设计计算 ［C］ // 中国建筑学会现代建筑防火技术研讨会论文集.北 京 中国建筑学会， 2003 191-197. ［5］ 马世明.变截面均匀送风管道电算程序 ［J］ .沈阳建筑 工程学院学报， 1987 （Z1） 95-106. ［6］ 刘春花， 周广.冷藏间均匀送风风道设计与数值模拟 ［J］ .浙江海洋学院学报 （自然科学版） ， 2010， 29 （2） 356-359. ［7］ 杜晓林， 李锐， 崔金库， 等.矿用硬体救生舱过渡舱室 喷淋装置初步设计 ［J］ .煤矿安全， 2011， 42 （12） 55. ［8］ 庄正宁， 王石生， 陈立勋.变出口截面均匀送风管分配 特性的试验研究 ［J］ .动力工程， 1993， 13 （6） 52-56. ［9］ 刘天川.正压风道等断面等面积风口近似均匀送风计 算 ［J］ .供热制冷， 2003 （2） 51-54. ［10］ 魏润柏.通风工程空气流动理论 ［M］ .北京 中国建筑 工业出版社， 1981 157-192. 作者简介 潘亮 （1982） ， 辽宁阜新人， 工程师， 本 科， 2005 年毕业于辽宁工程技术大学，主要从事煤矿生产 装备产品设计及生产技术工作。 （收稿日期 2020-02-20； 责任编辑 李力欣） 99 ChaoXing