回转干馏炉内颗粒停留时间的计算机模拟研究

受力及位移情况 ， 并更新所有单元的位置 。通过跟踪计算每个单元的微观运动情况， 即可获得整个研究 系统 的宏 观运 动规 律 。离散元 的基 本假设 是 ： 选取 的时 间 步长 足够 小 ， 得 在一 个 单 独 的 时间 步长 内 ， 使 除了与选定的单元直接接触的单元之外 ， 自其他任何单元的扰动都不能传播过来 ； 来 并且规定在任意的 时间步长 内 ， 速度 和加速 度恒 定 。 在 离散元 素法 中 ， 固体 颗粒在 空 间的运动 分解 为平 动和 转动 两种模 型来 进行 分析 处理 ， 单个 颗粒 的 运 动行 为是 这两种 运动 的叠 加 。
颗 粒 的转动方 程 为
，
＝∑ ，
（） ２
式中Ｉ ｉ 是颗粒ｉ 的转动惯量（ ｇｍ） Ｋ／ ， 是颗粒ｉ 的角速度（ ｃｓ， 是由颗粒间碰撞而对颗粒ｉ ｒＬ ）∑ ａ／ 产
生 的扭 矩 总和 （ ｇ ｍ） ／ ｔ Ｋ／ 。 ｄ 即颗粒 ｉ 的角加 速度 （ａ ／ 。 ｒｄｓ） 当颗粒 颗粒 ｉ 生碰撞 时 ， 与 发 作用 在颗 粒 上 的扭 矩用 公式 （ ）计算 。 ３
灰器 出 口送 出。
备 ； 、 料机构 ；、 ８送 ９ 集灰器 出口； 、 １ 送料电机 ；１ 油气旁 ０ １、
路 ；２、 １ 反应器电机 ；３ 温度传感器 ；４、 １、 １ 压力传感 器 图 １ 回转式 油页岩干馏实验系统
第 ３期
王
恭等 ： 回转干馏 炉 内颗粒停 留时间的计算机模拟研究
＝ ×Ｆ （） ３
若在同一时刻有ｋ 个颗粒与颗粒ｉ 则∑ 为颗粒ｉ 接触， 所受的总扭矩
。
２ 油 页 岩 固体热 载 体 干馏 实验 系统
油页 岩 固体 热 载体干馏 实 验系统 如 图 １ 所示 。 由
混合 进料 系统 、 回转 干 馏 炉 、 油气 回收 系统 、 度 调 角
［ ］ 乔 斌 ， 玲 利 ， 晓 娟 ．基 于 Ｅ Ｅ 软件 的石 灰 石 在 回转 窑 内停 留时 间 的模 拟研 究 ［ ］ ２ 朱 雷 ＤＭ Ｊ ．矿 山机 械 ，０ ２，８ １ ：３—８ ． ２ １ ３ （９）８ ５ ［ ］ 刘 安 源 ， 石 ， 忠 刚 ．振 动 给 料 机 中 固体 颗粒 物 料 运 动 规 律 的 数 值 研 究 ［ ］ ３ 刘 潘 Ｊ ．中 国 科 学 院 研究 生 院学 报 ，０２，９ １ ：５—４ ． ２０ １ （ ）３ ２
热 载体在 干馏 炉 内 的混 合是 一个非 常 复杂 的过程 ， 其混 合效 果决 定 了颗粒 间 的传 热 效果 ， 最终影 响 到干 馏 过程 的 出油率 Ｊ 。研究 表 明 ， 粒 的 混 合效 果 与其 在 炉 内 的停 留时 间 密 切 相关 。然 而 在工 程 实 践 颗 中， 受工 业现 场客 观条件 的 限制 ， 法对 颗粒 在 回转炉 内的混合 过程进 行 准确 的观察 和分析 。 无 随着 离散 元理 论 和计 算 机技术 的发 展 ， 阶段 对 于颗粒 混合 过程 的仿 真得 到 了越 来越 多 的应用 ， 现 它 可 以对 实验难 以实 现 的过程 进行 一定 程 度 的分 析 和 补 充 。乔斌 等使 用 Ｅ Ｅ 软 件 模 拟 了 回转 窑 内石 ＤＭ 灰 石 的运动情 况 ， 研究 了其停 留时间 的规律 ， 并利 用仿 真结 果修 正 了水泥行 业 回转 窑 内颗 粒停 留时 间 的 经 验公式 。刘 安 源等利 用离 散元法 仿 真 分析 了颗 粒 在振 动 给料 机 中的 运 动规 律 并 归 纳 总结 了实 验
根据 牛顿 第二 运动定 律 ， 颗粒 的平 动运动 方程 为
ｍ ； ＝
∑ ： ＋ ＋ ， ｍ ｇ
（） １
式中： ｍ为颗粒 质量（ｇ ，是其速度（／） ∑ 为其所受的 的 Ｋ） ｍ ｓ， 作用力的 合力（ ） 表示颗粒 Ⅳ， 所
受 的法 向接 触力 （ ， 表 示其切 向接触力 （ 。 Ｎ） Ⅳ）
收 稿 日期 ： ０ １—１ ２１ １—１ ４
作者简介 ： 王 恭 （９ ０一） 男 ， １８ ， 安徽省怀宁县人 ， 东北电力大学 自动化工程学 院副教授 ， 硕士 ， 主要研究方 向： 工业 自动化及油矾岩 综合 利 用 ．
３ ８
东北电力大学学报
第３ ２卷
本文 以 回转式 油页 岩干馏 实验 系统 为研究 平 台 ， 过合理 简化 与假 设 ， 通 实现 了炉 内结构 的建模 。同 时， 以离 散元 素法 为理论 基础 ， 在设 定一 定 的颗粒特 性 、 填充 率及炉 体转 速 的条件 下 ， 三种 炉体倾 角 下 对 的颗粒停 留时间进 行 了仿 真研 究 。仿真 分析 有助 于设备 结构 型式 的改进 以及 操作 工况 的优 化 。
３ ％ 、 体转速 为 １ ｍ ｎ条件 下 ， ０ 炉 ０ｒ ｉ ／ 分析 了炉体 ３种 倾 角时 的颗 粒 停 留时 间 。结果 表 明 ， 内颗 粒 的平 炉
均停 留时 间随着 炉体倾 角 的增大 而减少 ； 然单个 颗 粒 的停 留时间具 有一 定 的随机性 ， 虽 但从 总体 观察 其
［ ］ 欧 阳鸿武 ， ４ 刘泳 ， 陈海林 ， 等．粉体混合过程 的实验 和数值模拟研究 ［］ Ｊ ．材料导报 ，０ ３ １ （ ）： ７ ２ ０ ，７ ８ ５— ．
［ ］ 潘振海 ， ５ 王吴 ， 王习 ， 油砂干馏系统的 Ｄ Ｍ－Ｆ 等． Ｅ Ｃ Ｄ耦合模拟 ［ ］ Ｊ ．天然气工业 ， ０ ， （ ２ ： ４— ２ ． ２ ８ ２ １ ） １ １６ ０ ８ ２
第 ３ 第 ３期 ２卷 ２ １ ６月 ０ ２年
东
北
电
力
大
学
学
报
Ｖｏ ． ２． ． １ ３ Ｎｏ ３
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｏ ｔｅ ｓ Ｄ ａ ｌＵｎｖ ｒｉ ｏ ｒ ａ ｒｈ ａｔ ｉｎｉ ｉｅ ｓｙ ｏＮ ｔ
Ｊｎ ２ ２ ｕ ．，０１
文 童 编 号 ： ０ ５— ９ ２ ２ １ ） ３— ０ ７— ５ １０ ２ ９ （０ ２ ０ ０ ３ ０
象， 以离散元素法为理论基础 ， 在一定填充率 和炉体 转速条 件下 ， 模拟分 析 了颗 粒在 ３种不 同倾 角条 件
下 的停 留时间。仿真结果表 明 ， 干馏炉 内颗粒的平均停 留时间随炉体倾角的增大而减少 ； 单个颗粒 的停
留时间具有一定 的随机性 ， 而宏观上 ， 内大量颗粒 的这一指标则在 不同时间区间内相对集 中。仿 真结 炉 果对 于观察 和分 析干馏炉 内颗粒 的运 动规律 ， 具有一定 的参考价值 。 关 键 词： 油页岩干馏 ； 回转干馏 炉 ； 留时 间； 停 计算 机模 拟
５ 结
论
固体 热载 体 干馏法 广泛应 用 于页岩 油 的提炼 ， 真 的方法 可 以为干 馏 炉 内颗 粒 混合 的分析 提 供 一 仿 种新 的研 究手 段 。通 过 对 系 统 的分 析 及 对 模 型 的合 理 简 化 ， 离 散 元 素 法 为 理 论 基 础 ， 填 充 率 为 以 在
文献标识码 ： Ａ
中 图 分 类 号 ： Ｅ６ Ｔ ２
目前 ， 随着 国际油价 的不 断上 升 ， 们越 来越 重视 石 油替 代能 源 的开发 ， 人 油页 岩 因其 巨大 的储 量 和 广 阔 的开发前 景 已成为研 究 的热 点 。油页岩 资 源 的开 发 模式 多 种 多样 ， 中采用 回转式 干 馏 炉 的 固体 其 热 载体 （ 热灰 ） 干馏 法具 有资 源利 用 效率 高 ， 于 维 护 的特 点 ， 研究 与 实践 中得 到 了重 点 关 注 。油 页 便 在
平 均停 留时间在 一定 时间 区间 内则相对 集 中 。仿 真结 果 对 于观 察 和分 析 干馏 炉 内颗 粒 的运动 规 律 ， 具 有 一定 的参 考价值 。
参 考 文 献
［ ］ 钱家麟 ， １ 尹亮 ．油页岩一石油的补充能源 ［ ．北京 ： Ｍ］ 中国石化 出版社 ，０ ８，１ ８ ２０ ８ —８ ．
回转 干馏 炉 内颗 粒 停 留 时 间 的计算 机模 拟研 究
王 恭 ， 苗 宇 ， 灵芳 ， 宇峰２ 孙 刘
（． １ 东北 电力大学 自动化工程学院 ， 吉林 吉林 １２ １ ；． ３ ０ ２２ 东北电力大学 能源与动力工程学院 ， 吉林 吉林 １２用于页岩油 的干馏 。本 文 以固体热 载体干馏 实验系统为模 拟对
数 据 ， 出 了不 同振动参 数对 颗粒 运动 影响 的规 律 Ｊ 得 。欧 阳鸿 武等 人 则在 分 析粉 体混 合 过 程 的基 本 特 征 和混合 机制 的基 础上 ， 介绍 了数值 模 拟 的理论基 础并 对 近 年来 数值 模 拟研 究 及 实 验研 究 进 展进 行 了
总结 。离散元 分 析方法 与计 算流 体力 学相结 合 可 以发挥 各 自在 建模 及 数值 分 析 的优 势 ， 年来 也 得 近 到 了重点 研究 。潘 振海等 将 离散元 素法 （ Ｅ 与计 算 流体 力 学 （ Ｆ 方法 结 合 起来 ， 用 Ｄ Ｍ 的 粒 Ｄ Ｍ） Ｃ Ｄ） 利 Ｅ 子轨 迹 、 碰撞等 力学 的计算 方 面 的优 势 以及 Ｃ Ｄ在流 体 计 算方 面 的优 势 ， 拟 了矩形 管 内液 固两 相 的 Ｆ 模 流 动过程 ， 析 了颗粒在 流体 的带 动下 在矩形 管 中的运 动规 律 Ｊ 分 。卢 洲针 对 物料 在气 力 输 送 过程 中特 别是 弯管 部分 易破 碎 的问题 ， 采用 Ｃ Ｄ和 Ｄ Ｍ 耦合 模拟 弯管 内的柱状 颗粒气 力输 送过 程 ， Ｅ Ｅ 与 Ｆ Ｅ 将 ＤＭ ＦＵ Ｎ Ｌ Ｅ Ｔ耦 合 ， 模拟 了颗 粒在 弯管处 的输 送过 程 ， 球形 颗粒 与柱 状颗 粒在 弯管 处 的运 动 规律 进行 了 比 对 较， 分析 了不 同弯径 比下 管壁 在传送 过 程 中的力学 特性 。
１ 离散 元 素法 基本 原 理
离散 元 素法 的基本思 想是 将所 研究对 象划 分为 一个 个 相互 独 立 的单 元 ， 据单 元 之 间 的相 互 作用 根 和 牛顿第 二运 动定 律 ， 动态 或静 态松 弛法 等进行 循环 迭代 计算 ， 采用 以确 定每个 时 间步 长 中对 象单 元 的