气举与喷射气举的理论分析及实验比较

论文摘要

气举是以压缩空气为工作介质,来抽吸和压送液体或浆体的流体输送机械。气举的优点为结构非常简单,本身并没有运动部件,不会出现润滑或是磨损的问题。所以从理论上讲,气举维护费用非常低,且有很高的可靠性。目前气举技术在采油工程、深海采矿、清淤工程等都有广泛应用。但气举技术仍存在一些局限性,主要问题为其效率较低。针对此问题,本文通过实验研究了气举和喷射气举的提升固体能力和效率,结合理论对提升管内固体颗粒进行受力分析,运用三相流理论建立了管道阻力损失模型,运用动量定理、能量定理建立了气举装置效率模型。根据实验室条件结合工程实际,设计了一套小型气举采矿实验装置,选用普通河沙(粒径1~3mm)为工作介质。为提高提沙量和提水量实验数据精确性,对实验测量装置进行创新设计。实验表明,浸入率和进气量是影响气举提升特性曲线的关键因素。浸入率越大,提沙量和效率越大;存在最佳进气量,分别使提固量和效率最大;重点对气体喷射装置的结构参数进行设计,区别于气举,喷射气举采用环形喷嘴结构,在低进气量下,喷射气举并无明显优势,在高进气量下,喷射气举效率远高于气举,当进气量达到最佳值时,喷射气举效率为气举的2.75倍。综上所述,本课题提出的喷射气举效率高于气举,对工程实际问题,如深海采矿,清淤工程有一定指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 气举的概念
• 1.2 课题背景
• 1.3 气举的应用范围
• 1.3.1 滨海矿物开采
• 1.3.2 钻孔水力开采
• 1.3.3 气举采油技术
• 1.3.4 海洋采矿
• 1.3.5 其他应用领域
• 1.4 喷射器的发展过程
• 1.5 本论文研究内容
• 第二章 气力提升技术理论分析
• 2.1 气举
• 2.2 气举提升条件
• 2.2.1 两相流概况
• 2.2.2 三相流流型
• 2.2.3 垂直管流型图
• 2.3 固体颗粒在三相流运动中受到的力
• 2.3.1 阻力
• 2.3.2 重力和浮力
• 2.3.3 压力梯度力
• 2.3.4 虚假质量力
• 2.3.5 Basset 力
• 2.3.6 颗粒旋转时的 Magnus 力
• 2.3.7 saffman 力
• 2.3.8 气体作用在固体颗粒上的力
• 2.4 固体颗粒在垂直提升管中的压力损失
• 2.4.1 摩阻损失
• 2.4.2 位能损失
• 2.4.3 颗粒碰撞能耗引起的附加压力损失
• 第三章 气力提升理论模型
• 3.1 气举系统的工作原理
• 3.2 计算固体流量的基本数据
• 3.2.1 提示管低段能耗
• 3.2.2 提升管高段的能耗
• 3.2.3 固-液两相流下各相的体积浓度和流速
• 3.2.4 气-液两相流下各相的体积浓度和流速
• 3.2.5 三相流下各相的体积浓度和流速
• 3.2.6 能量动态平衡
• 3.3 气举装置理论模型的建立
• 3.3.1 气举总效率
• 3.3.2 净水提升的计算
• 第四章 气举和喷射气举实验研究
• 4.1 实验设计思路
• 4.2 实验装置及工作流程
• 4.3 实验装置主要部件
• 4.3.1 喷射式气举泵
• 4.3.2 多功能水箱
• 4.3.3 提升管
• 4.3.4 提升管固定套管
• 4.3.5 供沙箱
• 4.3.6 存储箱
• 4.3.7 集水槽
• 4.3.8 实验仪器选型
• 4.4 数据测量
• 4.4.1 液体体积流量的测量
• 4.4.2 固体质量流量的测量
• 4.5 实验数据分析
• 4.5.1 供沙量对气举提升能力的影响
• 4.5.2 气举实验数据分析
• 4.5.3 喷射气举实验数据分析
• 4.5.4 喷射式气举和气举提固能力对比
• 4.5.5 喷射式气举和气举效率对比
• 4.5.6 其他数据
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢