氣液兩相并流向下通過篩板孔口單元的壓降特性

張安琪，譙敏，武劭恂，毛宇，黃衛(wèi)星

（四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都610065）

篩板填料由多塊篩板堆疊而成，結(jié)構(gòu)簡單，制 造安裝方便，已成功用于核電廢水處理[1-2]。篩板填料的壓降特性直接影響塔內(nèi)氣液相互作用、溫度和壓力分布，進(jìn)而影響填料塔的傳熱、傳質(zhì)效率[3-4]，因此研究篩板填料的壓降特性對篩板填料的應(yīng)用設(shè)計(jì)有重要實(shí)際意義。工業(yè)應(yīng)用時(shí)，篩板填料內(nèi)，氣液兩相并流向下通過各層篩板，其基礎(chǔ)單元為氣液并流向下通過孔口，兩相的相互作用主要發(fā)生在孔口處，因此對氣液兩相并流向下通過孔口的壓降特性進(jìn)行研究對篩板填料來說具有重要基礎(chǔ)意義。

流體通過篩板孔口的流動(dòng)與傳統(tǒng)的管內(nèi)孔板流動(dòng)有顯著不同，目前文獻(xiàn)報(bào)道的研究主要集中于管內(nèi)孔板流動(dòng)。比如Kojasoy等[5]用滑移比參數(shù)修正單一氣相通過水平孔板的壓降，獲得了氣液兩相通過孔板的壓降預(yù)測關(guān)聯(lián)式；Chen等[6]提出了氣液兩相并流通過水平管道內(nèi)孔板的壓降預(yù)測模型并通過不同體系下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的可靠性；Roul等[7]對氣液兩相并流通過厚孔板的壓降進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)壓降隨板厚的增加而減小；另外Fossa和Guelielmini[8]也研究了氣液兩相并流通過水平管道內(nèi)薄孔板和厚孔板的壓降特性，得到了和Roul等[7]相同的結(jié)論。可以看到，盡管對氣液兩相通過孔板的研究已經(jīng)有很多，但這些研究多集中于水平方向的管道內(nèi)，這與篩板填料內(nèi)氣液兩相并流向下通過孔口的流動(dòng)方式具有明顯的不同；而流體通過篩板孔口的流動(dòng)與傳統(tǒng)的管內(nèi)孔板流動(dòng)的主要區(qū)別在于：傳統(tǒng)管內(nèi)孔板流動(dòng)的氣液兩相均屬強(qiáng)制流動(dòng)，液相多為連續(xù)相而氣相為分散相，管內(nèi)和孔口的氣液兩相流作用都很明顯，且有限管徑內(nèi)管壁影響顯著；篩板孔口的流動(dòng)中，液相靠重力和氣相拖拽流動(dòng)，液相為連續(xù)相或分散相而氣相為連續(xù)相，氣液兩相作用主要發(fā)生于孔口，塔體器壁影響可忽略不計(jì)。因此，對氣液兩相并流向下通過孔口的壓降進(jìn)行研究具有其特定意義。

本文設(shè)計(jì)并搭建了氣液兩相并流向下通過孔口的實(shí)驗(yàn)裝置，并對不同規(guī)格孔板的壓降進(jìn)行了測試，系統(tǒng)分析了氣液兩相流量、孔徑和板厚對孔口阻力特性的影響。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了單一氣相以及氣液兩相并流向下通過篩板孔口單元的壓降預(yù)測關(guān)聯(lián)式。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及試驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)裝置主要由方形殼體和測試孔板組成。殼體上部主要包括氣液進(jìn)口、氣相分布板和液相分布板；下部主要包括氣液分離板及氣液出口。測試孔板放置于上下殼體之間，上下殼體采用螺栓進(jìn)行緊密連接。流體流過孔板后的壓降通過U 形管測量。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程

基于Shi 等[1]的篩板填料規(guī)格，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了直徑分別為6mm、10mm、14mm 三種不銹鋼孔板，其有效邊長D為130mm，每種孔徑的孔板均有4種不同厚度。具體參數(shù)見表1，其中d為孔徑，t為板厚，A1/A2為開孔面積/孔板有效面積。

表1 孔板幾何參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行，空氣和水分別作為氣相和液相。實(shí)驗(yàn)過程中，氣相和液相分別從頂部和側(cè)面進(jìn)入殼體，然后并流向下通過孔板。氣相流量由風(fēng)機(jī)和三個(gè)氣相轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制，液相由水泵和兩個(gè)液相轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制。實(shí)驗(yàn)中測量了排空管路處的氣相溫度和水槽中液相溫度。

實(shí)驗(yàn)過程中，在液相流量為0時(shí)，逐漸增大氣相流量，并記錄相應(yīng)流量下的壓降。然后逐漸增大液相流量，在固定液相流量下，逐漸增大氣相流量，記錄相應(yīng)的兩相流壓降。其中液相質(zhì)量通量范圍為0～294kg/(m2·s)，氣相質(zhì)量通量范圍為1.7～65.1kg/(m2·s)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 壓降影響因素分析

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，氣液流量、孔徑和板厚對壓降均有明顯的影響，下面將逐一分析這些參數(shù)對壓降的具體影響規(guī)律。

2.1.1 氣液流量的影響

圖2(a)表示的是單一氣相通過孔板A、B、C、D 的壓降隨氣相通量WG的變化規(guī)律，可以看出，壓降隨WG的增加而增大；圖2(b)表示的是在不同液相質(zhì)量通量WL下氣液兩相通過孔板I 的壓降隨WG的變化規(guī)律，可以看出，壓降隨WG的增加而顯著增大，隨WL的增加而增大[9-10]。

圖2 氣液流量對壓降的影響

2.1.2 孔徑的影響

圖3 孔徑對壓降的影響

圖3 表示的是單一氣相/相近液量下的氣液兩相通過孔板B、F、J的壓降隨氣相流量QG的變化規(guī)律，三種孔板的差異主要在于孔徑d的不同?？梢钥闯?，壓降隨d的增加而減小，且壓降梯度也減小。這是因?yàn)樵谙嗤髁肯拢瑲庀?氣液兩相流過孔徑更小的孔時(shí)表觀速度更大，通過孔板時(shí)局部阻力損失更大；而當(dāng)流量增大時(shí)，小孔徑較大孔徑的表觀速度增長更快，因此壓降梯度更大[11-12]。

2.1.3 相對板厚的影響

圖4 表示的是單一氣相/同一液量下氣液兩相通過不同相對板厚t/d的孔板E、F、G、H 的壓降隨氣相質(zhì)量通量WG的變化規(guī)律，可以看出，壓降隨t/d的增加而減小[8,13-15]。這是由于銳緣效應(yīng)的影響：流體流經(jīng)孔板時(shí)，因慣性力作用，主流與壁面脫離，其間形成旋渦區(qū)，旋渦區(qū)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)烈紊動(dòng)消耗大量能量。隨著板厚增加，旋渦區(qū)影響減小，壓降隨之減小。

2.2 單一氣相壓降預(yù)測關(guān)聯(lián)式

當(dāng)單一氣相向下通過孔板時(shí)，其壓降可以通過式(1)計(jì)算。

式中，ζG為單一氣相通過孔板的阻力系數(shù)；WG為單一氣相通過孔板的質(zhì)量通量，kg/(m2·s)；ρG為氣相密度，kg/m3。

基于2.1節(jié)可以發(fā)現(xiàn)ζG與A1/A2、t/d有關(guān)，另外可以用氣相雷諾數(shù)ReG反映氣相流量的影響，氣相雷諾數(shù)定義見式(2)。

圖4 相對板厚對壓降的影響

式中，μG為氣相黏度，Pa·s。

則ζG的表達(dá)式可以寫如式(3)。

將ζG的實(shí)驗(yàn)測試值與ReG作出關(guān)聯(lián)圖如圖5 所示。從圖中可見，當(dāng)ReG相對較低時(shí)（ReG＜5000），ζG隨著ReG的增加而減??；當(dāng)ReG超過一定值后（ReG≥5000），ζG保持不變，即獨(dú)立于ReG而僅僅與孔板的幾何參數(shù)有關(guān)，此時(shí)氣相流動(dòng)進(jìn)入阻力平方區(qū)[16]。因此在建立單一氣相壓降預(yù)測關(guān)聯(lián)式時(shí)需要以ReG=5000為界劃分為兩個(gè)區(qū)域。

圖5 阻力系數(shù)隨氣相雷諾數(shù)的變化規(guī)律

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式利用二次線性回歸方程擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到ζG關(guān)聯(lián)式[式(4)、式(5)]。

ReG≥5000時(shí)

其中參數(shù)實(shí)驗(yàn)范圍為：567＜ReG＜45792，0.107＜t/d＜1.37， 0.00167＜A1/A2＜0.00911。 圖6為阻力系數(shù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的誤差。式(4)的誤差基本在10%以內(nèi)，預(yù)測效果較好；式(5)的誤差在20%左右，這是因?yàn)樵谛饬肯聹y得的單孔壓降很小，測量誤差較大。

圖6 阻力系數(shù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的誤差

2.3 氣液兩相壓降預(yù)測關(guān)聯(lián)式

氣液兩相并流向下通過孔板時(shí)，其壓降可以通過式(6)計(jì)算。

式中，ζm為氣液兩相并流向下通過孔板的阻力系數(shù)；Wm為氣液兩相通過孔板的總質(zhì)量通量，kg/(m2·s)；ρm為氣液兩相名義密度，kg/m3。Wm與ρm計(jì)算見式(7)、式(8)。

2.3.1 氣相雷諾數(shù)大于5000

當(dāng)氣液兩相流量較大時(shí)，氣液兩相可視為混合均勻的連續(xù)流，可以采用均相流模型對壓降預(yù)測關(guān)聯(lián)式進(jìn)行分析，再結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行修正。

氣液兩相通過孔口的壓降可以等效成與兩相總質(zhì)量通量相同的單一氣相通過孔板的壓降ΔpGO再乘以氣相折算因子，即式(9)～式(11)。

其中

所以

式中，x為質(zhì)量含氣率，其計(jì)算見式(12)。

根據(jù)均相流模型，ζm可以用前文合理確定的單相形阻系數(shù)表征，因此認(rèn)為ζm的計(jì)算式與式(4)相同，而ζGO也由式(4)計(jì)算。因此聯(lián)立式(11)可以得到氣相折算因子如計(jì)算式(13)。

由于實(shí)際情況中，氣液兩相并非完全充分混合，因此本文引入兩相修正系數(shù)ψ與質(zhì)量含氣率x相乘，對O進(jìn)行修正，得到式(14)。

類比Zhu 等[17]對內(nèi)螺紋管道內(nèi)用單相液體流動(dòng)壓降折算氣液兩相流動(dòng)壓降的分析，ψ與x密切相關(guān)。圖7 為孔板D、C、G、K 中ψ與x的關(guān)系。可以看出ψ與x基本上呈線性相關(guān)，且隨著t/d的增大而增大，隨著A1/A2的增大而減小。

圖7 修正系數(shù)與質(zhì)量含氣率的關(guān)系

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到式(15)。

其中參數(shù)實(shí)驗(yàn)范圍為：5000＜ReG＜46041，247＜ReL＜4221， 0.0364＜x＜0.7579， 0.107＜t/d＜1.37，0.00167＜A1/A2＜0.00911。阻力系數(shù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的誤差如圖8所示，預(yù)測效果較好。

圖8 ReG≥5000時(shí)阻力系數(shù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的誤差

2.3.2 氣相雷諾數(shù)小于5000

當(dāng)氣液流量較小時(shí)，氣液兩相的流動(dòng)更接近分層流。因此2.3.1 節(jié)的修正方式不適用于氣相雷諾數(shù)小于5000的流動(dòng)狀態(tài)。此處引入修正因子λ，其定義見式(16)。

其中ζG由式(5)計(jì)算；基于2.1 節(jié)可以發(fā)現(xiàn)，λ與ReG、液相雷諾數(shù)ReL、t/d、A1/A2有關(guān)；另外，氣量較小時(shí)，韋伯?dāng)?shù)We較小不可忽略。因此λ可用式(17)表達(dá)。

韋伯?dāng)?shù)、雷諾數(shù)由式(18)～式(20)計(jì)算。

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到修正因子關(guān)聯(lián)式(21)。

其中參數(shù)實(shí)驗(yàn)范圍為：562＜ReG＜3300，247＜ReL＜4221，0.206＜We＜6.12，0.107＜t/d＜1.370，0.00167＜A1/A2＜0.00911。阻力系數(shù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值誤差如圖9所示，由于在氣相流量較小時(shí)，氣液兩相通過孔板的壓降很小，測量誤差較大，因此數(shù)據(jù)較為分散。

圖9 ReG＜5000時(shí)阻力系數(shù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的誤差

3 結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)研究了氣液兩相流量以及孔板結(jié)構(gòu)對氣液兩相并流向下通過篩板孔口單元壓降特性的影響，并提出了單一氣相向下通過孔口的壓降預(yù)測關(guān)聯(lián)式，在此基礎(chǔ)上獲得了氣液兩相并流向下通過孔口的壓降預(yù)測關(guān)聯(lián)式。具體結(jié)論如下。

氣液兩相并流向下通過孔口時(shí)，壓降隨著氣液流量的增加而增大，隨著孔徑的增大而減小；受孔口銳緣效應(yīng)的影響，壓降隨板厚的減小而增大。

單一氣相向下通過孔口的壓降阻力系數(shù)隨氣相雷諾數(shù)的變化可劃分為兩個(gè)區(qū)域。當(dāng)雷諾數(shù)小于5000 時(shí)，阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增大而減小；當(dāng)雷諾數(shù)大于5000 時(shí)，阻力系數(shù)僅與孔板結(jié)構(gòu)有關(guān)?；趬航底兓?guī)律分析，建立了單一氣相向下通過孔口的壓降預(yù)測關(guān)聯(lián)式，當(dāng)雷諾數(shù)大于5000 時(shí)，預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值的偏差在10%左右；當(dāng)雷諾數(shù)小于5000 時(shí)，由于壓降數(shù)值較小，測量誤差較大，預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值的偏差在20%左右。

當(dāng)氣相雷諾數(shù)大于5000，利用氣相折算因子對單一氣相壓降預(yù)測關(guān)聯(lián)式進(jìn)行修正，得到了氣液并流向下通過孔口的壓降預(yù)測關(guān)聯(lián)式，且預(yù)測效果較好；當(dāng)氣相雷諾數(shù)小于5000 時(shí)，通過直接對單一氣相阻力系數(shù)進(jìn)行修正，得到了氣液兩相壓降預(yù)測關(guān)聯(lián)式，由于壓降數(shù)值較小且數(shù)據(jù)較多，預(yù)測誤差相對較大。

符號說明

A1,A2—— 分別為開孔面積、孔板有效面積，m2

D—— 孔板有效邊長，m

d——開孔直徑，m

Δp,ΔpGO——分別為壓降、等效氣相壓降，Pa

QG,QL——分別為氣相流量、液相流量，m3/h

ReG,ReL——分別為氣相雷諾數(shù)、液相雷諾數(shù)

t——孔板厚度，m

uG——?dú)庀嗔鲃?dòng)速度，m/s

We——韋伯?dāng)?shù)

WG,WGO,WL,Wm——分別為氣相通量、等效氣相通量、液相通量、兩相總通量，kg/(m2·s)

x——質(zhì)量含氣率

ζG,ζGO,ζm——分別為氣相阻力系數(shù)、等效氣相阻力系數(shù)、兩相阻力系數(shù)

μG,μL——分別為氣相黏度、液相黏度，Pa·s

ρG,ρL,ρm——分別為氣相密度、液相密度、兩相平均密度，kg/m3

ψ——兩相修正系數(shù)

下角標(biāo)

G——?dú)庀?/p>

GO——等效氣相

L——液相

m——混合相