液体填塞流的持液率与压力降研究

液体填塞流的持液率与压力降研究 J OU RNAL O F XI′AN J IAO TOGN U N IV ERSI T Y () 文章编号 :0253 - 987 X20020520469204 液体填塞流的持液率与压力降研究 刘 磊 , 周芳德 , 王跃社 ()西安交通大学能源与动力学院 , 710049 , 西安 () 摘要 : 以不同粘度的流体为液相 ,在垂直管中研究了液体填塞流 包括弹状流 、块状流和泛出流的 持液率和压力降. 研究结果明 ,对于不同粘度的液体 ,填塞流的持液率都随无量纲气流体积通量 的增大呈对数规律减小 ,总压力降随气流体积通量也近似呈对数规律变化 . 研究同时发现 ,液体填 塞流的摩擦阻力压力降为负值且存在极值点 ;摩擦阻力压力降在总压力降中所占的百分比与气流 体积通量的关系存在拐点 ,拐点处对应于弹状流向块状流的流型转变. 关键词 : 复杂流动 ;两相流 ;流型 ;持液率 ;压力降 中图分类号 : O359 文献标识码 : A Hol dup an d Pressure Drop in L iquid2Loa ding Ga s2L iquid Fl o w L i u L ei , Zhou Fa n g de , W a n g Y ues he ( )School of Energy and Power Engineering , Xi′an J iaoto ng U niversit y , Xi′an 710049 , China Abstract : Liquid2loading flow is a particular case of t wo2p hase up ward flow . Holdup and p ressure () drop of liquid2loading flow including slug flow ,chur n flow and blowo utwere investigated in a verti2 cal t ube , using different fluids as liquid p hase . Experimental data show t hat fo r different fluids t he liq2 uid holdup in liquid2loading flow decreases logarit hmically wit h t he increase of t he no n2dimensio nless gas flux defined as t he ratio of gas flux to critical flux . The total p ressure drop also varies logarit hmi2 cally wit h gas flux . Meanw hile , it was fo und t hat t he f rictio nal p ressure drop of liquid2loading flow is negative and has a minimum value . The relatio nship curve , w hich is of t he gas flux and t he ratio of f rictio nal p ressure drop to total p ressure drop , has inflexio n point . This inflexio n co rrespo nds to t he t ransitio n f ro m slug flow to chur n flow . Key words : com plex f low ; t w o2p hase f low ; f low p at te r n ; hol d u p ; p ress u re d rop 通常 ,若液体流量为 0 ,人们即认为流动为单相 ,常发生于管式反应器 、管式冷凝器 、汽 直管段所致 气体流. 但是 ,在化工流程的上升管段 ,会有一种特 提设备和分离设备中的气体上升侧 ,可造成以上诸 殊的气液两相流动现象发生 ,这种流动现象即是液 设 备 在 运 行 过 程 中 的 非 正 常 流 动. Ko kal 和 1 2 体填塞流 ,表现为气液两相流体在上升管中作混合Stanislav及 Amaravadi 等人以水和空气为工质 , 流动 ,而入口和出口的液体流量都为 0 . 这种两相流 研究了倾斜管中液体填塞条件下的弹状流和分层 动现象既区别于鼓泡流 ,又区别于 Slugging 现象. 这 流 ,以揭示气液两相流极限流动状态的基本特性. 3 是由于管中有积存液体而气体又不能将其携带出垂 Duncan 和 Scot t 以水和空气为工质 , 研究了压力 () () 收稿日期 : 2001208220. 作者简介 : 刘 磊 1967,,男 ,讲师. 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 59995460. 泛出流流型是稳态还是非稳态 ,取决于环状流区的 对垂直管中液体填塞流持液率的影响 ,以改进分离 液膜回流率和夹带液滴流率. 以 q表示泛出流中设备的性能. 本文以不同的液体来研究垂直管中液 m 1 体填塞流的持液率和压力降. 夹带液滴的质量流量 , q表示泛出流中下降液膜的 m 2 质量流量 , 若如下关系成立 1 试验装置与工质 ( )q- q= 01 m m 1 2 则下降液膜的质量流量就等于夹带液滴的质量流 ,如图 1 所示. 试验在透明的有机玻璃管中进行 量 , 表明所有的夹带液滴又在管壁上形成下降液膜 ,试验段高 10 m ,内径为 75 mm. 首先 ,将试验段充满 并完全回流至块状流区 , 使管中的总液量保持不变 ,液体 ,然后关闭液体侧阀门 ,打开气体侧调节阀 ,一 部分液体被气流携带出试验段 ,一部分液体仍滞留 从而泛出流就具有稳态的流动特性. 若如下关系成 (于试验段中 ,当流动稳定后 不再有液体随气体流出 立 ) 试验段,关闭气体侧调节阀 ,气体侧单向阀阻止流 ( )q- q> 02 m m 1 2 体逆向流动 ,液体即被关闭于试验段中而形成液体 则液体被气体携带出上升管段 , 管中的总液量逐渐 填塞流这一特殊的气液两相流动. 试验压力由压力 表测量 ,总压力降由差压传感器测量. 根据静液柱高 减少 , 净液流量为 0 这一条件不再成立 , 则泛出流具 度确定持液率 ,依据液柱静压确定重位压力降 ,摩擦 有非稳态的流动特性. 阻力压力降由总压力降与重位压力降之差得出. 气 保持液膜回流率和夹带液滴流率相等是非常困 体为空气 , 流量由质量流量计测量 , 试验表压力为 难的 , 因此泛出流常常具有非稳态的流动特性. 在石 013 M Pa . 油化工流程中发生的液体填塞流 , 其流型一般为弹 状流和块状流 , 本文在下面主要研究液体填塞流中 弹状流和块状流的持液率和压力降. ( ( ) () ) a弹状流 b块状态 c泛出流 图 2 液体填塞流流型 图 1 试验装置 3 持液率与压力降 ( ) 试验所用的液体是水 粘度为 0101 Pas?以及 持液率定义为管中的液体体积在管道总体积中 两种水溶性瓜胶溶液. 这两种不同粘度的溶液分别 称为瓜胶 1 和瓜胶 2 ,并使用旋转式粘度计测得其 所占的比率. 本文以水和瓜胶溶液为液相 , 测得液体 粘度分别为 0104 Pa?s 和 011 Pas?.填塞流的持液率与气流体积通量的关系见图 3 . 气 流体积通量的定义为 ( )3 2 J = q / A 流 型 G G 式中 : q 为气体的体积流量 ; A 为流通截面积. 图 3 G ( ) 3 种基本流型 见图 2, 观察到液体填塞流有 中的试验数据覆盖了弹状流和块状流两种流型 , 就 的持液率随气流通量呈对数规律衰减 , 持液率与气 相流动的总压力降由重位压力降与摩擦阻力压力降 Δ 流体积通量的关系可表示成如下一般形式两部分组成 , 其测量结果见图 4 , 图中p 为液体填 t ( ) ( )塞流在 10 m 高试验段中的总压力降. 图 4 表明 , 随 = B ln J + B 4 H L 1G2 着气流体积通量的增大 , 总压力降减小 . 不论是水为式中 : B 和 B 为待定系数. 假设能将管中液体全 1 2 液相还是瓜胶 1 、瓜胶 2 为液相 , 总压力降随气流体 部排出管外的最小气体流速 为 J , 对 应 于 这 一 流 cr 积通量都近似呈对数规律变化. ( ) 速 , 持液率为 0 , 式 4变为 ( )( ) 5 B ln J + B = 0 1cr2 ( ) ( ) 将式 5代入式 4并作变换 , 可得 J G( 6 ) H= B ln L 1J cr ( ) ( ) 式 6表明 , 持液率与无量纲速度 J / J 的对数值 Gcr 成正比. 定义临界气流通量为可将液体全部携带出 管道的最小气流通量 , 由前面对泛出流流型的分析 ( ) 可知 , 如果泛出流流型的下降液膜 见图 2c发生逆 流 , 即液膜随气流向上流动 , 则管中液体最终将被气 流全部携带出垂直管段 , 因此下降液膜发生逆流时 的气流通量即是液体填塞流的临界气流体积通量图 3 液体填塞流的持液率 J . cr 4 L evy推 荐 使 用 Pushkina 和 So ro kin 逆 流 准 则 , 这一准则将发生逆流时的临界气流通量表示为 1/ 4 σ(ρρ)g - L G( )J = C ? 7 cr2 ρG σρ式中 : C 为系数 ;为表面张力 ; g 为重力加速度 ; L ρ为液体密度 ;为气体密度. Pushkina 、So ro kin 将 C G 取为 311 , 本文依据不同流体的试验数据 , 将 B 和 1 C 表示成如下关系式 0105 ( )B = - Re/ 10 8 1 - 0125 ( )C = 68 Re 9 图 4 液体填塞流的总压力降 ( ) ( ) 在式 8和式 9中 , 雷诺数 Re 定义为 1/ 2 ρ( ) ?D g ?D L Δ 图 5 是液体填塞两相流的摩擦阻力压力降p ( )f10 Re = μ L与气流体积通量的关系 , 同液体流量不为 0 的常规 μ( ) ( )式中 : D 为管径 ;为液体粘度. 以式 7,式 10 L 气液两相流相比 , 液体填塞两相流的摩擦阻力压力 ( ) 可计算出式 4中的系数 B 和 B . 对于水 、瓜胶 11 2 降具有奇特性 , 表现为如下 2 个方面. 和瓜胶 2 , B 分别为 0117 、0115 和 0114 , B 分别为1 2 ( ) 1摩擦阻力压力降为负值 , 对总压力降是负贡 0140 、0146 和 0148 . 在图 3 所示的半对数坐标图上 ,献 , 而常规垂直上升流动的摩擦阻力压力降为正值. ( )3 个对数关系式与试验数据非常吻合 , 显示出式 6() 2摩擦阻力压力降与气流通量的关系存在极 ( ) 是简单可靠的计算式. 需要指出的是式 6的适用范 值点 , 在弹状流时 , 摩擦阻力压力降的绝对值随气流 围为弹状流和块状流流型 . 体积通量的增大而增大 , 在块状流时 , 摩擦阻力压力 从物性上来看 , 对应于相同的 剪 切 速 率 , 瓜 胶降的绝对值随气流体积通量的增大而减小 , 而常规 2 、瓜胶 1 和水三者间的粘度差别较大 , 由此可推测 垂直上升流动的摩擦阻力压力降总是随气流通量的 出在图 3 中的不同液体条件下 , 持液率的差异是由 增大而单调增大. 于液体粘度对液体填塞流的持液率影响的结果. 从在化工鼓泡流的计算中 , 通常认为液体流 总趋势上来看 , 粘度增大则持液率增大.量为 0 , 因此壁面摩擦阻力压力降也设定为 0 , 但图 压力降是两相流的重要流动参数 , 液体填塞两 从试验数据的变化趋势上可看出 , 瓜胶溶液为 5 表明 , 对于液体填塞流 , 不能简单地认为壁面摩擦 液相的液体填塞两相流在不同流型时其流动阻力具 阻力为 0 . 图 5 同时表明 , 随液体粘度的增大 , 摩擦 (Δ Δ ) ( ) 有不同的特性. 在弹状流时 , p/p 与ln J 并 f t G阻力压力降的绝对值增大 . 不成线性关系 , 而在块状流时则成线性关系. 当液体 Δ Δ ) (为水 时 , 不 论 是 弹 状 流 还 是 块 状 流 , p/p 与 f t ( ) ln J 都成线性关系 . 综合考察各种液体 , 当气流体 G 积通量 J 从 0106 m/ s 增至 416 m/ s 时 , 摩擦阻力 G 压力降在总压力降中所占的百分比从 - 2 %变化至 - 38 % , 显然重位压力降在总压力降中占主导地位.4 结 论 液体填塞流有弹状流 、块状流和泛出流等流型 , 弹状流和块状流的持液率随无量纲气流通量的增大 5 液体填塞流的摩擦阻力压力降 图 呈对数规律减小 , 随液体粘度的增大而增大 , 本文提 出的持液率计算式与试验数据吻合 1 液体填塞流的Δ Δ 图 6 为摩擦阻力压力降 p在总压力降 p f t 摩擦阻力压力降与液相流量不为 0 的常规气液两相 (Δ Δ ) ( ) 中所占的百分比 , p/p 与 ln J 的关系曲线 f t G 流相比具有特殊性 , 摩擦阻力压力降为负值 , 与气流 存在拐点 , 拐点处对应于弹状流向块状流的流型转 (Δ Δ ) 通量 的 关 系 曲 线 存 在 极 值 点. 在 p/p 与f t 变 . 依据图 6 中数据点的变化趋势 , 可区分出弹状 ( ) ln J 的关系图上存在拐点 , 拐点处对应于弹状流G流 、块状流以及弹状流向块状流的过渡区. 当液体为 向块状流的流型转变. 弹状流和块状流的总压力降 瓜胶 1 时 , 过渡区为 J = 013 , 019 m/ s ; 液体为瓜 G 随气流体积通量的变化也近似呈对数规律 , 重位压 胶 2 时 , 过渡区为 J = 014, 110 m/ s. 当液体为水 G 力降在总压力降中占主导地位. 时 , 过渡区不明显 . 参考文献 : 1 Ko kal S , Stanislav J F. An analysis of t wo2p hase flow in inclined pipes wit h zero net liquid p roductio n J . J Can () Pet Tech ,1986 ,25 6:60,64 . Amaravadi S , Minami K , Sho ham O. The effect of p res2 2 sure o n t wop2hase zero net liquid flow in inclined pipes R . SP E , 28544 . New Orleans , U SA : Societ y of Pet roleum Engng ,1994 . 3 Duncan R W , Scot t S L . Vertical zero net liquid flow :ef2 fect s of high p ressure o n holdup A . Multi p hase Flow Technology C . Banff , Canada :B HR Grou p ,1998 . 68, 图 6 摩擦阻力压力降在总压力降中所占的百分比 85 . L evy S. Two2p hase flow in co mplex system M . New 4 Yor k :Jo hn Wildy & So ns ,1999 . 253 . ()编辑 王焕雪