淺析空分裝置兩相流基本原理

張行東

（中國空分設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310004）

1 概述

氣液兩相流的流動(dòng)過程十分復(fù)雜，與單相流體的流動(dòng)機(jī)理不同，并且普遍存在于許多工程流體中。由于兩相流管道內(nèi)壁持液，使管內(nèi)徑變??；氣液兩相間產(chǎn)生相互運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致界面流動(dòng)損失；液體在管中起伏運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生能量損失等因素，兩相流的壓力降比相同質(zhì)量流速的單相流大得多。

從工程應(yīng)用的角度來看，研究兩相流的意義在于確定流體的換熱特性和壓降特性，而由于空分裝置中的兩相流被認(rèn)為是不加熱管中的流動(dòng)，所以主要研究壓降特性。而壓降的大小直接影響著裝置的能耗和設(shè)備的投資，準(zhǔn)確可靠的兩相流工程設(shè)計(jì)，可以避免由于兩相流流路壓降過大而液體不能全量輸送到終端，可以確定準(zhǔn)確的閥門安裝高度，可以判斷通過具體那種方式來解決兩相流問題。

對(duì)于日趨大型化的空分裝置，兩相流管路壓降的大小對(duì)裝置的能耗和投資影響更加明顯，甚至可能由于錯(cuò)誤的兩相流設(shè)計(jì)而導(dǎo)致整套空分裝置不能達(dá)到設(shè)計(jì)值，因此對(duì)空分兩相流的研究作用顯得更加重要。

2 兩相流流型

兩相流動(dòng)型式就是氣液兩相流動(dòng)中兩相介質(zhì)的分布狀況。兩相流的壓降及兩相流的不穩(wěn)定性的研究，是與流動(dòng)型式密不可分的，流動(dòng)型式取決于氣泡份額和相分布，流動(dòng)型式的不同，對(duì)壓降起主要作用的因素是不同的，因而計(jì)算壓降的公式也有差別，另外流型的轉(zhuǎn)變還會(huì)引起流動(dòng)的不穩(wěn)定性。

由于空分冷箱內(nèi)兩相流水平管段一般距離較短，水平管內(nèi)的阻力損失相對(duì)與垂直管來說，所占比例甚小，因此空分冷箱內(nèi)兩相流計(jì)算，經(jīng)常忽略水平段的兩相流阻力損失，僅考慮垂直管段計(jì)算，并按照閃蒸型不加熱垂直管考慮。計(jì)算時(shí)可以把管道分成若干小段，每一段按照非閃蒸型兩相流模型計(jì)算。為了使用方便就采用流型圖的方式來表征兩相流。流型圖是二維圖形，它表示了各種流型存在的參數(shù)范圍。

對(duì)于兩相流流型的研究，世界上有很多中理論，由于兩相流動(dòng)邊界條件的復(fù)雜性和多變形，至今尚無一種理論能夠精確的模擬計(jì)算出實(shí)際的兩相流動(dòng)。但針對(duì)不同介質(zhì)在不同狀態(tài)下的兩相流動(dòng)狀態(tài)，有很多理論研究的結(jié)果仍然能夠滿足工程設(shè)計(jì)的需要。

對(duì)于空分裝置中的垂直管道兩相流，目前應(yīng)用比較廣泛的理論是Hewitt-Roberts垂直管道氣液兩相流理論，并且經(jīng)過大量的實(shí)踐驗(yàn)證能夠行之有效。

Hewitt-Roberts流型圖是基于管徑31.2mm，壓力0.14～0.59Mpa的空氣-水混合物試驗(yàn)，以每一相的表觀動(dòng)量流通量作為流型圖的橫縱坐標(biāo)。把非閃蒸型垂直管氣液兩相流分為五種流型，具體如圖1。

氣泡流：氣相含量很少，少量的氣體呈氣泡分散在向上流動(dòng)的液體中，可近似看成純液體，一般出現(xiàn)在閥前。當(dāng)氣體流速增加時(shí)，氣泡的尺寸、速度及數(shù)量也增加。

柱狀流:出現(xiàn)在泡沫流和環(huán)狀流的過渡區(qū)，由于小氣泡的凝結(jié)長大而產(chǎn)生的，氣相含量為：質(zhì)量含量<2.4%，體積含量<43%，不規(guī)則的氣泡上升。液體和氣體交替呈柱狀向上移動(dòng)，由于液體塊和氣泡互相尾隨著出現(xiàn)，造成了流道內(nèi)很大的密度差和流體的可壓縮性，容易出現(xiàn)流動(dòng)不穩(wěn)定性，即流量隨時(shí)間發(fā)生變化。隨著系統(tǒng)壓力的升高，液體表面張力減小，不能形成大氣泡，因而，柱狀流存在的范圍較小，當(dāng)壓力特別高時(shí)觀察不到柱狀流。此狀態(tài)在任何情況下均應(yīng)該避免。

泡沫流：氣相含量為：質(zhì)量含量<3.9%，體積含量<56%，泡沫流是由于大氣泡破裂所形成的湍動(dòng)紊亂的流型，這種流動(dòng)的特征是振蕩型的，液相在通道中交替地上下運(yùn)動(dòng)，像煮沸的乳液一樣，一般來說，這也是一種過渡流型。此狀態(tài)在任何情況下也均應(yīng)該避免。

環(huán)狀流：液體攜帶著氣泡上升，液體以小于氣體的速度沿管壁向上移動(dòng)，氣體在管中心向上移動(dòng)，部分液體呈液滴夾帶在氣體中，當(dāng)氣體流速增加時(shí)，夾帶也增加。當(dāng)氣相含量比泡沫流還高時(shí)，湍動(dòng)紊亂現(xiàn)象逐漸消失，塊狀流被擊碎，形成氣相軸心，從而產(chǎn)生環(huán)狀流。環(huán)狀流的特征是液相沿管壁周圍連續(xù)流動(dòng)，中心則是連續(xù)的氣體流。在液膜和氣相核心流之間，存在著一個(gè)波動(dòng)的交界面。由于波的作用可能造成液膜的破裂，使液滴進(jìn)入氣相核心流中，氣相核心流中的液滴在一定條件下也能返回到壁面的液膜中來。這種流動(dòng)型式在兩相流中所占的范圍最大，是一種最典型的穩(wěn)定流動(dòng)型式，一般發(fā)生在節(jié)流閥后。

霧狀流：液體攜帶著氣泡上升，當(dāng)氣體流速增加時(shí)，全部液體離開管壁呈微細(xì)的液滴，被氣體帶走。這種流型和環(huán)狀流很接近，只是在氣芯中液體彌散相得濃度足以使小液滴連成串向上流動(dòng)。這種流動(dòng)型式也是一種可以接受的穩(wěn)定流體，一般發(fā)生在節(jié)流閥后。

圖1

圖2

以上五種流型中，環(huán)狀流和霧狀流兩相流體的流動(dòng)最為穩(wěn)定，阻力損失也最小，合適比例的氣相能夠?qū)⒁合嘁黄饚胄枰竭_(dá)的高度，這兩種流型才是空分兩相流中可以接受的流型。因此，兩相流計(jì)算的目的，就是要通過工程手段，將垂直上升管內(nèi)的兩相流流型調(diào)整到可以接受的環(huán)狀流和霧狀流流型。

3 垂直管道中的氣液兩相流流型轉(zhuǎn)換

實(shí)際中從一種流型轉(zhuǎn)變向另一流型的演變并非突變，而有一個(gè)過渡過程，相應(yīng)地，當(dāng)采用象壓力、流量、含氣率等流動(dòng)參數(shù)等宏觀特性表征流型時(shí)，不同流型之間的邊界是一個(gè)過渡帶而不是明顯的分界線。為了實(shí)現(xiàn)流型的調(diào)整，需要了解流型之間相互轉(zhuǎn)換的機(jī)理（見圖2）。

氣泡流-柱狀流轉(zhuǎn)換：部分研究認(rèn)為氣泡流流體內(nèi)形成了空隙波，在這些波的內(nèi)部，氣泡逐漸靠近更加容易結(jié)合，這樣就形成了柱狀流。

柱狀流-泡沫流轉(zhuǎn)換：泡沫流的本質(zhì)就是正在發(fā)展中的柱狀流，泛流波只在泡沫流中始終出現(xiàn)，而不會(huì)在柱狀流和環(huán)狀流中出現(xiàn)。這種波會(huì)不斷重復(fù)的在泡沫流中形成，并且向上傳送液體。在連續(xù)的泛流波之間，在靠近管壁處，氣液交界面處的液相會(huì)返向流動(dòng)，并最終被下一個(gè)上升移動(dòng)波給帶走。泡沫流的開始往往都伴隨著壓力梯度的急劇增加。

泡沫流-環(huán)狀流轉(zhuǎn)換：在泡沫流區(qū)域以后，隨著氣體流速的增加，壓力梯度開始會(huì)降低并達(dá)到一個(gè)最小值。泛流波以及與之相關(guān)聯(lián)的強(qiáng)烈的氣液交互作用促進(jìn)了大的壓力梯度，當(dāng)泛流波消失時(shí)，壓力梯度也相應(yīng)的減小。隨后壓力梯度又會(huì)隨著氣流率的增加而再次增加。在形成環(huán)狀流時(shí)，液膜處沒有逆流。這中狀態(tài)可能導(dǎo)致了壓力損失最小，并且這也是是否存在逆流的分界點(diǎn)。盡管泡沫流和環(huán)狀流在管壁都有液體層，管道中間是氣流核心，但是這兩種流體型式中流體的屬性卻完全不同。

環(huán)狀流-霧狀流轉(zhuǎn)換：這個(gè)過程可能是由于臨界的液體動(dòng)力沖擊而至，這種轉(zhuǎn)變都是靠一些主觀的判斷。

4 垂直管道氣液兩相流壓力降理論計(jì)算

管道均視為光管，垂直管道氣液兩相流管路總壓力降由重力壓力降、速度壓力降和摩擦壓力降組成：

重力壓力降：

由于管道出口端和進(jìn)口端標(biāo)高不同而產(chǎn)生的壓力降稱為重力壓力降，可以是正值或負(fù)值，計(jì)算公式為：

當(dāng)氣體壓力低、密度小時(shí)，可忽略不計(jì)；但壓力高時(shí)應(yīng)計(jì)算。

速度壓力降：

Le--管線的總有效長度（包括閥門、管件等的當(dāng)量長度，m）。

uh--氣、液兩相混合物流速，m/s

f--氣、液兩相混合物的摩擦系數(shù)，無因次。

di--管道內(nèi)徑，m

當(dāng)Re>4000時(shí)，摩擦系數(shù)

當(dāng)Re<=2100時(shí)，摩擦系數(shù)

當(dāng)2100

結(jié)語

空分冷箱內(nèi)的存在兩相流的流體很多，需要經(jīng)過嚴(yán)格地兩相流計(jì)算的位置主要包括：液空從下塔到上塔（從下塔下部或中部抽取的污液空進(jìn)上塔和下塔底部液空進(jìn)上塔或粗氬冷凝器和精氬冷凝器），液氮從下塔到上塔，高壓液體節(jié)流進(jìn)下塔，透平分離器后液體進(jìn)上塔。具體的兩相流計(jì)算方法將在后期“空分裝置兩相流計(jì)算方法介紹”文章中進(jìn)行詳細(xì)介紹。

[1]HG/T20570.7-95管道壓力降計(jì)算[Z].

[2]SH/T3035-2007石油化工企業(yè)工藝裝置管徑選擇導(dǎo)則[Z].

[3]空分裝置兩相流計(jì)算方法介紹[Z].