氣液并流向下通過脈沖流增強型篩板填料的流體力學(xué)研究

丁安焱, 郝仁杰, 譙 敏, 王松年, 范沐易, 黃衛(wèi)星

氣液并流向下通過脈沖流增強型篩板填料的流體力學(xué)研究

丁安焱1, 郝仁杰2, 譙 敏2, 王松年1, 范沐易1, 黃衛(wèi)星1

(1. 四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院, 四川 成都 610065;2.中國核動力研究設(shè)計院中核核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計/熱工水力重點實驗室, 四川 成都 610213)

為強化堆疊篩板填料中的脈沖流動，從小孔擾動機理出發(fā)，在常規(guī)堆疊篩板基礎(chǔ)上提出了脈沖流增強型篩板。利用高速攝像儀和壓力傳感器研究了氣液兩相并流向下通過增強型篩板填料的動力學(xué)特征，闡明了操作條件與填料規(guī)格對壓降、流型及脈沖特性的影響。結(jié)果表明，與常規(guī)堆疊篩板填料相比，脈沖流增強型篩板填料脈沖流操作條件范圍明顯變寬，兩相流壓降降低；同時脈沖流形態(tài)分散性更好，脈沖頻率明顯增大、強度增強。這有助于加強氣液兩相的相互作用、提高氣液傳遞效率。

篩板填料；氣液并流；脈沖特性；脈沖流

1 前 言

氣液并流通過堆疊篩板填料作為一種高效的氣液接觸模式，已成功應(yīng)用于核電廢液處理等領(lǐng)域[1]。該填料由多塊篩板堆疊而成，具有低壓降、無液泛、通量大等優(yōu)點[2～7]，同時篩板的獨特結(jié)構(gòu)能夠提高氣液界面更新率和傳遞效率[1-3, 8]。

采用堆疊篩板填料的實驗表明，氣液兩相并流向下流動過程可呈現(xiàn)出滴流、連續(xù)流、脈沖流、半分散流、完全分散流5種流動形態(tài)[1]。脈沖流作為一種特殊流型，在填料中會出現(xiàn)液相聚集的富液區(qū)和氣相聚集的富氣區(qū)，它們沿著填料交替向下傳播，增加了填料的潤濕性、加快了液膜更新、減小了流動死區(qū)[9-12]。現(xiàn)有研究表明[9-11, 13-18]，在脈沖流狀態(tài)下，氣液兩相湍動更加明顯，具有較高的傳熱傳質(zhì)效率，已成為填料塔操作運行的特定流型，其流體力學(xué)行為對相關(guān)設(shè)備的設(shè)計與操作都具有十分重要的意義[16, 19]。

脈沖流中液相流動形態(tài)直接影響傳質(zhì)效率[20]，但常規(guī)堆疊篩板填料中的液相脈沖通常會覆蓋整塊篩板，分散程度較低，且脈沖流的氣液操作范圍較窄[2-3]。Shi等[1]和Qiao等[2]通過實驗發(fā)現(xiàn)，篩孔孔徑對脈沖流的形成和特性有顯著影響，其中小孔篩板產(chǎn)生脈沖流的傾向性更強。此外，不少研究人員[16, 21-23]也通過實驗得到了散堆填料中填料尺寸越小，即填料間隙越小，越容易產(chǎn)生脈沖流的結(jié)論。這是因為氣液兩相流動不暢通形成的互相擾動是導(dǎo)致脈沖流的主要原因。從這一角度出發(fā)，為增強氣液兩相的相互擾動，擴展脈沖流操作區(qū)域，本研究在常規(guī)篩板基礎(chǔ)上增加小孔，提出了脈沖流增強型篩板填料(如圖1)。該增強型篩板開孔率變化不大，流動上形成大孔套小孔的結(jié)構(gòu)，將流體收縮再分散，易于形成分散的局部脈沖，進(jìn)一步增強氣液兩相之間的相互作用。

針對脈沖流增強型篩板填料的流體動力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的實驗觀察和測試，研究了不同填料結(jié)構(gòu)與操作條件下增強型篩板填料中流型轉(zhuǎn)變與壓降的變化規(guī)律，并分析了脈沖范圍、脈沖結(jié)構(gòu)和脈沖頻率的影響因素。

圖1 脈沖流增強型填料塔結(jié)構(gòu)示意圖

2 實驗部分

2.1 脈沖流增強型篩板填料

脈沖流增強型篩板填料是在Shi等[1]的常規(guī)堆疊篩板填料(如圖2(a)所示)基礎(chǔ)上，為改善脈沖流操作范圍提出的一種新型篩板填料，結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，其中大孔與小孔的直徑之比約為3:1。篩板依次錯開90°安裝在200 mm×200 mm×600 mm的有機玻璃殼體內(nèi)，安裝效果見圖2(c) (實線為上板，虛線為下板)。相比于常規(guī)篩板填料中兩相流通過篩孔后直接沖擊至篩板的流動模式，增強型篩板中上一塊篩板的大孔對應(yīng)下一塊篩板的小孔，減小了板面積液與局部阻力，同時大孔套小孔的結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)氣液相互作用，有助于提高傳遞效率。

圖2 篩板結(jié)構(gòu)及安裝效果圖

實驗采用了A、B、C、D、E 5種規(guī)格的新型篩板填料，幾何參數(shù)如表1所示，a、b、c為常規(guī)篩板填料[1]。

2.2 實驗裝置及流程

實驗裝置示意如圖3所示，氣相自填料塔頂經(jīng)空氣分布器噴入，液相由恒定液位的高位水槽送入填料塔頂自液體分布器噴淋而下，氣液相流量由流量計控制。使用U型管壓差計同時測量篩板填料上部7塊、14塊、21塊篩板的壓降。壓降波動幅度由壓力傳感器監(jiān)測，實驗前，需使用U型管壓差計對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。高速攝像儀用以拍攝流體流動形態(tài)。實驗在常溫常壓下進(jìn)行，以空氣與水為介質(zhì)，氣相體積流量范圍為20～180 m3×h-1，液相體積流量范圍為0.4～1.6 m3×h-1。

表1 篩板填料的幾何特性參數(shù)

圖3 實驗裝置示意圖

1. pump 2.water storage tank 3. water surge tank 4. liquid flow meter 5. high-speed camera 6. pressure tap 7. packed column 8. light 9. air flow meter 10. silencer 11. blower

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 兩相流壓降的基本特性

圖4為填料A、B、C在G=130 m3×h-1時不同L下的壓降D變化規(guī)律，隨著L增加，兩相流壓降近似呈線性增加，且越小壓降越大。圖5為填料A、B、C在L=1.6 m3×h-1時不同G下兩相流壓降變化，隨著G的增加，壓降的增加幅度逐漸上升。

圖4 填料中液相流量對兩相流壓降的影響

圖5 填料中氣相流量對兩相流壓降的影響

觀察圖4與圖5壓降變化范圍，可以得到填料A、B、C在同一G下隨著L增大壓降變化范圍均小于同一L下隨著G增大的壓降變化范圍，由此可見，氣相流量對篩板壓降的影響相比液相流量更為顯著，起主導(dǎo)作用。

圖6表示了L=0.8 m3×h-1時，增強型篩板填料C與文獻(xiàn)[1]中常規(guī)篩板填料c壓降的對比。從圖中可以看出，增強型篩板填料的壓降均低于常規(guī)篩板填料，且高氣量下，壓降明顯減小。與常規(guī)篩板填料中/和/的值對壓降有顯著影響不同(/和/的值分別體現(xiàn)了流體沖擊下一塊篩板以及流體流動方向突然轉(zhuǎn)變引起阻力損失的效應(yīng))，增強型篩板填料形成了大孔套小孔的結(jié)構(gòu)，所以新填料中流體沖擊下一塊篩板產(chǎn)生的阻力明顯變小，且流體流動方向突然轉(zhuǎn)變引起的阻力損失也減小，故增強型篩板填料壓降降低，而高氣量下阻力主要由氣相確定，而氣相阻力由平均氣速確定，增加小孔后，氣體的平均流速降低，故壓降減小明顯。與填料C類似，新型填料A和B的壓降也均低于常規(guī)篩板填料。

圖6 填料C與c的兩相流壓降對比圖

3.2 脈沖流操作區(qū)域及其影響因素

在實驗中通過觀察得到各流型之間的轉(zhuǎn)換邊界，脈沖流轉(zhuǎn)換邊界由上限和下限組成，考慮到觀測誤差，上、下限邊界分別存在過渡區(qū)，如圖7所示。

圖7 不同填料的脈沖流操作區(qū)域范圍圖

在實驗提供的氣液通量范圍內(nèi)，填料A中并未出現(xiàn)脈沖流型，而在填料B和C中均出現(xiàn)了脈沖流，如圖7(a)和(b)所示。從圖7(a)可看出，在填料B中可以觀測到4種流動模式：滴流、連續(xù)流、脈沖流、半分散流。圖7(b)顯示填料C的脈沖流操作范圍顯著加寬，以至于填料C中只觀察到了滴流、連續(xù)流、脈沖流3種流動模式?？梢姡_孔率越小，越容易產(chǎn)生脈沖。與常規(guī)堆疊篩板填料[1]相比，填料B和C的脈沖流氣液操作范圍均明顯變寬，可知脈沖流增強型篩板填料更容易實現(xiàn)脈沖流動模式，這是由于填料孔徑越小脈沖流越容易產(chǎn)生，且增強型篩板填料大孔套小孔的結(jié)構(gòu)使得流體不斷地收縮與擴張，增強了流體擾動，更容易實現(xiàn)脈沖流。

將填料C、D、E中脈沖流操作區(qū)域進(jìn)行對比，見圖7(b)～(d)，發(fā)現(xiàn)隨著篩板數(shù)的減少，脈沖流范圍也逐漸縮小，可知篩板數(shù)量也是控制脈沖流范圍的關(guān)鍵因素。又因脈沖流是液體擾動波沿著填料層的動態(tài)傳輸過程，故可推測若在填料A中繼續(xù)增加篩板數(shù)量，最終仍可觀察到脈沖流。

3.3 脈沖流的基本特征

3.3.1 脈沖流結(jié)構(gòu)

當(dāng)增強型篩板填料中通過的氣液通量達(dá)到某一值時，可觀察到液相聚集的富液區(qū)和氣相聚集的富氣區(qū)交替通過填料，即產(chǎn)生了脈沖流，如圖8所示。圖中陰影部分為液相聚集的富液區(qū)。相關(guān)研究指出[2, 24～26]，脈沖流是液相擾動波在篩板間被疊加放大的動力學(xué)過程。圖8(a)～(c)為填料C在L=67.9 kg×m-2×s-1時增大G脈沖結(jié)構(gòu)的變化過程，從圖中可以看到，隨著氣相質(zhì)量通量的增加，脈沖覆蓋區(qū)域先增大后減小。這是因為增大氣量有利于脈沖的疊加放大，使得脈沖強度增強，覆蓋區(qū)域增大；進(jìn)一步增大氣量，由于氣相對液相的分散作用增強，因此脈沖強度逐漸減弱，覆蓋區(qū)域減小。圖9(a)～(c)為填料C在G=6.57 kg×m-2×s-1下，增大L時脈沖結(jié)構(gòu)的變化過程，隨著液相質(zhì)量通量的增大，促進(jìn)了液體擾動波的形成，脈沖強度增強，脈沖覆蓋區(qū)域逐漸變大。

圖8 填料C在WL =67.9 kg×m-2×s-1時脈沖結(jié)構(gòu)隨WG的變化過程

圖9 填料C在WG =6.57 kg×m-2×s-1時脈沖結(jié)構(gòu)隨WL的變化過程

此外，從圖8和9中還可以發(fā)現(xiàn)隨著氣相通量和液相通量的增大，脈沖在向下傳播的過程中塔內(nèi)多為分散的局部脈沖，這是增強型篩板填料獨特的幾何特征導(dǎo)致的。具體地，氣液兩相在篩板填料間的流動是反復(fù)收縮與擴張的過程，其在孔口附近的互相作用尤為強烈，富液區(qū)的液相經(jīng)過小篩孔噴射散布在篩板間，進(jìn)一步分散了液相脈沖，促進(jìn)局部脈沖的產(chǎn)生，使得脈沖無法匯聚成大片可見脈沖而橫跨整塊篩板[2]；同時，增加小篩孔能夠增強相間作用，有助于提高填料塔的傳質(zhì)性能。與常規(guī)堆疊篩板填料脈沖形態(tài)相比，增強型篩板填料的脈沖形態(tài)小而分散，兩相接觸面積大大增加，氣液兩相摻混進(jìn)一步加強。

3.3.2 脈沖頻率

通過高速攝像機捕捉填料中固定30 s內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù)測量脈沖頻率，計算3次實驗的平均值以減小誤差。

圖10為不同L下填料C的脈沖頻率隨G的變化，增大G，脈沖頻率先迅速增大然后逐漸減小。脈沖的產(chǎn)生與流體通過孔口時的氣-液兩相擾動有關(guān)，隨著G的增大，氣-液兩相通過篩孔時擾動加劇，使得脈沖容易產(chǎn)生，又因為小孔的擾動作用疊加，導(dǎo)致局部脈沖大量出現(xiàn)，脈沖數(shù)量瞬間增多，因此頻率在小氣量范圍內(nèi)激增，但當(dāng)G增大到一定程度后，氣相對液相的分散作用也增大，流動向分散流轉(zhuǎn)化(液滴粒徑減小、數(shù)量增加，氣-液作用趨于均勻、宏觀脈動逐漸消失)，故脈沖頻率在達(dá)到峰值后開始逐漸減少，頻率峰值出現(xiàn)在中等氣量條件下。從圖中還可發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率隨著L的增大而增大，這是由于液相通量的增大減弱了氣相對液相的分散作用，促進(jìn)了局部脈沖的產(chǎn)生從而引起脈沖頻率增大。圖11表示了增強型篩板填料C和常規(guī)篩板填料c脈沖頻率的對比，發(fā)現(xiàn)前者的脈沖頻率明顯增大，進(jìn)一步說明了增強型填料中氣液兩相間相互作用增強。

圖10 不同WL下填料C的脈沖頻率隨WG的變化規(guī)律

圖11 填料C脈沖頻率對比圖

3.3.3 脈沖強度

壓降的波動幅度反映了填料塔內(nèi)流體湍動的強度，因此脈沖強度可以用壓降波動劇烈程度來表征，壓降波動越劇烈，脈沖強度越大。

圖12所示為填料C在L=68.0 kg×m-2×s-1時的壓降波動與氣相質(zhì)量通量的關(guān)系，對應(yīng)填料C的脈沖流操作區(qū)域范圍(圖7(b))，隨著脈沖流的出現(xiàn)，壓降信號出現(xiàn)了類似周期性波動，這是因為富液區(qū)會暫時阻礙氣流通過，從而導(dǎo)致壓降激增，富液區(qū)通過篩板后，壓降又迅速減小。在脈沖流狀態(tài)下，隨著G增加，壓降波動先增大后減小，對應(yīng)的脈沖強度也先增大后減小。這是因為G增加時，氣流對液相的擾動逐漸增強，促進(jìn)液相形成液體擾動波，脈沖強度增強，壓降波幅增大；繼續(xù)增大G，液相被逐漸分散，難以聚集形成擾動波，故脈沖強度減弱。

圖12 填料C在WL =68.0 kg×m-2×s-1時的壓降波動與WG的關(guān)系

1.G=2.5 kg×m-2×s-12.G=4.1 kg×m-2×s-13.G=5.7 kg×m-2×s-14.G=7.4 kg×m-2×s-15.G=10.7 kg×m-2×s-16.G=12.3 kg×m-2×s-17.G=14.0 kg×m-2×s-1

圖13(a)～(c)給出了填料C與c在液相流量為0.8 m3×h-1下，不同氣量下的壓降波動對比。從圖中可以看出，增強型篩板填料的壓降波動幅度均大于常規(guī)篩板填料，因為增強型篩板填料產(chǎn)生的脈沖分散性好且脈沖頻率快，故填料塔內(nèi)流體湍動程度較為劇烈，新型篩板填料的脈沖流強度增強，進(jìn)一步增強了氣液兩相的摻混程度。

圖13 填料C的壓降波動情況對比圖

4 結(jié) 論

從小孔增強流動擾動的角度提出增強型篩板填料，通過實驗數(shù)據(jù)分析，研究了氣液并流向下通過脈沖流增強型篩板填料的流體力學(xué)特性，得出結(jié)論如下：

(1) 脈沖流增強型篩板填料與常規(guī)篩板填料相比，其產(chǎn)生脈沖流的傾向顯著增強，即脈沖流下限降低、上限提高，操作區(qū)域范圍增大；實驗范圍內(nèi)，填料開孔率減小、板數(shù)增多、脈沖流操作范圍加寬。

(2) 就脈沖流特性而言，增強型填料中產(chǎn)生的脈沖流形態(tài)分散性更好，且脈沖頻率明顯增大，有利于增強整體氣液接觸、表面更新和傳質(zhì)傳熱效率。

(3) 與常規(guī)篩板填料相比，增強型篩板填料因開孔率增加其兩相流壓降相應(yīng)減小，壓降隨氣相流量和液相流量的變化趨勢基本一致；但在脈沖流區(qū)域，壓降波動幅度更大，填料內(nèi)脈沖流強度增加，有助于增強氣液兩相的相互作用。

b— 板間距，mm?p?壓降，Pa D?篩孔大孔孔徑，mmQG?氣相體積流量，m3×h-1 d?篩孔小孔孔徑，mmQL?液相體積流量，m3×h-1 e?板厚，mmt?時間，s f?脈沖頻率，HzWG?氣相質(zhì)量通量，kg×m-2×s-1 L?篩板邊長，mmWL?液相質(zhì)量通量，kg×m-2×s-1 l?孔間距，mmα?開孔率，% N?篩板數(shù)量

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Hydrodynamics of gas-liquid co-current flow down through pulse-flow enhanced sieve packing

DING An-yan1, HAO Ren-jie2, QIAO Min2, WANG Song-nian1, FAN Mu-yi1, HUANG Wei-xing1

(1. School of Chemical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China;2.Key laboratories of Reactor system design/Thermal hydraulics, Nuclear Power Institute of China,Chengdu 610213, China)

In order to strengthen the pulse flow in the packing of stacked sieve plates, a pulse flow enhanced sieve plate was proposed with conventional stacked sieve plates based on the small hole disturbance mechanism. High-speed camera and pressure sensor were used to study the dynamic characteristics of gas-liquid two-phase flow down through the pulse-flow enhanced sieve packing. The influence of operating conditions and packing specifications on pressure drop, flow pattern along with pulse characteristics were illustrated. The results show that the pulse-flow enhanced sieve packing has a significantly wider operating condition range of pulse flow, and the pressure drop of the two-phase flow is reduced compared with the conventional stacked sieve plate packing. Meanwhile, the pulse flow morphology is better dispersed, the pulse frequency is significantly increased, and its intensity is enhanced. This study is beneficial to strengthen gas-liquid two-phase interaction and improve gas-liquid transfer efficiency.

sieve packing; gas-liquid co-current flow; pulse characteristics; pulsing flow

1003-9015(2022)02-0176-08

TQ021.1

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2022.02.004

2021-08-01；

2021-10-10。

丁安焱 (1996-)，女，貴州遵義人，四川大學(xué)碩士生。

黃衛(wèi)星，E-mail：hwx@scu.edu.cn

丁安焱, 郝仁杰, 譙敏, 王松年, 范沐易, 黃衛(wèi)星.氣液并流向下通過脈沖流增強型篩板填料的流體力學(xué)研究[J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報, 2022, 36(2): 176-183.

：DING An-yan, HAO Ren-jie, QIAO Min, WANG Song-nian, FAN Mu-yi, HUANG Wei-xing. Hydrodynamics of gas-liquid co-current flow down through pulse-flow enhanced sieve packing [J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2022, 36(2): 176-183.