淺析空分裝置兩相流基本原理

張行東

（中國空分設備有限公司，浙江 杭州 310004）

1 概述

氣液兩相流的流動過程十分復雜，與單相流體的流動機理不同，并且普遍存在于許多工程流體中。由于兩相流管道內壁持液，使管內徑變小；氣液兩相間產生相互運動，導致界面流動損失；液體在管中起伏運動產生能量損失等因素，兩相流的壓力降比相同質量流速的單相流大得多。

從工程應用的角度來看，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為是不加熱管中的流動，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備的投資，準確可靠的兩相流工程設計，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。

對于日趨大型化的空分裝置，兩相流管路壓降的大小對裝置的能耗和投資影響更加明顯，甚至可能由于錯誤的兩相流設計而導致整套空分裝置不能達到設計值，因此對空分兩相流的研究作用顯得更加重要。

2 兩相流流型

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

由于空分冷箱內兩相流水平管段一般距離較短，水平管內的阻力損失相對與垂直管來說，所占比例甚小，因此空分冷箱內兩相流計算，經常忽略水平段的兩相流阻力損失，僅考慮垂直管段計算，并按照閃蒸型不加熱垂直管考慮。計算時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范圍。

對于兩相流流型的研究，世界上有很多中理論，由于兩相流動邊界條件的復雜性和多變形，至今尚無一種理論能夠精確的模擬計算出實際的兩相流動。但針對不同介質在不同狀態下的兩相流動狀態，有很多理論研究的結果仍然能夠滿足工程設計的需要。

對于空分裝置中的垂直管道兩相流，目前應用比較廣泛的理論是Hewitt-Roberts垂直管道氣液兩相流理論，并且經過大量的實踐驗證能夠行之有效。

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，以每一相的表觀動量流通量作為流型圖的橫縱坐標。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的液體中，可近似看成純液體，一般出現在閥前。當氣體流速增加時，氣泡的尺寸、速度及數量也增加。

柱狀流:出現在泡沫流和環狀流的過渡區，由于小氣泡的凝結長大而產生的，氣相含量為：質量含量<2.4%，體積含量<43%，不規則的氣泡上升。液體和氣體交替呈柱狀向上移動，由于液體塊和氣泡互相尾隨著出現，造成了流道內很大的密度差和流體的可壓縮性，容易出現流動不穩定性，即流量隨時間發生變化。隨著系統壓力的升高，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，當壓力特別高時觀察不到柱狀流。此狀態在任何情況下均應該避免。

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

環狀流：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，氣體在管中心向上移動，部分液體呈液滴夾帶在氣體中，當氣體流速增加時，夾帶也增加。當氣相含量比泡沫流還高時，湍動紊亂現象逐漸消失，塊狀流被擊碎，形成氣相軸心，從而產生環狀流。環狀流的特征是液相沿管壁周圍連續流動，中心則是連續的氣體流。在液膜和氣相核心流之間，存在著一個波動的交界面。由于波的作用可能造成液膜的破裂，使液滴進入氣相核心流中，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。這種流動型式在兩相流中所占的范圍最大，是一種最典型的穩定流動型式，一般發生在節流閥后。

霧狀流：液體攜帶著氣泡上升，當氣體流速增加時，全部液體離開管壁呈微細的液滴，被氣體帶走。這種流型和環狀流很接近，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。這種流動型式也是一種可以接受的穩定流體，一般發生在節流閥后。

圖1

圖2

以上五種流型中，環狀流和霧狀流兩相流體的流動最為穩定，阻力損失也最小，合適比例的氣相能夠將液相一起帶入需要到達的高度，這兩種流型才是空分兩相流中可以接受的流型。因此，兩相流計算的目的，就是要通過工程手段，將垂直上升管內的兩相流流型調整到可以接受的環狀流和霧狀流流型。

3 垂直管道中的氣液兩相流流型轉換

實際中從一種流型轉變向另一流型的演變并非突變，而有一個過渡過程，相應地，當采用象壓力、流量、含氣率等流動參數等宏觀特性表征流型時，不同流型之間的邊界是一個過渡帶而不是明顯的分界線。為了實現流型的調整，需要了解流型之間相互轉換的機理（見圖2）。

氣泡流-柱狀流轉換：部分研究認為氣泡流流體內形成了空隙波，在這些波的內部，氣泡逐漸靠近更加容易結合，這樣就形成了柱狀流。

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

泡沫流-環狀流轉換：在泡沫流區域以后，隨著氣體流速的增加，壓力梯度開始會降低并達到一個最小值。泛流波以及與之相關聯的強烈的氣液交互作用促進了大的壓力梯度，當泛流波消失時，壓力梯度也相應的減小。隨后壓力梯度又會隨著氣流率的增加而再次增加。在形成環狀流時，液膜處沒有逆流。這中狀態可能導致了壓力損失最小，并且這也是是否存在逆流的分界點。盡管泡沫流和環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。

環狀流-霧狀流轉換：這個過程可能是由于臨界的液體動力沖擊而至，這種轉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口端標高不同而產生的壓力降稱為重力壓力降，可以是正值或負值，計算公式為：

當氣體壓力低、密度小時，可忽略不計；但壓力高時應計算。

速度壓力降：

Le--管線的總有效長度（包括閥門、管件等的當量長度，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，無因次。

di--管道內徑，m

當Re>4000時，摩擦系數

當Re<=2100時，摩擦系數

當2100

結語

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

[1]HG/T20570.7-95管道壓力降計算[Z].

[2]SH/T3035-2007石油化工企業工藝裝置管徑選擇導則[Z].

[3]空分裝置兩相流計算方法介紹[Z].